CN1888909B - 微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪 - Google Patents

微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪，该控制驱动仪由可以与上位计算机(PC机)连接构成控制、检测、显示、记录、通讯网络的单片机，及其看门狗电路、输出路数、电压量程选择、锁存电路构成，单片机与D/A转换器、隔离放大电路、DC-DC高压模块、高压继电器依次连接组成可达八路的智能可控高压电场，高压继电器通过高压电极分别与微流控芯片连接，DC-DC高压模块供电电路与单片机之间连接有短路、过流保护电路，DC-DC高压模块与单片机之间连接有放大、A/D转换电路，单片机连接驱动、光电隔离电路与“接地/悬浮”转换高压继电器构成控制回路。

Description

微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪
技术领域
本发明涉及分析化学仪器设备，尤其涉及一种智能化、小型化、多路电动的微流控芯片内微量液流试样的控制驱动设备。
背景技术
以微流控芯片(Microfluidic Chips)为核心的微型全分析系统(Miniaturized TotalAnalysis System，μ-TAS)是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单元集成或基本集成在一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术。它是一个跨学科的新领域，其最终目标是通过分析化学、微机电加工(MEMS)、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现化学分析系统从试样处理到检测的整体自动化、小型化和集成化；是当前高科技领域最活跃的发展前沿之一，代表着21世纪分析仪器走向智能化、小型化、集成化的发展方向，已成为国内外著名实验室研究的主要方向之一。
在微流控芯片的研究中，随着微制造技术的进步，目前可以实现多种材料20μm以上的微通道管网的设计和加工。随着微流控芯片分析研究的扩展，微芯片内的微通道往往需制成更复杂的网络系统，存在不同的微通道交汇区域；如何控制驱动流体试样(一般nL/min级)在微通道(内径μm级)中有效沟通，智能实现液流试样的预处理、进样、混合、分离、检测等问题，至今没有真正的解决。
目前微型液流常用的三类液流驱动形式为：①机械力驱动，需要泵、阀门等装置，像商品化的活塞式、齿轮式、隔膜式输液泵，流量均在μL/min级，体积大，灵敏性及选择性差。②电磁式驱动，无活塞、无阀门系统，液流一般在μL/min级，液压小，选择性差。③毛细管电泳(CE)电动驱动，没有泵系统，无压差，流量可在nL/min～μL/min级，但输出组合少，选择性差。
与常规分离分析系统不同的是，在微流控芯片上液流试样的控制驱动主要选择电渗流而不是压力流，主要是因为电渗流引起的谱带展宽更小、液流无脉动性、液体流量适中，要求液流试样流量为：nL/min级(甚至pL/min级)至50μL/min级，且多个微通道间流量、流向智能可控。同时，由于微流控芯片尺度减小(cm2～mm2级)及进样体积的减少(nL/min～pL/min级)，极短的时间内(min级～s级)，在微芯片厘米级甚至毫米级的有效距离内完成液流试样的进样、混合、分离、检测等过程，其液流行为已与常用微型液流驱动产生了很大差异，传统的微型液流驱动形式不能满足微芯片研究的需求，急需研制一种具有“实用化、智能化、小型化的微流控芯片液流控制驱动仪”，以满足微流控芯片研究的需求。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪，以满足微流控芯片研究的需求。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现
该控制驱动仪由可以与上位计算机(PC机)连接构成控制、检测、显示、记录、通讯网络的单片机(下位机)，及其看门狗电路、输出路数选择、电压量程选择、锁存电路构成，单片机与D/A转换器、隔离放大电路、DC-DC高压模块、高压继电器依次连接组成可达八路的智能可控高压电场，高压继电器通过高压电极分别与微流控芯片连接，DC-DC高压模块供电电路与单片机之间连接有短路、过流保护电路，DC-DC高压模块与单片机之间连接有放大、A/D转换电路，单片机连接驱动、光电隔离电路与“接地/悬浮”转换高压继电器构成控制回路。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现
所述的单片机为八位；所述的D/A转换器及A/D转换器均为12位。
本发明以八位单片机(下位机)为控制核心，配以输出路数选择、电压量程选择、锁存器、12位D/A转换器、隔离放大器、DC-DC高压模块、看门狗、驱动、隔离、“接地/悬浮”转换高压继电器、放大、采样、12位A/D转换器、短路及过流保护、光电隔离、通讯等电路组成。“控制参数”由上位机(PC机)、通讯(ND6520，65LBC184)及光电隔离(6N137)送入单片机(AT89C52/AT89S52)，电压输出路数及电压量程选择(SW-DIP)通过锁存器(74HC245)与单片机(AT89C52/AT89S52)构成控制回路；单片机经过智能逻辑运算，由12位D/A转换器(DAC7611)将控制参数转换成模拟信号，经放大器(LM324)变成0～2.5VDC模拟控制信号，0～2.5VDC模拟信号控制DC-DC高压模块(MM-8000V/500uA或DW50-0.5D)的高压输出；输出智能电场电压(八路0～8000VDC)连接由单片机通过驱动(74HC14)、隔离(MC1413)电路控制的“接地/悬浮”转换高压继电器(K81C235/LRL-102P)，再经过高压导线、铂丝电极分别与微流控芯片通道池对应连接。DC-DC高压模块输出电压/电流显示信号经放大器(LM324)放大，采样电路(CD4051)采样，再经12位A/D转换器(ADS7822)转换为数字信号进入单片机(AT89C52/AT89S52)，经过单片机运算处理后，由上位机(PC机)进行实时显示、记录及报警监测；当输出电流监测值超过报警设定值时，单片机驱动短路及过流保护电路(MC1413、RELAY-1)断开高压模块供电电源进行短路及过流保护。
本发明的设计路线
采用“电动电渗法、八位单片机微处理器、D/A转换器、隔离放大器、DC-DC高压模块、“接地/悬浮”转换高压继电器、放大、采样、A/D转换器、通讯、短路及过流保护等电路智能逻辑组合，构成八路0～8000V智能可控高压电场，进行微流控芯片液流试样的电动电渗控制驱动”。当把充满溶液(该溶液可产生电渗流)的微通道与样品池中加上电场(E)时，试样组分就会因为电迁移和电渗的作用进入微通道；进入试样的体积(Qv)和进样量(Qm)便为：
QV＝SVHt＝S(ucm+uos)Et
Qm＝CoQV＝CoS(ucm+uos)Et
式中：S-微通道截面积，VH-迁移速度[VH＝(ucm+uos)E]，E-电场强度，t-进样时间，Co-样品浓度，ucm-电迁移率，uos-电渗率。
本发明的优点
(1)将目前国际上多项先进微电子技术与微流控芯片分析对液流试样控制驱动的要求完整地设计组合在一起，组成可达八路的智能可控高压电场；在设计和应用上体现了实用性、智能化、小型化和选择性强，可满足复杂微流控芯片分析研究的需要；充分体现对微流控芯片中液流的“控”，有效解决宏观试样与微芯片内部微通道管网的沟通。
(2)加电模式智能组合：输出路数可达8路，每路输出时间段范围0-6个任选(不同时间段用于微芯片试样的进样、混合、反应、分离检测等过程)；每个时间段输出方式为“前悬浮、高压、0伏(接地)、后悬浮”五种；实验参数(路数、电压、时间、接地、悬浮等)自由选择、任意组合、自动切换、互不影响。
(3)输出电压稳定度高：输出电压及迁移时间变化小于0.1％；当负载在线电阻改变200％时，输出电压变化小于0.1％，足以保证分离结果的重现性。
(4)智能实现微流控芯片内多个微通道间液流试样的流量、流向的智能控制驱动：以苯酚做样品的测试表明，采用不同输出电压、时间及不同截面积的微芯片可快速、准确地实现多个微通道间流体试样流量(0.01nL/min～80μL/min级)、流向的智能控制驱动；并且不会造成液流扩散，谱带展宽更小，液流无脉动性，对检测没有干扰；提高了选择性及灵活性。
(5)短路、过流保护安全可靠：当输出电流监测值超过报警设定值时，单片机驱动保护电路快速(ms级)、准确、可靠地断开高压模块供电电源进行短路及过流保护，有效避免对仪器设备及人员的伤害。
(6)实验参数实时显示：实时显示每路输出电压、电流、输出剩余时间、悬浮状态、时段数及循环次数等实验参数；可保留某一时刻的“显示值”，也可保存整个实验过程中输出电压、电流与时间的对应值及对应曲线。
(7)本发明使用时可在Windows98/NT2000/XP上运行，人机界面友好且功能全面，具备实时操作界面，实时显示输出状态，实时数据、曲线保存及过流保护等功能；整机自动化程度高，体积小，工作稳定可靠，采样及处理周期快(通讯波特率达19200bit/s)，功能齐全。
附图说明
图1是本发明的硬件结构方框图；
图2是主电路原理图，包括单片机、看门狗、电压输出路数及电压量程选择、锁存器、通讯电路等；
图3是D/A电路原理图，包括D/A电路、放大电路、保护电路、驱动电路、“接地/悬浮”转换高压继电器电路等；
图4是A/D电路原理图，包括A/D电路、放大电路、采样电路等；
图5是软件程序逻辑方框图。
下面参照附图对本发明作进一步说明：
以八路智能高压电场输出为一个仪器组成单元，也可以根据需要增加或减少高压输出路数，但基本结构相同。
以八位单片机为控制核心，配以输出路数选择、电压量程选择、锁存器、12位D/A转换器、隔离放大器、DC-DC高压模块、看门狗、驱动、隔离、接地/悬浮转换高压继电器、大、采样、12位A/D转换器、短路及过流保护、光电隔离、通讯等电路组成。
“控制参数”由上位机(PC机)、通讯(ND6520，65LBC184)及光电隔离(6N137)送入单片机(下位机)。
单片机采用AT89C52/AT89S52芯片，电压输出路数选择及电压量程选择采用多路开关(SW-DIP)连接数据锁存器(74HC245)与单片机(AT89C52/AT89S52)构成控制回路。
单片机数据输出端连接12位D/A转换器(DAC7611)，以及隔离放大器(LM324)与DC-DC高压模块(MM-8000V/500uA或DW50-0.5D)构成高压输出电路；输出电场电压连接由单片机通过驱动(74HC14)、隔离(MC1413)电路控制的“接地/悬浮”转换高压继电器(K81C235/LRL-102P)，再通过高压导线及铂丝电极分别与微流控芯片通道池对应连接。
DC-DC高压模块输出电压/电流显示信号依次连接放大器(LM324)、采样电路(CD4051)以及12位A/D转换器(ADS7822)，将高压输出电压、电流信号转换为数字信号送入单片机(AT89C52/AT89S52)，经单片机运算后，由上位机(PC机)进行实时显示、记录及报警监测；当输出电流监测值超过报警设定值时，单片机驱动保护电路(MC1413、RELAY-1)断开高压模块供电电源进行短路及过流保护。
D/A转换器采用12位D/A转换器(DAC7611)。
隔离放大器电路采用集成电路放大器(LM324)。
DC-DC高压模块采用MM-8000V/500uA或DW50-0.5D型号的高压模块。
接地转换高压继电器采用K81C235型号的高压继电器。
悬浮转换高压继电器采用LRL-102P型号的高压继电器。
主要性能
输出路数可达8路，每路输出时间段范围0-6个任选(不同时间段用于微芯片液流试样的进样、混合、反应、分离检测等过程)；每个时间段输出方式为“前悬浮、高压、0伏(接地)、后悬浮”五种；智能实现微流控芯片内多个微通道间液流试样的流量、流向的智能控制驱动(如分离/进样通道内0.01nL/min～80μL/min级的液流试样在不同时间可做正、反向自动移动)；相同实验参数可进行循环输出，不需重复设定；即时显示每路输出电压、电流(电渗流)、输出剩余时间、悬浮状态、时段数及循环次数等实验参数；可保留某一时刻的“显示值”，也可保存整个实验过程中输出电压、电流与时间的对应值及对应曲线；具有短路及过流保护功能，过流值大小自由设定。
主要技术指标
电压量程(V) 前、后悬浮时间(S) 输出电压(V) 输出时间(S) 输出电流(μA) 电压稳定度 过流保护(μA)   输出路数(1-8)   0伏接地(1-8)   悬浮路数(1-8)   通道液流正反相移动
第1时段到第6时段 第1时段到第6时段 第1时段到第6时段
2000 0-9999 0-2000 0-9999 0-500 ＜0.02％ 0-500   任选   任选   任选   任选
5000 0-9999 0-5000 0-9999 0-500 ＜0.03％ 0-500   任选   任选   任选   任选
8000 0-9999 0-8000 0-9999 0-1000 ＜0.05％ 0-1000   任选   任选   任选   任选
注：(1)0伏接地——表示输出电压为“0”伏时，输出端与“地”连接。
(2)悬浮——表示输出既不接“地”，也不接高压。
主要器件明细表
序号 名称或功能 型号  数量
U1 单片机(MCU) AT89C52/AT89S52  8
U2 通讯(485) ND6520  1
U3 数据锁存器 74HC245  8
U4 数据预置选择开关 SW-DIP  8
U5 三端稳压器 7805  8
U6 达林顿管 MC1413  8
U7 12位D/A转换器 DAC7611  8
U8 驱动 74HC14  8
U9 放大器 LM324  8
U10 三端稳压器 UPC1093  8
U11 采样 CD4051  8
U12 12位A/D转换器 ADS7822  8
U13 光电隔离 6N137  16
U14 看门狗 X5045  8
U15 485通讯转换器 65LBC184  8
16 接地转换高压继电器 K81C235  4
17 悬浮转换高压继电器 LRL-102P
18 保护继电器 RELAY-1  8
19 DC-DC高压模块 MM-8000V/500uA或DW50-0.5D  8
20 晶振(FOSC) 11.0592  8

Claims (4)

1.微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪，其特征是：
采用八位单片机为控制核心；
单片机通过光电隔离、RS-485通讯与上位机相连；
控制参数由上位机、RS-485通讯及光电隔离送入单片机；
电压输出路数选择及电压量程选择采用多路开关连接数据锁存器与单片机构成控制回路；
单片机数据输出端连接12位D/A转换器、隔离放大器与DC-DC高压模块构成高压输出电路，高压输出接入“接地/悬浮”转换高压继电器；
智能高压输出连接由单片机通过驱动、隔离电路控制的“接地/悬浮”转换高压继电器，再通过高压导线及铂丝电极分别与微流控芯片通道池对应连接连接；
DC-DC高压模块输出电压/电流显示信号依次连接放大器、采样电路、12位A/D转换器和单片机，由上位机进行实时显示、记录及过流报警监测；
单片机与DC-DC高压模块供电电路之间连接有短路、过流保护电路，当输出电流监测值超过报警设定值时，单片机驱动短路及过流保护电路断开DC-DC高压模块供电电源进行短路及过流保护。
2.按照权利要求1所述的微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪，其特征是：所述智能高压输出以八路为一个仪器组成单元。
3.按照权利要求1所述的微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪，其特征是：每一路智能高压可以选择的电压量程为0～2000VDC或0～5000VDC或0～8000VDC。
4.按照权利要求1所述的微流控芯片智能小型化多路电动液流控制驱动仪，其特征是：所述单片机为AT89C52或AT89S52。
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