基于纳米孔传感器的高带宽跨阻放大器研究

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DNA测序技术以更高的测序通量、更快的测序速度和更低的测序成本为发展宗旨经历了三个时代。纳米孔测序技术作为新一代DNA测序技术的主要代表之一,为人们实现千元测序计划提供无限可能。固态纳米孔作为主要的研究载体,在单分子检测技术领域充当了重要角色。目前基于固态纳米孔传感器的检测平台存在着带宽、采样率不够的缺陷,导致测序的时间分辨率不足。但是我们通过理论计算证明,基于膜片钳技术的检测系统根本不可能同时实现高带宽和高检测敏感度。本课题研究了基于固态纳米孔传感器的高带宽跨阻放大器,并且联合高采样率的数据采集系统来构建纳米孔检测系统。该系统可以达到带宽1MHz,检测敏感度1nA,采样率10MS/s的参数要求,其价格低廉、性能优异的特点为固态纳米孔在单分子检测中的应用提供了更为广阔的前景。  首先,我们分析了固态纳米孔传感器的电学特性以及信号特征,结合微弱信号检测电路的低噪声设计原则,选择AD8615和AD811这两种运算放大器作为跨阻放大器的主要芯片。以三级放大为设计思路,利用跨阻放大原理将AD8615用于前置放大电路,并且选择高精密高稳定金属箔电阻作为反馈电阻,使整个放大器的噪声尽可能的低。二、三级放大电路采用AD811实现电压的连续放大,并且通过电路设计达到提高输入阻抗和降低输出阻抗的目的,从而提高整个跨阻放大器的带载能力。考虑增益和带宽的相互关系,以高带宽为首要设计参数,尽可能地提高放大器的增益。  其次,我们介绍了跨阻放大器的EMC设计。从提高跨阻放大器的电磁敏感性和降低它对固态纳米孔传感器的电磁干扰这两个角度出发,分别介绍电子元器件的选型、PCB的EMC设计和接地设计。并且借助屏蔽设计理论和屏蔽盒设计要点,为跨阻放大器的各级电路设计专门的铝质屏蔽盒。  然后,我们以NI-6115数据采集卡为硬件核心,搭建高采样率的数据采集系统,编写符合高带宽信号要求的上位机数据采集软件。  最后,我们调试纳米孔检测系统并分析实验结果。
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