[发明专利]低电压芯片电泳多段式循环式施加电压的控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术(MEMS)领域，特别涉及对微流控芯片的控 制技术。

背景技术

芯片电泳是微分析系统领域中一个重要的分支，近年来关于芯片电泳的 研究层出不穷。芯片电泳中电泳和电渗驱动模式是微流体的驱动和控制的主 流方法。一般的芯片电泳中高压电源带来的安全性、集成化和自动化难题， 提出了含阵列电极的低电压芯片分离分析理论和系统设计。随着MEMS技术的 发展，能够在微流控芯片上集成阵列电极，考虑采用阵列电极来降低微流控 芯片分析系统的操作电压，使之更有利于生化样品体系的检测。低电压芯片 电泳是用阵列电极将分离管道分成许多小的分离区带，通过在一个或者几个 区带之间施加低电压，这样可以在较低外加电压下获得原来的场强，而低电 压的持续和循环施加，则能获得连续的高场强形成连续的移动电场作为样品 的驱动力。在实际的应用中，对低电压芯片电泳过程中施加电压以及电场变 化的控制是非常重要的。目前，国内外关于低电压电泳芯片的研究仍集中在 仿真模拟、芯片和微电极阵列等设计方面，而真正建立实际的电路控制和操 作系统，以及运用低电压芯片电泳实现样品分离的研究还极少见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在实现低电压芯片电泳过程中对施加电 压以及电场变化进行有效控制。低电压芯片电泳过程是根据电泳分离原理， 基于分离通道电场强度一定的要求，在分离沟道上通过电极阵列实行分区段、 交替循环施加电压，以产生被分离样品组分运动所需的运动电场，从而使物 质在运动电场驱动下实现低工作电压下有效的移动和分离的过程。本发明提 出了一种低电压芯片电泳过程的电路控制系统，并进一步提出一种低电压芯 片电泳过程的多段式循环控制方法。在本发明中所述低电压是指在芯片电泳 分离过程中外界提供10-60V的电压。

解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种低电压芯片电泳过程的控制系统，包括PC机、微控制器MCU、电流 放大电路、继电器阵列、分布在低电压电泳芯片分离沟道上的电极阵列；该 控制系统用以实现低电压芯片电泳驱动和分离的功能；其特征在于；

所述PC机与所述微控制器MCU通过通信接口相连；

微控制器MCU的输出通过I/O接口连接到电流放大电路的输入端；

所述电流放大电路的输出端连接到继电器阵列中各继电器单元的控制 端；

继电器阵列中各继电器单元的输出端连接到低电压芯片分离沟道上的电 极阵列；

所述PC机向微控制器MCU发出命令，MCU通过I/O接口输出控制信号， 并经所述放大电路放大后，通过所述继电器阵列控制所述电极阵列中每个电 极上的加电顺序、加电时间、循环次数实现样品分离，其中每个电极上所加 电压可以有低电平、高电平以及高阻态3种状态。

本发明还提出一种利用低电压芯片电泳过程的控制系统的针对低电压芯 片电泳过程的多段式同步循环施加控制电压的控制方法，该方法适用于含阵 列电极的低电压电泳芯片，借助分布在低电压芯片分离沟道上的电极阵列， 通过修改相应的分离参数，可为电泳分离电压的施加提供多种选择；其特征在 于，该方法包括以下步骤：

(1)在所述低电压电泳芯片的分离沟道上布置电极阵列；

(2)将整个低电压电泳芯片的分离管道平均划分成n段，每段具有相同 数量的电极，并将每段中的电极进行同一方向的排序，将每段的对应电极即 每段上序号相同的电极并联；

(3)通过低电压芯片电泳过程的控制系统对步骤(2)中的每段中的电 极同步循环施加电压，即先同时对每段中的第一序号电极施加电压，保持设 定时间后，再同时对每段中第二序号电极时间电压，如此进行电压的同步循 环施加；

(4)通过修改和调节分离电压施加的区段长度、分离电压的循环方式以 及循环过程中每对电极上的电压保持时间，从而控制分离过程。

本发明提出的低电压芯片电泳过程的电路控制系统能有效地提供和保障 微流控芯片电泳过程所需提供的多种运动电场施加模式；所提出的低电压芯 片电泳过程的多段式循环控制方法，可为分离电压的施加提供多种选择，同 时减小控制电路系统体积，提高低电压芯片电泳的分离效率。

附图说明

图1低电压电泳芯片控制系统原理图；

图2驱动电路(图2a是电流放大电路，图2b是继电器单元电路)；