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基于Lab VIEW光学生物传感器数据采集与分析系统研究

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基于Lab VIEW光学生物传感器数据采集与分析系统研究

作者：胡敬芳河南农业大学

学位级别：硕士

光学表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。光学SPR传感技术具有免标记检测、实时监测生物反应的动力学过程、无损检测等独特的优点,在药物筛选、环境监测、生物医学、毒品及农业等... 详细信息

光学表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。光学SPR传感技术具有免标记检测、实时监测生物反应的动力学过程、无损检测等独特的优点,在药物筛选、环境监测、生物医学、毒品及农业等许多重要领域具有广阔的应用前景。通常,国际上光学SPR生物传感器数据采集与分析系统由专用的嵌入式数据采集器与PC机联用而实现,由嵌入式微处理器完成大量的光电数据采集与处理工作,而基于PC机的软件部分仅完成后续信号的传输与显示,此外,光学SPR生物分析仪与PC机的通信接口采用的是RS-232标准接口,这样,不利于实现生物分析仪的小型化,且在PC机上无法实现光学SPR生物分析仪的仪器化。随着虚拟仪器技术的发展,利用虚拟仪器技术实现数据的采集和传输、数据的格式转换、共振位点的求解和参数设置等数据处理工作具有高效、易于维护等强大的优势。因此,研究基于虚拟仪器技术的光学SPR生物分析仪的数据采集与分析系统具有重大的实用价值。本系统设计的关键是基于虚拟仪器概念进行了光学SPR生物分析仪的创新设计。论文围绕光学SPR生物传感器的数据采集与分析系统设计,系统地研究了光学SPR生物传感器的工作原理及实现方法,光学SPR生物分析仪国内外研究现状及发展趋势,虚拟仪器技术在测试测量仪器中的作用以及虚拟仪器实现技术;提出了一种基于虚拟仪器技术实现数据采集与分析的设计方法,采用美国Ti公司的集成式光学SPR传感器TSPR1K23获取光电信号;以嵌入式微控制器为核心设计了前端数据采集系统;采用USB-UART桥接芯片CP2102设计仪器与PC机通信接口;然后采用虚拟仪器开发平台—LabVIEW编写虚拟仪器面板-HPSPR8000,完成了光学SPR生物分析仪的前端数据采集系统的数据采样和处理,实现了包括数据采集、数据处理、实时显示及曲线存储等功能。论文用不同体积分数的乙醇对虚拟仪器型光学SPR生物分析仪—HSPR8000软件进行实测实验,实验结果表明虚拟面板操作方便,能够友好地实时显示光学SPR共振曲线及响应曲线,检测灵敏度可达1×10折射率单位(RIU)。

关键词：光学SPR生物传感器 LabVIEW 虚拟仪器数据采集数据分析

基于三维纳米银修饰电极的硝酸根微型传感芯片研究

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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化学学报 2012年第3期70卷 291-296页

作者：胡敬芳孙楫舟边超佟建华李洋夏善红中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京100080 中国科学院研究生院北京100080

研制一种基于金叉指微电极阵列(IDA)的电流型硝酸根离子(NO-3)微传感电极芯片.基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)工艺制备金IDA微电极,通过电化学沉积技术在IDA微电极表面修饰三维枝状结构纳米银敏感膜,利用敏感... 详细信息

研制一种基于金叉指微电极阵列(IDA)的电流型硝酸根离子(NO-3)微传感电极芯片.基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)工艺制备金IDA微电极,通过电化学沉积技术在IDA微电极表面修饰三维枝状结构纳米银敏感膜,利用敏感膜对硝酸根离子良好的电催化还原性能,采用脉冲方波伏安(SWV)电化学测量方法,实现对硝酸根离子在25～1000μmol/L浓度范围内的快速检测,灵敏度达9.5 nA/(μmol/L),线性度为99.98%,检测下限为10μmol/L.考察水体中常见的NO-2,F-,3PO 4-,SO 42-,2CO3-,NH+4,Na+和K+等离子对该传感芯片的干扰性能,传感芯片表现出较好的抗干扰性能.制备的三维枝状结构纳米银修饰IDA微电极可实现水环境(pH 5.0～9.0)中NO-3的电化学检测,对应用于自然水环境中硝酸根离子的现场检测具有积极意义.

关键词：三维枝状纳米结构敏感膜叉指微电极阵列自然水环境硝酸根检测

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核酸适配体结合亲和力评测方法的研究进展

中国科学:化学 2024年

作者：汪凯李延生高国伟宋钰胡敬芳北京信息科技大学传感器重点实验室北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室

可体外合成的核酸适配体在生命健康领域受到越来越多的关注,其与靶标的结合亲和力是重要的性能指标之一.评测核酸适配体结合亲和力的方法多种多样,我们对技术方法进行筛选分类,详细阐述了每种技术方法的基本原理、研究进展以及需要突破... 详细信息

可体外合成的核酸适配体在生命健康领域受到越来越多的关注,其与靶标的结合亲和力是重要的性能指标之一.评测核酸适配体结合亲和力的方法多种多样,我们对技术方法进行筛选分类,详细阐述了每种技术方法的基本原理、研究进展以及需要突破的瓶颈问题.成熟的核酸适配体结合亲和力评测方法涵盖了表面等离子体共振法、生物层干涉法、酶联适体测定法以及石英晶体微天平法等.这些技术能够稳定且灵敏地捕捉分子结合信号,从而显著推动核酸适配体技术的研究进展.然而,传统的核酸适配体固定技术可能会对分子构象产生一定影响,从而改变其在使用环境中的真实结合亲和力.为解决这一问题,研究者们正积极探索新型的无需固定就能评估分子结合亲和力的方法,例如圆二色性法、紫外-可见吸收光谱法、荧光各向异性、荧光光谱法、等温滴定量热法、凝胶阻滞法、微量热泳动法以及流体动力分散技术等.这些新技术方法的持续进步将极大地推动核酸适配体在筛选和应用等领域的技术方法创新,为核酸适配体的进一步商品化铺平道路.

关键词：核酸适配体结合亲和力分类策略评测方法

两步法制备AuNPs/rGO复合薄膜用于水质重金属Cr(Ⅵ)的电化学检测

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电子器件 2019年第6期42卷 1351-1357页

作者：刘晔高国伟胡敬芳北京信息科技大学自动化学院北京100192 北京信息科技大学传感器重点实验室北京100101

一种简单的两步电沉积法制备金纳米颗粒(AuNPs)/还原氧化石墨烯(rGO)(AuNPs/rGO)纳米复合材料用于水质重金属Cr(Ⅵ)的检测。首先使用循环伏安法电化学还原氧化石墨烯(GO)将rGO电沉积在玻碳电极(GCE)表面,接着使用CV法将AuNPs电沉积在rG... 详细信息

一种简单的两步电沉积法制备金纳米颗粒(AuNPs)/还原氧化石墨烯(rGO)(AuNPs/rGO)纳米复合材料用于水质重金属Cr(Ⅵ)的检测。首先使用循环伏安法电化学还原氧化石墨烯(GO)将rGO电沉积在玻碳电极(GCE)表面,接着使用CV法将AuNPs电沉积在rGO片层上,得到AuNPs/rGO/GCE。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线能谱分析(EDS)对AuNPs/rGO纳米复合材料进行表征。并且对电沉积时间,支持电解质HCl的浓度进行了优化,以及采用方波伏安法对Cr(Ⅵ)进行检测。实验结果表明AuNPs/rGO/GCE对于Cr(Ⅵ)的还原有非常好的电催化能力,其检测Cr(Ⅵ)的线性范围为1μmol/L^50μmol/L,灵敏度高达0.34818μA/(μmol/L),检测限为0.046μmol/L(S/N=3)。同时对该传感器检测的选择性、重复性和稳定性进行了测试。

关键词： Cr(Ⅵ)检测 AuNPs/rGO纳米复合材料电化学沉积方波伏安法

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附加电阻法快速测定土壤含水率的试验

农业工程学报 2009年第10期25卷 76-81页

作者：王晓雷胡建东江敏赵向阳胡敬芳赵媛媛河南农业大学机电工程学院郑州450002 东南大学仪器科学与工程学院南京210096 河南农业大学生命科学学院郑州450002 河南机电高等专科学校新乡453002

为了消除电容土壤水分检测中电导影响,提出了基于附加电阻的高频电容土壤水分测定技术,分析了高频电容土壤水分传感器的机理,建立了基于附加电阻的高频土壤水分数学模型,通过求解土壤水分引起的电容因子,消除了电导的影响,设计了基于附... 详细信息

为了消除电容土壤水分检测中电导影响,提出了基于附加电阻的高频电容土壤水分测定技术,分析了高频电容土壤水分传感器的机理,建立了基于附加电阻的高频土壤水分数学模型,通过求解土壤水分引起的电容因子,消除了电导的影响,设计了基于附加电阻的平行板电容传感器土壤水分测试电路,并进行土壤测试试验。结果表明:土壤水分引起的电容值与土壤的质量含水率在1%～22%范围内呈线性关系,且基于附加电阻的高频电容土壤水分的测试值小于2%。

关键词：电阻土壤水分电容高频

居家诊断心肌梗死:基于适体的cTnI传感技术

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化学进展 2023年第8期35卷 1266-1274页

作者：徐志远高国伟李延生廖擎纬胡敬芳张学记北京信息科技大学传感器重点实验室北京100101 北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室北京100192 深圳大学生物医学工程学院深圳518060

心肌肌钙蛋白I(cTnI)是与急性心肌梗死(AMI)密切相关的生物标志物,被认为是诊断AMI的“金标准”。目前已有多种cTnI检测技术被开发,包括基于抗体和适体的检测方法。适体是一种能和靶标特异性结合的短的DNA或RNA序列,因其稳定性好、易合... 详细信息

心肌肌钙蛋白I(cTnI)是与急性心肌梗死(AMI)密切相关的生物标志物,被认为是诊断AMI的“金标准”。目前已有多种cTnI检测技术被开发,包括基于抗体和适体的检测方法。适体是一种能和靶标特异性结合的短的DNA或RNA序列,因其稳定性好、易合成和成本低等优点被用于cTnI检测平台的开发。本文根据信号转导方式,将cTnI检测法分为光学检测和电化学检测两大类,介绍了目前基于适体的cTnI传感技术研究进展,阐述了各类方法的检测原理、性能以及优缺点,对cTnI传感技术进行了总结并对其在居家检测中的发展进行了展望,希望为开发更灵敏、更便携的cTnI传感器提供借鉴和参考。

关键词：心肌肌钙蛋白I 适体居家检测电化学

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改进U-Net网络的遥感图像水质分割算法

遥感信息 2023年第4期38卷 137-143页

作者：赵晨曦宋钰胡敬芳李洋高国伟北京信息科技大学传感器北京市重点实验室北京100101 北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室北京100192 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室北京100190

针对遥感图像中一般水体、黑臭水体以及富营养化水体形状不规则以及相似难以准确分割的问题,选取研究区创建富含3类水体的数据集,利用深度学习卷积网络模型对3类水体数据集进行训练与测试。根据测试效果分析提出基于改进U-Net网络的遥... 详细信息

针对遥感图像中一般水体、黑臭水体以及富营养化水体形状不规则以及相似难以准确分割的问题,选取研究区创建富含3类水体的数据集,利用深度学习卷积网络模型对3类水体数据集进行训练与测试。根据测试效果分析提出基于改进U-Net网络的遥感水质分割算法,改进卷积深度及在编码阶段输入层引入ASPP模块获取更加复杂的光谱信息,提高分割精度。实验表明,所提出的改进型U-Net分割算法能够显著提升水质分类的精确度和分割效果,从而实现一般、黑臭及富营养化水体的准确分类。

关键词：水质分割深度学习卷积网络分割精度三类水体河流占比

写字机器人绘制纸基微流控芯片便携检测Ca^(2+)

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分析测试学报 2022年第11期41卷 1607-1613页

作者：刘旭高国伟胡敬芳张开宇李延生北京信息科技大学传感器实验室北京100101 北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室北京100192 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室上海200050

纸基微流控芯片是一种纸质基底芯片,具有性能优良、价格低廉的优势,然而其制备技术多依赖专业昂贵的设备,限制了纸基微流控芯片的发展。该文采用成本低廉的家用写字机器人,将具有敏感特性的智能水凝胶绘制在纸质基底材料上,得到具有水... 详细信息

纸基微流控芯片是一种纸质基底芯片,具有性能优良、价格低廉的优势,然而其制备技术多依赖专业昂贵的设备,限制了纸基微流控芯片的发展。该文采用成本低廉的家用写字机器人,将具有敏感特性的智能水凝胶绘制在纸质基底材料上,得到具有水凝胶阀门的纸基微流控芯片。以Ca^(2+)为模型靶标,该纸基微流控芯片能实现不同浓度(0.1~50 mmol/L)Ca^(2+)溶液的裸眼定量检测,并具有很好的易用性和重现性。同时采用ILX506 CCD传感器制作纸基微流控芯片的数字显示设备,以实现芯片测量结果的自动读取功能。该方法能快速便捷、低成本地制备多条纸基微流控芯片,为其普适化制备提供了新的研究思路,在发展中地区具有良好的推广前景。

关键词：纸基微流控芯片写字机器人水凝胶快速检测可视化定量检测

一种合页型纸基微流控芯片用于铅离子的裸眼定量检测

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中国科学：化学 2023年第5期53卷 853-860页

作者：韩文浩李延生高国伟胡敬芳宋钰张学记北京信息科技大学传感器重点实验室北京100101 北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室北京100192 深圳大学生物医学工程学院深圳518060

本文构建了一种结合DNA水凝胶的合页型纸基微流控芯片(HPMC),用于灵敏检测Pb^(2+).该芯片由DNA水凝胶敏感阀门和纸基毛细微通道两部分组成,水凝胶阀门在Pb^(2+)的作用下控制被测液进入毛细微通道的速度,通过肉眼读取被测液在一定时间内... 详细信息

本文构建了一种结合DNA水凝胶的合页型纸基微流控芯片(HPMC),用于灵敏检测Pb^(2+).该芯片由DNA水凝胶敏感阀门和纸基毛细微通道两部分组成,水凝胶阀门在Pb^(2+)的作用下控制被测液进入毛细微通道的速度,通过肉眼读取被测液在一定时间内流过毛细微通道的距离,无需外接设备即可实现Pb^(2+)的定量检测.该HPMC能实现不同浓度(1~500 nmol/L)Pb^(2+)溶液的裸眼定量检测,检测限为0.3 nmol/L.通过对化妆品中Pb^(2+)的定量检测证明了该装置的实用性,为现场检测Pb^(2+)提供了一个快速、便携、灵敏和高选择性的可视化平台.

关键词：铅离子 DNA水凝胶纸基微流控可视化检测