核酸微全分析仪云端脚本编译器的开发
这是一篇关于脚本编译器,ini脚本文件,微流控芯片,微流控辅助软件,核酸微全分析仪的论文, 主要内容为核酸微全分析仪是将核酸分子检测步骤中的细胞裂解、核酸提取纯化、核酸扩增与检测功能高度集成于芯片系统并实现自动化操作的微全分析仪器。它对比常规实验室具有体积小、分析效率高、消耗试样和试剂少、自动化程度高的特点。核酸微全分析仪是近年来新研发的仪器,它的运行需要有ini脚本实验程序。这需要操作者有生物或化学方面的专业背景和编程方面的基础,对普通实验人员来说,使用难度很大。目前,能辅助对核酸微全分析仪进行编程的脚本编译器还没有出现。因此,本论文立足于国家重大仪器专项《微膜泵驱动核酸微全分析仪》项目,开发核酸微全分析仪云端脚本编译器,来帮助实验人员编写ini脚本实验程序,降低编写ini脚本实验程序的难度,降低仪器的使用门槛,提升核酸微全分析仪的服务与使用价值。同时,通过云端来编写脚本,符合当今社会与技术的发展趋势,方便实验人员随时使用。根据云端脚本编译器的需求,采用J2EE架构下,Spring MVC框架、Hibernate框架、DWZ框架和My SQL数据库相结合的B/S架构进行脚本编译器的开发。通过对编译器的开发流程进行研究,确定要开发的功能模块,并分别对芯片模块、动作模块、基本设置模块、储液池模块、试剂模块、步骤模块和实验模块进行了设计与实现。同时也对脚本编译器的数据库系统进行了设计,按照操作主体分别设计和实现芯片表、动作表、基本设置表、储液池坐标表、试剂表、步骤表和实验表。之后又分别完成对不同功能模块的数据表和数据表与各功能模块之间的调用关系的实现。在完成这些模块和数据表开发,管理员添加好数据库内容之后,用户就可以编辑实验,生成并下载ini脚本实验程序。在核酸微全分析仪云端脚本编译器开发完成后,对其进行功能模块测试和整体测试,然后又到北京博晖创新光电技术股份有限公司对编辑的ini脚本实验程序进行上机测试,实验获得成功,表明使用脚本编译器生成的ini脚本实验文件已经可以准确地完成整个实验。目前,搭载脚本编译器的网站已经试运行上线,在北京博晖公司和中国检科院内测使用。
人工智能辅助微流控混合器设计
这是一篇关于微流控芯片,微流控混合器,人工智能,设计自动化的论文, 主要内容为微流控混合器是微流控芯片的一个重要应用,它能够在10-300微米尺寸下快速实现不同样品间的高效混合,被广泛的应用于科学、工程等多个领域。然而,微流控混合器的研发难点在于性能验证,而实验验证过程耗费时间长、混合器制造成本高。因此在制造前评估混合器性能有助于揭示当前设计潜在的缺陷。目前常使用有限元方法模拟性能,该方法是建立偏微分方程组对目标系统进行建模,并通过将偏微分方程组离散化,求解离散方程组得到数值解,从而达到对目标系统的物理场进行建模的过程。然而,这套流程仍然具有相当高的研发门槛和较长的研发周期。研究者需具有微流控领域背景知识,并能够熟练地操作专业的有限元分析软件。在第一部分中借助人工智能技术探索微流控混合器性能,由于有限元仿真耗时,本文从加速仿真角度提出人工神经网络模型预测微流控混合器流体场。具体来说,该部分提出了九宫格网络模型方法预测混合器流体场,利用该模型构建并训练人工神经网络,把待预测的混合区域划分成规则的网格,在只有边界值和几何模型的条件下实现快速预测流体场。该方法可以显著缩短混合器性能评估时间。以一款典型微混合器为例,传统有限元分析软件仿真耗时约10分钟,而九宫格网络模型方法只需要不到40秒,加速约15倍。为了探索基于人工智能算法计算机辅助设计微流控混合器的技术路径,论文第二部分构建了基于人工神经网络的低开销模型和两种优化算法的反演设计,实现了微混合器结构参数的自动综合,利用这两种算法对两款经典的微流控混合器几何结构进行反演设计,所设计的混合器不仅性能与目标性能保持高度一致,效率也显著提升。此外,该部分还探究了准确率阈值设置为80%、90%和97%时不同算法间的效率,第一款混合器使用多目标遗传算法设计单个目标的时间分别为0.01秒、0.0124秒和0.0201秒,使用粒子群算法设计单个目标的时间分别为0.2175秒、12.058秒和50.577秒。第二款混合器使用多目标遗传算法设计单个目标的时间分别为0.007秒、0.008秒和0.019秒,使用粒子群算法设计单个目标的时间为1.850秒、3.072秒和22.270秒。在论文的最后章节探索了基于深度强化学习算法自动综合混合器设计参数的方法,该部分结合上述部分训练的低开销人工神经网络模型,构建强化学习框架,针对上述两款混合器训练了自动设计智能体。首先将整个微流控混合器的几何结构抽象成一个决策模型,然后利用上述训练的人工神经网络模型和微流控混合器设计参数搜索空间为优化设计提供交互环境,智能体根据当前状态和动作,计算奖励值,调整策略,最后输出混合器的最优结构设计。单次调用所训练的智能体自动优化设计两款微流控混合器分别耗时0.129秒和0.169秒。
基于微流控芯片的水稻稻绿核菌双温PCR检测方法研究
这是一篇关于稻曲病,双温PCR,微流控芯片,温控系统的论文, 主要内容为水稻是我国最主要的粮食作物之一,在我国粮食生产中具有举足轻重的地位。但是水稻稻曲病等病害是严重影响水稻产量的主要原因之一。因此,实现水稻致病菌的早期检测对水稻病害的防控防治具有重要意义。本文以稻曲病病原体稻绿核菌(Ustilaginoidea oryzae)作为研究对象,进行了面向稻绿核菌快速检测的微流控芯片理论分析与设计制造,搭建了双温聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)检测平台,建立了水稻稻绿核菌双温PCR检测方法,实现了基于微流控芯片的水稻稻绿核菌双温PCR检测系统集成,并通过实验验证方法有效性,具体研究内容如下:(1)面向水稻稻绿核菌检测的微流控芯片设计与制造。通过对微流控芯片被动混合机理研究,设计不同构型的微混合器,利用有限元仿真方法,对其在不同流速下的混合效率进行仿真分析。通过被动混合的理论分析与仿真,利用3D打印设计微流控芯片的分布与结构,实现水稻稻曲病检测的微流控芯片制造。(2)基于微流控芯片的双温PCR检测平台的搭建。本文结合了温度控制模块与电机旋转模块作为微流控芯片的双温PCR检测平台。通过基于PID控制算法的温度控制方法分析,设计温度控制系统中芯片中的最大升温速度与降温速度分别达到10℃/s和6℃/s,精度在0.8℃/s,实现双温PCR程序的温度控制。电机旋转模块作为微流控芯片与双温PCR检测平台的桥梁,通过控制输入脉冲的频率与数量控制芯片旋转的速度与角度,缩减高温与低温之间时间差,实现双温PCR程序的时间与循环次数控制。(3)水稻稻绿核菌双温PCR检测方法研究。设计并筛选出稻绿核菌特异性良好的引物DQF/DQR,扩增的147bp条带作为水稻稻绿核菌的检测结果判定。通过对比常规PCR与双温PCR,证明了双温PCR提高检测效率的可行性。通过控制变量法,分别对PCR扩增程序中的时间、温度、循环次数等参数优化,选取了预变性96℃30s、以96℃5s和50℃15s循环27次作为双温PCR优化参数,采用优化后的程序检测稻绿核菌DNA浓度限值达30.52ng/L。(4)基于微流控芯片的水稻稻绿核菌双温PCR检测系统集成与实验验证。通过电机旋转模块结合3D打印支撑将微流控芯片与温度控制系统集成,利用该系统对水稻稻绿核菌进行实验分析与验证。在芯片上完成PCR样品混合后,利用步进电机所设定程序,完成芯片自动在两个温度模块之间循环,最终实现稻绿核菌22分钟内的扩增检测与该系统浓度限值检测。本文建立了面向水稻稻曲病的基于微流控芯片双温PCR快速检测方法,实现了22分钟内的稻绿核菌快速检测,不仅有望实现水稻稻曲病的早期防治,也对于水稻的稳产、增长具有重要意义。
核酸微全分析仪云端脚本编译器的开发
这是一篇关于脚本编译器,ini脚本文件,微流控芯片,微流控辅助软件,核酸微全分析仪的论文, 主要内容为核酸微全分析仪是将核酸分子检测步骤中的细胞裂解、核酸提取纯化、核酸扩增与检测功能高度集成于芯片系统并实现自动化操作的微全分析仪器。它对比常规实验室具有体积小、分析效率高、消耗试样和试剂少、自动化程度高的特点。核酸微全分析仪是近年来新研发的仪器,它的运行需要有ini脚本实验程序。这需要操作者有生物或化学方面的专业背景和编程方面的基础,对普通实验人员来说,使用难度很大。目前,能辅助对核酸微全分析仪进行编程的脚本编译器还没有出现。因此,本论文立足于国家重大仪器专项《微膜泵驱动核酸微全分析仪》项目,开发核酸微全分析仪云端脚本编译器,来帮助实验人员编写ini脚本实验程序,降低编写ini脚本实验程序的难度,降低仪器的使用门槛,提升核酸微全分析仪的服务与使用价值。同时,通过云端来编写脚本,符合当今社会与技术的发展趋势,方便实验人员随时使用。根据云端脚本编译器的需求,采用J2EE架构下,Spring MVC框架、Hibernate框架、DWZ框架和My SQL数据库相结合的B/S架构进行脚本编译器的开发。通过对编译器的开发流程进行研究,确定要开发的功能模块,并分别对芯片模块、动作模块、基本设置模块、储液池模块、试剂模块、步骤模块和实验模块进行了设计与实现。同时也对脚本编译器的数据库系统进行了设计,按照操作主体分别设计和实现芯片表、动作表、基本设置表、储液池坐标表、试剂表、步骤表和实验表。之后又分别完成对不同功能模块的数据表和数据表与各功能模块之间的调用关系的实现。在完成这些模块和数据表开发,管理员添加好数据库内容之后,用户就可以编辑实验,生成并下载ini脚本实验程序。在核酸微全分析仪云端脚本编译器开发完成后,对其进行功能模块测试和整体测试,然后又到北京博晖创新光电技术股份有限公司对编辑的ini脚本实验程序进行上机测试,实验获得成功,表明使用脚本编译器生成的ini脚本实验文件已经可以准确地完成整个实验。目前,搭载脚本编译器的网站已经试运行上线,在北京博晖公司和中国检科院内测使用。
人工智能辅助微流控混合器设计
这是一篇关于微流控芯片,微流控混合器,人工智能,设计自动化的论文, 主要内容为微流控混合器是微流控芯片的一个重要应用,它能够在10-300微米尺寸下快速实现不同样品间的高效混合,被广泛的应用于科学、工程等多个领域。然而,微流控混合器的研发难点在于性能验证,而实验验证过程耗费时间长、混合器制造成本高。因此在制造前评估混合器性能有助于揭示当前设计潜在的缺陷。目前常使用有限元方法模拟性能,该方法是建立偏微分方程组对目标系统进行建模,并通过将偏微分方程组离散化,求解离散方程组得到数值解,从而达到对目标系统的物理场进行建模的过程。然而,这套流程仍然具有相当高的研发门槛和较长的研发周期。研究者需具有微流控领域背景知识,并能够熟练地操作专业的有限元分析软件。在第一部分中借助人工智能技术探索微流控混合器性能,由于有限元仿真耗时,本文从加速仿真角度提出人工神经网络模型预测微流控混合器流体场。具体来说,该部分提出了九宫格网络模型方法预测混合器流体场,利用该模型构建并训练人工神经网络,把待预测的混合区域划分成规则的网格,在只有边界值和几何模型的条件下实现快速预测流体场。该方法可以显著缩短混合器性能评估时间。以一款典型微混合器为例,传统有限元分析软件仿真耗时约10分钟,而九宫格网络模型方法只需要不到40秒,加速约15倍。为了探索基于人工智能算法计算机辅助设计微流控混合器的技术路径,论文第二部分构建了基于人工神经网络的低开销模型和两种优化算法的反演设计,实现了微混合器结构参数的自动综合,利用这两种算法对两款经典的微流控混合器几何结构进行反演设计,所设计的混合器不仅性能与目标性能保持高度一致,效率也显著提升。此外,该部分还探究了准确率阈值设置为80%、90%和97%时不同算法间的效率,第一款混合器使用多目标遗传算法设计单个目标的时间分别为0.01秒、0.0124秒和0.0201秒,使用粒子群算法设计单个目标的时间分别为0.2175秒、12.058秒和50.577秒。第二款混合器使用多目标遗传算法设计单个目标的时间分别为0.007秒、0.008秒和0.019秒,使用粒子群算法设计单个目标的时间为1.850秒、3.072秒和22.270秒。在论文的最后章节探索了基于深度强化学习算法自动综合混合器设计参数的方法,该部分结合上述部分训练的低开销人工神经网络模型,构建强化学习框架,针对上述两款混合器训练了自动设计智能体。首先将整个微流控混合器的几何结构抽象成一个决策模型,然后利用上述训练的人工神经网络模型和微流控混合器设计参数搜索空间为优化设计提供交互环境,智能体根据当前状态和动作,计算奖励值,调整策略,最后输出混合器的最优结构设计。单次调用所训练的智能体自动优化设计两款微流控混合器分别耗时0.129秒和0.169秒。
基于微流控芯片的水稻稻绿核菌双温PCR检测方法研究
这是一篇关于稻曲病,双温PCR,微流控芯片,温控系统的论文, 主要内容为水稻是我国最主要的粮食作物之一,在我国粮食生产中具有举足轻重的地位。但是水稻稻曲病等病害是严重影响水稻产量的主要原因之一。因此,实现水稻致病菌的早期检测对水稻病害的防控防治具有重要意义。本文以稻曲病病原体稻绿核菌(Ustilaginoidea oryzae)作为研究对象,进行了面向稻绿核菌快速检测的微流控芯片理论分析与设计制造,搭建了双温聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)检测平台,建立了水稻稻绿核菌双温PCR检测方法,实现了基于微流控芯片的水稻稻绿核菌双温PCR检测系统集成,并通过实验验证方法有效性,具体研究内容如下:(1)面向水稻稻绿核菌检测的微流控芯片设计与制造。通过对微流控芯片被动混合机理研究,设计不同构型的微混合器,利用有限元仿真方法,对其在不同流速下的混合效率进行仿真分析。通过被动混合的理论分析与仿真,利用3D打印设计微流控芯片的分布与结构,实现水稻稻曲病检测的微流控芯片制造。(2)基于微流控芯片的双温PCR检测平台的搭建。本文结合了温度控制模块与电机旋转模块作为微流控芯片的双温PCR检测平台。通过基于PID控制算法的温度控制方法分析,设计温度控制系统中芯片中的最大升温速度与降温速度分别达到10℃/s和6℃/s,精度在0.8℃/s,实现双温PCR程序的温度控制。电机旋转模块作为微流控芯片与双温PCR检测平台的桥梁,通过控制输入脉冲的频率与数量控制芯片旋转的速度与角度,缩减高温与低温之间时间差,实现双温PCR程序的时间与循环次数控制。(3)水稻稻绿核菌双温PCR检测方法研究。设计并筛选出稻绿核菌特异性良好的引物DQF/DQR,扩增的147bp条带作为水稻稻绿核菌的检测结果判定。通过对比常规PCR与双温PCR,证明了双温PCR提高检测效率的可行性。通过控制变量法,分别对PCR扩增程序中的时间、温度、循环次数等参数优化,选取了预变性96℃30s、以96℃5s和50℃15s循环27次作为双温PCR优化参数,采用优化后的程序检测稻绿核菌DNA浓度限值达30.52ng/L。(4)基于微流控芯片的水稻稻绿核菌双温PCR检测系统集成与实验验证。通过电机旋转模块结合3D打印支撑将微流控芯片与温度控制系统集成,利用该系统对水稻稻绿核菌进行实验分析与验证。在芯片上完成PCR样品混合后,利用步进电机所设定程序,完成芯片自动在两个温度模块之间循环,最终实现稻绿核菌22分钟内的扩增检测与该系统浓度限值检测。本文建立了面向水稻稻曲病的基于微流控芯片双温PCR快速检测方法,实现了22分钟内的稻绿核菌快速检测,不仅有望实现水稻稻曲病的早期防治,也对于水稻的稳产、增长具有重要意义。
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