电渗流速度检测系统设计

李 辉 林 立 邱雄迩

(邵阳学院电气工程系，湖南 邵阳 422000)

随着国家经济的快速发展和国民平均生活质量的提高，对环境保护、食品检测及医药临床等诸多方面的相关精密检测与控制技术的研究与开发提出了更高的要求。目前引入了国外的微型全分析技术和“芯片实验室”技术，即在微芯片上实现常规化学或生物等实验室里的取样、预处理、分离及检测等功能[1]。而微流控技术是微型全分析技术和“芯片实验室”技术的支撑技术之一，也是微流控系统原理功能和优化设计的重要关键问题之一[2]。

微流控技术可以实现对微流体压力、流量和方向的控制及多种试样的混合等功能[2]。对于微流体的常见驱动方式有压力驱动和电渗驱动[3，4]，其中电渗驱动是利用动电现象中的双电层(EDL)电势，即在微通道两端施加外加高压直流电场驱动，使微通道内形成电渗流(EOF)，其施加的电场强度通常在50～5 000V/cm之间，电流一般在1mA以下[5，6]。因此，对微流体的检测与控制也是定性、定量操控微流体和“芯片实验室”技术应用的关键步骤。

笔者设计了一种基于LabVIEW和MSP430单片机的微流体流速快速检测方法。

EOF一般用来驱动和控制尺寸在100.0μm左右的通道内的极性流动液体，典型EOF的速度在10-8～10-6L/s，其传输特征流量都比较低(从nL/min到μL/min量级)，鉴于此，传统的测量技术已不再适用。目前EOF速度检测方法主要有[7，8]：迁移速度法(荧光、化学发光、生物发光及表面等光学检测方法)、流动电势法、称重法和电流检测法。其中简单、实用且应用广泛的电流检测法，就是通过检测试剂在电极上反应所产生的氧化电流或还原电流来对待测试剂进行检测的[9]，其实质就是将非电量(电渗流)转换为电量(电流/电压)，最终归结于对电信号的检测。

电渗先在微通道内充满A溶液，然后新的溶液(B溶液)逐渐取代通道内的A溶液(A、B两种溶液为浓度不同的同种溶液)。在其取代过程中溶液的离子浓度发生变化，即溶液的电导率改变，表现为微通道内的电流发生变化。当取代过程完成时，溶液离子浓度稳定，则高压回路中的电流稳定且不再改变。设电流变化时间为Δt，则EOF平均速度v=L/Δt，其中L为微通道总长，本设计中L=40mm。

电流检测法原理如图1所示。实验中选用DW-QP502-1ACE5型高压直流电源为电渗提供驱动力，其输入电压220V(AC)±10%，输出最大电压5kV，并且连续可调，最大电流1mA。电阻R是一个1kΩ的定值电阻，与可调电阻串联形成一个分压电路。调节可调电阻，把回路中电阻R的电压调节成单片机能够接收的信号，从而满足实验时的检测系统要求。

图1 电流检测法原理

微通道芯片如图2所示，微流控芯片上有两条微通道，呈“十”字交叉形，长度分别为40、10mm，且每条微通道的截面形状皆呈梯形，微通道长40mm，截面深40.9μm，上宽79.9μm，下宽65.4μm。为了实验能够顺利进行，在两组通道的缓冲液池和废液池分别粘接立柱管，即在图2中4个圆圈处粘接立柱管，实验时只选取其中一组通道，鉴于高电压、微纳米及高溶度等实验条件，一般选取长40mm的通道进行实验。

图2 微通道芯片

2 系统硬件设计

微流体流速检测系统的硬件主要由PC机及MSP430F149等组成。其中作为主体的PC机，主要用于实现实时、高效的数据处理，由于其又是LabVIEW开发的用户程序运行载体，因此为上位机。而作为客体的MSP430F149，主要用于实现串联电阻上电压数据的快速采集，为下位机。上、下位机进行通信联系的媒介，即通用接口总线，主要用于把独立的下位机应用系统连接到计算机上。本系统通过串行通信把采集到的电压数据传到上位机进行滤波、显示和分析。

系统设计中，利用MSP430F149中的USART0模块来实现与上位机的串行异步通信，但由于其TTL电平信号与上位机的RS-232信号不兼容，因此采用LTC1385电平转换芯片，将MCU(MSP430F149)的TX、RX信号转换成RS-232所要求的电平信号，TR2in引脚与MCU的P3.4/UTXD0引脚连接，RX2out引脚与MCU的P3.5/URXD0引脚连接(图3a)。由于数据采集模块采集到的是电阻R1上的弱电压信号(图3b)，其电压U=RI<1kΩ×1mA=1V(高压直流电源最大输出电流为1mA)，且微通道为横截面积纳米级、长度毫米级的狭长形通道，液体浓度本身不高，电导率较低，因此微通道阻值约为兆欧级，这将导致MP430F149采集到的电压远小于1V，即为弱电信号，接MCU的P6.3引脚。此弱电信号先经过一个无源滤波电路，接着通过一个电压跟随器，最后经过一个比例运算放大电路进入MSP430F149内部集成的ADC12模块[10]。置内部参考VREF+引脚为2.5V，VREF-接地，即输入信号的范围在0.0～2.5V之内。MCU电源电路如图3c所示。

a. LTC1385电平转换电路

b. 弱电信号采集电路

c. MCU电源电路

3 系统软件设计

系统软件设计包括上位机上运行的利用LabVIEW软件开发的G语言程序和在下位机MSP430F149上运行的C语言程序。

3.1 上位机软件开发

LabVIEW是目前世界上多数虚拟仪器系统所采用的开发软件，尤其适合测控应用软件的开发。上位机软件开发根据使用顺序主要分为初始化程序、主循环程序和结束程序3部分。其中初始化程序主要完成串口通信端口配置及通道校正等功能;主循环程序主要完成系统测试、在线实时检测显示及数据分析等功能;结束程序主要完成串口通信关闭及数据保存等功能。

在串口通信过程中，上、下位机必须遵循同一个通信协议，在此，在程序设计中定义了同样的帧格式，其数据信息由8位字符串组成，组成次序依次为地址码、命令码、数据信息、CRC7校验码和0x80结束字符。其中每一个字符都是计算机能识别的ASCII码，在使用串口发送数据之前和接收数据之后都要经过代码转换成相应数值的电压值。串口操作程序如图4所示。

图4 串口操作程序

3.2 下位机程序设计

上、下位机软件有效协同配合，才能实现两者间的可靠、精确通信。在下位机程序设计过程中，必须遵守上位机软件开发所约定好的通信协议。下位机的程序开发包括通信子程序和A/D转换程序。由MSP430F149技术手册可知，其内部集成了ADC12模块，该模块操作简单方便，只需对其4类寄存器进行操作即可，因此A/D转换程序的开发较为简单。本设计采用单通道多次采样[11]，采样转换流程如图5所示。

图5 采样转换流程

4 实验与结果分析

在缓冲液池中注入0.1mmol/L的NaCl溶液，当外加高电压时，在电驱动力及重力等作用下，溶液逐渐充满整个微通道，最终达到废液池。由于电流信号微弱，因此在高压回路中串联可调精密电阻，在实验时检测电阻两端的实时电压，即可间接反映微通道内电流的变化情况。外加电压2kV(L=4cm)时的实验波形如图6所示。

图6 外加电压2kV(L=4cm)时的实验波形

在低电压阶段，表明高压回路中流经微通道的电流非常小，当电流平稳以后，向微通道加入10.0mmol/L的NaCl置换溶液，微通道中的电流值开始上升，即图6中电压值开始逐渐上升，当达到一定值时，电压值重新趋于平稳，表明微通道内溶液置换完成，即微通道内已为10.0mmol/L的NaCl溶液。通过LabVIEW波形图控件[12]的图形工具选板对图6中的两个拐点(置换开始点和结束点)进行缩放，同时通过操作波形图控件的游标图例读取两个拐点处的值，得到置换开始时间点t0约为71s、置换结束时间点t1约为86s，即微通道内溶液置换时间Δt=t1-t0=15s，此时外加电压为2kV。

类似地，当电压为800、1 200、1 600、2 000、2 400V时，通过重复上述实验步骤得到微通道内B种溶液置换A种溶液的置换时间分别为43、32、19、15、13s，则EOF平均速度实验数据见表1，把表1中第一列、第三列分别作为二维平面图的横、纵坐标，即得到EOF平均速度与电场强度的关系(图7)。

表1 EOF平均速度实验数据

图7 EOF平均速度与电场强度的关系

5 结束语

笔者基于电流检测法，采用LabVIEW和MSP430F149设计了数据采集系统，完成了对电渗流流速的检测，并研究了电渗流速度随电场强度变化的关系，实验结果表明：当置换前后的A、B两种溶液浓度不变时，通过微通道的电渗流平均速度随电场强度增大而加快，并近似呈线性关系。

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