CN107515210B - 一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统，主要涉及手持式现场分析设备特别是手持式高灵敏高通量电致化学发光设备的构建，包括中央控制和处理系统、分布式模块化阵列开关选择性输出系统、数模转换器、电致化学发光触发信号发生系统、光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器、蓝牙无线通讯模块和电源。区别于现有的阵列电致化学发光系统，该系统具有二维高通量性质，且对N*M组激发仅需要N+M个接口即可控制。由于使用高灵敏光学贴片传感器替换光电倍增管，该设备体积显著缩小，控制系统复杂性和安全性大大提高，成本显著降低，能够适应便携、廉价的应用需求。本发明特别适合结合手持式矩阵分析芯片，实现现场快速、高灵敏、高通量的物质分析。在环境监测、食品安全、个性化医疗等领域均具有广泛的应用前景。

Description

一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及一种能够配合二维阵列电化学芯片进行高通量电致化学发光分析的矩阵电学触发和光学分析的手持式分析系统。

背景技术

分析系统的微型化和集成化是现代分析系统发展的必然趋势。这对于提升分析设备的移动性能，降低设备和分析成本，拓展分析设备的可应用范围，在现场、实时和快速分析上具有重要意义。而且这种趋势在分析芯片微型化、电子电路集成化两方面的飞速发展下得到了有力的支持。例如在90年代初在分析领域出现了Lab on a chip(LOC)的概念，将关键分析试剂和多种步骤集成在一块芯片上，掀起了对分析核心过程微型化的浪潮，该领域经历了近30年的飞速发展已经逐步成为世界主要分析系统巨头争相研发的核心部件。与此同时在微电子领域也出现了名为System on chip(SOC)的概念革新，以哈佛结构并行处理芯片为代表的并行处理微电子集成系统突破了冯-诺依曼指令顺序执行的速度束缚，迅速以高性能横扫传统的微处理器，成为主流。此后的FPGA又赋予系统定制性和灵活性，彻底革新了微电子世界的版图。这两方面在同一时期的迅速发展为分析系统的微型化、集成化、廉价化带来了巨大的契机，将颠覆传统分析设备的构建理念和方法。

电学分析由于兼具灵敏、高选择性、快速、廉价的特点，一直是手持式生物分析系统依赖的关键分析方法。其中特别是电致化学发光分析，由于其具有电学触发，光学分析的特点，很容易获得高选择性，降低系统的背景，因此在高灵敏度的生物分析中占有重要地位。但是电致化学发光相关的国内专利主要集中在分析原理的创新上，在设备的创新上较为欠缺，传统的设备由于需要光电倍增管及其高压电路，因此体积较大。针对手持式系统的开发主要集中在少量的关于芯片和阵列芯片的结构设计和分析原理上，而芯片仍然摆脱不了对设备的依赖，但是手持式设备的开发十分有限。此外虽然有些工作涉及到阵列电致化学发光分析，但是其所采用的分析芯片和设备均无法同时满足对十组以上信号的自动化高通量分析和便携手持的需求。因此亟需开发全新的电致化学发光分析系统来满足自动化、高通量、微型化的需求。特别是结合了LOC和SOC双重优势的系统，必将突破传统设备的局限。这类系统在分布式环境分析、现场食品检测、个性化医疗等领域均有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是构建一种能够适合矩阵电致化学发光分析需求的手持式系统基本架构，以满足自动、高通量、高速的电致化学发光分析的需求，同时兼具高性能和低成本的特点，从而为矩阵电致化学分析芯片提供必要的设备支持，为该类系统的广泛应用打下基础。具体而言就是如何构建手持式高通量电致化学发光分析系统的基本架构。

为解实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统，包括：中央控制和处理系统、分布式模块化阵列开关选择性输出系统、数模转换器、电致化学发光触发信号发生系统、光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器、蓝牙无线通讯模块和电源；

其中所述中央控制和处理系统连接分布式模块化阵列开关选择性输出系统，控制开关的通断顺序，实现对分布式模块化阵列开关选择性输出系统所连接的电致化学发光触发信号发生系统的激发和检测；数模转换器由中央控制和处理系统控制，并连接分布式模块化阵列开关选择性输出系统，用来为阵列开关提供可供输出的电化学激发信号；中央处理器通过和光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器交互作用来收集环境信号，并实时处理；通过以上过程所述中央控制和处理系统完成从信号发生到信号收集的过程；并将结果通过蓝牙无线通讯模块传送给上位机；所述电源连接中央控制和处理系统，为整个系统提供电力。

进一步的，中央控制和处理系统采用哈佛结构，且至少具有10路GPIO接口和一路通讯接口。中央控制和处理系统可采用AVR、ARM9、ARM10、ARM11等处理器。

进一步的，分布式模块化阵列开关选择性输出系统由一块以上分布式模块化的一维开关阵列构成，具有二维通断性质，由时序控制程序进行同步操作。

进一步的，电致化学发光触发信号发生系统是具有拓扑结构的微流控阵列分析芯片，包含有具有矩阵分布的N*M组测试单元。

进一步的，电致化学发光触发信号发生系统由中央控制和处理系统上的PWM端口控制，能够通过模数转换器输出电致化学发光所需的电压激励；所述电压激励通过分布式模块化阵列开关选择性输出系统的信号输入端，通过矩阵，开关的选择，定点施加在制定的测试单元上。

进一步的，光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器均为贴片型电子器件，上述器件通过通讯接口如I2C接口、串口、SPI接口连接在中央控制和处理系统上。光强传感器可采用OPT3001、OPT101、TEMT6000，色彩传感器可采用APDS-9960、TCS3200、TCS230、TCS34725，温度气压传感器可采用温度气压复合传感器，例如MPL3115A2，或分别采用温度传感器例如DS18B20、LM35、热电偶、NTC器件、热敏电阻，温湿度传感器例如DHT系列、SHT系列、HTU系列，和气压传感器例如Bosch-BMP280、BMP180。

进一步的，电致化学发光触发信号发生系统是具有拓扑结构的微流控阵列分析芯片，包含有具有矩阵分布的测试点。

本发明采用哈佛架构芯片作为中央处理器；通过分布式模块化阵列开关系统实现对电学触发信号的高通量选择性输出控制，并适应不同通量的芯片分析的需求；通过十字交叉形式的电路拓扑结构实现阵列开关对高通量矩阵电化学池控制的最简化；通过光敏传感芯片和色彩分析芯片实现对ECL多重光学信号的收集，通过温度传感系统实现对测试参数的校准，通过蓝牙系统实现系统和上位机的无线通信。从而首次实现了矩阵化、高通量、自动化、手持、无线电致化学发光基本分析系统架构的构建，能够对至少8×16组对象进行矩阵电致化学发光分析。

区别于现有的阵列电致化学发光系统，本系统具有二维高通量性质，且对N*M组激发仅需要N+M个接口即可控制。由于使用高灵敏光学贴片传感器替换光电倍增管，该设备体积显著缩小，控制系统复杂性和安全性大大提高，成本显著降低，能够适应便携、廉价的应用需求。

本发明的具体效果如下：本发明通过构建一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统的基本架构，充分结合了微处理器的的高速吐纳能力以及分析系统的微型化思想，借助哈佛处理器实现百万次每秒触发和采样频率，通过十字交叉阵列触发的拓扑结构以最少控制成本实现最大控制能力，最终以光敏传感模块进行光电信号转换，通过微芯片处理结合温度校准，通过无线蓝牙实现无线控制。成功构建了手持式、高通量、自动化和无线的电致化学发光分析系统，大大提高了系统的便携性、易用性、信号触发和传感分析的吞吐能力。相对传统的电致化学发光分析系统具有明显的优势。

附图说明

图1是本发明一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统的基本架构。

图2是实施例原型机的基本电路原理图。

图3是实施例控制程序框图。

图4是实施例以鲁米诺为例的信号优化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种用于阵列电致化学发光分析的手持式矩阵电化学控制和检测系统，该系统如图1所示，包括一颗哈佛结构中央处理系统、分布式模块化阵列开关选择性输出系统(图中阵列开关A、B、C)、数模转化器、光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器和蓝牙无线通讯模块。这些部件作为一个控制和检测系统能够和外围的阵列微流体芯片结合，实现对至少8×16组电致化学发光的激发和检测。

其中中央处理器连接分布式模块化阵列开关，控制开关的通断顺序；数模转换器也由中央处理器控制，并连接阵列开关系统，用来为阵列开关提供可供输出的电化学激发信号。此外中央处理器通过和光强传感器、色彩分析芯片，温度压强校准系统交互作用来收集环境信号，并实时处理。通过以上过程该系统能够完成从信号发生，到信号收集的全部过程。这些结果通过蓝牙模块无线传送给上位机。此外该系统还配备一个锂电池移动电源，为单片机及其附属设备提供电力。

本发明的一种基本原型机连接电路如图2所示，这里采用atmega328p芯片作为中央控制和处理系统，通过该芯片上9路GPIO No.2-No.10数字信号控制3个1X8的一维开关。一维开关采用CD4051芯片控制，其由三路GPIO数字信号控制，可选择性将信号源从1～8号通道输出。在原型机中总共通过9个GPIO来控制3路1X8的阵列开关的实时通断。通过同步两路或者三路一维阵列开关来形成矩阵开关控制系统。将数模转换器的控制端接在atmega328p的GPIO No.11口上，利用该GPIO口的PWM输出能力，控制输出信号，通过数模转换器(DAC)转化成对应的电压信号，接入阵列开关的信号接入端，最终选择性地输出在矩阵开关系统的特定针脚上。使用atmega328p上的通讯接口链接光强传感器OPT3001、色彩分析传感器APDS-9960、温度HTU21D及压强BMP180传感器，从而收集环境信号。使用atmega328p上的一组串口通讯接口连接一片蓝牙通讯模块，以便将收集和分析的信息实时传送给上位机。使用一个3.7V电压标准锂电池，为主控芯片和数模转换器提供电源。配置锂电充电接口和备用5.0V USB电源接口以满足设备在不同场景下的灵活使用。在具体实施中，将两组或三组一维开关阵列结合形成矩阵开关阵列，其控制方法是通过数控，依次扫掠每个交叉节点，从而触发其中的电化学过程。在每个点的触发过程又分为两部分，在第一部分触发过程中施加一个适合电致化学发光过程发生的最优电压，在第二部分过程中，施加0V，等待电致化学发光光强降到接近极限。

该系统的控制程序框图如图3所示，在手持设备上的程序和上位机程序均由C语言编写，这两者通过蓝牙进行无线串口通讯。程序首先从上位机控制界面读取设置参数，包括使用M+N个接口构成对M×N矩阵反应芯片的控制，每个触发单元的周期、每个合适电压的电压强度、施加时长和周期个数。当手持设备接受参数后可以通过设备上的触发按钮进行多次执行、数据存储和上传。从而在上位机控制界面上获得数据结果和分析。

对鲁米诺电致化学发光，其优化曲线如图4所示，从图4-1看出可选择合适的电压为670mV，从图4-2可以看到当施加脉宽的电压频率为0.2时，可以获得较高的ECL信号。而频率达到0.5时，信号比最高时衰减达到50％。因此针对这个体系的优化扫描条件为电压670mV，扫速0.2Hz。扫掠整个8×16芯片的时间约为10min。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员依据本发明的创造原理，可以做出许多变形和改进，但是这些均落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种手持式高通量矩阵电致化学发光芯片分析系统，其特征在于包括：中央控制和处理系统、分布式模块化阵列开关选择性输出系统、数模转换器、电致化学发光触发信号发生系统、光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器、蓝牙无线通讯模块和电源；

其中所述中央控制和处理系统连接分布式模块化阵列开关选择性输出系统，控制开关的通断顺序，实现对分布式模块化阵列开关选择性输出系统所连接的电致化学发光触发信号发生系统的激发和检测；数模转换器由中央控制和处理系统控制，并连接分布式模块化阵列开关选择性输出系统，用来为阵列开关提供可供输出的电化学激发信号；中央处理器通过和光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器交互作用来收集环境信号，并实时处理；通过以上过程所述中央控制和处理系统完成从信号发生到信号收集的过程；并将结果通过蓝牙无线通讯模块传送给上位机；所述电源连接中央控制和处理系统，为整个系统提供电力；

所述分布式模块化阵列开关选择性输出系统由一块以上分布式模块化的一维开关阵列构成，具有二维通断性质，由时序控制程序进行同步操作；

所述电致化学发光触发信号发生系统是具有拓扑结构的微流控阵列分析芯片，包含有具有矩阵分布的N*M组测试单元；

所述电致化学发光触发信号发生系统由中央控制和处理系统上的PWM端口控制，能够通过模数转换器输出电致化学发光所需的电压激励；所述电压激励通过分布式模块化阵列开关选择性输出系统的信号输入端，通过矩阵开关的选择，定点施加在制定的测试单元上；

所述光强传感器、色彩传感器、温度气压传感器均为贴片型电子器件，上述器件通过通讯接口连接在中央控制和处理系统上。

2.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述中央控制和处理系统采用哈佛结构，且至少具有10路GPIO接口和一路通讯接口。

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