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自动量程控制在DNA电化学信号采集仪中的应用
来源:本站整理  作者:佚名  2010-03-22 12:19:33



0  引  言

DNA电化学信号采集仪是基于电化学分析技术设计的诊断仪器。电化学分析技术是当前测定DNA序列的热点,它相对于表面分析技术、凝胶电泳技术、微量热法、毛细管电泳法、电化学分析技术和化学发光分析技术等有较大优势。本设计采用循环伏安法检测DNA生化反应产生的电流,从而对急性早幼粒细胞白血病(APL)和慢性粒细胞白血病(慢粒CML)作出早期诊断。采集仪具有小型化、集成化及原位、在体、实时、在线的检测等特点。

电化学方法的检测体系一般为三电极体系:工作电极为金电极,其上面固定着DNA片段和用于检测的电活性杂交指示剂;参比电极为银/氯化银电极;辅助电极为铂电极。

一般情况下,使用CHI660C并选择循环伏安法做电化学实验,需要设置其灵敏度,一旦灵敏度设置不恰当,就会影响检测效果。因此,为了提高电流信号的检测精度,DNA电化学信号采集仪需要具备自动控制灵敏度的功能。

本文首先简单介绍了自制的DNA电化学信号采集仪的整体框架、功能及性能,然后详细阐述了自动量程控制系统在信号采集模块中的应用,并给出了相应的硬件和软件设计方案。

1  系统设计

整个DNA电化学信号采集仪主要由四个模块构成,如图1所示。



处理器模块  这部分采用TI公司的DSP处理器TMS320F2806,主要负责对信号发生模块和信号采集模块的控制,同时,对采集到的信号进行处理,并发送给上位机。

信号发生模块  包括16位D/A、低通滤波和恒电位仪。该模块在DSP的控制下,根据选择的电化学检测方法,产生相应的波形信号。

信号采集模块  包括I/V转换电路、自动量程控制电路、电压调整电路、低通滤波电路和16位A/D。其功能是采集电化学反应池中的电流信号。

电化学反应池模块  为三电极体系的电化学反应提供场所,并将反应中产生的电流信号传送给信号采集模块。  

2  自动量程控制系统的设计

2.1  自动量程控制系统的设计要求

考虑到一般电化学反应产生的电流信号范围为1.0×10-7~1.0×10-3A,所以就要求DNA电化学信号采集仪中信号采集部分的电路能检测此范围的电流信号,并且抗干扰性要强,噪声和信号失真要低。此外,信号采集电路还需要具有数控式快速精确调档的功能,能根据一定的条件自动调整灵敏度,即自动升档或降档。

一般情况下,应使被转换量在A/D转换线性区之内,尽可能使模拟量在1/2满度~接近满度的区域中转换,即根据未知参数量值的范围,自动选择合适的灵敏度。

2.2  自动量程控制系统的设计

智能化DNA电化学信号采集仪是通过自动切换量程实现I/V转换的。其原理如下:



式中:I测量表示待测的电流信号;K表示采样的灵敏度;V偏置表示某一恒定的偏置电压;VREF表示A/D的参考电压;S表示A/D采样的数字信号值;n表示A/D转换器的转换位数。

在设计电路之前,可以根据实际需求,来确定量程及切换量程的条件,再检查在此条件下,电流范围及精度是否达到了要求。

2.2.1  量程的确定

根据自动量程控制系统的设计要求,决定将仪器的量程设为4档,相邻档之间的灵敏度K相差10倍,则4档对应的I/V转换电阻分别为1 MΩ,100 kΩ,10 kΩ和1 kΩ。具体的设计如表1所示。

2.2.2  切换量程条件的确定

由于待测电流有正负之分,即方向不同,所以I/V转换后的电压也有正负之区别。本设计中,16位A/D的采集电压的范围是0~4.096 V,因此增加了一个2.5 V的偏置电压,使得A/D采集的电压范围改变为-2.5~+1.596 V。下面分别确定上限和下限换档的条件。



上限换档  当电压信号靠近A/D满量程,或者信号较小时,A/D采样就会发生失真,所以,本设计以(2.5±1.5)V作为A/D输入的上限值,即1.0 V和4.0 V,两者分别是负的和正的可测电压的上限值。如果A/D的采样电压值小于1.0 V或者大于4.0 V,那么就超出了此档的量程,就要向上升一档。

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