CN111239198A - 一种便携式微流控芯片分析诊断仪及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式微流控芯片分析诊断仪及控制方法，分析诊断仪包括有外壳、检测电路板、主控电路板、LCD显示触摸屏和电池模块四大部件。检测电路板基于电流‑电压变换原理设计，为可折叠式结构，并采用独特的抗干扰和屏蔽方法，实现对微流控芯片中样品的微弱电导信号进行检测和放大。主控电路板包括微控制器、激励信号模块、电源模块、高压电源模块、整流放大模块、串口通信模块和蓝牙通信模块，微控制器负责控制其它各模块有序工作，从而完成针对微流控芯片中样品的检测、分析、显示和传输任务。本发明具有便携性好、抗干扰能力强和可扩展性好的优点，其能有效满足野外应急检测、临床诊断等即时现场应用需求。

Description

一种便携式微流控芯片分析诊断仪及控制方法

技术领域

本发明涉及微流控检测技术领域，特别是涉及一种便携式微流控芯片分析诊断仪及控制方法。

背景技术

微流控芯片技术是将样品制备、反应、分离、检测等生化反应过程集成在仅有几平方厘米大小的芯片上的分析、检测技术。因具有样品和试剂消耗量少、分析速度快、灵敏度高等特点，已经发展成生化、医学、流体等多学科交叉的全新研究领域，在生物医学、食品检验、环境监测等方面具有广泛应用前景。随着工业化进程加速，与生活息息相关的水质、食品、药品污染问题日益受到社会广泛关注，现场快速检验技术研究及产品开发应运而生。

由于微流控芯片信号非常微弱，检测难度大，容易受干扰，需要不断提升技术方案。目前现有微流控芯片分析诊断设备多以实验室为应用背景，具有数据处理能力强、性能稳定等优点。但是这些设备体积大，成本高，价格贵，且难以满足野外应急检测、临床诊断等即时现场应用需求。为此，需要解决的技术问题包括产品的便携性与供电问题，户外复杂环境下抗干扰问题、系统的可扩展性和易用性等。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺陷，提供一种便携式微流控芯片分析诊断仪及控制方法，其能有效满足野外应急检测、临床诊断等即时现场应用需求。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种便携式微流控芯片分析诊断仪，包括外壳、检测电路板、主控电路板、LCD显示触摸屏和电池模块四大部件。所述外壳包括上盖、底盒和封装板。所述检测电路板和LCD显示触摸屏安装在外壳的封装板上，主控电路板和电池模块安装在底盒里面、封装板下面。所述主控电路板与检测电路板电连接，所述主控电路板还连接LCD显示触摸屏和电池模块。所述外壳之底盒后部设计有充电接口以及与PC机通信的串行接口。

所述检测电路板基于电流-电压变换原理设计，实现对微流控芯片中样品的微弱电导信号进行检测和初步放大，由盖板、底板、屏蔽网、屏蔽涂层、高压电极探针、信号电极探针、检测电路和合页组件。盖板与底板的连接侧通过合页连接，为可折叠式结构。盖板与底板的开启侧各安装有用于相互吸合的磁铁。

所述主控电路板包括微控制器、激励信号模块、电源模块、高压电源模块、整流放大模块、串口通信模块和蓝牙通信模块。微控制器负责控制激励信号模块、高压电源模块、整流放大模块、串口通信模块和蓝牙通信模块有序工作，从而完成针对微流控芯片中样品的检测、分析、显示和传输任务。

作为一种优选方案，所述检测电路板采用大面积覆铜接地工艺，屏蔽网与屏蔽涂层位置相对，当盖板和底板合拢时，屏蔽网与屏蔽涂层相互贴合；检测电路板以OPA606芯片作为核心，通过电流-电压变换，完成对微流控芯片中样品电导信号的检测。

作为一种优选方案，所述主控电路板之微控制器采用STM32单片机；激励信号模块选用DDS芯片AD9851；整流放大模块由有效值转换器AD637、运算放大器OPA2227和仪用放大器INA128三颗主要芯片构成。

作为一种优选方案，所述电池模块为可充电电池模块。

一种便携式微流控芯片分析诊断仪的控制方法：包括开启、基线置零、进样、电导检测、样品分析、显示和传输基本流程。具体为，所述分析诊断仪开启后，微控制器通过LCD显示触摸屏或外联的PC机或手机APP接收控制命令，包括信号源设置、高压设置、基线置零、进样、检测和停止命令，并控制激励信号模块、高压电源模块和整流放大模块有序工作，完成基线置零、进样、电导检测、样品分析、显示和传输功能，并将控制过程信息和最终检测分析结果显示在LCD显示触摸屏或外联的PC机或手机APP上。

本发明较现有技术具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

通过将设备的外壳和电路板小型化设计，并将电池模块和LCD显示触摸模块融合到一个外壳内，解决了野外使用需要的便携性和供电问题。通过检测电路板与主控电路板分开设计，使得检测电路近距离与微流控芯片连接，并采用折叠式结构设计和屏蔽方法，大幅提升微流控芯片微弱电导信号的检测能力和抗干扰能力。本发明还通过串口接口与PC机连接，通过蓝牙与手机APP连接，提升仪器使用的方便性和系统的可扩展性。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1(a)是本发明之较佳实施例的外壳上盖开启示意图；

图1(b)是本发明之较佳实施例的检测电路板盖板开启示意图；

图2(a)是本发明之较佳实施例的检测电路板结构示意图；

图2(b)是本发明之较佳实施例的检测电路板组件示意图；

图3是本发明之较佳实施例的四大部件连接示意图；

图4是本发明之较佳实施例的控制流程示意图；

图5(a)是本发明之较佳实施例的检测分析结果示意图；

图5(b)是本发明之较佳实施例连接手机APP的结果示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明之实施示例进行具体的描述。

图1(a)和图1(b)显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有外壳00、检测电路板01、主控电路板02、LCD显示触摸屏03和电池模块04组件。所述外壳00包括上盖、底盒和封装板，检测电路板01和LCD显示触摸屏03安装在外壳00的封装板上，主控电路板02和电池模块04安装在底盒里面、封装板下面。底盒后部设计有充电接口以及与PC机通信的串行接口。

如图2(a)所示，所述检测电路板01由盖板10和底板20两块电路板构成，盖板10一侧安装有高压电极接口55。

如图2(b)所示，所述检测电路板01还包括屏蔽网30、屏蔽涂层40、高压电极探针50、信号电极探针60、检测电路70、合页81和合页82组件。

如图2(b)所示，所述盖板10与底板20的连接侧通过合页81和合页82连接。该盖板10与底板20的开启侧各安装有两组用于相互吸合的磁铁91、92和93、94；磁铁91和93位置相对，吸合接触面极性相反；磁铁92和94位置相对，吸合接触面极性相反；磁铁用螺栓分别固定在盖板10和底板20上。

如图2(b)所示，盖板10正面中部设置高压电极探针50，共四根，分别是0.3HV电极探针51、1HV电极探针52、0.7HV电极探针53和地电极探针54；四根探针均为可伸缩弹性结构。所述1HV表示高压电源电压最大值，0.7HV和0.3HV分别表示电压最大值的0.7倍和0.3倍。

如图2(b)所示，盖板10正面偏外侧的周围设置有用于抗外部环境干扰的屏蔽网30；底板20正面偏外侧的周围设置有用于抗外部环境干扰的屏蔽涂层40。作为一种并列方案，所述屏蔽网30和屏蔽涂层40的位置互换，即屏蔽网30设置在底板20正面偏外侧周围，屏蔽涂层40设置在盖板10正面偏外侧周围。

如图2(b)所示，底板20正面设置有信号电极探针60，共三根，分别为接收信号电极探针61、地电极探针62、激励信号电极探针63，均为可伸缩弹性结构。底板20反面设置有用于电导信号测量的检测电路70，且检测电路70外围设置有金属屏蔽壳。底板20的四角分别设置固定孔21、22、23和24，可通过螺丝和螺柱固定在外壳00之封装板上。

所述检测电路板01设计制作时，其盖板10和底板20的正面都采用大面积覆铜接地工艺；屏蔽网30采用空心网状金属材料，屏蔽涂层40采用镀锡工艺；屏蔽网30与屏蔽涂层40位置相对，保证盖板10和底板20合拢时，屏蔽网30与屏蔽涂层40相互贴合；检测电路70基于电流-电压变换原理设计，外围设置有金属屏蔽壳。

如图3所示，所述检测电路板01之信号电极探针接口64与激励信号电极探针63电连接；高压电极接口55与高压电极探针50电连接；检测电路70的输入端与接收信号电极探针61电连接，检测电路70的输出端与检测电路接口71电连接。所述信号电极探针接口64和检测电路接口71都设置在底板20的反面。

如图3所示，所述主控电路板02包括微控制器、激励信号模块、电源模块、高压电源模块、整流放大模块、串口通信模块和蓝牙通信模块。所述微控制器采用STM32单片机，负责控制激励信号模块、高压电源模块、整流放大模块、串口通信模块和蓝牙通信模块有序工作，从而完成针对微流控芯片中样品的检测、分析、显示和传输任务。

如图3所示，所述主控电路板02之激励信号模块选用DDS芯片AD9851，负责产生并输出高频正弦激励信号；所述电源模块将电池模块04输出电压转换成不同等级的电源供给仪器各部件；所述高压电源模块将电池模块04的输出电压升压，给检测电路板提供检测需要的1HV、0.7HV和0.3HV高压。

如图3所示，所述整流放大模块由有效值转换器AD637、运算放大器OPA2227和仪用放大器INA128三颗主要芯片构成。其中，AD637接收来自检测电路70的微弱电导信号，并整流为直流信号；OPA2227放大微控制器D/A输出的信号，并送入INA128的反向输入端；INA128的正向输入端接AD637的输出，INA128放大后的信号送至微控制器，供后续样品分析处理；为确保测试准确，进样前应使仪器输出信号基线置零，即在进样前微控制器通过A/D获取AD637整流输出信号，再通过D/A转换送入OPA2227，使得INA128输出为零，下次基线置零操作前微控制器一直保持此时的D/A输出值不变，因此，仪器具有程控基线置零功能。

如图3所示，所述串口通信模块方便设备与PC机的连接；所述蓝牙通信模块方便设备与手机等的连接。

如图3所示，所述检测电路板01与主控电路板02之间的连接为：信号电极探针接口64连接激励信号模块，高压电极探针接口55连接高压电源模块，检测电路接口71连整流放大模块。所述主控电路板02还连接LCD显示触摸屏03和电池模块04。

本发明还公开了一种前述便携式微流控芯片分析诊断仪的控制方法：如图4所示，包括开启、基线置零、进样、电导检测、样品分析、显示和传输基本流程。具体为：开启分析诊断仪电源后，微控制器通过LCD显示触摸屏或外联的PC机或手机APP接收控制命令，包括信号源设置、高压设置、基线置零、进样和停止命令，并控制激励信号模块、高压电源模块和整流放大模块有序工作，完成基线置零、进样、电导检测、样品分析、显示和传输功能，并将控制过程信息和最终检测分析结果显示在LCD显示触摸屏或外联的PC机或手机APP上。

图5(a)是本发明之较佳实施例的检测分析结果显示在PC机上的示意图，图5(b)是本发明之较佳实施例连接手机APP的结果示意图，分别展示了样品中包含三种不同浓度离子的检测分析结果。

本发明的设计重点在于：通过将电路板小型化设计，并将电池模块和LCD显示触摸模块融合到一个外壳内，解决了野外应急检测、临床诊断分析急切需要的便携性和可移动性问题。进一步地，检测电路板与主控电路板分开设计，使得检测电路近距离与微流控芯片连接，提升微流控芯片微弱电导信号的检测能力。进一步地，检测电路板采用折叠式结构设计，并结合大面积覆铜接地工艺、屏蔽网和屏蔽涂层的方法，将微流控芯片置于一个相对封闭的检测空间，同时将检测电路置于一个金属屏蔽壳中，有效抵抗来自外部的电磁干扰，从而提升本发明的抗干扰能力和检测灵敏度。进一步地，本发明还通过串口接口与PC机连接，通过蓝牙与手机APP连接，提升仪器使用的方便性和系统的可扩展性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种便携式微流控芯片分析诊断仪，其特征在于：包括外壳、检测电路板、主控电路板、LCD显示触摸屏和电池模块四大部件；所述外壳包括上盖、底盒和封装板；所述检测电路板和LCD显示触摸屏安装在外壳的封装板上，主控电路板和电池模块安装在底盒里面、封装板下面；所述主控电路板与检测电路板电连接；所述主控电路板还电连接LCD显示触摸屏和电池模块。

2.根据权利要求1所述的一种便携式微流控芯片分析诊断仪，其特征在于：所述检测电路板包括盖板、底板、屏蔽网、屏蔽涂层、高压电极探针、信号电极探针、检测电路、合页组件；盖板与底板的连接侧通过合页连接，开启侧各安装有用于相互吸合的磁铁；所述检测电路板基于电流-电压变换原理设计，对微流控芯片中样品的微弱电导信号进行检测和初步放大。

3.根据权利要求1所述的一种便携式微流控芯片分析诊断仪，其特征在于：所述主控电路板包括微控制器、激励信号模块、电源模块、高压电源模块、整流放大模块、串口通信模块和蓝牙通信模块；微控制器采用STM32单片机；激励信号模块选用AD9851芯片；整流放大模块由有效值转换器AD637、运算放大器OPA2227和仪用放大器INA128三颗主芯片构成，具有程控基线置零功能。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的便携式微流控芯片分析诊断仪的控制方法，其特征在于：包括开启、基线置零、进样、电导检测、样品分析、显示和传输基本流程；所述便携式微流控芯片分析诊断仪开启后，微控制器通过LCD显示触摸屏或外联的PC机或手机APP接收控制命令，并控制激励信号模块、高压电源模块和整流放大模块有序工作，完成基线置零、进样、电导检测、样品分析、显示和传输功能，并将控制过程信息和最终检测分析结果显示在LCD显示触摸屏或外联的PC机或手机APP上。

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