CN103191641B - 一种液相等电聚焦电泳系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液相等电聚焦电泳系统，其在原有分离装置分离腔的底板上依次设置了一导电层和一绝缘层，人为造成串联电容，以减小分离腔中的电容效应，提高系统抗耦合的能力；改进原有压紧机构，在系统分离腔上方设置若干间隔均匀且平行的横梁，并将各横梁通过支撑块固定在分离腔的顶板上，同时在各横梁的两端分别设置一具有压头的压杆，因此当各压杆承受向下的拉力时，可以使分离腔顶板各部分承受的压力非常均衡；在原有电源装置中增设一控制单元，根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，自适应地调整电源装置中预稳压单元输出的电压、电流值、功率状态，并实时通过误差反馈控制电源电压、电流、功率的三恒输出，从而进一步提高电源输出的稳定性，使电泳系统中缓冲液pH梯度更加稳定。

Description

一种液相等电聚焦电泳系统

技术领域

本发明涉及一种液相等电聚焦电泳系统。

背景技术

近年来，液相等电聚焦电泳技术给生物大分子的分离和分析注入了新的活力。由于等电聚焦电泳的分离过程基本是在液相中完成，因此连续液相等电聚焦电泳可以保证蛋白质损失降低到最低程度。此外，液相等电聚焦电泳具备较大的蛋白质浓度范围的分离容量，据理论计算，蛋白质浓度在0.05mg/ml到5mg/ml都能得到有效的分离。但是现有的液相等电聚焦电泳系统在工作时，存在以下问题：

1、由于分离腔处于高压运行的“浮地”状态，而分离装置中的金属部件，例如冷却单元中的金属外壳，需要按电器安全的有关规定可靠接地；这样一来，分离腔相对于大地就会形成电势差。由于分离装置的基板为绝缘体，在基板两侧会形成随机电容效应，这样就会对液相等电聚焦电泳系统的稳定工作产生不利的影响，一方面，分离腔中的样品在分离的过程中，由于电容效应的影响会有一部分样品沉降在基板的上表面，因此降低了液相等电聚焦电泳系统的样品得率；另一方面，电容效应还会对分离腔中的缓冲液产生影响，进而对由正、负电极形成的电场的稳定性产生影响。

2、由于电泳仪超薄腔体的成形依赖于垫片，可是在超薄腔体中又不允许除电极之外的任何金属构件存在，因此垫片只能选用惰性较强的有机垫片。而有机材料的弹性模量决定了它在受到挤压时能够产生自身变形，即在一定的范围内可以调整分离腔顶板与分离腔基板之间的平行度，但是，如果分离腔顶板和分离腔基板在加工时产生的形位公差超出上述调整范围，则分离腔顶板与分离腔基板之间几何尺寸引起的不平行度，将直接造成腔体内层流的密度差异，引发自然对流，导致分离失败。目前国内外几乎所有的等电聚焦电泳系统都是采用多点分步压紧的方式，不仅操作繁琐，而且由于操作要求苛刻，稍有疏忽，极易由压力不均匀引起基板局部变形，介质强度下降，引起高压击穿。

3、由于缓冲液pH梯度的稳定性一直是影响蛋白质分离质量的一个重要因素，为了保证缓冲液pH梯度的稳定性，人们一般是从加注缓冲液的方式上来着手：一种方式是直接将具有较低电泳迁移率的不同两性电解质的混合物溶液注入分离腔，在电场的作用下，逐步形成一个天然的pH梯度；另一种方式是，在不同的缓冲液注入口，同时并行注入不同pH的多种缓冲液，形成一个人工的pH梯度。但是在上述两种方式中，缓冲液的连续加注和样品的不间断上样，都会导致分离电场入口端的电导不稳定，从而影响电泳的分离精度。另外，在蛋白质分离时，液相等电聚焦电泳系统中缓冲液的pH梯度是靠电场维系的，稳定的pH梯度取决于系统电源的负载适应能力。现有的液相等电聚焦电泳系统一般使用的是传统的“三恒电源”，也就是使用者在使用时，一次只能输出恒压、恒流或恒功率中的一种。如果“三恒电源”能够自适应地调整进而保持电压或电流的设置值，那么就能够延长分离腔前端pH梯度的稳定时间，因此，研制具备自适应能力的可控高压稳定电源，以更好地保证液相等电聚焦电泳系统中缓冲液pH梯度的稳定性，是当前研究的总体趋势。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高样品得率，分离腔所受压力均衡，缓冲液pH梯度稳定性好的液相等电聚焦电泳系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：它包括分离装置、压紧装置和电源装置；分离装置包括一具有金属外壳的冷却单元，冷却单元的上表面设置有一分离腔基板，分离腔基板的上表面依次设置一导电层和一绝缘层；绝缘层的上方设置有一分离腔顶板，绝缘层与分离腔顶板之间为一分离腔；分离腔的两侧分别设置有一电极室，其中一电极室内设置有一正电极，另一电极室内设置有一负电极；两电极室分别通过一相分隔膜与分离腔隔开；分离腔的一端设置有若干缓冲液输入口和一样品输入口，分离腔的另一端设置有一级分收集器；分离缓冲液从缓冲液输入口泵入分离腔中，样品从样品输入口泵入分离腔，电极液从两电极室入口泵入电极室，从两电极室出口流出；压紧装置包括压紧机构、驱动机构和中间连接机构；压紧机构包括间隔均匀且平行设置的若干横梁，每一横梁的底部间隔设置有至少两个支撑块，各支撑块的底部均连接在分离腔的分离腔顶板上，每一横梁的顶部两端均设置有一通过压头压在横梁上的压杆；驱动机构包括由驱动轮带动的一蜗杆，蜗杆带动一蜗轮，蜗轮的中心轴两端分别连接一伞齿轮，每一伞齿轮分别通过另一伞齿轮带动一输出轴，两输出轴上分别间隔设置有一组偏心连接的压紧轮，两组压紧轮中的每一压紧轮的偏心方向和偏心距离相同；中间连接机构包括设置在每一压紧轮外面的一空心滑块，每一空心滑块的外面设置有一框架，每一框架相对于一个压杆，且固定连接在冷却单元底部支撑架一侧；空心滑块顶部设置有一螺纹柱，底部设置有一导向柱；框架底部设置有一插入导向柱的导向孔，顶部设置有一通孔，通孔内插入一圆形校准螺母，校准螺母内两端的螺纹旋转方向相反；校准螺母上部连接一螺杆，螺杆的顶部通过销轴连接压杆底部；空心滑块顶部的螺纹柱连接在校准螺母内的下部；校准螺母中部圆周上间隔设置有若干工具插入盲孔，与此对应，框架上设置有插入工具的缺口；电源装置为分离装置供电。

上述分离装置的导电层为铝膜，绝缘层为聚碳酸酯材料，分离腔基板和分离腔顶板采用石英玻璃或聚碳酸酯和有机玻璃中的一种，相分隔膜采用离子交换膜、尼龙膜和醋酸纤维素膜中的一种。

上述分离装置的冷却单元上表面与分离腔基板之间、分离腔基板与导电层之间、导电层与绝缘层之间，采用导热硅胶进行密封连接。

上述压紧装置中压紧轮的中心与输出轴的轴心的偏心距为1.5mm；压紧轮在空心滑块内的左右行程为两倍的偏心距，空心滑块在框架内的上下行程为两倍的偏心距。

上述电源装置包括输入单元、预稳压单元、开关换能单元、高压变换输出单元、控制单元和辅助电源单元；输入单元输入端连接电网，输出端分别连接预稳压单元和辅助电源单元输入端，于发生异常情况时切断电网电源的输入；预稳压单元输出端连接开关换能单元输入端，将输入单元提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给开关换能单元，同时还将直流输出与电网隔离；开关换能单元输出端连接高压变换输出单元输入端，将预稳压单元提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给高压变换输出单元；高压变换输出单元输出端连接分离装置分离腔电极，将开关换能单元提供的高压脉冲信号转换为电泳系统能够使用的高压直流电压、电流；控制单元通过数据总线连接上位机，与上位机进行数据交互，通过数据总线连接高压变换输出单元输出端，采集高压变换输出单元输出的高压直流电压、电流，通过数据总线连接预稳压单元控制端，根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及高压变换输出单元输出误差分析结果，调控预稳压单元的直流输出，通过数据总线连接开关换能单元控制端，调控开关换能单元输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比；通过数据总线连接高压变换输出单元控制端，根据上位机的控制指令开启或关断高压变换输出单元的输出；辅助电源单元输出端连接控制单元，为其提供工作电压。

上述预稳压单元由依次串联的高频隔离变压器、电涌保护电路、电磁兼容与电磁干扰滤波器、全波整流滤波电路、电压电流温度过流保护电路和三恒反馈控制电路构成；三恒反馈控制电路包括电压、电流、功率三个反馈控制分支，每一反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，直流电源控制模块的输入端连接控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接运算放大器的输入端，输出反馈控制模块的输入端连接控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接门控开关；三个门控开关以三选一的逻辑方式导通。

上述开关换能单元包括全桥移相开关控制模块和采用了软开关技术的全桥高频开关电路，全桥移相开关控制模块的输入端连接控制单元，输出端经一高压隔离驱动模块连接全桥高频开关电路，全桥高频开关电路的输入端连接预稳压单元的输出端，输出端连接高压变换输出单元的输入端；高压变换输出单元由依次串联的高压全波整流电路、高压滤波电路、高压EMI滤波电路和电压、电流采样电路，以及输出控制电路构成，电压、电流采样电路的输出端分别通过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块连接控制单元，输出控制电路的控制端通过一高压隔离驱动模块连接控制单元，输出端连接分离装置分离腔电极。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在分离腔的底板上依次设置了一导电层和一绝缘层，这样人为造成串联电容，减小了分离腔中的电容效应，提高了系统抗耦合的能力，因此本发明有效地克服了现有技术存在的问题，提高了液相等电聚焦电泳系统的样品得率。2、本发明由于在冷却单元上表面与分离腔的之间、分离腔基板与导电层之间、导电层与绝缘层之间，均采用导热硅液进行密封连接，因此本发明不仅可以依靠导热硅液的表面张力来完成密封连接，而且导热硅胶固化后不会形成网状结构，中间不存在空隙，从而提高了分离腔的热交换效率，还可以改善分离腔内的温度均匀性，减小热对流对分离稳定性的影响。3、本发明由于在分离腔的导电层选用铝膜，平整光滑的铝膜镜面不仅有助于从分离腔顶板对分离缓冲液的层流状况进行观察，还可以提高分离腔基板的热扩散效率。同时本发明由于分离腔的绝缘层选用聚碳酸酯材料，聚碳酸酯层的设置不但降低了电容效应，而且提高了分离腔基板的机械强度。4、本发明的压紧机构由于采取在液相等电聚焦电泳系统分离腔上方设置若干间隔均匀且平行的横梁，并将各横梁通过支撑块固定在分离腔的顶板上，同时在各横梁的两端分别设置一具有压头的压杆，因此当各压杆承受向下的拉力时，可以使分离腔顶板各部分承受的压力非常均衡。5、本发明的驱动机构由于采用一个驱动轮通过一套蜗轮蜗杆带动两套伞齿轮，并通过两套伞齿轮带动两根分别设置有一组偏心压紧轮的输出轴，因此当驱动轮被手动或电动驱动时，可以带动所有压紧轮同步转动，不但可以保证施加压力的均衡，而且大大降低了操作的难度。6、本发明的中间连接机构通过空心滑块吸收压紧轮在横向的偏心转动，通过上下移动的校准螺母将压紧轮垂向的偏心变成压紧和放松压杆的驱动力，非常巧妙地解决了驱动机构与压紧机构的连接问题。7、本发明的电源装置通过设置一控制单元，根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，自适应地调整电源装置中预稳压单元输出的电压、电流值、功率状态，在液相等电聚焦电泳系统分离结合有染料的蛋白质样本时，其初始泳动的偏移角度明显加大。8、本发明的电源装置通过设置一控制单元，实时精密采集电源的实际输出，通过误差分析，得出相应的误差控制信号，反馈控制电源电压、电流、功率的三恒输出，从而能够有效降低电源输出波动，进一步提高电源输出的稳定性，使电泳系统中缓冲液pH梯度更加稳定。9、本发明通过设置一控制单元与上位机交互，通过上位机设置系统电源的量程，并实时返回电源的工作状态，实现程控智能操作，此外，还能根据需要及时开启或通断电源输出，增强了电源装置的安全性能。

附图说明

图1是本发明分离腔装置结构示意图

图2是本发明分离腔工作原理示意图

图3是本发明压紧装置结构示意图

图4是图3的局部结构示意图

图5是本发明电源装置的组成示意图

图6是本发明电源装置的输入单元的组成示意图

图7是本发明电源装置的预稳压单元的组成示意图

图8是本发明电源装置的预稳压单元的三恒反馈控制电路的组成示意图

图9是本发明电源装置的开关换能单元的全桥移相开关控制模块的连接示意图

图10是本发明电源装置的开关换能单元的全桥高频开关电路的组成示意图

图11是本发明电源装置的高压变换输出单元的组成示意图

图12是本发明电源装置的高压变换输出单元的电压、电流采样电路的组成示意图

图13是本发明电源装置的高压变换输出单元的高压隔离驱动模块的连接示意图

图14是本发明电源装置在恒压、恒流、恒功率工作状态下的电源输出关系示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明是对已有技术中的自由流电泳系统进行的改进，主要是对系统中的分离装置100、压紧装置200和电源装置300进行了一些的改进。

如图1所示，本发明的分离装置100与现有技术类似，包括一具有金属外壳的冷却单元101，在冷却单元101的上表面设置有一分离腔基板102，在分离腔基板102的上表面设置了一导电层103和一绝缘层104。在绝缘层104的上方设置有一分离腔顶板105，绝缘层104与顶板105之间为一分离腔106。在分离腔106的两侧分别设置有一电极室107。两电极室107分别通过一相分隔膜108将电极室107与顶板105分隔开。其中一个电极室107内设置有一正电极109，另一个电极室107内设置有一负电极110，在分离腔106内形成一电场。每一电极室107的进口连接一循环地泵装置（图中为示出），以向电极室分离装置107泵入电极液111，电极液111的流动可以移去正、负电极109、110在电泳过程中产生的电解物。

如图2所示，分离腔106的一端设置有若干缓冲液输入口和一样品输入口。分离缓冲液112从缓冲液输入口泵入分离腔106中，样品113从样品输入口泵入分离腔106中，分离腔106的另一端设置有一级分收集器114。由于与分离缓冲液112流动方向垂直的方向上施加有电场，因此在分离腔106中，含有不同电泳迁移率的样品113，会在电场中迁移不同的距离，继而在分离缓冲液112的流动力作用下，流向分离腔106的另一端的级分收集器114，达到样品112分离的目的。

上述分离装置100的描述中，分离腔106的分离腔基板102和顶板105可以采用石英玻璃、聚碳酸酯或有机玻璃等材料制成。其中，分离腔基板102优选有机玻璃材料，除了它的电介质强度的原因外，还因为其良好的平整度；顶板105为了减小电渗的影响，优选惰性较强的树脂材料制作。分离腔基板102和顶板105可以采用专用的冷抛光设备提高表面粗糙度的等级。导电层103优选铝膜，这是因为平整光滑的铝膜的镜面不仅有助于从顶板105对分离缓冲液112的层流状况进行观察，而且还可以提高分离腔基板102的热扩散效率。绝缘层104优选聚碳酸酯材料，电介质强度为7kV。绝缘层104的设置不但降低了电容效应，而且提高了分离腔基板102的机械强度。相分隔膜8采用离子交换膜、尼龙膜或醋酸纤维素膜等制成。

如图1所示，本发明的分离装置由于在分离腔基板102上增设了导电层103和绝缘层104，工作时，分离腔106处于高压运行的“浮地”状态，而导电层103接地，电位为零，在分离腔106与导电层103之间为绝缘层104，那么在分离腔106与导电层103之间会形成电容效应（假设电容效应形成的电容为C2）。而在冷却单元101的金属外壳与导电层103之间为分离腔基板102，因此在冷却单元101的金属外壳与导电层103之间也会形成电容效应（假设电容效应形成的电容为C3）。工作时，假设由于电容效应形成的总电容为C4，那么根据电容串联知识，可以得出C4=C2*C3/(C2+C3)。因此，我们可以通过改变导电层103和绝缘层104，来减小装置总的电容效应，以提高液相等电聚焦电泳系统的样品得率。

如图3、图4所示，本发明的压紧装置200包括压紧机构、驱动机构和中间连接机构三部分。

压紧机构包括间隔均匀且平行设置在分离腔106上方的若干横梁201，每一横梁201的底部均连接有至少两个支撑块202，各支撑块202的底部均连接在分离腔106的顶板105上；每一横梁201的顶部两端均设置有一通过压头压在横梁201上的压杆203。

驱动机构包括一驱动轮204，驱动轮204的伸出轴205带动一蜗杆206蜗杆206带动与其啮合的一蜗轮207，蜗轮207的的中心轴208两端分别连接一伞齿轮209，每一伞齿轮209通过另一伞齿轮210带动一输出轴211，两输出轴211上分别间隔设置有一组偏心连接的压紧轮212，每一组压紧轮212的数量与分离腔106上方的横梁201的数量相同，且在输出轴211上的连接位置也与横梁202的位置对应，两组压紧轮212在输出轴211上的偏心方向和偏心距离全部相同。由于两输出轴211是由同一驱动轮204驱动，因此工作时，两输出轴211会带动两组压紧轮212相对同步旋转。

中间连接机构包括设置在每一压紧轮212外面的一空心滑块213，每一空心滑块213的外面设置有一框架214，每一框架214相对一个压杆203的位置，固定连接在电泳仪底部一侧的支撑架215上。每一框架214的底部设置有一导向孔，每一导向孔内插设有一空心滑块213底部的导向柱216；每一框架214的顶部设置有一通孔，每一通孔内插入一圆形校准螺母217，每一校准螺母217内上、下两端的螺纹旋转方向相反。每一空心滑块213的顶部设置有一旋入校准螺母217的螺纹柱218，校准螺母217的上端连接一螺杆219，螺杆219的顶部通过一销轴220与压杆203的底部铰接。在校准螺母217中部圆周上间隔设置有若干工具插入盲孔221，与此对应，在框架214上设置有插入工具的缺口222。

上述压紧装置200的描述中，压紧轮212的中心与输出轴211轴心的偏心距为1.5mm左右。压紧轮212在空心滑块213内左右行程为压紧轮212的两倍偏心距，空心滑块,213在框架214内上下行程为压紧轮212的两倍偏心距。空心滑块213底部的导向柱216和顶部的螺纹柱218可以通过螺纹连接在空心滑块213上，也可以采用其它方便安装的方式连接。在驱动轮201上可以连接一扳手，转动扳手便可以带动驱动机构转动。也可以将驱动轮204制作成一从动齿轮，其啮合一主动齿轮，主动齿轮由一微电机带动，同样可以带动驱动机构转动。

本发明的压紧装置200安装和校准时，通过调整每一校准螺母217内的螺纹柱218和螺杆219在校准螺母217内的相对距离，来实现压杆203对横梁101的压紧程度，进而调整分离腔顶板105与分离腔基板102之间的平行度。压紧时，驱动轮204通过蜗杆206带动蜗轮207转动，蜗轮207通过中心轴208带动两端的伞齿轮209，每一伞齿轮209通过与其啮合的另一伞齿轮210带动一输出轴211，由两输出轴211分别带动一组压紧轮212转动；各组的每一压紧轮212的转动会带动空心滑块213向下运动，继而空心滑块213通过螺纹柱218带动螺杆219向下运动，使压杆203与横梁101贴合压紧。松开时，只需控制驱动轮204向相反方向运动即可。

本发明可以采用现有技术中的三恒电源装置实现系统供电，也可以采用下文改进后的电源装置300实现系统供电。

如图5所示，本发明在现有技术上改进的电源装置300主要由输入单元310、预稳压单元320、开关换能单元330、高压变换输出单元340、控制单元350和辅助电源单元360组成。其中：

输入单元310输入端连接电网，输出端分别连接预稳压单元320和辅助电源单元360输入端，用于发生异常情况时切断电网电源的输入，起到保护人身安全的作用。

预稳压单元320输出端连接开关换能单元330输入端，用于将输入单元310提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给开关换能单元330，同时还将直流输出与电网隔离，以降低电磁干扰。

开关换能单元330输出端连接高压变换输出单元340输入端，用于将预稳压单元320提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给高压变换输出单元340。

高压变换输出单元340输出端连接电泳系统分离腔电极，用于将开关换能单元330提供的高压脉冲信号转换为电泳系统能够使用的高压直流电压、电流。

控制单元350具有多个信号输入、输出端，其中：1）通过数据总线连接上位机370，与上位机370进行数据交互，接收上位机370的控制指令，反馈本发明电源的工作状况；2）通过数据总线连接高压变换输出单元40输出端，采集高压变换输出单元40输出的高压直流电压、电流，以进行误差分析；3）通过数据总线连接预稳压单元320控制端，以根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及高压变换输出单元340输出误差分析结果，调控预稳压单元320的直流输出，实现以恒压、恒流或恒功率为目的的闭环反馈控制；4）通过数据总线连接开关换能单元330控制端，调控开关换能单元330输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比，以实现稳压控制；5）通过数据总线连接高压变换输出单元340控制端，根据上位机370的控制指令开启或关断高压变换输出单元340的输出。

辅助电源单元360输出端连接控制单元350，为控制单元350提供工作电压。

下面结合附图详细说明上述各个单元的具体设置：

如图6所示，输入单元310可以由依次串联的交流接触器317、漏电保护器318和熔断保护器319构成。其中：交流接触器317的输入端与电网输出端连接，熔断保护器319的输出端分别与预稳压单元320和辅助电源单元360的输入端连接。

如图7所示，预稳压单元320可以由依次串联的高频隔离变压器321、电涌保护电路322、电磁兼容与电磁干扰滤波器323、全波整流滤波电路324、电压电流温度过流保护电路325和三恒反馈控制电路326构成。其中，高频隔离变压器321的输入端与输入单元310中熔断保护器319的输出端连接。三恒反馈控制电路326的输出端与开关换能单元330的输入端连接。全波整流滤波电路324将工频的交流电压转换为预稳直流电压。

如图8所示，三恒反馈控制电路326主要由电压、电流、功率三个反馈控制分支构成，每一反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，直流电源控制模块的输入端连接控制单元350，输出端通过一高压隔离驱动模块和一数模转换模块（D/A）连接运算放大器的输入端，输出反馈控制模块的输入端连接控制单元350，输出端通过一高压隔离驱动模块和一数模转换模块（D/A）连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接门控开关。上述三个门控开关以三选一的逻辑方式导通，从而使三恒反馈控制电路326只能以恒压、恒流或恒功率的工作方式输出直流电压、电流给后一级的开关换能单元330。其中，恒压工作方式：电压反馈控制分支中的直流电源控制模块在控制单元发出的电压设置指令下，经高压隔离驱动模块和数模转换模块，输出电压设置信号，同时输出反馈控制模块在控制单元发出的误差修正指令下，输出电压误差信号，电压设置信号和电压误差信号经运算放大器叠加后共同作用于电压电流温度过流保护电路325输出的预稳直流电压，将其调整为符合目标的稳定直流电压，提供给后一级的开关换能单元330。恒流或恒功率的工作方式与恒压的工作方式类似，此处不再赘述。

如图9所示，开关换能单元330可以由采用了软开关技术的全桥高频开关电路331和全桥移相开关控制模块332构成。全桥移相开关控制模块332的输入端连接控制单元350，输出端经高压隔离驱动模块连接全桥高频开关电路331，全桥高频开关电路331的输入端连接预稳压单元320的输出端，输出端连接高压变换输出单元340的输入端。所谓软开关技术是指在电路中增加电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，以消除电压、电流的重叠，降低开关损耗和开关噪声。

如图10所示，一种采用了软开关技术的全桥高频开关电路331：作为开关管的MOSFET功率管A/C与B/D轮流导通，相差180°相位角，但是A和D或者B和C不能同时导通，A和B先导通，称为超前桥臂；C和D后导通，称为滞后桥臂。其中，超前桥臂容易实现零电压开关ZVS（Zero Voltage Switch），主要输出滤波电感参与谐振，可以满足开关管A和B关断时并联电容C1和C2的冲放电需要；滞后桥臂由于关断过程中，高压变换器333的副边短路，只有高压变换器333的原边漏感参与谐振，不能迅速完成并联电容C3和C4的冲放电工作，因此需要在滞后桥臂一侧的原边增加原边谐振电感Lr，以实现零电压开关。由于原边谐振电感Lr的增大，会延长原边电流在正负半周期的变化时间，容易导致副边占空比的丢失率升高，降低电源效率，所以原边谐振电感Lr取值不宜过大。零电压开关实质是利用谐振过程对并联电容的冲放电，让某一桥臂中点电压快速升到输入端的电压值（即预稳压单元320输出的直流电压值）或下降到零值。在同一桥臂的开关管A和B或C和D即将接通时，其并联的二极管D1和D2或D3和D4接通，将对应开关管的两端电压钳在0V，为实现零电压开关创造条件。为了使滞后桥臂更好地实现零电压开关，可以在滞后桥臂的两端并联一辅助谐振网络（图10中电感La，电容C5、C6，二极管D5、D6所构成的电路），既不干扰主回路，又可减小副边占空比丢失率，提高电源效率。

高压变换器333是全桥高频开关电路331的重要组成部分，其参数的设定应当充分考虑预估漏感、绕组电容、峰值磁通密度、直流绕组电阻、高频交流电阻、铜损、铁损、重量、温升、窗口利用系数等实际变压器的参数值。由于高压变换器333功率较大(一般数百瓦量级以上)，所以应选用适宜于大功率传输的全桥变换拓扑结构。同时由于高压打火可能经高压变压器分布电容传至控制回路，所以还应对控制回路增加较强的退耦隔离措施。这些均为现有技术，此处不再详述。

全桥高频开关电路331中的开关管A/B和C/D由全桥移相开关控制模块332驱动。全桥移相开关控制模块332输出信号，经过高压隔离驱动模块传至全桥高频开关电路331中的两对开关管A/B和C/D，使其以PWM方式交替导通和截止，从而将预稳压单元320提供的直流电压逆变成高频方波交流电压，传送到高压变换器333的原边。高压变换器333通过电能变换，在其副边产生可达几千伏的高压脉冲信号。其中，开关频率和PWM占空比（也即高压脉冲信号的逆变频率和占空比）由控制单元350设定，这样可以达到输出电压的稳压控制效果。同时发生异常时，全桥移相开关控制模块332还能切断全桥高频开关电路331的输出，起到保护电路装置的作用。

如图11所示，高压变换输出电路340可以由依次串联的高压全波整流电路341、高压滤波电路342、高压EMI滤波电路343和电压、电流采样电路344，以及输出控制电路345构成。其中，高压全波整流电路341的输入端与开关换能单元330的输出端连接。输出控制电路345的输出端与电泳系统分离腔电极连接。高压全波整流电路341和高压滤波电路342将开关换能单元330提供的高压脉冲信号整流、滤波，进而转换成高压直流电压；其中，高压滤波电路342由输出滤波电感器和电容组成，输出滤波电感器的参数设定需要考虑滤波电路输出有效电流的最大值和最大波动电流、电感磁芯、功率容量以及滤波电容等多种因素。一般来说，可以选取输出滤波电感的电流脉动值为最大输出电流的20%，同时在二分之一脉动值时，输出滤波电感应保持连续状态。高压EMI滤波电路343用于进一步提高高压直流电压的抗干扰能力，降低电磁噪声，去除纹波干扰。

如图12所示，电压、电流采样电路344对高压滤波EMI电路343输出的高压直流电压、电流进行电阻电容平衡稳压稳流滤波采样，所采集的电压、电流信号分别经过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块送入控制单元350。所述电压、电流采样信号调理模块均可以由串联的隔离光藕电路和AD（模数）采集电路构成。此外，由于开关换能单元330中的高压变换器333容易发生高压泄漏，因此优选低温漂精密电阻构建电压、电流采样电路344。

如图13所示，输出控制电路345的控制端通过一高压隔离驱动模块连接控制单元350，在控制单元350的控制下开通或关断高压直流输出，也即电源装置的输出，以保证电泳系统工作安全性。

上述实施例中，可以采用如ADI公司的数字隔离芯片ADUM1410作为图8、图9和图13中的高压隔离驱动模块，将控制单元350与其控制的预稳压单元320、开关换能单元330和高变压输出单元340等高压电路隔离。

上述实施例中，可以采用单片机控制芯片作控制单元350。

上述实施例中，可以采用UC3879主控芯片作全桥移相开关控制模块332。

上述实施例中，电源装置内还可以设置过压、过流、过温保护电路，并将相应的故障指示信号反馈给控制单元350。

如图14所示，是本发明的电源装置在恒压、恒流、恒功率工作状态下的输出，其电压V、电流I、功率P以及负载R随时间变化的示意图：

在等电聚焦电泳时，蛋白质分离缓冲液的pH梯度是靠电场维系，稳定的pH梯度取决于液相等电聚焦电泳系统稳定电源的负载适应能力。电泳过程中，可以把分离腔腔体等效为一只负载电阻，其阻值高低由缓冲体系的离子强度决定。在电泳初始时刻，由于缓冲液的阻抗较小，电流较大，当超过某一限度，产生的焦耳热就可能导致系统工作失败。因此需要预先设置电流上限值I_W，当电流达到I_W时，电源装置启动控制单元，以恒流输出状态工作。t0～t1就是恒流输出阶段。在恒流输出阶段，缓冲体系中两性电解质的趋向泳动导致电泳电极间的电压升高和输出功率增大。根据系统对焦耳热的交换能力，在保证系统正常工作的前提下，预先设置输出功率的上限P_W。当输出功率达到P_W时，电源装置启动控制单元，以恒功率输出状态工作。t1～t2就是恒功率输出阶段。在恒功率输出阶段，电压仍在上升，而电流在下降，电压和电流的乘积保持不变。随着电泳系统阻抗RL的持续增加，输出电压继续上升。因此需要预先设置电压的上限值U_W，当电压达到U_W时，电源装置启动控制单元，以恒压输出状态工作。t2之后就是恒压输出阶段。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：它包括分离装置、压紧装置和电源装置；

所述分离装置包括一具有金属外壳的冷却单元，所述冷却单元的上表面设置有一分离腔基板，所述分离腔基板的上表面依次设置一导电层和一绝缘层；所述绝缘层的上方设置有一分离腔顶板，所述绝缘层与所述分离腔顶板之间为一分离腔；所述分离腔的两侧分别设置有一电极室，其中一所述电极室内设置有一正电极，另一所述电极室内设置有一负电极；两所述电极室分别通过一相分隔膜与所述分离腔隔开；所述分离腔的一端设置有若干缓冲液输入口和一样品输入口，所述分离腔的另一端设置有一级分收集器；分离缓冲液从所述缓冲液输入口泵入所述分离腔中，样品从所述样品输入口泵入分离腔，电极液从两所述电极室入口泵入所述电极室，从两所述电极室出口流出；

所述压紧装置包括压紧机构、驱动机构和中间连接机构；所述压紧机构包括间隔均匀且平行设置的若干横梁，每一所述横梁的底部间隔设置有至少两个支撑块，各所述支撑块的底部均连接在所述分离腔的分离腔顶板上，每一所述横梁的顶部两端均设置有一通过压头压在所述横梁上的压杆；所述驱动机构包括由驱动轮带动的一蜗杆，所述蜗杆带动一蜗轮，所述蜗轮的中心轴两端分别连接一伞齿轮，每一所述伞齿轮分别通过另一伞齿轮带动一输出轴，两所述输出轴上分别间隔设置有一组偏心连接的压紧轮，两组所述压紧轮中的每一压紧轮的偏心方向和偏心距离相同；所述中间连接机构包括设置在每一所述压紧轮外面的一空心滑块，每一所述空心滑块的外面设置有一框架，每一所述框架相对于一个所述压杆，且固定连接在所述冷却单元底部支撑架一侧；所述空心滑块顶部设置有一螺纹柱，底部设置有一导向柱；所述框架底部设置有一插入所述导向柱的导向孔，顶部设置有一通孔，所述通孔内插入一圆形校准螺母，所述校准螺母内两端的螺纹旋转方向相反；所述校准螺母上部连接一螺杆，所述螺杆的顶部通过销轴连接所述压杆底部；所述空心滑块顶部的螺纹柱连接在所述校准螺母内的下部；所述校准螺母中部圆周上间隔设置有若干工具插入盲孔，与此对应，所述框架上设置有插入工具的缺口；

所述电源装置为所述分离装置供电。

2.如权利要求1所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述分离装置的导电层为铝膜，所述绝缘层为聚碳酸酯材料，所述分离腔基板和分离腔顶板采用石英玻璃或聚碳酸酯和有机玻璃中的一种，所述相分隔膜采用离子交换膜、尼龙膜和醋酸纤维素膜中的一种。

3.如权利要求1所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述分离装置的冷却单元上表面与所述分离腔基板之间、所述分离腔基板与所述导电层之间、所述导电层与所述绝缘层之间，采用导热硅胶进行密封连接。

4.如权利要求2所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述分离装置的冷却单元上表面与所述分离腔基板之间、所述分离腔基板与所述导电层之间、所述导电层与所述绝缘层之间，采用导热硅胶进行密封连接。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述压紧装置中压紧轮的中心与所述输出轴的轴心的偏心距为1.5mm；所述压紧轮在所述空心滑块内的左右行程为两倍的所述偏心距，所述空心滑块在所述框架内的上下行程为两倍的所述偏心距。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述电源装置包括输入单元、预稳压单元、开关换能单元、高压变换输出单元、控制单元和辅助电源单元；所述输入单元输入端连接电网，输出端分别连接所述预稳压单元和所述辅助电源单元输入端，于发生异常情况时切断电网电源的输入；所述预稳压单元输出端连接所述开关换能单元输入端，将所述输入单元提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给所述开关换能单元，同时还将直流输出与电网隔离；所述开关换能单元输出端连接所述高压变换输出单元输入端，将所述预稳压单元提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给所述高压变换输出单元；所述高压变换输出单元输出端连接所述分离装置分离腔电极，将所述开关换能单元提供的高压脉冲信号转换为所述电泳系统能够使用的高压直流电压、电流；所述控制单元通过数据总线连接上位机，与所述上位机进行数据交互，通过数据总线连接所述高压变换输出单元输出端，采集所述高压变换输出单元输出的高压直流电压、电流，通过数据总线连接所述预稳压单元控制端，根据所述电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及所述高压变换输出单元输出误差分析结果，调控所述预稳压单元的直流输出，通过数据总线连接所述开关换能单元控制端，调控所述开关换能单元输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比；通过数据总线连接所述高压变换输出单元控制端，根据所述上位机的控制指令开启或关断所述高压变换输出单元的输出；所述辅助电源单元输出端连接所述控制单元，为其提供工作电压。

7.如权利要求5所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述电源装置包括输入单元、预稳压单元、开关换能单元、高压变换输出单元、控制单元和辅助电源单元；所述输入单元输入端连接电网，输出端分别连接所述预稳压单元和所述辅助电源单元输入端，于发生异常情况时切断电网电源的输入；所述预稳压单元输出端连接所述开关换能单元输入端，将所述输入单元提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给所述开关换能单元，同时还将直流输出与电网隔离；所述开关换能单元输出端连接所述高压变换输出单元输入端，将所述预稳压单元提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给所述高压变换输出单元；所述高压变换输出单元输出端连接所述分离装置分离腔电极，将所述开关换能单元提供的高压脉冲信号转换为所述电泳系统能够使用的高压直流电压、电流；所述控制单元通过数据总线连接上位机，与所述上位机进行数据交互，通过数据总线连接所述高压变换输出单元输出端，采集所述高压变换输出单元输出的高压直流电压、电流，通过数据总线连接所述预稳压单元控制端，根据所述电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及所述高压变换输出单元输出误差分析结果，调控所述预稳压单元的直流输出，通过数据总线连接所述开关换能单元控制端，调控所述开关换能单元输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比；通过数据总线连接所述高压变换输出单元控制端，根据所述上位机的控制指令开启或关断所述高压变换输出单元的输出；所述辅助电源单元输出端连接所述控制单元，为其提供工作电压。

8.如权利要求6所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述预稳压单元由依次串联的高频隔离变压器、电涌保护电路、电磁兼容与电磁干扰滤波器、全波整流滤波电路、电压电流温度过流保护电路和三恒反馈控制电路构成；所述三恒反馈控制电路包括电压、电流、功率三个反馈控制分支，每一所述反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，所述直流电源控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接所述运算放大器的输入端，所述输出反馈控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接所述运算放大器的输入端，所述运算放大器的输出端连接所述门控开关；三个所述门控开关以三选一的逻辑方式导通。

9.如权利要求7所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述预稳压单元由依次串联的高频隔离变压器、电涌保护电路、电磁兼容与电磁干扰滤波器、全波整流滤波电路、电压电流温度过流保护电路和三恒反馈控制电路构成；所述三恒反馈控制电路包括电压、电流、功率三个反馈控制分支，每一所述反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，所述直流电源控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接所述运算放大器的输入端，所述输出反馈控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接所述运算放大器的输入端，所述运算放大器的输出端连接所述门控开关；三个所述门控开关以三选一的逻辑方式导通。

10.如权利要求6所述的一种液相等电聚焦电泳系统，其特征在于：所述开关换能单元包括全桥移相开关控制模块和采用了软开关技术的全桥高频开关电路，所述全桥移相开关控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端经一高压隔离驱动模块连接所述全桥高频开关电路，所述全桥高频开关电路的输入端连接所述预稳压单元的输出端，输出端连接所述高压变换输出单元的输入端；所述高压变换输出单元由依次串联的高压全波整流电路、高压滤波电路、高压EMI滤波电路和电压、电流采样电路，以及输出控制电路构成，所述电压、电流采样电路的输出端分别通过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块连接所述控制单元，所述输出控制电路的控制端通过一高压隔离驱动模块连接所述控制单元，输出端连接所述分离装置分离腔电极。