基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統的製作方法

2023-07-15 01:19:46

專利名稱：基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型關於納米通道(Nanopore)技術領域，主要是關於納米通道 (Nanopore)技術的數據採集、記錄與處理等方面。
背景技術：
納米通道(Nanopore)技術是一項結合生物物理、分子生物學以及生物傳感器等 學科於一體的新型納米檢測技術。目前在大多數實驗室用於完成納米通道(Nanopore)數據採集與記錄的是膜片 鉗(Patch Clamp)技術。該技術是一種通過微電極與細胞膜之間形成緊密接觸的方法，採 用電壓鉗或電流鉗技術對生物膜上離子通道的電活動進行記錄的微電極技術。實驗信號 通過Axopatch系列膜片鉗放大器輸入到Digidata系列數模轉換器中，由成熟的商業軟體 Pclamp中的「單通道模式」進行數據記錄和分析。此項技術中，事件(Event)是單通道數據 記錄與分析的基本元素，通過分析事件的電流幅度與持續時間，實驗者便可得到被檢測物 質的結構、大小等信息。這項技術的開發與發展針對的是各種肌細胞、神經元、內分泌細胞血細胞等動物 或人體細胞，細菌，真菌以及植物細胞，不能完全滿足本實驗技術所用的平面雙分子層的應 用。另外I^atch Clamp技術無法準確地提供電流阻斷時間和電流下降幅值，使後續數據處 理有所不便。此外，其所需的儀器、數據採集軟體和檢測分析系統造價昂貴且實驗用途比較單一。本實用新型的背景技術還可參考如下文獻1.劉振偉。實用膜片鉗技術。ISBN 7-80121-777-2/R. 770 ；2.戴光，劉鵬，張穎。基於LabVIEW共享變量的管道洩漏遠程監測系統。儀表技 術，2009，1(15)；3.徐宏坤，方方，崔軍亮等。基於LabVIEW的能譜分析系統設計。核技術，2009， l(Vol. 32，No. 1)；4.陳清培，閏寶瑞，楊於光等。基於LabVIEW的多通道注塑機數據採集系統開發。 中國塑料，2009，2 (Vol. 23，No. 2)。
發明內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種結構簡單，造價低廉，操作 簡單的納米通道單分子檢測系統。為達到上述目的，本實用新型採用如下技術方案一種基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統，包含數據採集裝置，其包含數據 採集板卡、與數據採集板卡聯接的放大器、和與該放大器聯接的傳感器；數據處理裝置，聯 接所述數據採集裝置，處理來自數據採集裝置的數據；數據結果顯示裝置，聯接所述數據處 理裝置，包含與所述數據處理裝置聯接的波形輸出單元和與該波形輸出單元聯接的波形定
3位、回放與保存單元；數據過濾裝置，聯接所述數據處理裝置；以及數據存儲與檢索裝置， 聯接所述數據過濾裝置，包含與所述數據過濾裝置聯接的數據存儲單元和與該數據存儲單 元聯接的數據檢索與導出單元。所述數據採集板卡是PCI-6251數據採集板卡。所述放大器是正向放大器或反向放大器中的一種。所述波形輸出單元包含時間-電壓圖展示模塊、時間-電流圖展示模塊、和時 間-電阻圖展示模塊。本實用新型構建的系統中可同時顯示電壓、電流和電阻值，即時顯示孔道內檢測 的分子信息，實現實時監控。本實用新型結構簡單，因此整套系統造價低廉，操作簡單。
以下結合附圖對本實用新型的實施和優點作進一步解釋。

圖1是本實用新型基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統的結構框圖；圖2是本實用新型數據處理過程的流程圖；圖3a、圖北和圖3c是本實用新型的程序框圖；圖4顯示本實用新型的波形輸出單元；圖5是本實用新型的工作原理示意圖。
具體實施方式
參見圖1。依據本實用新型的一種基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統100， 包含數據採集裝置10，其包含數據採集板卡11、與數據採集板卡聯接的放大器12、和與該 放大器聯接的傳感器13 ；數據處理裝置20，聯接所述數據採集裝置10，處理來自數據採集 裝置10的數據；數據結果顯示裝置30，聯接所述數據處理裝置20，包含與所述數據處理裝 置10聯接的波形輸出單元31和與該波形輸出單元31聯接的波形定位、回放與保存單元 32;數據過濾裝置40，聯接所述數據處理裝置20，將採集到的所有數據按照預先設定的數 據採集規則進行核對，保留正確的數據，去除不正確的數據，並進行提示，以供用戶選擇重 新顯示去除不正確數據後的數據統計結果；以及數據存儲與檢索裝置50，聯接所述數據過 濾裝置40，包含與所述數據過濾裝置40聯接的數據存儲單元41和與該數據存儲單元41聯 接的數據檢索與導出單元42。所述數據處理裝置20、數據結果顯示裝置30、數據過濾裝置 40、和數據存儲與檢索裝置50由一臺計算機或PC機60實現。繼續參考圖1。所述數據採集板卡11是PCI-6251數據採集板卡，該PCI-6251數 據採集板卡11的初始設置參數包含電壓值、電流值、正控與反控、用戶信息中的至少一種。 所述放大器12是正向放大器或反向放大器中的一種。所述波形輸出單元31包含時間-電 壓圖展示模塊、時間-電流圖展示模塊、和時間-電阻圖展示模塊，分別用來顯示時間-電 壓圖(T-V圖)、時間-電流圖(T-I圖)、和時間-電阻圖(T-R圖)。所述數據存儲單元51 將數據存儲為TXT格式和TDMS格式。參考圖2。本實用新型的數據處理過程如下步驟Si，設置數據採集板卡11參數，用戶在使用過程中，可根據自身需要，比如說電壓值設定、電流值設定、正控與反控、用戶信息設定等，來配置PCI-6251。配置完畢後，在 實驗過程中，便可將對DNA分子通過納米通道時採集的微電流信號進行放大、顯示、分析， 從而得到所需結果，顯示在計算機屏幕上；步驟S2，數據採集板卡11採集信號，該些信號為微電流信號，經由各類傳感器13 獲得，經放大器12放大後傳送至數據採集板卡11 ；步驟S3，進行數據處理，由數據處理裝置20完成；步驟S4，進行數據顯示與保存，由數據結果顯示裝置30、數據過濾裝置40和數據 存儲與檢索裝置50完成對數據結果的顯示部分，本實用新型可以分別通過T-V圖、T-I圖 和T-R圖來展示，這樣的優點是構建的系統中可同時顯示電壓、電流和電阻值，阻礙電流 值即時顯示孔道內檢測的分子信息，當電壓改變時電阻值呈相應變化，有利於對系統的監 測；對數據結果的存儲部分，針對實驗數據量龐大，精度要求高的特點，本實用新型採用了 TXT格式和TDMS格式來支持數據的導出，同時提供了數據檢索功能；步驟S5，進行循環操作判定，在信號採集過程中，數據經過處理後，顯示在計算機 屏幕上如果數據採集正確，則完成採集；如果數據採集不正確(如數據點重合、數據點錯 誤等)，則重新返回初始步驟，進行再次採集。步驟S6，結束。本實用新型提供的納米通道(Nanopore)單分子檢測系統對DNA分子或其他生物 分子通過納米通道(Nanopore)時採集到的微電流信號進行放大、顯示、分析的過程中，不 僅藉助了數據採集裝置100和其中的微電流放大器12，還結合了圖形化程式語言LabVIEW。圖3a和圖北顯示了本實用新型利用LabVIEW時編寫的兩個程序框圖。圖3a顯 示本實用新型利用上述硬體系統實現數據採集反控與存儲的程序框圖，包含數據採集部分 的設定模擬量採集模塊和數據採集模塊，數據處理部分的數據分析與顯示模塊、數據存儲 模塊和反向控制模塊，以及數據輸出部分的輸出電壓模塊和設定模擬量輸出模塊。圖3c顯示本實用新型利用LabVIEW時編寫的另一個程序框圖，為程序模塊的具體 組成圖。通過這些模塊的創建與組合，從而實現了圖3a和圖北所表現的功能。圖4顯示本實用新型的波形輸出單元31，如圖所示，其包含時間-電壓圖展示模 塊、時間-電流圖展示模塊、和時間-電阻圖展示模塊三個模塊。圖5顯示本實用新型的工作過程。a表示電化學微電流放大器12、數模轉換器14 通過LabVIEW提供軟體平臺與PC機60相連。b、c表示電化學池內，納米通道單分子的檢 測。d表示檢測到的微電流信號，經過放大後顯示在數據結果顯示裝置30上。本實用新型所提供的系統可以用於α溶血素形成的蛋白孔，Si3N4，PET膜上用聚 焦離子束形成的固體孔等多種形式的納米孔單分子通道實驗數據的分析與記錄。被檢測分 子經電泳作用通過納米通道時由於阻塞作用影響離子電流，離子電流經過微電流放大器後 被放大，之後便可進入由LabVIEW平臺提供的PC機進行處理、顯示。在PC機處理的過程 中，由於LabVIEW所提供的平臺的優異性，PC機可對所檢測到的數據進行對比、審核，一旦 發現錯誤數據(比如說數據點重合、數據點丟失等現象)，PC機便會發送重新檢測命令，重 新獲取數據，從而保證了數據的準確性和完整性。當數據被審核通過後，便會顯示在PC機 屏幕上供實驗人員查看，並提供保存方案。鑑於LabVIEW系統檢測平臺所採集的數據數據 量大、數據精確度要求高的特點，本實用新型特避開了有最大存儲容量限制的EXCLE存儲模式，採用了 TXT文檔存儲和LabVIEW專用的TDMS格式存儲。同時，本實用新型還可以利 用LabVIEW系統監測平臺開放的類似於kiLab、Matlab等數據處理軟體的權限，輕鬆通過 這類處理軟體將檢測到的數據導入，進行擬合。本實用新型在採用的軟體平臺和硬體平臺上的優勢是軟體開發優勢LabVIEW是一種圖形化程式語言，該軟體具有編程簡單、操作簡便、結果直觀的特 點，在功能上能夠根據研究人員不同的要求快速定製出符合要求的軟體產品，編程效率較 高，從而為研究人員開發出符合要求且界面清晰的納米通道信號採集分析系統提供了方 便。在用戶界面方面，LabVIEW集成了大量控制項。可根據研究人員需求現場及時調整，快速 獲得反饋，減少開發時間。硬體開發優勢本系統硬體結構簡單，實驗信號通過NI BNC連接器後進入NI數據採集板卡。硬 件的運輸、安裝以及調試都十分簡單方便。使用NI硬體並結合LabVIEW及相應工具包和模 塊後，能夠快速建成實現集中測試以及實時監控的數據管理系統。此外，通過LabVIEW與OT 硬體的無縫結合，節省了硬體開發時間，無需為板卡寫軟體驅動程序。LabVIEff是用來開發虛擬儀器的。所謂虛擬就是完全依靠軟體環境實現硬體物理 儀器的功能，比如信號發生器、信號分析儀器等等。這樣就極大的方便了用戶按照自己的要 求來設計儀器，從而有更多的靈活性。此外，為了避免在大型系統的構建過程中，由於功能 過多的模塊化引起的系統靈活性缺失，NI同時提供了 Labwindows/CVi，它是基於C語言的 代碼編程。本系統創造性地將納米通道這種分離與檢測手段與圖形化編程軟體LabVIEW相 結合，實現了數據的顯示和快速存儲，整套系統造價低廉，針對性強，操作簡單。同時，能夠 對生物分子通過納米通道時採集的微電流信號進行放大、顯示、分析，該系統還可對電流信 號實現實時調控、數據儲存和即時調用分析等功能，從而構造出一套比較簡單、快速、實用 的納米通道檢測系統，實現單分子水平的快速檢測。本發明利用OT公司的軟硬體平臺，開發出功能強大，價格低廉的數據採集，測試 與分析系統，性能可靠且易於擴展，構建的系統中可同時顯示電壓、電流和電阻值，阻礙電 流值，即時顯示孔道內檢測的分子信息，實現實時監控，具有極大的應用空間。當然，以上僅是本實用新型的具體應用範例，對本實用新型的保護範圍不構成任 何限制。除上述實施例外，本實用新型還可以有其它實施方式。凡採用等同替換或等效變 換形成的技術方案，均落在本實用新型所要求保護的範圍之內。
權利要求1.一種基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統，其特徵在於，包含數據採集裝置，其包含數據採集板卡、與數據採集板卡聯接的放大器、和與該放大器聯 接的傳感器；數據處理裝置，聯接所述數據採集裝置，處理來自數據採集裝置的數據；數據結果顯示裝置，聯接所述數據處理裝置，包含與所述數據處理裝置聯接的波形輸 出單元和與該波形輸出單元聯接的波形定位、回放與保存單元；數據過濾裝置，聯接所述數據處理裝置；數據存儲與檢索裝置，聯接所述數據過濾裝置，包含與所述數據過濾裝置聯接的數據 存儲單元和與該數據存儲單元聯接的數據檢索與導出單元。
2.根據權利要求1所述的基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統，其特徵在於，所述 數據採集板卡是PCI-6251數據採集板卡。
3.根據權利要求1所述的基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統，其特徵在於，所述 放大器是正向放大器或反向放大器中的一種。
4.根據權利要求1所述的基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統，其特徵在於，所述 波形輸出單元包含時間-電壓圖展示模塊、時間-電流圖展示模塊、和時間-電阻圖展示模 塊。
專利摘要本實用新型提供一種基於LabVIEW的納米通道單分子檢測系統，包含數據採集裝置，其包含數據採集板卡、與數據採集板卡聯接的放大器、和與該放大器聯接的傳感器；數據處理裝置，處理來自數據採集裝置的數據；數據結果顯示裝置，包含與所述數據處理裝置聯接的波形輸出單元和與該波形輸出單元聯接的波形定位、回放與保存單元；數據過濾裝置，將採集到的所有數據按照預先設定的數據採集規則進行核對和提示，以供用戶選擇重新顯示去除不正確數據後的數據統計結果；以及數據存儲與檢索裝置，包含與所述數據過濾裝置聯接的數據存儲單元和與該數據存儲單元聯接的數據檢索與導出單元。本實用新型結構簡單，整套系統造價低廉，針對性強，操作簡單。
文檔編號G01N27/447GK201852815SQ20102016964
公開日2011年6月1日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者劉蒙蒙, 喻皓, 汪海燕, 陳佳, 龍億濤 申請人:華東理工大學