電滲流速度檢測系統設計

李 輝 林 立 邱雄邇

(邵陽學院電氣工程系，湖南 邵陽 422000)

隨著國家經濟的快速發(fā)展和國民平均生活質量的提高，對環(huán)境保護、食品檢測及醫(yī)藥臨床等諸多方面的相關精密檢測與控制技術的研究與開發(fā)提出了更高的要求。目前引入了國外的微型全分析技術和“芯片實驗室”技術，即在微芯片上實現常規(guī)化學或生物等實驗室里的取樣、預處理、分離及檢測等功能[1]。而微流控技術是微型全分析技術和“芯片實驗室”技術的支撐技術之一，也是微流控系統原理功能和優(yōu)化設計的重要關鍵問題之一[2]。

微流控技術可以實現對微流體壓力、流量和方向的控制及多種試樣的混合等功能[2]。對于微流體的常見驅動方式有壓力驅動和電滲驅動[3，4]，其中電滲驅動是利用動電現象中的雙電層(EDL)電勢，即在微通道兩端施加外加高壓直流電場驅動，使微通道內形成電滲流(EOF)，其施加的電場強度通常在50～5 000V/cm之間，電流一般在1mA以下[5，6]。因此，對微流體的檢測與控制也是定性、定量操控微流體和“芯片實驗室”技術應用的關鍵步驟。

筆者設計了一種基于LabVIEW和MSP430單片機的微流體流速快速檢測方法。

EOF一般用來驅動和控制尺寸在100.0μm左右的通道內的極性流動液體，典型EOF的速度在10-8～10-6L/s，其傳輸特征流量都比較低(從nL/min到μL/min量級)，鑒于此，傳統的測量技術已不再適用。目前EOF速度檢測方法主要有[7，8]：遷移速度法(熒光、化學發(fā)光、生物發(fā)光及表面等光學檢測方法)、流動電勢法、稱重法和電流檢測法。其中簡單、實用且應用廣泛的電流檢測法，就是通過檢測試劑在電極上反應所產生的氧化電流或還原電流來對待測試劑進行檢測的[9]，其實質就是將非電量(電滲流)轉換為電量(電流/電壓)，最終歸結于對電信號的檢測。

電滲先在微通道內充滿A溶液，然后新的溶液(B溶液)逐漸取代通道內的A溶液(A、B兩種溶液為濃度不同的同種溶液)。在其取代過程中溶液的離子濃度發(fā)生變化，即溶液的電導率改變，表現為微通道內的電流發(fā)生變化。當取代過程完成時，溶液離子濃度穩(wěn)定，則高壓回路中的電流穩(wěn)定且不再改變。設電流變化時間為Δt，則EOF平均速度v=L/Δt，其中L為微通道總長，本設計中L=40mm。

電流檢測法原理如圖1所示。實驗中選用DW-QP502-1ACE5型高壓直流電源為電滲提供驅動力，其輸入電壓220V(AC)±10%，輸出最大電壓5kV，并且連續(xù)可調，最大電流1mA。電阻R是一個1kΩ的定值電阻，與可調電阻串聯形成一個分壓電路。調節(jié)可調電阻，把回路中電阻R的電壓調節(jié)成單片機能夠接收的信號，從而滿足實驗時的檢測系統要求。

圖1 電流檢測法原理

微通道芯片如圖2所示，微流控芯片上有兩條微通道，呈“十”字交叉形，長度分別為40、10mm，且每條微通道的截面形狀皆呈梯形，微通道長40mm，截面深40.9μm，上寬79.9μm，下寬65.4μm。為了實驗能夠順利進行，在兩組通道的緩沖液池和廢液池分別粘接立柱管，即在圖2中4個圓圈處粘接立柱管，實驗時只選取其中一組通道，鑒于高電壓、微納米及高溶度等實驗條件，一般選取長40mm的通道進行實驗。

圖2 微通道芯片

2 系統硬件設計

微流體流速檢測系統的硬件主要由PC機及MSP430F149等組成。其中作為主體的PC機，主要用于實現實時、高效的數據處理，由于其又是LabVIEW開發(fā)的用戶程序運行載體，因此為上位機。而作為客體的MSP430F149，主要用于實現串聯電阻上電壓數據的快速采集，為下位機。上、下位機進行通信聯系的媒介，即通用接口總線，主要用于把獨立的下位機應用系統連接到計算機上。本系統通過串行通信把采集到的電壓數據傳到上位機進行濾波、顯示和分析。

系統設計中，利用MSP430F149中的USART0模塊來實現與上位機的串行異步通信，但由于其TTL電平信號與上位機的RS-232信號不兼容，因此采用LTC1385電平轉換芯片，將MCU(MSP430F149)的TX、RX信號轉換成RS-232所要求的電平信號，TR2in引腳與MCU的P3.4/UTXD0引腳連接，RX2out引腳與MCU的P3.5/URXD0引腳連接(圖3a)。由于數據采集模塊采集到的是電阻R1上的弱電壓信號(圖3b)，其電壓U=RI<1kΩ×1mA=1V(高壓直流電源最大輸出電流為1mA)，且微通道為橫截面積納米級、長度毫米級的狹長形通道，液體濃度本身不高，電導率較低，因此微通道阻值約為兆歐級，這將導致MP430F149采集到的電壓遠小于1V，即為弱電信號，接MCU的P6.3引腳。此弱電信號先經過一個無源濾波電路，接著通過一個電壓跟隨器，最后經過一個比例運算放大電路進入MSP430F149內部集成的ADC12模塊[10]。置內部參考VREF+引腳為2.5V，VREF-接地，即輸入信號的范圍在0.0～2.5V之內。MCU電源電路如圖3c所示。

a. LTC1385電平轉換電路

b. 弱電信號采集電路

c. MCU電源電路

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括上位機上運行的利用LabVIEW軟件開發(fā)的G語言程序和在下位機MSP430F149上運行的C語言程序。

3.1 上位機軟件開發(fā)

LabVIEW是目前世界上多數虛擬儀器系統所采用的開發(fā)軟件，尤其適合測控應用軟件的開發(fā)。上位機軟件開發(fā)根據使用順序主要分為初始化程序、主循環(huán)程序和結束程序3部分。其中初始化程序主要完成串口通信端口配置及通道校正等功能;主循環(huán)程序主要完成系統測試、在線實時檢測顯示及數據分析等功能;結束程序主要完成串口通信關閉及數據保存等功能。

在串口通信過程中，上、下位機必須遵循同一個通信協議，在此，在程序設計中定義了同樣的幀格式，其數據信息由8位字符串組成，組成次序依次為地址碼、命令碼、數據信息、CRC7校驗碼和0x80結束字符。其中每一個字符都是計算機能識別的ASCII碼，在使用串口發(fā)送數據之前和接收數據之后都要經過代碼轉換成相應數值的電壓值。串口操作程序如圖4所示。

圖4 串口操作程序

3.2 下位機程序設計

上、下位機軟件有效協同配合，才能實現兩者間的可靠、精確通信。在下位機程序設計過程中，必須遵守上位機軟件開發(fā)所約定好的通信協議。下位機的程序開發(fā)包括通信子程序和A/D轉換程序。由MSP430F149技術手冊可知，其內部集成了ADC12模塊，該模塊操作簡單方便，只需對其4類寄存器進行操作即可，因此A/D轉換程序的開發(fā)較為簡單。本設計采用單通道多次采樣[11]，采樣轉換流程如圖5所示。

圖5 采樣轉換流程

4 實驗與結果分析

在緩沖液池中注入0.1mmol/L的NaCl溶液，當外加高電壓時，在電驅動力及重力等作用下，溶液逐漸充滿整個微通道，最終達到廢液池。由于電流信號微弱，因此在高壓回路中串聯可調精密電阻，在實驗時檢測電阻兩端的實時電壓，即可間接反映微通道內電流的變化情況。外加電壓2kV(L=4cm)時的實驗波形如圖6所示。

圖6 外加電壓2kV(L=4cm)時的實驗波形

在低電壓階段，表明高壓回路中流經微通道的電流非常小，當電流平穩(wěn)以后，向微通道加入10.0mmol/L的NaCl置換溶液，微通道中的電流值開始上升，即圖6中電壓值開始逐漸上升，當達到一定值時，電壓值重新趨于平穩(wěn)，表明微通道內溶液置換完成，即微通道內已為10.0mmol/L的NaCl溶液。通過LabVIEW波形圖控件[12]的圖形工具選板對圖6中的兩個拐點(置換開始點和結束點)進行縮放，同時通過操作波形圖控件的游標圖例讀取兩個拐點處的值，得到置換開始時間點t0約為71s、置換結束時間點t1約為86s，即微通道內溶液置換時間Δt=t1-t0=15s，此時外加電壓為2kV。

類似地，當電壓為800、1 200、1 600、2 000、2 400V時，通過重復上述實驗步驟得到微通道內B種溶液置換A種溶液的置換時間分別為43、32、19、15、13s，則EOF平均速度實驗數據見表1，把表1中第一列、第三列分別作為二維平面圖的橫、縱坐標，即得到EOF平均速度與電場強度的關系(圖7)。

表1 EOF平均速度實驗數據

圖7 EOF平均速度與電場強度的關系

5 結束語

筆者基于電流檢測法，采用LabVIEW和MSP430F149設計了數據采集系統，完成了對電滲流流速的檢測，并研究了電滲流速度隨電場強度變化的關系，實驗結果表明：當置換前后的A、B兩種溶液濃度不變時，通過微通道的電滲流平均速度隨電場強度增大而加快，并近似呈線性關系。

[1] 林炳承.微納流控芯片實驗室[M].北京:科學出版社,2013.

[2] 晁侃.微流控系統調控電滲流和熱效應數值研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[3] 陳煒,魏守水,吳浩,等.超聲行波微流體驅動圓環(huán)模型分析[J].壓電與聲光,2010,32(4):704～708.

[4] 顧雯雯.集成介電電泳檢測芯片系統關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學,2012.

[5] 林炳承,秦建華.圖解微流控芯片實驗室[M].北京:科學出版社,2008.

[6] 李鳴,李輝,楊大勇.微流體電滲泵數字高壓直流電源[J].儀表技術與傳感器,2011,(12):86～88.

[7] Eriko F,Yuki Y,Sachio Y,et al.Partial Filling Affinity Capillary Electrophoresis Using Large-volume Sample Stacking with an Electroosmotic Flow Pump for Sensitive Profiling of Glycoprotein-derived Oligosaccharides[J].J Chromatogr A,2012,1246:84～89.

[8] Cuifang K,Rui Q,Guiren W.Ultrafast Measurement of Transient Electroosmotic Flow in Microfluidics[J]. Microfluidics and Nanofluidics,2011,11(3):353～358.

[9] 陳肇娜,劉寶紅,吳會靈,等.微流控免疫芯片檢測方法的研究進展[J].高等學?；瘜W學報,2011,32(5):1001～1007.

[10] 吳懷超,周勇,趙麗梅.基于匯編語言的MSP430單片機與上位機間串行通訊的實現[J].儀表技術與傳感器,2010,(6):75～77.

[11] 周金治,徐霞,趙海霞.基于MSP430的嵌入式系統開發(fā)與應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013.

[12] 何玉鈞,高會生.LabVIEW虛擬儀器設計教程[M].北京:人民郵電出版社,2012.