毛细管电泳芯片的信号采集和处理系统研究
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摘要
随着微型全分析系统（芯片实验室）的发展，毛细管电泳芯片的逐渐成熟和完善，毛细管电泳芯片的信号采集与处理系统的微型化、智能化是实现该系统微小型化和尽快实用化的关键。
本论文针对重庆大学微系统研究中心研制的低电压毛细管电泳芯片的特点，进行该毛细管电泳芯片的信号采集和处理系统的研究，为开发一种低电压、集成化、便携式的新型微小生化分离分析系统奠定一定的技术基础。
本文主要研究工作如下：
1在查阅大量文献的基础上，分析了分析仪器的发展趋势及毛细管电泳芯片信号采集和处理系统的研究现状。
2在深入了解重庆大学微系统研究中心研制的低电压分离电泳芯片结构、原理、信号检测方式的基础上，分析了毛细管电泳芯片信号特点以及相关的数字信号处理方法（奈奎斯特抽样定理、傅立叶变换、有限长单位冲激响应（FIR）滤波器、小波变换）。
3根据毛细管电泳芯片信号的特点，提出了毛细管电泳芯片信号采集和处理系统的总体方案，完成了数据采集系统硬件和软件的设计，研制出了数据采集系统实验样品。
4开发出了毛细管电泳芯片信号处理软件。其特点是采用了多线程技术、多种数字信号处理方法（傅立叶变换、有限长单位冲激响应（FIR）滤波器、小波变换）对毛细管电泳芯片信号进行处理，并具有对电泳谱图的分析计算功能。
5用信号发生器产生的信号模拟毛细管电泳芯片信号，对本系统进行验证，得到了较满意的实验结果。
6 指出了存在的问题和以后工作的方向。
With the development of Miniaturized Total Chemical Analysis System (lab on the chip), capillary electrophoresis chip has grown up step by step. The miniature and the intelligentization of the signal sampling and processing system for the electrophoresis chip has become the key of the miniature and the use of the whole system.
Based on the signal characters of the low voltage electrophoresis chip developed by Micro System Center of Chongqing University, the signal sampling and processing system of capillary electrophoresis chip has been developed, which will lay some technique foundation for the low voltage, integrate and portable type of capillary electrophoresis system. This paper focused on the following aspects:：
(1) The tendency of the analysis instrument, and the research of the signal sampling and processing for capillary electrophoresis have been made, based on the numerous researches works.
(2) The characters of the signal for the low voltage electrophoresis chip, signal processing theory such as the Nyquist theory, FFT, FIR filter and the wavelet have been discussed after the learning of low voltage electrophoresis theory and the analyzing of the low voltage electrophoresis chip.
(3) The project of signal sampling and processing system for low voltage electrophoresis chip was put forward according to the characters of the low voltage electrophoresis chip and its signal. The structure, hard ware and soft ware of the data collector have been made.
(4) The capillary electrophoresis software has been developed. Several digital signal process algorithms (FFT, FIR filter, wavelet) were used in the software with the function of analysis and calculation for the electrophoresis spectrum, and the multithreading was also employed.
(5) Such experiment for the signal sampling and processing system of the electrophoresis chip has been executive with primarily satisfying result
(6) The problems are put forward for further study.
本论文针对重庆大学微系统研究中心研制的低电压毛细管电泳芯片的特点，进行该毛细管电泳芯片的信号采集和处理系统的研究，为开发一种低电压、集成化、便携式的新型微小生化分离分析系统奠定一定的技术基础。
本文主要研究工作如下：
1在查阅大量文献的基础上，分析了分析仪器的发展趋势及毛细管电泳芯片信号采集和处理系统的研究现状。
2在深入了解重庆大学微系统研究中心研制的低电压分离电泳芯片结构、原理、信号检测方式的基础上，分析了毛细管电泳芯片信号特点以及相关的数字信号处理方法（奈奎斯特抽样定理、傅立叶变换、有限长单位冲激响应（FIR）滤波器、小波变换）。
3根据毛细管电泳芯片信号的特点，提出了毛细管电泳芯片信号采集和处理系统的总体方案，完成了数据采集系统硬件和软件的设计，研制出了数据采集系统实验样品。
4开发出了毛细管电泳芯片信号处理软件。其特点是采用了多线程技术、多种数字信号处理方法（傅立叶变换、有限长单位冲激响应（FIR）滤波器、小波变换）对毛细管电泳芯片信号进行处理，并具有对电泳谱图的分析计算功能。
5用信号发生器产生的信号模拟毛细管电泳芯片信号，对本系统进行验证，得到了较满意的实验结果。
6 指出了存在的问题和以后工作的方向。
With the development of Miniaturized Total Chemical Analysis System (lab on the chip), capillary electrophoresis chip has grown up step by step. The miniature and the intelligentization of the signal sampling and processing system for the electrophoresis chip has become the key of the miniature and the use of the whole system.
Based on the signal characters of the low voltage electrophoresis chip developed by Micro System Center of Chongqing University, the signal sampling and processing system of capillary electrophoresis chip has been developed, which will lay some technique foundation for the low voltage, integrate and portable type of capillary electrophoresis system. This paper focused on the following aspects:：
(1) The tendency of the analysis instrument, and the research of the signal sampling and processing for capillary electrophoresis have been made, based on the numerous researches works.
(2) The characters of the signal for the low voltage electrophoresis chip, signal processing theory such as the Nyquist theory, FFT, FIR filter and the wavelet have been discussed after the learning of low voltage electrophoresis theory and the analyzing of the low voltage electrophoresis chip.
(3) The project of signal sampling and processing system for low voltage electrophoresis chip was put forward according to the characters of the low voltage electrophoresis chip and its signal. The structure, hard ware and soft ware of the data collector have been made.
(4) The capillary electrophoresis software has been developed. Several digital signal process algorithms (FFT, FIR filter, wavelet) were used in the software with the function of analysis and calculation for the electrophoresis spectrum, and the multithreading was also employed.
(5) Such experiment for the signal sampling and processing system of the electrophoresis chip has been executive with primarily satisfying result
(6) The problems are put forward for further study.
引文
[1] 朱涛，方晓红，孙亦梁，高效毛细管电泳．分析化学中的一个新的前沿领域，化学进展，1994（3），pp229-243
[2] 李星海，温志渝，吴英，梁玉前，李霞. 一种微型毛细管电泳仪的信号采集和处理系统设计.微型机与应用.2003,4.
[3] 吴英，低电压电泳芯片的研究，重庆大学
[4] Manza, Backerh., Microsystem technology in chemistry and life science, Topics in current chemistry,1997(2),pp194-201.
[5] Manz A, Harrison D J,Verpoorte E et al. Transducer'91, Digest of technical papers [C], IEEE, New York,1991:939.
[6] 金钦汉，从2001年匹兹堡会议看分析化学和分析仪器发展的几个重要动向，现代科学仪器，2001（3）， pp21-22..
[7] Harrison D J, Flurt K, Manz A, et al. Micromachining a Miniaturized Capillary Electrophoresis -Based Chemical Analysis System on a Chip. Science. 1993(261), pp895-897.
[8] 向荣，王义明，罗国安. 分析化学[J]，1999，27(1):104.
[9] Harrison D J, Marz A, Glavina P G. Transducer'91, Digest of technical papers [C], IEEE, New York,1991:792.
[10] 方肇伦，关于在我国发展微全分析系统的建议，分析仪器，2001（2），pp1-3
[11] 范世福，现代分析仪器发展的前沿技术和新思想，第140次香山科学会--"现代科学仪器前沿技术与分析科学"学术讨论会
[12] 王大珩，胡柏顺.加速发展我国现代仪器事业，迎接21世纪挑战. 第140次香山科学会--"现代科学仪器前沿技术与分析科学"学术讨论会
[13] 金国藩，周兆英，仪器仪表的微小化、集成化和智能化，第140次香山科学会--"现代科学仪器前沿技术与分析科学"学术讨论会
[14] 李青霞，任焱唏，虚拟仪器综述，Modern Scientific Instruments ，1999,4:10~12
[15] 美国国家仪器公司（NI）.软件就是仪器.世界仪表与自动化.1998,2(2):72~77
[16] 程虎，虚拟仪器的现状和发展趋势，现代科学仪器，1999（4）：6-9
[17] 胡生清 ,幸国全，未来的仪器仪表——虚拟仪器，自动化与仪表，1999，6：5～7
王立世，杨晓云，杨仕平，莫金垣，采用简单硬件实现毛细管电泳的扫描伏安
[18] 电化学检测，分析仪器，1999.1，pp8-10
[19] 王立世，杨晓云，席绍峰，莫金垣，毛细管电泳信号的小波平滑与去噪，高等学校化学学报, 1999年3月, pp383～386
[20] 金亚，罗国安，王如骥，集成毛细管电泳芯片研究进展，色谱，2000，vol18，no4，pp313-317
[21] 阎金，孙志铭，沈芳，普通物理教学手册，高等教育出版社，1985年5月
[22] 陈卓如，金朝铭，王成敏，工程流体力学，高等教育出版社，1992年9月
[23] 俞惟乐，欧庆瑜，毛细管气相色谱和分离分析新技术，科学出版社1999年
[24] 汤扬华,周兆英,叶雄英等,毛细管电泳芯片的制造 ，微细加工技术，2001（1），pp62-66
[25] 汪正全，色谱定性与定量，化学工业出版社，第一版，2000。
[26] 胡深、庞代文、李培标等，毛细管电泳电化学检测，分析测试学报，1997年，Vol.16 NO.6, pp70-74
[27] 刘广玉，樊尚春，周浩敏，微机械电子系统及其应用，北京航空航天大学出版社，2003，2
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[36] 邬宽明，单片机外围器件实用手册--电源器件分册，1998年12月第1版
[37] 蔡美琴，张为民，沈新鲜，张荣娟，MCS—51系列单片机系统及应用，高等教育出版社, 1992
[38] 王元庆，新型传感器原理及应用，机械工业出版社2003.1
[39] 张国雄等，测控电路，机械工业出版社
[40] 纪宗南，单片机外围器件实用手册 输入通道器件分册，北京航空航天大学出版社，1998年8月第1版
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[42] 翟俊祥, PGA204/205可编程增益放大器的原理和应用. 国外电子元器件.1999.05
[43] 何立民，单片机应用技术选编(5)，北京航空航天大学出版社，1997.10.
[44] 杨振江，A/D、D/A转换器接口技术与实用线路，西安电子科技大学出版社，1998-09
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[47] Eugene Olafsen, Kenn Scribner, K.David White等. MFC Visual C++ 6编程技术内幕. 机械工业出版社.2000,2
[48] 何斌，马天予，王运坚，朱红莲，Visual C++数字图像处理，人民邮电出版社，2001，8
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[2] 李星海，温志渝，吴英，梁玉前，李霞. 一种微型毛细管电泳仪的信号采集和处理系统设计.微型机与应用.2003,4.
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[50] Davis Chapman，学用Visual C++ 6.0，清华大学出版社，2001.7
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[52] 吴性良、方爱萍、张祥民，毛细管电泳－柱端电化学检测池的设计，色谱，1999.3:190～192
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