CN101441194B - 低电压芯片电泳多段式循环式施加电压的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种低电压电泳芯片电路控制系统和控制方法，涉及微机电系统技术领域。本发明设计了一种低电压电泳芯片控制系统，由上位控制PC机及下位控制器组成，下位控制器中MCU作为中央处理器，通过I\O接口输出控制信号，经电流放大电路及继电器阵列后与低电压电泳芯片的阵列电极相连，通过修改相应的分离参数，可调节低电压电泳芯片分离沟道上的电场变化，进而控制芯片电泳过程。本发明提出了一种针对低电压电泳过程的多段式同步循环施加控制电压的控制方法，电泳芯片的整个分离管道划分成三段，每段的对应电极并联，电压在三段的对应电极上同步依次循环施加。该方法适用于含阵列电极的低电压电泳芯片，可缩短分离时间，提高分离效率。

Description

低电压芯片电泳多段式循环式施加电压的控制系统和方法

技术领域

本发明属于微机电系统技术(MEMS)领域，特别涉及对微流控芯片的控制技术。

背景技术

芯片电泳是微分析系统领域中一个重要的分支，近年来关于芯片电泳的研究层出不穷。芯片电泳中电泳和电渗驱动模式是微流体的驱动和控制的主流方法。一般的芯片电泳中高压电源带来的安全性、集成化和自动化难题，提出了含阵列电极的低电压芯片分离分析理论和系统设计。随着MEMS技术的发展，能够在微流控芯片上集成阵列电极，考虑采用阵列电极来降低微流控芯片分析系统的操作电压，使之更有利于生化样品体系的检测。低电压芯片电泳是用阵列电极将分离管道分成许多小的分离区带，通过在一个或者几个区带之间施加低电压，这样可以在较低外加电压下获得原来的场强，而低电压的持续和循环施加，则能获得连续的高场强形成连续的移动电场作为样品的驱动力。在实际的应用中，对低电压芯片电泳过程中施加电压以及电场变化的控制是非常重要的。目前，国内外关于低电压电泳芯片的研究仍集中在仿真模拟、芯片和微电极阵列等设计方面，而真正建立实际的电路控制和操作系统，以及运用低电压芯片电泳实现样品分离的研究还极少见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在实现低电压芯片电泳过程中对施加电压以及电场变化进行有效控制。低电压芯片电泳过程是根据电泳分离原理，基于分离通道电场强度一定的要求，在分离沟道上通过电极阵列实行分区段、交替循环施加电压，以产生被分离样品组分运动所需的运动电场，从而使物质在运动电场驱动下实现低工作电压下有效的移动和分离的过程。本发明提出了一种低电压芯片电泳过程的电路控制系统，并进一步提出一种低电压芯片电泳过程的多段式循环控制方法。在本发明中所述低电压是指在芯片电泳分离过程中外界提供10-60V的电压。

解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种低电压芯片电泳过程的控制系统，包括PC机、微控制器MCU、电流放大电路、继电器阵列、分布在低电压电泳芯片分离沟道上的电极阵列；该控制系统用以实现低电压芯片电泳驱动和分离的功能；其特征在于；

所述PC机与所述微控制器MCU通过通信接口相连；

微控制器MCU的输出通过I\O接口连接到电流放大电路的输入端；

所述电流放大电路的输出端连接到继电器阵列中各继电器单元的控制端；

继电器阵列中各继电器单元的输出端连接到低电压芯片分离沟道上的电极阵列；

所述PC机向微控制器MCU发出命令，MCU通过I/O接口输出控制信号，并经所述放大电路放大后，通过所述继电器阵列控制所述电极阵列中每个电极上的加电顺序、加电时间、循环次数实现样品分离，其中每个电极上所加电压可以有低电平、高电平以及高阻态3种状态。

本发明还提出一种利用低电压芯片电泳过程的控制系统的针对低电压芯片电泳过程的多段式同步循环施加控制电压的控制方法，该方法适用于含阵列电极的低电压电泳芯片，借助分布在低电压芯片分离沟道上的电极阵列，通过修改相应的分离参数，可为电泳分离电压的施加提供多种选择；其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在所述低电压电泳芯片的分离沟道上布置电极阵列；

(2)将整个低电压电泳芯片的分离管道平均划分成n段，每段具有相同数量的电极，并将每段中的电极进行同一方向的排序，将每段的对应电极即每段上序号相同的电极并联；

(3)通过低电压芯片电泳过程的控制系统对步骤(2)中的每段中的电极同步循环施加电压，即先同时对每段中的第一序号电极施加电压，保持设定时间后，再同时对每段中第二序号电极时间电压，如此进行电压的同步循环施加；

(4)通过修改和调节分离电压施加的区段长度、分离电压的循环方式以及循环过程中每对电极上的电压保持时间，从而控制分离过程。

本发明提出的低电压芯片电泳过程的电路控制系统能有效地提供和保障微流控芯片电泳过程所需提供的多种运动电场施加模式；所提出的低电压芯片电泳过程的多段式循环控制方法，可为分离电压的施加提供多种选择，同时减小控制电路系统体积，提高低电压芯片电泳的分离效率。

附图说明

图1低电压电泳芯片控制系统原理图；

图2驱动电路(图2a是电流放大电路，图2b是继电器单元电路)；

图3电压切换及施加方式示意图(图3a是单段循环施加电压模式，图3b是多段循环施加电压模式，图3c是低电压电泳芯片微通道两侧的阵列电极与控制电路的连接方式示意图)；

图4系统工作流程图(图4a是芯片控制系统工作流程，图4b是每个扫描周期内的工作流程)

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明的实施作详细描述。

如图1所示为本发明的低电压芯片电泳过程的控制系统，包括PC机、微控制器MCU、电流放大电路、继电器阵列、分布在低电压电泳芯片分离沟道上的电极阵列、信号检测系统以及数据采集模块。PC机通过串口与微控制器MCU相连，利用串口通信发送控制命令并进行数据传输；MCU提供多路I/O输出，作为控制信号与对应三极管基极相连，利用三极管完成电流放大功能；三极管发射极接继电器的控制脚，控制继电器阵列中各路继电器的通断；继电器阵列中各路继电器输出脚分别接电泳芯片的分离电极，为电泳分离过程提供分离电场；样品在分离电场的作用下在沟道中运动并分离，在分离沟道末端的信号检测电路将对分离结果进行监测，并通过数据采集模块和数据处理接口将结果返回给MCU，MCU通过串口通信将数据传给PC机。

本发明的低电压电泳芯片采用的是简单十字形微管道结构，微分离管道两侧布置有阵列微电极(图3a)，这些阵列微电极的外引线脚分布于芯片两侧，与控制电路相连。系统由PC机向MCU发出命令，MCU输出相应控制信号，经电流放大电路，进而对两级继电器的输出状态进行切换，使得芯片管脚的电平可以任意设置为高、低和高阻三种状态之一，同时实现每个电极上的加电顺序、加电时间、循环次数等的控制。进而提供和保证低电压芯片电泳过程所需要的运动电场。

本系统中单片机选择ATmega128，它是AVR高档单片机中内部接口最丰富，功能最齐全的单片机，它是采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机。芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有运算速度快，功耗低，功能强大，性价比较高等优点。电路中ATmega128作为电泳芯片控制系统的核心，执行PC机的相关指令，为控制电路提供工作时序，通过I2C协议接收检测结果，并通过串口完成与PC机的通讯。

此电路可以实现电泳芯片驱动电压0-120V可调，控制电源5V，利用PC机和AVR单片机可以方便地设定并控制低电压运动场驱动的芯片电泳的工作频率和施加电压的方式。这样产生的外加电压直接施加于分布在分离沟道上的分离电极阵列，在微管道中形成区段高电场，从而使样品组分进行电泳分离过程，最终实现低工作电压下有效的移动、分离和分析。

图2为驱动电路。驱动电路由三极管电流放大电路和继电器阵列组成。

图2a是电流放大电路，MCU执行PC机指令，通过I\O接口输出驱动电路的控制信号(CONST1～CONSTn)。由于单片机不可以输出或者灌入大电流，I/O口输出的最大电流为20mA，不足以驱动继电器工作，所以将单片机输出的控制信号经三极管电流放大后接继电器的控制端，控制继电器的输出状态，进而驱动样品组分的电泳分离过程。如图2a所示为三极管电流放大电路的一个单元，MCU的第一路I/O输出CONST1接三极管N1的基极，三极管发射极通过下拉电阻R1接地，集电极接工作电源VQ(VQ＝5V)，三极管发射极处的输出信号NET1接后续的继电器控制端。

图2b所示为继电器单元电路。所述继电器阵列由多个继电器组成，而每两个继电器组成一个继电器单元电路。在该控制电路系统中电泳芯片每个电极上所加电压可以有接地、高电平以及悬空3种状态，这三种状态采用了两个继电器级联的方式来实现。如图2b所示，J_S01、J_S02是两个继电器，每个继电器有6个引脚：2、5为开关控制脚，2脚接地，5脚接三极管电流放大电路输出的控制信号NETn；1为电压输入脚，3为电压输出脚，1、3之间为常开型开关；4、6也可作为电压输出脚，但是由于1和4、6之间为常闭开关，故此处未用。图2b中继电器J_S01的2脚接地，5脚接控制信号NET1，1脚接分离电压V-high，3脚输出OUT1；继电器J_S02的2脚接地，5脚接控制信号NET2，1脚接地，3脚通过上拉电阻R_S01接输出OUT1。工作原理：当NET1和NET2为(1，0)时，继电器J_S01吸合，继电器J_S02打开，OUT1输出为V-high；当NET1和NET2为(0，1)时，继电器J_S01打开，继电器J_S02吸合，OUT1输出为0；当NET1和NET2为(0，0)时，继电器J_S01打开，继电器J_S02打开，OUT1输出为悬空态。OUT1与电泳芯片的某个电极相连，从而实现了电泳芯片分离电极上对高电平、低电平、悬空态的要求。继电器阵列可提供多个OUT输出，可以加在电泳芯片不同的电极上。在MCU程序控制下，MCU的I/O输出CONSTn不断变化，CONSTn经三极管电流放大后的NETn也随时变化，进而控制着继电器输出OUTn的变化，从而构成电泳过程的运动电场。

图3为多段式循环控制方法和分段式扫描电路示意图。

这里以整体式循环驱动和三段式同步扫描循环驱动电压驱动方式为例进行说明。

整体式循环驱动是分离电压在整个分离管道的所有阵列电极上依次交替循环施加(图3a)。分离电压从第一对电极一直交替施加到第39对电极上，再回到第一对电极上，如此循环施加，直至混合样品被分离并驱动至检测口，完成芯片电泳分离检测过程。

三段式同步扫描循环驱动是将整个分离管道划分成三段，每段13个电极，分离电压在三段的对应阵列电极上同步依次循环(图3b)。以电极间距为700um的芯片结构为例，某时段在电极a与a+2之间、a+13与a+15之间、a+26与a+28之间同时施加分离电压，下一时段在电极a+1与a+3之间、a+14与a+16之间、a+27与a+29之间同时施加分离电压，依次循环，直至施加到最后一组，再重新回到第一组开始下一循环。三段式同步扫描循环驱动除了对样品所在的区带施加电压外，还对另外两段缓冲液施加了电压，相对于整体式循环驱动只在样品所在的区段施加电压，提高了芯片电泳过程的驱动力，使整个管道的液体驱动更快，样品出峰更快，提高了分析效率；模拟结果还显示在三段式同步循环驱动下，在分离管道的三个循环区段之间形成一个场强较弱的与微管道中样品电泳电场相反的反向电场，这是由于三组循环电压施加时，组与组之间电场的正负正好与外加电压电场的正负反向，这之间形成的电场称之为反向电场，如在第二区段电泳电场方向是从左到右，而反向电场是另两个区段施压电压作用时产生的是从右向左的电场，其对样品的作用力方向也与正向电场相反，这对于部分跑离循环区段的样本会产生方向作用使其回归循环区段，因此，可以在一定程度上抑制样品的扩散，有利于提高低电压芯片电泳的分离效果。

当芯片上电泳分离阵列的电极间距为700um时，在电极n和n+2上加电压，总电极数为39对，每13对为一组，共分3组，如图3a和3b所示。由于采用了分段式周期性交替施加分离电压的方式，原本需要39对继电器的电路现在仅需要13对，不仅大大减小了系统体积，所需单片机输出控制信号由78个变为26个，减小了MCU的工作量和电路设计难度。

当芯片上电泳分离阵列的电极间距为500um时，在电极n和n+3上加电压，总电极数为53对，共分3组，前面两组每组18对电极，第三组17对电极。同理，由于采用了分段式周期性交替施加分离电压的方式，原本需要53对继电器的电路现在仅需要18对，并且所需单片机输出控制信号由106个变为36个，减小了MCU的工作量和电路设计难度尤其减小了系统体积。

系统工作过程中，可通过软件设定施加电压的模式，如选择分离芯片为500um还是700um；也可以选择分离电压施加的区段长度，可以选择间隔几个电极区间；此外，还可以设定电压切换时间以及循环次数。通过改变分离电压施加的区段长度可改变分离电场强度，进而改变对芯片电泳过程的驱动能力；通过改变电压切换时间可改变电场运动速度及循环周期，进而改变分离通道中样品的运动情况。

在分离过程中主要依靠强电场对样品进行分离，此时样品区带处于高电场中，样品离子的迁移速度加快，当离子穿越高强电场分离区域以后，相邻扫描电极之间存在的较低的反向电场，电场强度切换至反向，离子所受驱动力反向，使得样品离子的迁移速度减慢，如果切换时间稍长，样品离子可能反向迁移，向电极方向迁移，同时运行区带内的样品在强电场下向电极附近聚集，从而促使样品区带的长度在施加电压的电极附近缩短，导致溶质在两区带的界面处堆积，实现富集，调整分离施加电压及分离驱动电压切换时间可使样品进行最大富集，降低样品淌度及扩散对分离的影响，提高样品分离效率。

图4为控制系统的流程图。工作原理：如图4a所示上电后系统初始化，等待接收上位机发出的扫描参数和检测参数，接收成功后发出应答信号；下位机配置工作参数，等到上位机发出“开始”命令后，则开始循环扫描，达到设定的扫描次数scan_num时或者有中断发生时则停止扫描。

图4b为每个扫描周期内的工作流程。对于电极间距为700um的芯片结构，共39对电极，分三组，每组13对电极，则每个扫描周期分为13个时刻。扫描开始后，电极1和电极3之间、电极14和电极16之间、电极27和电极29之间同时加30V的区段电压，其余电极保持悬空，定时器计时开始，检查是否达到设定的电压保持时间scan_time，未达到则定时变量t加一；若达到了scan_time，则定时变量t清零，重新进行I\O配置，电极2和电极4之间、电极15和电极17之间、电极28和电极30之间同时加30V的区段电压，其余电极保持悬空；以此类推，直至达到每组的电极数目pole_num(此处为13)时，则一个周期内的循环扫描结束。于此同时，在定时器计时过程中，每隔一段时间d_time(d_time＜＜scan_time)调用一次数据采集程序，将采集结果发回PC机。

本发明设计的控制电路和同步扫描循环驱动的微流体控制方法可广泛应用于在芯片管道区中不同测试样品的低电压芯片的电泳控制，对电泳过程能够进行有效的控制。

Claims (8)

1.一种低电压芯片电泳过程的控制系统，包括PC机、微控制器MCU、电流放大电路、继电器阵列、分布在低电压芯片分离沟道上的电极阵列；该控制系统用以实现低电压电泳芯片驱动和分离的功能；其特征在于：

所述PC机与所述微控制器MCU通过通信接口相连；

微控制器MCU的输出通过I\O接口连接到电流放大电路的输入端；

所述电流放大电路的输出端连接到继电器阵列中各继电器单元的控制端；

继电器阵列中各继电器单元的输出端连接到低电压芯片分离沟道上的电极阵列；

所述PC机向微控制器MCU发出控制信号，并经所述放大电路放大后，通过所述继电器阵列控制所述电极阵列中每个电极上的加电顺序、加电时间、循环次数实现样品分离，其中每个电极上所加电压可以有低电平、高电平以及高阻态3种状态。

2.根据权利要求1所述的低电压芯片电泳过程的控制系统，其特征在于，继电器阵列由一组继电器单元组成，每个继电器单元由两个继电器级联组成一组三态产生电路，三态产生电路的输出具有高电平、低电平和高阻态三种状态，所述输出状态根据电极上具体时刻的电压要求由MCU程序控制，并且继电器输出电压在0-120V范围内可调，符合低电压电泳芯片分离电压可调的要求。

3.根据权利要求2所述的低电压芯片电泳过程的控制系统，其特征在于，所述每个继电器单元的控制脚接三极管电流放大电路的输出端，其中，每一继电器单元中的第一个继电器的输入端接高电压，另一个继电器的输入端接地，两个继电器的输出端通过一个电阻并联在一起作为输出，控制输入端接高电压的继电器吸合、控制输入端接低电压的继电器打开时，输出为高电平；控制输入端接低电压的继电器吸合、控制输入端接高电压的继电器打开时，输出为低电平；当两个继电器均打开时，输出为高阻态；从而满足在该控制电路系统中电泳芯片每个电极上所加电压可以有接地、高电平以及高阻态3种状态的要求。

4.根据权利要求1所述的低电压运动场芯片电泳过程的控制系统，其特征在于：所述微控制器MCU是利用单片机ATmega128作为核心控制器件，通过串口完成与PC机间的通信、通过对I\O接口实时配置为控制电路提供工作时序、并通过I2C协议接收检测结果。

5.一种根据权利要求1所述低电压芯片电泳过程的控制系统的针对低电压芯片电泳过程的多段式同步循环施加控制电压的控制方法，该方法适用于含阵列电极的低电压电泳芯片，借助分布在低电压芯片分离沟道上的电极阵列，通过修改相应的分离参数，可为电泳分离电压的施加提供多种选择；其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在所述低电压芯片的分离管道上布置电极阵列；

(2)将整个低电压芯片的分离管道平均划分成n段，每段具有相同数量的电极，并将每段中的电极进行同一方向的排序，将每段的对应电极即每段上序号相同的电极并联；

(3)通过权利要求1中所述低电压芯片电泳过程的控制系统对步骤2中的每段中的电极同步循环施加加压，即先同时对每段中的第一序号电极施加电压，保持设定时间后，再同时对每段中第二序号电极时间电压，如此进行电压的同步循环施加；

(4)通过修改相应的分离参数，调节分离电压施加的区段长度、分离电压的循环方式以及循环过程中每对电极上的电压保持时间，从而控制分离过程。

6.根据权利要求5所述的多段式同步循环控制电压施加控制方法，其特征在于：将所述电泳芯片的整个分离管道划分成三段，分离电压在三段的对应阵列电极上同步依次循环。

7.根据权利要求5所述的多段式同步循环控制电压施加控制方法，其特征在于：所述分离参数包括施加电压的模式选择、分离电压施加的区段长度选择、电压切换时间、循环次数；通过改变分离电压施加的区段长度可改变分离电场强度，进而改变对芯片电泳过程的驱动能力；通过改变电压切换时间可改变电场运动速度及循环周期，进而改变分离通道中样品的运动情况。

8.根据权利要求5所述的多段式同步循环控制电压施加控制方法，其特征在于，在芯片电泳过程，各个分段扫描电极之间存在的较低的反向电场，溶液中样品离子所受到反向驱动力，使得样品离子的迁移速度减慢，促使样品区带在施加电压的电极附近缩短而实现离子的富集，降低离子扩散对分离的影响，提高样品分离效率。

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