一种鲁棒区分PJVS交流量子电压台阶平稳区与过渡区的判据

可编程约瑟夫森电压基准(programmable Josephson voltage standard,PJVS)通过生成阶梯波构建交流量子电压,其产生量子电压台阶过程中,会伴生过渡过程,导致电压台阶两端数据的准确性较低。常见的数据处理方法是将过渡过程的数据剔除,仅利用量子电压台阶上平稳区的数据,实现交流量子电压量值的复现。针对常用的3σ(σ为数据标准差)准则、片段采样方法等数据筛选准则,该文提出一种由量子电压台阶中心双向延拓并最小化A类测量不确定度的平稳区与过渡区判据,通过自动识别量子电压台阶的平稳区与过渡区,提升PJVS电压阶梯波复现交流电压量值的准确性。实验结果表明:该文提出的数据平稳区与过渡区的判据具有较高的鲁棒性和交流电压复现准确性,在2.5 kHz范围内,可使量子电压阶梯波信号复现交流电压幅值的偏差和A类测量不确定度均优于2.5×10-6。研究成果可有效提升量子电压阶梯波信号的测算准确性。

耦合多电极矩阵传感器在局部腐蚀监／检测中的应用

介绍了一种新的局部腐蚀实时监/检测方法——耦合多电极矩阵传感器技术。概述了耦合多电极矩阵传感器的工作原理及其探头构造,重点讨论了它的应用研究现状和数据处理问题,并根据目前数据处理中存在的不足,提出将现代数字信号处理技术、材料加工技术和耦合多电极矩阵传感器技术三者互相结合可能代表其未来发展的方向.

神经芯片技术的研究进展

神经芯片是一种用硅微加工技术制造的微机电器件 .活体的哺乳动物神经元细胞在神经芯片上培养存活 ,通过外加电路的控制 ,人们可以方便地对活体神经元进行检测 ,研究其在外加激励模式下的响应 ,整个研究过程是选择性的、实时的、连续的 .简要评述了神经芯片技术的研究进展 。

三维柔性神经微电极阵列的制作

提出了一种三维凸起柔性神经微电极阵列的制作方法。该方法以光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)为基质材料,以各向异性刻蚀的硅为模具,结合微注模、金属微图形化和牺牲层电化学释放技术制作三维凸起柔性微电极,并通过数值模拟、形貌观测和电学性能测试对制备的微电极进行了评价。利用上述方法制备了具有4×4电极位点阵列的三维柔性神经微电极,每个电极位点大小为60μm×60μm,高度约37μm。阻抗测试显示,1 kHz时三维凸起电极位点的阻抗比传统的相同大小的平面微电极阵列约降低63%。结果表明,该电极的凸起特点可以保证电极刺激位点与神经细胞的良好接触,同时凸起结构也增加了电极刺激位点的表面积,改善了电极刺激位点的电荷注入能力,可有效提高刺激效果。

神经元集群电信号探测用微电极阵列

介绍了一种用于神经元集群电信号探测的2×2微电极阵列芯片.该芯片集成了4个直径为20μm、中心间距为100μm的圆形微电极.4个电极点周围都布满地线作为参考电极,4个电极点与参考电极的间距分别为5,10,15和20μm.芯片版图设计及验证采用华大九天系统设计软件Zeni完成,并通过无锡CSMC公司的0.6μm DMDP CMOS标准工艺实现,芯片面积为0.28mm×0.40mm.对芯片进行了在晶圆电学测试,采用频率为10Hz～1MHz,幅度为50mV的正弦信号作为输入信号,分别测试4个电极点的阻抗特性.测试结果表明,在10kHz处4个电极点的等效阻抗模值在0.7～2.1MΩ之间,达到了细胞外电信号测量的要求.在芯片表面进行了L-929细胞和胎鼠海马神经元培养实验,结果表明芯片经过表面生物相容性修饰后可用于细胞外电信号测量.

基于MONTE-CARLO模型的细胞传感器纳米颗粒表面处理分析

离体生物传感器的微型和集成化为细胞电生理研究提供了有力手段。当前微电极阵列表面纳米粒子处理的相关量化分析尚为欠缺。着重采用Monte-Carlo模型判断单层/多层纳米粒子膜与电极耦合的有效性,讨论异质的单一或不同粒径分散度(50～500 nm)的纳米粒子分层贴附处理于电极上,从二维、三维模型角度分析纳米粒子表面处理的有效性。多种结果显示,粒径分散度较大,且在一个数量级内的纳米颗粒能有效增大电极贴附率与处理均一性,以提高后期细胞-电极结合的重复性。相关金微阵列电极电镀的交流阻抗实验也说明纳米颗粒的沉积对于降低电极体阻抗及增大表面活化处理的作用。表面处理技术的量化评估,有利于建立基于高通量平台的实验和计算生物学、信息处理技术有机结合的研究方法。

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。

局部场电位和微分特性影响下神经元网络发放锋电位的检测

在利用多电极阵列(multielectrode arrays,MEA)记录离体培养海马神经元网络的电生理研究中,发现电极附近神经元群体同步放电形成了局部场电位(local field potential,LFP),同时细胞外记录信号为跨膜电压信号的微分,这些因素使检测网络发放的锋电位遇到困难。为正确检测锋电位(spike),在综合比较多种检测方法的基础上,提出一种改进的峰值检测法,以0.6ms为判决阈值,有效解决了原峰值检测法因滑动窗分界导致的重复检测。通过该方法检测发育成熟的网络发放的锋电位,虚警率和漏报率分别为:5%±1%和2%±1%,效果优于传统的阈值检测法。上述结果表明,改进的方法适合于神经元网络电活动的研究。

基于细胞电生理检测的在体及离体微电极设计仿真

生物传感器的微型和集成化为细胞电生理研究提供了强有力的手段。当前国内电极阵列设计的量化分析工具尚为欠缺。着重采用有限元工具分析电极形状对输出影响,对相同设计参数下圆形与矩形电极的电场分布进行比较;采用Monte-Carlo模型判断细胞与电极耦合的有效性,结果显示表面处理时,大分子生物素宜最后贴附处理以增大有效贴附率;采用SPICE工具对细胞并行电生理检测串扰性进行分析,结果说明细胞与电极的耦合性比阵列间距和数目对串扰影响更大。从而为有源电极的集成设计、细胞-电极耦合有效性和电生理测试提供量化分析工具。

耦合多电极矩阵传感技术在埋地腐蚀中的应用

目的介绍耦合多电极矩阵传感技术的工作原理及系统组成,研究16MnR钢在轻集料混凝土和膨润土填埋环境下的腐蚀规律。方法将腐蚀探头埋于轻集料混凝土和膨润土两种户外填埋环境中,研究16MnR钢在两种环境中的腐蚀规律;采用实验室包裹块形式进行干湿交替加速腐蚀,研究加速试验方法的加速效果。结果 16MnR钢在膨润土和轻集料混凝土中的年平均局部腐蚀速率分别为23.7μm/a和0.11μm/a;在干湿交替加速腐蚀条件下,膨润土环境的平均腐蚀速率为109.1μm/a,轻集料混凝土环境的平均局部腐蚀速为1.7μm/a。结论 16MnR钢在膨润土环境下的局部腐蚀速率与环境温度的变化趋势相同;轻集料混凝土对16MnR钢的腐蚀防护效果优于膨润土。采用干湿交替加速腐蚀方法,16MnR钢在轻集料混凝土和膨润土环境的腐蚀效果分别提高了17倍和5倍。

海马神经细胞网络传感器及其记录5-HT对网络活动的作用

海马神经网络活动在调节记忆和学习等行为中具有重要作用,而五羟色胺是调节此类行为的重要神经递质。目前,某些研究手段揭示了5-HT对海马神经元活动的作用,但是这些手段并没有直观展示海马神经元网络的电生理活动。因此,为了研究5-HT在体外海马神经元网络活动中的作用,本实验建立了微电极阵列(Microelectrode Array,MEA)的检测平台。利用60通道MEA芯片,可以实时无损地记录5-HT作用前后的多位点信号,实验结果证明5-HT对海马神经元的动作电位有抑制作用,但是对低频振荡没有明显变化。该实验表明,这种海马神经元网络传感器可以对神经元进行无损、长时间的记录。上述研究结果表明,这种新的细胞网络传感器有望成为神经元网络活动研究中的一种重要手段。

基于S^3R架构低输出阻抗太阳能阵列分流器

借鉴航天器一次电源系统顺序开关分流调节器(sequential switching shunt regulator,S3R)架构,针对新能源应用进行太阳阵分流器的研究,该方法理论上可进行任意功率水平的扩展;阵列中局部单元受到光照影响或损坏不会影响电源的输出品质。提出令MOSFET工作在线性区的最大电流控制电路方法,引入电感阻尼和电流反馈控制,解决太阳能电池寄生参数的影响所带来的安全问题,且该功率变换器的输出电压纹波与负载无关。从主误差放大器(main erroramplifier,MEA)建模分析入手,进行功率变换器阻抗特性分析,进而确定主要拓扑参数和控制参数的计算方法,在考虑母线纹波和单路分流器(shunt regulators,SR)最高开关频率和效率的基础上,设计每个SR之间的电压范围和MEA模块的增益。同时在MEA中引入非线性控制环节,提高负载切换的动态响应,且不易受到干扰。6kW的输出试验结果表明:该分流器能使母线纹波控制在500mV,且中频输出阻抗低于20m,为高可靠新能源应用领域提供了良好的平台。

微电极阵芯片技术在心肌电生理研究中应用的可行性

目的探讨60极微电极阵芯片(MEA)技术在整体心脏、心肌组织片和培养心肌等电生理研究中的应用。方法①80只豚鼠,开胸取心脏并以2.5ml/min速度Langendorff灌流心脏20min,信号稳定后采样;②60只SD大鼠,开胸取心,剪取5mm×5mm大小的心脏组织片,置于MEA盘,台氏液间歇灌流5min,用5μV×1ms的刺激脉冲连续刺激,刺激间隔为1s,比较心房和心室组织片场电位(FPs)形态和传导时间;③20窝出生后3天以内的昆明小白鼠,消化分离心肌细胞,培养于MEA盘内,进行组织信号采样。结果①大鼠整体心脏灌流30～90min内能够记录到稳定的自主节律下的FPs信号,心室肌场电位时程(FPdur)210±78ms;心房肌FPdur164±58ms;房室传导时间320±150ms;并能记录到FPs激动顺序图。②心肌组织靶点取样,台氏液间歇灌流和电刺激下,组织的兴奋性可以稳定保持2h。心室肌组织片FPdur115.80±11.61ms,心房组织片FPdur83.71±6.48ms,刺激信号在心房组织片的传导时间66.46±6.73ms,心室组织片传导时间47.40±5.62ms;③小鼠乳鼠心脏原代培养心肌24h时后开始有散在、不同步的细胞克隆搏动和点状FPs信号,72h后细胞融合,开始记录到基本同步的群动和多位点FPs信号,培养心肌自发搏动频率150±100次/分。结论 MEA技术可以稳定记录小动物整体灌流心脏,心脏定点取样组织片,培养心肌细胞60极场电位和电传导特性。

海马神经元网络发育中自发活动的动力学分析

目的:在多电极阵列(multielectrode arrays,MEA)芯片上体外培养海马神经元网络,研究发育过程中自发活动的动力学变化规律。方法:采用锋电位发放速率、爆发速率和爆发持续时间参数分析神经元网络自发活动。结果:网络发育初期(培养1周～2周)因自发电活动是零星的单个锋电位发放模式,爆发速率低;主要发育期(培养3周～5周)因发放模式变为单发和爆发放交替模式,自发锋电位发放速率增加,爆发速率和爆发持续时间明显升高;成熟稳定期(培养6周以上),自发活动主要是同步爆发发放和节律性同步发放模式,单位时间内爆发活动次数减少,爆发持续时间变短。结论:上述研究表明爆发活动参数能够量化和描述海马神经元自发活动在网络发育过程中不同阶段的动态变化特性。

有源相控阵雷达阵面热变形预测建模理论

目前大部分研究均通过软件仿真的方法来预测有源相控阵雷达阵面热变形,但仿真结果与真实情况存在一定偏差,为此,提出了有源相控阵雷达热变形预测建模理论。通过实验测量得到阵面热变形和温度变化,依据模糊聚类结合灰色关联算法对温度测点进行优化,建立各方向热变形量的预测模型。实验结果表明:该模型具有较高的预测精度和稳健性,从而可实现阵面热变形的准确预测。

空间应用中最大功率点跟踪技术研究

国外的空间应用特别是外层空间应用中,电源系统多采用最大功率点跟踪技术实现,并开始在轨应用,该项技术在国内尚处于初步分析验证阶段。对该项技术开展研究,归纳四种工程应用的最大功率点跟踪电源系统,同时结合工程应用,利用电子控制技术对方阵功率主动调节,实现了最大功率点跟踪,并进行测试验证。

基于互相关函数的培养神经元网络动态特征分析

多电极微阵列(multi-electrode arrays,MEA)技术的发展,使同时记录多个神经元活动成为可能。在多电极阵列芯片上体外培养海马神经元网络,采用互相关函数对神经元网络自发信号进行分析。通过分析不同电极上的锋电位序列信号,互相关函数可以找出它们之间的相互联系,从而映射出相应神经元之间的连接状况和动态特性。实验结果表明:互相关函数能够描述神经元网络的结构及神经元间电活动的动态特性,并有助于我们了解神经元群体活动对信息的综合处理与编码。

碳纳米管修饰阵列电极同时测定抗坏血酸和尿酸

本文建立了基于计时电流法的碳纳米管修饰阵列电极同时检测抗坏血酸和尿酸的方法。首先制作了由两个碳工作电极(1mm×2mm)、一个大面积碳对极(2mm×13mm)和一个厚膜Ag/AgCl参比电极构成的集成化碳阵列电极系统,然后以多壁碳纳米管修饰碳阵列电极,最后分别在CH1道电极电位为0.211V测定了抗坏血酸,在CH2道电极电位为0.428V测定了尿酸。实验结果表明,通过聚乙烯不干胶掩膜模板和手工丝网印刷碳技术制作的阵列电极电极面积一致,电活性好。CH1道氧化峰电流(I_(pCH1))与抗坏血酸浓度在4.0×10^(-6) mol/L～4.0×10^(-5)mol/L呈良好的线性关系,CH2道氧化峰电流(I_(pCH2))尿酸浓度在4.0×10^(-7) mol/L～4.0×10^(-6) mol/L呈良好的线性关系。本文设计的电极和建立的测定方法在多种生物样品的同时测定方面具有潜在的价值。

基于径向基函数神经网络的多电极阵列信号脉冲电位的分类

通过径向基函数神经网络的分析,对神经元脉冲电位信号提出了新的分类方法。对原始信号进行峰电位检测,获得脉冲电位信号样本,以主成分进行预分类,选取与类中心方差小的典型脉冲电位集合作为径向基网络的训练样本,让神经网络进行自适应学习,以实现对原始信号的分类。仿真结果表明,在对模拟的脉冲电位信号进行分类时此方法的错误率比主成分聚类法和形状聚类法小。多电极细胞外记录的海马神经元细胞电活动信号应用此方法分类也取得了较好的效果。