活化部分凝血活酶时间检测石墨烯传感器的研制

石墨烯(Graphene,GR)作为一种革命性的材料具有优异的理化特性,其优异的导电性对凝血电化学传感器的研制极其重要。目前大型凝血检测仪器操作复杂、耗时较长,且对活化部分凝血活酶时间(APTT)指标的POCT检测较少。针对这一现状,设计制作一种可以用于APTT指标检测,基于丝网印刷技术的GR改性增强型电化学传感器十分必要。通过凝血酶切割凝血酶底物实验验证计时电流法检测活化部分凝血活酶时间原理的可行性,测量血浆活化部分凝血活酶时间参数,同时使用SYSMEX CS 5100光学凝血仪验证测量结果。实验表明,丝网印刷GR改性电极具有良好的一致性,其阻抗测试变异系数为2.71%。凝血酶实验中,GR改性电化学传感器检测的电流响应强度较改性前的电化学传感器增加了16±1%,重复出峰时间和峰值电流变异系数分别为3.29%和3.13%。选取3组血样APTT值,能够清晰地显示出区分度,且每组APTT重复实验的出峰时间变异系数分别为3.20%,3.25%和2.84%,实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R~2为0.978。GR改性增强型电化学传感器在APTT测试中显示出了较好地重复性,具有在多种场合下进行即时检测的潜力。     

高通量数字化毛细管微阵列芯片

针对数字PCR体系样品的分割方式,开发了一款数字PCR体系样品分割芯片,用于微量生物样品检测。利用微机电系统(MEMS)制备阵列化的硅基片,采用硅片高效低损伤超精密磨削减薄工艺对硅基片进行减薄,结合化学改性方法,成功制备了表面疏水孔壁亲水的毛细管微阵列芯片。通过扫描电子显微镜(SEM)对芯片结构进行表征,SEM结果显示,芯片结构为通孔微阵列。通过接触角表征芯片表面的疏水性,对比化学处理前后芯片表面的接触角,结果表明化学处理后芯片表面疏水,接触角为118°。通过能谱(EDS)表征芯片孔壁的亲水性,结果表明,芯片孔壁只有Si,O两种元素,形成亲水基团,因此,芯片孔壁亲水。通过测量显微镜和荧光显微镜表征芯片的样品分割性能,结果表明芯片将样品分割为均一的独立单元。通过激光共聚焦扫描仪表征,直观地反应了芯片的整体样品分割效果,通过计算芯片的样品填孔率为93.8%。本文成功制备了表面疏水孔壁亲水的毛细管微阵列芯片,该芯片具有优异的样品分割性能,在生物医学领域具有广阔的应用前景。     

“生命科学仪器”专刊导读

正生命科学是当今自然科学的热点研究领域之一,研究生命现象、揭示生命活动规律和生命本质。研究对象包括动物、植物、微生物及人类本身,其研究层次涉及分子、细胞、组织、器官、个体、群体及群落和生态系统。伴随着生命科学技术的高速发展,对仪器设备和技术方法提出了更高的要求。生物学、物理学、生物力学、基因组学、超分辨成像技术、单     

用于核酸提取样本容积最优化的等频率运动控制

为实现核酸提取振荡运动下样本容积最优化,将等频率运动控制算法应用于核酸提取过程中,通过提高核酸提取运动过程的平稳性,使振荡运动下核酸样本容积得到有效提升。基于搭建的STM32高精度控制平台,通过等频率离散化的方式控制步进电机使用Sigmoid曲线实现加减速过程,实现步进电机的平滑、精确控制。提出的等频率离散加减速运动控制算法可解决变速过程中速度变化不平稳问题。对比等时间采样的实验表明,相同实验参数下,采用等频率离散的方式比等时间离散能更快达到目标频率。在精度对比上,采用等频率离散的方式在定位精度上比等时间离散法提高39.47%。在核酸提取应用中,等频率离散法比等时间离散法可有效提高核酸样本容积20.62μL。与传统Sigmoid函数模型实现S型曲线加减速控制算法相比,等频率离散法可提升运动定位精度使抽提过程更加顺滑,有效提高了核酸提取振荡运动下的样本容积。     

声速对硅基氮化铝复合声子晶体带隙影响

该文基于布喇格散射机理,采用有限元仿真技术重点研究材料声速对二维AlN/B/Si复合声子结构体带隙特性的影响。首先以Mo作为B层,逐次分析AlN、AlN/Mo、AlN/Mo/Si出现最大带隙宽度时,AlN、Mo、Si各层厚度的最优值;然后分别选取具有声速梯度的材料作为B层,研究B材料声速对复合声子晶体带隙宽度变化率的影响。结果表明,当B层与Si、AlN的声速差值小于3 000 m/s时,B层厚度的变化引起复合声子晶体带隙宽度变化率低于25%,而B层与Si、AlN的声速差值越大,改变B层厚度会造成带隙宽度变化率越大,最高可达100%。     

用于凝血酶原时间检测的多壁碳纳米管增强型电化学传感器

针对目前凝血检测仪器存在的成本昂贵操作复杂等问题,制作了一种基于丝网印刷技术的多壁碳纳米管(MWCNTs)增强型电化学传感器用于凝血酶原时间(PT)测量。利用凝血酶切割凝血酶底物实验验证了计时电流法检测凝血酶原时间原理的可行性。接着对血浆凝血酶原时间参数进行测量,并用SYSMEX CS 5100光学凝血仪验证测量结果。经过测试,凝血酶验证性实验中MWCNT型电化学传感器的电流响应强度较普通电化学传感器增加了(36±1)%,重复实验出峰时间和峰值电流变异系数分别为2.99%和3.27%。测试不同血样PT值,能够清晰的显示出区分度,且挑选三组血样进行PT重复实验,出峰时间变异系数分别为2.26%、3.22%和2.96%,实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R~2为0.986。MWCNTs增强型型电化学传感器用于PT测试具有良好的重复性和一致性,易于批量生产,大大降低了凝血测量的成本,且适合多种场合的测量,在即时检测领域具有极大潜力。     

一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪

研制了一种采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝的微小型光纤光谱仪。采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、厚度薄的一体式微硅片狭缝,并分析了微硅片狭缝的狭缝不平直度对微小型光纤光谱仪分辨率的影响,通过测试系统分辨率的实验,验证了采用微硅片狭缝的可行性。同时,对微小型光纤光谱仪的光谱带宽和像元分辨力进行了讨论,为波长的标定提供了一种理论依据。通过对采集的汞灯谱线的分析和MATLAB的精确计算,验证了所提出的通用波长-像元迭代公式的正确性,从而研制出了一种采用微硅片狭缝的半峰全宽为0.85 nm,波长标定精度小于0.2 nm,体积为50 mm×46 mm×14 mm的微小型光纤光谱仪。     

用于aPTT测量的Parylene-C增强型石英晶体微天平耗散检测系统

房颤、血栓等患者抗凝药物日常口服等场景迫切需要凝血参数快速检测,本文设计和制作了一种Parylene-C增强型石英晶体微天平(QCM)传感器及其耗散因子检测系统用于凝血测量。首先使用Parylene-C有效增加石英晶体微天平传感器的峰峰值和有效使用次数,基于传感器耗散因子对血液凝固过程血液粘弹性变化敏感,设计电导谱分析法的压电传感器耗散因子快速测量系统,对血浆部分凝血活酶时间(aPTT)进行测量。并用SYSMEX CS 5100光学凝血仪、Lambda 950分光光度计验证系统测量结果。实验表明,Parylene-C增强型QCM传感器信号峰峰值增加8±1%,传感器aPTT实验有效重复使用次数为30次,系统30℃温差最大耗散偏移2.09×10-6。aPTT耗散曲线与光学法(lambda950)吸光度曲线变化趋势一致。与SYSMEX CS 5100临床结果线性拟合决定系数R2为0.99。同样本10次重复实验结果变异系数为1.48%。Parylene-C增强型QCM传感器与耗散分析法的联合应用具备多场景下凝血参数快速检测的能力,系统温度稳定性好,具有满足即时检测应用的潜力。     

超薄硅衬底氮化铝Lamb波压电谐振器

针对Lamb波压电声波传感器高品质因数(Q值)、低检测极限(LOD)和易集成的性能要求,本文基于SOI(Siliconon-insulator)硅片,通过底层硅(Handling layer)干法刻蚀和中间层(Boxing layer)自截止的方法实现2μm超薄均一的硅衬底结构,然后沉积2μm厚具备高C轴择优取向的氮化铝(AlN)压电薄膜。传感器薄膜区域外设置双端增强反射栅结构用于提高Q值,从而有效降低器件的检测极限,并通过微量水分测试验证性能。该谐振器零阶反对称模式(A0)和零阶对称模式(S0)的谐振状态的实测结果和COMSOL二维模型仿真结果一致,所制作的Lamb波谐振器A0模式的主峰Q值为703,S0模式的主峰Q值为403。微量水分测试S0模式的检测极限优于A0模式,最低检测极限值为0.06%RH。结果表明,氮化铝超薄硅衬底Lamb波压电谐振器能够实现微量水分等高精度检测。