毛细管电泳芯片非接触电导检测系统设计

唐海玉，闫卫平

(大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连 116023)



毛细管电泳芯片非接触电导检测系统设计

唐海玉，闫卫平

(大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连 116023)

针对毛细管电泳芯片检测系统的微型化，基于ARM11微处理器和嵌入式Linux操作系统，通过自制激励源与信号检测电路，编写驱动程序和上位机软件，设计了一款体积较小的用于毛细管电泳芯片检测的非接触电导检测系统。激励源交流电压频率在10～400 kHz之间连续可调，电压幅值在0～10 V变化。通过使用电极宽度为1 000 μm、电极间距为800 μm的电泳芯片对系统进行测试，在频率100 kHz、10Vp-p的激励信号下，对浓度为10-3mol/L的氯化钾溶液进行检测，可得到相对峰值大于200 mV的检测信号。

毛细管电泳芯片;非接触电导检测；微型化；微处理器；嵌入式系统；氯化钾

0 引言

随着MEMS技术的发展，毛细管电泳芯片一直朝着高通量及微型化和集成化方向发展，但是毛细管电泳芯片检测系统的尺寸与方寸大小的芯片极不匹配。目前，常用的毛细管电泳芯片检测方法有激光诱导荧光检测、质谱检测、电化学检测等。激光诱导荧光检测利用体积比较大的光学系统，质谱检测使用价格昂贵且体积较大的质谱仪，这两种检测方法都不利于检测系统的微型化和集成化。电化学检测法结构简单，检测物质多样，是一种易于实现微型化和集成化的检测方法，正逐渐成为该领域的研究热点[1]。

电容耦合非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，简称C4D)作为一种电化学检测方法，不仅具有检测系统结构简单、检测物质多样、易于微型化和集成化的优点，而且由于电极与溶液不接触，避免了电极污染，具有电极使用寿命较长的优点，越来越受到国内外学者的关注[2-3]。2010年，Mahabadi设计了一款非接触电导检测系统[4]，使用标准信号发生器作为激励源，通过自制的信号放大电路将采集到的信号进行放大处理，通过数据采集卡将数据传输到PC机，上位机使用LabVIEW软件进行数据处理。Mahabadi设计的非接触电导检测系统检测限达到了0．3～1 μmol/L，但是由于使用PC机，系统不便于实现集成化与便携化。2013年，刘军山等使用嵌入式处理器ARM9和WinCE操作系统，制作了一款便携式非接触电导检测系统[5]，通过自制激励源与信号处理电路，将采集到的信号传送到嵌入式处理器进行处理，系统的检测限达到了9．1 μmol/L，具有体积较小、集成度高的特点。但是，该系统使用的不是传统十字沟道形电泳芯片，且采用手动进样方式，检测到的信号波形为阶跃信号。

本文基于ARM11 系列的S3C6410处理器和嵌入式Linux操作系统，通过自制激励源与信号处理电路，使用Qt工具开发上位机应用软件，检测芯片依然采用传统的十字沟道毛细管电泳芯片，整个系统除了液体进样的高压电源体积较大之外，基本实现了微型化的目标。通过对氯化钾溶液进行测量，获得了峰型较好的检测信号。

1 硬件电路设计

毛细管电泳芯片非接触电导检测系统的总体结构如图1所示。交流信号源通过激励电极对检测池施加激励信号，接收电极输出的检测信号经前置放大电路及锁相放大电路等处理之后，送入模数转换电路进行数据采样，再通过SPI总线传输给ARM11处理器，最后交由Qt工具开发的上位机应用软件对数据进行处理。

图1 非接触电导检测系统总体结构图

1．1 前置放大电路设计

前置放大电路原理图如图2所示。从接收电极输出的检测信号通常为μΑ或nA量级，且信号的频率比较高，因此前置电路放大器选取带宽较高、偏置电流较低的OPA606，放大电阻选取1 MΩ的金属膜反馈电阻，为了增加信号稳定性，在前置放大电路之后设计了一个电压跟随电路。

图2 前置放大电路原理图

1．2 锁相放大电路设计

锁相放大电路主要由乘法器和低通滤波电路组成(如图3所示)，其信号来源有两个部分，一路是经前置放大电路处理之后的信号，记为

S(t)=Asin(2πf1t+φ1)

(1)

另一路是激励源输出的经过移相之后的参考信号，记为

R(t)=Bsin(2πf2t+φ2)

(2)

两路信号经过乘法器相乘之后得到

(3)

图3 锁相放大电路原理图

由于检测信号是由激励源激发产生，其频率与激励源本身信号频率相同，因此f1=f2，通过调整移相电路可以使φ1=φ2，乘法器的输出信号再经低通滤波电路处理之后，便得到了一个直流信号：

(4)

将此信号进行采样之后，传输给上位机进行处理，即可得到非接触电导检测系统的响应曲线。

1．3 激励源设计

激励源(即交流信号源)主要包括MAX038基本电路和交流信号放大电路。MAX038的基本电路原理图如图4所示。MAX038是一款高速函数发生器芯片，工作频率的变化范围在0．1 Hz～20 MHz，输出的交流电压频率F0由IN引脚的外接电阻RIN和COSC外接的电容CF共同决定，F0的计算公式如下

(5)

图4 MAX038基本电路原理图

在使用±5 V的外接电压供电时，VREF的大小维持在2．5 V。当IN引脚的输入电流在10～400 μA范围变化时，MAX038芯片可以获得最稳定的工作性能，取CF为1 nF，RIN在6．25～250 kΩ之间连续变化，由式(5)可知，此时输出的交流信号频率在10～400 kHz范围内连续可调。

MAX038基本电路输出的电压幅值为±2 V，为了满足系统的使用需求，在MAX038基本电路的输出端外接由高带宽运放AD711组成的交流信号放大电路。MAX038的输出波形由A0和A1引脚决定，当A1为高电平时(A0任意)，输出为正弦波；当A0和A1都为低电平时，输出为方波；当A0为高电平，A1为低电平时，输出为三角波。

2 系统软件设计

毛细管电泳芯片的软件系统如图5所示，主要包括应用层的上位机应用软件，内核层模数转换芯片AD7888、继电器和数字电位器的驱动程序。AD7888驱动程序将采集到的数据传输到应用层，应用程序将数据处理和保存，并绘制检测曲线。同时，应用程序通过继电器驱动程序进行检测通道的选择，通过驱动数字电位器对激励源的频率和幅值及信号处理电路的增益进行控制。

图5 软件系统结构图

2．1 上位机软件

上位机软件开发使用嵌入式应用开发工具Qt/E4．7，应用程序的开发模式为：先在Linux主机编译开发出X86架构的应用程序，然后通过交叉编译工具进行交叉编译，生成可以在ARM架构处理器上运行的应用程序。

应用程序的主要功能为：接收硬件电路经驱动程序传输来的数据，绘制信号响应曲线；通过驱动程序控制检测通道、激励源参数、放大电路增益；设置绘制检测曲线的线宽和颜色，设置坐标比例，设置采集数据的速度；保存数据与图像。

2．2 AD7888驱动程序

AD7888是12位8通道串行模数转换芯片，具有低功耗和高速率的优点，工作电压为2．7～5．25 V，最大工作频率2 MHz，最大转换速率为125 kSPS。AD7888与S3C6410处理器通过SPI总线进行通信，SPI总线由MISO(串行数据输入)、MOSI(串行数据输出)、SCLK(串行移位时钟)、CS(使能端)4种信号线组成，电路连接简单，稳定性强。

AD7888的Linux驱动程序开发基于Linux字符设备驱动模型，其实现方式相比传统Linux的SPI总线驱动模型简单，实用性较强。AD7888的Linux驱动程序流程图如图6所示。

图6 AD7888驱动程序流程图

数字电位器和继电器的驱动程序开发与AD7888的驱动程序开发类似，同样是基于Linux字符设备驱动模型。主要区别在于：电路中使用了多个数字电位器，在开发数字电位器的驱动时利用了主从设备的概念，即数字电位器有1个主设备号和多个从设备号，可以通过1个设备驱动程序来控制多个设备工作。

3 系统测试

电泳芯片非接触电导系统设计完成之后，使用十字沟道毛细管电泳芯片对系统进行测试。电泳芯片的结构如图7所示，分离沟道长度为35 mm，进样沟道长度为15 mm，沟道深度为60 μm，宽度为100 μm，检测电极的宽度为1 000 μm，电极间距为800 μm。电极结构反向平行，电极与焊盘之间的连线宽度为100 μm，呈45 °拐角。这种电极结构是由Peter C．Hauser在实验中得出的最佳结构[6]。

A—进样沟道储液池；B—分离沟道储液池；C—进样沟道废液池；D—分离沟道废液池；E—进样沟道；F—分离沟道；G—焊盘；H—电极宽度；I—电极间距

电泳芯片采用的是三明治结构，即在铬版玻璃上溅射Pt电极，然后在玻璃基片上制作厚度约为4 μm 的PDMS绝缘层，最后将玻璃微通道盖片与电极基片键合，由此得到非接触电导检测的电泳芯片。

将非接触电导检测系统及高压电源与电泳芯片连接，在进样通道和分离通道之间注满浓度为20 mmol/L的MES/His缓冲溶液，然后在进样储液池中注满待测样品(浓度为10-3mol/L的氯化钾溶液)，通过在A和C之间施加500 V的电压进行样品进样，在B和D之间施加800 V的电压进行样品分离，得到的信号响应曲线如图8所示。从图中可以看出，非接触电导检测系统能够清晰的将样品中K+检测出来，响应信号的相对峰值大于200 mV，峰型良好。

图8 非接触电导检测系统响应曲线

4 结束语

主要介绍了电泳芯片非接触电导检测系统的软件和硬件设计，在系统制作完成之后，使用该系统对浓度为10-3mol/L的氯化钾溶液进行检测，得到了非常明显的检测信号，证明了系统的软硬件完全能够正常工作，这对进一步确定该非接触电导检测系统的检测限提供了保证。该系统除了实验进样的高压电源之外，已经基本实现了微型化检测的目标。

[1] PAVEL K,PETER C．Ten years of axial capacitively coupled contactless conductivity detection for CZE．Electrophoresis,2009,30:176-188．

[2] WENDELL,RENATO,THIAGO,et al．Capacitively coupled contactless conductivity detection on microfluidic systems - ten years of development．Analysis Methods,2012(4):25-33．

[3] PAVEL K,PETER C．Capacitively coupled contactless conductivity detection for microseparation techniques - recent developments．Electrophoresis,2011,32:30-42．

[4] MAHABADI,RODRIGUEZ,LIM,et al．Capacitively coupled contactless conductivity detection with dual top-bottom cell configuration for microchip electrophoresis．Electrophoresis,2010,31:1063-1070．

[5] 刘军山,王宁,徐征,等．基于ARM9的便携式电容耦合非接触电导检测器．仪器装置与实验技术,2013,41(4):616-620．

[6] PAVEL K,PETER C．Evaluation of microchip capillary electrophoresis with external contactless conductivity detection for the determination of major inorganic ions and lithium in serum and urine samples．Lab on a chip,2008,8:1829-1836．

[7] 刘建国，张付祥，付宜利．AD7888与S3C2410的SPI接口及Linux下嵌入式驱动实现．工业仪表与自动化装置,2006(5):40,47-49．

[8] 王琮泽，裴玉明，杨佳．数模转换器AD7888的应用探讨．吉林建筑工业学报,2010,27(4) :53 - 56．

[9] 宋宝华．Linux设备驱动开发详解．北京: 人民邮电出版社,2010:118-138．

[10] 奚海蛟，吕铁军．嵌入式Linux驱动实战开发．北京:人民邮电出版社,2012: 142 -155．

[11] 陈莉君，康华．Linux内核设计与实现．3版．北京: 机械工业出版社,2012:20-233．

Design of Contactless Conductivity Detection System for CapillaryElectrophoresis Chip

TANG Hai-yu,YAN Wei-ping

(Institute of Electronic Science and Technology in Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

For the capillary electrophoresis chip detection system’s miniaturization,based on the ARM11 processor and embedded Linux operating system,by making excitation source and signal detection circuit and writing the driver code and application program,a contactless conductivity detection system for capillary electrophoresis chip was designed,which has a small volume．The excitation source’s frequency can be changed from 10 kHz to 400 kHz,and its amplitude ranged from 0 to 10 V．The width of electrode was 1 000 μm and the distance was 800 μm by using the biochip to test the system．With the AC excitation voltage of 10Vp-pand 100 kHz,the KCL solution with the density of 10-3mol/L was detected and a response signal which had a relative peak more than 200 mV was gotten．

capillary electrophoresis chip;contactless conductivity detect;miniaturization;microprocessor;embedded system;potassium chloride

国家自然科学基金资助项目(61376115)

2014-01-16 收修改稿日期：2014-10-25

TP316

A

1002-1841(2015)03-0013-03

唐海玉(1989—)，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统和毛细管电泳生物芯片检测。 E-mail：tanghaiyu777@163．com