一种离心式便携微流控分析装置及其使用方法与流程
本发明涉及离心式分析仪领域，具体涉及一种离心式便携微流控分析装置及其使用方法。
背景技术：
临床生物化学、免疫检验是常规的体检项目，对于疾病的预防、诊断和治疗具有非常重要的意义。在使用中，生化、免疫检验常由全(半)自动生化、免疫分析仪来完成，而实现即时检验可以极大减少从样本到检测结果的周转时间、提高效率。
目前，已有部分基于一次性卡盒或一次性微流控芯片的系统可实现生化指标的即时检验，例如在家庭可采集指尖毛细血管中的血液进行血糖的即时检验。然而对于多数用户而言，仅监测血糖一个指标不能达到疾病控制的目的，因此需要设计可对多个生化、免疫指标进行并行检测的自动化仪器。
anderson等人于1969年报道了一款离心式的分析仪，该分析仪将样品和试剂加在碟片的中央，离心使其流入外侧的小室，通过电机的旋转可以让外侧的各个小室依次经过光源处并检测反应结果，从而实现多个样本的同时分析。1995年美国abaxis公司标志性地推出了一款便携式的血液生化分析仪piccoloxpress，在此分析系统中，生化试剂和稀释液存储于碟片中，在全血、血清或血浆等样本加入后无需人工操作，整个系统可自动化地实现样品处理、生化反应、结果检测等过程，可实现“样本进-结果出”的分析。2002年，gyrosab公司推出gyrolabcds系统，可在1小时内对最多104个指标实现免疫分析(hondaetal.,2005)。之后，rocheb-101、samsunglabgeoib10等更多的离心式微流控分析系统的产品被发布出来。
这类离心式微流控分析系统具备集成化、自动化程度高等特点，通过离心力控制阀、定量池、分离室及流体分配等的综合运用，可以在系统中集成常规生化实验室中的液体加样、定量、物质分离、混合、反应以及最终光学检测等过程。但目前离心式微流控分析系统的主要问题是：现有的设备通常为专用的、台式、非便携的设备，缺乏通用性。例如，不同的检测项目中液体的加样、定量、分离、混合等操作通常由微流控芯片的结构设计决定，不同检测项目、不同检测样品类型涉及转速控制、托盘结构、控温曲线、检测位置等各项不同，若按照现有相近技术常会采用定制化、预先烧录固件的方案，对不同检测项目的兼容性不够、且仪器售后无法远程更新。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种离心式便携微流控分析装置及其使用方法,主要用于解决目前在离心式微流控分析系统中存在的平台不通用、重复开发的问题，旨在凝练离心式微流控分析系统中的核心电子控制系统需求，设计相对应的整体解决方案，并在此基础上提出方便个性化设计、进行定制开发的平台化方案。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种离心式便携微流控分析装置，其包括：主控器部件、协调处理部件、光学系统部件、微流体芯片和电源管理部件；所述微流体芯片为便携分析装置的核心载体，用于不同生物指标的类别、含量分析；所述主控器部件、光学系统部件和协调处理部件通过数据总线相连，进行数据交换；所述主控器部件用于对整个系统进行控制和显示；所述光学系统部件用于对检测过程或最终检测结果进行光学信号读取；所述协调处理部件用于协调和管理便携分析装置中的电机驱动、温度控制以及其他外设部件；所述电源管理部件与所述主控器部件、协调处理部件和光学系统部件相连，为整个便携分析装置提供直流电源。
进一步，所述主控器部件包括嵌入式系统部件和显示部件，所述嵌入式系统部件用于控制反应流程、指令执行、信息处理、条件判断、任务调度、数据交互和资源分配；所述显示部件与所述嵌入式系统部件相连，用于人机交互、信息输入、结果输出及上报功能。
进一步，所述嵌入式系统部件包括嵌入式核心件、第一电源管理模块、实时时钟、有线连通器、无线连通器和传感器；所述嵌入式核心件与所述第一电源管理模块、实时时钟、有线连通器、无线连通器、传感器连接，用于运行嵌入式实时操作系统，所述嵌入式核心件包括嵌入式处理器、存储器和内存器；所述嵌入式处理器用于运行嵌入式系统，所述存储器用于存储待执行的指令，所述内存器用于存储临时数据；所述第一电源管理模块用于将所述电源管理部件输入的电压转换为适用于所述嵌入式系统部件的固定电压；所述实时时钟用于提供稳定的时间基准；所述有线连通器用于所述嵌入式系统部件与外界的有线联通，包括用于与便携分析装置内其他部件联通的数据总线、并行总线以及与便携分析装置外其他部件的通讯协议连接；所述无线连通器用于所述嵌入式系统部件与外界的无线数据连接；所述传感器用于监测便携分析装置内部或周围的环境及状态信息，用于指示仪器的运行情况。
进一步，所述无线连通器包括移动通讯终端、无线数据终端和近场通讯模块，所述移动通讯终端用于便携分析装置1km以上的长距离无线通讯；所述无线数据终端用于便携分析装置1km以内的中短距离无线通讯；所述近场通讯模块用于便携分析装置在10cm以内的近距离无线通讯。
进一步，所述显示部件包括显示屏、背光驱动器、显示接口、触点控制器、第二电源管理模块和触感系统；所述显示屏用于信息显示和信息输入，且所述显示屏表面设置有触点传感层；所述背光驱动器用于提供所述显示屏的背景光；所述显示接口与所述嵌入式系统部件相连，用于提供所述显示屏待显示的数据流；所述触点控制器与所述显示屏的触点传感层连接，用于检测、记录用户点击的位置，并将所述显示屏的触点位置坐标的消息转成便于识别的总线数据，发送到所述嵌入式系统部件；所述第二电源管理模块为所述显示部件提供电源；所述触感系统用于系统控制和互动时提供触感反馈，提供信息输入是否正确、完整的反馈。
进一步，所述协调处理部件包括微型控制器、照明光源、位置与激发部件、激发光源、温度控制部件、电磁铁部件和电机驱动部件；所述微型控制器用于接收和执行所述嵌入式系统部件发送的指令，并执行相应部件的驱动和控制任务；所述照明光源用于仪器状态显示、或者舱室内的照明；所述位置与激发部件用于为光学检测提供位置信息并探测仪器仓门、上下盖的状态，同时激发所述激发光源；所述激发光源用于提供生物实验检测所需要的稳定光源；所述温度控制部件用于调整、维持所述微流控芯片所处腔室内的区域温度至设定的温度；所述电磁铁部件用于控制便携分析装置的开关盖或者进仓状态；所述电机驱动部件用于控制载有所述微流控芯片的旋转电机进行匀速、加速和减速的旋转运动。
进一步，所述位置与激发部件包括信号预处理、位置探测器和触发探测器，所述信号预处理、位置探测器和激发光源通过所述信号预处理后经过数据总线连接至所述微型控制器及光学系统部件；所述触发探测器用于探测所述微流控芯片在腔室内的位置，为光学检测提供位置信息；所述位置探测器用于探测仪器仓门、上下盖的状态。
进一步，所述温度控制部件包括控温部件和测温部件，所述测温部件用于采集腔室内温度，传递给所述微型控制器并按照比例-积分-微分控制的方法，对所述控温部件进行调整使得所述测温部件测的温度值达到设定温度值。
进一步，所述测温部件包括温度探测器和温度采集器，所述温度探测器设置于所述微流控芯片所处的腔室内侧，用于感受周围温度并转换成可用的输出信号；所述温度采集器用于将所述温度探测器随温度不同而产生的电压、电流模拟信号的差异，转变成所述微型控制器可处理的数字化数值。
进一步，所述控温部件包括双向收发器、风扇组件和加热膜组件，其中，所述双向收发器与所述微型控制器连接，用于数据缓冲；所述风扇组件和加热膜组件用于根据所述微型控制器发送的温度控制信号进行加热或散热，使得所述微流控芯片所处腔室的温度达到设定的温度；所述风扇组件包括风扇驱动器和控温风扇，所述控温风扇安装于便携分析装置背部，并由所述风扇驱动器驱动；所述加热膜组件包括加热膜驱动器、下加热膜和上加热膜，所述下加热膜和上加热膜分别贴附于所述微流控芯片所处腔室的下表面外侧和上表面外侧，用于在所述加热膜驱动器的驱动下对所述腔室进行加热。
进一步，所述光学系统部件包括光电探测器阵列、前级放大部件和逻辑处理部件；所述光电探测器阵列与所述前级放大部件电气连接，所述前级放大部件与所述逻辑处理器件电气连接；所述光电探测器阵列用于检测不同反应过程中所述微流体芯片的光学信号强度变化；所述前级放大部件用于对所述光电探测器阵列检测的信号进行预处理；所述逻辑处理部件用于将前级放大后的光电电压信号处理至适合模数转换器采集的电压范围，并对采集到的多个通道的数字脉冲信号进行逻辑运算。
进一步，所述逻辑处理部件包括fpga控制器、第一级放大、程控增益调节、第三级放大、末级放大、多路选择器、模数转换器、第三电源管理模块；所述fpga控制器用于探测和判断所述微流控芯片所处的位置，并控制所述激发光源的开启，同时记录下处于检测反应孔内的光学信号，进而判断出对应的物质类别、计算出其含量；所述第一级放大用于将所述前级放大部件输出的电压信号按照固定倍数进行放大，使得放大后的电压信号处于所述程控增益调节的范围；所述程控增益调节用于根据所述fpga控制器发送的信号对所述第一级放大的输出信号进行衰减调节；所述第三级放大用于将所述程控增益调节衰减后的电压信号按照固定倍数进行放大；所述末级放大用于将所述第三级放大输出的电压经过阻抗匹配后与所述多路选择器连接；所述多路选择器用于根据所述fpga发送的选择信号将多通道电压信号中的一个或数个，有选择性地连接至所述模数转换器；所述模数转换器用于将经所述多路选择器切换选择后的电压信号，转化为能被所述fpga控制器处理的二进制数字信号。
进一步，所述光电探测器阵列设有多个光电探测器，用于对不同的光学信号进行光电探测。
进一步，所述前级放大包括第四电源管理模块、电压基准源、电流电压变换和各通道预放大，其中，所述电源模块和电压基准源与所述电源管理部件相连，所述电源模块用于为所述前级放大提供电源；所述电压基准源用于提供所述光电探测器阵列的基准偏置电压；所述电流电压变换用于将所述光电探测器阵列输出的电流型信号转换成易于进行模拟放大处理的电压型信号，并发送到所述各通道预放大；所述各通道预放大用于将光电探测器的电压信号进行预放大，并发送到所述逻辑处理部件。
进一步，所述微流控芯片沿同一半径处可设置不同的检测反应孔。
进一步，所述电源管理部件包括第五电源管理模块、保险装置和交流电源适配器；所述交流电源适配器用于将输入的交流电压转换为直流电压，提供从市电到低压直流电的供电电源变换；所述保险装置用于设备的电流过流保护和浪涌保护；所述第五电源管理模块用于将所述交流电源适配器提供的直流电压转换为供便携分析装置使用的基准电压和低噪声电压，并在便携分析装置内置可充电电池组件时，对可充电电池组件进行管理；所述可充电电池组件包括电池组、电池电量监测计和电池充电器；所述电池电量监测计用于监测所述电池组的剩余电量，向所述电池充电器和电池管理单元提供充电、供电调度；所述电池充电器通过所述保险装置与所述交流电源适配器相连接，为所述电池组充电。
进一步，所述第五电源管理模块包括开关器、滤波器、电池管理、电压监测、系统电源和低噪声电源；所述开关器用于电源启动的切换开关，所述滤波器与所述开关器相连，用于电源输入后的电磁兼容性滤波；所述电池管理用于管理所述交流电源适配器和可充电电池组件之间的供电、充电关系，实现反应装置边工作边充电的调度；所述电压监测与所述电池管理配合使用，监测所述交流电源适配器的电压，并接收所述电池组的电压、电量信息，为所述电池管理提供信息，同时还监测所述系统电源的电压状态，若系统电源过低或过高，将通过主控器部件进行信息提示或者由所述电池管理进行判断处理。
一种离心式便携微流控分析装置的使用方法，其包括以下步骤：
s1：微流控芯片旋转到特定位置x时，触发探测器产生一个与该位置相关的信号，该特定位置x与微流控芯片上的待检测反应孔y位置相关；
s2：逻辑处理部件监测到位置信号后，识别该特定位置x，查询与待检测反应孔y的位置关系、波长信息，以及当前的衰减倍数c；
s3：在间隔时间z＝(反应孔y位置到特定位置x的角度)/旋转角速度后，逻辑处理部件控制协调处理部件中的激发光源发出一束激发光，并照射至微流控芯片的待检测反应孔y；
s4：同时逻辑处理部件对多路选择器进行切换，将符合反应孔y波长信息的光电探测器放大通道切换至与模数转化器连接；
s5：光电探测器阵列感应微流控芯片中待检测反应孔y内光学信号的变化，并转化为电流信号，经前级放大部件预处理后，进入逻辑处理部件的过电流电压变换、预放大、第一级放大和后级放大后，进入多路选择器，部分通道的电压被模数转化器采集成数字信号h；
s6：逻辑处理部件中的fpga控制器对采集到的数字信号h进行判读，如果数字信号h位于最适宜范围k内，则记录下此时的程控增益调节的衰减倍数c；
s7：若数字信号h不位于最适宜范围k内，则在停止状态、或微流控芯片下一次旋转到特定位置x时，改变程控增益调节的衰减倍数，直至数字信号h位于最适宜的范围k内；
s8：逻辑处理部件通过数字信号h、衰减倍数c以及其他固定放大系数，计算得到该波长下的光学信号强度，进而得到待检测反应孔y内的生物指标的类别、含量、反应进程信息；
s9：若需对更多的反应孔、空白位置进行相应检测，则需将微流控芯片旋转到特定位置x2、x3，并按照步骤s1-s8进行。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本申请提出的用于离心式便携微流控分析装置的电子控制系统，采用模块化设计思路，将电机驱动、温度控制、外设控制、光学检测、状态检测、人机交互、数据上传等功能逐个分解和实现，并整体由嵌入式实时系统统一调度和进行任务分配。2、本发明各模块之间多任务并行时的执行时间准确，系统的资源丰富、可移植性强，对本申请所涉及的便携、快速、自动化反应装置的支持度更高。3、本发明提出了对多个通道的光学检测信号自动调节增益、定点检测、切换波长的检测方案与流程，可用于多个指标的便携式血液生化、核酸或蛋白的检验系统。因此，本发明可以广泛应用于离心式分析仪领域。
附图说明
图1是本申请中一种离心式便携微流控分析装置的电子控制系统详细示意图；
图2是本申请中一种离心式便携微流控分析装置的整体示意框图；
图3是本申请中一种电源管理部件的实施示意图；
图4是本申请中一种光学系统部件的实施示意图；
图5是本申请中一种嵌入式系统与显示部件的实施示意图；
图6是本申请中的一种光学信号检测流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
经分析得知，对离心式便携微流控分析装置的核心要求均为：
1、控制微流控芯片在水平平面内做匀速、加速和减速运动的电机驱动部件；
2、控制微流控芯片所处腔室内、或片外部分区域温度的温度控制部件；
3、控制反应流程、执行指令、信息处理、人机交互、结果输出及上报的主控器部件；
4、对检测过程或最终检测结果进行光学信号读取的光学系统部件；
为此可以设计一种通用型电子控制系统的方案，使得该离心式便携微流控分析装置可用于不同检测项目、反应类型的检测，成为通用、开放型的检测平台，该平台将在未来的生化检测、核酸分析、免疫分析、污染物检测、单细胞研究等领域得到广泛应用。
如图1～图2所示，为实现离心式微流控分析系统的通用设计，本发明提供一种离心式便携微流控分析装置(以下简称便携分析装置)，采用了嵌入式模块化的电子设计方案，将核心需求分解后由各核心部件分别完成，并由嵌入式实时操作系统统一调配资源，包括：主控器部件、光学系统部件、协调处理部件、微流体芯片和电源管理部件。其中，微流体芯片为便携分析装置的核心载体，用于不同生物指标的类别、含量分析；主控器部件、协调处理部件和光学系统部件通过数据总线相连，进行数据交换；主控器部件用于对整个便携分析装置进行控制和显示；光学系统部件用于对检测过程或最终检测结果进行光学信号读取；协调处理部件用于协调和管理便携分析装置中的电机驱动、温度控制以及其他外设部件；电源管理部件与主控器部件、协调处理部件和光学系统部件相连，为整个便携分析装置提供稳定可靠、符合安全规范和电磁兼容性需求的直流电源。
进一步，主控器部件包括嵌入式系统部件1和显示部件2，嵌入式系统部件1是便携分析装置的专用计算机系统，用于控制反应流程、指令执行、信息处理、条件判断、任务调度、数据交互和资源分配；显示部件2与嵌入式系统部件1相连，用于人机交互、信息输入、结果输出及上报等功能，也是客户终端部件。
进一步，如图1和图5所示，嵌入式系统部件1包括嵌入式核心件1-1、第一电源管理模块1-2、实时时钟1-3、有线连通器1-4、无线连通器1-5和传感器1-6等。其中，嵌入式核心件1-1直接与第一电源管理模块1-2、实时时钟1-3、有线连通器1-4、无线连通器1-5、传感器1-6等其他部件连接，用于运行嵌入式实时操作系统；第一电源管理模块1-2用于将电池或适配器输入的较高电压(即电源管理部件5输入的高电压)，转换为适用于嵌入式系统部件1的固定电压；实时时钟1-3用于提供稳定的时间基准；有线连通器1-4用于嵌入式系统部件1与外界的有线联通；无线连通器1-5用于嵌入式系统部件1与外界的无线数据连接；传感器1-6用于监测便携分析装置内部或周围的环境及状态信息，用于指示仪器的运行情况。
进一步，嵌入式核心件1-1可运行嵌入式实时操作系统，提高系统的使用效率。优选的，本申请中采用的嵌入式核心件1-1可采用arm(advancedriscmachine)处理器，嵌入式实时操作系统包括但不限于μc/os-ii/iii、freertos、嵌入式linux、windowsembedded、android。采用嵌入式实时操作系统，具备任务管理、任务及中断间的同步与通信机制、内存管理、中断管理、文件系统、对硬件的支持和系统移植等功能，可便于开发人员调用通用化的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等资源。而且嵌入式实时操作系统通过优先级设置、任务调度、任务和中断服务使得多任务并行时的执行时间更具确定性，对本申请所涉及的便携、快速、自动化反应装置的支持度更高。同时操作系统的可移植性，可加快研发进度、便于形成系列化的生化反应装置。
进一步，如图5所示，嵌入式核心件1-1包括嵌入式处理器1-11、存储器1-12和内存器1-13。其中，嵌入式处理器1-11可以采用精简指令集微处理器arm，根据使用的资源的不同选择不同的架构。优选的，本申请的嵌入式处理器采用i.mx6quad嵌入式处理器，采用
进一步，第一电源管理模块1-2采用集成化的电源管理芯片，本申请中第一电源管理模块1-2可以根据需输出的电压类型、幅值和电流的不同选择不同的电源管理芯片。优选的，本申请的电源管理芯片采用freescalesemiconductor公司的mmpf0100系列的芯片。
进一步，第一电源管理模块1-2既可以设置在嵌入式核心件1-1内，也可以设置于嵌入式核心件1-1外、嵌入式系统部件1内。
进一步，实时时钟1-3包括低功耗实时时钟模块和纽扣电池。其中，实时时钟模块内置频率校准晶体单元，该频率校准晶体单元具备计时、日历和定时中断功能，每次系统时钟在系统重启时通过实时时钟模块初始化时间；纽扣电池用于断电后给实时时钟模块提供备用电源。优选的，本申请的实时时钟模块采用epson公司rx-8010sj芯片，纽扣电池采用panasonic公司cr2032电池。
进一步，嵌入式系统部件1与外界的有线联通，包括用于与便携分析装置内其他部件联通的数据总线、并行总线以及与便携分析装置外其他部件的通讯协议连接。
进一步，数据总线可以用于嵌入式系统部件1与便携分析装置内其他部件进行数据、指令传送，数据总线的类别包括但不限于i2c串行总线、串行外设接口(serialperipheralinterface)、can总线和多对串行接口(serialinterface)等。优选的，本申请采用多对串行接口总线；更具体的，嵌入式系统部件1与协调处理部件之间、嵌入式系统部件1与光学系统部件中的逻辑处理部件3之间通过数据总线连接，嵌入式系统部件1执行总体资源和指令调度。
进一步，并行总线用于嵌入式系统部件1与便携分析装置内显示部件2的数据连接。优选的，本申请采用lcdttl数据接口(包括24路rgb、1路时钟和3路控制信号)以及2路低电压差分信号(low-voltagedifferentialsignaling，lvds)的触控显示屏并行总线。
进一步，与便携分析装置外其他部件的通讯协议连接包括可用于以太网、usb等通用通讯协议的连接，其中，有线连通器1-4包括用于以太网的连接，可以采用经由网络解调器1-41连接至网口的方案；用于usb的连接，可以包括usb集线器1-42和各类usb连接口，usb集线器1-42可以同时连接多个usb连接口，包括但不限于d型usb口、b型usb口和双层usb接口。优选的，本申请网络解调器1-41采用atheros公司的ar8031-al1a集成式网络接收芯片，usb集线器1-42可以采用microchip公司的usb2514b高速集线控制器。
进一步，无线连通器1-5主要用于与装置外其他设备的无线通讯协议连接。更详细的，无线连通器可以用于校准曲线的无线读取、检测结果的无线上传和打印、固件更新包的无线下载等场合，本申请中无线连通器1-5包括移动通讯终端1-51、无线数据终端1-52和近场通讯模块1-53等。
进一步，移动通讯终端1-51可以用于便携分析装置的长距离无线通讯(1km以上)，可以完成检测结果的无线上传、固件更新包的无线下载、便携分析装置的远程检测、远程报告查询等功能，采用的通信方式包括但不限于gsm、cdma，wcdma、td-lte等，移动通讯终端1-51将便携分析装置通过物联网的形式连接至云端综合信息处理平台。优选的，本申请移动通讯终端1-51可以采用华为技术有限公司的me909s型td-lte移动通讯终端。
进一步，无线数据终端1-52可以用于便携分析装置的中短距离无线通讯(1km以内)，可完成检测结果的现场打印、传输，仪器状态的现场监测等功能，它可采用的方案包括无线局域网(wifi)技术、蓝牙技术、zigbee模块、nrf24l01p模块等。优选的，本申请无线数据终端1-52采用realtek公司的rl-um02wbs模块，该模块将蓝牙技术和wifi技术合二为一，可实现数据通过无线局域网或者蓝牙协议的交互。
进一步，近场通讯模块1-53可以用于便携分析装置的近距离无线通讯(10cm以内)，可用于反应标准曲线、台间差校正参数、工作流程执行表等数据的读取，主要用于生物测试前关键预信息的读取。它可采用的方案包括近距离无线通讯技术(nearfieldcommunication,nfc)、射频识别技术(radiofrequencyidentification,rfid)等。优选的，本申请的近场通讯模块1-53采用了近距离无线通讯技术，该近场通讯模块1-53包括近场通讯控制器和天线，其中近场通讯控制器采用了nxp公司的pn532/c1芯片，它与天线经过变压器共耦匹配连接在一起，通过工作频率为13.56mhz的无线智能卡读取数据。
进一步，无线连通器1-5拓展了便携分析装置的数据流通空间限制，将数据在云端、其他外设和用户之间流通起来，使得便携分析装置更加智能化和自动化，提升了操作的便捷性。
进一步，传感器1-6包括但不限于温度传感器1-61、光强度传感器1-62和近距离传感器1-63等。其中，温度传感器1-61可用于监测外部环境温度，记录便携分析装置运行的外部温度，为协调处理部件的温度控制组件提供外部数值，用于自动优化温度控制部件的参数。优选的，本申请可采用hayashidenko公司的pt100型温度传感器。光强度传感器1-62用于监测外部环境光强，为逻辑处理部件3的光学检测提供外部本底值，可用于自动优化光学系统部件的参数。近距离传感器1-63用于监测仪器的进仓或管、盖等舱门关闭状态，指示位置运动信息，确保仪器在运行过程中的安全性。
进一步，显示部件2包括显示屏2-1、背光驱动器2-2、显示接口2-3、触点控制器2-4、第二电源管理模块2-5和触感系统2-6等。其中，显示屏2-1用于信息显示和信息输入，它可以采用小型的lcd显示屏、tft显示屏等器件。本申请采用了24位色tft电阻式显示屏，它的表面设有触点传感层。背光驱动器2-2用于提供显示屏21的背景光，通常采用恒流式驱动电源。本申请采用了恒流式直流/直流led驱动器。显示接口2-3用于提供显示屏2-1待显示的数据流，它与嵌入式系统部件1之间通过并口连接。触点控制器2-4用于检测、记录用户点击的位置，它与显示屏2-1的触点传感层连接，并将显示屏2-1的触点位置坐标的消息，由芯片转成便于识别的总线数据，发送到嵌入式系统部件1。本申请中采用了触摸屏控制芯片tsc2007，它通过i2c串行总线与嵌入式系统部件1之间通过i2c串行总线连接。第二电源管理模块2-5提供电压稳定、电源纹波小的可靠电源，可采用的方案包括但不限于常规线性降压的ldo电源芯片、低损耗低压降的开关型电源芯片、可控精密稳压源等器件。触感系统2-6用于系统控制和互动时提供触感反馈，提供信息输入是否正确、完整的反馈，包括但不限于微型振动马达等方案，当信息输入正确、完整时可以通过振动等方式提供触感反馈。
进一步，如图1所示，协调处理部件包括微型控制器6、照明光源7、位置与激发部件8、激发光源9、温度控制部件10、电磁铁部件11和电机驱动部件12等。其中，微型控制器6用于接收和执行嵌入式系统部件1发送的指令，并执行相应部件的驱动和控制任务；照明光源7用于仪器状态显示、或者舱室内的照明；位置与激发部件8用于为光学检测提供位置信息并探测仪器仓门、上下盖的状态，并激发激发光源9；激发光源9用于提供生物实验检测所需要的稳定光源；温度控制部件10用于调整、维持微流控芯片所处腔室内的区域温度至设定的温度，其中微流控芯片设置在腔室内的托盘上，且托盘通过由腔室中心孔穿过的电机连接轴与旋转电机相连；电磁铁部件11用于控制分析装置的开关盖或者进仓状态；电机驱动部件12用于控制载有微流控芯片的电机进行匀速、加速和减速的旋转运动。
进一步，微型控制器6可以采用的方案包括但不限于51系列单片机、avr系列单片机、armcortex-m系列单片机等器件。优选的，本申请的微型控制器6采用armcortex-m系列的stm32f103rbt6芯片。
进一步，照明光源7包含灯板驱动器7-1和照明灯板7-2，灯板驱动器7-1与微型控制器6相连，在微型控制器6的控制下对照明灯板7-2进行驱动控制。优选的，灯板驱动器7-1可以采用led恒流驱动器xl3001芯片；照明灯板7-2可以采用led灯珠、发光二极管等。
进一步，位置与激发部件8包括信号预处理8-1、触发探测器8-2和位置探测器8-3，触发探测器8-2、位置探测器8-3和激发光源9通过信号预处理8-1后经过数据总线连接至微型控制器6及逻辑处理部件3；触发探测器8-2用于探测微流控芯片在腔室内的位置，为光学检测提供位置信息；位置探测器8-3用于探测仪器仓门、上下盖的状态。优选的，信号预处理8-1可采用各类总线接口芯片，触发探测器8-2和位置探测器8-3采用了opb620的槽型光耦方案。
进一步，激发光源9包括但不限于用于吸光度检测的氘灯、汞灯、氙灯和钠灯等光源，用于荧光检测的单波长激光器、单色led等；由于检测的原理和测量物质的不同，这些激发光源9可以工作在连续照明或者闪烁照明状态。优选的，本申请采用工作在闪烁状态的氙灯。激发光源9发出的激发光照射到微流控芯片相应的检测位置上，并根据参与生物化学反应的不同，可产生不同的光学信号，包括但不限于光吸收、光散射、受激荧光、磷光等现象。这些光学信号经过光学聚焦镜收集、二向色镜分光和单波长滤色片后被聚焦在不同的空间位置；然后这些空间位置上的光信号，各自被相应光电探测器阵列所接收并转换为电子电流或电压，进而被调理到合适的电压检测范围。
进一步，温度控制部件10包括控温部件和测温部件，其中，测温部件用于采集腔室内温度，传递给微型控制器6并按照比例-积分-微分控制(pid控制)的方法，对控温部件进行调整使得测温部件测的温度值达到设定温度值。
进一步，测温部件包括温度探测器10-1和温度采集器10-2，其中，温度探测器10-1设置于微流控芯片所处的腔室内侧，用于感受周围温度并转换成可用的输出信号。温度采集器10-2用于将温度探测器10-1随温度不同而产生的电压、电流等模拟信号的差异，转变成微型控制器6可处理的数字化数值，它可采用的方案包括通用型模拟-数字转化器(analog-to-digitalconverter，adc)、集成式传感器采集芯片等。
进一步，温度探测器10-1可采用接触式温度传感器，包括但不限于k、e、j、n、b、s、r、t等多种型号的热电偶、以及pt100、pt10、cu50、cu100等热敏电阻。优选的，本申请的温度探测器10-1采用pt100铂热电阻。优选的，本申请的温度采集器10-2采用ads1248芯片。
进一步，控温部件包括双向收发器10-3、风扇组件和加热膜组件等，其中，双向收发器10-3与微型控制器6连接，用于数据缓冲，将微型控制器6的低电压部分与加热膜等高电压部分隔离开，避免高压部分故障时对协调处理部件的整体影响，它可采用数字隔离器、各类总线收发器、变压器驱动器等方案。风扇组件和加热膜组件用于根据微型控制器6发送的温度控制信号进行加热或散热，使得微流控芯片所处腔室的温度达到设定的温度。
进一步，风扇组件可以由风扇驱动器10-4和控温风扇10-5构成，用于对腔室进行散热，控温风扇10-5可安装于仪器背部通过控制空气流速进而影响热量散失的速度。风扇驱动器10-4可采用包括但不限于半桥驱动芯片、mosfet管驱动的方案。
进一步，加热膜组件可以由加热膜驱动器10-6、下加热膜10-7和上加热膜10-8等构成。下加热膜10-7和上加热膜10-8分别贴附于微流控芯片所在腔室的下表面外侧和上表面外侧，用于对腔室内进行加热；可采用包括但不限于柔性热电阻丝、红外线加热器等方案。加热膜驱动器10-6用于对下加热膜10-7和上加热膜10-8进行驱动控制，可采用包括但不限于半桥驱动芯片、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet管)驱动的方案。
进一步，双向收发器10-3可采用数字隔离器74hc245芯片；加热膜驱动器10-6和风扇驱动器10-4可采用mosfet管fds5670；加热膜可采用柔性热电阻丝方案。
进一步，电磁铁部件11包含电磁铁驱动器11-1和限位电磁铁11-2，电磁铁驱动器11-1与微型控制器6相连，由微型控制器6控制驱动限位电磁铁11-2动作，实现电磁铁部件11完成侧向门进出仓、或者仪器上盖的打开与关闭等功能。
进一步，电机驱动部件12由电机驱动器12-1和旋转电机12-2构成，电机驱动器12-1与旋转电机12-2相连，根据微型控制器6发送的控制信号驱动旋转电机12-2动作。
进一步，如图1和图4所示，光学系统部件包括光电探测器阵列4、前级放大部件5和逻辑处理部件3。其中，光电探测器阵列4与前级放大部件5电气连接，前级放大部件5与逻辑处理器件3电气连接。光电探测器阵列4用于检测不同反应过程中的光学信号强度变化，不同通道的光学信号被聚焦在不同光电探测器上；前级放大部件5用于对光电探测器阵列4检测的信号进行预处理；逻辑处理部件3用于将前级放大后的光电电压信号处理至适合模数转换器采集的电压范围，并对采集到的多个通道的数字脉冲信号进行逻辑运算。
进一步，逻辑处理部件3包括fpga控制器3-1、第一级放大3-2、程控增益调节3-3、第三级放大3-4、末级放大3-5、多路选择器3-7、模数转换器3-8、第三电源管理模块3-6等。其中，fpga控制器3-1是光学系统部件的信息处理中心，用于探测和判断微流控芯片所处的位置，并控制激发光源9的开启，同时记录下处于检测反应孔内的光学信号，进而判断出对应的物质类别、计算出其含量；第一级放大3-2用于将前级放大部件5输出的电压信号按照固定倍数进行放大，使得放大后的电压信号处于后续程控增益调节的范围；程控增益调节3-3用于根据fpga控制器3-1发送的信号将第一级放大3-2的输出信号衰减调节至一个合适的范围；第三级放大3-4用于将程控增益调节3-3衰减后的电压信号按照固定倍数进行放大；末级放大3-5用于将第三级放大3-4输出的已放大到合适范围的电压经过阻抗匹配后与后端数字信号部分连接，起到缓存和隔离的作用；多路选择器3-7用于将已经过上述信号调理后的多通道电压信号中的一个或数个，有选择性地连接至后续模数转换器3-8，每一个多路选择器3-7的公共端可以与一个模拟-数字转换器3-8连接；模数转换器3-8用于将经多路选择器3-7切换选择后的电压信号，转化为能被fpga控制器3-1处理的二进制数字信号。
进一步，fpga控制器3-1的工作原理为：通过检测芯片定位的触发探测器8-2的状态判断微流控芯片所处的位置。对需要外部光照射、激发的生物反应，可控制激发光源9的开启、关闭时间，使得只有待检测的反应孔准确位于激发光源9正下方时产生相应的光学信号。由于微流控芯片不同位置处反应孔内进行的检测项目不同，其光学信号强度、光学信号波长均有所不同。故在电机驱动微流体芯片运动至不同角度、对应不同的检测项目时，对多路选择器3-7进行切换调节，将与该反应孔检测信息对应波长的信号切换至模拟-数值转换器，并采集对应的数字信号；同时，fpga控制器3-1可以对程控增益调节3-3进行衰减调节，将电压信号调整至模数转换器3-8的适宜电压采集范围。
进一步，第一级放大3-2可以是采用同向或者反向放大的运算放大器，将初始电压放大到较高的幅值，并适合后续的程控增益调节范围。优选的，本申请采用了反向5倍的固定放大倍数，经过预放大部件5和第一级放大3-2后的电压通常处于0.5～5vp-p的范围。
进一步，由于光学检测中涉及的光信号强度变化范围较宽，只采用固定增益的放大方式无法将信号调节至最合适的采集电压范围。程控增益调节3-3可以通过逻辑处理部件3对信号的放大倍数进行程序调节，进而调节整个模拟信号链路的放大倍数。程控增益调节3-3可采用程控放大器、可编程放大器、数字-模拟转换器等方案。优选的，本申请采用了工作在乘法器模式的数字-模拟转换器，该方案将待测电压信号连接至数字-模拟转换器的参考信号端，并由逻辑处理部件3设置数字信号端的数值，进而在输出端产生衰减后的电压信号。
进一步，第三级放大3-4可以是采用同向或者反向放大的运算放大。优选的，本申请采用反向8.5倍固定放大倍数的运算放大芯片方案。
进一步，末级放大3-5可以采用工作在同向电压更随、反向一倍放大工作状态下的运算放大器。优选的，本申请采用了工作在反向一倍放大模式的运算放大器芯片方案。
进一步，本申请中程控增益调节3-3、第三级放大3-4和末级放大3-5可以统称为后级放大。
进一步，多路选择器3-7可以采用包括但不限于多路选择开关、模拟多路复用器等在内的方案。优选的本申请采用了cmos模拟多路复用器的方案，每一个多路复用器设有16个可供选择的切换端，且每个多路复用器设有一个公共端。
进一步，模数转换器3-8采用了全14位10m转换速率的模拟-数字转换器。
进一步，当对多通道并行检测时，对每一个单独通道均可以设置对应的第一级放大3-2、程控增益调节3-3、第三级放大3-4和末级放大3-5，每一个通道对应一个光电探测器。当有多个通道并行工作时，上述第一级放大3-2、程控增益调节3-3、第三级放大3-4和末级放大3-5可以采用多个通道集成在一块芯片内的方案。
进一步，光电探测器阵列4设有多个光电探测器，对于不同的光学信号可采用相应的不同光电探测器，如对微弱的荧光信号可采用光电倍增管、雪崩光电二极管探测器等，对较强的散射、透射光可采用pin结型光电二极管。多个光电探测器可对不同波长的光学信号同时进行检测，可通过二向色镜分光、窄带滤色片限定波长的方案，将不同波长的光分束至不同的光电探测器。优选的，本申请采用hamamatsu公司的s12158型硅pin光电二极管，其使用数目可以为1到13中的任意数量个，具体可与激发光源聚焦、分光和滤色后不同空间位置的数量一致。
进一步，如图4所示，前级放大部件5包括但不限于第四电源管理模块5-1、电压基准源5-2、电流电压变换5-3和各通道预放大5-4等子模块。其中，第四电源管理器5-1和电压基准源5-2与电源管理部件相连，第四电源管理模块5-1用于提供电压稳定、电源纹波小的可靠电源；电压基准源5-2用于提供光电探测器的基准偏置电压；电流电压变换5-3用于将光电探测器阵列4输出的电流型信号转换成易于进行模拟放大处理的电压型信号，并发送到各通道预放大5-4；各通道预放大5-4可通过运算放大器完成一定固定倍数的电压正向或者反向放大，进而将光电探测器的电压信号进行预放大，并发送到逻辑处理部件3。
进一步，第四电源管理模块5-1可采用的方案包括但不限于常规线性降压的ldo电源芯片、低损耗低压降的开关型电源芯片、可控精密稳压源等器件。优选的，本申请的第四电源管理模块5-1采用linear公司的lt1962型ldo芯片。
进一步，电压基准源5-2可采用基准电压源。优选的，本申请的电压基准源5-2采用adi公司的adr01型芯片。
进一步，本申请采用了opa2132双运算放大器芯片的方案，将电流信号经过330k电阻形成的电压，由第二块运算放大器芯片初步同向放大到10倍。
进一步，微流控芯片是便携分析装置的核心载体，它采用特殊化的结构设计，并通过放置于便携分析装置的内部，进而由仪器自动化地完成液体的加样、定量、分离、混合、孵育和检测等操作。在微流控芯片沿同一半径处可设置不同的检测反应孔，通过对各个反应孔内吸光度、磷光、荧光等光学信号的检测，可用于不同生物指标的类别、含量分析。
进一步，如图1、图3所示，电源管理部件包括第五电源管理模块13、保险装置14、交流电源适配器15以及由电池组16、电池电量监测计17和电池充电器18构成的可充电电池组件。其中，交流电源适配器15用于将输入的交流电压转换为直流电压，提供从市电到低压直流电的供电电源变换，可采用各类通过医疗类安规认证的桌上型电源适配器；保险装置14用于设备的电流过流保护和浪涌保护，包括但不限于用于过流保护的熔丝保险管和防止浪涌的浪涌保护器；第五电源管理模块13用于将交流电源适配器15提供的直流电压转换为供便携分析装置使用的基准电压和低噪声电压，并在便携分析装置内置可充电电池组件时，对可充电电池组件进行管理。
进一步，第五电源管理单元13可以包含开关器13-1、滤波器13-2、电池管理13-3、电压监测13-4、系统电源13-5和低噪声电源13-6等部件。其中，开关器13-1用于电源启动的切换开关，滤波器13-2与开关器13-1相连，用于电源输入后的电磁兼容性滤波；电池管理13-3用于管理交流电源适配器15和电池组16之间的供电、充电关系，实现反应装置边工作边充电等的调度；当分析装置无需内置可充电电池时，可舍去该部件。电压监测13-4与电池管理13-3配合使用，它可监测交流电源适配器15的电压，并接收电池组16的电压、电量信息，为电池管理13-3提供信息；同时它还监测系统电源13-5的电压状态，若系统电源过低或过高，将以提示信息显示在显示屏2或者由电池管理13-3进行判断处理。
进一步，当分析装置内置可充电电池时，可采用电池组16、电池电量监测计17和电池充电器18组合的方案。其中电池组16可采用锂电池、镍氢电池和钠硫电池等单个或组合的电池组，通常包括电池芯16-1和电池保护器16-2。电池电量监测计17用于监测电池组16的剩余电量，向电池充电器18和电池管理13-3提供充电、供电调度。电池充电器18采用专用电池组充电芯片，可提供包括但不限于涓流充电、恒流充电、恒压充电等的充电模式，电池充电器18通过保险装置14与交流电源适配器15相连接。
进一步，电源管理部件8经过滤波器13-2后，向系统电源13-5和低噪声电源13-6提供电源。其中系统电源13-5提供整个反应装置所需的基准电压源，低噪声电源13-6向光学检测部件提供低噪声的电压源。系统电源13-5提供最主要的基准电压源，可采用的方案包括但不限于各类降压、反向的低损耗、开关型电源芯片。低噪声电源13-6可采用电压稳定、电源纹波小的可靠电源，可采用的方案包括但不限于常规线性降压的ldo电源芯片、可控精密稳压源等器件。
如图6所示，为本申请的光学检测流程图，其包括以下步骤：
s1：微流控芯片旋转到特定位置x时，触发探测器82产生一个与该位置相关的信号，该特定位置x与待检测反应孔y位置相关；
s2：逻辑处理部件3监测到信号后，识别该特定位置x，查询与待检测反应孔y的位置关系、波长信息，以及当前的衰减倍数c；
s3：在间隔时间z＝(反应孔y位置到特定位置x的角度)/旋转角速度后，逻辑处理部件中的fpga控制器3-1控制激发光源9发出一束激发光，并照射至微流控芯片的待检测反应孔y；
s4：同时逻辑处理部件3对多路选择器3-7进行切换，将符合待检测反应孔y波长信息的光电探测器放大通道切换至与模数转化器3-8连接；
s5：光电探测器阵列4感应微流控芯片反应孔y内光学信号的变化，并转化为电流信号，经过电流电压变换5-3、预放大5-4、第一级放大3-2和后级放大后，进入多路选择器3-7，部分通道的电压被模数转化器3-8采集成数字信号h；
s6：逻辑处理部件3中的fpga控制器3-1对采集到的数字信号h进行判读，如果数字信号h位于最适宜范围k内，则记录下此时的程控增益调节3-3的衰减倍数c；
s7：若数字信号h不位于最适宜范围k内，则在停止状态、或微流控芯片下一次旋转到特定位置x时，改变程控增益调节3-3的衰减倍数，直至数字信号h位于最适宜的范围k内；
s8：逻辑处理部件3中的fpga控制器3-1通过数字信号h、衰减倍数c以及其他固定放大系数，计算得到该波长下的光学信号强度，进而得到反应孔y内的生物指标的类别、含量、反应进程等信息。
s9：若需对更多的反应孔、空白位置进行相应检测，则需将微流控芯片旋转到特定位置x2、x3，并按照步骤s1-s8进行。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
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