细胞可对外界施加力的作用, 从而感知外界环境并做出力学响应。聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱阵列被广泛应用于细胞力测量, 通过测量微柱顶面在细胞力作用下的位移量, 获得细胞力的大小及方向。然而, 由于PDMS微柱的高透明度, 当利用明场显微图像进行图像处理计算微柱位移量时, 提取微柱端面质心的算法较为复杂。提出了一种利用磁珠修饰微柱端面使其不透光的方法, 以降低图像处理算法复杂度, 同时提高微柱位置的识别精度。磁珠在外界磁场作用下被引入模具, 向模具中浇铸PDMS后, 得到端面嵌有磁珠的不透光PDMS微柱。修饰过后的微柱, 其端面会在倒置显微镜下形成实心圆形图案, 可以直接用regionprops函数计算出实心圆形图案的质心; 未经修饰的微柱, 在倒置显微镜下形成环形图案, 需要用运算更为复杂的霍夫变换来计算环形图案质心。实验结果表明: 该PDMS微柱修饰方法能使微柱端面与基底的对比度得到很大提高, 因此在提取端面质心时, 不需要用到霍夫变换, 减小了图像处理中算法的复杂度, 并且提高了微柱定位的精度。

磁珠广泛应用于免疫检测、细胞分离等生物实验中, 磁珠浓度的检测对于评价实验效果具有重要意义。本文提出了基于激光透射法的双光路磁珠浓度测量系统, 通过测量入射激光强度与透射激光强度的比值来确定磁珠浓度。利用该系统对多个浓度的磁珠悬浊液进行了实验测量, 每个浓度下测量多组实验数据, 共采集了8 000组数据。通过拟合测量数据, 建立了磁珠浓度与测量值的关系函数, 二者呈现指数函数关系, 拟合残差平方和为0.000 088 89, 确定系数可达0.997 1, 说明函数具有良好的拟合性能。实验结果表明, 相对测量误差在2.5%以内, 输出值相对波动范围在2.5%以内, 测量系统具有较高的测量精度和良好的重复性。

分别将量子点和超顺纳米磁珠作为荧光探针和磁信号探针应用于免疫反应中, 构建了检测莱克多巴胺的荧光免疫和磁免疫层析的分析方法, 并成功应用于尿液中莱克多巴胺的检测。 两种方法均基于免疫竞争模式, 在荧光免疫分析方法中, 量子点偶联上识别莱克多巴胺的抗体, 样品中莱克多巴胺和包被在ELISA板上莱克多巴胺的完全抗原竞争结合量子点, 样品中莱克多巴胺的浓度越高, ELISA板上吸附的量子点越少, 所测荧光强度值越低, 该方法的检出限为1 ng·mL-1, 检测时间为4 h。 在磁免疫层析方法中, 检测线上特异性捕获的纳米磁珠颜色的深浅和尿液中莱克多巴胺浓度成反比例关系, 即莱克多巴胺的浓度越高, 检测线的颜色越浅, 该方法的定性检出限为10 ng·mL-1, 检测时间为15 min。 两种方法各有优缺点, 基于量子点的荧光免疫分析法在痕量检测和定量分析方面具有优势, 而磁免疫层析法更适合于现场快速检测。

为满足临床诊断对生化传感器灵敏度和特异性的要求，研究了纳米磁珠对纳米光纤光传输特性的影响，以及纳米磁珠作为标记物同时完成目标待测物提纯和高灵敏度检测的可能性。详细介绍了锥形纳米光纤传感器的制备过程、表面处理方法和纳米磁珠的处理方法，设计实验检测到了直径200~300 nm的单个纳米磁珠，验证了纳米磁珠的强信号放大作用，并通过实验验证了磁珠同时用作分离提纯和灵敏度增强的方案在纳米光纤传感器上的可行性。

实现GMR生物传感器对磁珠及其偶联的生物分子的定量检测，必须考虑磁场方位及磁珠位置和磁珠团聚对检测方法的影响。本文首先利用Comsol软件模拟了这3个因素对GMR传感器输出信号的影响，模拟结果表明，外磁场倾斜、磁珠位置偏离电阻条中心和磁珠团聚均会使信号减小，其中外磁场倾斜影响尤甚；当外磁场倾斜为0.5°时，磁珠的信号会减小80%。为了与模拟结果进行比对，制备了与模型相同的线宽为5 μm 的GMR生物传感器，并测量了输出信号与磁珠覆盖率的关系。测试结果显示，二者呈线性趋势，但与线性关系存在一定程度的偏离。另外，当磁珠覆盖率为23.6%时，实验测得的信号为63 μV，比模拟结果的247 μV偏小。实验显示这两种偏差均源于前述3个因素对GMR信号的影响。因此，用GMR传感器对磁珠进行定量检测时，为使信号大小与磁珠个数呈线性关系，应保证以下测试条件：外磁场尽可能垂直于传感器平面；测试过程中外磁场倾斜角不能变化；设法使磁珠集中于电阻条中间区域；尽量保证磁珠不团聚。