姬君旺， 魯衛(wèi)平， 徐 歡, 楊 成， 侯長軍， 陳 鳴

(1.重慶大學 生物工程學院，重慶 400030；2.第三軍醫(yī)大學 大坪醫(yī)院檢驗科，重慶 400042)

?

液相QCM生物傳感器電路系統(tǒng)設計*

姬君旺1， 魯衛(wèi)平2， 徐 歡2, 楊 成2， 侯長軍1， 陳 鳴2

(1.重慶大學 生物工程學院，重慶 400030；2.第三軍醫(yī)大學 大坪醫(yī)院檢驗科，重慶 400042)

設計的石英晶體微天平(QCM)儀器主要用于微量物質(zhì)在液體中的生物化學反應的測量，根據(jù)液相QCM生物傳感器的需要完成了電路系統(tǒng)部分的設計，選用Microchip的單片機為液相QCM生物傳感器的電路系統(tǒng)的核心，主要包括電源部分、信號激勵與接收部分、溫控部分，實現(xiàn)了石英晶體的激勵和頻率的檢測、溫度的采集與控制等功能。上位機檢測結(jié)果顯示:實際溫度控制精度誤差為 0.2 ℃，能順利檢測到最佳諧振頻率，表明該系統(tǒng)能夠較好地達到預期的要求。

微量物質(zhì)； 液相石英晶體微天平； 生物傳感器； 諧振頻率

0 引 言

1959年,Guenter Sauerbrey教授推導驗證了石英晶體頻率變化與其表面吸附質(zhì)量變化的關系[1]，使得石英晶體微天平(quartz crystal micro-balance,QCM)得到了廣泛的應用，Rodahl M等人[2]利用Navier-Stokes方程得到了有關液相耗散因子變化的方程，使得QCM在液相中的應用成為現(xiàn)實。在生物傳感器方面中南大學設計出了基于無創(chuàng)血糖檢測的傳感器集成器，其檢測結(jié)果具有較高精度[3]目前，國內(nèi)在QCM應用領域如生物醫(yī)學、高分子、蛋白質(zhì)吸附、濕度檢測等方面取得了很大發(fā)展[4]，如遼寧師范大學有關QCM濕度傳感器的設計與應用[5]。但是關于QCM信號采集電路的研究報導較少，中國科學技術(shù)大學蔣海峰博士研制了一種以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心的基于頻譜分析法QCM傳感器信號采集系統(tǒng)[6]，能較為理想的測出QCM的多個參數(shù)。本文設計的液相QCM生物傳感器檢測系統(tǒng)主要用于微量物質(zhì)在液體中的生物化學反應的測量，介紹了此次設計的液相QCM生物傳感器檢測系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)電路各部分組成，并通過上位機軟件對電路系統(tǒng)的功能進行測試。

1 QCM生物傳感器工作原理

圖1為液相QCM生物傳感器檢測系統(tǒng)芯片實物，傳感器芯片在加載電壓的作用下以特定頻率下振蕩，傳感器振蕩頻率隨著其表面的質(zhì)量的變化而變化，Sauerbrey公式為

圖1 生物傳感器芯片F(xiàn)ig 1 Chip of biosensor

(1)

式中A為晶片的表面積，f0為共振頻率，Δms為沉積到石英表面上物質(zhì)的質(zhì)量，頻率變化如圖2所示。

圖2 頻率變化曲線Fig 2 Picture of frequency variation

耗散型石英晶體微天平(QCM-D)可以同時獲得物質(zhì)吸附過程中頻率的變化和耗散的變化。頻率的變化可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的變化，從而描述吸附物質(zhì)的質(zhì)量變化；耗散因子(D)用來描述物質(zhì)吸附后振動能量的耗散

A(t)=A0exp(-t/τ)·sin(2πft+φ)

(2)

D=1/πfτ

(3)

ΔD=1/πΔfτ

(4)

式中A0為振蕩幅度，τ為時間常數(shù)，f為振蕩頻率。耗散變化用以描述吸附層的粘彈性(或剛?cè)嵝?的信息，實驗人員可以通過上位機數(shù)據(jù)處理軟件獲得高精度的數(shù)據(jù)，利用檢測系統(tǒng)進而可以分析吸附在傳感器表面的分子層狀態(tài)，生物傳感器系統(tǒng)工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 液相QCM生物傳感器檢測系統(tǒng)原理圖Fig 3 Principle diagram of liquid phase QCM biosensor detecting system

2 電路系統(tǒng)整體設計

液相QCM生物傳感器檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)控制電路是以Microchip的單片機為核心，實現(xiàn)石英晶體的激勵和頻率的檢測、溫度的采集與控制、數(shù)據(jù)通信等功能，其中PIC24單片機為液相QCM儀器的核心部分。

2.1 主控數(shù)字電路

液相QCM生物傳感器檢測系統(tǒng)電路主板以Microchip的PIC系列16位單片機做為主控芯片，來對整個系統(tǒng)的時序、控制、采集進行處理。

2.2 電源管理

綜合考慮器件對電壓電源的需求、器件對電路性能的影響能力、器件對電源的反作用等方面，最終將電源供電分為3部分。電源規(guī)劃如圖4所示。

圖4 電源系統(tǒng)規(guī)劃框圖Fig 4 Block diagram of power system planning

主機箱有2個風扇，一個用于溫控芯片的散熱，一個用于整個主機箱的散熱。風扇供電單獨采用220 V交流轉(zhuǎn)+12 V直流的電源模塊進行供電。

數(shù)字系統(tǒng)主要是通過電壓的高低進行0/1的區(qū)分，而且數(shù)字部分的器件，多數(shù)工作電壓為+3.3 V，部分為+5 V供電。因此，將+5 V的直流電供給數(shù)字系統(tǒng)。

模擬部分信號電壓低，有的甚至低至μV級，電源上的任何擾動都會對信號產(chǎn)生致命的影響。因測量精度高，為減小共模干擾和提升性能，模擬部分采用220 V交流轉(zhuǎn)為±9 V直流的電源模塊，然后將±9 V的電壓通過LDO變換為±5 V，以達到整理電源的目的。

2.3 信號激勵與接收部分

利用晶體的“逆壓電效應”設計了QCM儀器。其信號激勵與接收的框圖如圖5所示。

圖5 信號激勵與接收電路原理框圖Fig 5 Principle block diagram of signal excitation and receiving circuit

2.3.1 發(fā)射鏈路設計

直接數(shù)字頻率合成器(direct digital-frequency synthesis,DDS)具有輸出頻率精確，頻率切換速度快、可方便控制信號輸出、停止等優(yōu)點，源信號的產(chǎn)生選用DDS來產(chǎn)生。DDS產(chǎn)生的信號本身帶有的諧波分量通過一個3 dB截止頻率為70 MHz 的LC低通濾波器對進行濾除。為使DDS產(chǎn)生的信號幅度滿足激勵晶體的要求，本文設計對信號進行了一級預放，然后通過開關，切換到發(fā)射通道，在開關后面設計了一個可變增益的放大器，根據(jù)情況對源信號進行放大處理，通過輸出接口連接到石英晶體的電極兩端，對晶體進行激勵。發(fā)射鏈路框圖見圖5中發(fā)射鏈路虛線框。

2.3.2 接收鏈路設計

當激勵信號對石英晶體進行了一段時間的激勵以后，DDS將頻率切換至(f+50 kHz)，信號經(jīng)過濾波放大、接收開關將到達混頻器的本振端口。此時，石英晶體因激勵信號的撤出以本身的固有頻率進行振蕩，振蕩信號經(jīng)輸出口進入到混頻器的射頻端口，經(jīng)混頻后以約為50kHz的頻率進行輸出，混頻器輸出后對晶體微弱的固有振蕩信號進行一級預放。由于石英晶體的振蕩幅度受表面物質(zhì)吸附多少有很大關系，因此,設計一可變增益放大器以使信號放大至可被后續(xù)器件檢測出又不超出測量量程，然后通過波形整形放大器后進入到A/D變換器中[7]，最后通過A/D變換器將采集到的數(shù)據(jù)傳送給MCU進行處理和上傳。接收鏈路框圖見圖5中接收鏈路虛線框。

2.4 溫控部分

溫度變化會使石英晶體的固有頻率發(fā)生改變，為此，本文作者設計了溫度控制模塊使反應物體盡可能的處在恒溫環(huán)境下。

2.4.1 溫度采集

選擇熱敏電阻作為溫度敏感元件，并貼附在測試臺的下方，實時監(jiān)測當前測試臺的溫度。溫度敏感元件選擇具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻，其阻值隨溫度變化關系

R=R0expB(1/T-1/T0)

(5)

式中R為溫度T時電阻阻值，R0為溫度T0時阻值，B為熱敏電阻的B常量系數(shù)，其特性曲線見圖6。溫控器件HTC3000提供一恒流源I流過熱敏電阻器，熱敏電阻器兩端電壓的變化反應出溫度的變化(U=I×R)。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣得到熱敏電阻兩端電壓值，通過溫度與電壓的關系計算得到當前溫度數(shù)據(jù)。

圖6 熱敏電阻特性曲線 Fig 6 Characteristic curve of themistor

2.4.2 溫度調(diào)節(jié)

要產(chǎn)生恒溫環(huán)境，則需要根據(jù)采集到的測試臺的溫度進行加熱或降溫處理。加熱、降溫模塊選用兩個12 V的熱電冷卻器(thermoelectric cooler,TEC)模塊并串聯(lián)使用。通過模塊的電流正向流動為加熱，反向則為降溫。溫控器件HTC3000內(nèi)部集成的PI控制環(huán)路具有極高的溫度穩(wěn)定性，當數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出作為目標溫度參考時，HTC3000通過PI控制實現(xiàn)TEC模塊的加熱或降溫控制使樣品臺溫度快速達到目標溫度，溫控系統(tǒng)整體原理圖如圖7所示。

圖7 溫控系統(tǒng)原理圖Fig 7 Principle diagram of temperature control system

3 測試結(jié)果

上位機測試軟件采用C#編程，主板與上位機采用通過RS—232接口進行通信。上位機通過C#編程設定目標溫度為22 ℃，實際溫度控制精度誤差為0.2 ℃。DDS發(fā)射單頻信號對晶片進行激勵，振蕩信號經(jīng)過混頻，ADC采樣混頻后的低頻信號傳送給單片機(MCU)進行處理和上傳，DDS對晶體進行持續(xù)激勵，得到最佳掃描諧振頻率點5 MHz，整個測試系統(tǒng)基于此點即可開展工作，此時整個主板電路導通，各個功能模塊工作正常。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了硬件電路電源部分、信號激勵與接收部分、溫控部分。電源部分設置可恢復的斷路器，既提高了板子的安全性又減少了排障工作量；發(fā)射鏈路通過DDS與本振混頻得到，切換頻率快，頻率輸出精度高?？蛻舳塑浖捎肅#編程，上位機和下位機通過RS—232接口或USB2.0接口進行通信，上位機對下位機采集到的數(shù)據(jù)進行計算和分析，將實驗的數(shù)據(jù)記錄至文件或數(shù)據(jù)庫，同時提供圖形顯示。

[1] Sauerbrey G.The use of quartz oscillators for weighing layers and for micro-weighing [J].Zeitschrift for Physik A Hadrons and Nuclei,1959,155:206-222.

[2] Rodahl M,Kasemo B.On the measurement of thin liquid over-layers with the quartz-crystal microbalance[J].Sensors and Actuators A:Physical,1996,54(1):448-456.

[3] 王弟亞，陳真誠，朱建銘，等.基于無創(chuàng)血糖檢測的傳感器集成設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(12)：74-79.

[4] 何建安，付 龍，黃 沫，等.石英晶體微天平的新進展[J].中國科學，2011,41(11)：1679-1698.

[5] 鄭 倩，徐 芬.基于金屬有機框架化合物修飾的QCM濕度傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(13)： 138-140.

[6] 劉小偉.差分石英晶體微天平的設計與構(gòu)造[D].合肥:中國科學技術(shù)大學，2009.

[7] 沙一峰.基于超高輸入阻抗放大電路的生物傳感器設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(11)：71-74.

陳 鳴，通訊作者，E—mail:chming1971@126.com。

Design of circuit system for liquid phase QCM biosensor*

JI Jun-wang1, LU Wei-ping2, XU Huan2, YANG Cheng2, HOU Chang-jun1, CHEN Ming2

(1.Bioengineering College,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.Department of Clinical Laboratory,Daping Hospital,The Third Military Medical University,Chongqing 400042,China)

The designed quartz crystal microbalance(QCM) instrument is to measure biochemical reactions of trace substances in liquid.The circuits system is designed according to requirements of liquid phase QCM biosensor,including power supply unit,signal excitation and receiving unit,temperature control parts.the liquid phase QCM biosensor makes Microchip MCU as core of circuit system,which can realize the stimulation of the quartz crystal and the detection of the frequency,the acquisition and control of the temperature and so on.Upper PC test results demonstrate that real temperature control precision is ±0.2 ℃ and the optimal resonant frequency can be detected smoothly,which prove that the system can reach the expected requirments well.

trace substances; liquid phase quartz crystal microbalance(QCM); biosensor; resonant frequency

2016—08—01

國家自然科學基金重點資助項目(81430053); 第三軍醫(yī)大學成果轉(zhuǎn)化基金資助項目(2012XZH11)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0070—03

TN 41

A

1000—9787(2016)10—0070—03

姬君旺(1990-)，男，河南商丘人，碩士，主要從事生物傳感器的研究。