國(guó)內(nèi)外基于壓電石英晶體微天平技術(shù)的檢測(cè)儀器大多數(shù)使用自行設(shè)計(jì)的振蕩電路盒,使用高分辨的頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率輸出,然后進(jìn)行定時(shí)人工記數(shù),儀器復(fù)雜,自動(dòng)化程度低.微型壓電生物傳感器檢測(cè)電路采用當(dāng)前最有發(fā)展前景的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設(shè)計(jì)而成.目前,CPLD集成度可達(dá)25萬(wàn)等效門(mén),工作速度可達(dá)180MHz.它借助自動(dòng)化程度高的內(nèi)核程序開(kāi)發(fā)工具,可以大大縮短系統(tǒng)的計(jì)周期,而且數(shù)據(jù)采集可以由一塊CPLD芯片完成,整個(gè)系統(tǒng)的硬件規(guī)模明顯減小.在系統(tǒng)的研制階段,由于CPLD器件引腳比較靈活,又有可擦除可編程的能力,因此對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí),只需要修改原設(shè)計(jì)文件再對(duì)CPLD芯片重新編程即可,而不需要修改電路布局,更不需要重新加工印刷線(xiàn)路板,這就大大提高了系統(tǒng)的靈活性.結(jié)合壓電生物傳感器特性,研制一種微型化的壓電傳感器檢測(cè)電路有十分重要的意義.

1 壓電生物傳感器原理

壓電石英晶體頻移ΔF與在晶體表面均勻吸附的極薄層剛性物質(zhì)量Δm之間存在正比關(guān)系,由Sauerbrey方程描述,并且對(duì)于A(yíng)T切割的石英晶體,可得到Sauerbrey方程式:

式中,ΔF、Fq(晶體基頻)、Δm、A單位分別為Hz、Hz、g.cm-2、cm2.石英晶片在氣相中振蕩時(shí),Δf與Δm呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系,因此石英晶片可用來(lái)做非常敏感的質(zhì)量檢測(cè)器,其檢測(cè)限可以達(dá)到ng級(jí)(10-9g.cm-2),甚至pg(10-12g.cm2)級(jí)水平.

根據(jù)壓電石英晶體傳感器的原理設(shè)計(jì)了一種微型化的壓電傳感器檢測(cè)電路,其檢測(cè)原理為在傳感器上預(yù)先固定與待測(cè)物能發(fā)生親和反應(yīng)的“探針”,檢測(cè)待測(cè)物時(shí),隨著親和反應(yīng)的進(jìn)行,檢測(cè)電路實(shí)時(shí)跟蹤反應(yīng)過(guò)程,記錄傳感器上質(zhì)量變化引起頻率變化,再通過(guò)上述定量關(guān)系式計(jì)算待測(cè)物的量,其靈敏度可以達(dá)到納克級(jí)水平,結(jié)合納米金技術(shù)可將傳感器的靈敏度提高3～5倍.

2 電路硬件設(shè)計(jì)

微型壓電傳感器檢測(cè)電路是經(jīng)過(guò)前幾代儀器的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和改進(jìn)基礎(chǔ)上完成的。它摒棄以往TTL集成電路或MCS51單片機(jī)為核心電路波動(dòng)大,穩(wěn)定性差,電路板繪制復(fù)雜,不利于升級(jí)換代的缺點(diǎn),選擇使用ALTERA公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)MAX7128為核心,基于RS232通信方式的串行接口數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái).該系統(tǒng)分為7個(gè)模塊:電源供電模塊,RS-232電平轉(zhuǎn)換模塊,振蕩電路模塊,時(shí)鐘模塊,數(shù)碼顯示模塊,MAX7128內(nèi)核模塊.其電路線(xiàn)路板布局如圖1所示.

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖1中,USB口為壓電生物傳感器與檢測(cè)電路相連接的接口;RS-232口為與計(jì)算機(jī)相連接的接口,將數(shù)字化的傳感器信號(hào)(頻率值)上傳到計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)(PC機(jī))實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和顯示,采集數(shù)據(jù)程序由VC++6.0編寫(xiě);OSC1為提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘振蕩電路,由TTL芯片和12MHz標(biāo)準(zhǔn)晶振組成,產(chǎn)生1s脈沖信號(hào),作為CPLD工作時(shí)鐘輸入、RS-232通信時(shí)序脈沖以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示時(shí)序脈沖,準(zhǔn)確度高、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路,經(jīng)過(guò)幾代反復(fù)改良,在氣相、液相均能夠正常振蕩且波形正常,將傳感器表面生物反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào),輸入CPLD進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采用共陰極8×8段數(shù)碼管,動(dòng)態(tài)掃描顯示當(dāng)前傳感器信號(hào)值和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析判斷結(jié)果;電源給系統(tǒng)提供直流5V工作電壓,含有直流6～15V變成5V穩(wěn)壓電路;RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將從CPLD輸出的CMOS電平轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所接受的TTL電平,而且可增加數(shù)據(jù)傳輸距離.

作為系統(tǒng)內(nèi)核的CPLD,采用VerilogHDL硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言、MAX+plusII10.1編譯系統(tǒng)編寫(xiě)基于A(yíng)ltera公司CPLD(MAX7128)器件的內(nèi)核程序,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了秒時(shí)鐘定時(shí)、10MHz頻率測(cè)量、RS-232通信時(shí)序發(fā)生器、RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)通信、頻率數(shù)據(jù)判斷簡(jiǎn)單分析以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示控制等綜合功能,其原理如圖2所示.

圖2 CPLD內(nèi)核原理圖

3 系統(tǒng)仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)果:為了便于觀(guān)察,將秒時(shí)鐘計(jì)數(shù)判斷設(shè)置為66C0,得到內(nèi)核模塊的仿真圖,如圖3所示.仿真圖給出了頻率采集細(xì)節(jié),數(shù)碼管顯示控制以及串行通信控制.

圖3 CPLD內(nèi)核仿真圖

仿真結(jié)果吻合了設(shè)計(jì)思路,把內(nèi)核程序下載到CPLD(MAX7128)器件中,實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,數(shù)碼管可以正確顯示當(dāng)前傳感器的響應(yīng)信號(hào),使用自己開(kāi)發(fā)的采集程序通過(guò)計(jì)算機(jī)串行通信采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖4所示.所采集的數(shù)據(jù)與仿真情況一致,更進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的成功.

圖4 采集程序?qū)崪y(cè)頻率數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

壓電生物傳感器檢測(cè)電路可擴(kuò)展為單通道微型壓電生物分析儀器,它可以基于核酸雜交的特異性,在醫(yī)學(xué)臨床研究領(lǐng)域用于疾病診斷或者基于抗原/抗體之間的特異性結(jié)合反應(yīng),用于生物樣品分析。該儀器靈敏度高,特異性強(qiáng),若采用CPLD升級(jí)為大容量FPGA后,可以方便升級(jí)為多通道生物分析系統(tǒng),應(yīng)用于生物分析檢測(cè)各個(gè)領(lǐng)域.