暨南大学生物学教学实验示范中心汇报材料

杨其华目录电旋转试验装备平台构建关键技术及其研究电旋转试验一个电旋转试验实例电旋转试验电旋转(ROT)试验原理一种研究生物体物理特性的新型研究方法。等幅同频等相差四相位旋转场24单元电旋转生物芯片电旋转试验关于生物芯片生物芯片（Biochips）是90年代中期发展起来的一项尖端技术。它以玻片，硅为载体，在单位面积上高密度地排列大量的生物材料，从而达到一次试验同时检测多种疾病或分析多种生物样品的目的。生物芯片种类很多，有基因芯片、蛋白质芯片、芯片实验室、细胞芯片、组织芯片等。目前，基因芯片和芯片实验室作为生物芯片的代表，已经走出实验室，开始产业化了。电旋转试验微处理芯片VS微阵列细胞对mRNA进行标记杂交基因表达资料电旋转试验电场与细胞侧向扩散旋转运动摆动运动伸缩震荡翻转运动旋转异构利用细胞融合技术观察蛋白质运动细胞运动及其定位细胞向电生长细胞增值细胞融合灭菌研究……频率、幅度电场的方向电旋转试验电旋转(ROT)试验原理介电电泳(DielectrophoresisForce)εm=permittivityofthesuspendingmediumDelta=DelvectoroperatorE=VoltageRe[K(w)]=realpartoftheClausius-Mossottifactor32Re2[()]DEPmFrKE•Rotatingelectricfield•Lagindipolecorrectioncausestorque•TorquecausesmovementIm[K(w)]=imaginarycomponentoftheClausius-Mossottifactor32I4[()m]mrKE电旋转(ElectrorotationTorque)电旋转试验电旋转生物芯片试验特点通过计量旋转体尺寸、单位旋转速度、跟踪旋转体运动轨迹及个体结合规律等，可提取受试对象物理信息与其生化特征相对应可用于高通量药物筛选、细胞周期、细胞凋亡和细胞生理状态监测等众多研究领域灵敏度高、无损检测、非标记检测、可动态跟踪、可重复使用电旋转试验与高新技术的关系“十五”科技重大专项——功能基因组和生物芯片“十一五”科技重大专项——重大新药创制（创新药物研究开发技术平台建设）……电旋转技术应用前景已有电旋转生物芯片试验研究开发新的电旋转生物芯片研究开发基于电旋转原理的新型传感器或器件复杂生物工程试验……装备平台构建基本电旋转试验系统存在的问题四相位宽频电源显微光学视频系统CCD电旋转生物芯片视频监视器现有电旋转试验系统结构图现有电旋转试验系统实物图(1).不能适应现代科学仪器发展需要（高通量、快速、自动、….）(2).视觉疲劳、劳动强度大装备平台构建一种新的平台方案计算机嵌入式实时图像处理系统(DSP+MCU+液晶触摸屏)电旋转生物芯片试验系统平台四相位宽频电源显微光学视频系统USBCCD电旋转生物芯片可扩展接口电旋转集成化试验平台样例多相同步驱动电源液晶触摸显示屏USBCCD生物芯片显微光学系统装备平台构建新方案的功能特点(1).以嵌入式系统为核心，进行光、机、电、算技术集成化设计ARMMCU+DSP图像处理系统USBCCD系统图像采集系统三维(XYZ)机械平台+光学显微系统(多物镜+3目镜，放大倍数可调)4相位同步宽频电源+专用插口(卡座)触摸屏人机终端(试验参数设置、视频显示、检测参数显示…)USB外接PC扩展功能(人机交互、数据复制、二次分析…)(2).设计全套试验视频动态图像处理专用软件，实现自动检测视频实时播放，帧图像捕获细胞图像边缘识别，基于帧关联的细胞运动轨迹跟踪细胞几何特征检测，细胞运动与旋转特征检测，参数显示(3).易用性、可靠性设计，提升专用平台性能试验与电源驱动联动自稳幅、自保护、自保存、…关键技术及其研究多相同步驱动电源信号发生幅度放大功率放大阻抗匹配信号检测()mUf、、＋－()mUf、、信号给定稳幅高频功率源111222233334444sin2sin(2)sin(2)sin(2)mmmmUUftUUftUUftUUft同频、等幅、等相差电源基本指标：200Hz～100MHz可调0～360°可调1～50Vpp可调负载50Ω～？自动输出稳幅4通道幅度、相位、频率可严格同步无直流、小杂散旋转场加载速度?关键技术及其研究多相同步驱动电源的主要技术难点电源基本指标：200Hz～100MHz可调0～360°可调1～50Vpp可调负载50Ω～？自动输出稳幅4通道幅度、相位、频率可严格同步无直流、小杂散旋转场加载速度?(1)宽频+高频+大幅度大功率——通道信号模块？(2)高、宽频大幅度信号检测——自动信号跟踪？(3)高、宽频信号发生、输出——同步输出调整？(4)发热、杂散、失真、干扰——制作工艺保障？(5)非线性、标定、输出速度——通过现场试验？(6)……基站2.4GHz放大模块(窄带)集中参数分布参数？关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计DDSDDSDDSDDS晶振振荡驱动100Hz～500KHz500KHz～30MHz30MHz～100MHz120MHz（单点频）150MHz（单点频）200MHz（单点频）信号放大、处理模块组自动幅度调整自动相位补偿直流电平补偿模块阻抗1阻抗匹配模块阻抗2模块阻抗3模块阻抗4信号幅度检测输出检测相位检测直流电平检测信号接口高频开关高频开关MCURS232I/O输入设定键盘、旋钮屏幕显示高频开关关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计4DDS信号发生滤波多级信号放大功率放大阻抗匹配幅度检测MCU输出调整信号转换滤波多级信号放大功率放大阻抗匹配滤波多级信号放大功率放大阻抗匹配滤波多级信号放大功率放大阻抗匹配相位检测通道1通道2通道3通道4电源5V12V24V1.8V3.3V键控显示60V48V关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__信号发生任意波形发生器(AWG)结构简化框图基于DDS的AFG结构简化的方框图可变时钟结构固定时钟变相位关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__信号发生AD985498589959__信号滤波关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__输出信号检测幅值检测：(1)二极管包络检波法检测的信号范围相对较小,但精度较高无感元件！关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__输出信号检测幅值检测：(2)峰值检测模块AD8310•高速电压输出对数放大器，可以测量输入信号的真有效值，换算得到峰峰值•解调频率范围为DC～440MHz•内含六个串联的放大器/限幅器•每个放大器/限幅器的小信号增益均为14.3dB,在900MHz时带宽为-3dB•使用了9个检测器,检波范围从-91dBV～+4dBV（定义rms为1V的正弦波的幅值为0dB）,即±40μV～±2.2V。信号幅度变化较小时，其输出几乎不变关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__输出信号检测相位检测原理关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__输出信号检测相位检测：(1)幅相检测芯片AD8302AD8302主要特点：•测量幅度和相位频率范围低频~2.7GHz•输入范围为-62dBm~-2dBm（50Ω）•精确幅度测量比例系数为30mV/dB•精确相位测量比例系数为10mV/度•相位测量范围则可达1800log[()()]INAMAGSLPINBPHSINAINBVVVVVVVV关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计__输出信号检测相位检测：(2)相位检测芯片MAX9382(MCH12140)MAX9382主要特点：•GuaranteedMinimumPulseWidthEliminatesDeadBand•高速PECL/ECL相位频率检测器•电源电压范围为VCC-VEE=4.2V~5.5V•450MHzTypicalBandwidthwithupto±πPhaseDetection•75kΩInternalInputPulldownResistors•44mATypicalSupplyCurrent关键技术及其研究多相同步驱动电源系统设计影响输出信号检测精度的主要因素：(1)检测电路原理（合理性、信号纯度……）(2)检测元器件特性（精度、RLC特性）(3)电路、系统实现工艺（布线、制板、抗干扰措施）影响驱动输出精度的其它因素：(1)检测后端连接形式（接口、外屏蔽、连线…）(2)热稳定性（温度特性、非线性…）(3)……关键技术及其研究静态图像处理(检测)关键技术及其研究动态图像检测关键技术及其研究动态图像检测1.细胞边缘的提取要求细胞边缘准确性高；细胞边缘完整性好。数字图像灰度的线性处理(倍乘和叠加)、阈值处理和空间域(均值)滤波。要求分割准确，没有误判；保证细胞的完整性。通过构建的“环行窗”模板和已提取细胞边缘的灰度图像的卷积，依次分辨出图像中的各个待研究细胞，同时求出这些细胞的大致几何中心坐标。2.细胞分割细胞边缘提取效果图*=细胞分割效果图“环形窗”模板关键技术及其研究动态图像检测3.细胞运动轨迹跟踪计算每一帧图像中各细胞的精确质心坐标。要求质心坐标的精确性高；标记各细胞质心和待研究细胞的“特征半径”；动态显示待研究细胞的质心坐标。相对质心坐标：11niiidniimxxm11niiidniimyym绝对质心坐标：0dxxx0dyyy4.细胞旋转速度测量要求细胞旋转速度精度达到目测水平。第n帧图像第n-1帧图像找特征点计算特征半径角度找特征点计算特征半径角度-1nn角位移计算121niiinnt(2)n关键技术及其研究动态图像检测边缘提取效果图细胞分割效果帧原图算法的PC机实现结果最终效果图关键技术及其研究动态图像检测关键技术及其研究电旋转试验技术应用拓展更复杂电极结构的芯片分离操纵细胞等微粒(聚集、捕获、分离等)?