本文设计了一套基于光栅的、低成本的微流控芯片电泳荧光检测装置,此装置采用激光诱导荧光(LIF)检测法,以488 nm全固态激光器为激发光源,以6001/mm全息透射式衍射光栅为色散元件,通过CCD检测光谱图像。并用该装置分离检测多色荧光标记的DNA片断。该装置由光学系统组建和DNA图谱分析软件两部分组成,分别提供微流控芯片电泳的硬件平台及图谱分析的算法实现。本文具体研究内容如下:(1)采用Zemax对光栅进行仿真。仿真光线入射角、光栅参数、聚焦透镜类型、透镜焦距对光谱成像的影响。仿真结果显示:光谱分辨率与光线入射角、光栅线对数,聚焦透镜焦距正相关。采用双胶合消色差聚焦透镜会聚荧光所成像的质量高于普通聚焦透镜。根据仿真结果,选定荧光入射角为10.4度,会聚透镜采用60 mm双胶合消色差透镜。(2)介绍了光学系统的设计原理、光学元件特性和光路组合模型,详述了光路搭建过程与调试方法。调试主要分为单元调试和系统联调。单元调试包括以光功率计为调试工具的激发光路调试和以汞灯为光源的色散光路调试。系统联调以10-6mol/L荧光素钠为样品,获取光谱图像,验证了该装置收集荧光的可行性。(3)研究了该检测装置的灵敏度。以10-7mol/L,10-8mol/L和10-9mol/L几的荧光素钠溶液为样本,分析激光功率、溶液浓度和曝光时间对光谱成像的影响。结果发现该装置在1.2 mw激光功率、50 ms曝光时间下依旧能清晰呈现10-9 mol/L荧光素钠的荧光信号,其SNR为168.44 dB,SBR为1.82×105,检出限达 10-9mol/L。(4)本文选择汞灯完成系统波长标定,标定过程中分别采用直读法、质心法和拟合法确定汞灯光谱峰值位置。根据光栅线性色散特性,设定光谱波长与CCD成像像素位置的一阶线性关系,比较多种拟合方法,最终发现高斯函数拟合配合一阶多项式拟合效果最佳,具有最小的SSE为0.00323,由此确定系统标定函数。随后研究该装置的光谱分辨率,选择576.96nm、579.07 nm两种汞灯光谱,采用最小半峰宽作为光谱分辨率的标志量,经计算光谱分辨率可达0.9889 nm。(5)本文还研究系列DNA图谱分析与处理算法,以解决原始图谱分辨率不高,信噪比较小导致碱基片断排序困难的问题。数据段选取法用于提取有效光谱数据,减少无效信号干扰并加快处理速度。提出改进式柱状图法去基线,该方法综合传统柱状图法和分段法,吸取两者的优点,使得各个碱基片断峰精确位于同一基线上。应用中值滤波、高斯滤波和小波滤波法降低脉冲噪声、高低频噪声、白噪声和高斯噪声等影响,提高信噪比。为解决荧光光谱串扰及多种荧光物质同时经过检测窗口这一问题,我们构建光谱矫正模型,采用非负约束的最小二乘法(NCLS)实现多色光谱的线性拆分。采用同型盲解卷积法减小碱基片断峰的展宽效应,提高碱基片断峰谱分辨率。最后将上述算法应用于MATLAB实现,并集成到GUIDE编写软件界面中,构成完整的DNA图谱分析软件。(6)本文最后进行微流控芯片电泳实验,首先对包含20个碱基片断的marker进行单色电泳实验,分析结果得到20个碱基片断峰,并实现碱基片断排序,同时验证在该实验环境下该装置至少能分辨相差5 bp的碱基片断,此外还发现碱基片断大小与检测时间具有较高的线性关系。随后采用NCLS对五种染料标记的五个DNA片断样品进行分离检测,最终得到五个碱基片断峰。最后对碱基片断差4bp和5 bp的ladder样品进行电泳实验,分析后得到可分辨的序列碱基片断峰,并证明在该实验环境下该装置至少能区分0.26 bp的碱基片断。