微流控电泳中信号检测器的设计
2018-12-22何力李永全
何力 李永全
摘要：微流控电泳技术作为新兴的研究领域，具有广阔的应用前景。本文针对传统的毛细管电泳仪消耗大，费用高和现场分析实时性差的问题，提出了一种具有对焦功能的信号检测器的设计。该信号检测器首先驱动电机沿水平方向扫描一遍，找到荧光值的最大点所在的位置，即对准微流控电泳芯片的分离通道，接着做垂直方向的扫描，同样扫描一次后找到荧光值的最大点，该点就是焦点的位置，也是信号检测点的位置，从而实现激光对焦，对焦完成之后，再利用各种样品成分在分离通道中的运动速度不同，当它们依次经过信号检测点时，分别对荧光信号进行采集，紧接着将荧光信号转变成电压信号，电压信号再通过模数转换电路转换成数字信号，输出呈现在波形图上。实验表明该信号检测器具有对焦准确率高和工作稳定性好的优点。
关键词：微流控电泳仪；信号检测器；对焦
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0215-04
Abstract：Microfluidic electrophoresis technology as a new research field has broad application prospects. In this paper， a design of signal detector with focusing function is proposed to overcome the shortcomings of traditional capillary electrophoresis， such as high consumption， high cost and poor real-time analysis.The signal detector realizes the driving motor to scan horizontally to find the position of the maximum fluorescence value， that is， the separation channel aligned with the microfluidic electrophoresis chip， and then do the vertical scanning. Similarly， the maximum fluorescence value can be found after scanning once. This point is the location of the focus， which is also the signal detection. The position of the measuring point is realized by laser focusing.After focusing， different sample components are used to move at different speeds in the separation channel. When they pass through the signal detection points in turn， the fluorescent signals are collected， and then the optical signals are converted into electrical signals. The electrical signals are converted into digital signals through the analog-to-digital conversion circuit， and the outputs are displayed on the waveform diagram. Experiments show that the signal detector has the advantages of high focusing accuracy and good working stability.
Key words： Microfluidic electrophoresis apparatus； Signal detector； Focusing
1 概述
随着现代分析检测技术的飞速发展和分析检测仪器应用领域的不断扩大，传统的分析检测仪器已经无法满足众多领域实时检测的需求，它们的缺点日益显露，比如检测试样的消耗大、分析所需的费用高和现场分析的实时性差等，不方便数据的及时分析，因此现代分析检测仪器必然朝着集成化、微型化以及智能化的方向发展。现代的微流控电泳仪是在传统的毛细管电泳仪的基础上发展起来的一种新的分析检测仪器。它主要是利用了电子和机械技术在硅、玻璃或有机聚合物等薄片上获得预设计好的微型通道，并在其中进行样品的电泳分离，然后通过光电倍增管利用光电转换的方法进行信号的检测。因此它是建立在传统的毛细管电泳的基础上与机械、电子、高分子生物等多学科交叉的研究领域，已经开始在生命科学和医药领域得到了应用，它把整个医学化验的过程，包括添加试剂、稀释样品、进样、分离、检测等集成在微流控电泳芯片上，并且可以多次使用，减少了检测试样的消耗，分析费用大大降低，同时现场分析的实时性也提高了很多，为仪器的推广创造了条件[1] 。
本文研究的是信号检测器。目前各类信号检测器还存在着很多的不足之处，比如存在着体积大、费用高和工作稳定性差等问题。针对以上问题本文设计了一种信号检测器，它的工作原理是：对于两个或多个样品的分离，分离的过程需要通过信号检测装置来进行检测，因为样品在电泳分离后，所拥有的含量将很少，有的样品成分甚至超出了肉眼的可视范围，所以需要通过检测装置来将荧光信号转换成数字信号，并在基于LABVIEW的上位机上显示成波形，以便分析分离的结果。信号檢测器的工作过程是先驱动电机沿水平方向扫描一遍，找到荧光值的最大点，对准微流控电泳芯片的分离通道，接着做垂直方向的扫描，同样扫描一遍后找到荧光值的最大点，该点处就是焦点的位置，也是信号检测点的位置，实现激光对焦，对焦完成之后，再利用各种样品成分在分离通道中的运动速度不同，当它们依次经过信号检测点时，通过激光激发样品发出荧光信号，然后分别对荧光信号进行采集，再通过传感器将荧光信号转换成电压信号，并传送到MCU的模数转换器中转换成数字量，最后通过串口通信将数字量发送到上位机上显示成波形图，因此在波形图上，一个样品对应着一个波峰，所以不同的样品就对应着不同的波峰，从而实现信号检测的功能。实验表明该信号检测器能够很好地满足微流控电泳仪的性能要求。
2 信号检测器的设计
2.1 信号检测器的总体设计
微流控电泳仪的信号检测器由MCU、电机驱动电路、激光驱动电路、数据采集电路和上位机五部分组成。其中MCU采用芯片C8051F060，里面配置的12位数模转换器，能够为数据采集电路的光电倍增管提供调节灵敏度所需的电压，同时内置的16位模数转换器，能够处理数据采集电路传送过来的模拟信号。
MCU控制电机带动激光器做来回运动，当激光器发射的激光照射到带荧光标记的样品时，会激发样品发出荧光，荧光信号再被数据采集电路采集并处理后，送到MCU内置的模数转换器中转换成数字信号，中央处理器通过比较数字信号找到信号的最强点，并控制电机停在最强点处，这个点就是信号检测点，在这之后装置就处于信号检测状态，即有样品通过时，就会被激光激发出荧光信号，荧光信号再被数据采集电路采集处理后，传送到模数转换器中转换成数字信号，最后通过串口通信传送到上位机上显示生成波形图。具体的信号检测器的原理框图如下图1所示：
2.2 电机驱动电路的设计
在微流控电泳仪的信号检测器中，采用海蓝1500型号的电机，电机的步长为0.01mm～0.03mm，最大推力可以达到70N，驱动芯片选用A3979，这种芯片可以驱动步进电机的运动，其内部集成了正反转控制电路，只需要控制DIR引脚的电平就可以控制正反转的正常工作，同时该芯片还集成了步進接口电路，为电机提供二极管放电保护回路，能够输出的最大电流约为3A，输出的最大功率可以接近100W。
在驱动芯片A3979中，给STEP引脚一个脉冲就可以使得电机运动一步，控制MS1和MS2引脚就可以控制电机步长的细分，分别为全、1/2、1/4和1/16，控制ENABLE引脚可以控制芯片是否工作；省去了大量的程序编码和复杂的编程接口。利用MCU来控制A3979的DIR、ENABLE和STEP这三个引脚，其中DIR和ENABLE这两个引脚输出高低电平来控制A3979的正常工作，STEP引脚输出PWM波来控制电机的运转，同时利用PWM波的占空比来控制电机的运动速度[2]。
总的来说，电机驱动电路的设计原理和过程是：内置的转换器TRANSLATOR是电路工作的关键，它使得简单的施加一个脉冲给STEP引脚就能够方便地控制电机的步进；通过选择MS1和MS2的电平就能够使电机在全、1/2、1/4和1/16的步进模式间进行切换，它减少了高频控制线和外部编程接口，使得电路的外部控制变得简洁而高效；电路内置的电流调整电路，能够让电机在快、慢或混合的模式下工作，增加了电机的步进精度，同时降低了电路的功耗；内置的同步整流电路，使得电路工作在PWM波控制的模式下，也减小了电路的功耗。本文设计的微流控电泳仪的信号检测器需要使用两台电机，一台电机控制激光的水平运动找到分离通道，另外一台电机控制激光的垂直运动找到激光的焦点，从而找到信号的最强点，也就是信号的检测点。具体的电路设计图如下图2所示：
2.3 激光驱动电路的设计
在微流控电泳仪的信号检测器中，激光器的驱动电路要必须能够保证激光的强度保持一定的稳定性，因为如果激光的强度不稳定，那么就无法确定激发的荧光信号的强度变化是由样品的浓度变化引起的，还是由激光的强度变化引起的。而要保证激光器的激光强度稳定，就要先确保激光器的功率稳定，因此在激光驱动电路的设计中功率稳定是其最重要的性能指标[3]。本文的设计中采用了闭环系统来保证激光器上电压的稳定，从而确保功率的稳定，具体的电路设计图如下图3所示：
在上面的电路图中，VREF为参考电压，用来决定LED上电压的大小，电阻R起到反馈电阻的作用，通过反馈电阻上的电压和参考电压的大小来决定NMOS管的开关，从而控制LED上电压的稳定，这样就可以让激光器上的电压也保持不变，从而确保激光器的功率恒定，让激光器能够正常工作[4]。
在激光驱动电路中，运算放大器LMH6642起到比较器的作用，通过比较3引脚和4引脚的电压值的大小来决定放大器的输出电压，放大器输出的电压再进入NMOS管的G极，通过栅源电压VGS来控制漏极电流ID，漏极电流的变化会使得激光二极管中的电流也发生相应的变化，而电流的大小也决定了激光二极管的亮度。对于激光二极管来说，驱动激光二极管亮灭的设计原理和过程是：当激光二极管不亮时，NMOS管不导通，此时的采样电压为0，在比较器ADCMP600中，VP
2.4 数据采集电路的设计
在微流控电泳仪的信号检测器中，光电倍增管PMT先将荧光信号转换成电压信号，再将电压信号传送到同相比例放大器和滤波电路中进行处理，最后再将处理后的电压信号传送到C8051F060的内置模数转换器中转换成数字信号[5]。具体的电路设计图如下图4所示：
在上面的电路中，光电倍增管将荧光信号转换成电压信号，电压信号先经过同相比例放大器放大后，再进入二阶滤波电路滤除干扰信号，最后进入电压跟随器，实现输出电压跟随输入电压的变化而变化的功能，输出的电压信号再传送到模数转换器中转换成数字信号。这一个电路的设计原理和过程是：先利用R8和R7这两个电阻进行分压，即2.4K欧姆电阻和0.1K欧姆电阻分压，所以A点的电压为0.1V，5引脚的输入电压为0.1V，因此6引脚处的电压也为0.1V，又因为R2和R4分压，即10K欧姆电阻和10K欧姆电阻分压，所以下面的运算放大器OPA4188的同相输入端的电压为0.05V，同时该运算放大器OPA4188构成的是一个同相比例放大器，满足Vo=Vi*（R5+R3）/R5的关系，因为R5=10K[Ω]，R3=20K[Ω]，所以可得输出电压是输入电压的3倍，再经过二阶滤波电路，这个滤波电路由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放的输出端到集成运放的同相输入端之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性是不同的，当信號的频率f远远大于f0（f0为截止频率）时，电路的每级RC电路的相移趋近于-90度，因此两级RC电路的相移接近-180度，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容引入到集成运放同相端的反馈是负反馈，负反馈信号起到削弱输入信号的作用，使得电压的放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性在高频段迅速衰减，只允许低频段的信号通过，特点是输入阻抗高，输出阻抗低，滤除不需要的高频信号，最后经过电压跟随器输出，电压跟随器实现输出电压跟随输入电压的变化而变化的功能，并起到隔离缓冲的作用，输出的电压信号再传送到模数转换器中转换成数字信号，从而实现数据采集的功能。
2.5 数据的输出
在微流控电泳仪的信号检测器中，数据发送到上位机上显示生成波形图。上位机的设计基于LABVIEW软件[6]，通过串口通信接收MCU传送的数字信号，再将数字信号以波形的形式展现出来。基于LABVIEW的上位机软件，方便数据的输出显示，上位机与MCU之间通过串口进行数据的传送，上位机和MCU的串口均配置成8位异步通信，波特率为9600bps，串口每次传送8位的数据，因为所有的参数都是通过一个串口来进行传送的，所以为了有效地识别电压参数和电流参数，为每种参数设置了唯一的标志位。为了提高输出数据的准确性，可以使用CRC校验码来校验数据，CRC校验码是数据传输中一种常见的查错校验码，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行一样的算法，从而保证数据输出的正确性和可靠性。
3 测试结果
3.1 对焦测试的结果
在微流控电泳仪的信号检测器中，电机先沿水平方向扫描一遍找到荧光值的最大点，记录下找到最大值点时所走的步数并返回到最大值点处，该点即是分离通道所在的位置，接着做垂直方向的扫描，同样扫描一次后记录下找到荧光的最大值点时所走的步数，再返回到最大值点处，垂直方向的最大值点所在的位置就是焦点的位置，从而实现对焦的功能。实验结果表明，在对焦的过程中，对焦具有极短的用时和很高的精度的优点，最后实验的焦点在距离十字交叉口5mm处（24mm-19mm=5mm）。对焦测试的结果图如下图5所示：
3.2 信号检测的结果
本实验采用两个样品的混合溶液，在微流控电泳仪的信号检测器中，因为不同的样品具有不同的质量和电荷量，所以不同的样品在电场中的运动速度不相同，因此电场起到了分离不同样品成分的作用，当不同的样品成分依次经过信号检测点的时候，通过对荧光的采集，将荧光信号转变成电压信号，电压信号再通过模数转换电路转换成数字信号，输出呈现在波形图上。因为在波形图上，一个样品对应着一个波峰，所以不同的样品就对应着不同的波峰，因此只要看波形图上有多少个波峰就可以确定有多少种不同的样品成分，信号检测的结果图如下图6所示，结果表明该信号检测器可以很好地将两个样品分离检测出来。
4 结束语
本文针对传统的毛细管电泳仪消耗大，费用高和现场分析实时性差的问题，提出了一种具有对焦功能的信号检测器的设计，使得其性能更加优越。实验结果表明该信号检测器能够很好地满足微流控电泳仪的应用要求，实现了对焦功能和检测功能。不过该信号检测器还存在着检测灵敏度不高的问题，下一步还需要在这一方面展开研究，以提高信号检测器的检测灵敏度。
参考文献：
[1] 王志辉.微流控电泳仪的发展与应用[M].北京：高等教育出版社，2015：68-127.
[2] 李宣，程永. 步进电机的控制原理[M]. 自动化与仪器仪表2013：121-178.
[3] 侯培勇，姜伟. 新型激光器的驱动模块设计[J]. 激光工程2016：139-198.
[4] 许光斌，孙琳. 新型可调二极管驱动电路的设计[M]. 激光应用技术2014，15（16）：159-201.
[5] 朱广强，李华.数据采集电路的原理和设计[J].北京：科学出版社，2014（6）：103-185.
[6] 孔景.LABVIEW入门知识与实践开发[M].北京：高等教育出版社，2013：65-143.
【通联编辑：梁书】
