基于移動龍門架和卡扣式點樣頭的微陣列傳感器制備系統(tǒng)設(shè)計

朱婷婷，易 鑫，陳 敏

（1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042；2.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院腫瘤科，重慶400016；3.陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院檢驗科，重慶 400042）

0 引言

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，生物檢驗或醫(yī)學(xué)檢測中出現(xiàn)了一種微陣列傳感器，通過模擬人的嗅覺和味覺系統(tǒng)，利用多個化學(xué)物質(zhì)或生物大分子組成的陣列式傳感器與目標(biāo)分析物產(chǎn)生交叉響應(yīng)，實現(xiàn)對多種物質(zhì)的檢測與識別[1]。這種新型陣列式傳感器在微量級目標(biāo)分析物識別中展示出了高選擇性、高特異性的特點，特別是基于生物酶的微陣列式傳感器還具有良好的生物相容性和快速降解能力。因此，可以大膽預(yù)測這類微陣列傳感器將會廣泛地用于未來的食品安全檢測、生物實驗技術(shù)、醫(yī)學(xué)檢測等多種用途中[2-5]。

目前，微陣列傳感器主要分為陣列式化學(xué)傳感器和以蛋白以及基因為主的微陣列式生物傳感器。Suslick等利用卟啉類化合物所構(gòu)建的光化學(xué)比色微陣列傳感器如圖1所示，該微陣列傳感器可以通過反應(yīng)前后的顏色差值圖譜（也叫作指紋圖譜）來表征目標(biāo)分析物的特征信息[6]。微陣列傳感器屬于一次性使用物品，往往需要大量制備。此外，這類傳感器往往還具備以下特點[7]：（1）多樣性。根據(jù)目標(biāo)分析物的響應(yīng)差異，傳感器單元所使用的化學(xué)或生物試劑有所差異，且陣列尺寸也有所區(qū)別（如 3×3、5×5 等）。（2）不穩(wěn)定性。傳感器單元所使用的化學(xué)或生物試劑大多數(shù)具有腐蝕性或者易揮發(fā)等特點，而且極易受到外界環(huán)境干擾。（3）一致性。由于檢測精度[8]的要求，傳感器單元的尺寸一致性直接影響后期模式識別的準(zhǔn)確性。

圖1 微陣列傳感器交叉響應(yīng)示意圖（單位：mm）

鑒于上述特點，微陣列傳感器的制備顯得極其重要。目前，市面可用的微陣列傳感器制備裝置或生物芯片點樣儀只能制備單一對象的傳感器，無法滿足微陣列傳感器的多樣性要求。為保證微陣列傳感器的尺寸一致性要求，此類傳感器的制備當(dāng)前主要以手工點樣為主。手工點樣不僅制備效率低，還容易引入人為誤差，進(jìn)而影響微陣列傳感器的功能特性[9]。針對上述現(xiàn)狀，本研究基于移動龍門架和卡扣式點樣頭結(jié)構(gòu)，結(jié)合計算機(jī)并口控制系統(tǒng)設(shè)計了一種微陣列傳感器制備系統(tǒng)。本系統(tǒng)制備的微陣列傳感器尺寸一致性優(yōu)良，可滿足點樣對象多樣化的需求，為微陣列傳感器的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

結(jié)合微陣列傳感器的特點，本文設(shè)計的制備系統(tǒng)主要由計算機(jī)，由龍門架組成的X、Y、Z三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)，點樣頭，試劑槽以及密封罩等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。首先，移動龍門式的機(jī)械結(jié)構(gòu)有助于點樣頭在X、Y、Z三軸方向的平穩(wěn)移動，實現(xiàn)陣列式傳感器的大規(guī)模制備。其次，基于計算機(jī)并口的三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)通過高穩(wěn)定、高精度的移動可保證所制備微陣列傳感器尺寸的一致性。最后，點樣頭采用雙卡扣固定方式，只需要更換對應(yīng)尺寸的點樣頭或陣列板就可以實現(xiàn)多對象、多尺寸微陣列傳感器的制備，提高了使用的靈活性。

圖2 微陣列傳感器制備系統(tǒng)整體示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 移動龍門式結(jié)構(gòu)

如圖2（a）所示，制備系統(tǒng)密封罩固定于底座，由底座內(nèi)部的底盤所伸出的左右立柱和橫梁組成了類似門框的龍門式結(jié)構(gòu)，其中位于橫梁上的X軸控制機(jī)構(gòu)帶動機(jī)械滑臺在X軸方向上移動，底座內(nèi)的Y˙軸控制機(jī)構(gòu)則實現(xiàn)龍門架在Y軸方向的移動，在機(jī)械滑臺上的點樣頭則通過機(jī)械滑臺內(nèi)部的Z軸控制機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上下移動。

機(jī)械結(jié)構(gòu)是制備系統(tǒng)的精度、速度以及某些功能的重要決定因素[10]。本制備系統(tǒng)所采用的龍門架的雙支撐結(jié)構(gòu)區(qū)別于單支撐和懸臂結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和剛度，工程應(yīng)用廣泛，有助于微陣列傳感器制備過程的速度與精度的控制，有利于一致性要求的實現(xiàn)。這種龍門式的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)X、Y、Z軸3個方向上的運(yùn)動控制，有利于微陣列傳感器的大規(guī)模制備。另外，充滿惰性氣體的密封罩可以保證微陣列傳感器制備過程中不受外界氣體污染，并且其內(nèi)部設(shè)計的溫濕度監(jiān)控為微陣列傳感器的制備提供了穩(wěn)定的環(huán)境條件。

2.2 卡扣式點樣頭

如圖2（b）所示，點樣頭由卡扣板、卡扣件、陣列板、插銷、點樣針和配重件等組成，其中卡扣板、卡扣件、陣列板和插銷組合均為卡扣式固定方式。通過插銷更換所需尺寸（如 3×3、5×5陣列等）的陣列板，就可以實現(xiàn)多尺寸微陣列傳感器的制備。通過卡扣板和卡扣件可以實現(xiàn)點樣頭的整體拆卸，有利于點樣頭的更換和清洗。這種雙卡扣式結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅可以滿足微陣列傳感器的多樣性要求，還能夠提高本系統(tǒng)使用的靈活性。

3 單機(jī)式數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序?qū)崿F(xiàn)部分或全部數(shù)值控制功能，且配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)，主要分為單機(jī)式結(jié)構(gòu)和主從式結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點。考慮現(xiàn)在的軟、硬件支持，本系統(tǒng)采用基于計算機(jī)并行端口控制的單機(jī)式結(jié)構(gòu)，結(jié)合VC++6.0設(shè)計友好的人機(jī)交互界面。

除了系統(tǒng)初始化以及硬件通信功能之外，整個系統(tǒng)的軟件功能主要包括3個部分：自動化點樣、手動點樣、點樣針清洗。自動化點樣是程序設(shè)計需要實現(xiàn)的系統(tǒng)核心功能；手動點樣主要是針對人為自定義的數(shù)據(jù)輸入實現(xiàn)點樣的控制；點樣針清洗主要是對點樣針進(jìn)行清洗。整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 微陣列傳感器制備系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3.1 計算機(jī)并行端口

計算機(jī)單機(jī)控制主要是計算機(jī)并行端口直接控制系統(tǒng)三軸控制機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動電路而實現(xiàn)點樣裝置的自動化。計算機(jī)并行端口是PC機(jī)符合早期并行打印機(jī)適配器規(guī)范的端口，端口的讀寫都是通過I/O口寄存器來進(jìn)行控制的，因此并行端口也是PC機(jī)基本的3個I/O口之一。可以通過程序設(shè)計來控制各個針腳的輸入或者輸出信號來模擬通信時序，如IIC、JTAG、SPI等。實際上，PC系統(tǒng)由于安全性的考慮，禁止用戶直接訪問這些I/O口。因此，需要通過設(shè)備驅(qū)動程序（Windows API調(diào)用）或者改變核心優(yōu)先級別的方式來讀寫I/O口。本研究使用WinIo函數(shù)庫來實現(xiàn)并行端口的讀寫。

本制備系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是基于VC++6.0的MFC類庫搭建的，因此需要進(jìn)行如下配置：首先，將WinIo.h和WinIo.lib 2個文件拷貝在工程根目錄下。然后，將 WinIo.vxd、WinIo.sys、WinIo.dll 3個文件拷貝到工程Debug子目錄下，并依次打開工作區(qū)File-View、Header Files、StdAfx.h文件，在最后面添加頭文件：#include"winio.h"。最后，連接Winio.lib庫文件，并初始化WinIo驅(qū)動庫。通過如上操作可以在主函數(shù)中調(diào)用WinIo函數(shù)庫中的讀端口值函數(shù)Get－PortVal()和寫端口值函數(shù)SetPortVal()來實現(xiàn)并行端口對應(yīng)端口的讀寫。

3.2 并行端口脈沖信號程序設(shè)計

本制備系統(tǒng)的三軸控制機(jī)構(gòu)采用步距角為1.8°、絲桿導(dǎo)程為4 mm的57HS56-3004A兩相直流步進(jìn)電動機(jī)。該步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路的細(xì)分?jǐn)?shù)為800，因此控制系統(tǒng)每前進(jìn)1 mm需要40 000個步進(jìn)。為了保證制備過程中點樣頭的平穩(wěn)性和點樣精度，以2 mm/s的移動速率來考慮，則必須通過控制程序使并行端口產(chǎn)生超過8 kHz的脈沖信號才能滿足控制系統(tǒng)要求。

產(chǎn)生上千赫茲的脈沖信號需要精確到微秒級別的計時器，因此系統(tǒng)使用VC++6.0中的bool Query-PerformanceFrequency(LARGE_INTEGER*lpFrequency)函數(shù)和 bool QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER*lpCount)函數(shù)來產(chǎn)生高頻脈沖信號。函數(shù)中的LARGE_INTEGER數(shù)據(jù)類型是一個8 B長度的整型數(shù)據(jù)，也能夠是2個4 B長度整型數(shù)據(jù)的聯(lián)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)的編譯器支持64 bit運(yùn)算時，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中成員QuadPart存儲64 bit整型數(shù)據(jù)。否則，使用成員LowPart和HighPart共同存儲64 bit整型數(shù)據(jù)。

整個制備系統(tǒng)通過并行端口產(chǎn)生脈沖信號的基本流程如下：首先，利用QueryPerfomraneeFrquency()函數(shù)獲得計算機(jī)主板計時器的時鐘頻率（其值存儲于h變量）。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的步進(jìn)電動機(jī)移動速率v，并行端口產(chǎn)生的脈沖信號的頻率至少需要4 000v以上，脈沖周期約為T=1/（4 000v）。因此，通過Query PerformanceCounter()函數(shù)獲得脈沖信號開始前后的計數(shù)值，分別存儲于start.QuadPart變量和end.Quad－Part變量。最后，通過公式（1）來控制高低電平的時間，以獲得所需的占空比的脈沖信號。

PC高精度定時器所產(chǎn)生的脈沖信號以及基于高細(xì)分?jǐn)?shù)兩相直流步進(jìn)電動機(jī)的三軸控制系統(tǒng)為制備系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定性提供了軟硬件基礎(chǔ)，是實現(xiàn)大規(guī)模制備尺寸一致性優(yōu)良的微陣列傳感器的前提保障。

產(chǎn)生高頻脈沖信號的部分程序代碼如下：

3.3 人機(jī)界面設(shè)計

用戶端界面設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)的軟件功能提供一個友好的人機(jī)交互界面，引導(dǎo)用戶進(jìn)行功能操作即能觸發(fā)一系列動作，進(jìn)而實現(xiàn)用戶所要求的功能。本制備系統(tǒng)基于VC++6.0的MFC架構(gòu)搭建了人機(jī)交互界面，如圖4所示，其主要包括系統(tǒng)狀態(tài)、手動點樣和自動點樣三大主要模塊。

圖4 系統(tǒng)人機(jī)交互界面示意圖

如圖4所示，系統(tǒng)狀態(tài)模塊可以實現(xiàn)系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止、點樣針清洗、手動點樣、自動點樣等狀態(tài)切換。手動點樣模塊可以實現(xiàn)X、Y、Z三軸的單軸運(yùn)動以及回零運(yùn)動等。自動點樣模塊則根據(jù)用戶自定義設(shè)置完成點樣，同時設(shè)置了進(jìn)度條提示當(dāng)前點樣進(jìn)度，可避免程序卡死。

4 系統(tǒng)點樣測試

如圖5所示，通過本制備系統(tǒng)和手工點樣2種方式分別制備20個相同的微陣列傳感器，然后基于自主研發(fā)的嵌入式氣體檢測系統(tǒng)[11]分別使用這2種方式所制備的微陣列傳感器與目標(biāo)分析氣體進(jìn)行充分反應(yīng)。最后通過統(tǒng)計對比2種微陣列傳感器的制備時間、尺寸一致性以及響應(yīng)強(qiáng)度來反映本制備系統(tǒng)的實際點樣效果。

圖5 點樣效果測試示意圖

4.1 制備時間

對于同等尺寸、同等數(shù)量規(guī)模的微陣列傳感器制備，本文所設(shè)計的制備系統(tǒng)所消耗的時間大大縮短，僅僅約為手工點樣消耗時間的1/8，詳見表1。

表1 2種方式的制備時間對比

4.2 尺寸一致性

Askim等[7]明確指出微陣列傳感器單元的形態(tài)是影響其功能的重要因素之一。因此，統(tǒng)計了2種制備方式下對應(yīng)編號傳感器單元的直徑分布示意圖，如圖6所示。不同微陣列傳感器、同一編號傳感器單元的直徑分布結(jié)果表明，本制備系統(tǒng)制備的傳感器單元的直徑分布一致性均優(yōu)于手工點樣。同一微陣列傳感器、不同編號傳感器單元的直徑分布結(jié)果表明，本制備系統(tǒng)所制備的傳感器單元的直徑分布結(jié)果為（39.84±0.77）像素，優(yōu)于手工點樣的直徑分布結(jié)果[（43.65±1.95）像素]。

圖6 2種方式制備的傳感器單元的直徑分布示意圖

4.3 響應(yīng)強(qiáng)度

為了有效評價2種方式所制備的微陣列傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度，通過公式（2）獲取充分反應(yīng)后微陣列傳感器中所有敏感單元ΔRGB值的歐氏距離之和來表征響應(yīng)強(qiáng)度IR：

式中，n為敏感傳感器單元的數(shù)目。

本系統(tǒng)所制備的微陣列傳感器的敏感傳感器單元數(shù)目和響應(yīng)強(qiáng)度均優(yōu)于手工點樣，詳見表2。這是由于本制備系統(tǒng)制備效率提高，避免了傳感器單元化學(xué)試劑的揮發(fā)以及人工污染。不管是對于所有敏感點，還是2種方式的共有敏感點，本制備系統(tǒng)所制備的微陣列傳感器的相應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性均優(yōu)于手工點樣。另外，顏色作為微陣列傳感器的重要信息，表2的結(jié)果實際上還在某種程度上反映了本制備系統(tǒng)所制備的微陣列傳感器在顏色發(fā)散程度一致性方面的優(yōu)點。

表2 2種方式所制備微陣列傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度對比

5 結(jié)語

本文設(shè)計的微陣列傳感器制備系統(tǒng)通過基于移動龍門式的三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)可控環(huán)境下微陣列傳感器的大規(guī)模制備，其卡扣式的點樣頭結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)多類、多尺寸微陣列傳感器的制備，提高了本系統(tǒng)使用的靈活性，點樣對象多樣化得到了保證。同時結(jié)合計算機(jī)并行端口的單機(jī)式數(shù)控系統(tǒng)保證了整個運(yùn)動控制系統(tǒng)的高穩(wěn)定、高精度，確保了微陣列傳感器尺寸的一致性。當(dāng)然，本系統(tǒng)還存在一些不足，如目前制備效率受毛細(xì)點樣針的單次取液量限制、計算機(jī)控制使整個系統(tǒng)略顯臃腫等。后期的研究中，考慮采用液壓噴墨式點樣頭，整個系統(tǒng)采用嵌入式集成等?？傮w來說，整個制備系統(tǒng)簡單實用、穩(wěn)定可靠、人機(jī)交互界面友好，對微陣列傳感器在醫(yī)學(xué)檢測、生物分析等場景下的大規(guī)模應(yīng)用具有重要的參考價值。