基于LAPS的生化多参数检测仪表的研制

　　1　引　　言

　　光寻址电位传感器(LAPS)是基于EIS(电解质溶液-绝缘层-半导体)结构器件[1],采用调制光束选择性照射,使器件对该电位变化的响应由光电流所调制,由美国加州分子器件公司Dean G. Hafeman等人于20世纪80年代末发明的。因为LAPS的光电流信号很微弱,甚至为几个nA数量级,给光信号检测造成了很大的困难。通常采用锁相放大仪器进行检测,而锁相放大器价格昂贵且体积大,不利于LAPS技术的推广和产业化。这里介绍一下笔者在设计并实现LAPS微弱光电流信号检测仪表方面所做的工作,其中LAPS控制系统[2]以前已经做了不少工作,不再赘述。

　　2　LAPS基本原理概述

　　LAPS是在半导体硅片的绝缘层表面上制作不同种类的敏感膜,当敏感膜与待测液接触时,产生界面电势E。利用被调制的红外光束对敏感膜的硅片区进行二维扫描寻址,产生交变光电流,而光电流的幅值由E的大小调制。通过测量光电流或光电压,即可测量E,实现对样品液中待测量的检测。LAPS不仅结构简单,芯片只需一根引线,就可以实现对样品液中的多参数检测,而且具有检测速度快,灵敏度高等特点。

　　一般的LAPS系统都是采用功能强大的锁相放大器来完成的。整个系统体积庞大,成本高。为了使LAPS实用化,笔者自制了LAPS生化检测仪。

　　3　LAPS检测系统仪表化的设计和实现

　　3.1　LAPS仪表的总体设计

　　图2所示为笔者设计的LAPS仪表的系统结构框图。整个系统由流通系统、恒电位仪、LAPS芯片、LED阵列、LED控制器、偏置扫描电路、弱光电流检测和调理电路、信号采集电路和个人计算机等几部分组成。采用MCS-51系列单片机与个人计算机进行通讯,可以实现检测过程的自动化。

　　3.2　LAPS仪表的控制系统

　　本系统采用AT89C52对系统进行控制。单片机完成与台式机进行通讯,并协调各个部分的运作,使用户通过台式机对仪表进行操作。程序源码由MCS-51的汇编语言写成,控制流通系统的蠕动泵和三通电磁阀,完成对缓冲液、待测液的注入和排出进行切换及精确控制。对5×7LED光源阵列进行寻址选通,主要由两MAXIM公司的DG508多路选择开关实现[3]。

　　3.3　偏置电压的扫描功能实现

　　由于测量过程中,需要进行偏压扫描,要求偏置扫描电压输出范围为-5V至+5V,数模转换电路是必不可少的基本部件,通常的方法是用一片D/A转换电路加上运算放大器构成数模转换电路。在实验过程中,一般在-5V至+5V之间取100个等间隔点进行逐点扫描,并采集传感器相应的输出光电流值。模数转换器DAC0832能实现最多256个点的偏置电压输出,足以满足要求。本系统采用DAC0832与运算放大器等实现-5V至+5V之间的双极性的电压输出。偏置电压的输出由VB程序控制。