專利名稱：一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片電泳系統(tǒng)的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，尤其是涉及用于電脫耦合芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)系統(tǒng)中的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，屬于分析化學(xué)儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控芯片電泳(Mierochip-based CE)經(jīng)過十多年的發(fā)展，使得以此為基礎(chǔ)的微全分析系統(tǒng)(μ-TAS)或稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)已成為當(dāng)今分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿技術(shù)。近年來的研究表明，芯片電泳對(duì)DNA、多肽和蛋白質(zhì)等生物分子所表現(xiàn)出的高效、快速、低耗的分離分析能力，使它成為后基因時(shí)代中有希望攻克蛋白質(zhì)組學(xué)研究、代謝物檢測(cè)和藥物篩選等難題的分離分析手段之一。因此，芯片電泳技術(shù)仍然是當(dāng)今分析科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。
芯片電泳技術(shù)是將毛細(xì)管電泳中所使用的毛細(xì)管構(gòu)建在一個(gè)僅有幾個(gè)或幾十個(gè)平方厘米的石英、玻璃或塑料等不同材質(zhì)的基片上，通過在管道網(wǎng)絡(luò)的終端(貯液池)施加電壓實(shí)現(xiàn)樣品的進(jìn)樣和快速分離分析的電泳技術(shù)。在分離原理上，它與常規(guī)毛細(xì)管電泳相似，但是分離的核心元件由石英毛細(xì)管變成了平板玻璃、石英、塑料等芯片，其主體由線(毛細(xì)管)變成了面(芯片)，具有了很多常規(guī)毛細(xì)管電泳所不具有的特征，使得目前微流控芯片系統(tǒng)的研究仍然存在著很多挑戰(zhàn)。例如，如何在微米級(jí)通道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效驅(qū)動(dòng)與控制微流體，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片電泳的進(jìn)樣操作；如何達(dá)到所需的靈敏度和相應(yīng)速度等。
在微流控芯片系統(tǒng)所需的功能單元中，進(jìn)樣操作是實(shí)現(xiàn)芯片通道內(nèi)流體驅(qū)動(dòng)與控制的技術(shù)，也是滿足芯片電泳分離模式、分離過程及分離重現(xiàn)性的重要保證。常規(guī)壓力驅(qū)動(dòng)流體通過微管道存在嚴(yán)重的局限性，以圓形管道為例，在圓管中流體流動(dòng)的壓降ΔP與圓管半徑a的4次方成反比，當(dāng)直徑減小一半時(shí)，驅(qū)動(dòng)流體的泵功率需要提高16倍；而且，在微系統(tǒng)條件下，表面張力的影響變得十分明顯。因此，在技術(shù)意義上，常規(guī)流體體積流動(dòng)的壓力驅(qū)動(dòng)方法在微管道中是不可行的。目前，有多種微型機(jī)械泵能夠以最小的脈動(dòng)來驅(qū)動(dòng)與芯片匹配的低流量流體，但這些微泵或者機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者加工難度大，使其與微閥難以集成在芯片上，其效果和靈活性難以令人滿意。然而，非機(jī)械的基于電滲流(EOF)原理的電驅(qū)動(dòng)在微分析系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，因?yàn)殡姖B驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無閥無機(jī)械部件的直接液流驅(qū)動(dòng)，且液體流動(dòng)無脈動(dòng)、流量適中、易于集成，這常常是驅(qū)動(dòng)極小管道中流體的最為有效方法。由于芯片電泳是在具有立體結(jié)構(gòu)特征微小芯片上進(jìn)行的，芯片上的多條微米級(jí)分離分析通道要求納升級(jí)甚至皮升級(jí)樣品規(guī)模上的分析，因而具有一些特殊操作要求。例如，為了完成充樣、注樣與分離等芯片電泳過程中的進(jìn)樣操作，要求流體在多個(gè)微通道間的流速、流向可控。要在這樣的通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體驅(qū)動(dòng)與控制的自動(dòng)化操作，最方便的途徑是通過電滲流調(diào)控流體的流速和流向，這顯然對(duì)作為電滲驅(qū)動(dòng)源的外加電壓(電場(chǎng))及其控制技術(shù)提出了很高的要求，因此，能自動(dòng)調(diào)節(jié)芯片各貯液池外加電壓的電驅(qū)動(dòng)進(jìn)樣裝置(一般為四路輸出高壓)十分必要。
在與芯片電泳適配的多種檢測(cè)技術(shù)中，基于表面活性的電化學(xué)安培檢測(cè)是一類非常重要的檢測(cè)方式。因?yàn)槠錂z測(cè)信號(hào)的靈敏度并不會(huì)因微通道幾何尺度的減小而降低，且可與先進(jìn)的微加工、微制作技術(shù)匹配，具有構(gòu)成微型和便攜的潛力。目前，在芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)系統(tǒng)中，由于電驅(qū)動(dòng)進(jìn)樣過程中電泳分離高壓與檢測(cè)電極系統(tǒng)的電耦合作用，存在分離電壓對(duì)檢測(cè)電極的干擾，常常會(huì)造成電極電位失控，導(dǎo)致檢測(cè)性能降低甚至失敗，并有可能導(dǎo)致電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的損壞。為減小分離高壓對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的干擾，芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)仍沿用毛細(xì)管電泳電化學(xué)檢測(cè)方法一即柱端檢測(cè)和離柱檢測(cè)。柱端安培檢測(cè)模式是用分離電壓和電流的未端與電極系統(tǒng)的對(duì)電極接地來降低干擾；但該檢測(cè)模式存在死體積問題，并且集成化電極一旦鈍化后不易清洗或更換。所謂離柱式安培檢測(cè)，是將整根毛細(xì)管被分成分離毛細(xì)管和檢測(cè)毛細(xì)管兩部分，通過導(dǎo)電接口使分離電壓在分離毛細(xì)管的末端接地，使電泳電流不通過檢測(cè)毛細(xì)管來減小干擾(Wu，C.C.；.Wu，R.G.；Huang，J.G.；Lin，Y.C.；Chang，H.C.Three-electrode electrochemical detector and platinum film decouplerintegrated with a capillary electrophoresis microchip for amperometricdetection.Anal.Chem.，2003，75947-952.)；該檢測(cè)模式存在接口和超微電極制作困難、區(qū)帶增寬效應(yīng)等問題。最為關(guān)鍵的是，現(xiàn)有芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)系統(tǒng)中的電動(dòng)進(jìn)樣裝置不能隔離電泳分離高壓與檢測(cè)電極系統(tǒng)的電耦合作用，消除分離電壓對(duì)檢測(cè)電極系統(tǒng)的干擾，使得目前芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)只能采用簡(jiǎn)單電動(dòng)進(jìn)樣模式，而無法使用夾流電動(dòng)進(jìn)樣模式，以防止試樣的擴(kuò)散和泄漏。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠用于電脫耦合芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)系統(tǒng)的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置。該裝置不僅能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片電泳的電動(dòng)進(jìn)樣，而且能夠隔離分離高壓與檢測(cè)電極系統(tǒng)的電耦合作用(電脫耦合)，消除分離電壓對(duì)檢測(cè)電極系統(tǒng)的干擾，以滿足芯片電泳柱上或柱端電化學(xué)安培檢測(cè)的進(jìn)樣要求。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)路線由于芯片進(jìn)樣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大都來源于分離通道和進(jìn)樣通道相互交錯(cuò)所形成的“十字”或“雙T”結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明所述芯片為四貯液池的“十字”或“雙T”等結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)電滲理論，當(dāng)芯片通道內(nèi)充滿中性或堿性電解質(zhì)溶液并對(duì)芯片貯液池(S，B，SW，BW)施加電壓(VS，VB，VSW，VBW)。在外加電壓(電場(chǎng))作用下，每個(gè)通道中電滲流速度vieo和試樣電遷移速度vi與貯液池外加電壓的關(guān)系分別表示為vieo=μeoEi=μeo(Vi-VC)Li---(1)]]>vi=(μeo+μep)Ei=(μeo+μep)(Vi-VC)Li---(2)]]>式中vieo為每個(gè)通道電滲流速度，Ei為每個(gè)通道外加電場(chǎng)強(qiáng)度，μeo為電解質(zhì)溶液的電滲淌度，Vi為每個(gè)通道外加電壓，VC為芯片交叉點(diǎn)處電壓(可根據(jù)芯片的具體結(jié)構(gòu)有理論和測(cè)試求得)，vi為試樣電遷移速度，μep為試樣的電泳淌度，Li為每個(gè)貯液池到交叉點(diǎn)的長(zhǎng)度，i為貯液池S，B，SW，BW。
需要說明的是，vi、vieof和Ei均為矢量。在玻璃基片上，電滲流方向與電流方向一致，且當(dāng)pH＞7.0時(shí)，μeo一般顯著大于μep，在這樣的前提下，試樣流速近似于電滲流速度。因此，通過調(diào)節(jié)各貯液池的外加電壓(VS，VB，VSW，VBW)可以調(diào)控芯片各通道內(nèi)流體的流速和流向。
本發(fā)明將“電滲驅(qū)動(dòng)原理、芯片電泳電化學(xué)檢測(cè)方法、單片微處理器控制技術(shù)和RS232串口通訊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)、運(yùn)算放大器、隔離式DC-DC高壓模塊、光電耦合、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器、“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、總線驅(qū)動(dòng)器、四或非門、看門狗監(jiān)測(cè)、過流保護(hù)等集成電路”組合在一起，構(gòu)成四路(獨(dú)立)0～5000V智能可控的浮地電壓輸出。每路電極浮地電壓的輸出模式為“懸空/斷開、接通、接地”，電極電壓的輸出模式和運(yùn)行時(shí)間由作為控制核心的單片微處理器聯(lián)合上位計(jì)算機(jī)(PC機(jī))可編程控制，并且快速切換、可靠、互不干擾。4路獨(dú)立電極電壓的程序化同步輸出，能夠自動(dòng)操縱“十字”或“雙T”結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)流體的流速和流向，防止試樣的擴(kuò)散和泄漏，從而達(dá)到匯流、分流、混合、進(jìn)樣等流動(dòng)分析中不可缺少的基本單元操作。同時(shí)，采用隔離式DC-DC高壓模塊，可使每路浮地電壓與檢測(cè)系統(tǒng)和外圍控制系統(tǒng)的地(實(shí)地)完全隔離，消除分離電壓對(duì)檢測(cè)電極的干擾，從而實(shí)現(xiàn)電化學(xué)電極系統(tǒng)置于分離高電場(chǎng)的某一等勢(shì)面上(電脫耦合)的柱上或柱端檢測(cè)，增加電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安全性。
本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)單片微處理器(下位機(jī))與PC機(jī)之間通過RS232串口構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)通訊回路；單片微處理器與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、隔離式DC-DC高壓模塊、“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器的切換觸電依次連接構(gòu)成電壓輸出模式智能可控的四路浮地高壓；DC-DC高壓模塊輸出電壓/電流的監(jiān)測(cè)量與單片微處理器之間連接有A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、總線驅(qū)動(dòng)器；“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器的線圈供電與單片微處理器之間連接有光電耦合、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器和過流保護(hù)繼電器；單片微處理器連接2輸入四或非門、光電耦合與發(fā)光二極管構(gòu)成輸出運(yùn)行狀態(tài)指示；看門狗監(jiān)測(cè)電路構(gòu)成對(duì)單片微處理器工作狀態(tài)的監(jiān)控和保護(hù)。
本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)所述的單片微處理器為八位；所述的D/A轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器均為八位；所述的DC-DC高壓模塊均為輸入/輸出隔離模式。
本發(fā)明由作為控制核心的單片微處理器聯(lián)合PC機(jī)，配以RS232串口通訊、單通道D/A轉(zhuǎn)換器、四運(yùn)算放大器、隔離式DC-DC高壓模塊、光電耦合、七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器、“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器、8通道A/D轉(zhuǎn)換器、總線驅(qū)動(dòng)器、2輸入四或非門、看門狗監(jiān)測(cè)和過流保護(hù)(繼電器)等集成電路組成?！邦A(yù)置加電參數(shù)”輸入到PC機(jī)后，PC機(jī)根據(jù)本發(fā)明軟件程序設(shè)定的電壓量程，把輸入電壓值轉(zhuǎn)化成2進(jìn)制數(shù)字，并通過RS232串口(MAX232A)，將2進(jìn)制數(shù)字量送入單片微處理器(AT89C52)；單片微處理器(AT89C52)控制D/A轉(zhuǎn)換器(DAC0832)把該數(shù)字量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器(LM324)變成0-5VDC模擬控制信號(hào)，該模擬信號(hào)控制DC-DC高壓模塊(DW-P502-0.5D)對(duì)應(yīng)輸出0-5000VDC浮地電壓(預(yù)置電壓)；四路浮地電壓(0-5000VDC)連接由單片微處理器(AT89C52)經(jīng)過光電耦合(TLP521-4)和七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器(MC1413)控制的“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器(K81C235/LRL-102-100PCV)的切換觸電，形成輸出模式(懸空/斷開、接通、接地)智能可控的四路浮地電壓，再經(jīng)過高壓導(dǎo)線、鉑絲電極分別與芯片貯液池對(duì)應(yīng)連接，形成對(duì)芯片通道內(nèi)流體流速和流向的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片電泳的電動(dòng)進(jìn)樣；每路電極輸出電壓/電流的監(jiān)測(cè)量(DC-DC模塊自身提供)由單片微處理器(AT89C52)控制的8通道A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)器(74HCT245)送入單片微處理器(AT89C52)，該數(shù)字量通過單片微處理器(AT89C52)邏輯運(yùn)算和RS232串口通訊(MAX232A)，由PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示、記錄和過流監(jiān)測(cè)；當(dāng)輸出電流監(jiān)測(cè)值超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，單片微處理器(AT89C52)通過光電耦合(TLP521-4)和七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器(MC1413)控制過流保護(hù)繼電器(946H-1C-12D)斷開“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器(K81C235/LRL-102-100PCV)控制線圈的供電電源進(jìn)行過流保護(hù)；看門狗監(jiān)測(cè)電路(ASM1232LP)對(duì)單片微處理器(AT89C52)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)；最后，本發(fā)明的輸出運(yùn)行狀態(tài)由單片微處理器(AT89C52)控制的2輸入四或非門(74LS02)和光電耦合(TLP521-4)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)指示。
本發(fā)明的目的還可通過軟件控制的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件由單片微處理器控制程序和PC機(jī)應(yīng)用程序組成。單片微處理器控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、過流保護(hù)、電路間的時(shí)序控制、序列驅(qū)動(dòng)、D/A、A/D和輸入/輸出(I/O)總線等控制功能；PC機(jī)應(yīng)用程序可在Windows98/2000/XP上運(yùn)行且人機(jī)界面友好，PC機(jī)應(yīng)用程序包括許多應(yīng)用界面，如“串口初始化”、“加電參數(shù)設(shè)置”、“參數(shù)下裝”、“加電運(yùn)行”、“輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線的顯示與保存”、“電滲流監(jiān)測(cè)”等。
本發(fā)明的特點(diǎn)(1)將單片微處理器控制技術(shù)、電滲驅(qū)動(dòng)與芯片電泳電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)電動(dòng)進(jìn)樣的要求完整地設(shè)計(jì)并組合在一起，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上體現(xiàn)了獨(dú)創(chuàng)性、智能化、小型化和實(shí)用化的特點(diǎn)；(2)本發(fā)明四路獨(dú)立輸出電壓采用“浮地”設(shè)計(jì)，使輸出電壓與實(shí)地(大地)隔離，將檢測(cè)電極系統(tǒng)正交置于分離通道上(正交柱上，檢測(cè)電極系統(tǒng)的“地”與實(shí)地等電位)，能夠隔離分離高壓與檢測(cè)電極系統(tǒng)的電耦合作用。因此，本發(fā)明在自動(dòng)實(shí)現(xiàn)“十字”或“雙T”結(jié)構(gòu)芯片電泳電動(dòng)進(jìn)樣操作的同時(shí)，特別適用于芯片電泳柱上或柱端電化學(xué)安培檢測(cè)的需求；(3)加電參數(shù)自由設(shè)置，四路獨(dú)立浮地電壓的輸出模式(懸空/斷開、接通、接地)和運(yùn)行時(shí)間可編程控制，并且切換快速(ms級(jí))、可靠、互不干擾；(4)每路電極輸出電壓的穩(wěn)定性和運(yùn)行時(shí)間的精度分別小于0.08％和0.001s，當(dāng)負(fù)載在線電阻改變300％時(shí)，輸出電壓變化小于0.1％，足以保證分離結(jié)果的重現(xiàn)性；(5)實(shí)時(shí)顯示/保存整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中每路電極輸出電壓、電流與時(shí)間的對(duì)應(yīng)曲線，全程監(jiān)測(cè)通道電滲流的大小，判斷芯片電泳分析過程中通道異常情況；(6)本發(fā)明的軟件在Windows98/2000/XP環(huán)境下運(yùn)行，能夠兼容在Windows上操作的任何芯片電泳檢測(cè)器。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為“接地和懸空”高壓繼電器的觸電切換構(gòu)成電極電壓不同輸出模式的示意圖；其中J和K分別為“接地和懸空”高壓繼電器，J是常開常閉觸點(diǎn)繼電器，K是單常開觸點(diǎn)繼電器。W1、W2是“接地”高壓繼電器的控制線圈，W3、W4是“懸空”高壓繼電器的控制線圈。當(dāng)K的常開觸點(diǎn)(1，2)閉合，J的常閉觸點(diǎn)(2，3)閉合時(shí)，電極接DC-DC模塊“正”極端，輸出電壓(接通)；當(dāng)K的常開觸點(diǎn)(1，2)閉合，J的常開觸點(diǎn)(2，1)閉合時(shí)，電極接DC-DC模塊“負(fù)”極端(浮地，每只DC-DC模塊“負(fù)”極端都與浮地短接)，輸出0V，電極接浮地；當(dāng)K的常開觸點(diǎn)(1，2)斷開，電極懸空。每個(gè)電極電壓輸出模式(懸空、接通、接地)按時(shí)間段設(shè)置，由單片微處理器時(shí)序控制“懸空/接地”繼電器切換完成。“每個(gè)時(shí)間段”表示芯片電泳充樣、注樣與分離等進(jìn)樣操作的步驟。每個(gè)電極電壓的自動(dòng)輸出順序?yàn)榈谝粫r(shí)間段(懸空/運(yùn)行時(shí)間→接通/運(yùn)行時(shí)間→接地/運(yùn)行時(shí)間)→第二時(shí)段(懸空/運(yùn)行時(shí)間→接通/運(yùn)行時(shí)間→接地/運(yùn)行時(shí)間)→…”。當(dāng)某一模式不需輸出時(shí)，只需對(duì)該輸出模式的加電參數(shù)不設(shè)置或?qū)⑵溥\(yùn)行時(shí)間設(shè)置為“0”，程序自動(dòng)跳過而進(jìn)行下一個(gè)加電模式的輸出。
圖3為單片微處理器和A/D電路原理圖，包括單片微處理器、總線驅(qū)動(dòng)器、8通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗監(jiān)測(cè)、2輸入四或非門和RS232串口通訊等；圖4為D/A電路原理圖，包括D/A轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器等；圖5為光電耦合電路原理圖，包括光電耦合、七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器和單片微處理器等；圖6為繼電器切換電路原理圖，包括“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器、過流保護(hù)繼電器和七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器等；圖7為隔離式DC-DC高壓模塊輸入輸出引線圖；其中輸入電壓紅為正，黑為負(fù)(輸入地)，0～+15V；控制端黃為正，黑為負(fù)(控制地)，0～+5V；輸出端紅為正，白為負(fù)(輸出負(fù)，浮地)，0～+5000V；輸入地和控制地短接，且與輸出地(浮地)隔離(隔離電阻＞100MΩ，隔離電壓＞5000V)。
圖8為本發(fā)明對(duì)玻璃芯片通道內(nèi)流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制時(shí)，芯片進(jìn)樣/分離通道內(nèi)流體電滲流流速與外加電壓的關(guān)系曲線圖；其中a-進(jìn)樣通道，b-分離通道；緩沖溶液5.0·10-3mol/L磷酸鹽(pH 7.0)；玻璃芯片雙T結(jié)構(gòu)，分離通道長(zhǎng)55mm，雙T注射通道長(zhǎng)250μm，緩沖液池(B)、樣品池(S)和樣品廢液池(SW)距離雙T注射通道都為5mm，通道截面近似半圓形，通道頂寬50μm、高20μm；V01-V04是本發(fā)明施加到芯片貯液池上的四路浮地電壓。
圖9為本發(fā)明與柱上電脫耦合芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)接示意圖；其中1為柱上安培檢測(cè)池；2為碳纖維工作電極，直徑7μm，長(zhǎng)度100-1507μm；3為Ag/AgCl參比電極；4為鉑絲對(duì)電極；Vo1～Vo4為四個(gè)電極輸出的浮地電壓。
圖10是本發(fā)明連續(xù)3次對(duì)多巴胺正交柱上電脫耦合芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)分析過程的“進(jìn)樣”環(huán)節(jié)自動(dòng)操作，多巴胺試樣的連續(xù)電泳譜圖。
其中樣品1.0×10-3mol/L多巴胺；緩沖溶液20mmol/L Tris-HCl，pH＝9.0；充樣進(jìn)樣通道電場(chǎng)強(qiáng)度500V/cm，20s，分離通道二端的抑制電壓為300V/20s；注樣(分離)分離通道電場(chǎng)強(qiáng)度150V/cm，150s，進(jìn)樣通道二端的抑制電壓500V/150s；工作電極氧化電位0.8V(vs Ag/AgCl)。
具體實(shí)施例方式以智能可控的四路浮地電壓為一個(gè)儀器組成單元，也可以根據(jù)需要增加或減少高壓輸出路數(shù)，但基本結(jié)構(gòu)相同。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1參照?qǐng)D1-7，一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置是以八位單片微處理器作為控制核心，配以RS232串口通訊、單通道D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、DC-DC高壓模塊、光電耦合、七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器、“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器、A/D轉(zhuǎn)換器、總線驅(qū)動(dòng)器、2輸入四或非門、看門狗監(jiān)測(cè)、過流保護(hù)(繼電器)電路，并聯(lián)合上位計(jì)算機(jī)(PC機(jī))構(gòu)成。
單片微處理器(AT89C52)和PC機(jī)之間通過RS232串口(MAX232A)構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)通訊回路；“預(yù)置加電參數(shù)”輸入到PC機(jī)，經(jīng)PC機(jī)邏輯運(yùn)算，由PC機(jī)通過RS232串口(MAX232A)送入單片微處理器(AT89C52)。
單片微處理器(AT89C52)與D/A轉(zhuǎn)換器(DAC0832)、運(yùn)算放大器(LM324)、隔離式DC-DC高壓模塊(DW-P202-0.5D)依次連接構(gòu)成浮地高壓輸出；浮地高壓輸出連接由單片微處理器(AT89C52)經(jīng)過光電耦合(TLP521-4)、七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器(MC1413)控制的“接地/懸空”高壓繼電器(K81C235/LRL-102-100PCV)的切換觸電構(gòu)成輸出模式(懸空、接通、接地)智能可控的四路浮地高壓；每路電壓輸出再通過高壓導(dǎo)線及鉑絲電極分別與芯片貯液池對(duì)應(yīng)連接。
DC-DC高壓模塊(DW-P202-0.5D)輸出電壓/電流的監(jiān)測(cè)信號(hào)依次連接A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)、總線驅(qū)動(dòng)器(74HCT245)和單片微處理器(AT89C52)；單片微處理器(AT89C52)控制A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)將每路DC-DC高壓模塊(DW-P202-0.5D)輸出電壓/電流的監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)器(74HCT245)送入單片微處理器(AT89C52)邏輯運(yùn)算，由PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示、記錄及過流監(jiān)測(cè)；當(dāng)輸出電流監(jiān)測(cè)值超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，單片微處理器(AT89C52)通過光電耦合(TLP521-4)、七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器(MC1413)控制過流保護(hù)繼電器(946H-1C-12D)斷開“接地/懸空”高壓繼電器(K81C235/LRL-102-100PCV)供電電源進(jìn)行過流保護(hù)。
單片微處理器(AT89C52)依次連接2輸入四或非門(74LS02)和光電耦合(TLP521-4)控制發(fā)光二極管(LED)指示輸出運(yùn)行狀態(tài)。
看門狗監(jiān)測(cè)電路(ASM1232LP)對(duì)單片微處理器(T89C52)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。
所述的D/A轉(zhuǎn)換器為單通道八位D/A轉(zhuǎn)換器(DAC0832)。
所述的A/D轉(zhuǎn)換器為八通道八位A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)。
所述的運(yùn)算放大器為四運(yùn)算放大器(LM324)。
所述的DC-DC高壓模塊為DW-P202-0.5D型號(hào)的隔離式高壓模塊。
所述的接地轉(zhuǎn)換高壓繼電器為K81C235型號(hào)的高壓繼電器。
所述的懸空轉(zhuǎn)換高壓繼電器為L(zhǎng)RL-102-100PCV型號(hào)的高壓繼電器。
實(shí)施例2參照?qǐng)D8，本實(shí)施例是本發(fā)明對(duì)玻璃芯片不同通道內(nèi)流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與控制。玻璃芯片雙T結(jié)構(gòu)，分離通道長(zhǎng)55mm，雙T注射通道長(zhǎng)250μm，緩沖液池(B)、樣品池(S)和樣品廢液池(SW)距離雙T注射通道都為5mm，通道截面近似半圓形，通道頂寬50μm、高20μm；以5.0-10-3mol/L(pH 7.0)磷酸鹽緩沖溶液作為緩沖體系，參照不連續(xù)緩沖液系統(tǒng)法測(cè)量電滲流速度(Soper，S.A.；Henry，A.C.；Vaidya，B.AnalyticaChimica Acta，2002，47087-89)，本發(fā)明對(duì)玻璃芯片不同通道內(nèi)流體進(jìn)行加電驅(qū)動(dòng)控制，玻璃芯片進(jìn)樣/分離通道內(nèi)磷酸鹽溶液流體的電滲流速為0.02cm/s～0.35cm/s。
實(shí)施例3參照?qǐng)D9-10，本實(shí)施例是本發(fā)明自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多巴胺正交柱上電脫耦合芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)過程中的連續(xù)“進(jìn)樣”操作(圖8)。其中，實(shí)施用檢測(cè)芯片為雙T結(jié)構(gòu)玻璃芯片(分離通道長(zhǎng)55mm，雙T注射通道長(zhǎng)250μm，緩沖液池(B)、樣品池(S)和樣品廢液池(SW)距離雙T注射通道都為5mm，通道截面近似半圓形，通道頂寬50μm、高20μm；)，靠近廢液池端5mm處一個(gè)直徑3mm的圓孔是柱上安培檢測(cè)池(1)；安培檢測(cè)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的三電極體系，借助三維調(diào)節(jié)和顯微鏡將碳纖維工作電極(2)與安培檢測(cè)池分離通道出口形成對(duì)中排列，將Ag/AgCl參比電極(3)靠近檢測(cè)點(diǎn)固定，對(duì)電極(4)接地(實(shí)地，與電動(dòng)進(jìn)樣的浮地隔離)。用Tris-HCl緩沖液(pH 9.0)作為緩沖體系，并對(duì)工作電極施加0.8V(vs Ag/AgCl)的氧化電位，得到1.0×10-3mol/L多巴胺連續(xù)3次芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)譜圖(圖10)。
主要性能(1)浮地電壓輸出路數(shù)為四路(即有四個(gè)輸出電極)，每個(gè)電極電壓的輸出模式和運(yùn)行時(shí)間按時(shí)間段(時(shí)序)智能控制；(2)每個(gè)電極電壓的輸出時(shí)間段范圍為0-10個(gè)(每個(gè)時(shí)間段表示芯片電泳進(jìn)樣操作中的充樣、注樣、分離等步驟)；每一時(shí)間段內(nèi)，每個(gè)電極電壓的輸出模式為“懸空/斷開、接通、接地”；(3)每個(gè)電極電壓的自動(dòng)輸出順序?yàn)榈谝粫r(shí)間段(懸空/時(shí)間→接通/運(yùn)行時(shí)間→接地/時(shí)間)→第二時(shí)段(懸空/時(shí)間→接通/運(yùn)行時(shí)間→接地/時(shí)間)→…”，當(dāng)某一模式不需輸出時(shí)，只需對(duì)該輸出模式的加電參數(shù)不設(shè)置或?qū)⑵溥\(yùn)行時(shí)間設(shè)置為“0”，程序自動(dòng)跳過而進(jìn)行下一個(gè)加電模式的輸出；(4)相同加電參數(shù)的實(shí)驗(yàn)可選擇1-10000次循環(huán)輸出，不需重復(fù)設(shè)定；(5)實(shí)時(shí)顯示、記錄每個(gè)電極輸出電壓/電流與運(yùn)行時(shí)間的對(duì)應(yīng)值及對(duì)應(yīng)曲線；(6)具有過流保護(hù)功能，過流值大小(0-500μA)自由設(shè)定；(7)輸出運(yùn)行時(shí)，可手動(dòng)隨時(shí)停止任意一路高壓輸出，而不影響其它路正常輸出。
主要技術(shù)指標(biāo)

注“懸空”表示電極輸出不接高壓也不接地。
本發(fā)明主要器件明細(xì)表

權(quán)利要求
1.一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，其特征是單片微處理器與PC機(jī)之間通過RS232串口構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)通訊回路；單片微處理器與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、隔離式DC-DC高壓模塊、“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器的切換觸電依次連接構(gòu)成電壓輸出模式智能可控的四路浮地高壓；DC-DC高壓模塊輸出電壓/電流的監(jiān)測(cè)量與單片微處理器之間連接有A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、總線驅(qū)動(dòng)器；“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器的線圈供電與單片微處理器之間連接有光電耦合、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器和過流保護(hù)繼電器；看門狗監(jiān)測(cè)電路構(gòu)成對(duì)單片微處理器工作狀態(tài)的監(jiān)控和保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，其特征是所述的單片微處理器為八位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，其特征是所述的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器及A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器均為八位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，其特征是所述的DC-DC高壓模塊為輸入/輸出隔離模式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于電脫耦合芯片電泳的智能電動(dòng)進(jìn)樣裝置，單片微處理器與PC機(jī)之間通過RS232串口構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)通訊回路；單片微處理器與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、隔離式DC－DC高壓模塊、“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器的切換觸電依次連接構(gòu)成電壓輸出模式智能可控的四路浮地高壓；DC－DC高壓模塊輸出電壓/電流的監(jiān)測(cè)量與單片微處理器之間連接有A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、總線驅(qū)動(dòng)器；“接地/懸空”轉(zhuǎn)換高壓繼電器的線圈供電與單片微處理器之間連接有光電耦合、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器和過流保護(hù)繼電器；看門狗監(jiān)測(cè)電路構(gòu)成對(duì)單片微處理器工作狀態(tài)的監(jiān)控和保護(hù)。該進(jìn)樣裝置特別適合電脫耦合芯片電泳電化學(xué)安培檢測(cè)系統(tǒng)的電動(dòng)進(jìn)樣操作。
文檔編號(hào)G01N27/453GK101067615SQ20071001589
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者李清嶺, 唐波, 公曉聰, 劉新, 李洪民, 陳蓁蓁 申請(qǐng)人:山東師范大學(xué)