高通量可定址細胞捕獲晶片控制系統的設計
李生輝1，2，3，盧小冬2，黃成軍2，3
（1.中國科學院微電子研究所 健康電子研發中心，北京100029；
2.中國科學院微電子研究所 新一代通信射頻晶片技術北京市重點實驗室，北京100029；
3.中國科學院大學 未來技術學院，
摘 要：針對傳統介電電泳細胞捕獲生物晶片的通量不高、且無法對微電極陣列進行定址的問題，設計了一種適用于可定址、高通量細胞捕獲晶片的控制系統，開發了上位機的控制程式模組。下位機的控制電路模組包括STM32微控制器控制單元、信號產生單元、開關控制單元等。實驗結果表明，所設計的控制電路系統能對具有32×32個微電極陣列的細胞捕獲生物晶片的特定電極進行定址，
中圖分類號：TN98；TH79
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.021
中文引用格式：李生輝，盧小冬，黃成軍. 高通量可定址細胞捕獲晶片控制系統的設計[J].電子技術應用，2017，43(7)：81-83，87.
英文引用格式：Li Shenghui，Lu Xiaodong，Huang Chengjun. Electrical control system design for a high throughput and addressable cell capture biochip[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：81-83，87.
0 引言
惡性腫瘤已成為我國死亡率最高的重大疾病之一，90%以上的腫瘤病人死于腫瘤的轉移和復發[1]。最新的研究表明，血液中的迴圈腫瘤細胞(Circulating Tumor Cells，CTCs)由於其直接來於源腫瘤組織，
當前CTCs的檢測方法主要分為兩大類，一類是依靠識別表達於腫瘤細胞膜表面的特異性標誌物(如EpCAM、HER-2等)來實現CTCs的捕獲與鑒定；另一類則是直接利用CTCs自身的物理特性(如在大小、密度、電學特性等方面)與普通細胞的差異來實現CTCs的捕獲與檢測。
本文提出了適用于一種高通量的介電電泳細胞晶片的控制電路系統。
1 細胞捕獲晶片的工作機理
細胞處在非均勻電場中，由於極化效應產生介電電泳現象[7]。細胞所受的介電電泳力跟電極上所加信號的幅度、頻率、電極間的距離、細胞自身的物理特性(如細胞膜電容、電導等)有關。為了利用細胞的介電電泳效應特異性的捕獲腫瘤細胞，在細胞捕獲晶片上載入的介電電泳信號是至關重要的。
本文所設計電路控制系統驅動的細胞捕獲生物晶片如圖1所示。晶片為32×32的陣列結構，共1 024個單元，每個單元由一對微電極構成。所設計的電路控制系統需要實現對該1 024個單元的定址，並將特定幅值、相位和頻率的交流信號載入到使能的微電極對上，以用於介電電泳細胞捕獲[7]。
針對圖1介電電泳細胞捕獲生物晶片的控制電路需求，本文提出的驅動電路設計方案基於圖2的工作原理，以4行×4列的微電極陣列為例，微電極陣列的所有行和列電極都接地(GND)，均處於非使能狀態，如圖2(a)所示；當需要使能第2行、第2列微電極單元，如圖2(b)所示，控制系統將第2列的電極載入正弦波，第2行的電極載入反相正弦波；而處在第2行或第2列的其他微電極單元，由於僅一個微電極載入有正弦波信號，所以產生的介電電泳力僅為第2行、第2列微電極單元的1/4[7]，通過調整正弦波信號的幅度、頻率，僅使第2行、第2列的微電極產生的介電電泳力高於細胞捕獲的閾值，而第2行其他列(或第2列其他行)的介電電泳力均小於該閾值，從而實現對細胞捕獲晶片上1 024個微電極單元的定址功能。
2 細胞捕獲生物晶片電學控制系統的設計
2.1 系統總體設計
該系統包括上位機的控制程式模組和下位機的控制電路模組。下位機的控制模組又包括微控制器（MCU）控制單元、信號產生單元、開關控制單元。上位機的控制程式通過USB控制下位機，同時給下位機供電；下位機由一個微控制器來控制開關電路；差分放大電路將信號發生器產生的單路正弦波信號轉換成兩路相位差為π的正弦信號，再通過由MCU控制的開關電路，將兩路差分信號輸出給指定的微流控晶片的行電極和列電極。其系統框圖如圖3所示。
2.2 上位機的控制程式模組設計
由於該細胞捕獲生物晶片的電學控制系統需要對64路輸出通道進行控制，為了方便操作者智慧、快速地操控，本文設計了基於Qt開發上位機的控制程式模組，主要通過USB實現與下位機的控制電路連接的功能。實驗中，顯微鏡的CCD相機拍攝到微電極陣列晶片的照片後，可以在上位機控制程式中進行添加、編輯等操作，操作者可以通過上位機控制程式使用者介面（UI）來觀察晶片上的微電極陣列。根據不同的細胞實驗需求，當需要使能特定的行和列時，在上位機控制程式UI中點擊相應的行和列的按鈕，即可使能該微電極單元，再次點擊即可不使能該微電極單元。為了擴展功能，上位機控制程式還可以實現一鍵使能或不使能所有行電極和列電極，從而達到上位機智能控制的目的。
2.3 下位機控制電路模組設計
下位機控制電路模組的主要部分是微控制器（MCU）單元，它負責與上位機之間的通信，同時控制下位機中其他的電路模組。64路通道的微電極陣列晶片，其32行、32列的64個電極需要選擇性載入正弦波信號，同時行電極和列電極的所加的正弦波信號的相位差為π。要對信號的選擇性導通，下位機控制模組中就需要類比開關單元；正弦波信號的差分輸出就需要差分放大單元。下位機控制電路模組設計如圖4所示，主要包括微控制器（MCU）單元、差分放大單元、類比開關單元3個部分。
MCU選擇ST的STM32F105VCT6，有80個可用的IO資源，完全滿足64路輸出通道的需求。差分放大晶片選擇ADI高速差分放大器AD8132，它是一款低成本、差分或單端輸入的差分輸出放大器，通過電阻設置增益[8]。開關電路選用ADI的四路獨立單刀雙擲開關晶片ADG333A，具有低導通阻抗。
基於AD8132的差分放大電路的原理圖如圖5所示。
AD8132提供了兩個等比回饋網路，為了匹配寄生效應，這兩個網路由兩個等值回饋電阻（Rf）和兩個等值增益電阻（Rg）構成[7]。而且電路中，差模輸出增益G=Rf/Rg，所以可以通過調整Rf和Rg的電阻比例大小來調整電路的增益，本文設計中，要求增益為1，故使Rf和Rg阻值相等。
3 系統功能測試
根據圖4所示的系統架構設計了電路原理圖，製備了印製電路板，並進行了元器件的焊接，然後對其電學性能進行了測試，搭建了測試平臺。當需要定址特定微電極單元時，通過操作上位機，點擊相應上位機控制程式UI的行按鈕和列按鈕，實現對該微電極單元的使能，將正相、反相正弦電壓信號載入到該微電機單元。差分放大單元的輸入信號由Aligent的33621A信號發生器（輸出信號最大頻率可達120 MHz）產生。採用Aligent的四通道示波器MSO-X 2024A(最高頻率可達200 MHz)即時觀測載入到指定微電極單元的信號。
電路測試結果如圖6所示，當輸入信號為Vpp=2 V、頻率為1 kHz的正弦波時，經本文的控制電路後，由於差分放大電路的增益G=1，此時兩路單端輸出信號為1 kHz、峰峰值Vpp=1 V、相位差為π兩路正弦波，其中同相輸出端的波形如圖6（a）所示，反相輸出端的波形如圖6（b）所示。
當使能細胞捕獲生物晶片中第2行、第2列的微電極單元後，用示波器測量載入第2行、第2列的微單元所對應下位機輸出通道的信號，圖7為測量波形圖。
4 結論
本文設計了一款專門適用于可定址的高通量微電極陣列型細胞捕獲生物晶片的控制電路系統，能夠實現對32×32個微電極單元定址、介電電泳電壓信號的選擇性載入、上位機程式UI控制等功能。該系統設計結構簡單，採用上位機的人機交互介面操控。該系統的研發對進一步促進細胞介電電泳技術在腫瘤細胞的早期檢測方面的應用具有重要意義。
參考文獻
[1] 呂曉慶，李雷，陳紅梅，等.微流控晶片技術在迴圈腫瘤細胞分離中的研究進展[J].生物化學與生物物理進展，2015，42(4)：301-312.
[2] 王英慧，王麗茹，孫巍，等.晚期非小細胞肺癌患者外周血循環腫瘤細胞檢測5例並文獻複習[J].中國醫藥指南，2014(22)：269-270.
[3] GASCOYNE P R，SHIM S.Isolation of circulating tumor cells by dielectrophoresis[J].Cancers，2014，6(1)：545-579.
[4] SHIM S，STEMKEHALE K，NOSHARI J，et al.Dielectro-phoresis has broad applicability to marker-free isolation of tumor cells from blood by microfluidic systems[J].Biomi-crofluidics，2013，7(1)：011808.
[5] HAROUAKA R A，NISIC M，ZHENG S Y.Circulating tumor cell enrichment based on physical properties[J].Journal of the Association for Laboratory Automation，2013，18(6)：455-68.
[6] HUANG C，LIU C，LOO J，et al.Single cell viability observation in cell dielectrophoretic trapping on a microchip[J].Applied Physics Letters，2014，104(1)：013703.
[7] FORSHAW J R，GODDARD P，YEOMANS J.Quantum chromodynamics and the pomeron[M].Cambridge University Press.，1997.
[8] 屈翠香，李剛.低成本高速差動放大器AD8132[J].電子設計工程，2001(11)：25-27.
為了利用細胞的介電電泳效應特異性的捕獲腫瘤細胞，在細胞捕獲晶片上載入的介電電泳信號是至關重要的。本文所設計電路控制系統驅動的細胞捕獲生物晶片如圖1所示。晶片為32×32的陣列結構，共1 024個單元，每個單元由一對微電極構成。所設計的電路控制系統需要實現對該1 024個單元的定址，並將特定幅值、相位和頻率的交流信號載入到使能的微電極對上，以用於介電電泳細胞捕獲[7]。
針對圖1介電電泳細胞捕獲生物晶片的控制電路需求，本文提出的驅動電路設計方案基於圖2的工作原理，以4行×4列的微電極陣列為例，微電極陣列的所有行和列電極都接地(GND)，均處於非使能狀態，如圖2(a)所示；當需要使能第2行、第2列微電極單元，如圖2(b)所示，控制系統將第2列的電極載入正弦波，第2行的電極載入反相正弦波；而處在第2行或第2列的其他微電極單元，由於僅一個微電極載入有正弦波信號，所以產生的介電電泳力僅為第2行、第2列微電極單元的1/4[7]，通過調整正弦波信號的幅度、頻率，僅使第2行、第2列的微電極產生的介電電泳力高於細胞捕獲的閾值，而第2行其他列(或第2列其他行)的介電電泳力均小於該閾值，從而實現對細胞捕獲晶片上1 024個微電極單元的定址功能。
2 細胞捕獲生物晶片電學控制系統的設計
2.1 系統總體設計
該系統包括上位機的控制程式模組和下位機的控制電路模組。下位機的控制模組又包括微控制器（MCU）控制單元、信號產生單元、開關控制單元。上位機的控制程式通過USB控制下位機，同時給下位機供電；下位機由一個微控制器來控制開關電路；差分放大電路將信號發生器產生的單路正弦波信號轉換成兩路相位差為π的正弦信號，再通過由MCU控制的開關電路，將兩路差分信號輸出給指定的微流控晶片的行電極和列電極。其系統框圖如圖3所示。
2.2 上位機的控制程式模組設計
由於該細胞捕獲生物晶片的電學控制系統需要對64路輸出通道進行控制，為了方便操作者智慧、快速地操控，本文設計了基於Qt開發上位機的控制程式模組，主要通過USB實現與下位機的控制電路連接的功能。實驗中，顯微鏡的CCD相機拍攝到微電極陣列晶片的照片後，可以在上位機控制程式中進行添加、編輯等操作，操作者可以通過上位機控制程式使用者介面（UI）來觀察晶片上的微電極陣列。根據不同的細胞實驗需求，當需要使能特定的行和列時，在上位機控制程式UI中點擊相應的行和列的按鈕，即可使能該微電極單元，再次點擊即可不使能該微電極單元。為了擴展功能，上位機控制程式還可以實現一鍵使能或不使能所有行電極和列電極，從而達到上位機智能控制的目的。
2.3 下位機控制電路模組設計
下位機控制電路模組的主要部分是微控制器（MCU）單元，它負責與上位機之間的通信，同時控制下位機中其他的電路模組。64路通道的微電極陣列晶片，其32行、32列的64個電極需要選擇性載入正弦波信號，同時行電極和列電極的所加的正弦波信號的相位差為π。要對信號的選擇性導通，下位機控制模組中就需要類比開關單元；正弦波信號的差分輸出就需要差分放大單元。下位機控制電路模組設計如圖4所示，主要包括微控制器（MCU）單元、差分放大單元、類比開關單元3個部分。
MCU選擇ST的STM32F105VCT6，有80個可用的IO資源，完全滿足64路輸出通道的需求。差分放大晶片選擇ADI高速差分放大器AD8132，它是一款低成本、差分或單端輸入的差分輸出放大器，通過電阻設置增益[8]。開關電路選用ADI的四路獨立單刀雙擲開關晶片ADG333A，具有低導通阻抗。
基於AD8132的差分放大電路的原理圖如圖5所示。
AD8132提供了兩個等比回饋網路，為了匹配寄生效應，這兩個網路由兩個等值回饋電阻（Rf）和兩個等值增益電阻（Rg）構成[7]。而且電路中，差模輸出增益G=Rf/Rg，所以可以通過調整Rf和Rg的電阻比例大小來調整電路的增益，本文設計中，要求增益為1，故使Rf和Rg阻值相等。
3 系統功能測試
根據圖4所示的系統架構設計了電路原理圖，製備了印製電路板，並進行了元器件的焊接，然後對其電學性能進行了測試，搭建了測試平臺。當需要定址特定微電極單元時，通過操作上位機，點擊相應上位機控制程式UI的行按鈕和列按鈕，實現對該微電極單元的使能，將正相、反相正弦電壓信號載入到該微電機單元。差分放大單元的輸入信號由Aligent的33621A信號發生器（輸出信號最大頻率可達120 MHz）產生。採用Aligent的四通道示波器MSO-X 2024A(最高頻率可達200 MHz)即時觀測載入到指定微電極單元的信號。
電路測試結果如圖6所示，當輸入信號為Vpp=2 V、頻率為1 kHz的正弦波時，經本文的控制電路後，由於差分放大電路的增益G=1，此時兩路單端輸出信號為1 kHz、峰峰值Vpp=1 V、相位差為π兩路正弦波，其中同相輸出端的波形如圖6（a）所示，反相輸出端的波形如圖6（b）所示。
當使能細胞捕獲生物晶片中第2行、第2列的微電極單元後，用示波器測量載入第2行、第2列的微單元所對應下位機輸出通道的信號，圖7為測量波形圖。
4 結論
本文設計了一款專門適用于可定址的高通量微電極陣列型細胞捕獲生物晶片的控制電路系統，能夠實現對32×32個微電極單元定址、介電電泳電壓信號的選擇性載入、上位機程式UI控制等功能。該系統設計結構簡單，採用上位機的人機交互介面操控。該系統的研發對進一步促進細胞介電電泳技術在腫瘤細胞的早期檢測方面的應用具有重要意義。
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[8] 屈翠香，李剛.低成本高速差動放大器AD8132[J].電子設計工程，2001(11)：25-27.