朱婷婷，易 鑫，陈 敏

（1.陆军军医大学大坪医院医学工程科，重庆 400042；2.重庆医科大学附属第一医院肿瘤科，重庆400016；3.陆军军医大学大坪医院检验科，重庆 400042）

0 引言

随着传感器技术的不断发展，生物检验或医学检测中出现了一种微阵列传感器，通过模拟人的嗅觉和味觉系统，利用多个化学物质或生物大分子组成的阵列式传感器与目标分析物产生交叉响应，实现对多种物质的检测与识别[1]。这种新型阵列式传感器在微量级目标分析物识别中展示出了高选择性、高特异性的特点，特别是基于生物酶的微阵列式传感器还具有良好的生物相容性和快速降解能力。因此，可以大胆预测这类微阵列传感器将会广泛地用于未来的食品安全检测、生物实验技术、医学检测等多种用途中[2-5]。

目前，微阵列传感器主要分为阵列式化学传感器和以蛋白以及基因为主的微阵列式生物传感器。Suslick等利用卟啉类化合物所构建的光化学比色微阵列传感器如图1所示，该微阵列传感器可以通过反应前后的颜色差值图谱（也叫作指纹图谱）来表征目标分析物的特征信息[6]。微阵列传感器属于一次性使用物品，往往需要大量制备。此外，这类传感器往往还具备以下特点[7]：（1）多样性。根据目标分析物的响应差异，传感器单元所使用的化学或生物试剂有所差异，且阵列尺寸也有所区别（如 3×3、5×5 等）。（2）不稳定性。传感器单元所使用的化学或生物试剂大多数具有腐蚀性或者易挥发等特点，而且极易受到外界环境干扰。（3）一致性。由于检测精度[8]的要求，传感器单元的尺寸一致性直接影响后期模式识别的准确性。

图1 微阵列传感器交叉响应示意图（单位：mm）

鉴于上述特点，微阵列传感器的制备显得极其重要。目前，市面可用的微阵列传感器制备装置或生物芯片点样仪只能制备单一对象的传感器，无法满足微阵列传感器的多样性要求。为保证微阵列传感器的尺寸一致性要求，此类传感器的制备当前主要以手工点样为主。手工点样不仅制备效率低，还容易引入人为误差，进而影响微阵列传感器的功能特性[9]。针对上述现状，本研究基于移动龙门架和卡扣式点样头结构，结合计算机并口控制系统设计了一种微阵列传感器制备系统。本系统制备的微阵列传感器尺寸一致性优良，可满足点样对象多样化的需求，为微阵列传感器的广泛应用提供了技术保障。

1 系统总体设计

结合微阵列传感器的特点，本文设计的制备系统主要由计算机，由龙门架组成的X、Y、Z三轴运动控制系统，点样头，试剂槽以及密封罩等结构组成，如图2所示。首先，移动龙门式的机械结构有助于点样头在X、Y、Z三轴方向的平稳移动，实现阵列式传感器的大规模制备。其次，基于计算机并口的三轴运动控制系统通过高稳定、高精度的移动可保证所制备微阵列传感器尺寸的一致性。最后，点样头采用双卡扣固定方式，只需要更换对应尺寸的点样头或阵列板就可以实现多对象、多尺寸微阵列传感器的制备，提高了使用的灵活性。

图2 微阵列传感器制备系统整体示意图

2 硬件设计

2.1 移动龙门式结构

如图2（a）所示，制备系统密封罩固定于底座，由底座内部的底盘所伸出的左右立柱和横梁组成了类似门框的龙门式结构，其中位于横梁上的X轴控制机构带动机械滑台在X轴方向上移动，底座内的Y˙轴控制机构则实现龙门架在Y轴方向的移动，在机械滑台上的点样头则通过机械滑台内部的Z轴控制机构实现上下移动。

机械结构是制备系统的精度、速度以及某些功能的重要决定因素[10]。本制备系统所采用的龙门架的双支撑结构区别于单支撑和悬臂结构，具有优良的稳定性和刚度，工程应用广泛，有助于微阵列传感器制备过程的速度与精度的控制，有利于一致性要求的实现。这种龙门式的结构设计可以实现X、Y、Z轴3个方向上的运动控制，有利于微阵列传感器的大规模制备。另外，充满惰性气体的密封罩可以保证微阵列传感器制备过程中不受外界气体污染，并且其内部设计的温湿度监控为微阵列传感器的制备提供了稳定的环境条件。

2.2 卡扣式点样头

如图2（b）所示，点样头由卡扣板、卡扣件、阵列板、插销、点样针和配重件等组成，其中卡扣板、卡扣件、阵列板和插销组合均为卡扣式固定方式。通过插销更换所需尺寸（如 3×3、5×5阵列等）的阵列板，就可以实现多尺寸微阵列传感器的制备。通过卡扣板和卡扣件可以实现点样头的整体拆卸，有利于点样头的更换和清洗。这种双卡扣式结构设计不仅可以满足微阵列传感器的多样性要求，还能够提高本系统使用的灵活性。

3 单机式数控系统

数控系统是根据计算机存储器中存储的控制程序实现部分或全部数值控制功能，且配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统，主要分为单机式结构和主从式结构，各有优缺点。考虑现在的软、硬件支持，本系统采用基于计算机并行端口控制的单机式结构，结合VC++6.0设计友好的人机交互界面。

除了系统初始化以及硬件通信功能之外，整个系统的软件功能主要包括3个部分：自动化点样、手动点样、点样针清洗。自动化点样是程序设计需要实现的系统核心功能；手动点样主要是针对人为自定义的数据输入实现点样的控制；点样针清洗主要是对点样针进行清洗。整个系统的软件设计流程图如图3所示。

图3 微阵列传感器制备系统软件设计流程图

3.1 计算机并行端口

计算机单机控制主要是计算机并行端口直接控制系统三轴控制机构的步进电动机及驱动电路而实现点样装置的自动化。计算机并行端口是PC机符合早期并行打印机适配器规范的端口，端口的读写都是通过I/O口寄存器来进行控制的，因此并行端口也是PC机基本的3个I/O口之一。可以通过程序设计来控制各个针脚的输入或者输出信号来模拟通信时序，如IIC、JTAG、SPI等。实际上，PC系统由于安全性的考虑，禁止用户直接访问这些I/O口。因此，需要通过设备驱动程序（Windows API调用）或者改变核心优先级别的方式来读写I/O口。本研究使用WinIo函数库来实现并行端口的读写。

本制备系统的软件开发环境是基于VC++6.0的MFC类库搭建的，因此需要进行如下配置：首先，将WinIo.h和WinIo.lib 2个文件拷贝在工程根目录下。然后，将 WinIo.vxd、WinIo.sys、WinIo.dll 3个文件拷贝到工程Debug子目录下，并依次打开工作区File-View、Header Files、StdAfx.h文件，在最后面添加头文件：#include"winio.h"。最后，连接Winio.lib库文件，并初始化WinIo驱动库。通过如上操作可以在主函数中调用WinIo函数库中的读端口值函数Get－PortVal()和写端口值函数SetPortVal()来实现并行端口对应端口的读写。

3.2 并行端口脉冲信号程序设计

本制备系统的三轴控制机构采用步距角为1.8°、丝杆导程为4 mm的57HS56-3004A两相直流步进电动机。该步进电动机驱动电路的细分数为800，因此控制系统每前进1 mm需要40 000个步进。为了保证制备过程中点样头的平稳性和点样精度，以2 mm/s的移动速率来考虑，则必须通过控制程序使并行端口产生超过8 kHz的脉冲信号才能满足控制系统要求。

产生上千赫兹的脉冲信号需要精确到微秒级别的计时器，因此系统使用VC++6.0中的bool Query-PerformanceFrequency(LARGE_INTEGER*lpFrequency)函数和 bool QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER*lpCount)函数来产生高频脉冲信号。函数中的LARGE_INTEGER数据类型是一个8 B长度的整型数据，也能够是2个4 B长度整型数据的联合结构。当系统的编译器支持64 bit运算时，该数据结构中成员QuadPart存储64 bit整型数据。否则，使用成员LowPart和HighPart共同存储64 bit整型数据。

整个制备系统通过并行端口产生脉冲信号的基本流程如下：首先，利用QueryPerfomraneeFrquency()函数获得计算机主板计时器的时钟频率（其值存储于h变量）。然后，根据预设的步进电动机移动速率v，并行端口产生的脉冲信号的频率至少需要4 000v以上，脉冲周期约为T=1/（4 000v）。因此，通过Query PerformanceCounter()函数获得脉冲信号开始前后的计数值，分别存储于start.QuadPart变量和end.Quad－Part变量。最后，通过公式（1）来控制高低电平的时间，以获得所需的占空比的脉冲信号。

PC高精度定时器所产生的脉冲信号以及基于高细分数两相直流步进电动机的三轴控制系统为制备系统高精度、高稳定性提供了软硬件基础，是实现大规模制备尺寸一致性优良的微阵列传感器的前提保障。

产生高频脉冲信号的部分程序代码如下：

3.3 人机界面设计

用户端界面设计主要是根据系统的软件功能提供一个友好的人机交互界面，引导用户进行功能操作即能触发一系列动作，进而实现用户所要求的功能。本制备系统基于VC++6.0的MFC架构搭建了人机交互界面，如图4所示，其主要包括系统状态、手动点样和自动点样三大主要模块。

图4 系统人机交互界面示意图

如图4所示，系统状态模块可以实现系统启动、系统停止、点样针清洗、手动点样、自动点样等状态切换。手动点样模块可以实现X、Y、Z三轴的单轴运动以及回零运动等。自动点样模块则根据用户自定义设置完成点样，同时设置了进度条提示当前点样进度，可避免程序卡死。

4 系统点样测试

如图5所示，通过本制备系统和手工点样2种方式分别制备20个相同的微阵列传感器，然后基于自主研发的嵌入式气体检测系统[11]分别使用这2种方式所制备的微阵列传感器与目标分析气体进行充分反应。最后通过统计对比2种微阵列传感器的制备时间、尺寸一致性以及响应强度来反映本制备系统的实际点样效果。

图5 点样效果测试示意图

4.1 制备时间

对于同等尺寸、同等数量规模的微阵列传感器制备，本文所设计的制备系统所消耗的时间大大缩短，仅仅约为手工点样消耗时间的1/8，详见表1。

表1 2种方式的制备时间对比

4.2 尺寸一致性

Askim等[7]明确指出微阵列传感器单元的形态是影响其功能的重要因素之一。因此，统计了2种制备方式下对应编号传感器单元的直径分布示意图，如图6所示。不同微阵列传感器、同一编号传感器单元的直径分布结果表明，本制备系统制备的传感器单元的直径分布一致性均优于手工点样。同一微阵列传感器、不同编号传感器单元的直径分布结果表明，本制备系统所制备的传感器单元的直径分布结果为（39.84±0.77）像素，优于手工点样的直径分布结果[（43.65±1.95）像素]。

图6 2种方式制备的传感器单元的直径分布示意图

4.3 响应强度

为了有效评价2种方式所制备的微阵列传感器的响应强度，通过公式（2）获取充分反应后微阵列传感器中所有敏感单元ΔRGB值的欧氏距离之和来表征响应强度IR：

式中，n为敏感传感器单元的数目。

本系统所制备的微阵列传感器的敏感传感器单元数目和响应强度均优于手工点样，详见表2。这是由于本制备系统制备效率提高，避免了传感器单元化学试剂的挥发以及人工污染。不管是对于所有敏感点，还是2种方式的共有敏感点，本制备系统所制备的微阵列传感器的相应强度的稳定性均优于手工点样。另外，颜色作为微阵列传感器的重要信息，表2的结果实际上还在某种程度上反映了本制备系统所制备的微阵列传感器在颜色发散程度一致性方面的优点。

表2 2种方式所制备微阵列传感器的响应强度对比

5 结语

本文设计的微阵列传感器制备系统通过基于移动龙门式的三轴运动控制系统实现可控环境下微阵列传感器的大规模制备，其卡扣式的点样头结构设计可以实现多类、多尺寸微阵列传感器的制备，提高了本系统使用的灵活性，点样对象多样化得到了保证。同时结合计算机并行端口的单机式数控系统保证了整个运动控制系统的高稳定、高精度，确保了微阵列传感器尺寸的一致性。当然，本系统还存在一些不足，如目前制备效率受毛细点样针的单次取液量限制、计算机控制使整个系统略显臃肿等。后期的研究中，考虑采用液压喷墨式点样头，整个系统采用嵌入式集成等。总体来说，整个制备系统简单实用、稳定可靠、人机交互界面友好，对微阵列传感器在医学检测、生物分析等场景下的大规模应用具有重要的参考价值。