基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制-电气自动化专业毕业设计.docx

毕业设计（论文）基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制(DevelopmentoftheCEChipAmperometricDetectorBasedonARM7Micro-controller)学生姓名：所在院系：电气与信息学院所学专业：自动化所在班级:0441指导教师：教师职称：讲师完成时间：2008年6月20U摘要当前，毛细管电泳芯片因为具有易于实现微型化的特点而发展十分迅速，由于毛细管电泳芯片的样品体积很小，因此采用高灵敏度的检测方法是十分必要的。电化学检测中的安培检测技术，由于灵敏度较高、仪器简单、价格成本低、线性范围宽、操作简便等优点，己经成功与毛细管电泳联用并得到了广泛的应用。本论文就是基于这一背景，设计了一种以ARM微控制器为核心的新型微毛细管电泳芯片安培检测器本文研究了毛细管电泳及安培检测的原理和发展等设计背景，确定了系统的总体设计方案并进行了分析与论证。对微安培检测器中的核心器件一一，恒电位仪提出了新的设计方案。整个系统是以ARM7-LPC2131微控制器为核心搭建的硬件平台，实现了程控电压源、自动增益电路的控制、A/D转换结果的读取与处理、LCD实时显示、与上位机的串行通讯、按键以及报警等功能。软件设计采用C语言编程，实现检测过程的软件控制；并进行了相应的软硬件调试。实际运行结果表明，该系统能够实现电化学池中微弱电流信号的实时采集与处理，具有较高的实用价值和应用前景。关键词：安培检测毛细管电泳芯片恒电位仪ARM7-LPC2131微控制器AbstractAtpresent,becauseofeasilybeingminiaturized,thecapillaryelectrophoresischipdevelopveryrapidly.Asthesamplevesselofthecapillaryelectrophoresischipissmall,usinghigh-sensitivitydetectorisextremelynecessary.Amperometricdetectiontechnologyhasbeensuccessfullycombinedwiththecapillaryelectrophoresisandhasbeenwidelyused,beingduetoitshighsensitivity,simpleinstrument,thelowpriceswidelylinearrange,easytooperatingandsoon.Thispaperisjustbasedonthisbackgroundtodesignanewamperometricdetectorofmicro-capillaryelectrophoresischipwithaARMmicrocontroller.Thispapergivesanoverviewofthedesignbackgroundthatoftheprinciplesanddevelopmentofthecapillaryelectrophoresisandamperometricdetection.Determinedthesystem'sdesignprojectwhichcarriedouttheanalysisandfeasibilitystudies.Proposedanewdesignproposalforthepotentiostaticinstrumentasthecoreofmicro-amperometricdetector.ThewholesystemisbasedonARM7-LPC2131microcontrollerasthecorestructuresofthehardwareplatfbrm.ltcanrealizemanyfunctionsthatincludeprogrammablevoltagesource,theautomaticgaincontrol,pocessingtheresultsofA/Dconversion,real-timeLCDdisplay,theserialcommunication,thecircuitofkeystrokeandalarm,andsoon.SoftwaredesignadoptC-Ianguagetorealizethesoftwarecontroloftheexaminationprocess.Atlast,earringoutthecorrespondinghardwareandsoftwaredebugging.Theresultsshowedthatthesystemcanrealizegatheringtheweakcurrentsignalandtakingreal-timeprocessing,andhaveagoodpracticalvalueandprospectofapplication.Keywords*Micro-amperometricdetectioncapillaryelectrophoresischipPotentiostaticinstrumentARM-LPC2131microcontroller1引言1.1 课题背景分析化学是化学家最基础的训练课题之一，化学家在实验技术和基础知识上的训练，皆得力于分析化学。分析化学所用的方法可分为化学分析法和仪器分析法，而当代分析化学则著重于仪器分析。微型化和智能化是分析仪器发展的主要方向，这不仅因为它可以提高效率，节省开支，实现自动化，而且排污少，是一种“绿色“技术。自从1990年由Manz提出“微型全分析系统"(MierOTotalAnalysisSystem,2TAS)概念后，微型化、集成化与便携化成为分析仪器设备的发展趋势。1.1.1 微流控芯片概述微流控芯片(microfluidicchip)是当前微全分析系统(MiniaturizedTotalAnalysisSystems)发展的热点领域，是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。其产生的应用目的是实现微全分析系统的终极目标一芯片实验室，目前工作发展的重点应用领域是生命科学领域。在众多微型全分析系统器件中，毛细管电泳芯片具有分析速度快、样品消耗量少、便于集成化、自动化和微型化等优点，有极高的学术和商业价值。上个世纪90年代，Manz、Harrison.Ramsey、Mathies等人为毛细管电泳芯片领域的飞速发展打下了良好的基础。12)随着微电子微机械技术(microe1ectro-mechanicalSyStenlS,MEMS)的发展，毛细管电泳芯片取得了进一步长足的发展，对检测技术灵敏度的要求就被提到了一个更为重要的位置，人们期望改进检测技术以促使毛细管电泳芯片检测系统向着微型化、集成化、自动化及智能化的方向发展，最终实现建立微全分析系统(micrototalanalysissystem,-TAS)或缩微芯片实验室(LabOnaChip,loc)的目标。1. 1.2毛细管电泳(CE)原理应用与发展毛细管电泳(C叩illaryelectrophoresis,CE)又叫高效毛细管电泳(HPCE),是近年来发展最快的分析方法之一。1981年JorgenSOn和Lukacs首先提出在75Um内径毛细管柱内用高电压进行分离，创立了现代毛细管电泳。1984年Terabe等建立了胶束毛细管电动力学色谱。1987年Hjerten建立了毛细管等电聚焦，COhen和Karger提出了毛细管凝胶电泳。1988-1989年出现了第一批毛细管电泳商品仪器。短短几年内，由于CE符合了以生物工程为代表的生命科学各领域中对多肽、蛋白质(包括酶，抗体)、核甘酸乃至脱氧核糖核酸(DNA)的分离分析要求，得到了迅速的发展。3毛细管电泳(CE)是指以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术。CE最常见的仪器基本结构如图IT所示。图IT毛细管电泳芯片设计示意图毛细管电泳(CE)除了比其它色谱分离分析方法具有效率更高、速度更快、样品和试剂耗量更少、应用面同样广泛等优点外，其仪器结构也比高效液相色谱(HPLC)简单。CE只需高压直流电源、进样装置、毛细管和检测器。前三个部件均易实现，困难之处在于检测器。特别是光学类检测器，由于毛细管电泳溶质区带的超小体积的特性导致光程太短，而且圆柱形毛细管作为光学表面也不够理想，因此对检测器灵敏度要求相当高。1.2 毛细管电泳芯片(CE)检测器分类检测是毛细管电泳发展的核心问题之一。如何体现毛细管电泳的优良性能与高灵敏检测密切相关。毛细管电泳自身特点要求与其联用的检测器必须有较小的体积和较高的灵敏度。1.2. 1检测器分类目前，商品化仪器通用的检测方法仍是紫外可见检测器，但由于毛细管孔径小，进样量极低(nL),导致光度检测的灵敏度较低。荧光检测器虽然灵敏度高，选择性好，但仅适合于具有荧光或易于进行荧光衍生的物质，使其通用性受限。毛细管电泳一质谱联用灵敏度高，专属性强，能提供分子结构信息，是CE较为理想的一种监测器，但是价格昂贵。其它的检测方法还有激光光热法、放射分析法、示差折光法等。与上述检测方法相比，电化学检测有其独特的优点，其质量检测限低，线性范围宽，选择性好，与CE联用不仅可满足分析微量样品时灵敏度的要求，而且设备简单、仪器造价低廉，便于推广使用。电化学检测对于大多数易于氧化还原物质的浓度检测限可达10°molL（质量检测限可达f/mol-a/mol）04.根据电化学检测原理的不同，目前在毛细管电泳芯片分析系统中所采用的电化学检测器主要有安培检测器、电导检测器和电位检测器。其中安培检测具有灵敏度高、选择性好、线性范围宽、设备简单、成本低等优点，但是它仅能检测电活性物质。本论文就是采用该检测方法。1.2.2安培检测本文设计的微型检测器采用的是安培检测方法所谓安培检测法就是指对流出毛细管的电活性组分，根据其在微电极上的氧化还原反应所产生的电流来进行测定的方法。安培检测法是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它检出限低、选择性高，适用于电活性物质的痕量测定。安培检测作为毛细管电泳芯片检测的主要手段，因灵敏度高而得到了快速的发展。安培检测器具有很多优点：它的检出限一般低于107mol/L,且对各类电活性物质灵敏度差别很小。但一般只对电活性物质有响应，适用于电活性物质的痕量测定，而不受非电活性物质的干扰。由于每种物质的氧化还原反应电位不同，对于具有不同电极电位的物质，只要在电解池的两极间施加不同的电压，就可控制电极反应，有较高的选择性。安培检测器的测量原理本身也决定了它固有的局限性与不足：首先它不是通用的检测方法，它要求测定对象在所选用的电极上具有电化学活性，其次它采用的流动相必须有常用浓度范围内0.0ImOlL-0.1mol/L的电解质存在，且安培检测器时流动相的流速、温度、PH值等因素的变化比较敏感。1.3 论文的研究目的及主要研究内容本论文的主要任务是为毛细管电泳芯片设计基于微处理器的安培检测器。检测器采用电化学分析仪器中典型的基于恒电位仪的三电极传感器；由于安培检测的检测电流一般在nA级甚至更小，所以在采集微弱电流设计，需设计精确放大电路，并经滤波和A/D转换后送入MCU进行数据处理。论文的第二章主要介绍微安培检测器的基本工作原理，提出微安培检测器设计的整体构想，给出系统原理框图，并对其设计性能实现做简要的阐述。论文的第