液相QCM生物傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

姬君旺， 魯衛(wèi)平， 徐 歡, 楊 成， 侯長(zhǎng)軍， 陳 鳴

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院檢驗(yàn)科，重慶 400042)

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液相QCM生物傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

姬君旺1， 魯衛(wèi)平2， 徐 歡2, 楊 成2， 侯長(zhǎng)軍1， 陳 鳴2

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院檢驗(yàn)科，重慶 400042)

設(shè)計(jì)的石英晶體微天平(QCM)儀器主要用于微量物質(zhì)在液體中的生物化學(xué)反應(yīng)的測(cè)量，根據(jù)液相QCM生物傳感器的需要完成了電路系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)，選用Microchip的單片機(jī)為液相QCM生物傳感器的電路系統(tǒng)的核心，主要包括電源部分、信號(hào)激勵(lì)與接收部分、溫控部分，實(shí)現(xiàn)了石英晶體的激勵(lì)和頻率的檢測(cè)、溫度的采集與控制等功能。上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果顯示:實(shí)際溫度控制精度誤差為 0.2 ℃，能順利檢測(cè)到最佳諧振頻率，表明該系統(tǒng)能夠較好地達(dá)到預(yù)期的要求。

微量物質(zhì)； 液相石英晶體微天平； 生物傳感器； 諧振頻率

0 引 言

1959年,Guenter Sauerbrey教授推導(dǎo)驗(yàn)證了石英晶體頻率變化與其表面吸附質(zhì)量變化的關(guān)系[1]，使得石英晶體微天平(quartz crystal micro-balance,QCM)得到了廣泛的應(yīng)用，Rodahl M等人[2]利用Navier-Stokes方程得到了有關(guān)液相耗散因子變化的方程，使得QCM在液相中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。在生物傳感器方面中南大學(xué)設(shè)計(jì)出了基于無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)的傳感器集成器，其檢測(cè)結(jié)果具有較高精度[3]目前，國(guó)內(nèi)在QCM應(yīng)用領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)、高分子、蛋白質(zhì)吸附、濕度檢測(cè)等方面取得了很大發(fā)展[4]，如遼寧師范大學(xué)有關(guān)QCM濕度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[5]。但是關(guān)于QCM信號(hào)采集電路的研究報(bào)導(dǎo)較少，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔣海峰博士研制了一種以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心的基于頻譜分析法QCM傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)[6]，能較為理想的測(cè)出QCM的多個(gè)參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的液相QCM生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)主要用于微量物質(zhì)在液體中的生物化學(xué)反應(yīng)的測(cè)量，介紹了此次設(shè)計(jì)的液相QCM生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)電路各部分組成，并通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)電路系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。

1 QCM生物傳感器工作原理

圖1為液相QCM生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)芯片實(shí)物，傳感器芯片在加載電壓的作用下以特定頻率下振蕩，傳感器振蕩頻率隨著其表面的質(zhì)量的變化而變化，Sauerbrey公式為

圖1 生物傳感器芯片F(xiàn)ig 1 Chip of biosensor

(1)

式中A為晶片的表面積，f0為共振頻率，Δms為沉積到石英表面上物質(zhì)的質(zhì)量，頻率變化如圖2所示。

圖2 頻率變化曲線Fig 2 Picture of frequency variation

耗散型石英晶體微天平(QCM-D)可以同時(shí)獲得物質(zhì)吸附過(guò)程中頻率的變化和耗散的變化。頻率的變化可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的變化，從而描述吸附物質(zhì)的質(zhì)量變化；耗散因子(D)用來(lái)描述物質(zhì)吸附后振動(dòng)能量的耗散

A(t)=A0exp(-t/τ)·sin(2πft+φ)

(2)

D=1/πfτ

(3)

ΔD=1/πΔfτ

(4)

式中A0為振蕩幅度，τ為時(shí)間常數(shù)，f為振蕩頻率。耗散變化用以描述吸附層的粘彈性(或剛?cè)嵝?的信息，實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件獲得高精度的數(shù)據(jù)，利用檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)而可以分析吸附在傳感器表面的分子層狀態(tài)，生物傳感器系統(tǒng)工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 液相QCM生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig 3 Principle diagram of liquid phase QCM biosensor detecting system

2 電路系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

液相QCM生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)控制電路是以Microchip的單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)石英晶體的激勵(lì)和頻率的檢測(cè)、溫度的采集與控制、數(shù)據(jù)通信等功能，其中PIC24單片機(jī)為液相QCM儀器的核心部分。

2.1 主控?cái)?shù)字電路

液相QCM生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)電路主板以Microchip的PIC系列16位單片機(jī)做為主控芯片，來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序、控制、采集進(jìn)行處理。

2.2 電源管理

綜合考慮器件對(duì)電壓電源的需求、器件對(duì)電路性能的影響能力、器件對(duì)電源的反作用等方面，最終將電源供電分為3部分。電源規(guī)劃如圖4所示。

圖4 電源系統(tǒng)規(guī)劃框圖Fig 4 Block diagram of power system planning

主機(jī)箱有2個(gè)風(fēng)扇，一個(gè)用于溫控芯片的散熱，一個(gè)用于整個(gè)主機(jī)箱的散熱。風(fēng)扇供電單獨(dú)采用220 V交流轉(zhuǎn)+12 V直流的電源模塊進(jìn)行供電。

數(shù)字系統(tǒng)主要是通過(guò)電壓的高低進(jìn)行0/1的區(qū)分，而且數(shù)字部分的器件，多數(shù)工作電壓為+3.3 V，部分為+5 V供電。因此，將+5 V的直流電供給數(shù)字系統(tǒng)。

模擬部分信號(hào)電壓低，有的甚至低至μV級(jí)，電源上的任何擾動(dòng)都會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生致命的影響。因測(cè)量精度高，為減小共模干擾和提升性能，模擬部分采用220 V交流轉(zhuǎn)為±9 V直流的電源模塊，然后將±9 V的電壓通過(guò)LDO變換為±5 V，以達(dá)到整理電源的目的。

2.3 信號(hào)激勵(lì)與接收部分

利用晶體的“逆壓電效應(yīng)”設(shè)計(jì)了QCM儀器。其信號(hào)激勵(lì)與接收的框圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)激勵(lì)與接收電路原理框圖Fig 5 Principle block diagram of signal excitation and receiving circuit

2.3.1 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

直接數(shù)字頻率合成器(direct digital-frequency synthesis,DDS)具有輸出頻率精確，頻率切換速度快、可方便控制信號(hào)輸出、停止等優(yōu)點(diǎn)，源信號(hào)的產(chǎn)生選用DDS來(lái)產(chǎn)生。DDS產(chǎn)生的信號(hào)本身帶有的諧波分量通過(guò)一個(gè)3 dB截止頻率為70 MHz 的LC低通濾波器對(duì)進(jìn)行濾除。為使DDS產(chǎn)生的信號(hào)幅度滿足激勵(lì)晶體的要求，本文設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了一級(jí)預(yù)放，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)，切換到發(fā)射通道，在開(kāi)關(guān)后面設(shè)計(jì)了一個(gè)可變?cè)鲆娴姆糯笃鳎鶕?jù)情況對(duì)源信號(hào)進(jìn)行放大處理，通過(guò)輸出接口連接到石英晶體的電極兩端，對(duì)晶體進(jìn)行激勵(lì)。發(fā)射鏈路框圖見(jiàn)圖5中發(fā)射鏈路虛線框。

2.3.2 接收鏈路設(shè)計(jì)

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)對(duì)石英晶體進(jìn)行了一段時(shí)間的激勵(lì)以后，DDS將頻率切換至(f+50 kHz)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大、接收開(kāi)關(guān)將到達(dá)混頻器的本振端口。此時(shí)，石英晶體因激勵(lì)信號(hào)的撤出以本身的固有頻率進(jìn)行振蕩，振蕩信號(hào)經(jīng)輸出口進(jìn)入到混頻器的射頻端口，經(jīng)混頻后以約為50kHz的頻率進(jìn)行輸出，混頻器輸出后對(duì)晶體微弱的固有振蕩信號(hào)進(jìn)行一級(jí)預(yù)放。由于石英晶體的振蕩幅度受表面物質(zhì)吸附多少有很大關(guān)系，因此,設(shè)計(jì)一可變?cè)鲆娣糯笃饕允剐盘?hào)放大至可被后續(xù)器件檢測(cè)出又不超出測(cè)量量程，然后通過(guò)波形整形放大器后進(jìn)入到A/D變換器中[7]，最后通過(guò)A/D變換器將采集到的數(shù)據(jù)傳送給MCU進(jìn)行處理和上傳。接收鏈路框圖見(jiàn)圖5中接收鏈路虛線框。

2.4 溫控部分

溫度變化會(huì)使石英晶體的固有頻率發(fā)生改變，為此，本文作者設(shè)計(jì)了溫度控制模塊使反應(yīng)物體盡可能的處在恒溫環(huán)境下。

2.4.1 溫度采集

選擇熱敏電阻作為溫度敏感元件，并貼附在測(cè)試臺(tái)的下方，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前測(cè)試臺(tái)的溫度。溫度敏感元件選擇具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，其阻值隨溫度變化關(guān)系

R=R0expB(1/T-1/T0)

(5)

式中R為溫度T時(shí)電阻阻值，R0為溫度T0時(shí)阻值，B為熱敏電阻的B常量系數(shù)，其特性曲線見(jiàn)圖6。溫控器件HTC3000提供一恒流源I流過(guò)熱敏電阻器，熱敏電阻器兩端電壓的變化反應(yīng)出溫度的變化(U=I×R)。通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣得到熱敏電阻兩端電壓值，通過(guò)溫度與電壓的關(guān)系計(jì)算得到當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)。

圖6 熱敏電阻特性曲線 Fig 6 Characteristic curve of themistor

2.4.2 溫度調(diào)節(jié)

要產(chǎn)生恒溫環(huán)境，則需要根據(jù)采集到的測(cè)試臺(tái)的溫度進(jìn)行加熱或降溫處理。加熱、降溫模塊選用兩個(gè)12 V的熱電冷卻器(thermoelectric cooler,TEC)模塊并串聯(lián)使用。通過(guò)模塊的電流正向流動(dòng)為加熱，反向則為降溫。溫控器件HTC3000內(nèi)部集成的PI控制環(huán)路具有極高的溫度穩(wěn)定性，當(dāng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出作為目標(biāo)溫度參考時(shí)，HTC3000通過(guò)PI控制實(shí)現(xiàn)TEC模塊的加熱或降溫控制使樣品臺(tái)溫度快速達(dá)到目標(biāo)溫度，溫控系統(tǒng)整體原理圖如圖7所示。

圖7 溫控系統(tǒng)原理圖Fig 7 Principle diagram of temperature control system

3 測(cè)試結(jié)果

上位機(jī)測(cè)試軟件采用C#編程，主板與上位機(jī)采用通過(guò)RS—232接口進(jìn)行通信。上位機(jī)通過(guò)C#編程設(shè)定目標(biāo)溫度為22 ℃，實(shí)際溫度控制精度誤差為0.2 ℃。DDS發(fā)射單頻信號(hào)對(duì)晶片進(jìn)行激勵(lì)，振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻，ADC采樣混頻后的低頻信號(hào)傳送給單片機(jī)(MCU)進(jìn)行處理和上傳，DDS對(duì)晶體進(jìn)行持續(xù)激勵(lì)，得到最佳掃描諧振頻率點(diǎn)5 MHz，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)基于此點(diǎn)即可開(kāi)展工作，此時(shí)整個(gè)主板電路導(dǎo)通，各個(gè)功能模塊工作正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了硬件電路電源部分、信號(hào)激勵(lì)與接收部分、溫控部分。電源部分設(shè)置可恢復(fù)的斷路器，既提高了板子的安全性又減少了排障工作量；發(fā)射鏈路通過(guò)DDS與本振混頻得到，切換頻率快，頻率輸出精度高?？蛻舳塑浖捎肅#編程，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)RS—232接口或USB2.0接口進(jìn)行通信，上位機(jī)對(duì)下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄至文件或數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)提供圖形顯示。

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陳 鳴，通訊作者，E—mail:chming1971@126.com。

Design of circuit system for liquid phase QCM biosensor*

JI Jun-wang1, LU Wei-ping2, XU Huan2, YANG Cheng2, HOU Chang-jun1, CHEN Ming2

(1.Bioengineering College,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.Department of Clinical Laboratory,Daping Hospital,The Third Military Medical University,Chongqing 400042,China)

The designed quartz crystal microbalance(QCM) instrument is to measure biochemical reactions of trace substances in liquid.The circuits system is designed according to requirements of liquid phase QCM biosensor,including power supply unit,signal excitation and receiving unit,temperature control parts.the liquid phase QCM biosensor makes Microchip MCU as core of circuit system,which can realize the stimulation of the quartz crystal and the detection of the frequency,the acquisition and control of the temperature and so on.Upper PC test results demonstrate that real temperature control precision is ±0.2 ℃ and the optimal resonant frequency can be detected smoothly,which prove that the system can reach the expected requirments well.

trace substances; liquid phase quartz crystal microbalance(QCM); biosensor; resonant frequency

2016—08—01

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(81430053); 第三軍醫(yī)大學(xué)成果轉(zhuǎn)化基金資助項(xiàng)目(2012XZH11)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0070—03

TN 41

A

1000—9787(2016)10—0070—03

姬君旺(1990-)，男，河南商丘人，碩士，主要從事生物傳感器的研究。