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原文传递一种离心式便携微流控分析装置及其使用方法

专利名称：	一种离心式便携微流控分析装置及其使用方法
摘要：	本发明涉及一种离心式便携微流控分析装置及其使用方法，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；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、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；主控器部件用于对整个系统进行控制和显示；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直流电源。本发明可以广泛应用于离心式分析仪领域。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京博奥晶典生物技术有限公司
发明人：	程振;岳城亮;朱文超;赵倩云;盛涛;潘良斌
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-11T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910500114.5
公开号：	CN110361552A
代理机构：	北京纪凯知识产权代理有限公司
代理人：	冀志华
分类号：	G01N35/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N35
申请人地址：	101111 北京市大兴区北京经济技术开发区科创六街88号院10号楼101室
主权项：	1.一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于其包括：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。 2.如权利要求1所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 3.如权利要求2所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 4.如权利要求3所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 5.如权利要求2所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 6.如权利要求2所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 7.如权利要求6所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 8.如权利要求6所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 9.如权利要求8所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 10.如权利要求8所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 11.如权利要求6所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 12.如权利要求11所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 13.如权利要求11所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 14.如权利要求11所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 15.如权利要求11所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：所述微流控芯片沿同一半径处可设置不同的检测反应孔。 16.如权利要求11所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 17.如权利要求16所述的一种离心式便携微流控分析装置，其特征在于：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。 18.一种采用如权利要求1～17任一项所述离心式便携微流控分析装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤： 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。
所属类别：	发明专利