介质阻挡放电电离技术及其应用研究进展

介质阻挡放电电离源是一种非表面接触型的常压敞开式电离源,借助大气压下惰性气体的介质阻挡放电产生稳定的低温等离子体,可在几秒钟内实现液态、固态和气态样品的解吸附离子化,将其用于质谱检测,无需复杂的样品前处理,在常温、常压环境下即可对样品进行原位、实时、快速和无损检测。介质阻挡放电电离源自提出以来发展迅速,现已被广泛应用于食品安全、公共安全、药物分析、环境监测、生命科学等诸多领域。本文综述了介质阻挡放电电离源的发展历程、电离机理、结构分类、影响因素及应用进展,并对其发展趋势进行了展望。

基于单细胞质谱分析的膀胱癌细胞分型研究

单细胞质谱分析能够获得单个细胞的代谢图谱,揭示细胞之间的异质性,在肿瘤学研究中具有重要价值。该文采用单细胞质谱和机器学习技术,建立了膀胱癌细胞亚型的鉴别方法。基于所采集的单细胞代谢数据,分别使用线性判别分析、随机森林、支持向量机、逻辑回归建立了机器学习分类模型,并进行了模型的性能评估。结果表明,各机器学习模型均具有良好的膀胱癌细胞分型能力,分类准确率≥94.9%,灵敏度≥88.6%,特异度≥93.3%。其中,随机森林算法的分类准确率达100%,模型的受试者工作特征曲线下面积达1。该方法实现了膀胱癌单细胞的代谢物检测及细胞亚型区分,也为更广泛的单细胞代谢组学研究提供了参考。

AlAsSb的外延再生长对InAs/GaSb红外探测器暗电流抑制效果研究

采用分子束外延(MBE)技术外延再生长AlAsSb,对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格(T2SLs)长波红外探测器的表面缺陷进行钝化,实现了暗电流的显著降低.首先,研究了湿法腐蚀浅台面的最佳腐蚀液配比,获得了低横向腐蚀、光滑的侧壁以及均匀的腐蚀界面.随后,使用AlAsSb/AlAs/GaAs、AlAsSb/GaSb两种不同的外延再生长组合和单一的SiO_(2)薄层分别对刻蚀后的台面进行钝化,同时保留一个没有钝化的样品作为对照,最后对4种不同钝化条件下探测器的暗电流特性进行了测量.结果发现,使用AlAsSb/GaSb外延再生长钝化层的器件暗电流得到了进一步降低,使用SiO_(2)钝化层的效果次之,而使用AlAsSb/AlAs/GaAs外延再生长钝化层的性能相对较差.上述结果表明,外延再生长钝化技术是降低长波红外探测器暗电流的一种有效方法.

直接电离质谱结合扩口毛细管用于毒品检测研究

直接电离质谱具有快速、原位、实时离子化等优势,被广泛用于毒品、爆炸物、食品添加剂等成分的检测。直接电离源与质谱真空的耦合通常是通过毛细管或分离锥等窄小导孔实现的,导致离子传输效率大幅降低,成为提高仪器灵敏度的主要瓶颈。本研究基于脉冲直流电喷雾离子源与快筛质谱联用平台,探究了扩口和平口毛细管中喷雾电压、喷针位置、喷针内径、毛细管入口内径对仪器性能的影响。流体仿真和离子轨迹模拟结果表明,扩口毛细管因径向气流分布范围宽,扩大了可聚焦喷雾羽流面积,提高了直接电离源到质谱锥口之间的离子传输效率。与传统的平口毛细管相比,入口内径6 mm的扩口毛细管大气压接口搭配20μm喷针内径,可将10μg/L甲基苯丙胺离子信号强度提高3.3倍,甲基苯丙胺、3,4-亚甲双氧甲基苯丙胺、氯胺酮、可卡因、O^(6)-单乙酰吗啡等5种常规毒品在毛发中的信噪比均有明显提升。本研究表明,采用扩口毛细管无需对仪器进行大规模修改,易与直接电离源相结合,可显著提高仪器灵敏度。

便携式快速GC程序升温中智能PID算法研究

针对快速气相色谱仪(GC)在程序升温时,由于色谱柱低热容,导致升温的线性度和超调难以控制,影响仪器的可重复性,产生峰重叠的问题,开发了一种基于智能比例-积分-微分(PID)算法的色谱柱温控系统。系统选用LTM柱,以该柱自带的铂测温丝作为温度传感器元件,设计了温度采集和控制电路。算法上,在增量式PID的基础上,将目标温度段划分为多个子区间段,引入温度补偿控制,补偿值的大小与升温速率呈线性关系。实验结果表明:补偿后,算法升温速率误差为2.58%,线性度达到99.92%,超调在3℃以内,满足系统需求。

应用于精密显微操控场景的毛细针口径识别算法

精密显微操控技术在单细胞分析等前沿生命科学领域具有重要的应用价值。毛细针是一种被广泛应用的显微操控末端执行器,能否准确测量并控制毛细针的端部口径直接影响了终端应用的精度和可靠性。本文提出了一种基于计算机视觉的毛细针口径识别算法。该算法可自适应确定感兴趣区域(ROI)以准确获取毛细针的尖端位置;在此基础上,采取双向同步点扫描策略来定位毛细针端部位点,并实现毛细针口径的计算。实验结果表明:所提方法应用于显微操控平台的毛细针检测时,口径识别误差小于1μm,满足了单细胞分析场景下的精度需求。该方法克服了传统算法依赖于模板或背景、口径检测准确率低等问题,为精密显微操控技术奠定了良好的算法基础。

一维阵列涡旋光束在海面大气中的传输特性

相较于单涡旋光束,涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量,研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIG_(n,n))模式,采用海上大气折射率变换的功率谱,模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明:(1)HIG_(n,n)模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加;(2)n为奇数的HIG_(n,n)模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小,且高于n为偶数的HIG_(n,n)模式;(3)阶数n>1的HIG_(n,n)模式比LG_(0,1)模式具有更好的稳定性;(4)阶数越高,HIG_(n,n)模式的质心漂移标准差越小。其次,选取线性阵列涡旋光束(LAVBs)进行对比,研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能,但由于HIG光束具有独特的结构,故可适用于不同的应用场景。最后,分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响,结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。

蓝光激发的KMgF_(3)∶Cr^(3+)/Ni^(2+)基透明微晶玻璃超宽带近红外发光

近红外光谱技术在食品科学、信息安全、生物医疗等重大国计民生领域的应用对近红外光源提出了越来越高的要求。研发具有高效超宽带发射的近红外光源因此成为一项重要且迫切的研究课题。本文采用熔融淬火法在氟硅酸盐玻璃体系SiO_(2)-K_(2)CO_(3)-KF·2H_(2)O-MgF_(2)中成功析出了钙钛矿型KMgF_(3)纳米晶体。通过改变玻璃组分和热处理温度可以调控氟化物纳米晶相的析出,得到析晶和透明度最佳的微晶玻璃样品。玻璃中KMgF_(3)纳米晶体为Cr^(3+)和Ni^(2+)提供了稳定的八面体配位和低声子能量发光环境,在450 nm蓝光激发下,基于Cr^(3+)到Ni^(2+)的能量传递实现了Cr^(3+)(700~1200 nm)和Ni^(2+)(1400~1700 nm)双宽带近红外发射,并且双宽带近红外发光强度随离子掺杂浓度而可调变化。荧光光谱和荧光衰减曲线表征证明了Cr^(3+)到Ni^(2+)的能量传递过程,对应的能量传递效率为52.2%,能量传递机制为电子偶极-四极相互作用。研究结果不仅可以为系统掌握透明光学材料的超宽带发光规律提供基础数据,同时有助于设计开发低成本、高效率的近红外宽带光源。

芬太尼类新精神活性物质的介质阻挡放电电离质谱特征研究

建立了介质阻挡放电电离质谱(DBDI-MS)法采集46种芬太尼类化合物的二级质谱数据,并研究其质谱碎裂规律。芬太尼重要前体物质N-苯乙基-4-哌啶酮和4-苯胺基-N-苯乙基哌啶的特征碎片离子分别为m/z 105和m/z 188;以芬太尼分子结构为母核,当苯乙基或哌啶环上发生取代反应时,在碰撞诱导解离过程中,芬太尼类化合物会产生质量数为149 u的特征中性丢失碎片;当取代基发生在N-苯丙酰胺基时,易产生m/z 188特征碎片离子。利用本方法检测粉末样品中芬太尼含量,方法定量限为1 mg/kg。本研究对未知芬太尼类化合物的非靶向筛查和可疑粉末样品中芬太尼的快速检测提供了技术参考。

产品创新中技术冲突的粒度分类与可拓协调方法

针对产品化创新过程中技术冲突的复杂性与分类模糊问题,提出一种冲突问题粒度分类与可拓协调方法。该方法通过多种技术需求的基元集成运算,明确技术创新设计意图;结合粒化方法,建立了冲突问题剥离与传导机理,构建了冲突问题的多层次粒化模型;应用公理化设计理论,建立了最细粒度冲突问题的结构化映射模型,并作为问题协调的考核指标;在此基础上,建立了多粒度层次的冲突问题协调技术创新流程,设定关键的变换步长与传导效应动态调控机制,给出技术创新产品化方案。以敞开式质谱离子源产品化创新及其样品检测应用为例,验证了该方法的有效性与可行性。

基于敞开式直接电离质谱技术的尿液中毒品检测

尿液作为一种易于获取的体内毒品检材,在吸毒人员快速筛查中被广泛应用。针对传统快速筛查技术存在假阳性率高、定量能力不足以及实验室质谱技术在快速检测中存在前处理复杂、检测耗时长、使用环境苛刻等问题,该文提出了一种基于敞开式直接电离质谱技术的生物样本快速检测方法。该研究采用探针式电喷雾离子源与便携式质谱仪联用快速检测平台,优化了喷雾电压和质谱入口毛细管温度,开发了高效快速的前处理技术。基于该平台和前处理技术,5种常规毒品(甲基苯丙胺、氯胺酮、可卡因、O^(6)-单乙酰吗啡和3,4-亚甲双氧甲基苯丙胺)的尿液加标溶液的检出限为0.5~30 ng/mL,且其中4种毒品定量检测的线性相关系数大于0.99。除此之外,5种常规毒品在3个不同水平下的加标回收率为56.1%~103.7%,多次检测结果的相对标准偏差为9.0%~27.8%,说明联用检测平台与前处理方法结合可以达到良好的准确度。为了进一步检验该联用仪器的实战能力,测试了某社区戒毒康复中心40份阳性和110份阴性实际尿液样本,总体检测的准确率接近99%,且通过一次进样在20 s内可同时检测多种毒品。该研究成果有利于推动快速检测技术的发展,促进敞开式直接电离质谱仪技术的推广应用,提升一线执法服务水平。

新型GeSe_2-Ga_2Se_3-RbBr三元系统硫卤玻璃形成的研究

通过传统熔融-淬冷技术制备GeSe_2-Ga_2Se_3-RbBr新型硫卤玻璃,确定其玻璃形成区.讨论了RbBr对样品物理、热学和光学性能的影响,其材料色散通过Sellmeier方程计算获得,样品的直接带隙和间接带隙利用Tauc公式计算得出.结果表明:该系统玻璃具有较宽的玻璃形成区,并且在覆盖可见至远红外的宽广多光谱范围内(0.6~16μm)具有良好的透光性能.随着卤化物RbBr掺杂量的增加,样品的密度和折射率减小、转变温度Tg降低、短波截止边和零色散波长发生蓝移、光学带隙逐渐增大等,尤其是其零色散波长从传统硫系玻璃的10μm直接蓝移至近红外激光可作用的2.135μm.结果表明这些硫卤玻璃可作为多光谱玻璃材料和非线性光学应用.

α/β-Zn_(2)SiO_(4)∶Mn^(2+)双相玻璃陶瓷制备与宽带可调控发光

含单相纳米晶体的玻璃陶瓷尽管能够为激活离子提供良好的发光环境,然而因其晶体场环境较为单一,在构造多色、多模式以及超宽带发光的光功能材料时受到了一定限制。基于此,研发双相纳米晶复合玻璃陶瓷对拓展该类功能材料的应用领域具有重要的研究意义。本文采用熔融淬火法在硅铝酸盐玻璃体系中成功析出了α-Zn_(2)SiO_(4)和β-Zn_(2)SiO_(4)纳米晶,通过调控Al_(2)O_(3)含量、热处理温度可以实现β-Zn_(2)SiO_(4)单相纳米晶向α/β-Zn_(2)SiO_(4)双相纳米晶共存的转变。进一步引入Mn^(2+),在285nm激发下,制得的玻璃陶瓷呈现可调谐的单带(~580nm)和连续双模(~530/580nm)发射,并且双宽带发光强度随Mn^(2+)浓度和热处理温度而可调变化,对应样品的发光颜色逐渐由橘黄色变为黄绿色。结合纳米晶体结构和光谱数据对Mn^(2+)可调控发光机理进行了解释。本研究结果对过渡金属离子掺杂双相玻璃陶瓷制备与可调宽带发光的基础研究及应用探索具有一定参考价值。

脉冲直流电喷雾质谱法快速检测毛发中4种苯丙胺类药物

苯丙胺类药物具有成瘾性和致幻性的特点,滥用问题严重。毛发具有易保存、稳定、可检测时限长的优势,是追溯长期药物滥用史的重要样本。针对现有苯丙胺类药物快速检测技术的不足,以及实验室仪器无法应用于现场快速检测等问题,本文将脉冲直流电喷雾电离(pulsed direct current electrospray ionization,Pulsed-DC-ESI)与便携式质谱仪联用,建立了毛发中4种苯丙胺类药物(苯丙胺、甲基苯丙胺、3,4-亚甲基二氧基苯丙胺、3,4-亚甲双氧基甲基苯丙胺)的快速检测方法。毛发以甲醇为提取溶剂,用研磨法提取,离心后取上清液,直接经Pulsed-DC-ESI离子化后进行质谱分析。实验优化了离子源参数,包括喷雾毛细管尖端内径、电极与待测溶液间距、喷雾电压等。结果表明,该方法可在20 s内完成4种供试药物的同时检测。苯丙胺的线性范围为1~25 ng/mg,甲基苯丙胺的线性范围为1~100 ng/mg,其他两种药物的线性范围为1~50 ng/mg,线性相关系数均大于0.99,4种苯丙胺类药物的检出限为0.1~0.2 ng/mg,定量限为1 ng/mg,加标回收率为86.6%~114.7%,日内精密度为4.14%~7.34%,日间精密度为3.71%~8.43%。将该方法应用于检测机构提供的2000份实际样品的快速检测,其中有5例甲基苯丙胺阳性样本被检出,与传统司法鉴定方法的结果一致。该方法具有检出限低、准确和快速等特点,适合于毛发中4种苯丙胺类药物的快速检测,同时解决了大型质谱仪无法便携移动和传统快检方法定量能力不足的问题,有助于提升一线缉毒现场对苯丙胺类药物的快速检测能力。

基于凹点检测的卵母细胞极体识别方法

为解决卵母细胞极体不明显时无法有效识别的问题,提出一种基于凹点检测的极体识别方法。结合Otsu算法和形态学操作提取细胞轮廓;通过角点检测和圆形掩膜方法搜索轮廓上的深凹点,设计自适应确定掩膜半径方法和凹凸特征参数判别深浅凹点,筛选出卵母细胞与极体粘连形成的深凹点,确定识别结果。实验结果表明,该方法在极体不明显时识别准确率达92%,耗时仅需97 ms,具有鲁棒性好、自适应性强、效率高等优点,为自动化显微注射中极体识别提供了有效的解决方案。

便携式质谱数据采集系统的设计与实现

根据便携式质谱的特点以及对数据采集与处理技术的研究,提出了一种基于DSP TMS320F28335+以太网(W5500)改进型的硬件结构的便携式质谱数据采集系统。该设计在更低功耗的情况下很好的实现了多路信号控制和大数据传输,同时在DSP硬件平台上运用直接内存访问(Direct Memory Access,DMA)技术解决了速率匹配问题,提高了CPU的效率。测试结果表明该系统能够满足便携式质谱仪功耗低、数据处理快等特点,具有多级质谱功能且实现了仪器网络化,具有较强的实用性和推广价值。

基于模糊PID参数自整定的细胞培养箱温度控制算法

针对细胞培养箱温度控制具有非线性、时滞性、易受干扰且难以建立精确的数学模型的特点,传统的PID控制方法对于快速维持系统箱内温度稳定存在一定的局限性;提出了以温度误差和误差变化率为控制输入,培养箱内温度为控制量的模糊PID参数自整定的温度控制算法,实现了对PID参数的实时在线修正;实验表明,该模糊PID参数自整定温度控制算法,温度从26℃上升到目标温度37℃,建立稳态的时间为2890s,温度超调极小;系统温度控制精度为±0.05℃,并在相同型号的细胞培养箱上同样得到验证;在控制稳定性方面获得了比传统PID控制更好的控温效果,稳定快,极小超调,温度控制精度高,能满足细胞培养箱温度控制的要求。

基于介质阻挡放电离子源的温控系统设计及应用

为了提高1,1-二苯乙烯和咖啡因样品检测精度,通过硬件电路设计开发出介质阻挡放电离子源温度控制系统,该系统具有测量精度高,响应速度快等特点,可以实现可靠的样品离子化温度条件影响分析和温度重复定位实验。新系统与质谱联用对咖啡因样品进行九次重复检测实验,重复性CV=1.5%,达到国际先进水平,适合在环境检测、食品安全以及科学研究等领域推广使用。

常压敞开式质谱离子源发展趋势

近年来常压敞开式离子源凭借快速、原位、实时离子化样品等优势,被广泛应用于样品快速筛查、真伪鉴定、质谱成像等领域,已成为当今离子源的研究热点,受到了学术界及仪器制造、化学和生物分析等相关产业界的广泛关注。目前,该类离子源朝着克服基体效应、提高样品表面定位能力及增加离子传输距离等方向发展。本文主要介绍了可以很好解决上述问题并具有代表性的三种常压敞开式离子源:电喷雾萃取离子源(EESI)、介质阻挡放电离子源(DBDI)及空气动力辅助离子源(AFAI),重点涉及原理以及在此基础上所做的设计改进和应用进展。

飞秒激光诱导金刚石微纳结构及其应用(特邀)

多年来,硅和锗一直被认为是合适制造探测器和集成光电器件的半导体材料。然而,与金刚石基器件相比,这种四价半导体的抗辐射损伤能力较差,而且在恶劣条件或高强光辐照下,器件的稳定性较差。近年来,金刚石因其优异的光学与力学性能,在集成光子学、传感和量子光学等领域展现了巨大的应用前景。利用激光诱导金刚石微纳结构为开发金刚石上的三维光互联器件、全碳探测器、石墨电阻以及单光子源的实现提供了一种有潜力的制备方法。阐述了飞秒激光诱导金刚石色心形成、石墨化和折射率变化的物理机制,在此基础上,进一步探究了飞秒激光诱导金刚石微纳结构在单光子源、传感器和光波导等方面的应用,并对未来发展趋势进行了展望。