1 中国科学技术大学，安徽合肥230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 中国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州15163
3 复旦大学，上海2004
4 苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州215163
5 季华实验室，广东佛山28200
为了降低零模波导照明系统的成本、缩小尺寸，设计并完成衍射光栅、光波导以及零模波导的片上集成，并对集成化芯片的微纳结构及性能进行验证。采用时域有限差分法对集成化芯片进行了仿真设计，基于微纳加工手段制备出片上衍射光栅、光波导以及零模波导阵列结构，对微观结构进行表征，并借助荧光微球对芯片的性能进行验证。通过荧光微球测试，制备的集成化芯片可以实现荧光微球的有效激发；通过微观结构表征，衍射光栅周期为（352.8±2.6） nm，齿宽为（155.3±2.4） nm，刻蚀深度为（67.8±3.5） nm；光波导芯层的宽度为（504.05±10.35） nm，高度为（184.9±8.9） nm；零模波导直径为（200.2±6.4） nm，深度为（301.3±7.6） nm，满足设计要求。芯片尺寸为22 mm×22 mm，最小线宽为155 nm，通过8个衍射光栅、约1 000条光波导以及数十万个零模波导阵列结构的片上集成，为零模波导的照明提供了一种紧凑且有效的解决方案。
集成光学 光波导 衍射光栅 零模波导阵列 integration optics optical waveguide diffraction grating zero-mode waveguide array
1 长春理工大学 机电工程学院，吉林长春30022
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 中国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州21516
4 苏州大学 电子信息学院，江苏苏州215006
针对高精度柔性扫描平台以现有速度曲线模型运动时运算量、残余振动大以及稳态时间长等问题，基于时间最优原则建立了最优阶多项式速度曲线，降低高精度柔性扫描平台运动时的残余振动与稳态时间。建立高精度柔性扫描平台简化模型，以速度、加速度、加加速度及其一阶导数等限制条件为边界，对不同阶数多项式速度曲线进行残余振动仿真分析，由仿真结果确定多项式速度曲线最优阶，随后构建最优阶多项式速度曲线方程并以高精度柔性扫描平台为对象进行残余振动实验。最优阶多项式速度曲线与传统梯形速度曲线相比，高精度柔性扫描平台实际残余振动加速度峰值降低了67.91%，稳态时间缩短了49.92%；与常规三阶多项式速度曲线相比，高精度柔性扫描平台实际残余振动加速度峰值降低了42.94%，稳态时间缩短了32.50%，具有较好性能。本文提出的最优阶多项式速度曲线模型克服了现有速度曲线在高精度柔性扫描平台应用中运算量与残余振动较大，稳态时间较长的问题，实验结果表明该速度曲线模型有效降低了残余振动，缩短了稳态时间，提高了运行效率，进而提高了高精度柔性扫描平台的性能。
速度曲线 残余振动 稳态时间 柔性扫描平台 S曲线 motion profile residual vibration settling time flexible scanning platform S-curve 光学 精密工程
2021, 29(10): 2400
1 中国科学技术大学，安徽合肥230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州15163
3 苏州大学 电子信息学院，江苏苏州215006
4 复旦大学 儿科医院，上海201102
5 季华实验室，广东佛山28200
传统的数字PCR检测仅针对扩增终点的核酸样本执行终点式的荧光分析，依据反应后的荧光图像进行阴阳性统计及样本浓度计算，分析结果极易受假阳性及非特异性扩增影响。本文提出了一种基于过程的实时微孔式数字PCR芯片阴阳性分析方法，从时间维度对数字PCR结果进行定量分析，提高数字PCR检测的准确性。设计支持实时数字PCR分析的硬件系统并与终点式数字PCR仪进行对比，验证系统性能。在此系统上检测不同浓度的人类Ⅳ型疱疹病毒样本，获取实时扩增曲线，采用支持向量机算法对扩增曲线的特征进行学习并应用于检测曲线分类。实验结果表明，所设计的实时数字PCR系统与终点式数字PCR仪扩增结果具有高度一致性。本文所述的基于支持向量机的分类算法对扩增曲线的分类准确率达到98%以上，能准确识别假阳性及非特异性扩增微孔。相比于传统阈值分割法，本方法对阳性点识别的平均准确率提高了17.60%，并且目标模板拷贝数越低，效果越明显。与传统的终点式数字PCR相比，本文提出的基于实时数字PCR系统的数据分析方法具有准确性更高的优势，尤其在低拷贝数检测下可以获取更为精确的定量结果。
实时数字PCR 阴阳性分类 支持向量机 定量准确性 real-time digital pcr negative and positive classification support vector machine quantitative accuracy
1 复旦大学 工程与应用技术研究院，上海200433
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州15163
3 中国科学院 生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州21516
4 季华实验室，广东佛山528200
5 中国科学技术大学，安徽合肥230026
6 苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州21513
本文设计并研制了一种改进的零模波导器件，采用此种器件实现了荧光信号的增强，解决了荧光串扰等问题。采用微纳加工手段实现了这一器件的制备，该器件通过微透镜与纳米孔的结合减少了荧光的发散角，荧光的相长干涉增强了检测信号的强度。具体地，采用电子束光刻制备了直径可控的纳米孔阵列，结合紫外光刻及反应离子刻蚀实现了角度可调的微透镜阵列，并采用ImageJ读取荧光灰度值进行了信号比对。通过与未改进的零模波导器件相比，改进后的器件其荧光信号增强了14.5倍，信噪比提升了9倍。通过SEM表征，该器件的纳米孔直径为（100.3±4.9 ）nm；微透镜倾角（21.1±0.7）°。改进的零模波导器件在增强了荧光信号的同时有效减少了荧光串扰的问题，相关研究对微弱荧光检测、荧光串扰等问题提供了一种可行的解决思路。
零模波导 纳米孔 微透镜 荧光信号检测 zero mode waveguides nanopore microlens fluorescence signal detection
1 上海大学通信与信息工程学院, 上海 200444
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏苏州 215163
3 中国科学技术大学, 安徽合肥 230026
蜂窝状堆叠数字 PCR微阵列图像因其单元尺寸小、排列密集, 荧光信号弱、易受光照分布影响, 其样点定位困难。本文提出基于形态学的三通道蜂窝状荧光图像样点寻址算法及数字 PCR图像信息提取方法, 可快速、有效识别微阵列芯片生物分子微弱荧光信息。针对不同通道的图像进行配准融合, 使样点排布整齐;通过增强图像的对比度, 选取有效样点区域, 基于改进伽马算法去除光照分布不均效应;基于形态学算法识别紧密排列的样点, 对微阵列芯片图像进行单元分割定位, 提取每个样点的生物分子荧光信息。该方法处理一块约 20 000个微单元的数字 PCR芯片图像的耗时小于 20 s, 与现有定位方法相比, 处理相同数量样点的图片的耗时可减少 3个数量级;通过与标准仪器结果相比, 样点识别精度达到 98. 79%, 生物信息计算结果(拷贝数)准确度达到 96. 2%。本文提出基于形态学的三通道蜂窝状荧光图像样点寻址算法及数字 PCR图像信息提取方法克服了蜂窝状堆叠式微阵列荧光图像样点难以定位的问题, 与现有方法相比, 能够快速、准确地获取生物信息, 为数字 PCR技术的精准定量奠定了基础。
生物荧光图像 蜂窝状 数字 PCR微阵列 寻址定位 bioluminescent image honeycomb digital polymerase chain reaction microarray spot addressing 光学 精密工程
2020, 28(12): 2745
1 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所,中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130022
4 上海大学 通信与信息工程学院, 上海 200444
5 苏州大学 电子信息学院, 江苏 苏州 215006
为了快速获取微孔式数字PCR芯片清晰的荧光图像, 解决传统方法针对微尺度阵列单元自动对焦存在的计算量大, 耗时长等问题, 建立了基于像素个数随离焦距离变化特征模型的自动对焦方法。依次取3个彼此间隔相同距离的微孔式数字PCR芯片的荧光图像, 通过自适应窗口选取与阈值计算, 统计窗口区域内大于阈值的像素个数, 代入特征函数计算离焦距离, 并通过统计出的3个位置的像素个数值判断离焦方向, 继而进行对焦。该方法仅需统计13×13个像素大小的对焦窗口中灰度大于阈值的像素个数, 且完成对焦仅需4步, 对焦结果完全满足后续计算的清晰度要求, 与传统爬山方法相比, 对焦步骤数平均减少了51.89%, 实现了微孔式数字PCR芯片的准确快速对焦。本文提出的自动对焦方法克服了现有算法计算量大、对焦步骤繁琐的缺点, 预测准确、速度快, 最大程度上减少样本曝光时间, 进而减少荧光的淬灭, 为后续计算提供更为原始且精确的图像。
自动对焦 自适应阈值 特征函数 微孔式数字PCR芯片 荧光成像 autofocus adaptive threshold the characteristic function microarray digital PCR chip fluorescence imaging
中国电子科技集团公司第二十三研究所, 上海 200437
基于干涉型光纤水听器技术,设计实现了外径为20 mm的光纤光栅型拖曳水听器阵列。首先利用多波长光纤光栅连续刻写技术实现了单纤“无熔点”的光纤水听器阵列,水听器单元的平均声压灵敏度达到-143.9 dB,起伏幅度小于3 dB。利用弱反光栅组阵技术抑制了光栅阵列中的串扰噪声,串扰噪声抑制达到53 dB;利用三路偏振分集接收技术消除了阵列中的偏振衰落噪声。最终制作了外径为20 mm的32元光纤光栅拖曳水听器阵列。
光纤光学 光纤水听器 光栅 串扰 偏振衰落 光学学报
2019, 39(11): 1106003
1 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 苏州科技城医院 检验科, 江苏 苏州 215153
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R2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。
石墨烯 电化学传感器 计时电流法 凝血功能检测 活化部分凝血活酶时间 graphene electrochemical sensor chronoamperometry blood coagulation detection Activated Partial Thromboplatin Time(APTT)
1 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 苏州大学 电子信息学院, 江苏 苏州 215006
4 苏州科技城医院 检验科, 江苏 苏州 215153
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R2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。
多壁碳纳米管 电化学传感器 计时电流法 凝血功能检测 凝血酶原时间 Multi-Walled Carbon Nanotubes(MWCNTs) electrochemical sensor chronoamperometry blood coagulation detection Prothrombin Time(PT)
1 华东师范大学 信息科学技术学院电子工程系, 上海 200241
2 上海空间电源研究所 空间电源技术国家重点实验室, 上海 200245
3 中国人民解放军军事科学院, 北京 100141
柔性高效III-V族多结太阳电池正在被开发、应用于无人机、可穿戴设备和空间能源等领域.采用MOCVD技术在GaAs衬底上制备太阳电池外延层, 之后通过低温键合和外延层剥离方法将外延层转移到柔性衬底上.通过外延层剥离设备设计和大量参数优化实验, 实现了GaAs太阳电池结构从四英寸砷化镓晶圆上的有效分离, 且不产生缺陷并保持原有的性能.近期, 在50 μm聚酰亚胺薄膜上制备的30 cm2大面积柔性GaInP/GaAs/InGaAs 三结太阳电池实现了31.5%的转换效率(AM0光谱), 其中开路电压3.01 V, 短路电流密度16.8 mA/cm2, 填充因子0.845.由于采用了轻质的聚酰亚胺材料, 所得到的柔性太阳电池面密度仅为1685 g/m2, 比功率高达2530 W/kg.
太阳电池 柔性高效 外延层剥离 砷化镓 solar cells flexible and high-efficiency epitaxial lift-off GaAs
