新型细胞微生理计的软件设计与实现

传统的微生理计是用于监测活细胞的功能性变化,检测参数单一,不能全面反映细胞的形态功能变化。我们实验室研发的新型细胞微生理计结合了多参数检测的细胞传感器集成芯片和自动分析控制仪器,可以多通道监测细胞代谢和形态变化,介绍针对该仪器的软件系统的设计和实现,并比较常用的自动检测LAPS工作点的算法后提出简单高效的工作点检测方法,研究了细胞酸化率和药物半数抑制浓度的计算方法。该软件系统可提供三种测量模式供用户检测细胞代谢,实时显示细胞各项参数值,可实时采集、记录、保存数据,自动控制流路通断,在线分析并实时向用户反馈细胞代谢和细胞形态变化。最后采用本软件系统进行了肾细胞酸化率测试实验和活化的肝星状细胞药物作用实验,通过对结果的分析讨论,验证了上述软件系统和算法的有效性。     

基于微加工技术的集成细胞芯片的实验研究

细胞电生理检测芯片已成为后基因时代生物科学研究的重要工具,但是目前的细胞胞外电生理测试工具发展迅速,但存在功能单一化、指标不够稳定的缺点,如信噪比较低,难于重复与对照,且不能实现多参数同时检测,已成为细胞电生理快速分析发展的瓶颈。集成型细胞芯片通过传感器件的网络化和集成化,将细胞的电学信息、化学信息、动力学信息等生理活动信息转换为可检测的信号,并细化为微观信息量进行实时分析,实现快速微量的细胞功能信息和待测物质性质的检测,在细胞生物学、环境监测和药物开发等领域有广泛应用前景。本文设计了一种新型的集成了细胞微电极阵列、电阻抗传感器及光寻址电位传感器三个传感单元的阵列化芯片,首先分析了各单元用于细胞电生理测量的界面模型;在此基础上重点分析了各细胞传感器单元的特性曲线测试、表面处理测试,并初步进行细胞电生理参数的分析。结果显示,MEA加入测试液测试后,噪声水平在80μV左右,且器件适于细胞培养及动作电位测试;IDA器件上培养的肾细胞在药物作用下会引起细胞阻抗变化率12%～16%的变化;LAPS器件的酸化率灵敏度在50.65mV/pH,在肾细胞酸化率测试中,高浓度5-氟尿嘧啶会引起的细胞正常代谢率下降(相对酸化率下降50%)。说明药物浓度越大,作用时间越长,对细胞的活性影响越大,这与IDA器件的测试结果一致。最后得到了在器件特性、系统优化及细胞测试的一些初步结果,对芯片进行了芯片各单元的互补性分析,为细胞传感器的多功能化发展开拓了一个新的应用领域。     

一种新型微流体系统设计与合理性分析

微流体系统作为一种可对流体进行精密控制、操作与检测的技术,其发展为细胞体外培养提供了新的平台,而且可与生物传感器结合构成微流体传感测试系统,大大提高细胞传感检测的精确性、一致性和稳定性。在微系统设计与制造的基础上,提出了一种新型微流体系统结构,应用COMSOL软件建立了微流体系统模型,通过对其流动特性的分析对比,优化了系统结构,系统地研究了其对细胞培养与检测的影响。结果表明:该结构既能实现细胞的长期培养;又能通过精确的微流控制,结合生物传感器,对不同时期或不同病态的细胞进行实时检测和分析。该研究对医用药物测试芯片与微流传感测试系统有着重要的意义。     

微型MEMS皮拉尼计研究

介绍了一种用于检测真空密封腔体内真空度的器件——微型MEMS皮拉尼计。皮拉尼计是利用真空腔体内微小间隙间的热传导来检测真空度的[1]。本文设计了一种微型MEMS横向皮拉尼计,结构非常简单,并利用浓硼扩散和键合技术实现了该横向MEMS皮拉尼计,制造工艺仅需3张光刻版。其试验结果显示该皮拉尼计在10Pa～300Pa范围内热阻系数与真空度呈很好的线性关系。     

生物芯片的原理和制作方法

生物芯片是用微加工技术（光刻、光化学合成、激光立体化学刻蚀等）并结合分子生物学技术制成的具有一定分子生物学分析检测功能的微型器件。它可用于完成生物样品的分离、制备、生化反应及产物的检测等一系列过程。本文综述了生物芯片概念的形成，生物芯片的特点、功能和分类，以及毛细管电泳型和探针列型两类生物芯片的几种制作方法。     

基于NEMS技术的介电泳芯片及其关键工艺问题的研究

结合信息技术、生物技术与纳米技术的发展,提出一种基于NEMS技术的“三维纳隙网格阵列微电极生物传感器“设计,用于生物样品在蛋白或细胞水平上的介电泳分离和检测.重点针对传感器制作的关键工艺问题,创新性地提出了一种利用反应离子刻蚀侧向钻蚀效应实现纳隙薄金属悬臂梁结构的理论和方法,此方法对电容式生物传感器的制作有普遍的实践意义.     

声表面波辅助实现纸基微流分析

纸基微流器件往往难以实现样品前处理操作.提出了一种简单的纸基微通道制作方法及兼具有前处理操作功能的纸基微流分析方法.采用Protel设计微通道图案,采用印刷电路技术制作铜模板,并涂覆石蜡、覆盖滤纸,而后用电烙铁加热铜模板另一侧,熔融石蜡渗透入滤纸形成纸基微通道.制作的纸基器件放置于128°YX-LiNbO3压电基片上,...     

无透镜微流控成像流动细胞检测与计数系统

在未来面向个人化的生物医疗诊断中,实时的细胞检测与计数具有重要需求.现有的细胞检测和计数系统例如流式细胞仪和血细胞计数器不适用于小型化流动细胞实时检测和计数.通过将CMOS图像传感器芯片和微流控芯片结合,提出了一种用于流动细胞检测和计数的无透镜微流控成像系统,与用于计数静态细胞的其它无透镜微流控成像系统不同,该系统可以通过基于时域差分的运动检测算法检测和计数微流体通道中连续流动的细胞样本.测试结果表明:该系统可以对微流控通道中流动的人体骨髓基质细胞实现自动检测和计数,并具有-6.53％的低统计错误率.该系统提供了面向未来即时应用的细胞检测和计数解决方案.     

用于硅基氮化镓可调微镜的静电梳齿型微驱动器设计

提出并设计了一种用于硅基氮化镓(GaN)可调微镜的静电梳齿型微驱动器.利用有限元软件建立了该器件的几何结构模型,对器件的结构进行了仿真优化.此外,采用微机电系统(MEMS)加工工艺,制作出了用于硅基氮化镓可调微镜的梳齿型微驱动器,并对其驱动特性进行测试.测试结果表明:所制作的微驱动器的位移随着电压的变化呈二次方关系,与仿真结果基本一致.当加载驱动电压为200 V时,微驱动器的驱动位移可达到1.08 μm.     

一种高精度SPR生物传感器的设计与实现

表面等离体共振(SPR)技术被广泛应用于表面检测、生化免疫分析、药物筛选和环境监测等领域.介绍一种自行设计的基于Kretschmann结构的角度检测型SPR生物传感器.该装置采用角度连续扫描的方式,利用2个独立的步进电机分别驱动固定有棱镜和光电检测器件的大小转盘,可以进行单一样本的高精度分析.测试结果表明:该传感器具有很高的重复性与稳定性,噪声小、精度高.     

用于单个纳米颗粒检测的固态纳米孔器件的仿真与优化

基于固态纳米孔器件的检测技术是近年来的研究热点,它可广泛用于各种纳米颗粒、生物分子检测及DNA测序等各个领域.采用数值方法对两种常用的纳米孔器件,即圆柱形纳米孔和棱台形纳米孔器件在检测纳米颗粒穿过时的局部电场变化以及离子电流特性进行了系统性的仿真和分析,提出了采用纳米孔阻塞电流因子,来评估器件性能.在此基础上,深入分析和讨论了纳米孔的孔径和孔深等参数的变化对检测纳米粒子性能的影响,并提出了优化的纳米孔器件设计方案.研究结果对纳米孔器件的制备,以及其在检测纳米颗粒的应用实践中提供了理论指导.     

基于微透镜阵列的多通道光寻址电位传感器研

为了提高化学和生物图像传感器的成像速度和简化成像系统,提出了一种基于微透镜阵列的多通道光寻址电位传感器.利用微透镜阵列把单束激光转化成点阵,通过多频率斩波器,得到不同频率的光点阵列用作光寻址电位传感器的光源,从而实现多点同时检测.实验结果表明该系统具有良好的频域分辨率,通过数字补偿技术可获得各个检测点的电流电压特性曲线,证明可实现多点同时检测.该系统可以用于光寻址电位传感器和扫描光感阻抗传感器的快速成像,以及多通道化学生物图像检测.     

微电极阵列细胞阻抗传感器研究

贴壁生长在微电极表面的细胞可引起贴壁电极界面阻抗的改变,从而可以获得细胞生理功能相关的生物信息.本研究采用微机械加工技术,在硅基底上设计了直径为20～50 μm的20通道金微电极阵列(micro-electrode array,MEA),用以构建能实时、连续、定量跟踪哺乳动物细胞形态和增殖分化改变的细胞阻抗测试传感器(electric cell-substrate impedance sens-ing,ECIS),用于细胞与电极间的阻抗测试研究.通过对培养在微电极表面24 h的成骨细胞Saos-2细胞系的阻抗谱测量发现,其阻抗值增加集中在中频102～10<'4>Hz之间,本结果符合细胞阻抗传感测量的理论模型分析.因此,该微电极阵列细胞阻抗传感器的研究,为进一步的细胞生理和药物分析等研究奠定了良好的基础.     

微纳卫星COTS器件应用研究

大量采用宇航级元器件进行航天器研制的模式,由于其“成本高、研制周期长、元器件性能不足”等缺点,已经难以满足微纳卫星“周期短、成本低、集成度高”的要求。因此提出了在微纳卫星上使用COTS(Commercial off-the-shelf)器件的方法;针对微纳卫星的特点,首先分析了微纳卫星对COTS器件的需要和风险,提出了COTS器件微纳卫星应用的选用原则、选用依据;在此基础上经过分析,提出了COTS元器件微纳卫星应用流程,有针对性提出了COTS器件应用的器件级和板级筛选方法,并开展了COTS器件的微纳卫星抗单粒子效应加固设计,进一步提高COTS器件应用的可靠性。通过在轨应用验证,结果表明,通过该方法选用筛选的COTS器件,在进行有效加固后可以满足微纳卫星在轨稳定运行的要求,同时为微纳卫星降低成本缩短研制周期提供了保障。该方法对COTS器件在微纳卫星中的应用提供了一般性指导意义。     

掺锰纳米PbO2修饰电极色谱电化学用于四氢生物喋呤等物质的检测研究

该文报道了一种新型掺锰纳米二氧化铅修饰电极,将该修饰电极用于生物体内重要的辅酶四氢生物喋呤(tetrahydrobipterin,BH4)、单胺类神经递质多巴胺(DA)及其代谢产物的检测,具有很高的灵敏度和稳定性.将此电极作为液相色谱电化学检测器与微渗析取样技术联用,成功检测了外源性的BH4对大鼠纹状体中多巴胺及其代谢产物浓度的影响.     

一种用于可调谐频率选择面的液态金属可重构电容器

提出了一种新颖的基于液态金属的可重构电容器,该器件可应用于可调谐频率选择面。这种可重构电容器由一对金属贴片和微流体管道组成。微流体管道包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成的主管道(用于控制液态金属)和与其共面的子管道(用于储存盐酸溶液)。由于PDMS具有良好的渗透性,在子管道中的盐酸蒸汽可以通过管道壁渗透进入主管道,并和液态金属上的表面氧化层反应,使之呈现真正的流体特性。液态金属液滴可以在管道道中自由的移动。最后,基于这种液态金属的微流体平台,开发了一种可应用于可调谐频率选择面的可重构电容器件。其调谐性主要取决于主管道中液态金属液滴的位置和形状。实验结果表明,这种基于液态金属的可重构电容器可以广泛的应用于可调谐电子器件之中。     

新型高灵敏度低功耗的磁场传感器设计与模拟

提出了一种用于微弱磁场检测的新型MOEMS磁场传感器结构,包括MEMS微扭转敏感结构、磁性敏感薄膜和光学检测部分.文中分析了器件的磁敏感原理和光学检出原理,给出了器件的结构参数、模态分析和综合设计考虑,并利用Matlab进行了解析计算,通过ANSYS进行了模拟仿真分析.分析结果表明:通过双光纤准直器和光电探测器监测微扭转镜面的扭转,该器件可以实现60nT的磁场探测,其探测灵敏度可以达到0.6dB/μT.     

用于微器件装配的微操作系统

微器件装配技术是微机械的关键技术之一,本文从微 器件装配系统的特性和功能出发,提出了一套用于微装配的微操作系统设计方案,并对系统 各个组成部分进行分析,介绍了系统实现的方法．     

后基因组时代的微阵列生物芯片技术

生物芯片是近十年来迅速发展起来的一种高通量生物信息检测和分析器件.微阵列生物芯片是一类发展较早、技术比较成熟、应用面较广的生物芯片,目前主要用于基因表达谱、基因突变和基因组多态性研究.随着现代生命科学和现代医学的快速发展,生物芯片的性能将会不断提高,应用范围不断扩大,芯片技术也将不断完善和发展.论文将围绕功能基因组研究及生物医学检测的实际需求,结合该实验室的研究工作,对于微阵列芯片的研究现状、面临的技术瓶颈以及未来可能的发展方向等进行讨论.     

采用拍频检测的内嵌型微环传感器研究

提出了一种内嵌型微环传感结构。利用内嵌型结构产生的高Q值滤波峰,采用拍频检测技术,可以实现高灵敏度传感器。采用传输矩阵法分析了内嵌微环半径对滤波峰位置及相邻滤波峰之间关系的影响。内嵌微环的滤波峰产生了分裂,其波长间距很小,且随折射率变化波长间距也会变化。利用该器件构建了拍频检测系统,并对该器件进行传感分析。仿真结果表明,该结构的传感灵敏度为1×10-4折射率单位(RIU),其频率偏移为4 MHz/1×10-4RIU。