基于SOPC的低電壓電泳芯片系統(tǒng)平臺設(shè)計

　　1 　引　言

　　生物芯片的控制、檢測與分析是生物芯片技術(shù)中的重要組成部分，最早的應(yīng)用起源于毛細管電泳芯片的檢測，其目的是實現(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管電泳技術(shù)移植到以玻璃、硅、有機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，在較高的場強下完成快速、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、進樣、分離、檢測多為分離組裝式，實驗室局限性強，不適應(yīng)在芯片上完成化學反應(yīng)及檢測、分析的發(fā)展。為此近年來，設(shè)計開發(fā)低電壓、便攜式、高集成度的生物芯片控制與檢測系統(tǒng)一直以來是研究人員研究的熱點[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)計技術(shù)在低電壓毛細管電泳芯片 (Low Voltage Integrated Capillary Electrophoresis Chip, LVICEC)控制與采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　2 LVICEC運動梯度電勢控制原理

　　毛細管電泳芯片通常以玻璃、石英、硅、塑料等為基質(zhì)，運用MEMS加工技術(shù)刻蝕出直徑為微米級的通道網(wǎng)絡(luò)，在這些網(wǎng)絡(luò)中，以電場為驅(qū)動力，根據(jù)不同離子、分子、以及細胞在電場作用下運動速度的不同，對混合物(離子、分子、細胞等)實現(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、運動式交替施加分離電壓，在較短長度的分離通道上采用低電壓供電方式得到較高電場分布，其控制原理及運動模型見圖1所示。

　　設(shè)分離電壓為Ｖ，初始分離間距為2a， 分別為第j 次所加的場強、循環(huán)次數(shù)、電壓施加的時間及第j次分離完成后的總分離長度。分離過程中，首先在分離電極陣列1，3之間施加電壓Ｖ(E1＝V/2a),驅(qū)動樣品組分向正方向運動，在恒定的時間t1段內(nèi)，以恒定的電場強度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為控制時間和分離場強的第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度E2＝V/3a進入控制時間為t2分離場強為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，從而形成運動的梯度電勢完成樣品組分的分離。

圖1 低電壓毛細管電泳芯片控制原理及運動模型示意圖

　　3 低電壓電泳芯片系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案

　　系統(tǒng)的設(shè)計思想是先通過負壓進樣后，在低電壓運動控制器的作用下，分段、交替輸出分離電壓到分離電極上，形成一定的運動梯度電場，待分離組分在梯度電場的作用下，呈現(xiàn)出不同的分離速率，后經(jīng)檢測器處的信號采集電路，在NIOSII處理器的控制下將電泳信號保存到存儲器中，通過一定的信息輸出方式，最終將電泳信號傳到PC機中，進行后續(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、負壓進樣控制電路、低電壓運動電壓控制模塊、電泳信號采集及處理電路模塊、SDRAM存儲器、閃速存儲器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)平臺硬件的總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

　　低電壓毛細管電泳芯片采用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)檢測器，在玻璃蓋片上經(jīng)清洗、烘干、負膠光刻、濕法腐蝕、去膠、清洗、烘干等工藝后形成緩沖池、進樣溝道以及分離溝道，最后經(jīng)玻-玻鍵合制備而成。