本發明專利技術公開了一種芯片級PCR-LVCE集成系統，包括芯片級PCR-LVCE微流控芯片、芯片級PCR-LVCE檢測、控制接口電路以及基于SOPC技術芯片級PCR-LVCE的檢測、控制系統；集成系統在NIOSII軟核處理器控制，控制相關接口電路實現待分析試樣微混合，PCR反應擴增不同溫區的快速切換及溫度精準控制，LVCE芯片內微流體液向判別，并在LVCE分離微通道上形成運動的變化場強，實現待測試樣不同組分的電泳分離及電化學檢測。本發明專利技術具有快捷、簡便、集成化程度高等優點，能有效提高檢測效率，且擴展性、實時性、安全性相對于現有技術均有提高，可廣泛用于生化、醫學、環境、刑偵等領域。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及微機電系統、電化學檢測以及可編程片上系領域，具體設計一種芯片級PCR-LVCE檢測、控制集成系統。
技術介紹
以微機電系統(MEMS)的微細加工技術為基礎發展的微流控芯片因其具有高集成度、高效、快速、微量等優點在生命科學、生化檢測以及環境保護等領域得到了廣泛的關注，已成為分析科學的研究前沿熱點之一。微全分析系統(Miniaturized Total AnalysisSystems, uTAS)是微流控芯片最終的發展方向，uTAS是實現生化分析系統從試樣處理到檢測的集成化、自動化與便攜化，即將試樣的采集、預處理、反應、分離、檢測等部分集成在幾平方至十幾平方厘米的微流控芯片上，并在特定的輔助電路控制下，從而高效、快速地實現試樣的分離、分析與檢測。近年來，針對于微流控芯片的研究主要包含微混合芯片、微分離芯片(毛細管電泳CE芯片)和微反應芯片(PCR微流控芯片)三類，且研究通常為單一功能區塊，從而限制了微流控芯片的應用范圍，不利于微流控芯片朝著微全分析系統方向發展。如現有PCR微流控芯片中缺少實時檢測，常規芯片電泳工作電壓一般在(I 5) kV左右，芯片工作電壓高、存在嚴重的安全隱患、不適應芯片上完成化學反應及分析等問題。為此，以PCR微流控芯片技術為基礎，深入開展芯片上微進樣、微混合、溫度精準控制、低電壓驅動芯片電泳分離以及芯片上實時電化學檢測，即芯片級PCR-LVCE的一體化功能集成，對于進一步研究微流控芯片技術在生物、化學分析等領域的應用具有十分重要的意義。實現微流控芯片的檢測、控制，通常采用硬核處理器，或者固核處理器實現，如單片機、ARM處理器，所設計的 電路無論是在其規模、體積、功耗、上市周期、開發成本、產品維護，還是硬件升級等諸多方面都難以實現最優化。因此，為了克服PCR微流控芯片、常規芯片電泳分離中存在的問題以及契合微型全分析系統要求自動化、集成化、便攜化的特點，急需一種基于片上可編程系統(System OnProgrammable Chip, SOPC)技術構建芯片級PCR-LVCE集成系統。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術所要解決的技術問題是提供一種基于片上可編程系統技術構建芯片級PCR-LVCE集成系統。本專利技術的目的是這樣實現的: 本專利技術提供的芯片級PCR-LVCE集成系統，包括芯片級PCR-LVCE微流控芯片、芯片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路、芯片級PCR-LVCE檢測及控制系統； 所述芯片級PCR-LVCE微流控芯片，用于實現待分析試樣的微混和、PCR反應擴增和/或電泳分離及電化學檢測；所述芯片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路連接在芯片級PCR-LVCE檢測及控制系統和芯片級PCR-LVCE微流控芯片之間，用于將芯片級PCR-LVCE檢測及控制系統中產生的控制信號傳輸到芯片級PCR-LVCE微流控芯片中，從而實現芯片級PCR-LVCE微流控芯片內待分析試樣的微流體混合、運行、控制、PCR反應擴增和液相流向判別，并在電泳分離通道上形成運動的變化場強，實現待分析試樣不同組分的電泳分離及電化學檢測； 所述芯片級PCR-LVCE檢測及控制系統，用于產生芯片級PCR-LVCE微流控芯片實現待分析試樣的微混和、PCR反應擴增和/或電泳分離及電化學檢測功能的控制信號。進一步，所述芯片級PCR-LVCE微流控芯片包括微混合器、靜態微腔型PCR芯片、低電壓驅動電泳芯片、集成在電泳分離通道內的液相方向傳感器及四電極非接觸電導檢測器； 所述微混合器，用于將待分析試樣和緩沖液進行微混合； 所述靜態微腔型PCR芯片，用于對待分析試樣進行擴增放大； 所述低電壓驅動電泳芯片，用于對待分析試樣進行進樣、電泳分離和非接觸電導檢測； 進一步，所述芯片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路包括微泵及微閥控制電路、陣列電極控制電路、微流體方向檢測電路、微電導檢測器電路、PCR芯片溫度檢測電路、PCR芯片溫度控制電路、多路電子 開關及ADC電路； 所述微泵及微閥控制電路，用于控制微混合器、靜態微腔型PCR芯片中待分析試樣的進樣和出樣； 所述陣列電極控制電路，用于在微通道上形成分段、運動的變化電場； 所述微流體方向檢測電路，用于檢測微通道內液體流向信號； 所述微電導檢測器電路，用于實現待分析試樣不同組分的微弱電導信號幅度檢測； 所述PCR芯片溫度檢測電路，用于獲取靜態微腔型PCR芯片溫度信號； 所述PCR芯片溫度控制電路，用于控制靜態微腔型PCR芯片微加熱器的溫度； 所述多路電子開關及ADC電路，用于通過多路電子開關來實現靜態微腔型PCR芯片溫度檢測信號、低電壓驅動電泳芯片微電導檢測信號以及微通道內液體流向檢測信號的輪流檢測； 所述四電極非接觸電導檢測器，用于對待分析試樣在電泳分離后的不同組分進行電化學檢測。進一步，所述微流體方向檢測電路包括液相方向傳感器、DDS信號源、前置放大電路、正交矢量型鎖定放大器； 所述液相方向傳感器，用于判別低電壓驅動電泳芯片中微通道內待分析試樣的流向；所述DDS信號源，用于輸出正交矢量型鎖定放大器檢測所需的正交信號，所述正交信號包括兩路幅度相同且相位相差90度的正弦信號和用于激勵陣列電極控制所需的四相位正交信號，所述四相位正交信號為幅度相同且相位依次相差90度的四路信號； 所述前置放大電路，用于放大液相方向傳感器中動態電容變化量； 所述正交矢量型鎖定放大器，用于檢測出液相方向傳感器動態電容變化量經前置放大電路放大后的信號變化幅度及相角。進一步，所述微電導檢測器電路包括微電導檢測器、前置放大電路、數字帶通濾波器、模擬乘法器、數字低通濾波器，實現待測試樣不同組分微弱電導信號幅度檢測；所述微電導檢測器，用于實現待分析試樣不同組分的微弱電導信號幅度檢測； 所述前置放大電路，用于實現對微電導檢測器檢測電極所檢測的信號進行放大； 所述數字帶通濾波器，用于實現檢測信號經放大后的濾波處理并濾除干擾雜波； 所述模擬乘法器，用于實現檢測信號與激勵同頻參考信號的相乘； 所述數字低通濾波器，用于通過濾除模擬乘法器輸出高頻成分來獲取模擬乘法器輸出的低頻信號。 進一步，所述PCR芯片溫度檢測電路包括PCR溫度傳感電極、電壓一電流轉換型恒流源、前置放大電路、數字帶通濾波器； 所述PCR溫度傳感電極，用于獲取靜態微腔型PCR芯片的溫度變化信號； 所述電壓一電流轉換型恒流源，用于提供穩定的恒流源； 所述前置放大電路，用于放大溫度變化信號； 所述數字帶通濾波器，用于濾除經過前置放大電路輸出信號的干擾雜波。進一步，所述芯片級PCR-LVCE檢測及控制系統包括脈沖寬度調制PWM控制器、Avalon流模式采集控制器、陣列電路控制器、微泵及微閥控制器、四相位DDS模塊、SDRAM控制器、Flash控制器、USB2.0控制器、Keyboard控制器、LCD控制器和NIOSII軟核處理器； 所述脈沖寬度調制PWM控制器，用于控制靜態微腔型PCR芯片微加熱器的溫度； 所述Avalon流模式采集控制器，用于采集溫度檢測信號、微電導檢測信號以及液向檢測信號； 所述陣列電路控制器，用于控制陣列電極上電順序，以實現在微分離通道上形成分段、運動的變化電場； 所述微泵本文檔來自技高網...
【技術保護點】
芯片級PCR?LVCE集成系統，其特征在于：包括芯片級PCR?LVCE微流控芯片、芯片級PCR?LVCE檢測及控制接口電路、芯片級PCR?LVCE檢測及控制系統；所述芯片級PCR?LVCE微流控芯片，用于實現待分析試樣的微混和、PCR反應擴增和/或電泳分離及電化學檢測；所述芯片級PCR?LVCE檢測及控制接口電路連接在芯片級PCR?LVCE檢測及控制系統和芯片級PCR?LVCE微流控芯片之間，用于將芯片級PCR?LVCE檢測及控制系統中產生的控制信號傳輸到芯片級PCR?LVCE微流控芯片中，從而實現芯片級PCR?LVCE微流控芯片內待分析試樣的微流體混合、運行、控制、PCR反應擴增和液相流向判別，并在電泳分離通道上形成運動的變化場強，實現待分析試樣不同組分的電泳分離及電化學檢測；所述芯片級PCR?LVCE檢測及控制系統，用于產生芯片級PCR?LVCE微流控芯片實現待分析試樣的微混和、PCR反應擴增和/或電泳分離及電化學檢測功能的控制信號。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：廖紅華，徐建，廖宇，方芳，高林，
申請(專利權)人：湖北民族學院，
類型：發明
國別省市：
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