论文总字数：21912字

摘 要

微流混合器是微流控系统中，实现对流体控制操作的基本单元。而在研究蛋白质折叠动力学的过程中，超快速微流混合器则是研究的有力工具。在本课题中，通过光学检测的方式，对仪器中检测到的荧光强度信号进行提取和分析，进而滤除仪器本身带来的影响，获取蛋白质折叠的准确信息，并设计出相关的用户图形界面。

本文首先对微流混合器用于蛋白质折叠动力学研究的原理进行了介绍，由此引入课题设计中MATLAB软件相关功能的运用。在为实现设计目标的前提下，进行了相关的方案设计和论证，主要从数据导入、频谱分析以及滤波器设计三方面展开，并对设计过程中可能出现的问题进行了分析。在方案论证的基础上，给出了每个部分的设计思路与方案。从功能模块着手，解释软件功能实现的相关过程，结合MATLAB的图形用户界面（GUI）,介绍界面涉及到的相关操作，和使用过程中的注意事项。其中，对滤波器的设计进行了详细的分析，针对不同情况下的滤波器使用，提出了切实可行的选型方案。

最后对提取的蛋白质折叠信息进行了初步分析，也对本课题存在的问题做出讨论，对软件的进一步优化做出了总结与展望。

关键词：超快速微流混合器，蛋白质折叠，数据分析，滤波器，MATLAB GUI

OPTIMIZIZATION ANALYSIS OF DATA IN MICROFLUIDIC MIXER

Abstract

The microfluidic mixer is the basic unit of the fluidic controls in the microfluidic system. In the process of studying protein folding kinetics, ultra-rapid microfluidic mixing is a powerful tool for study. In this project, fluorescence intensity can be extracted through optical detection, and filter out the influence of instrument itself to obtain accurate information about the protein folding information, and design the graphic user interface (GUI).

Firstly, this paper introduces the principle of microfluidic mixer used in the study of protein folding kinetics and comprehensively explains the function of MATLAB software and performance requirements in design process. Under the precondition of achieving the design goals, this paper carries on the related plan analysis and demonstration from the data import, spectrum analysis and filter design, and then analyzes the problems that may appear in the design process. Through the function modules, this paper interprets software function in realization process, combined with the Matlab graphical user interface (GUI). This paper also introduces related operations in the interface and matters needing attention in using process. The filter design is analyzed in detail for different cases, this paper proposes a practical selection scheme.

Finally, this paper preliminarily analyzes the extractive information of protein folding, discusses the remaining problems in this project, and puts forward some personal views for the further optimization of the software.

Keywords: ultra-rapid microfluidic mixing, protein folding, data analysis, filter, MATLAB GUI

目录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪 论 5

1.1 引言 5

1.1.1 蛋白质折叠动力学与微流混合器 5

1.1.2 MATLAB的相关应用及介绍 6

1.2 课题的研究目的和意义 7

1.3 本文的主要研究内容 8

1.4 本章小结 8

第二章 设计方案与工具 9

2.1 设计方案 9

2.1.1 方案论证 9

2.1.2软件的性能要求 10

2.2 设计工具 11

2.2.1 FDATOOL介绍 11

2.2.2 GUI介绍 13

2.3 MATLAB语言 16

2.4 本章小结 16

第三章 界面设计和功能实现 18

3.1 数据导入 18

3.2 数据频谱分析 19

3.3 滤波器设计 20

3.3.1 滤波器选型 21

3.3.2 FIR滤波器的设计 22

3.4 结果分析 23

3.5 界面的其他功能 23

3.6 本章小结 24

第四章 总结和展望 25

4.1 总结 25

4.2 展望 25

致谢 27

参考文献（References） 28

第一章 绪 论

1.1 引言

1.1.1 蛋白质折叠动力学与微流混合器

蛋白质是一种链状大分子，其基本组成结构是各种氨基酸分子，不同蛋白质具有不同的生物学功能。这些功能通常由蛋白质分子的空间结构决定，而蛋白质分子的空间结构又取决于其氨基酸组成序列。蛋白质折叠动力学研究的就是蛋白质从基本氨基酸分子组成复杂空间结构的过程。蛋白质折叠动力学的研究是生命科学领域的重要课题，是正确分析蛋白质结构的基本途径。

此外，蛋白质的错误折叠还会引起各种疾病，诸如疯牛病、阿兹海默症等，而细胞内的一些蛋白质分子突变则是引发一些癌症的根源。因此，研究蛋白质折叠的过程，有利于完善对折叠机制的理解和深入研究，从根本上揭示蛋白质作为“第二遗传密码”在生命科学中的重要意义。^[1]

在蛋白质分子折叠的过程中，需要研究其整体的结构变化和各种中间态，因而在蛋白质分子早期折叠事件发生前，就要将参与反应的反应物充分混合。但问题在于，蛋白质从基础的氨基酸分子折叠成空间结构的过程通常发生在毫秒、微秒量级，而对于一些蛋白质小分子，折叠的时间甚至更短。^[2]在传统的研究方法中，一般会采用停流装置来快速混合反应物。其基本原理是，将两种溶液，即已变性的蛋白质溶液和复性溶液通过气压传动装置或是步进电机通入到仪器中，进而引入混沌流将两种溶液充分混合，启动折叠反应。这一处理的好处在于，混沌流中的溶液被分裂成细丝状和薄片状，这在一定程度上加大了两种溶液的接触几率，加速了分子间的扩散运动。但传统方法的不足在于，为了获得较大的雷诺数，就必须要用较大的流速，所以在停流装置中采用混沌流的方法实现混合的过程，样品的消耗量会非常大，这使得研究的成本大大提高了。^[3]停流装置存在的另一个问题是混合时间一般都在毫秒量级，所以对于微秒或更低量级的折叠反应的研究，起到的作用有限。

近年来，在传统研究的基础上，微流控芯片技术呈现出蓬勃发展的趋势，基于此技术的微流混合器被极大地应用在蛋白质折叠动力学的研究上。微流混合器作为微流混合技术的核心组成部分，其尺度大小同细胞之间具有高度的相容性，可以实现对细胞环境的模拟，这使得对蛋白质折叠动力学的研究更为方便。

微流混合器与传统的微阀、微通道一样，通过微机电系统（MEMS）加工技术，尽可能地将常规分析仪器的功能集成到微流控芯片上，实现与集成电路一样，集约化、专用化的片上系统（SoC）。对比于一般的混合装置，微流混合器的混合时间更短且精度更高，在定量分析方面具有极佳的优越性，因此现在已经作为一种极为有效的技术手段，广泛用于蛋白质折叠的研究领域。微流混合器用于蛋白质折叠研究的基本原理是，中心通道通入已变性的蛋白质溶液，两侧侧通道通入缓冲液，通过大量缓冲液快速稀释蛋白质溶液中的变性剂，启动蛋白质折叠的过程。

此外，微流混合技术本身也是微流控系统中研究的重点，对微流混合器的深入研究可以加深对蛋白质折叠过程中微尺度的物质输送现象的理解。微流混合器的通道大小多为微米级，故而通道中流体的流动主要受到粘性力影响，而不再收惯性力主导。另一方面，微流混合器尺寸上的减小也使得其表面积与体积比增加，这也提高了微流通道中的传热效率和传质效率，使得变性蛋白质溶液和复性溶液在极短的时间内就可以实现混合。此外，较高的传热效率极大地方便了微流混合器中参与反应的溶液的快速加热和冷却，也就是说，可以更精确地实现对系统环境变量的控制。^[4]

通常情况下，微流控芯片的大小在几十厘米左右，而其内部的微流混合器的大小大约在几十微米左右。这一尺度恰处于微观和宏观之间，而蛋白质分子的平均自由程通常远小于这一尺度。^[5]所以，在涉及到流体分析的理论中，可以采用现有的宏观分析方法处理微流混合器中的流体。从这一角度上来讲，微流混合器中的流体同样具有优秀的可操控性。

现阶段，微流控芯片系统的检测通常采用化学检测和光学检测两种方法，而荧光检测法因其具有较高的灵敏度而被广泛使用。荧光检测的基本原理就是当用一定波长的光照射某种蛋白质时，蛋白质会在极短的时间内发射出比照射波长更长的光，进而采集这些光谱进行分析。微流混合器中采用荧光检测的方式获得蛋白质折叠过程中的相关信息，影响其灵敏度的主要因素无外乎拉曼散射和瑞利散射。^[6]为了提高检测的灵敏度，需要尽可能地取出芯片本身带来的背景荧光。为准确控制相关参数，通常采用激光诱导荧光，由此又分为共聚焦和非共聚焦检测系统。因为共聚焦技术可以减小样品照射时的体积，从而也就减小了散射光对整个系统灵敏度的影响，有效的降低了因为荧光检测造成的背景噪声影响，提高了系统的信噪比。本课题就是基于共聚焦系统中微流混合器的数据优化分析。微流混合器中引入光学检测技术，对蛋白质研究过程中，减小样品的消耗量，提高测量精度起到了重要的促进作用。

1.1.2 MATLAB的相关应用及介绍

MATLAB是一种商业数学软件，全称是矩阵实验室（Matrix Laboratory），由美国MathWorks公司开发，主要包含MATLAB和Simulink两部分。MATLAB作为一款在数值计算方面的领军软件，广泛应用于数据分析，可视化数据以及数值计算等方面。利用MATLAB，可以实现矩阵运算、绘制函数图像、创建图形用户界面等多种功能。

因为矩阵是MATLAB的基本数据单元，与工程实际中使用的形式十分类似，故而MATLAB比起FORTRAN、C等高级计算机语言，在解决常见的工程计算问题时，具有自身独特的优势。同时，MATLAB也吸取了同类数学软件，诸如Mathmatica和Maple等的优点，使得其本身的功能更为强大。^[7]

MATLAB使用的是一种演算纸式的编程语言，即M语言。基于常见的C语言的基础上，M语言的语法特征与其相当相似，包涵函数、数据结构、面向对象等编程特点。而且M语言本身具有极佳的可移植性，可以很方便地进行各种拓展运用。因M语言本身做过容错和优化处理，可以代替底层的编程语言。在计算相同问题的情况下，使用M语言会更加简约方便。此外，MATLAB包含了大量算法，拥有多种数学运算函数，实现各种计算功能。从最基本的函数到各类复杂函数，诸如矩阵和FFT（快速傅立叶变换）等，MATALB可以解决各类方程的求解和矩阵运算，包括工程中的优化分析、数据的统计分析、三角函数、多维数组以及动态建模等。

MATLAB还集成了各种功能强大的工具箱，用户可以直接调用工具箱，而免去复杂的编程过程，在使用中学习和应用。工具箱分为学科和功能工具箱，其中学科工具箱的专业性较强，而功能工具箱则是用来实现可视化的建模仿真、实施控制和符号运算等等。目前，MATLAB的工具箱已涉及到诸多领域，涵盖控制系统、信号处理、图像处理、生物工程等各专业领域。除了部分内部函数，MATLAB的各种工具箱都是直接读取和修改的文件，正是因为工具箱本身的算法是开放的，用户在使用过程中，可以根据自己的实际需要，对工具箱的功能进行扩展。在本题中，主要使用了FDATOOL设计课题中应用到的滤波器。FDATOOL提供了一个交互式的设计界面，用户根据使用的需要，可以很方便的选择设计有限长冲激响应（FIR）和无限长冲激响应（IIR）的两种滤波器。FDATOOL界面分上下两部分，上半部分用来显示滤波器的实际特性，下半部分则用来设置滤波器的相关参数，主要包括设置滤波器类型、设计方法、滤波器阶数、频带参数、幅值参数等一系列相关参数。在实际设计过程中，可以通过实时对比滤波器的幅频、相频响应与设计需求的差异，及时地调整相关参数，以实现最佳的设计效果。

MATLAB中的诸多工具箱，多是采用图形用户界面。这些界面同样包括命令窗口、工作空间、调试器、编辑器和文件浏览器等等，极大的方便了用户使用各种函数和文件。随着MATLAB的不断优化升级，界面本身更加趋于完美，更加人性化，操作和使用越来越方便。而且自带的帮助系统，可以在第一时间帮助用户解决出现的问题。完善的调试系统为编程提供了更多的便利，程序可以跳过编译过程直接运行，及时地找出存在的错误，并提供适当的错误问题分析。在开发过程中，用户可以控制多个图形界面，除了MATLAB本身强大的处理功能，界面还提供了详细的图形标注。

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