（物理电子学专业论文）毛细管电泳高压电源系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 芯片毛细管电泳作为生物组分分析的有效方法，已广泛应用于生物技术、临床医学 和环境保护等领域。在芯片毛细管电泳分析中，需要在生物芯片的多个溶液池内施加高 压，并通过调节它们之间电压值及其极性，实现样品的进样和分离。因此，高压电源电 压输出的稳定性和电极的切换速度，决定电泳分析精度和准确度。传统的高压电源体积 庞大，输出不稳定，电泳中需要通过计算机对其进行控制。因此，本文开展基于单片机 和高压模块的智能化小型毛细管电泳高压电源系统的研究。 本文以单片机a t 8 9 s 5 2 为控制核心，以三个集成高压模块组成电压产生主电路，设 计了三路输出的高压电源系统。3 路输出电压分别实现了0 5 k v 连续可调，输出电流不 超过0 2 5 m a ，其中第二路电压输出的正极可以与公共地端进行切换。单片机a t 8 9 s 5 2 作 为电源系统的控制核心，实现高压模块输出电压的调节、输出显示、与光子计数器及上 位机通讯、数字稳压以及电压极性的自动切换，其内部设置了过压、短路保护功能。电 极切换电路的设计采用四个高压继电器，以双刀双掷开关方式联结，由单片机通过光耦 隔离驱动，不仅切换速度快，还具有安全可靠的特点。用户可通过矩阵键盘和l c d 液晶 显示屏，对毛细管电泳的进样电压、分离电压、进样时间、分离时间分别进行设定，系 统根据设定值自动完成输出及与采样系统的通讯，减少了人为因素的影响，确保了分析 的准确性。另外，本文针对不同型号、不同结构的单通道毛细管电泳芯片，设计了通用 样品实验架，便于向样品溶液池中施加电压。 组建后的电源系统与实验室原有高压电源相比，不仅体积大大减小，而且实际运行 中电压输出稳定，漂移小，电极切换速度快，不需要计算机控制便可独立运行，满足了 芯片毛细管电泳分析的要求。 关键词：毛细管电泳；高压模块；电极切换；数据拟合 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e s i g n o fh i g h v o l t a g ep o w e r s y s t e mf o rc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s a b s tr a c t a sa r le f f e c t i v ew a yo fb i o l o g i c a l c o m p o n e n t sa n a l y s i s , m i c r o c h i pc a p i l l a r y e l e e t r o p h o r e s i sh a sb e e nw i d e l yu s e di nb i o t e c l m o l o g y ，c l i n i c a lm e d i c i n e ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n ds oo n i nt h ea n a l y s i so fc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，h i g hv o l t a g em u s tb e t h r e wi nt h ep o o l so fb i o c h i p ，a n dt h e i rv o l t a g e sa n d p o l a r i t i e sc 勰b ec o n t r o l l e di no r d e r t oa c h i e v et h es a m p l ei n j e c t i o na n ds e p a r a t i o n a sar e s u l t , t h es t a b i l i t ya n ds w i t c h i n g s p e e do fh i 曲- v o l t a g ep o w e rs u p p l yo u t p u tp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei ne l e c t r o p h o r e s i s p r e c i s i o na n da c c u r a c y t h et r a d i t i o n a lh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l i e sa r en o to n l yl a r g e ， u n s t a b l ei n o u t p u t , b u t a l s os h o u l db ec o n t r o l l e d b yc o m p u t e r i n c a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rw h i c hb a s e do ns i n g l e c h i p a n dh i g h - v o l t a g e m o d u l e sc a r r i e so u tt h er c s e a r c ho fi n t e l l i g e n th i g h - v o l t a g ep o w e r s y s t e mf o rc e i nt h i sp a p e r , p o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h r e eh i g h - v o l t a g eo u t p u tw a sd e s i g n e d w h o s ec o r ew a ss i n g l e c h i pa t 8 9 s 5 2 t h r e eh i g h - v o l t a g em o d u l e sw e r et h em a i nc i r c u i t t op r o d u c eh i 曲v o l t a g e t h r e eo u t p u tv o l t a g e sw e r ea c h i e v e df r o m0t o5 ka n dt h e c u r r e n tw a sl e s st h a n0 2 5 m a t h ec a t h o d ea n dt h eg r o u n do fs e c o n dv o l t a g ec a l lb e s w i t c h e d a st h ec o r eo fh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，s i n g l e c h i pa t 8 9 s 5 2 c o m p l e t e dr e g u l a t i o n o f o u t p u t o f h i g h - v o l t a g em o d u l e s ，o u t p u td i s p l a y ， c o m m u n i c a t i o nw i t ht h ep h o t o nc o u n t e ro rp c , a n ds e tt h eo v e r - v o ! t a g e ，s h o r tc i r c u i t p r o t e c t i o nw a ss e t i ne l e c t r o d e ss w i t c h i n gc i r c u i t ，f o u rh i g h - v o l t a g er e l a y sw h i c h w e r e d r o v eb ys i n e s e - c h i pt h r o u g ht h eo p t o c o u p l e rm a d ed o u b l et h r o ws w i t c h t h ec i r c u i tn o t o n l ys w i t c h e df a s t e r , b u ta l s oh a ss a f ea n dr e l i a b l ec h a r a c t e r i s t i c s t h ei n j e c t i o nv o l t a g e ， s e p a r a t i o nv o l t a g e ，i n j e c t i o nt i m e ，s e p a r a t i o no ft i m ec a nb es e tt h r o u g hl c da n d k e y b o a r d t h es y s t e mc o m p l e t e dt h es e t t i n g sa u t o m a t i c a l l yw h i c hr e d u c e dt h em a n m a d e f a c t o r sa n de n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ea n a l y s i s i na d d i t i o n ，f o rd i f f e r e n tm o d e l sa n d d i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h es i i l 舀e c h i pc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e dt h e e x p e r i m e n t a ls a m p l ef r a m ei no r d e rt oi m p o s ev o l t a g et ot h ep o o l s c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l yo fl a b o r a t o r y , t h ep o w e r s y s t e mn o to n l yr e d u c e dt h e s i z eg r e a t l y , b u ta l s oo u t p u ts t e a d i l y , d r i f t e ds m a l l ， e l e c t r o d e ss w i t c h i n gq u i c k l y ，a n dc a no p e r a t ei n d e p e n d e n t l y ，m e tt h er e q u i r e m e n t so f c e k e yw o r d s ：c e ：h i g h - v o l t a g em o d u l e ：e l e c t r o d es w i t c h ；f i t t i n gd a t a 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目：立多趣皇区亟竖望苎童丝墨坠 作者鼢镑巢一 吼丛l 年必乒日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目六窿丝篁竺鲎查! ! 竺兰塑兰一 作者签名：丝垄日期：2 望年么二月上整日 导师签名： 垫里鸳日期：攀堂2 年，月蛆日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的提出 在生物组分分析中，毛细管电泳由于具有分离效率高，分析速度快，样品用量少等 优点，在化学、生命科学、药物学、临床医学、法医学、环境科学、农学、燃料及食品 科学领域有着十分广泛的应用l l l 。 芯片毛细管电泳分为进样和分离两个过程，以常见的单通道十字形电泳芯片为例， 其工作原理如图1 1 所示。在进样过程中，进样池、缓冲液池、废液池分别接高压电源 正极，样品废液池接电源地端，并使缓冲液池和废液池电压略低于进样池电压，在进样 电压作用下，分析样品从样品池经进样沟道进入样品废液池。进样完成后，迅速切换电 极，使进样池、缓冲液池、样品废液池分别接高压电源正极，废液池为地，调整各个溶 液池的电压，保证处于十字中心的样品在分离电压的作用下进入分离沟道完成检测【2 j 。 因此，芯片毛细管电泳分析中使用的高压电源，必须保证能够多路输出，并且在进 样完成后能迅速切换电极，以保证样品及时分离。另外，在确保每一路高压输出的同时， 要使输出电流控制在u a 级，这样既能够形成样品分离所需要的电势梯度场，又避免产 生热效应而改变被分离样品的特性。所以，芯片毛细管电泳高压电源与一般常用高压电 源有很大不同。为更好开展毛细管电泳芯片及其检测系统的研究，本文开展芯片毛细管 电泳高压电源系统研制。 图1 1 芯片毛细管电泳示意图 f i g 1 1d i a g r a mo fm i c r o c h i pc a p i l l a r ye l c c t r o p h o r c s i s 在高压电源的制做中，通常采用2 2 0 v 工频交流电经变压器升压、整流滤波而获得， 这样不仅使电源的体积和重量很大，并且纹波较大，稳定性不高，效率低，难以满足电 泳分析的要求。随着开关电源技术的发展及高频高压电源及其模块出现，大大减少了高 压电源的体积和重量，提高了电源的稳定性和效率。在电源测量上，传统的电源一般采 用指针式显示电压或电流值，配置电位器调整所需要的电压值。指针式高压电源的电压 毛细管电泳高压电潦系统设计 读数不精确，由于电位器的非线性阻值特性，在调整时需要花费一定的时间，而且还会 产生漂移，使用起来非常不方便。另外，手工控制不能实现自动监测和自身保护。 本实验室原有的毛细管电泳高压电源就属于传统的高压电源，不仅体积大，而且电 泳分析中不能脱离计算机独立运行。其最大的问题是输出不稳定，三路输出电压中的第 一路电压在进样过程中的净增平均值为9 v ，分离时净增平均值为2 2 v ；第二路电压进 样净增平均值为4 7 v ，分离时净增平均值为4 5 v ；第三路电压进样净增平均值为1 艺v ， 分离时狰增平均值为2 2 v ，很大程度上影响了样品分析的准确度。 因此，研制高稳定性的毛细管电泳高压电源，已成为开展毛细管电泳苍片及其检测 系统的关键问题之一。本文设计的高压电源不仅体积小，具有良好的输出特性，而且还 能够对进样电压、进样时间、分离电压、分离时间等参数进行预设，自动完成电极切换， 脱离计算机独立运行，各输出端能方便地分别施加于毛细管电泳芯片的各溶液池，既能 够满足单通道样品分析要求，又能够扩展到多通道生物样品的测试，使芯片毛细瞥电泳 分析更加便捷和高效。 本课题来源于国家自然科学基金项目( 资助号：6 0 3 7 4 i i 9 2 ) 。 1 2 毛细管电泳高压电源研究现状 1 2 1高压直流电源的发展 早期的高压直流电源，是将工频电压直接经高压变压器升压后整流滤波，或升压后 再倍压整流后得到高压。直流高压电源的接线方式很多，有半波整流电路，桥式、全波、 倍压、多相整流电路等，这种电源的缺点是所用设备、元件的电压较高，体积、重量和 占地面积大。后来，出现了线性高压直流电源，所谓线性稳压电源，就是其调整管 工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，电源的效率一般只有 3 5 - 6 0 。上世纪7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流 后逆变为2 0 k h z 左右的中频，然后升压。到目前为止，电源的频率已经达到了数百k h z ， 应用先进的准谐振技术甚至可以达到m h z 的水平。频率的提高大大降低了高压变压器、 电抗器、平滑电容器、高压电容器的体积，而它们是决定高压电源体积的主要因素，这 使高压电源变得轻巧便携，实用性和便携性得到了很大改善 3 - 5 ， 高压电源的原理框图如图1 。2 所示，交流电源经初级整流单元整流、滤波后，变成 低压直流，再经过逆变单元逆变成高频方波电压，然后经高频高压变压器和后级直流倍 压单元，将电压升高到直流高压，输出端反馈将输出的高压信号反馈到脉宽控制单元， 大连理工大学硕士学位论文 控制单元触发逆变单元电路中开关管的导通，只要通过调整控制单元的触发预置电压， 就可调节直流高压的输出电压。 图1 2 高压电源原理框图 f i g 1 2 b l o c kd i a g r a mo ft h eh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l y 随着高频电源及其模块的出现，电源的效率日益提高，体积更加小型化。高压高频 开关直流电源同线性电源相比较，具有以下的突出特点：体积小，效率高达7 0 - - - ，9 5 ， 重量轻，反应快，储能少，设计制造周期短。由于这些优越特性，现在已逐渐取代了传 统的高压线性直流电源【1 1 。 但是，由于电源频率的不断提高，引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，容易 引起器件的过电压、过电流毛刺。为了提高系统的可靠性，逐渐开发出了“用户专用” 功率模块，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到上个模块中，使元器件 之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计， 达到优化完美的境地。电源模块化不仅使电源使用方便，缩小了整机体积，并且取消了 传统连线，把寄生参数降到最小，从而使器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可 靠性【1 2 1 。 现代电源发展的另一个趋势是电源越来越智能化，以微处理器为主体取代传统仪器 仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成了新一代的“智 能化测量控制仪表一。其具体表现为： ( 1 ) 操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、 数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全 部自动化。 ( 2 ) 具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自 诊断及量程自动转换等，系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可 以在系统启动时运行，同时也可在系统工作中运行，极大地方便了系统的维护。 ( 3 ) 具有友好的人机对话方式。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳 压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此 毛细管电泳高压电源系统设计 同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及溺量数据的处 理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。 由此可见，高压电源的发展趋势是电源体积越来越小，电源效率逐渐提高。电源日 益智能化f n 1 7 1 。 1 2 2 毛细管电泳高压电源研究现状 在毛细管电泳分析中，施加于电泳沟道两端的电压决定了沟道内的场强分布，而场 强的分布又决定了被测样品分子所受到的作用力的大小，从而影响7 样品各组分在沟遭 内的迁移率。在进行毛细管电泳分离时，流经沟道内的电流是被分析样品的离子所带电 量与时间之比值，电流愈大，通过的离子数愈多。由于正负离子的运动方向不同，对样 品分子的运动也有影响。电流和沟道两端电压的乘积电功率，就是电泳消耗的电能。当 电能转变为热能后，一部分未能溢散的热量寨积起来，使沟道内的温度升高。曲于温度 对电离度和样品分子的卷曲程度都有影响，故电泳分离时电源功率的大小，成为毛细管 电泳分析的重要参数之一【1 8 1 。 在高频开关电源的设计中，电源主要由输入整流滤波器、高频开关变换器、高频变 压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是： 交流输入电压经整流滤波后成为一粗糙的直流电压，高频变换器将这一直流电压变 换成高频交流电压，再经高频变压器变压和隔离，最后经过输出整流滤波电路，将变压 器输出的高频交流电压整流滤波，得到高质量、高品质的直流电压。一般采用功率半导 体器件作为开关元件，通过周期性通断工作，控制开关元件的导通时间占空比来调整输 出电压。开关电源中的变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动 电路、过流及过压保护电路、噪声滤波器等部分组成。反馈回路检测输出电压变化，与 基准电压比较，其误差电压通过放大器放大和脉宽调制电路，再经过驱动器控制开关器 件的通断时间比，从而调整输出电压的大小。因此，在不同的实验要求下有国内外有不 同的设计方梨1 9 2 1 1 。 中国科学院上海生物化学研究所罗一鸣等【捌设计出三控( 电压、电流、功率可控) 电泳电源，它能单独作为一个可调稳压电源、恒流电源或定功率电源使用，也可以在某 个参数稳定情况下工作，同时对其他两参数控制，使其不超过预置值。例如，将该电源 作为一个稳压电源使用时，可以预置电流和功率不超过限定的值，在运行过程中如因某 种原因( 如电泳槽的等效电阻变化) 电流上升到预置值，则该电源将从稳压状态自动转 换到恒流状态。同样，也可从稳压状态自动转换到恒功率状态。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 该电源的原理框图如图1 3 所示。市电送入包括可控硅组成的电压调节器，经升压、 整流与滤波，被采样后输出。电压采样信号送至电压比较器，电流采样信号送至电流比 较器。同时，该两信号送入一个乘法器，得到的功率信号输至功率比较器。当采样信号 低于基准电压，比较器没有输出，则整个设备不受限制，其输出将增加。当采样信号增 加并达到基准电压，比较器开始有输出，并限制整个设备的输出，这样即可达到稳定的 目的。三个比较器的基准电压可通过面板上的旋钮分别调到预置值。三个比较器的输出 均接至电平交换器，再由控制脉冲发生器来调整脉冲发生的状况，并送人电压调节器对 电压作适当的调整，然后又经升压、整流、滤波输出，从而构成了一个闭环，达到调节 的目的。 茄h 赫巾摹愀 电& l l 电鼍 采样i | 采样 电路i l 电謦 图1 3 三控电泳电源原理框图 f i g 1 3d i a g r a mo ft h r 蝴n t x o i l e dp o w e r 高压电源变压器普遍采用电磁变压器，但电磁变压器存在诸多缺点，如其制作工艺 复杂，线圈间绝缘困难，成本高，浪费铜材，而且容易烧毁。针对这些问题，2 0 0 1 年陈 绩光、莫金垣等人1 2 3 】将压电陶瓷升压技术应用于毛细管电泳，研制出毛细管电泳专用高 压电源。图1 4 为压电陶瓷变压器的工作原理图，x 、y 为极化电极，当向极化电极施 予适当频率时，在纵轴方向的末端z 输出高压。 图1 4 压电陶瓷片工作电路图 f i g 1 4 t h ec i r c u i td i a g r a mo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s 毛细管电泳高压电源系统设计 电源的工作原理如图1 5 所示，电源由供电电路( a ) 向振荡电路( b ) 提供低压直流电， 可以是市电降压整流所得，也可以用蓄电池供给，振荡电路) 输出的交流电压施于压 电陶瓷作极化电源。从压电陶瓷朱端输出的约几十至几千伏的高压交流电，经多倍 压整流电路) 整流，得到约几千至几万伏的直流电压。该电源适用于毛细管电泳分析， 输出电压为1 k v 4 0 k v ，具有自我保护功能，可满足毛细管电泳分析要求。由于没有高 压( 电磁) 变压器，具有体积小、重量轻、稳定性好等优点。 图1 5 压电陶瓷高压电渡方框苗 f g 1 5d i a g r a mo fp i e z o e l 触l l i g 矗v 0 1 t a g cs u p p l y 2 0 0 3 年，南京大学院鲍宁等i 刎设计出由计算机控制的芯片毛细管电泳专用电源。 如图1 6 所示，整个电源具有荫路输出电压，可分别用于芯片毛细管电泳的进样和分离， 能监控毛细管电泳的分离电流，监测电渗流，可以保存分离电流的数据。p c 机遥过 r s 2 3 2 接口向单片机发出指令，预置电压经单片机经过t ) a 转换生成标准电压信号， 该信号与高压发生器产生的信号经过电压检测电路和延迟网络后一起输入比较器a ，由 比较器产生的误差信号由延时网络输入高压发生器，形成闭环控制电路高压发生器输 出电压经电流检测电路输至输出切换电路，由单片机来的信号控制输出切换电路输出到 不同的输出端口。由电压检测单元和电流检测单元输出的信号经多路选择开关后再被输 至柚转换器，对应的数值经单片机和r s 2 3 2 接口返回p c 机进行处理。 图1 6 电源组成图 f i g 1 6 s c h e m eo fp o w e t 辫；i l 大连理工大学硕士学位论文 2 0 0 6 年，中科院电子学研究所苏波陋l 设计的模块化毛细管高压电源系统，进一步 缩小了电源的体积，使电泳分析中的电压控制更为简单。电泳过程所需的电压由四个高 压电源模块供给，其中两个模块的输出电压为o 2 0 0 0 v ，另外两个模块的输出电压为 0 - 4 0 0 0 v ，d a 转换器在仪器中用于控制高压电源模块的输出电压。通过向高压模块的 控制端加载一的控制电压，可以得到一线性的高压输出。在进行毛细管电泳芯片分析时， 先在进样沟道两端的储液池中加上一定的电压用来进样，然后再在分离沟道两端的储液 池中加上一定的电压用来分离，可以重复多次迸样和分离过程。为了提高效率，进样和 分离电压的切换利用软件来控制，每个储液池中所加的电压通过继电器阵列进行通、断 切换。切换电路如图1 7 所示，采用u l n 2 8 0 3 a 达林顿管吸收电流，增加微控制器 a t 8 9 c 5 2 的p 0 口的驱动能力，利用p o 口的通断为溶液池施加电压。 图1 7 电源组成图 f i g 1 7 s c h e m eo fp o w e r 丘舔姒 电簟8 综上所述，高压电源在不同的应用场合下设计有所不同，应用于毛细管电泳分析 的高压电源也经历了从传统电源到开关电源化、模块化的过程，而如果电源能进一步实 现工作智能化，能够脱离计算机独立完成多路电压的供给、切换以及与他机通信。电源 的使用将更加便捷，应用环境更加广泛。 1 3 本文主要工作 本文开展的毛细管高压电源及控制系统的设计主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 选定高压模块，以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心设计电源控制系统，包括按键扫描、 液晶驱动、高压输出采样、模块输入控制、数字稳压、外部串行通讯口。用户可通过键 盘和l c d 对高压电源进行操作。 毛细管电泳高压电源系统设计 ( 2 ) 为了使高压电源更灵活地应用于毛细管电泳分析，设计电极切换电路，保证 电源快速、准确地输出进样电压和分离电压，进样完成后及时切换电极。 ( 3 ) 制作实验样品架，使该高压电源既可用于单通道激光诱导电泳分析，又能用 于光纤嵌入式芯片毛细管电泳分析。 ( 4 ) 设计完成后，将电源应用于单通道及多通道电泳检测中，保证电源满足毛细 管电泳分析的要求。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 毛细管电泳高压控制原理 2 1毛细管电泳的基本原理 2 1 1 毛细管电泳简介 电泳是电解质中带电粒子在电场力作用下，以不同的速度向电荷相反方向迁移的现 象。最初是指带电荷凝胶粒子在直流电场中移动的现象，但低分子带电物质也有泳动现 象。实际上胶体的定义是比较含糊的，它与高分子多电解质难以截然划分。由于这一技 术发展很快，己广泛应用于蛋白质、氨基酸、核酸、嗓吟、嗜咤以及其他有机化合物甚 至无机离子等各领域，并且使用本质上相同的仪器和操作方法，因此现在统一使用电泳 这一名称。电泳不仅指这一现象，也是一种分离的方法或技术。电泳就是分离和鉴定混 合物中带电粒子包括离子、高分子多电解质、胶体、病毒颗粒以至活得细胞如细菌和红 细胞等的技术。传统的电泳技术由于受到焦耳热的限制，只能在低电场强度下进行电泳 操作，分离时间长，效率低。8 0 年代初，细径毛细管被用于电泳，由此产生了一种新型 的分析技术毛细管电泳1 2 6 - 筠1 。 毛细管电泳) 又称高效毛细管电泳( h p c e ) ，是指离子或带电粒子以毛细管为分离 室，以高压直流电场为驱动力，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现 分离的液相分离分析技术。由于毛细管内径小，表面积和体积的比值大，易于散热，因 此毛细管电泳可以减少焦耳热的产生，广泛应用于物质组分的检测。 c e 开始主要用于蛋白质和多肽的分析，以后逐渐被广泛应用于生物、化学、医药、 环保等领域。它具有分离效率高，分析速度快，样品及试剂用量少，洁净无污染等特点， 与高效液相色谱法0 t p l c ) 成为分析化学中互补的技术。随着生命科学的发展，毛细管电 泳技术也有了广阔的发展空间。目前，不同分离模式的毛细管电泳技术正成为最重要的 生物样品分离分析手段【矧。 2 1 2 电泳的基本原理 电泳的基本原理是：当一带电粒子置于电场中时，它受到一个正比于它的有效电荷 ( 鼋) 和电场强度( e ) 的力( f ) 的作用： f 一班 ( 2 1 ) 在电场作用下带电粒子以速度( y ) 作平移运动，与此同时它又受到一个与其速度成 正比的粘滞阻力f 的作用，即： 毛细管电泳高压电源系统设计 f - 归 ( 2 2 ) 厂为比例常数，称为平动摩擦系数，与粒子的大小和形状有关，。当这两个作用力 相对平衡时，f f ，粒子以稳态速度 ，运动，于是： y 。- 啦f ( 2 3 ) 对于球形粒子，f 由s t o k e s 定律给出： f - 锄矿 ( 2 4 ) ， 式中1 7 为介质粘度，为表观液体动力学半径，因而公式可写为： ，t 生( 2 5 ) 因为色。q e r ，用带电粒子的z e t a 电势来表示，公式变为： l ，堕e( 2 6 ) - 6 以- t 对于棒状粒子t ，- 三殳e( 2 7 ) p 声 4 叨 由此可见，带电粒子在电场中的迁移速度，除了与粒子的有效电荷及其大小和形状 有关外，还与电场强度和介电特性有关。 因为电泳速度与外加电场强度有关，所以，在电泳中常用淌度( m o b i l i t y , ) 而不用 速度来描述带电粒子的电泳行为与特性。电泳淌度定义为单位场强下离子的平均电泳速 度，即： - v e ( 2 8 ) 在毛细管中，电渗流( e l e c t r o o o s m o t i c ，简称e o f ) 指的是体相溶液在外加电场作 用下整体朝一个方向运动的现象。e o f 的速度与电势有关。由熟知的v o n s m o l u c h o w s k i 方程给出： v 。- 一e o e 毒we ( 2 9 ) 大连理上大学硕士学位论文 式中“为真空介电常数。 影响速度的主要因素有电场强度、管壁的电势和溶液特性。图2 i 为电泳示意图， 箭头代表电泳的方向。由图2 1 可见，在外加电场作用下，带较多正电荷的质量较小的 粒子电泳速度最快速度降低的顺序依次为带较少正电荷的质量较小的粒子、带较少负 电荷的质量较小的粒子、带较多负电荷的质量较小的粒子等。在管壁带负电的情况下， 电渗流的方向是朝向阴极反之则相反【圳“。 目2l 毛细管电泳示意图 f i g2 1 s c h e m e o fc a p 壮ye l e c t r f ，p h o r e s i s e 22 高压控制在毛细管电泳中的作用 在光纤嵌入式激光诱导检测系统中f 3 “由半导体激光嚣发出的激光经透镜耦合进入 毛细管电泳芯片的光纤通道，由计算机控制高压电源模块完成电压的切换，实现样品的 进样与分离。由于进样和分离过程中各端点的电压值不同，在电泳分析开始前就必须设 定好进样电压和分离电压，并保证在迸样完成后电源自动切换电极以进行分离过程。在 实际样品检测中，迁移时问是个很重要的参数，需要在电压切换的瞬间开始计时，并同 时控制光子计数器开始采集数据。因此，需将高压控制模块的发送端连接光子计数器的 接收端。实现上述过程的系统结构如图22 所示。 i m 湃幢块 匣夏至蟊 。瑰虱 醇 毛细管电泳高压电源系统设计 样品注入( 进样) 是样品分析过程的重要操作步骤之一。毛细管电泳常用的进样方式 包括电动进样( e l e c t r o k i n e t i ci n j e c t i o n ) 与流体力学进样( h y d r o d y n a m i ci n j e e t i o n ) 两种方式 流体力学进样中的压力、真空与重力三种方法，分别由外加压力、真空吸弓i 与高度差所 造成的驱动力将样品导入毛细管。虽然流体力学进样不受样品电泳淌度的影响，适用于 定量分析，但进样设备复杂，体积庞大，较少被采用。电动进样是将高压电极置入样品 沟道中，样品因自身的电泳淌度与电渗流的推动而导入毛细管内。由于样品进量会随离 子电泳淌度而不同，所以比较适合定性分析，毛细管电泳芯片主要采用这种进样方式。 到目前为止，电动进样主要有门进样( g a t e d 埘e c t i o n ) 和收缩进样0 菇也甜i n j e c t i o n ) 。 门进样过程如图2 3 所示。进样前，在u 3 和u 4 之问加一定的电压，样品在电场的 作用下从u 3 流向u 4 。为了遏制样品溶液向u 1 、u 2 方向扩散，在u l 和u 2 也加上一 定的电压，使样品溶液主要从u 3 流向u 4 。进样时，在u 3 和u 4 之间加电压，同时u 1 和u 2 仍保持一定的电压，于是一段样品就从交叉口处进入分离通道。可通过控制此过 程的时间长短来改变进入分离通道样品的数量。分离对，改变在u 1 和u 2 以及u 3 和 u 4 之间施加的电压，使样品流向检测点处，同时u 3 和u 4 通道内的样品在电场的作用 下会回流到溶液池中。在进样前，微沟道内壁需妻经过修饰，以减少内壁对样品的吸附， 同时也降低对电渗流的影响。门进样可以实现连续进样，这对于需要不断进行样品载入 和分离的模式，如柱后反应是十分有用的。 璩样品孢 僦 _ 废 废蒗孢 j m 律品翘 械 l _ 废 厥攮恧 l 图2 3 门进样示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fg a t e di n j e c t i o n 收缩进样过程如图2 4 所示。进样时，u 1 、u 2 、u 3 施加电压，u 4 接地，u 3 的电 压高于u 1 、u 2 ，样品溶液在u 1 、u 2 电压的挤压下从u 3 流向u 4 。进入分离阶段时， 四个端点的电压同时切换，使u 2 端接地，u 1 、u 3 、u 4 施加电压，并且u 1 的电压高 于u 3 、u 4 端的电压，样品在u 1 和u 2 之间的电场下流向检测点处。若在分离阶段， 仅在u 1 、u 2 端施加电压，而使u 3 、u 4 悬空，那么留存于一十 字交叉口上下两边的 大趣工大学硕士学位论文 样品会受到分离沟道中流动着的缓冲液的拖动而被携入分离沟道，形成很高的背景噪 声，影响检测效果。收缩进样的优点是样品的进样量可以得到精确控制，并且不随时间 而改变，实验重复精度大大提高。 ( a ) 进样时( b ) 分离时 图24 收缩进样示意图 f 追2 4 s c h e m a t i cd i a g r d m o f p l n c h e z l 叫e c ，o n 溶质的迁移时间、分离效率和分离解析度都可以从升高外电压而获益。实验证实， 在焦耳热可以忽略的条件下，上述参数和外加电压存在近似的线性关系。但在较高缓冲 溶液浓度下，由于热效应的结果，就会大大偏离线性。电压升高，产生的焦耳热增多 在不能有效地驱散所产生的焦耳热情况下，沟道内的温度显著升高，会导致缓冲溶液电 导增加，枯度减小，双电层增厚。这些变化的综合效应是淌度增加，分离效率和分离度 降低。电压是控制塔板数、迁移时间和分离度的重要因素。因此应该使用尽可能高的 电压以达到最大柱效、最高分离度和最短的迁移时间，但焦耳热是一个限制因素。图2 5 显示了在不同电压比例下收缩进样的照片，这说明高压电源的输出值直接影响毛细管电 泳分析的精确度。 a ) y iu ：v 部4 ：04 5 ：1 ( b ) vz ：v 2v 勋5 5 ：06 ：1 图25 不同电压比下样品的收缩进样 f i g2 5 d i f f e r e n t v o l t a g er a d i o o f p l n c h e d e c t i o n 毛细营电泳高压电源系统设计 23 系统组件和控制算法的选择 2 31 高压模块的功能 随着电源开关频率的提高以及电子元器件的发展模块化电源的应用越来越普遍。 电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块 化。常见的器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反 并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块p 】。 近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化” 功率模块，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不 断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力表现 为过电压、过电流毛刺。 为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块，它把一台整机 的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连 接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它 类似于微电子中的用户专用集成电路。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片 再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的电源装置。由此可见，模块化 的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到 最小，从而把器件承受的电应力降至是低，提高系统的可靠性。 另外，在大功率电源中，出于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑 一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流， 一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情况r 满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说 功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会 影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间【螂】。 圈26 模块实物图 f i g2 6t h e m a p o f h 蚰v o r a g e m o 曲k 大连理工大学硕士学位论文 鉴于以上优点，本文采用天津三川高压技术中心生产的d w p 5 0 2 高压模块输出高 电压。图2 6 为其外观及外部引脚示意图，从图中可以看出，外部引脚左侧为高压输出 端及其地，右侧从上至下依次为输出电压监测端，输出电压调节端，模块供电端及其地 端。输出电压监测端电压值与高压输出端比例值为1 ：1 0 0 0 ，调节端电压范围为0 5 v 。 这就意味着当数据模拟转换器的输出为零时，高压电源模块的输出为零，当数据模拟转 换器的输出为l v 时，高压电源模块的输出为1 0 0 0 v 。表2 1 给出了本文采用的高压模 块的具体参数。 表2 1 高压模块参数 t a b 2 1 p a r a m e t e r so fh i g h - v o l t a g em o d u l e 这种电源模块除了体积小，还具有以下特点： ( 1 ) 电压输出准确、稳定、纹波系数小，电压可方便地进行连续调节，线性度好。 ( 2 ) 具有输出短路保护功能。高压电源在开发和实验中往往由于绝缘措施不够完 善，发生剧烈放电现象。高电压对地放电时对电源内部的损害是极大的，内置的短路保 护电路避免了这种情况对电源的致命伤害，使人们在使用时更为放心。 ( 3 ) 较低的能量残余。高压电源在输入端停止供电后，往往有能量存储在电源内 部，可能使得输出端在短时间内仍存有较高电压，对操作人员造成危害。该高压电源模 块采用低能量残余的设计，消除了这一隐患，使系统更加安全、可靠。 ( 4 ) 可靠的外壳屏蔽性能。高压转换模块封装于铝合金外壳内，将内外电磁场相 互隔离，不但有效地防止了高压电路对外围电路的影响，而且显著降低了电压输出的噪 声，可降低纹波波。 模块的工作机理如图2 7 所示，主要由逆变电路和后级整流滤波电路组成。在全桥 逆变电路中，v t l 、v t 4 与v r 2 、v r 3 由基极激励驱动而轮流通断，从而将直流电压 v i 变换成高频矩形波交流电压，然后通过多倍压整流电路整流滤波后给负载提供稳定的 直流电压。 毛细管电泳高压电源系统设计 图2 7 高压模块工作原理图 f i g 2 7s c h e m a t i cw o r kh i g h - v o l t a g em o d u l e s 四个功率开关管组成桥的四臂，桥的一对交点输入直流电压，另一对交点接高频变 压器原边绕组。v n 和v r r 4 由一组开关信号驱动，v t l 和v t 4 导通时电流方向对原边 绕组是由上向下。过半个周期，1 和v t 4 截止，2 和y r 3 在另一组驱动信号下导 通，导通电流由电源v i 正端经v t 3 ，原边绕组由下向上，v r 2 流向电源负端。两对开 关管轮流导通，导通时绕组电压近似等于。每只开关管均并联一只高速功率二极管， 其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管 不被击穿。 直流电压v i 施加