微流控芯片在单细胞捕获中的应用

 单细胞捕获是单细胞水平研究的前提和重要组成部分。微流控芯片通常具有与细胞尺寸相当的微通道结构,并能操控纳升至皮升级的极小体积流体,非常适用于高通量的单细胞捕获,加上微流控芯片能够将其他多种操作单元集成在一起,为单细胞分析提供了一种效率高、消耗低的研究平台。概述并对比了多种涉及流体力学、光、电、磁、声等领域的微流控单细胞捕获技术的原理和应用,展望了其未来的研究方向。     

基于液滴微流控芯片的单细胞分离

开发基于静电场力和集成微电极的微液滴操控技术以实现单细胞的分离.结合微流控技术的发展,设计并制作了以有机聚合物PDMS( polydinethylsiloxane)为材料的具有流聚焦结构的芯片,利用流聚焦结构的芯片,通过改变分散相和连续相的流速,制备包裹着悬浮癌细胞( HCT116)的海藻酸钠凝胶溶液微液滴,并对其包裹细胞数目进行统计分析,其中包裹单细胞的微液滴少于总液滴数的10％.受到液滴自带电现象的启发,通过集成微电极到微流控芯片中,利用电压脉冲产生静电场力,实现了单颗单细胞微液滴的电分离和富集.     

碳纤维纳米电极用于微流控芯片安培测定单个PC12细胞中神经递质多巴胺

为研究单个PC12细胞中多巴胺的含量,以碳纤维纳米电极为工作电极,自行组装了微流控芯片安培柱末检测系统,设计了一种微流控芯片电泳单细胞进样和溶膜的控制方式,仅需一路高压控制即可实现单细胞进样和溶膜操作.结果表明：采用该系统实现了4种儿茶酚胺类物质的基线分离,通过控制适当的细胞密度及液池的液面高度差,实现了单个细胞连续快速进样、溶膜和分析,得出单个PC12细胞中多巴胺含量为0.80±0.33 fmol（n=5）.     

微流控芯片下的单细胞轮廓定位与提取

微流控芯片可实现单细胞分析,而对单个细胞分析,能够掌握更准确更全面的细胞信息,可以克服以往群体分析中平均结果对个别信息掩盖的局限性,对疾病的早期预防和诊断具有重要的科学意义。本文根据早期癌症细胞通过微流控芯片中的弯道时变形与正常细胞不同的理论,采用Grabcut和Snake相融合的单细胞图像分割算法来精确定位和提取单细胞轮廓,实现单细胞的形变分析。首先,本文在图像分割之前引入Perona-Malik模型,增强图像边缘的同时减弱噪声,使定位更加准确。其次,利用Canny和Snake模型获得Grabcut初始化矩形框。最后,通过Grabcut算法实时精确地提取单细胞轮廓。实验结果表明:本文算法结合了Snake算法和Grabcut算法的优点,在无人工交互的条件下,细胞轮廓平均正确分割率达到93.7%,能够满足医学单细胞分析的要求。     

单片机控制的微流控芯片微型气动装置系统设计

微流体控制和驱动技术是微流控芯片（Microfluidic Chip)的发展和应用的关键技术之一,介绍了一种基于STC90C516RD+系列单片机控制和驱动微流控芯片内管道内液体的电路结构设计。设计的微流控芯片上集成了微管道、微阀和气动微泵等结构,单片机通过外部的独立按键选择和控制电磁阀,实现对微流控芯片内的进样管道选择和流体控制。该系统结构简单、稳定可靠,适宜作为独立的系统实现微流控芯片的复杂控制。     

一步法快速分离鉴定肿瘤干细胞的单细胞微流控芯片

应用多层软光刻技术, 以聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为芯片材料, 制作一种新型的可用于单细胞鉴定研究的微流控芯片（60 mm×40 mm×4 mm）. 将肺癌细胞A549无血清悬浮培养富集肿瘤干细胞, 制成单细胞悬液, 与逆转录 聚合酶链式反应(RT PCR)的反应液混合后通入芯片, 细胞随机分布在2 048个微腔室中裂解并进行RT PCR. 该芯片集细胞捕获、 分离、 裂解及聚合酶链式反应(PCR)于一体, 实现了一步法快速鉴定肿瘤干细胞的目的, 通过统计阳性小室数可计算出肿瘤细胞中肿瘤干细胞的比例.     

基于物理性质捕获循环肿瘤细胞的微流控芯片

为满足利用微流控技术实现芯片上循环肿瘤细胞捕获日益增长的需求,研制出基于肿瘤细胞尺寸和变形性进行分离的微流控芯片。基于细胞尺寸和变形性差异原理设计芯片,利用半导体加工技术制备出以玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)为材料的微流控芯片,使用8μm间隔的微柱作为捕获单元,应用于乳腺癌细胞系MCF-7肿瘤细胞的捕获;并以MCF-7细胞为模型,考查了芯片的分选条件和分选效果。在1 mL/h流速下,MCF-7细胞捕获率可达到68%;多次实验结果表明该芯片捕获的最佳流速为1 mL/h。Calcein-AM和Hoechst对MCF-7细胞进行染色,可方便对捕获后细胞进行识别和拍照。结果基于细胞尺寸和变形性原理所设计的捕获循环肿瘤细胞微流控芯片操作简单、成本低、通量高,有望逐步用于临床循环肿瘤细胞检测。     

多器官微流控芯片技术及其应用

器官微流控芯片技术通过模拟人体器官内环境来实现接近体内的体外细胞培养.基于微流控芯片器官模型的发展,构建多器官芯片整合的微流控系统为研究器官之间物质(如药物和外源性污染物)的代谢作用提供了崭新的平台.本文从不同的多细胞共培养系统角度介绍了构建多器官微流控芯片模型以及在预测和评估药物代谢及其对人体毒性测试等领域的应用,并对多器官微流控芯片技术的发展进行总结和展望.     

微流控芯片上全自动单细胞电动操控技术

发明了一种基于尺寸差异的单细胞全自动操控微流控芯片装置,可全自动检测细胞的大小,并对目标细胞进行全自动的电动操控。本装置主要由微流控芯片、差分放大器、继电器、数据采集卡以及计算机等组成。当细胞通过微流控芯片的电阻脉冲检测(RPS)的检测区时,会产生一个一定幅值的脉冲信号,计算机会根据设定的信号幅值自动识别出目标细胞,并控制继电器的通断电,继电器通电后,继电器所在通道内会产生电渗流,从而将目标细胞输运至该收集通道。系统具有全自动操控和分选精度高等突出优点,非常适合于操控样品中少量的目标细胞,如循环肿瘤细胞等。     

用于细胞成像的便携型微流控芯片检测系统

针对微流控芯片检测装置普遍需要大型数码显微镜的问题,使用自行设计的一套嵌入式微流控芯片小型成像系统拍摄芯片管道中的细胞,并提出在该条件下细胞自动检测与识别的算法。首先,用球形波进行图像背景校正,然后用基于局部方差的直方图均衡化算法进行细胞目标增强,并作滤波和背景去除处理,最后用C anny算子检测细胞边缘并返回原图对细胞进行标记。结果表明:小型的微流控芯片检测系统和处理方法可以使整个片上系统实现更高的集成化、自动化和便携性。     

可编程语音压缩专用处理器设计

为了提高通信系统的保密性,降低制造成本,需要进行专用处理器的设计。基于正弦激励线性预测(SELP)算法模型,设计了一款多速率语音专用处理器。芯片使用可重构体系结构和超长指令字(VLIW),优化了高复杂度函数。仿真结果表明:该处理器对0.6kb/s速率SELP算法的执行效率明显优于通用数字信号处理器(DSP)。处理器内部程序数据外部不可见,指令并行度显著提高,常用函数可被修改,从而达到高保密性、低复杂度、易开发性。     

以溶胶为结合剂提高莫来石制品体积密度的初步研究

利用溶胶随温度升高可变成凝胶、细粉的原理,以溶胶做结合剂,其在高温下变成细粉,充填孔隙,提高制品密度。     

一种新的非冯·诺依曼计算机体系结构TriBA

针对复杂问题的分解方式,提出一种基三计算机体系结构,该体系结构易于扩展,具有分形特征.设计了一种面向对象多核CPU,支持对象并行运行,在一定程度上实现了软件结构与计算机系统结构的统一.片上多核间采用基三分层互连网络互连,连接简单,体现计算局部性特点,易于硬件实现. 基于该互连方式讨论了面向对象多核CPU上的4种基本软件流水模型.     

多通道并行TD-LTE小区搜索架构设计与FPGA实现

移动终端通过小区搜索完成与网络的接入工作.为了更快地完成时分长期演进 (time division long term evolution,TD-LTE)系统小区搜索过程,与传统数字信号处理(digital signal processing,DSP)串行模式对比,从速度和面积两方面综合考虑,提出一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的多通道并行小区搜索架构.主要工作集中在小区搜索整体方案设计和FPGA硬件实现上,在算法上对整个小区搜索算法架构进行了改进,同时根据硬件需求,利用以时钟换取速度的思想对FPGA硬件实现架构进行了优化.采用多通道并行高速乘法器进行序列相关检测和动态门限配置的方法,大大缩短了TD-LTE小区搜索的处理时间.并以Altera的EP4SGX230KF40C2 芯片作为硬件平台进行了Modelsim功能仿真、板级验证等工作.实验结果表明,该设计方案的处理速度和数据精度均满足TD-LTE 系统测试要求,性能远优于传统的DSP架构模式,可以应用到实际工程中.     

Bose-Einstein condensation on a microelectronic chip

Although Bose-Einstein condensates of ultracold atoms have been experimentally realizable for several years, their formation and manipulation still impose considerable technical challenges. An all-optical technique that enables faster production of Bose-Einstein condensates was recently reported. Here we demonstrate that the formation of a condensate can be greatly simplified using a microscopic magnetic trap on a chip. We achieve Bose-Einstein condensation inside the single vapour cell of a magneto-optical trap in as little as 700 ms-more than a factor of ten faster than typical experiments, and a factor of three faster than the all-optical technique. A coherent matter wave is emitted normal to the chip surface when the trapped atoms are released into free fall; alternatively, we couple the condensate into an 'atomic conveyor belt', which is used to transport the condensed cloud non-destructively over a macroscopic distance parallel to the chip surface. The possibility of manipulating laser-like coherent matter waves with such an integrated atom-optical system holds promise for applications in interferometry, holography, microscopy, atom lithography and quantum information processing.     

基于FPGA的循环冗余校验模块设计

提出了一种采用FPGA可编程芯片实现对不同长度数据的CRC并行算法的设计思想,并用VHDL语言在EPF10K10LC84-4芯片上完成了循环冗余校验模块的功能.实验结果表明该模块具有很好的通用性和灵活性.     

龙芯2F处理器在工控嵌入式系统中的应用

介绍了一款采用我国自行研发、具有自主产权的通用微处理器芯片——龙芯2F为处理核心的嵌入式系统设计,该系统根据工控嵌入式系统的需求特点,采用AMD GeodeTMCS5536作为系统的南桥,设计了相应的驱动电路和接口。系统板面积为140 mm×100 mm,板载FLASH和DDR2内存,硬盘、CF卡、USB、鼠标、键盘等接口,利用串、并口为系统终端。该系统具备普通PC机的所有接口,故也可作为普通PC机主板使用。     

硅酸盐钻井液的室内研究

为了提高大位移井钻井液携砂能力并增强钻井液的抑制性 ,对新开发的硅酸盐钻井液的流变性和抑制性进行室内研究 .抑制性研究采用滚动回收率法和高温高压膨胀法 .实验结果表明 :硅酸盐钻井液的抑制性好 ,切力较高 ,但滤失性能较难控制 ;硅酸盐加量在 1 .5 %～ 3 %较为合适 ,有机处理剂和粘土含量影响钻井液的流变性能 ,KCl加量过多会破坏钻井液性能 .开发的硅酸盐钻井液携砂性能好 ,具有较强的抑制性 ,可应用于大位移井非油层段钻进     

DNA芯片在最短公共超串问题中的应用

DNA芯片技术是近年来生命科学与信息科学的新兴研究领域，其突出特点在于它的高度并行性、多样化、微型化以及自动化，最短公共超串问题是计算机科学中的NP-完全问题．笔者在DNA计算和DNA芯片基础上，提出了基于DNA芯片解决最短公共超串问题的DNA计算新模型．该模型可对信息高度并行获取，并且具有操作易自动化的优点．     

并联6-UPS稳定平台瞬态分析与谱分析

并联稳定平台在工作过程中受到各种动态力的激励作用,会直接影响稳定平台的动态特性和使用效能.作者借助Pro/E和ANSYS软件工具,对并联6-UPS稳定平台进行了瞬态分析,用以研究在多次冲击工况下稳定平台的响应情况.在此基础上,通过施加单点响应谱激励,对该稳定平台进行了响应谱分析,得到了平台在随机载荷下的响应情况.分析结果表明,该并联6-UPS稳定平台的动态特性满足车载使用要求,且球铰和低阶固有频率是影响其动态特性的主要因素,可为稳定平台的结构和性能优化提供参考.