摘要：结合电导测量原理以及计算机智能控制技术，设计了一种适合微流控电泳芯片电容耦合非接触电导检测器。文中具体介绍了该检测器硬件组成以及工作原理。该检测器的原理清楚，结构简单，易于微型化、集成化，不污染检测电极，在微型全分析系统中具有十分重要的应用价值。同时，该检测器的信号调理电路不仅可应用于微电导检测，还可配上不同的传感器用于其它测量微弱电流信号的场合。　

关键词：微流控电泳芯片；电容耦合非接触检测；微电导检测器； SOPC技术

Abstract: Combined with the technology of electronics conductivity measurement and computer intelligent control, a novel capacitively coupled contactless conductivity detector (C4D) for micro-fluidic capillary electrophoresis chip is presented in this article. This article introduces the hardware construction and the working principle of the detector in detail. The characteristics of C4D detector are simple in structure, easy in miniaturization and integration, and free of electrodes contamination, so it have the important value of application in miniaturized total analysis systems(u-TAS). Simultaneity, the signal processing circuit of this detector not only can apply to the micro-conductivity detection, but also can apply to the other situations with different sensors to test micro current signal.

Keywords: micro-fluidic capillary electrophoresis chip; capacitively coupled contactless conductivity detection; micro-conductivity detector; SOPC technology.

1 引　言

20世纪90年代初提出的微型全分析系统(u-TAS)能高效、快速地完成取样、预处理、分离、检测等分析过程,已经成为分析科学的一个重要前沿领域[1],因u-TAS中样品用量一般在pL~nL之间,对检测灵敏度提出了更高要求, 而整个微流控芯片分析系统的检出限、检测速度和适用范围等很大程度上取决于系统检测器的好坏，所以检测器是微流控芯片分析系统的一个关键部分。自1998年Zemann等[2]和Do Lago[3]等分别提出电容耦合非接触微电导检测以来，对于C4D的研究，一直是微全分析系统的前沿研究热点。如Hauser等[4]设计了一种用于芯片电泳C4D。Wang等[5]设计了用于芯片检测的可移动C4D。本文结合低电压电泳芯片系统课题需要，设计了一种适合于微流控电泳芯片检测的电容耦合非接触微电导检测器，文中重点介绍它的组成以及各组成电路硬件实现方法。

2 电容耦合非接触微电导检测器工作原理

　　芯片电泳的C4D通常使用金属薄膜或薄片制作的条状电极,电极纵向或横向平行放置在分离通道检测区域的一侧, 电极宽度和电极间距一般为几十到几百微米，电极与分离通道之间使用绝缘薄膜隔（如SiC薄膜）离开。通常，在外侧两个电极上施加交流电流,内侧电极上产生的电压信号经差分放大器提取输出。四电极C4D检测池的等效模型如图1所示。

图1 四电极C4D检测池的等效模型

3 电容耦合非接触微电导检测器硬件电路设计

完整的C4D由3个部分构成,即检测池、交流信号激励源(简称激励源)和信号调理电路。在此主要对交流信号激励源以及信号调理理电路具体阐述，具体微条形电极理论及检测池理论分析见[6-8]。其中激励源由程控电压源、MAX038程控激励信号发生器以及交流激励功率驱动组成，它主要提供20~900KHz和幅度在15V~200V之间可调的交流信号；信号调理电路对产生的信号进行放大、滤波等处理后供后级电路采集与处理。我们设计的C4D微电导检测器硬件电路原理图见图2所示。

图2 电容耦合非接触微电导检测器硬件原理图

3.1 MAX038程控激励信号发生器

选用Maxim公司的高速函数发生器MAX038提供激励源信号，MAX038工作频率范围为0.1Hz～20MHz, 最高振荡频率可达40MHz；输出的波形仅对地址A0、A1(即引脚3和引脚4)不同编码就可控制输出正弦波（A1A0=1X）、方波（A1A0=00）以及三角波（A1A0=01）；输出波形切换时间可在0.3us内完成。C4D最常用的交流信号是正弦波信号,也可以采用三角波和方波等交流信号。由于后者含有谐波,检测噪声会增大。该程控激励信号发生器电路原理见图3所示。

图3 MAX038程控激励信号发生器电路原理图

3.1.1 自动波段切换电容网络

通过对MAX038 Cosc引脚的接地电容的切换实现自动波段切换。频率值的输入采用直接键入的方式,有效数字取四位。在CyclonII 2C35 FPGA内嵌的NIOSII软核处理器控制下，根据键入的数字小数点位置以及Hz、kHz、MHz切换键进行编程实现波段切换,而后送出控制字到CD4067的A、B、C控制引脚，选通连接到CD4067的IN0～IN7上的不同波段电容（具体电容参数见表1所示），最终实现8波段的程控切换。

选用Maxim公司16位精度D/A转换器MAX542产生MAX038振荡频率所需的控制电压,输出电压送MAX038的Iin引脚(该脚接一个25kΩ的输入电阻Rin)。选用8位D/A转换器DAC0832获得双极性的电压输出(范围为-2.5V～+2.5V), 提供MAX038占空比调节所需的控制电压。选用10V精密电压基准芯片提供电路所需要的参考基准电压Vref。系统输出波形的频率由引脚10 Iin的电流、引脚5 Cosc的电容量以及引脚8 Dadj的电压决定。

当引脚8Dadj对地电位为零时,输出波形的频率由以下公式确定:

f0=Iin/Cf

Iin与外接的MAX542输出电压的关系为:

Iin=Vin/Rin

Vin为MAX542的输出电压,Rin为Iin引脚的输入电阻。当Rin为25kΩ并且Vin在0.5～5V变化时，电流Iin的变化范围为20～200μA,即提供每个波段所需的10倍扫频范围(波段1例外)。电容Cf容量的选择一般以Iin=100μA为基准。

3.2 程控电压源

为了实现电源从15V升到所需电压值，采用电源PFM技术，在NIOSII软核处理器的控制下，由电源控制模块依据需要，输出一定频率以及一定占空比的脉冲波形，使电压输出三极管处于开关状态，实现升压输出。频率越高，输出电压越大。

3.3 信号调理电路

信号处理电路在C4D中起着非常重要的作用。主要实现对接收电极产生的交流信号进行放大、滤波等。C4D的信号调理电路必须使用高增益带宽的运算放大器,以获得足够的信号放大增益和优良的频率响应特性。

设计中，选用美国AD公司的高精度仪器放大器AD620, 它具有共模抑制比高、非线性误差小、输入阻抗高、低噪声、低失调电压和失调电压漂移等特点。采用±15V 供电,通过改变1脚与8脚的电阻RG就可获得1~1000的增益。为便于精细控制，在AD620后级还采用高精度运放OP07构成二级放大以及低通滤波，进一步对信号精细处理。电路中所用电阻选择温度特性与频率特性均较好的低噪声高精度金属膜电阻；电容选择低噪声电容；信号输入线采用尽量短的屏蔽电缆。同时，为了消除外界电磁、温度和湿度变化的干扰通常将信号调理的电路部件放在一个接地的金属屏蔽盒里。系统中设计的信号调理硬件电路见图4所示。

图4 信号调理电路

3.4 电导测量值的温度补偿

电导的测量受温度的影响是很严重的。被测溶液中温度升高,使离子的迁移速度加快,电导率增加,一般温度升高1℃,电导率约增加2%～2.5%。在进行电导分析法中,要求控制溶液的温度恒定。为使被测溶液电导率在不同温度时具有可比性,将测温传感器AD590固定在检测池玻璃盖片上,测得温度后,在0～60℃范围内,用软件对被测溶液的电导率进行全自动温度补偿,补偿基准为25℃。如被测溶液水，可按下式进行温度补偿:

k(25℃)=（Gt*J）/（1+β*(t-25)）

式中,k(25℃)为折合到25℃时的电导率；Gt为温度t时电导；J为微电导池常数；t为测量Gt时溶液温度；β为补偿系数,被测溶液为一般水质时取0.02。

4 结论

采用电容耦合非接触微电导检测器，结构简单、原理清楚,能克服其他电化学检测器存在检测电极易污染的缺点。特别是近几年以来, C4D在微芯片电泳中的初步应用很成功，可以预见,它所具有的易于微型化、集成化和不污染电极的优点,必将在微流控芯片分析系统的检测领域发挥重要作用,并一定会发展成为实用化的电化学检测器。

本文作者的创新点：采用SOPC技术对函数发生器MAX038进行控制，为微流控电泳芯片提供可程控的高频交流激励信号；信号调理电路选用高精度仪器放大器AD620，简化了微电导检测器的电路设计,保证了电路的精度与稳定性。同时，该微电导检测器设计方案对微流控生物芯片的探索性研究具有一定的参考价值。