基于QCM傳感器的生物芯片檢測電路的設計

石英晶體振蕩頻率對晶體表面質量負載(質量效應)和反應體系物理性狀如密度、粘度、電導率等(非質量效應)的改變高度敏感，具有亞ng級的質量檢測能力，其靈敏度可達1ng／Hz。

QCM凝血傳感器屬于非質量響應型傳感器，利用石英晶體振蕩頻率變化對晶體所處體系密度和粘度變化的高度敏感性來檢測體系性狀的改變。QCM凝血傳感器通過紅細胞阻抗特性的變化引起傳感器的響應來檢測紅細胞凝集時間和沉降速率。因此，利用基于QCM傳感器的生物芯片檢測技術，研制了凝血分析儀。

本系統原設計為8通道QCM檢測，即采用8套完全相同的以MAX913芯片為核心的振蕩器，通過2個CD4069反相器反相后分別送到4個差頻器74LS74的D端，每一個差頻器74LS74內部有2個D觸發器。2個6M高精度有源晶振分別經時鐘芯片CDCV304后變成8個6M輸出信號，分別送到4個差頻器74LS74的CLK端。經過4個差頻器74LS74差頻后的頻率信號送到可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口。EPM570GT100C3在這里做頻率計，通過軟件編程來實現。記下的差頻頻率通過8位數據線送到51單片機AT89S52，同時AT89S52對EPM570GT100C3控制，以選擇哪個通道，AT89S52處理后的數據經過232串口送到上位機。

以一個通道為例來進行基于QCM傳感器的生物芯片檢測電路的設計，由于一個通道所使用的邏輯門比較少，因此選擇可編程邏輯器件EPM7128LC84-10。圖1所示是系統總體設計框圖。

圖1 系統設計總體框圖

為了保證QCM在滴入生物試劑后能振蕩起來，必須采用一套比較特殊的自激振蕩器電路，普通的用反相器構成的振蕩器電路不易起振，自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網絡和選頻網絡三部分組成的。在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網絡的主要組成部分，也是一種選頻網絡，只有在石英晶體振蕩器的固有諧振頻率下才能滿足條件。根據這一原理，采用以MAX913芯片為核心的振蕩器，它的輸出是TTL電平，便于單片機或可編程邏輯器件的信號采集。測量用QCM振蕩電路輸出的方波信號送入差頻器74LS74的D端，參考用高精度6M晶振輸出的方波信號送入差頻器74LS74的CLK端，得到的差頻信號送入可編程邏輯器件進行計數，采用差頻的目的是為了降低輸入到可編程邏輯器件EPM7128的頻率。石英晶體振蕩及差頻電路如圖2所示。

圖2 石英晶體振蕩及差頻電路