플라즈모닉 나노기공(Plasmonic Nanopore) 단일 분자 DNA 서열 분석 & 1,000Hz 0-Alloc C# 피코암페어 이온 전류 록인 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.BioEngineering.Nanopore
{
    /// 

    /// 염기 서열 열거형
    /// 
    public enum DnaBase : byte
    {
        Unknown = 0,
        Adenine = 1,  // A
        Thymine = 2,  // T
        Guanine = 3,  // G
        Cytosine = 4  // C
    }

    /// 

    /// 나노기공 계측 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct NanoporeTelemetry
    {
        public readonly float BaselineCurrentPa;   // [pA] 개방 기공 기준 전류 (예: 1200 pA)
        public readonly float BlockageCurrentPa;   // [pA] DNA 통과 시 차단 전류
        public readonly float DwellTimeUs;         // [us] 단일 염기 기공 체류 시간
        public readonly float SersIntensityCounts; // [counts] 표면 증강 라만 산란 광자수
        public readonly float PoreTempC;           // [C] 나노기공 국소 온도

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NanoporeTelemetry(
            float baselineCurrentPa,
            float blockageCurrentPa,
            float dwellTimeUs,
            float sersIntensityCounts,
            float poreTempC)
        {
            BaselineCurrentPa = baselineCurrentPa;
            BlockageCurrentPa = blockageCurrentPa;
            DwellTimeUs = dwellTimeUs;
            SersIntensityCounts = sersIntensityCounts;
            PoreTempC = poreTempC;
        }
    }

    /// 

    /// 나노기공 서열 판독 및 서보 제어 연산 결과
    /// 
    public readonly ref struct NanoporeControlResult
    {
        public readonly DnaBase DetectedBase;           // 판독된 염기 (A, T, G, C)
        public readonly float BaseCallingConfidence;   // [0.0~1.0] 판독 신뢰도
        public readonly float CommandedLaserPowerMw;   // [mW] 감속용 플라즈모닉 레이저 출력
        public readonly float CommandedBiasVoltageMv;  // [mV] 전기영동 전압 보정
        public readonly bool IsPoreClogged;            // 기공 막힘 감지 플래그
        public readonly bool IsTranslocationLocked;    // 최적 전이 속도 잠금 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NanoporeControlResult(
            DnaBase detectedBase,
            float baseCallingConfidence,
            float commandedLaserPowerMw,
            float commandedBiasVoltageMv,
            bool isPoreClogged,
            bool isTranslocationLocked)
        {
            DetectedBase = detectedBase;
            BaseCallingConfidence = baseCallingConfidence;
            CommandedLaserPowerMw = commandedLaserPowerMw;
            CommandedBiasVoltageMv = commandedBiasVoltageMv;
            IsPoreClogged = isPoreClogged;
            IsTranslocationLocked = isTranslocationLocked;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 플라즈모닉 나노기공 DNA 서열 분석 엔진
    /// 
    public ref struct PlasmonicNanoporeDnaEngine
    {
        private const float TargetDwellTimeUs = 50.0f; // [us] 최적 판독 체류 시간 설정점

        /// 

        /// 1ms 주기 이온 차단율 계산, 염기 판독 및 광학 감속 서보 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NanoporeControlResult Update(in NanoporeTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 차단 비율 계산 (Residual Current Ratio: I / I0)
            float safeBaseline = MathF.Max(100.0f, telemetry.BaselineCurrentPa);
            float currentRatio = telemetry.BlockageCurrentPa / safeBaseline;

            // 2. 4종 염기 차단 레벨 판정 (통상적인 Si3N4 나노기공 1M KCl 기준)
            // G: 0.15~0.22, A: 0.23~0.29, T: 0.30~0.36, C: 0.37~0.45
            DnaBase baseCall = DnaBase.Unknown;
            float confidence = 0.5f;

            if (currentRatio >= 0.14f && currentRatio < 0.225f)
            {
                baseCall = DnaBase.Guanine; // G (가장 큰 분자 부피)
                confidence = 0.96f;
            }
            else if (currentRatio >= 0.225f && currentRatio < 0.295f)
            {
                baseCall = DnaBase.Adenine; // A
                confidence = 0.94f;
            }
            else if (currentRatio >= 0.295f && currentRatio < 0.365f)
            {
                baseCall = DnaBase.Thymine; // T
                confidence = 0.93f;
            }
            else if (currentRatio >= 0.365f && currentRatio < 0.46f)
            {
                baseCall = DnaBase.Cytosine; // C (가장 작은 분자 부피)
                confidence = 0.95f;
            }

            // 라만 형광 보조 신호가 있으면 신뢰도 추가 보정
            if (telemetry.SersIntensityCounts > 200.0f)
            {
                confidence = MathF.Min(0.999f, confidence + 0.04f);
            }

            // 3. DNA 통과 속도 제어: 체류 시간이 짧으면(너무 빠르면) 레이저 광학 트랩 파워 증가
            float dwellError = TargetDwellTimeUs - telemetry.DwellTimeUs;
            float laserPower = 5.0f + (dwellError * 0.1f);
            laserPower = Math.Clamp(laserPower, 1.0f, 25.0f);

            // 4. 기공 막힘(Clogging) 감지: 5ms 이상 완전 차단 지속 시 역전압 펄스 준비
            bool clogged = (currentRatio < 0.05f) && (telemetry.DwellTimeUs > 500.0f);
            float commandedVoltage = 150.0f;
            if (clogged)
            {
                // 역전압 인가 (-200mV)로 기공 청소
                commandedVoltage = -200.0f;
            }

            bool isSpeedLocked = MathF.Abs(telemetry.DwellTimeUs - TargetDwellTimeUs) < 15.0f;

            return new NanoporeControlResult(
                detectedBase: baseCall,
                baseCallingConfidence: confidence,
                commandedLaserPowerMw: laserPower,
                commandedBiasVoltageMv: commandedVoltage,
                isPoreClogged: clogged,
                isTranslocationLocked: isSpeedLocked
            );
        }
    }
}