“电子技术”课程的混合式教学改革与实践

在新工科的背景下,开展生物医学工程类专业的“电子技术”课程混合式教学改革与实践模式的研究。在课程教学中,利用超星学习通构建线上学习平台,与传统课堂教学融合,提升教学效果。教学中引入“以问题为导向”的教学方法,培养学生工程应用和实践能力。完善课程学习考核机制,注重过程考核,使课程考核更透明、更科学。

基于SiPLS-SPA波长优选的血红蛋白定量分析研究

血红蛋白是人体的一项重要生理指标,浓度异常会导致人体产生各种疾病。红外光谱技术具有简单、无损、快速等优点,非常适合用于生理参数的定量分析。由于光谱背景复杂、有效信息弱,如何提取有效特征变量,构建精准定量模型是个难题。针对此问题,以血液样本和血红蛋白仿体溶液样本光谱数据为研究对象,采用SPXY法、K_S法、duplex法、等间隔划分法四种数据集划分方法划分数据并通过建模对比,优选出最佳数据集划分方法为SPXY法。遍历了SavitzkyGolay一阶求导滤波(S_G1)+小波变换、小波变换+S_G1、标准正态变量变换(SNV)+S_G1三种预处理方法,优选出SNV+S_G1预处理方法。结合串联思想,提出组合区间偏最小二乘法(SiPLS)与连续投影算法(SPA)串联的特征波长优选方法,构建SiPLS-SPA-PLS预测模型,用两组数据对模型进行验证,依据评价指标判断模型的优劣,并与全谱PLS,SPA-PLS和SiPLS三种定量模型相比较。实验结果表明:(1)使用SiPLS-SPA-PLS模型进行定量分析,血液样本的R_(c),R_(p),RMSEC和RMSEP值分别为0.9936,0.9906,0.1992和0.1846,仿体溶液样本的R_(c),R_(p),RMSEC和RMSEP值分别为0.9989,0.9985,1.8489和2.0074。相比全谱PLS,SPA-PLS,SiPLS三种定量模型,R_(c)和R_(p)值最大,RMSEC和RMSEP值最小,该模型最优,可以更精准地实现血红蛋白的定量分析。(2)SiPLS-SPA-PLS定量模型能更加准确地筛选最优波段,两种样本筛选出来的有效波段分别为血液(1144~1264,1606~1798 nm)、仿体溶液(1018~1390,1600~1700 nm),剔除掉仪器的影响因素,大致相同,此方法可以精准优选出特征波长。(3)该模型可以提取有效变量,去除无用噪声影响,血液样本从全谱的700个光谱变量中优选出28个,仿体溶液样本从全谱的1201个光谱变量优选出41个,提高检测速度和预测效率。该方法为血红蛋白快速精准检测提供了一种思路。

高校人才培养若干问题的思考——从马斯洛需要层次理论出发

以马斯洛需要层次理论为基础,探寻当下大学生的个人需要及内心需求问题,根据大学生需要内容层次制定相应的大学生培养及引导措施。高校教师从学习生活、人身、财产与心理安全、班级建设与社团活动、学生管理个人发展引导等五个方面引导学生树立正确价值观、探索人生使命,找到人生目标。以目标为导向,帮助大学生学习成长,成为社会高质量发展所需的人才。

用于快速检测铅离子的新型双发射碳点比率荧光探针

碳量子点(CQDs),一类具有显著荧光性能的零维碳纳米材料,是近年来生物传感应用研究的热点材料。铅在化妆品、工业污染等环境的来源众多,吸入或误食吸附在颗粒物上的铅都会造成铅中毒,从而引发各种疾病,因此快速检测Pb^(2+)含量在临床医学应用中极其重要。基于CQDs的荧光特性,提出了一种新型蓝、红双发射比率荧光探针用于快速检测Pb^(2+)含量,采用透射电子显微镜、荧光光谱等多种手段对探针的形态结构与性质进行表征、检测和分析,对Pb^(2+)响应探针的光学特性以及应用可行性等进行了深入研究。双发射碳点通过与自身的对比标定,有效避免外界环境的干扰,从而提高对被测物浓度的检测效果和灵敏度。该探针采用水相合成,步骤简单可重复性高,且能够在短短几秒内对Pb^(2+)实现快速响应,检测过程无需借助大型仪器,仅在紫外灯辅助下便可裸眼观测到比率探针荧光从蓝色到红色的变化,可用于即时检测。在符合目前医学应用的Pb2+浓度范围0~0.5 mg·L^(-1)内,两种荧光基团之间的荧光强度比IBCDs/IRCDs与其浓度具有良好的线性关系,R^(2)=0.987 44,检出限为0.013 6mg·L^(-1)。选取Zn^(2+)、 Fe^(3+)、 K^(+)等十种金属干扰离子对探针的荧光传感性能进行研究,分析表明该探针对Pb2+具有良好的特异选择性,并在不同pH环境和孵育时间下测量铅响应,研究探针的稳定性。

4种干扰物对中红外光谱血糖检测影响研究

选取150份干扰物和浓度不同的葡萄糖样本数据,按照全干扰、缺失胆固醇、缺失乳酸、缺失白蛋白和缺失尿素将数据划分5个子集。每个子集进行卷积平滑滤波法(Savitzky-Golay smoothing,SG)处理后,建立偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)模型。利用克拉克误差网格(Clarke Error Grid,CEG)及t检验分析4种干扰物对葡萄糖预测影响。结果表明,子集1~5对应模型预测集相关系数(Correlation Coefficient of Prediction,R p)分别为0.9131、0.7115、0.7624、0.8578和0.8658,预测集均方根误差(Root Mean Square Error of Prediction,RMSEP)分别为54.8993、239.5512、162.3715、133.9682和106.0521 mg/dL。5个子集位于CEG的A+B区分别为100%、71.43%、66.66%、85.71%和88.89%。t检验中每1 mg/dL的胆固醇、乳酸和白蛋白分别使葡萄糖预测值降低5.288 mg/dL、增高2.214 mg/dL和增高0.031 mg/dL。故胆固醇和乳酸的影响相当显著,其次是白蛋白,而尿素的影响则相对较弱。因此,在中红外血糖定量分析中必须考虑胆固醇、乳酸和白蛋白对血糖检测的影响。

嵌入式网络化智能光纤传感器

强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。为改善传感器的性能,微弱光强信号的检测需要载波调制和双光路补偿。传统的这类传感器通常采用模拟电路实现,存在着元件漂移误差、调校困难、不易组网、尺寸较大等固有的弊端。提出了一种基于DSP的设计方案,并实现了一个嵌入式网络化智能光纤传感器,有效解决了上述问题。研究结果还可应用于其他微弱信号的检测以及传感器的小型化、网络化、智能化等领域。

高性能氧温双传感材料的研究

本文研究了荧光纳米材料与有机染料结合在多传感领域的应用:将荧光纳米材料CdSe/ZnS与有机染料铂(Ⅱ)四(五氟苯基)卟啉包埋于聚氨酯水凝胶D4,经过水解、缩合获得固体薄膜,来实现氧气浓度和温度的同时检测.利用发射峰在524nm的CdSe/ZnS荧光纳米材料提供温度传感,氧气传感则是基于发射峰为650nm的铂(Ⅱ)四(五氟苯基)卟啉的动态猝灭.所制得的薄膜具有良好的光学稳定性,由405nm的紫外光激发,得到两发射峰互不重叠的光谱.实验结果表明,在氧气浓度(0~30%)和温度(15~67℃)下传感膜能很好地应用于氧气和温度双传感系统,且氧气传感的灵敏系数为9.69×10-4,温度传感系数为-0.0035(误差在±0.0002),该技术为新型便携式多传感器提供了可能.

电化学传感法测定水中亚硝酸盐

借助于简单可控的在线电聚合方法，溴酚蓝被修饰到玻碳电极表面，制备了聚溴酚蓝修饰玻碳电极。实验表明，聚溴酚蓝薄膜对于亚硝酸盐的电化学氧化具有很好的催化作用。经实验优化，聚溴酚蓝膜的最佳厚度为聚合20圈，最佳的检测底液为pH＝4.0的0.01 mol/L磷酸盐缓冲溶液。亚硝酸盐在传感器上的电化学氧化是一个双电子双质子参与的过程。在最佳检测条件下，亚硝酸盐的氧化峰电流与其浓度在0.02～109.1μmol/L范围内有良好的线性关系，检测限低至5 nmol/L（S/N＝3），所制备的亚硝酸盐传感器线性范围宽、检出限低、稳定性和重现性好、抗干扰能力强，将传感器应用于东湖水样中亚硝酸盐含量的测定，结果令人满意。

嵌入式光纤位移传感器信号处理电路的设计

文中介绍了嵌入式光强调制型光纤位移传感器的工作原理,并针对以往信号处理电路的缺点加以改进,设计出一种新的信号处理电路,重点描述了硬件实现方法及其软件开发。其硬件主要由信号调理电路、有效值转换器AD536A和高性能单片机ADuC812组成;软件部分的主要功能是完成两路信号相除、线性化处理和补偿等工作。传感器具有结构简单、线性度好、灵敏度高等优点。

适应环境刚度、阻尼参数未知或变化的机器人阻抗控制方法

针对机器人阻抗控制在实际应用中其性能受环境的阻尼、刚度参数未知或变化影响的问题,提出了一种机器人自适应阻抗控制方法。在定义机器人阻抗控制性能指标的基础上结合阻抗模型刚度变化的几何表示,给出了阻抗模型刚度参数初值计算方法,提出了基于人工神经网络的环境等效刚度在线估计方法,并结合二阶系统临界阻尼条件计算阻抗模型阻尼参数初值。机器人力控制实验结果验证了该方法较已有的机器人阻抗控制方法在参考轨迹平滑性、力控制稳定性和易于工程实践方面有一定的优势。

基于PVN-GO复合膜的亚硝酸盐电化学传感器

通过简单可控的滴涂成膜和在线电聚合方法,将氧化石墨烯(GO)和聚香兰素(PVN)修饰到玻碳电极(GCE)表面,制备了PVN-GO复合膜修饰GCE,即亚硝酸盐(NO^-_2)电化学传感器。伏安研究表明:PVN-GO复合膜对NO^-_2的电化学氧化具有良好的催化作用。借助于扫描电镜技术和电化学交流阻抗谱(EIS)技术,对PVN-GO复合膜的表面形貌和电导性进行了表征。最优的检测条件下,NO^-_2的检测线性范围为2.0×10^(-8)~1.1×10^(-2)mol/L,检出限低至5.0×10^(-9)mol/L(S/N=3)。对传感器的性能进行了考核,结果表明:该NO^-_2传感器具有良好的稳定性和重现性,灵敏度高,选择性好。将传感器应用于南湖水样中亚硝酸盐含量的测定,结果令人满意。

新工科背景下“模拟电子技术”课程教学改革探索

在“模拟电子技术”课程教学中,利用“雨课堂”智慧教学工具、引入MOOC教学资源构建移动学习平台,培养学生“课前课后、线上线下”自主学习习惯。教学中引入“以问题为导向”的PBL教学方法和适量“以学生为中心”的翻转课堂等教学手段,激发学生自主学习兴趣,提高学生独立思考、团队协作以及表达能力。通过优化教学内容、完善课程学习考核机制等措施促进教学效果的提高和学生工程能力的培养。

USB与CAN总线转换电路的设计

设计了一套USB总线与CAN总线的转换电路及其软件。系统以8位单片机为转换电路的控制器,用CH374芯片作为USB端的主控芯片,用SJA1000作为CAN接口芯片。设计了系统的硬件电路,给出了基于该电路的软件实现方案,并编写了程序代码。为了克服CAN总线容易受到外界干扰的弱点,使用6N137进行信号隔离。对设计的系统进行了实验测试,实现了USB与CAN总线转换的功能。

反射式光纤束探头理论建模和仿真实现

在分析光路和单光纤对理论建模的基础上,建立了光纤束理论模型,并对模型进行了仿真分析。针对强度调制型光纤传感器光源单模尾纤输出以及检测条件,设计实现了一根多模光纤发送,6根多模光纤接收的反射式光纤束探头,光纤束探头把光源的光分成两路,一路作为检测光路,另一路作为参考光路,在强度调制型光纤传感器的测量中取得了良好的效果。

基于光谱吸收的光纤水分传感器研究

基于分子的近红外光谱吸收机理,研究一种可以检测水分含量的光纤传感器。对半导体激光器(LD)进行正弦波调制,建立人工神经网络的数学模型,利用NI数据采集卡和神经网络数据拟合实现分子的检测。系统采用双光路结构有效消除了光源光强噪声干扰和光电器件的零点漂移。实验结果表明:传感器性能稳定,灵敏度高,重复性好,并且不受其它气体或杂质的干扰。

基于碳纳米管修饰金电极的多巴胺电化学传感器

利用偶氮胭脂红B（ACB）对多壁碳纳米管（MWNTs）进行非共价修饰，使其具有水分散性，将MWNTs-ACB水分散液滴涂于金电极表面并置于红外灯下烤干，即制得多巴胺（DA）电化学传感器。伏安研究表明：MWNTs—ACB膜对生物小分子DA的电化学氧化具有良好的催化作用。最优的检测条件下，DA的检测线性范围为：1．0×10-6～1．0×10-mol／L，检出限低至5．0×10-7mol／L（S／N=3）。对传感器的性能进行了考察，结果表明：该DA传感器具有良好的稳定性和重现性，灵敏度高，选择性好。将传感器应用于注射液中DA含量的测定，结果令人满意。

基于DSP的光纤气体传感器信号处理技术

针对以往光纤气体传感器模拟信号处理电路的不足,基于DSP芯片TMS320F2812设计并实现了一种嵌入式光纤气体传感器信号处理系统;重点描述了硬件实现方法及其软件开发,其硬件主要由接口电路、高精度运放器OPA139P,32位高性能定点DSP(数字信号处理器)TMS320F2812和D/A转换芯片DAC7625组成;软件部分的主要功能是产生交流信号,完成两路输入信号滤波,相敏检波,相除、线性化处理等工作。

结合两步估算和运动补偿的子像素运动估计

针对图像超分辨中的运动估计问题,提出了一种两步估计方法,用于估计低分辨图像帧间的子像素相对运动。第一步,采用相关法或匹配法计算两幅低分辨率图像间的整像素相对位移,对其中的一幅按估计的参数进行运动补偿,第二步,对补偿后的两幅图像使用梯度法计算小数像素相对位移。通过两步计算,得到了比较精确的帧间相对运动参数。该方法不需要对低分辨率图像进行插值,以获得图像的高分辨近似,运算速度也较快。

生物医学工程专业课程体系建设

结合生物医学工程的学科特点,介绍了生物医学工程专业课程体系建设的思路。按照新时期对本专业人才的要求,对生物医学工程专业的课程体系进行了改革。按就业方向将专业课程分为四个模块,进行分类重点培养,加强实验教学课程体系改革。这些改革提高了人才培养的质量和效率。

“生物医学传感器”课程理论与实验教学探索

生物医学传感器是我校生物医学工程专业基础课,本文针对目前"生物医学传感器"课程内容包含的传感器种类多,知识点分散的特点,提出理论教学通过分析不同传感器间异同来建立知识点间联系,自制了生物电极传感器并应用于肌电采集实验,丰富了生物医学传感器实验教学内容。本文对"生物医学传感器"课程的理论及实践教学有一定的参考价值。