基于免泵微流控芯片和电化学检测的便携式生物医学传感器

为满足即时检验(point-of-care testing,POCT)在基层和个性化诊疗使用需求,开发了一种免泵式微流控芯片和电化学检测生物医学传感器系统,配合免疫传感器完成了对过氧化氢和前列腺癌标志物的快速检测。系统利用改性处理后聚二甲基硅氧烷芯片通道内毛细作用力,自泵式完成待测试剂混合和流动,采用微型便携式检测设备控制输入信号并通过微电流检测电路设计读取传感器上电流信号,实现快速自动化检测。实验验证了三电极检测电路输出电位稳定,误差不超过1%;通过对双氧水浓度检测实验证明了该检测体系对浓度变化电流动态响应特性良好,输出稳定;检测系统配合生物传感器对前列腺特异性抗原浓度进行定量检测,检测限为1 ng/m L。据我们所知,这是首次利用电化学免泵微流控传感器进行前列腺抗原的检测,本体系结构简单,操作简便,系统有望与多种电化学传感器结合用于多种检测物质的快速智能化POCT检测。     

集成恒温和搅拌功能的小型化、高精度电化学传感检测系统的设计与实现

出于生化量现场便携检测的目的,同时为了提高传感检测系统的集成度和适用范围,将恒温控制、磁力搅拌和高精度电化学检测相结合,设计了一种小型化、多功能、高精度电化学传感检测系统.系统硬件端采用微控制器搭配信号处理、驱动控制和电源管理等芯片完成电路硬件设计,同时选用微型的电机和加热装置等器件,实现整个检测系统的小型化;软件端不仅在硬件电路中加入操作系统,并且结合上位机程序,实现电化学检测、恒温控制、磁力搅拌、实时显示和数据存储多种功能.电化学检测部分采用低噪声芯片配合后端滤波电路提高了电化学传感检测精度,恒温控制部分加入了比例积分微分算法来提高精度.经过验证,检测系统整体体积为30 cm×30 cm×30 cm,可完成计时电流法、循环伏安法等多种电化学检测功能,电流测量精度可低至0.15 n A,恒温控制精度可达到±0.3℃,搅拌转速精度可达到4%.测量数据验证了所研发的电化学传感检测系统的可靠性和实用性.     

基于Au@Ag/PPy复合纳米材料固载葡萄糖氧化酶的葡萄糖电化学传感器的构建

制备了一种基于Au@Ag/PPy复合纳米材料固载葡萄糖氧化酶(GOD)的葡萄糖电化学传感器,并将其用于葡萄糖的检测.利用循环伏安法和差示脉冲法对电化学传感器的电化学行为进行研究,探讨了扫速、溶液pH对传感器峰电流的影响.结果表明,制备的电化学传感器对葡萄糖具有良好的电化学响应,在pH=7.0的条件下,电流响应信号与葡萄糖的浓度在2.3×10~(-7)~1.3×10~(-4)mol·L~(-1)范围内呈现良好的线性关系,检测限达到7.7×10~(-8)mol·L~(-1)(S/N=3).利用制备的葡萄糖电化学传感器对人血清中葡萄糖浓度进行检测,回收率达到98.0%~103.0%.     

基于CC2530的煤矿气体监测终端设计

设计基于CC2530的煤矿气体监测终端实时监测煤矿危险气体浓度并进行分析判断和安全防范提示。为提高安全可靠性和准确度,该终端采用了红外气体传感器和电化学气体传感器两类气体传感器。设计电路将电化学气体传感器输出的微弱电流转换为电压模,以满足CC2530内置电压模模数转换器的需要,通过测量电化学气体传感器的环境温度,查询保存的电化学酒精传感器的信号比率与环境温度之间的关系数据,计算出准确的气体浓度,解决了电化学气体传感器中气体燃烧转变为电能输出转换率易受环境温度影响的问题。也可加入由网络协调器或者是路由器组建的Zig Bee网络,把终端检测出的结果传输到总控中心供实时监控综合分析。     

基于文氏管除尘器的现场流量检测

以89C51单片机为核心,配合传感器、ADC0809A/D转换芯片、LCD显示器以及打印机等组成动态检测系统,利用文氏管除尘器的标准节流特性结合流体力学的基本原理,实现对实际工况下除尘系统中流量的动态检测。实验证明,流量采集系统对于动态信号的处理与实际值基本一致,系统测试结果的误差平均值为1．8％,在误差允许范围内,表明该系统性能稳定。     

基于MEMS的多参数传感器与检测系统设计

基于电化学电流检测原理,利用微机电系统(MEMS)技术、电极表面修饰技术以及酶固定化技术,制备了纳米颗粒增强的多参数生物传感器。采用恒电位微电流检测方法,设计制作了配合该系列传感器的多参数检测系统。以葡萄糖参数为例,验证了检测系统的性能,结果表明,该系统与传统电化学工作站测得的数据相比较,在0.5-22mmol/L范围内,相关系数达0.9943。     

微流控芯片上油液磨粒电容检测

报道一种可用来检测和计数油液中磨粒个数的微流控芯片实验室装置(microfluidic lab-on-chip).使用直径为25μm铜丝作为电极,在PDMS徼流控芯片上加工获得三维电容传感器,油液样品在微流控芯片上由注射泵驱动通过传感器.金属磨粒与油液介电常数不同,每一个通过电容传感器的磨粒均会产生电容脉冲信号,脉冲信号幅值反映了磨粒大小,而脉冲个数即为磨粒数量,实现了最小粒径为8 μm的铝磨粒的检测和计数.该油液磨粒检测装置具有结构简单、成本低、检测精度高等优点,有望应用于远洋船舶的油液离线分析.     

锁相环在糖液浓度传感器中的应用

根据射频法测量糖液浓度的原理,设计了糖液浓度测量电路,并利用锁相环原理对糖液浓度传感器信号进行调制与解调.实验表明,应用锁相环对传感器输出信号进行处理,测试效果较好,具有使用外围元器件少、性能稳定、功能强大等特点.     

基于银钯铂复合纳米材料标记的癌胚抗原免疫传感器的研制

合成了中空囊状银钯铂复合纳米材料,并以此为标记物,研制了一种标记型癌胚抗原(CEA, Carcinoembryonic Antigen)免疫传感器用于CEA的快速检测.首先利用Au-SH键将CEA抗体(anti-CEA)固定在金电极表面,与CEA抗原免疫结合后,再与银钯铂复合纳米材料标记过的anti-CEA结合,制成夹心型的免疫传感器.考察了免疫传感器的电化学特性,同时研究了培育时间和抗体固定浓度等实验条件对传感器性能的影响.该传感器在CEA抗原质量浓度为0.1～40 ng/mL的范围内有良好的线性关系,检测下限为0.03 ng/mL.实验结果表明: 该免疫传感器操作简便、灵敏度高、选择性好,具有良好的重现性和稳定性.     

基于微电机系统的多参数传感器与检测系统设计

基于电化学电流检测原理,利用微机电系统(MEMS)技术、电极表面修饰技术以及酶固定化技术,制备了纳米颗粒增强的多参数生物传感器。采用恒电位微电流检测方法,设计制作了配合该系列传感器的多参数检测系统。以葡萄糖参数为例,验证了检测系统的性能,结果表明,该系统与传统电化学工作站测得的数据相比较,在0.5~22 mmol/L范围内,相关系数达0.994 3。     

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。     

Highly Sensitive and Portable Gas Sensing System Based on Reduced Graphene Oxide

Graphene has been widely used in gas-sensing applications due to its large specific surface area and strong adsorption ability. Among different forms of graphene used as gas-sensing materials, reduced graphene oxide is one of the most convenient and economical materials to integrate with Si-based electronics, which is very important to graphene-based gas sensors. In addition, the stacking structure of graphene oxide flakes facilitates absorption and detection of gas molecules. Based on reduced graphene oxide, a highly sensitive and portable gas-sensing system was demonstrated here. Solution-based graphene oxide was cast on a chip like a TF memory card and then reduced thermally. A signal acquisition system was designed to monitor resistance variation as a sign of gas concentration. This miniature graphene-based gas sensor array demonstrates a new path for the use of graphene in gas-detection technologies. And the creation of a sensitive and portable graphene gas sensor also shows great potential in fields such as medicine and environmental science.     

Fabrication technology of integrated fiber microfluidic electrophoresis chip

The technology of PCB was used to fabricate the chip mould, and the microfluidic electrophoresis chip was fabricated with PDMS material. The fiber integrated on the chip was used as the transmission medium, so the light spot size was near the depth of microchannel. The detection sensitivity was improved, and the optical focusing system was spared. The fabrication process, sealing methods and structure characteristic of PDMS microfluidic electrophoresis chips were discussed. The experiment was achieved by using the fabricated chip to separate FITC fluorescein and FITC-labeled amino acid mixture reagent, and the feasibility of the chip was validated.     

便携式细胞趋化迁移分析系统的研制与应用

为解决细胞趋化性研究需要使用较为昂贵的显微镜进行图像的连续定时采集、分析细胞趋化性需要用ImageJ软件来手动追踪细胞运动路径的问题,设计了一套基于通用串行接口(universal serial bus,USB)显微镜的便携式细胞趋化迁移分析系统.该系统硬件由计算机、USB显微镜、微流体芯片、温控单元、显微镜支架等组成.它通过图像采集、图像处理和各种分析算法来研究细胞趋化性.实验时,首先利用USB显微镜在15 min内以10 s的间隔时间采集90幅细胞图像;然后使用基于美国国家仪器公司(National Intruments,NI)的IMAQ Vision软件包开发的集成软件完成图像处理;结果分析时,一方面可通过将第一幅和最后一幅细胞图像的宽度像素均分为10份,采用细胞分区计数和数字得分方法对细胞趋化性进行初步分析;另一方面,还可通过识别细胞的中心坐标并结合最小距离法追踪细胞运动追迹,进而计算细胞的趋化性指数、总迁移距离、运动速度和梯度位移.通过实验验证了便携式细胞趋化迁移分析系统的性能.同时,运用该系统探究了不同葡萄糖浓度对中性粒细胞趋化性能的影响.结果表明:便携式细胞趋化迁移分析系统可以实现细胞迁移图像自动采集与数据分析,提高了细胞趋化性研究的集成度和可重复性.     

两级自相似分形微流控浓度梯度芯片设计及性能分析

浓度梯度被广泛应用于趋化分析、细胞生长、DNA检测和毒性评价等诸多领域。传统浓度梯度生成方法具有效率低、梯度不精确、稳定性差等不足。本文基于经典圣诞树模型,设计了一种反应速度快、精度高,可生成稳定浓度梯度的两级自相似分形微流控浓度梯度芯片,并进行了仿真与实验研究。建立了多物理场耦合模型,在不同进样条件下,使用COMSOL Multiphysics进行了数值模拟。通过对归一化进样流量矩阵与浓度矩阵的耦合设置,得到丰富种类的浓度梯度分布。以去离子水和红色染料为样本进行实验验证,结果与仿真模拟具有较好的一致性,证明了两级自相似分形微流控浓度梯度芯片设计的合理性,其优势在于,无需重新设计微流道构型而只是简单调节进样流量比,便可以实现生成不同浓度梯度的实际需求。     

基于STM32RBT6的便携式甲烷浓度检测仪

为实现对甲烷气体浓度的便携式快速检测, 设计一种基于STM32RBT6处理器的甲烷浓度便携式快速检测系统。该系统包含接触燃烧式甲烷气体传感器、 以集成运算放大器和数字电位器为核心的信号调整电路、 片上集成高精度数模转换电路、 铁电存储器、 集成USB（Universal Serial Bus）接口和液晶人机交互接口等。详细阐述了该系统的硬件设计和软件实现。系统的数据采集速率达到12 Mbit/s,与同类设计相比有显著提高, 通过基于VC++6.0的上位机软件绘制甲烷浓度变化曲线, 整个系统使用方便简洁。在实验室条件下进行实际测试, 配合上位机软件给出了实验结果。最终基于STM32的便携式甲烷浓度检测仪实现了对环境中甲烷气体浓度快速检测、 提升了检测系统给的性能。     

应用于生物检测的微流体聚焦芯片的研制

为了完成生物检测实验中待检测微球的单列通过,基于流式细胞仪的技术原理,设计了一种微流体聚焦芯片,并利用Intellisuite软件对聚焦进行仿真和设计.用微浇铸方法制作基于聚二甲基硅氧烷的微流控芯片,并采用插针式封接,提高了芯片成品率.通过实验制作芯片,并将它应用于测试,成功地实现了直径为10 μm的悬浮待检测微球呈单...     

压电微流芯片的一维传递矩阵模型及参数优化

以压电陶瓷为振动源的压电微流芯片是实现微粒子操作、细胞分离等微流控研究的重要手段之一。能够描述压电效应以及超声声场在微流芯片各介质中分布规律的传递矩阵方法是进行微流压电芯片分析、设计与优化的一种有效手段。采用传递矩阵法推导了层叠式压电微流芯片的一维传递函数模型;对给定的算例芯片进行了参数分析与结构优化设计。结果表明一维传递函数模型既可在压电微流芯片设计中对结构参数进行优化,又可在实验过程中对实验参数的选定提供指导。     

基于面积加权法的LED光轴测量

LED由芯片及一定曲率半径的透镜所组成,形成一个发光系统。作为定量探测传感器使用的发光二极管要充分发挥LED光输出特性,使其制作的光电传感器有较高的灵敏度,重要的是要使LED的光轴与透镜系统的机械轴一致,才能得到较大的输出,有必要对其光轴进行测量,采用面积加权平均法进行测量,其光轴的位置不受芯片位置及加载电流的影响。     

基于微流体芯片用于单个DNA分子检测的共焦激光诱发荧光系统

微流体分析中常用的荧光检测是一种模拟方式的测量,并且通常情况下测量信号的强度会随着分析物采样量的减少而减弱。本文构建了一种共焦光学系统的激光诱发荧光单分子检测仪器,可以进行单个脱氧核糖核酸分子的数字化测量,采用这种仪器检测可不依赖于样品的多少;对诱发激光的功率大小进行了优化,当诱发激光的功率为1 mW时信噪比最高,可达30;对用于制造微流体芯片的几种不同高分子基片材料也做了检验和比较,其中环烯烃共聚物具有极低的自发荧光背景,这对光子簇的识别非常有利,实验结果表明环烯烃共聚物是制造单分子检测微流体芯片的首选材料;这种单分子检测仪器能够对流经微流体通道的单个脱氧核糖核酸分子进行数字式甄别,其动态检测范围上至25 pmol/L,下至单个分子水平。本研究中对单分子检测实验所涉及的一些方面进行了考虑,这为单分子测量在更大范围内生物分析上更多的实际应用提供了依据。