（计算机系统结构专业论文）微流体芯片信号采集与处理系统的研制.pdf

海大学硕士学位论文 摘要 微流体芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是近年来刚刚发展起来的一门新兴技术。 它是建立在毛细管电泳系统基础之上，与微电予机械系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 、生物化学、分析化学等多学科交叉的研究领域。它在高效快 速的分离、灵活性的设计和多功能单元集成方面的潜力引人注目，成为当今的研究 热点之一，并已经开始在生命科学、药物化学、医学等诸多领域得到应用，但其检 测器的性能不足严重割约了微流体芯片系统的发展。 本论文主要在探讨微流体芯片工作原理和信号特点的基础上，本着高灵敏度、 低成本、性能稳定、操作简便的目标，开展了微流体芯片信号采集与处理系统的研 制工作。 论文的主要工作和内容有： ( 1 ) 总结前人在微流体芯片领域的研究情况，指出了分析仪器国内外研究现 状，并分析了其发展趋势 ( 2 ) 深入了解了微流体芯片工作原理，及其输如信号的特点，研究了相关的 数字信号处理理论( 有限长单位冲激响应滤波器、小波变换等) ； ( 3 ) 研讨了共聚焦反射式激光诱导荧光检测方法，确定了微流体苍片信号采 集与处理系统的总体设计方案，并分模块实现了该系统数据采集器的硬件和软件的 设计与制作： ( 4 ) 编制了位于上位计算机的微流体芯片信号处理与分析软件，实现了谱线 的绘制、分析、存储和打印等功能；设计并实现了多种数字信号处理算法。 ( 5 ) 完成了实验系统组装与联调。采用信号模拟的方法，对研制出的信号采 集与处理系统进行测试和验证；并用编制的各种数字信号处理算法对模拟产生的电 泳谱峰图进行了处理，且对处理结果进行了比较分析。 本文的研究为开发一种高灵敏度、性能稳定、操作简便和便携式的新型生化分 离分析仪器奠定了一定的技术基础。 关键词：微流体芯片，数据采集，数字信号处理，v i s u a lc + + v 上海大学倾上学位论文 a b s t r a c t m i c r o f l u i d i c c h i p ( m fc h i p ) i s a r a p i d l yd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y i t i sa m u l t i d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g yc o m p o s e do fk n o w l e d g ed e r i v e df r o mm i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) ，b i o c h e m i s t r ya n da n a l y t i c a lc h e m i s t r yi t sc h a r a c t e r i s t i c s o fh i g hs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ；f l e x i b l ed e s i g na n dm u l t i r m c t i o n a li n t e g r a t i o na t t r a c t e dt h e a t t e n t i o no ft h eb i o m e d i c a lr e s e a r c h e nm fc h i pt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt ol i f e s c i e n c e ，d r u gd i s c o v e r ya n dm e d i c i n e ，h o w e v e r , t h es c a r c i t yo fp e r f o r m a n c eo ft h e d e t e c t o rl i m i t si t sf u r t h e rd e v e l o p m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，am i c r o f l u i d i cc h i ps i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mh a s b e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e db a s e do ne l e c t r o p h o r e s i sp r i n c i p l eo nm i c r o f l u i d i cc h i p a n dc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o p h o r e s i ss i g n a l t h ed e s i g n e ds y s t e mb e a r i n gt h eu n i q u e n e s s o ft h em fc h i p ，w h i c hi n c l u d e sc o n v e n i e n c eo f a p p l i c a t i o n ，c o m p a c t n e s s ， c o s t - e f f e c t i v e n e s s ，s t a b i l i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y 2 4 t h ea r e a su n d e rs t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o na l el i s t e da st h eb e l o w c o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h em o s tr e c e n td e v e l o p m e n ta n dt h et r e n d s i nt h e d e v e l o p m e n to fm i c r o - f l u i d i cc h i p a p p l i c a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y , s u c ha st h en y q u i s tt h e o r y , f i n i t e i m p u l s e r e a c t i o nf i l t e ra n dw a v e l e t ，o n i n v e s t i g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o p h o r e s i ss i g n a lo f t h em i c r o f l u i d i cc h i p ac o n f o c a li a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nw a ss t u d i e d t h ed e s i g no f m i c r o - f l u i d i cc h i ps i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mi sl a i do u t ，ac o m p l e t e s y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ec o n s t r u c t e d n l em i c r o - f l u i d i cc h i ps i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gs o f t w a r ew a sp r o g r a m m e d b y t h i ss o f t w a r e ，e l e c t r o p h o r e s i ss i g n a l sc a nb ec o l l e c t e da n dg r a p h i c a l l yp r e s e n t e d ， i na d d i t i o nt ob ea n a l y z e d ，s a v e da n dp r i n t e di nt h i ss o r w a r e m o r e o v e r , s e v e r a l v i 上海大学硕士学位论文 a l g o r i t h m so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga r ea l s od e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i s s o f t w a r e 5 t h ew h o l em i c r o f l u i d i cc h i pd e t e c t i o ns y s t e mw a si n t e g r a t e da n dd e b u g g e d t h e s i g n a ld e t e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mw a st e s t e da n dc o n f i r m e d e l e c t r o p h o r e s i s g r a p h i c a lr e c o r d st h a td e r i v e db yu s i n gt h ep r o g r a m m e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g a l g o r i t h mw a sp r o c e s s e d t h er e s u l t so ft h ep r o c e s s i n gw e r ea n a l y z e db yu s i n g c o m p a r a t i v em e t h o d s t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o nl a i dat e c h n i c a lb a s i sf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fam f c h i pb i o c h e m i s t r y a n a l y z e rh o l d i n gt h ep r o p e r t i e so fc o n v e n i e n c e ，c o m p a c t n e s s ， l o w - c o s t l i n e s s ，s t a b i l i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y ， k e y w o r d s ：m i c r o - f l u i d i cc h i p ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，v i s u a l c + + v i i 海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期逝：! ：兰 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学校有权保留论文及送交论 文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可咀公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：彩f ，毒导师签名： 1 1 日期：弘j 牛f 上蹲大学硕，l 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 微流体芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ，m fc h i p ) 是2 0 世纪末出现的，是在常规毛细 管电泳( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，c e ) 原理和技术的基础上发展起来的一种新型微 量分析装置。它是利用微加工技术，在硅、玻璃、塑料等基片上刻蚀出扇平的毛细 、一， 管微通道和其它功能单元，然后用盖片将其封闭，在外加电场的作用下，通过不同 、一一一一一 的通道网络、反应器、检测单元等组成部件的设计和布局，以实现集微量样品的制 备、进样、反应、分离、检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析实验装置，它 使毛细管电泳分离物质的整个过程可以在一块数平方厘米的基片上得以实现。图1 1 为单通道微流体芯片的示意图，基于玻璃基片的芯片微通道如图1 2 所示。 缓冲液池样品池样品废液池 缓冲液池毛细管通道检测点 图1 1 微流体芯片示意图 图1 2 微通道示意图 1 2 微流体芯片的提出及其特点 微流体芯片的提出与微全分析系统( m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e m ，u - t a s ) 的 提出和发展是紧密相关的。早在2 0 世纪3 0 4 0 年代，电泳作为一种分离技术得到了 快速发展，特别是高效毛细管电泳( h i g hp e r f o r m a n c ec a p i l l a r ye l e e t r o p h o r e s i s ， 上晦大学硕上学位论文 h p c e ) 技术的出现，使电泳技术产生了一场深刻的变化。1 9 7 4 年，r u z i c k a 等提出 流动注射分析方法( f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，f i a ) ，由此产生了全分析系统( t o t a l a n a l y s i ss y s t e m ，t a s ) 的概念。t a s 是现代样品分析的常用技术，是一种集进样、反 应、分离、检测为一体的全自动分析实验装置，具有效率高、精确度和重复性好等 优点，但它存在分析过程耗时长、样品用量较多及样品前处理较复杂等缺点“。随 着m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术的发展，人们越来越希望改进t a s 技 术，于是在t 9 8 9 年，瑞士c i b a _ g e i g y 公司的矾8 n z 等人第一次提出了u t a s 的概念。“。 u - t a s 是将整个实验过程集成到尽可能小的操作平台上，能在距检测点很近的地方 完成样品所有处理步骤的系统。1 t t a s 概念的提出，将t a s 技术与集成化技术结合起 来，推动了分离技术的发展。1 。1 9 9 1 年，在瑞士巴塞尔举行的高效液相色谱会议上以 及同年在美国洛杉矶举行的i e e e 传感器会议上，以玻璃作为基片的微流体芯片的实 验结果相继问世，从而宣布了微流体芯片的正式诞生“”。 微流体芯片与传统的毛细管电泳相比，具有截面积小、比表面积大的特点。由 于微流体芯片是在玻璃或其它材质的平板状基片上刻蚀制作而成。所以其散热速度 提高了很多，因而微流体芯片中受“焦耳热”的影响也就比毛细管电泳小得多。微 流体芯片由于良好的散热性，可以用较高的分离电压将样品在短时间内达到高效高 速分离，显著提高工作效率。另外，由于微流体芯片进样方法的改进及其电泳微通道 长度短、截面积小的原因，微流体芯片的进样量缩小为p l 级，而毛细管迸样量一般 为几个n l “，因此微流体芯片比毛细管电泳更节约样品，这对样品量受限的物质的 分析如微环境分析、d n a 分析是极为有利的。又由于使用了微细加工技术，芯片的 设计变得更为灵活，能将进样、反应、分离及检测等集成到芯片上，甚至在芯片上 集成聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h i nr e a c t i o n ，p c r ) 和连接酶链式反应( l i g a s e c h i nr e a c t i o n ，l c r ) 的功能单元”，实现p c r 和毛细管电泳的微型化、系统化、 自动化及智能化。此外，由于系统装置微型、集成度高，因此能比较容易地实现各 种检测器的联用，且由于在芯片上更容易实现多通道设计，使得并行的、高通量的 检测成为可能”。1 。 正是基于这些突出的特点，微流体芯片能够实现对于复杂样品快速、低耗、高 效、高通量、大信息流量的分析，因此，微流体芯片在核酸分析、多肽和蛋白质分 析、糖类分析、激素分析、生物细胞的分离、单分子检测、临床诊断、药物分析和 t 海大学硕士学位论文 药物筛选等诸多领域得到了广泛的应用，并成为当今世界各国研究的热点。尽管国 内外科学工作者在微全分离分析系统的迸样、分离、反应、检测等一体化集成方面 作了大量的探索工作，已取得了重要进展。但是，离真正的微全分析系统“”还有很 大距离。目前，主要还存在系统分离电压高、检测系统的微型化和集成化、芯片与 外界的接口、信号采集和处理等诸多问题需要解决。 由于微流体芯片极大地降低了样品或试剂的使用量，以及器件尺度的减小，于 是研究开发与之相匹配的检测方法及检测与处理系统就成为微流体芯片发展的关键 技术问题之。 1 3 微流体芯片主要检测方法 由于微流体芯片上的微通道本身尺寸微小，使得如何达到所需的灵敏度成为一 个重要的问题。微流体芯片大多都采用分离式检测器进行检测分析，虽有文献介绍 了与微流体芯片集成的检测器，但仍不成熟。实际上大多数文献都采用了激光诱导 荧光( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 检测器，它能较容易地对小体积样品进行检测并 得到高的灵敏度。对非荧光或不易衍生的物质，就需要用其它灵敏度较高的检测方 法，如电化学检测( e l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o n ) 、化学发光检测( c h e m i l u m i n e s c e n c e d e t e c t i o n ) 、吸收检测( a b s o r p t i o nd e t e c t i o n ) ；另外，若能与其它诸如质谱( m a s s s p e c t r o m e t e r ) 的仪器联用，得到的信息量将会大大增加。 1 3 1 激光诱导荧光检测 前面指出，芯片的一个重要特点是极大地降低了样品或试剂的使用量，如目前 最低的进样量已可低至i p l ，由于流体和器件尺度的减小，对于检测技术灵敏度的 要求就被提到了一个重要的位置，这样。激光诱导荧光检测技术就以其高灵敏度成 为目前大多数微流体芯片采用的检测方式“”。不同的研究小组在光路的设计、光 学元件的配置等问题上因其研究对象、理念和技术力量等实际情况的差异而有所不 同。目前，采用的光学系统根据主要设计原理大致可以分为透射式和落射式共焦系 统两类，而后者因其能够更有效地利用激发光源、降低噪声和便于调节，已成为优 先选用的设计。除了在光路上的硬件设计以外，为提高在微管道中痕量样品的检测 灵敏度，信号处理也是研究者关注的一个热点。同时采用电荷耦合器件( c h a r g e c o u p l ed e v i c e c c d ) 对相关区域的流体行为进行观测的分析也广泛地被采用。 高处理量的要求是芯片发展的一个重大趋势，这不仅对芯片本身的设计和制作 1 - 海大学硕土学位论文 药物筛选等诸多领域得到了广泛的应用，并成为当今世界各国研究的热点。尽管国 内外科学工作者在微全分离分析系统的进样、分离、反应、检测等一体化集成方面 作了大量的探索工作，已取得了重要进展。但是，离真正的微全分析系统“”还有很 大距离。目前，主要还存在系统分离电压高、检测系统的微型化和集成化、芯片与 外界的接口、信号采集和处理等诸多问题需要解决。 由于微流体芯片极大地降低了样品或试剂的使j 蚪j 量，以及器件尺度的减小，于 是研究开发与之相匹配的检测方法及检测与处理系统就成为微流体芯片发展的关键 技术问题之一。 1 3 微流体芯片主要检测方法 由于微流体芯片上的微通道本身尺寸微小，使得如何达到所需的灵敏度成为一 卜重要的问题。微流体芯片大多都采用分离式检测器进行检测分析，虽有文献介绍 了与微流体芯片集成的检测器，但仍不成熟。实际上大多数文献都采用了激光诱导 荧光( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 检测器，它能较容易地对小体积样品进行检测并 得到高的灵敏度。对非荧光或不易衍生的物质，就需要用其它灵敏度较高的检测方 法，如电化学检测( e l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o n ) 、化学发光检测( c h e m i l u m i n e s c e n c e d e t e c t i o n ) 、吸收检测( a b s o r p t i o nd e t e c t i o n ) 另外，若能与其它诸如质谱( m a s s s p e c t r o m e t e r ) 的仪器联用，得到的信息置将会大大增加。 1 3 1 激光诱导荧光检测 前面指出，芯片的一个重要特点是极大地降低了样品或试剂的使用量，如目前 最低的进样量己可低至l p l ，由于流体和器件尺度的减小，对于检测技术灵敏度的 要求就被提到了一个重要的位置，这样，激光诱导荧光检测技术就以其高灵敏度成 为目前大多数微流体芯片采用的检测方式“”。不同的研究小组在光路的设计、光 学元件的配置等问鼹上因其研究对象、理念和技术力量等实际情况的差异而有所不 同。目前，采用的光学系统根据主要设计原理大致可以分为透射式和落射式共焦系 统两类，而后者因其能够更有效地利用激发光源、降低噪声和便于调节，已成为优 先选用的设计。除了在光路上的硬件设计以外，为提高在微管道中痕量样品的检测 灵敏度，信号处理也是研究者关注的一个热点。同时采用电荷耦合器件( c h a r g e c o u p l ed e v i c e c c d ) 对相关区域的流体行为进行观测的分析也广泛地被采用。 高处理量的要求是芯片发展的一个重大趋势，这不仅对芯片本身的设计和制作 高处理量的要求是芯片发展的一个重大趋势，这不仅对芯片本身的设计和制作 r 海大学硕士学位论文 提出了更高的要求，也对检测器和数据处理能力提出了新的挑战，如m a t h i e s 的小 组1 9 9 9 年在直径为1 0 c m 的圆形基片上制作了9 6 根微通道的微流体芯片“，特殊设 计的激光诱导荧光共焦反射式检测系统能够同时检测所有管道中样品的分离。 激光诱导荧光检测器的微型化也在m e l d s 技术的支持下迅速发展，虽然到现在为 止，在大多数微流体芯片研究实验室中，仍然是传统光电器件架构的检测系统占主 要地位，但不可否认，随着半导体光电器件在芯片上集成的进一步发展，性能优越 的微型化、集成化的光学检测单元将会成为主流。目前如光源、光纤、滤光部件、 反射部件和光敏二极管都己实现了在微流体芯片上的集成。 1 3 2 质谱检测n ” 由于使用激光诱导荧光检测常常需要进行荧光衍射。因此质谱正在成为微流体 芯片研究中最受关注的检测器之一。通过为质谱提供良好的样品前处理及分离途径， 以及通过优化设计极大地提高了处理通量，微流体芯片与质谱的联用己经表现出了 极大的应用前景和良好的技术可行性。 微流体芯片与质谱联用的关键在于接口的制作，k a r g e r 和j m r a m s c y 的小组 都采用从芯片末端流出的液滴直接在静电作用下喷雾进入离子源这种方式；f i g e y s 和h a r r i s o n 等使用毛细管将芯片和质谱连接起来。各种方式各有其优缺点。 如何提高微流体芯片与质谱的接口性能，降低加工成本仍是目前有待研究解决 的问题，个更有潜力的设计思想是利用现有的微细加工技术将电喷雾的喷嘴直接 制作在芯片上，这将为蛋白分析提供一个强健易用的装置，其中又以塑料作为此微 型结构材料的设计最具应用潜力。 尽管质谱的微型化具有某些应用能力，但它对质谱分析的灵敏度和选择性的提 高并不能起到多大作用，而芯片上各种样品前处理结构的集成将会给实验室工作的 自动化和成本的降低带来福音，将微流体芯片作为质谱的样品前处理和进样装置已 成为几个重要小组的明确研究理念。 1 3 3 化学发光检测 化学发光检测具有成本低、灵敏度高、线性范围宽、一般反应和检测装置相对 比较简单等特点，近年来它的应用发展很快，覆盖的范围也很广泛。但常规毛细管 电泳与化学发光检测器的接口较为复杂，同时容易引入死体积和湍流现象造成分离 效率下降，而微流体芯片上能利用微细加工技术制作零死体积的柱后反应器，从而 上海大学碗上学位论文 避免这些问题，因此微流体芯片利用化学发光达到高灵敏度和高选择性的检测是具 有潜力的。m a n g r u 和h a r r i s o n “7 1 在微流体芯片上制作了柱后反应器，用辣根过氧化 物酶鲁米诺三元体系对其特性进行了探索，并进行了免疫分析，表现了化学发光在 生物大分子尤其是蛋白分析中应用的潜力。 1 。3 。4 电化学检测 电化学检测以其高集成化特点著称，随着超微电极的广泛使用，使得微流体芯 片与电化学检测器联用后，可望得到一个灵敏且真正集成化和微型化的分析装置。 如m a t h i e s 的小组在微流体芯片上集成了三电极体系的电化学检测o 。由于微细加工 技术在电极、电路、和微细结构制作上的优势，通过对微流体电化学检测芯片系统 的集成化和微型化，最有希望得到一个体积小，甚至是便携的装置。 相信单一的检测方法将很难完成全部检测任务，因此应对多种检测方法的联合 使用及新的检测方法进彳亍研究。h u a n g 等“”基于安培检测和紫外检测的互补性，将二 者结合起来用于毛细管电泳的检测已经取得了很好的效果，这无疑给微流体芯片的 检测提供了新的思路。 1 4 现代信号采集与处理技术 无论采用上述哪种方法进行检测，都是经过非电量到电量的转换后，最终归结 于电信号的检测。而传统的信号测试和处理是基于光学、化学、物理学、电子学基 础之上，运用模拟电子技术直接对所要测量的模拟信号进行处理，信号处理电路完 全采用分离的电子器件设计、制作而成，系统的抗干扰能力差、可靠性低、且测量 精度不高。 由于发展的需要，无论是在工农业生产方面，还是在各基础学科研究领域，都 对现代科学仪器技术的发展提出了前所未有的高要求：同时，在急迫的需求和现代 科技发展成果的支持下，现代科学仪器技术也获得了的高速发展”。仪器的研制和 生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化、系统工程化“”3 。 计算机硬件和软件技术的飞速发展，促使传统的测试仪器发展成为现代测试系 统，其实质是以计算机为核心的信号采集和处理系统。信号采集和处理系统由个人 计算机、特殊设计的硬件和应用软件三大部分组成”3 2 ，如图1 3 所示。“。 信号采集硬件将模拟信号经a d 转换器转换成数字信号，并将其送入计算机， 计算机应用软件对数据进行分析处理，如数字滤波、小波分析或频谱变换等啪1 。 上海大学硕+ 学位论文 测控对象 上， 土一 00 g p i b 信号调 图 现 接口仪 场 v x i 行 器 理 像 数 总 仪口 据 线 设 器 仪采 器 g p i b 数据采 集 备 接口卡集卡 f 一厂一l _ 丁 000 业自动化软件： 测量与分析软件： 其他软件平台： b r i d g ev i e w l a bv i e w 或v e e v i s u a l c + + l o c k o u t l a bw i n d o w s c v i v i s u a lb a s i c c o m p o n e n tw o r k sh i q c + + b u i l d e r c o m p o n e n tw o r k s v i r t u a lb e n c hi v i d e l p h i 图1 3 信号采集与处理系统的组成框图 信号采集的硬件有现场总线设备、v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 仪器、串行口仪器、g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 仪器、信号调理、数据 采集卡，图像采集卡等。12 ”。信号处理系统的软件包括工业自动化软件，测试与分 析软件等。软件的开发工具有工业组态软件；图形化软件开发工具，如l a b v i e w ， l a bw i n d o w s 等；传统编程开发工具，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、c + + b u i l d e r 等。 信号采集和处理系统的基本特点是计算机参与测试。即集控制、计算、测量为 一体，充分利用计算机资源，使硬件软件化，大大促进分析仪器多功能开发利用。1 “。 具有如下特点： ( 1 ) 测试速度快，在测试过程中，由于计算机的参与，使调整、记录、数据处 理以及显示和输出自动化，可以捕获高速瞬变信号； ( 2 ) 数据处理测量精度高，分析结果更为准确，性能好； ( 3 ) 功能强大，基于计算机技术的功能模块可构成多功能、多性能分析仪器； ( 4 ) 系统功能组建时间快；可扩展性强，维护与升级简便； ( 5 ) 信号处理系统技术更新快，从某种意义上可看作“个人实验室”( 仪器) ， 上海大学硕士学位论文 而且使用方便、灵活，有面向总线的接1 2 ，功能由用户自己定义，可方便地与网络、 外设、应用等连接。 随着计算机技术飞速的发展，功能越来越强大，应用愈来俞广泛，同时，软件 技术也迅猛发展，相信这种基于计算机和软件技术的信号采集和处理模式将会成为 测试仪器的主流。 1 5 国内外研究概况 1 5 1 国外研究概况 毛细管电泳信号的处理在早期主要是通过函数记录仪记录电泳过程中随时间变 化的信号，九十年代之后，毛细管电泳技术得到了迅速的发展，为了适应生化研究、 临床诊断、环境监测、基因测定等需要，国内外诸多研究机构和公司对微流体芯片 及其信号处理与分析进行了大量的研究。 为满足大规模基因组测序、比较基因组、点突变检测等研究项目对测序及片段 分析产率的需求，美国应用生物系统( a p p l i e db i o s y s t e m s ) 公n “”先后推出了基于1 6 和9 6 通道的毛细管电泳阵列芯片，并推出了配套的全自动化、快速、高效的遗传分 析仪。图1 4 所示为该公司研发的3 7 0 0 型遗传分析仪，该分析仪包括氩离子激光器、 光栅分光系统、冷光源c c d 成像系统、信号检测处理电路、计算机工作站等部分， 配备有相应的数据收集与仪器控制、数据分析、序列分析和片段分析软件。 图1 43 7 0 0 遗传分析仪图1 5a g i l e n t 2 1 0 0 生化分析仪 安捷伦科技公司( a g i l e n t t e c h n o l o g i e s ) 基于芯片实验室( l a b0 1 1a c h i p ，l o c ) 技术推出a g i l e n t 2 1 0 0 自动生化分析系统，如图1 5 所示。该仪器采用激光诱导荧 光的检测方法，在约3 0 分钟的时间内，可以定性或定量地分析1 2 个p c r ( 或多重 上海大学硕上学位论文 p c r ) 产物，确定蛋白纯化结果或检测r n a 的质量。并能够实现内对照，从而有效 避免假阴性、假阳性；而且能够同时对多个指标和亚型的分析起到很好的作用。与 传统的凝胶电泳技术相比，安捷伦2 1 0 0 生化分析系统为生命科学研究提供了一种全 新的、可靠的方法。此外，实验人员无需面临配制凝胶和缓冲液、染色、干胶、扫 描和成像分析等操作，减少了实验时间，有效地避免了人为误差，提高了工作效率 和操作安全性。配备的应用软件具有较为完善的控制和分析功能，实验人员可以方 便的获得实验数据。 上述微流体芯片信号处理系统，虽然具有设计先进、功能强大的特点，但是体 积较为庞大，只能作为固定的分析仪器，不具备便携性的特点，此外价格昂贵。 1 5 2 国内研究概况 国内在微流体芯片的设计及其检测系统的研究起步相对较晚，毛细管电泳芯片 的设计主要还是停留在单通道上，而电泳芯片检测系统的研究大部分还处于实验室 内研究阶段。针对毛细管电泳的检测系统虽已商品化，但多为功能单一的产品。 北京市新技术应用研究所研制的1 2 2 9 型高效毛细管电泳仪，如图1 6 所示， 并为其开发了专用数据处理器9 4 2 3 型色谱积分仪，能完成对高效电泳实验数据 信号的实时谱图绘制，计算保留时间、峰高，进行峰面积积分、面积百分比计算及 打印数据表等功能。 图1 61 2 2 9 型高效毛细管电泳仪 图l _ 7a c s 2 0 0 0 型高效毛细管电泳仪 图1 7 是由中国科技大学应用化学研究所在科技部9 5 攻关项目的支持下，研制 成功a c s 2 0 0 0 型高效毛细管电泳仪系统，信号检钡8 和处理由检测器( 安培检测器、 电导检测器、紫外可见光检测器) 、基于计算机工作站的数据采集及处理系统组成。 中国科学院大连化学物理研究所研制了一种以发光二极管为激发光源的荧光橙 海大学硕士学位论文 测器”。该仪器由共聚焦光学予系统和荧光信号采集与处理予系统组成，其中共聚 焦光学系统由微流体芯片、半导体泵浦全固体绿激光器和透镜光阑组成：荧光信号 采集与处理系统由光电倍增管、数据采集器和计算机组成。 纵观国内外研究现状，国外诸多芯片研发机构纷纷与世界知名分析仪器生产厂 家合作，先后推出了自己在微流体芯片领域的商业化产品，而且在这一领域的发展 也十分迅速；虽然就总体情况而言，我国起步相对较晚，在此领域的研究与国外相 比有很大差距，但也应看到：微流体芯片在系统材料的选取及制作工艺、进样设计、 微通道的网络结构和沟道尺寸参数的优化设计、功能单元的集成、系统集成及其结 构优化、并行处理、芯片功能调节、芯片与外界接口、芯片电泳理论、芯片应用研 究和相应的高灵敏度微型化的检测器的研究制作等诸多方面，还有许多科学和技术 问题没有得到很好的解决。特别是在微流体芯片检测器的智能化微型化方面，给我 们在这一领域的创新研究留下了很大空间。 方面，目前现有的毛细管电泳信号处理与分析系统，无论是基于普通毛细管 还是基于微流体芯片，大多都是由计算机工作站、复杂的信号检测和信号处理电路 系统，以及相应的外围辅助设备构成，甚至有使用函数记录仪来处理电泳信号。相 对于微流体芯片研发来说，其信号处理与分析系统的研发显得相对滞后，特别是系 统体积过于庞大，不便于实现系统的小型化和便携化。微流体芯片检测系统的小型 化和便携化是目前的发展趋势。 另一方面，随着微流体芯片自身的发展，对检测技术灵敏度的要求随之被提到 了一个重要的位置，研制高灵敏度的微流体芯片检测器也就成了当今世界的研究热 点。目前，主要还是采用分离式的仪器对微流体芯片进行检测分析，虽然有文献介 绍了与微流体芯片集成的检测器，但仍不成熟，还处于研究的初步阶段。而分离式 的检测器大致包括光学检测、电化学检测和质谱检测等，各方法各有其优缺点。本 着提高检测器灵敏度目的，有研究人员提出：应对多种检测方法的联合使用和新的 检测方法进行研究，这为微流体芯片检测系统的研究提供了新的思路。 此外，随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备， 在信号处理与分析系统等科学研究领域中，计算机正发挥着越来越重要的作用。在 微流体芯片的检测系统中也毫不例外，计算机相关技术在这一领域也获得了广泛的 利用，如电泳信号的处理和谱线分析等，都是在计算机上完成。计算机技术的应用 上海大学硕士学位论文 已成为微流体信号处理的发展趋势。 1 6 论文研究的意义及主要研究内容 微流体芯片研究的最终目标是建立微全分析系统或缩微芯片实验室。而芯片实 验室技术已被公认为是2 l 世纪最为重要的前沿技术之一。f o r b e s 杂志创刊8 5 周年 的特刊上将芯片实验室列为1 5 件影响人类未来的最重要的发明之一。所以研究和发 展高灵敏度、小型化的微流体芯片系统，除本身极具重要的科学意义之外，还有着 广泛的应用前景，它不仅迎合了分子生物学、生物化学、临床医学、环境检测和法 医刑侦等技术的发展需要，而且对开拓个体和家庭消费市场有着积极的探索意义。 针对目前微流体芯片处理与分析系统存在的问题，并适应其研究与发展趋势， 在结合微流体芯片的特点和生化分析检测需求的基础上，利用现代数据采集与检测 技术、数字信号处理技术、面向对象的软件设计思想、硬件软化的思想和微型计算 机技术，对微流体芯片信号采集与处理系统进行设计和研究。旨在研制出具有结构 紧凑、操作简便、灵敏度高等特点的微流体芯片信号采集与处理系统。 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 讨论分析微流体芯片的工作原理和检测方法的优化，并研究分析微流体芯 片输出信号的特性，及其相应数字信号处理算法的设计与比较研究； ( 2 ) 研制微流体芯片信号采集与处理系统。提出和论证微流体芯片信号采集与 处理系统的总体设计方案，并实现数据采集器的软硬设计与制作； ( 3 ) 编制位于上位计算机的微流体芯片信号处理与分析软件； ( 4 ) 进行微流体芯片信号采集与处理实验系统的组装与调试，对所研制的微流 体芯片信号采集与处理系统各项功能进行测试与验证。 本项研究是实验室承担的国家自然基金资助项目( n o 3 9 8 8 0 0 3 2 ) 、广州市重点 科技攻关项目( n o 9 9 2 0 2 2 一0 1 ) 的重要组成部分。由于微流体芯片的研究在我们 实验室刚刚起步，将通过本项研究来逐步建立各项研究手段和方法，因此，本项研 究的目标定位于微流体芯片信号采集与处理系统的原型设计与验证。其研究的技术 路线为：设计玻璃微流体芯片，采用共聚焦式激光诱导荧光检测法，研制基于单片 计算机的数据采集器，及采用面向对象的方法编制信号处理与分析软件，通过模拟 验证来进行微流体芯片检测的入门探索与研究。 l 海大学硕+ 学位论文 第二章微流体芯片的工作原理及信号处理相关理论 2 1 引言 有着广泛应用前景的微流体芯片，是芯片实验室研究热点之一，随着m e m s 技术的发展，微流体芯片自身取得了快速发展，与之相应的信号采集和处理技术的 研究也就显得尤为重要。因此，深入地了解分析微流体芯片的结构和工作原理、及 其信号的特点和检测方法、以及相关的信号处理理论有助于推动微流体芯片的发展。 2 2 微流体芯片的工作原理 微流体芯片的研究目标是将生化实验室中的传统仪器所能实现的功能集成到芯 片上来，最终实现芯片实验室。因此，微流体芯片应能实现气相色谱、液相色谱、 样品的离心分离、电泳分离和免疫检测等功能。如图2 1 所示，微流体芯片一般由 样品池、预处理装置、化学反应池和电泳微通道组成，毛细管电泳是其理论基础。 图2 1 微流体芯片原理 微流体芯片一般由盖片与刻蚀有微池和微通道的基片键台而成，微通道是徼流 体芯片的重要组成部分。其中样品池内为体积在纳升级的待分析样品；部分微流体 芯片中集成有预处理装置和化学反应池。预处理装置用来完成样品的浓缩、稀释与 萃取，在电场的操纵下，样品与缓冲液按一定比例混合达到样品稀释的目的，化学 反应池则用于完成样品的柱前衍生化、d n a 样品的p c r 及l c r 等化学反应，同样 是利用电动力学的原理。在电场的操纵下，反应物经微通道到达化学反应池，此外， 化学反应池可通过控温装置调节反应环境的温度。控制阀用来控制样品的出入，它 可以利用m e m s 技术加工制作微阀、微泵，或利用微通道的液体表面特性控制液体 上海人学硕士学位论文 的进出，然而，更为有效的方法还是利用电动力学原理来进行流体控制。目标产物 在电泳或电渗的原理作用下得以分离，检测器在其流经检测点时进行检测。 微流体芯片的进样方式主要有电动迸样和机械进样两类。其中，绝大多数采用 的是电动进样，如门进样( g a t e di n j e c t i o n ) 1 8 , 3 2 、收缩进样( p i n c h e di n j e c t i o n ) “”和悬浮进样( f l o a i n gi n j e c t i o n ) “3 4 ”3 ；只有极少数采用机械进样，如压力进 样。相对于机械进样，电动进样的主要问题是在进样时存在“歧视”效应，而机械 进样的缺点是需要复杂的外围设备，不便于集成。 2 2 1 电泳基本原理。5 ”1 当带电粒子以速度v 在电场中移动时，所受电场力为： f = q e ； ( 2 1 ) 式中r 为电场力，q 为溶质粒子所带的有效电荷，e 为电场强度。带电粒子运 动时所受到的阻力，即摩擦力为： f=声；(2-2) 式中f 为摩擦力，v 为溶质粒子在电场中的迁移速度，为摩擦系数，的大 小和带电粒子的大小、形状以及介质粘度有关。对于球形粒子，f = 6 z r r ，对于棒 型粒子，= 4 丌r l r ( 其中r 是溶质粒子表观液态动力学半径，叩为电泳介质的粘度) 。 当平筏时，电场力和摩擦力大小相等、方向相反，所以q e = 声，由此得到： v = 争南e 或v = 等= 蒜( 2 - - 3 ) 由式( 2 - - 3 ) 可知，带电粒子的电泳速度除了与电场强度成正比外，还与其有 效电荷成正比，与其表观液态动力学半径，及介质粘度叩成反比。不同物质在同 电场中，由于它们的有效电荷、形状、大小的差异，它们的电泳迁移速度不同，所 以得以分离，也就是说，溶质粒子在电场中迁移速度的不周是电泳分离的基础。 2 2