基于QCM傳感器的生物芯片檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

石英晶體振蕩頻率對(duì)晶體表面質(zhì)量負(fù)載(質(zhì)量效應(yīng))和反應(yīng)體系物理性狀如密度、粘度、電導(dǎo)率等(非質(zhì)量效應(yīng))的改變高度敏感，具有亞ng級(jí)的質(zhì)量檢測(cè)能力，其靈敏度可達(dá)1ng／Hz。

QCM凝血傳感器屬于非質(zhì)量響應(yīng)型傳感器，利用石英晶體振蕩頻率變化對(duì)晶體所處體系密度和粘度變化的高度敏感性來(lái)檢測(cè)體系性狀的改變。QCM凝血傳感器通過(guò)紅細(xì)胞阻抗特性的變化引起傳感器的響應(yīng)來(lái)檢測(cè)紅細(xì)胞凝集時(shí)間和沉降速率。因此，利用基于QCM傳感器的生物芯片檢測(cè)技術(shù)，研制了凝血分析儀。

本系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為8通道QCM檢測(cè)，即采用8套完全相同的以MAX913芯片為核心的振蕩器，通過(guò)2個(gè)CD4069反相器反相后分別送到4個(gè)差頻器74LS74的D端，每一個(gè)差頻器74LS74內(nèi)部有2個(gè)D觸發(fā)器。2個(gè)6M高精度有源晶振分別經(jīng)時(shí)鐘芯片CDCV304后變成8個(gè)6M輸出信號(hào)，分別送到4個(gè)差頻器74LS74的CLK端。經(jīng)過(guò)4個(gè)差頻器74LS74差頻后的頻率信號(hào)送到可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口。EPM570GT100C3在這里做頻率計(jì)，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。記下的差頻頻率通過(guò)8位數(shù)據(jù)線送到51單片機(jī)AT89S52，同時(shí)AT89S52對(duì)EPM570GT100C3控制，以選擇哪個(gè)通道，AT89S52處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)232串口送到上位機(jī)。

以一個(gè)通道為例來(lái)進(jìn)行基于QCM傳感器的生物芯片檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，由于一個(gè)通道所使用的邏輯門比較少，因此選擇可編程邏輯器件EPM7128LC84-10。圖1所示是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

為了保證QCM在滴入生物試劑后能振蕩起來(lái)，必須采用一套比較特殊的自激振蕩器電路，普通的用反相器構(gòu)成的振蕩器電路不易起振，自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成的。在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，也是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，只有在石英晶體振蕩器的固有諧振頻率下才能滿足條件。根據(jù)這一原理，采用以MAX913芯片為核心的振蕩器，它的輸出是TTL電平，便于單片機(jī)或可編程邏輯器件的信號(hào)采集。測(cè)量用QCM振蕩電路輸出的方波信號(hào)送入差頻器74LS74的D端，參考用高精度6M晶振輸出的方波信號(hào)送入差頻器74LS74的CLK端，得到的差頻信號(hào)送入可編程邏輯器件進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用差頻的目的是為了降低輸入到可編程邏輯器件EPM7128的頻率。石英晶體振蕩及差頻電路如圖2所示。

圖2 石英晶體振蕩及差頻電路