专利名称：基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型关于纳米通道(Nanopore)技术领域，主要是关于纳米通道 (Nanopore)技术的数据采集、记录与处理等方面。
背景技术：
纳米通道(Nanopore)技术是一项结合生物物理、分子生物学以及生物传感器等 学科于一体的新型纳米检测技术。目前在大多数实验室用于完成纳米通道(Nanopore)数据采集与记录的是膜片 钳(Patch Clamp)技术。该技术是一种通过微电极与细胞膜之间形成紧密接触的方法，采 用电压钳或电流钳技术对生物膜上离子通道的电活动进行记录的微电极技术。实验信号 通过Axopatch系列膜片钳放大器输入到Digidata系列数模转换器中，由成熟的商业软件 Pclamp中的“单通道模式”进行数据记录和分析。此项技术中，事件(Event)是单通道数据 记录与分析的基本元素，通过分析事件的电流幅度与持续时间，实验者便可得到被检测物 质的结构、大小等信息。这项技术的开发与发展针对的是各种肌细胞、神经元、内分泌细胞血细胞等动物 或人体细胞，细菌，真菌以及植物细胞，不能完全满足本实验技术所用的平面双分子层的应 用。另外I^atch Clamp技术无法准确地提供电流阻断时间和电流下降幅值，使后续数据处 理有所不便。此外，其所需的仪器、数据采集软件和检测分析系统造价昂贵且实验用途比较单一。本实用新型的背景技术还可参考如下文献1.刘振伟。实用膜片钳技术。ISBN 7-80121-777-2/R. 770 ；2.戴光，刘鹏，张颖。基于LabVIEW共享变量的管道泄漏远程监测系统。仪表技 术，2009，1(15)；3.徐宏坤，方方，崔军亮等。基于LabVIEW的能谱分析系统设计。核技术，2009， l(Vol. 32，No. 1)；4.陈清培，闰宝瑞，杨于光等。基于LabVIEW的多通道注塑机数据采集系统开发。 中国塑料，2009，2 (Vol. 23，No. 2)。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，造价低廉，操作 简单的纳米通道单分子检测系统。为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统，包含数据采集装置，其包含数据 采集板卡、与数据采集板卡联接的放大器、和与该放大器联接的传感器；数据处理装置，联 接所述数据采集装置，处理来自数据采集装置的数据；数据结果显示装置，联接所述数据处 理装置，包含与所述数据处理装置联接的波形输出单元和与该波形输出单元联接的波形定
3位、回放与保存单元；数据过滤装置，联接所述数据处理装置；以及数据存储与检索装置， 联接所述数据过滤装置，包含与所述数据过滤装置联接的数据存储单元和与该数据存储单 元联接的数据检索与导出单元。所述数据采集板卡是PCI-6251数据采集板卡。所述放大器是正向放大器或反向放大器中的一种。所述波形输出单元包含时间-电压图展示模块、时间-电流图展示模块、和时 间-电阻图展示模块。本实用新型构建的系统中可同时显示电压、电流和电阻值，即时显示孔道内检测 的分子信息，实现实时监控。本实用新型结构简单，因此整套系统造价低廉，操作简单。
以下结合附图对本实用新型的实施和优点作进一步解释。
图1是本实用新型基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统的结构框图；图2是本实用新型数据处理过程的流程图；图3a、图北和图3c是本实用新型的程序框图；图4显示本实用新型的波形输出单元；图5是本实用新型的工作原理示意图。
具体实施方式
参见图1。依据本实用新型的一种基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统100， 包含数据采集装置10，其包含数据采集板卡11、与数据采集板卡联接的放大器12、和与该 放大器联接的传感器13 ；数据处理装置20，联接所述数据采集装置10，处理来自数据采集 装置10的数据；数据结果显示装置30，联接所述数据处理装置20，包含与所述数据处理装 置10联接的波形输出单元31和与该波形输出单元31联接的波形定位、回放与保存单元 32;数据过滤装置40，联接所述数据处理装置20，将采集到的所有数据按照预先设定的数 据采集规则进行核对，保留正确的数据，去除不正确的数据，并进行提示，以供用户选择重 新显示去除不正确数据后的数据统计结果；以及数据存储与检索装置50，联接所述数据过 滤装置40，包含与所述数据过滤装置40联接的数据存储单元41和与该数据存储单元41联 接的数据检索与导出单元42。所述数据处理装置20、数据结果显示装置30、数据过滤装置 40、和数据存储与检索装置50由一台计算机或PC机60实现。继续参考图1。所述数据采集板卡11是PCI-6251数据采集板卡，该PCI-6251数 据采集板卡11的初始设置参数包含电压值、电流值、正控与反控、用户信息中的至少一种。 所述放大器12是正向放大器或反向放大器中的一种。所述波形输出单元31包含时间-电 压图展示模块、时间-电流图展示模块、和时间-电阻图展示模块，分别用来显示时间-电 压图(T-V图)、时间-电流图(T-I图)、和时间-电阻图(T-R图)。所述数据存储单元51 将数据存储为TXT格式和TDMS格式。参考图2。本实用新型的数据处理过程如下步骤Si，设置数据采集板卡11参数，用户在使用过程中，可根据自身需要，比如说电压值设定、电流值设定、正控与反控、用户信息设定等，来配置PCI-6251。配置完毕后，在 实验过程中，便可将对DNA分子通过纳米通道时采集的微电流信号进行放大、显示、分析， 从而得到所需结果，显示在计算机屏幕上；步骤S2，数据采集板卡11采集信号，该些信号为微电流信号，经由各类传感器13 获得，经放大器12放大后传送至数据采集板卡11 ；步骤S3，进行数据处理，由数据处理装置20完成；步骤S4，进行数据显示与保存，由数据结果显示装置30、数据过滤装置40和数据 存储与检索装置50完成对数据结果的显示部分，本实用新型可以分别通过T-V图、T-I图 和T-R图来展示，这样的优点是构建的系统中可同时显示电压、电流和电阻值，阻碍电流 值即时显示孔道内检测的分子信息，当电压改变时电阻值呈相应变化，有利于对系统的监 测；对数据结果的存储部分，针对实验数据量庞大，精度要求高的特点，本实用新型采用了 TXT格式和TDMS格式来支持数据的导出，同时提供了数据检索功能；步骤S5，进行循环操作判定，在信号采集过程中，数据经过处理后，显示在计算机 屏幕上如果数据采集正确，则完成采集；如果数据采集不正确(如数据点重合、数据点错 误等)，则重新返回初始步骤，进行再次采集。步骤S6，结束。本实用新型提供的纳米通道(Nanopore)单分子检测系统对DNA分子或其他生物 分子通过纳米通道(Nanopore)时采集到的微电流信号进行放大、显示、分析的过程中，不 仅借助了数据采集装置100和其中的微电流放大器12，还结合了图形化编程语言LabVIEW。图3a和图北显示了本实用新型利用LabVIEW时编写的两个程序框图。图3a显 示本实用新型利用上述硬件系统实现数据采集反控与存储的程序框图，包含数据采集部分 的设定模拟量采集模块和数据采集模块，数据处理部分的数据分析与显示模块、数据存储 模块和反向控制模块，以及数据输出部分的输出电压模块和设定模拟量输出模块。图3c显示本实用新型利用LabVIEW时编写的另一个程序框图，为程序模块的具体 组成图。通过这些模块的创建与组合，从而实现了图3a和图北所表现的功能。图4显示本实用新型的波形输出单元31，如图所示，其包含时间-电压图展示模 块、时间-电流图展示模块、和时间-电阻图展示模块三个模块。图5显示本实用新型的工作过程。a表示电化学微电流放大器12、数模转换器14 通过LabVIEW提供软件平台与PC机60相连。b、c表示电化学池内，纳米通道单分子的检 测。d表示检测到的微电流信号，经过放大后显示在数据结果显示装置30上。本实用新型所提供的系统可以用于α溶血素形成的蛋白孔，Si3N4，PET膜上用聚 焦离子束形成的固体孔等多种形式的纳米孔单分子通道实验数据的分析与记录。被检测分 子经电泳作用通过纳米通道时由于阻塞作用影响离子电流，离子电流经过微电流放大器后 被放大，之后便可进入由LabVIEW平台提供的PC机进行处理、显示。在PC机处理的过程 中，由于LabVIEW所提供的平台的优异性，PC机可对所检测到的数据进行对比、审核，一旦 发现错误数据(比如说数据点重合、数据点丢失等现象)，PC机便会发送重新检测命令，重 新获取数据，从而保证了数据的准确性和完整性。当数据被审核通过后，便会显示在PC机 屏幕上供实验人员查看，并提供保存方案。鉴于LabVIEW系统检测平台所采集的数据数据 量大、数据精确度要求高的特点，本实用新型特避开了有最大存储容量限制的EXCLE存储模式，采用了 TXT文档存储和LabVIEW专用的TDMS格式存储。同时，本实用新型还可以利 用LabVIEW系统监测平台开放的类似于kiLab、Matlab等数据处理软件的权限，轻松通过 这类处理软件将检测到的数据导入，进行拟合。本实用新型在采用的软件平台和硬件平台上的优势是软件开发优势LabVIEW是一种图形化编程语言，该软件具有编程简单、操作简便、结果直观的特 点，在功能上能够根据研究人员不同的要求快速定制出符合要求的软件产品，编程效率较 高，从而为研究人员开发出符合要求且界面清晰的纳米通道信号采集分析系统提供了方 便。在用户界面方面，LabVIEW集成了大量控件。可根据研究人员需求现场及时调整，快速 获得反馈，减少开发时间。硬件开发优势本系统硬件结构简单，实验信号通过NI BNC连接器后进入NI数据采集板卡。硬 件的运输、安装以及调试都十分简单方便。使用NI硬件并结合LabVIEW及相应工具包和模 块后，能够快速建成实现集中测试以及实时监控的数据管理系统。此外，通过LabVIEW与OT 硬件的无缝结合，节省了硬件开发时间，无需为板卡写软件驱动程序。LabVIEff是用来开发虚拟仪器的。所谓虚拟就是完全依靠软件环境实现硬件物理 仪器的功能，比如信号发生器、信号分析仪器等等。这样就极大的方便了用户按照自己的要 求来设计仪器，从而有更多的灵活性。此外，为了避免在大型系统的构建过程中，由于功能 过多的模块化引起的系统灵活性缺失，NI同时提供了 Labwindows/CVi，它是基于C语言的 代码编程。本系统创造性地将纳米通道这种分离与检测手段与图形化编程软件LabVIEW相 结合，实现了数据的显示和快速存储，整套系统造价低廉，针对性强，操作简单。同时，能够 对生物分子通过纳米通道时采集的微电流信号进行放大、显示、分析，该系统还可对电流信 号实现实时调控、数据储存和即时调用分析等功能，从而构造出一套比较简单、快速、实用 的纳米通道检测系统，实现单分子水平的快速检测。本发明利用OT公司的软硬件平台，开发出功能强大，价格低廉的数据采集，测试 与分析系统，性能可靠且易于扩展，构建的系统中可同时显示电压、电流和电阻值，阻碍电 流值，即时显示孔道内检测的分子信息，实现实时监控，具有极大的应用空间。当然，以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任 何限制。除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变 换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。
权利要求1.一种基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统，其特征在于，包含数据采集装置，其包含数据采集板卡、与数据采集板卡联接的放大器、和与该放大器联 接的传感器；数据处理装置，联接所述数据采集装置，处理来自数据采集装置的数据；数据结果显示装置，联接所述数据处理装置，包含与所述数据处理装置联接的波形输 出单元和与该波形输出单元联接的波形定位、回放与保存单元；数据过滤装置，联接所述数据处理装置；数据存储与检索装置，联接所述数据过滤装置，包含与所述数据过滤装置联接的数据 存储单元和与该数据存储单元联接的数据检索与导出单元。
2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统，其特征在于，所述 数据采集板卡是PCI-6251数据采集板卡。
3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统，其特征在于，所述 放大器是正向放大器或反向放大器中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统，其特征在于，所述 波形输出单元包含时间-电压图展示模块、时间-电流图展示模块、和时间-电阻图展示模 块。
专利摘要本实用新型提供一种基于LabVIEW的纳米通道单分子检测系统，包含数据采集装置，其包含数据采集板卡、与数据采集板卡联接的放大器、和与该放大器联接的传感器；数据处理装置，处理来自数据采集装置的数据；数据结果显示装置，包含与所述数据处理装置联接的波形输出单元和与该波形输出单元联接的波形定位、回放与保存单元；数据过滤装置，将采集到的所有数据按照预先设定的数据采集规则进行核对和提示，以供用户选择重新显示去除不正确数据后的数据统计结果；以及数据存储与检索装置，包含与所述数据过滤装置联接的数据存储单元和与该数据存储单元联接的数据检索与导出单元。本实用新型结构简单，整套系统造价低廉，针对性强，操作简单。
文档编号G01N27/447GK201852815SQ20102016964
公开日2011年6月1日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者刘蒙蒙, 喻皓, 汪海燕, 陈佳, 龙亿涛 申请人:华东理工大学