快速定量检测细菌的FCM系统研制及性能评估

为了实现对饮用水中细菌快速定量检测,建立了基于流式细胞术的高通量定量检测系统。对该系统的信号采集系统、绝对计数方法以及在细菌检测方面的综合性能进行了研究和评估。根据饮用水中典型细菌的荧光染料及其荧光激发光谱特点,介绍了流式细胞术快速检测细菌的工作原理及硬件平台。通过简化细菌的荧光信号强度计算模型,评估了信号采集系统的信噪比。建立了基于流量传感器的绝对计数方法,将检测系统与以参比微球法进行绝对计数的BDLSRFortessa进行了一系列对比实验和统计学分析,测试和评估了检测系统在饮用水中细菌检测的综合性能水平。实验结果表明:对于4MHz宽带的荧光信号,信号采集系统的信噪比可达86dB;对于一定浓度内的微球,系统对它测试cv值低于2%,与BD仪器测试结果的相关系数高达0.9996,对等比例稀释的微球测试线性度高达0.9998,最低可检测细菌浓度可达102particles/mL;系统对E.coli和S.aureus含量测试结果的cv值均低于7%,与BD仪器测试结果的相关系数均高于0.9959,两仪器测试结果的相对误差均在4%以内。该仪器能实现对细菌的高精度快速定量检测,为饮用水中典型细菌快速检测仪器的开发提供了参考。

流式细胞仪样品流速及聚焦流测量方法研究

为提高流式细胞仪的探测分辨率和数据检测的稳定性,需要精确控制样品流速,并分析样品流速和鞘液流速对样品聚焦流的影响,可通过样品聚焦流直径和样品聚焦流在流动室流道中的相对位置来评价样品的聚焦状况。利用蠕动泵运动特点,设计了一种平均流量称重法测量样品流速的方法,并与微流量传感器测量结果作比较;采用最小二乘法线性拟合蠕动泵的控制电压和样品流速之间的函数关系,并采用显微成像法直接测量和分析样品流速和鞘液流速对样品聚焦流直径、偏离流动室流道中心线的距离的影响。实验结果显示,采用平均流量称重法与微流量传感器测得的样品流速的线性相关系数高达0.982 8;蠕动泵的样品流速与其控制电压的线性相关系数高于0.99,说明利用该线性关系可以实现样品流速的精确控制;采用的显微成像法能快速方便地测得样品聚焦流的直径及位置,为流式细胞仪样品流速、鞘液流速的调控以及液流器件组装精度的测试提供了指导方法。

标准样品盘精密定位算法和自动进样系统研究

针对医疗临床检验仪器小型化、智能化的需求,设计了一种新型的占用仪器空间小的可直接对标准样品盘进样的三维自动进样系统.根据几何学和运动学相关原理,建立了适合于该自动进样系统的精密定位算法;并通过累加迭代算法计算出驱动脉冲数,进一步减小了该系统的定位误差.基于VS 2010平台,采用多线程技术开发了该系统的操作软件.研究结果表明,该系统能快速精确地对标准样品盘进样,并能够满足临床检验仪器小型化的需求,将具有很大的市场前景.

流式细胞仪气动稳流聚焦系统设计与测试

基于气动稳流方法,研制了一种流式细胞仪三维液流聚焦的液流系统。通过大量的实验数据,分析了所搭建系统的鞘液流量与气动装置中气压之间的关系,得出了细长孔动态流动的流量经验公式适用于所搭建的系统。利用CCD荧光成像方法对系统的样品聚焦稳定性进行了定性测试。使用Matlab软件对APD探测的多组样品聚焦的荧光信号进行了计算和分析,定量地评定了系统的样品聚焦稳定性。结果显示,研制的液流系统的样品聚焦宽度14μm时,脉动低于0.5μm;聚焦样品流的荧光信号的波动方差低于0.606。

流式细胞仪液流聚焦系统仿真分析与设计

使用FLUENT对流式细胞仪液流系统中的核心部件流动室进行了流体仿真分析。探讨了样品流速、鞘液流速、进样针位置对聚焦效果的影响,分析了鞘液不对称进样的实施可能性,以及对鞘液脉动性的补偿措施。搭建了流式平台进行荧光微球的CV值测定,其变化趋势与仿真结果较为吻合。仿真结果为流式细胞仪液流系统的设计提供了参考依据。

空气辅助雾化的细胞递送参数的优化

为实现生物墨水的高效率递送,构建了一种基于空气辅助雾化技术的细胞递送装置,并利用多种方法系统地测量了雾化特性,以及雾化参数对细胞活性的影响。根据粒径的Rosin-Rammler分布规律对雾化均匀度指数进行了定量评估;利用多帧图像叠加以及局部阈值二值化方法对雾化视频进行边界提取,分析雾化角;结合BM3D去噪算法与二值化算法精确定位雾滴位置,实现雾滴运动速度的精确测量。实验结果表明:雾化高度和射流流量均与雾滴粒径正相关;当辅助气体压力高于60 kPa时,会显著影响雾滴均匀度;通过射流流量和雾化高度的参数控制,雾化面积可实现50~1800 mm2的大宽幅调节;雾滴的运动速度受雾化高度影响较大,且在50 mm雾化高度下运动速度最大,均值可高达14 m/s;雾化高度和辅助空气流量均会显著影响HaCaT细胞活性,在50 mm雾化高度下细胞活化率低至64.01±0.86%(阴性对照组为92.98±3.21%),而在100 mm雾化高度下可高达90.24±0.73%;HaCaT细胞活性在喷涂后72小时内与未喷涂的保持一致。该雾化装置可用于生物墨水的高效率递送,为实现不同面积喷涂或细胞高活化率递送的雾化参数优化设计提供了指导。

基于声发射的阀门泄漏检测及标定方法的研究

基于阀门泄漏产生声发射信号的原理,建立了可用于测试阀门泄漏率低于0.1Pa.m3/s的微小泄漏状态的声发射检测系统,采用气泡法对阀门微小泄漏进行标定。针对声发射信号在检测中易受环境噪声干扰的问题,设计了信号调理电路来降低各种噪声,并编制了LabVIEW程序对采集的声发射信号进行分析和处理。以手动球阀为被测对象,在建立的系统上进行了大量泄漏检测实验,结果表明,该系统能快速方便地对阀门微小泄漏做出定性分析。

以FPGA为核心的流式细胞仪控制系统设计

设计了一种以FPGA为核心的流式细胞仪控制系统。利用FPGA高速度、多接口和丰富的逻辑资源等优势,原本庞大复杂,可能拥有几十个电路板,上百甚至上千个芯片的流式细胞仪控制系统,被一个只有十几个芯片的简单电路板取代。这些改进增加了整个系统的可靠性,使其工作速度可以提升到百兆赫兹。很多在原有流式细胞仪控制系统中很难解决的问题,比如多通道数据同步、寻峰、积分等,在FPGA算法中被简单实现。这套系统实现了8路A/D数据同步采集,16路D/A输出,若干数字I/O输出,在实验中稳定实现了流式细胞仪的各种控制操作,并采集了校准小球测试数据,8峰可以明显区分。

金属基压电扫描振镜的设计与测试

本文设计了一维金属基压电扫描振镜并进行了性能测试.该振镜利用金属微铰链梁将压电振子的伸缩振动转化为硅反射镜的旋转振动,具有扫描角度大、可靠性高、成本低廉的特点.首先,建立了压电振镜的有限元模型,通过模态分析和谐振响应分析得到了振镜的谐振模态以及扫描角度极限随铰链梁尺寸和位置的变化关系.接着,制备了由压电振子、钢片基底和硅反射镜组成的振镜样机.最后,对振镜的幅频特性进行了性能测试.结果表明:2 mm×2 mm的反射镜在120V_(pp)的电压驱动下可在谐振频率5.34 k Hz处产生21°的扫描角度.随着驱动电压幅值的增加,一阶扭转谐振频率会略微下降.振镜样机Q值达144,扫描角度与驱动电压幅值呈线性关系.该振镜具有较大的镜面尺寸和扫描角度,制作工艺简单、抗冲击性能好,可满足流式细胞扫描成像高分辨率和模块化、批量化的应用需求.

流式细胞仪中压电扫描振镜的设计

针对流式细胞成像的应用需求,设计了一维压电扫描振镜并进行了性能测试.该振镜利用微铰链梁将压电片的伸缩振动转化为反射面的旋转振动.首先,通过有限元仿真对压电振镜进行结构建模和性能分析,得到了振镜的工作模态以及扫描频率和最大扫描角度随结构尺寸的变化关系.接着,制备了由压电片和硅片基底组成的振镜样机.最后,利用角度测量系统对振镜的扫描特性和频响特性进行了测试.实验结果表明:2 mm×2 mm的反射面在12Vpp的电压驱动下可在谐振频率10.034 k Hz处产生14°的扫描角度,在5.2Vpp的电压驱动21.26 k Hz的高频谐振下,仍可以产生3.35°的扫描角度.振镜样机Q值达865,扫描角度与驱动电压幅值呈线性关系.该振镜具有较大的镜面尺寸和较高的扫描频率,可满足流式细胞扫描成像快速和高分辨率的应用需求.

基于迪恩涡流的流式三维聚焦芯片设计和仿真

根据迪恩涡流理论,设计了一个利用平面微加工工艺可以制作的流式三维聚焦芯片,并用FLUENT进行了仿真分析。研究了在弯管结构中,迪恩涡流的变化过程,以及样品被聚焦的过程。分析了不同的样品流速、鞘液流速对聚焦效果的影响。仿真结果验证了流式三维聚焦芯片的功能,并为三维聚焦系统控制提供了依据。

流式细胞术在饮用水微生物检测中的应用及挑战

流式细胞术(flow cytometry,FCM)是一种可实现液相中悬浮单细胞或微粒的高通量多参数检测的交叉学科技术,特别适合对0.2~20μm粒径大小的微生物检测。但在FCM开发前期,因受限于特异性结合的荧光染料和仪器灵敏度,FCM在微生物快速检测中并未得到广泛应用。近些年,随着光电探测技术的飞速发展,以及新型荧光染料的开发,FCM在饮用水安全保障领域得到了快速发展和广泛应用。目前FCM能够快速定量检测饮用水中的总细菌浓度(total cell concentration,TCC),识别细菌活性,区分不同核酸含量的菌群和不同粒径大小的菌群等。论述了FCM对饮用水微生物检测的基本原理及绝对计数方法,介绍了已用于流式分析水体细菌的荧光染料和数据分析方法,综述了其主要应用方向。最后阐述了FCM在饮用水微生物学应用领域面临的问题,并对其未来发展方向进行了展望。

声光可调谐滤波器的细胞生物学研究应用

波长选择在荧光光谱仪和显微镜等光学应用中发挥了至关重要的作用。声光可调谐滤波器(AOTF)作为一种电光器件可实现多光源入射波长、功率的同时调制。在声光可调谐滤波器中,压电换能器结合于二氧化碲或石英晶体产生高频声波,改变晶体折射率形成周期性分布。该现象在晶体中生成衍射光栅,使以布拉格角正交入射的光束被高效衍射至一阶光束。当改变施加到晶体的信号频率时将改变折射率变化周期,因此,衍射光的波长随之改变。同时,衍射光强度由施加到晶体的信号振幅决定。本文从声光可调谐滤波器原理和特点出发,总结了声光可调谐滤波器在细胞生物学研究系统中的应用模型。得益于作用时间短、波长分辨率高、无振动部件等特性,声光可调谐滤波器提升了多波长光源功率调制能力,使细胞计数系统具备了细胞高光谱成像能力。所以不仅限于传统细胞生物学研究,包含声光可调谐滤波器件的系统还将在多参数高内涵成像分析、扫描荧光显微术、药物毒理研究等领域成为有力的研究工具。