采用QCM传感器的生物芯片检测电路的原理设计.pdf

在信息技术与生物工程领域，使用QCM（石英晶体微天平）传感器的生物芯片检测技术是进行生物化学分析和监控的有效手段。生物芯片检测技术通过生物传感器来检测生物化学反应中的微小变化，而QCM传感器则利用石英晶体振荡频率的变化来探测其表面质量负载变化，进而获得生物分子之间的相互作用信息。在该技术中，QCM传感器、微电子振荡电路、差频电路、可编程逻辑器件、单片机等元件相互协作，共同构成了一套精密的检测系统。 1. QCM传感器工作原理：QCM传感器工作时，石英晶体的振荡频率会受到晶体表面质量负载变化的影响，从而产生频率漂移。这种频率变化可转换为与质量变化相关的信号输出，当晶体表面接触生物试剂后，其质量负载的变化可以被灵敏地检测到。QCM传感器具有亚ng级的质量检测能力，并且其灵敏度可以达到1ng/Hz。 2. 振荡电路设计：为了使QCM传感器在加入生物试剂后能振荡起来，设计了采用MAX913芯片为核心的自激振荡器电路。MAX913的输出为TTL电平，适合单片机或可编程逻辑器件的信号采集。振荡器电路由基本放大电路、正反馈网络和选频网络组成，其中石英晶体既作为正反馈网络的主要组成部分，也是选频网络的关键部分。 3. 差频电路设计：差频电路的目的是降低输入到可编程逻辑器件的频率。使用74LS74差频器和高精度的有源晶振，得到差频信号后送到可编程逻辑器件进行计数。差频电路包括振荡电路输出和参考晶振输出的方波信号，将两者送入差频器74LS74的D端和CLK端，产生差频信号。 4. 可编程逻辑器件设计：在这个系统中，EPM570GT100C3芯片和EPM7128LC84-10芯片作为可编程逻辑器件，分别用于频率计数和控制电路。这些器件具有可编程的特点，使得在需要修改设计时，通过软件编程修改即可，无需改动硬件布局。它们在系统中充当频率计的功能，通过软件编程来实现。 5. 控制电路设计：51单片机AT89S52与EPM7128芯片配合，实现对检测系统的控制。单片机通过串口接收到上位机的命令后，对EPM7128进行复位操作，并控制频率测量计时。测量完成后，单片机处理数据并通过串口发送到上位机进行数据分析和图形界面显示。 6. QCM凝血传感器应用：QCM凝血传感器可以检测体系的密度、粘度变化，尤其是在凝血分析方面有显著作用。通过红细胞阻抗特性的变化来检测红细胞的凝集时间和沉降速率，这对于血液凝固状况的监测具有重要意义。 7. 系统设计框图：系统总体设计框图概述了8通道QCM检测的整体架构，包括振荡电路、差频电路、可编程逻辑器件、单片机控制电路等关键部分。 8. 单片机和JTAG编程：AT89S52单片机通过特定引脚外接晶振和电容组成振荡电路，支持在线编程，便于程序的烧写。EPM7128芯片采用JTAG编程接口进行程序烧写，具有很好的灵活性和保密性。 通过整合上述技术点，可以构建出一个基于QCM传感器的生物芯片检测电路，该电路具备了进行高灵敏度、高选择性生物化学分析的能力。在实际应用中，这项技术可以广泛应用于医学检测、生物技术、食品安全检测等领域，对于提升相关领域的检测精度和效率具有重要意义。