唐海玉，閆衛(wèi)平

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116023)

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毛細(xì)管電泳芯片非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐海玉，閆衛(wèi)平

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116023)

針對(duì)毛細(xì)管電泳芯片檢測系統(tǒng)的微型化，基于ARM11微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過自制激勵(lì)源與信號(hào)檢測電路，編寫驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)了一款體積較小的用于毛細(xì)管電泳芯片檢測的非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)。激勵(lì)源交流電壓頻率在10～400 kHz之間連續(xù)可調(diào)，電壓幅值在0～10 V變化。通過使用電極寬度為1 000 μm、電極間距為800 μm的電泳芯片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，在頻率100 kHz、10Vp-p的激勵(lì)信號(hào)下，對(duì)濃度為10-3mol/L的氯化鉀溶液進(jìn)行檢測，可得到相對(duì)峰值大于200 mV的檢測信號(hào)。

毛細(xì)管電泳芯片;非接觸電導(dǎo)檢測；微型化；微處理器；嵌入式系統(tǒng)；氯化鉀

0 引言

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，毛細(xì)管電泳芯片一直朝著高通量及微型化和集成化方向發(fā)展，但是毛細(xì)管電泳芯片檢測系統(tǒng)的尺寸與方寸大小的芯片極不匹配。目前，常用的毛細(xì)管電泳芯片檢測方法有激光誘導(dǎo)熒光檢測、質(zhì)譜檢測、電化學(xué)檢測等。激光誘導(dǎo)熒光檢測利用體積比較大的光學(xué)系統(tǒng)，質(zhì)譜檢測使用價(jià)格昂貴且體積較大的質(zhì)譜儀，這兩種檢測方法都不利于檢測系統(tǒng)的微型化和集成化。電化學(xué)檢測法結(jié)構(gòu)簡單，檢測物質(zhì)多樣，是一種易于實(shí)現(xiàn)微型化和集成化的檢測方法，正逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

電容耦合非接觸電導(dǎo)檢測(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，簡稱C4D)作為一種電化學(xué)檢測方法，不僅具有檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、檢測物質(zhì)多樣、易于微型化和集成化的優(yōu)點(diǎn)，而且由于電極與溶液不接觸，避免了電極污染，具有電極使用壽命較長的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[2-3]。2010年，Mahabadi設(shè)計(jì)了一款非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)[4]，使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源，通過自制的信號(hào)放大電路將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大處理，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，上位機(jī)使用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Mahabadi設(shè)計(jì)的非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)檢測限達(dá)到了0．3～1 μmol/L，但是由于使用PC機(jī)，系統(tǒng)不便于實(shí)現(xiàn)集成化與便攜化。2013年，劉軍山等使用嵌入式處理器ARM9和WinCE操作系統(tǒng)，制作了一款便攜式非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)[5]，通過自制激勵(lì)源與信號(hào)處理電路，將采集到的信號(hào)傳送到嵌入式處理器進(jìn)行處理，系統(tǒng)的檢測限達(dá)到了9．1 μmol/L，具有體積較小、集成度高的特點(diǎn)。但是，該系統(tǒng)使用的不是傳統(tǒng)十字溝道形電泳芯片，且采用手動(dòng)進(jìn)樣方式，檢測到的信號(hào)波形為階躍信號(hào)。

本文基于ARM11 系列的S3C6410處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過自制激勵(lì)源與信號(hào)處理電路，使用Qt工具開發(fā)上位機(jī)應(yīng)用軟件，檢測芯片依然采用傳統(tǒng)的十字溝道毛細(xì)管電泳芯片，整個(gè)系統(tǒng)除了液體進(jìn)樣的高壓電源體積較大之外，基本實(shí)現(xiàn)了微型化的目標(biāo)。通過對(duì)氯化鉀溶液進(jìn)行測量，獲得了峰型較好的檢測信號(hào)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

毛細(xì)管電泳芯片非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流信號(hào)源通過激勵(lì)電極對(duì)檢測池施加激勵(lì)信號(hào)，接收電極輸出的檢測信號(hào)經(jīng)前置放大電路及鎖相放大電路等處理之后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，再通過SPI總線傳輸給ARM11處理器，最后交由Qt工具開發(fā)的上位機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖1 非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1．1 前置放大電路設(shè)計(jì)

前置放大電路原理圖如圖2所示。從接收電極輸出的檢測信號(hào)通常為μΑ或nA量級(jí)，且信號(hào)的頻率比較高，因此前置電路放大器選取帶寬較高、偏置電流較低的OPA606，放大電阻選取1 MΩ的金屬膜反饋電阻，為了增加信號(hào)穩(wěn)定性，在前置放大電路之后設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓跟隨電路。

圖2 前置放大電路原理圖

1．2 鎖相放大電路設(shè)計(jì)

鎖相放大電路主要由乘法器和低通濾波電路組成(如圖3所示)，其信號(hào)來源有兩個(gè)部分，一路是經(jīng)前置放大電路處理之后的信號(hào)，記為

S(t)=Asin(2πf1t+φ1)

(1)

另一路是激勵(lì)源輸出的經(jīng)過移相之后的參考信號(hào)，記為

R(t)=Bsin(2πf2t+φ2)

(2)

兩路信號(hào)經(jīng)過乘法器相乘之后得到

(3)

圖3 鎖相放大電路原理圖

由于檢測信號(hào)是由激勵(lì)源激發(fā)產(chǎn)生，其頻率與激勵(lì)源本身信號(hào)頻率相同，因此f1=f2，通過調(diào)整移相電路可以使φ1=φ2，乘法器的輸出信號(hào)再經(jīng)低通濾波電路處理之后，便得到了一個(gè)直流信號(hào)：

(4)

將此信號(hào)進(jìn)行采樣之后，傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理，即可得到非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。

1．3 激勵(lì)源設(shè)計(jì)

激勵(lì)源(即交流信號(hào)源)主要包括MAX038基本電路和交流信號(hào)放大電路。MAX038的基本電路原理圖如圖4所示。MAX038是一款高速函數(shù)發(fā)生器芯片，工作頻率的變化范圍在0．1 Hz～20 MHz，輸出的交流電壓頻率F0由IN引腳的外接電阻RIN和COSC外接的電容CF共同決定，F(xiàn)0的計(jì)算公式如下

(5)

圖4 MAX038基本電路原理圖

在使用±5 V的外接電壓供電時(shí)，VREF的大小維持在2．5 V。當(dāng)IN引腳的輸入電流在10～400 μA范圍變化時(shí)，MAX038芯片可以獲得最穩(wěn)定的工作性能，取CF為1 nF，RIN在6．25～250 kΩ之間連續(xù)變化，由式(5)可知，此時(shí)輸出的交流信號(hào)頻率在10～400 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

MAX038基本電路輸出的電壓幅值為±2 V，為了滿足系統(tǒng)的使用需求，在MAX038基本電路的輸出端外接由高帶寬運(yùn)放AD711組成的交流信號(hào)放大電路。MAX038的輸出波形由A0和A1引腳決定，當(dāng)A1為高電平時(shí)(A0任意)，輸出為正弦波；當(dāng)A0和A1都為低電平時(shí)，輸出為方波；當(dāng)A0為高電平，A1為低電平時(shí)，輸出為三角波。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

毛細(xì)管電泳芯片的軟件系統(tǒng)如圖5所示，主要包括應(yīng)用層的上位機(jī)應(yīng)用軟件，內(nèi)核層模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7888、繼電器和數(shù)字電位器的驅(qū)動(dòng)程序。AD7888驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)處理和保存，并繪制檢測曲線。同時(shí)，應(yīng)用程序通過繼電器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行檢測通道的選擇，通過驅(qū)動(dòng)數(shù)字電位器對(duì)激勵(lì)源的頻率和幅值及信號(hào)處理電路的增益進(jìn)行控制。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件開發(fā)使用嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具Qt/E4．7，應(yīng)用程序的開發(fā)模式為：先在Linux主機(jī)編譯開發(fā)出X86架構(gòu)的應(yīng)用程序，然后通過交叉編譯工具進(jìn)行交叉編譯，生成可以在ARM架構(gòu)處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序。

應(yīng)用程序的主要功能為：接收硬件電路經(jīng)驅(qū)動(dòng)程序傳輸來的數(shù)據(jù)，繪制信號(hào)響應(yīng)曲線；通過驅(qū)動(dòng)程序控制檢測通道、激勵(lì)源參數(shù)、放大電路增益；設(shè)置繪制檢測曲線的線寬和顏色，設(shè)置坐標(biāo)比例，設(shè)置采集數(shù)據(jù)的速度；保存數(shù)據(jù)與圖像。

2．2 AD7888驅(qū)動(dòng)程序

AD7888是12位8通道串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有低功耗和高速率的優(yōu)點(diǎn)，工作電壓為2．7～5．25 V，最大工作頻率2 MHz，最大轉(zhuǎn)換速率為125 kSPS。AD7888與S3C6410處理器通過SPI總線進(jìn)行通信，SPI總線由MISO(串行數(shù)據(jù)輸入)、MOSI(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(串行移位時(shí)鐘)、CS(使能端)4種信號(hào)線組成，電路連接簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)。

AD7888的Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)基于Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，其實(shí)現(xiàn)方式相比傳統(tǒng)Linux的SPI總線驅(qū)動(dòng)模型簡單，實(shí)用性較強(qiáng)。AD7888的Linux驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 AD7888驅(qū)動(dòng)程序流程圖

數(shù)字電位器和繼電器的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)與AD7888的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)類似，同樣是基于Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型。主要區(qū)別在于：電路中使用了多個(gè)數(shù)字電位器，在開發(fā)數(shù)字電位器的驅(qū)動(dòng)時(shí)利用了主從設(shè)備的概念，即數(shù)字電位器有1個(gè)主設(shè)備號(hào)和多個(gè)從設(shè)備號(hào)，可以通過1個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來控制多個(gè)設(shè)備工作。

3 系統(tǒng)測試

電泳芯片非接觸電導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，使用十字溝道毛細(xì)管電泳芯片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。電泳芯片的結(jié)構(gòu)如圖7所示，分離溝道長度為35 mm，進(jìn)樣溝道長度為15 mm，溝道深度為60 μm，寬度為100 μm，檢測電極的寬度為1 000 μm，電極間距為800 μm。電極結(jié)構(gòu)反向平行，電極與焊盤之間的連線寬度為100 μm，呈45 °拐角。這種電極結(jié)構(gòu)是由Peter C．Hauser在實(shí)驗(yàn)中得出的最佳結(jié)構(gòu)[6]。

A—進(jìn)樣溝道儲(chǔ)液池；B—分離溝道儲(chǔ)液池；C—進(jìn)樣溝道廢液池；D—分離溝道廢液池；E—進(jìn)樣溝道；F—分離溝道；G—焊盤；H—電極寬度；I—電極間距

電泳芯片采用的是三明治結(jié)構(gòu)，即在鉻版玻璃上濺射Pt電極，然后在玻璃基片上制作厚度約為4 μm 的PDMS絕緣層，最后將玻璃微通道蓋片與電極基片鍵合，由此得到非接觸電導(dǎo)檢測的電泳芯片。

將非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)及高壓電源與電泳芯片連接，在進(jìn)樣通道和分離通道之間注滿濃度為20 mmol/L的MES/His緩沖溶液，然后在進(jìn)樣儲(chǔ)液池中注滿待測樣品(濃度為10-3mol/L的氯化鉀溶液)，通過在A和C之間施加500 V的電壓進(jìn)行樣品進(jìn)樣，在B和D之間施加800 V的電壓進(jìn)行樣品分離，得到的信號(hào)響應(yīng)曲線如圖8所示。從圖中可以看出，非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)能夠清晰的將樣品中K+檢測出來，響應(yīng)信號(hào)的相對(duì)峰值大于200 mV，峰型良好。

圖8 非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

主要介紹了電泳芯片非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)制作完成之后，使用該系統(tǒng)對(duì)濃度為10-3mol/L的氯化鉀溶液進(jìn)行檢測，得到了非常明顯的檢測信號(hào)，證明了系統(tǒng)的軟硬件完全能夠正常工作，這對(duì)進(jìn)一步確定該非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)的檢測限提供了保證。該系統(tǒng)除了實(shí)驗(yàn)進(jìn)樣的高壓電源之外，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了微型化檢測的目標(biāo)。

[1] PAVEL K,PETER C．Ten years of axial capacitively coupled contactless conductivity detection for CZE．Electrophoresis,2009,30:176-188．

[2] WENDELL,RENATO,THIAGO,et al．Capacitively coupled contactless conductivity detection on microfluidic systems - ten years of development．Analysis Methods,2012(4):25-33．

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[6] PAVEL K,PETER C．Evaluation of microchip capillary electrophoresis with external contactless conductivity detection for the determination of major inorganic ions and lithium in serum and urine samples．Lab on a chip,2008,8:1829-1836．

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[8] 王琮澤，裴玉明，楊佳．?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換器AD7888的應(yīng)用探討．吉林建筑工業(yè)學(xué)報(bào),2010,27(4) :53 - 56．

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[10] 奚海蛟，呂鐵軍．嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)實(shí)戰(zhàn)開發(fā)．北京:人民郵電出版社,2012: 142 -155．

[11] 陳莉君，康華．Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．3版．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2012:20-233．

Design of Contactless Conductivity Detection System for CapillaryElectrophoresis Chip

TANG Hai-yu,YAN Wei-ping

(Institute of Electronic Science and Technology in Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

For the capillary electrophoresis chip detection system’s miniaturization,based on the ARM11 processor and embedded Linux operating system,by making excitation source and signal detection circuit and writing the driver code and application program,a contactless conductivity detection system for capillary electrophoresis chip was designed,which has a small volume．The excitation source’s frequency can be changed from 10 kHz to 400 kHz,and its amplitude ranged from 0 to 10 V．The width of electrode was 1 000 μm and the distance was 800 μm by using the biochip to test the system．With the AC excitation voltage of 10Vp-pand 100 kHz,the KCL solution with the density of 10-3mol/L was detected and a response signal which had a relative peak more than 200 mV was gotten．

capillary electrophoresis chip;contactless conductivity detect;miniaturization;microprocessor;embedded system;potassium chloride

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61376115)

2014-01-16 收修改稿日期：2014-10-25

TP316

A

1002-1841(2015)03-0013-03

唐海玉(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和毛細(xì)管電泳生物芯片檢測。 E-mail：tanghaiyu777@163．com