高通量单分散纳升 /皮升液滴的制备在数字 PCR、质谱分析、细胞筛选等生物医学领域至关重要, 而现有的技术制备速率只能达到 1 000/s。本文提出了一种离心力与微喷嘴阵列相结合的微流控芯片, 实现了超高通量液滴的制备。首先, 对离心液滴微流控芯片进行设计, 通过有限元仿真详细分析了微喷嘴尺寸、离心加速度和流量等参数对液滴尺寸的影响, 获得了纳升级液滴芯片的设计参数, 使用微纳加工方法制作离心式液滴生成芯片, 并进行了液滴的高通量生成实验。实验与仿真结果表明: 液滴尺寸与离心加速度成反向关系, 与微喷嘴尺寸成正向关系, 并在很大的流量范围内液滴尺寸基本不变, 表现出优异的鲁棒性。本液滴生成芯片在离心加速度 250g~500g下, 可制备液滴直径为 105~145 μm, 制备速率达 27 000个/s, 且直径一致性良好( CV<3%), 证明本液滴生成芯片具有超高通量的特点。

皮肤反射式共聚焦显微镜是一种重要的皮肤影像学诊断工具, 其采用共振型振镜扫描成像会带来非线性畸变, 为校正这种畸变, 提出一种像素值反正弦过采样信号重建的RCM图像畸变校正方法, 对间距为20 μm的矩形光栅扫描成像实验表明, 在校正畸变前光栅图像间距的标准差为7.78 μm, 图像的畸变率达到38.9%, 经过像素值反正弦过采样信号重建后, 光栅图像间距的标准差缩小为0.85 μm, 畸变率缩小到4.2%。结合分辨率板和实际人皮肤成像情况, 表明文中提出的畸变校正方法能够较好地校正共振型振镜引起的图像畸变, 满足人皮肤实时无创影像学诊断要求。

碳量子点是一类具有优异的荧光性能和高生物相容性的纳米材料, 在很多领域有广泛的应用, 是目前研究的热点材料。本文介绍了碳量子点不同的合成方法, 以及碳量子点的荧光、化学发光、电化学发光、类过氧化物酶的活性及毒性等性能的最新研究进展。此外, 还对碳量子点在生物传感、生物成像及药物传递等生物医学应用进行了概述。

双光子成像(Two-Photon Imaging)技术以其优越特性被广泛用于活细胞动态三维成像, 但光功率极高的短脉冲光对焦平面荧光分子严重的光漂白极大地影响了双光子长时间成像的图像质量, 针对双光子荧光漂白问题, 本文提出一种优化光照的双光子(Optimized Lighting-Two Photon,OL-TP)成像技术。通过预扫描获取双光子图像分析高低阈值, 以预设的高低阈值为标准优化一幅图像中不同区域的光照时长, 利用扫描过程中记录的荧光信息和光照时间信息可以重建OL-TP图像, 既保证信噪比又降低荧光漂白。重建的OL-TP图像与传统双光子图像基本一致, 信噪比略有降低, 但图像并未失真。对110 nm的荧光小球样本分别连续取30幅普通双光子和优化光照的双光子图像, 到第30幅图时, 重建后的优化光照双光子图像比普通双光子图像荧光漂白降低了2886%。OL-TP通过优化光照时间大幅降低双光子成像的荧光漂白, 使双光子荧光显微镜能够更好地对生物样本进行长时间观测。

激发光引起的荧光漂白限制了共聚焦成像技术在长时间观测生物样本方面的应用。提出了一种基于可控光剂量的共聚焦成像技术(CLE-CM)，该技术通过预实验设置高低阈值，定时读取采样像素值并与预设阈值进行比较，根据比较结果控制每个物方像素的光照时间，以更高效地利用荧光信息，在不牺牲图像质量的情况下降低了荧光漂白。用CLE-CM和标准共聚焦对牛肺动脉内皮细胞样本连续成11幅图像，与第11幅标准共聚焦图像相比，第11幅CLE-CM图像的荧光漂白减少了52.62%，具体降漂白效果与样本中的荧光分布有关。CLE-CM通过减少光剂量大幅降低了共聚焦显微成像的荧光漂白，使共聚焦显微镜能连续成更多张高质量图像。

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（Silicon-on-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2 μm超薄均一的硅衬底结构，然后沉积2 μm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。

针对液体流速测量领域中微型流量传感器高品质因数、高灵敏度的性能要求。本文设计一种双端增强型薄膜谐振结构实现Lamb波传感器的高品质因数, 利用传感器反对称模式(A01模式)在薄膜-液体界面处的消逝波实现液体流速矢量测量。所制作的双端增强型薄膜谐振Lamb传感器A01模式的主峰品质因数为703, A01模式的频率移动量与液体流速大小存在线性关系, 频率移动方向与液体流动方向存在对应关系。流速实测灵敏度约为270 Hz/mm/s, 传感器稳定性噪声小于02 Hz, 流速最低检测极限值(LOD)为2.2 μm/s, 流量最低检测极限值(LOD)为18.3 nL/min。结果表明, 双端增强型薄膜谐振Lamb波传感器可以实现液体流速高灵敏度矢量测量。

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求, 并应对实际应用中对仪器小型化、 轻量化、 高光学效率的新需求, 研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统, 采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积, 同时为平面棱镜提供准直光路, 并以宏编程的优化方式, 避免系统中光路干涉。 结果表明, 通过非球面反射镜和双校正透镜的设计, 该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm, 色畸变小于1.3 μm, 控制在18%像元内, 在400～1 080 nm可见—近红外（VNIR）工作波段的光学调制传递函数（MTF）均达到0.9以上, 光谱分辨率为1.6～5.0 nm, 光谱透过率在51.5%以上, 系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。