一种辅助于生物医疗的多通道生物荧光的采集与处理方法

1.本发明属于生物医疗电子领域，具体涉及到对生物发光细菌发光波长为450～490nm可见光的微弱荧光信号采集的一种辅助于生物医疗的多通道生物荧光的采集与处理方法。


背景技术：

2.近年来，合成生物学的各项技术突破，促进了合成生物学传感器的研究。合成生物学传感器包括合成基因和测量传输装置，其中合成基因由启动因子基因、报告基因和载体细胞构成，载体细胞一般是生物大分子物质(如益生菌)组成的活性细胞，可设计为感知人体环境中特定待测物质的浓度水平。
3.当生物传感器接触待测物质时，启动因子基因被转录，报告基因也被打开，启动因子基因/报告基因复合物被会转录成为信使rna(mrna)，翻译成为信号蛋白，最终产生可被转化为电信号的生物荧光信号，且荧光信号的强度与物质的浓度成正比。这种生物荧光信号需要被特定的测量传输装置所捕获。
4.目前可感知血糖、尿酸浓度的载体细胞已经见诸报端。实现生物分子浓度信号和电信号的转换，为辅助疾病诊疗提供新的思路，具备着广泛的生物医学应用和商业价值。面对合成生物学传感器带来的广阔前景，提供一种具备小型化、易实现、信噪比高特性的生物荧光采集处理方法具有重要的现实意义。现有的采集与处理手段，无法消除由于光电器件固有噪声或电路随机噪声带来的影响，在电路与算法方面均有着广泛的改进空间。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种辅助于生物医疗的多通道生物荧光的采集与处理方法，其准确性好、实现简单、灵活性更高。
6.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种辅助于生物医疗的多通道生物荧光的采集与处理方法，包括以下步骤：
8.加入溶液：向溶液腔体a中加入定量含有定制益生菌的待测生物细胞溶液，向溶液腔体b中加入和溶液腔体a等量的蒸馏水，作为噪声参考；
9.电路采样：使用电容反馈跨阻放大电路对溶液腔体a和溶液腔体b进行电压采样，并开始计时；直到溶液腔体a所对应的电压达到电压阈值时，停止计时与采样，记录此时溶液腔体a电压值va、溶液腔体b的电压采样值vb和持续采样时间t；
10.数据降噪：将溶液腔体b的电压采样值vb视为当前环境噪声，将溶液腔体a所对应的电压采样值va减去溶液腔体b的电压采样值vb，得到经过降噪后的溶液腔体a的电压采样数据da；
11.数据计算：将溶液腔体a的降噪后的电压采样数据da，除以电压采样持续时间t，得到电压上升斜率xa；再将电压上升斜率xa和光电三极管电流光强放大常数k进行相乘，得到溶液腔体a的荧光强度；其中，每执行一次生物荧光信号采集与处理时，所需的溶液腔体a的
数量为n个，溶液腔体b的数量为1个，电容反馈跨阻放大电路的数量为n+1个，每个溶液腔体a的荧光强度数据独立使用一次数据降噪与数据计算步骤获得；其中：
12.所述电容反馈跨阻放大电路具体组成包括：光电放大三极管、模拟开关、积分电容与运算放大器，通过下述方式进行连接：积分电容的一端连接到运算放大器反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端；模拟开关并联在积分电容的两端；运算放大器的正相输入端连接到一个固定的直流偏置电压源上，运放的反相输入端与光电三极管的集电极相连；光电三极管的发射极则接入到电源地，光电三极管的基级和溶液腔体底部的接触孔相连，接受溶液腔体内的生物荧光的照射。
13.所述的待测生物细胞溶液，包含一种以益生菌为载体的发光细胞，该细胞包含一种或多种发光蛋白基因，能够接收生物组织溶液中大分子化合物的刺激而产生荧光。
14.所述溶液腔体a与溶液腔体b为同一容积大小的遮光带盖圆柱形容器；该容器底部中央具有一个接触孔，接触孔中心紧贴在电容反馈跨阻放大电路的光电三极管基级；加入溶液时需要先从顶部使用移液枪加注待测溶液，随后关闭顶盖进行密封。
15.所述的一种辅助于生物医疗的多通道生物荧光的采集与处理方法应用于医疗辅助诊断及病原体检测中。
16.经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
17.(1)本发明的采集与处理办法具备较好的噪声抑制性能。通过设置电容反馈放大电路降低了随机噪声对于单次测量的影响，积分电容结构能够平滑电压变化，利用累加原理求出积分时间内的平均充电电流代替了瞬时电流值，以表征待测荧光强度。
18.(2)本发明的采集与处理办法，消除了光电三极管带来的暗电流的影响，准确性较高。通过设置溶液腔体b，采集了光电三极管本身的暗电流。在数据降噪步骤与计算步骤中对该暗电流所带来的系统噪声进行了消除，使得采集数据能够更真实的反映微弱生物荧光强度的变化。
附图说明
19.图1为本发明的流程图；
20.图2为本发明所使用的电容式跨阻放大电路的原理图；
21.图3为本发明数据处理原理示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的具体方案和优点更加清楚，以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。
23.参阅图1，图1为本发明的流程图，本实施例提供一种辅助于生物医疗的多通道生物荧光的采集与处理方法，包括加入溶液、电路采样、数据降噪、数据计算步骤。具体而言：
24.首先执行加入溶液步骤。准备一份已经导入了血红素敏感基因的发光细胞(益生菌)待测溶液。进入到暗室，使用移液枪依次吸取固定容积的待测溶液，向所有的溶液腔体a中加入待测样本即待测溶液，向溶液腔体b内加入同样容积的蒸馏水，使待测溶液或蒸馏水刚好装满溶液腔体，随后对腔体进行封闭遮光处理。
25.本实施例中的溶液腔体a数量为2个，分别进一步标识为a1、a2，溶液腔体b数量为1
个。每个溶液腔体中加入的发光细胞待测溶液或蒸馏水体积为2ml。每个溶液腔体下方都连接有一组电容反馈式跨阻放大电路，其结构参阅图2。电容反馈式跨阻放大电路通过溶液腔体底部的接触孔接收荧光信号。
26.接着执行电路采样步骤，首先闭合电路中的模拟开关，对所有腔体中的积分电容进行复位，复位时间为1秒，该步骤将使得电容两端的电压恢复为偏置电压0.6v。随后，闭合模拟开关，并开始计时。此时电路中的光电三极管产生的电流将对积分电容进行充电。参阅图3，当溶液腔体a1对应的电路的电压输出达到阈值电压vt时，停止对应溶液腔体的计时，并记录该通道此时的溶液腔体b的电压采集值v1和总计采样时间t1。溶液腔体a2的采集同理，得到电压采集值v2和总计采样时间t2。当a1与a2溶液腔体都完成采集后，结束电路采样步骤。
27.本实施例中，采样电路的积分电容值为10pf，运算放大器和模拟开关器件型号为opa1s2385，光电三极管型号为sfh3710，阈值电压vt为2.5v。
28.随后执行数据降噪步骤，对于a1溶液通道来说，去除光电三极管的除暗电流影响后，其实际电压值d
a1
＝vt-v1。同理，对于a2溶液通道来说，其实际电压值d
a2
＝vt-v2。这一步骤去除了数据中由光电器件带来的系统噪声的影响。
29.最后执行数据计算步骤，继续参阅图3，图3中的常数k为光电三极管的电流光强放大比，这一值可以在通过实测获得，在本实施例中约为0.5ua/lx。将溶液腔体a1的实际电压值d
a1
除以该腔体内溶液触发阈值时的采样时间，得到溶液的充电电流大小。再将充电电流大小乘以常数k即可得到最终的荧光强度值。按照上述原理，溶液腔体a1内溶液的光强为溶液腔体a2内溶液的光强为
30.本实施例中所述发光细胞产生的荧光光强i与溶液中的血红素分子化合物浓度q呈现线性关系，可通过q＝εi得到,ε为光强与分子浓度比。在得到溶液腔体a1与a2的光强后，那么溶液腔体a1的血红素分子浓度为εi1，溶液腔体a2的血红素分子浓度为εi2。当计算得到的血红素浓度为超过180g/l时，可作为贫血、脾功能亢进、疟疾等疾病的病理特征，辅助生物医疗诊断使用，或在低于180g/l用于健康检测等用途。
31.本实施例中，光强与分子浓度比为6*10-3
lx*l/g。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，本实施例未对各技术特征的所有可能组合进行描述，然而，只要这些技术特征之间不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。
32.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术的方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。