基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法

摘要

一种基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法，所述定量检测方法是在标准蓝光光盘上制备生物检测阵列；使用标准蓝光光驱读取光盘，将采集到的光强信号经过标准蓝光光驱的全光盘成像系统的维度转换、特征对齐、均值缩放、坐标系变换，形成全光盘图像文件；对生成的图像文件分析，便得到目标生物分子的定量检测结果。本方法具有多通量、高灵敏度、可现场快速检测等优点，适用于食品安全、水质检测和医疗诊断等重要领域。

权利要求

1.一种基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法，所述方法按下列步骤进行：

在蓝光光盘聚碳酸酯表面利用微流控技术形成生物检测阵列；

使用蓝光光驱扫描光盘，在光盘扫描过程中，利用数据采集卡从光学头光电检测器采集到的数据同步传输到电脑上标准蓝光光驱的全光盘成像系统；

使用标准蓝光光驱全光盘成像系统将采集到的数据进行维度转换、特征对齐、均值缩放、坐标系变换后形成全光盘图像文件；

使用标准蓝光光驱全光盘成像系统的图像分析模块对图像文件生物阵列的像素值进行线性拟合，得到目标生物分子浓度；

实现成像分析和定量检测；

所述成像分析和定量检测是在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的图像生成模块中，将均值缩放后的二维数据，经过由直角坐标系向极坐标系的变换，实现每一个数据还原到光盘图像上的相应位置，即将一个矩形图像由直角坐标变换到极坐标后形成一个圆环图像，生成的图像更接近实际的光盘；在图像生成时，需要设置光盘圆心到触发条带的最短距离R0、触发条带长度ΔR、对齐列数以及均值缩放后的二维数据的行列数，从而得到原始采集数据处理优化后生成的两张伪色彩图；在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的检测结果分析模块将tif格式图像文件转换成二值图像，利用数据交互功能当点击对应二值图像中的任意区域时，在Sample_intensity显示框中会给出该区域包络空间内像素均值大小；在Standard-intensity和Standard-concentration中分别加入填入标准样品的浓度和相应图像灰度值，在Sample-intensity中填入待测样品灰度值，设置完成后点击‘拟合计算’按钮便可以给出检测结果。

2.如权利要求1所述的定量检测方法，所述定量检测方法是将生物反应后的光盘放好，用金属色标记笔在未做生物反应的光盘数据区，以光盘半径为准线，标记触发条带作为采集数据的特征值。

3.如权利要求1所述的定量检测方法，所述定量检测方法是将采集存储的I 16文件中的一维数据按照采样长度逐次还原采样过程并依次输入椭圆滤波器，采用低通滤波，滤波后的数据按截取位置存储，存储后的文件内数据即为二维数据，实现采集数据维度转换，对维度转换后的二维数据通过对单次采集数据进行包络分析，对宽度和幅值符合特征量位置标记，并截取相应长度的数据一次存储，使得二维数据完成特征对齐，将对齐后的数据进行行列长度格式化，即按设定行数和列数以就近取整的方式扩充或压缩，使得数据实现均值缩放。

4.如权利要求3所述的定量检测方法，所述定量检测方法是在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的图像生成模块将均值缩放后的二维数据，经过以下公式的运行：其中：m，n为原始坐标；x，y为符合实际像素坐标值；r为成像区域起始半径；Δr为相邻两行的空间距离；Δθ 为一行数据中相邻两点数据对应空间的角度，实现每一个数据还原到全光盘图像上的相应位置。

说明书

基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生物分子成像分析和定量检测方法，具体地是一种基于LabVIEW、MATLAB和C++混合编程的标准蓝光光驱的全光盘成像系统的定量检测方法。

背景技术

[0002] 1970年末，光盘技术问世，由于光盘表面非常平整而且具有良好的光学性质，经过处理的光盘表面可以特异性结合蛋白质、DNA探针分子，进而可以在光盘表面制备检测阵列结构，当光驱系统激光束扫描光盘至光盘检测阵列上方时，激光束路径受到干扰，用光电二极管测量光束强度就会相应降低。其中，光学头中光电探测器接收到的光学信号幅值变化可以用于量化分析。

[0003] 早在2000年，美国的Kido等人（Kido H, Maquieira A, Hammock B D. Disc-based immunoassay microarrays[J]. Analytica Chimica Acta, 2000, 411(1-2): 1-11）在普通CD光盘表面制备了基于免疫反应的荧光标记的蛋白质微阵列，使用荧光扫描仪对其进行检测分析，并提出了不对光驱进行任何硬件改造就可以实现“生物化学光盘”信号的识别和特异性读出的“软件解决”的设想。2003年，La Clair等人（La Clair J J, Burkart M D. Molecular screening on a compact disc[J]. Organic & Biomolecular Chemistry, 2003, 1(18): 3244-9）以标准光驱为基础，通过使用设计编写的软件比对分析光盘的原始数据与分子结合反应后的光盘相对应的错误数据，用来定量筛选出配合体-蛋白质之间的结合反应。该方法通过误差测定程序筛选CD光盘表面表达的配体和生物分子，由于使用的是CD光驱，没有DVD和BD光驱精确，且因为PC与有极溶剂不相容，对CD-R表面进行活化以便在乙腈中通过磷酸化作用附着配体分子是相当困难的。

[0004] 美国的Potyrailo等人（Radislav A. Potyrailo, William G. Morris, Andrew M. Leach, et al. Analog Signal Acquisition from Computer Optical Disk Drives for Quantitative Chemical Sensing[J]. Analytical Chemistry, 2006, 78(16): 5893-9）从光驱电路板上提取光学头光电探测器模拟信号，并使用数据采集卡采集和LabVIEW编写程序对光驱控制和成像，实现了CD光盘表面的金属离子的定量检测。但是，这种系统只实现了阵列成像，未能实现全光盘成像，且通量也不高，没有充分的利用单张光盘，会造成实验次数的冗余。在专利（Radislav Alexandrovich Potyrailo. Sensor systems and methods for quantifications of physical parameters, chemical and biochemical volatile and nonvoiatile compounds in fluids:美国，US 7,170,609 B2[P].2007-1-30）中，Potyrailo等人从光电检测器提取光强信号，经过模数转换来定量透射光的强度，从而得到光盘上化合物的浓度。不过，该专利中并没有对全光盘成像。

[0005] 西班牙的Maquieira研究小组（Morais S, Carrascosa J, Mira D, et al. Microimmunoanalysis on standard compact discs to determine low abundant compounds[J]. Analytical Chemistry, 2007, 79(20): 7628-7635.）则是采用半透半反的特殊光盘，在光驱上方增加了一个光敏触发器和平面光电二极管接收器，实时地提取光盘上反应区域的透射光强信号进行分析。该方法除了要设置特殊的光盘，还需要在光驱中安装其他硬件装置，比较费事，而且在后期处理数据时需要依赖photoshop等商用软件。

[0006] 光驱的不同形式的改造，使其成为新型的分子识别与检测的平台技术，但是，由于改造的特殊性，这些改造会影响光驱读取光盘的能力甚至破坏光驱，有的还需要制作特殊的光盘，这些都在很大程度上降低了基于光盘/光驱的分子识别与检测技术的优势。本发明人提出的方法既不改造光盘，又实现了全光盘成像，同时解决了标准光驱检测法中检测通量受限的问题。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于以蓝光光驱读写原理和光盘存储技术为基础，通过提取、采集标准蓝光光驱光学头内部光电检测器的光强信号，利用在Windows环境下研发的基于标准蓝光光驱的全光盘成像系统，实现生物分子高精度、高通量的快速检测方法，并提供一种基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法。

[0008] 为了实现上述目的，本发明提供一种基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法，所述方法按下列步骤进行：

[0009] 在蓝光光盘聚碳酸酯表面利用微流控技术形成生物检测阵列；

[0010] 使用蓝光光驱扫描光盘，在光盘扫描过程中，利用数据采集卡从光学头光电检测器采集到的数据同步传输到电脑上标准蓝光光驱的全光盘成像系统；

[0011] 使用标准蓝光光驱全光盘成像系统将采集到的数据进行维度转换、特征对齐、均值缩放、坐标系变换后形成全光盘图像文件；

[0012] 使用标准蓝光光驱全光盘成像系统的图像分析模块对图像文件生物阵列的像素值进行线性拟合，得到目标生物分子浓度；

[0013] 实现成像分析和定量检测。

[0014] 在上述技术方案中，本发明进一步的附加技术特征在于：

[0015] 所述定量检测方法是将生物反应后的光盘放好，用金属色标记笔在未做生物反应的光盘数据区，以光盘半径为准线，标记触发条带作为采集数据的特征值。

[0016] 所述定量检测方法是将将采集存储的I 16文件中的一维数据按照采样长度逐次还原采样过程并依次输入椭圆滤波器，采用低通滤波，滤波后的数据按截取位置存储，存储后的文件内数据即为二维数据，实现采集数据维度转换，对维度转换后的二维数据通过对单次采集数据进行包络分析，对宽度和幅值符合特征量位置标记，并截取相应长度的数据一次存储，使得二维数据完成特征对齐，将对齐后的数据进行行列长度格式化，即按设定行数和列数以就近取整的方式扩充或压缩，使得数据实现均值缩放。

[0017] 所述定量检测方法是在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的图像生成模块将均值缩放后的二维数据，经过以下公式的运行：

[0018]

[0019] 其中：m，n为原始坐标；x，y为符合实际像素坐标值；r为成像区域起始半径；Δr为相邻两行的空间距离；Δθ 为一行数据中相邻两点数据对应空间的角度，实现每一个数据还原到全光盘图像上的相应位置。

[0020] 所述定量检测方法是在标准蓝光光驱全光盘成像系统的检测结果分析模块，将tif格式图像文件转换成二值图像，然后利用检测结果分析模块的数据交互功能，当点击对应二值图像中的任意区域时，在显示框中会给出该区域包络空间内像素均值大小，在检测结果分析模块中的Standard-concentration和Standard-pixel value中分别加入填入标准样品的浓度和相应图像像素值，在Sample-pixel value中填入待测样品像素值，设置完成后点击‘拟合计算’按钮便可以给出检测结果。

[0021] 本方法以蓝光光驱读取原理和存储技术为基础，以标准光驱和搭载标准蓝光光驱的全光盘成像系统的电脑为平台，克服了改造光驱耗时长，价格昂贵等问题，与现有的生物分子定量检测方法相比，可以实现全光盘成像，检测通量更高。

[0022] 本方法利用的是标准蓝光光驱，与CD、DVD光驱相比，其激光的聚焦光斑直径更小，检测分辨率更高，具有更高的检测灵敏度。

[0023] 本方法适用于成像分析食品中有害成分、农药残留、水中重金属等的微量浓度，也可以广泛应用于临床检验、诊断、食品工业以及个体医疗等领域，具有非常广阔的市场前景。

附图说明

[0024] 图1是本方法标准蓝光光驱的全光盘成像系统示意图。

[0025] 图2是本方法生物点阵全光盘成像图。

[0026] 图3是本方法标准样品和待测样品的拟合曲线图。

具体实施方式

[0027] 下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

[0028] 实施本发明所提供的一种基于蓝光光驱全光盘成像系统的定量检测方法，包括本发明方法采用的将存在生物阵列和做好触发条带的光盘放进光驱采集数据，采集后的数据经过维度转换、特征对齐、均值缩放、坐标系变换，形成全光盘图像文件，对生成的图像文件数据交互、拟合计算后得到目标生物分子的浓度，具体检测方法按下列步骤进行：

[0029] （1）光盘的生物反应：在蓝光光盘聚碳酸酯表面利用微流控技术形成生物检测阵列。

[0030] （2）标记触发条带：将生物反应后的光盘放好，用金属色标记笔在未做生物反应的光盘数据区，以光盘的半径为准线，标记触发条带作为采集数据的特征值。

[0031] （3）采集数据：将生物反应后形成生物阵列的光盘放入外置蓝光光驱，利用PlexUTILITIES 软件中的寻迹错误（TE）和聚焦错误（FE），使光盘以6倍转速开始旋转，数据采集过程中，标准蓝光光驱的全光盘成像系统在数据采集过程中参数配置：耦合方式采用交流耦合，触发源是 ATR触发，触发方向是上下边沿均触发，通道设置为 ±1000mv，采样频率为2MHz，时钟源为内部时钟。数据采集卡开始采集光电检测器的光强信号，同时将采集到的数据传递给标准蓝光光驱的全光盘成像系统，采集到的数据存储为I16文件。

[0032] （4）采集数据处理：将采集后的I16存储文件中的一维数据按照采样长度逐次还原采样过程并依次输入椭圆滤波器，滤波时采用低通滤波，量程选择±1000 mv，滤波后的数据按截取位置存储，在每次处理数据末端插入换行符存储，存储后的文件内数据即为二维数据，实现了采集数据的维度转换。对维度转换后的二维数据通过对单次采集的数据进行包络分析，对宽度和幅值符合特征量的位置标记，并截取相应长度的数据一次存储，使得二维数据完成特征对齐，对齐后的数据存储为txt格式。二维数据特征对齐时，设定触发条带的上下限为10000 25000、单圈数据量上下限为100 250以及触发条带的阈值。将对齐后的~ ~数据进行行列长度格式化，即按设定行数和列数以就近取整的方式扩充或压缩，使得数据实现均值缩放。

[0033] （5）全光盘成像和定量检测：在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的图像生成模块将均值缩放后的二维数据，经过由直角坐标系向极坐标系的变换，实现每一个数据还原到光盘图像上的相应位置，即将一个矩形图像由直角坐标变换到极坐标后形成一个圆环图像，生成的图像更接近实际的光盘。在图像生成时，需要设置光盘圆心到触发条带的最短距离R0、触发条带长度ΔR、对齐列数以及均值缩放后的二维数据的行列数，从而得到原始采集数据处理优化后生成的两张伪色彩图（jpg和tif）。在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的检测结果分析模块将tif格式图像文件转换成二值图像，利用数据交互功能当点击对应二值图像中的任意区域时，在Sample_intensity显示框中会给出该区域包络空间内像素均值大小。在Standard-intensity和Standard-concentration中分别加入填入标准样品的浓度和相应图像灰度值，在Sample-intensity中填入待测样品灰度值，设置完成后点击‘拟合计算’按钮便可以给出检测结果。

[0034] 下面以待测物黄曲霉素（AFB1）为例，进一步详细说明本发明的一种生物分子成像分析和定量检测方法，其具体实施方式是按下列步骤进行的：

[0035] 步骤一、光盘的生物反应

[0036] 在蓝光光盘聚碳酸酯表面利用微流控技术形成生物检测阵列。

[0037] 步骤二、标记触发条带

[0038] 将生物反应后的光盘放好，用金属色标记笔在未做生物反应的光盘数据区，以光盘的半径为准线，标记触发条带作为采集数据的特征值。

[0039] 步骤三、采集数据

[0040] 将生物反应后形成生物阵列的光盘放入外置蓝光光驱，利用PlexUTILITIES 软件中的寻迹错误（TE）和聚焦错误（FE），使光盘以6倍转速开始旋转，数据采集过程中，标准蓝光光驱的全光盘成像系统在数据采集过程中参数配置：耦合方式采用交流耦合，触发源是 ATR触发，触发方向是上下边沿均触发，通道设置为 ±1000mv，采样频率为2MHz，时钟源为内部时钟。数据采集卡开始采集光电检测器的光强信号，同时将采集到的数据传递给标准蓝光光驱的全光盘成像系统，采集到的数据存储为I16文件。

[0041] 步骤四、采集数据处理

[0042] 将采集后的I16存储文件中的一维数据按照采样长度逐次还原采样过程并依次输入椭圆滤波器，滤波时采用低通滤波，量程选择±1000 mv，滤波后的数据按截取位置存储，在每次处理数据末端插入换行符存储，存储后的文件内数据即为二维数据，实现了采集数据的维度转换。对维度转换后的二维数据通过对单次采集的数据进行包络分析，对宽度和幅值符合特征量的位置标记，并截取相应长度的数据一次存储，使得二维数据完成特征对齐，对齐后的数据存储为txt格式。二维数据特征对齐时，设定触发条带的上下限为10000~25000、单圈数据量上下限为100 250以及触发条带的阈值为-0.2 。将对齐后的数据进行行~
列长度格式化，即按设定行数和列数均为1471，以将近取整的方式扩充或压缩，使得数据实现均值缩放。

[0043] 步骤五、全光盘成像和定量检测

[0044] 在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的图像生成模块将均值缩放后的二维数据，经过由直角坐标系向极坐标系的变换，实现每一个数据还原到光盘图像上的相应位置，即将一个矩形图像由直角坐标变换到极坐标后形成一个圆环图像，生成的图像更接近实际的光盘。在图像生成时，需要设置光盘圆心到触发条带的最短距离R0为2.4、触发条带长度ΔR为3.6、对齐列数为98以及均值缩放后的二维数据的行列数为1471，从而得到原始采集数据处理优化后生成的两张伪色彩图（jpg和tif）。在标准蓝光光驱的全光盘成像系统的检测结果分析模块将tif格式图像文件转换成二值图像，利用数据交互功能当点击对应二值图像中的任意区域时，在Sample_intensity显示框中会给出该区域包络空间内像素均值大小。在Standard-intensity和Standard-concentration中分别加入填入标准样品的浓度和相应图像灰度值，在Sample-intensity中填入待测样品灰度值，设置完成后点击‘拟合计算’按钮便可以给出检测结果。