微流控器件中血细胞行为的研究与分离技术

近年来,微流控器件在细胞分离和筛选中的应用发展迅速.一方面,微流控器件可以是研究血细胞运动、变形和黏附等行为的有力手段;另一方面,血细胞的这些流动行为也为微流控器件检测、筛选细胞提供了设计依据,二者密不可分.本文从血细胞,尤其是红细胞的流动行为出发,首先介绍产生变形、黏附等行为的基本机理,然后重点介绍和分析基于血细胞流动行为特点进行细胞筛选和分离的微流控器件及其功能特点.     

Si-N-O薄膜表面微图形的制备及对内皮细胞黏附行为的影响

采用光刻技术、湿法刻蚀在(100)硅片表面制备微米级沟槽图形结构, 并运用非平衡磁控溅射(UBMS)设备在图形表面沉积Si-N-O系薄膜, 最终得到Si-N-O薄膜表面微图形. 运用表面轮廓仪对微图形结构尺寸进行了表征, 采用X射线光电子能谱(XPS)对Si-N-O薄膜的成分结构进行了检测, 应用静态接触角测量评价了样品表面的亲疏水性, 运用体外内皮细胞粘附及Alamar blue实验评价Si-N-O薄膜表面微图形对内皮细胞粘附、取向及增殖等细胞行为的影响. 实验结果发现图形样品表面的内皮细胞数量和活性优于平面样品. 图形对培养1 d的内皮细胞取向有明显的引导作用, 细胞多沿与沟槽平行方向生长; 3 d后多数内皮细胞跨过沟槽区域相互融合, 细胞活性仍显著优于平面样品. 实验表明样品表面的微图形化可有效促进了内皮细胞在样品表面的附着与增殖生长.     

非磁性细微颗粒的负磁泳耦合分选规律研究

非磁性细微颗粒的磁泳分离在生物工程、材料工程和环境工程等领域具有广阔的应用前景.为了分选直径非常接近的非磁性微粒,设计了负磁泳耦合的水动力分选器,为了确保分选器具有优异的性能,数值研究了在不同的磁场强度、磁铁个数、微通道参数、入口流速和速度比时, 3, 4, 5μm的3种非磁性颗粒的运动轨迹,计算3种颗粒侧向偏移和颗粒分布带之间的距离(即带间距).结果表明:3种细微颗粒的侧向偏移距离和带间距都随磁场强度和颗粒尺寸的增大而增大;但是颗粒的侧向偏移并不会因为磁铁数量的增加而持续增加;颗粒的分离效果随着入口流速的减小,流速比的增大而提高.此外,当微通道结构参数H_a/H_b越小,不同颗粒分布带之间的距离就越大,不同直径的颗粒就越容易分离;最后,利用微-PIV实验获得了3种颗粒带的分布,并计算颗粒分布带宽和带间距,与数值模拟结果比较发现一致性很好.研究结果对非磁性颗粒分选器的设计具有指导意义.     

器官芯片的制备及生物医学工程应用

器官芯片是在体外构建疾病(或正常)模型的一种新兴技术,近几年受到科研工作者和医务人员的广泛关注.相比构建模型的传统方法,具有便携性、高通量、可模拟在体微环境等优势,在研究疾病的发病机理、筛选药物等方面有着广阔的应用前景.本文介绍了器官芯片的发展历程,综述了器官芯片的主要结构及材料,通过分析现有器官芯片的结构,认为高度集成的器官芯片包括微流控芯片、细胞/微组织、构建微环境的执行部件以及微传感器4个要素,针对每个要素介绍了其常用制备方法.随后讨论了器官芯片目前已取得的进展以及走向、临床应用所面临的挑战,最后展望了器官芯片未来的发展方向.     

多频原子力探针显微技术

不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像,一直以来就是原子力显微术的发展目标.目前,最可能实现这一目标的手段是近些年发展的多频原子力显微术.多频原子力显微术,即利用多频率激励和/或多频率探测微悬臂的振动信号来研究样品纳米物性的一大类AFM技术.它可以实现针尖与样品间作用非线性信息的提取,在组分探测灵敏度、时间和空间成像分辨率等方面展现了巨大的优势.文中综述了多频原子力显微术所包含的不同实现方法的基本原理,并介绍了它们在高分辨成像、纳米力学、材料、生物等方面的前沿应用实例.此外,为探索多频原子力显微术,我们提出了一种特殊的高次谐振型石英音叉微悬臂模型.最后,文章展望了多频原子力显微术的下一步技术发展和应用研究.     

基于半导体量子点的单光子源:原理、实现和前景

确定性和高度不可分辨的单光子源是实现线性光学量子计算和固态量子网络的重要前提条件.半导体自组装量子点,具有良好的稳定性,易于集成于高品质因子的纳米微腔中,可获得超高亮度的单光子源.同时量子点可以作为光子—自旋比特的接口,可扩展的量子网络的结点.近年来共振激发技术的发展以及微腔加工技术的进步大大地提高了半导体量子点单光子源的品质,而成熟的半导体技术为这种单光子源的实用化奠定了基础.本文首先介绍单光子源的产生原理、性质以及在量子信息量子计算等领域的应用,然后介绍基于半导体量子点单光子源的技术发展和微腔量子点的进展.最后,讨论量子点单光子源未来的发展趋势.     

微纳尺度3D打印

复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求,然而现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业级应用的需求.高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构(尤其是大面积复杂三维微纳结构)一直被认为是一项国际化难题,也是当前国际上学术界和产业界的研究热点,以及亟待突破的瓶颈问题.微纳尺度3D打印(微纳结构增材制造)在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势,而且还具有设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点.微纳尺度3D打印被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术.本文论述了近年国际上微纳尺度3D打印重要的研究进展和代表性研究成果,微纳尺度3D打印典型重大应用,阐述了微纳尺度3D打印当前面临的挑战性问题,并探讨了微纳尺度3D打印未来的应用前景和发展方向及趋势.为深入开展微纳尺度3D打印、增材制造和微纳制造的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考作用.     

介电泳技术在生物信号检测和相分离阻变材料中的应用

介电泳是操纵微纳米级粒子的强大工具,已经在生物细胞和无机微粒的分离、检测、操控方面得到了广泛的应用.本文突破对介电泳技术的传统定位,简要介绍介电泳效应的两例新的应用.首先是和新兴的纳米孔技术结合,利用介电泳的富集效应,在微纳环境下对单分子行为进行操控,解决目前纳米孔基因测序面临的通量低等难题.其次在某些相分离固体材料中,介电泳可以通过调节电子相的几何结构引起渗流,从而实现电致阻变效应.这些研究不仅扩大了介电泳技术的应用范围,且具有多学科技术交叉融合的特点,为生物检测技术的开发创新以及新型功能材料的设计提供了新的思路.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

微生物细胞热分解法磁性化研究

生物约束成型技术是把微生物学、材料学、制造学等有机紧密结合产生的一种制备具有多样形状磁性或导电微颗粒的新技术．本文探讨热分解法生物约束成形技术的可行性，以尺寸在微米级天然具有螺旋形体的螺旋藻的细胞为模板，根据五羰基铁受热分解的原理，研究在其表面包覆纯铁的工艺，并通过光学显微镜、扫描电镜、电子能谱、透射电镜、X射线衍射对颗粒形态、表层成分、相结构进行观察与分析．结果表明，在螺旋藻细胞经热分解五羰基铁包覆处理后，表面有一层铁颗粒沉积；其螺旋形体保持良好，得到的单体表面磁性层厚度、成分基本均匀；文中试验条件下，螺旋形羰基铁颗粒经700℃热处理后变为α-Fe；还探讨了微生物细胞热分解法金属化工艺过程的物理化学反应机理．     

模糊层次分析技术（FAHP）在3D锡膏检测中的应用

随着当今先进工艺趋向于使用更小的元件，人们认识到仅仅计算体积已不足以确保工艺质量，锡膏检测仪（SPI），特别是3DSPI在测试策略中扮演起越来越重要的角色。3D锡膏检测仪中经常遇到的激光阴影效应，传统的SPI技术，激光三角法和莫尔（Moiré）技术也都存在或多或少的阴影效应问题。本文首先介绍和分析了激光三角法以及莫尔（Moiré）技术在锡膏检测技术中的应用，它们遇到的主要问题。然后，结合传统方法的优点，提出一种新的方法：模糊层次分析技术（FAHP），从软件硬件两个角度更好的解决3D锡膏检测仪遇到的阴影效应问题，保证更准确地测量结果和更直观的用户界面，使人们可以从工艺的角度出发来管理生产线的质量并具备整合系统的能力。     

新一代无线电平台数字射频核心技术研究与工程实践

无线电平台数字射频是提高现代无线电系统复杂电磁环境适应能力、机动能力、传输能力和综合集成能力等基础性能的关键.本文分析了射频技术的发展需求和国内外数字射频领域的研究进展,以及模拟射频核心单元——模拟射频功放主要指标相互矛盾的机理,并将数字射频概念扩展到综合数字射频,重点论述了数字射频核心技术——数字射频功放和全数字发信机的基本原理、优势和关键技术,提出了基于系统与工艺相结合的数字射频设计方法、数字射频功放的物理模型和一种全数字发信机体系结构以及我国自主可控发展数字射频的技术路线建议.本文认为在当今时代背景下,数字射频对于新一代无线电平台具有革命性和可行性;如果不能自主可控发展该项核心技术,我国又将出现一个新的受制于人的脆弱点.     

神舟飞船交会对接人工控制系统设计

神舟九号飞船首次人工控制(以下简称"人控")交会对接的圆满完成,标志着我国全面掌握了空间交会对接人工控制和自动控制技术.交会对接人控系统为航天员提供稳定可靠的操作平台和驾驶飞船的操作方法,对人控交会对接任务的成败起着至关重要的作用.本文在分析交会对接人控系统设计原则的基础上,阐述了人控交会对接控制系统组成和各主要部件的工作原理,首次提出了通过电视摄像机图像进行相对状态确定的测量参数定义及其估计方法,并给出了人控交会对接的操作方法.神舟九号的在轨验证说明了交会对接人控系统操作简单、可靠,满足高精度的对接要求,该项技术具有良好应用前景.     

一款用于多媒体处理的异构多核系统芯片的可测试性设计

随着集成电路工艺的发展,系统芯片（SoC）集成已成为超大规模集成电路的主流设计方法.SoC设计具有强调自顶向下设计、突出设计重用性、重视低功耗的特点,给集成电路的可测试性设计带来了严峻的挑战.本文针对一款用于多媒体处理的异构多核系统芯片DPU-m,提出了一套完整的可测试性设计方案,支持3种工作模式：功能模式、存储器内建自测试模式以及扫描测试模式,并进行了设计实现和评估.针对逻辑电路的可测试性设计,采用自顶向下的模块化设计思想,提出并实现了一种分布式与多路选择器相结合的测试访问机制,实验结果表明,DPU-m逻辑电路单固定型故障的测试覆盖率为98.58%,满足设计方要求;针对实速时延测试的需求,设计并实现了基于片上时钟生成器的时钟控制单元,可在片上支持不同时钟域、6种时钟频率的实速时延测试;针对存储器电路的自测试,设计并实现了串并行结合的存储器内建自测试结构,在最大测试功耗的约束下有效地减少了测试时间;进一步设计了顶层测试结果输出电路,满足了设计方要求的诊断分辨率,若以100 MHz的频率进行测试,测试时间为14 ms.     

面向AFM的纳米目标快速重定位方法

原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）具有极高的观测分辨率和作业精度,在纳米材料表征与纳米器件组装方面发挥了不可替代的作用.AFM工作区域的选取依赖于光学显微镜,受可见光波波长的限制,光学显微镜的分辨率一般不超过200 nm,这导致光学显微镜无法有效辨识AFM观测目标样本所在的区域.当样本被移动或者更换AFM扫描探针引起样本与探针针尖的相对位置发生变化时,如何重新将AFM探针精确定位到原观测/操作区域具有非常大的挑战性.本文研究提出了一种新的免标记探针重定位方法,综合考虑了样本角度旋转与位置偏移两个因素,首先利用光学显微镜选取样本基底上易于识别的自然特征作为参照点,基于坐标变换原理实现微米级精度的探针盲定位,进而通过AFM扫描图像的匹配获得X-Y水平方向的位置偏差,通过修改AFM的扫描参数实现纳米目标的原位快速精确重定位.该方法的优点在于不需要在纳米目标样本操作区域上制作特殊的标记,操作过程简单、定位快速、定位范围较广且具有极高的重定位精度.对纳米小球、单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWCNTs）、纳米划痕等样本的重定位实验验证了该方法的实用性和高效性.     

早期母子隔离应激对大鼠学习记忆能力的影响

目的探讨早期母子隔离应激对幼鼠学习记忆能力的影响。方法30只SD新生大鼠用于实验，实验随机分成3组，正常对照纽、母子隔离15分钟纽、母子隔离3小时纽。在生后40天，三组大鼠进行Morris水迷宫及记录海马脑片长时程增强电位（LTP）实验。结果Morris水迷宫测试，与正常组比较母子隔离3h组大鼠寻找平台需要的潜伏期延长（P〈0．05），而母子隔离15分钟组大鼠寻找平台需要的潜伏期与正常组比较则无明显变化（P〉0．05）；海马脑片长时程增强电位提示：正常对照组条件刺激（CS）前后fEPSP斜率变化率为：64．7±22．9％；母子隔离3h组为：35．3±14．2％，低于正常组（P〈0．01）；母子隔离15min组为：66．3±29．7％，与正常组比较无显著性意义（P〉0．05）。结论幼鼠生后早期过度的应激导致大鼠的学习记忆能力减弱。     

协同多点传输中迫零预编码和天线选择技术

MIMO无线传输技术极大地提高了系统的容量，在实际通信系统中，整个网络是一个干扰受限的系统，小区间干扰对MIMO系统传输的影响是显著的，每个相邻小区的基站天线都可以看成一个干扰源．由于基站端数据处理能力的提升和回程容量的增加，多个小区协同多点传输技术引起了人们的广泛关注．目前的大部分工作都是集中于研究系统的容量（吞吐量），而在实际系统中，每个用户的接收等效信噪比（即公平性）对系统的性能如误帧率等有重要的影响．对于每个用户为单天线的情形，研究了总功率受限和每天线功率受限下采用迫零预编码的系统容量和公平性．对两种功率约束条件下的公平性进行了分析，得到了公平性算法的闭式表达式．当每个用户为多天线的情形，为了降低计算的复杂度，引入了信道范数最大的接收天线选择算法，把每个用户为多天线的情形转化成等效的每个用户单天线情形，推导的每用户为单天线的公平性算法仍然适用．仿真结果显示，采用迫零预编码的多小区协作可以使系统性能显著提升．在相同的迫零预编码下，不同的功率分配策略对系统的容量和公平性有显著的影响．和用户为单天线相比，采用天线选择算法可以提升系统的容量和公平性．考虑了用户公平性时的吞吐量和最大系统吞吐量之间的折中关系，并给出了仿真结果．     

层-层自组装技术的发展与应用

对国内外层-层自组装技术的发展和应用进行了综述,总结了静电力、氢键等自组装方法的特点;较为详细地介绍了自组装多层超薄膜和中空微胶囊的制备方法和表征手段,并阐述了它们在电子、光学器件、分离、催化、模拟细胞行为和药物缓释、生物反应器和生物传感器等方面的应用;最后就这一新兴技术的发展前景作了展望.     

用于细胞培养的聚乙烯醇水凝胶力学性能模拟及定量控制

采用化学交联法制备聚乙烯醇（PVA）水凝胶，以此作为细胞体外培养基底。通过改进的拉伸法测量材料的杨氏模量（E），并讨论交联剂与羟基单体的摩尔比（d）、PVA的初始浓度（C0）对E的影响。利用回归分析建立E与C0、d关系的数学模型，实现对E的定量控制，模拟细胞在体内生长的生物物理环境。结果表明：该数学模型模拟的相对误差不超过0．08，可实现对PVA力学性能的定量控制。此外，研究了基底硬度对L02细胞铺展及形态学特征的影响，细胞更倾向于在硬基底上铺展，在软的基底上，细胞的形态更趋近于圆形。     

区间时变时滞离散广义系统的稳定与镇定

研究了一类区间时变时滞离散广义系统的稳定与镇定问题。利用一个新构造的Lyapunov泛函和线性矩阵不等式方法，给出了使得系统正则、因果且稳定的时滞相关型稳定性新判据，并在其基础上得到了系统状态反馈镇定控制律的一个直接的设计方法。在讨论过程中，充分考虑了系统时变时滞信息，且保留了Lyapunov泛函导数中的有用项，使得结果具有较小保守性。数值实例表明了方法的有效性和优越性。