基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制开题报告.doc

电气与信息学院毕业设计（论文）开题报告题目名称：报告人：专业班级：指导教师：基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制自动化04411基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制开题报告一、课题的目的和意义研究设计基于ARM7微控制器的毛细管电泳芯片（CE）芯片安培检测器目的，是测定被分析样品经微流控分析芯片系统分离或处理后有关组分的组成及其含量。检测器的总体性能将影响整个微流控芯片分析系统的检出限、检测速度、适用范围、体积等指标，是微流控芯片分析系统的一个关键部分。自20世纪80年代Jorgenson提出现代毛细管电泳芯片（CE）技术以来,经过近20年的迅速发展,毛细管电泳芯片（CE）达到了仪器分析技术所要求的高效、快速和样品用量少的特点1。为了适应毛细管电泳芯片（CE）微体积检测的需要,在检测方法和检测器方面已进行了大量和卓有成效的研究,发展了许多类型的检测器,有光学、电化学、质谱学检测器及化学发光等。在众多检测方法中,电化学检测以其检出限低、线性范围宽、选择性好、设备简单、价格低廉而得到广泛的使用。电化学检测主要有三种方法:电位检测、电导检测和安培检测5。安培检测法是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它检出限低、选择性高，适用于电活性物质的痕量测定。安培检测作为毛细管电泳芯片（CE）检测的主要手段,因灵敏度高而得到了快速的发展。二、文献综述毛细管电泳（CE）是近年来发展起来的一种新型分离技术，由于采用了高压场强作为驱动力和毛细管作为载体，克服了传统电泳中散热困难、速度慢等缺点，因而具有高效、快速和样品用量少的优点。在短短的十几年中，毛细管电泳得到了蓬勃的发展，已经成为分析化学最前沿的研究领域之一。检测是毛细管电泳发展的核心问题之一，如何体现毛细管电泳的优良性能与高灵敏检测密切相关。目前，商品仪器通用的检测方法仍是紫外可见检测器，但由于毛细管的直径小，进样量极低（NL），导致广度检测的灵敏度较低。荧光检测器灵敏度高，选择性好，已经在生物分析领域占有重要的地位，尤其是激光诱导荧光检测器，已经达到光谱分析方法的极限单原子和单分子检测，将其与毛细管电泳相结合，使这种方法兼有高效分离和高灵敏度检测的特点，但由于分析物一般需经过衍生才可以进行荧光检测，使得其通用性2受到限制。其他的检测方法有：激光光热法、质谱法、放射分析法、化学发光法、示差折光法、拉曼光谱法等67。毛细管电泳电化学检测（CE-ECD）自八十年代末问世以来，已迅速发展成为一种重要的分离分析方法。与上述检测方法相比，电化学检测有其独特的优点，其检测限低，线性范围宽，选择性好，而且设备简单，价格低廉，便于推广使用。尤其是安培检测，可使极细孔径的毛细管而不会造成灵敏度的损失，且进样量极小，因而适合进行单个细胞的分析和活体分析，毛细管电泳安培检测已成为生物分析化学领域很有前景的新技术。目前电化学检测中应用的方法有电位法、电导法和安培法。电位检测的原理是基于电极电势的能斯特公式，当电泳组分区带经过时，将引起电势的变化，记录其随时间的曲线即得到电泳图谱，电位法简单，测量的线性范围宽，尤其是离子选择性电极的分析方法已获得了长足的发展，利用离子选择电极可以检测较多的离子，但电位法检测的重现性较差8。电导检测是基于分析物的电导率与背景电解质（缓冲液）之间的电导率差异进行测量的一种方法。适于检测无机离子、氨基酸、药物等物质，其中以对无机离子的研究比较多，检出限也较低。电导检测器一般采用两个相对的指示电极检测水溶液中离子型溶质的电，记录电导随时间的变化即得到电泳的分离图谱。将电解质溶液置于施加电场的两个电极间，溶液将导电，电导值与电极的截面积、极间的距离和各离子电导的总和有关。毛细管电泳电导分析法有在柱检测、终柱检测和离柱检测三种形式7。安培检测是基于具有电活性物质在恒电位电极上发生氧化还原反应从而产生响应电流信号而进行检测的一种方法。当被分离的电化学物质流经电极表面时，由于溶液与电极间的电势差，电活性物质将被还原或氧化，在溶液和电极间形成电流，该电流符合法拉第定律3。安培法检测主要使用微电极，对于内径较大的分离毛细管，一般需克服高压电场对微电极检测的影响。因为高压回路中电流远远大于检测信号电流,只要有一小部分分流就会检测不到信号电流,因此毛细管电泳芯片（CE）安培检测面临的主要问题是如何克服高压回路中电流对检测的干扰。从检测原理上,安培检测可分为方波安培检测(SWAD)、脉冲安培检测(PV)和正弦安培检测(SV)等。其中方波安培检测灵敏度高、操作方便。SWAD是在常规安培检测法的恒电位上叠加上一组方波电位,大小为100200mV,频率为2100Hz。与另外两种方法相比,方波电位的叠加可以使电极处在不断的更新状态下,不会出现失活的情况,无须对电极进3行清洗,操作简单方便。工作电极的稳定性大大提高,寿命也得到延长。三、研究（设计）内容和拟解决的关键问题本课题的主要任务是为毛细管电泳芯片（CE）设计安培信号检测装置。它能够对毛细管电泳芯片分离的目标物质进行安培检测。1、整体设计内容安培信号检测装置要求能实现安培电流的准确检测，经A/D转换送至微控制器进行数据处理和标度转换并进行显示，同时设计有键盘控制和声光报警电路，能通过RS232与上位机进行通信。检测装置的整体设计原理框图如图一所示：ARM7微控制器A/D转换滤波电路三电极传感器恒电位仪键盘LCD显示电路声光报警串口电路送至上位机程控电源自动增益电路图一：检测装置的整体设计原理框图2、毛细管电泳芯片的设计毛细管电泳芯片是通过微细加工技术，在平方厘米大小的玻璃或其它材料上刻蚀出宽度为微米级、长度为毫米级的微细通道网络和其它功能单元所组成的进样、分离、反应、乃至传感系统的集合体，芯片加上一定外部设备（如电源、电化学检测器等）就形成了一个完整的芯片毛细管电泳分离分析系统2。毛细管电泳芯片的基本设计如下图所示。该设计包括两条十字交叉的管道，一条为进样管道，另一条为分离管道。在管道两端连有小池，共有4个，分别用于加样和接入电极。操作过程中，首先在分离管道的的缓冲液池内加入适当的缓冲液，然后在其上施加一定的压力，使其充满整个通道；然后在样品池中加入适量的样品，并在余下的3缓冲液池中加入缓冲液；最后将电极分别放入4个池里，通过调节电压的大小来实现样品的引入和分离。采用图1.1所示的设计，分离管道的长度往往十分有限，而在样品分离过程中，分离管道