毛細管電泳芯片非接觸電導檢測系統(tǒng)設(shè)計

唐海玉，閆衛(wèi)平

(大連理工大學電子科學與技術(shù)學院，遼寧大連 116023)

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毛細管電泳芯片非接觸電導檢測系統(tǒng)設(shè)計

唐海玉，閆衛(wèi)平

(大連理工大學電子科學與技術(shù)學院，遼寧大連 116023)

針對毛細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)，通過自制激勵源與信號檢測電路，編寫驅(qū)動程序和上位機軟件，設(shè)計了一款體積較小的用于毛細管電泳芯片檢測的非接觸電導檢測系統(tǒng)。激勵源交流電壓頻率在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的電泳芯片對系統(tǒng)進行測試，在頻率100 kHz、10Vp-p的激勵信號下，對濃度為10-3mol/L的氯化鉀溶液進行檢測，可得到相對峰值大于200 mV的檢測信號。

毛細管電泳芯片;非接觸電導檢測；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，常用的毛細管電泳芯片檢測方法有激光誘導熒光檢測、質(zhì)譜檢測、電化學檢測等。激光誘導熒光檢測利用體積比較大的光學系統(tǒng)，質(zhì)譜檢測使用價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。電化學檢測法結(jié)構(gòu)簡單，檢測物質(zhì)多樣，是一種易于實現(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[1]。

電容耦合非接觸電導檢測(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，簡稱C4D)作為一種電化學檢測方法，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，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，越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注[2-3]。2010年，Mahabadi設(shè)計了一款非接觸電導檢測系統(tǒng)[4]，使用標準信號發(fā)生器作為激勵源，通過自制的信號放大電路將采集到的信號進行放大處理，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機，上位機使用LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)處理。Mahabadi設(shè)計的非接觸電導檢測系統(tǒng)檢測限達到了0．3～1 μmol/L，但是由于使用PC機，系統(tǒng)不便于實現(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檢測系統(tǒng)[5]，通過自制激勵源與信號處理電路，將采集到的信號傳送到嵌入式處理器進行處理，系統(tǒng)的檢測限達到了9．1 μmol/L，具有體積較小、集成度高的特點。但是，該系統(tǒng)使用的不是傳統(tǒng)十字溝道形電泳芯片，且采用手動進樣方式，檢測到的信號波形為階躍信號。

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

1 硬件電路設(shè)計

毛細管電泳芯片非接觸電導檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流信號源通過激勵電極對檢測池施加激勵信號，接收電極輸出的檢測信號經(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)的上位機應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

圖1 非接觸電導檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1．1 前置放大電路設(shè)計

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通常為μΑ或nA量級，且信號的頻率比較高，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，為了增加信號穩(wěn)定性，在前置放大電路之后設(shè)計了一個電壓跟隨電路。

圖2 前置放大電路原理圖

1．2 鎖相放大電路設(shè)計

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)，其信號來源有兩個部分，一路是經(jīng)前置放大電路處理之后的信號，記為

S(t)=Asin(2πf1t+φ1)

(1)

另一路是激勵源輸出的經(jīng)過移相之后的參考信號，記為

R(t)=Bsin(2πf2t+φ2)

(2)

兩路信號經(jīng)過乘法器相乘之后得到

(3)

圖3 鎖相放大電路原理圖

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

(4)

將此信號進行采樣之后，傳輸給上位機進行處理，即可得到非接觸電導檢測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。

1．3 激勵源設(shè)計

激勵源(即交流信號源)主要包括MAX038基本電路和交流信號放大電路。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，VREF的大小維持在2．5 V。當IN引腳的輸入電流在10～400 μA范圍變化時，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，此時輸出的交流信號頻率在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放AD711組成的交流信號放大電路。MAX038的輸出波形由A0和A1引腳決定，當A1為高電平時(A0任意)，輸出為正弦波；當A0和A1都為低電平時，輸出為方波；當A0為高電平，A1為低電平時，輸出為三角波。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

毛細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)動程序。AD7888驅(qū)動程序?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，應(yīng)用程序通過繼電器驅(qū)動程序進行檢測通道的選擇，通過驅(qū)動數(shù)字電位器對激勵源的頻率和幅值及信號處理電路的增益進行控制。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．1 上位機軟件

上位機軟件開發(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行交叉編譯，生成可以在ARM架構(gòu)處理器上運行的應(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)動程序傳輸來的數(shù)據(jù)，繪制信號響應(yīng)曲線；通過驅(qū)動程序控制檢測通道、激勵源參數(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，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(串行移位時鐘)、CS(使能端)4種信號線組成，電路連接簡單，穩(wěn)定性強。

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

圖6 AD7888驅(qū)動程序流程圖

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

3 系統(tǒng)測試

電泳芯片非接觸電導系統(tǒng)設(shè)計完成之后，使用十字溝道毛細管電泳芯片對系統(tǒng)進行測試。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在實驗中得出的最佳結(jié)構(gòu)[6]。

A—進樣溝道儲液池；B—分離溝道儲液池；C—進樣溝道廢液池；D—分離溝道廢液池；E—進樣溝道；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檢測的電泳芯片。

將非接觸電導檢測系統(tǒng)及高壓電源與電泳芯片連接，在進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，然后在進樣儲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的電壓進行樣品進樣，在B和D之間施加800 V的電壓進行樣品分離，得到的信號響應(yīng)曲線如圖8所示。從圖中可以看出，非接觸電導檢測系統(tǒng)能夠清晰的將樣品中K+檢測出來，響應(yīng)信號的相對峰值大于200 mV，峰型良好。

圖8 非接觸電導檢測系統(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檢測系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計，在系統(tǒng)制作完成之后，使用該系統(tǒng)對濃度為10-3mol/L的氯化鉀溶液進行檢測，得到了非常明顯的檢測信號，證明了系統(tǒng)的軟硬件完全能夠正常工作，這對進一步確定該非接觸電導檢測系統(tǒng)的檢測限提供了保證。該系統(tǒng)除了實驗進樣的高壓電源之外，已經(jīng)基本實現(xiàn)了微型化檢測的目標。

[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．

[3] PAVEL K,PETER C．Capacitively coupled contactless conductivity detection for microseparation techniques - recent developments．Electrophoresis,2011,32:30-42．

[4] MAHABADI,RODRIGUEZ,LIM,et al．Capacitively coupled contactless conductivity detection with dual top-bottom cell configuration for microchip electrophoresis．Electrophoresis,2010,31:1063-1070．

[5] 劉軍山,王寧,徐征,等．基于ARM9的便攜式電容耦合非接觸電導檢測器．儀器裝置與實驗技術(shù),2013,41(4):616-620．

[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．

[7] 劉建國，張付祥，付宜利．AD7888與S3C2410的SPI接口及Linux下嵌入式驅(qū)動實現(xiàn)．工業(yè)儀表與自動化裝置,2006(5):40,47-49．

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

[9] 宋寶華．Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解．北京: 人民郵電出版社,2010:118-138．

[10] 奚海蛟，呂鐵軍．嵌入式Linux驅(qū)動實戰(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)計與實現(xiàn)．3版．北京: 機械工業(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

國家自然科學基金資助項目(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，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)和毛細管電泳生物芯片檢測。 E-mail：tanghaiyu777@163．com