心肌细胞传感器优化设计及其药物分析

为了构建高度稳定性和一致性的心肌细胞电位传感器,从微电极阵列表面亲水性和细胞培养密度两方面对心肌细胞和微电极阵列(MEA)的耦合性进行研究.通过对MEA表面进行高分子蛋白明胶的修饰来提高MEA表面的亲水性,并重点分析不同细胞密度下构建的心肌细胞电位传感器的胞外场电位信号(EFP)信号特征.研究结果表明:心肌细胞按优化密度12万/cm2培养在经明胶修饰的MEA表面上,可促使心肌细胞和MEA形成高度紧密的耦合.在此条件下构建的心肌细胞传感器,能稳定输出一致性良好的EFP信号,电位幅值可达到约1.2mV,发放频率可达到约180次/min,信号稳定期可维持3~4d.通过选择2种典型的工具药物异丙肾上腺素和利多卡因对优化后的心肌细胞电位传感器进行分析性能的测试,实验结果表明:20μM的异丙肾上腺素和利多卡因分别大幅度增强和抑制了电位幅值和发放频率,结果与文献报导的结果相一致.该心肌细胞传感器对2种测试药物作出了快速而灵敏的响应,有望成为药物检测和分析的有效平台.     

心肌搏动细胞传感器及其在药物分析中的应用

为了便于对体外培养心肌细胞的生理参数进行无损、实时分析，利用光寻址电位传感器（light-addressable potentiometric sensor，LAPS）开发了一种可用于细胞搏动检测的新型细胞传感器．将心肌细胞培养在LAPS表面，伴随细胞机械搏动而产生的胞外电位和细胞形态的共同改变，对LAPS系统的光生电流进行调制，从而改变传感器的输出．为了研究该传感器在药物有效成分筛选分析中的潜在应用，以典型的心血管抑制药物（卡巴胆碱）和激动药物（异丙肾上腺素）为例进行了研究．结果表明，它们对心肌细胞的搏动频率、幅度以及持续时间等参数均有特征性的作用．     

自组装技术在细胞传感器相容性设计中的应用

为了提高细胞传感器表面的生物相容性并引导细胞定向定位生长,采用自组装单分子层（SAM）技术修饰细胞传感器表面,利用有机分子各官能团之间相互作用的范德华力层层组装成纳米尺寸薄膜,使电极测试区域吸引细胞,而背景区域排斥细胞,有效地引导细胞贴附在电极区域上.并使用荧光标记,电化学扫描和实时阻抗扫描方法对SAM修饰后表面评估.结果表明,该表面适合细胞生存生长,具有良好的生物相容性和稳定的电化学特性,能够大大提高细胞定位的成功率.在SAM技术修饰的微电极阵列传感器（MEA）表面培养乳鼠心肌细胞并进行胞外电位检测实验,进一步表明SAM技术可被应用于细胞电生理研究领域.     

心肌组织传感阵列在信号传导及药物分析中的应用

为了对心肌组织的搏动信号及其传导进行实时监测与分析,设计一种用于离体心肌组织电生理检测的组织传感阵列.根据组织/器件耦合原理,该传感阵列能够检测伴随心肌细胞搏动产生的场电位的变化.利用组织传感阵列,同步采集多通道的心肌信号并观察心血管药物盐酸肾上腺素和氯化乙酰胆碱对搏动信号的影响.实验结果显示：离体心肌组织及切片表现出良好的搏动和信号传导;盐酸肾上腺素和氯化乙酰胆碱对心肌组织搏动信号的幅度、频率、持续时间甚至信号的传导分别表现出兴奋和抑制作用.说明组织传感阵列技术对离体心肌组织搏动信号的提取是可行的,并且对心肌信号的传导及药物作用分析非常有用.     

基于集成芯片的细胞生理多参数自动分析仪

为了实现对细胞多个生理参数的同时记录,研制了一台自动分析仪,该仪器采用包含光寻址电位传感器(LAPS)、细胞电阻抗传感器(ECIS)、微电极阵列传感器(MEAS)3种细胞传感器的集成芯片及其检测系统.仪器集成了细胞生长环境控制系统和自动流动分析系统,能够满足多种不同的细胞生理实验需求.相比于以往的细胞生理检测仪器,具有多参数同时检测、多功能、自动灵活的特点.进行了细胞胞外酸化率变化和阿霉素作用下细胞阻抗和电位变化的实验,结果表明:分析仪能够对胞外离子、细胞阻抗、胞外电位进行同步、长时检测,可应用于药物评价、药物筛选等生物医学研究领域.     

水质监测传感器数据采集节点的设计和实现

针对水质监测无线传感器网络中实时性和多参数监测的要求,设计并实现用于水质监测的传感器数据采集节点.根据水质传感器输出信号的特点,提出新型的信号调理及检测通路复用的方式,复用的信号通路由自主研发的传感器信号调理电路芯片实现.在软件上设计循环检测中断的方式,结合3G移动网络通信技术,实现了水质监测多参数数据的实时上传.测试结果表明,通过与DO100以及标准溶液进行比较测试,节点能够准确采集温度、DO(溶解氧浓度)、pH(酸碱度)、ORP(氧化还原电位)、EC(电导率)5种水质参数数据,并能够实时上传监测结果至云服务器.     

基于FPGA的LTE解调参考信号生成的实现

参考信号在LTE（Long Term Evolution,长期演进）中具有重要的作用,主要用于接收端提取信息并用于信道估计、均衡等.根据LTE系统相关的物理层协议规范,结合现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）设计技术,给出了解调参考信号生成的设计流程图.并采用ALTERA公司Cyclone III系列的FPGA芯片实现了解调参考信号的生成.仿真结果表明,基于FPGA的解调参考信号生成实现方案能够达到LTE相关协议规定的要求.     

基于光寻址电位传感器的单细胞传感器设计

为了测量细胞电生理特性和进行药物分析，提出了一种基于光寻址电位传感器（LAPS）的单细胞传
感器.用峰峰值为2 mV、频率为1 kHz的正弦信号模拟细胞动作电位，作为传感器的输入信号来观测系统的
灵敏度；采用涂敷法和改变器件表面粗糙度的方法，将细胞固定在器件表面以改善传感器灵敏度；选择1
μm/mL、10μg/mL两种质量浓度乙酰胆咸（Ach）作为大脑皮层神经细胞的刺激药物，检测在不同浓度药
物作用下神经细胞的动作电位.实验结果表明，涂敷法固定细胞提高了传感器的灵敏度，该细胞传感器能
够检测出模拟动作电位，并能够检测出不同浓度的乙酰胆碱.     

细胞生理多参数自动分析仪的 软件设计及算法分析

研制了细胞生理多参数自动分析仪的软件系统.该软件系统结合了多参数检测的细胞传感器集成芯片和自动分析控制仪器,可以实时检测和辨识细胞的多种生理参数.系统实时动态长时程采集、记录和分析了细胞的电生理活动、细胞的代谢参数以及细胞的生长状态,该软件系统具有显示界面灵活、操作界面方便以及数据的自动传输等功能;此外,研究了基于细胞生理多参数检测的自动识别算法,包括细胞电位的峰值自动检测辨识、细胞数量和抑制细胞生长药物浓度的自动判别、细胞外代谢离子成分的定量检测.使用该软件系统对实际药物进行了检测实验,给出了阿霉素作用于大鼠心肌细胞的半数抑制浓度曲线.分析了自动工作点检测算法的参数选取范围,确定了最佳测量间隔,此时的误差为13.5±1.9%.自动峰值检测算法在3种不同信噪比条件下的准确率均高于90%.     

低信噪比神经元锋电位检测的新方法

细胞外神经元锋电位记录中经常包含许多小幅值信号,为了正确检测这些小幅值低信噪比的锋电位,增加单次实验的神经元检出数量,设计一种针对四极电极阵列记录信号的锋电位检测算法.提取4通道信号主成分分析的第一分量,计算该分量的非线性能量算子,从而减小噪声并增强锋电位.检测阈值的设定采用一种两步法,用于减小锋电位发放密度变化以及大幅值锋电位对于阈值的影响.仿真数据和实验记录数据的验证结果表明,这种主成分与非线性能量算子相结合的阈值检测法适用于四极电极等测量点高密度分布的微电极阵列记录信号,能够显著提高小幅值低信噪比锋电位信号的正确检出率,特别是能够有效地检出重叠锋电位,为后续的神经信息解码和神经网络分析提供更充分的数据.     

一种高压高可靠性开关电源控制芯片

为了增强电源系统的可靠性,提出一种高压高可靠性开关电源控制芯片,该芯片引入一种新型的故障保护电路,通过同时监测误差放大器（EA）输出和峰值电流信号来检测过流和短路等故障.当EA输出电压超过4.2 V或者峰值电压信号（由采样电阻得到）连续4个周期超过0.75 V时,保护电路会及时切断控制器,保护变换器免受损害,同时降低了电路损耗.芯片还集成了软启动、限流保护、过压欠压保护和脉宽调制/跳脉冲调制（PWM/PSM）模式切换电路,该芯片采用CSMC 0.5 μm 60 V BCD 工艺进行设计,已经成功流片.将该芯片应用于反激式转换器中,转换器可以将34～60 V的输入电压转化成5 V输出.测试表明：当故障发生时,控制芯片能够迅速切断控制器以保护整个转换器,而当故障消除后该控制器仍然可以自行重新启动;反激转换器最大输出电流为2.6 A,静态电流小于1 mA,最大效率为83.5%,线性调整率和负载调整率分别为0.02%/V和0.03%/A,具有良好的瞬态响应能力.     

细胞色素c在4-氨基-6-羟基-2-巯基嘧啶修饰金电极上的直接电化学行为

用循环伏安法研究细胞色素c在4-氨基-6-羟基-2-巯基嘧啶（AHMP）自组装修饰金电极上的直接电化学行为.对修饰条件进行优化,通过扫描电镜（SEM）等方法对修饰电极进行了表征.结果表明,细胞色素c在AHMP修饰金电极上能进行准可逆的电化学反应,氧化还原峰电位差（△Ep）为67mV.氧化与还原峰电流比ipa/ipe接近1,且峰电流与电位扫描速率的平方根（ν1/2）呈正比,属于扩散控制的准可逆过程,异相电子迁移速率常数（Ks）为1.93×10-4cm/s.     

卫星回传链路CPM信号符号速率估计

解决了DVB-RCS2标准定义的连续相位调制（CPM）信号符号速率估计问题.该信号存在于卫星回传链路上,且以TDMA突发模式传输.标准规定了CPM的调制指数、调制阶数和频率成型脉冲等参数,但未对符号速率进行规定.短突发长度、低信噪比环境下实现CPM符号速率估计是信号解调的关键.文中提出了一种基于改进后的广义检测后积分（GPDI）匹配准则的符号速率估计方法.算法首先通过对信号带宽的粗估,获得信号符号速率范围;然后利用不同过采样倍数下的独特码调制波形作为特征,采用改进后的GPDI匹配准则实现信号符号速率估计.通过该方法可在单个突发帧下实现符号速率估计.仿真实验表明,该算法对频偏具有较好的鲁棒性和优异的抗噪声性能.     

多芯片小数分频锁相环输出信号相位同步设计

为了在多通道射频（RF）通信系统中,实现多个收发器芯片或单个收发器芯片上的锁相环（PLL）相位同步,提出小数分频PLL输出信号相位同步算法. 设计相位累加采样点数选取算法,算法选取的采样点数用于累加参考时钟欠采样的PLL输出信号与数控振荡器（NCO）产生的参考信号经三角运算的结果,以消除高次谐波分量,并有效降低相位差计算结果的误差. 根据相位差的计算结果反馈调节PLL内 delta-sigma 调制器(DSM)输入的小数分频比,线性调整PLL输出信号的相位,实现多个PLL输出信号相位与参考信号相位同步. 通过仿真验证算法的正确性,且最终相位同步后的相位误差为0.35°,完成同步所需的时间为210 ms.     

大鼠嗅觉区脑电信号检测与处理技术研究

设计一种大鼠嗅觉诱发电位的脑电信号（Electroencephalogram,EEG）采集和处理系统,系统可以对受到嗅觉刺激时的大鼠诱发脑电信号进行处理和分析.系统的检测电极置于大鼠大脑的嗅前核区和海马区,信号采集预处理电路包括前级信号放大器、高通滤波器、低通滤波器、可变增益信号放大器、50Hz陷波器等.系统控制模块采用MSP430低功耗芯片,采用nRF24L01无线通信模块将采集到的信号传给上位机,然后上位机程序对大鼠的嗅觉诱发信号进行处理、分析、显示.实验表明,系统能够较好的获取大鼠嗅觉诱发脑电信号.数据处理结果显示,有刺激时的脑电信号和无刺激时的脑电信号相比,信号幅值增大、复杂度降低.所以此系统可用于对爆炸物的探测.     

一种新型删信删余RS码译码器

针对传统Reed-Solomon (RS)码译码器不适合IEEE802.16d系统的RS码的译码问题，提出了一种新的可变速率删信删余RS码译码器优化设计结构.在编码器中，采用系数对称的生成多项式，减少了迦罗华域(GF)乘法器的个数.在译码器中，采用改变修正的欧几里德算法（MEA）中的初始条件来求解关键方程，并在传统删信RS码译码器的基础上, 设计了新的删信删余RS码译码器结构.在现场可编程门阵列((FPGA)芯片上实现和验证了该设计结构，同时针对IEEE802.16d系统中六种不同码型的RS码，分析了在给定工作时钟的条件下可以达到的最大译码吞吐率.结果表明，该译码器结构可以达到至少30Mbps的译码吞吐率，能够满足IEEE802.16d系统的要求.     

生物性组织工程血管支架的制备及其内皮化研究

研究经乙二醇缩水甘油醚（EX-810）处理的猪动脉的性能特点,为构建组织工程化血管提供理想支架材料,并在体外实现其内皮化.用EX-810处理猪动脉7 min～72 h.所获材料进行形态学观察并测定交联指数和力学性能.在体外培养、扩增人脐静脉内皮细胞,随后种植培养于四组不同改性的材料表面并用MTT法检测细胞活性;最后用加压铺坪法将其种植到经赖氨酸处理并复合I型胶原的EX-810交联血管支架材料内表面,体外静态培养7天,取样行形态学检测及第Ⅷ因子相关抗原检测.结果显示EX-810既能有效去除和降低组织中产生抗原性的细胞成分和自由氨基,又保持了血管总体组织构架完整;经它处理的血管组织柔韧性好、接近天然血管组织,在各项力学性能方面也与天然血管组织相似;本材料经用赖氨酸处理并复合I型胶原后细胞毒性小,与细胞亲和性高,人脐静脉内皮细胞在其内表面能较好的生长增殖,容易内皮化.     

增强细胞渗透性对酿酒酵母ATP合成活力的作用研究

研究了一株啤酒酵母在不同培养条件下生长的细胞渗透性及其ATP合成活性,实验检测了氧限制条件下生长酵母的的细胞渗透性,并选用有机溶剂、超声波和气流干燥等通透方法,对培养细胞的渗透性进行了增强处理,考察细胞的渗透性变化对其ATP生产活性的作用。结果表明：渗透性较差的细胞,其ATP生产活力也相对较低,催化腺苷（Ado）生产活性的作用,结果表明：渗透性较差的细胞,其ATP生产活力也相对较低,催化腺苷（Ado）生产ATP转化率低于20％的培养细胞(A-细胞）经通透处理后,转化率能提高30％－100％;渗透性较好、转化率较高的培养细胞（M－细胞）经通透处理后,其完成ATP合成反应的时间相对能缩短1－2h,催化反应速度明显提高。经通透化处理的细胞能更有效地解释胞内物质和表现出较高的乙醇脱氢酶（ADH）和已糖激酶（HK）活性,其ATP生产活性得到不同程度的提高。     

电磁超声换能器在金属板厚度检测中的优化

为了提高电磁超声换能器（electromagnetic acoustic transducer,EMAT）在金属板厚度检测中的换能效率,利用ANSYS有限元软件对用于铝板厚度检测的电磁超声横波换能器进行三维建模与仿真.在仿真过程中,确定了电磁超声横波在铝板中的传播形状与方向,并以正交试验优化设计方法为指导,研究了电磁超声换能器的不同因素、不同尺寸对其换能效率的影响,并据此对EMAT模型尺寸进行了优化.通过实验验证,优化后EMAT得到的回波信号幅值是原始模型回波信号幅值的5倍,并且信噪比较高.     

基于VMD-HHT方法的水电机组启动过渡过程振动信号分析研究

为了解决水电机组启动过渡过程振动信号特征频率提取困难问题,采用一种较新的处理非线性非平稳信号自适应方法---变分模态分解（VMD）,并用于葛洲坝某台机组启动过渡过程振动信号分析。通过Hilbert-Huang（HHT）变换对VMD分解得到的各固有模态函数（IMF）进行瞬时频率计算,得出相应Hilbert谱图,并将结果与经验模态分解（EMD）方法进行对比。结果表明：经VMD分解后,机组启动过渡过程振动信号各分量频率变化与机组转速时变规律吻合良好,能够有效提取特征频率,较EMD具有更好的自适应性,分析结果更加准确有效,能够更好的揭示水电机组过渡过程信号中的振动规律。