CN103194383B - 芯片级pcr-lvce集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片级PCR-LVCE集成系统，包括芯片级PCR-LVCE微流控芯片、芯片级PCR-LVCE检测、控制接口电路以及基于SOPC技术芯片级PCR-LVCE的检测、控制系统；集成系统在NIOSII软核处理器控制，控制相关接口电路实现待分析试样微混合，PCR反应扩增不同温区的快速切换及温度精准控制，LVCE芯片内微流体液向判别，并在LVCE分离微通道上形成运动的变化场强，实现待测试样不同组分的电泳分离及电化学检测。本发明具有快捷、简便、集成化程度高等优点，能有效提高检测效率，且扩展性、实时性、安全性相对于现有技术均有提高，可广泛用于生化、医学、环境、刑侦等领域。

Description

芯片级PCR-LVCE集成系统

技术领域

本发明涉及微机电系统、电化学检测以及可编程片上系领域，具体设计一种芯片级PCR-LVCE检测、控制集成系统。

背景技术

以微机电系统（MEMS）的微细加工技术为基础发展的微流控芯片因其具有高集成度、高效、快速、微量等优点在生命科学、生化检测以及环境保护等领域得到了广泛的关注，已成为分析科学的研究前沿热点之一。微全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems，uTAS)是微流控芯片最终的发展方向，uTAS是实现生化分析系统从试样处理到检测的集成化、自动化与便携化，即将试样的采集、预处理、反应、分离、检测等部分集成在几平方至十几平方厘米的微流控芯片上，并在特定的辅助电路控制下，从而高效、快速地实现试样的分离、分析与检测。

近年来，针对于微流控芯片的研究主要包含微混合芯片、微分离芯片(毛细管电泳 CE 芯片)和微反应芯片(PCR微流控芯片)三类，且研究通常为单一功能区块，从而限制了微流控芯片的应用范围，不利于微流控芯片朝着微全分析系统方向发展。如现有PCR微流控芯片中缺少实时检测，常规芯片电泳工作电压一般在（1～5）kV左右，芯片工作电压高、存在严重的安全隐患、不适应芯片上完成化学反应及分析等问题。

为此，以PCR微流控芯片技术为基础，深入开展芯片上微进样、微混合、温度精准控制、低电压驱动芯片电泳分离以及芯片上实时电化学检测，即芯片级PCR-LVCE的一体化功能集成，对于进一步研究微流控芯片技术在生物、化学分析等领域的应用具有十分重要的意义。实现微流控芯片的检测、控制，通常采用硬核处理器，或者固核处理器实现，如单片机、ARM处理器，所设计的电路无论是在其规模、体积、功耗、上市周期、开发成本、产品维护，还是硬件升级等诸多方面都难以实现最优化。

因此，为了克服PCR微流控芯片、常规芯片电泳分离中存在的问题以及契合微型全分析系统要求自动化、集成化、便携化的特点，急需一种基于片上可编程系统（System On Programmable Chip，SOPC）技术构建芯片级PCR-LVCE集成系统。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于片上可编程系统技术构建芯片级PCR-LVCE集成系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的芯片级PCR-LVCE集成系统，包括芯片级PCR-LVCE微流控芯片、芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路、芯片级PCR-LVCE检测及控制系统；

所述芯片级PCR-LVCE微流控芯片，用于实现待分析试样的微混和、PCR反应扩增和/或电泳分离及电化学检测；

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路连接在芯片级PCR-LVCE检测及控制系统和芯片级PCR-LVCE微流控芯片之间，用于将芯片级PCR-LVCE检测及控制系统中产生的控制信号传输到芯片级PCR-LVCE微流控芯片中，从而实现芯片级PCR-LVCE微流控芯片内待分析试样的微流体混合、运行、控制、PCR反应扩增和液相流向判别，并在电泳分离通道上形成运动的变化场强，实现待分析试样不同组分的电泳分离及电化学检测；

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制系统，用于产生芯片级PCR-LVCE微流控芯片实现待分析试样的微混和、PCR反应扩增和/或电泳分离及电化学检测功能的控制信号。

进一步，所述芯片级PCR-LVCE微流控芯片包括微混合器、静态微腔型PCR芯片、低电压驱动电泳芯片、集成在电泳分离通道内的液相方向传感器及四电极非接触电导检测器；

所述微混合器，用于将待分析试样和缓冲液进行微混合；

所述静态微腔型PCR芯片，用于对待分析试样进行扩增放大；

所述低电压驱动电泳芯片，用于对待分析试样进行进样、电泳分离和非接触电导检测；

进一步，所述芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路包括微泵及微阀控制电路、阵列电极控制电路、微流体方向检测电路、微电导检测器电路、PCR芯片温度检测电路、PCR芯片温度控制电路、多路电子开关及ADC电路；

所述微泵及微阀控制电路，用于控制微混合器、静态微腔型PCR芯片中待分析试样的进样和出样；

所述阵列电极控制电路，用于在微通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微流体方向检测电路，用于检测微通道内液体流向信号；

所述微电导检测器电路，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测；

所述PCR芯片温度检测电路，用于获取静态微腔型PCR芯片温度信号；

所述PCR芯片温度控制电路，用于控制静态微腔型PCR芯片微加热器的温度；

所述多路电子开关及ADC电路，用于通过多路电子开关来实现静态微腔型PCR芯片温度检测信号、低电压驱动电泳芯片微电导检测信号以及微通道内液体流向检测信号的轮流检测；

所述四电极非接触电导检测器，用于对待分析试样在电泳分离后的不同组分进行电化学检测。

进一步，所述微流体方向检测电路包括液相方向传感器、DDS信号源、前置放大电路、正交矢量型锁定放大器；

所述液相方向传感器，用于判别低电压驱动电泳芯片中微通道内待分析试样的流向；

所述DDS信号源，用于输出正交矢量型锁定放大器检测所需的正交信号，所述正交信号包括两路幅度相同且相位相差90度的正弦信号和用于激励阵列电极控制所需的四相位正交信号，所述四相位正交信号为幅度相同且相位依次相差90度的四路信号；

所述前置放大电路，用于放大液相方向传感器中动态电容变化量；

所述正交矢量型锁定放大器，用于检测出液相方向传感器动态电容变化量经前置放大电路放大后的信号变化幅度及相角。

进一步，所述微电导检测器电路包括微电导检测器、前置放大电路、数字带通滤波器、模拟乘法器、数字低通滤波器，实现待测试样不同组分微弱电导信号幅度检测；

所述微电导检测器，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测；

所述前置放大电路，用于实现对微电导检测器检测电极所检测的信号进行放大；

所述数字带通滤波器，用于实现检测信号经放大后的滤波处理并滤除干扰杂波；

所述模拟乘法器，用于实现检测信号与激励同频参考信号的相乘；

所述数字低通滤波器，用于通过滤除模拟乘法器输出高频成分来获取模拟乘法器输出的低频信号。

进一步，所述PCR芯片温度检测电路包括PCR温度传感电极、电压—电流转换型恒流源、前置放大电路、数字带通滤波器；

所述PCR温度传感电极，用于获取静态微腔型PCR芯片的温度变化信号；

所述电压—电流转换型恒流源，用于提供稳定的恒流源；

所述前置放大电路，用于放大温度变化信号；

所述数字带通滤波器，用于滤除经过前置放大电路输出信号的干扰杂波。

进一步，所述芯片级PCR-LVCE检测及控制系统包括脉冲宽度调制PWM控制器、Avalon流模式采集控制器、阵列电路控制器、微泵及微阀控制器、四相位DDS模块、SDRAM控制器、Flash控制器、USB2.0控制器、Keyboard控制器、LCD控制器和NIOSII软核处理器；

所述脉冲宽度调制PWM控制器，用于控制静态微腔型PCR芯片微加热器的温度；

所述Avalon流模式采集控制器，用于采集温度检测信号、微电导检测信号以及液向检测信号；

所述阵列电路控制器，用于控制阵列电极上电顺序，以实现在微分离通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微泵及微阀控制器，用于控制待分析试样有序地从各注入口进样、分析后的反应物或者废液从输出口的出样；  

所述DDS模块，用于输出微电导检测器电路中的激励阵列电极控制所需的四相位正交信号；

所述SDRAM控制器，用于控制集成系统中数据缓存存储器进行同步；

所述Flash控制器，用于控制集成系统中数据和应用程序的存储；

所述USB2.0控制器，用于控制集成系统中执行及协调设备识别存取数据；

所述Keyboard控制器，用于实现集成系统中键盘输入驱动控制；

所述LCD控制器，用于实现集成系统中液晶显示驱动的控制；

所述NIOSII软核处理器，用于实现集成系统各模块的智能控制。

进一步，所述脉冲宽度调制PWM控制器、Avalon流模式采集控制器、阵列电路控制器、微泵及微阀控制器、四相位DDS模块、SDRAM控制器、Flash控制器、USB2.0控制器、Keyboard控制器、LCD控制器以及NIOS II软核处理器通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中；所述液相方向传感器由微通道内四对结构相同的微电极构成；所述微电导检测器为分布设置于微分离通道末端的四个微电极，外侧两微电极为激励电极，内侧两微电极为检测电极；所述激励电极与DDS模块连接，所述DDS模块提供的DDS信号源为激励电极提供激励信号；所述检测电极，用于检测出已分离试样中不同组分的电导信息。

进一步，所述微混合器包括混合器注入口、缓冲液储液池、混合通道；所述混合器注入口包括缓冲液注入口、DNA试样注入口、换气入口；

所述混合器注入口，用于待分析试样的进样；

所述缓冲液注入口，用于缓冲液的进样；

所述DNA试样注入口，用于待扩增DNA试样的进样；

所述换气入口，用于空气进样；

所述缓冲液储液池，用于储存缓冲液；

所述混合通道，用于混合待分析试样和缓冲液；

所述混合通道内还设置有毛细管阀；

所述静态微腔型PCR芯片包括PCR微反应腔注入口、PCR微反应腔、PCR微加热器，PCR反应扩增后输出口；

所述PCR微反应腔注入口，用于待扩增DNA试样的进样；

所述PCR微反应腔，用于待扩增试样的扩增反应，如待扩增DNA试样的反应；

所述PCR微加热器，用于温度控制；

所述PCR反应扩增后输出口，用于反应后产物的输出；

所述低电压驱动电泳芯片包括CE注入口、废液输出口、液向传感器、微分离通道、微阵列电极、微电导检测器；所述CE注入口包括缓冲注入口、待分离试样注入口；所述废液输出口包括试样废液输出口、分离后输出废液输出口；

所述CE注入口，用于待分析试样或者缓冲液的进样；

所述缓冲注入口，用于缓冲液的进样；

所述待分离试样注入口，用于待分析试样的进样；

所述废液输出口，用于收集分离后或者进样后的废液；

所述试样废液输出口，用于收集进样后的废液；

所述分离后输出废液输出口，用于收集分离后的废液；

所述液向传感器，用于判断低电压驱动电泳芯片中“十字”微通道内待分析试样的流向；

所述微分离通道，用于待分析试样的电泳分离；

所述微阵列电极，用于在微分离通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微电导检测器，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测。

进一步，所述微泵及微阀控制电路包括微阀群驱动电路以及微泵群驱动电路；

所述微阀群驱动电路，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样、出样管道中微阀的控制；

所述微泵群驱动电路，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样微泵的控制。

本发明的优点在于：本发明针对特定uTAS，即芯片级PCR-LVCE微流控芯片，采用芯片级PCR-LVCE微流控芯片微流体运行、控制及电泳分离信号的检测。它包括芯片级PCR-LVCE微流控芯片、芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路、基于SOPC的芯片级PCR-LVCE检测及控制系统。该系统架构灵活、升级换代容易、控制方式便捷、具有功耗低、灵敏度高的微流控芯片检测与控制集成系统，能实现芯片上微混合、PCR扩增、微通道内液相流向判别、低电压电泳分离以及芯片上非接触电导检测等功能。以及实现PCR反应物试样的微混合、PCR反应、PCR反应后扩增产物低电压电泳分离及电化学检测（微电导检测）等功能，具有快捷、简便、集成化程度高等优点；采用SOPC技术实现检测、控制系统架构能解决采用传统的系统设计方法系统功能升级困难，维护性差以及设计的灵活性较低等问题，能有效地简化系统的构造、缩短从概念到实现的距离；采用一片微流控芯片集成微混合、微反应、微分离及电化学检测，大大提高了实验的检测时间，降低了实验成本，拓展了PCR集成微流控芯片的研究范围。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1示出了芯片级PCR-LVCE集成系统结构示意图；

图2示出了芯片级PCR-LVCE微流控芯片结构示意图；

图3示出了静态微腔型PCR芯片微加热器示意图；

图4示出了芯片级PCR-LVCE集成系统微泵及微阀控制结构示意图；

图5示出了芯片级PCR-LVCE集成系统检测结构示意图；

图6示出了阵列电极控制结构示意图。

图中，微流控芯片1、微混合器2、低电压驱动电泳芯片3、静态微腔型PCR芯片4、PCR芯片温度控制电路5、PCR芯片温度检测电路6、多路电子开关及ADC电路7、微泵及微阀控制电路8、阵列电极控制电路9、微流体方向检测电路10、微电导检测器电路11、芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路12、基于SOPC的芯片级PCR-LVCE检测及控制系统13、脉冲宽度调制PWM控制器14、Avalon流模式采集控制器15、NIOS II软核处理器16、阵列电极控制器17、微泵及微阀控制电路18、微泵181、微阀182、四相位DDS模块19、SDRAM控制器20、Flash控制器21、USB2.0控制器22、Keyboard控制器23、LCD控制器24、LCD25、Keyboard26、PC机27、Flash28、SDRAM29；混合器注入口31、储液池32、混合池33、混合通道34、PCR微反应腔注入口35、PCR微反应腔36、PCR微加热器37、PCR反应扩增后输出口38、废液输入口41、微电导检测器42、微阵列电极43、微分离通道44、液相传感器45、CE注入口46、废液输出口47、废液池48；第一加热电极引脚51、温度传感电极引脚52、第二加热电极引脚53、加热电极54、温度传感电极55。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1示出了芯片级PCR-LVCE集成系统结构示意图，图2示出了芯片级PCR-LVCE微流控芯片结构示意图，由图2可知，混合器注入口31、储液池32，混合池33、混合通道34、PCR微反应腔36依次连接，PCR微反应腔36还设置有PCR微反应腔注入口35和PCR反应扩增后输出口38；PCR微加热器37设置于PCR微反应腔36外部；废液输入口41通过微分离通道44与废液输出口47连接，所述微分离通道44上还设置有微阵列电极43，废液输入口41与微分离通道44连接端还设置有微电导检测器42；废液输出口47与微分离通道44连接端设置有液相传感器45和CE注入口46；废液输出口47与废液池48连接。

图3示出了静态微腔型PCR芯片微加热器示意图，由图3可知，PCR芯片微加热器的由两个加热电极54呈螺旋状排列构成，两端分别设置有第一加热电极引脚51和第二加热电极引脚53，两个加热电极54之间设置有温度传感电极55，所述温度传感电极55有两个温度传感电极引脚52。

图4示出了芯片级PCR-LVCE集成系统微泵及微阀控制结构示意图，图5示出了芯片级PCR-LVCE集成系统检测结构示意图，图6示出了阵列电极控制结构示意图，如图所示：本发明提供的芯片级PCR-LVCE集成系统，包括芯片级PCR-LVCE微流控芯片、芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路、芯片级PCR-LVCE检测及控制系统；

所述芯片级PCR-LVCE微流控芯片，集成有微混合器、静态微腔型PCR、LVCE；待分析试样可根据需要，在微混合器中实现微混和，在静态微腔型PCR中实现待扩增反应物扩增，在LVCE中实现待分析物不同组分的电泳分离及电化学检测。微混和、PCR反应扩增、低电压芯片电泳分离三个功能可依据需要，在集成系统的控制下，有机地联合起来使用，亦可仅实现单一功能，如待分析试样前处理已经完成，仅需要电泳分离，可在LVCE芯片中实现芯片电泳分离及检测。

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路，用于实现芯片级PCR-LVCE微流控芯片内微流体混合、运行、控制、PCR反应扩增、液相流向判别，并在电泳分离通道上形成运动的变化场强，实现待测试样不同组分的电泳分离及电化学检测；

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制系统，实现芯片级PCR-LVCE微流控芯片各功能模块的智能化控制。如用于控制微泵及微阀控制电路实现微混合器、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片的待分析试样与缓冲液的进样控制；如图4所示的微泵181和微阀182；用于实现阵列电极上电顺序的控制；用于实现液向、微电导的检测；用于实现静态微腔型PCR芯片中微加热器的温度快速切换及温度精准控制等。

所述芯片级PCR-LVCE微流控芯片1包括微混合器2、静态微腔型PCR4、低电压驱动电泳芯片3、集成在电泳分离通道内的液相方向传感器及四电极非接触电导检测器；

所述微混合器，用于实现待分析试样、缓冲液的微混合；

所述静态微腔型PCR，用于待扩增试样的扩增放大，即如待分析DNA片段扩增，达到迅速且大量扩增的目的；

所述低电压驱动电泳芯片，用于待分析试样的进样、低电压芯片电泳分离和非接触电导检测一体化集成； 

所述液相方向传感器，用于判别低电压驱动电泳芯片中“十字”微通道内待分析试样的流向，便于集成系统对低电压驱动电泳芯片的智能控制；

所述四电极非接触电导检测器，用于芯片电泳分离后，待分析试样不同组分的电化学检测。

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路12包括微泵及微阀控制电路、阵列电极控制电路、微流体方向检测电路、微电导检测器电路、PCR芯片温度检测电路5、PCR芯片温度控制电路6、多路电子开关及ADC电路7；

所述微泵及微阀控制电路8，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样、出样的控制，即确保待分析试样有序地从各注入口进样、分析后的反应物或者废液从输出口出样；  

所述阵列电极控制电路9，用于在微分离通道上形成分段、运动的变化电场，通过低电压（如+12V）分段施加在分离通道上达到与常规电泳芯片等同效果的分离分析过程；

所述微流体方向检测电路10，用于检测低电压驱动电泳芯片中“十字”微通道内液体流向信号，以确定待分析试样是否完全进样，便于系统的智能化控制；

所述微电导检测器电路11，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测；

所述PCR芯片温度检测电路6，用于实现PCR芯片温度信号拾取，为温度快速切换及温度精准控制提供依据；

所述PCR芯片温度控制电路5，用于实现PCR芯片微加热器的温度控制，即在PWM控制器的控制下，由PCR芯片温度控制电路实现微加热器上电控制，达到温度控制目的；

所述多路电子开关及ADC电路7，通过多路电子开关实现PCR芯片温度检测信号、低电压驱动电泳芯片微电导检测信号以及“十字”微通道内液体流向检测信号的轮流检测，再由ADC电路实现模拟信号到数字信号的转换，便于后续处理。

所述微流体方向检测电路10包括液向传感器、DDS信号源、前置放大电路、正交矢量型锁定放大器；

所述液向传感器，用于判别低电压驱动电泳芯片中“十字”微通道内液体流向；

所述DDS信号源，用于输出正交矢量型锁定放大器检测所需的正交信号，即两路幅度相同，相位相差90°的正弦信号。同时，还输出用于激励阵列电极控制所需的四相位正交信号，即幅度相同，相位依次相差90°的四路信号；用于微电导检测电路检测所需的激励信号。

所述前置放大电路，用于液向传感器动态电容变化量的放大；

所述正交矢量型锁定放大器，用于液向传感器动态电容变化量经前置放大电路放大后；

所述检测出信号变化幅度及相角，用于。

所述微电导检测器电路包括微电导检测器、前置放大电路、数字带通滤波器、模拟乘法器、数字低通滤波器，实现待测试样不同组分微弱电导信号幅度检测；

所述微电导检测器，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测；

所述前置放大电路，用于实现对微电导检测器检测电极所检测的信号进行放大；

所述数字带通滤波器，用于实现检测信号经放大后的滤波处理，滤除干扰杂波；

所述模拟乘法器，用于实现检测信号与激励同频参考信号的相乘；

所述数字低通滤波器，用于滤除模拟乘法器输出高频成分，得到模拟乘法器输出的低频成分，该低频成分与检测信号幅度有关，也与检测信号和参考信号的位相差有关，当检测信号与参考信号的相位一致时，即可准确反应出微电导信号的幅度变化规律。

所述PCR芯片温度检测电路6包括PCR温度传感电极、电压—电流转换型恒流源、前置放大电路、数字带通滤波器；

所述PCR温度传感电极，用于实现PCR芯片温度信号拾取；

所述电压—电流转换型恒流源，用于提供稳定、精准的恒流源，以确保温度传感电极阻值变化与电压变化成线性关系；

所述前置放大电路，用于实现对温度变化信号的放大；

所述数字带通滤波器，用于滤除干扰杂波。

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制系统13包括脉冲宽度调制PWM控制器14、Avalon流模式采集控制器15、阵列电路控制器17、微泵及微阀控制器18、四相位DDS模块19、SDRAM控制器20、Flash控制器21、USB2.0控制器22、Keyboard控制器23、LCD控制器24以及NIOSII软核处理器16；

所述脉冲宽度调制PWM控制器，用于实现PCR芯片微加热器的温度控制，即在NIOS II 软核处理器的控制下，按一定温度控制算法实现微加热器上电控制，达到温度控制目的；

所述Avalon流模式采集控制器，用于实现温度检测信号、微电导检测信号以及液向检测信号的高速采集；

所述阵列电路控制器，用于实现阵列电极上电顺序控制，以实现在微分离通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微泵及微阀控制器，用于实现待分析试样有序地从各注入口进样、分析后的反应物或者废液从输出口出样的逻辑控制；  

所述四相位DDS模块19，用于输出用于激励阵列电极控制所需的四相位正交信号，即幅度相同，相位依次相差90°的四路信号；

所述SDRAM控制器20，用于集成系统中数据缓存存储器——同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM29）的控制；

所述Flash控制器21，用于集成系统中数据、应用程序存储的存储器——Flash28存储器的控制；

所述USB2.0控制器22，用于集成PC机27系统执行、协调设备识别，存取数据等；

所述Keyboard控制器23，用于实现集成系统中键盘Keyboard26输入驱动控制；

所述LCD控制器24，用于实现集成系统中液晶LCD25显示驱动的控制；

所述NIOSII软核处理器16，用于实现集成系统各模块的智能控制。

所述脉冲宽度调制PWM控制器14、Avalon流模式采集控制器15、阵列电路控制器17、微泵及微阀控制器18、四相位DDS模块19、SDRAM控制器20、Flash控制器21、USB2.0控制器22、Keyboard控制器23、LCD控制器24以及NIOS II软核处理器16通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。

所述液向传感器由“十字”微通道内四对结构相同的微电极构成。

所述微电导检测器为分布设置于微分离通道末端的四个微电极，外侧两微电极为激励电极，内侧两微电极为检测电极；

所述激励电极与DDS模块连接，所述DDS模块提供的DDS信号源为激励电极提供激励信号；

所述检测电极，用于检测出已分离试样中不同组分的电导信息。

所述微混合器包括混合器注入口、缓冲液储液池、混合通道；所述混合器注入口包括缓冲液注入口、DNA试样注入口、换气入口；

所述混合器注入口，用于待分析试样的进样；

所述缓冲液注入口，用于缓冲液的进样；

所述DNA试样注入口，用于待扩增DNA试样的进样；

所述换气入口，用于空气进样；

所述缓冲液储液池，用于储存缓冲液；

所述混合通道，用于实现待分析试样、缓冲液的进一步混合，确保混合充分；

所述混合通道内还设置有毛细管阀。

所述静态微腔型PCR芯片包括PCR微反应腔注入口、PCR微反应腔、PCR微加热器，PCR反应扩增后输出口；

所述PCR微反应腔注入口，用于待扩增DNA试样的进样；

所述PCR微反应腔，用于待扩增试样的扩增反应，如待扩增DNA试样的反应；

所述PCR微加热器，用于温度控制；

所述PCR反应扩增后输出口，用于反应后产物的输出。

所述低电压驱动电泳芯片包括CE注入口、废液输出口、液向传感器、微分离通道、微阵列电极、微电导检测器；所述CE注入口包括缓冲注入口、待分离试样注入口；所述废液输出口包括试样废液输出口、分离后输出废液输出口；

所述CE注入口，用于待分析试样或者缓冲液的进样；

所述缓冲注入口，用于缓冲液的进样；

所述待分离试样注入口，用于待分析试样的进样；

所述废液输出口，用于收集分离后或者进样后的废液；

所述试样废液输出口，用于收集进样后的废液；

所述分离后输出废液输出口，用于收集分离后的废液；

所述液向传感器，用于判断低电压驱动电泳芯片中“十字”微通道内待分析试样的流向；

所述微分离通道，用于待分析试样的电泳分离；

所述微阵列电极，用于在微分离通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微电导检测器，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测。

所述微泵及微阀控制电路包括微阀群驱动电路以及微泵群驱动电路；

所述微阀群驱动电路，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样、出样管道中微阀的控制；

所述微泵群驱动电路，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样微泵的控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：包括芯片级PCR-LVCE微流控芯片、芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路、芯片级PCR-LVCE检测及控制系统；

所述芯片级PCR-LVCE微流控芯片，用于实现待分析试样的微混和、PCR反应扩增和/或电泳分离及电化学检测；

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路连接在芯片级PCR-LVCE检测及控制系统和芯片级PCR-LVCE微流控芯片之间，用于将芯片级PCR-LVCE检测及控制系统中产生的控制信号传输到芯片级PCR-LVCE微流控芯片中，从而实现芯片级PCR-LVCE微流控芯片内待分析试样的微流体混合、运行、控制、PCR反应扩增和液相流向判别，并在电泳分离通道上形成运动的变化场强，实现待分析试样不同组分的电泳分离及电化学检测；

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制系统，用于产生芯片级PCR-LVCE微流控芯片实现待分析试样的微混和、PCR反应扩增和/或电泳分离及电化学检测功能的控制信号；

所述芯片级PCR-LVCE检测及控制接口电路包括微泵及微阀控制电路、阵列电极控制电路、微流体方向检测电路、微电导检测器电路、PCR芯片温度检测电路、PCR芯片温度控制电路、多路电子开关及ADC电路；

所述微泵及微阀控制电路，用于控制微混合器、静态微腔型PCR芯片中待分析试样的进样和出样；

所述阵列电极控制电路，用于在微通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微流体方向检测电路，用于检测微通道内液体流向信号；

所述微电导检测器电路，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测；

所述PCR芯片温度检测电路，用于获取静态微腔型PCR芯片温度信号；

所述PCR芯片温度控制电路，用于控制静态微腔型PCR芯片微加热器的温度；

所述多路电子开关及ADC电路，用于通过多路电子开关来实现静态微腔型PCR芯片温度检测信号、低电压驱动电泳芯片微电导检测信号以及微通道内液体流向检测信号的轮流检测。

2.根据权利要求1所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述芯片级PCR-LVCE微流控芯片包括微混合器、静态微腔型PCR芯片、低电压驱动电泳芯片、集成在电泳分离通道内的液相方向传感器及四电极非接触电导检测器；

所述微混合器，用于将待分析试样和缓冲液进行微混合；

所述静态微腔型PCR芯片，用于对待分析试样进行扩增放大；

所述低电压驱动电泳芯片，用于对待分析试样进行进样、电泳分离和非接触电导检测；

所述四电极非接触电导检测器，用于对待分析试样在电泳分离后的不同组分进行电化学检测。

3.根据权利要求1所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述微流体方向检测电路包括液相方向传感器、DDS信号源、前置放大电路、正交矢量型锁定放大器；

所述液相方向传感器，用于判别低电压驱动电泳芯片中微通道内待分析试样的流向；

所述DDS信号源，用于输出正交矢量型锁定放大器检测所需的正交信号，所述正交信号包括两路幅度相同且相位相差90度的正弦信号和用于激励阵列电极控制所需的四相位正交信号，所述四相位正交信号为幅度相同且相位依次相差90度的四路信号；

所述前置放大电路，用于放大液相方向传感器中动态电容变化量；

所述正交矢量型锁定放大器，用于检测出液相方向传感器动态电容变化量经前置放大电路放大后的信号变化幅度及相角。

4.根据权利要求2所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述微电导检测器电路包括微电导检测器、前置放大电路、数字带通滤波器、模拟乘法器、数字低通滤波器，实现待测试样不同组分微弱电导信号幅度检测；

所述微电导检测器，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测；

所述前置放大电路，用于实现对微电导检测器检测电极所检测的信号进行放大；

所述数字带通滤波器，用于实现检测信号经放大后的滤波处理并滤除干扰杂波；

所述模拟乘法器，用于实现检测信号与激励同频参考信号的相乘；

所述数字低通滤波器，用于通过滤除模拟乘法器输出高频成分来获取模拟乘法器输出的低频信号。

5.根据权利要求1所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述PCR芯片温度检测电路包括PCR温度传感电极、电压—电流转换型恒流源、前置放大电路、数字带通滤波器；

所述PCR温度传感电极，用于获取静态微腔型PCR芯片的温度变化信号；

所述电压—电流转换型恒流源，用于提供稳定的恒流源；

所述前置放大电路，用于放大温度变化信号；

所述数字带通滤波器，用于滤除经过前置放大电路输出信号的干扰杂波。

6.根据权利要求1所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述芯片级PCR-LVCE检测及控制系统包括脉冲宽度调制PWM控制器、Avalon流模式采集控制器、阵列电路控制器、微泵及微阀控制器、四相位DDS模块、SDRAM控制器、Flash控制器、USB2.0控制器、Keyboard控制器、LCD控制器和NIOSII软核处理器；

所述脉冲宽度调制PWM控制器，用于控制静态微腔型PCR芯片微加热器的温度；

所述Avalon流模式采集控制器，用于采集温度检测信号、微电导检测信号以及液向检测信号；

所述阵列电路控制器，用于控制阵列电极上电顺序，以实现在微分离通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微泵及微阀控制器，用于控制待分析试样有序地从各注入口进样、分析后的反应物或者废液从输出口的出样；

所述DDS模块，用于输出微电导检测器电路中的激励阵列电极控制所需的四相位正交信号；

所述SDRAM控制器，用于控制集成系统中数据缓存存储器进行同步；

所述Flash控制器，用于控制集成系统中数据和应用程序的存储；

所述USB2.0控制器，用于控制集成系统中执行及协调设备识别存取数据；

所述Keyboard控制器，用于实现集成系统中键盘输入驱动控制；

所述LCD控制器，用于实现集成系统中液晶显示驱动的控制；

所述NIOSII软核处理器，用于实现集成系统各模块的智能控制。

7.根据权利要求6所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述脉冲宽度调制PWM控制器、Avalon流模式采集控制器、阵列电路控制器、微泵及微阀控制器、四相位DDS模块、SDRAM控制器、Flash控制器、USB2.0控制器、Keyboard控制器、LCD控制器以及NIOS II软核处理器通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中；液相方向传感器由微通道内四对结构相同的微电极构成；所述微电导检测器为分布设置于微分离通道末端的四个微电极，外侧两微电极为激励电极，内侧两微电极为检测电极；所述激励电极与DDS模块连接，所述DDS模块提供的DDS信号源为激励电极提供激励信号；所述检测电极，用于检测出已分离试样中不同组分的电导信息。

8.根据权利要求2所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述微混合器包括混合器注入口、缓冲液储液池、混合通道；所述混合器注入口包括缓冲液注入口、DNA试样注入口、换气入口；

所述混合器注入口，用于待分析试样的进样；

所述缓冲液注入口，用于缓冲液的进样；

所述DNA试样注入口，用于待扩增DNA试样的进样；

所述换气入口，用于空气进样；

所述缓冲液储液池，用于储存缓冲液；

所述混合通道，用于混合待分析试样和缓冲液；

所述混合通道内还设置有毛细管阀；

所述静态微腔型PCR芯片包括PCR微反应腔注入口、PCR微反应腔、PCR微加热器，PCR反应扩增后输出口；

所述PCR微反应腔注入口，用于待扩增DNA试样的进样；

所述PCR微反应腔，用于待扩增试样的扩增反应，如待扩增DNA试样的反应；

所述PCR微加热器，用于温度控制；

所述PCR反应扩增后输出口，用于反应后产物的输出；

所述低电压驱动电泳芯片包括CE注入口、废液输出口、液向传感器、微分离通道、微阵列电极、微电导检测器；所述CE注入口包括缓冲注入口、待分离试样注入口；所述废液输出口包括试样废液输出口、分离后输出废液输出口；

所述CE注入口，用于待分析试样或者缓冲液的进样；

所述缓冲注入口，用于缓冲液的进样；

所述待分离试样注入口，用于待分析试样的进样；

所述废液输出口，用于收集分离后或者进样后的废液；

所述试样废液输出口，用于收集进样后的废液；

所述分离后输出废液输出口，用于收集分离后的废液；

所述液向传感器，用于判断低电压驱动电泳芯片中“十字”微通道内待分析试样的流向；

所述微分离通道，用于待分析试样的电泳分离；

所述微阵列电极，用于在微分离通道上形成分段、运动的变化电场；

所述微电导检测器，用于实现待分析试样不同组分的微弱电导信号幅度检测。

9.根据权利要求1所述的芯片级PCR-LVCE集成系统，其特征在于：所述微泵及微阀控制电路包括微阀群驱动电路以及微泵群驱动电路；

所述微阀群驱动电路，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样、出样管道中微阀的控制；

所述微泵群驱动电路，用于微混合、静态微腔型PCR芯片、LVCE芯片中待分析试样的进样微泵的控制。