微流控紫外吸收检测系统的设计与实现
这是一篇关于紫外吸收检测,微流控,数字调压,上位机的论文, 主要内容为有机磷农药因低毒及低残留的特点,占我国农药使用量的七成以上,经常接触会导致多种疾病甚至诱变致癌,需要及时有效的检测人体摄入的有机磷含量。酪氨酸加合物是有机磷农药中毒的生物标记物,应用微流控技术对含待测物进行生物、化学相关的检测分析,是如今研究热点之一。微流控芯片技术通过将微沟道及微储液池等微小结构集成到很小的芯片上,控制沟道流体穿过检测系统,达到分析检测的目的。在微流控检测方法中,紫外吸收检测的适用范围较广。本文基于微流控紫外吸收检测的方法,设计了检测系统的硬件电路、下位机程序和上位机软件,以实现对酪氨酸加合物的检测功能。系统使用ADS1256采集经过滤波缓冲处理过的光电信号,经过模数转换后的数据通过SPI方式传送至MCU(STM32F103C8T6),再通过USB串口传输到使用C#语言设计的上位机中。上位机对经串口送达的数据以文本及图形化的方式显示、保存、数字滤波和吸光度分析。同时上位机还可以数字化调节、控制毛细管电泳电压,其指令经MCU接收后通过DAC8552作为调压信号,调节高压电源模块的输出电压,并通过固态继电器的串联实现了对高压线路快速、安全的通断。经测试,检测系统光电采集电路无光照射时系统噪声约为±0.1m V,光照饱和时系统噪声约为±0.6m V,恒定光强光照不饱和时系统噪声约为±0.8m V,信号无明显漂移现象。实验测得DAC最大相对误差0.17%,实现了数字化调节高压输出,调压最大相对误差0.8%,系统具有良好的精度和稳定性。最后对酪氨酸加合物IMPA进行了线性检测范围测试,结果显示,在1ppm～200ppm范围内IMPA紫外光吸收响应有较好的线性度。
基于仿生微流道的汗液检测器件结构设计及应用分析
这是一篇关于仿生学,计算流体动力学,毛细力驱动,微流控,汗液检测器件的论文, 主要内容为人体汗液是一种含有水、离子、代谢产物、激素、小蛋白和多肽的生物流体,其中水占99%。汗液不仅具有维持体温、调节水分和电解质平衡的生理功能,还包含了关于人体生理和代谢状态的丰富化学信息,具有重要的临床和科研价值。近代以来伴随着世界人口的爆发式增长,人类正在面临着越来越严重的老龄化问题,各种慢性疾病不断增加使医疗系统承受着巨大的压力同时也增加了治疗费用的支出。为缓解各类就医压力,医疗保健系统正在逐步实现个人化医疗服务。要实现医疗领域运作模式的转型,实现个性化的精准医疗,需要将实时监测设备与互联网相关联,提高医疗诊断的效率,为患者和医护人员提供更积极友好的治疗和工作环境。可穿戴设备具有轻薄柔软、亲肤灵活、经济耐用等特点,同时兼具良好的传感性能,被广泛关注和研究。可穿戴式汗液传感器能够非侵入性、实时监测汗液中的生物标志物,从而为个人在分子水平上实现对自身生理的动态监测提供了机会。可穿戴汗液传感器具有卓越的性能,特别是在无创医疗监护方面有望发挥关键作用。然而,汗液传感器的实际应用受到不规则和数量的汗液分泌率的阻碍。汗液分析涉及几个阶段,包括汗液收集、提取、储存和检测。因此,汗液标本的采样对分析结果的准确性和可靠性有很大影响。传统的汗液采样是与后续步骤分离的,不能满足动态、现场、实时监测的需要,可能会导致样品蒸发、降解或污染等问题。新兴的可穿戴汗液传感器在提高汗液样本采集效率方面做了充分的研究和尝试。由能量驱动的汗液收集系统很大程度上依赖于外部电源。目前基于毛细自驱动的汗液采集端的口径十分微小,依赖于毛细管压力及材料的亲疏水性才能进入检测区域,采集端覆盖的汗腺数量极少,导致检测区域难以获得足够的汗液样本。较少的汗液采集量使汗液采集微流道的内部尺寸被迫降低从而提高了传感器的加工制造难度。为有效收集皮肤表面的汗液,减少汗液的浪费,本研究设计了一种应用于皮肤表面汗液检测器件的开放式汗液采集微流道结构,提高汗液检测器件采集端与皮肤的有效接触面积,有利于提高汗液采集总量。借鉴仿生学知识对开放式的汗液采集微流道进行结构优化来控制汗液流动,促进汗液运输。采用理论分析为基础,结构设计为依托,数值模拟与实验验证相结合的研究方法,设计并制备了开放式的汗液采集微流道结构。本课题的主要研究内容如下:(1)借鉴仿生学的概念,设计了基于维管植物的仿生毛细管汗液采集结构、基于开放式矩形槽的汗液采集微流道以及仿生仙人掌刺的楔形汗液采集微流道结构。数值模拟分析得到的结论表明,通过仿生设计得到的这几类集水结构都在一定程度上促进了表面液体的采集。其汗液收集量显著提升。不足之处在于,仿生毛细管的汗液采集结构,其液体抽吸受到毛细管排布的影响,汗液采集不均匀且造成了汗液的滞留。开放式矩形微流道和基于仙人掌楔形结构的仿生微流道在优化几何结构的基础上改善了毛细管吸收不均匀的缺点,然而大量汗液滞留在微流道内造成汗液样本的浪费,不利于汗液标本信号的获取。综上分析,从几何学的概念出发,结合平面空间的基本元素,将毛细管的毛细效应扩展到开放式矩形微通道结构中,对于扩大集汗面,增加集汗量具有重要意义。(2)为实现汗液在微流道内的有效运输,结合流体力学相关理论,在开放式微流道内进行结构设计,从大自然中寻找灵感,巧妙利用南洋杉叶片结构的特点,设计了具有南洋杉叶片仿生结构的开放式汗液采集微流道结构。以南洋杉叶片在横向和纵向两方向的叶片数量为变量,得到了横向排布方式为“0.5+1+0.5”即中间一列完整叶片两边半列叶片,且纵向叶片数量为12的叶片仿生结构排布方式。进一步得出用于汗液搜集的最佳液体接触角范围为30°～75°。在这种排布下的微流体通道满足汗液采集和优先积聚的要求,兼具毛细效应所具有的拉普拉斯压力。(3)光固化3D打印制备汗液采集微流道结构并进行液体吸附实验,实验结果验证了数值模拟结果的可靠性,微流道内部叶片布局为横向“0.5+1+0.5”,纵向叶片数量为12的结构设计的液体吸附和运输效果是符合要求的。开发了基于开放式微流道的汗液检测器件的设计理念并给出了设计思路。综上所述,本研究设计和优化的仿生微流道结构为实现汗液大量高效采集提供了理论和实验结果的支撑,为开放式微流道在汗液检测器件的应用提供了思路。
基于离心微流控的光检测系统其应用
这是一篇关于微流控,荧光检测,化学发光检测,核酸,光检测系统的论文, 主要内容为随着医疗技术的提升,医疗设备的需求也变得越来越多样化。在此条件下,基于微流控技术的医疗设备也不断研发投入使用,其中及时诊断设备(POCT)尤为突出。与传统体检中心的大型检测仪器相比,及时诊断设备具有便携化,检测速度快,设备环境及操作人员要求低的特点,在核酸检测、蛋白质检测、免疫分析和食品安全等领域都具有非常重要的研发意义。所以本文主要是基于离心微流控平台搭建了离心微流控光检测系统,通过设计样品流程在微流控芯片上的实现,最终实现样品的检测。通过离心微流控平台和光检测的整合,完成检测物及时诊断的功能。本文基于离心微流控平台,结合光检测搭建了智能微流控光检测平台。通过电路将检测系统和离心微流控平台控制连接在仪器,将整个控制模块交予手机软件操作。整个离心微流控光检测平台由控制系统、检测模块、平台模块以及手机终端模块组成。由于在实验中需要实时监测芯片上温度的变化,我们增加了外置模块热像仪模块。我们设计了荧光检测,结构并采用荧光检测的方法完成了对胃癌外泌体中的mi RNA的检测。基于荧光检测原理我们设计出微型荧光检测结构,将其安装在荧光检测电路板上,感光模块位于荧光检测结构的信号光接收区上。通过荧光检测测试,我们搭建的系统可以完成荧光检测。我们设计了关于胃癌外泌体中的mi RNA检测的微流控芯片,将实验流程集合至芯片上。将正常外泌体与胃癌外泌体检测的结果相比较,实验结果表明胃癌外泌体中mi RNA浓度是正常外泌体中的1.5倍,表明胃癌外泌体中mi RNA要较正常外泌体高,同时表明荧光检测结构的可行性和实用性。同时我们设计了核酸提取与检测的芯片,目标实现核酸的检测。最后,我们设计了RNA检测芯片和乙肝两对半检测芯片来验证离心微流控光检测平台的直接检测效果。通过有源阀设计的RNA检测微流控芯片,一次可直接检测出四个浓度样品的检测数据,实验结果表明,待测物的浓度与检测光强强度呈线性关系,并绘制出标准曲线。乙肝两对半检测流程复杂,我们设计多层芯片复合结构以实现整个流程在芯片上自动化操作。本文基于离心微流控平台,结合微弱光检测模块和手机终端,完成离心微流控光检测的平台搭建,该平台可应用于荧光检测和直接发光检测,并最终设计出第一代产品结构。通过设计胃癌外泌体、RNA检测以及乙肝两对半检测的微流控芯片,实现了离心微流控光检测平台的功能性验证。我们的离心微流控光检测系统将在及时诊断场景下有着广阔的前景。
基于仿生微流道的汗液检测器件结构设计及应用分析
这是一篇关于仿生学,计算流体动力学,毛细力驱动,微流控,汗液检测器件的论文, 主要内容为人体汗液是一种含有水、离子、代谢产物、激素、小蛋白和多肽的生物流体,其中水占99%。汗液不仅具有维持体温、调节水分和电解质平衡的生理功能,还包含了关于人体生理和代谢状态的丰富化学信息,具有重要的临床和科研价值。近代以来伴随着世界人口的爆发式增长,人类正在面临着越来越严重的老龄化问题,各种慢性疾病不断增加使医疗系统承受着巨大的压力同时也增加了治疗费用的支出。为缓解各类就医压力,医疗保健系统正在逐步实现个人化医疗服务。要实现医疗领域运作模式的转型,实现个性化的精准医疗,需要将实时监测设备与互联网相关联,提高医疗诊断的效率,为患者和医护人员提供更积极友好的治疗和工作环境。可穿戴设备具有轻薄柔软、亲肤灵活、经济耐用等特点,同时兼具良好的传感性能,被广泛关注和研究。可穿戴式汗液传感器能够非侵入性、实时监测汗液中的生物标志物,从而为个人在分子水平上实现对自身生理的动态监测提供了机会。可穿戴汗液传感器具有卓越的性能,特别是在无创医疗监护方面有望发挥关键作用。然而,汗液传感器的实际应用受到不规则和数量的汗液分泌率的阻碍。汗液分析涉及几个阶段,包括汗液收集、提取、储存和检测。因此,汗液标本的采样对分析结果的准确性和可靠性有很大影响。传统的汗液采样是与后续步骤分离的,不能满足动态、现场、实时监测的需要,可能会导致样品蒸发、降解或污染等问题。新兴的可穿戴汗液传感器在提高汗液样本采集效率方面做了充分的研究和尝试。由能量驱动的汗液收集系统很大程度上依赖于外部电源。目前基于毛细自驱动的汗液采集端的口径十分微小,依赖于毛细管压力及材料的亲疏水性才能进入检测区域,采集端覆盖的汗腺数量极少,导致检测区域难以获得足够的汗液样本。较少的汗液采集量使汗液采集微流道的内部尺寸被迫降低从而提高了传感器的加工制造难度。为有效收集皮肤表面的汗液,减少汗液的浪费,本研究设计了一种应用于皮肤表面汗液检测器件的开放式汗液采集微流道结构,提高汗液检测器件采集端与皮肤的有效接触面积,有利于提高汗液采集总量。借鉴仿生学知识对开放式的汗液采集微流道进行结构优化来控制汗液流动,促进汗液运输。采用理论分析为基础,结构设计为依托,数值模拟与实验验证相结合的研究方法,设计并制备了开放式的汗液采集微流道结构。本课题的主要研究内容如下:(1)借鉴仿生学的概念,设计了基于维管植物的仿生毛细管汗液采集结构、基于开放式矩形槽的汗液采集微流道以及仿生仙人掌刺的楔形汗液采集微流道结构。数值模拟分析得到的结论表明,通过仿生设计得到的这几类集水结构都在一定程度上促进了表面液体的采集。其汗液收集量显著提升。不足之处在于,仿生毛细管的汗液采集结构,其液体抽吸受到毛细管排布的影响,汗液采集不均匀且造成了汗液的滞留。开放式矩形微流道和基于仙人掌楔形结构的仿生微流道在优化几何结构的基础上改善了毛细管吸收不均匀的缺点,然而大量汗液滞留在微流道内造成汗液样本的浪费,不利于汗液标本信号的获取。综上分析,从几何学的概念出发,结合平面空间的基本元素,将毛细管的毛细效应扩展到开放式矩形微通道结构中,对于扩大集汗面,增加集汗量具有重要意义。(2)为实现汗液在微流道内的有效运输,结合流体力学相关理论,在开放式微流道内进行结构设计,从大自然中寻找灵感,巧妙利用南洋杉叶片结构的特点,设计了具有南洋杉叶片仿生结构的开放式汗液采集微流道结构。以南洋杉叶片在横向和纵向两方向的叶片数量为变量,得到了横向排布方式为“0.5+1+0.5”即中间一列完整叶片两边半列叶片,且纵向叶片数量为12的叶片仿生结构排布方式。进一步得出用于汗液搜集的最佳液体接触角范围为30°～75°。在这种排布下的微流体通道满足汗液采集和优先积聚的要求,兼具毛细效应所具有的拉普拉斯压力。(3)光固化3D打印制备汗液采集微流道结构并进行液体吸附实验,实验结果验证了数值模拟结果的可靠性,微流道内部叶片布局为横向“0.5+1+0.5”,纵向叶片数量为12的结构设计的液体吸附和运输效果是符合要求的。开发了基于开放式微流道的汗液检测器件的设计理念并给出了设计思路。综上所述,本研究设计和优化的仿生微流道结构为实现汗液大量高效采集提供了理论和实验结果的支撑,为开放式微流道在汗液检测器件的应用提供了思路。
基于离心微流控的光检测系统其应用
这是一篇关于微流控,荧光检测,化学发光检测,核酸,光检测系统的论文, 主要内容为随着医疗技术的提升,医疗设备的需求也变得越来越多样化。在此条件下,基于微流控技术的医疗设备也不断研发投入使用,其中及时诊断设备(POCT)尤为突出。与传统体检中心的大型检测仪器相比,及时诊断设备具有便携化,检测速度快,设备环境及操作人员要求低的特点,在核酸检测、蛋白质检测、免疫分析和食品安全等领域都具有非常重要的研发意义。所以本文主要是基于离心微流控平台搭建了离心微流控光检测系统,通过设计样品流程在微流控芯片上的实现,最终实现样品的检测。通过离心微流控平台和光检测的整合,完成检测物及时诊断的功能。本文基于离心微流控平台,结合光检测搭建了智能微流控光检测平台。通过电路将检测系统和离心微流控平台控制连接在仪器,将整个控制模块交予手机软件操作。整个离心微流控光检测平台由控制系统、检测模块、平台模块以及手机终端模块组成。由于在实验中需要实时监测芯片上温度的变化,我们增加了外置模块热像仪模块。我们设计了荧光检测,结构并采用荧光检测的方法完成了对胃癌外泌体中的mi RNA的检测。基于荧光检测原理我们设计出微型荧光检测结构,将其安装在荧光检测电路板上,感光模块位于荧光检测结构的信号光接收区上。通过荧光检测测试,我们搭建的系统可以完成荧光检测。我们设计了关于胃癌外泌体中的mi RNA检测的微流控芯片,将实验流程集合至芯片上。将正常外泌体与胃癌外泌体检测的结果相比较,实验结果表明胃癌外泌体中mi RNA浓度是正常外泌体中的1.5倍,表明胃癌外泌体中mi RNA要较正常外泌体高,同时表明荧光检测结构的可行性和实用性。同时我们设计了核酸提取与检测的芯片,目标实现核酸的检测。最后,我们设计了RNA检测芯片和乙肝两对半检测芯片来验证离心微流控光检测平台的直接检测效果。通过有源阀设计的RNA检测微流控芯片,一次可直接检测出四个浓度样品的检测数据,实验结果表明,待测物的浓度与检测光强强度呈线性关系,并绘制出标准曲线。乙肝两对半检测流程复杂,我们设计多层芯片复合结构以实现整个流程在芯片上自动化操作。本文基于离心微流控平台,结合微弱光检测模块和手机终端,完成离心微流控光检测的平台搭建,该平台可应用于荧光检测和直接发光检测,并最终设计出第一代产品结构。通过设计胃癌外泌体、RNA检测以及乙肝两对半检测的微流控芯片,实现了离心微流控光检测平台的功能性验证。我们的离心微流控光检测系统将在及时诊断场景下有着广阔的前景。
基于微流控的可变刚度柔性机器人设计及其控制技术研究
这是一篇关于微流控,超弹性材料,可变刚度,柔性机器人的论文, 主要内容为传统机器人因其刚性的机械结构,适用于高精度或者大负载的工作场合。但这种刚性结构特性,也致使传统机器人缺乏柔顺性,使机器人对复杂狭小的工作环境的适应性降低,限制了机器人性能的发挥。柔性机器人凭借柔顺的特性具有出色的环境适应性,但也有许多性能没有达到最初设想的指标,如依赖外源驱动、运动控制困难、负载能力不强等。但利用材料相变,使机器人运动时保持柔性状态,在特定工作场合转变为刚性状态,同时实现无源驱动,可提高柔性机器人的应用范围。本文主要设计制作一种基于微流控的可变刚度柔性机器人,并对其控制技术进行研究;利用由Ecoflex制作的超弹性材料腔体和关节骨架组成的执行器进行动作的执行,对超弹性材料腔体进行有限元分析,并进行实验结果验证,建立了执行器的运动方程;设计微流控系统以将流体驱动和控制部件集成机器人本体中,设计了变刚度系统,实现机器人无源驱动和刚度转变。具体研究内容如下:确定了机器人的运动形式以及执行器超弹性材料腔体的结构,利用ABAQUS对不同几何参数的超弹性材料腔体进行有限元分析,探究了机器人执行器不同结构参数对其性能的影响,并进行了腔体多自由度受力的分析。基于有限元分析结果,对机器人的整体结构进行设计;对执行器超弹性材料腔体和关节骨架进行设计优化,以满足加工需要;对执行器各部件及变刚度系统进行制作和装配。依据超弹性材料腔体的特点,设计与之匹配的微流控系统对驱动流体进行控制;选取隔膜泵作为微流控系统的动力源,设计微流控芯片和微阀,实现单腔体的执行器伸长和收缩的运动。设计制作微流控系统控制电路,利用脉冲宽度调制技术对隔膜泵流量进行控制,利用L9110芯片对微阀状态进行控制,并利用温度传感器监测执行器温度,以获取液态合金状态。搭建基于微流控的可变刚度柔性机器人系统及实验平台,进行伸缩型执行器运动性能实验、抓取应用型执行器姿态实验、执行器变刚度功能实验和微流控系统控制实验;建立伸缩型执行器和抓取应用型执行器的运动方程式,验证变刚度系统和微流控系统的各项功能。
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