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电润湿驱动下液滴的振荡动力学
摘要: 介电润湿(EWOD)驱动过程的动态行为与被驱动极性液滴的特定流体特性相关。驱动后,惯性会使液滴产生振荡,其接触角会渐近地趋近于新形成的表面张力平衡值。这些振荡的衰减行为、频率和振幅与密度、粘度和质量等材料参数有关。在本研究中,我们探究了这些振荡的特性,展示了模拟结果,并搭建了测量装置以首次观测去离子水液滴的振荡现象。结果表明,两种接地方案存在很大差异,尤其是在气液界面的动态运动方面。事实证明,仅采用底部电气接地才能产生可利用的振荡。最后,我们指出了其在未来芯片实验室应用中的潜力。
关键词: 执行器、有限元模拟、电润湿、粘度传感、液滴振荡、芯片实验室
更新于2025-09-23 15:22:29
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硅纳米带传感器与CMOS的单片晶圆级集成,用于芯片实验室应用
摘要: 硅带(SiRi)因其高表面积体积比,已被公认为生物传感应用中高度灵敏的换能器。然而,生物标志物的选择性和多重检测仍具挑战性。此外,将SiRi与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路集成以形成完整芯片实验室(LOC)的尝试极少。SiRi与CMOS的集成将实现输出信号的实时检测,并提供紧凑的小型化LOC。本文提出一种新型基于像素的SiRi器件,其与CMOS场效应晶体管(FET)单片集成,用于实时选择性多重检测。SiRi像素采用自上而下方法在绝缘体上硅晶圆上制造,每个像素包含控制FET、流体栅极(FG)和SiRi传感器。通过同时施加前栅电压(VG)和背栅电压(VBG)控制像素,液体电位可通过FG监测。我们报道了N型和P型SiRi像素的转移特性(ID-VG),并研究了不同VBG下SiRi的ID-VG特性。施加VBG开启SiRi会调制控制FET的亚阈值斜率(SS)和阈值电压(VTH)。特别是N型像素因控制NFET工作于强反型区,无法关闭——这是由于开启SiRi传感器需施加较大VBG(≥25V)。相反,P型SiRi传感器无需大VBG即可开启,因此P型像素展现出优异的ION/IOFF≥10?、SS为70-80mV/dec及VTH为0.5V的特性。这些成果将推动基于SiRi的LOC传感器实现大规模低成本生产。
关键词: 硅带生物传感器,SiRi背栅模式,硅带像素,选择性多重检测,SiRi CMOS集成,SiRi前栅模式,芯片实验室
更新于2025-09-23 15:22:29
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基于吸光光度法的LTCC微流控系统中尿素的酶法测定
摘要: 本文描述了一种基于吸光光度法测定小体积生物样本中尿素的新型微分析系统。该微系统采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术制造,内置表面固定有脲酶的微反应器。为检测尿素水解产物铵离子,采用改良的Berthelot反应,并优化了反应条件以适应微系统分析及特定应用场景,尤其针对培养基中极微小的尿素浓度变化。最佳试剂配方为:试剂R1由pH 7磷酸盐缓冲液中的180 mM水杨酸钠、15 mM硝普钠和2 mM EDTA组成;试剂R2为pH 12磷酸盐缓冲液中的16.9 mM次氯酸钠。在选定流速4 μl/min条件下,该LTCC微流控系统的尿素线性检测范围达1 mM,计算得最低检测限为0.002 mM。该微系统可测定约1 μl极小体积的培养后培养基和细胞裂解液样本。使用肝细胞裂解液和培养后培养基进行的真实样本尿素测定预实验取得成功,以市售QuantiChrom?和BioMaxima检测试剂盒为参照方法时,本LTCC微分析系统测定结果与其差异分别约为9%和2%。据我们所知,这是首个适用于细胞培养研究的尿素分析微系统,具有1 μl的最小样本量、30天实验周期内响应稳定性提升14%的长寿命特性,以及每小时6个样本的准实时细胞体外监测采样能力。
关键词: 低温共烧陶瓷技术、酶微反应器、微流控系统、芯片实验室、酶法尿素测定、吸收光度法
更新于2025-09-23 15:22:29
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硅基光流控微腔中的可见激光
摘要: 微流控芯片内的光学读出是其工业发展的瓶颈。在微流控平台上集成可见光波段激光器对于实现"芯片实验室"应用中的原位光学测量至关重要。从原理上说,微结构单晶硅是优异的光流体平台,能将微流控通道与包含微光学元件、波导和谐振腔的光路系统集成。然而硅材料在1.1微米以下的吸收特性构成根本限制,使得基于硅的微腔无法作为可见光激光器的反馈元件,只能用于红外波段。本研究展示了一种由两个深度刻蚀的空心平面波导实现的超宽带硅腔。该微腔具有500-1600纳米的超宽带宽,品质因数高达2067。在光流体腔镜间插入管状微流控通道,以20微升/分钟的流速注入罗丹明6G后,成功实现了硅基562.4纳米波长的激光发射。激光束沿芯片表面传播,并通过单片集成的光纤输入/输出槽进行调控。该研究提供了集成空心光流体通道与光学腔的独特硅平台,适用于芯片实验室设备中的光学读出实现。
关键词: 可见光激光器、微腔、硅材料、光流控技术、芯片实验室
更新于2025-09-23 15:21:01
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用于光微流传感的铌酸锂集成系统
摘要: 在这项工作中,我们实现并测试了一个完全由铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的集成光微流控平台,该平台无需任何图像处理即可检测单个液滴通过并估算其尺寸。该平台基于自对准集成光学??椋ㄓ晒獠ǖ颊罅泄钩桑┯胛⒘骺氐缏罚ㄈ缈淘谕换咨系腡型或十字型交叉结构)的耦合设计。该平台在光学触发、时间重复性和稳定性方面表现出优异性能,支持实时数据分析。与采用显微镜和高速相机成像采集及相应后处理的传统方法相比,其性能提升超过50%。这两种??榧煽尚行缘难橹?,将实现在铌酸锂单晶基底上构建芯片实验室系统,充分发挥其在液滴操控方面的多重应用潜力。
关键词: 波导、微流控、液滴、光触发、铌酸锂、芯片实验室
更新于2025-09-23 15:21:01
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光活性功能软材料(制备、性能与应用)|| 微流控中的软光致动器
摘要: 微流控技术,又称芯片实验室(LOC)和微全分析系统(μTAS),涵盖了一系列处理微量液体的多学科技术,用于生物学、物理学及跨学科前沿领域的反应、分析或基础研究。与传统笨重的台式仪器及其处理大量生物化学试剂的耗时且不够环保的手工方法相比,在微尺度通道中对连续流体或纳/皮升级离散液滴进行精准控制更有利于微型化系统。因此,人们日益关注在保持成本效益和易制造性的同时,将相应流程缩小至芯片实验室规模。微流控系统具有试剂消耗极少、便携性强、自动化程度高、耗时短及成本效益高等固有特性,从广泛的实验室和工业应用角度来看极具吸引力。
关键词: 微流控技术、芯片实验室、光致动器、软材料、微全分析系统
更新于2025-09-23 15:21:01
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利用高密度微LED阵列对钙信号进行单细胞光遗传学控制
摘要: 精确的光遗传学控制(理想情况下可精准到密集细胞群中的单个细胞)对于理解细胞网络的异质性至关重要。若能将具备此类功能的设备制成芯片级规模,将推动多种实验环境下细胞层面的光遗传学研究。本研究展示了一种采用16微米间距微LED阵列实现单细胞水平胞内钙离子动态光遗传学调控的技术,该阵列具有高亮度、小光斑尺寸、快速响应及低压驱动等特性。通过荧光显微镜观测、对照实验验证以及两种基因编码钙离子指示剂的交叉检验,证实单个LED像素能可靠触发胞内钙离子瞬变。尤为重要的是,我们的阵列可在密集排列的细胞群中(细胞间距小于10微米)实现单细胞光遗传学靶向调控。这些结果表明该微LED阵列有望应用于单细胞光遗传学的芯片实验室系统,从而为药物筛选及多种细胞网络的基础研究提供支持。
关键词: 光遗传学控制、芯片实验室、钙信号传导、微LED阵列、单细胞
更新于2025-09-19 17:13:59
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选择性渗透与皮升级液体在密封SU-8微孔中的存储
摘要: 本文描述了皮升级水和异丙醇(IPA)在密封SU-8微孔阵列中的选择性渗透与存储。采用光刻技术和聚合物对聚合物层压法制备出容积约300皮升的微孔,并通过SU-8与PDMS薄层覆盖来密封结构,以抑制渗透液体的蒸发。使用玻璃毛细管刺穿SU-8/PDMS覆盖层,将目标液体注入微孔。研究PDMS与其固化剂的混合比例发现,相较于标准10:1配比,2:1的低比例能更有效抑制蒸发。对于水和IPA,其在储液池中的滞留时间分别延长约50%和450%。根据微孔物理特性及液体性质,SU-8/PDMS覆盖层可使水的蒸发抑制时长达到32分钟,IPA达463分钟,直至微孔完全排空。此外还演示了同一微孔对两种不相溶液体(IPA和石蜡油)的多次渗透?;诔S镁酆衔颯U-8和PDMS的密封微孔结构具有可扩展性,未来可根据分析研究和医学诊断需求,搭配不同玻璃毛细管灵活组合使用。
关键词: 微孔、芯片实验室、微流控技术、选择性渗透、聚二甲基硅氧烷、SU-8光刻胶
更新于2025-09-16 10:30:52
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[2019年德国慕尼黑国际激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 2019.6.23-2019.6.27] 2019年欧洲激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 基于相干计算显微技术的癌细胞流动操控与表征研究
摘要: 液体活检在肿瘤学领域展现出显著前景,通过检测循环肿瘤细胞(CTCs)等循环生物标志物实现癌症早期诊断。最新证据表明,CTCs是监测/预测乳腺癌、结肠癌和前列腺癌治疗疗效的有效预后与预测性生物标志物[1,2]。然而血液中CTCs的频率约为每10毫升1至10个细胞,其检测难度堪比大海捞针。微流控技术中的数字全息术(DH)被证明是表征异质液体样本中CTCs的有力手段——该技术无需标记、实时成像且能获取物体的复振幅信息[3-6],因此基于全息特征的分类方法可利用丰富信息进行决策。此外,DH成像的灵活重聚焦能力允许单次捕获即可检查整个液体体积,从而实现对微流控通道内快速流动血液及其他体液的高通量检测。 DH技术通过单一方向探测样本,透射过程中样本引入的相位延迟充当对比剂。因此DH成像测量的光学厚度是综合信息(即相干光穿过样本时经历的所有贡献之和)。为解耦折射率与物理厚度并解析沿光轴的分布,断层扫描技术通过多角度记录样本并组合相应相位对比图来实现[7,8]。现有方案致力于减少采样角度数量并加快记录速度,以满足真实生物问题的时效要求。本研究展示流动式全息断层扫描的最新进展:通过控制微流控通道内样本的诱导旋转实现无机械光束旋转的多视角探测[8,9],并提出有效算法从记录的相位图中重建光学投影断层扫描算法所需的输入角度集[7-9]。我们验证了全息流动断层扫描在乳腺癌细胞、卵巢癌细胞及神经母细胞瘤等不同癌细胞表征中的应用[10],同时探讨了芯片实验室设计与流体工程方案——这些方案能在保持DH显微镜高通量特性的同时实现可控旋转[9,11,12]。未来将利用该方法获取的海量数据训练神经网络,专门用于区分血液中的CTCs与其他组分。
关键词: 液体活检、癌细胞、微流控技术、循环肿瘤细胞、全息断层扫描、芯片实验室、数字全息术
更新于2025-09-16 10:30:52
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超低功耗电激活芯片实验室等离激元镊子
摘要: 我们提出了一种无需外部光源的超低功耗等离激元镊子。该装置由基于石墨烯的等离激元单元一维阵列构成,这些单元由底层(Al, In)As/(Ga, In)As/(Al, In)As/(Ga, In)As/(Al, In)As量子级联异质结构(QCHs)阵列中的光学跃迁驱动,并采用串联电偏置方式。每个形成于纳米柱中的QCH单元可作为内置光源,用于激发上方圆形石墨烯纳米盘表面局域表面等离激元(LSPs)。每个光源内子带间跃迁产生的受激辐射通过顶部(Al, In)As包覆层衰减,并与上方石墨烯纳米盘相互作用,诱导形成等离激元镊子所需的LSPs。数值模拟表明,在145-170 mV施加电压下,直径16-30 nm、化学势0.5-0.7 eV的石墨烯纳米盘镊子可捕获直径9 nm及以上的聚苯乙烯纳米颗粒,对纳米颗粒直径和折射率变化表现出良好灵敏度。这些芯片实验室级等离激元镊子凭借其微小尺寸和超低功耗特性,无需昂贵外部光源即可实现纳米颗粒传感与捕获,为开发紧凑型片上等离激元镊子开辟了新途径。
关键词: 等离子体镊子、局域表面等离子体、石墨烯、芯片实验室、量子级联异质结构
更新于2025-09-16 10:30:52