《微安培检测器设计毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微安培检测器设计毕业论文（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、长春工程学院毕业设计（论文）11 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”(Micro Total Analysis System ,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（microfluidic chi
2、p）是当前微全分析系统（Miniaturized Total Analysis Systems）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。1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、
3、Harrison 、Ramsey、Mat hies 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。 2随着微电子微机械技术(micro electro-mechanical systems,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（micro total analysis system, -TAS）或缩微芯片实验室（Lab On a Chip,loc）的目标。1.1.2 毛细管电泳(CE)原理应用与发展毛
4、细管电泳(capillary electrophoresis, 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 75m 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。长春工程学院毕业设计（论文）219881989 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
5、，抗体)、核苷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 1-1 所示。图 1-1 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
6、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-质谱联用灵敏度高，专属性强，能提供分子结构信息，是
7、CE 较为理想的一种监测器，但是价格昂贵。其它的检长春工程学院毕业设计（论文）3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mol/L(质量检测限可达 f/mol-a/mol )。9104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
8、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。3安培检测器具有很多优点: 它的检出限一般低于 10mol /L，且对各类电活性物质灵敏7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
9、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 0.01mol/L-0.1 mol/L 的电解质存在，且安培检测器对流动相的流速、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 n
10、A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长春工程学院毕业设计（论文）4想，给出系统原理框图，并对其设计性能实现做简要的阐述。论文的第三章则就微毛细管电泳芯片安培检测系统设计的核心问题-恒电位仪的设计做了进一步详细研究，明确的提出了这些核心问题的解决方案。论文第四章详细的介绍微控制器系统及其外围硬件的设计。依照总体方案，设计出以ARM 微控制器为核心的系统主控制器，具体包括硬件平台的搭建、通用接口和人机交互接口等模块的硬件设计-程控电压源、 A/D 转
11、换电路、LCD 实时显示电路、串口电路、自动增益控制电路、按键及报警电路等。论文第五章为微安培检测系统软件设计。分析微毛细管电泳芯片安培检测器测控软件的总体结构设计，在此基础上重点实现 ARM 控制器的主要软件功能设计。长春工程学院毕业设计（论文）52 微安培检测器总体设计方案的确定2.1 安培检测器的基本工作原理安培检测法是在外加电压的作用下，根据待测物在工作电极表层上发生氧化反应或还原反应时所产生的氧化电流或还原电流对待测物进行定量的一种检测方法。它是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它采用电极作为传感器，直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。假设由工作电极和参比电极组成的电解
12、池中有被测组分 A，在工作电极和参比电极间逐渐改变外加电压。组分 A 在阳极表面上可能发生下列反应:AB+ne （式 2.1）电解反应可用 Nernst 方程表示:E=E +lg （式 2.2）app02059. 0 AB式中，Eapp 为外加电压，A、B分别为反应物和生成物在电极表面上的浓度。对这个电解反应有三种可能的情况:I)外加电压 Eapp E 时，电解反应还在进行，电极表面BA, A0。0在电化学检测池中所产生的电流是溶液中的分子在工作电极表面发生氧化或还原的电解反应得到的。式 2.2 是一个氧化反应的模型，电子从待测活性物质分子转移到工作电极上，产生正的阳极电流；同样，发生还原反应
13、，电子从工作电极表面转移到电活性分子上，产生负的阴极电流。在电极表面上电子转移所产生的电流符合法拉第定律:Q=nFN (式 2.3)式中，n 为每摩尔电活性物质在电极反应中转移的电子数，F 为法拉第常数，N 为发生电极反应时的电活性物质的量(mol )为电荷量。电极反应的电流为:i= (式 2.4)dtdNnFdtdQ此式将一个可测量的电流 i 与电极表面产生的基本氧化一还原过程联系起来，可见测得的 i 与每种电活性物质在电极上转移的电子数 n 成正比，也与通过电极表面与其反应的活性长春工程学院毕业设计（论文）6物质浓度 dN/dt 成正比，这就是安培检测法的原理。2.2 三电极传感器的设计研
14、究电极上电子的运动是电化学反应的基础，为了分别对电池或电解池的阴极、阳极发生的反应进行观察需用到三电极体系，通常三电极体系包括：确定研究工作界面的工作电极，保持恒定参考电位的参考电极以及提供电流的对电极。2.2.1 检测方式的选择安培检测器的微电极所能测到的法拉第电流一般在纳安级甚至更小。因此消除或减小分离电压对安培检测的干扰是一个不容忽视的问题。根据隔离分离电压的方式，安培检测器分为离柱式和柱端式两种，离柱安培检测器虽然一定程度地降低了检测噪音，但是接口制65 ，作繁琐、存在区带变宽现象、分离电压和电流难以达到完全接地的状态，因此多采用柱端型安培检测器。然而采用这种方式时，对终端安培检测器的
15、工作电极与毛细管通道的对准的液流方向提出了很高的要求。按流出通道后的液流方向与工作电极的相对位置，将芯片毛细管电泳-柱端安培检测池分为流经式、流向式和流通式。如图 2-1 所示：5图 2-1 检测池结构示意图2.2.2 电极材料的选择安培检测器的性能很大程度上取决于所选择的工作电极的材料。目前在芯片毛细管电泳安培检测器中使用较多的工作电极为碳电极、金属电极及化学修饰电极。在金属电极上具有电活性的物质相对较少,大量的由 CE 分离出的组分,尤其是一些生物分子在此类电极上或因超电势太高或缺乏电活性而无法检测。化学修饰电极和微电极的安置技术在很大程度上可解决此类问题,进一步扩大了安培检测的范围和适用
16、性。化学修饰电极有:Hg 修饰微电极 ,化学修饰碳糊微电极,金属颗粒修饰微电极,表面分子膜修饰微电极。2.2.3 电极安置的具体设计长春工程学院毕业设计（论文）7大部分安培检测器的工作电极均直接制作在芯片上，形成集成化的分离检测系统，体积小、集成度高、适合于批量生产。但这样的集成化电极一旦钝化后不易清洗或更换，仅适合于一次性使用。W ang 等研制了可更换的流向式工作电极。条状碳膜工作电极筛印在统一尺寸的氧化铝陶瓷片上，将带有工作电极的陶瓷片在分离通道的垂直方向插入芯片尾端特制的有机玻璃电极定位槽中，碳膜工作电极即可对准通道的出口。电极钝化后，更换一片新的带有筛印碳膜电极的陶瓷片即可，这里采用方形和圆形两种工作电极，其特征尺寸为 100900 m、工6作电极与对电极间距为 50200m。如图 2-2 所示图 2-2 垂直可更换式筛印厚膜碳电极和芯片毛细管电安培检测
