计量学报

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吕亮,罗宇鹏,姜晓梅,林晓峰,庞博文

计量学报. 2024, 45(8): 1089-1095. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.01

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为满足光子计数类型光电探测器光谱响应度的计量需求,建立了微弱光探测器光谱响应测量装置,其特点是可在pW级单色光功率水平下实现光谱比较测量。设计了可调式亮度源,与色散相减双光栅单色仪密闭耦合后实现了6个量级的功率可调单色光输出,可适用于不同光子探测器的线性工作区间,波长范围覆盖330～1100nm。设计的密闭准直光路使系统可在正常照明环境下工作,降低了实验环境要求。以集成fA级电流放大器的标准探测器为参考,实现被测光子探测器计数率在1×10⁶个/s量级的光谱响应度测量。基于LabView编写了专用的控制及数据采集软件,实现了自动化测量。对系统的各项计量特性进行了实验,在330～1100nm波段内完成了光子探测器相对光谱响应度测量,相对扩展不确定度为(2.5～3.8)%,k=2。

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基于MLP-AE网络的电磁层析成像算法

贾虎,王明泉,商奥雪

计量学报. 2024, 45(8): 1096-1102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.02

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电磁层析成像(electromagnetic tomography,EMT)传统算法由于物理模型的限制,导致重建数据缺失,使其逆问题存在着严重的不适定性和病态性。为解决重建图像普遍存在伪影多,质量差等问题,提出了一种基于MLP-AE的复合电磁层析成像算法。首先用待测物场信息作为输入送入自编码神经网络(AE)学习,得到编码数据;再对待测物场进行电磁激励获取电压数据;将电压数据作为输入,待测物场信息编码后的数据作为输出送入多层感知机神经网络(MLP)学习;最终解码实现端到端的图像重建。通过均方误差、结构相似性指数和成像时间评估所述算法的性能,并与线性反投影算法、Tikhonov正则化算法、Landweber迭代算法进行对比。实验结果表明,所述算法在单幅图像上:均方误差较以上传统算法分别降低了28.77%、22.57%、23.74%,结构相似性指数分别提升了17.54%、14.38%、15.44%,成像时间分别快了73.78%、98.63%、93.86%。所述重建算法对于待测物位置和形状的预测更为精确,时间大幅度减少,为之后进行实时精确成像提供了思路。

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紫外规则透射比国际比对

冯国进,张巧香,郑春弟,甘海勇,吴厚平,李雨宵,梁凤臣

计量学报. 2024, 45(8): 1103-1107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.03

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为保证我国紫外透射量值与国际的一致性,中国计量科学研究院代表我国参加了在2018年至2019年间,欧亚计量合作组织(COOMET)组织的首次紫外透射比的研究性比对。这次比对采用了4组溶液作为比对样品,透射比量值标称值覆盖5%～90%,波段覆盖235～350nm。比对结果表明,各参比实验室测量结果基本一致。在透射比50%附近,我国与距离国际参考值的偏离量最大不超过0.12%;在透射比20%附近,我国与距离国际参考值的偏离量不足0.08%;在透射比10%附近,我国与距离国际参考值的偏离量不超过0.03%。

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机器人几何参数标定误差模型对定位精度影响研究

王东霞,唐颖,李国成,温秀兰,钱夔

计量学报. 2024, 45(8): 1108-1114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.04

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机器人几何参数误差是影响机器人定位精度的主要因素,通过对几何参数标定能够有效提高机器人定位精度。为了解决机器人在标定过程中的奇异性问题,采用改进的Denavit-Hartenberg(MDH)方法建立机器人几何参数模型,根据微分误差原理分别建立了机器人几何参数标定位姿误差和位置误差及姿态误差模型,并通过对几何参数冗余性分析及采用Levenberg-Marquardt(LM)算法辨识几何参数误差,研究不同误差模型对机器人定位精度影响。实验结果表明:采用位姿误差模型对机器人几何参数标定后其末端位置和姿态精度均能提升约75%,适于在有高精度定位要求的机器人中推广应用。

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晶圆校准器误差补偿与拟合算法的研究

刘暾东,陈锃琰,王若宇,唐之晨,郑鹏

计量学报. 2024, 45(8): 1115-1124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.05

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晶圆校准器作为半导体生产、检测中的重要设备,其圆心定位的精度容易受检测误差的影响,因此针对误差的补偿算法是提高晶圆校准精度的关键技术。针对检测误差中晶圆承载面倾斜影响采样精度问题,建立了晶圆倾斜后在水平面椭圆投影的物理模型,推导椭圆与晶圆圆心的解析关系,并采用相应的椭圆方程进行拟合。为了进一步提高补偿及拟合精度,提出了一种引入遗忘因子的扩展卡尔曼滤波的椭圆拟合算法,该算法采用密度聚类法及改进样本点分布的渐进一致采样进行数据预处理,并利用迭代重加权最小二乘法进行椭圆拟合,最终实现圆心的精确拟合。实验证明,在使用提出的方法进行误差补偿后,拟合精度达到99.95%,验证了其有效性。

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船载微型Ga-In共晶固定点的现场复现方法研究

朱幸福,潘江,王光耀,刁福广,孙建平,李婷,王彭宇

计量学报. 2024, 45(8): 1125-1131. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.06

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将温标固定点技术应用于船载现场是实现温度量值扁平化,提升海洋温度测量水平的重要手段。为了弥补ITS90温标在海洋温区(-5~35℃)范围内固定点数目不足,不能对NTC热敏电阻进行有效校准的缺陷,研制了微型Ga-In共晶固定点,开展了船载控温箱微型Ga-In固定点温坪复现研究,同时探索了环境温度条件下微型Ga-In共晶固定点的复现。采用切线交点法和三次多项式拟合法对微型Ga-In固定点进行了评估和分析。结果表明:微型Ga-In共晶固定点重复性优于1mK;微型Ga-In共晶固定点应该在固态并低于熔点的环境下保存。采用切线交点法赋值得到微型Ga-In共晶固定点相变温度为15.6549℃,扩展不确定度为1.54mK(k=2)。

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联合改进稀疏正则化ECT图像重建算法

马敏,孙妮

计量学报. 2024, 45(8): 1132-1138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.07

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针对电容层析成像技术逆问题求解过程中的病态性和不适定问题,提出了联合改进稀疏正则化图像重建算法。首先利用自适应截断奇异值算法对灵敏度矩阵进行优化预处理,以消除矩阵中的冗余信息;其次,基于优化后的灵敏度矩阵联合改进的L1-αL2稀疏正则化,构建凸函数项,增强解的稀疏性和稳定性;最后通过快速迭代阈值收缩算法进行求解,加速迭代收敛速度。改进算法在重建图像中相关系数平均达0.8813,图像误差平均降至0.2111,成像速度保持在0.10s以内。仿真与实验结果表明,改进算法改善了逆问题的病态性和不适定性,提高了图像重建精度,同时具有较强的鲁棒性和实时性。

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基于多尺度自适应网络的ECT图像重建

张立峰,常恩健

计量学报. 2024, 45(8): 1139-1146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.08

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为求解电容层析成像(ECT)中的非线性病态反问题,提出了一种多尺度自适应网络(MSANet)模型,该模型实现了更精细维度上多尺度特征的融合,且模型参数量相对较小。通过在单个残差块内构建树状结构组成多尺度特征融合模块,MSANet实现了更好的鲁棒性和更低的计算参数量;采用加入自适应空间阈值模块方式,进一步提高了图像的重建精度。实验结果表明:与线性反投影(LBP)算法、Landweber迭代算法及常用深度学习方法相比,该方法平均相对误差最小且平均相关系数最大,分别为0.181及0.967。

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基于二阶混联灵敏度矩阵的ECT图像重建

陈达,张立峰,樊振萍

计量学报. 2024, 45(8): 1147-1154. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.09

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电容层析成像技术求解图像重建问题属于非线性问题。在灵敏度矩阵的推导过程中,通常只保留灵敏度系数的线性部分,但是被忽略的非线性部分同样包含重要的成像信息。为了提高图像重建精度,基于二阶灵敏度系数的数学定义,结合模糊C-均值聚类算法和电场中心线理论,建立了二阶混联灵敏度矩阵,并将矩阵引入到Landweber算法中,提出了二阶Landweber算法;最后,进行仿真和静态实验,并与传统的Tikhonov算法和一阶Landweber算法进行对比, 结果表明,二阶混联灵敏度矩阵可以提高图像重建精度。

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基于OpenFOAM的氢气音速喷嘴流出特性研究

项裕涵,黄震威,李春辉,曹培娟,谢代梁

计量学报. 2024, 45(8): 1155-1161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.10

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采用OpenFOAM数值模拟,并基于中国计量科学研究院的高压pVTt气体流量标准装置实验测量相结合的方法,针对喉径为0.32、1.01、3.20mm的3支音速喷嘴,在喉部雷诺数4.14×10³～8.21×10⁵层流范围内,定量研究了不同气体介质对其流动状态及计量特性的影响。结果表明,氢气和氦气流出系数间的最大偏差达1.14%,氢气和空气流出系数间的偏差在0.45%以内。

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水合物相变的内输多相流流动特性研究

陶俊傲,张火明,陈国庆,陆萍蓝

计量学报. 2024, 45(8): 1162-1169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.11

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天然水合物在柔性立管的举升过程中会由于压力的变化发生分解,相变过程由立管底部的固液两相流到立管顶部的气液固三相流。基于计算流体力学(CFD)方法,利用FLUENT软件建立悬链线型柔性立管模型,采用Euler多相流模型,结合UDF添加源项来模拟水合物分解过程,得到了不同影响参数下立管内水合物的流动特性。结果表明:颗粒体积分数和悬挂角的增加会使立管内持气率增加,从而减小水合物运输能耗;入口速度的增大会增加立管出口处的颗粒速度,使管道中的持气率减少,速度的增大使所需泵的能量消耗增加;颗粒体积分数的增加,使立管中持气率增加,所需泵的能耗先减小后增大,即颗粒体积分数存在最优值。在实际工程中可根据需要,通过调整相关参数达到减小能耗的目的。

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基于椭圆形柔性铰链微克级单体式称量机构性能分析与优化

朱锦辉,王健,江文松,罗哉

计量学报. 2024, 45(8): 1170-1176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.12

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为了提高单体式称量机构的灵敏度,对微克级的单体式称量机构进行性能分析与优化,建立了基于椭圆形柔性铰链称量机构的数学模型;以称量机构的横梁末端位移来评价称量机构的灵敏度,通过在不同部分改变铰链厚度,分别验证椭圆形和圆弧形铰链对称量机构灵敏度的影响。结合Ansys Workbench有限元仿真软件对模型的准确确度进行了验证,给出了针对柔性铰链划分网格时的评价依据,结果表明:模型的最小误差为1.8%;且在 1μg 载荷下,椭圆形铰链相比于圆弧形增加了0.39nm的末端位移。

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空气中双称重法砝码体积测量方法实验研究

苏祎,熊忠琪,郑晓兰,程丽苑

计量学报. 2024, 45(8): 1177-1183. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.13

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以质量1g~5 kg的标准砝码为对象,开展了空气中双称重法和静水力学法砝码体积测量比对实验研究。提出一种辅助砝码盘的砝码体积测量方法,解决了1~5g小砝码体积测量不能直接加载到秤盘上的问题。利用Monte Carlo法评定了砝码体积测量的不确定度,结果发现双称重法和静水力学法测得的砝码体积及其不确定度一致性很好,砝码标称质量在1g~1kg之间时砝码体积相对不确定度随着标称质量增加而减小,质量超过1kg时相对不确定度随着标称质量增加而增加。

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基于半解析有限元的结构载荷传递规律可视化

王朝华,连辉,吴凤和,黄冰潇,杨成龙,孙迎兵,王超世

计量学报. 2024, 45(8): 1184-1190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.14

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针对结构内部载荷传递规律的量化表达问题,提出了一种基于半解析有限元的载荷传递规律可视化方法。给出了结构内局部区域载荷传递量可视化的基本原理,利用半解析有限元法推导了结构内部载荷传递量计算的数学表达。借助单元生死技术模拟载荷传递量计算过程中结构内局部区域材料的不断移除与恢复过程,并通过二次开发给出载荷传递规律的可视化流程。以矩形悬臂平板、带孔平板、三点弯曲平板和三维弯曲梁结构为例,分别计算其内部载荷传递规律,得到了结构内部载荷传递的大小及方向。

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基于改进DBNet-CRNN的声级计读数识别方法

汪嘉,祝海江,王寅初,何龙标,杨平,牛锋

计量学报. 2024, 45(8): 1191-1199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.15

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为提高声级计校准工作效率,提出了一种基于深度学习神经网络的声级计图像读数检测与识别方法。读数检测模型以DBNet(differentiable binarization network)为基础模型,将ShuffleNetV2作为主干网络,显著降低模型参数量;为提高读数区域检测精度,引入高效通道注意力ECA模块,提高网络对于通道特征的提取能力,优化后的模型在保持精度的同时参数量缩减为原来的15.4%,计算量缩减为原来的67.4%。读数识别模型以CRNN((convolutional recurrent neural network)(为基础模型,先加入批量规范化层,提高网络训练时的稳定性;然后,引入残差块替换原有的卷积块,提高了网络对于复杂特征的提取能力;将Dropout应用于网络中,提高网络的泛化能力;此外,在合成读数数据集上对读数识别模型进行预训练,有效增加了模型准确率。改进后的方法准确率达到了99.7%,相较原方法提高了2.4%。实验结果表明,该方法对声级计图像中存在的字体多样、光照不均、模糊等影响因素具有较强的鲁棒能力,对声级计图像中的读数具有较高的识别精度。

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基于自适应BM3D的绝缘子缺陷检测图像降噪方法

时培明,袁群贸,许学方,阚俊明

计量学报. 2024, 45(8): 1200-1208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.16

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由于拍摄环境的影响,获取的图像中常常混有噪声,极易影响绝缘子缺陷检测的准确性。针对该问题,提出了一种自适应BM3D降噪方法。首先,引入基于噪声水平与图像块协方差矩阵特征值的统计关系的噪声估计算法,解决原始BM3D算法需要先验知识的问题;其次,以峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)为目标函数,通过量子遗传算法得到绝缘子图像在各个噪声强度下的参数最优值,包括基础估计中的硬阈值参数、距离阈值和最终估计中的距离阈值;最后,以噪声强度为自变量,采用多项式拟合的方式得到上述3个参数的拟合曲线,从而得到各个噪声强度下算法的最佳参数组合,实现BM3D算法在不同噪声水平下的参数快速自适应。对比实验的结果表明所提出的方法在直观视觉和客观评价指标上优于其他方法。当噪声标准差为25时,所提出的方法相较于原始BM3D算法在峰值信噪比、结构相似性(structural similarity,SSIM)和边缘保留指数(edge preserve index,EPI)指标上均有所提升,尤其是边缘保留指数提升近20%。在提升降噪效果的同时能够保留更多边缘细节,这有助于提高后续绝缘子识别及缺陷检测的效果。

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基于自适应H∞观测器的锂电池SOC与容量联合估计

吴忠强, 陈海佳

计量学报. 2024, 45(8): 1209-1215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.17

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为了提高锂电池SOC的估计精度,提出了一种基于自适应H∞观测器的锂电池SOC与容量联合估计方法。基于锂电池的二阶RC等效电路模型,并考虑SOC和容量的耦合关系,将容量也作为系统的状态变量进行观测。设计了一种自适应H∞观测器,其参数可随锂电池状态的变化自适应调整。由于在SOC估算时考虑了容量的影响,实现了SOC和容量的同时准确估计。实验结果表明:自适应H∞观测器的估计精度高且鲁棒性强,电池的SOC平均估计误差始终保持在±0.43%以内,相比于EKF和H∞观测器有更高的估计精度与稳定性。

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基于标准场法的低频电场计量技术探讨

赵品彰,冯铁英,孙剑辉,陈雨龙,宋光明

计量学报. 2024, 45(8): 1216-1221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.18

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为了实现低频电场测量仪的校准,探讨了基于标准场法的低频电场计量技术。描述了低频电场测量仪的结构和工作原理,分析了应用平行板产生可计算标准电场的方法,研究构建了校准系统。应用该系统进行了校准测量实验,分析了测量误差来源,评估了测量结果的不确定度。将实验结果与应用横电磁波室法的测量结果作了比较,数据表明该校准系统的测量结果合理,满足低频电场测量仪的校准要求。

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基于无迹粒子滤波改进算法的电池容量衰退预测研究

郭芮君,辛永强,杨剑锋

计量学报. 2024, 45(8): 1222-1230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.19

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为了提高电池容量预测的准确性和适用性,提出一种基于无迹粒子滤波的改进算法。为了减小滤波迭代过程的观测误差,引入支持向量回归算法对其予以改进。由于支持向量回归算法中的核函数与惩罚因子较难确定,提出使用遗传算法的寻优能力对其进行求解,形成一种经遗传算法和支持向量回归改进的模型。对这种融合模型进行性能评估,并与UPF-SVR和UPF-RVR进行对比,实验结果显示,融合模型预测结果的平均绝对误差EMA和均方根误差SRMSE分别低于2.0％和2.5％,相比其它模型预测精度更高,同时预测水平和收敛性均显著优于其它模型,更具有效性和可行性。

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Zn吸收边附近质量衰减系数测量

舒子瑶,郭思明,周幸,黄仕葵,樊丽鹏,李知微,王振

计量学报. 2024, 45(8): 1231-1235. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.20

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物质材料的光子质量衰减系数的准确值可为不同领域提供基本数据。由于单能X射线辐射装置能量连续可调、光子数可测,产生的X射线单能窄束,使其成为研究质量衰减系数(μ/ρ)的理想器件。研究了在8~20keV能量范围内,Zn样品在K吸收边附近(9~11keV),以0.1keV步长,基于单能X射线装置的质量衰减系数测量方法,并利用实验得到的测量值与NIST理论值进行比较分析。结果表明,在K吸收边跳跃附近会产生1个最大偏差,偏差在远离吸收边时会减小。实测曲线与NIST-XCOM及NIST-FFAST曲线基本一致,测量值与NIST-XCOM理论值最大偏差不超过10.51%。

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SRT-100浅层X射线治疗系统辐射能谱的模拟研究

包俊霞,赵瑞,汤显强,吴金杰,丁卫撑,张笑,常茂远

计量学报. 2024, 45(8): 1236-1241. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.21

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浅层X射线治疗在术后瘢痕的修复、皮肤的病变治疗等领域展现了良好的优越性。为研究SRT-100型浅层X射线治疗系统产生的辐射质,利用EGSnrc软件模拟不同管电压下的能谱,并与Spekcalc程序计算的能谱进行比较,结果显示两者具有很好的一致性。研究了X射线管不同靶角对半值层的影响,结果表明靶角越大,半值层越小。根据模拟得到的能谱计算出平均能量和有效能量,与Spekcalc的计算结果进行比较,平均能量的最大偏差为0.7%,有效能量的最大偏差为5.8%。

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TP53-R273H/R273C基因突变数字PCR检测方法研究

张洁洁,牛春艳,王霞,杨靖亚,董莲华

计量学报. 2024, 45(8): 1242-1248. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.08.22

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TP53基因是肿瘤的抑制基因,也是癌症中常用的靶向检测基因。R273H和R273C是TP53基因检测中常见的热点突变。为了建立这2个突变的微滴式数字聚合酶链式反应(ddPCR)检测方法,针对突变位点分别设计了2套ddPCR方法,验证了探针的特异性,并对退火温度和引物探针浓度进行了优化。结果显示,所建立的方法具有良好的特异性和重复性,ddPCR法与重量法之间的相关系数为0.9997和0.9996。R273H和R273C的检出限均为0.02%,定量限均为0.05%。这2套方法可用于准确检测TP53-R273H和TP53-R273C基因突变,为临床应用提供支持。

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2024年, 第45卷, 第8期　
刊出日期：2024-08-28

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