一种生化物质分析系统的设计

　　毛细管电泳(capillary electrophoresis)技术是80年代末发展起来的,其原理是在电场作用下,利用生化物质样品中各成分在缓冲液中迁移速率的不同而实现分离,分离后样品中的待检离子依次通过设在毛细管一端的检测器检出。可以用于基因突变检测、遗传病和肿瘤诊断、血液分析、生物菌种鉴别、药物筛选和药理研究、蛋白质和核酸分析等领域。

　　90年代初研制出了电泳芯片技术,与常规的毛细管电泳技术相比,在一个芯片上可具有集成样品与检测试剂的混合、反应、分离和分析等一系列功能,并具有多个样品的并行处理能力,由于其良好的散热性,可以在管道上施加更高的电压,生化样品分析速度得到了很大提高,使在线检测成为可能。本文所介绍的基于微电泳芯片的生化物质分析系统具有重复性好、分析速度快、适应范围广的特点。

　　1　总体结构

　　生化物质分析系统的总体结构如图1所示,包括:嵌入式计算机控制单元; PMT (光电倍增管)信号测量单元;高压注样和分离控制单元;三维机械和光学测量单元。

　　系统的核心控制单元是嵌入式计算机,它是一种高度集成、自栈结构、IBM-PC兼容的PC/104CPU模块,被设计成为可方便与其他周边设备及模块构成完整系统的核心部件。其在板不仅包含了一般PC/AT的母板、1~2块扩展板的功能,更为嵌入式系统扩展了特有功能,具有一个并行口,两个串行口,一个16M的电子盘,单+5V供电,功耗为2.8W,宽工作温度范围,结构紧凑,适合于便携式装置。

　　数据的采集和控制装置为PC/104总线结构的Diamond-MM-16多功能数据采集板,具有16通道(单端输入)/8通道(差动输入)16位A/D转换器和可编程输入范围,最高分辨率为0.0375 mV;在DMA方式下,最大采集速率可达100 kS/s;四通道12位D/A输出,8位逻辑输入输出;一个32位定时器/计数器。

　　其工作过程为:首先完成待检样品制备,把样品注入微芯片的进样端,在注样管道两端施加注样电压,通过电渗的方法实现样品的进样。然后将注样电压切换为分离电压,加在分离管道两端;样品由于其成分在电场的作用下迁徙率的不同开始分离。在分离管道某一点打上激光束,将诱导出的荧光信号由PMT接收,经过放大、滤波、A/D转换送入计算机,再经数据分析处理后显示和保存检测结果。

　　1.1　光学机械部分

　　系统光学机械部分包括:三维微动平台,635 nm激光器调节机构、荧光收集机构和电泳芯片对准机构。三维微动平台主要由倒置式显微镜镜架构成,用作芯片的对准,使芯片可在3个方向调节位置。芯片在X和Y方向的移动距离为±20 mm,调节误差为10μm,Z方向的移动距离为15 mm,调节误差为2μm,可满足对电泳芯片上微管道中任何一点进行对准和检测。