基于SOPC的低電壓電泳芯片系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　1 　引　言

　　生物芯片的控制、檢測(cè)與分析是生物芯片技術(shù)中的重要組成部分，最早的應(yīng)用起源于毛細(xì)管電泳芯片的檢測(cè)，其目的是實(shí)現(xiàn)基因片段的分離。從電泳芯片的研究現(xiàn)狀可以看出，目前研究主要是將毛細(xì)管電泳技術(shù)移植到以玻璃、硅、有機(jī)物等材料為基片的芯片中。利用電泳系統(tǒng)較短的分離溝道和良好的散熱特性，在較高的場(chǎng)強(qiáng)下完成快速、高效的分離分析。但由于其工作電壓高（一般在幾千伏左右）、體積較大、進(jìn)樣、分離、檢測(cè)多為分離組裝式，實(shí)驗(yàn)室局限性強(qiáng)，不適應(yīng)在芯片上完成化學(xué)反應(yīng)及檢測(cè)、分析的發(fā)展。為此近年來(lái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)低電壓、便攜式、高集成度的生物芯片控制與檢測(cè)系統(tǒng)一直以來(lái)是研究人員研究的熱點(diǎn)[1-4]。本文著重討論了基于Altera公司FPGA的嵌入式處理器NiosII內(nèi)核及SOPC軟、硬件設(shè)計(jì)技術(shù)在低電壓毛細(xì)管電泳芯片 (Low Voltage Integrated Capillary Electrophoresis Chip, LVICEC)控制與采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　2 LVICEC運(yùn)動(dòng)梯度電勢(shì)控制原理

　　毛細(xì)管電泳芯片通常以玻璃、石英、硅、塑料等為基質(zhì)，運(yùn)用MEMS加工技術(shù)刻蝕出直徑為微米級(jí)的通道網(wǎng)絡(luò)，在這些網(wǎng)絡(luò)中，以電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)不同離子、分子、以及細(xì)胞在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的不同，對(duì)混合物(離子、分子、細(xì)胞等)實(shí)現(xiàn)分離。通常采用的電泳電壓為高電壓，如Jacobson等所采用的 35KV/cm。較高的分離電壓制約了電泳芯片向集成化、便攜式、低成本的方向發(fā)展[5]。而低電壓分離的思想在于，在電泳分離的通道上，按一定控制算法，分段、運(yùn)動(dòng)式交替施加分離電壓，在較短長(zhǎng)度的分離通道上采用低電壓供電方式得到較高電場(chǎng)分布，其控制原理及運(yùn)動(dòng)模型見(jiàn)圖1所示。

　　設(shè)分離電壓為Ｖ，初始分離間距為2a， 分別為第j 次所加的場(chǎng)強(qiáng)、循環(huán)次數(shù)、電壓施加的時(shí)間及第j次分離完成后的總分離長(zhǎng)度。分離過(guò)程中，首先在分離電極陣列1，3之間施加電壓Ｖ(E1＝V/2a),驅(qū)動(dòng)樣品組分向正方向運(yùn)動(dòng)，在恒定的時(shí)間t1段內(nèi)，以恒定的電場(chǎng)強(qiáng)度E1將電壓V施加在2，4分離電極陣列之間，依次類推，直至以t1和E1為控制時(shí)間和分離場(chǎng)強(qiáng)的第1階段的循環(huán)次數(shù)c1結(jié)束，然后增加電壓所施加的長(zhǎng)度E2＝V/3a進(jìn)入控制時(shí)間為t2分離場(chǎng)強(qiáng)為E2循環(huán)次數(shù)為c2的第2階段，如此遞推，在分離通道上分段、交替循環(huán)地施加分離電壓，從而形成運(yùn)動(dòng)的梯度電勢(shì)完成樣品組分的分離。

圖1 低電壓毛細(xì)管電泳芯片控制原理及運(yùn)動(dòng)模型示意圖

　　3 低電壓電泳芯片系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是先通過(guò)負(fù)壓進(jìn)樣后，在低電壓運(yùn)動(dòng)控制器的作用下，分段、交替輸出分離電壓到分離電極上，形成一定的運(yùn)動(dòng)梯度電場(chǎng)，待分離組分在梯度電場(chǎng)的作用下，呈現(xiàn)出不同的分離速率，后經(jīng)檢測(cè)器處的信號(hào)采集電路，在NIOSII處理器的控制下將電泳信號(hào)保存到存儲(chǔ)器中，通過(guò)一定的信息輸出方式，最終將電泳信號(hào)傳到PC機(jī)中，進(jìn)行后續(xù)的電泳圖譜分析與處理。基于SOPC的低電壓電泳芯片控制與采集硬件系統(tǒng)主要由低電壓電泳芯片、負(fù)壓進(jìn)樣控制電路、低電壓運(yùn)動(dòng)電壓控制模塊、電泳信號(hào)采集及處理電路模塊、SDRAM存儲(chǔ)器、閃速存儲(chǔ)器flash、操作控制輸入電路、信息輸出電路等部分組成。

　　基于SOPC 的低電壓電泳芯片系統(tǒng)平臺(tái)硬件的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　低電壓毛細(xì)管電泳芯片采用MEMS加工技術(shù)，在ITO玻璃基片上經(jīng)清洗、烘干、正膠光刻ITO圖形、濕法腐蝕ITO薄膜、去膠、清洗、烘干等工藝后形成低電壓微電極陣列及電導(dǎo)檢測(cè)器，在玻璃蓋片上經(jīng)清洗、烘干、負(fù)膠光刻、濕法腐蝕、去膠、清洗、烘干等工藝后形成緩沖池、進(jìn)樣溝道以及分離溝道，最后經(jīng)玻-玻鍵合制備而成。