CN104458686A - 一种基于特征分子量内标定量分析的dna荧光光谱采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，所述方法为：一边对同时包含内标加样分子量标准物DNA片段和未知DNA片段长度信息的检测样品进行数据采集，一边对正在采集到的原始数据进行实时处理。首先进行引物峰识别，然后对引物峰之后所采集的信号逐点进行光谱校正，并对相应的内标通道信号进行峰识别与特征分子量峰匹配，直至提取内标最大分子量的特征峰，最终根据该最大特征分子量对应的峰位置，确定DNA荧光光谱数据采集的结束时刻。所述方法可节省DNA荧光光谱数据采集时间，继而节约源头数据所占用的内存，减少后续的数据处理量，最终提高DNA鉴定工作效率。

Description

一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法

技术领域

本发明涉及DNA检测技术领域，具体涉及一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法。

背景技术

随着科学技术突飞猛进，大数据时代迅速崛起，给现代分析仪器的制造与仪器分析方法提出了许多挑战。当前，DNA分析业务需求与生物信息数据迅速增长，如何提高数据存取速度、节约数据占用的内存、改进数据库的维护等是DNA生物研究赖以发展的关键。如果大数据DNA生物信息存取与处理技术停步不前，它将严重限制数据的利用程度，从而阻碍整个DNA仪器分析技术的发展。

无疑，DNA荧光光谱分析在个体识别、血缘鉴定、刑事案件侦破、亲子鉴定、灾难身份识别等DNA研究及应用中发挥着重要作用。当DNA分析仪器检测样品时，用一种荧光染料标记标准分子量(内标)，用另外不同的荧光染料标记待测的DNA分子，所检出的DNA片段的长度需与内标各特征分子量的电泳迁移距离比较，这是因为同一凝胶中，迁移距离相同，则分子量相同。当前，DNA分析仪器数据采集帧数是一个常量，它针对检测业务规定了固定的数据采集帧数，虽然这样能充分涵盖所需要的检测范围，但超出实际检测范围所对应的无用数据无疑浪费了内存及采集时间，并因此导致后续的数据存取、数据处理、数据分析时间均无辜加长。

发明内容

本发明目的在于，克服现有技术中的缺陷，提供一种用于DNA分析仪器的基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，该方法通过对正在采集的DNA荧光光谱信号帧数据进行逐点光谱校正与特征分子量内标定量实时匹配，适时结束荧光光谱数据采集过程，从而达到提高DNA荧光检测效率的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，根据DNA检测业务需求通过计算机程序预先建立光谱校正矩阵，并确定相应的内标信号通道；

步骤二，根据DNA检测仪器的原始信号特点，通过计算机程序设定引物峰段参数值与内标峰段识别参数值；并根据所采用的内标特点设定其特征分子量匹配方式；

步骤三，根据步骤二中的参数值，通过计算机程序对DNA检测仪器正在采集的光谱信号逐点进行引物峰段实时判断；

步骤四，根据步骤一所建立的光谱校正矩阵，通过计算机程序对引物峰段之后正在采集的DNA荧光光谱中的有用信号逐点进行光谱校正；并通过计算机程序根据内标峰段的识别参数值对由此获得的内标通道信号求导，根据内标峰段的识别参数值，对所得出的内标信号进行峰识别实时判断，直至提取各内标分子量的特征峰；并通过计算机程序根据所采用的内标分子量匹配方式和所提取的内标峰峰位，进行特征分子量实时定量匹配，直至完成内标峰段的最大特征分子量匹配，提取内标峰段的最大特征分子量对应的峰位置；

步骤五，根据步骤四所得的最大特征分子量对应的峰位置和内标峰段识别的参数值，通过计算机程序确定DNA荧光光谱数据采集的结束时刻。

进一步地，在所述步骤四中的有用信号逐点进行光谱校正，采用自适应数据采集方法，一边对同时包含内标加样分子量标准物DNA片段和未知DNA片段长度信息的检测样品进行数据采集，一边对正在采集到的原始数据进行实时处理。

进一步地，所述步骤二中的引物峰段参数值包括有引物峰峰高阈值和引物峰峰宽阈值。

进一步地，所述步骤二中的内标峰段识别参数值包括各数据窗口含数据的个数、信号求导方式、峰起始阈值、峰幅度阈值和峰宽度阈值。

进一步地，所述步骤二中的特征分子量匹配方式为内标特征分子量匹配方式。

进一步地，所述计算机程序采用Matlab程序实现。

进一步地，所述步骤一中的建立光谱校正矩阵与确定相应的内标信号通道为：用一种荧光染料标记内标的标准分子量，用另外不同的荧光染料标记待测的DNA分子。

本发明的优点及有益效果是，采用本发明所述方法进行的基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集，可适时结束数据采集过程，从而大幅节省数据采集时间，继而节约源头数据所占用的内存，减少后续的数据处理量，最终提高DNA鉴定工作效率。

通常情况下，DNA分析仪器所采集的信号充分涵盖了所需要的检测范围。一张原始的DNA荧光光谱谱图信号分为三段，它包含最先出现的引物峰段、随后陆续出现的DNA有用信号峰段、及最后超出内标检测范围的冗余数据段。

事实上，仅引物峰之后陆续出现DNA信号峰的中间数据段为有用信息，而超出内标特征分子量最大质量检测范围的无用冗余数据约占全部数据的五分之一到五分之二。本发明自适应数据采集方法的目的是从数据采集出发，一边进行数据采集一边识别最大特征分子量内标峰，及时中断超出最大质量检测范围的无用冗余数据的采集。

在实际数据采集过程中，本发明方法一边对同时包含加样分子量标准物DNA片段和未知DNA片段长度信息的检测样品进行数据采集，一边对正在采集到的原始数据进行实时处理。一般而言，没有附于DNA片段上的引物峰是最高最宽的峰，很容易识别，本发明首先识别引物峰，然后对引物峰之后正在采集的DNA荧光光谱有用信号进行实时数据处理，利用光谱校正及内标特征分子量定量分析，通过对正在采集的DNA荧光光谱信号帧数据进行逐点光谱校正与特征分子量内标实时定量匹配，最终根据内标最大特征分子量对应的峰位置(单位/帧)，确定DNA荧光光谱数据采集结束时刻，从而节省DNA荧光光谱数据采集时间，继而节约源头数据所占用的内存，减少后续的数据处理量。

本发明所提出的基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱数据采集方法快速稳健、易于实现、实用有效。本发明结合DNA检测业务需求与荧光光谱信号实际特点，一边进行数据采集一边识别最大特征分子量的内标峰，及时中断超出最大质量检测范围的无用冗余数据的采集。在自适应性、实用方面优于当前DNA分析仪器采用固定数据帧数的荧光光谱采集模式，在实际DNA荧光光谱采集中可大幅节省信号采集时间，继而节约源头数据所占用的内存，减少后续的数据处理量，最终提高DNA鉴定工作效率。

通过理论分析和众多仿真实验反复验证比对，采用本发明方法进行数据采集，可节省DNA荧光光谱数据采集时间五分之一到五分之二。

附图说明

图1为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的计算机控制程序流程图；

图2为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的DNA荧光光谱信号示意图；

图3为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的算法实现程序流程图；

图4为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的仿真用DNA荧光光谱原始信号示意图；

图5为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的光谱校正数据处理后仿真结果显示示意图；

图6为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的内标各特征分子量峰识别仿真结果示意图；

图7为本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的DNA荧光光谱数据采集方法参数选项表。

具体实施方式

本发明是一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，根据DNA检测业务需求通过计算机程序预先建立光谱校正矩阵，并确定相应的内标信号通道；

步骤二，根据DNA检测仪器的原始信号特点，通过计算机程序设定引物峰段参数值与内标峰段识别参数值；并根据所采用的内标特点设定其特征分子量匹配方式；

步骤三，根据步骤二中的参数值，通过计算机程序对DNA检测仪器正在采集的光谱信号逐点进行引物峰段实时判断；

步骤四，根据步骤一所建立的光谱校正矩阵，通过计算机程序对引物峰段之后正在采集的DNA荧光光谱中的有用信号逐点进行光谱校正；并通过计算机程序根据内标峰段的识别参数值对由此获得的内标通道信号求导，根据内标峰段的识别参数值，对所得出的内标信号进行峰识别实时判断，直至提取各内标分子量的特征峰；并通过计算机程序根据所采用的内标分子量匹配方式和所提取的内标峰峰位，进行特征分子量实时定量匹配，直至完成内标峰段的最大特征分子量匹配，提取内标峰段的最大特征分子量对应的峰位置；

步骤五，根据步骤四所得的最大特征分子量对应的峰位置和内标峰段识别的参数值，通过计算机程序确定DNA荧光光谱数据采集的结束时刻。

本发明进一步地，在所述步骤四中的有用信号逐点进行光谱校正，采用自适应数据采集方法，一边对同时包含加样分子量标准物DNA片段和未知DNA片段长度信息的检测样品进行数据采集，一边对正在采集到的原始数据进行实时处理。

本发明进一步地，所述步骤二中的引物峰段参数值包括有引物峰峰高阈值和引物峰峰宽阈值。

本发明进一步地，所述步骤二中的内标峰段识别参数值包括各数据窗口含数据的个数、信号求导方式、峰起始阈值、峰幅度阈值和峰宽度阈值。

本发明进一步地，所述步骤二中的特征分子量匹配方式为内标特征分子量匹配方式。

本发明进一步地，所述计算机程序采用Matlab程序实现。

本发明进一步地，所述步骤一中的建立光谱校正矩阵与确定相应的内标信号通道为：用一种荧光染料标记内标的标准分子量，用另外不同的荧光染料标记待测的DNA分子。

实施例

本发明是针对法医DNA分析仪器，结合DNA检测业务实际需求与荧光光谱信号特点，提供了一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其目的在于适时结束数据采集过程，从而大幅节省数据采集时间，继而节约源头数据所占用的内存，减少后续的数据处理量，最终提高DNA鉴定工作效率。

通常情况下，DNA分析仪器所采集的信号充分涵盖了所需要的检测范围。一张原始的DNA荧光光谱谱图信号分为三段，它包含最先出现的引物峰段、随后陆续出现的DNA有用信号峰段、及最后超出内标检测范围的冗余数据段，如图1所示。

本发明所设计的基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，一边对同时包含加样分子量标准物DNA片段和未知DNA片段长度信息的检测样品进行数据采集，一边对正在采集到的原始数据进行实时处理。首先进行引物峰识别，然后对引物峰之后所采集的信号逐点进行光谱校正，并对相应的内标通道信号进行峰识别与特征分子量峰匹配，直至提取内标最大分子量的特征峰，最终根据该最大特征分子量对应的峰位置(单位/帧)，确定DNA荧光光谱数据采集的结束时刻。

DNA荧光光谱数据采集方法中的参数选项设计

本发明基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法中共包含三类参数共计8个，其中DNA荧光光谱谱图信号引物峰识别参数包括峰高阈值(Primer Threshold)与峰宽度参数(Primer Width)，内标通道信号特征峰识别参数包括数据窗口的宽度(Window Size)、信号求导方式(Derivation Type)、峰起始阈值(LeftSlope Threshold)、峰幅度阈值(Amplitude Threshold)与峰宽度参数(MaxPeak Width)，内标定量匹配参数包括特征分子量匹配方式(SizeMatch Type)，如图7所示的DNA荧光光谱数据采集方法参数选项表。

本发明中基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的实现，其基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的算法实现程序流程图，如图2所示。

本发明中基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的内标特征分子量的匹配拟合方式。

在实际应用中，不同的DNA检测业务所选用的内标可能不同，本发明方法需根据选用内标的实际特性采取不同的内标定量匹配方式。如选用内标GeneScan 500是采取三相邻标准分子量匹配拟合方式。该内标GeneScan 500包含16个标准分子量，各分子量分别为35bp、50bp、75bp、100bp、139bp、150bp、160bp、200bp、250bp、300bp、340bp、350bp、400bp、450bp、490bp、500bp，根据内标信号各分子量DNA标准片段峰之间的距离关系，采取三相邻标准分子量【139bp、150bp、160bp】进行彼此距离最小匹配控制，可确定139bp的内标标准分子量的峰位置，再对之后的各分子量内标峰进行一一识别与匹配，最终提取内标最大特征分子量500bp的峰位置，从而确定DNA荧光光谱数据采集的结束时刻。

DNA荧光光谱采集方法实现程序流程，基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法的算法实现程序流程图，如图3所示。

本发明的仿真实验结果：

根据上述基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法和算法实现程序流程图，采用Matlab编程实现了所述算法，为限于篇幅具体程序省略，如图4-6为仿真实验结果显示图。

本实施例所用原始数据固定采集帧数为9245帧，最大特征分子量峰位置为第5698帧，为留余地可再推后150帧，利用本发明方法其结果只需采集5848帧数据，仅占法医DNA分析仪器固定数据采集帧数的63.26％。

通过以上理论分析和众多仿真实验反复验证比对，采用本发明方法进行数据采集，可节省DNA荧光光谱数据采集时间五分之一到五分之二。

综上所述，本发明所提出的基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱数据采集方法快速稳健、易于实现、实用有效。它结合DNA检测业务需求与荧光光谱信号实际特点，一边进行数据采集一边识别最大特征分子量内标峰，及时中断超出最大质量检测范围的无用冗余数据的采集，在自适应性、实用方面优于当前DNA分析仪器采用固定数据帧数的荧光光谱采集模式，在实际中可大幅节省DNA荧光光谱图信号的采集时间，继而节约源头数据所占用的内存，减少后续的数据处理量，最终提高DNA鉴定工作效率。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，根据DNA检测业务需求通过计算机程序预先建立光谱校正矩阵，并确定相应的内标信号通道；

步骤二，根据DNA检测仪器的原始信号特点，通过计算机程序设定引物峰段参数值与内标峰段识别参数值；并根据所采用的内标特点设定其特征分子量匹配方式；

步骤三，根据步骤二中的参数值，通过计算机程序对DNA检测仪器正在采集的光谱信号逐点进行引物峰段实时判断；

步骤四，根据步骤一所建立的光谱校正矩阵，通过计算机程序对引物峰段之后正在采集的DNA荧光光谱中的有用信号逐点进行光谱校正；并通过计算机程序根据内标峰段的识别参数值对由此获得的内标通道信号求导，根据内标峰段的识别参数值，对所得出的内标信号进行峰识别实时判断，直至提取各内标分子量的特征峰；并通过计算机程序根据所采用的内标分子量匹配方式和所提取的内标峰峰位，进行特征分子量实时定量匹配，直至完成内标峰段的最大特征分子量匹配，提取内标峰段的最大特征分子量对应的峰位置；

步骤五，根据步骤四所得的最大特征分子量对应的峰位置和内标峰段识别的参数值，通过计算机程序确定DNA荧光光谱数据采集的结束时刻。

2.如权利要求1所述基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，在所述步骤四中的有用信号逐点进行光谱校正，采用自适应数据采集方法，一边对同时包含内标加样分子量标准物DNA片段和未知DNA片段长度信息的检测样品进行数据采集，一边对正在采集到的原始数据进行实时处理。

3.如权利要求1所述基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，所述步骤二中的引物峰段参数值包括有引物峰峰高阈值和引物峰峰宽阈值。

4.如权利要求1所述的基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，所述步骤二中的内标峰段识别参数值包括各数据窗口含数据的个数、信号求导方式、峰起始阈值、峰幅度阈值和峰宽度阈值。

5.如权利要求1所述基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，所述步骤二中的特征分子量匹配方式为内标特征分子量匹配方式。

6.如权利要求1所述基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，所述计算机程序采用Matlab程序实现。

7.如权利要求1所述基于特征分子量内标定量分析的DNA荧光光谱采集方法，其特征在于，所述步骤一中的建立光谱校正矩阵与确定相应的内标信号通道为：用一种荧光染料标记内标的标准分子量，用另外不同的荧光染料标记待测的DNA分子。