基于多层PCB的ME-C4D电极设计及其性能研究

李龙飞, 尤 晖

(1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230601; 2.广西大学 机械工程学院,广西 南宁 530004)

微芯片电泳电容耦合式非接触电导检测(microchip electrophoresis-capacitively coupled contactless conductivity detection,ME-C4D)是微芯片电泳(microchip electrophoresis,ME)与电容耦合式非接触电导检测(capacitively coupled contactless conductivity detection,C4D)的集成,避免了检测电极被待测溶液腐蚀和污染,并能有效隔离在检测通道施加的高压,避免高压干扰[1],具有样品消耗量少、分离性能好、设备成本低、检测速度快等优点[2],被广泛用于医药检测[3]和食品检测[4]等诸多方面。

通过结构和材料优化检测电极的设计是改善ME-C4D系统检测性能的有效途径。文献[5]通过在1个微管道上设置2个相同的电极检测区,将2次检测得到的信号进行补偿,提高检测信号的信噪比和稳定性;文献[6]通过使用SU8玻璃芯片和材料金进行电极设计,从而提高检测系统的灵敏度,实验在法拉第笼内进行,以屏蔽外界信号的干扰。上述电极结构提高检测系统综合性能的同时均存在制作工艺复杂、检测系统集成度低、成本昂贵等缺点,相比之下,印制电路板(printed circuit board,PCB)具有工艺成熟、制作简单、成本低廉、可拆卸等优点,逐渐被应用于ME-C4D的电极制作[7-10],其中多为单层PCB,关于使用多层PCB设计检测电极的研究很少。文献[7-8]提出的PCB电极分别应用于细胞检测和抗酸片的定量分析,对电极信号的传输未做任何保护;文献[9]使用标准工艺在PCB上制作电极图案,通过层压-光刻-层压和感光干膜技术将微管道制作在电极板上,检测系统对0.1 mmol/L的NH4+、Li+、Sr2+成功分离,但是检测信号的基线非常不稳定;文献[10]提出一种基于单层PCB的微电泳芯片检测电极,虽然实现了K+、Na+、Li+3种离子的检测和分离且检测限达到2 mmol/L,但是该电极存在检测信号信噪比较低、抗干扰能力差、检测信号不稳定等缺点,在很大程度上限制了微电泳芯片的广泛应用。

基于上述问题,本文提出一种基于多层PCB的ME-C4D电极,将检测电极结构合理地分布在多层PCB的内层和外层,从而提高检测信号在传输过程中的抗干扰能力。本文通过离子检测实验,对多层PCB电极的噪声性能和检测信号的稳定性进行分析,确定其最优结构参数,进而探究多层PCB电极检测系统的综合检测性能,包括离子浓度的分辨能力、检测线性度和检测可重复性等。

1 ME-C4D检测原理

ME-C4D系统如图1所示。从图1a可以看出,微电泳芯片是ME-C4D的基础部分,主要由微管道、绝缘层和电极板构成,微管道由精密数控机床在甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)板上制作,绝缘层为0.2 mm厚的PMMA膜,微管道与绝缘层通过热压键合技术形成封闭的微管道,检测电极区(F)制作在多层PCB上,并通过螺栓与微管道装配在一起,得到完整的微电泳芯片。

从图1b可以看出,检测系统基于锁相放大器原理搭建,主要包括信号发生器、信号处理电路、电流电压转换电路、系统控制模块、高压电源和个人电脑(personal computer,PC),其中信号处理电路包括相移模块、锁相放大电路、滤波电路,系统控制模块以STM32为核心并包含数据采集模块,采用串口在PC与STM32之间进行通信,以实现控制指令的发出和检测数据的存储。

检测时,在微电泳芯片的待测液储蓄池C中注入待测液;通过PC控制进样电压和分离电压的开启。控制程序将进样电压施加在进样管道C、D两端(C为正极,D为负极),在微管道中,由于电场力和电渗流力的作用,待测离子会由C向D移动,并使得离子分布在CD通道内;之后,程序自动关闭进样电压并开启分离电压,将其施加在分离管道A、B两端(A为正极,B为负极)。由于在电场力作用下,溶液中不同离子的移动速度是不同的,待测离子会逐渐分离并依次通过检测电极区F。检测电极区由激励电极和接收电极构成,激励电极发出的高频信号,穿过微管道及其中的液体后,被接收电极接收,即为检测信号。当微管道中的离子在电泳力的驱动下到达检测电极区时,导致其间介电性能变化,从而引起接收电极接收到的信号产生变化,并实时将该信号传输到信号处理电路与数据采集模块,最后传送至PC端。从检测系统的组成和检测原理可知,检测电极承担原始检测信号的接收和传输,其综合性能的好坏,直接影响离子检测的结果。

2 多层PCB电极设计测试及优化

2.1 电极设计

检测电极是检测信号传输的重要载体。针对前文提及的电极缺点,为了使电极具有更好的噪声性能、获取稳定的检测信号以及达到易加工、可拆卸、低成本等目的,本文提出一种新的检测电极设计方法,即将检测电极设计在多层PCB上,同时采用反向三电极结构,即激励电极、接地电极和接收电极,多层PCB电极结构如图2所示。

该电极板使用PCB绘制软件Cadence Allegro设计,采用4层PCB结构,如图2所示。

由图2a可知,各层分别称为Top layer、Signal 1 layer、Signal 2 layer、Bottom layer。Signal 1 layer和Bottom layer设计为敷铜平面并接地,使其作为信号传输的参考面。由图2b可知,检测电极区设计在Top layer。其中:参数L为激励电极和接收电极的正对长度;W为激励电极和接收电极宽度;Gap为激励电极和接收电极与接地电极之间的距离。接地电极的走线线宽固定为0.2 mm,对检测电极区域进行开窗处理，即不覆盖绿油,大小为5 mm2。由图2c可知,电极信号传输的走线设计在Signal 2 layer,并由过孔与Top layer的检测电极进行连接,Signal 2 layer中信号走线宽度与Top layer电极宽度W一致,从而保证信号传输过程中阻抗的一致性。为便于安装和拆卸,多层PCB电极外形尺寸为100 mm×100 mm。将绘制好的PCB文件发送给PCB制造商(如凡亿PCB)进行代加工,PCB制作工艺成熟、价格低廉,该电极板于微芯片管道之间可拆卸、易装配,具有较长的使用寿命。

多层PCB是将敷铜的有机或无机介质层压合在一起、层与层之间由过孔连接形成回路。与单层PCB 相比,多层PCB的Signal 1 layer和Bottom layer均为接地平面,一方面使信号线的阻抗更容易匹配,减少信号传输过程中的串扰和反射,屏蔽检测信号在电极上传输过程中受到的外界干扰,有利于降低信号在传输过程中的噪声,提升检测信号的信噪比;另一方面对电极进行保护,避免检测信号走线与空气的大面积接触,延长电极的使用寿命,提高信号传输过程中的抗干扰能力,与外加屏蔽盒相比,该多层PCB电极设计更加集成化、便携化。

2.2 信噪比分析

利用示波器观测检测系统中电流、电压转换电路的输出信号。未施加激励信号时,发现单层板噪声最大电平均值为125.4 mV,多层板噪声最大电平均值仅为5.5 mV,明显低于单层板。施加正弦激励信号,保持其峰峰值为5 V不变、在100～2 000 kHz范围内改变频率,因为多层PCB电极的接地电极具有良好的屏蔽效果,使得多层PCB电极的信号强度相比单层板有所降低,但信号噪声下降幅度更大,所以信噪比大幅提升,电流、电压转换电路输出信号的信噪比如图3所示。

多层板设计可以有效地屏蔽电极与电极之间、传输线与外界环境之间不必要的耦合和干扰,同时,多层PCB 2个参考平面之间形成微电容,滤除检测信号在Signal 2 layer传输过程中的部分噪声,从而使得多层PCB电极的噪声下降,信噪比提升。在不同频率下,多层PCB电极的信噪比是单层PCB电极的2倍以上,另外,由于单层和多层PCB电极的设计结构不同,从而2种电极结构的阻抗不同,使得2种电极的中心频率不同。因为多层PCB电极频率在800 kHz时,表现出最优信噪比,所以以800 kHz作为最优检测频率,在后续实验中的激励信号和参考信号频率均采用800 kHz。

2.3 电极结构参数优化

多层PCB电极信噪比是影响信号检测的重要因素,其结构参数也会对检测结果产生影响。为探究多层PCB电极结构参数对检测信号的影响,并得到最优的电极结构设计参数,根据不同尺寸的激励电极和接收电极,设计相应的多层PCB电极进行离子检测实验,综合考虑PCB设计和制作成本,将Gap固定为0.3 mm、接地电极宽度固定为0.2 mm,L分别为1.0、2.0、3.0 mm,W分别为0.5、1.0、1.5 mm,待测液为0.500 mmol/L的K+离子溶液,探究不同电极结构参数对检测信号输出及信噪比的影响,实验结果如图4所示。

由于微管道的宽度仅为0.1 mm,检测电极正对长度L较小时,电极耦合信号较弱且不易进行装配,正对长度L较大时,虽然两电极之间的耦合电容增大,耦合信号有所增强,但是待测离子信号在耦合信号中的比重会降低,不易检测到有效的待测离子信号。当电极宽度W变化时,影响电极耦合信号强弱的同时,也会改变沿分离管道方向检测区域的大小,从而影响检测结果的综合性能。从实验结果也可以看出,待测离子的峰值和信噪比并不是随着电极相对长度L及电极宽度W增加而增加,当电极宽度一定时,电极相对长度为2.0 mm表现最佳;当电极长度一定时,电极宽度为1.0 mm时表现最佳。因此,从制作成本和设计等方面综合考虑,将L为2.0 mm、W为1.0 mm、Gap为0.3 mm作为多层PCB电极的最优结构参数。

3 离子检测实验

通过对典型离子的检测实验,对比采用单层和多层PCB电极的ME-C4D系统检测性能,从而验证多层PCB电极对检测系统性能的改善。主要实验步骤如下:① 配制不同浓度的K+、Na+、Li+3种离子混合溶液作为待测液,并将其注入微电泳芯片的待测液储蓄池C;② 在PC端设置进样电压和分离电压、进样时间和分离时间等实验参数;③ 通过PC端的软件,控制ME-C4D系统按照预定程序执行待测离子进样、分离、非接触电导检测、信号读取和传输、信号处理与分析。实验时,激励电极的激励信号峰的峰值为5 V、频率为800 kHz的正弦信号,锁相放大电路的参考信号峰的峰值为20 V的同频率正弦信号,进样电压和分离电压分别为500 V 和1 kV的直流高压。

3.1 单层与多层PCB电极稳定性对比

由于ME-C4D系统在微管道中施加高压,检测过程中会引起检测信号的漂移[11]。检测信号的稳定性是指检测过程中检测信号随着检测时间的延长而发生漂移的大小。检测信号漂移较大时,一方面,不易识别检测信号中的待测离子信息,特别是在低浓度离子检测时,待测离子信号很容易随着检测信号的漂移而不易分辨;另一方面,由于检测信号的漂移,待测离子的峰底是倾斜的,倾斜较大时,不能准确读取待测离子的峰值。

分别用包含单层和多层PCB电极的ME-C4D系统对浓度为0.500 mmol/L的K+、Na+、Li+3种离子混合溶液进行检测实验,在系统的采集模块输出端得到的检测信号如图5所示。

检测结果显示,多层PCB电极的检测信号稳定性明显优于单层PCB电极。经多次实验证实,在50 s内,单层板PCB电极检测信号漂移达200 mV以上,而多层PCB板的检测信号的漂移量小于20 mV。可见,在多层PCB电极相对于单层板信噪比提升的同时,其对检测信号的漂移也有良好的抑制作用。

3.2 不同浓度离子检测结果与分析

待测离子检测结果的峰值直接反映待测样品中的离子浓度,待测离子的浓度越高,其峰值越大。针对K+、Na+、Li+3种离子的浓度均为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的混合离子待测液,分别使用包含单层和多层PCB电极的ME-C4D系统进行检测实验,得到各离子浓度与检测信号峰值的对应关系,并用曲线进行拟合,结果如图6所示。

实验发现,无论使用单层或多层PCB电极,ME-C4D系统对不同离子的峰值响应能力不同,即使离子的带电荷量相同、浓度相同,检测信号的峰值都可能有显著差异,其主要原因是混合溶液中不同离子的单位摩尔电导率不同,这是由不同离子的固有属性决定的[12]。从实验结果可以看出,混合溶液中K+的单位摩尔电导率最高,Na+次之,Li+最低。

因为多层PCB电极具有更高的信噪比和对信号漂移更好的抑制作用,所以在相同浓度下,多层PCB电极对各种离子的检测峰值均高于单层PCB电极的检测结果。实验还发现,对采用多层PCB电极的系统,除离子浓度为0.025 mmol/L的溶液不能有效检测,其他各浓度待测液均可获得清晰、完整、不重叠的K+、Na+、Li+3种离子的检测信号峰。因此,在使用多层PCB电极的情况下,保守认为系统对K+、Na+、Li+3种离子混合溶液检测限达到0.050 mmol/L。在相同的微电泳芯片和检测系统及检测条件下,采用单层PCB电极的系统,只能有效检测出混合离子浓度高于0.100 mmol/L的待测液,即采用单层PCB电极的系统检测限不到0.100 mmol/L。可见,采用多层PCB电极可使系统的检测限提升2倍以上。

无论使用单层或多层PCB电极,在不同的待测液浓度范围,检测系统对离子浓度分辨率是不同的,总体上可以看出,浓度较小时,离子的浓度分辨率越高,说明ME-C4D系统更适合低浓度离子检测。从检测结果也可以看出,采用多层PCB电极检测系统的浓度分辨能力更强,这种分辨率差异在较低浓度范围表现得更加明显,在1.025～1.100 mmol/L浓度范围内尤为突出。当离子浓度小于0.500 mmol/L时,采用多层PCB电极的检测系统对K+、Na+、Li+的浓度分辨率分别达到665.9、406.0、208.9 mV/(mmol·L-1),而采用单层PCB电极的浓度分辨率分别为449.3、299.8、99.5 mV/(mmol·L-1),与多层PCB电极检测系统相差1.3倍以上。当浓度为1.025～1.100 mmol/L时,采用单层PCB电极的检测系统不能分辨0.100 mmol/L以下的待测液浓度差异,而采用多层PCB电极在该离子浓度范围仍有很好的峰值响应,对K+、Na+、Li+的浓度分辨率分别为684.0、618.7、337.3 mV/(mmol·L-1),其离子浓度差异的分辨能力至少达到0.050 mmol/L。当离子浓度大于1.100 mmol/L时,虽然采用单层或多层PCB电极的系统对K+、Na+、Li+3种离子的浓度分辨率接近,但与低浓度范围的分辨率相比有明显降低,其中多层PCB电极检测系统的浓度分辨率分别降到168.2、155.7、93.7 mV/(mmol·L-1)。

实验结果证明,因为采用单层PCB电极的系统对于1.000 mmol/L以上的K+、Na+、Li+离子的浓度分辨能力显著变弱,所以采用单层PCB电极系统最佳的工作范围为0.100 mmol/L(检测限)至1.000 mmol/L。因为采用多层PCB电极的检测系统在0.500 mmol/L(检测限)至1.100 mmol/L的范围内,都有较高的离子浓度分辨率,所以采用多层PCB电极,不仅使检测系统在低浓度端有更好的检测限,还扩大了检测系统的最佳浓度使用范围,即多层PCB电极起到了既提升ME-C4D系统灵敏度又扩大其最佳检测范围的双重作用。

为了探究采用多层PCB的检测系统在最佳浓度范围内的离子检测线性度,本文对0.050～1.100 mmol/L待测液的检测结果进行线性回归分析。K+、Na+、Li+3种离子的检测信号峰值与离子浓度的相关系数(R2)分别达到了0.989、0.983、0.982,具有较好的线性度。进一步证明多层PCB电极的检测系统更加适合低浓度离子的检测。

3.3 离子检测可重复性实验

对离子浓度为1.000 mmol/L的K+、Na+、Li+3种离子混合溶液,分别使用单层和多层PCB电极进行5组重复性检测实验,通过对3种离子检测峰值、检测时间进行相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)分析(n=5),探究多层PCB电极的实验可重复性。通过实验发现,多层PCB电极K+、Na+、Li+离子检测峰值的RSD均在6%以下,相对单层PCB电极分别降低3.1%、2.6%、3.3%;检测时间的RSD均在5%以下,相对单层PCB电极分别降低2.4%、1.7%、1.8%,证明该多层PCB电极具有较好的实验可重复性。

4 结 论

本文设计了一种基于多层PCB的ME-C4D电极,通过对K+、Na+、Li+3种离子混合溶液的检测实验,验证该多层PCB电极的可行性并对其综合检测性能进行分析,该多层PCB电极的检测信号具有较好的信噪比和稳定性,对浓度的分辨能力和检测限均达到0.050 mmol/L,检测实验可重复性较好。实验证明,采用多层PCB电极,既改善了ME-C4D系统的检测灵敏度和离子浓度分辨率,同时又扩大了检测系统的最佳离子浓度检测范围。与常见的ME-C4D电极相比,该多层PCB电极与微芯片管道之间可拆卸、易装配,为ME-C4D电极设计提供新的思路。同时,多层PCB电极信号传输时与外界环境隔离,抗干扰能力强,在便携式微芯片电泳检测领域具有广阔的应用前景。