痕量样品高灵敏度快速测量方法与便携式系统研究

为了实现高灵敏度、快速、准确鉴定痕量病原菌核酸样品,介绍了一种痕量核酸样品高灵敏度快速测量方法,并发展了一种微流控芯片核酸等温扩增实时分子诊断技术,研制了新型微纳体系生化反应载体芯片。通过表面惰性处理降低芯片表面对生物分子的吸附影响,构建一种大数值孔径、长工作距离的便携式共焦光学检测系统,有效消除背景荧光的影响,提高了检测灵敏度。在微纳升(7μL～40nL)试剂消耗反应体系水平,实现检测灵敏度5个DNA分子拷贝数,并以呼吸道感染疾病的大肠埃希氏菌检测为例,开展临床应用研究,满足低成本临床医疗应用需要。     

基于亚微米光栅透射共振蛋白质检测模型研究

建立了一种基于亚微米光栅透射共振理论的蛋白质检测模型,设计了一种金属光栅型蛋白质检测生物传感器,运用光栅耦合激发表面等离子体共振理论对提出的模型进行了理论分析,通过计算机计算模拟,分析了蛋白质样品折射率、厚度等对透射率的影响。结果表明:透射率与样品折射率、厚度呈二阶多项式关系,并且厚度、折射率都随灵敏度的增加而增加。这种检测模型可应用在蛋白质检测传感方面。基于此方法的蛋白质检测模型具有同时检测蛋白质种类和含量、灵敏度高、实时、无需标记,便于集成芯片化,适用于批量生产、成本低等优点,在蛋白质芯片、生物分析、环境监测、生物器件研发等方面具有广泛的应用前景。     

金点阵芯片的SERS超灵敏检测

SERS技术出现在20世纪70年代,衍生于纳米技术,而今因为其高灵敏度、无损检测和原位测量等优点,被广泛应用于食品安全检测、医药诊断、材料的表征、考古、刑侦等各个领域[1,2]。SERS技术的灵敏度极高,能够达到单分子检测水平,在有害物质检测方面的应用尤为重要。基于利用贵金属层和贵金属纳米粒子产生"热点"增益的思想,制造了金点阵芯片作为活性基底,并以此为基础吸附待检测物质和金纳米粒子,构造三明治结构,实现了对孔雀石绿、罗丹明6G和三聚氰胺等物质的超灵敏检测。这种芯片具有随取随用、操作简单、测量快速便捷、灵敏度高的优点。金点阵芯片为SERS技术的推广提供了一种较好的可行方法,对SERS的研究也具有一定的意义。     

基于双光子聚合的片上光学互连（特邀）

集成光子芯片是将激光光源、低损耗波导、调制器、探测器等多类光电器件结合在一起,实现功能化集成,在高速光通讯、量子信息处理、光学传感等领域有具有重要的应用。然而由于不同的光电器件基于不同材料体系,实现多材料体系的光电器件集成极其困难。传统的异质集成和单片集成方法难以同时解决定位精度不足、低拓展性、高损耗、低带宽等一系列问题。基于飞秒激光的双光子聚合技术具有高精度和高穿透的优势,可以实现多材料体系的片上微纳光学元件增材制造,具有极高的加工自由度。本文对片上光学元件的激光增材制造这一领域进行综述,探讨了光子引线键合和微空间光路元件两种技术路径,总结了现有技术的发展现状,并对未来的发展前景进行了展望。     

基于支持向量机算法的红外光谱技术在奶粉蛋白质含量快速检测中的应用

蛋白质是奶粉中重要的营养成分,实现对奶粉中蛋白质含量的快速、无损检测十分重要。文章采用近红外及中红外光谱技术检测了不同品种奶粉的蛋白质含量。采用最小二乘支持向量机对光谱透射率值和蛋白质值建模。模型在全波段对样本蛋白质含量预测得到了较好的结果,绝对系数(R2_p)达到0.9517,预测误差均方根(RMSEP)为0.520 201。预测结果要优于传统的偏最小二乘回归(PLS)的预测结果,说明红外光谱技术能够实现奶粉蛋白质含量的无损检测,且检测过程比传统化学检测方法简单,操作性强。文章同时还研究了分别基于中红外光谱范围和近红外光谱范围的建模。模型预测结果显示中红外光谱区域的建模效果要优于近红外光谱区域。该研究为今后奶粉蛋白质含量快速无损检测提供了新的方法。     

近红外光谱技术在肉品检测中的应用和研究进展

近红外光谱(NIRS)作为新型光学检测技术在食品行业中得到广泛应用。该技术能实现肉品在线、快速、无损检测,是肉和肉制品品质分析的重要技术之一。文章综述了近红外光谱技术在肉类行业中的重要应用以及近年来的研究进展,主要包括蛋白质、脂肪及水分等影响肉类品质的化学组成成分分析,肉品感官品质如嫩度、保水性、肉色及新鲜度等指标的评价以及肉品的产地、品种等方面的鉴定。同时列举了近红外光谱技术在几种常见肉制品品质检测中的应用实例,并针对目前发展趋势展望了该技术的前景：近红外光谱技术在进一步深入研究提高肉品检测精度的基础上,通过与机器视觉技术等新型无损检测技术的融合以实现全面评价肉类品质的目标。     

真菌鉴别和检测的SERS光谱技术研究进展

真菌是一种广泛存在于自然界的病原微生物,具有细胞核、细胞壁等结构,可以引起动、植物和人类的多种疾病。真菌感染是临床上常见的感染性疾病之一,使得近年来针对真菌的高效检测及真菌相关领域的研究备受关注。目前真菌的传统检测方法主要有培养、镜检与分子生物学检测法等,均具有操作复杂、耗时等缺点。表面增强拉曼散射(SERS)技术以其不受水分子干扰、能反应分子指纹信息、检测迅速等特点在真菌的检测与鉴别领域逐渐发挥出明显的优势。在简要介绍真菌的结构特点及真菌常用的检测方法基础之上,主要针对拉曼光谱(Raman spectrum)/SRES技术在真菌检测和鉴别中的应用进行调研和讨论。首先通过对Raman/SERS技术的特点以及真菌的结构特征进行解析,根据调研Raman/SERS技术用于真菌检测的相关文献,分析了SERS技术用于真菌检测的可行性,提出SERS技术在真菌检测时会面临检测灵敏度低、信号复杂、选择性和特异性差以及信号重现性和稳定性不佳等难点。为解决以上难题,分析了SERS的增强模式,重点针对SERS的纳米增强介质材料、SERS标签(SERS tag)的信号放大效应以及SERS光谱分析技术与微流控芯片分析技术结合等SERS分析新进展,予以了系统地综述和讨论。通过纳米材料选择和纳米微结构的构建,SERS增强介质所产生的SERS增强效应在真菌鉴别以及临床疾病快速诊断中显示出巨大的发展潜力;基于SERS tag产生的信号放大机制,可以有效提高真菌SERS检测的灵敏度、特异性和重现性;在微流控芯片中设计和集成SERS增强纳米微结构,构建基于SERS tag 的信号放大策略,开展针对真菌的快速高效测试方法研究,更有望实现真菌样本的高通量及高内涵SERS检测,其在真菌的鉴别和检测上显示出巨大的研究价值和应用前景。     

磁致旋光增强效应与微量样品旋光检测方法

微流控光学检测系统的微型化和集成化是微流控技术的发展趋势,微量液体物质的旋光检测也是微流控光学技术的重要研究课题之一.分析了内含磁致旋光介质的旋光反射腔的偏光特性,理论预言这种旋光反射腔具有旋光增强效应,在此基础上提出了微量样品的旋光增强检测方法和器件设计原理.研究结果表明,该方法可以在小光程限制条件下显著提高磁旋光介质的检测灵敏度.在不考虑样品吸收的情况下.旋光增强法与普通消光法的检测灵敏度之比的极限约为78.5.该方法可以应用于微流控系统的旋光检测以及实现磁旋光仪器的小型化和微型化.     

光学读出非制冷红外成像技术的光学灵敏度分析

不同于传统的非制冷红外成像技术,提出了基于微电子机械系统(MEMS)的新概念光学读出非制冷红外成像技术。它的光学读出系统基于空间刀口滤波原理,具有高灵敏度、高分辨率和高抗震性等优点,但同时也受到了反光板的弯曲变形、粗糙度等复杂因素的影响。在大量实验数据的基础上,利用夫琅禾费近场衍射理论,建立了复杂因素下光学灵敏度的理论分析模型,详细分析了刀口滤波位置、反光板的长度、曲率半径、粗糙度、LED光源的强度以及扩展宽度等对光学灵敏度的影响,并提出了通过极限操作使系统的光学灵敏度最大化的光学优化方法。     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科一“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展：包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科—“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展:包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

基于微流控芯片的层流技术和SERS方法定量葡萄糖

通过玻璃微流控芯片的层流技术,使具有4-巯基苯硼酸(4-MPBA)功能化的纳米银作为探针分子,在Y型芯片的层流过程中通过发生聚集并且能够特异性地识别捕获葡萄糖分子,使得4-MPBA的SERS信号发生了明显的增强,实现对葡萄糖的定量检测。该方法成功用于葡萄糖的检测,且在人体的正常生理范围内呈现良好的线性关系。该方法有较高的灵敏度,较强的选择性,能实现实时原位检测。该检测方法最低检测浓度可以达到1mg·dL-1。     

表面增强拉曼光谱在食源性致病微生物检测中的应用研究

食源性致病微生物导致的食源性疾病已成为全球化的公共卫生问题。快速、有效地检测食源性致病微生物是实现食源性疾病预防与控制的关键环节，也是保障食品安全的技术关键。表面增强拉曼光谱(SERS)具有简单、快速、灵敏度高等优点，在食品安全、生物医学、环境监控等领域展现出良好的应用前景。介绍了近年来SERS在食源性致病微生物检测中的应用研究进展。对SERS技术概况、SERS增强理论及SERS增强基底进行了简要介绍，重点回顾了SERS在食源性致病微生物检测中的应用和发展现状。在食品安全分析方面，利用SERS与模式识别方法相结合对食品中常见食源性致病微生物能实现快速、有效鉴别，部分研究已应用于不同食品样品的分析，体现了SERS作为“指纹图谱”的分析优势；在医学诊断方面，SERS可对病理样品(如血液、尿液等)中食源性致病微生物进行快速检测，缩短了样本分析时间，使食源性疾病的快速诊断成为可能；随着微流控技术的发展，微流控平台结合SERS技术被称为“芯片实验室”应用于食源性致病微生物的检测，可提高分析的可控性，稳定性，特异性和灵敏度。通过对比分析，发现不同研究可采用不同分离方法、不同基底、不同目标捕获方式等实现了食源性致病微生物的检测，展示了不同方法间的差异性。已有研究表明了SERS在食源性致病微生物检测中应用可克服传统方法耗时等缺点，实现灵敏快速分析，为食品安全实时监控，食源性疾病即时诊断提供了有效的分析工具。同时，指出了SERS技术应用于食源性致病微生物分析依然面临很大挑战，(1)大多数研究并没有聚焦于实际样品，而标准培养液和实际样品的SERS检测存在较大差异，实际样品组分会对SERS响应产生干扰；(2)不同方法结果有较大差异，主要是由于纳米增强基底差异，吸附方式原理的差异，稳定性的差异等，因此需要更多深入研究进一步优化条件；(3)期望建立标准化的SERS方法替代传统技术，充分展示SERS作为新兴分析工具快速、灵敏、简捷的优势应用于食品安全，医学诊断等领域。将来，随着研究的深入及相关学科的发展，SERS作为极具潜力的快速分析工具，将在食品安全，生物医学等领域具有更广阔的应用前景。     

微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

基于芯片实验室技术的表面增强光谱学在分析科学中的应用

集成具有一序列微流控操作单元的芯片实验室技术,在微流控通道内铺陈金属纳米粒子(尤其是金、银以及铜纳米粒子)作为衬底,泵入多通道微纳升分析物,用于联用表面增强光谱在痕量、实时、原位、过程反应等检测中具有重要的意义。这种联用检测技术集成了芯片实验室和表面光谱两种技术的优点：芯片实验室技术集成流程式分步操作,实现筛选取样,分段、实时反应检测,减小样品量,稳定测试环境等优势以及表面增强光谱的光谱响应快,灵敏性和选择性强、原位检测等优点。借助于Drude模型以及适当的边界条件,外电场引发金属颗粒价电子的局域等离子振荡,并推导了产生共振的局域表面等离子增强以及受激感应偶极子振荡产生表面拉曼增强的物理电磁增强机制。综述了芯片实验室表面局域等离子检测在生物、医药、食品安全等方面的应用,检测通道的增加促使检测效率有较大的提高,同时检测限能力获得较大的突破。综述了芯片实验室技术结合表面增强拉曼光谱公共安全、生物医学、电化学和生物传感器等领域的应用, 表面增强拉曼光谱的高度灵敏性以及指纹性应用于痕量检测。根据芯片实验室技术在研究开发和应用已经获得不断的进展,结合3D打印技术,精准控制多通道结构尺寸,更好地满足设计的需求。表面等离子增强光谱以及表面增强拉曼光谱等表面光谱检测技术在应用上日趋成熟,获得突破传统显微镜的光学极限的分辨能力。这种联用技术在实际定性或者半定量痕量分析检测应用中具有光明的前景。     

微结构显微光学无损检测方法（特邀）

微纳尺度的微结构可调制光场,提高传感器的灵敏度,是新一代功能器件或传感器件中广泛使用的重要结构特征。包含微细加工在内的先进制造技术的快速发展,对多种型式微纳尺度微结构的无损测量技术提出了紧迫的需求。本文从多维视角论述了国内外行业发展中出现的微结构种类、型式,围绕具有高精度无损检测特质的光学显微技术,阐述了国内外仍在继续发展的微结构无损检测四种主流方法,分析了这些方法的技术特点、适用对象,给出了典型样品的检测结果,其中部分结果是首次发表。结果表明,暗场显微机器视觉法,是振幅型颗粒、凹坑、划痕等有害微结构的有效检测方法,可以实现大尺度样品的快速检测;共焦显微成像和低相干显微干涉法是“相位”型微结构的最佳检测方法,可以得到微结构的三维形貌;光谱反演-过焦扫描法与近红外显微干涉法,是应高深宽比微结构无损检测需求而发展起来的新方法,前者可以快速测得线宽和深度,后者可以测得物镜视场范围内高深宽比微结构的三维形貌,二者可以相互验证与补充。     

氧化石墨烯快速修饰表面等离子体共振传感芯片的研究

表面等离子体共振(SPR)是近年来兴起的一种光学检测技术。其主要利用光波经全反射后产生的倏逝场与金属相互作用而感知外界介质的折射率变化。理论上任何介质折射率变化现象的发生都能被SPR技术检测到。在实际应用中，SPR传感器存在灵敏度不高，检测信号不强等缺点，因此对提高SPR传感器检测灵敏度的研究一直备受关注。氧化石墨烯又被看成是石墨烯的氧化物，它有着与石墨烯相近似的光电学特性，但又比石墨烯更容易进行化学修饰，因此被广泛用作SPR传感芯片的表面镀层来提高灵敏度。将氧化石墨烯用于修饰SPR芯片以提高灵敏度的报道很多，但对氧化石墨烯的使用量说法不一，并且在制备氧化石墨烯修饰传感芯片时需要浸泡很长一段时间，大大影响了芯片制备效率。该研究中使用长直链功能化聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)对SPR金芯片表面进行化学改性，用流动冲刷的方法使氧化石墨烯溶液对芯片进行修饰。通过对折射率变化响应信号的对比，最终确定氧化石墨烯最佳使用浓度为0.5 mg·mL^-1,并且将修饰时间降到20 min以内。研究了不同波长入射光对氧化石墨烯修饰后芯片共振峰的影响，并对芯...     

基于阿贝正弦条件的光子等频图和能带结构测试系统

通过结合电磁波在周期性纳米材料中的传播特性以及阿贝完备成像理论中的阿贝正弦条件,提出了一种快速测试光子等频图和能带结构的测试技术和光学检测系统。将无限筒长显微物镜作为一种把波矢空间直接转换到实空间的变换器件,并通过配备二维面阵CCD的光栅光谱仪实现了对周期性纳米材料的等频图和能带结构的一次性拍照,真正实现了方便、快速和无损的探测技术。利用自行搭建的测试系统对用自组装方法制备的二维周期性纳米材料进行了相关光学测试,通过实验测试结果和相关理论计算的对比验证了系统的可行性和可靠性,从而说明该光学系统在研究周期性纳米材料的光学特性方面具有一定的优势。     

N_2O的离轴腔增强吸收光谱检测技术

基于离轴腔增强光谱检测技术,以可调谐近红外半导体激光器作激光光源,以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池,建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统,获得了N2O气体在6 561.39cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量,建立了气体浓度与光谱线强度的关系,讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明,离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86ppm,是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术,可以很好地实现微量气体的快速检测.     

基于色氨酸本征荧光测量的生物气溶胶检测技术研究

生物气溶胶与环境质量和人类健康密切相关。基于光学测量的气溶胶检测技术具有快速、无损和灵敏的优点,是目前的研究主流。而对检测系统的标定技术及其评价方法尚无国家标准可依。基于本征荧光测量技术,研制完成了一套针对包括病毒气溶胶在内的生物气溶胶检测装置。并在此基础上,以色氨酸气溶胶作为被检物,提出了一种生物气溶胶检测与标定方法。实验结果表明,研制的检测装置对色氨酸气溶胶具良好的线性响应特性,线性相关系数R2≥0.99,灵敏度达到4000L-1。证明了通过测量气溶胶中色氨酸含量检测生物气溶胶技术的可行性与可靠性。还探讨了利用多通道本征荧光检测技术实现对生物粒子种类进行预判别的可行性。