李 輝 林 立 邱雄邇

(邵陽學(xué)院電氣工程系，湖南 邵陽 422000)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)民平均生活質(zhì)量的提高，對(duì)環(huán)境保護(hù)、食品檢測(cè)及醫(yī)藥臨床等諸多方面的相關(guān)精密檢測(cè)與控制技術(shù)的研究與開發(fā)提出了更高的要求。目前引入了國(guó)外的微型全分析技術(shù)和“芯片實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)，即在微芯片上實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物等實(shí)驗(yàn)室里的取樣、預(yù)處理、分離及檢測(cè)等功能[1]。而微流控技術(shù)是微型全分析技術(shù)和“芯片實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)的支撐技術(shù)之一，也是微流控系統(tǒng)原理功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵問題之一[2]。

微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體壓力、流量和方向的控制及多種試樣的混合等功能[2]。對(duì)于微流體的常見驅(qū)動(dòng)方式有壓力驅(qū)動(dòng)和電滲驅(qū)動(dòng)[3，4]，其中電滲驅(qū)動(dòng)是利用動(dòng)電現(xiàn)象中的雙電層(EDL)電勢(shì)，即在微通道兩端施加外加高壓直流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，使微通道內(nèi)形成電滲流(EOF)，其施加的電場(chǎng)強(qiáng)度通常在50～5 000V/cm之間，電流一般在1mA以下[5，6]。因此，對(duì)微流體的檢測(cè)與控制也是定性、定量操控微流體和“芯片實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和MSP430單片機(jī)的微流體流速快速檢測(cè)方法。

EOF一般用來驅(qū)動(dòng)和控制尺寸在100.0μm左右的通道內(nèi)的極性流動(dòng)液體，典型EOF的速度在10-8～10-6L/s，其傳輸特征流量都比較低(從nL/min到μL/min量級(jí))，鑒于此，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)已不再適用。目前EOF速度檢測(cè)方法主要有[7，8]：遷移速度法(熒光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光及表面等光學(xué)檢測(cè)方法)、流動(dòng)電勢(shì)法、稱重法和電流檢測(cè)法。其中簡(jiǎn)單、實(shí)用且應(yīng)用廣泛的電流檢測(cè)法，就是通過檢測(cè)試劑在電極上反應(yīng)所產(chǎn)生的氧化電流或還原電流來對(duì)待測(cè)試劑進(jìn)行檢測(cè)的[9]，其實(shí)質(zhì)就是將非電量(電滲流)轉(zhuǎn)換為電量(電流/電壓)，最終歸結(jié)于對(duì)電信號(hào)的檢測(cè)。

電滲先在微通道內(nèi)充滿A溶液，然后新的溶液(B溶液)逐漸取代通道內(nèi)的A溶液(A、B兩種溶液為濃度不同的同種溶液)。在其取代過程中溶液的離子濃度發(fā)生變化，即溶液的電導(dǎo)率改變，表現(xiàn)為微通道內(nèi)的電流發(fā)生變化。當(dāng)取代過程完成時(shí)，溶液離子濃度穩(wěn)定，則高壓回路中的電流穩(wěn)定且不再改變。設(shè)電流變化時(shí)間為Δt，則EOF平均速度v=L/Δt，其中L為微通道總長(zhǎng)，本設(shè)計(jì)中L=40mm。

電流檢測(cè)法原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中選用DW-QP502-1ACE5型高壓直流電源為電滲提供驅(qū)動(dòng)力，其輸入電壓220V(AC)±10%，輸出最大電壓5kV，并且連續(xù)可調(diào)，最大電流1mA。電阻R是一個(gè)1kΩ的定值電阻，與可調(diào)電阻串聯(lián)形成一個(gè)分壓電路。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，把回路中電阻R的電壓調(diào)節(jié)成單片機(jī)能夠接收的信號(hào)，從而滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)的檢測(cè)系統(tǒng)要求。

圖1 電流檢測(cè)法原理

微通道芯片如圖2所示，微流控芯片上有兩條微通道，呈“十”字交叉形，長(zhǎng)度分別為40、10mm，且每條微通道的截面形狀皆呈梯形，微通道長(zhǎng)40mm，截面深40.9μm，上寬79.9μm，下寬65.4μm。為了實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，在兩組通道的緩沖液池和廢液池分別粘接立柱管，即在圖2中4個(gè)圓圈處粘接立柱管，實(shí)驗(yàn)時(shí)只選取其中一組通道，鑒于高電壓、微納米及高溶度等實(shí)驗(yàn)條件，一般選取長(zhǎng)40mm的通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 微通道芯片

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

微流體流速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件主要由PC機(jī)及MSP430F149等組成。其中作為主體的PC機(jī)，主要用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)處理，由于其又是LabVIEW開發(fā)的用戶程序運(yùn)行載體，因此為上位機(jī)。而作為客體的MSP430F149，主要用于實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電阻上電壓數(shù)據(jù)的快速采集，為下位機(jī)。上、下位機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)系的媒介，即通用接口總線，主要用于把獨(dú)立的下位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)連接到計(jì)算機(jī)上。本系統(tǒng)通過串行通信把采集到的電壓數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)進(jìn)行濾波、顯示和分析。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用MSP430F149中的USART0模塊來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行異步通信，但由于其TTL電平信號(hào)與上位機(jī)的RS-232信號(hào)不兼容，因此采用LTC1385電平轉(zhuǎn)換芯片，將MCU(MSP430F149)的TX、RX信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232所要求的電平信號(hào)，TR2in引腳與MCU的P3.4/UTXD0引腳連接，RX2out引腳與MCU的P3.5/URXD0引腳連接(圖3a)。由于數(shù)據(jù)采集模塊采集到的是電阻R1上的弱電壓信號(hào)(圖3b)，其電壓U=RI<1kΩ×1mA=1V(高壓直流電源最大輸出電流為1mA)，且微通道為橫截面積納米級(jí)、長(zhǎng)度毫米級(jí)的狹長(zhǎng)形通道，液體濃度本身不高，電導(dǎo)率較低，因此微通道阻值約為兆歐級(jí)，這將導(dǎo)致MP430F149采集到的電壓遠(yuǎn)小于1V，即為弱電信號(hào)，接MCU的P6.3引腳。此弱電信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)無源濾波電路，接著通過一個(gè)電壓跟隨器，最后經(jīng)過一個(gè)比例運(yùn)算放大電路進(jìn)入MSP430F149內(nèi)部集成的ADC12模塊[10]。置內(nèi)部參考VREF+引腳為2.5V，VREF-接地，即輸入信號(hào)的范圍在0.0～2.5V之內(nèi)。MCU電源電路如圖3c所示。

a. LTC1385電平轉(zhuǎn)換電路

b. 弱電信號(hào)采集電路

c. MCU電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)上運(yùn)行的利用LabVIEW軟件開發(fā)的G語言程序和在下位機(jī)MSP430F149上運(yùn)行的C語言程序。

3.1 上位機(jī)軟件開發(fā)

LabVIEW是目前世界上多數(shù)虛擬儀器系統(tǒng)所采用的開發(fā)軟件，尤其適合測(cè)控應(yīng)用軟件的開發(fā)。上位機(jī)軟件開發(fā)根據(jù)使用順序主要分為初始化程序、主循環(huán)程序和結(jié)束程序3部分。其中初始化程序主要完成串口通信端口配置及通道校正等功能;主循環(huán)程序主要完成系統(tǒng)測(cè)試、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示及數(shù)據(jù)分析等功能;結(jié)束程序主要完成串口通信關(guān)閉及數(shù)據(jù)保存等功能。

在串口通信過程中，上、下位機(jī)必須遵循同一個(gè)通信協(xié)議，在此，在程序設(shè)計(jì)中定義了同樣的幀格式，其數(shù)據(jù)信息由8位字符串組成，組成次序依次為地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)信息、CRC7校驗(yàn)碼和0x80結(jié)束字符。其中每一個(gè)字符都是計(jì)算機(jī)能識(shí)別的ASCII碼，在使用串口發(fā)送數(shù)據(jù)之前和接收數(shù)據(jù)之后都要經(jīng)過代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)值的電壓值。串口操作程序如圖4所示。

圖4 串口操作程序

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上、下位機(jī)軟件有效協(xié)同配合，才能實(shí)現(xiàn)兩者間的可靠、精確通信。在下位機(jī)程序設(shè)計(jì)過程中，必須遵守上位機(jī)軟件開發(fā)所約定好的通信協(xié)議。下位機(jī)的程序開發(fā)包括通信子程序和A/D轉(zhuǎn)換程序。由MSP430F149技術(shù)手冊(cè)可知，其內(nèi)部集成了ADC12模塊，該模塊操作簡(jiǎn)單方便，只需對(duì)其4類寄存器進(jìn)行操作即可，因此A/D轉(zhuǎn)換程序的開發(fā)較為簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用單通道多次采樣[11]，采樣轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。

圖5 采樣轉(zhuǎn)換流程

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在緩沖液池中注入0.1mmol/L的NaCl溶液，當(dāng)外加高電壓時(shí)，在電驅(qū)動(dòng)力及重力等作用下，溶液逐漸充滿整個(gè)微通道，最終達(dá)到廢液池。由于電流信號(hào)微弱，因此在高壓回路中串聯(lián)可調(diào)精密電阻，在實(shí)驗(yàn)時(shí)檢測(cè)電阻兩端的實(shí)時(shí)電壓，即可間接反映微通道內(nèi)電流的變化情況。外加電壓2kV(L=4cm)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 外加電壓2kV(L=4cm)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

在低電壓階段，表明高壓回路中流經(jīng)微通道的電流非常小，當(dāng)電流平穩(wěn)以后，向微通道加入10.0mmol/L的NaCl置換溶液，微通道中的電流值開始上升，即圖6中電壓值開始逐漸上升，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，電壓值重新趨于平穩(wěn)，表明微通道內(nèi)溶液置換完成，即微通道內(nèi)已為10.0mmol/L的NaCl溶液。通過LabVIEW波形圖控件[12]的圖形工具選板對(duì)圖6中的兩個(gè)拐點(diǎn)(置換開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn))進(jìn)行縮放，同時(shí)通過操作波形圖控件的游標(biāo)圖例讀取兩個(gè)拐點(diǎn)處的值，得到置換開始時(shí)間點(diǎn)t0約為71s、置換結(jié)束時(shí)間點(diǎn)t1約為86s，即微通道內(nèi)溶液置換時(shí)間Δt=t1-t0=15s，此時(shí)外加電壓為2kV。

類似地，當(dāng)電壓為800、1 200、1 600、2 000、2 400V時(shí)，通過重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟得到微通道內(nèi)B種溶液置換A種溶液的置換時(shí)間分別為43、32、19、15、13s，則EOF平均速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，把表1中第一列、第三列分別作為二維平面圖的橫、縱坐標(biāo)，即得到EOF平均速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系(圖7)。

表1 EOF平均速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 EOF平均速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

5 結(jié)束語

筆者基于電流檢測(cè)法，采用LabVIEW和MSP430F149設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了對(duì)電滲流流速的檢測(cè)，并研究了電滲流速度隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)置換前后的A、B兩種溶液濃度不變時(shí)，通過微通道的電滲流平均速度隨電場(chǎng)強(qiáng)度增大而加快，并近似呈線性關(guān)系。

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