基于ARM9的便携式电容耦合非接触电导检测器.pdf

第41卷
分析化学( FENXI HUAXUE)仪器装置与实验技术
第4期
2013年4月
Chinese Journal of Analytical Chemistr
616~620
DOI:10,3724/SP.J.1096.2013.20724
仪器装置与实验技术
基于ARM9的便携式电容耦合非接触电导检測器
刘军山2王宁1徐征“2安良坤徐飞
严小冲刘冲王立鼎'2
(大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,大连16024)
2(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连116024
摘要研制了一种应用于微流控芯片的便携式电容耦合非接触电导检测器。此检测器在ARM9嵌入式平
台上开发,所有功能由ARM9微处理器控制完成。检测器的硬件部分主要包括信号激励、信号调理、信号采
集处理及显示单元;软件部分主要包括操作系统、驱动程序和应用程序。检测器的激励信号频率范围为
0~2MHz;电压范围为0~20V(峰峰值);检测器的外形尺寸为130mmx102mX35m。利用此检测器
测试了一种三层结构微流控芯片的检测灵敏度。该芯片由聚甲基丙烯酸甲酯电极片(包含铜检测电极)、厚
度为16m的聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘层和PDMS沟道片(包含微沟道)组成。溶液在蠕动泵的驱动下,
从芯片的尖端进入微沟道,并在电极处得到检测。本研究对检测器的激励频率和电压进行了优化。在优化的
激励频率(50kHz)和电压(20V)下,得到的KCI检出限为9.1 umol/L
关键词微流控芯片;ARM9;电容耦合非接触电导检测;便携式
引言
电导检测是一种简单、通用的电化学检测方法,在徴流控芯片中已得到了越来越多的应用引。根
据检测电极与溶液的接触关系,电导检测分为两种操作模式:接触式和非接触式。在接触式电导检测
中,电极与溶液直接接触;在非接触式电导检测中,电极和溶液被一个绝缘层隔离2-。与接触式相
比,非接触式电导检测可以避免溶液对电极的污染,以及在电极表面容易产生气泡等问题3-]。
作为非接触式电导检测的一项重要研究内容,电容耦合非接触电导检测器的开发一直是该领域的
研究热点6。 Mahabad等设计的检测器,采用一台标准的信号发生器作为激励信号源,采集到的数据
传送到一台计算机上,利用内部的 Lab VIEW应用程序进行数据处理?。Wang等同样也是利用标准信
号发生器产生激励信号,利用安装在计算机上的16位数据采集卡进行数据采集。 Kubo等设计了
种便携式的检测器,信号的激励、调理和采集均由检测器完成,但是数据分析仍然需要一台计算机完
成。 Francisco等利用自制的一块信号发生电路板产生激励信号,利用另一块电路板进行信号调理,
通过单片机控制模数转换器进行数据采集,采集到的数据同样由计算机进行处理?。可见,目前已报
道的电容耦合非接触电导检测器都需要一台独立的计算机进行数据分析,有的还需要标准的信号发生
器产生激励信号。因此,检测器的小型便携化程度还有待进一步提高。
本研究构建了一种新型便携式电容耦合非接触电导检测器。信号的发生、激励、调理及数据采集处
理和显示等功能全部由ARM9微处理器控制完成,不再需要独立的信号发生器和计算机,因此使得检
测器的体积大大减小,显著提高了仪器的小型化和便携化程度。利用此检测器,对一种微流控芯片的检
测灵敏度进行了测试。
2012-07-12收稿;2012-11-29接受
本文系国家自然科学基金(Nos.51075056,91023046)、国家“863”计划(No.2012AA040406)、教育部新世纪优秀人才支持计划
No.NCET-10-0284)、中央高校基本科研业务费专项资金(Nos,DUrI1SMO6,DUTI2ZD212)和中国科学院长春应用化学研究所电分
析化学国家重点实验室开放研究课题(No. SKLEAC201208)资助项目
wE-mailxuzheng@dlut.edu.cn
第4期
刘军山等:基于ARM9的便携式电容耦合非接触电导检测器
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2硬件设计
检测器的整体框架结构如图1所示。微处理器控制高频函数信号发生器产生正弦激励信号,该信
号经过运算放大器放大后传送到微流控芯片的激励电极上,然后经过芯片微沟道中的溶液到达接收电
极上。接收电极接收到电流信号,由同轴屏蔽电缆进入信号调理电路,经过滤波、放大、整流最终转换成电
压信号。模数转换器(AD)将该电压信号转换成数字信号输入到微处理器中,进行数据处理,并最终绘
制成图谱显示在触摸屏幕上。另外,利用触摸屏还可以对激励信号的频率和A/D采集通道进行设置。
信号检测部分
Signal detection
触摸屏 Ttouch screen
ARM9微处理器ARM9
Microprocesso
模数转换器AD
调理电路
芯片的尖端
接收电极
墆动泵
溶液出
Peristaltic pump
Excitation electrode
信号发生器
运算放大器
Signal generato
Operational amplifi
信号激励部分 Signal e
图1电容耦合非接触电导检测系统结构图
Fi
Schematic of ca
rely coupled contactl
nductivity detection svst
2.1信号激励部分
电容耦合非接触电导检测利用高频交流信号作为激励信号,频率一般为0.03~1MHz。已报道的
波形主要有正弦波、三角波和方波。由于后两种波形含有谐波,会增大检测噪声,因此一般选用正弦波
作为激励信号(。本研究选用高频函数信号发生器(MAXO3, Maxim Integrated Products Inc.)产生激
励信号。MAX038输出信号的最高频率可达40MHz,输出波形振幅为2V(峰峰值)。利用运算放大
器(OPA627, lexas nstruments)将振幅放大10倍后,得到的振嗝范围为0-20Vm
MAXO38输出的信号频率由引脚FADJ上的电压、引脚上的电流n和引脚COSC上的电容共同决定。
将引脚FADJ通过12k的电阻与地串连,使得信号频率増大1倍。n与数模转换器(MAX541, Maxim
Integrated Products Inc.)的输出电压(Vn)之间的关系为n=V/Rn,其中,Rn为引脚n上的输入电阻。
MAX541的输出电压范围为0~2.5V,Rn=25kQ,则n的变化范围为0~100uA。微处理器通过O端
口控制达林顿晶体管阵列(UIN2003, Texas Instruments),由ULN2003驱动继电器对引脚COSC上的电容
网络进行选择。因此,通过控制ln和引脚COSC上的电容,最终得到正弦波信号频率范围为0~2MHz。
2.2信号检测部分
芯片接收电极上接收到的电流信号被传送到调理电路,此时的电流信号值为纳安量级。电流信号
通过第一级运算放大器(OPA627, Texas Instrument)和2.2M2的金属膜反馈电阻,转变成了毫伏量级
的电压信号。电压信号再经过第二级放大,便可以达到0~4.096V,然后经过整流和滤波,输人到A/D
(MAX192, Maxim Integrated Products Inc)中,如图2所示。
MAX192是一个