晶片級pcr-lvce集成系統的製作方法
2023-06-08 07:59:16 3
專利名稱：晶片級pcr-lvce集成系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機電系統、電化學檢測以及可編程片上系領域，具體設計一種晶片級PCR-LVCE檢測、控制集成系統。
背景技術：
以微機電系統(MEMS)的微細加工技術為基礎發展的微流控晶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)是微流控晶片最終的發展方向，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，即將試樣的採集、預處理、反應、分離、檢測等部分集成在幾平方至十幾平方釐米的微流控晶片上，並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，針對於微流控晶片的研究主要包含微混合晶片、微分離晶片(毛細管電泳CE晶片)和微反應晶片(PCR微流控晶片)三類，且研究通常為單一功能區塊，從而限制了微流控晶片的應用範圍，不利於微流控晶片朝著微全分析系統方向發展。如現有PCR微流控晶片中缺少實時檢測，常規晶片電泳工作電壓一般在(I 5) kV左右，晶片工作電壓高、存在嚴重的安全隱患、不適應晶片上完成化學反應及分析等問題。為此，以PCR微流控晶片技術為基礎，深入開展晶片上微進樣、微混合、溫度精準控制、低電壓驅動晶片電泳分離以及晶片上實時電化學檢測，即晶片級PCR-LVCE的一體化功能集成，對於進一步研究微流控晶片技術在生物、化學分析等領域的應用具有十分重要的意義。實現微流控晶片的檢測、控制，通常採用硬核處理器，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，還是硬體升級等諸多方面都難以實現最優化。因此，為了克服PCR微流控晶片、常規晶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，急需一種基於片上可編程系統(System OnProgrammable Chip, SOPC)技術構建晶片級PCR-LVCE集成系統。
發明內容
有鑑於此，本發明所要解決的技術問題是提供一種基於片上可編程系統技術構建晶片級PCR-LVCE集成系統。本發明的目的是這樣實現的:
本發明提供的晶片級PCR-LVCE集成系統，包括晶片級PCR-LVCE微流控晶片、晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路、晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統；
所述晶片級PCR-LVCE微流控晶片，用於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；
所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路連接在晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統和晶片級PCR-LVCE微流控晶片之間，用於將晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統中產生的控制信號傳輸到晶片級PCR-LVCE微流控晶片中，從而實現晶片級PCR-LVCE微流控晶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，並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；
所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統，用於產生晶片級PCR-LVCE微流控晶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，所述晶片級PCR-LVCE微流控晶片包括微混合器、靜態微腔型PCR晶片、低電壓驅動電泳晶片、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，用於將待分析試樣和緩衝液進行微混合；
所述靜態微腔型PCR晶片，用於對待分析試樣進行擴增放大；
所述低電壓驅動電泳晶片，用於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，所述晶片級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晶片溫度檢測電路、PCR晶片溫度控制電路、多路電子 開關及ADC電路；
所述微泵及微閥控制電路，用於控制微混合器、靜態微腔型PCR晶片中待分析試樣的進樣和出樣；
所述陣列電極控制電路，用於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，用於檢測微通道內液體流向信號；
所述微電導檢測器電路，用於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晶片溫度檢測電路，用於獲取靜態微腔型PCR晶片溫度信號；
所述PCR晶片溫度控制電路，用於控制靜態微腔型PCR晶片微加熱器的溫度；
所述多路電子開關及ADC電路，用於通過多路電子開關來實現靜態微腔型PCR晶片溫度檢測信號、低電壓驅動電泳晶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，用於對待分析試樣在電泳分離後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，用於判別低電壓驅動電泳晶片中微通道內待分析試樣的流向；所述DDS信號源，用於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度的正弦信號和用於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，用於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，用於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後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，用於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，用於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，用於實現檢測信號經放大後的濾波處理並濾除幹擾雜波；
所述模擬乘法器，用於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，用於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晶片溫度檢測電路包括PCR溫度傳感電極、電壓一電流轉換型恆流源、前置放大電路、數字帶通濾波器；
所述PCR溫度傳感電極，用於獲取靜態微腔型PCR晶片的溫度變化信號；
所述電壓一電流轉換型恆流源，用於提供穩定的恆流源；
所述前置放大電路，用於放大溫度變化信號；
所述數字帶通濾波器，用於濾除經過前置放大電路輸出信號的幹擾雜波。進一步，所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統包括脈衝寬度調製PWM控制器、Avalon流模式採集控制器、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；
所述脈衝寬度調製PWM控制器，用於控制靜態微腔型PCR晶片微加熱器的溫度；
所述Avalon流模式採集控制器，用於採集溫度檢測信號、微電導檢測信號以及液向檢測信號；
所述陣列電路控制器，用於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；
所述微泵及微閥控制器，用於控制待分析試樣有序地從各注入口進樣、分析後的反應物或者廢液從輸出口的出樣；
所述DDS模塊，用於輸出微電導檢測器電路中的激勵陣列電極控制所需的四相位正交
信號;
所述SDRAM控制器，用於控制集成系統中數據緩存存儲器進行同步；
所述Flash控制器，用於控制集成系統中數據和應用程式的存儲；
所述USB2.0控制器，用於控制集成系統中執行及協調設備識別存取數據；
所述Keyboard控制器，用於實現集成系統中鍵盤輸入驅動控制；
所述LCD控制器，用於實現集成系統中液晶顯示驅動的控制；
所述NIOSII軟核處理器，用於實現集成系統各模塊的智能控制。進一步，所述脈衝寬度調製PWM控制器、Avalon流模式採集控制器、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、IXD控制器以及NIOS II軟核處理器通過SOPC技術封裝在單一 FPGA晶片中；所述液相方向傳感器由微通道內四對結構相同的微電極構成；所述微電導檢測器為分布設置於微分離通道末端的四個微電極，外側兩微電極為激勵電極，內側兩微電極為檢測電極；所述激勵電極與DDS模塊連接，所述DDS模塊提供的DDS信號源為激勵電極提供激勵信號；所述檢測電極，用於檢測出已分離試樣中不同組分的電導信息。進一步，所述微混合器包括混合器注入口、緩衝液儲液池、混合通道；所述混合器注入口包括緩衝液注入口、DNA試樣注入口、換氣入口 ；所述混合器注入口，用於待分析試樣的進樣；
所述緩衝液注入口，用於緩衝液的進樣；
所述DNA試樣注入口，用於待擴增DNA試樣的進樣；
所述換氣入口，用於空氣進樣；
所述緩衝液儲液池，用於儲存緩衝液；
所述混合通道，用於混合待分析試樣和緩衝液；
所述混合通道內還設置有毛細管閥；
所述靜態微腔型PCR晶片包括PCR微反應腔注入口、PCR微反應腔、PCR微加熱器，PCR反應擴增後輸出口 ；
所述PCR微反應腔注入口，用於待擴增DNA試樣的進樣；
所述PCR微反應腔，用於待擴增試樣的擴增反應，如待擴增DNA試樣的反應；
所述PCR微加熱器，用於溫度控制；
所述PCR反應擴增後輸出口，用於反應後產物的輸出；
所述低電壓驅動電泳晶片包括CE注入口、廢液輸出口、液向傳感器、微分離通道、微陣列電極、微電導檢測器；所述CE注入口包括緩衝注入口、待分離試樣注入口 ；所述廢液輸出口包括試樣廢液輸出口、分離後 輸出廢液輸出口 ；
所述CE注入口，用於待分析試樣或者緩衝液的進樣；
所述緩衝注入口，用於緩衝液的進樣；
所述待分離試樣注入口，用於待分析試樣的進樣；
所述廢液輸出口，用於收集分離後或者進樣後的廢液；
所述試樣廢液輸出口，用於收集進樣後的廢液；
所述分離後輸出廢液輸出口，用於收集分離後的廢液；
所述液向傳感器，用於判斷低電壓驅動電泳晶片中「十字」微通道內待分析試樣的流
向；
所述微分離通道，用於待分析試樣的電泳分離；
所述微陣列電極，用於在微分離通道上形成分段、運動的變化電場；
所述微電導檢測器，用於實現待分析試樣不同組分的微弱電導信號幅度檢測。進一步，所述微泵及微閥控制電路包括微閥群驅動電路以及微泵群驅動電路； 所述微閥群驅動電路，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進
樣、出樣管道中微閥的控制；
所述微泵群驅動電路，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進樣微泵的控制。本發明的優點在於:本發明針對特定uTAS，即晶片級PCR-LVCE微流控晶片，採用晶片級PCR-LVCE微流控晶片微流體運行、控制及電泳分離信號的檢測。它包括晶片級PCR-LVCE微流控晶片、晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路、基於SOPC的晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統。該系統架構靈活、升級換代容易、控制方式便捷、具有功耗低、靈敏度高的微流控晶片檢測與控制集成系統，能實現晶片上微混合、PCR擴增、微通道內液相流向判別、低電壓電泳分離以及晶片上非接觸電導檢測等功能。以及實現PCR反應物試樣的微混合、PCR反應、PCR反應後擴增產物低電壓電泳分離及電化學檢測(微電導檢測)等功能，具有快捷、簡便、集成化程度高等優點；採用SOPC技術實現檢測、控制系統架構能解決採用傳統的系統設計方法系統功能升級困難，維護性差以及設計的靈活性較低等問題，能有效地簡化系統的構造、縮短從概念到實現的距離；採用一片微流控晶片集成微混合、微反應、微分離及電化學檢測，大大提高了實驗的檢測時間，降低了實驗成本，拓展了 PCR集成微流控晶片的研究範圍。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
圖1示出了晶片級PCR-LVCE集成系統結構示意 圖2示出了晶片級PCR-LVCE微流控晶片結構示意 圖3示出了靜態微腔型PCR晶片微加熱器示意 圖4示出了晶片級PCR-LVCE集 成系統微泵及微閥控制結構示意 圖5示出了晶片級PCR-LVCE集成系統檢測結構示意 圖6示出了陣列電極控制結構示意圖。圖中，微流控晶片1、微混合器2、低電壓驅動電泳晶片3、靜態微腔型PCR晶片4、PCR晶片溫度控制電路5、PCR晶片溫度檢測電路6、多路電子開關及ADC電路7、微泵及微閥控制電路8、陣列電極控制電路9、微流體方向檢測電路10、微電導檢測器電路11、晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路12、基於SOPC的晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統13、脈衝寬度調製PWM控制器14、Avalon流模式採集控制器15、NIOS II軟核處理器16、陣列電極控制器17、微泵及微閥控制電路18、微泵181、微閥182、四相位DDS模塊19、SDRAM控制器 20、Flash 控制器 21、USB2.0 控制器 22、Keyboard 控制器 23、LCD 控制器 24、LCD25、Keyboard26, PC機27、Flash28、SDRAM29 ;混合器注入口 31、儲液池32、混合池33、混合通道34、PCR微反應腔注入口 35、PCR微反應腔36、PCR微加熱器37、PCR反應擴增後輸出口38、廢液輸入口 41、微電導檢測器42、微陣列電極43、微分離通道44、液相傳感器45、CE注入口 46、廢液輸出口 47、廢液池48 ;第一加熱電極引腳51、溫度傳感電極引腳52、第二加熱電極引腳53、加熱電極54、溫度傳感電極55。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。圖1示出了晶片級PCR-LVCE集成系統結構示意圖，圖2示出了晶片級PCR-LVCE微流控晶片結構示意圖，由圖2可知，混合器注入口 31、儲液池32，混合池33、混合通道34、PCR微反應腔36依次連接，PCR微反應腔36還設置有PCR微反應腔注入口 35和PCR反應擴增後輸出口 38 ；PCR微加熱器37設置於PCR微反應腔36外部；廢液輸入口 41通過微分離通道44與廢液輸出口 47連接，所述微分離通道44上還設置有微陣列電極43，廢液輸入口 41與微分離通道44連接端還設置有微電導檢測器42 ;廢液輸出口 47與微分離通道44連接端設置有液相傳感器45和CE注入口 46 ;廢液輸出口 47與廢液池48連接。圖3示出了靜態微腔型PCR晶片微加熱器示意圖，由圖3可知，PCR晶片微加熱器的由兩個加熱電極54呈螺旋狀排列構成，兩端分別設置有第一加熱電極引腳51和第二加熱電極引腳53,兩個加熱電極54之間設置有溫度傳感電極55,所述溫度傳感電極55有兩個溫度傳感電極引腳52。圖4示出了晶片級PCR-LVCE集成系統微泵及微閥控制結構示意圖，圖5示出了晶片級PCR-LVCE集成系統檢測結構示意圖，圖6示出了陣列電極控制結構示意圖，如圖所示:本發明提供的晶片級PCR-LVCE集成系統，包括晶片級PCR-LVCE微流控晶片、晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路、晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統；
所述晶片級PCR-LVCE微流控晶片，集成有微混合器、靜態微腔型PCR、LVCE ;待分析試樣可根據需要，在微混合器中實現微混和，在靜態微腔型PCR中實現待擴增反應物擴增，在LVCE中實現待分析物不同組分的電泳分離及電化學檢測。微混和、PCR反應擴增、低電壓晶片電泳分離三個功能可依據需要，在集成系統的控制下，有機地聯合起來使用，亦可僅實現單一功能，如待分析試樣前處理已經完成，僅需要電泳分離，可在LVCE晶片中實現晶片電泳分離及檢測。所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路，用於實現晶片級PCR-LVCE微流控晶片內微流體混合、運行、控制、PCR反應擴增、液相流向判別，並在電泳分離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；
所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統，實現晶片級PCR-LVCE微流控晶片各功能模塊的智能化控制。如用於控制微泵及微閥控制電路實現微混合器、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片的待分析試樣與緩衝液的進樣控制；如圖4所示的微泵181和微閥182 ;用於實現陣列電極上電順序的控制；用於實現液向、微電導的檢測；用於實現靜態微腔型PCR晶片中微加熱器的溫度快速切換及溫度精準控制等。所述晶片級PCR-LVCE微流控晶片I包括微混合器2、靜態微腔型PCR4、低電壓驅動電泳晶片3、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，用於實現待分析試樣、緩衝液的微混合；
所述靜態微腔型PCR，用於待擴增試樣的擴增放大，即如待分析DNA片段擴增，達到迅速且大量擴增的目的；
所述低電壓驅動電泳晶片，用於待分析試樣的進樣、低電壓晶片電泳分離和非接觸電導檢測一體化集成；
所述液相方向傳感器，用於判別低電壓驅動電泳晶片中「十字」微通道內待分析試樣的流向，便於集成系統對低電壓驅動電泳晶片的智能控制；
所述四電極非接觸電導檢測器，用於晶片電泳分離後，待分析試樣不同組分的電化學檢測。所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路12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晶片溫度檢測電路5、PCR晶片溫度控制電路6、多路電子開關及ADC電路7 ;
所述微泵及微閥控制電路8，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進樣、出樣的控制，即確保待分析試樣有序地從各注入口進樣、分析後的反應物或者廢液從輸出口出樣；
所述陣列電極控制電路9，用於在微分離通道上形成分段、運動的變化電場，通過低電壓(如+12V)分段施加在分離通道上達到與常規電泳晶片等同效果的分離分析過程；
所述微流體方向檢測電路10，用於檢測低電壓驅動電泳晶片中「十字」微通道內液體流向信號，以確定待分析試樣是否完全進樣，便於系統的智能化控制；
所述微電導檢測器電路11，用於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晶片溫度檢測電路6，用於實現PCR晶片溫度信號拾取，為溫度快速切換及溫度精準控制提供依據；
所述PCR晶片溫度控制電路5，用於實現PCR晶片微加熱器的溫度控制，即在PWM控制器的控制下，由PCR晶片溫度控制電路實現微加熱器上電控制，達到溫度控制目的；
所述多路電子開關及ADC電路7，通過多路電子開關實現PCR晶片溫度檢測信號、低電壓驅動電泳晶片微電導檢測信號以及「十字」微通道內液體流向檢測信號的輪流檢測，再由ADC電路實現模擬信號到數位訊號的轉換，便於後續處理。所述微流體方向檢測電路10包括液向傳感器、DDS信號源、前置放大電路、正交矢量型鎖定放大器；
所述液向傳感器，用於判別低電壓驅動電泳晶片中「十字」微通道內液體流向；
所述DDS信號源，用於輸出正交矢量型鎖定放大器檢測所需的正交信號，即兩路幅度相同，相位相差90°的正弦信號。同時，還輸出用於激勵陣列電極控制所需的四相位正交信號，即幅度相同，相位依次相差90°的四路信號；用於微電導檢測電路檢測所需的激勵信號。所述前置放大電路，用於液向傳感器動態電容變化量的放大；
所述正交矢量型鎖定放大器，用於液向傳感器動態電容變化量經前置放大電路放大
後;
所述檢測出信號變化幅度及相角，用於。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，用於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，用於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，用於實現檢測信號經放大後的濾波處理，濾除幹擾雜波；
所述模擬乘法器，用於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，用於濾除模擬乘法器輸出高頻成分，得到模擬乘法器輸出的低頻成分，該低頻成分與檢測信號幅度有關，也與檢測信號和參考信號的位相差有關，當檢測信號與參考信號的相位一致時，即可準確反應出微電導信號的幅度變化規律。所述PCR晶片溫度檢測電路6包括PCR溫度傳感電極、電壓一電流轉換型恆流源、前置放大電路、數字帶通濾波器；
所述PCR溫度傳感電極，用於實現PCR晶片溫度信號拾取；
所述電壓一電流轉換型恆流源，用於提供穩定、精準的恆流源，以確保溫度傳感電極阻值變化與電壓變化成線性關係；
所述前置放大電路，用於實現對溫度變化信號的放大；
所述數字帶通濾波器，用於濾除幹擾雜波。所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統13包括脈衝寬度調製PWM控制器14、Avalon流模式採集控制器15、陣列電路控制器17、微泵及微閥控制器18、四相位DDS模塊19、SDRAM控制器20、Flash控制器21、USB2.0控制器22、Keyboard控制器23、LCD控制器24以及NIOSII軟核處理器16 ；
所述脈衝寬度調製PWM控制器，用於實現PCR晶片微加熱器的溫度控制，即在NIOS II軟核處理器的控制下，按一定溫度控制算法實現微加熱器上電控制，達到溫度控制目的；所述Avalon流模式採集控制器，用於實現溫度檢測信號、微電導檢測信號以及液向檢測信號的高速採集；
所述陣列電路控制器，用於實現陣列電極上電順序控制，以實現在微分離通道上形成分段、運動的變化電場；
所述微泵及微閥控制器，用於實現待分析試樣有序地從各注入口進樣、分析後的反應物或者廢液從輸出口出樣的邏輯控制；
所述四相位DDS模塊19，用於輸出用於激勵陣列電極控制所需的四相位正交信號，SP幅度相同，相位依次相差90°的四路信號；
所述SDRAM控制器20，用於集成系統中數據緩存存儲器一同步動態隨機存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM29)的控制；
所述Flash控制器21，用於集成系統中數據、應用程式存儲的存儲器——Flash28存儲器的控制；
所述USB2.0控制器22，用於集成PC機27系統執行、協調設備識別，存取數據等；
所述Keyboard控制器23,用於實現集成系統中鍵盤Keyboard26輸入驅動控制；
所述LCD控制器24，用於實現集成系統中液晶LCD25顯示驅動的控制；
所述NIOSII軟核處理器16，用於實現集成系統各模塊的智能控制。所述脈衝寬度調製PWM控制器14、Avalon流模式採集控制器15、陣列電路控制器17、微泵及微閥控制器18、四相位DDS模塊19、SDRAM控制器20、Flash控制器21、USB2.0控制器22、Keyboard控制器23、LCD控制器24以及NIOS II軟核處理器16通過SOPC技術封裝在單一 FPGA晶片中。所述液向傳感器由「十字」微通道內四對結構相同的微電極構成。所述微電導檢測器為分布設置於微分離通道末端的四個微電極，外側兩微電極為激勵電極，內側兩微電極為檢測電極；
所述激勵電極與DDS模塊連接，所述DDS模塊提供的DDS信號源為激勵電極提供激勵
信號;
所述檢測電極，用於檢測出已分離試樣中不同組分的電導信息。所述微混合器包括混合器注入口、緩衝液儲液池、混合通道；所述混合器注入口包括緩衝液注入口、DNA試樣注入口、換氣入口 ；
所述混合器注入口，用於待分析試樣的進樣；
所述緩衝液注入口，用於緩衝液的進樣；
所述DNA試樣注入口，用於待擴增DNA試樣的進樣；
所述換氣入口，用於空氣進樣；
所述緩衝液儲液池，用於儲存緩衝液；
所述混合通道，用於實現待分析試樣 、緩衝液的進一步混合，確保混合充分；所述混合通道內還設置有毛細管閥。所述靜態微腔型PCR晶片包括PCR微反應腔注入口、PCR微反應腔、PCR微加熱器，PCR反應擴增後輸出口 ；
所述PCR微反應腔注入口，用於待擴增DNA試樣的進樣；
所述PCR微反應腔，用於待擴增試樣的擴增反應，如待擴增DNA試樣的反應；
所述PCR微加熱器，用於溫度控制；
所述PCR反應擴增後輸出口，用於反應後產物的輸出。所述低電壓驅動電泳晶片包括CE注入口、廢液輸出口、液向傳感器、微分離通道、微陣列電極、微電導檢測器；所述CE注入口包括緩衝注入口、待分離試樣注入口 ；所述廢液輸出口包括試樣廢液輸出口、分離後輸出廢液輸出口 ；
所述CE注入口，用於待分析試樣或者緩衝液的進樣；
所述緩衝注入口，用於緩衝液的進樣；
所述待分離試樣注入口，用於待分析試樣的進樣；
所述廢液輸出口，用於收集分離後或者進樣後的廢液；
所述試樣廢液輸出口，用於收集進樣後的廢液；
所述分離後輸出廢液輸出口，用於收集分離後的廢液；
所述液向傳感器，用於判斷低電壓驅`動電泳晶片中「十字」微通道內待分析試樣的流
向；
所述微分離通道，用於待分析試樣的電泳分離；
所述微陣列電極，用於在微分離通道上形成分段、運動的變化電場；
所述微電導檢測器，用於實現待分析試樣不同組分的微弱電導信號幅度檢測。所述微泵及微閥控制電路包括微閥群驅動電路以及微泵群驅動電路；
所述微閥群驅動電路，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進樣、出樣管道中微閥的控制；
所述微泵群驅動電路，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進樣微泵的控制。以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:包括晶片級PCR-LVCE微流控晶片、晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路、晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統； 所述晶片級PCR-LVCE微流控晶片，用於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； 所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制接口電路連接在晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統和晶片級PCR-LVCE微流控晶片之間，用於將晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統中產生的控制信號傳輸到晶片級PCR-LVCE微流控晶片中，從而實現晶片級PCR-LVCE微流控晶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，並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； 所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統，用於產生晶片級PCR-LVCE微流控晶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。
2.根據權利要求1所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述晶片級PCR-LVCE微流控晶片包括微混合器、靜態微腔型PCR晶片、低電壓驅動電泳晶片、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，用於將待分析試樣和緩衝液進行微混合； 所述靜態微腔型PCR晶片，用於對待分析試樣進行擴增放大； 所述低電壓驅動電泳晶片，用於對待分析試樣進行進樣、電泳分離和非接觸電導檢測。
3.根據權利要求1所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述晶片級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晶片溫度檢測電路、PCR晶片溫度控制電路、多路電子開關及ADC電路； 所述微泵及微閥控制電路，用於控制微混合器、靜態微腔型PCR晶片中待分析試樣的進樣和出樣； 所述陣列電極控制電路，用於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，用於檢測微通道內液體流向信號； 所述微電導檢測器電路，用於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晶片溫度檢測電路，用於獲取靜態微腔型PCR晶片溫度信號； 所述PCR晶片溫度控制電路，用於控制靜態微腔型PCR晶片微加熱器的溫度； 所述多路電子開關及ADC電路，用於通過多路電子開關來實現靜態微腔型PCR晶片溫度檢測信號、低電壓驅動電泳晶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，用於對待分析試樣在電泳分離後的不同組分進行電化學檢測。
4.根據權利要求3所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於: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，用於判別低電壓驅動電泳晶片中微通道內待分析試樣的流向；所述DDS信號源，用於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度的正弦信號和用於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，用於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，用於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後的信號變化幅度及相角。
5.根據權利要求3所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於: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，用於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，用於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，用於實現檢測信號經放大後的濾波處理並濾除幹擾雜波； 所述模擬乘法器，用於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，用於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。
6.根據權利要求3所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述PCR晶片溫度檢測電路包括PCR溫度傳 感電極、電壓一電流轉換型恆流源、前置放大電路、數字帶通濾波器； 所述PCR溫度傳感電極，用於獲取靜態微腔型PCR晶片的溫度變化信號； 所述電壓一電流轉換型恆流源，用於提供穩定的恆流源； 所述前置放大電路，用於放大溫度變化信號； 所述數字帶通濾波器，用於濾除經過前置放大電路輸出信號的幹擾雜波。
7.根據權利要求1所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述晶片級PCR-LVCE檢測及控制系統包括脈衝寬度調製PWM控制器、Avalon流模式採集控制器、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、IXD控制器和NIOSII軟核處理器； 所述脈衝寬度調製PWM控制器，用於控制靜態微腔型PCR晶片微加熱器的溫度； 所述Avalon流模式採集控制器，用於採集溫度檢測信號、微電導檢測信號以及液向檢測信號； 所述陣列電路控制器，用於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； 所述微泵及微閥控制器，用於控制待分析試樣有序地從各注入口進樣、分析後的反應物或者廢液從輸出口的出樣； 所述DDS模塊，用於輸出微電導檢測器電路中的激勵陣列電極控制所需的四相位正交信號; 所述SDRAM控制器，用於控制集成系統中數據緩存存儲器進行同步； 所述Flash控制器，用於控制集成系統中數據和應用程式的存儲； 所述USB2.0控制器，用於控制集成系統中執行及協調設備識別存取數據； 所述Keyboard控制器，用於實現集成系統中鍵盤輸入驅動控制； 所述LCD控制器，用於實現集成系統中液晶顯示驅動的控制； 所述NIOSII軟核處理器，用於實現集成系統各模塊的智能控制。
8.根據權利要求7所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述脈衝寬度調製PWM控制器、Avalon流模式採集控制器、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控制器以及NIOSII軟核處理器通過SOPC技術封裝在單一 FPGA晶片中；所述液相方向傳感器由微通道內四對結構相同的微電極構成；所述微電導檢測器為分布設置於微分離通道末端的四個微電極，外側兩微電極為激勵電極，內側兩微電極為檢測電極；所述激勵電極與DDS模塊連接，所述DDS模塊提供的DDS信號源為激勵電極提供激勵信號；所述檢測電極，用於檢測出已分離試樣中不同組分的電導信息。
9.根據權利要求2所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述微混合器包括混合器注入口、緩衝液儲液池、混合通道；所述混合器注入口包括緩衝液注入口、DNA試樣注入口、換氣入口 ； 所述混合器注入口，用於待分析試樣的進樣； 所述緩衝液注入口，用於緩衝液的進樣； 所述DNA試樣注入口，用於待擴增DNA試樣的進樣； 所述換氣入口，用於空氣進樣； 所述緩衝液儲液池，用於儲存緩衝液； 所述混合通道，用於混合待分析試樣和緩衝液； 所述混合通道內還設置有毛細管閥； 所述靜態微腔型PCR晶片包括PCR微反應腔注入口、PCR微反應腔、PCR微加熱器，PCR反應擴增後輸出口 ； 所述PCR微反應腔注入口，用於待擴增DNA試樣的進樣； 所述PCR微反應腔，用於待擴增試樣的擴增反應，如待擴增DNA試樣的反應； 所述PCR微加熱器，用於溫度控制； 所述PCR反應擴增後輸出口，用於反應後產物的輸出； 所述低電壓驅動電泳晶片包括CE注入口、廢液輸出口、液向傳感器、微分離通道、微陣列電極、微電導檢測器；所述CE注入口包括緩衝注入口、待分離試樣注入口 ；所述廢液輸出口包括試樣廢液輸出口、分離後輸出廢液輸出口 ； 所述CE注入口，用於待分析試樣或者緩衝液的進樣； 所述緩衝注入口，用於緩衝液的進樣； 所述待分離試樣注入口，用於待分析試樣的進樣； 所述廢液輸出口，用於收集分離後或者進樣後的廢液； 所述試樣廢液輸出口，用於收集進樣後的廢液； 所述分離後輸出廢液輸出口，用於收集分離後的廢液； 所述液向傳感器，用於判斷低電壓驅動電泳晶片中「十字」微通道內待分析試樣的流向； 所述微分離通道，用於待分析試樣的電泳分離； 所述微陣列電極，用於在微分離通道上形成分段、運動的變化電場； 所述微電導檢測器，用於實現待分析試樣不同組分的微弱電導信號幅度檢測。
10.根據權利要求3所述的晶片級PCR-LVCE集成系統，其特徵在於:所述微泵及微閥控制電路包括微閥群驅動電路以及微泵群驅動電路；所述微閥群驅動電路，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進樣、出樣管道中微閥的控制； 所述微泵 群驅動電路，用於微混合、靜態微腔型PCR晶片、LVCE晶片中待分析試樣的進樣微泵的控制。
全文摘要
本發明公開了一種晶片級PCR-LVCE集成系統，包括晶片級PCR-LVCE微流控晶片、晶片級PCR-LVCE檢測、控制接口電路以及基於SOPC技術晶片級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晶片內微流體液向判別，並在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、安全性相對於現有技術均有提高，可廣泛用於生化、醫學、環境、刑偵等領域。
文檔編號C12M1/36GK103194383SQ201310121060
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月9日 優先權日2013年4月9日
發明者廖紅華, 徐建, 廖宇, 方芳, 高林 申請人:湖北民族學院