CN1727888A

CN1727888A - 一种小型微流控芯片电泳检测系统和检测自动控制方法

Info

Publication number: CN1727888A
Application number: CN 200510027904
Authority: CN
Inventors: 金庆辉; 朱海兵; 刘菁; 庄贵生; 赵建龙
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: CN100397072C

Abstract

本发明涉及一种小型微流控芯片电泳检测系统和检测自动控制方法。所述系统选取TI公司的AMC7820芯片作为系统的采集控制微处理器，设计了一小型微流控芯片电泳检测系统。通过AMC7820芯片的A/D与D/A功能实现对芯片进样分离时的高压电源控制及信号的采集。上位PC机通过25针并口与AMC7820C的SPI串口实现二者间的通信，从而构成一个完整的信息采集控制系统。利用所述的微流控芯片电泳检测系统，先进行光电倍增管灵敏度调节，进样分离参数设置，和系统自检，实现了微流控芯片电泳过程的自动控制及整个检测系统的智能化操作和结果分析并打印。

Description

一种小型微流控芯片电泳检测系统和检测自动控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于MCU与软件相结合对微流控芯片检测分析系统实现自动智能控制的方法，属微系统自动化控制领域。

背景技术

微型全分析系统(miniaturized total analysis system，μTAS)是集进样、样品处理、生化反应、分离、检测为一体的全功能微型检测和分析系统^[1]。微流控芯片(Micro-fluidic chip)是其主要的组成部件，它采用微加工技术(MEMS)在玻璃、硅、聚合物等基片上制作出微米级管道作为生物样品的进样和分离通道及其它功能单元，以电场方式驱动样品在微管道中流动，最后通过光电倍增管(PMT)或其他检测元件将分离管道上的被测样品所产生的微弱信号放大转化为电信号，并通过PC机或单片机进行采集分析处理。微流控电泳芯片技术它将毛细管电泳技术(CE)与微加工技术(MEMS)结合在一起，有着快速、高效、低耗等优点，在环境监测、药品筛选及临床诊断中有着广泛的应用。

在微流控芯片电泳信号检测系统中，可以采用多功能工控板卡(如中泰PC-6315)或独立开发MCU检测系统。工控板卡一般含有模入/模出接口及多路数字I/O，通过标准ISA插槽与PC机联接通信，有着很好的兼容性与抗干扰能力。但分析仪器的发展趋向于小型化、智能化、家用化，而此类通用工控板卡，结构庞大，设置及编程复杂，不利于检测系统的小型化，不适用于便携式检测仪中的应用。

发明内容

基于系统小型化及降低成本的考虑，本发明提供了一种微流控芯片电泳检测系统及自动控制方法。

具体地说，本发明选取TI公司的AMC7820芯片作为系统的采集控制微处理器设计了一小型微流控芯片电泳检测系统；所述的系统是由PC机、AMC7820芯片、高压电源控制模块、模式自动切换模块以及信号采集处理模块组成，系统是通过AMC7820芯片的A/D与D/A功能实现对芯片进样分离时的高压电源控制及信号的采集。上位PC机通过25针并口与AMC7820C的SPI串口实现二者间的通信，从而构成一个完整的信息采集控制系统，实现了微流控芯片电泳过程的自动控制及整个检测系统的智能化操作和结果分析并打印。具有控制方便、智能、自动等优点。

1.系统的硬件设置及控制原理

原理如图1，它是以TI公司的芯片AMC7820为准MCU核心，通过与PC机联成一个完整的检测控制系统。

它的主要模块如下：

a.PC机与AMC7820通信接口模块

PC机与AMC7820两者间通过25针并口线实现通信。在两者间建立了缓冲通信体系，它用两片SN74AHC244PWR缓冲芯片，实现两者间的高质量通信。

同时，PC机并口进行的是并行操作，而AMC7820所具有的通信接口是SPI四线串行口。这造成了一定的冲突，为了在不增加其他芯片的情况下实现正常的通信功能，系统用软件实现了串-并通信转换，取得良好的效果。

b.模式自动切换模块

为了实现对仪器工作状态的精确自动智能控制，系统采用了继电器作为控制切换开关。由于AMC7820仅是一个模拟数字器件，不含数字I/O口，无法由它实现继电器的控制，因此系统采用PC机的并口经SN74AHC244PWR缓冲后实现数字信号的输出。

继电器采用5V电压控制，属电流控制器件，而PC机并口属TTL电平，驱动能力差，无法驱动继电器工作。同时基于实现此功能及对电路与PC机的保护，系统采用了光耦芯片与达林顿管组成继电器的驱动模块，原理如图2，光耦为TLP504A，达林顿管为ULN2003A。

通过TLP504A，隔断了电路与外部断高压高流关系，同时又把TTL电平不变的传递出去，实现了保护机制。但此时的电平仍为TTL电平，无法驱动继电器工作，故采用ULN2003A达林顿管时进行电流放大，从而产生驱动继电器的能力，并接至外部接口，从而产生继电器驱动I/O，通过它实现系统模式的自动切换工作。

c.高压电源控制模块

本系统采用了芯片毛细管电泳驱动方式。由于样品各组分物质的离子或分子在电迁移或分配行为上存在差异，系统采用高压直流电源作为驱动力，快速实现了对生物样本组分的高速分离、检测与分析，驱动原理如图3。它可在2～3分钟内快速完成样品的分离分析检测。

进样时，高压电源控制模块中高压电源与微流控芯片中样品池5和废液池①6两端相接，电压为0～+1000V，初始化为500V，时间为30秒；分离时，高压电源与缓冲液池7和废液池②8相连接，电压为0～+5000V，初始化为2000V，时间为10分钟。

为了实现进样分离驱动电压的可调控制，高压电源采用0～+5V连续可调线控制，系统采用AMC7820的DAC0与DAC1输出模拟电压，再配合继电器从而实现高压模块自动可调工作。

d.信息采集处理模块

由于高压电源和微流控芯片毛细管复杂内部结构，易使检测信号带有高频的噪声和热噪声等，同时，硬件电路本身也含有热噪声及随机噪声，因此采用的是8阶巴特沃兹低通滤波后，再由AMC7820的A/D进行信息采集。滤波电路如图4。

2.系统软件模块设计

系统基于上述硬件基础上，结合软件实现了系统的智能自动控制。软件采用VC编写，有着直观的操作界面(如图5)，它有着智能防错、操作简便等优点。

同时，系统底层采用DLL链接程序编写，升级方便。它含4个主要模块：测试灵敏度调节对话框、分离进样参数的对话框模块、测试进程显示对话框模块、样品信息曲线图形显示模块。

它有如下特点：

a.灵敏度智能自动调节对话框

微流控检测所检测的信号是微弱的电信号，为了达到理想的检测效果，要对光电倍增管(PMT)的灵敏度进行一定的控制，它通过AMC7820输出0～1V直流电压实现PMT的可调控制。

针对系统光电倍增管(PMT)的灵敏度控制特性，程序采用自主循环判断，实现了调节的自我控制和自我判断，达到了较高的自动化和智能化。调节过程可以全自动或半自动来完成，在无操作人员干涉或进行少量的设置下即可快速完成PMT灵敏度调节。调节对话框如图6。

控制电压：PMT灵敏度可调电压，可在0～1000mV之间可调，初始化为500mV；

灵敏度设置：灵敏度预设置，可在0～10之间可调，初始化为6；

背景信号：样品背景电压信号，在采样时实时显示。

系统根据对话框的初始设置参数，自动调节PMT趋向于所设计之值，操作人员只需控制一“调节”按钮即可快速自动完成这工作。

而在进行此步操作之前，其它参数设置及控制操作都是被禁止的，这样就防止了错误操作发生的可能性。

b.进样分离参数设置及自动控制

在灵敏度没调节好之前，进样分离参数是被禁设的，这样保证了整个检测分析过程能准确无误的进行，防止了错误的发生。图7是进样分离参数设置对话框。

进样电压：0～+1000V；进样时间：0～60秒

分离电压：0～+5000V；分离时间：0～10分

当PMT灵敏度调节完成后，此对话框被激活，如图7b所示，从而可以进行进样分离的参数设置。在软件启动时，这些参数已被初始化为常设的参数，一般无须再改动，直接启动检测即可。如需改变参数，也可方便地用键盘或鼠标进行更改，具有很好的灵活性。

启动检测后，整个检测过程由程序实现自动控制处理。程序自动从对话框获得进程参数，然后通过SPI串口实现对AMC7820芯片的D/A输出从而控制高压电源模块，达到自动控制的目的。

整个检测过程的步骤顺序由PC机的SetTimer函数启动计时器中断程序自动实现，中断程序自动计时，并与对话框进样分离时间参数进行比较，从而控制进样、分离过程的自动切换，并最终完成检测分析过程后自动结束整个分析过程。

c.检测时迹线实时显示及迹线自动调整

在AMC7820采集到信号后，它及时上传给PC机，并与PC机进行数字滤波处理后实现显示在界面上，如图8所示，检测人员可以实时地观测检测结果，从而及时地做出判别样品的具体特性。

如图8所示，检测时图谱以峰面积来代表样品中某种成分的浓度，面积越大代表浓度越高。针对不同浓度的检测样品，出现的峰面积也不相同。系统软件根据样品浓度的不同，可以智能自动调整谱迹线显示比例，使之不会超出显示对话框之外，实现自动处理的功能，而无须操作人员的调整。

d.软件操作防呆防错操作

此系统操作软件设计人性化且、智能化，实现智能防呆防错的功能。主要是系统软件采用顺序操作设计，操作顺序如图9。

它是按一定的顺序步骤来完成整个检测过程，在前一步设置没完成之前，它的下一步操作是被禁止的。因此具有防止错误操作的功能，对仪器起到较好的保护作用。

同时基于上面的特点，系统实现了防呆功能。根据以往的经验参数，程序在初始化时对这些控制参数进行了初始化，因此操作人员可以不进行参数调置，直接PMT调节后时进样分离检测，实现傻瓜化操作。

本发明具有以下优点和效果：

1.软件界面直观：本系统控制程序采用VC编写，有着直观的操作界面，可视性强；底层采DLL链接程序，升级方便。

2.操作简单化：通过软件与硬件的结合，本控制方式变得极为简单，仅控制几个按钮即可完成检测分析过程，极大方便了操作人员，符合家用化的本旨。

3.操作智能自动化：在仪器一些参数调节过程中，系统控制方法自动智能，取得了良好的控制效果，减少了操作人员所需的专业度及熟练度。

4.采用MCU控制，为μTAS的“个人化”、“家庭化”、“便携化”迈出可喜的一步，为μTAS以后的发展提供了经验。

附图说明

图1控制系统与电信号检测系统

1.高压电源控制 2.模式自动切换 3.信息采集处理模块 4.AMC7820芯片

图2继电器驱动I/O原理图

图3电泳原理图，图中5为样品池6为废液池①7为缓冲液池8为废液池②

图4I/V转换、滤波电路

图5检测自动控制的软件操作界面

图6光电倍增管(PMT)的灵敏度调节对话框

图7进样分离参数设置对话框

(a)未激活对话框

(b)激活对话框

图8迹线显示对话框

图9操作流程图

具体实施方式

下面通过实施例描述具体阐述系统的构建和实现自动控制的具体实施方法。

实施例一：

根据设计要求购置各个功能部件进行系统的构建。主要由紫外激发光源、聚光透镜、滤光片、微流控芯片、光检测、微机系统等部件组成。软件安装，可以只接拷贝到任何一台PC机上运行。但PC机须装有VC6.0++软件，否则须安装一些DLL链接文件。同时，把软件运行按钮快捷方式放于桌面，便于启动软件进行测试。安装完成后初始参数设置为：

背景信号：样品背景电压信号，在采样时，实时显示；

进样电压：0～+1000V，初始设定为500V；

进样时间：0～60秒，初始设定为30秒；

分离电压：0～+5000V，初始设定为2000V；

分离时间：0～10分，初始设定为10分钟。

实施例二：

开始实验时，先将加好分析样本的微流控芯片放入芯片台，关上仪器窗口。首先调节光电倍增管的灵敏度，由操作人员设置灵敏度值如6，按压“调节”按钮即可快速自动完成，系统根据对话框的初始设置参数，自动调节PMT趋向于所设计之值。

当PMT灵敏度调节完成后，电泳参数对话框被激活，可以进行进样分离的参数设置。根据实验要求分别设置电泳进样电压和时间(如500V、30秒)，分离电压和时间(如2000V、10分钟)。

启动检测，整个检测过程由程序实现自动控制处理。

Claims

1、一种小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于所述的系统是由PC机、AMC7820芯片、高压电源控制模块、模式自动切换模块以及信号采集处理模块组成；PC机通过25针并口与AMC7820芯片的单程序的启动程序串口实现二者间的通信；通过AMC7820芯片的A/D与D/A功能实现对微流控芯片进样分离时的高压电源控制及信号的采集。

2、按权利要求1所述的小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于PC机与AMC7820间实现二者间的通信是采用两片SN74AHC244PWR缓冲芯片。

3、按权利要求1所述的小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于系统采用PC机的并口经SN74AHC244PWR缓冲后实现数字信号输出的。

4、按权利要求1所述的小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于所述的模式自动切换模块系统采用光耦芯片与达林顿管组成继电器的驱动模块。

5、按权利要求4所述的小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于所述的所使用的光耦芯片为TLP504A，达林管为ULN2003A，光耦合芯片隔断电路与外部断高压高流，且将TTL电平传出去，而达林管进行电流放大产生驱动继电器的力，并接至外部接口，产生继电器驱动I/O。

6、按权利要求1所述的小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于整个检测系统采用高压直流电源作为驱动力，高压电源采用0-+5V连续可调线控制；系统是采用AMC7820芯片的DAC0和DAC1输出模拟电压，再配合继电器实现高压模块自动可调。

7、按权利要求1所述的小型微流控芯片电泳检测系统，其特征在于所述的信息采集处理模块是采用8阶巴特沃斯滤波，经滤波后再由AMC7820芯片的A/D进行信号采集的。

8、使用如权利要求1所述的小型微流控芯片电泳检测系统的检测自动控制方法，其特征在于系统基于所述的检测系统，采用VC编写软件实现系统的自动控制；系统底层采用DLL链接程序编写，含测试灵敏度调节对话框、分离进样参数对话框、测试进程显示对话框以及样品信号曲线图形显示框四个模块；整个检测步骤顺序是由PC机的Set Times函数启动计时器中断程序自动实现的，具体测试程序是：

(a)首先通过AMC7820芯片输出0-1V直流电压进行光电倍增管的灵敏度调节，光电倍增管灵敏度可调电压范围为0-1000mV，初始化为500mV；灵敏度预置再0-10之间可调，初始化为6；

(b)光电倍增管灵敏度调节完成后，分离进样参数对话框被激活，从而进行分离参数的确定；进样时，高压电源控制模块中高压电源与微流控芯片中样品池和废液池两端相接，电压为0～+1000V，初始化为500V，时间为30秒；分离时，高压电源与缓冲液池和相连接，电压为0～+5000V，初始化为2000V，时间为10分钟；

(c)接着启动检测程序，程序自动从对话框获得进程参数，通过SPI串口实现对AMC7820芯片的D/A输出从而控制高压电压模块；达到自动检测目的；

(d)在AMC7820采集到信号后，上传PC机，并与PC机进行数字滤波处理后显示在样品信息曲线图形显示框上，实时观察检测结果。

9、按权利要求8所述的小型微流控芯片电泳检测系统的检测自动控制方法，其特征在于所述的中断程序自动计时，是与对话框进样分离时间参数进行比较，从而控制进样、分离过程的自动切换，并最终完成检测分析过程后自动结束整个分析过程。

10、按权利要求8所述的小型微流控芯片电泳检测系统的检测自动控制方法，其特征在于在信息曲线图形显示框上的图谱是以峰面积代表样品中某成分的浓度，面积越大则浓度越高；针对不同浓度的检测样品，出现的峰面积不同，系统软件根据样品浓度的不同，智能自动调整谱迹显示比例，从而实现自动处理。