基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。

基于微型光谱仪的微小型快速生化检测仪设计与实验

面向野外环境伤病员重要生命参数快速检测的需求,基于MOEMS技术和嵌入式技术,提出了一种基于连续光谱分析的微小型快速生化检测仪新结构。在研究检测对象和方法的基础上,成功研制出基于连续光谱分析的微小型快速生化检测仪原理样机;对样机的杂散光、吸光度线性度、吸光度重复性、稳定性、温度准确性进行了测试分析,各项指标均达到设计要求;通过临床测试初步实验,可实现钠离子、葡萄糖、血糖等多项重要生命参数的快速检测。

新型多参数水质分析仪流路控制系统的设计

以单片机为核心,运用十联体电磁阀、三通阀和微型步进蠕动泵等流控器件设计新型多流路控制系统。对比测试结果表明,该系统能完成20多种流路切换,进样速度快,加样误差小于1%,能快速、高效地清洗进样通道,并避免交叉污染,而且成本低、不易堵塞、稳定性良好。

一种新型低噪声真空微电子加速度计的接口ASIC(英文)

真空微电子加速度计基于隧道效应而工作,其内部固有的低频噪声(如1/f噪声)大大降低其信噪比,而且也是影响精度和线性度的主要因素。采用混频技术和相关检测算法,本文研制和设计了一种新型低噪声接口ASIC(专用集成电路)。最后测试了加速度计的噪声和线性度,在0～200 Hz范围内输出信号平均噪声密度为69μV.Hz-1/2,线性度相关系数为99.99%,最大的非线性度为0.41%。通过实验结果可以看出该电路能大大改善加速度计的噪声特性和线性度,而且该电路设计思想能用于其它隧道效应加速度计。

多参数微型快速生化检测仪光谱扫描自动定位控制系统研究

样品检测光谱扫描自动定位控制是多参数快速生化检测仪的关键技术之一。针对重庆大学研制的基于微型光谱仪的多参数微型快速生化检测仪,提出并完成了多参数样品检测光谱扫描自动定位控制系统的设计,并基于该控制系统展开了多参数微型快速生化检测仪的联机调试实验研究。实验结果表明:样品检测吸光度的变异系数CV≤1%,吸光度的线性相关系数R2≥0.995,满足半自动生化检测仪的相关技术要求。

气溶胶微生物粒子本征荧光计数仪器设计

针对气溶胶微生物粒子实时监测的需求,对基于微生物粒子本征荧光和光散射检测方法和装置进行了研究。分析了粒子光散射检测的基本原理,对微生物粒子荧光活性分子以及金黄色葡萄球菌等6种微生物进行了荧光光谱的测试和分析,确定了405nm激发光和双路散射光的整体设计方案。通过对气路和检测腔结构的重要参数仿真,实现了其优化设计,最后,完成了检测装置的构建。初步测试结果表明:该装置实现了对粒子散射光和荧光的同步探测,可以对普通尘埃粒子和微生物粒子进行区分和计数,为进一步开展气溶胶微生物粒子浓度的实时监测仪器研发奠定了基础。

集成纳米增强基底的微流控SERS芯片及其致病菌检测

针对致病菌快速高效的辨识和检测一直是生命科学、医疗诊断、食品安全和环境监测等领域备受关注的热点。微流控芯片分析技术为细菌等微生物的研究和检测提供了新的、高效的途径和平台,将表面增强拉曼散射(Surface En⁃hanced Raman Scattering,SERS)光谱检测技术与其结合,成为了具有突出优势的致病菌快速鉴别和检测途径。本文针对基于微流控芯片的SERS分析技术及其应用进行综述,首先对各种SERS增强基底材料进行了介绍和性能比较;然后,系统综述了在微流控芯片上集成SERS基底的方法和技术,分别探讨了在微流控通道中注入纳米金属溶胶的外部注入法,在微流控芯片检测区构建固体纳米结构的内嵌法和在微流控通道中原位制备纳米结构基底的原位制作法;最后,对集成SERS检测技术的微流控芯片分析方法在致病菌定性鉴别和定量检测方面的应用进展予以了综述和展望。

基于Apt@Au传感器的微囊藻毒素-LR传感检测

微囊藻毒素(MC-LR)是国际公共卫生组织已确认的一种神经毒素和致癌物质,其高效检测备受关注。该文通过金硫键作用将适配体直接结合到丝网印刷金电极表面,形成适配体@金(Apt@Au)敏感膜,当样本中存在MC-LR时,敏感膜上的适配体与MC-LR相互作用,引起[Fe(CN)_(6)]^(3-)/[Fe(CN)_(6)]^(4-)探针电对的电子传导发生变化,差分脉冲伏安(DPV)响应电流增加,由此构建了一种用于MC-LR检测的Apt@Au传感器。在优化的实验条件下,采用该传感器检测MC-LR的线性范围为0.001~50.00μg/L,检出限可达0.001μg/L,对微囊藻毒素-LA、微囊藻毒素-YR、节球藻毒素以及水体中常见的金属离子无明显响应,表现出良好的选择性。将其用于合成水样检测也显示出良好的回收率。Apt@Au传感器用于MC-LR检测具有流程简单、检测灵敏度高等优势,拥有良好的应用前景。

多参数水质监测仪流路系统的优化设计

针对重庆大学微系统研究中心研制的第一代多参数水质监测仪流路系统方面存在的不足,提出了一种基于ARM处理器、精密注射泵、微电子多位阀和直流电机的集成化顺序注射流路系统。介绍了优化后的流路系统的结构及其控制模块。经过实验测试验证:该优化设计增强了系统控制的可靠性与稳定性,提高了进样的准确度与重复性,减少了进样时间与流路清洗时间,实现了快速、高效清洗的功能,有效地降低了仪器后续实验的交叉污染。

基于树莓派的远程水质监测系统设计

基于当前水体环境监测网络化、仪器智能化的需求,设计了一种以树莓派+GPRS为核心的多参数水质远程监控系统。通过将GPRS无线传输模块集成到以树莓派为处理单元的水质监测仪中,完成了基于GPRS模块的接收和调度,建立了良好的上位机交互软件和存储数据库,用于记录和显示来自监测节点的数据信息,实现了远程水质监测及数据回传功能。一旦监测节点发出报警信息,监控中心与相应移动设备接收数据信息,通过监控中心软件及时采取应对措施。提出了基于GPRS技术和树莓派控制核心的广域水质监测与回传系统,该系统集传感、控制、无线传输于一体,可用于高可扩展性的、可实现最小成本和最大效率的水质监控。

微陀螺滑模控制器中的积分算法设计（英文）

为了去除不定积分环节产生的直流偏置项,提出了一种基于"一次移动平均法"的改进积分算法。利用一个整数周期的积分信号值构成一个集合,计算出集合的算术平均值作为瞬时直流偏置,将原积分信号减去该直流偏置,最终可得到无直流偏置项的积分信号。为实时更新直流偏置,在每个时钟上升沿将一个积分信号的新采样值加入集合尾部,并去除集合首部的数值点,从而确保集合长度维持固定值并能实时反映出最新的直流偏置。以FPGA为信号处理平台,采用Modelsim仿真和实验测试相结合的方法验证了该算法的可行性。该方法已成功用于电磁式微陀螺仪的滑模控制器之中。同已有方法相比,该积分算法复杂度低、实时性好、易于实现。

梯形梁振动能量收集器的仿真与实验

针对有学者提出将传统矩形梁能量收集器改成梯形梁以提升器件输出性能的优化方案,利用理论和ANSYS有限元仿真软件分析了不同宽度梯形梁对能量收集器各项性能指标的影响,通过实验验证了上述结论。结果表明:随着梯形梁自由端宽度的减小,梁表面应力分布更均匀,器件谐振频率降低,输出电压升高。相同负载下,梯形梁能量收集器最大输出电压较同尺寸矩形梁提升了34.97%。

压电微泵的特性测试与分析

本文对压电驱动微泵的工作特性进行了系统测试,利用高压方波信号源产生频率和电压可调的信号来驱动微泵,采用高精度电子秤测量固定时间(10 s)内微泵输送液体的质量大小;并对工作特性进行相关分析,总结了压电微泵的输送流量随液体黏度、驱动电压和驱动频率之间的关系。结果表明,在相同的驱动条件下,液体黏度越大,压电微泵输送的流量越小;在固定的驱动电压下,当驱动频率为泵膜的谐振频率时压电微泵输送的流量最大,高于或低于驱动频率时输送的流量越来越小;在固定的驱动频率下(谐振频率),压电微泵输送的流量随驱动电压的升高而增加。研究结果为压电微泵的优化设计和实际应用提供了依据。

振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用

为了预测基于悬臂梁结构的振动式压电发电机的固有频率、输出电压和输出功率等关键参数,通过理论分析得到了悬臂梁式压电发电机的理论模型,该模型比Roundy模型与试验结果更加吻合。针对故障诊断无线传感节点瞬时功率大、平均功率小的特点,设计了基于多振子的功率调节电路,当主回路超级电容器储存的电能可以使无线传感节点正常工作时,将主回路打开,开始进行测量和向监测中心传送数据。在轮船发动机上进行的现场试验表明振动式压电发电机可以为无线传感器节点供电。

基于紫外-可见光谱分析的水质监测技术研究进展

光谱分析在水质监测领域的应用是现代环境监测技术的一个重要发展方向。文章论述了基于紫外-可见光谱分析的现代水质监测技术的原理与特点,并从在线监测和原位监测两个方面论述了该技术的主要研究现状与进展,指出了尚需突破的关键技术问题,展望了基于集成化微型光谱仪的多参数水质监测微系统及水质监测微系统网络的技术发展趋势,对我国水资源环境监测技术的发展及现代科学仪器的研发具有一定的参考价值。

基于MEMS的结构监测无线传感器网络研究进展

为实现对重大工程结构健康的网络化在线监测,将多功能系统集成的微机电系统(MEMS)微传感器组成分布式无线信息测控网络,基于微机电系统(MEMS)技术的重大工程结构健康监测无线传感器网络是土木工程领域正在发展的技术前沿。该文介绍了国外该技术的基础理论模型、关键核心技术和应用开发等方面的研究现状与进展,分析了目前需迫切解决的关键共性技术瓶颈及可行的解决途径,据此提出了研发技术路线,对我国重大工程结构健康检测具有一定的参考价值。

阵列叉指式芯片研究细胞介电电泳富集过程

采用阵列叉指电极介电电泳(Dielectrophoresis,DEP)芯片,构建了集成DEP芯片分析和操控系统,应用Coventorware有限元分析软件模拟分析了芯片表面的电场分布情况;以红细胞和结肠癌细胞样品为分析对象,实现了两种细胞样品在芯片上的正负介电电泳定位富集。实验发现,交流信号幅值Vp-p是决定DEP富集效率的主因,交流信号频率f和缓冲溶液是改变细胞介电电泳类型的参量;在0.9%NaCl中,施加频率为10和3MHz、电压5V的交流频率,结肠癌细胞的正介电电泳(Positive-dielectrophoresis,pDEP)和负介电电泳(Nagetive-dielectrophoresis,nDEP)富集效率分别为87.2%和84.8%。

基于非接触式拉曼光谱分析人血与犬血的PCA-LDA鉴别方法

将拉曼光谱分析法与数理统计方法有机结合,构建人血与犬血种属判别模型,实现了不同种属血液样本的高效无损鉴别.采用拉曼光谱的无损测试模式对血液样本进行测试,考察了抗凝管管材、聚焦位置及曝光时间等对血液样本拉曼光谱的影响,在激发波长为632.8 nm,光谱扫描范围为200~1800 cm-1,功率衰减率50%,曝光时间5 s及累加次数为2次的优化条件下,获得了无损检测条件下的血液样本拉曼光谱图.针对血液样本组分复杂、拉曼光谱信号基底背景高等问题,提出了基于小波变换去噪,进行分段多项式基线校正的预处理方法,有效解决了血液样本拉曼光谱谱图的高噪音和基线漂移问题.实验选择30例正常人血和33例比格犬血为样本训练集,5例正常人血和5例比格犬血为测试集,基于主成分分析法(PCA)联合线性判别法(LDA)模型,训练集分类正确率达到95.23%,盲测集分类正确率达90.00%.这种基于非接触式血液样本拉曼光谱和PCA-LDA判断模型的测试方法在进出口检验检疫等涉及血液无损鉴别的领域具有广泛的应用价值和前景.

一种具有应力隔离结构的扭摆式电容加速度计

基于硅-玻璃键合工艺的扭摆式加速度计,其信号输出对扭转梁上的应力极敏感,而微加工过程中由于硅、玻璃两种材料热膨胀系数不匹配,会在扭转梁上引入较大的热应力,进而引起加速度计温度漂移。为此,提出一种具有应力隔离结构的扭摆式电容加速度计。通过缓冲折叠梁和内支撑框架的优化组合,使热应力难以传递到扭转梁上,从而有效降低加速度计的温度漂移。使用ANSYS软件对加速度计进行了模态和热应力分析,结果表明:工作模态的固有频率为1 352 Hz,远小于其他干扰模态的频率;加速度计的灵敏度为0.386pF/g(g=9.8m/s2);相同条件下,不带隔离结构的扭摆加速度计的热应力主要集中在扭转梁的末端,其最大应力约100 MPa;具有应力隔离结构的加速度计,其热应力主要集中在缓冲折叠梁上,而扭转梁上的应力约为1.7 MPa,仅为前者的1.7%。采用硅-玻璃键合和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺,完成了加速度计芯片的制作。

多功能芯片对合成样本中肝癌细胞HepG2的测试研究

设计并制作了一种集多孔流分离(Multi-orifice flow fractionation,MOFF)技术与磁捕获技术于一体的用于特异性分离和捕获合成样本中肝癌细胞Hep G2的多功能微流控细胞芯片。此芯片由玻璃基片和PDMS微通道盖片组成,PDMS盖片上含有3条进样通道、MOFF分离区和六边形腔体的细胞富集检测区。其中,MOFF分离区总长20 mm,由80组长度为0.18 mm、深度为50μm、收缩区域宽度为0.06 mm、扩张区域宽度为0.20 mm的半菱形收缩/扩张重复单元组成,每组收缩/扩张重复单元间的夹角为103.0°。实验以肝癌细胞Hep G2-血细胞混悬液为样本;根据磁珠表面修饰c-Met抗体能与肝癌细胞Hep G2特异性结合的原理,通过表面羧基化的磁珠、EDC(1 mg/m L)、NHS(1 mg/m L)和c-Met抗体制备了浓度为50μg/m L的免疫磁珠(AntiMNCs)悬浮液。在样本流速为50μL/min条件下,利用外加磁场实现了血细胞合成样本中微量肝癌细胞Hep G2的有效捕获;采用微波加热法以柠檬酸、硫脲为原料制备了用于荧光标记Hep G2的碳量子点,在芯片上实现了血液中肝癌细胞Hep G2的原位荧光可视化观测。对芯片检测区捕获到的Hep G2进行了显微计数分析,对500μL血细胞(107cell/m L)中含10个Hep G2细胞的合成样本,捕获效率达到88.5%±6.7%(n=20)。结果表明,所设计的多模式多功能的微流控芯片具有良好的肿瘤细胞分离和检测功能。