專利名稱：低電壓芯片電泳多段式循環(huán)式施加電壓的控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及對(duì)微流控芯片的控 制技術(shù)。
背景技術(shù)：
芯片電泳是微分析系統(tǒng)領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支，近年來關(guān)于芯片電泳的 研究層出不窮。芯片電泳中電泳和電滲驅(qū)動(dòng)模式是微流體的驅(qū)動(dòng)和控制的主 流方法。 一般的芯片電泳中高壓電源帶來的安全性、集成化和自動(dòng)化難題， 提出了含陣列電極的低電壓芯片分離分析理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著MEMS技術(shù)的 發(fā)展，能夠在微流控芯片上集成陣列電極，考慮采用陣列電極來降低微流控 芯片分析系統(tǒng)的操作電壓，使之更有利于生化樣品體系的檢測(cè)。低電壓芯片 電泳是用陣列電極將分離管道分成許多小的分離區(qū)帶，通過在一個(gè)或者幾個(gè) 區(qū)帶之間施加低電壓，這樣可以在較低外加電壓下獲得原來的場(chǎng)強(qiáng)，而低電 壓的持續(xù)和循環(huán)施加，則能獲得連續(xù)的高場(chǎng)強(qiáng)形成連續(xù)的移動(dòng)電場(chǎng)作為樣品 的驅(qū)動(dòng)力。在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)低電壓芯片電泳過程中施加電壓以及電場(chǎng)變 化的控制是非常重要的。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于低電壓電泳芯片的研究仍集中在 仿真模擬、芯片和微電極陣列等設(shè)計(jì)方面，而真正建立實(shí)際的電路控制和操 作系統(tǒng)，以及運(yùn)用低電壓芯片電泳實(shí)現(xiàn)樣品分離的研究還極少見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在實(shí)現(xiàn)低電壓芯片電泳過程中對(duì)施加電 壓以及電場(chǎng)變化進(jìn)行有效控制。低電壓芯片電泳過程是根據(jù)電泳分離原理，基于分離通道電場(chǎng)強(qiáng)度一定的要求，在分離溝道上通過電極陣列實(shí)行分區(qū)段、 交替循環(huán)施加電壓，以產(chǎn)生被分離樣品組分運(yùn)動(dòng)所需的運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)，從而使物 質(zhì)在運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)低工作電壓下有效的移動(dòng)和分離的過程。本發(fā)明提 出了一種低電壓芯片電泳過程的電路控制系統(tǒng)，并進(jìn)一步提出一種低電壓芯 片電泳過程的多段式循環(huán)控制方法。在本發(fā)明中所述低電壓是指在芯片電泳 分離過程中外界提供10 —60V的電壓。
解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下
一種低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)，包括PC機(jī)、微控制器MCU、電流
放大電路、繼電器陣列、分布在低電壓電泳芯片分離溝道上的電極陣列；該 控制系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)低電壓芯片電泳驅(qū)動(dòng)和分離的功能；其特征在于； 所述PC機(jī)與所述微控制器MCU通過通信接口相連； 微控制器MCU的輸出通過1\0接口連接到電流放大電路的輸入端； 所述電流放大電路的輸出端連接到繼電器陣列中各繼電器單元的控制
丄山
乂而；
繼電器陣列中各繼電器單元的輸出端連接到低電壓芯片分離溝道上的電 極陣列；
所述PC機(jī)向微控制器MCU發(fā)出命令，MCU通過I/O接口輸出控制信號(hào)， 并經(jīng)所述放大電路放大后，通過所述繼電器陣列控制所述電極陣列中每個(gè)電 極上的加電順序、加電時(shí)間、循環(huán)次數(shù)實(shí)現(xiàn)樣品分離，其中每個(gè)電極上所加 電壓可以有低電平、高電平以及高阻3種狀態(tài)。
本發(fā)明還提出一種根據(jù)權(quán)利要求1所述低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng) 的針對(duì)低電壓芯片電泳過程的多段式同步循環(huán)施加控制電壓的控制方法，該方法適用于含陣列電極的低電壓電泳芯片，借助分布在低電壓芯片分離溝道 上的電極陣列，通過修改相應(yīng)的分離參數(shù)，可為電泳分離電壓的施加提供多種 選擇；其特征在于，該方法包括以下步驟
(1 )在所述低電壓電泳芯片的分離溝道上布置電極陣列；
(2) 將整個(gè)低電壓電泳芯片的分離管道平均劃分成n段，每段具有相同
數(shù)量的電極，并將每段中的電極進(jìn)行同一方向的排序，將每段的對(duì)應(yīng)電極即
每段上序號(hào)相同的電極并聯(lián)；
(3) 通過權(quán)利要求1中所述低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)對(duì)步驟2中
的每段中的電極同步循環(huán)施加電壓，即先同時(shí)對(duì)每段中的第一序號(hào)電極施加 電壓，保持設(shè)定時(shí)間后，再同時(shí)對(duì)每段中第二序號(hào)電極時(shí)間電壓，如此進(jìn)行 電壓的同步循環(huán)施加；
(4) 通過修改和調(diào)節(jié)分離電壓施加的區(qū)段長(zhǎng)度、分離電壓的循環(huán)方式以 及循環(huán)過程中每對(duì)電極上的電壓保持時(shí)間，從而控制分離過程。
本發(fā)明提出的低電壓芯片電泳過程的電路控制系統(tǒng)能有效地提供和保障 微流控芯片電泳過程所需提供的多種運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)施加模式；所提出的低電壓芯 片電泳過程的多段式循環(huán)控制方法，可為分離電壓的施加提供多種選擇，同 時(shí)減小控制電路系統(tǒng)體積，提高低電壓芯片電泳的分離效率。


圖1低電壓電泳芯片控制系統(tǒng)原理圖2驅(qū)動(dòng)電路(圖2a是電流放大電路，圖2b是繼電器單元電路)； 圖3電壓切換及施加方式示意圖(圖3a是單段循環(huán)施加電壓模式，圖 3b是多段循環(huán)施加電壓模式，圖3c是低電壓電泳芯片微通道兩側(cè)的陣列電極與控制電路的連接方式示意圖)；
圖4系統(tǒng)工作流程圖(圖4a是芯片控制系統(tǒng)工作流程，圖4b是每個(gè)掃 描周期內(nèi)的工作流程)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作詳細(xì)描述。 如圖l所示為本發(fā)明的低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)，包括PC機(jī)、微 控制器MCU、電流放大電路、繼電器陣列、分布在低電壓電泳芯片分離溝道上 的電極陣列、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集模塊。PC機(jī)通過串口與微控制器MCU 相連，利用串口通信發(fā)送控制命令并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；MCU提供多路I/0輸出， 作為控制信號(hào)與對(duì)應(yīng)三極管基極相連，利用三極管完成電流放大功能；三極 管發(fā)射極接繼電器的控制腳，控制繼電器陣列中各路繼電器的通斷；繼電器 陣列中各路繼電器輸出腳分別接電泳芯片的分離電極，為電泳分離過程提供 分離電場(chǎng)；樣品在分離電場(chǎng)的作用下在溝道中運(yùn)動(dòng)并分離，在分離溝道末端 的信號(hào)檢測(cè)電路將對(duì)分離結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理接 口將結(jié)果返回給MCU， MCU通過串口通信將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。
本發(fā)明的低電壓電泳芯片采用的是簡(jiǎn)單十字形微管道結(jié)構(gòu)，微分離管道 兩側(cè)布置有陣列微電極(圖3a)，這些陣列微電極的外引線腳分布于芯片兩 側(cè)，與控制電路相連。系統(tǒng)由PC機(jī)向MCU發(fā)出命令，MCU輸出相應(yīng)控制信號(hào)， 經(jīng)電流放大電路，進(jìn)而對(duì)兩級(jí)繼電器的輸出狀態(tài)進(jìn)行切換，使得芯片管腳的 電平可以任意設(shè)置為高、低和高阻三種狀態(tài)之一，同時(shí)實(shí)現(xiàn)每個(gè)電極上的加 電順序、加電時(shí)間、循環(huán)次數(shù)等的控制。進(jìn)而提供和保證低電壓芯片電泳過程所需要的運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)。
本系統(tǒng)中單片機(jī)選擇ATmegal28，它是AVR高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口最豐富， 功能最齊全的單片機(jī)，它是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu) 的8位單片機(jī)。芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電 路，具有運(yùn)算速度快，功耗低，功能強(qiáng)大，性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)。電路中ATmegal28 作為電泳芯片控制系統(tǒng)的核心，執(zhí)行PC機(jī)的相關(guān)指令，為控制電路提供工作 時(shí)序，通過I2C協(xié)議接收檢測(cè)結(jié)果，并通過串口完成與PC機(jī)的通訊。
此電路可以實(shí)現(xiàn)電泳芯片驅(qū)動(dòng)電壓0—120V可調(diào)，控制電源5V,利用PC 機(jī)和AVR單片機(jī)可以方便地設(shè)定并控制低電壓運(yùn)動(dòng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的芯片電泳的工作 頻率和施加電壓的方式。這樣產(chǎn)生的外加電壓直接施加于分布在分離溝道上 的分離電極陣列，在微管道中形成區(qū)段高電場(chǎng)，從而使樣品組分進(jìn)行電泳分 離過程，最終實(shí)現(xiàn)低工作電壓下有效的移動(dòng)、分離和分析。
圖2為驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路由三極管電流放大電路和繼電器陣列組成。
圖2a是電流放大電路，MCU執(zhí)行PC機(jī)指令，通過1\0接口輸出驅(qū)動(dòng)電路 的控制信號(hào)(CONSTl CONSTn)。由于單片機(jī)不可以輸出或者灌入大電流， I/O 口輸出的最大電流為20mA，不足以驅(qū)動(dòng)繼電器工作，所以將單片機(jī)輸出的 控制信號(hào)經(jīng)三極管電流放大后接繼電器的控制端，控制繼電器的輸出狀態(tài)， 進(jìn)而驅(qū)動(dòng)樣品組分的電泳分離過程。如圖2a所示為三極管電流放大電路的一 個(gè)單元，MCU的第一路I/O輸出C0NST1接三極管N1的基極，三極管發(fā)射極 通過下拉電阻R1接地，集電極接工作電源VQ (VQ=5V)，三極管發(fā)射極處 的輸出信號(hào)NET1接后續(xù)的繼電器控制端。圖2b所示為繼電器單元電路。所述繼電器陣列由多個(gè)繼電器組成，而每 兩個(gè)繼電器組成一個(gè)繼電器單元電路。在該控制電路系統(tǒng)中電泳芯片每個(gè)電 極上所加電壓可以有接地、高電平以及懸空3種狀態(tài)，這三種狀態(tài)采用了兩
個(gè)繼電器級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。如圖2b所示，J—SOl、 ^S02是兩個(gè)繼電器，每 個(gè)繼電器有6個(gè)引腳2、 5為開關(guān)控制腳，2腳接地，5腳接三極管電流放大 電路輸出的控制信號(hào)NETn; l為電壓輸入腳，3為電壓輸出腳，1、 3之間為 常開型開關(guān)；4、 6也可作為電壓輸出腳，但是由于1和4、 6之間為常閉開關(guān)， 故此處未用。圖2b中繼電器J—S01的2腳接地，5腳接控制信號(hào)NET1， l腳 接分離電壓V-high， 3腳輸出0UT1;繼電器J—S02的2腳接地，5腳接控制 信號(hào)NET2， 1腳接地，3腳通過上拉電阻R—S01接輸出0UT1。工作原理當(dāng) NET1和NET2為(1， 0)時(shí)，繼電器J—S01吸合，繼電器J_S02打開，0UT1 輸出為V-high;當(dāng)NET1和NET2為(0， 1)時(shí)，繼電器J_S01打開，繼電器 J—S02吸合，0UT1輸出為0;當(dāng)NET1和NET2為(0， 0)時(shí)，繼電器J—S01打 開，繼電器J—S02打開，0UT1輸出為懸空態(tài)。0UT1與電泳芯片的某個(gè)電極相 連，從而實(shí)現(xiàn)了電泳芯片分離電極上對(duì)高電平、低電平、懸空態(tài)的要求。繼 電器陣列可提供多個(gè)OUT輸出，可以加在電泳芯片不同的電極上。在MCU程 序控制下，MCU的I/O輸出CONSTn不斷變化，CONSTn經(jīng)三極管電流放大后的 NETn也隨時(shí)變化，進(jìn)而控制著繼電器輸出OUTn的變化，從而構(gòu)成電泳過程的 運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)。
圖3為多段式循環(huán)控制方法和分段式掃描電路示意圖。 這里以整體式循環(huán)驅(qū)動(dòng)和三段式同步掃描循環(huán)驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)方式為例進(jìn)
行說明。整體式循環(huán)驅(qū)動(dòng)是分離電壓在整個(gè)分離管道的所有陣列電極上依次交替
循環(huán)施加(圖3a)。分離電壓從第一對(duì)電極一直交替施加到第39對(duì)電極上， 再回到第一對(duì)電極上，如此循環(huán)施加，直至混合樣品被分離并驅(qū)動(dòng)至檢測(cè)口， 完成芯片電泳分離檢測(cè)過程。
三段式同步掃描循環(huán)驅(qū)動(dòng)是將整個(gè)分離管道劃分成三段，每段13個(gè)電極， 分離電壓在三段的對(duì)應(yīng)陣列電極上同步依次循環(huán)(圖3b)。以電極間距為700um 的芯片結(jié)構(gòu)為例，某時(shí)段在電極a與a+2之間、a+13與a+15之間、a+26與 a+28之間同時(shí)施加分離電壓，下一時(shí)段在電極a+l與a+3之間、a+14與a+16 之間、a+27與a+29之間同時(shí)施加分離電壓，依次循環(huán)，直至施加到最后一組， 再重新回到第一組開始下一循環(huán)。三段式同步掃描循環(huán)驅(qū)動(dòng)除了對(duì)樣品所在 的區(qū)帶施加電壓外，還對(duì)另外兩段緩沖液施加了電壓，相對(duì)于整體式循環(huán)驅(qū) 動(dòng)只在樣品所在的區(qū)段施加電壓，提高了芯片電泳過程的驅(qū)動(dòng)力，使整個(gè)管 道的液體驅(qū)動(dòng)更快，樣品出峰更快，提高了分析效率；模擬結(jié)果還顯示在三 段式同步循環(huán)驅(qū)動(dòng)下，在分離管道的三個(gè)循環(huán)區(qū)段之間形成一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)較弱的 與微管道中樣品電泳電場(chǎng)相反的反向電場(chǎng)，這是由于三組循環(huán)電壓施加時(shí)， 組與組之間電場(chǎng)的正負(fù)正好與外加電壓電場(chǎng)的正負(fù)反向，這之間形成的電場(chǎng) 稱之為反向電場(chǎng)，如在第二區(qū)段電泳電場(chǎng)方向是從左到右，而反向電場(chǎng)是另 兩個(gè)區(qū)段施壓電壓作用時(shí)產(chǎn)生的是從右向左的電場(chǎng)，其對(duì)樣品的作用力方向 也與正向電場(chǎng)相反，這對(duì)于部分跑離循環(huán)區(qū)段的樣本會(huì)產(chǎn)生方向作用使其回 歸循環(huán)區(qū)段，因此，可以在一定程度上抑制樣品的擴(kuò)散，有利于提高低電壓
芯片電泳的分離效果。
當(dāng)芯片上電泳分離陣列的電極間距為700um時(shí)，在電極n和n+2上加電壓，總電極數(shù)為39對(duì)，每13對(duì)為一組，共分3組，如圖3a和3b所示。由 于采用了分段式周期性交替施加分離電壓的方式，原本需要39對(duì)繼電器的電 路現(xiàn)在僅需要13對(duì)，不僅大大減小了系統(tǒng)體積，所需單片機(jī)輸出控制信號(hào)由 78個(gè)變?yōu)?6個(gè)，減小了 MCU的工作量和電路設(shè)計(jì)難度。
當(dāng)芯片上電泳分離陣列的電極間距為500um時(shí)，在電極n和n+3上加電 壓，總電極數(shù)為53對(duì)，共分3組，前面兩組每組18對(duì)電極，第三組17對(duì)電 極。同理，由于采用了分段式周期性交替施加分離電壓的方式，原本需要53 對(duì)繼電器的電路現(xiàn)在僅需要18對(duì)，并且所需單片機(jī)輸出控制信號(hào)由106個(gè)變 為36個(gè)，減小了 MCU的工作量和電路設(shè)計(jì)難度尤其減小了系統(tǒng)體積。
系統(tǒng)工作過程中，可通過軟件設(shè)定施加電壓的模式，如選擇分離芯片為 500um還是700um;也可以選擇分離電壓施加的區(qū)段長(zhǎng)度，可以選擇間隔幾個(gè) 電極區(qū)間；此外，還可以設(shè)定電壓切換時(shí)間以及循環(huán)次數(shù)。通過改變分離電 壓施加的區(qū)段長(zhǎng)度可改變分離電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變對(duì)芯片電泳過程的驅(qū)動(dòng)能 力；通過改變電壓切換時(shí)間可改變電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度及循環(huán)周期，進(jìn)而改變分離 通道中樣品的運(yùn)動(dòng)情況。
在分離過程中主要依靠強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)樣品進(jìn)行分離，此時(shí)樣品區(qū)帶處于高電 場(chǎng)中，樣品離子的遷移速度加快，當(dāng)離子穿越高強(qiáng)電場(chǎng)分離區(qū)域以后，相鄰 掃描電極之間存在的較低的反向電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度切換至反向，離子所受驅(qū)動(dòng) 力反向，使得樣品離子的遷移速度減慢，如果切換時(shí)間稍長(zhǎng)，樣品離子可能 反向遷移，向電極方向遷移，同時(shí)運(yùn)行區(qū)帶內(nèi)的樣品在強(qiáng)電場(chǎng)下向電極附近 聚集，從而促使樣品區(qū)帶的長(zhǎng)度在施加電壓的電極附近縮短，導(dǎo)致溶質(zhì)在兩 區(qū)帶的界面處堆積，實(shí)現(xiàn)富集，調(diào)整分離施加電壓及分離驅(qū)動(dòng)電壓切換時(shí)間可使樣品進(jìn)行最大富集，降低樣品淌度及擴(kuò)散對(duì)分離的影響，提高樣品分離效率。
圖4為控制系統(tǒng)的流程圖。工作原理如圖4a所示上電后系統(tǒng)初始化， 等待接收上位機(jī)發(fā)出的掃描參數(shù)和檢測(cè)參數(shù)，接收成功后發(fā)出應(yīng)答信號(hào)；下 位機(jī)配置工作參數(shù)，等到上位機(jī)發(fā)出"開始"命令后，則開始循環(huán)掃描，達(dá) 到設(shè)定的掃描次數(shù)scan—rium時(shí)或者有中斷發(fā)生時(shí)則停止掃描。
圖4b為每個(gè)掃描周期內(nèi)的工作流程。對(duì)于電極間距為700um的芯片結(jié)構(gòu)， 共39對(duì)電極，分三組，每組13對(duì)電極，則每個(gè)掃描周期分為13個(gè)時(shí)刻。掃 描開始后，電極1和電極3之間、電極14和電極16之間、電極27和電極29 之間同時(shí)加30V的區(qū)段電壓，其余電極保持懸空，定時(shí)器計(jì)時(shí)開始，檢查是 否達(dá)到設(shè)定的電壓保持時(shí)間scan—time,未達(dá)到則定時(shí)變量t加一；若達(dá)到了 scan—time,則定時(shí)變量t清零，重新進(jìn)行AO配置，電極2和電極4之間、 電極15和電極17之間、電極28和電極30之間同時(shí)加30V的區(qū)段電壓，其 余電極保持懸空；以此類推，直至達(dá)到每組的電極數(shù)目pole—num(此處為13) 時(shí)，則一個(gè)周期內(nèi)的循環(huán)掃描結(jié)束。于此同時(shí)，在定時(shí)器計(jì)時(shí)過程中，每隔 一段時(shí)間d—time (d—time<<scan—time)調(diào)用一次數(shù)據(jù)采集程序，將采集結(jié) 果發(fā)回PC機(jī)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的控制電路和同步掃描循環(huán)驅(qū)動(dòng)的微流體控制方法可廣泛應(yīng) 用于在芯片管道區(qū)中不同測(cè)試樣品的低電壓芯片的電泳控制，對(duì)電泳過程能 夠進(jìn)行有效的控制。
權(quán)利要求
1、一種低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)，包括PC機(jī)、微控制器MCU、電流放大電路、繼電器陣列、分布在低電壓芯片分離溝道上的電極陣列；該控制系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)低電壓電泳芯片驅(qū)動(dòng)和分離的功能；其特征在于所述PC機(jī)與所述微控制器MCU通過通信接口相連；微控制器MCU的輸出通過I\O接口連接到電流放大電路的輸入端；所述電流放大電路的輸出端連接到繼電器陣列中各繼電器單元的控制端；繼電器陣列中各繼電器單元的輸出端連接到低電壓芯片分離溝道上的電極陣列；所述PC機(jī)向微控制器MCU發(fā)出控制信號(hào)，并經(jīng)所述放大電路放大后，通過所述繼電器陣列控制所述電極陣列中每個(gè)電極上的加電順序、加電時(shí)間、循環(huán)次數(shù)實(shí)現(xiàn)樣品分離，其中每個(gè)電極上所加電壓可以有低電平、高電平以及高阻3種狀態(tài)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)，其特征在于，繼 電器陣列由一組繼電器單元組成，每個(gè)繼電器單元由兩個(gè)繼電器級(jí)聯(lián)組成一 組三態(tài)產(chǎn)生電路，三態(tài)產(chǎn)生電路的輸出具有高電平、低電平和高阻態(tài)三種狀 態(tài)，所述輸出狀態(tài)根據(jù)電極上具體時(shí)刻的電壓要求由MCU程序控制，并且繼 電器輸出電壓在0-120V范圍內(nèi)可調(diào)，符合低電壓電泳芯片分離電壓可調(diào)的要 求。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述每個(gè)繼電器單元的控制腳接三極管電流放大電路的輸出端，其中，每一繼電器單元中的第一個(gè)繼電器的輸入端接高電壓，另一個(gè)繼電器的輸入端接地， 兩個(gè)繼電器的輸出端通過一個(gè)電阻并聯(lián)在一起作為輸出，控制輸入端接高電 壓的繼電器吸合、控制輸入端接低電壓的繼電器打開時(shí)，輸出為高電平；控 制輸入端接低電壓的繼電器吸合、控制輸入端接高電壓的繼電器打開時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)兩個(gè)繼電器均打開時(shí)，輸出為高阻態(tài)；從而滿足在該控制電 路系統(tǒng)中電泳芯片每個(gè)電極上所加電壓可以有接地、高電平以及高阻態(tài)3種 狀態(tài)的要求。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低電壓運(yùn)動(dòng)場(chǎng)芯片電泳過程的控制系統(tǒng)，其特征在 于.-所述微控制器MCU是利用單片機(jī)ATraega128作為核心控制器件，通過串 口完成與PC機(jī)間的通信、通過對(duì)AO接口實(shí)時(shí)配置為控制電路提供工作時(shí)序、 并通過I2C協(xié)議接收檢測(cè)結(jié)果。
5、 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)的針對(duì)低電壓芯 片電泳過程的多段式同步循環(huán)施加控制電壓的控制方法，該方法適用于含陣 列電極的低電壓電泳芯片，借助分布在低電壓芯片分離溝道上的電極陣列， 通過修改相應(yīng)的分離參數(shù)，可為電泳分離電壓的施加提供多種選擇；其特征在 于，該方法包括以下步驟(1) 在所述低電壓芯片的分離管道上布置電極陣列；(2) 將整個(gè)低電壓芯片的分離管道平均劃分成n段，每段具有相同數(shù)量的電極，并將每段中的電極進(jìn)行同一方向的排序，將每段的對(duì)應(yīng)電極即每段 上序號(hào)相同的電極并聯(lián)；(3) 通過權(quán)利要求1中所述低電壓芯片電泳過程的控制系統(tǒng)對(duì)步驟2中的每段中的電極同步循環(huán)施加加壓，即先同時(shí)對(duì)每段中的第一序號(hào)電極施加電壓，保持設(shè)定時(shí)間后，再同時(shí)對(duì)每段中第二序號(hào)電極時(shí)間電壓，如此進(jìn)行 電壓的同步循環(huán)施加；(4)通過修改相應(yīng)的分離參數(shù)，調(diào)節(jié)分離電壓施加的區(qū)段長(zhǎng)度、分離電 壓的循環(huán)方式以及循環(huán)過程中每對(duì)電極上的電壓保持時(shí)間，從而控制分離過程。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多段式同步循環(huán)控制電壓施加控制方法，其特征在于將所述電泳芯片的整個(gè)分離管道劃分成三段，分離電壓在三段的對(duì)應(yīng)陣 列電極上同步依次循環(huán)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多段式同步循環(huán)控制電壓施加控制方法，其特征在于所述分離參數(shù)控包括施加電壓的模式選擇、分離電壓施加的區(qū)段長(zhǎng)度選 擇、電壓切換時(shí)間、循環(huán)次數(shù)；通過改變分離電壓施加的區(qū)段長(zhǎng)度可改變分 離電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變對(duì)芯片電泳過程的驅(qū)動(dòng)能力；通過改變電壓切換時(shí)間 可改變電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度及循環(huán)周期，進(jìn)而改變分離通道中樣品的運(yùn)動(dòng)情況。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多段式同步循環(huán)控制電壓施加控制方法，其特征在 于，在芯片電泳過程，各個(gè)分段掃描電極之間存在的較低的反向電場(chǎng)，溶液 中樣品離子所受到反向驅(qū)動(dòng)力，使得樣品離子的遷移速度減慢，促使樣品區(qū) 帶在施加電壓的電極附近縮短而實(shí)現(xiàn)離子的富集，降低離子擴(kuò)散對(duì)分離的影 響，提高樣品分離效率。
全文摘要
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種低電壓電泳芯片電路控制系統(tǒng)和控制方法，涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種低電壓電泳芯片控制系統(tǒng)，由上位控制PC機(jī)及下位控制器組成，下位控制器中MCU作為中央處理器，通過I\O接口輸出控制信號(hào)，經(jīng)電流放大電路及繼電器陣列后與低電壓電泳芯片的陣列電極相連，通過修改相應(yīng)的分離參數(shù)，可調(diào)節(jié)低電壓電泳芯片分離溝道上的電場(chǎng)變化，進(jìn)而控制芯片電泳過程。本發(fā)明提出了一種針對(duì)低電壓電泳過程的多段式同步循環(huán)施加控制電壓的控制方法，電泳芯片的整個(gè)分離管道劃分成三段，每段的對(duì)應(yīng)電極并聯(lián)，電壓在三段的對(duì)應(yīng)電極上同步依次循環(huán)施加。該方法適用于含陣列電極的低電壓電泳芯片，可縮短分離時(shí)間，提高分離效率。
文檔編號(hào)G01N27/447GK101441194SQ20081023722
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者孫建新, 溢 徐, 楊玉發(fā), 溫中泉, 溫志渝 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)