Cell identification and sorting have been hot topics recently. However, most conventional approaches can only predict the category of a single target, and lack the ability to perform multitarget tasks to provide coordinate information of the targets. This limits the development of high-throughput cell screening technologies. Fortunately, artificial intelligence (AI) systems based on deep-learning algorithms provide the possibility to extract hidden features of cells from original image information. Here, we demonstrate an AI-assisted multitarget processing system for cell identification and sorting. With this system, each target cell can be swiftly and accurately identified in a mixture by extracting cell morphological features, whereafter accurate cell sorting is achieved through noninvasive manipulation by optical tweezers. The AI-assisted model shows promise in guiding the precise manipulation and intelligent detection of high-flux cells, thereby realizing semi-automatic cell research.

生鲜牛乳中的体细胞数量是判断奶牛是否患有乳房炎的重要依据。针对牛乳在取样过程中细胞贴壁沉降等原因造成体细胞分布不均匀，从而导致体细胞计数不具有代表性的问题，文中提出了一种基于九宫格型微流控芯片使体细胞分布均匀并提升计数准确率的方法。首先在Comsol仿真的基础上制备了九宫格型微流控芯片，提高了细胞分布的均匀度。其次研制了集染色、搅拌于一体的负压进样系统，保证在进样过程中持续保持体细胞分布的均匀度和不受空气的污染。并配合芯片研制了微型显微成像系统，对芯片的九个观测腔拍摄图像。最后通过图像处理的方法对体细胞进行计数，并判断奶牛乳房的健康状况。实验结果表明，每组九张图像体细胞数量的标准差系数均小于等于1.61%，系统计数准确率可达到99.23%。该研究方法为奶牛乳房炎的检测与预防奠定了基础。

针对微流控芯片通道三维形貌的可视化测量需求，搭建了一套反射式离轴双波长像面数字全息显微测量系统。首先，利用分辨率靶和标准样片对系统的横向、纵向分辨率和放大倍数进行标定实验，结果表明双波长全息显微系统在横向宽度及纵向深度测量中具有较好的准确性和可行性。然后，利用该系统分别对由PDMS材料制成的直通道、圆形小室结构微流控芯片以及硅基底微流控芯片通道进行三维形貌检测，并得到定量结果：直通道结构深度为48.6 μm，宽度为75.8 μm；圆形小室微通道深度为48.5 μm，宽度为76.6 μm；硅基底微流控芯片测量得到通道深度为61.6 μm。上述结果与白光干涉仪的测量结果具有良好的一致性，说明双波长全息显微系统具有较高的可靠性和准确性，可为微流控芯片微通道检测提供新的成像检测方法。

针对微流控芯片通道和缺陷的检测要求，设计构建了一套基于预放大离轴光路的反射式像面数字全息显微实验系统。探讨了数字全息显微测量中横向尺寸在视场占比较大的低空间频率物体的相位畸变矫正方法，提出两步相位相减法更适用于该类型物体的相位畸变矫正。通过宽度为55 μm、高度为65 nm的台阶标准样板实验对两步相位相减法、一般多项式曲面拟合法和Zernike高阶多项式曲面拟合法在相位畸变矫正效果上进行对比分析，分析结果表明两步相位相减法矫正畸变后的台阶平均高度相对误差为1.1%，较其他方法的误差更小，畸变矫正效果更好。另外，实验以通道宽度为80 μm的微流控芯片为被测样件，实现了芯片通道以及通道表面断裂型和缺损型缺陷的三维形貌检测，并得到定量结果：断裂型缺陷的宽度为14.1 μm，深度为431.7 nm；缺损型缺陷的宽度为33.6 μm，深度为295.1 nm。实验结果表明：像面数字全息显微实验系统为微流控芯片通道及表面缺陷的快速无损测量提供了新的途径，对于微流控实验系统质量评价具有重要意义。

Surface-enhanced Raman scattering (SERS), owing to its high sensitivity based on localized surface plasmon resonance of nanostructured metals, is recently attracting much attention to be used for biotechnology, such as cell imaging and tumor therapy. On the other hand, the trace detection of bio-molecules with large molecular weight is still challenging because the troublesome treatment of SERS substrate using coupling or cross-linking agents is required. In this paper, we apply liquid interface assisted SERS (LI-SERS) method, which provides unique features of collection and self-immobilization of analyte molecules on the SERS substrate, to realize the label-free trace detection of bio-molecules with detection limits of pM ~ fM. Specifically, deoxyribonucleic acid (DNA) discrimination and quantitative detection of β-Amyloid (Aβ) in trace-concentration are demonstrated to illustrate the ultrahigh sensitivity and versatility of the LI-SERS method. The results suggest LI-SERS is promising for the early-stage diagnosis of diseases such as virus infection and Alzheimer's disease.Surface-enhanced Raman scattering (SERS), owing to its high sensitivity based on localized surface plasmon resonance of nanostructured metals, is recently attracting much attention to be used for biotechnology, such as cell imaging and tumor therapy. On the other hand, the trace detection of bio-molecules with large molecular weight is still challenging because the troublesome treatment of SERS substrate using coupling or cross-linking agents is required. In this paper, we apply liquid interface assisted SERS (LI-SERS) method, which provides unique features of collection and self-immobilization of analyte molecules on the SERS substrate, to realize the label-free trace detection of bio-molecules with detection limits of pM ~ fM. Specifically, deoxyribonucleic acid (DNA) discrimination and quantitative detection of β-Amyloid (Aβ) in trace-concentration are demonstrated to illustrate the ultrahigh sensitivity and versatility of the LI-SERS method. The results suggest LI-SERS is promising for the early-stage diagnosis of diseases such as virus infection and Alzheimer's disease.

太赫兹(THz)是指频率在0.1~10 THz的电磁波, 其波长在30~3 000 μm范围内。 由于自然界许多小分子的振动、 转动等的频率均在太赫兹波段, 并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏, 所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、 生物医学等领域。 但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的, 因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料: 磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。 磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料, 其打破了传统磁性材料的固体形态。 磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。 在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应, 而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率; 另外, 在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗, 可作为靶向治疗的载药系统。 由于磁流体的组成部分-载基液成本较高, 因此在实验中运用了微流控技术。 微流控技术对检测样品的消耗少、 检测速度快, 并且可以根据实验需求自行设计沟道, 因此是一种便捷的、 灵活性好的检测方式。 采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。 首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片, 再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式, 形成2 cm×2 cm的方形区域, 然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合, 其沟道厚度为50 μm, 可以用于对少量液体的探测, 并且可以使载基液呈薄膜状。 之后将太赫兹技术和微流控技术相结合, 利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性, 通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现, 装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片, 这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。

太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特, 远低于各种化学键的键能, 因此不会和生物组织发生有害的电离反应; 另一方面, 由于大部分生物分子转动和振动所具有的特征能量都在太赫兹范围内, 所以利用太赫兹波可以对生物分子进行识别。 水是生物环境中最重要的液体, 生物分子与液态水之间的相互作用决定了其生物活性, 因此研究液态水的太赫兹特性就显得十分重要。 水作为极性液体, 其中的偶极分子-偶极分子间的相互作用和极性分子间的氢键会对太赫兹波产生较大的吸收作用, 这就使利用太赫兹技术研究液体环境下的生物分子动力学特性变得相当困难。 微流控技术通过改变微流控芯片中液体通道的深度来控制液体样品的厚度, 以减少太赫兹波与液体样品的作用距离, 从而使水对太赫兹波的吸收大幅减小。 利用对太赫兹波的透过率高达95%的Zeonor 1420R材料和双面胶制作了可重复性使用的夹心式微流控芯片, 芯片上液体通道的长度、 宽度、 深度分别为2 cm, 5 mm和50 μm。 另外, 设计制作了一个制冷系统, 由制冷片、 散热模块、 温度传感器、 保温箱和温度控制器构成, 该制冷系统可以对保温箱的内部环境制冷并在一定程度上保持恒温。 在实验过程中, 将注满水的微流控芯片置于保温箱中, 利用制冷系统对微流控芯片中的水进行制冷处理, 从8~-3 ℃每隔1 ℃进行一次太赫兹透射测量, 通过对实验数据的分析, 发现随着温度降低, 水的太赫兹透过率不断增大, 说明水对太赫兹波的吸收随着温度的降低而降低。 此结果为将来在不同低温环境下利用微流控技术研究液体样品的太赫兹吸收特性打下了基础, 为太赫兹在生物领域的应用与发展提供了技术支持。

针对致病菌快速高效的辨识和检测一直是生命科学、医疗诊断、食品安全和环境监测等领域备受关注的热点。微流控芯片分析技术为细菌等微生物的研究和检测提供了新的、高效的途径和平台，将表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering， SERS）光谱检测技术与其结合，成为了具有突出优势的致病菌快速鉴别和检测途径。本文针对基于微流控芯片的SERS分析技术及其应用进行综述，首先对各种SERS增强基底材料进行了介绍和性能比较；然后，系统综述了在微流控芯片上集成SERS基底的方法和技术，分别探讨了在微流控通道中注入纳米金属溶胶的外部注入法，在微流控芯片检测区构建固体纳米结构的内嵌法和在微流控通道中原位制备纳米结构基底的原位制作法；最后，对集成SERS检测技术的微流控芯片分析方法在致病菌定性鉴别和定量检测方面的应用进展予以了综述和展望。

针对尿液自动化、快速检测的需求，结合微流控技术与生化分析技术，设计并制备了一种基于离心力驱动的碟式微流控尿液生化检测芯片。该芯片采用微流道与毛细阀、虹吸阀和铁蜡阀结合可实现微量样品和试剂有序输送、混合及检测等集成功能，通过COMSOL多物理场仿真软件对芯片上毛细阀和虹吸阀结构进行仿真分析，优化转速。围绕微流控芯片，研制了一套小型化、全自动尿液生化检测系统。通过双光路设计和双波长检测方法降低光源波动和背景干扰对检测结果的影响，并在该系统上进行尿视黄醇结合蛋白重复性和校准分析。结果显示，该系统的精密度变异系数为1.3%~2.46%，说明系统具有较好的重复性。校准曲线表明浓度和吸光度值有良好的线性相关性（R²=0.995）。芯片上4个相同单元结构可完成多样本或多指标的并行检测，有望应用于尿液蛋白的快速检测。