PCR管内温度的精准预测及快速控温

聚合酶链式反应(PCR)分析仪以样品块(Block)温度为控制对象实现样本温度控制,易产生热滞效应。为减小管内迟滞,缩短样本的变温时间,该研究在利用有限元分析技术建立单孔样本热传导模型的基础上,构建一种融合初始温度-目标温度-等效热阻的三参数模型预测管内实际温度,实现PCR过程管内温度实时跟踪。根据模型精准预测管内温度,对样品块进行精准快速控温,大幅缩短升降温时间,降低了管内样品的传热迟滞。实验结果表明,与管内实际温度相比,管内样品温度预测方法误差低于±1.5℃;样品块温度控制目标曲线优化后,管内温度迟滞时间缩短了27%以上。该文提出精准控制温度过冲的优化方法在保证管内样本温度的基础上显著缩短了PCR热循环整体时间,有利于实现更快速、更精准的核酸定量检测结果。

用于核酸提取样本容积最优化的等频率运动控制

为实现核酸提取振荡运动下样本容积最优化,将等频率运动控制算法应用于核酸提取过程中,通过提高核酸提取运动过程的平稳性,使振荡运动下核酸样本容积得到有效提升。基于搭建的STM32高精度控制平台,通过等频率离散化的方式控制步进电机使用Sigmoid曲线实现加减速过程,实现步进电机的平滑、精确控制。提出的等频率离散加减速运动控制算法可解决变速过程中速度变化不平稳问题。对比等时间采样的实验表明,相同实验参数下,采用等频率离散的方式比等时间离散能更快达到目标频率。在精度对比上,采用等频率离散的方式在定位精度上比等时间离散法提高39.47%。在核酸提取应用中,等频率离散法比等时间离散法可有效提高核酸样本容积20.62μL。与传统Sigmoid函数模型实现S型曲线加减速控制算法相比,等频率离散法可提升运动定位精度使抽提过程更加顺滑,有效提高了核酸提取振荡运动下的样本容积。

一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪

研制了一种采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝的微小型光纤光谱仪。采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、厚度薄的一体式微硅片狭缝,并分析了微硅片狭缝的狭缝不平直度对微小型光纤光谱仪分辨率的影响,通过测试系统分辨率的实验,验证了采用微硅片狭缝的可行性。同时,对微小型光纤光谱仪的光谱带宽和像元分辨力进行了讨论,为波长的标定提供了一种理论依据。通过对采集的汞灯谱线的分析和MATLAB的精确计算,验证了所提出的通用波长-像元迭代公式的正确性,从而研制出了一种采用微硅片狭缝的半峰全宽为0.85 nm,波长标定精度小于0.2 nm,体积为50 mm×46 mm×14 mm的微小型光纤光谱仪。

基于MEMS技术的微型分光光度计

研制出了一种采用微硅片对准技术和微硅片狭缝的新型微型分光光度计。采用MEMS工艺制造出了体积小、精度高的微硅片对准机构和微硅片狭缝,并且对其性能进行了分析和论证。同时对影响分光光度计线性度精度的样品池的光学特性进行了分析,推导出了透射光强与样品池的折射率、被探测介质的折射率关系式,并进一步分析因折射率引起光强的变化对吸光度的影响。实验结果表明,该微型分光光度计可以分辨出介质折射率相差0.01介质,同时参比介质的不同仅仅对A-C曲线产生平移,而对相关系数和斜率无任何影响,通过对实验数据的计算得到以空气和蒸馏水两种折射率的介质为参比时的系统相关系数都大于0.999,说明所研制的基于MEMS技术的微型分光光度计具有高度显著线性相关性。

“生命科学仪器”专刊导读

生命科学是当今自然科学的热点研究领域之一,研究生命现象、揭示生命活动规律和生命本质。研究对象包括动物、植物、微生物及人类本身,其研究层次涉及分子、细胞、组织、器官、个体、群体及群落和生态系统。伴随着生命科学技术的高速发展,对仪器设备和技术方法提出了更高的要求。生物学、物理学、生物力学、基因组学、超分辨成像技术、单分子技术、生物信息网络技术、微纳米加工技术等均为生命科学行业的发展提供了新技术和仪器的支撑。

超薄硅衬底氮化铝Lamb波压电谐振器

针对Lamb波压电声波传感器高品质因数(Q值)、低检测极限(LOD)和易集成的性能要求,本文基于SOI(Siliconon-insulator)硅片,通过底层硅(Handling layer)干法刻蚀和中间层(Boxing layer)自截止的方法实现2μm超薄均一的硅衬底结构,然后沉积2μm厚具备高C轴择优取向的氮化铝(AlN)压电薄膜。传感器薄膜区域外设置双端增强反射栅结构用于提高Q值,从而有效降低器件的检测极限,并通过微量水分测试验证性能。该谐振器零阶反对称模式(A0)和零阶对称模式(S0)的谐振状态的实测结果和COMSOL二维模型仿真结果一致,所制作的Lamb波谐振器A0模式的主峰Q值为703,S0模式的主峰Q值为403。微量水分测试S0模式的检测极限优于A0模式,最低检测极限值为0.06%RH。结果表明,氮化铝超薄硅衬底Lamb波压电谐振器能够实现微量水分等高精度检测。

应用二维微硅片狭缝阵列的阿达玛光谱仪

为了实现对微弱信号的光谱分析,采用Offner光学结构制作了高光通量高分辨率阿达玛光谱仪,并对光谱仪入射狭缝的类型选择进行分析。利用MEMS加工技术制作出阿达玛微硅片狭缝阵列,分析了入射狭缝的衍射现象,推导出衍射后的光强分布公式。采用Matlab软件对光强分布进行仿真,搭建了实验测量平台验证仿真结果。结果显示,在相同的条件下,阿达玛S15型狭缝阵列的光通量是阿达玛循环S15型狭缝阵列的1.45倍,推导得出的衍射光强分布公式正确,仿真方法准确,测试方法合理,表明阿达玛S型微硅片狭缝阵列适合本文设计的光谱仪。

多孔分子印迹膜修饰的表面等离子体共振微囊藻毒素LR检测传感器

开发了一种多孔分子印迹膜修饰的表面等离子体共振（SPR）传感器,用于快速检测水中微囊藻毒素LR。研究了利用该传感器检测微囊藻毒素LR的方法。首先,通过原位聚合法在SPR传感芯片的裸金表面合成了微囊藻毒素LR的多孔分子印迹膜,制备出可以特异性捕获微囊藻毒素LR的SPR传感芯片。然后,利用Kretschmann棱镜耦合结构,构建了基于Kretschmann结构的波长调制型表面等离子体共振传感器。最后,通过检测不同浓度的微囊藻毒素LR溶液以及干扰物质微囊藻毒素RR溶液,研究了该传感器的测量范围、特异性等参数。结果表明,该传感器对于微囊藻毒素LR的检测灵敏度很高,可实现微囊藻毒素LR的定量检测,动态测量达2.1×10^-9~1×10^-6 mol/L。另外,传感器对于干扰物质微囊藻毒素RR无明显信号响应,表明传感器对于微囊藻毒素LR具有很好的特异性检测能力。

薄膜谐振Lamb波传感器测量液体流速矢量的方法

针对液体流速测量领域中微型流量传感器高品质因数、高灵敏度的性能要求。本文设计一种双端增强型薄膜谐振结构实现Lamb波传感器的高品质因数,利用传感器反对称模式(A01模式)在薄膜-液体界面处的消逝波实现液体流速矢量测量。所制作的双端增强型薄膜谐振Lamb传感器A01模式的主峰品质因数为703,A01模式的频率移动量与液体流速大小存在线性关系,频率移动方向与液体流动方向存在对应关系。流速实测灵敏度约为270 Hz/mm/s,传感器稳定性噪声小于0.2Hz,流速最低检测极限值(LOD)为2.2μm/s,流量最低检测极限值(LOD)为18.3nL/min。结果表明,双端增强型薄膜谐振Lamb波传感器可以实现液体流速高灵敏度矢量测量。

用于凝血酶原时间检测的多壁碳纳米管增强型电化学传感器

针对目前凝血检测仪器存在的成本昂贵操作复杂等问题,制作了一种基于丝网印刷技术的多壁碳纳米管(MWCNTs)增强型电化学传感器用于凝血酶原时间(PT)测量。利用凝血酶切割凝血酶底物实验验证了计时电流法检测凝血酶原时间原理的可行性。接着对血浆凝血酶原时间参数进行测量,并用SYSMEXCS5100光学凝血仪验证测量结果。经过测试,凝血酶验证性实验中MWCNT型电化学传感器的电流响应强度较普通电化学传感器增加了(36±1)%,重复实验出峰时间和峰值电流变异系数分别为2.99%和3.27%。测试不同血样PT值,能够清晰的显示出区分度,且挑选三组血样进行PT重复实验,出峰时间变异系数分别为2.26%、3.22%和2.96%,实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R2为0.986。MWCNTs增强型型电化学传感器用于PT测试具有良好的重复性和一致性,易于批量生产,大大降低了凝血测量的成本,且适合多种场合的测量,在即时检测领域具有极大潜力。

基于QCM技术的甲醛传感器研究进展

甲醛是无色具有强烈刺激性气味的气体,对人们的健康危害日益严重,甲醛气体的实时监测也逐渐成为人们非常关注的问题。石英微晶天平(QCM)具有灵敏度高、成本低等特点,在甲醛监测应用中有优势。从QCM甲醛传感器的原理、高分子敏感膜、介孔材料、碳纳米材料在甲醛传感器中的应用等方面对基于QCM技术的甲醛传感器的发展现状做综述和展望。

阿达玛光谱仪的入射狭缝选择方法研究

为了确定光谱仪的入射多狭缝结构设计的可靠依据,研究了4种阿达玛S型狭缝阵列发生衍射后的光强分布。采用MEMS加工技术制作出最小狭缝单元为6μm×6μm的一体式微硅片阿达玛狭缝阵列,对3种S7型狭缝和一种S15型狭缝进行比较。首先利用阿达玛矩阵构造狭缝阵列的孔径函数,得到了衍射后的光强分布函数;然后运用Matlab软件对光强分布函数仿真,获得了各种狭缝衍射后的光强分布图及光通量对比。搭建了试验装置进行验证,试验表明实际衍射光强分布及光通量间的比值都与仿真结果相符。最后分析了狭缝结构参数对光强分布的影响,总结了S型狭缝阵列衍射规律。所提出的衍射光强分布方法,为光谱仪中入射狭缝的选择与设计提供了理论依据,为实际应用提供了有价值的参考。

蜂窝状数字PCR微阵列荧光图像的信息提取

蜂窝状堆叠数字PCR微阵列图像因其单元尺寸小、排列密集,荧光信号弱、易受光照分布影响,其样点定位困难。本文提出基于形态学的三通道蜂窝状荧光图像样点寻址算法及数字PCR图像信息提取方法,可快速、有效识别微阵列芯片生物分子微弱荧光信息。针对不同通道的图像进行配准融合,使样点排布整齐;通过增强图像的对比度,选取有效样点区域,基于改进伽马算法去除光照分布不均效应;基于形态学算法识别紧密排列的样点,对微阵列芯片图像进行单元分割定位,提取每个样点的生物分子荧光信息。该方法处理一块约20000个微单元的数字PCR芯片图像的耗时小于20 s,与现有定位方法相比,处理相同数量样点的图片的耗时可减少3个数量级;通过与标准仪器结果相比,样点识别精度达到98.79%,生物信息计算结果(拷贝数)准确度达到96.2%。本文提出基于形态学的三通道蜂窝状荧光图像样点寻址算法及数字PCR图像信息提取方法克服了蜂窝状堆叠式微阵列荧光图像样点难以定位的问题,与现有方法相比,能够快速、准确地获取生物信息,为数字PCR技术的精准定量奠定了基础。

用于aPTT测量的Parylene-C增强型石英晶体微天平耗散检测系统

房颤、血栓等患者抗凝药物日常口服等场景迫切需要凝血参数快速检测,本文设计和制作了一种Parylene-C增强型石英晶体微天平(QCM)传感器及其耗散因子检测系统用于凝血测量。首先使用Parylene-C有效增加石英晶体微天平传感器的峰峰值和有效使用次数,基于传感器耗散因子对血液凝固过程血液粘弹性变化敏感,设计电导谱分析法的压电传感器耗散因子快速测量系统,对血浆部分凝血活酶时间(aPTT)进行测量。并用SYSMEX CS 5100光学凝血仪、Lambda 950分光光度计验证系统测量结果。实验表明,Parylene-C增强型QCM传感器信号峰峰值增加8±1%,传感器aPTT实验有效重复使用次数为30次,系统30℃温差最大耗散偏移2.09×10-6。aPTT耗散曲线与光学法(lambda950)吸光度曲线变化趋势一致。与SYSMEX CS 5100临床结果线性拟合决定系数R2为0.99。同样本10次重复实验结果变异系数为1.48%。Parylene-C增强型QCM传感器与耗散分析法的联合应用具备多场景下凝血参数快速检测的能力,系统温度稳定性好,具有满足即时检测应用的潜力。

微孔式数字PCR荧光芯片的自动对焦

为了快速获取微孔式数字PCR芯片清晰的荧光图像,解决传统方法针对微尺度阵列单元自动对焦存在的计算量大,耗时长等问题,建立了基于像素个数随离焦距离变化特征模型的自动对焦方法。依次取3个彼此间隔相同距离的微孔式数字PCR芯片的荧光图像,通过自适应窗口选取与阈值计算,统计窗口区域内大于阈值的像素个数,代入特征函数计算离焦距离,并通过统计出的3个位置的像素个数值判断离焦方向,继而进行对焦。该方法仅需统计13×13个像素大小的对焦窗口中灰度大于阈值的像素个数,且完成对焦仅需4步,对焦结果完全满足后续计算的清晰度要求,与传统爬山方法相比,对焦步骤数平均减少了51.89%,实现了微孔式数字PCR芯片的准确快速对焦。本文提出的自动对焦方法克服了现有算法计算量大、对焦步骤繁琐的缺点,预测准确、速度快,最大程度上减少样本曝光时间,进而减少荧光的淬灭,为后续计算提供更为原始且精确的图像。

活化部分凝血活酶时间检测石墨烯传感器的研制

石墨烯(Graphene,GR)作为一种革命性的材料具有优异的理化特性,其优异的导电性对凝血电化学传感器的研制极其重要。目前大型凝血检测仪器操作复杂、耗时较长,且对活化部分凝血活酶时间(APTT)指标的POCT检测较少。针对这一现状,设计制作一种可以用于APTT指标检测,基于丝网印刷技术的GR改性增强型电化学传感器十分必要。通过凝血酶切割凝血酶底物实验验证计时电流法检测活化部分凝血活酶时间原理的可行性,测量血浆活化部分凝血活酶时间参数,同时使用SYSMEXCS5100光学凝血仪验证测量结果。实验表明,丝网印刷GR改性电极具有良好的一致性,其阻抗测试变异系数为2.71%。凝血酶实验中,GR改性电化学传感器检测的电流响应强度较改性前的电化学传感器增加了16±1%,重复出峰时间和峰值电流变异系数分别为3.29%和3.13%。选取3组血样APTT值,能够清晰地显示出区分度,且每组APTT重复实验的出峰时间变异系数分别为3.20%,3.25%和2.84%,实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R2为0.978。GR改性增强型电化学传感器在APTT测试中显示出了较好地重复性,具有在多种场合下进行即时检测的潜力。

柔性扫描平台最优阶多项式速度曲线控制

针对高精度柔性扫描平台以现有速度曲线模型运动时运算量、残余振动大以及稳态时间长等问题,基于时间最优原则建立了最优阶多项式速度曲线,降低高精度柔性扫描平台运动时的残余振动与稳态时间。建立高精度柔性扫描平台简化模型,以速度、加速度、加加速度及其一阶导数等限制条件为边界,对不同阶数多项式速度曲线进行残余振动仿真分析,由仿真结果确定多项式速度曲线最优阶,随后构建最优阶多项式速度曲线方程并以高精度柔性扫描平台为对象进行残余振动实验。最优阶多项式速度曲线与传统梯形速度曲线相比,高精度柔性扫描平台实际残余振动加速度峰值降低了67.91%,稳态时间缩短了49.92%;与常规三阶多项式速度曲线相比,高精度柔性扫描平台实际残余振动加速度峰值降低了42.94%,稳态时间缩短了32.50%,具有较好性能。本文提出的最优阶多项式速度曲线模型克服了现有速度曲线在高精度柔性扫描平台应用中运算量与残余振动较大,稳态时间较长的问题,实验结果表明该速度曲线模型有效降低了残余振动,缩短了稳态时间,提高了运行效率,进而提高了高精度柔性扫描平台的性能。

含微透镜的零模波导器件用于增强荧光信号强度

本文设计并研制了一种改进的零模波导器件,采用此种器件实现了荧光信号的增强,解决了荧光串扰等问题。采用微纳加工手段实现了这一器件的制备,该器件通过微透镜与纳米孔的结合减少了荧光的发散角,荧光的相长干涉增强了检测信号的强度。具体地,采用电子束光刻制备了直径可控的纳米孔阵列,结合紫外光刻及反应离子刻蚀实现了角度可调的微透镜阵列,并采用ImageJ读取荧光灰度值进行了信号比对。通过与未改进的零模波导器件相比,改进后的器件其荧光信号增强了14.5倍,信噪比提升了9倍。通过SEM表征,该器件的纳米孔直径为(100.3±4.9)nm;微透镜倾角(21.1±0.7)°。改进的零模波导器件在增强了荧光信号的同时有效减少了荧光串扰的问题,相关研究对微弱荧光检测、荧光串扰等问题提供了一种可行的解决思路。

Parylene增强型声表面波传感器及其温度响应

针对声表面波(SAW)传感器对品质因数、寿命和成本的要求,研制了Parylene增强型SAW传感器。根据金属剥离工艺要求,利用LOR剥离胶和AZ5214光刻胶双层胶旋涂工艺制作了梯形结构;在传统光学光刻条件下制作了2μm的超细叉指电极。传感器制作过程利用了MEMS工艺,不仅实现了传感器的微型化,还可以批量化生产,得到的以石英为基底的传感器谐振频率达到249.077 953 MHz。最后在传感器的表面镀制Parylene聚合物薄膜以提高基底温度灵敏度。实验对比了未增强型(未镀Parylene)和增强型SAW传感器(镀Parylene)的温度灵敏度。结果显示:未增强型SAW传感器温度灵敏度为2.048kHz/℃,Parylene增强型SAW传感器温度灵敏度为2.855kHz/℃,比前者提高了0.807kHz/℃,且镀Parylene之后谐振频率变化量与温度具有较好的线性度,线性相关系数达到0.996 15。实验证明,Parlene增强型SAW传感器的性能优于未增强的SAW传感器。

薄膜Lamb波传感器用于胃蛋白酶原I检测

为满足大规模胃癌早期筛查对胃蛋白酶原I(PGI)检测高灵敏度、高效率、操作简单、样品量少的需求,本文构建了一种PGI抗体功能化薄膜型Lamb波生物传感器。对传感器检测腔薄膜进行PGI抗体自组装修饰,传感器检测腔表面修饰的PGI抗体将样品中PGI抗原特异性的捕获并固定在检测腔薄膜表面,Lamb波传感器薄膜表面质量增加导致其A0模式中心频率发生移动,且频率移动量与检测腔表面吸附物质质量增加量正相关,实现对样本中PGI抗原浓度的检测。实验结果表明:PGI抗体功能化薄膜Lamb波生物传感器对PGI抗原实测灵敏度约为102.114 Hz/ng/mL,理论最低检测限(LOD)为0.176ng/mL,单个样本检测时间为40min,与现有基于光学检测法PGI检测技术相比,具有检测系统简单、操作简单、不需要专业人员操作等显著优势,且比多数光学检测法LOD更低,比电化学法PGI检测技术LOD低两个数量级。结果表明,本文提出的PGI抗体免疫功能化薄膜型Lamb波生物传感器对PGI检测且具有检测下限低、灵敏度高、检测效率高、操作简单、无需样品预处理等特点,满足大规模早期胃癌筛查的基本需求。