基于QCM傳感器的生物芯片檢測電路的設(shè)計(jì)

石英晶體振蕩頻率對晶體表面質(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級的質(zhì)量檢測能力，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晶體所處體系密度和粘度變化的高度敏感性來檢測體系性狀的改變。QCM凝血傳感器通過紅細(xì)胞阻抗特性的變化引起傳感器的響應(yīng)來檢測紅細(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，即采用8套完全相同的以MAX913芯片為核心的振蕩器，通過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，分別送到4個(gè)差頻器74LS74的CLK端。經(jīng)過4個(gè)差頻器74LS74差頻后的頻率信號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)，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。記下的差頻頻率通過8位數(shù)據(jù)線送到51單片機(jī)AT89S52，同時(shí)AT89S52對EPM570GT100C3控制，以選擇哪個(gè)通道，AT89S52處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過232串口送到上位機(jī)。

以一個(gè)通道為例來進(jìn)行基于QCM傳感器的生物芯片檢測電路的設(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，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采集。測量用QCM振蕩電路輸出的方波信號送入差頻器74LS74的D端，參考用高精度6M晶振輸出的方波信號送入差頻器74LS74的CLK端，得到的差頻信號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