Yüksek verimli adreslenebilir hücre yakalama çip kontrol sisteminin tasarımı
Li Shenghui 1, 2, 3, Lu Xiaodong 2, Huang Chengjun 2, 3
(1. Sağlık Elektroniği Ar-Ge Merkezi, Mikroelektronik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100029;
2. Yeni Nesil İletişim RF Çip Teknolojisi Pekin Anahtar Laboratuvarı, Mikroelektronik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100029, Çin;
3. Future Technology College, Çin Bilimler Akademisi Üniversitesi, Pekin 101400)
Özet: Geleneksel dielektroforez hücre yakalama biyoçiplerinin düşük akışı ve mikroelektrot dizisinin adreslenememesi nedeniyle, adreslenebilir, yüksek verimli hücre yakalama yongaları için uygun bir kontrol sistemi tasarlandı ve üst seviye geliştirildi. Makinenin kontrol programı modülü. Alt bilgisayarın kontrol devresi modülü, STM32 mikro denetleyici kontrol ünitesi, sinyal oluşturma ünitesi, anahtar kontrol ünitesi ve benzerlerini içerir. Deneysel sonuçlar, tasarlanan kontrol devresi sisteminin 32x32 mikroelektrot dizileri ile bir hücre yakalama biyoçipinin belirli elektrotlarını adresleyebileceğini ve adreslenmiş mikroelektrotları faz içi ve ters faz sinüzoidal sinyallerle yükleyebileceğini göstermektedir.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN98; TH79
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.07.021
Çince alıntı biçimi: Li Shenghui, Lu Xiaodong, Huang Chengjun.Yüksek verimli adreslenebilir hücre yakalama çip kontrol sisteminin tasarımı.Elektronik teknoloji uygulaması, 2017, 43 (7): 81-83, 87.
İngilizce alıntı biçimi: Li Shenghui, Lu Xiaodong, Huang Chengjun.Yüksek verim ve adreslenebilir hücre yakalama biyoçipi için elektrik kontrol sistemi tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (7): 81-83, 87.
0 Önsöz
Kötü huylu tümörler, Çin'deki en yüksek ölüm oranına sahip başlıca hastalıklardan biri haline gelmiştir Tümör hastalarının% 90'ından fazlası tümör metastazı ve nükseden ölmektedir. Son araştırmalar, kandaki Dolaşımdaki Tümör Hücrelerinin (CTC'ler) doğrudan kaynak tümör dokusundan türetildiğini ve tümörlerin boyutunu ve türünü doğrudan yansıtabildiğini ve çeşitli tümörlerin etkililiğinin, nüksünün ve metastazının değerlendirilmesi için kullanıldığını göstermektedir. monitör. CTC'ler için yüksek verimli ve yüksek hassasiyetli algılama yöntemlerinin oluşturulması, son yıllarda bir araştırma noktası olmuştur ve önemli bilimsel öneme ve klinik uygulama değerine sahiptir.
CTC'lerin mevcut tespit yöntemleri temel olarak iki kategoriye ayrılır: Birincisi, tümör hücre zarlarının yüzeyinde ifade edilen spesifik markörleri (EpCAM, HER-2, vb.) Tanıyarak CTC'lerin yakalanması ve tanımlanmasının gerçekleştirilmesidir; diğeri ise doğrudan CTC'lerin fiziksel özellikleri (boyut, yoğunluk, elektriksel özellikler, vb.) İle sıradan hücreler arasındaki fark, CTC'lerin yakalanması ve saptanması için kullanılır. Son yıllarda mikroakışkan çip teknolojisinin gelişmesiyle birlikte CTC'lerin fiziksel özelliklerine dayalı "etiketsiz" tespit yöntemleri giderek daha fazla ilgi görmüştür. CTC'ler, hücre dielektroforezi (DEP) ilkesine dayalı teknolojiyi yakalar, çünkü yüksek özgüllüğü ve invaziv olmaması araştırmacılar tarafından tercih edilmektedir. GASCOYNE PR çalışması, farklı hücre türlerinin, farklı tümör hücrelerini ayırmak için kullanılabilecek daha yüksek bir spesifik dielektroforez karakteristik spektrumuna sahip olduğunu buldu. Bu dielektrik özelliğe dayanarak, farklı araştırma ekipleri, CTC'lerin ayrılması ve tespiti için farklı dielektroforez hücre yakalama biyoçipleri tasarladılar. HUANG C, tek tümör hücrelerinin spesifik yakalanması, konumlandırılması ve elektrolizi gibi birden çok işlevi gerçekleştirebilen dört elektrotlu bir sistem çipi tasarladı. Bununla birlikte, bu dielektroforez hücre yakalama çipinin her bir mikroelektrodu, bağımsız bir elektrik sinyaliyle çalıştırılır Sınırlı bir çip alanında, sadece bir veya birkaç tümör hücresi tespit edilebilir ve verim düşüktür.
Bu makale, yüksek verimli bir dielektroforez hücre çipi için uygun bir kontrol devresi sistemi önermektedir. Sistemin kontrol programı ve adresleme devresi aracılığıyla, mikroelektrot ünitesi adresleme, dielektroforez voltaj sinyali yükleme, program UI akıllı kontrolü ve diğer fonksiyonlar, 32 × 32 mikroelektrot ünitelerine sahip dizi tipi hücre yakalama biyoçipi için gerçekleştirilebilir. Yüksek verimli ve adreslenebilir hücre yakalama biyoçiplerinin araştırılması için bir çözüm sağlar.
1 Hücre yakalama çipinin çalışma mekanizması
Hücre, tek tip olmayan bir elektrik alanındadır ve dielektroforez fenomeni, polarizasyon etkisine bağlı olarak meydana gelir. Hücrenin maruz kaldığı dielektroforez kuvveti, elektroda uygulanan sinyalin genliği ve frekansı, elektrotlar arasındaki mesafe ve hücrenin fiziksel özellikleri (hücre zarı kapasitesi, iletkenlik vb.) İle ilgilidir. Hücrenin dielektroforez etkisini kullanarak tümör hücrelerini spesifik olarak yakalamak için hücre yakalama çipine yüklenen dielektroforez sinyali gereklidir.
Bu makalede tasarlanan devre kontrol sistemi tarafından çalıştırılan hücre yakalama biyoçipi Şekil 1'de gösterilmektedir. Çip, toplamda 1.024 birimlik 32 × 32 dizi yapısıdır ve her birim bir çift mikroelektrottan oluşur. Tasarlanan devre kontrol sisteminin 1.024 hücrenin adreslenmesini gerçekleştirmesi ve dielektroforetik hücrelerin yakalanması için etkinleştirilmiş mikroelektrot çiftlerine belirli genlik, faz ve frekanstaki AC sinyallerini yüklemesi gerekir.
Şekil 1'deki dielektroforez hücre yakalama biyoçipinin kontrol devresi gereksinimlerini hedefleyen bu yazıda önerilen tahrik devresi tasarımı, Şekil 2'nin çalışma prensibine dayanmaktadır. Elektrotların tümü topraklanmıştır (GND) ve Şekil 2 (a) 'da gösterildiği gibi devre dışı durumdadır; Şekil 2 (b)' de gösterildiği gibi ikinci sıra ve ikinci sütun mikroelektrot ünitesini etkinleştirmeniz gerektiğinde, kontrol sistemi İkinci sütundaki elektrot bir sinüs dalgası ile yüklenir ve ikinci sıradaki elektrot ters bir sinüs dalgası ile yüklenir; ikinci sıradaki veya ikinci sütundaki diğer mikroelektrot üniteleri ise bir sinüs dalgası sinyali ile yüklenmiş yalnızca bir mikroelektrota sahiptir. Dielektroforez kuvveti, ikinci sıra ve ikinci sütundaki mikroelektrot ünitesinin yalnızca 1 / 4'üdür.Sinüs dalgası sinyalinin genliğini ve frekansını ayarlayarak, sadece ikinci sıra ve ikinci sütundaki mikroelektrot yüksek dielektroforez kuvveti oluşturabilir. Hücre yakalama eşik değerinden daha düşüktür ve ikinci satırdaki (veya ikinci sütundaki diğer satırlardaki) diğer sütunların dielektroforetik kuvveti, eşikten daha düşüktür, böylece hücre yakalama çipinde 1.024 mikroelektrot biriminin adresleme işlevini gerçekleştirir.
2 Hücre yakalama biyoçipinin elektrik kontrol sisteminin tasarımı
2.1 Genel sistem tasarımı
Sistem, üst bilgisayarın kontrol programı modülünü ve alt bilgisayarın kontrol devresi modülünü içerir. Alt bilgisayarın kontrol modülü, bir mikro kontrolör (MCU) kontrol ünitesi, bir sinyal oluşturma ünitesi ve bir anahtar kontrol ünitesi içerir. Üst bilgisayarın kontrol programı alt bilgisayarı USB aracılığıyla kontrol eder ve aynı zamanda alt bilgisayara güç sağlar; alt bilgisayar, anahtarlama devresini kontrol etmek için bir mikro denetleyici tarafından kontrol edilir; diferansiyel amplifikatör devresi, sinyal oluşturucu tarafından üretilen tek sinüs dalgası sinyalini iki faz farkına dönüştürür. sinüzoidal sinyal ve daha sonra MCU tarafından kontrol edilen anahtar devresi aracılığıyla, belirlenen mikroakışkan çipin sıra elektrotlarına ve sütun elektrotlarına iki diferansiyel sinyal çıkarır. Sistem blok şeması Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir.
2.2 Üst bilgisayarın kontrol programı modülü tasarımı
Hücre yakalama biyoçipinin elektriksel kontrol sisteminin, operatörün akıllıca ve hızlı bir şekilde çalışmasını kolaylaştırmak için 64 çıkış kanalını kontrol etmesi gerektiğinden, bu makale üst bilgisayarı geliştirmek için Qt'ye dayalı bir kontrol programı modülü tasarlar ve bu temelde USB ve alt bilgisayar aracılığıyla gerçekleştirilir. Kontrol devresi bağlantısının işlevi. Deneyde mikroskobun CCD kamerası mikroelektrot dizi çipinin fotoğrafını yakaladıktan sonra üst bilgisayar kontrol programında ekleme ve düzenleme gibi işlemler yapılabilir Operatör üst bilgisayar kontrol programı kullanıcı arayüzü (UI) üzerinden çip üzerindeki mikroelektrot dizisi çipini gözlemleyebilir. Elektrot dizisi. Farklı hücre deneyi gereksinimlerine göre, belirli bir satırı ve sütunu etkinleştirmeniz gerektiğinde, mikroelektrot birimini etkinleştirmek için üst bilgisayar kontrol programı kullanıcı arayüzünde karşılık gelen satır ve sütun düğmesini tıklayın ve devre dışı bırakmak için tekrar tıklayın. Mikroelektrot ünitesi. Fonksiyonu genişletmek için, üst bilgisayar kontrol programı ayrıca tüm sıra elektrotlarını ve sütun elektrotlarını tek tuşla etkinleştirebilir veya devre dışı bırakabilir, böylece üst bilgisayarın akıllı kontrolü amacına ulaşılır.
2.3 Alt bilgisayar kontrol devresinin modül tasarımı
Alt bilgisayar kontrol devresi modülünün ana parçası, üst bilgisayar ile iletişimden sorumlu olan ve aynı zamanda alt bilgisayardaki diğer devre modüllerini kontrol eden mikro denetleyici (MCU) birimidir. 64 kanallı mikroelektrot dizisi yongası için, 32 sıra ve 32 sütundaki 64 elektrotun seçici olarak sinüs dalgası sinyalleri ile yüklenmesi gerekir ve sıra elektrotları ve sütun elektrotları tarafından uygulanan sinüs dalgası sinyallerinin faz farkı is'dir. Sinyali seçici olarak açmak için, alt bilgisayar kontrol modülünde bir analog anahtar ünitesi gereklidir; sinüs dalgası sinyalinin diferansiyel çıkışı, bir diferansiyel amplifikatör ünitesine ihtiyaç duyar. Alt bilgisayarın kontrol devresi modülü tasarımı, Şekil 4'te gösterilmektedir ve bu temelde üç parça içerir: bir mikro denetleyici (MCU) birimi, bir diferansiyel amplifikatör birimi ve bir analog anahtar birimi.
MCU, ST'nin STM32F105VCT6'sını seçer, 80 kullanılabilir IO kaynağı vardır, 64 çıkış kanalının ihtiyaçlarını tam olarak karşılar. Diferansiyel amplifikatör çipi, düşük maliyetli, diferansiyel veya tek uçlu giriş diferansiyel çıkış amplifikatörü olan ADI yüksek hızlı diferansiyel amplifikatör AD8132'yi seçer.Kazanç, bir direnç aracılığıyla ayarlanır. Anahtar devresi, ADI'nin düşük dirençli dört bağımsız tek kutuplu çift atışlı anahtar yongası ADG333A'yı kullanır.
AD8132'ye dayanan diferansiyel amplifikatör devresinin şematik diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
AD8132, iki eşit oranlı geri besleme ağı sağlar.Parazitik etkileri eşleştirmek için, iki ağ, iki eşit değerli geri besleme direnci (Rf) ve iki eşit değerli kazanç direncinden (Rg) oluşur. Ve devrede, diferansiyel mod çıkış kazancı G = Rf / Rg, böylece devrenin kazancı, Rf ve Rg'nin direnç oranı ayarlanarak ayarlanabilir.Bu tasarımda, kazancın 1 olması gerekir, bu nedenle Rf ve Rg'nin direnç değerleri eşittir.
3 Sistem fonksiyon testi
Şekil 4'te gösterilen sistem mimarisine göre devre şeması tasarlanmış, baskılı devre kartı hazırlanmış ve bileşenler kaynaklanmış, ardından elektriksel performans test edilmiş ve test platformu oluşturulmuştur. Belirli bir mikroelektrot biriminin adreslenmesi gerektiğinde, üst bilgisayarı çalıştırarak, mikroelektrot birimini etkinleştirmek için ilgili üst bilgisayar kontrol programının UI'sinin satır düğmesini ve sütun düğmesini tıklayın ve normal faz ve ters faz sinüzoidal voltaj sinyallerini yükleyin. Mikro motor ünitesi. Diferansiyel amplifikatör ünitesinin giriş sinyali, Aligent'ın 33621A sinyal oluşturucusu tarafından üretilir (maksimum çıkış sinyali frekansı 120 MHz'e ulaşabilir). Aracının dört kanallı osiloskop MSO-X 2024A (200 MHz'e kadar), belirtilen mikroelektrot birimine yüklenen sinyali gerçek zamanlı olarak gözlemlemek için kullanılır.
Devre testi sonucu Şekil 6'da gösterilmektedir. Giriş sinyali Vpp = 2 V ve frekansı 1 kHz olan bir sinüs dalgası olduğunda, bu makaledeki kontrol devresinden sonra, diferansiyel amplifikatör devresinin kazancı G = 1 olduğundan, iki tek uçlu Çıkış sinyali, 1 kHz'lik iki sinüs dalgasıdır, tepeden tepeye değer Vpp = 1 V ve faz farkı is.Faz içi çıkış dalga biçimi Şekil 6 (a) 'da gösterilmektedir ve ters çevrilmiş çıkış dalga biçimi Şekil 6 (b)' de gösterilmektedir.
Hücrelerin, biyoçipin ikinci satırındaki ve ikinci sütunundaki mikroelektrot ünitesini yakalamaları etkinleştirildiğinde, ikinci satır ve ikinci sütundaki mikro üniteye karşılık gelen alt bilgisayar çıkış kanalının sinyalini ölçmek için bir osiloskop kullanın.Şekil 7, ölçüm dalga biçimini gösterir. .
4. Sonuç
Bu makalede, adreslenebilir yüksek verimli mikroelektrot dizisi hücre yakalama biyoçipleri için özel olarak tasarlanmış bir kontrol devresi sistemi tasarlanmıştır; bu, 32 × 32 mikroelektrot birimlerinin adreslenmesini ve dielektroforetik voltaj sinyallerinin seçici yüklenmesini sağlayabilir. , Ana bilgisayar programı UI kontrolü ve diğer işlevler. Sistem basit bir tasarım yapısına sahiptir ve ana bilgisayarın insan-bilgisayar etkileşimi arayüz kontrolünü kullanır. Bu sistemin geliştirilmesi, tümör hücrelerinin erken tespitinde hücre dielektroforez teknolojisinin uygulanmasını daha da teşvik etmek için büyük önem taşımaktadır.
Referanslar
Lv Xiaoqing, Li Lei, Chen Hongmei ve diğerleri Dolaşan tümör hücrelerinin ayrılmasında mikroakışkan çip teknolojisinin araştırma ilerlemesi.Biyokimya ve Biyofizikte İlerleme, 2015, 42 (4): 301-312.
Wang Yinghui, Wang Liru, Sun Wei, et al.Gelişmiş küçük hücreli dışı akciğer kanseri olan hastaların periferik kanında dolaşan tümör hücrelerinin 5 vakada tespiti ve literatür taraması.Çin Tıp Rehberi, 2014 (22): 269-270.
GASCOYNE PR, SHIM S.Dielektroforez ile dolaşımdaki tümör hücrelerinin izolasyonu.Cancers, 2014, 6 (1): 545-579.
SHIM S, STEMKEHALE K, NOSHARI J, ve diğerleri. Dielectro-phoresis, tümör hücrelerinin mikrofluidik sistemlerle kandan markörsüz izolasyonuna geniş bir uygulanabilirliğe sahiptir.Biomi-crofluidics, 2013, 7 (1): 011808.
HAROUAKA RA, NISIC M, ZHENG S Y. Fiziksel özelliklere dayalı dolaşımdaki tümör hücresi zenginleştirmesi Journal of the Association for the Association for Laboratory Automation, 2013, 18 (6): 455-68.
HUANG C, LIU C, LOO J, ve diğerleri.Bir mikroçipte hücre dielektroforetik yakalamada tek hücre canlılığı gözlemi.Applied Physics Letters, 2014, 104 (1): 013703.
FORSHAW J R, GODDARD P, YEOMANS J. Quantum chromodynamics and the pomeron. Cambridge University Press., 1997.
Qu Cuixiang, Li Gang. Düşük maliyetli ve yüksek hızlı diferansiyel amplifikatör AD8132.Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2001 (11): 25-27.
