微阵列数据（通用7篇）
微阵列数据 篇1
0 引言
微阵列数据[1]广泛而成功地应用于生物医学的癌症分类研究。一个典型的微阵列数据集包含大量 (通常成千上万, 甚至数十万) 的基因和相对较少 (往往少于一百) 的样本。在这成千上万的基因中, 只有一小部分基因有助于癌症分类。因此, 对于癌症的分类, 如何找到对于样本分类来说起决定性作用的一组基因作为样本的分类特征基因, 是建立一个有效分类模型的关键所在, 同时也是发现肿瘤分类与分型的基因标记物及药物治疗潜在靶点的重要手段。
鉴于特征基因的选取在肿瘤分类中的重要作用, 研究者们针对该问题提出了大量研究方案[2,3,4,5,6]。本文在分析肿瘤基因表达谱特征的基础上, 提出了基于Relief F_DE的基因特征选择方法。首先采用Relief F算法计算每个基因与分类属性的相关性, 并进行降序排列, 取N个关联性较大的基因作为候选基因子集;再使用差分进化算法对候选基因子集进行特征基因选择。本文选取了4个公共微阵列基因数据集进行仿真实验, 实验结果表明, 本文算法不仅可以在特征属性的选择上剔除了大量的冗余属性, 而且分类精度有较大的提高。
1 Relief F算法
1992年Kira和Rendell首先提出Relief算法[7], 算法首先对随机选择的m个样本的假设间隔进行计算, 然后将计算结果累加起来作为属性的权值, 最后根据属性权值的大小就可以近似地估计出对于分类最有用的特征子集。
假设间隔定义为在保持样本分类不变的情况下决策面能够移动的最大距离, 可表示为:
式中:H (x) , M (x) 分别是与x同类和非同类最近邻点。
样本x更新属性p的权值可表示为:
最初, Relief算法主要针对两类问题。于是1994年Kononenko对Relief算法进行了改进[8], 提出Relief F算法。算法的思想是将分类问题视为一类对多类关系加以解决, 使算法可以解决多类问题和回归问题。其改进主要是在权值更新上, 权值更新公式为:
Relief F算法的基本步骤:从训练样本集中随机抽取出一个样本x;从与x同类的样本集中找出样本x的k个近邻样本;从与x每个不同类的样本集中找出k个近邻样本;根据式 (3) 更新每个特征的权值。
Relief F算法的优点:运行效率高、多类型问题处理、特征间的关系不敏感。缺点:不能很好地处理冗余特征, 对与类别相关性高的特征都赋予较高的权值, 而不考虑它们之间是否存在冗余特征。
2 差分进化算法
差分进化算法 (Differential Evolution, DE) [9,10]是基于群体搜索的启发式算法, 通过种群内个体间的合作与竞争来实现对优化问题的求解。算法的基本步骤[11,12]如下:
(1) 初始化种群
初始种群xi0=xiL+rand (0, 1) × (xiU-xiL) , i=1, 2, ⋯, NP。其中xi0表示种群中第0代的第i条“染色体” (或个体) , NP表示种群的大小, rand (0, 1) 表示在 (0, 1) 区间均匀分布的随机数。
(2) 变异操作
从种群中随机选择4个不同个体生成差分矢量对每代最优个体进行变异操作, 这样既能提高算法的收敛速度, 又能在一定程度上保持较高的种群多样性。
变异操作方式为:
式中:vig+1是对每一个g代个体xig利用式 (4) 进行变异操作而得到的变异个体;xbesg+t1是g+1中的最优个体;g是当前代;s1, s2, s3, s4∈{1, 2, ⋯, N}是互不相同与i不同的随机数;k∈[0, 1.5]为缩放因子, 对差分量进行放大和缩小控制。
(3) 交叉操作
为了提高种群的多样性, 交叉操作方式为:
式中:yig+1是利用式 (5) 对xig和由式 (4) 生成的变异个体进行交叉操作而得到的试验个体;rand (j) 是[0, 1]之间的均匀分布随机数;CR∈[0, 1]为交叉概率。CR越大, vig+1对yig+1的贡献越多, 当CR=1时, vig+1=yig+1, 有利于局部搜索和加速收敛速率;CR越小, xig对yig+1的贡献越多, 当CR=0时, xig=yig+1有利于保持种群的多样性和全局搜索能力。
(4) 选择操作
采用“贪婪”搜索策略, 经过变异和交叉操作后生成的试验个体yig+1与xig进行竞争。只有当yig+1的适应度比xig更优时才被选作子代;否则, xig直接将作为子代。
选择操作方式为:
式中f为目标函数。
DE算法具有如下优点:算法通用, 不依赖于问题信息;算法原理简单, 容易实现;群体搜索, 具有记忆个体最优解的能力;协同搜索, 具有利用个体局部信息和群体全局信息指导算法进一步搜索的能力;易于与其他算法混合, 构造出具有更优性能的算法。
3 基于Relief F_DE的基因特征选择方法
支持向量机[13,14] (Support Vector Machine, SVM) 是以结构风险最小为原则的一种机器学习算法, 在研究小样本、高维性的问题中具有突出的优势, 因此本文使用SVM作为分类器。
本文算法的具体步骤为:
步骤1:数据的标准化处理。
利用对数据进行标准化处理, 消除量纲等的影响。
步骤2:基于Relief F算法的基因初选。
采用Relief F算法计算每个基因与分类属性的相关性, 并进行降序排列, 取N个关联性较大的基因作为候选基因子集。
步骤3:基于DE算法的特征基因选择。
(1) 设置参数:种群的大小NP;变量的维数D;放大因子F;交叉概率CR;迭代次数T;
(2) 初始化种群:t=0, 利用xit=round (rand (1, D) ) , (i=1, 2, …, NP) 随机产生NP个长度为D由0、1组成的向量。其中向量中的‘1’代表该位置对应的基因被选择, ‘0’代表该位置对应的基因不被选择;
(3) 计算当前种群中个体适应度:根据xit生成对应的训练子集和测试子集, 利用支持向量机进行训练测试, 把在测试集上的分类精度作为这个个体的适应度值
(4) 利用式 (4) 进行变异操作, 产生变异个体vg+1i;
(5) 利用式 (5) 进行交叉操作, 产生交叉个体yg+1i;
(6) 利用式 (6) 进行选择操作, 产生新一代种群;
(7) 判断算法是若达到最大迭代次数或达到误差要求, 若达到终止条件则输出最优个体;否则回到步骤 (3) 继续执行。
4 仿真实验
4.1 实验数据
为了验证本文算法的有效性和实用性, 选取了4个公共微阵列基因数据集进行仿真实验。数据集描述具体见表1。
4.2 实验结果及分析
相关参数设置:Relief F算法中参数k=5 (近邻样本个数) ;DE算法中参数T=500 (最大迭代次数) , NP=15 (种群大小) , F=1 (放大因子) , CR=0.5 (交叉概率) 。
(1) 实验1:利用Relief F算法所获得的基因个数对分类精度的影响
图1显示了排序靠前的基因个数与分类精度之间的关系。可以清楚的看到, 分类精度并没有随着基因个数的增加而提高, 而是在上升到一定分类精度后随着基因个数的增加反而下降很快, 这说明冗余基因对分类精度的影响很大, 对分类有重要贡献的只是一少部分基因。
(2) 实验2:本文算法的性能比较
图2分别显示了利用本文算法的迭代过程。从图上清楚的看到, 4个数据集均在500次迭代以内, 算法达到收敛, 并获得了SVM分类的最优适应度值及其对应的最优个体。
表2给出了本文算法的实验结果。
数据集Leukemia1的属性个数从4 606个减少到11个, 而分类精度从48%提高到100%;数据集Leukemia2的属性个数从7 129个减少到10个, 而分类精度从55.8%提高到100%;数据集MLLLeukemia的属性个数从12 582个减少到33个, 而分类精度从68.8%提高到100%;数据集ALL的属性个数从12 625个减少到41个, 而分类精度从68%提高到98%。这说明, 本文算法不仅在分类精度有较大的提高, 而且在特征属性的选择上剔除了大量的冗余属性。
所以本文算法对基因属性的特征选择是有效的, 所获得的最优个体能较大的提高分类精度和减少属性的个数。
5 结论
针对DNA微阵列基因表达数据样本小、维数高的特点, 本文提出了基于Relief F_DE的微阵列基因特征提出的算法。实验表明, 本文算法不仅可以在特征属性的选择上剔除了大量的冗余属性, 而且分类精度有较大的提高。说明本文算法具有一定的实用性, 值得进一步的理论研究。
摘要：对于癌症分类来说, 最重要的一个问题就是识别出对癌症分类最有贡献的基因。提出一种新的特征基因选择方法 (ReliefFDE) , 选取了4个公共微阵列基因数据集进行仿真实验, 实验结果表明该方法可以在较少的特征基因下取得较高精度, 且所选的特征基因与癌症密切相关, 进一步验证了方法的可行性和有效性。
关键词：DNA微阵列,支持向量机,特征基因,特征选取
微阵列数据 篇2
集成成像因其具有连续视差、不需要助视设备、无立体观看视疲劳等优势,是最有希望实现3D电视的真3D显示方法之一[1]。到目前为止,研究人员解决了集成成像3D分辨率低[2,3]和景深小[4,5,6]等问题[7,8,9,10,11]。如何让集成成像3D显示被众多家庭用户所接受,成为了亟待解决的问题。在传统集成成像的拍摄和显示过程中,所使用的微透镜阵列参数相同,而在实际的电视系统中,我们无法让所有的家庭用户的集成成像3D显示器都具有相同的参数,同样地,广播电视系统也不可能为每一种参数的集成成像3D显示器都拍摄一组与之对应的3D显示片源。因此,只有让微图像阵列与不同参数的集成成像3D显示系统兼容,才能实现理想的集成成像3D电视播放。本文提出基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法,该方法能实现不同参数的微图像阵列与微透镜阵列间的兼容,且重建的3D图像不会产生图像缩放和图像畸变。
1原理
本文提出的集成成像方法的原理示意图如图1所示,在拍摄过程中,微透镜阵列1包含M1×N1 个透镜元,其节距和焦距分别为p1和f1,三维场景的3D信息被微透镜阵列1记录在其焦平面上,获得微图像阵列1;在显示过程中,微透镜阵列2包含M2×N2 个透镜元,其节距和焦距分别为p2和f2,因此拍摄过程中的微透镜阵列1和微图像阵列1与显示过程中的微透镜阵列2和微图像阵列2具有不同的参数。本文推导出像素映射算法将拍摄获得的微图像阵列1生成显示时所需的微图像阵列2,由微透镜阵列2和微图像阵列2重建的3D图像没有发生图像畸变,且保持原 三维场景 的尺寸大 小和空间位置。
图2所示为推导的像素映射算法,包含虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤。在虚拟显示步骤中,微图像阵列1和微透镜阵列1重建出三维场景深度反转的3D图像。在虚拟拍摄过程中,微透镜阵列1和2的间距为L,微透镜阵列2与图1(b)显示过程中的微透镜阵列2参数相同,微图像阵列1和2的图像元分辨率都为r×r。如图2所示,微图像阵列1上第m列n行的图像元中第i列j行的像素记为I1(m,n)i,j,该像素发出的光线被微透镜阵列1和2折射,到达微图像阵列2上第m′列n′行的图像元中第i′列j′行的像素位置上,该像素记为I2(m′,n′)i′,j′。因此像素I1(m,n)i,j与像素I2(m′,n′)i′,j′之间存在如下关系:
式中,round(·)函数代表四舍五入取整数。当计算出的i′和j′值大于图像元分辨率r时,应舍弃该像素以避免相邻图像元间的串扰。这样,将m从1到M1循环取值,n从1到N1循环取值,i从1到r循环取值,j从1到r循环取值,就能将微图像阵列1中的所有像素映射到微透镜阵列2的焦平面上,生成显示过程所需的与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。
图2中,微透镜阵列1和2的间距L决定了再现3D图像的深度。设在拍摄过程中,3D物体到微透镜阵列1的距离为la,在显示过程中,重建的3D图像的深度为
当la=L时,3D图像显示在微透镜阵列2上;当la>L时,3D图像显示在微透镜阵列2之后;当la<L时,3D图像显示在微透镜阵列2之前。
在像素映射过程中,当微图像阵列1中相邻图像元的像素发出的光线被微透镜阵列1和2折射后,到达微图像阵列2中,将产生如图3所示的串扰像素,因此微透镜阵列1和2的焦距和节距应满足式(7)的关系,以避免串扰像素的出现。
当在微图像阵列1中找不到像素与微图像阵列2中的像素I2(m′,n′)i′,j′对应时,微图像阵列2中就产生了无信息像素,如图4所示。因此微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2的单元数量M1×N1和M2×N2 应满足式(8)和式(9),以避免无信息像素的出现:
式中ceil(·)函数表示向上取整数。
2实验及验证
实验中,3D场景由三个位于不同深度的平面图像组成,如图5所示,相机阵列模拟微透镜阵列1对3D场景进行拍摄。Z轴表示不同平面图像与相机阵列的距离,分别是60 mm,100 mm和150 mm。我们对本文提出的方法、无参数改变的传统方法、以及文献[11]所述的直接缩放方法进行了实验比较,所用的器件参数如表1所示,其中本文提出的方法中微透镜阵列1和2的参数满足公式(7)~(9),生成的三幅微图像阵列2如图6(a)~(c)所示。
我们采用基于深度平面的计算机重建实验来产生三种方法重建的3D图像在纵向的截面图,该方法可以很容易的获得重建3D图像的纵向放大率。因为微透镜阵列1和2的间距为L=100mm,因此无参数改变的传统方法重建的无畸变3D图像的深度应分别为-50mm,0mm和40mm。图7(a)和(b)分别为本文提出的方法和传统方法重建的3D图像,它们分别在-50mm,0mm和40mm的深度上能清晰成像,说明其纵向放大率为1。图7(c)所示为直接缩放方法重建的3D图像,分别在 -42.8mm,0mm和34.3mm处清晰成像,说明该方法重建的3D图像的纵向放大率约为0.86。
同样,我们进行了集成成像光学3D显示实验来验证重建3D图像的横向放大率。因为三幅微图像阵列2的分辨率较高,我们采用爱普生高分辨率彩色打印机将三幅微图像阵列2打印出来,并与相应参数的微透镜阵列2进行精密耦合,获得的三幅集成成像3D画如图8所示。图中直尺用来测量再现3D图像“II”的横向尺寸,如图8(a)和(b)所示,本文提出的方法和传统方法重建的3D图像“II”的横向尺寸都为67.5mm,因此它们的横向放大率为1,而图8(c)所示的直接缩放法重建的3D图像“II”的横向尺寸变为43.5mm,因此其横向放大率约为0.644。因此上述实验验证了本文提出的方法能生成不同参数的微图像阵列2,且重建的3D图像没有发生图像缩放和图像畸变。
3结论
几种最新加工微阵列方法的比较 篇3
1微阵列的加工技术
1.1LIGA技术
LIGA技术是德文光刻(lithographie),电铸(galvanoformung)和铸塑(abformung)的缩写,它是由德国卡尔斯鲁厄(Arlsrule)原子能研究所在1982年开发成功的。LIGA技术是应用X射线进行曝光并以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法。采用LIGA技术可以制作纵深比达1000和亚微米级高精度的三维微细结构,垂直度能达到89.9°以上,且取材广泛,不局限于硅,如高分子材料、金属、陶瓷等都可以作为其加工对象。在微机械、微系统集成等许多领域都显示出良好的应用前景。但是LIGA技术成本高,这主要是由于同步X射线较为昂贵和生产周期较长。LIGA技术以制造高深宽比的二维造型为主,在加工斜面,曲面和高密度微尖阵列方面有一定的欠缺。目前我国研究出用移动LIGA技术加工一些简单的三维形状。
以制作微针阵列为例说明最新研究的移动LIGA技术加工高密度微尖阵列的原理(图1)。第一次曝光时,将掩模板和光刻胶基板对准;第二次曝光时,将载有同一块掩模板的移动平台旋转90°,曝光条件与第一次完全相同,经过显影就可得到微针阵列结构。利用这种新方法可以非常方便地加工出高品质的实心微针、空心微针和带流体沟道的分叉微针模板,然后用镍电镀工艺加工成镍模具,以达到低成本、批量化制造的目的。微针阵列在医疗上有很大的发展空间。
使用这种技术加工出的形状与理想形状也是有误差的,主要有三方面的原因:1) 在曝光过程中,曝光量的大小与刻蚀的深度存在非线性关系;2) 曝光过程中,X射线在光刻胶基板中存在菲涅耳衍射和衬底激发的二次电子散射;3) 扫描台运动的非线性,这是由工艺设备制造带来的误差,这是不可避免的,但是这种误差在制造业中是被允许的。所以要得到理想的模型需要改进原先设计好的掩模板,对其形状进行补偿。这种移动LIGA技术加工微阵列主要依靠掩模板的形状实现,不同的掩模板能够得到不同的阵列形状。所以利用这种移动LIGA技术可以加工其他各种精密三维高深宽比微结构但是成本较高。
1.2微细电火花加工
微细电火花技术的基本工作原理是利用连续移动的细金属丝作电极,对工件进行脉冲电火花放电蚀除金属、切割成型。可以加工金属合金材料,可实现微细孔、槽及复杂三维结构和细小精密结构的微细加工。具有非接触、低应力的优点,已经成为微细加工领域的一个重要发展方向。但目前在我国微细电火花线切割技术可以用于孔的加工,对于槽的加工只停留在通槽和高深宽比微细槽阵列的加工,对于复杂的三维结构的加工更是处于空白阶段。所以利用细微电火花线切割技术加工复杂三维阵列是今后的重要的研究方向。国外发达国家在这个领域投入了大量的资金和人力,取得了很好的成果,针对单晶硅材料利用电火花线切割已可以加工出复杂的三维阵列电极,形状包括直形,锥形,波浪形等,如图2所示。
这些标准的几何形状经过微细电火花线切割加工后在一到两分钟的化学蚀刻作用下去除在铸层和削减横截面,在保持原有形状的条件下达到更小的横截面尺寸、没有龟裂并且得到更光洁的表面,如图3所示。
使用这种技术不仅能得到高深宽比很大的复杂形状电极阵列还可以改变电极的长度(图4)。用细微电火花线切割技术先在阵列电极的一个方向上切出一个V槽,然后再另一个方向上切出两个倒棱。就得到图中所示的形状。微细电火花技术在加工阵列上有很大的优势但我国技术还很欠缺所以亟待发展。且成本相对于LIGA技术也不高。
1.3微磨技术
磨削技术可以比其他的制造和蚀刻技术获取更高精确度,良好的表面品质和高效的生产力。磨削、铣削,车削等技术适合加工模具阵列,小批量生产,不能加工微针阵列和电极阵列。在硬脆性材料的微细机械加工中,金刚石砂轮磨削应该是首选的方法。这是因为它不仅能够利用砂轮表面上的许多微小超硬的金刚石磨粒有效地对硬脆性材料进行塑性域的去除加工,而且与光、化学等微细加工相比具有简单、高效、没有难处理的排放物等优点。但是一般来说微磨技术加工的微结构具有很低的高深宽比,应用范围有限。这主要是由于单晶金刚石的工具角度为较大的钝角且很难修锐。
以微锥塔阵列空间表面的微细加工技术为例,这种技术以60°V型尖端金刚石砂轮来划线开槽完成微细结构的加工并实现砂轮V型尖端与被加工表面的互磨校准(图5)。这种技术形成的微锥塔的顶角和V沟槽角度均为60°,深宽比很小。如果想得到大的高深宽比结构显然用磨削技术很困难。采用金刚石飞刀加工技术可以加工较深的微米级沟槽,但工件通常为硬度较低的易加工材料。
1.4组合加工技术
以最新研究的UV-LIGA与微细电火花加工技术组合加工电极阵列为例,UV-LIGA技术是美国威斯康星大学Henry Guckel教授等人在1990年研究开发提出的。它可以用于刻蚀适中厚度的光刻胶,节省成本。UV-LIGA工艺实际上是用深紫外光的深度曝光来取代LIGA工艺中的同步X射线深度曝光。目前也用SU-8光刻胶取代了X射线的PMMA光刻胶。
其工艺过程主要分成二部分:1) 通过UV-LIGA技术制作微细群孔工具电极,2)通过电火花套料加工制作大长径比微细阵列电极(图7)。其中图7(a)～(f)是LIGA技术的工艺流程,(g)是电火花套料加工的工艺流程。这种组合式的加工制作方法解决了UV-LIGA技术制作凸起金属结构时去胶困难的同时,也克服了目前我国微细电火花加工中使用的微电极制作困难的缺点。这就又为微阵列的加工提供了一种低成本的可行办法。
2总结
针对最新的微细阵列电极的加工工艺方法进行了论述,对LIGA技术、电火花技术、微磨技术以及组合加工技术的原理进行了分析。并对比了几种方法的优缺点,LIGA技术与电火花线切割技术适合加工大的高深宽比的复杂三维微阵列,LIGA技术比电火花技术更为成熟,但是成本很高,电火花线切割技术亟待发展。磨削加工适合加工少量的模具阵列,实现小的高深宽比,这种方法较为简单。如果需要加工大量的阵列结构可以考虑多个刀具一起加工,但需考虑成本问题。组合加工方法结合了各种加工技术的优点,达到高效益,低成本的目的。
对于微阵列的加工更深入的研究,作者认为可以针对组合加工方法开展,例如LIGA,准LIGA,电火花线切割,电火花反拷贝,电化学,电解加工,超声加工等技术融合起来,取长补短;其次,研究怎样用电火花线切割技术生产复杂三维阵列结构。还可以研究在保证加工效率和加工稳定性的条件下使阵列电极的大小和间距向更微小发展。
摘要：分别介绍了使用LIGA技术、微细电火花线切割技术(μ-WEDM)、微磨技术、组合式加工技术加工微阵列的最新方法。使用移动LIGA技术加工微针阵列、微细电火花技术加工复杂的三维微阵列电极、微磨技术加工微锥塔阵列、和UV-LIGA技术与微细电火花技术组合加工微阵列电极的工艺方法。主要论述各种方法加工高深宽比阵列结构的原理及其优缺点以及加工中的效率、成本等问题。
关键词：微阵列,LIGA技术,微细电火花线切割,微磨技术,组合式加工
参考文献
[1]陈少军,李以贵,杉山.应用X射线光刻的微针阵列及掩模板补偿[J].光学精密工程,2010,18(2):421-425.
[2]李以贵,杉山进.基于移动LIGA工艺的微针阵列的设计与制作[J].纳米技术与精密工程,2009,7(1):81-84.
[3]郭永丰,纵宁宁,白基成.电火花摇动加工微细阵列轴和孔的试验研究[J].电加工与模具,2009,(5):1-4.
[4]谢晋,谭廷武,郑佳华.金刚石砂轮V形尖端的数控对磨微细修整技术[J].金刚石与磨料磨具工程,2010,30(5):2-10.
[5]孔祥东,张玉林,宋会英.LIGA工艺的发展及应用[J].MEMS器件与技术,2004,(5):13-18.
[6]翁明浩,王振龙.微细阵列方形轴孔的电火花和电化学组合加工工艺研究[J].电加工与模具,2007,(5):5-8.
[7]J.Xie*,Y.W.Zhuo,T.W.Tan.Experimental study on fabri-cation and evaluation of micro pyramid-structured silicon surfaceusing a V-tip of diamond grinding wheel[J].Precision Engi-neering,2011,35:173-182.
[8]Dinesh Rakwal,Sumet Heamawatanachai,Prashant Tathireddy,Florian Solzbacher,Eberhard Bamberg.Fabrication of complianthigh aspect ratio silicon microelectrode arrays using micro-wire e-lectrical discharge machining[J].Microsyst Technol,2009,15:789-797.
空心微针阵列的研究进展 篇4
1 不同制备材料的空心微针阵列
1.1 Ti和Au涂层空心微针阵列
Vinayakumar KB等[6]研究制造和表征Ti和Au涂层空心微针阵列, 可用于经皮药物传递的应用。空心硅针阵列制造使用异性蚀刻连接同性刻蚀获得一个锥形的尖端。微针顶端高为300μm, 外径130μm和内径110μm, 低端内径80μm, 外径160μm。为了提高生物相容性, 微针阵列在使用电镀黄金涂层后, 再用溅射技术涂以Ti (500nm) 。该微针阵列具有225N的破断拉力, 是皮肤阻力的10倍。因此, 该微针阵列可以轻易地插入皮肤而没有损伤。还研究了流体通过该微针时的不同入口压力, 以去离子水为流体介质时, 最小入口压力为0.66kPa, 可以达到流速为每2s流入50μl的量。
1.2 环氧树脂空心微针阵列
蒋宏民等[7]研究了一种微型电子机械系统技术领域的环氧树脂中空心微针阵列的制备方法, 将聚二甲基硅氧烷填充到SU-8三维微结构的模具中, 脱模后得到中空微针阵列, 在中空微针阵列上溅射金属铬铜复合后再次填充聚二甲基硅氧烷, 脱模后得到中空微针阵列模具, 在该模具上填充环氧树脂, 然后将底部磨至聚二甲基硅氧烷后脱模, 即可得到环氧树脂空心微针阵列。
2 不同制备样式的空心微针阵列
2.1 不同几何形状的空心硅微针阵列
RuiQi等[8]研究了一种新颖的制造平面外空心硅微针阵列, 而不是使用深反应离子刻蚀技术 (DRIE) 确保微针孔的完全刻穿。制造方法包含两个湿蚀刻步骤, 一个是深大孔隙形成阵列, 一侧的晶片在氢氟酸中电化学腐蚀, 另一侧采用各向异性KOH腐蚀。对比DRIE来说, 该电化学刻蚀在工业生产中具有价格低廉、高效率的优点, 适合大批量生产。朱军[9]发明了一种微针制备领域的圆锥形顶部空心微针阵列制备方法, 以不同光敏剂浓度的光刻胶混合后制备单个或多个光敏剂浓度的系列光刻胶, 只要在应用时满足上层光刻胶光敏性高于下层光刻胶, 利用两者在曝光剂量上的差异, 通过精确控制曝光剂量上层光刻胶曝光将不会对下层结构产生影响, 因而复杂微针结构能够通过多次曝光一次显影获得。本发明提出的空心微针制备工艺不仅制备得到的微针结构好、工艺简单, 而且微针通道在制备后通过激光打孔来实现也进一步确保空心微针阵列整体质量, 具有广泛的适用性。生物相容性薄膜不仅简便易行, 而且从整体上提高了生物相容性;空心微针阵列与微流控芯片集成构成的微流体系统在经皮诊疗领域具有广泛的应用。
2.2 粘贴式空心微针阵列
中山大学周建华等[10]发明提供了一种粘贴式空心微针阵列, 包括一个高强度的硬质平板, 平板正面设有一组空心微针阵列, 微针长度为0.1~3mm, 平板背面设有弹性空腔, 空腔与微针头的空腔连通。该发明制造工艺简单快速、成本低廉、模板可反复使用、产品可批量生产、操作简便快捷, 在取体液、经皮给药、过敏原测试、生物医学电极与皮肤美容等领域广泛应用。岳瑞峰等[11]发明了一种空心微针阵列芯片, 包括衬底和空心微针, 空心微针包括针头和针杆, 通过针杆固定在衬底上并向衬底倾斜设定角度;将衬底两侧穿通形成通孔型微针或在针杆底部被封闭而形成盲孔型微针。该发明的空心微针阵列芯片结构坚固、针尖锋利、便于穿刺、成本低、成品率高, 适合于批量制造。阵列中的微针一致性好, 使用时无痛感、不见血, 使用后微创的皮肤会迅速自愈, 安全可靠。
2.3 仿生概念制作空心微针阵列
张水平[12]通过对仿生概念的了解, 进而以蚊子口器的结构和吸血动作为切入点, 利用MEMS工艺制作出了孔径与蚊子口器内径相当的异平面空心微针阵列。为了证明其采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的办法制作的异平面空心微针阵列具有一定的强度, 选择对猪皮样品进行了多次进样测试, 试验结果该微针阵列可重复使用且不折断。邹赫麟等[13]发明了一种模拟蚊子嘴制作的用来进行无痛进样的微针阵列。其特征是:采用两步和双向深反应离子刻蚀 (DRIE) 工艺确保微针孔的完全刻穿和其侧壁的光滑性;采用各向异性湿法腐蚀工艺。该发明制作工艺简单, 容易实现, 成本低廉, 有效地解决了异平面空心微针的制作工艺问题。
3 空心微针阵列应用
3.1 空心微针阵列注射器制备
祝名伟等[14]发明公开了一种空心微针阵列注射器的制备方法, 属于生物医学仪器领域。该技术的应用可获得高质量、廉价的空心微针阵列注射器, 使生物医药领域昂贵的透皮给药技术通过空心微针阵列注射器的低成本化而走向大众市场。
3.2 空心微针阵列用于便携式电解质分析装置
李以贵等[15]发明涉及一种带采血空心微针阵列的便携式电解质分析装置, 真空腔与连通管支撑底座之间设置橡胶密封圈, 腔与微针之间的连通管固定在连通管支撑底座中间, 连通真空腔与外部贮液器, 离子传感器块装在连通管支撑底座与微针块之间, 微针块上设有带底座的空心微针阵列, 离子传感器块上设有Na+离子选择性膜接触垫、K+离子选择性膜接触垫、Cl-离子选择性膜接触垫。本发明结构更加简洁, 操作更加简单, 分析结果更加可靠, 极大减小了分析装置的体积及生产成本, 有利于大规模生产。用带底座的空心微针阵列来抽取血液样本, 离子传感器分析血液样品中K+、Na+和Cl-浓度, 实现在无痛感抽取少量的血液样品的情况下, 分析出血液样品中K+、Na+和Cl-的浓度。
3.3 空心微针阵列用于监测人体血糖浓度传感器
刘尚等[16]研制了一种基于空心微针阵列并可微痛刺入皮下实时连续监测人体血糖浓度的葡萄糖传感器。微针阵列由等间距的3根微针组成, 分别作为工作电极、辅助电极和参比电极, 其中工作电极与辅助电极采用表面溅射了Ti/Pt的空心不锈钢微针来制作, 采用戊二醛-牛血清白蛋白交联法将葡萄糖氧化酶固定并仅置于作为工作电极的针尖通孔处;参比电极采用Ag/AgCl实心微针制作。测试结果表明:葡萄糖浓度在0~21mmol/L范围内传感器输出电流为线性, 灵敏度为0.575μA/ (mmol·L) , 响应时间为16s, 且具有很好的抗干扰性。
微阵列数据 篇5
1 口腔及颌面部畸形
基因和环境是影响口腔颌面部的生长发育的两个因素, 其中基因的变异容易导致异常发育造成先天口腔及颌面部畸形。其中唇腭裂是口腔先天畸形中发生率最高的疾病之一。微阵列芯片技术在其诊断发挥了很大的作用, 2003年Brown等[4]就用微阵列芯片技术筛选到了对正常鼠腭发育起重要作用的基因序列, 同时分析了其在腭突垂直生长期、腭突水平生长期、腭突融合三个不同阶段表达的改变, 最终证明基因芯片技术能快速便捷地检测到靶基因相关的细胞表达信号。沈璐等[5]进一步研究了维甲酸诱导的与腭裂相关的wnt信号通路以及成纤维细胞生长因子 (FGF) 配体表达的异常改变, 发现应用基因芯片技术可以检测到并且筛选出wnt和FGF的经典通路配体, 确定了前者为wnt8a和wnt3, 后者为fgf9和fgf10。等胚胎发育14.5 d左右, 用基因芯片对实验组和对照组的小鼠腭突进行检测, 最终发现wnt8a和fgf9配体的表达在实验组中下调, 而wnt3和fgf10配体的表达在实验组中上调, 该结果证实了小鼠胚胎腭突的发育同时有这两个信号通路的参与, 在分子水平上进一步揭示了腭裂的发生机制。因此基因芯片技术提供了从分子水平上对唇腭裂儿童进行早期干预的可能靶标。
2 儿童先天性肾脏疾病
肾脏是人体重要的排毒器官, 儿童期是肾脏发育及功能完善至关重要的阶段。但是很多先天性肾脏疾病的发病原因不明, 而基因芯片杂交技术由于可以同时检测几千个基因的表达情况, 并可进一步绘制出病患的基因表达图谱, 因此微阵列芯片技术对于揭示先天性肾脏疾病发病的原因有很大意义, 现在很多科研单位涉及此方面的科研工作[6]。
以往有研究表明, 蛋白尿具有肾毒性, 是加速肾功能衰竭的罪魁祸首之一, 因此可作为肾脏疾病向终末期肾衰发展的最佳预测指标之一。Nagasawa等[7]对蛋白尿的动物模型的肾组织检测了基因表达情况, 最终发现有1600多个基因表达增强, 其中一个编号为AA275245的基因过去未曾报道过, 其表达变化最显著, 通过与Gen Bank中的已知基因进行配对比照, 发现这个基因与细胞骨架蛋白的表达有关, 最终得出结论该基因可能参与了肾脏的损伤及应激机制, 另有研究表达蛋白尿可使大约10%的基因表达发生改变, 这对寻找肾脏疾病的始动基因提供了线索, 有利于进一步揭示肾脏疾病的发病机制。我们知道在人类的不同组织器官中有15 000~30 000个基因, 所以把基因芯片与生理病理学进行有效地结合最终可以用来检测到那些起协同调节作用的基因组。另外, 可以将基因分析与流行病学研究结合, 这对揭示遗传及环境因素对个体的作用有着不可忽视的作用[8], 同时对揭开儿童先天性肾脏疾病的病因及治疗策略具有非常重要的意义。
3 心血管疾病
2001年哈佛大学心血管研究中心用3种统计方法确定与人类心血管系统相关的基因, 结果发现共有26 000多个, 约占人体基因的75%, 此基因库也是全世界首次建立的, 而且研究发现与心功能衰竭有关系的病态基因共有200多个。心血管系统生理病理改变机制如此复杂, 可以想象与其相关的信号转导系统该是多么复杂, 而传统的单因素研究理论和方法已不能承担如此庞大的工程, 而基因芯片技术可利用高度集成的寡核苷酸或DNA微阵列, 实现大规模、高通量同时检测成千上万种细胞或组织内的基因表达情况, 达到一定程度上的全基因表达图谱的检测[9]。
儿童病毒性心肌炎多由柯萨奇B族病毒感染后引起的, 由于缺乏有效的治疗措施, 少数患者最终出现扩张型心肌病以及充血性心衰, 很大程度上影响日后的生活质量。Taylar等[10]利用c DNA表达谱芯片研究了在病毒感染后的第3、9、30天时宿主心肌细胞基因表达图谱的改变, 结果发现有169个基因在感染后1个或多个时间点发生了显著的差异表达, 对差异表达的基因根据其功能进行分类, 评估病毒性心肌炎的病毒血症期、炎症反应期、愈合期的基因表达的变化, 为病毒性心肌炎不同进展阶段的治疗提供依据。
4 染色体畸变
据统计染色体异常引起的先天畸形约占5%。常见的有21三体综合征、18三体综合征、先天性卵巢发育不全综合征、先天性睾丸发育不全综合征等。染色体微阵列分析是在最近这段时期才出现的一种分子核型分析技术, 其方法是通过对全基因组的拷贝数变异 (copy number variants, CNVs) 进行高通量、更高分辨率的分析, 其特点是可进行快速、精确地检测基因组不平衡位点, 从而进一步预测其表型或疾病的严重情况[11]。
王华等[12]选取产前诊断G显带染色体核型为新发平衡易位或微小额外标记染色体的4名孕妇, 抽取胎儿脐带血DNA, 最终证明染色体微阵列分析能够在DNA水平上甄别胎儿新发“平衡”易位或微小额外标记染色体的致病性, 在产前诊断中不失为传统染色体核型分析的重要补充。李璃等[13]同样用染色体微阵列分析对1例染色体不平衡易位先天性缺陷胎儿进行检测, 分析胎儿基因型和表型的相关性, 得出结论:del (14) (q32.33→qter) 部分单体可能是胎儿心脏病发病的遗传学病因。廖灿等[14]应用微阵列比较基因组杂交技术探讨Dandy-Walker综合征的遗传学病因, 确定了染色体7p21.3区DNA拷贝数的异常改变是Dandy-Walker综合征的病因之一, 且其发病机制可能与NDUFA4和PHFl4基因的表达异常有关。另外符芳等[15]选取32例经产前超声检查, 发现染色体1q21.1区带DNA拷贝数改变是导致儿童先天性泌尿系统畸形的病因之一, 其致病机制可能与PDZK基因的异常表达有关。利用基因芯片技术可筛查儿童的染色体异常情况并建立档案, 为其将来生育健康的后代提供指导。
5 造血系统疾病
众所周知, 儿童阶段是急性白血病的好发时期, 所以白血病细胞准确分型对其诊断和治疗有着至关重要的作用。运用微阵列芯片技术对白血病肿瘤细胞能进行准确的分型, 可以解决白血病细胞由于其分化的高度异质性和复杂性为细胞形态学给疾病诊断带来的困难, 进一步为白血病的诊断和治疗提供有效的工具。例如Golub等[16]设计了一种用于白血病分型的基因芯片, 它包含了6817个人类基因, 这就为白血病的快捷准确诊断提供了便利。另外运用微阵列技术筛选出的靶基因可以作为评价白血病预后的指标, 从而可以用来指导患者药物的选择和后续治疗方案的选择。其中Raponi等[17]运用包含22 001条基因的Affymetirx U133A芯片对58例复发且难治的急性髓系白血病患者骨髓标本进行检测, 最终获得了8个基因标志, 它们能够准确地预测患者对法尼基转移酶抑制剂的敏感度。于此同时Winter等[18]也运用AffymetrixU133芯片对50例白血病初发患者进行了分析, 最终筛选出了116个基因, 并用这些基因把其中5例取得缓解的患者和其他6例诱导缓解治疗失败区分开。此外骨髓增生异常综合征 (MDS) 又被临床称为“前白血病”, 它与急粒细胞白血病有许多在临床表现和细胞分型上有相似。国外文献关于应用微阵列芯片对白血病进行的报道很多[19], 它们得出的结论能够指导相关学者今后在关于MDS的靶向基因科研工作以及对两者进行鉴别诊断。
微阵列数据 篇6
1 材料与方法
1.1 试剂与仪器
CLB-BSA偶联物 (实验室合成) , CAP-BSA偶联物 (实验室合成) , STR-BSA偶联物 (实验室合成) , 氯霉素标准品 (美国Sigma公司) , 链霉素标准品 (美国Sigma公司) , 盐酸克伦特罗单克隆抗体 (广东佛赛生物科技有限公司) , 氯霉素单克隆抗体 (美国Rockland公司) , 链霉素单克隆抗体 (美国Rockland公司) , 其他化学试剂均为国产分析纯。Cartisian prosys 5510点样仪 (美国Cartisian公司) , 激光共聚焦扫描仪 (美国PE公司) 。
1.2 试验方法
1.2.1 3种药物全抗原的合成。
氯霉素、盐酸克伦特罗、链霉素分子量都是低于1.0 kD, 本身无免疫原性, 与大分子载体蛋白结合之后就可以获得免疫原性, 成为全抗原。根据文献报道和试验分析要求, 建立全新的合成抗原方法, 采用EDC法合成氯霉素全抗原, 重氮法合成盐酸克伦特罗全抗原, 高碘酸钠氧化法合成链霉素全抗原。合成的抗原通过紫外扫描, SDS-PAGE和红外色谱方法验证其效果。
1.2.2 探针浓度优化。
(1) 氯霉素探针浓度优化。将实验室EDC方法合成的CAP抗原稀释成以下4种浓度, 即29.5211、2.952 1、0.295 2、0.029 5 mg/mL, CAP单克隆抗体浓度采用了5.00μg/mL浓度, Cy3-IgG的浓度采用2μg/mL。 (2) 链霉素探针浓度优化。将实验室合成的STR抗原稀释成以下4种浓度, 即32.079 6、16.039 8、6.415 9、3.207 9 mg/mL, STR单克隆抗体浓度采用了5.00μg/mL浓度, Cy3-IgG的浓度采用3.33μg/mL。 (3) 盐酸克伦特罗探针浓度优化。将实验室合成的CLB抗原原液稀释成以下4种浓度, 即3.261 6、1.630 8、0.652 3、0.326 1 mg/mL, CLB单克隆抗体浓度采用了38.00μg/mL浓度, Cy3-IgG的浓度采用3.33μg/mL的浓度。
1.2.3 一抗浓度优化。
根据抗原优化之后的结果, 选取2.952 1 mg/mL的CAP-BSA, 3.207 9 mg/mL的STR-BSA, 0.652 3 mg/mL的CLB-BSA作为探针。矩阵设计为第1排为1 mg/mL BSA阴性对照, 第2排为CAP全抗原, 第3排为STR全抗原, 第4排为CLB全抗原[3]。采用2.50、2.00、1.67μg/mL 3个浓度的CAP一抗浓度来进行标准曲线的优化, 采用3.33、5.00μg/mL 2个浓度的一抗进行STR标准曲线的优化;采用13.33、10.00、6.67μg/mL 3个浓度的一抗进行CLB标准曲线的优化[4]。
1.2.4 多元检测体系建立。
根据优化之后的探针和一抗浓度建立三元检测体系。
2 结果与分析
2.1 探针浓度优化结果
2.1.1 氯霉素探针浓度的优化。
从图1可以看出, 合成的氯霉素全抗原信号特别好, 抗原稀释之后的荧光信号值下降趋势也比较明显。实际点样中, 考虑到CAP-BSA原液浓度太高, 针点时会造成针孔的堵塞, 故接下来的试验采用的是浓度为2.952 1 mg/mL的CAP-BSA作为探针。
2.1.2 链霉素探针浓度的优化。
从图2可以看出, 抗原稀释之后的荧光信号值下降趋势也比较明显。采用的是浓度为3.207 9 mg/mL的STR-BSA作为探针。
2.1.3 盐酸克伦特罗探针浓度的优化。
从图3可以看出, 0.652 3 mg/mL浓度的盐酸克伦特罗全抗原信号值最高, 故接下来的试验采用的是浓度为0.652 3 mg/mL的CLB-BSA作为探针。
2.2 一抗浓度优化结果
从图4可以看出, 经过优化, 采用混合一抗浓度:CAP一抗浓度1.67μg/mL, CLB一抗浓度2.85μg/mL, STR一抗浓度1.43μg/mL, 采用此浓度的一抗浓度, 在检测过程中有1段荧光信号陡降的区间, 绘制的标准曲线使用于定量测定中, 又降低了氯霉素、盐酸克伦特罗和链霉素的检测限, 降低了试剂盒的开发成本。
2.3 三元检测体系建立
从图5可以看出, 三元检测体系中, 已经将单抗浓度降得很低, 在不影响试验结果的情况下, 单抗浓度越低越有利于试剂盒开发的可行性。
2.4 试剂盒检测限
三元检测试剂盒的检测限:氯霉素、盐酸克伦特罗和链霉素的检测限分别为0.055、0.017、0.082μg/L。
2.5 回收率的测定
上述优化的体系内, 在1～100 ng/mL做线性拟合, 得到其定量检测区间的拟合方程, 以5、50 ng/mL 2个添加水平进行加标回收试验, 其平均回收率范围大于40%。
2.6 重复性研究
按照芯片反应流程, 测试了芯片系统的点间相对偏差, 矩阵间相对偏差和片间相对偏差。验证分析得到试剂盒的批内变异系数小于11%, 批间变异系数小于20%的精密度。
3 结论
开发出的药物残留微阵列芯片检测试剂盒的原理是抗原和抗体特异性结合, 通过一定的化学方法将偶联有小分子药物的蛋白质连接到芯片载体上, 这些固定在芯片载体上的药物小分子与待测样本中的药物分子竞争性地与相应的小分子药物单克隆抗体结合形成抗原抗体偶联物, 荧光物质标记的二抗做为指示剂, 最后通过激光共聚焦芯片扫描仪扫描成像, 用相对应的芯片数据处理软件读取荧光强度值, 测定待测样本中残留的药物浓度[5]。用试剂盒测得的试验数据符合美国食品药品监督管理局对药物的分析规定[6], 可以用于定量分析而且试验重复性高, 符合相应检测标准的要求[7]。试剂盒的技术参数满足农业部2005年发布的《药物残留酶联免疫试剂 (盒) 备案审查技术资料要求》和《药物残留酶联免疫试剂 (盒) 备案参考评判标准》技术参数要求。为动物源性食品中安全卫生检测提供了快捷有效的检测手段, 以便于进一步开展相关试剂盒产业化和规模化发展。
参考文献
[1]PERSIDIS A.Bioentrepreneurship around the world[J].Nature Biotechno-logy, 1998 (16) :3.
[2]陈锡文, 邓楠, 韩俊, 等.中国食品安全战略研究[M].北京:化学工业出版社, 2004.
[3]陈浩, 莫晓钢, 迟新忠, 等.最新国家药物药品标准手册[S].北京:银声音像出版社, 2005.
[4]KELLY L A, TAYLOR M A, WOOLDRIDGE M J.Estimating the predi-cted environmental concentration of the residues of veterinary medicines:should uncertainty and variability be ignored[J].Risk Anal, 2008 (23) :489-496.
[5]吕会田, 乐加昌.克伦特罗小分子半抗原偶联比率的测定方法研究[J].检测分析, 2005 (7) :33-35.
[6]European Agency for the Evaluation of Medicinal Products.Committee forVeterinary Medicinal Products.Note for guidance:Environmental riskassessment for veterinary medicinal products other than GMO-containingand immunological products[M].London:EMEA/CVMP/055/96, 1997.
微阵列数据 篇7
视觉的形成需要有完整的视觉通路(V i s u a Pathway),包括视网膜、视神经和视皮层。视觉通路上任何一段损伤,都可能导致视觉功能受损或失明。根据将视觉假体植入的位置分类,目前主要有视皮层假体[3]、视神经假体[1,4,5]以及视网膜假体3大类。视网膜假体又分为视网膜上假体和视网膜下假体。视网膜上假体刺激微电极阵列置于玻璃体和视网膜神经节细胞层之间,刺激神经节细胞[6];视网膜下假体刺激微电极阵列置于视网膜外网状层和视网膜色素上皮层之间,可代替感光细胞的功能,把入射光线转换为分级电信号刺激双极细胞。视网膜上假体的特点是外部设备可以对图像信号进行预处理,优化刺激策略,同时由于电极阵列置于视网膜与玻璃体的交界处,玻璃体可以作为良好的散热介质,避免损伤周围组织[7]。
微电极阵列是植入式神经假体的关键部件,起着对神经进行电刺激并记录神经信号的作用。随着视觉假体研究的进一步进展,要求刺激电极的通道数量越来越多,高密度电极阵列是各个视觉假体研究团队一致努力的方向。Humayun小组的Argus TM II代假体电极数上升为60个[8],目前正在研发256个刺激点的电极阵列。虽然可以从减小电极的面积和间距等方面着手,但由于加工技术以及线宽的限制,需要探索新的设计方案。我们针对视网膜上假体的需求以及发展趋势,研制了一种多层视网膜上假体柔性薄膜微电极阵列,并通过自行构建的自动测试平台评估了电学性能。
1 双层微电极阵列设计与加工
1.1 微电极的设计与加工
根据植入式视网膜上假体的特点,为了提高视觉的分辨率,植入的微电极阵列需要置于黄斑区(中心视野20度以内)且达到一定的电极密度。针对视网膜电刺激的要求,我们设计了具有64个通道的微电极阵列(如图1所示)。该电极采用同向的双层加工工艺(如图1(a)所示),双层结构分为底层(Lower layer)和上层(Upper Layer)。在底层金属层上覆盖一层衬底材料作为两层之间的绝缘材料,使两层电极之间不会相互影响。如图1(b)所示,64个电极平均分布在两层上,电极刺激区域与引线焊接区域两层均为4×8阵列设计。微电极阵列前端刺激点形状均为圆形,直径为160μm,整体刺激区域为4.5 mm×4.2 mm,金属互连引线线宽为30μm,线间距为60μm,整体互连引线区域为3.1 mm×20.5 mm,后端焊点形状均为方形,尺寸为500μm×500μm,引线连接区域为6.2mm×18.6 mm。考虑到植入体内固定的需要,电极阵列附近还设计了两个用于固定的钛钉孔,直径为700μm。
神经微电极植入生物体后,需要保持电刺激功能的长期稳定性,并且需要尽可能地减少对周围神经组织所造成的损伤,这就要求微电极首先要具有良好的生物相容性。从基底材料的角度讲,要求其不仅应具有较好的生物相容性,同时必须具有一定的机械强度,以适应生物组织自身移动所带来的机械应力。基于MEMS工艺的视网膜上假体柔性微电极采用聚合物作为基底材料,可以与生物组织紧密贴附,减小对生物组织的损伤并确保微电极在体内稳定工作。目前微电极的柔性基底材料主要有聚酰亚胺(polyimide)和二氯对二甲苯二聚体(parylene)两种,聚酰亚胺以其良好的生物相容性、耐腐蚀性和较低的加工成本,广泛应用于视网膜电极阵列的柔性衬底,本研究选用光敏型聚酰亚胺作为微电极的基底。从电极材料的角度讲,考虑到刺激电极必须能承受生物体内各种体液的长期侵蚀,并且电极的材料、大小和与组织接触界面的大小对刺激阻抗都有很大的影响。随着MEMS工艺的发展,电极表面的修饰和加工有效地改善了刺激电流的传输效率,也提高了电极在眼球组织内的稳定性。具有低阻抗、高电荷密度的耐腐蚀的金属铂(Pt)、金(Au)和铱(Ir),是目前用得比较广泛的电极材料。本研究选用惰性金属铂作为电极材料。
电极的加工采用MEMS技术,利用多次金属沉积、光刻、反应离子刻蚀等成熟的加工工艺步骤,按本文所提及的微电极设计指标进行加工制造。
1.2 微电极的表面形貌
采用本文所述的设计以及加工工艺的多层视网膜上假体柔性薄膜微电极阵列样品如图2(a)所示,刺激点的细节形貌如图2(b)所示,从图中观察可以发现,微电极阵列中的各个电极单元均结构完整、轮廓清晰,电极表面平滑无裂痕,各部位细节与设计原理图一致性良好,且未发现断线、表面金属脱落等现象。如图2(c)所示,微电极具有良好的柔性,易于与植入部位的组织相贴合,从而保证电极刺激位点与神经组织的良好接触。
2 双层微电极阵列测试
对于神经刺激电极来说,电极的电学性能对其实施神经细胞外刺激具有至关重要的影响。人们通常期望其具有低阻抗、高电荷注入能力以及长久地抵抗电化学腐蚀的能力等。为了评价所制备的多层薄膜微电极阵列的电学性能,本文对加工完成的电极进行了引线焊接和医用硅胶封装,并搭建了一个微电极自动测试系统,对其进行了电性能测试。
2.1 电极界面阻抗原理
视觉假体在植入生物体后,微电极会与电解液即生物体液发生反应,很快达到电化学平衡。电解液和电极之间会发生电子交换,在两相界面处形成双电层[9]。电极—电解液界面的双电层结构相当于一个电容器,这个复杂的电化学系统可以形象地用Randles等效电路[10]表示,如图3(a)所示。其中,Ci代表电极—电解液双电层的界面电容,Rct代表电荷转移电阻,Rs代表溶液的扩展电阻,而Rw、Cw分别代表Warburg电阻和电容。在生理信号测量中电流密度很小,且在神经电刺激过程中一般选用高频信号,可以忽略Rw和Cw对电极—电解液界面电阻的影响,从而将电极—电解液界面模型简化为图3(b)所示的等效电路。
2.2 电极测试系统
微电极电学性能需借助3电极测试装置[11],通过电化学方法在电解质溶液中对微电极进行阻抗测试来评价。3电极系统所提及的三个电极即为工作电极、Ag/Ag Cl参比电极和铂辅助电极。本文采用Ag/Ag Cl电极(218型)作为参比电极,金属铂电极(213型)作为辅助电极。工作电极清洁后,用无铅焊锡与漆包线进行焊接,完成后放置于模具内,用医用硅胶进行封装。
随着技术的发展,微电极阵列的电极数量日益增多,微电极器件也更为精巧。为了避免人为操作引起的电极损坏以及测试误差,加快测试的速度,我们设计了一套自动化的微电极测试系统(如图4所示),该系统由上位机、测试下位机以及阻抗分析仪组成。上位机为整个系统的控制核心,控制系统各模块正常工作。自动测试系统工作时,上位机通过RS232串行通信接口与处于下位的电极测试电路进行通信,使其可以根据需要从微电极阵列中选择被测试的电极。测试电路采用Atmel公司的AVR系列单片机Atmega16L作为中央控制器,并采用C语言编程,通过单片机的串行外设接口SPI与Analog Device公司的信号选择器A DG731进行通讯,实现控制和选择待测试的微电极阵列。上位机同时通过USB串行通信接口与安捷伦公司生产的高精度阻抗分析仪E 4980A进行通信,控制测试模式以及记录扫描的数据。在Delphi开发环境下编写界面程序,使上位机可以通过界面程序实现上述功能。
测试时,将3个电极末端浸入生理盐水(p H=70.9%Na Cl溶液)中半小时以模仿生物体内电极—电解液环境。生理盐水容器由烧杯和容器盖组成。容器盖上分布三个通孔,用于固定电极位置。孔与孔之间的间距均为2 cm,这样可以保证每次测量电极间距相等。为了与体内刺激相似,将阻抗分析仪的测试电压输出选为峰-峰值50 m V,并选择从20 Hz至12 k Hz多点扫描,以全面评估微电极阵列的电学性能。
2.3 微电极电学特性
采用上述的测试系统和测试环境,我们对所设计的双层薄膜电极阵列进行了电学特性的测试和评价。图5(a)和(b)分别是双层薄膜电极相应的频率—阻抗和频率—相位图。从频率—阻抗图中可以看出,随着频率的增加,微电极的阻抗呈现出逐步变小的特性,说明微电极显现良好的高通特性。从频率—相位图中可以观察到相位角随频率的变化,在1 k~2 k Hz下相位变化平缓。一般说来,细胞外的神经信号的幅值为50~500µV,频率范围在1 k Hz左右[12]。本文所设计的双层薄膜电极在1 k Hz下的阻抗较低,为6.46 kΩ,且相位延迟较小,为-41.67°,微电极阵列可以有效地工作。
由于本电极采用的是多层设计,所以分别评价两层电极的电学特性是必要的。如图5(c)至(f)所示分别为两层电极的阻抗与相位的电学特性。从图5(c)和(e)中可以看出,随着频率的增加,两层电极的阻抗均呈现出逐步变小的特性,且变化趋势非常一致;在1 k Hz下,底层与上层电极在1k Hz下的平均阻抗分别为6.54 kΩ与6.36 kΩ。从图5(d)和(f)中可以看出,随着频率的增加,两层电极的相位角绝对值均呈现出逐步变小的特性,且变化趋势非常一致;在1 k~2 k Hz下,相位变化平缓;在1 k Hz下,底层与上层电极相位角分别为-41.53°与-41.74°。
3 结论与展望
本文提出了一种新型的基于MEMS加工工艺的多层视网膜上假体柔性薄膜微电极阵列的设计。我们以光敏型聚酰亚胺为衬底、惰性金属铂为电极材料,制作了一版双层64个刺激点的柔性微电极阵列。刺激点为直径160µm的圆形,焊盘为边长500µm的正方形,引线宽度为30µm。本文同时设计和构建了一套微电极阵列的自动测试系统。该系统通过上位机控制测试电路系统以及精密阻抗分析仪,不但实现了多个通道自动扫描测试,大大节省了测试的时间,也降低了人工操作以及夹具连接引入的误差和对电极造成的损伤,从而提高了测试的精度。通过对样品电极的表面形貌以及电学性能的测试和分析,结果表明设计的柔性薄膜电极阵列满足植入式微电极的基本性能要求,具有良好的柔性以及优秀的阻抗特性。特别是对两层电极的分别测试和分析发现,这种双层设计不会对电极的电学性能造成差异,对多层微电极阵列的设计和加工做了初步的尝试,为满足刺激电极阵列高数量的要求提供了一个新的解决途径。为了评估所制作柔性神经微电极的生物相容性和实际电刺激效果,下一步,我们将通过神经胶质细胞培养以及动物活体植入实验对柔性微电极的性能和效果进行进一步评价。
摘要：提出一种基于MEMS技术的多层视网膜上假体柔性薄膜电极阵列的设计思路,同时构建一套微电极阵列的自动测试系统,对所设计电极进行测试和分析。实验结果表明,电极具有良好的柔性以及阻抗特性,多层设计不会对电极的电学性能造成差异。
关键词：视网膜假体,微电极阵列,多层设计,自动测试系统
参考文献
[1]Xinyu CHAI,Liming LI,Kaijie WU,et al.C-sight visual prostheses for the blind[J].IEEE Eng Med Biol Mag,2008,Sep-Oct,27:20-28.
[2]J.D.Weiland,W.Liu,and M.S.Humayun..Retinal prosthesis,[J]Annu Rev Biomed Eng,2005,7:361-401.
[3]A.H.B.Schlosshauer,E.Guenther,E.Zrenner.Towards a Retina Prosthesis Model:Neurons on Microphotodiode Arrays in Vitro[J].Biomedical Microdevices.1999,2:61-72.
[4]C.Veraart,C.Raftopoulos,J.T.Mortimer,J.Delbeke,D.Pins,G.Michaux,A.Vanlierde,S.Parrini,and M.C.Wanet-Defalque.Visual sensations produced by optic nerve stimulation using an implanted self-sizing spiral cuff electrode[J].Brain Res.1998,(813):181-186.
[5]吴开杰,柴新禹,李丽明,等.基于视神经的视觉假体研究与设计[J].中国科学.2007,37(5):146-152.
[6]M.S.Humayun,J.D.Weiland,G.Y.Fujii,R.Greenberg,R.Williamson,J.Little,B.Mech,V.Cimmarusti,G.Van Boemel,G.Dagnelie,and E.de Juan.Visual perception in a blind subject with a chronic microelectronic retinal prosthesis[J].Vision Res,2003,43(24):2573-2581.
[7]W.Liu,M.Sivaprakasam,P.R.Singh,R.Bashirullah,and G.Wang.Electronic visual prosthesis[J].Artif Organs,2003,27(11):986-995.
[8]D.D.Zhou and R.J.Greenberg.Microelectronic Visual Prostheses.in Implantable Neural Prosthese 1,D.D.Zhou and E.Greenbaum,Eds.:Springer New York,2009,1-42.
[9]W.Franks,I.Schenker,P.Schmutz,and A.Hierlemann.Impedance characterization and modeling of electrodes for biomedical applications[J].IEEE Trans Biomed Eng,2005,52(7):1295-1302.
[10]B.M.P.García-de-Quirós F.J,Ferrández J.M.and Fernández E..Validation of a Cortical Electrode Model for Neuroprosthetics Purposes.in Artificial Neural Nets Problem Solving Methods.Lecture Notes in Computer Science,2003,2687(1050):81-88.
[11]N.P.KINDLUNDH Maria.A gel-based wafer-level testing procedure for microelectrodes[J].Sensors and actuators[J].B,Chemical,2005,107(2):557-562,.