基于多孔硅微阵列芯片数字图像的高灵敏度生物免标记检测技术研究

This project put porous silicon good biological characteristics, porous silicon microcavity optical properties and digital image processing technology together, explore a new parallel detection technology for biological microarray chip with label free, high sensitivity and low cost. A high sensitivity refractive index change detection method based on the visible reflection light and near infrared transmission light from porous silicon micro cavity will be studied. The change of the reflected light or transmitted light intensity caused by the refractive index change in the array unit will be converted into digital image gray value by the microscopic imaging equipment. Aiming at the noise characteristics of the porous silicon array and detection process, a fast algorithm for the simultaneous removal of impulse noise and speckle noise in digital array images is studied. A parallel detection of label-free, low cost, and high sensitivity for biological reactions occurring within an array unit is realized. The effect of the FWHM and the interface roughness of PSM and the depth of the Biological molecules in pores of porous silicon on the sensitivity of the refractive index measurement will be studied, and the cell structure of porous silicon microarrays will be further optimized. The effect of laser speckle noise on the detection of digital images.will be studied..This project is an innovative project, there is no relevant literature and patent reports. The research of this project is of great significance for the development and application of biochip technology.

本项目把多孔硅良好的生物特性、多孔硅微腔的光学特性以及数字图像处理技术结合起来，探索免标记、高灵敏度和低成本的生物微阵列芯片并行检测新技术。研究基于多孔硅微腔的可见光反射光强和近红外透射光强的高灵敏度折射率变化检测方法；研究将阵列单元中因折射率变化引起的反射光强或透射光强的变化，通过显微成像设备转化成数字图像灰度值的变化；针对多孔硅阵列和检测过程产生的噪声特点，研究能同时去除数字阵列图像中脉冲噪声和散斑噪声的快速增强算法。实现对在阵列单元内发生的生物反应的免标记、低成本和高灵敏度的并行检测。研究阵列单元中生物进入多孔硅深度、多孔硅微腔缺陷态的FWHM、器件界面粗糙度等对折射率测量灵敏度的影响，优化多孔硅微腔的结构。研究多孔硅表面上的激光散斑噪声对数字图像检测的影响。.本项目是一项创新性的课题，目前还未见有相关文献和专利报道。本项目的研究对于发展和应用生物芯片技术具有重要的意义。

本项目通过把多孔硅良好的生物特性、多孔硅阵列单元PSM结构的光学特性以及数字图像处理技术结合起来，探索出多种免标记、高测量灵敏度和低成本的生物传感器或微阵列芯片并行定量检测的新技术，可以很好的应用于实际的生物检测。. （1）采用基于多孔硅微腔，通过测量透射的近红外探测激光强度的最大值对应的入射角的变化测量，可检测出多孔硅微腔样品中生物反应引起的折射率变化。提出了利用多孔硅微阵列表面数字图像平均灰度值的变化检测生物反应的新技术。为进一步提高检测灵敏度，用高折射率的半导体量子点标记互补的生物分子，使多孔硅微腔生物反应造成的折射率变化放大，进一步提高检测灵敏度。. （2）针对提出了一种基于圆度判别思想的倾斜校正算法，解决了现有生物芯片荧光图像倾斜校正算法所存在计算速度较慢的问题。提出一种结合Otsu和改进了网格校准方法的网格定位算法，解决在生物芯片图像网格化过程中网格线冗余、缺失等现象。提出了一种利用多孔硅微阵列反射光图像提取单元信息的新方法，该方法由预处理、倾斜校正和光斑分割三部分组成，可用于快速、准确完成多孔硅微阵列反射光图像信息点的提取。利用图像的灰度变化，可以并行地检测出各多孔硅微阵列各个单元的生物反应。提出三种散斑噪声去噪方法，解决了激光在多孔硅表面形成的散班对被测图像灰度值有影响的问题。. （3）对多孔硅的色散、吸收以及表面起伏对多孔硅微腔器件灵敏度的影响作了细致的研究，研究了多孔硅表面上的激光散斑噪声对数字图像检测灵敏度的影响。为了实现生物的快速检测和实时分析，提出了一种基于多孔硅微腔透射光图像灰度值变化的检测方法。该方法无需标记，无需分光计，检测灵敏度高，速度快，可进一步应用于多孔硅微阵列的生物检测。提出了多孔硅Bragg反射镜中用半导体量子点标记生物产生荧光，利用多孔硅表面荧光图像的平均灰度值变化来检测靶生物分子，实现了高灵敏度、低成本、快速方便的生物检测。