CN1912609A - 低电压芯片电泳电路控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种低电压芯片电泳电路控制系统和控制方法，涉及微机电系统技术领域。本发明设计了一种低电压芯片电泳控制系统，由上位控制PC机及下位控制器组成，下位控制器中微控制器作为中央控制处理器，控制电极控制解码模块，其输出分别通过进样电极电子开关阵列和分离电极电子开关阵列控制电泳芯片的进样管道区电极和分离管道区电极，电子开关由继电器级联组成一组三态产生电路，其输出分别连接芯片的相应电极，在芯片电极间施加电压，产生一种低电压芯片电泳的扫描机制，检测器根据响应值判断芯片中分离管道区中溶液组分的电泳分离效果，以此控制芯片电泳过程。

Description

低电压芯片电泳电路控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术(MEMS)领域，特别涉及对微流控芯片的控制技术。

背景技术

芯片电泳是微分析系统领域中一个重要的分支，近年来关于芯片电泳的研究层出不穷。芯片电泳中微流体的驱动和控制方法可分为压力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等，其中最常用的是电驱动方式，电驱动方式主要是在电场的作用下，通过电泳和电渗驱动模式实现的。一般的芯片电泳中，通常是通过管道两端施加高压来获得高场强，从而实现流体的电驱动和控制。但是，高压电源通常存在体积巨大和安全问题，限制了电泳芯片向集成化、自动化和便携式等方向发展。为了解决高电源对芯片实验室的束缚，提出了低电压方式芯片电泳理论和系统设计。

低电压芯片电泳是用阵列电极将分离管道分成许多小的分离区带，通过在一个或者几个区带之间施加低电压，这样可以在较低外加电压下获得原来的场强，而低电压的持续和循环施加，则能获得连续的高场强作为样品的驱动力。阵列电极在管道的两侧均匀对称分布，相邻两对电极施加电压的时间间隔为T，一对电极上的电压施加时间经过T之后，切换到相邻的下一对电极，直到最后一对电极，从而形成连续的移动电场。

中国专利申请(公开号：CN1727888A)公开了一种小型微流控芯片电泳检测系统和检测自动控制方法。该专利申请主要涉及对流控芯片进行分离时的高压电源控制和信号采集，并未涉及对低电压芯片中各电极施加电压的控制，但在实际的工业应用中，对低电压芯片电泳过程中施加电压以及电场变化的控制是非常重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了实现低电压芯片电泳过程中对施加电压以及电场变化的控制，本发明设计了一种低电压芯片电泳过程的控制系统及控制方法。解决上述技术问题所采用的技术方案是，设计一种低电压芯片电泳过程控制系统，由上位控制PC机及下位控制器组成，其中下位控制器中：微控制器作为中央控制处理器，控制电极控制解码模块，其输出分别通过进样电极电子开关阵列和分离电极电子开关阵列控制电泳芯片的进样管道区电极和分离管道区电极。电子开关由两级继电器级联组成一组三态产生电路，三态产生电路的输出分别为：高电平、地和悬空三种状态，一系列电子开关构成电子开关阵列。芯片电极连接电子开关的相应输出端，在芯片电极间施加电压，产生一种低电压芯片电泳的扫描机制，电极控制解码芯片采用可编程逻辑器件CPLD来实现控制信号的解码。上位控制PC机通过串口实现与下位控制器的通信连接，上位控制PC机包括控制参数设置模块：设置施加电压的起始电极、终止电极，悬空的电极数、电压的转换时间、循环次数等；运行参数读取模块：用于监视当前系统工作时各个参数的设置情况；串口设置和状态显示模块：选择与上位机通信的串口，以及通信连接和断开，并显示当前串口通信状态。

上位机通过控制软件设置系统工作参数，并将其通过串口发送给下位控制器，下位控制器在系统运行后等待上位机发送控制参数，当有参数通过串口输入后，下位控制器中微控制器将控制信号发送给电极控制解码芯片，解码后的信号用于控制三态产生电路，实现对低电压芯片电泳过程中电压和电场的控制。

本发明还提出了一种对低电压芯片电泳过程的控制方法，该方法包括步骤：对控制系统初始化，设定低电压芯片电泳过程的外加电压值E₀、电压的延时Δt₀和电压的切换范围W；在上位PC机端设置检测控制参数，检测控制参数包括施加电压的起始电极、终止电极、悬空的管脚数、电压切换方式、电压切换时间、循环次数；并通过串口将上述参数设置及命令发送到下位机控制系统；微处理器控制电极解码模块解码输出控制信号，控制电极电子开关阵列的电平输出状态，电子开关阵列与芯片电极的连接；对确定的电极施加电压；定时切换施加电压的电极；直至电泳芯片的所有电极都处于高电平状态，分离管道上的一次电压施加完成；按控制参数中设置的循环次数确定在芯片电极间施加电压的次数；直至循环结束，检测器根据响应值判断芯片中分离管道区中溶液组分的电泳分离效果，以此控制芯片电泳过程。

本发明的有益效果：本发明采用控制电极控制解码模块和电子开关阵列相结合的方法解决了芯片电泳过程中对施加电压和电场的控制问题，具有体积小、功耗低、操作安全的特点。

附图说明

图1低电压芯片电泳电路控制系统原理图

图2电子开关级联示意图

图3电压切换及施加方式示意图

图4芯片中的电极施加电压的示意图

图5低电压芯片电泳控制过程流程图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的实施作详细描述。

图1所示为低电压芯片电泳电路控制系统原理图，包括，上位控制PC机，下位控制器，其中下位控制器包括：微控制器作为中央控制处理器，控制电极控制解码模块，其输出分别通过进样电极电子开关阵列和分离电极电子开关阵列控制电泳芯片的进样管道区电极和分离管道区电极。电子开关由两个继电器级联组成一组三态产生电路，三态产生电路的输出为：高电平、地和悬空三种状态，由上述输出状态的作用在芯片电极上可产生一种低电压芯片电泳的扫描机制，根据处理器提供的控制信号控制电子开关按照设置参数依次处于上述三种状态，控制信号经过解码后直接作用在继电器的控制端，控制外加电场在顺序排列的电极之间有序的变化，为芯片电泳提供外加合适的电压。

上位控制PC机通过串口实现与下位控制器的通信连接，下位控制器可采用芯片P89C660作为中央控制处理器，该控制处理器控制下位控制器接收上位机发送的参数控制命令，并将其传送至电极解码芯片进行解码，输出作为电子开关的控制信号，控制电子开关的输出状态，并将PC机串口的电平标准与下位控制器串口的电平标准进行匹配，在两者之间进行电平转换，实现上位机和下位机之间的通信。

电极控制解码模块中解码芯片可采用可编程逻辑器件CPLD来实现控制信号的解码，可选用的解码芯片为Altera公司MAX7000系列的EPM7128。电极控制解码模块产生芯片管脚电平和电子开关控制信号。电极控制解码模块接收到上位机传输来的控制参数后通过内部逻辑解码控制信号后将对应的‘0’或者‘1’发送到对应电子开关控制引脚作为输入电子开关的控制信号。

电子开关阵列采用继电器级联的方式来实现，每两个继电器组成一组三态产生电路，电子开关为低电压芯片管脚提供三种不同的状态，控制电极的开关状态的变化，引起各电极的电场随之发生变化，在芯片的各管脚间产生按一定规律变化的电场，且压差变化范围较大(0～150v)。

图2所示为电子开关级联示意图，每两个继电器组成一组三态产生电路，如图所示为其中的一组三态产生电路，即一个电子开关，继电器作为一种开关器件，包括一个输入端、两个输出端和控制端，电极控制解码芯片的输出作为相互级联的两个继电器的控制信号，一级继电器的输入端由芯片管脚电平控制，一级继电器的其中一个输出端连接二级继电器的输入端，一级继电器的另一个输出端和二级继电器的两个输出端作为电子开关的输出端，在一级、二级控制信号的作用下，组合起来的4种状态中的三种可以产生三种不同的输出，在电子开关的三个输出端产生三种不同的输出状态，即高电平、地和悬空三种输出状态。一系列电子开关级联组成电极电子开关阵列。

电极控制解码模块输出的两个控制信号组合可以产生00、01、10、11四种状态，该状态控制电子开关中的两级继电器，输出可为三种电平状态，即高电平、地和悬空三种状态，连接在电子开关输出端的芯片电极的电平也可以设置为任意3种状态之一。

如图3所示为电压切换及施加方式示意图，微处理器输出控制信号，控制电极电子开关阵列中继电器动作，芯片的各电极与电子开关相应输出端连接，用于设置芯片中电极的电平状态，控制电压切换方式。在控制电路的作用下，低电压按照一定的频率在电极间进行切换，在电极间得到连续的移动电场。具体的电压切换方式如下：假如对芯片样品分离管道两侧前端到末端的17对阵列电极按顺序进行编号的依次为1，2，…….，16，17；进样管道的电极为6对。电极等间距分布，根据管道区中样品溶液的浓度和分子量确定电极间的距离为D。上位控制PC机向下位控制器发送施加电压的起始电极编号，悬空的电极编号、电压的转换时间T、循环次数等控制参数。控制信号经电极控制解码芯片解码后输出控制电子开关动作，对进样管道区电极和分离管道区电极施加电压。根据接收的控制参数，确定施加电压的起始电极和终止电极编号，在低电压电泳芯片的上述两电极之间施加电压，控制器输出控制信号控制电子开关三种状态的输出端分别连接相应芯片电极，起始电极设置为高电平，中间电极处于悬空状态，终止电极为接地状态，经过电压切换时间T后依次切换到下一对电极之间按同样的方式施加电压，直至电泳芯片的所有电极都处于高电平状态，分离管道上的一次电压施加完成，此时在电极之间没有产生电场梯度，不会发生回流现象。完成这样一次循环后，电极上的状态全部回零，又开始新的一轮循环，直至完成由上位机中参数设置模块所设置的循环次数为止。

例如，首先在电极1和n+2(n为施加电压的两电极之间的电极个数；n＝1，2，3，4…；n＜17)之间施加电压，电极1上施加高电平，中间的n个电极处于悬空状态，第n+2号为接地状态，经过一定的电压切换时间T，电压切换到电极2和n+3之间，电极2上施加高电平，中间的n个电极处于悬空状态，第n+3号为接地状态，此时电极1与2均处于相同的高电平状态，中间的电极悬空，n+3接地。在电极1和电极2之间不产生电场梯度，不会发生回流现象。同理，经过时间2T，电压切换到3和n+4之间，1和2保持与3一样的高电平状态。如此切换直到电极1到17都处于高电平状态，分离管道上的一次电压施加完成，电极上的状态全部回零。开始新的循环。

电压施加方式可以采用双边电压施加模式或单边电压施加模式：

双边电压施加模式：当电泳芯片通过接口与控制电路相连时，连接电泳芯片进样和分离管道两侧的阵列电极，于是，芯片上的阵列电极两边都受控制信号的控制。与接口相连的两边电极会有电压的作用，此时进样区关闭，在分离管道中获得一个对称的电场。此电场的大小能够通过调节电源电压大小来改变。

单边电压施加模式：当电泳芯片通过接口与控制电路相连时，只连接接口一边的管脚，于是，芯片上的阵列电极只有一边受控制电路的作用。只有与接口相连的那边电极会有电压的作用，此时进样区关闭，在分离管道中获得一个不对称的电场。此电场的大小能够通过调节电源电压大小来改变。图3中当只在一边的阵列电极施加电压时即为单边电压施加方式。

对芯片中的电极施加电压的情况如图4所示。图中仅以两个状态下的四个电极为例，假设初始状态下带电粒子在第一电场位置，而且4个电极(1-4)在三态开关的控制下分别处于低电平(-)、中间态、高电平(+)和低电平，其中中间态是一个介于高低电平之间的一个电压值，处于第一电场的粒子在电场的作用下向第二电场位置移动，一定时间后，控制电极的三态开关状态发生变化，各个电极的电场随之发生变化，带电粒子继续沿电场方向移动，依次类推带电粒子在变化的电场环境下进行移动，位于芯片分离微管道区的检测装置分别针对微管道中溶液的电导值或荧光信号变化产生响应，根据响应值判断低电压芯片电泳过程对微管道中溶液中待测物组分的电泳分离效果，以此判断是否发生芯片电泳。

本控制系统中，上位控制PC机包括控制参数设置模块、运行参数读取模块、串口设置和状态显示模块。上位机通过控制参数设置模块更改控制参数为低电压芯片电泳过程提供所需的变化的电场。控制参数内容和含义如下：

控制参数设置模块，设置施加电压的起始电极、终止电极数，悬空的管脚数、电压的切换时间、循环次数。

施加电压的起始电极、终止电极数：控制参数设置模块控制系统启动时将电压加在电泳芯片的哪个电极上，将电泳芯片中的几号电极作为施加电压的起始电极并设置为高电平，几号电极作为施加电压的终止电极并设置为低电位；

悬空的管脚数：控制电压施加过程中位于起始电极和终止电极之间悬空的电极的数量；

电压切换时间：设置电压在不同管脚之间变化的时间，单位可为秒，电压的切换时间根据管道区中溶液组分的电泳特性以及浓度等因素确定。

循环次数：系统电压从起始管脚开始到达结束管脚后会进行循环往复，该选项设置变化电场在管脚间的循环次数，循环次数取决于管道区中溶液的特性和所施加的电场强度等因素，最终由管道区中溶液样品组分被有效分离的效果来确认，当管道区中溶液样品组分被有效分离，判断发生芯片电泳，此时循环终止。

运行参数读取模块，用于监视当前系统工作时各个参数的设置情况，读取的参数与控制参数设置模块中的参数完全对应。串口设置和状态显示模块，上位机与下位机控制器中的P89C660采用串口的方式进行通信。该模块用于设置串口的工作。包括：

(1)串口的选择：选择上位机上正确的串口与下位机控制器通信口进行连接；

(2)打开串口和关闭串口：预连接的串口选择好之后，控制上位机的串口与微控制器的串口进行通信连接，传递控制命令和参数，当通信结束后关闭串口，断开通信；

(3)当前状态指示：显示当前串口通信的状态是打开还是关闭。

图5所示为低电压芯片电泳过程的控制流程图。首先对控制系统初始化，初始化过程主要依据芯片试样体系的特点，直接在上位机人机界面中输入设定低电压芯片电泳过程的外加电压值E＝E₀、电压的延时Δt₀和电压的切换范围W，其中E₀、Δt₀、W的取值一般是按照常规实验数据或文献参数，由芯片管道区中溶液的化学特性和电泳特性决定的，针对具体物质由相关的理论公式计算获得。图中C₀是在设定的E₀、、Δt₀和、W条件下，在检测窗口获得的样品响应浓度值。

然后，通过上位机设置检测控制参数，即设置施加电压的起始电极编号、终止电极编号、悬空电极的管脚数、电压切换方式、电压切换时间、循环次数等参数，通过串行通信口将上述参数设置及命令发送到下位机控制系统，由下位机中的控制处理器处理接收到的信息，通过电极解码模块进行解码输出，控制电极电子开关阵列的电平输出状态，以及电子开关阵列中继电器相应输出端与芯片电极的连接，控制施加到芯片电极上的电压，经过时间延时Δt₀后在芯片的电极间施加电压，根据切换范围W的取值按照前面描述的施加电压的方法循环地在电极间施加电压，改变施加在低电压芯片中的电场，直至完成参数设置中规定的循环次数，随后，通过检测器获得的到达检测窗口的样品信号谱图，根据响应值判断低电压芯片电泳过程对微管道中溶液中待测物组分的电泳分离效果。如果样品组分的分离效果好(如：分离度达到1以上)，则芯片电泳过程完成。反之，则应该调整施加电压大小、外加电压延时、电压切换时间等参数，重新进行低电压芯片电泳实验，直到获得良好的样品组分的分离效果，得到良好的低电压电泳芯片，以此有效地控制低电压芯片的电泳过程。

本发明设计的控制系统和控制方法可广泛应用于在芯片管道区中添加不同介质作为测试样品的低电压芯片的电泳控制，对电泳过程能够进行有效的控制。

Claims (10)

1、一种低电压芯片电泳电路控制系统，由上位控制PC机，下位控制器组成，上位控制PC机通过串口实现与下位控制器的通信连接，其特征在于，其中上位控制PC机包括控制参数设置模块、运行参数读取模块、串口设置和状态显示模块；下位控制器中微控制器作为中央控制处理器，输出端控制电极控制解码模块，解码输出分别通过进样电极电子开关阵列和分离电极电子开关阵列控制电泳芯片的进样管道区电极和分离管道区电极。

2、根据权利要求1所述的低电压芯片电泳电路控制系统，其特征在于，上位机中控制参数设置模块设置施加电压的起始电极、终止电极编号、悬空的电极数、电压的切换时间、循环次数；运行参数读取模块用于监视当前系统工作时各个参数的设置情况；串口设置和状态显示模块选择与上位机通信的串口，并显示当前串口通信状态。

3、根据权利要求1或2所述的低电压芯片电泳电路控制系统，其特征在于，电极电子开关阵列中的电子开关由两级继电器级联组成一组三态产生电路，三态产生电路的输出为：高电平、地和悬空三种状态。

4、根据权利要求1或2所述的低电压芯片电泳电路控制系统，其特征在于，下位控制器采用P89C660作为中央控制处理器，电极控制解码芯片采用可编程逻辑器件CPLD来实现控制信号的解码。

5、根据权利要求3所述的低电压芯片电泳电路控制系统，其特征在于，电子开关中一级继电器的输入端由芯片管脚电平控制，一级继电器的其中一个输出端连接二级继电器的输入端，一级继电器的另一输出端和二级继电器的两个输出端作为电子开关的三态输出端。

6、一种低电压芯片电泳控制方法，其特征在于，该方法包括步骤：对控制系统初始化；通过上位机设置控制参数；并将上述参数设置及命令发送到下位机控制系统；电极解码模块解码输出控制信号，控制电极电子开关阵列中相应管脚与电泳芯片电极的连接；在控制参数中设置的芯片起始、终止电极间施加电压；定时切换施加电压的电极，直至电泳芯片的所有电极都处于高电平状态，分离管道上的一次电压施加完成；按控制参数中设置的循环次数在芯片电极间循环施加电压，直至循环结束；检测器检测电泳芯片中分离管道区中溶液组分的电泳分离效果，以此控制芯片电泳过程。

7、根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，系统初始化过程包括：设定低电压芯片电泳过程的外加电压值E₀、电压的延时Δt₀和电压的切换范围W。

8、根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，检测控制参数包括施加电压的起始电极、终止电极、悬空的电极数、电压切换方式、电压切换时间、循环次数。

9、根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在起始、终止电极间施加电压时，电极电子开关阵列输出端的三种状态分别连接相应芯片电极，起始电极设置为高电平，中间电极处于悬空状态，终止电极为接地状态。

10、根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，施加电压方式包括单边电压施加模式和双边电压施加模式。

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