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基于SOPC的低电压电泳芯片系统平台设计

作者:时间:2009-05-12来源:网络收藏

  1  引 言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/192054.htm

  生物芯片的控制、检测与分析是生物芯片技术中的重要组成部分,最早的应用起源于毛细管的检测,其目的是实现基因片段的分离。从的研究现状可以看出,目前研究主要是将毛细管电泳技术移植到以玻璃、硅、有机物等材料为基片的芯片中。利用电泳较短的分离沟道和良好的散热特性,在较高的场强下完成快速、高效的分离分析。但由于其工作电压高(一般在几千伏左右)、体积较大、进样、分离、检测多为分离组装式,实验室局限性强,不适应在芯片上完成化学反应及检测、分析的发展。为此近年来,设计开发、便携式、高集成度的生物芯片控制与检测一直以来是研究人员研究的热点[1-4]。本文着重讨论了基于Altera公司FPGA的嵌入式处理器NiosII内核及软、硬件设计技术在毛细管 (Low Voltage Integrated Capillary Electrophoresis Chip, LVICEC)控制与采集中的应用。

  2 LVICEC运动梯度电势控制原理

  毛细管电泳芯片通常以玻璃、石英、硅、塑料等为基质,运用MEMS加工技术刻蚀出直径为微米级的通道网络,在这些网络中,以电场为驱动力,根据不同离子、分子、以及细胞在电场作用下运动速度的不同,对混合物(离子、分子、细胞等)实现分离。通常采用的电泳电压为高电压,如Jacobson等所采用的 35KV/cm。较高的分离电压制约了电泳芯片向集成化、便携式、低成本的方向发展[5]。而分离的思想在于,在电泳分离的通道上,按一定控制算法,分段、运动式交替施加分离电压,在较短长度的分离通道上采用低电压供电方式得到较高电场分布,其控制原理及运动模型见图1所示。

  设分离电压为V,初始分离间距为2a, 分别为第j 次所加的场强、循环次数、电压施加的时间及第j次分离完成后的总分离长度。分离过程中,首先在分离电极阵列1,3之间施加电压V(E1=V/2a),驱动样品组分向正方向运动,在恒定的时间t1段内,以恒定的电场强度E1将电压V施加在2,4分离电极阵列之间,依次类推,直至以t1和E1为控制时间和分离场强的第1阶段的循环次数c1结束,然后增加电压所施加的长度E2=V/3a进入控制时间为t2分离场强为E2循环次数为c2的第2阶段,如此递推,在分离通道上分段、交替循环地施加分离电压,从而形成运动的梯度电势完成样品组分的分离。

低电压毛细管电泳芯片控制原理及运动模型示意图

图1 低电压毛细管电泳芯片控制原理及运动模型示意图

  3 低电压电泳芯片系统硬件平台的设计

  3.1 系统硬件的设计方案

  系统的设计思想是先通过负压进样后,在低电压运动控制器的作用下,分段、交替输出分离电压到分离电极上,形成一定的运动梯度电场,待分离组分在梯度电场的作用下,呈现出不同的分离速率,后经检测器处的信号采集电路,在NIOSII处理器的控制下将电泳信号保存到存储器中,通过一定的信息输出方式,最终将电泳信号传到PC机中,进行后续的电泳图谱分析与处理。基于的低电压电泳芯片控制与采集硬件系统主要由低电压电泳芯片、负压进样控制电路、低电压运动电压控制模块、电泳信号采集及处理电路模块、SDRAM存储器、闪速存储器flash、操作控制输入电路、信息输出电路等部分组成。

  基于 的低电压电泳芯片系统平台硬件的总体设计方案如图2所示。

系统总体设计框图

图2 系统总体设计框图

  低电压毛细管电泳芯片采用MEMS加工技术,在ITO玻璃基片上经清洗、烘干、正胶光刻ITO图形、湿法腐蚀ITO薄膜、去胶、清洗、烘干等工艺后形成低电压微电极阵列及电导检测器,在玻璃盖片上经清洗、烘干、负胶光刻、湿法腐蚀、去胶、清洗、烘干等工艺后形成缓冲池、进样沟道以及分离沟道,最后经玻-玻键合制备而成。


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