基于多層PCB的ME-C4D電極設計及其性能研究

李龍飛, 尤 暉

(1.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230601; 2.廣西大學 機械工程學院,廣西 南寧 530004)

微芯片電泳電容耦合式非接觸電導檢測(microchip electrophoresis-capacitively coupled contactless conductivity detection,ME-C4D)是微芯片電泳(microchip electrophoresis,ME)與電容耦合式非接觸電導檢測(capacitively coupled contactless conductivity detection,C4D)的集成,避免了檢測電極被待測溶液腐蝕和污染,并能有效隔離在檢測通道施加的高壓,避免高壓干擾[1],具有樣品消耗量少、分離性能好、設備成本低、檢測速度快等優點[2],被廣泛用于醫藥檢測[3]和食品檢測[4]等諸多方面。

通過結構和材料優化檢測電極的設計是改善ME-C4D系統檢測性能的有效途徑。文獻[5]通過在1個微管道上設置2個相同的電極檢測區,將2次檢測得到的信號進行補償,提高檢測信號的信噪比和穩定性;文獻[6]通過使用SU8玻璃芯片和材料金進行電極設計,從而提高檢測系統的靈敏度,實驗在法拉第籠內進行,以屏蔽外界信號的干擾。上述電極結構提高檢測系統綜合性能的同時均存在制作工藝復雜、檢測系統集成度低、成本昂貴等缺點,相比之下,印制電路板(printed circuit board,PCB)具有工藝成熟、制作簡單、成本低廉、可拆卸等優點,逐漸被應用于ME-C4D的電極制作[7-10],其中多為單層PCB,關于使用多層PCB設計檢測電極的研究很少。文獻[7-8]提出的PCB電極分別應用于細胞檢測和抗酸片的定量分析,對電極信號的傳輸未做任何保護;文獻[9]使用標準工藝在PCB上制作電極圖案,通過層壓-光刻-層壓和感光干膜技術將微管道制作在電極板上,檢測系統對0.1 mmol/L的NH4+、Li+、Sr2+成功分離,但是檢測信號的基線非常不穩定;文獻[10]提出一種基于單層PCB的微電泳芯片檢測電極,雖然實現了K+、Na+、Li+3種離子的檢測和分離且檢測限達到2 mmol/L,但是該電極存在檢測信號信噪比較低、抗干擾能力差、檢測信號不穩定等缺點,在很大程度上限制了微電泳芯片的廣泛應用。

基于上述問題,本文提出一種基于多層PCB的ME-C4D電極,將檢測電極結構合理地分布在多層PCB的內層和外層,從而提高檢測信號在傳輸過程中的抗干擾能力。本文通過離子檢測實驗,對多層PCB電極的噪聲性能和檢測信號的穩定性進行分析,確定其最優結構參數,進而探究多層PCB電極檢測系統的綜合檢測性能,包括離子濃度的分辨能力、檢測線性度和檢測可重復性等。

1 ME-C4D檢測原理

ME-C4D系統如圖1所示。從圖1a可以看出,微電泳芯片是ME-C4D的基礎部分,主要由微管道、絕緣層和電極板構成,微管道由精密數控機床在甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)板上制作,絕緣層為0.2 mm厚的PMMA膜,微管道與絕緣層通過熱壓鍵合技術形成封閉的微管道,檢測電極區(F)制作在多層PCB上,并通過螺栓與微管道裝配在一起,得到完整的微電泳芯片。

從圖1b可以看出,檢測系統基于鎖相放大器原理搭建,主要包括信號發生器、信號處理電路、電流電壓轉換電路、系統控制模塊、高壓電源和個人電腦(personal computer,PC),其中信號處理電路包括相移模塊、鎖相放大電路、濾波電路,系統控制模塊以STM32為核心并包含數據采集模塊,采用串口在PC與STM32之間進行通信,以實現控制指令的發出和檢測數據的存儲。

檢測時,在微電泳芯片的待測液儲蓄池C中注入待測液;通過PC控制進樣電壓和分離電壓的開啟。控制程序將進樣電壓施加在進樣管道C、D兩端(C為正極,D為負極),在微管道中,由于電場力和電滲流力的作用,待測離子會由C向D移動,并使得離子分布在CD通道內;之后,程序自動關閉進樣電壓并開啟分離電壓,將其施加在分離管道A、B兩端(A為正極,B為負極)。由于在電場力作用下,溶液中不同離子的移動速度是不同的,待測離子會逐漸分離并依次通過檢測電極區F。檢測電極區由激勵電極和接收電極構成,激勵電極發出的高頻信號,穿過微管道及其中的液體后,被接收電極接收,即為檢測信號。當微管道中的離子在電泳力的驅動下到達檢測電極區時,導致其間介電性能變化,從而引起接收電極接收到的信號產生變化,并實時將該信號傳輸到信號處理電路與數據采集模塊,最后傳送至PC端。從檢測系統的組成和檢測原理可知,檢測電極承擔原始檢測信號的接收和傳輸,其綜合性能的好壞,直接影響離子檢測的結果。

2 多層PCB電極設計測試及優化

2.1 電極設計

檢測電極是檢測信號傳輸的重要載體。針對前文提及的電極缺點,為了使電極具有更好的噪聲性能、獲取穩定的檢測信號以及達到易加工、可拆卸、低成本等目的,本文提出一種新的檢測電極設計方法,即將檢測電極設計在多層PCB上,同時采用反向三電極結構,即激勵電極、接地電極和接收電極,多層PCB電極結構如圖2所示。

該電極板使用PCB繪制軟件Cadence Allegro設計,采用4層PCB結構,如圖2所示。

由圖2a可知,各層分別稱為Top layer、Signal 1 layer、Signal 2 layer、Bottom layer。Signal 1 layer和Bottom layer設計為敷銅平面并接地,使其作為信號傳輸的參考面。由圖2b可知,檢測電極區設計在Top layer。其中:參數L為激勵電極和接收電極的正對長度;W為激勵電極和接收電極寬度;Gap為激勵電極和接收電極與接地電極之間的距離。接地電極的走線線寬固定為0.2 mm,對檢測電極區域進行開窗處理，即不覆蓋綠油,大小為5 mm2。由圖2c可知,電極信號傳輸的走線設計在Signal 2 layer,并由過孔與Top layer的檢測電極進行連接,Signal 2 layer中信號走線寬度與Top layer電極寬度W一致,從而保證信號傳輸過程中阻抗的一致性。為便于安裝和拆卸,多層PCB電極外形尺寸為100 mm×100 mm。將繪制好的PCB文件發送給PCB制造商(如凡億PCB)進行代加工,PCB制作工藝成熟、價格低廉,該電極板于微芯片管道之間可拆卸、易裝配,具有較長的使用壽命。

多層PCB是將敷銅的有機或無機介質層壓合在一起、層與層之間由過孔連接形成回路。與單層PCB 相比,多層PCB的Signal 1 layer和Bottom layer均為接地平面,一方面使信號線的阻抗更容易匹配,減少信號傳輸過程中的串擾和反射,屏蔽檢測信號在電極上傳輸過程中受到的外界干擾,有利于降低信號在傳輸過程中的噪聲,提升檢測信號的信噪比;另一方面對電極進行保護,避免檢測信號走線與空氣的大面積接觸,延長電極的使用壽命,提高信號傳輸過程中的抗干擾能力,與外加屏蔽盒相比,該多層PCB電極設計更加集成化、便攜化。

2.2 信噪比分析

利用示波器觀測檢測系統中電流、電壓轉換電路的輸出信號。未施加激勵信號時,發現單層板噪聲最大電平均值為125.4 mV,多層板噪聲最大電平均值僅為5.5 mV,明顯低于單層板。施加正弦激勵信號,保持其峰峰值為5 V不變、在100～2 000 kHz范圍內改變頻率,因為多層PCB電極的接地電極具有良好的屏蔽效果,使得多層PCB電極的信號強度相比單層板有所降低,但信號噪聲下降幅度更大,所以信噪比大幅提升,電流、電壓轉換電路輸出信號的信噪比如圖3所示。

多層板設計可以有效地屏蔽電極與電極之間、傳輸線與外界環境之間不必要的耦合和干擾,同時,多層PCB 2個參考平面之間形成微電容,濾除檢測信號在Signal 2 layer傳輸過程中的部分噪聲,從而使得多層PCB電極的噪聲下降,信噪比提升。在不同頻率下,多層PCB電極的信噪比是單層PCB電極的2倍以上,另外,由于單層和多層PCB電極的設計結構不同,從而2種電極結構的阻抗不同,使得2種電極的中心頻率不同。因為多層PCB電極頻率在800 kHz時,表現出最優信噪比,所以以800 kHz作為最優檢測頻率,在后續實驗中的激勵信號和參考信號頻率均采用800 kHz。

2.3 電極結構參數優化

多層PCB電極信噪比是影響信號檢測的重要因素,其結構參數也會對檢測結果產生影響。為探究多層PCB電極結構參數對檢測信號的影響,并得到最優的電極結構設計參數,根據不同尺寸的激勵電極和接收電極,設計相應的多層PCB電極進行離子檢測實驗,綜合考慮PCB設計和制作成本,將Gap固定為0.3 mm、接地電極寬度固定為0.2 mm,L分別為1.0、2.0、3.0 mm,W分別為0.5、1.0、1.5 mm,待測液為0.500 mmol/L的K+離子溶液,探究不同電極結構參數對檢測信號輸出及信噪比的影響,實驗結果如圖4所示。

由于微管道的寬度僅為0.1 mm,檢測電極正對長度L較小時,電極耦合信號較弱且不易進行裝配,正對長度L較大時,雖然兩電極之間的耦合電容增大,耦合信號有所增強,但是待測離子信號在耦合信號中的比重會降低,不易檢測到有效的待測離子信號。當電極寬度W變化時,影響電極耦合信號強弱的同時,也會改變沿分離管道方向檢測區域的大小,從而影響檢測結果的綜合性能。從實驗結果也可以看出,待測離子的峰值和信噪比并不是隨著電極相對長度L及電極寬度W增加而增加,當電極寬度一定時,電極相對長度為2.0 mm表現最佳;當電極長度一定時,電極寬度為1.0 mm時表現最佳。因此,從制作成本和設計等方面綜合考慮,將L為2.0 mm、W為1.0 mm、Gap為0.3 mm作為多層PCB電極的最優結構參數。

3 離子檢測實驗

通過對典型離子的檢測實驗,對比采用單層和多層PCB電極的ME-C4D系統檢測性能,從而驗證多層PCB電極對檢測系統性能的改善。主要實驗步驟如下:① 配制不同濃度的K+、Na+、Li+3種離子混合溶液作為待測液,并將其注入微電泳芯片的待測液儲蓄池C;② 在PC端設置進樣電壓和分離電壓、進樣時間和分離時間等實驗參數;③ 通過PC端的軟件,控制ME-C4D系統按照預定程序執行待測離子進樣、分離、非接觸電導檢測、信號讀取和傳輸、信號處理與分析。實驗時,激勵電極的激勵信號峰的峰值為5 V、頻率為800 kHz的正弦信號,鎖相放大電路的參考信號峰的峰值為20 V的同頻率正弦信號,進樣電壓和分離電壓分別為500 V 和1 kV的直流高壓。

3.1 單層與多層PCB電極穩定性對比

由于ME-C4D系統在微管道中施加高壓,檢測過程中會引起檢測信號的漂移[11]。檢測信號的穩定性是指檢測過程中檢測信號隨著檢測時間的延長而發生漂移的大小。檢測信號漂移較大時,一方面,不易識別檢測信號中的待測離子信息,特別是在低濃度離子檢測時,待測離子信號很容易隨著檢測信號的漂移而不易分辨;另一方面,由于檢測信號的漂移,待測離子的峰底是傾斜的,傾斜較大時,不能準確讀取待測離子的峰值。

分別用包含單層和多層PCB電極的ME-C4D系統對濃度為0.500 mmol/L的K+、Na+、Li+3種離子混合溶液進行檢測實驗,在系統的采集模塊輸出端得到的檢測信號如圖5所示。

檢測結果顯示,多層PCB電極的檢測信號穩定性明顯優于單層PCB電極。經多次實驗證實,在50 s內,單層板PCB電極檢測信號漂移達200 mV以上,而多層PCB板的檢測信號的漂移量小于20 mV?？梢?在多層PCB電極相對于單層板信噪比提升的同時,其對檢測信號的漂移也有良好的抑制作用。

3.2 不同濃度離子檢測結果與分析

待測離子檢測結果的峰值直接反映待測樣品中的離子濃度,待測離子的濃度越高,其峰值越大。針對K+、Na+、Li+3種離子的濃度均為0.025、0.050、0.100、0.250、0.500、1.000、1.025、1.050、1.100、1.250、1.500、2.000 mmol/L的混合離子待測液,分別使用包含單層和多層PCB電極的ME-C4D系統進行檢測實驗,得到各離子濃度與檢測信號峰值的對應關系,并用曲線進行擬合,結果如圖6所示。

實驗發現,無論使用單層或多層PCB電極,ME-C4D系統對不同離子的峰值響應能力不同,即使離子的帶電荷量相同、濃度相同,檢測信號的峰值都可能有顯著差異,其主要原因是混合溶液中不同離子的單位摩爾電導率不同,這是由不同離子的固有屬性決定的[12]。從實驗結果可以看出,混合溶液中K+的單位摩爾電導率最高,Na+次之,Li+最低。

因為多層PCB電極具有更高的信噪比和對信號漂移更好的抑制作用,所以在相同濃度下,多層PCB電極對各種離子的檢測峰值均高于單層PCB電極的檢測結果。實驗還發現,對采用多層PCB電極的系統,除離子濃度為0.025 mmol/L的溶液不能有效檢測,其他各濃度待測液均可獲得清晰、完整、不重疊的K+、Na+、Li+3種離子的檢測信號峰。因此,在使用多層PCB電極的情況下,保守認為系統對K+、Na+、Li+3種離子混合溶液檢測限達到0.050 mmol/L。在相同的微電泳芯片和檢測系統及檢測條件下,采用單層PCB電極的系統,只能有效檢測出混合離子濃度高于0.100 mmol/L的待測液,即采用單層PCB電極的系統檢測限不到0.100 mmol/L?？梢?采用多層PCB電極可使系統的檢測限提升2倍以上。

無論使用單層或多層PCB電極,在不同的待測液濃度范圍,檢測系統對離子濃度分辨率是不同的,總體上可以看出,濃度較小時,離子的濃度分辨率越高,說明ME-C4D系統更適合低濃度離子檢測。從檢測結果也可以看出,采用多層PCB電極檢測系統的濃度分辨能力更強,這種分辨率差異在較低濃度范圍表現得更加明顯,在1.025～1.100 mmol/L濃度范圍內尤為突出。當離子濃度小于0.500 mmol/L時,采用多層PCB電極的檢測系統對K+、Na+、Li+的濃度分辨率分別達到665.9、406.0、208.9 mV/(mmol·L-1),而采用單層PCB電極的濃度分辨率分別為449.3、299.8、99.5 mV/(mmol·L-1),與多層PCB電極檢測系統相差1.3倍以上。當濃度為1.025～1.100 mmol/L時,采用單層PCB電極的檢測系統不能分辨0.100 mmol/L以下的待測液濃度差異,而采用多層PCB電極在該離子濃度范圍仍有很好的峰值響應,對K+、Na+、Li+的濃度分辨率分別為684.0、618.7、337.3 mV/(mmol·L-1),其離子濃度差異的分辨能力至少達到0.050 mmol/L。當離子濃度大于1.100 mmol/L時,雖然采用單層或多層PCB電極的系統對K+、Na+、Li+3種離子的濃度分辨率接近,但與低濃度范圍的分辨率相比有明顯降低,其中多層PCB電極檢測系統的濃度分辨率分別降到168.2、155.7、93.7 mV/(mmol·L-1)。

實驗結果證明,因為采用單層PCB電極的系統對于1.000 mmol/L以上的K+、Na+、Li+離子的濃度分辨能力顯著變弱,所以采用單層PCB電極系統最佳的工作范圍為0.100 mmol/L(檢測限)至1.000 mmol/L。因為采用多層PCB電極的檢測系統在0.500 mmol/L(檢測限)至1.100 mmol/L的范圍內,都有較高的離子濃度分辨率,所以采用多層PCB電極,不僅使檢測系統在低濃度端有更好的檢測限,還擴大了檢測系統的最佳濃度使用范圍,即多層PCB電極起到了既提升ME-C4D系統靈敏度又擴大其最佳檢測范圍的雙重作用。

為了探究采用多層PCB的檢測系統在最佳濃度范圍內的離子檢測線性度,本文對0.050～1.100 mmol/L待測液的檢測結果進行線性回歸分析。K+、Na+、Li+3種離子的檢測信號峰值與離子濃度的相關系數(R2)分別達到了0.989、0.983、0.982,具有較好的線性度。進一步證明多層PCB電極的檢測系統更加適合低濃度離子的檢測。

3.3 離子檢測可重復性實驗

對離子濃度為1.000 mmol/L的K+、Na+、Li+3種離子混合溶液,分別使用單層和多層PCB電極進行5組重復性檢測實驗,通過對3種離子檢測峰值、檢測時間進行相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)分析(n=5),探究多層PCB電極的實驗可重復性。通過實驗發現,多層PCB電極K+、Na+、Li+離子檢測峰值的RSD均在6%以下,相對單層PCB電極分別降低3.1%、2.6%、3.3%;檢測時間的RSD均在5%以下,相對單層PCB電極分別降低2.4%、1.7%、1.8%,證明該多層PCB電極具有較好的實驗可重復性。

4 結 論

本文設計了一種基于多層PCB的ME-C4D電極,通過對K+、Na+、Li+3種離子混合溶液的檢測實驗,驗證該多層PCB電極的可行性并對其綜合檢測性能進行分析,該多層PCB電極的檢測信號具有較好的信噪比和穩定性,對濃度的分辨能力和檢測限均達到0.050 mmol/L,檢測實驗可重復性較好。實驗證明,采用多層PCB電極,既改善了ME-C4D系統的檢測靈敏度和離子濃度分辨率,同時又擴大了檢測系統的最佳離子濃度檢測范圍。與常見的ME-C4D電極相比,該多層PCB電極與微芯片管道之間可拆卸、易裝配,為ME-C4D電極設計提供新的思路。同時,多層PCB電極信號傳輸時與外界環境隔離,抗干擾能力強,在便攜式微芯片電泳檢測領域具有廣闊的應用前景。