生物医学测量方法与新型仪器研究

科学仪器和医疗仪器依赖进口已经成为我国科技发展与社会健康保障的障碍!本研究方向立足于发展生命科学、医学、工程学科、临床医疗等领域应用的先进检测技术与方法,研制相关新型科学仪器与临床医疗仪器的原形系统,在时机成熟时完成产品定型,实现产业化,在国内大面积推广应用。并参与国际市场竞争,实现国产科学仪器和医疗仪器出口创汇。现有主要研究方向如下:

§1.生物芯片检测技术与系统研究

围绕生物芯片技术研究与应用,本研究发展相关配套的高性能检测仪器设备,进行大数值孔径(NA=0.72)、长工作距离(3.22mm)的共焦光学检测系统设计与高品质光学镜头开发,如图1(a)所示,最终研制先进的生物芯片检测科学仪器,为生物芯片技术的发展及其在临床医疗领域的大面积推广应用提供先进的科学仪器工具和配套的临床医疗仪器装备。已经成功研制了国际上第一款CCD数字成像微阵列芯片扫描仪和高性能双激光共焦扫描仪,如图1(b)所示,获得了国内发明专利3项、国际专利2项、外型设计专利1项、软件著作权2项、CFDA 国家Ⅱ类医疗器械产品证书2项和CE证书1项,仪器除在国内大面积推广应用外,已经成功进入欧美国际市场销售,实现国产仪器出口创汇。  

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代表论文 

  1. Huang, Q., Han, S., Zhang, Y., Qu, X., Fu, J., Zhang, Z., Ding, L., Qian, Y., Zhao, X. and Huang, G.  (2015) “Novel micro-nanofluidic chip and device for fast identifying pathogenic bacteria” Journal of Computational and Throretical Nanoscience, 12:1-6.
  2. Huang, G., Huang, Q., Ma, L., Luo, X., Pang, B., Zhang, Z., Wang, R., Zhang, J., Li, Q., Fu, R. and Ye, J. (2014) “fM to aM nucleic acid amplification for molecular diagnostics in a non-stick-coated metal microfluidic bioreactor” Scientific Reports, 4(7344):1-9.
  3. Wang, T., Zhang, Y., Huang,  G., Wang, C., Xie, L., Ma, L., Li, Z., Luo, X., Tian, H., Li, Q., LI, X., Lv, Z. and Bao, X. (2012) “Detect Early Stage Lung Cancer by a LAMP Microfluidic Chip System with Real-Time Fluorescent Filter Processor” Science China Chemistry, 55(4):508–514.
  4. Xie, F., Zhu, J., Deng, C., Huang, G., Mitchelson, K. and Cheng, J. (2012) “General and reliable quantitative measurement of fluorescence resonance energy transfer using three fluorescence channels” Analyst, 137(4):1013-1019. 
  5. Huang, G., Wang, C., Ma, L., Yang, X., Yang, X. and Wang, G. (2011) “Sensitive sequence-specific molecular identification system comprising an aluminum micro-nanofluidic chip and associated real-time confocal detector” Analytica Chimica Acta, 695:1-10.
  6. Zhu, J., Lu, Y., Deng, C., Huang, G., Chen, S., Xu, S., Lv, Y., Mitchelson, K. and Cheng J. (2010) “Assessment of Fluorescence Resonance Energy Transfer for Two-Color DNA Microarray Platforms” Analytical Chemistry, 82(12):5304–5312. 
  7. Zhu, J., Deng, C., Huang, G., Xu, S., Mitchelson, k. and Cheng, J. (2009) “Quantitative Fluorescence Correction Incorporating Forster Resonance Energy Transfer and Its Use for Measurement of Hybridization Efficiency on Microarrays”  Analytical Chemistry, 81(4):1426-1432. 
  8. Huang, G., Deng, C., Zhu, J., Xu, S., Han, C., Song, X. and Yang, X. (2008) “Digital imaging scanning system and biomedical applications to biochips” Journal of Biomedical Optics, 13(30):34006. 
  9. Huang, G., Zhu, J., Deng, C., Xu, S., Dong, Z., Yang, Y., Yang, X., Wang, X., Mitchelson, K. and Cheng, J. (2006) “Newly developed optical systems and their potential applications” SPIE, 65(34):6534211-7.

§2.非标记分子在线测量技术与系统研究

非标记生物分子相互作用测量方法在生命科学、医学和药物筛选等领域前沿科研的应用中非常重要,尤其是动态模拟生物分子相互作用或实时再现复杂生命活动的动态过程。可以说今天的生化反应主要是一种暗箱操作的终点检测方式,严重制约了人们对中间反应过程的认识和对最终结果的准确理解。本研究发展一种高通量、多模态(变角度、变波长和强度调制)的表面等离子共振成像和干涉成像的非标记生物分子测量方法,开发多模一体的非标记生物分子相互作用在线检测原形系统,如图所示,实现生化反应过程中多种分子相互作用的非标记动态可视化检测所示,为研究复杂生命活动和多种分子相互作用提供平台技术。t5_2

代表论文

  1. Chen, S.,* Deng, T.,* Wang, T., Wang, J., Li, X., Li, Q., and Huang, G.(2012)"Visualization of high-throughput and label-free antibody-polypeptide binding for drug screening based on microarrays and surface plasmon resonance imaging"
    Journal of Biomedical Optics,17(1):15005(1-8)[摘要]
  2. Dong Z, Huang G, Xu S, Deng C, Zhu J, Chen S, Yang X, Zhao S,(2009)"Real-time and label-free detection of chloramphenicol residues with specific molecular interaction"
    Journal of Microscopy,234:255-261[摘要]
  3. Cheng, D., Huang, G., Xu, S., Zhu, J., Ma, R., Han, C., Chen, S., Ma, C.(2009)"Microsphere-enhanced label-free high-throughput molecular detection"
    SPIE,7280:72800S[摘要]

§3.微纳体系样品分析传感器技术与便携式系统研究

痕量样品检测一直是生化分析领域的重要研究方向,本研究发展一种反射式微型光纤传感器技术与多波谱测量方法,如图3所示,有效提高样品检测动态范围0-2000ng/µL(核酸)、0-100mg/mL(蛋白)、0-1000µg/mL(毒物、爆炸残留物),降低样品消耗<1µL。并发展新型便携式分析仪器,满足痕量样品现场快速分析应用需要。 

随着智能移动终端普及,借助手机/PAD将医疗健康和无线通信融合,产生了无线医疗健康,将给我们每个人带来个性化的医疗护理体验与管理。使得许多年长者的居家养老监护、慢病人群实时监护及远程诊断在不远的将来成为现实。t5_3

代表论文

  1. Li, Q.,* Qiu,T.,* Hao, H., Zhou, H., Wang, T., Zhang, Y., Li, X., Chen, S., Huang, G., and Cheng, J.(2012)"Rapid On-site Analysis of Illegal Drugs in Nano-microscale by a Deep Ultraviolet-visible Reflected Optical Fiber Biosensor"
    Analyst,137(7):1596-1603[摘要]
  2. Qiu, T. Huang, G. Yang, X. Ma, L. Yang, X(2011)"Palmtop spectrophotometer for DNA and protein measurement in micro-nanoliter assays"
    Journal of Physics,277:p12029(1-8)[摘要] 

§4.微流控芯片平台

解决微纳升体系生化反应在线检测的相关科学技术难题,研制新型微流控芯片分子诊断仪器系列产品,如图2所示,反应体系小于1.5微升,检测指标≥10个,检测时间45分钟。获得了国内发明专利4项、CFDA国家Ⅲ类医疗器械产品证书1项和CE证书1项,仪器已经在国内大面积推广示范应用。

RT-PCR

 

图4 微流控芯片等温扩增仪器系列产品

§5.多模态分子影像技术与在体成像系统研究

眼睛是人类获取外界信息的重要器官之一,同时也是人体生理病理健康状况的透视窗口,目前流行采用裂隙灯、眼底成像等技术扫描分析眼睛病变、而忽略了透视眼睛分析人体生理病理健康状况的中医眼象研究。本研究提出了一种基于白睛无影成像的人体健康状况在体分析技术与眼象健康成像系统,无需移动图像采集装置的位置或进行光照扫描,也无需进行图像拼接,便能对白睛进行宽场无影一次性成像,形成白睛图像的过程耗时短、成像质量好,并且可以根据获取的白睛图像分析眼睛病变和人体生理病理变化的健康状况,如图3所示,申请了国内发明专利1项、国际专利1项、外型设计专利1项。这是一种新型的可长期跟踪采集人体健康信息的在体无损成像技术,利用它可以进行包括眼睛病变在内的人体生理病理变化的早期分析,形成人体健康状况大数据库,是对现有影像技术(X射线成像、CT、MRI、PET、SPECT和超声等)的重要补充,可作为人体健康监护平台技术,更好地满足人体健康在体分析的巨大需求。

图3 中医眼象分析技术原理与人体健康在体成像仪器

图5 中医眼象分析技术原理与人体健康在体成像仪器