CN211877857U - 基于ffe的多通道分时并行非接触在线电导测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，该装置包括控制单元以及依次连接的交流激励源、非接触电导检测池阵列、接收信号模拟开关模块和电压检测模块，所述的非接触电导检测池阵列由至少两个结构相同且相互并联设置的非接触电导检测池构成，所述的控制单元分别与电压检测模块和接收信号模拟开关模块连接。与现有技术相比，本实用新型具有并行分时在线检测FFE设备各分离组份溶液电导、结构简单、成本低等优点。

Description

基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置

技术领域

本实用新型涉及电导检测技术，尤其是涉及一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置。

背景技术

自由流电泳(Free-Flow Electrophoresis，FFE)是一种兼具制备和分析功能的纯液相电泳，具有反应过程可控、条件温和、回收率较高、分辨率良好、生物活性保持完好且应用广泛等优点。FFE分离组份溶液电导，即离子强度，是分离组份的基本物化参数，但由于FFE管路系统的复杂性(多达96通道)，现有制备性FFE都不具备对分离组份溶液电导等参数的在线检测功能，FFE分离后仍需要对各组份进行离线检测，极不便利，费工费时，尤其不利于细胞器生物活性的维持。

电容耦合非接触电导检测技术是一种新型的电导检测技术，具有灵敏度高、非接触、结构简单，鲁棒性好等优点，目前在毛细管电泳和微流控芯片中有着广泛的应用，然而这种用于毛细管电泳和微流控芯片中的在线单一信号的非接触电导检测器(ContactlessConductivity Detector，CCD)无法满足FFE多通道同步检测的需要。因为，如果采用96个CCD并行检测，则需整体设置96道并行CCD，不但体积将非常庞大、电路系统复杂、安装调试困难，而且也将使得每台FFE设备仅CCD造价就极其昂贵。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，该装置包括控制单元以及依次连接的交流激励源、非接触电导检测池阵列、接收信号模拟开关模块和电压检测模块，所述的非接触电导检测池阵列由至少两个结构相同且相互并联设置的非接触电导检测池构成，所述的控制单元分别与电压检测模块和接收信号模拟开关模块连接。

该电导测量装置还包括设置在交流激励源与非接触电导检测池之间的激励信号模拟开关模块，所述的激励信号模拟开关模块与控制单元连接。

每个非接触电导检测池均包括绝缘测量管道、屏蔽单元、外壳以及安装在绝缘测量管道上的激励电极和接收电极，所述的激励电极和接收电极之间设有间隙，所述的屏蔽单元由导电材料制成，其包裹接收电极并与地线相连，所述的外壳用以封闭激励电极、接收电极以及对应位置的绝缘测量管道，起到支撑和保护作用。

所述的控制单元为具备AD转换功能的嵌入式处理器模块，或与电脑连接的带有开关量的AD数据采集模块。

所述的接收信号模拟开关模块包括两级级联形式的多选一电子模拟开关，其中，第一级接收信号模拟开关的公共端与电压检测模块连接，通道端分别与第二级接收信号模拟开关的公共端连接，第二级接收信号模拟开关的通道端分别与对应的非接触电导检测池的接收电极连接。

所述的激励信号模拟开关模块包括两级级联形式的多选一电子模拟开关，其中，第一级激励信号模拟开关的公共端与交流激励源连接，通道端分别与第二级激励信号模拟开关的公共端连接，第二级激励信号模拟开关的通道端分别与对应的非接触电导检测池的激励电极连接。

所述的交流激励源、接收信号模拟开关模块、激励信号模拟开关模块和电压检测模块均设置在电路板的顶层，非接触电导检测池阵列设置在电路板的底层。

一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量方法，包括以下步骤：

1)对每个非接触电导检测池采用标准溶液进行标定测试，将测量结果存储在控制单元中；

2)在实际测量时，由控制单元发出控制信号，通过闭合激励信号模拟开关模块和接收信号模拟开关模块使得第一个非接触电导检测池处于工作状态并由电压检测模块将电压输出值输出到控制单元；

3)由控制单元依据标定测试结果将电压输出值转化为电导率值输出，此电导率值即为流经第一个非接触电导检测池溶液的电导率值；

4)重复步骤2)-3)，直至检测完所有的非接触电导检测池中流经溶液的电导率值。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型能够在线检测FFE设备各分离组份溶液电导，测量方便、快速、有利于细胞细胞器生物活性的维持。

2、本实用新型通过增加可控制的模拟开关来实现对不同非接触电导检测池的切换，同时克服了引入模拟开关后带来的由于模拟开关导通电阻和公共端对地电容对非接触电导检测池的不利影响，而且非接触电导检测池并行排列但测量采用分时的方法，降低了干扰的同时大大简化了测量系统的复杂性，对测量的要求小，测量装置成本低廉。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图。

图2为实施例一的简化等效电路模型及检测电路示意图。

图3为实施例一中通道一标定曲线图。

图4为实施例一的应用示意图。

图5为实施例二的结构示意图。

图中标记说明：

1、非接触电导检测池，2、交流激励源，3、电压检测模块，4、控制单元，5、接收信号模拟开关模块，6、激励信号模拟开关模块，7、电路板，8、FFE分离模块，9、FFE收集模块，1.1、绝缘测量管道，1.2、激励电极，1.3、接收电极，1.4、屏蔽单元，1.5、外壳，5.1、第一级接收信号模拟开关，5.2、第二级接收信号模拟开关，6.1、第一级激励信号模拟开关，6.2、第二级激励信号模拟开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种用于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，包括由多个非接触电导检测池1组成非接触电导检测池阵列、交流激励源2、电压检测模块3、控制单元4、接收信号模拟开关模块5、激励信号模拟开关模块6。

非接触电导检测池阵列是由24个同样的非接触电导检测池1并行排列而成，每个非接触电导检测池均包括绝缘测量管道1.1、激励电极1.2、接收电极1.3、屏蔽单元1.4和外壳1.5，构成电容耦合式非接触电导检测池。

本例中采用外径1.6mm，内径1mm的Peek管作为绝缘测量管道1.1，采用德国康泰KONTAKT GRAPHIT 33石墨(导电)涂层剂直接在绝缘测量管道1上并用0.1mm的裸铜线绕制一层制作出长度20mm，间隙5mm的激励电极1.2和接收电极1.3；屏蔽单元1.4由导电银漆制作，将接收电极1.3包裹起来并于测量装置的地线相连，起到屏蔽激励信号及其它非接触电导检测池1的信号干扰；外壳1.5采用ABS塑料制作；其将激励电极1.2、接收电极1.3和对应部位绝缘测量管道1.1封闭起来，起到支撑和保护作用；采用Max038高速函数发生器芯片作为交流激励源2产生频率110KHz激励信号，通过由AD711AQ组成的放大电路将激励信号峰峰值放大到±10V；采用宽带低偏置电流的操作放大器OPA606KP对接收信号进行转换和放大，并经二极管峰值检波将交流信号转变为直流信号，组成电压检测模块3；采用北京双诺公司的MP417数据采集卡和电脑作为控制单元4。接收信号模拟开关模块5采用高性能CMOS八选一的电子模拟开关Max308并组成两级级联形式，第一级模拟开关5.1的公共端与电压检测模块3连接，通道端分别与第二级模拟开关5.2的公共端连接，第二级模拟开关5.2的通道端则分别与每个非接触电导检测池1的接收电极1.3连接，两级模拟开关5.1和5.2的选通端均与控制单元4连接。同样，激励信号模拟开关模块6也采用八选一的电子模拟开关Max308并组成两级级联形式，第一级模拟开关6.1的公共端与交流激励源2连接，通道端分别与第二级模拟开关6.2的公共端连接，第二级模拟开关6.2的通道端则分别与每个非接触电导检测池1的激励电极1.2连接，两级模拟开关6.1和6.2的选通端均与控制单元4连接。

如图2所示，本实施例模拟开关选型和抗干扰机理为：

由于采用了屏蔽单元1.4，单个非接触电导检测池1可简化为检测电极(激励电极1.2和接收电极1.3)与绝缘测量管道1.1内壁耦合的电容C和C’以及检测电极之间的绝缘测量管道1.1内溶液电阻R的串联形式等效电路。Cj为激励电极1.2与屏蔽单元1.4之间的耦合电容，Cs为接收电极1.3与屏蔽单元1.4之间的耦合电容，Ccom和Ron可分别看成接收信号模拟开关模块5两级模拟开关的公共端对地电容和导通电阻，Cin为放大器的输入电容。从图2中可知，由于采用了屏蔽单元1.4，避免了加载在激励电极1.2上激励信号直接通过空气耦合到接收电极1.3上的不利影响，同时若接收信号模拟开关模块5的两级模拟开关导通电阻Ron较小时，又由于放大器负输入端为虚地，固Cs、Ccom和Cin都没有电流流过，可以忽略此三个电容的影响。因此选择低导通电阻的模拟开关可降低由于模拟开关的引入对非接触电导检测池1的不利影响。

本实施例的测量方法为：

测量前：先对每个非接触电导检测池1采用标准Kcl溶液进行标定测试，获得如图3所示的电压检测模块3的电压输出与各标准Kcl溶液电导率的对应关系点，采用最小二乘法拟合得到标定曲线并将测量结果存储于控制单元4中。

实际测量时：由控制单元4发出控制信号，通过激励信号模拟开关模块6和接收信号模拟开关模块5控制测量装置使得第一个非接触电导检测池1处于工作状态并由电压检测模块3将电压输出值输出到控制单元4，最后由控制单元4根据各通道的标定测试结果将电压输出值依据拟合曲线参数计算转化为电导率值输出，重复上述步骤，直至检测完所有的非接触电导检测池1中流经溶液的电导率值。

本实施例应用示意图如图4所示，非接触电导检测池1并行均匀排列在电路板7的底层中间，交流激励源2、电压检测模块3，接收信号模拟开关模块5和激励信号模拟开关模块6等测量电路元件均分布于电路板7的顶层，电路板7上的电压检测模块3的输出、接收信号模拟开关模块5和激励信号模拟开关模块6的选通端分别与由AD数据采集卡和计算机组成的控制单元4相连，测量时在计算机上编制测量和控制信号，实现多通道分时测量流经各非接触电导检测池1的绝缘测量管道1.1中溶液的电导值。针对96通道的FFE设备，考虑到非接触电导检测池阵列排列长度和FFE设备结构特点，本实施例通道数设计为24个，这样，要实现96通道在线实时检测，采用四个电路板7模块并行排列和一个控制单元4即可达到目的。

实施例二

本实施例的基本结构和原理和实施例一相同，如图5所示，其区别点在于：交流激励源2直接连接到每个非接触电导检测池1的激励电极1.2上，不采用模拟开关进行切换，简化了测量电路，但对接收电极1.3的屏蔽要求提高了。

本实施例的测量过程为：

测量前：先对每个非接触电导检测池1采用标准Kcl溶液进行标定测试，获得电压检测模块3的电压输出与各标准Kcl溶液电导率的对应关系点，采用最小二乘法拟合得到标定曲线并将测量结果存储于控制单元4中。

实际测量时：由控制单元4发出控制信号，通过接收信号模拟开关模块5控制测量装置将第一个非接触电导检测池1的接收电极1.3接入电压检测模块3并将电压输出值输出到控制单元4，最后由控制单元4根据标定测试结果将电压输出值依据拟合曲线参数计算转化为电导率值输出，此电导率值即为流经第一个非接触电导检测池1溶液的电导率值；重复上述步骤，直至检测完所有的非接触电导检测池1中流经溶液的电导率值。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，其特征在于，该装置包括控制单元(4)以及依次连接的交流激励源(2)、非接触电导检测池阵列、接收信号模拟开关模块(5)和电压检测模块(3)，所述的非接触电导检测池阵列由至少两个结构相同且相互并联设置的非接触电导检测池(1)构成，所述的控制单元(4)分别与电压检测模块(3)和接收信号模拟开关模块(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，其特征在于，该电导测量装置还包括设置在交流激励源(2)与非接触电导检测池(1)之间的激励信号模拟开关模块(6)，所述的激励信号模拟开关模块(6)与控制单元(4)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，其特征在于，每个非接触电导检测池(1)均包括绝缘测量管道(1.1)、屏蔽单元(1.4)、外壳(1.5)以及安装在绝缘测量管道(1.1)上的激励电极(1.2)和接收电极(1.3)，所述的激励电极(1.2)和接收电极(1.3)之间设有间隙，所述的屏蔽单元(1.4)由导电材料制成，其包裹接收电极(1.3)并与地线相连，所述的外壳(1.5)用以封闭激励电极(1.2)、接收电极(1.3)以及对应位置的绝缘测量管道(1.1)，起到支撑和保护作用。

4.根据权利要求1所述的一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，其特征在于，所述的控制单元为具备AD转换功能的嵌入式处理器模块，或与电脑连接的带有开关量的AD数据采集模块。

5.根据权利要求3所述的一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，其特征在于，所述的接收信号模拟开关模块(5)包括两级级联形式的多选一电子模拟开关，其中，第一级接收信号模拟开关(5.1)的公共端与电压检测模块(3)连接，通道端分别与第二级接收信号模拟开关(5.2)的公共端连接，第二级接收信号模拟开关(5.2)的通道端分别与对应的非接触电导检测池(1)的接收电极(1.3)连接。

6.根据权利要求3所述的一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，所述的激励信号模拟开关模块(6)包括两级级联形式的多选一电子模拟开关，其中，第一级激励信号模拟开关(6.1)的公共端与交流激励源(2)连接，通道端分别与第二级激励信号模拟开关(6.2)的公共端连接，第二级激励信号模拟开关(6.2)的通道端分别与对应的非接触电导检测池(1)的激励电极(1.2)连接。

7.根据权利要求3所述的一种基于FFE的多通道分时并行非接触在线电导测量装置，所述的交流激励源(2)、接收信号模拟开关模块(5)、激励信号模拟开关模块(6)和电压检测模块(3)均设置在电路板(7)的顶层，非接触电导检测池阵列设置在电路板(7)的底层。

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