生命分析微流控芯片的多尺度应用:从分子水平到个体水平

微流控芯片技术是多学科、多领域交叉的新兴分析技术,具有微型化、集成化、高通量、低消耗、高灵敏、分析速度快等特点。如今,微流控芯片技术已发展成为自然科学研究中不可或缺的技术平台,展现出巨大的优势,尤其在生命科学研究中得到了广泛应用。该文概述了近年来微流控芯片技术在分子水平、细胞水平、组织器官水平和生物个体水平等多个尺度上的应用,并对其发展前景进行了展望。     

基于高光谱成像的小麦白粉病与条锈病识别

小麦白粉病和条锈病是我国两种最普遍、最具破坏性的小麦病害,且田间常常混合发生。由于病源和发病机理不同,有必要对这两种病害进行准确区分和识别,以采取不同的防治措施。基于ImSpector V10E高光谱成像系统采集的条锈菌侵染叶片、白粉菌侵染叶片和健康叶片(共计320个)在375～1 017 nm范围内的高光谱图像,利用高斯平滑等预处理方法得到三种小麦叶片的平均光谱曲线,发现小麦白粉病和条锈病的敏感波段均集中在550～680 nm的色素强吸收位置,且趋势基本一致。针对两种病害的响应波段交叉重叠的问题,通过主成分分析-载荷法(PCA)、连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)对小麦叶片的光谱信息进行有效降维,分别优选出3、6、30个敏感波段和特征波长;在此基础上,采用最小二乘-支持向量机和极限学习机两种分类算法分别基于全波段、PCA、SPA和CARS的优选波段,建立白粉病、条锈病和健康叶片的判别模型。结果表明,8种模型的准确识别率均在94.58%以上。其中,主成分分析-载荷法结合极限学习机模型最优,训练集与校正集的正确识别率分别为99.18%和100%,且结构简单,仅含有三个变量(占全波段的1.1%)。最后,通过对小麦白粉病、条锈病以及健康叶片的显微结构分析,发现病菌入侵叶片,破环细胞结构,导致叶绿素含量减少,光合作用效能降低,进而使得小麦在可见光波段光吸收程度减弱,反射率增大。可见,利用作物的高光谱图像信息能够准确地识别不同类型的小麦病害,为研发作物病害在线识别的多光谱系统提供重要的理论依据。     

LS-SVM的梨可溶性固形物近红外光谱检测的特征波长筛选

为提高梨可溶性固形物含量(soluble solids content,SSC)的近红外光谱模型的精度和稳定性,以160个梨样品为实验对象,分别对原始光谱、多元散射校正(MSC)和标准正态变量变换(SNV)处理后的光谱,经无信息变量消除算法(UVE)挑选后,再结合遗传算法(GA)和连续投影算法(SPA),筛选梨可溶性固形物的近红外光谱特征波长。将筛选后的波长作为输入变量建立梨可溶性固形物的最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型。结果表明经过SNV-UVE-GA-SPA从全波段3112个波长中筛选出的30个特征波长建立的梨可溶性固形物LS-SVM模型效果最好,该模型的预测集相关系数(R_p)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.956和0.271。该模型简单可靠,预测效果好,能满足梨的可溶性固形物含量的快速检测,为在线检测和便携式设备开发提供了理论基础。     

特征变量优选在苹果可溶性固形物近红外便携式检测中的应用

为实现苹果可溶性固形物(SSC)的便携式快速检测,利用环形光纤探头和微型光谱仪搭建便携式苹果可溶性固形物光谱采集系统,结合无信息变量消除(UVE)、遗传算法(GA)、竞争性自适应加权(CARS)算法筛选基于偏最小二乘(PLS)的苹果可溶性固形物的近红外光谱特征波长。另外,采用反向区间最小二乘支持向量机(BiLS-SVM)和GA算法优选基于LS-SVM的特征波长变量,分别建立所选特征波长和全波段的PLS模型和LS-SVM模型。试验结果表明,经过GA-CARS算法从全波段1 512个波长中筛选出的50个特征波长建立的PLS模型效果最好,其预测相关系数和预测均方根误差分别为0.962和0.403°Brix。利用该检测装置结合GA-CARS筛选的特征波长,可有效简化苹果可溶性固形物近红外便携式检测模型并提高模型的预测精度,为进一步构建便携式苹果可溶性固形物检测设备奠定了基础。     

基于生物延迟发光评价玉米萌发期抗旱性的方法

玉米种子萌发期抗旱性评价是节水农业研究中的难点和热点问题之一,生物延迟发光分析技术的应用有可能解决这一问题。采用生物延迟发光评价方法研究了玉米种子萌发期的抗旱性能力,探讨了在渗透势-0.1 MPa和-0.3 MPa的PEG-6000溶液中萌发的玉米品种万瑞168号和堰单8号延迟发光的变化规律。结果表明,万瑞168号和堰单8号玉米品种的延迟发光积分强度都随着萌发进程逐渐升高,-0.1 MPa和-0.3 MPa的PEG-6000溶液形成的干旱胁迫对两个玉米品种延迟发光积分强度的升高有不同的抑制作用,胁迫强度越大,两个品种延迟发光积分强度的差异就越大。研究还发现,在干旱胁迫下萌发的万瑞168号和堰单8号玉米延迟发光相对变化率R_DL与种子萌发抗旱指数和储藏物质转运率的变化是一致的,依据干旱胁迫下种子萌发过程中延迟发光积分强度相对变化率R_DL的大小可以评价玉米种子萌发期抗旱性的强弱。     

多光谱法结合分子对接研究柠檬黄与牛血清白蛋白的相互作用

采用荧光光谱法、同步荧光光谱法、三维荧光光谱法、紫外光谱法以及分子对接法研究了柠檬黄与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用。柠檬黄与BSA相互作用的荧光光谱分析表明柠檬黄能有效猝灭BSA的内源荧光,根据Stern-Volmer方程计算得到柠檬黄对BSA的荧光猝灭常数K_SV随着温度的升高而逐渐降低,表明柠檬黄对BSA的荧光猝灭过程属于静态猝灭;通过静态猝灭双对数公式计算结合常数K_A为4.335×107 L·mol-1(293 K),结合位点数n约为1,说明柠檬黄与BSA有很强的结合能力,且形成了一个结合位点;根据Van’t Hoff方程确定柠檬黄与BSA结合过程中的热力学参数ΔH=-154.5 kJ·mol-1,ΔS=-387.8 J·mol-1·K-1,ΔG＜0,两者之间的作用力主要为氢键和范德华力,且该结合过程是自发进行的;根据Förster非辐射能量转移理论计算得到结合距离r为3.310 nm,说明柠檬黄与BSA相互作用过程中发生了非辐射能量转移;同步荧光光谱分析表明,随着柠檬黄浓度的增加,Tyr残基和Trp残基的荧光强度都逐渐降低,表明Tyr残基和Trp残基均参与了柠檬黄与BSA的作用过程;三维荧光光谱分析表明柠檬黄的加入引起peak 1和peak 2的峰强度显著降低,同时peak 2的发射波长发生了变化,表明BSA的肽链结构发生了改变;随着柠檬黄浓度的增加,BSA的紫外吸收峰峰值逐渐增大;光谱分析结果表明柠檬黄与BSA的结合使BSA的构象发生改变,从而改变Trp残基和Tyr残基周围微环境,导致其发光效率降低;分子对接表明柠檬黄结合在BSA的Ⅲb亚域,柠檬黄周围的氨基酸残基主要包括：Phe506,Thr507,Ala527,Leu528,Met547,Gly571,Pro572,Leu574,Val575,Thr578。柠檬黄与BSA间主要通过范德华力与极性不带电荷的Thr507,Thr578残基作用。苯环磺酸基O与Thr507残基侧链-OH的H形成氢键。柠檬黄周围也存在非极性氨基酸残基,因此,疏水作用也可能是柠檬黄与BSA间非共价作用方式之一。该研究有助于了解柠檬黄与BSA的作用机制,为揭示柠檬黄在生物体内的分布、代谢及毒理作用机制等提供参考。     

基于近红外光谱的柔性基底紫外臭氧改性效果表征研究

近年来,随着纳米科技、聚合物材料和先进制造技术的发展,以柔性传感器为代表的新兴柔性电子器件在可穿戴、健康医疗、物联网终端等领域发挥着越来越重要的作用。作为柔性电子器件的载体,柔性基底对传感器的机械可靠性和电学传感性能等方面有着重要的意义。但由于其表面非极性键造成的高疏水性限制了功能性材料在其表面的沉积,常常造成柔性基底层与电极层/敏感层之间不稳定的界面结合。因此,利用紫外臭氧处理对柔性基底表面改性受到了广泛的关注。利用近红外光谱技术对柔性基底的紫外臭氧处理效果进行快速精准评估,旨在从基团分子层面探究其改性效果,在实际应用中是对传统依靠接触角测量评估方法的有效补充。具体而言,对四种常见的柔性基底材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）进行了1/2/5/10 min不同时长的紫外臭氧（UVO）改性处理,并利用近红外光谱对其改性效果进行表征研究,最后利用接触角测量方法对上述的表征结果进行了验证分析。近红外光谱分析表明：对于柔性PDMS基底,紫外光能量不足以切断其中的甲基（—CH₃）官能团和（—C—Si—）等化学键,无法引入羟基、羧基等亲水性基团。对于柔性PEN和PET基底而言,紫外臭氧处理的效果要优于柔性PDMS基底,且对柔性PET基底的处理效果要优于柔性PEN基底,其原因可能是PEN基底材料中萘环的双环结构具有很强的紫外光吸收能力,阻隔了380 nm以下的大部分紫外线能量。对于柔性PI基底,紫外臭氧处理可以有效引入羟基（—OH）和羧基（—COOH）等活性基团,且这些官能团的强度和数量随着处理时间的增加而增加,从而在短时间内使得PI基底表面能增大、接触角减小、湿润性提高。接触角测试结果验证：紫外臭氧处理对于柔性PDMS基底处理效果不明显（接触角下降幅度为8.4%）;对柔性PET基底处理的效果（接触角下降幅度为39.6%）要优于柔性PEN基底的处理效果（接触角下降幅度为9.4%）;紫外臭氧处理的效果对柔性PI基底处理效果最佳,接触角下降幅度达到了62.7%。     

应用ICP-AES法研究云南普洱茶稀土含量

应用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)对云南省普洱茶主产地采集的150份普洱茶样品的稀土含量进行检测研究.检测样品中稀土的含量在0.26～4.07 mg·kg-1范围.依据国家标准GB 2762-2005<食品中污染物限量>中稀土限量标准2 mg·kg-1考核,43%的普洱茶样品被检出稀土含量超标.云南普洱熟茶和生茶不同的生产工艺会造成普洱茶稀土含量的差异,并影响产品质量.云南普洱茶不同主产地区之间的稀土含量存在差异,个别地区的普洱茶稀土质量安全控制情况不容乐观.     

极低频高压脉冲电场对萌发玉米种子超弱发光的影响

生物超弱发光是来自细胞的电磁信号,在揭示电磁生物学效应的机理研究中具有重要作用.为了研究极低频脉冲电场生物学效应及其机理,采用基于玉米细胞电位波动频率的1 Hz极低频高压脉冲电场处理萌发玉米种子,结果发现玉米种子的萌发过程明显加快,根长和芽长均有显著增长.对萌发种子的自发发光和延迟发光的测量结果显示,1 Hz极低频高压脉冲电场对萌发过程中玉米种子的自发发光和延迟发光积分强度都有明显的促进作用,表明1 Hz极低频高压脉冲电场加速了玉米种子萌发过程中的DNA合成和细胞代谢.     

大气电场及其对植物和农业的影响

介绍了大气电场的物理参数及其形成的物理机制,讨论了大气电场对植物和农业的影响.