自動量程控制在DNA電化學(xué)信號采集儀中的應(yīng)用
DNA電化學(xué)信號采集儀是基于電化學(xué)分析技術(shù)設(shè)計的診斷儀器。電化學(xué)分析技術(shù)是當(dāng)前測定DNA序列的熱點(diǎn),它相對于表面分析技術(shù)、凝膠電泳技術(shù)、微量熱法、毛細(xì)管電泳法、電化學(xué)分析技術(shù)和化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)等有較大優(yōu)勢。本設(shè)計采用循環(huán)伏安法檢測DNA生化反應(yīng)產(chǎn)生的電流,從而對急性早幼粒細(xì)胞白血病(APL)和慢性粒細(xì)胞白血病(慢粒CML)作出早期診斷。采集儀具有小型化、集成化及原位、在體、實(shí)時、在線的檢測等特點(diǎn)。
電化學(xué)方法的檢測體系一般為三電極體系:工作電極為金電極,其上面固定著DNA片段和用于檢測的電活性雜交指示劑;參比電極為銀/氯化銀電極;輔助電極為鉑電極。
一般情況下,使用CHI660C并選擇循環(huán)伏安法做電化學(xué)實(shí)驗(yàn),需要設(shè)置其靈敏度,一旦靈敏度設(shè)置不恰當(dāng),就會影響檢測效果。因此,為了提高電流信號的檢測精度,DNA電化學(xué)信號采集儀需要具備自動控制靈敏度的功能。
本文首先簡單介紹了自制的DNA電化學(xué)信號采集儀的整體框架、功能及性能,然后詳細(xì)闡述了自動量程控制系統(tǒng)在信號采集模塊中的應(yīng)用,并給出了相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計方案。
1 系統(tǒng)設(shè)計
整個DNA電化學(xué)信號采集儀主要由四個模塊構(gòu)成,如圖1所示。
處理器模塊 這部分采用TI公司的DSP處理器TMS320F2806,主要負(fù)責(zé)對信號發(fā)生模塊和信號采集模塊的控制,同時,對采集到的信號進(jìn)行處理,并發(fā)送給上位機(jī)。
信號發(fā)生模塊 包括16位D/A、低通濾波和恒電位儀。該模塊在DSP的控制下,根據(jù)選擇的電化學(xué)檢測方法,產(chǎn)生相應(yīng)的波形信號。
信號采集模塊 包括I/V轉(zhuǎn)換電路、自動量程控制電路、電壓調(diào)整電路、低通濾波電路和16位A/D。其功能是采集電化學(xué)反應(yīng)池中的電流信號。
電化學(xué)反應(yīng)池模塊 為三電極體系的電化學(xué)反應(yīng)提供場所,并將反應(yīng)中產(chǎn)生的電流信號傳送給信號采集模塊。
2 自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計要求
考慮到一般電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號范圍為1.0×10-7~1.0×10-3A,所以就要求DNA電化學(xué)信號采集儀中信號采集部分的電路能檢測此范圍的電流信號,并且抗干擾性要強(qiáng),噪聲和信號失真要低。此外,信號采集電路還需要具有數(shù)控式快速精確調(diào)檔的功能,能根據(jù)一定的條件自動調(diào)整靈敏度,即自動升檔或降檔。
一般情況下,應(yīng)使被轉(zhuǎn)換量在A/D轉(zhuǎn)換線性區(qū)之內(nèi),盡可能使模擬量在1/2滿度~接近滿度的區(qū)域中轉(zhuǎn)換,即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍,自動選擇合適的靈敏度。
2.2 自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計
智能化DNA電化學(xué)信號采集儀是通過自動切換量程實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換的。其原理如下:
式中:I測量表示待測的電流信號;K表示采樣的靈敏度;V偏置表示某一恒定的偏置電壓;VREF表示A/D的參考電壓;S表示A/D采樣的數(shù)字信號值;n表示A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。
在設(shè)計電路之前,可以根據(jù)實(shí)際需求,來確定量程及切換量程的條件,再檢查在此條件下,電流范圍及精度是否達(dá)到了要求。
2.2.1 量程的確定
根據(jù)自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計要求,決定將儀器的量程設(shè)為4檔,相鄰檔之間的靈敏度K相差10倍,則4檔對應(yīng)的I/V轉(zhuǎn)換電阻分別為1 MΩ,100 kΩ,10 kΩ和1 kΩ。具體的設(shè)計如表1所示。
2.2.2 切換量程條件的確定
由于待測電流有正負(fù)之分,即方向不同,所以I/V轉(zhuǎn)換后的電壓也有正負(fù)之區(qū)別。本設(shè)計中,16位A/D的采集電壓的范圍是0~4.096 V,因此增加了一個2.5 V的偏置電壓,使得A/D采集的電壓范圍改變?yōu)?2.5~+1.596 V。下面分別確定上限和下限換檔的條件。
上限換檔 當(dāng)電壓信號靠近A/D滿量程,或者信號較小時,A/D采樣就會發(fā)生失真,所以,本設(shè)計以(2.5±1.5)V作為A/D輸入的上限值,即1.0 V和4.0 V,兩者分別是負(fù)的和正的可測電壓的上限值。如果A/D的采樣電壓值小于1.0 V或者大于4.0 V,那么就超出了此檔的量程,就要向上升一檔。 電化學(xué)工作站相關(guān)文章:電化學(xué)工作站原理
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