基于光强实时反馈控制和同步校准的波长调谐移相干涉系统

波长调谐移相干涉技术是通过改变光波长来计算相位的。为了减少可调谐激光器在变波长进行移相时光功率的随机变化对相位计算产生的误差,本文提出了一套光强实时反馈控制系统和同步校准方案。首先分析了光强在某一范围内的随机变化产生测量误差,并选用合适的光电检测设备搭建了一套光强控制系统。该系统能够将光信号转化为电信号,并通过PID来实现对光强的控制。实验结果表明,本系统能够将光强的变化范围控制在±0.002 mW以内,其响应速度达到600 kHz,已远远超过干涉仪CCD的取图速度。最后,对口径为50 mm的光学元件进行表面形貌检测,加入本控制系统后,面形精度的测量指标PV值和RMS值分别提高了1.53×10^-2λ和2.43×10^-3λ,表明本系统在高精度的光学元件检测领域具有重要的实用价值。     

基于SPR传感的空间相位调制蛋白质芯片检测方法

无标记蛋白质芯片检测可成为蛋白质组学研究的重要技术平台.将空间相位调制与SPR传感结合,使发生SPR时引起的反射光的相位变化转化为干涉条纹的位置变化,通过分析干涉条纹的位置变化即可获得反射光的相位变化,从而解析出相关生物信息.在构建了空间调制SPR相位检测实验装置的基础上,进行了生理盐水浓度测定以及兔IgG和羊抗兔IgG相互作用检测实验.实验结果表明,NaCI溶液分辨率至少为3×10-5RIU,检测的动态范围达到1.33～1.37,兔IgG与羊抗兔IgG相互作用时引起相位变化12°.这些实验结果表明,该方法适合蛋白质微芯片的检测.     

制冷双CCD采集系统在SPR成像中的应用

SPR双分差动干涉成像检测法既可实现高通量,又可提高折射率分辨率,能满足蛋白质组学和药物发现与开发的迫切需要.然而,如何高灵敏度获取干涉图像信号却是面临的技术难题.展示了一种制冷双CCD同时曝光采集系统,可同时采集2帧相位差为180.的干涉图像,解算后得到反映传感表面上发生生物分子相互作用时引起的折射率变化分布,经解析得到生物分子的特征参数.制冷CCD使暗电流噪声显著减小,有效提高检测分辨率;利用FPGA产生CCD控制信号,保证双CCD同时曝光,避免分时采集中光源光强波动引起的误差.以盐水为试剂,对系统的分辨率进行了检测,实验结果表明,该采集系统具有低噪声,无相移误差及效率高等优点,使SPR检测系统的分辨率达到2xl0-6 RIU,满足了要求.     

小型便携化SPR生物传感系统的研制与应用

针对目前SPR（表面等离子共振,Surface Plasmon Resonance）检测仪器应用广泛,而商品化的仪器及耗材价格过于昂贵的现状,自行设计了一套SPR生物传感系统,该传感系统通过错位平行四边形光路设计,简化了系统结构,降低了仪器的成本,实现了仪器的小型化,便携化,提高了传感系统的检测范围,保证了单一样本的检测精度。利用该检测系统检测葡萄糖溶液和抗原抗体反应,并比较分析了动静态时的光强变化趋势,建立了各自的浓度标准曲线。结果表明：该传感系统能够有效地分析芯片表面介质特性改变所引起的变化,具有良好的精度、稳定性和灵敏度。     

皮米量级微位移信号处理分辨力的光纤布拉格光栅探针系统

为了实现超高分辨力的微位移测量,建立了基于光纤布拉格光栅传感的高灵敏度探针系统,研究了静态锁相放大技术,用于检测小于纳米量级的微位移信号.根据光纤布拉格光栅传感原理,设计了高灵敏度的双光栅自补偿解调系统结构.基于信号特征研究了静态锁相放大技术,用于实时检测处理微弱测量信号.最后,通过探针系统的性能测试实验可获得灵敏度和...     

生物传感器及其在食品安全检测中的应用

生物传感器技术是一种全新的微量分析技术,目前已经广泛应用于生物、医学及食品等领域,通过生物传感器进行检测可以实现高通量、高精确度、快速筛查及定量分析.本文概述了生物传感器技术的基本原理及其在食品安全检测中的应用,并对国内外食品安全检测中常用的两种类型的商品化的生物传感器-基于微阵列芯片点样技术的晶芯芯片检测系统及基于表面等离子共振技术的Biacore检测芯片系列产品进行了介绍,旨在为今后更广泛地发挥生物传感器技术在食品检测中的作用提供参考.     

差分干涉表面等离子体共振传感器的优化与验证

分析了影响相位调制的表面等离子体共振(SPR)传感器灵敏度及动态范围的各种因素.搭建了差分干涉SPR相位检测系统,使用matlab软件模拟了若干因素对该类传感器的灵敏度和动态范围的影响,并使用3种厚度的金膜进行了实验验证,同时实时测量了牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程.结果显示,入射角度对于灵敏度和动态范围没有影响,而入射光波长、所选金属的介电常数和金膜厚度这3个因素是起作用的.这3个因素中,金膜厚度是比较重要且最易调节的一个.选定金膜后,通过调节入射角和反应物浓度,将抗原抗体反应导致的相位变化限制在系统的线性范围内进行了实时检测.结果表明,对于波长为633 nm的光源,在测量牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程中,兼顾灵敏度和动态范围的最优金膜厚度为48 nm,此时动态范围为0.013 6RIU,灵敏度为6.67×10-7RIU/0.01°.     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

基于DSP的振动信号检测仪

采用DSP芯片TMS320VC5402对机械振动信号进行实时分析处理,设计了一种实时监测机械振动情况的检测系统.该系统能将机械振动的频率、振幅及相位信息传输给PC机,利用VB软件绘出振动信号的时域或频域图形,并且可以通过PC机发送分频系数给DSP,控制其采样频率,从而达到精确采样振动信号的目的.     

基于光纤环形衰荡腔的甲烷传感研究

提出一种基于腔衰荡光谱技术的新型光纤甲烷传感方法,与传统的甲烷传感方式相比,它可以通过测量信号的相位移动来测量气体的浓度。实验中采用了环形的光纤结构,避免了小型渐变折射率透镜构成的微型气室产生的二次噪声,提高了系统的灵敏度。结果表明,该系统可以应用于低浓度气体的在线检测。     

采用特殊镀膜分束器的OCT系统性能分析

基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型,研究了在OCT系统中高散射生物组织背向散射光的反射率。仿真结果:表明对OCT成像有贡献的背向散射光强是样品臂入射光强的10^-8~10^-10,这样微弱的有用信号限制OCT系统的成像速度、探测灵敏度、信噪比和图像对比度等系统的性能。为此设计了一种带有特殊镀膜分束器的OCT系统。采用这种结构的分束器,第一,在保证入射光对生物组织无热损伤的情况下,可以尽量提高光源的输出功率,改进之后的干涉仪可以使参考光衰减4个量级,因此不会使光电探测器的输出轻易达到饱和状态。第二,大幅度减小了参考光与信号光之间的能量差距,图像干涉对比度大约提高2个数量级,即使在高速成像的情况下,仍然能够使OCT系统具备较高的成像质量。第三,这种特殊结构的干涉仪可以使样品臂的入射光最强,并将背向散射信号光因分束器反射的损失减少到最低程度,从而使系统的信噪比提高了6 dB,并通过对样品的测试可以测得系统的探测灵敏度可以提高到43 dB。     

A MINIATURIZED SYSTEM FOR RAPID AND QUANTITATIVE DETERMINATION OF A COCAINE METABOLITE BY A HOMOGENEOUS ENZYME IMMUNOASSAY

Conventionally, drugs of abuse tests are performed on bulky and costly analytical instruments such as a spectrophotometer or chemistry analyzer, requiring large volumes of sample and reagents, normally more than 200 µL. This article presents a simple, low-cost, sensitive, and miniaturized light absorption detection device to conduct a homogenous immunoassay assay for detecting drugs of abuse. The concentrations of the target drug in samples are determined quantitatively by measuring the relative light intensity transmission of the reaction mixture. In this method, the reaction mixture is contained in a micro-well in a (Polydimethylsiloxane)-glass chip and exposed to UV light. The relative light intensity transmission is measured by a photo-detector. The desired temperature for incubation is provided by a thin-film heater under the chip. The automatic control of the heater, light source, data acquisition, and processing are achieved by a self-coded program. To verify the feasibility and performance of this device, a commercial homogenous assay kit for a cocaine metabolite was used. The effects of multiple parameters on the system's sensitivity were studied. The results show that the detection can be completed within 5 minutes with a ten-time smaller volume (～22µL) of the reaction mixture (sample plus the reagents) than that of the conventional method. A detection limit of 50 ng/mL was achieved, comparable to that by a standard lab method with the same assay kit. This portable detection device is promising for on-site testing of drugs of abuse.     

基于LabVIEW的三维静磁场计微弱信号检测系统

针对一种新型基于压电悬臂梁驱动器结构的三维静态磁场计,介绍了基于LabVIEW的测量微弱交流信号的检测系统.该检测系统包括高增益的前置运算放大器电路和信号处理2个部分.在虚拟仪器平台上利用LabVIEW设计了包含相敏检波的信号处理方法.实验结果显示:该检测系统具有很高的磁场检测灵敏度,在31μT的范围内,具有10 nT的分辨率和1%的线性度.该检测系统同样适用于其他微弱传感器信号的检测.     

HPV基因芯片检测装置的匀光照明设计

人乳头瘤病毒(HPV)基因芯片检测装置可读取与分析HPV芯片的杂交点信号值,进而区分不同的HPV病毒类型,而检测装置照明的均匀性关系到HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明,优化了矩形LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先,分析单个LED灯珠的辐射强度分布,建立矩形LED阵列的理论模型;然后,在仿真软件中建立4行8列的矩形LED阵列模型;最后,搭建HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明,该照明系统能使70 mm×20 mm的目标被照面的灰度均匀度达到95.6%,满足了HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。     

A two-dimensional polarization interferometry based parallel scan angular surface plasmon resonance biosensor

We describe a two-dimensional polarization interferometry based parallel scan angular surface plasmon resonance (SPR) biosensing technique. The method of line-shaped light illumination and parallel scan offers a high throughput. The simultaneous record of SPR angular spectrum enables the system to be unaffected by the time-dependent variation of the light source. The polarization interferometry technique lowers the minimum of the SPR dip and thereby reduces the noise related to the light intensity. Refractive index resolutions of 1.4 × 10(-6) refractive index unit (RIU) under normal condition and 4.6 × 10(-7) RIU under a more time-consuming condition are achieved in our angle interrogation based sensor. Meanwhile, a manually prepared DNA microarray has been detected, showing the potential applications of this technique in microarray analysis.     

快速旋转式偏振成像探测装置的设计

为了获取更快的偏振成像探测速率,本文对现有的机械旋转式偏振成像装置进行了改进,设计了连续旋转检偏器的成像方式,并改进图像处理过程,进一步提高了偏振成像速度。该装置克服了传统机械旋转式偏振成像装置体积大、成像速度慢、效率低的不足,利用电机带动检偏器快速匀速旋转,并与相机的曝光同步,能够快速便捷地实现偏振图像的获取。同时为了实现更高的偏振图像采集速率,对偏振图像采用了流水线式的处理方式,利用每相邻的3幅强度图解算得到偏振图像,使偏振图像与强度图像具有相同的成像速率。经过测试,该装置能够很好地完成偏振图像的采集,获取被测目标的偏振度和偏振角,在稳定工作状态下平均获取一幅偏振信息耗时0.033 s,且具有较好的工作稳定性。本文所做工作提升了机械旋转式偏振成像仪的工作效率,也为进一步提升机械式偏振成像仪的成像速度、实现对运动目标探测打下了基础。     

便携式SPR生化传感系统的研究

为了满足环境监测等多种场合的需要，设计了一种新型便携式表面等离子体谐振（Surface Plasmon Resonance，SPR）生化传感系统。系统包括驱动流通单元、SPR传感器单元和控制处理单元。驱动流通单元实现了两种样品自动进样检测；SPR传感器采用固定光路的结构，缩小了系统的体积；控制处理单元采用USB2.0接口芯片EZ-USB FX2系列作为数据传输的核心芯片，外接CPLD、RAM和高速AD，大大提高了系统的测量精度和灵敏度。     

超声阵列式地下储气井专用检测系统

地下储气井的长期使用存在被锈蚀乃至爆井的危险.一种探测锈蚀程度的机电结合装置已被研制出来.测量在除去井盖的条件下进行.装置中设计了一个81阵元超声阵列探头组件,和一套匀速提升及注水(10 MHz超声耦合剂)的机械构件.电路上以频率步进脉冲调制方式,通过数字正交化、幅度均衡化以及脉冲压缩等技术的处理,获得井壁厚度探测的较...     

基于噪声分析的波长表面等离子体共振分析仪的数据处理

波长SPR（表面等离子体共振）分析仪的分辨率主要取决于仪器的灵敏度和噪声水平决定的波长分辨率两部分,但高波长分辨率的光谱仪往往以牺牲波长探测范围为代价。因此,为了在保证波长SPR分析仪的动态范围的同时,提高其分辨率,降低波长SPR分析仪噪声的影响,分析了分析仪的噪声来源：与光强有关的光源本身产生的噪声和入射光光子噪声;与光强无关的信号后处理电路、温度等引起的噪声两部分噪声对SPR分析仪探测力的影响。以波长SPR分析仪的信噪比为目标,对波长SPR的数据处理进行了优化。其优化结果：最佳的处理曲线部分为SPR信号最强波长所对应的反射系数R1与信噪比最大波长所对应的反射系数R2之间前半部分的SPR曲线。基于这段最佳的处理曲线,提出了一种部分质心法的数据处理算法。实验结果表明,经优化后波长SPR分析仪,其分辨率提高了将近10倍,动态范围扩大了2倍,采用此种算法测得的折射率在1.3325-1.3600甘油溶液的线性相关系数大于0.99,说明此种算法对测试结果的线性度不会产生不利的影响。     

自动追光系统设计

以STC89C52单片机作为整个系统的控制核心,采用光电检测追光模式设计了一个自动追光系统.在光电检测追踪模式下,光电检测部分采用光敏三极管3DU5C作为光电传感器对光源信号进行采样,通过光敏三极管的比较电路来判断光源的方位,并通过A/D转换芯片ADC0809转换成数字信号,单片机采用L298N驱动电路驱动直流电机以控制小车,从而达到了自动追踪光源的目的.