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專利名稱：一種小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)和檢測自動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于MCU與軟件相結(jié)合對微流控芯片檢測分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動智能控制的方法，屬微系統(tǒng)自動化控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微型全分析系統(tǒng)(miniaturized total analysis system，μTAS)是集進(jìn)樣、樣品處理、生化反應(yīng)、分離、檢測為一體的全功能微型檢測和分析系統(tǒng)[1]。微流控芯片(Micro-fluidic chip)是其主要的組成部件，它采用微加工技術(shù)(MEMS)在玻璃、硅、聚合物等基片上制作出微米級管道作為生物樣品的進(jìn)樣和分離通道及其它功能單元，以電場方式驅(qū)動樣品在微管道中流動，最后通過光電倍增管(PMT)或其他檢測元件將分離管道上的被測樣品所產(chǎn)生的微弱信號放大轉(zhuǎn)化為電信號，并通過PC機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行采集分析處理。微流控電泳芯片技術(shù)它將毛細(xì)管電泳技術(shù)(CE)與微加工技術(shù)(MEMS)結(jié)合在一起，有著快速、高效、低耗等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、藥品篩選及臨床診斷中有著廣泛的應(yīng)用。
在微流控芯片電泳信號檢測系統(tǒng)中，可以采用多功能工控板卡(如中泰PC-6315)或獨(dú)立開發(fā)MCU檢測系統(tǒng)。工控板卡一般含有模入/模出接口及多路數(shù)字I/O，通過標(biāo)準(zhǔn)ISA插槽與PC機(jī)聯(lián)接通信，有著很好的兼容性與抗干擾能力。但分析儀器的發(fā)展趨向于小型化、智能化、家用化，而此類通用工控板卡，結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)置及編程復(fù)雜，不利于檢測系統(tǒng)的小型化，不適用于便攜式檢測儀中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
基于系統(tǒng)小型化及降低成本的考慮，本發(fā)明提供了一種微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)及自動控制方法。
具體地說，本發(fā)明選取TI公司的AMC7820芯片作為系統(tǒng)的采集控制微處理器設(shè)計了一小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)；所述的系統(tǒng)是由PC機(jī)、AMC7820芯片、高壓電源控制模塊、模式自動切換模塊以及信號采集處理模塊組成，系統(tǒng)是通過AMC7820芯片的A/D與D/A功能實(shí)現(xiàn)對芯片進(jìn)樣分離時的高壓電源控制及信號的采集。上位PC機(jī)通過25針并口與AMC7820C的SPI串口實(shí)現(xiàn)二者間的通信，從而構(gòu)成一個完整的信息采集控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微流控芯片電泳過程的自動控制及整個檢測系統(tǒng)的智能化操作和結(jié)果分析并打印。具有控制方便、智能、自動等優(yōu)點(diǎn)。
1.系統(tǒng)的硬件設(shè)置及控制原理原理如圖1，它是以TI公司的芯片AMC7820為準(zhǔn)MCU核心，通過與PC機(jī)聯(lián)成一個完整的檢測控制系統(tǒng)。
它的主要模塊如下a.PC機(jī)與AMC7820通信接口模塊PC機(jī)與AMC7820兩者間通過25針并口線實(shí)現(xiàn)通信。在兩者間建立了緩沖通信體系，它用兩片SN74AHC244PWR緩沖芯片，實(shí)現(xiàn)兩者間的高質(zhì)量通信。
同時，PC機(jī)并口進(jìn)行的是并行操作，而AMC7820所具有的通信接口是SPI四線串行口。這造成了一定的沖突，為了在不增加其他芯片的情況下實(shí)現(xiàn)正常的通信功能，系統(tǒng)用軟件實(shí)現(xiàn)了串-并通信轉(zhuǎn)換，取得良好的效果。
b.模式自動切換模塊為了實(shí)現(xiàn)對儀器工作狀態(tài)的精確自動智能控制，系統(tǒng)采用了繼電器作為控制切換開關(guān)。由于AMC7820僅是一個模擬數(shù)字器件，不含數(shù)字I/O口，無法由它實(shí)現(xiàn)繼電器的控制，因此系統(tǒng)采用PC機(jī)的并口經(jīng)SN74AHC244PWR緩沖后實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的輸出。
繼電器采用5V電壓控制，屬電流控制器件，而PC機(jī)并口屬TTL電平，驅(qū)動能力差，無法驅(qū)動繼電器工作。同時基于實(shí)現(xiàn)此功能及對電路與PC機(jī)的保護(hù)，系統(tǒng)采用了光耦芯片與達(dá)林頓管組成繼電器的驅(qū)動模塊，原理如圖2，光耦為TLP504A，達(dá)林頓管為ULN2003A。
通過TLP504A，隔斷了電路與外部斷高壓高流關(guān)系，同時又把TTL電平不變的傳遞出去，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)機(jī)制。但此時的電平仍為TTL電平，無法驅(qū)動繼電器工作，故采用ULN2003A達(dá)林頓管時進(jìn)行電流放大，從而產(chǎn)生驅(qū)動繼電器的能力，并接至外部接口，從而產(chǎn)生繼電器驅(qū)動I/O，通過它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模式的自動切換工作。
c.高壓電源控制模塊本系統(tǒng)采用了芯片毛細(xì)管電泳驅(qū)動方式。由于樣品各組分物質(zhì)的離子或分子在電遷移或分配行為上存在差異，系統(tǒng)采用高壓直流電源作為驅(qū)動力，快速實(shí)現(xiàn)了對生物樣本組分的高速分離、檢測與分析，驅(qū)動原理如圖3。它可在2～3分鐘內(nèi)快速完成樣品的分離分析檢測。
進(jìn)樣時，高壓電源控制模塊中高壓電源與微流控芯片中樣品池5和廢液池①6兩端相接，電壓為0～+1000V，初始化為500V，時間為30秒；分離時，高壓電源與緩沖液池7和廢液池②8相連接，電壓為0～+5000V，初始化為2000V，時間為10分鐘。
為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣分離驅(qū)動電壓的可調(diào)控制，高壓電源采用0～+5V連續(xù)可調(diào)線控制，系統(tǒng)采用AMC7820的DAC0與DAC1輸出模擬電壓，再配合繼電器從而實(shí)現(xiàn)高壓模塊自動可調(diào)工作。
d.信息采集處理模塊由于高壓電源和微流控芯片毛細(xì)管復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，易使檢測信號帶有高頻的噪聲和熱噪聲等，同時，硬件電路本身也含有熱噪聲及隨機(jī)噪聲，因此采用的是8階巴特沃茲低通濾波后，再由AMC7820的A/D進(jìn)行信息采集。濾波電路如圖4。
2.系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計系統(tǒng)基于上述硬件基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能自動控制。軟件采用VC編寫，有著直觀的操作界面(如圖5)，它有著智能防錯、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。
同時，系統(tǒng)底層采用DLL鏈接程序編寫，升級方便。它含4個主要模塊測試靈敏度調(diào)節(jié)對話框、分離進(jìn)樣參數(shù)的對話框模塊、測試進(jìn)程顯示對話框模塊、樣品信息曲線圖形顯示模塊。
它有如下特點(diǎn)a.靈敏度智能自動調(diào)節(jié)對話框微流控檢測所檢測的信號是微弱的電信號，為了達(dá)到理想的檢測效果，要對光電倍增管(PMT)的靈敏度進(jìn)行一定的控制，它通過AMC7820輸出0～1V直流電壓實(shí)現(xiàn)PMT的可調(diào)控制。
針對系統(tǒng)光電倍增管(PMT)的靈敏度控制特性，程序采用自主循環(huán)判斷，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)的自我控制和自我判斷，達(dá)到了較高的自動化和智能化。調(diào)節(jié)過程可以全自動或半自動來完成，在無操作人員干涉或進(jìn)行少量的設(shè)置下即可快速完成PMT靈敏度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)對話框如圖6。
控制電壓PMT靈敏度可調(diào)電壓，可在0～1000mV之間可調(diào)，初始化為500mV；靈敏度設(shè)置靈敏度預(yù)設(shè)置，可在0～10之間可調(diào)，初始化為6；背景信號樣品背景電壓信號，在采樣時實(shí)時顯示。
系統(tǒng)根據(jù)對話框的初始設(shè)置參數(shù)，自動調(diào)節(jié)PMT趨向于所設(shè)計之值，操作人員只需控制一“調(diào)節(jié)”按鈕即可快速自動完成這工作。
而在進(jìn)行此步操作之前，其它參數(shù)設(shè)置及控制操作都是被禁止的，這樣就防止了錯誤操作發(fā)生的可能性。
b.進(jìn)樣分離參數(shù)設(shè)置及自動控制在靈敏度沒調(diào)節(jié)好之前，進(jìn)樣分離參數(shù)是被禁設(shè)的，這樣保證了整個檢測分析過程能準(zhǔn)確無誤的進(jìn)行，防止了錯誤的發(fā)生。圖7是進(jìn)樣分離參數(shù)設(shè)置對話框。
進(jìn)樣電壓0～+1000V；進(jìn)樣時間0～60秒分離電壓0～+5000V；分離時間0～10分當(dāng)PMT靈敏度調(diào)節(jié)完成后，此對話框被激活，如圖7b所示，從而可以進(jìn)行進(jìn)樣分離的參數(shù)設(shè)置。在軟件啟動時，這些參數(shù)已被初始化為常設(shè)的參數(shù)，一般無須再改動，直接啟動檢測即可。如需改變參數(shù)，也可方便地用鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行更改，具有很好的靈活性。
啟動檢測后，整個檢測過程由程序?qū)崿F(xiàn)自動控制處理。程序自動從對話框獲得進(jìn)程參數(shù)，然后通過SPI串口實(shí)現(xiàn)對AMC7820芯片的D/A輸出從而控制高壓電源模塊，達(dá)到自動控制的目的。
整個檢測過程的步驟順序由PC機(jī)的SetTimer函數(shù)啟動計時器中斷程序自動實(shí)現(xiàn)，中斷程序自動計時，并與對話框進(jìn)樣分離時間參數(shù)進(jìn)行比較，從而控制進(jìn)樣、分離過程的自動切換，并最終完成檢測分析過程后自動結(jié)束整個分析過程。
c.檢測時跡線實(shí)時顯示及跡線自動調(diào)整在AMC7820采集到信號后，它及時上傳給PC機(jī)，并與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波處理后實(shí)現(xiàn)顯示在界面上，如圖8所示，檢測人員可以實(shí)時地觀測檢測結(jié)果，從而及時地做出判別樣品的具體特性。
如圖8所示，檢測時圖譜以峰面積來代表樣品中某種成分的濃度，面積越大代表濃度越高。針對不同濃度的檢測樣品，出現(xiàn)的峰面積也不相同。系統(tǒng)軟件根據(jù)樣品濃度的不同，可以智能自動調(diào)整譜跡線顯示比例，使之不會超出顯示對話框之外，實(shí)現(xiàn)自動處理的功能，而無須操作人員的調(diào)整。
d.軟件操作防呆防錯操作此系統(tǒng)操作軟件設(shè)計人性化且、智能化，實(shí)現(xiàn)智能防呆防錯的功能。主要是系統(tǒng)軟件采用順序操作設(shè)計，操作順序如圖9。
它是按一定的順序步驟來完成整個檢測過程，在前一步設(shè)置沒完成之前，它的下一步操作是被禁止的。因此具有防止錯誤操作的功能，對儀器起到較好的保護(hù)作用。
同時基于上面的特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了防呆功能。根據(jù)以往的經(jīng)驗參數(shù)，程序在初始化時對這些控制參數(shù)進(jìn)行了初始化，因此操作人員可以不進(jìn)行參數(shù)調(diào)置，直接PMT調(diào)節(jié)后時進(jìn)樣分離檢測，實(shí)現(xiàn)傻瓜化操作。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果1.軟件界面直觀本系統(tǒng)控制程序采用VC編寫，有著直觀的操作界面，可視性強(qiáng)；底層采DLL鏈接程序，升級方便。
2.操作簡單化通過軟件與硬件的結(jié)合，本控制方式變得極為簡單，僅控制幾個按鈕即可完成檢測分析過程，極大方便了操作人員，符合家用化的本旨。
3.操作智能自動化在儀器一些參數(shù)調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)控制方法自動智能，取得了良好的控制效果，減少了操作人員所需的專業(yè)度及熟練度。
4.采用MCU控制，為μTAS的“個人化”、“家庭化”、“便攜化”邁出可喜的一步，為μTAS以后的發(fā)展提供了經(jīng)驗。


圖1控制系統(tǒng)與電信號檢測系統(tǒng)1.高壓電源控制 2.模式自動切換 3.信息采集處理模塊 4.AMC7820芯片圖2繼電器驅(qū)動I/O原理3電泳原理圖，圖中5為樣品池6為廢液池①7為緩沖液池8為廢液池②
圖4I/V轉(zhuǎn)換、濾波電路圖5檢測自動控制的軟件操作界面圖6光電倍增管(PMT)的靈敏度調(diào)節(jié)對話框圖7進(jìn)樣分離參數(shù)設(shè)置對話框(a)未激活對話框(b)激活對話框圖8跡線顯示對話框圖9操作流程圖具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例描述具體闡述系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)自動控制的具體實(shí)施方法。
實(shí)施例一根據(jù)設(shè)計要求購置各個功能部件進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建。主要由紫外激發(fā)光源、聚光透鏡、濾光片、微流控芯片、光檢測、微機(jī)系統(tǒng)等部件組成。軟件安裝，可以只接拷貝到任何一臺PC機(jī)上運(yùn)行。但PC機(jī)須裝有VC6.0++軟件，否則須安裝一些DLL鏈接文件。同時，把軟件運(yùn)行按鈕快捷方式放于桌面，便于啟動軟件進(jìn)行測試。安裝完成后初始參數(shù)設(shè)置為控制電壓PMT靈敏度可調(diào)電壓，可在0～1000mV之間可調(diào)，初始化為500mV；靈敏度設(shè)置靈敏度預(yù)設(shè)置，可在0～10之間可調(diào)，初始化為6；背景信號樣品背景電壓信號，在采樣時，實(shí)時顯示；進(jìn)樣電壓0～+1000V，初始設(shè)定為500V；進(jìn)樣時間0～60秒，初始設(shè)定為30秒；分離電壓0～+5000V，初始設(shè)定為2000V；分離時間0～10分，初始設(shè)定為10分鐘。
實(shí)施例二開始實(shí)驗時，先將加好分析樣本的微流控芯片放入芯片臺，關(guān)上儀器窗口。首先調(diào)節(jié)光電倍增管的靈敏度，由操作人員設(shè)置靈敏度值如6，按壓“調(diào)節(jié)”按鈕即可快速自動完成，系統(tǒng)根據(jù)對話框的初始設(shè)置參數(shù)，自動調(diào)節(jié)PMT趨向于所設(shè)計之值。
當(dāng)PMT靈敏度調(diào)節(jié)完成后，電泳參數(shù)對話框被激活，可以進(jìn)行進(jìn)樣分離的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)實(shí)驗要求分別設(shè)置電泳進(jìn)樣電壓和時間(如500V、30秒)，分離電壓和時間(如2000V、10分鐘)。
啟動檢測，整個檢測過程由程序?qū)崿F(xiàn)自動控制處理。
權(quán)利要求
1.一種小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)是由PC機(jī)、AMC7820芯片、高壓電源控制模塊、模式自動切換模塊以及信號采集處理模塊組成；PC機(jī)通過25針并口與AMC7820芯片的單程序的啟動程序串口實(shí)現(xiàn)二者間的通信；通過AMC7820芯片的A/D與D/A功能實(shí)現(xiàn)對微流控芯片進(jìn)樣分離時的高壓電源控制及信號的采集。
2.按權(quán)利要求1所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于PC機(jī)與AMC7820間實(shí)現(xiàn)二者間的通信是采用兩片SN74AHC244PWR緩沖芯片。
3.按權(quán)利要求1所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)采用PC機(jī)的并口經(jīng)SN74AHC244PWR緩沖后實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號輸出的。
4.按權(quán)利要求1所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的模式自動切換模塊系統(tǒng)采用光耦芯片與達(dá)林頓管組成繼電器的驅(qū)動模塊。
5.按權(quán)利要求4所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的所使用的光耦芯片為TLP504A，達(dá)林管為ULN2003A，光耦合芯片隔斷電路與外部斷高壓高流，且將TTL電平傳出去，而達(dá)林管進(jìn)行電流放大產(chǎn)生驅(qū)動繼電器的力，并接至外部接口，產(chǎn)生繼電器驅(qū)動I/O。
6.按權(quán)利要求1所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于整個檢測系統(tǒng)采用高壓直流電源作為驅(qū)動力，高壓電源采用0-+5V連續(xù)可調(diào)線控制；系統(tǒng)是采用AMC7820芯片的DAC0和DAC1輸出模擬電壓，再配合繼電器實(shí)現(xiàn)高壓模塊自動可調(diào)。
7.按權(quán)利要求1所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的信息采集處理模塊是采用8階巴特沃斯濾波，經(jīng)濾波后再由AMC7820芯片的A/D進(jìn)行信號采集的。
8.使用如權(quán)利要求1所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)的檢測自動控制方法，其特征在于系統(tǒng)基于所述的檢測系統(tǒng)，采用VC編寫軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制；系統(tǒng)底層采用DLL鏈接程序編寫，含測試靈敏度調(diào)節(jié)對話框、分離進(jìn)樣參數(shù)對話框、測試進(jìn)程顯示對話框以及樣品信號曲線圖形顯示框四個模塊；整個檢測步驟順序是由PC機(jī)的Set Times函數(shù)啟動計時器中斷程序自動實(shí)現(xiàn)的，具體測試程序是(a)首先通過AMC7820芯片輸出0-1V直流電壓進(jìn)行光電倍增管的靈敏度調(diào)節(jié)，光電倍增管靈敏度可調(diào)電壓范圍為0-1000mV，初始化為500mV；靈敏度預(yù)置再0-10之間可調(diào)，初始化為6；(b)光電倍增管靈敏度調(diào)節(jié)完成后，分離進(jìn)樣參數(shù)對話框被激活，從而進(jìn)行分離參數(shù)的確定；進(jìn)樣時，高壓電源控制模塊中高壓電源與微流控芯片中樣品池和廢液池兩端相接，電壓為0～+1000V，初始化為500V，時間為30秒；分離時，高壓電源與緩沖液池和相連接，電壓為0～+5000V，初始化為2000V，時間為10分鐘；(c)接著啟動檢測程序，程序自動從對話框獲得進(jìn)程參數(shù)，通過SPI串口實(shí)現(xiàn)對AMC7820芯片的D/A輸出從而控制高壓電壓模塊；達(dá)到自動檢測目的；(d)在AMC7820采集到信號后，上傳PC機(jī)，并與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波處理后顯示在樣品信息曲線圖形顯示框上，實(shí)時觀察檢測結(jié)果。
9.按權(quán)利要求8所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)的檢測自動控制方法，其特征在于所述的中斷程序自動計時，是與對話框進(jìn)樣分離時間參數(shù)進(jìn)行比較，從而控制進(jìn)樣、分離過程的自動切換，并最終完成檢測分析過程后自動結(jié)束整個分析過程。
10.按權(quán)利要求8所述的小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)的檢測自動控制方法，其特征在于在信息曲線圖形顯示框上的圖譜是以峰面積代表樣品中某成分的濃度，面積越大則濃度越高；針對不同濃度的檢測樣品，出現(xiàn)的峰面積不同，系統(tǒng)軟件根據(jù)樣品濃度的不同，智能自動調(diào)整譜跡顯示比例，從而實(shí)現(xiàn)自動處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)和檢測自動控制方法。所述系統(tǒng)選取TI公司的AMC7820芯片作為系統(tǒng)的采集控制微處理器，設(shè)計了一小型微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)。通過AMC7820芯片的A/D與D/A功能實(shí)現(xiàn)對芯片進(jìn)樣分離時的高壓電源控制及信號的采集。上位PC機(jī)通過25針并口與AMC7820C的SPI串口實(shí)現(xiàn)二者間的通信，從而構(gòu)成一個完整的信息采集控制系統(tǒng)。利用所述的微流控芯片電泳檢測系統(tǒng)，先進(jìn)行光電倍增管靈敏度調(diào)節(jié)，進(jìn)樣分離參數(shù)設(shè)置，和系統(tǒng)自檢，實(shí)現(xiàn)了微流控芯片電泳過程的自動控制及整個檢測系統(tǒng)的智能化操作和結(jié)果分析并打印。
文檔編號G01N35/00GK1727888SQ20051002790
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月20日
發(fā)明者金慶輝, 朱海兵, 劉菁, 莊貴生, 趙建龍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所