CN103901091A

CN103901091A - 一种毛细管电泳芯片的高压电源系统

Info

Publication number: CN103901091A
Application number: CN201410161405.3A
Authority: CN
Inventors: 杨飞; 杨晓博; 李耀辉; 蔡子亮; 白政民
Original assignee: Xuchang University
Current assignee: Xuchang University
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明提供了一种毛细管电泳芯片的高压电源系统，其包括继电器阵列模块，以及顺序设置的高压模块、放大滤波电路、模数转换器、微处理器；所述高压模块连接所述继电器阵列模块；所述微处理器设置输入单元以及输出端口。采用上述方案，本发明对现有的高压电源模块进行了改进，提供了适用于毛细管电泳芯片的高压电源系统，能够进一步减小体积，提高电压输出的稳定性，具有很高的应用价值。

Description

一种毛细管电泳芯片的高压电源系统

技术领域

本发明涉及，尤其涉及的是，一种毛细管电泳芯片的高压电源系统。

背景技术

毛细管电泳（Capillary Electrophoresis, CE）芯片是微流控系统（Microfluidic System）的一个重要组成部分，具有成本低、样品消耗量少、分析速度快、灵敏度高等优点。它以微型毛细管为分离通道，以直流高压电源为动力，在分离通道两端施加电压，根据被测样品的特性不同来实现分离，例如，特性包括电荷、质量、极性、亲和力大小等。由于毛细管电泳芯片检测分析系统微型化、集成化的需要，迫切需要体积小、功能稳定的高压直流电源系统。

部分专利公开了毛细管电泳芯片采用直流高压电源进行供电的方法，例如，毛细管电泳芯片的高压电源系统CN100498272C公开了一种能自动进行液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置及其使用方法，该装置由带有一体化探针的微流控毛细管电泳芯片、试样管阵列自动液体更换系统、高压电源和检测系统四部分组成。在分析过程中，一体化探针和电极通过试样管缺口浸入试样管内溶液中一定时间，在高电压驱动下，试样管中的溶液经过一体化探针进入芯片微通道内，完成电泳进样、分离和检测操作。

又如，毛细管电泳芯片的高压电源系统CN100427944C公开了一块含有多个毛细管电泳分离单元的三维毛细管阵列电泳微芯片，一个用微型真空泵作为负压源的负压进样和分离的装置，一个高压直流电源和一个激光荧光检测系统。仅用一个微流控芯片负压进样和分离的装置和一个高压直流电源就能完成阵列芯片毛细管电泳分析系统多重平行的分析测定。

但是这些专利基本上都是使用现成的高压电源模块，缺乏根据CE芯片特点进行设计、调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的毛细管电泳芯片的高压电源系统。

本发明的技术方案如下：一种毛细管电泳芯片的高压电源系统，其包括继电器阵列模块，以及顺序设置的高压模块、放大滤波电路、模数转换器、微处理器；所述高压模块连接所述继电器阵列模块；所述微处理器设置输入单元以及输出端口。

优选的，所述高压电源系统中，所述高压模块之前还设置一缓冲器。

优选的，所述高压电源系统还设置与所述微处理器连接的显示单元。

优选的，所述高压电源系统还设置与所述微处理器连接的数模转换器。

优选的，所述高压电源系统中，所述微处理器采用ARM微处理器。

优选的，所述高压电源系统中，所述模数转换器集成设置于所述微处理器中。

优选的，所述高压电源系统中，所述微处理器为STM32F103。

优选的，所述高压电源系统中，所述模数转换器为TLC5618A。

优选的，所述高压电源系统中，所述继电器阵列模块设置GRL2412高压干簧继电器。

优选的，所述高压电源系统中，所述继电器阵列模块设置达林顿管。

采用上述方案，本发明对现有的高压电源模块进行了改进，提供了适用于毛细管电泳芯片的高压电源系统，能够进一步减小体积，提高电压输出的稳定性，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的示意图；

图2为本发明的另一实施例的示意图；

图3、图4分别为本发明的一个实施例的继电器阵列电路结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。

本发明基于便携性、可靠性和安全性等考虑，设计采用集成高压模块的用于毛细管电泳芯片的高压电源系统，如图1所示，本发明的一个实施例是，一种毛细管电泳芯片的高压电源系统，其包括继电器阵列模块，以及顺序设置的高压模块、放大滤波电路、模数转换器、微处理器，即高压模块连接放大滤波电路，放大滤波电路连接模数转换器，模数转换器连接微处理器；所述高压模块连接所述继电器阵列模块；所述微处理器设置输入单元以及输出端口。其中，所述高压模块，即高压电源模块，由24V直流电源供电，输出电压范围为0~5000V，输出电流为0~0.25mA。优选的，设置电压监测端与高压输出端比例关系为1:1000，调节端的输出电压范围为0~5V，且为线性对应关系；即由低压调节端输出的0~5V电压控制0~5000V的高压输出，且为电压控制与高压输出为线性对应关系。优选的，所述高压模块设置指示模块，用于指示所述线性对应关系以及当前输出电压。优选的，所述指示模块设置一LCD显示器及其控制电路。优选的，所述LCD显示器集成设置于所述高压模块的表面上。优选的，所述高压模块设置外壳体，其中设置空置区，所述空置区设置两条平行的滑动槽，所述LCD显示器滑动安装于所述空置区的滑动槽中，并通过一卡扣部卡扣固定，这样，易于安装和拆卸。

其中，所述继电器阵列模块连接外部的毛细管电泳芯片，优选的，所述高压电源系统还包括所述毛细管电泳芯片。优选的，所述系统中，所述继电器阵列模块设置GRL2412高压干簧继电器。优选的，所述继电器阵列模块设置达林顿管。在进行毛细管电泳芯片分析时，进样通道两端的储液池间需要施加一定的电压，同时为了防止样品溶液向分离通道两端扩散，还要在分离通道两端的储液池间施加一定的电压。当进样过程完成以后，分离通道两端需要施加较高的电压以使样品分离，同时进样通道的两端还需要保持一定的电压以限制样品的进样量。因此，快速、准确的电压切换是保证样品进样量的关键，本发明为了提高电压切换的速度和自动化程度，采用继电器阵列实现电极的切换。由于高压电源系统的输出电压最高为5000V，最大输出电流为0.25mA，为安全起见，选用的参数要保留一定的余量。因此，优选的，所述继电器阵列采用GRL2412型高压干簧继电器。其额定电压为24V，吸合上限和下限电压分别为18V、4V，高压输出端的最大电流为10A，崩溃电压为15kV。例如，微处理器采用STM32系列的MCU；但是，由于STM32系列MCU的GPIO口的V _OH= 3.3V，所以不能驱动GRL2412的正常吸合，因此，本发明相关实施例采用达林顿管作为驱动，例如达林顿管采用ULN2803作为驱动芯片以增强MCU的GPIO驱动能力。

其中，所述继电器阵列模块设置继电器阵列电路，优选的，每一继电器并联一保护二极管，以避免继电器线圈断开时，电感线圈产生很大的反向电动势损害触点和击穿达林顿管的集电结。例如，所述继电器阵列电路结构如图3所示，其采用了ULN2803晶体管，其引脚1至引脚6依次连接继电器1至继电器6，引脚7、引脚8、引脚11与引脚12空置，引脚9接地，引脚10接24V直流电源，引脚13至引脚18分别连接各继电器（RELAY1和K1是连在一起的）。如图3所示，所述继电器阵列电路中只用到6个高压继电器，所以只需要6个GPIO口即可通过ULN2803控制高压继电器的通断。每个ULN2803有8路输出，因此只需要一片ULN2803芯片即可。其中二极管D ₁~D ₆为保护二极管IN5819，以避免继电器线圈断开时，电感线圈产生很大的反向电动势损害触点和击穿达林顿管的集电结，并联的电解电容C ₁、C ₂为24V的电源滤波。如图3所示，高压电源系统共有三个高压电源模块HV1、HV2与HV3，为了减少继电器的使用，使用6个高压继电器完成整个进样和分离过程的电极切换。如图4所示，HV_1，HV_2和HV_3分别表示三个高压模块。Relay_1，…，Relay_6分别表示6个继电器。①、②、③和④分别表示插在毛细管电泳芯片的4个储液池中的4个电极。当开始进样时，Relay_1和Relay_3导通，同时为了遏制样品溶液向分离沟道两端扩散，Relay_4和Relay_5也导通，其它的继电器截止。进样过程完成之后，Relay_3和Relay_5截止，Relay_4和Relay_6导通，为使进样沟道两端仍然施加一定的电压，Relay_2导通，样品溶液开始进行分离；其中，AGND为模拟信号地线。

优选的，所述高压电源系统还设置与所述微处理器连接的显示单元。例如，所述微处理器设置视频输出端，所述显示单元连接所述视频输出端；优选的，所述显示单元为一LCD显示屏；优选的，所述LCD显示屏从所述高压模块获得供电；优选的，所述LCD显示屏的对角线长度小于7寸。优选的，所述微处理器设置视频输出端，输出到移动终端进行显示。优选的，所述视频输出端为USB输出端，其连接到手机；优选的，还包括所述手机。在毛细管电泳芯片检测系统中，以直流高压电源为动力，进样和分离通道两端分别施加一定的电压产生电渗流。由于样品溶液中各组分所带电荷及质量的不同，其移动速度也不同，因此它们到达检测器的时间也不同，从而实现样品中各组分的分离。

例如，“十”字形的通道毛细管电泳芯片的进样、分离过程说明如下。进样阶段，左储液池1、上储液池3、下储液池4分别施加不同的电压，右储液池2接地。左储液池1、上储液池3、下储液池4处的左电势U ₁、上电势U ₃、下电势U ₄大于“十字”通道处的电势U _j，而U _j高于右储液池2处的右电势U ₂。由于通道内各处电势大小不同，电渗流的方向为左、上、下均流向右。样品溶液在“十字”通道交叉处被挤压变细，最后流入储液池2。进入分离阶段，由于电极的切换，使得U ₃大于U _j，U ₁、U ₂小于U _j，而U _j大于U ₄，此时通道中电渗流的方向为上流向左、下、右。位于“十字”通道交叉口处的样品被推入分离通道，同时将残存在进样通道的溶液挤向左储液池1和右储液池2，避免缓冲液再次流入分离通道造成背景噪声。因此，电泳进样和分离过程中各储液池的电压值及其切换速度是整个毛细管电泳芯片分析、检测中的关键因素，采用该直流高压电源，能够确保各储液池的电压值及其切换速度符合电泳进样和分离过程中的要求。

又如，“十字”通道毛细管电泳芯片进样过程中，既要保证样品充满整个进样通道，还要求样品不能扩散到分离通道，所有这些都要依靠调整各储液池的电压配比来实现。分离过程中，首先要求各储液池电压值快速改变，保证仅仅使交叉口处的样品进入分离通道，而进样通道的样品迅速退回到对应的储液池内，不产生拖尾现象。由此可见，精确的电压输出、合适的电压配比及快速的电压值切换是毛细管电泳芯片实现精确分析的关键。优选的，设置“十字”通道在不同电压配比下进样，确定与之对应的分离过程效果，例如，夹样合适时的电压配比为：进样时，U ₁=U ₄=600V，U ₂=0V，U ₃=400V；分离时，U ₁=U ₂=600V，U ₃=800V，U ₄=0V。

优选的，所述高压模块之前还设置一缓冲器，用于滤波缓冲，避免瞬间电流过大损毁所述高压电源系统。例如，缓冲器包括一运算放大器LM358，用于对监测端的电压信号进行放大滤波。优选的，所述缓冲器还设置由电容、电感和电阻组成的滤波电路，以及与所述滤波电路连接的保险丝。所述保险丝一端连接所述滤波电路，另一端连接所述高压模块。优选的，还设置一保护罩，其中设置两个容置腔，其一容置所述缓冲器，另一容置所述高压模块，所述保护罩上设置显示灯及其控制电路，用于在所述保险丝断开时，所述显示灯点亮，指示所述保险丝熔断，提醒用户。

优选的，如图2所示，本发明的又一个实施例是，一种毛细管电泳芯片的高压电源系统，其包括继电器阵列模块，以及顺序设置的缓冲器、高压模块、放大滤波电路、模数转换器、微处理器；所述高压模块连接所述继电器阵列模块；所述微处理器设置输入单元以及输出端口，所述微处理器分别连接所述显示单元、所述数模转换器。其中，微处理器是整个所述高压电源系统的核心，优选的，缓冲器、高压模块、放大滤波电路、模数转换器、微处理器与数模转换器顺序连接，组成一个闭环系统，本发明及其各实施例通过闭环系统对高压模块进行控制。放大滤波电路对高压模块监测端的信号进行处理后将电压信号送到ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器），微处理器根据预设的电压值与输入ADC的电压进行比较，处理后由DAC（Digital-to-Analog Converter，数模转换器）通过缓冲器控制高压模块的输出电压。例如，所述数模转换器连接所述缓冲器，通过缓冲器控制高压模块的输出电压。DAC用于控制高压模块的输出电压，通过DAC产生的0-5V的模拟输出电压控制高压模块调节端，从而产生0-5000V的高压输出。

由于高压模块是高频开关电源，而从监测端输出的电压是通过内部的采样电阻得到的，因此不可避免的在电压中混杂有高频的纹波，进而影响到监测端的电压输出。利用放大滤波电路不但可以滤除高频纹波，还可以实现电平范围变换的功能，满足ADC在满量程范围内正常工作，保证ADC采样的精确度。优选的，基于实用性和复杂性两方面的考虑，所述放大滤波电路采用二阶巴特沃斯低通滤波电路，例如，滤波电路的前一级是由运放LM358组成的缓冲器，监测端电压信号V _dis经放大滤波后送入微处理器内部的ADC。电路的截止频率为1KHz，通带电压增益为0dB。

优选的，数模转换器中采用数模转换电路用于控制高压模块的输出电压。通过数模转换电路产生0~5V的模拟输出电压来控制高压模块的调节端，进而产生0~5000V线性的高压输出。优选的，数模转换电路的ADC采用Texas Instruments公司生产的TLC5618A。它是一款可编程的带缓冲基准输入的双路12位CMOS电压输出的D/A转换器。优选的，由于TLC5618A的输出电压与输入基准电压有直接的关系，V _ref的微小波动就可能造成TLC5618A输出的不稳定，进而使高压电源的输出产生大的波动。因此采用高精度、低噪声、低温漂的集成基准电压源MC1403作为TLC5618A的输入基准电压。优选的，为降低系统噪声对转换精度的影响，集成基准电压源MC1403的V _out引脚除了连接TLC5618A的Ref _in引脚之外，还通过0.1μF的钽电容接地。优选的，MC1403的V _in引脚除了连接VCC输入之外，还通过一0.1μF的旁路电容接地，用于滤除电源和地之间的高频干扰；和/或，TLC5618A的VDD引脚除了连接VCC输入之外，还通过一0.1μF的旁路电容接地，用于滤除电源和地之间的高频干扰。

优选的，所述高压电源系统中，所述微处理器采用ARM微处理器。优选的，所述高压电源系统中，所述模数转换器集成设置于所述微处理器中。优选的，所述高压电源系统还设置与所述微处理器连接的数模转换器。优选的，所述数模转换器集成设置于所述微处理器中。优选的，所述高压电源系统还设置DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）模块，其采用不经过微处理器而直接从内存存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，微处理器只须向DMA模块下达指令，让DMA模块来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给微处理器，这样就很大程度上减轻了微处理器的资源占有率，可以大大节省系统资源。优选的，所述DMA模块集成设置于所述微处理器中；优选的，所述微处理器为STM32F103；和/或，所述模数转换器为TLC5618A。

例如，采用STM32F103微处理器作为整个系统的核心，STM32F系列属于32位中等容量增强型、基于ARM核心的带64K或者128K字节闪存的微处理器。它是意法半导体（ST）公司STM32系列中的一款MCU，其内部拥有一个嵌入式的ARM Cortex^TM-M3内核，与所有的ARM开发工具及软件兼容。其外围配置电路主要包括电源管理、启动配置、时钟产生、JTAG硬件调试和硬件复位电路等。STM32F103中内置ADC

微处理器正常的工作电压是3.3V，通常外接的电源电压是5V，因此设计采用AMS1117电压转换芯片将5V（VCC）转换为3.3V（VDD）。另外，STM32F103具有两个时钟产生电路：一个8MHz的晶振作为MCU的时钟源；另一个32KHz的晶振作为RTC的时钟源。通过JTAG调试电路不仅可以将代码烧写至芯片的FLASH中，还可以为程序的进一步调试创造条件。

采用IAR开发平台软件进行所述高压电源系统的实验设计，结合STM32的固件库，实现了D/A转换、A/D转换、键盘扫描、系统显示、继电器阵列切换、稳压和串口通信等一系列功能，软件系统由C语言编写，在PC机上进行编译、连接，经过ARM的仿真器调试无误后，下载至微处理器的Flash中运行。测试过程中，分别对三路高压输出进行多次反复的测试。设定值为从键盘输入的值，调节值为D/A转换器经滤波后输出的电压值，输出值为实际的高压输出值。三者的理论比较关系为1000:1:1000。三路电压输出的设定值与输出电压偏差值之间均符合预期，最大偏差值为6V。以此，所述高压电源系统的制造实际产品。

时漂特性是指电压输出随时间的变化关系，它是衡量电源性能的一个重要参数。为避免高压输出随时间的推移而造成进样和分离电压的偏离，从而导致检测结果的不准确，在电泳实验需要的进样和分离电压范围内对每一路高压进行了10次时漂特性测试，然后取平均值，每次测试的时间为一个小时；本发明设计的高压电源系统时漂小于1V，精度≤0.1%/h，具有良好的稳定性，完全能够满足实验的要求。

优选的，所述高压电源系统还设置与所述微处理器连接的接口电路，例如USB接口电路或RS-232接口电路等。例如，采用RS-232接口，用于建立ARM与PC机的数据和信息交换。这样，可以达到两个作用：一是将PC机上通过IAR Embedded Workbench调试好的程序下载到ARM的Flash中，另一方面是将MCU的RAM中保存的数据通过串口发送到PC机，便于绘图和分析。这样，基于ARM9嵌入式平台开发客户端，设计出微处理器外围配置接口电路，在Visual C++开发环境下，借助图形绘制功能，实现了对系统参数的分析，然后试制成品，对系统的主要性能指标及应用进行了测试，实验结果表明，系统完全能满足毛细管电泳芯片分析测试的需要。

进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的毛细管电泳芯片的高压电源系统。为进一步减小体积和提高电压输出的稳定性，采用闭环系统控制高压模块输出；利用ARM微处理器丰富的I/O端口和内置ADC等资源对稳压算法进行处理，更加及时地对高压模块进行调整，使高压输出更加稳定；使用继电器阵列实现电极的自动切换，并在LCD上显示当前所处的工作阶段和电压值，便于对检测过程进行实时监督。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种毛细管电泳芯片的高压电源系统，其特征在于，包括继电器阵列模块，以及顺序设置的高压模块、放大滤波电路、模数转换器、微处理器；

所述高压模块连接所述继电器阵列模块；

所述微处理器设置输入单元以及输出端口。

2.根据权利要求1所述高压电源系统，其特征在于，所述高压模块之前还设置一缓冲器。

3.根据权利要求2所述高压电源系统，其特征在于，还设置与所述微处理器连接的显示单元。

4.根据权利要求3所述高压电源系统，其特征在于，还设置与所述微处理器连接的数模转换器。

5.根据权利要求4所述高压电源系统，其特征在于，所述微处理器采用ARM微处理器。

6.根据权利要求5所述高压电源系统，其特征在于，所述模数转换器集成设置于所述微处理器中。

7.根据权利要求6所述高压电源系统，其特征在于，所述微处理器为STM32F103。

8.根据权利要求6所述高压电源系统，其特征在于，所述模数转换器为TLC5618A。

9.根据权利要求1至8任一所述高压电源系统，其特征在于，所述继电器阵列模块设置GRL2412高压干簧继电器。

10.根据权利要求9所述高压电源系统，其特征在于，所述继电器阵列模块设置达林顿管。