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基于DNA交互网络的超灵敏miRNA生物传感器的构建

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基于DNA交互网络的超灵敏miRNA生物传感器的构建

作者：钱德富盐城工学院

学位级别：硕士

基于核酸结构多样性及其碱基配对的特异性、可预测性,近年来DNA纳米技术的发展引人注目,在生物传感、智能诊疗和信息科学等领域崭露头角。特别是基于动态DNA纳米技术可构建多种DNA交互网络,在这种网络中,DNA分子通过碱基配对规则相互连... 详细信息

基于核酸结构多样性及其碱基配对的特异性、可预测性,近年来DNA纳米技术的发展引人注目,在生物传感、智能诊疗和信息科学等领域崭露头角。特别是基于动态DNA纳米技术可构建多种DNA交互网络,在这种网络中,DNA分子通过碱基配对规则相互连接,形成复杂结构,从而实现信息存储、传输和处理等功能。目前DNA交互网络已经用于构建分子计算机、生物传感器、分子诊断系统等多个领域。MicroRNA（miRNA）是一种编码RNA,在人类生理过程中发挥着重要作用。越来越多的证据表明,miRNA的表达与疾病相关,特别是在癌症相关的疾病中,都能检测到异常表达的miRNA。人体中miRNA通常丰度较低,针对这一问题,已经开发了多种核酸扩增方法用于miRNA的检测,包括聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction,PCR）、杂交链式反应（Hybridization Chain Reaction,HCR）、滚环扩增（Rolling Circle Amplification,RCA）、熵驱动DNA回路（Entropy Driven DNA Circuit,EDC）等。为规避上述扩增方法中繁琐的变温操作、敏感的生物酶或可能的副反应,本文基于DNA交互网络和功能纳米材料,构建了三个指数级无酶等温生物信号放大系统,用于超灵敏检测癌症靶标miRNAs。主要研究内容如下:1.设计了一个具有较高原子经济性的新型EDC-DNAzyme交互网络,并将其用于miRNA-122的超灵敏、双模式检测。通过精心设计,该生物传感器实现了EDC模块中DNA链的100%利用,并在EDC模块的底物链上设计了一段DNAzyme序列作为反馈系统,而将剩余的DNA链设计为信号探针,从而构建了EDC-DNAzyme级联互穿网络。miRNA-122的存在会启动EDC模块,释放出的Output DNA打开锁定的DNAzyme序列,在作为辅酶因子的Mn存在下形成具有催化裂解功能的DNAzyme,其在不断裂解底物过程中生成目标类似物以进行正向反馈,并触发新的EDC系统,如此循环并积累大量信号探针量子点。将游离量子点进行磁分离后,通过荧光/光电双信号表达,实现了对miRNA-122的超灵敏、自确认检测;实验测得在三倍信噪比处的荧光信号的检测限为0.153 a M,光电信号的检测限为0.75 a M,二者的线性范围都是0.160 a M～160 f M。2.提出了一种新型双循环DNAzyme交互作用网络,用于miRNA-122的超灵敏荧光传感。首先在FeO@Si O表面固定一条DNAzyme链Z,并与Cd Te QDs功能化的输出链O自组装在超顺磁性基底上。引入靶标T（miRNA-122）后,通过一次链置换反应释放出原先被锁定的关键链K,随后释放的K链与上述基底上暴露的粘性末端结合,通过第二次链置换反应释放出Cd Te QDs-O,并同时打开了被锁住的DNAzyme链Z。解锁后的DNAzyme链Z在Mn辅助下能够切割从燃料链释放的T（miRNA-122）的类靶标T*用于启动下一个DNAzyme,如此循环从而导致信号持续得到正向反馈。基于DNAzyme切割燃料链释放T*的内循环和靶标T或类靶标T*不断打开新的DNAzyme的外循环之间的交互作用,使得输出的Cd Te QDs-O可以得到指数级积累。运行一定时间后,通过磁分离终止上述反应进程,并将溶液中释放出的Cd Te QDs-O用于荧光检测。由于没有燃料,网络无法进行双循环,通过比较加入燃料的双循环网络与没有燃料的网络运行后产生的荧光信号,计算得出双循环DNAzyme交互作用网络的放大能力比后者高出八个数量级。因此该荧光传感器实现了对miRNA-122的超灵敏检测,检测限低至84 z M,线性范围为500 z M至5 f M。3.基于天然网络中细胞信号转导机制,提出并设计了一种新型熵驱动DNA回路-时空调控动态网络（EDC-CDN）的级联反馈网络,在靶标存在时,EDC启动并组装动态网络,动态网络中的DNAzyme模块可以随着靶标浓度的变化而相应的上调和下调,其中上调和下调模块分别用于不同的信号响应,上调模块通过诱导Ag@Pt三角片的聚集,改变其催化能力来影响TMB显色,用作比色/光热传感器。下调模块通过磁分离量子点来产生荧光信号的变化,用于构建荧光传感器。三种信号可以相互验证,提升了检测的准确性。该设计策略将具有级联、反馈和时空调控性能的DNA动态网络用于构建多模传感平台,为模拟天然网络的系统化学提供了新的应用途径。

关键词： DNA交互网络量子点超顺磁性Fe3O4 生物传感器 DNA酶 miRNA检测

合理使用阴道镜检查,提高评估子宫颈癌前病变的准确性

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中国实用妇科与产科杂志 2024年第1期40卷 26-28页

作者：钱德英广东省人民医院妇产科广东广州510080

阴道镜是一门易学难精的技术,阴道镜医生需要获得专业培训,掌握阴道镜检查适应证,规范阴道镜检查操作过程,避免各种可能失误,才能保证阴道镜检查的准确性。

关键词：阴道镜检查规范准确性

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面向GPU并行编程的线程同步综述

软件学报 2024年第2期35卷 1028-1047页

作者：高岚赵雨晨张伟功王晶钱德沛首都师范大学信息工程学院北京100048 中国人民大学信息学院北京100872 北京航空航天大学计算机学院北京100191

并行计算已成为主流趋势.在并行计算系统中,同步是关键设计之一,对硬件性能的充分利用至关重要.近年来,GPU(graphic processing unit,图形处理器)作为应用最为广加速器得到了快速发展,众多应用也对GPU线程同步提出更高要求.然而,现有GP... 详细信息

并行计算已成为主流趋势.在并行计算系统中,同步是关键设计之一,对硬件性能的充分利用至关重要.近年来,GPU(graphic processing unit,图形处理器)作为应用最为广加速器得到了快速发展,众多应用也对GPU线程同步提出更高要求.然而,现有GPU系统却难以高效地支持真实应用中复杂的线程同步.研究者虽然提出了很多支持GPU线程同步的方法并取得了较大进展,但GPU独特的体系结构及并行模式导致GPU线程同步的研究仍然面临很多挑战.根据不同的线程同步目的和粒度对GPU并行编程中的线程同步进行分类.在此基础上,围绕GPU线程同步的表达和执行,首先分析总结GPU线程同步存在的难以高效表达、错误频发、执行效率低的关键问题及挑战;而后依据不同的GPU线程同步粒度,从线程同步表达方法和性能优化方法两个方面入手,介绍近年来学术界和产业界对GPU线程竞争同步及合作同步的研究,对现有研究方法进行分析与总结.最后,指出GPU线程同步未来的研究趋势和发展前景,并给出可能的研究思路,从而为该领域的研究人员提供参考.

关键词：通用图形处理器(GPGPU) 并行编程线程同步性能优化

TC21合金在不同温度下进行连续多步置氢处理时的显微组织及室温力学性能

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第5期34卷 1520-1532页

作者：袁宝国钱德国张小雪陈强汤爱闯合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009 安徽三联学院机械工程学院合肥230601 西南技术工程研究所重庆400039

利用OM、XRD、TEM以及压缩试验等方法研究TC21钛合金经不同温度连续多步置氢处理后的显微组织及室温力学性能。结果表明:当氢处理温度超过1073 K时,α相的尺寸明显降低,β相成为主要相。随着氢处理温度的升高,δ氢化物的含量呈先增加后... 详细信息

利用OM、XRD、TEM以及压缩试验等方法研究TC21钛合金经不同温度连续多步置氢处理后的显微组织及室温力学性能。结果表明:当氢处理温度超过1073 K时,α相的尺寸明显降低,β相成为主要相。随着氢处理温度的升高,δ氢化物的含量呈先增加后逐渐降低的趋势。当氢处理温度超过1073 K时,TC21钛合金在室温压缩变形过程中出现应变软化现象,且该现象随氢处理温度的升高而越来越显著。随着氢处理温度的升高,TC21钛合金的极限变形率呈先降低后增加的趋势。当氢处理温度为1123 K时,TC21钛合金的极限变形率比原始合金增加67.51%。

关键词： TC21合金连续多步置氢处理室温力学性能压力-组成等温线

面向天河新一代超算系统通用处理器的性能分析工具集

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计算机学报 2024年第2期47卷 423-440页

作者：冯文韬栾钟治杨海龙钱德沛北京航空航天大学计算机学院北京100191

天河新一代超算系统是继天河2号后天河系列的新一代超算系统.该系统拟采用通用处理器配合加速器的混合异构架构,其中通用处理器采用ARM架构.目前,面向ARM架构处理器的性能分析工具仍不够完善,而面向新一代超算的性能分析工具更是较为匮... 详细信息

天河新一代超算系统是继天河2号后天河系列的新一代超算系统.该系统拟采用通用处理器配合加速器的混合异构架构,其中通用处理器采用ARM架构.目前,面向ARM架构处理器的性能分析工具仍不够完善,而面向新一代超算的性能分析工具更是较为匮乏,实用性和效率还难以满足编程人员的需求.本文针对天河新一代超算系统的通用处理器,设计开发了一套性能分析工具集,包含缓存冲突检测、伪共享检测和内存缺陷检测三个子工具.工具集可以在天河新一代超算系统的普通用户权限下分析系统单节点内以及数据并行性较高的多节点程序的性能问题,并可以解决程序的内存问题.本文使用min-write、缓存行对齐填充、线程访问隔离等多种性能优化策略来提高工具性能,采用以上策略的工具的运行时间可至多减少至原先的1/20,同时使用新颖的红区检测法和红区隐藏与恢复机制来降低工具报告的假错误率.本文还开发了配套的可视化界面,使用户可以对程序的性能分析数据进行可视化的分析和处理,提高了工具的实用性和易用性.工具对程序执行带来的额外时间开销是40~100倍,额外内存开销是100~200倍,正确性和实用性得以保证,可以提高天河新一代超算系统的编程效率和程序性能.

关键词：性能分析工具天河新一代超算系统伪共享检测内存缺陷检测程序优化

采用潮流控制器的贯通型牵引供电系统负序治理模型及控制策略

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中国铁道科学 2024年第1期45卷 155-161页

作者：郭旭刚中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所北京100081

针对树形双边贯通牵引供电系统负序导致的电力系统侧公共连接点处三相电压不平衡问题,提出在树形双边贯通牵引供电系统中加装由降压变压器、潮流控制器(PFC)和控制器组成的补偿装置进行功率转移的负序补偿方案;在建立采用PFC的贯通型牵... 详细信息

针对树形双边贯通牵引供电系统负序导致的电力系统侧公共连接点处三相电压不平衡问题,提出在树形双边贯通牵引供电系统中加装由降压变压器、潮流控制器(PFC)和控制器组成的补偿装置进行功率转移的负序补偿方案;在建立采用PFC的贯通型牵引供电系统拓扑结构和数学模型的基础上,设计合理的约束参数和控制策略,通过控制补偿装置改变电力系统侧功率分布,从而实现负序补偿;采用MATLAB/Simulink仿真试验平台,分析补偿装置所需容量随负序补偿程度的变化规律,并计算最小化负序补偿容量,对补偿方案进行验证。结果表明:基于功率转移的负序补偿方案能够灵活调节公共连接点处负序功率和无功功率含量;可将公共连接点处三相电压不平衡度的最大值降低至4%,95%统计值降低至2%,满足了国家标准,从而验证了基于功率转移负序补偿方案的有效性。

关键词：牵引供电系统贯通供电负序补偿无功补偿潮流控制器

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以数字孪生技术促进应急治理现代化

国家治理 2024年第3期 35-40页

作者：钱德沛中国科学院北京航空航天大学计算机学院

现代社会的应急治理不仅需要在危机发生之后的快速响应,更需要危机发生前的预测和预防,这就要求对可能发生的突发危机事件预先作出研判,制定有效应对各种情况的预案,并且对可能出现的危机预先采取措施,防止危机的发生。利用最新信息技术... 详细信息

现代社会的应急治理不仅需要在危机发生之后的快速响应,更需要危机发生前的预测和预防,这就要求对可能发生的突发危机事件预先作出研判,制定有效应对各种情况的预案,并且对可能出现的危机预先采取措施,防止危机的发生。利用最新信息技术,我们可以在数字空间也就是虚拟空间中构建与真实物理世界相对应的数字孪生系统,通过在数字孪生系统中对真实的应急治理系统进行模拟、验证和优化,可以提高真实系统对未知和潜在危机事件的应对能力,改善真实系统的预测性和预防性,促进应急治理现代化。

关键词：应急治理数字孪生技术高性能计算人工智能

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风积沙充填网箱承载性能的数值模拟分析

煤炭科学技术 2024年

作者：张志义赵博管伟明储春妹钱德雨新疆大学地质与矿业工程学院新疆矿产资源绿色开发与生态修复省部共建协同创新中心长安大学地质工程与测绘工程学院中国矿业大学矿业工程学院

风积沙在我国西北地区广泛分布，是理想的固体充填材料，提供侧向约束是利用这种散状颗粒材料的有效方式。以风积沙充填网箱为研究对象，通过单轴压缩实验、数值模拟实验和理论分析对其承载性能进行了研究，研究结果表明：由单轴压缩实... 详细信息

风积沙在我国西北地区广泛分布，是理想的固体充填材料，提供侧向约束是利用这种散状颗粒材料的有效方式。以风积沙充填网箱为研究对象，通过单轴压缩实验、数值模拟实验和理论分析对其承载性能进行了研究，研究结果表明：由单轴压缩实验可知风积沙箱式充填体模型破坏时峰值应力随着丝径、目数的增加而增加；破坏时峰值应力随着网箱尺寸的增加而减小。大尺寸风积沙充填网箱破坏时峰值应力同样随着尺寸的增大而减小，且承载破坏均出现在边界连接处。由ANSYS对充填网箱承载变形模拟结果可知侧向约束强度是风积沙箱式充填体承载变形的关键，充填网箱承载时最大侧向变形出现在开口处附近，侧向变形分布呈现出上部大，下方小的特点；充填网箱的侧向网片为风积沙提供的侧向约束力随着网箱侧向变形量的增大而增大。当不同金属网片规格的网箱受到相同载荷时，金属网箱侧向变形量随着网箱尺寸、孔径的增大而增大，随着丝径的增大而减小；当不同网箱的侧向变形相同时，网箱为风积沙提供的侧向约束力随着网箱尺寸、孔径的增大而减小，随着丝径的增大而增大。选取网箱尺寸600mm、孔径50mm、丝径6mm的数值模拟结果与理论分析结果的网丝拉力进行了对比分析，两者得到的网丝拉力误差值在不同变形情况下均小于5%。

关键词：风积沙网箱结构有限元分析承载性能

体育强国建设背景下冠军精神在体教融合中的价值——以北京大学冠军讲堂为例

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体育视野 2024年第13期 1-3页

作者：张钱德隆北京大学外国语学院北京大学光华管理学院

概括了冠军精神的内涵与特点,分析了冠军精神在建设体育强国、传承和弘扬中华优秀传统体育文化、塑造青少年良好品格方面的积极作用,以北京大学冠军讲堂为例,阐述了体育强国建设背景下冠军精神在体教融合中的价值,探讨了冠军讲堂作为体... 详细信息

概括了冠军精神的内涵与特点,分析了冠军精神在建设体育强国、传承和弘扬中华优秀传统体育文化、塑造青少年良好品格方面的积极作用,以北京大学冠军讲堂为例,阐述了体育强国建设背景下冠军精神在体教融合中的价值,探讨了冠军讲堂作为体育育人新模式在体育强国建设中的作用。

关键词：冠军精神体育强国体教融合冠军讲堂