纳米材料催化发光分析研究进展

本文综述了近年纳米材料催化发光分析在快速检测、分析物区分及高通量筛选催化剂等方面的研究进展,并对其今后的发展方向进行了展望。     

面向脑机接口的犹他神经电极技术

A human brain is composed of a large number of interconnected neurons forming a neural network. To study the functional mechanism of the neural network, it is necessary to record the activity of individual neurons over a large area simultaneously. Brain-computer interface (BCI) refers to the connection established between the human/animal brain and computers/other electronic devices, which enables direct interaction between the brain and external devices. It plays an important role in understanding, protecting, and simulating the brain, especially in helping patients with neurological disorders to restore their impaired motor and sensory functions. Neural electrodes are electrophysiological devices that form the core of BCI, which convert neuronal electrical signals (carried by ions) into general electrical signals (carried by electrons). They can record or interfere with the state of neural activity. The Utah Electrode Array (UEA) designed by the University of Utah is a mainstream neural electrode fabricated by bulk micromachining. Its unique three-dimensional needle-like structure enables each electrode to obtain high spatiotemporal resolution and good insulation between each other. After implantation, the tip of each electrode affects only a small group of neurons around it even allowing to record the action potential of a single neuron. The availability of a large number of electrodes, high quality of signals, and long service life has made UEA the first choice for collecting neuronal signals. Moreover, UEA is the only implantable neural electrode that can record signals in the human cerebral cortex. This article mainly serves as an introduction to the construction, manufacturing process, and functioning of UEA, with a focus on the research progress in fabricating high-density electrode arrays, wireless neural interfaces, and optrode arrays using silicon, glass, and metal as that material of construction. We also discuss the surface modification techniques that can be used to reduce the electrode impedance, minimize the rejection by brain tissue, and improve the corrosion resistance of the electrode. In addition, we summarize the clinical applications where patients can control external devices and get sensory feedback by implanting UEA. Furthermore, we discuss the challenges faced by existing electrodes such as the difficulty in increasing electrode density, poor response of integrated wireless neural interface, and the problems of biocompatibility. To achieve stability and durability of the electrode, advancements in both material science and manufacturing technology are required. We hope that this review can broaden the scope of ideas for the development of UEA. The realization of a fully implantable neural microsystem can contribute to an improved understanding of the functional mechanisms of the neural network and treatment of neurological diseases.     

TiO_2纳米阵列光阳极光电催化水分解研究进展

光电催化水分解制氢是目前解决能源危机与环境污染最理想的技术之一.设计和构筑高效的光阳极是实现光电催化技术实际应用的关键.在众多半导体光阳极材料中,TiO_2纳米阵列由于其快的电荷传输速率,高的光热稳定性,无毒和成本低等优点,已经被广泛用于光电催化水分解反应的研究.但是TiO_2本征的光吸收范围窄、光生电荷复合率高、表面水氧化动力学缓慢严重地制约了其太阳能-氢能转换效率.我们结合近年来国内外及本课题组的研究工作详细论述了TiO_2纳米阵列的改性策略,主要包括利用元素掺杂来拓展TiO_2的光吸收范围并提高导电性,构筑异质结促进光电极电荷的分离与转移,半导体敏化增加光电极的可见光吸收并促进电荷转移,表面处理用于增加表面水氧化反应速率.最后指出了该材料发展现状,并对其发展前景做出展望.我们为进一步提高TiO_2纳米阵列的光电催化水分解活性提供了理论指导和实践借鉴.     

柔性PDA薄膜阵列用于双模光学检测VOC标志物气体

本研究以亲油性的双面胶作为基底,利用滴涂二乙炔单体结合紫外光聚合来制备均匀的聚二乙炔(PDA)薄膜,通过荧光和颜色两种信号变化模式(即"双模光学检测")研究了PDA薄膜对VOC气体的响应性,发现制备的PDA薄膜在2 min内就可以实现明显的荧光和颜色变化,有效解决了目前PDA薄膜在VOC气体检测方面存在响应速度慢、薄膜均一性差等问题.此外,为解决单一PDA薄膜的交叉响应性问题,本研究制备了四种不同的基于双面胶基底的PDA薄膜,并将制备的4种PDA薄膜集成到一片PDMS薄膜基底上来构建柔性的传感阵列,利用阵列的颜色变化结合模式识别技术,实现了对8种VOC气体的快速、灵敏区分.进一步将制备的PDA薄膜阵列用于健康人、模拟糖尿病及肾病患者呼出气体中VOC标志物的辨别和分析研究,发现可以将三类人的呼出气体清晰地区分,说明了该阵列在呼气疾病诊断中的应用前景.与目前报道的PDA薄膜阵列相比,本研究中基于双面胶基底的PDA薄膜阵列具有气体响应速度快、灵敏性高、柔韧性好、制备工艺简单、成本低、易于大规模制备等优点,有望用于实VOC气体检测研究中.     

反相高效液相色谱二极管阵列检测器对戊四硝酯粉质量的研究

建立了戊四硝酯粉含量及有关物质的RP-HPLC测定法。采用ODS色谱柱,甲醇/水(70∶30)为流动相,使戊四硝酯与有关物质基线分离,二极管阵列检测器检测波长206nm。本方法操作简便,重现性好。     

曲面相机阵列多分辨成像方法

针对现有成像系统因数据冗余而无法兼顾大视场、高分辨、高效性的问题,结合人眼视网膜变分辨成像和并列式复眼成像原理,设计一种多分辨率成像的复合仿生成像系统.该成像系统按照球面和平面兼顾的曲面布局方式,利用11个相机镜头构建相机阵列,组成了四个等级分辨率的子眼拍摄模块.通过物距100 m的远景实验和物距10 m的近景实验发现,该系统在实现高分辨成像的同时,获得总视场达150.8°×37.8°.多分辨率成像实验结果表明,该系统获取的图像的分辨率从中心视场到边缘视场逐渐降低,并且相较于中心清晰全视场成像,四级分辨率成像的拼接图像数据量减少了17.2倍的数据冗余.     

用于SCA ASIC测试的数字读出模块设计

高速开关电容阵列(SCA)具有高速采样、低功耗的特点,基于SCA的高速波形数字化是目前高精度时间测量的一个重要研究方向。为此,我们开展SCA芯片的研究,目前已设计完成原型ASIC设计,并正在进行后续版本的改进设计。为便于未来多版本ASIC的测试和评估,需设计具有一定通用性的数字读出模块,本论文工作主要介绍此模块的设计工作以及相应的数据读出软件。数字读出模块基于FPGA实现对待测ASIC的控制、配置及数据读出,采用DDR3片外存储芯片,使用USB3.0等接口进行数据传输;上位机软件基于Python3.7设计,实现了数据采集与波形绘制等功能。目前已使用设计完成的数字读出模块对第2版SCA ASIC进行了初步的测试,测试结果表明,此读出模块工作正常,且SCA芯片输出结果符合预期。     

组合阵列相干声源激发局部大气不均匀体分布特性研究

声波作为具有能量的机械波,在传播过程中与大气相互作用,扰动大气湍流的时空分布特性。本文基于声波的波动方程和叠加原理,结合大气折射率与大气物理参数的关系式,通过理论建模和仿真模拟,数值分析了基于单个点阵列相干声源的五种不同类型组合阵列相干声源模型激发的人工折射率不均匀体分布情况。结果表明：组合阵列声源在局部空间平面上激发的不均匀体分布特征受阵列声源的数量和分布位置共同影响,组合阵列模型内部声源个数越多,激发出的人工不均匀体的数量级以及起伏更大,同时声波之间的干涉条纹也更加的明显。本文为生成或抑制湍流效应提供了新思路,数值计算结果可为光工程选择合适的声源模型提供依据。     

高度有序的二氧化钛纳米管阵列的制备及其光催化活性的研究

采用电化学阳极氧化法在钛表面构筑了一种结构有序、微米级的TiO₂纳米管阵列膜层. 考察了制备电压、氧化时间、溶液搅拌等实验参数对TiO₂纳米管阵列形貌和尺寸的影响. 应用SEM和XRD对膜层的形貌和晶型进行了分析和表征, 并通过TiO₂纳米管阵列膜对甲基橙的光催化降解, 研究了TiO₂纳米管阵列膜层结构与光催化活性的关系. 结果表明: 阳极电压和溶液搅拌对制备TiO₂纳米管阵列的结构起到关键的作用. 控制20 V电压制备的TiO₂纳米管阵列膜, 管长达2.6～3.3 μm, 经500 ℃热处理后具有最高的光催化活性, 其光催化性能明显优于一般的TiO₂纳米颗粒膜.     

基于塑料传像光纤阵列的多孔径高分辨成像技术

为解决传统光纤传像系统中分辨率受传像光纤像素数量制约而导致系统整体分辨率提升困难的问题,提出一种基于塑料传像光纤阵列的多孔径高分辨成像技术,利用传像光纤阵列及图像拼接技术突破像素数难以提升的瓶颈。通过高分辨、小截面的传像光纤组合阵列提升像素,结合微透镜阵列重叠成像的效果,实现光纤阵列成像的完整性,有望使光纤传像系统像素数达到百万数量级。通过建立光纤传像系统性能指标与光学参数之间的关系,仿真设计一款室内监控远心镜头作为传像系统的主镜头,并设计微透镜阵列作为主镜头与传像光纤阵列之间的中继镜头。仿真结果表明,主镜头与微透镜阵列均满足传像光纤性能需求。实验测试结果表明,系统含有40万有效像素,分辨率为40 lp/mm,图像输出完整,该成像系统设计具有良好的可行性,对光纤传像系统的分辨率提升具有重要的实际参考意义。