液晶技术研究动态论文（精选4篇）
液晶技术研究动态论文 篇1
接地保护是保障I类设备正常运行、防止发生触电危险、降低干扰的重要安全措施。在I类液晶显示器的安全检测中,接地电阻测试是非常重要的测试项目,也是检测保护连接导体接地连续性的重要试验,设备中保护接地导体及其端子的电阻过大会影响设备的安全性能。随着技术的进步,大电流的设备越来越多,而新的信息技术设备的安全标准又对接地电阻有了更严格的测试要求。本文从新旧标准中接地电阻测试的要求差异开始,结合实例详细阐述了接地电阻的测试方法和测试仪器的原理,并提出多个接地电阻测试的关键性注意事项。
1 新旧标准中的接地电阻测试要求差异
新版信息技术设备安全标准GB4943.1—2011已经实施,与GB4943—2001版本相比,二者的接地电阻测试要求存在部分差异,如表1所示。
根据表1的测试要求差异,同样一台被测设备,符合GB4943—2001接地电阻测试要求时,却不一定能通过新版GB4943.1—2011标准中接地电阻试验。例如,某台被测设备为A型可插式设备,其输入电流额定值为3 A,熔断器规格为T5AH 250 V,部分保护连接导体采用横截面积为0.5 mm2的单层绝缘导线。按照GB4943—2001进行接地电阻测试,试验电流为4.5 A(设备额定电流的1.5倍,设备的额定电流最小),试验时间为60 s,测试后接地电阻为0.043Ω。按照GB4943.1—2011进行接地电阻测试,试验电流为32 A(A型可插式设备保护电流额定值16 A的200%),试验时间为120 s,测试后接地电阻为0.044Ω,横截面积为0.5 mm2的单层绝缘导线PVC绝缘层融化脱落,保护连接导体损坏,测试结果不合格。由此可以看出,新版标准对保护连接导体的接地电阻测试要求较旧版标准要更加严格[1,2,3]。
2 接地电阻的测试方法
2.1 接地电阻测试步骤
接地电阻测试的步骤涉及标准第2.6项多个子条款,进行测试时不仅需要注意判断被测设备的接地类型、保护接地的种类、保护导体的类型,还要判断保护连接导体的尺寸,以确定是否需要进行试验。根据电源的供电方式、保护电流额定值确定试验电流、试验时间和试验施加位置,进行试验后判断试验结果是否满足标准要求。完整的测试流程如图1所示。
2.2 试验电流和试验时间的确定
由于现在被测产品种类繁多、结构复杂,所以判断接地电阻测试的试验电流、试验持续时间就变得尤为关键。首先,要确定保护电流额定值,该额定值取决于设备的类型和过流保护装置的位置。应先判断设备属于哪种可插式设备,例如A型可插式设备,B型可插式设备;然后确定过流保护装置的位置,按照表1相关要求或条款2.6.3.3中a)、b)、c)的适用情况取最小值得出保护电流额定值。下一步判断保护电流额定值是小于等于16 A,还是大于16 A。如果小于等于16 A,则按照表1相关要求或标准2.6.3.4适用情况,试验电流为保护电流额定值的200%,试验持续时间为120 s;如果保护电流额定值大于16 A则判断其供电方式,例如交流还是直流。如果是交流,则试验电流为保护电流额定值的200%,试验时间则是根据电流大小选择标准规定的时间。如果是直流,则试验电流和试验持续时间按制造厂商规定进行测试[4]。
如果被测产品是按标准2.6.1b),且由通信网络或电缆分配系统供电的,则根据标准要求,其试验电流应为从此通信网络或电缆分配系统中可得到的最大电流(如果已知)的150%,但不小于2 A,试验持续时间为120 s。确认保护电流额定值对于确定试验电流和试验时间至关重要。
下面举例说明:
例1:某设备为A型可插式设备,交流电网电源供电,金属外壳,金属外壳与保护接地连接,起保护接地作用,即金属外壳为保护连接导体。
判定:此设备的保护额定电流为16 A,则接地电阻测试试验电流为32 A,试验时间为120 s。
例2:某设备采用Ⅰ类结构变压器,初级电路过流保护装置为T4AH 250 V熔断器,那么变压器的接地保护电路部分即为保护连接导体。
判定:此设备变压器部分的保护额定电流为4 A,则接地电阻测试试验电流为8 A,试验时间为120 s。
例3:某永久性连接式设备,设备采用外接的40 A断路器作为过流保护装置,金属外壳与保护接地连接,即金属外壳为保护连接导体。
判定:此设备的保护电流额定值为40 A,则接地电阻测试试验电流为80 A,试验时间为4 min。
3 测试仪器原理分析
标准要求是在试验时间内测量保护连接导体通过试验电流的电压降,测试回路试验电压不超过12 V,试验电流可以是直流或交流。但是在测试电路中,只测试电源保护接地端子和需要接地的零部件之间的电压降。并且应当注意,不能使测量探头的接触头与设备导电零部件之间的接触电阻影响试验结果。
基于以上标准要求,接地电阻测试仪测试原理是恒流电源两极引出的导线为被测导体施加试验电流,用电压表来测量被测导体两端的电位差。接地电阻测试过程中使用的测试方法一般有两种:二端法(见图2)和四端法(见图3)。
采用二端法进行测试时,电压表检测点在电流输出端子两端,测试回路中有接触电阻和引出导线电阻存在,为了符合标准要求使这些电阻不影响测试结果,需要在测试前测量出接触电阻(r1~r4)和引出导线电阻(R1~R2)的电阻值,待整个检测完成后,用测试的电阻值减去接触电阻和引出导线电阻的电阻值以得出最终的测试结果。这种测试原理在检测时方法繁琐,接触电阻和引出导线电阻的阻值变化直接影响试验结果,所以市场上的接地电阻测试仪基本不采用此方法。目前仅有少量品牌的接地电阻测试仪附加有二端法功能,但也都带有补偿功能,用于去除测试时接触电阻和引出导线电阻的影响。
四端法是国际上通用的低电阻值测试方法,目前的接地电阻测试仪大都采用这种检测原理。这种测试方法在进行试验时,试验电流施加回路与电压检测回路分开,电压检测端置于被测导体两端,将接触电阻r3和r4排除掉,利用电压表输入阻抗高的特点,电压检测回路中的接触电阻(r5~r8)和引出导线电阻(R3~R4)可忽略不计,有效地避免了接触电阻和引出导线电阻对被测电阻导体测试值的影响。
4 接地电阻测试注意事项
1)接地电阻测试线应有承载高电流的能力,当测试电流较高时,测试线横截面积较小会产生高温,严重的会破坏测试线的绝缘,所以应采用横截面积足够大并且其绝缘耐高温的测试线。
2)测试线与接地电阻测试仪测试端子的连接,一般采用U型插片和手拧螺纹端子连接,因为测试线经常因测试移动对短接处产生机械应力,多次使用后端子会出现松动,松动后的端子处接触电阻会变大,在经过较高电流时会产生高温,都会影响测量结果和仪器本身的寿命。
3)在进行接地电阻测试时还应注意仪器引出的两个试验夹子在夹紧被测样品时应尽可能地扩大接触面积,降低接触电阻。因试验电流较大,接触电阻过大会产生高温,造成被测导体的绝缘变形甚至绝缘失效,从而影响实验结果。
4)如果接地电阻测试仪采用校准物为100 mΩ的电阻进行功能性模拟校准,在进行校准时,接地电阻测试仪的测量结果处显示为100 mΩ,同时会报警提示测试不通过。标准中的要求是“电阻不超过0.1Ω”,即实际进行测试时结果为0.1Ω也是合格的。在实际检测中如果测试值正好是100 mΩ时测试仪报警,不应判断被测设备接地电阻测试不合格。应当仔细排除在进行试验过程中影响测试结果的因素,如错误的试验施加位置、接触电阻的影响等。排除这些因素后,还应考虑接地电阻测试仪本身的测量误差和设备计量后给出的测量不确定度,经过分析这些参考数据来判断试验结果是否满足标准要求。如果是进行型式试验测试结果为临界值,还应考虑实际批量生产时的生产工艺是否能保证每台设备均满足标准要求。
5 结论
通过对新旧两版信息技术设备安全标准中接地电阻测试要求的对比,指出了新版标准测试要求的严格性,介绍和分析了测试方法与仪器原理,总结检测经验提出注意事项,对减少影响测试结果的因素,提高I类液晶显示器安全检测中接地电阻测试的准确性具有重要意义。
摘要：通过介绍液晶显示器适用的新版信息技术设备安全标准GB4943.1—2011与旧版信息技术设备安全标准GB4943—2001中接地电阻测试要求的差异,阐述了信息技术设备接地电阻测试的详细步骤,重点说明如何确定试验电流和试验时间,同时分析了试验仪器的测试原理,总结给出了测试时的注意事项。
关键词：接地电阻,保护连接导体,保护电流额定值,过流保护装置的额定值
参考文献
[1]GB4943.1—2011《信息技术设备安全第1部分:通用要求》应用指南[S].北京:中国标准出版社,2012.
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[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB4943—2001《信息技术设备的安全》[S].北京:中国标准出版社,2002.
[4]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,2004.
液晶技术研究动态论文 篇2
英文引用格式：Liu Min,Liang Fayun,Wang Xingpeng,et al.Research on FPGA timing control of naked-eye 3D LCD[J].Application of Electronic Technique,2015,41(7):44-46,49.
0 引言
裸眼3D技术利用LCD面板显示左右眼图像来实现3D效果，其制作工艺与现有LCD液晶工艺兼容，具有较明显的成本优势。裸眼3D设备实现立体效果需要特定的视频格式的支持，目前裸眼3D视频的实现主要将具有视差的立体图像的左右眼视图先分离后融合，裸眼3D视频的字幕大多是2D字幕，本文在某款8英寸光屏障式裸眼3D屏的工作原理下提出裸眼3D字幕显示算法。
FPGA可编程的灵活性、时序控制能力强和高速并行的处理能力使之在数据处理领域应用广泛。本文利用FPGA搭建硬件平台，通过Verilog的编写，实现裸眼3D液晶屏时序的FPGA控制，最终在裸眼3D液晶屏上验证显示，实验效果良好，可为裸眼3D视频的3D字幕匹配以及裸眼3D广告等提供支持。
1 裸眼3D图像显示算法
裸眼3D显示器利用人双眼具有视差的特性，在不佩戴眼镜等辅助设备的情况下，使左眼和右眼获得各自应该获得的图像，从而获取具有立体效果的新型显示器。本文采用的裸眼3D屏采用光屏障式技术。该3D屏幕基于TFT-LCD的线光源照明原理，在屏幕形成奇偶列交错的两个显示单元，将屏幕上的视差图像分别送到左右眼中，再通过大脑立体融合，形成立体视觉效果。
在立体显示器上，按屏幕列像素进行屏幕的分区，所使用的8寸3D屏显示分辨率为800×600。分区时左眼视图显示区对应屏幕的奇数列像素，相对应的右眼视图显示区则为屏幕的偶数列像素。因此整个屏幕就分为左眼视图区像素矩阵400(列)×600(行)和右眼视图区像素矩阵400(列)×600(行)。整个屏幕像素可以用矩阵P2D来表示，i、j分别表示3D屏的行坐标和列坐标，f(i、j)表示每个像素点的颜色值，用P3DL、P3DR表示左眼视区像素矩阵和右眼视区像素矩阵：
因此屏幕上的像素矩阵为左右视区图像像素矩阵的组合：P2D=P3DL+P3DR。裸眼3D字幕进行显示时需满足两个条件：
(1)数据写入屏幕时需偏移一定的像素以造成视差；
(2)数据按照P3DL矩阵形式完整写入裸眼3D屏。
2 裸眼3D屏时序分析
LCD采用SYNC模式进行驱动。为确保数据正确地输入，在写数据到屏幕时需遵从其特有的时序约束条件。所使用的裸眼3D屏兼容2D模式，通过switch信号进行切换。设计中，OUTDE信号是HS、VS信号的综合，OUTDE信号作为使能控制数据的有效输入。裸眼3D液晶屏正常工作需要两个时钟输入：40 MHz和60 Hz。40 MHz作为DCLK，产生计数器cnt＿h、cnt＿v和OUTDE信号；60 Hz由60 MHz进行一万分频产生，用于3D显示。VESA标准中LCD显示需要各自的同步脉冲、显示前沿、显示时序段和显示后沿，各段像素分布如表1所示。3D屏的DE模式时序如图1所示。
3 硬件搭建
3.1 总体框架
利用Verilog或VHDL的硬件描述语言完成电路设计，经过综合之后烧录至FPGA进行验证测试，是如今IC设计验证的主要方式。FPGA具有功耗低、设计周期短、开发成本低和丰富的触发器及I/O等特点，系统采用基于FPGA的实现方式。
FPGA选用Altera Cyclone II系列的EP2C8Q208C8,EP2C芯片具有8256个逻辑资源，36个M4K RAM块，2个PLL锁相环，18个嵌入式乘法器，总RAM比特数达165 888。FPGA的接口信号有：RGB像素数据线、OUTDE（显示数据有效信号）、DISP(3D液晶屏显示开关，本系统直接加10 kΩ电阻拉高）、OUTCLK（像素时钟）、CLK60(3D显示时钟）。FPGA将字幕数据处理之后输入3D液晶屏的接口，系统总体框图如图2所示。
3.2 LED驱动电路设计
3D液晶屏的正常工作，除满足时钟输入条件外，还需要供电电压23.4 V，供电电流300 mA，功率为23.4×0.3=7.02 W，为保持LED亮度均匀，缓解串并联方式的不均流问题，LED背光驱动电路选用恒流驱动方式。电路选用XL6004芯片，XL6004是具有400 k Hz固定频率的升压恒流驱动器，输入电压3.6 V～32 V，可驱动16颗串联1 W功率的LED，且输出电流可通过芯片FB引脚连接的电阻设定。
4 FPGA逻辑设计
为完成数据按照写入屏幕时需偏移一定的像素以造成视差和按照P3DL、P3DR矩阵形式完整写入裸眼3D屏的条件，FPGA的逻辑设计应该包括系统控制模块、LCD驱动模块、单口ROM的建立。EP2C8Q208C8的外部输入时钟为50 MHz,LCD驱动模块的OUTCLK为40 MHz，用于3D的60 Hz则是通过60 MHz进行一万分频产生，因此在系统控制模块中通过PLL锁相环使得该模块具有时钟管理功能，产生40 MHz和60 MHz 2个时钟信号，同时利用D触发器和与非门组成边沿检测确保复位信号的稳定。单口ROM用于存储字幕数据，LCD模块通过对时序的控制实现将字幕数据正确写入3D液晶屏。FPGA逻辑设计结构图如图3所示。
数据通过软件以逐列式的方式生成，假设输入字幕为W，长宽像素为128×128，生成的十六进制文件转换为mif文件时选择128 bit data，便于在LCD控制读取数据时只需关注列像素的变化。利用EP2C内部M4K资源建立单口只读ROM，建立时将mif文件导入。LCD模块控制从ROM中按照奇数列插值的同时按照偶数列插值并作像素偏移的顺序读出字幕数据。根据有效位的判断，相应的赋予RGB值。从ROM中读取数据部分Verilog编写如下：
读取数据时rom＿addr与rom＿data必须在同一逻辑原点，由于有效显示是从cnt＿h=360开始，所以rom＿addr(mif文件的原点地址应该是rom＿addr=cnt＿h[9:0]-9′d360；相对应的由于纵坐标cnt＿v从255开始，255的二进制为1111＿1111，同时需要保证rom＿data的第一个数据的序号也为0，取cnt＿v的后七位即cnt＿v[6:0]，参考纵坐标有效开始，7位都取1，转换为十进制即为7′d127。
5 仿真分析与实验
Quartus软件提供了嵌入式逻辑分析仪以便进行在线调试，将sof配置文件导入硬件平台可以捕获FPGA逻辑设计实现裸眼3D字幕显示的信号和数据。图4为使用该逻辑分析仪的部分信号波形图截图。
从图中可看出，DE信号由DE＿h和DE＿v决定，当两者都为1时，DE信号有效，数据有效显示。每次从ROM中读出128 bit数据，为简化时序控制和完成奇数列和偶数列的插值，每完成一次ROM中字幕数据的读取，就插入128 bit的128′d0。
系统使用8寸裸眼3D液晶屏进行实验，完成字幕数据的完整读取和正确插值，系统工作正常，复位稳定。只进行单独奇数列和偶数列插值的比较图如图5所示。所拍角度下左边为只进行奇数列插值字幕A，右边为只进行偶数列插值，在不同角度观看下，左右两个字幕A亮度会有差别且观察下具有一定的深度感。
裸眼3D的效果需要人们大脑的立体融合，使用相机不能展现所实现的效果，图6(a)为完成完整插值后2D模式下效果图，图6(b)为透过相机观看3D模式下效果，可看出字幕的视差效果。
6 小结
裸眼3D技术具有广阔的发展和市场前景，本文利用FPGA实现了裸眼3D液晶屏时序的控制，并基于裸眼3D技术提出裸眼3D显示算法原理，通过FPGA完成字幕数据的正确读取与插值，实现较好的3D显示效果，为裸眼3D液晶屏的显示和时序控制提供支持，同时也可用于裸眼3D广告机等。系统工作稳定可靠，具有较好的通用性。
摘要：裸眼3D液晶屏为图像显示载体,可把左右眼的图像准确送至双眼形成立体视觉。左右眼图像信号使用FPGA来准确控制帧同步、行同步与像素时钟,使图像像素准确地传输到屏幕相应位置。研究了裸眼3D屏的数据接口要求,通过裸眼3D显示算法和利用硬件描述语言建立了图像数据流传输模型,得出了裸眼3D字幕显示的可行逻辑设计。系统经过实验验证,运行稳定。
关键词：裸眼3D,3D字幕,FPGA,Verilog
参考文献
[1]梁发云,何辉,施建盛,等.裸眼3D视频信号转换技术研究[J].液晶与显示,2014,29(4):569-574.
[2]欧阳俊林.裸眼3D显示技术研究[J].计算机光盘软件与应用,2012(19):86-87.
[3]刘涛.LED恒流驱动开关电源的控制[D].成都:电子科技大学,2009.
[4]张永斌,胡金高.基于DSP的LCD显示控制与设计[J].液晶与显示,2011,26(5):626-630.
液晶技术研究动态论文 篇3
1 基于液晶取向改变检测方法的原理
液晶态是物质处于液态与固态之间的一种状态,它具有液体的流动性和连续性,也具有晶体的各向异性,同时又保留了晶体的某些有序排列,即液晶分子具有取向有序性[4]。
该传感器的构建中,首先需要设计一个界面,界面处有特定的组装膜或者一定结构的沟槽(或者是二者结合),能够与液晶分子间形成某些化学或物理作用,该作用能够诱导液晶呈一定的取向;待测物的出现,界面上又发生一些物理化学作用,这些作用使得界面处液晶分子发生取向改变,由于液晶本身所特有的物理化学性质,界面上有固定取向的液晶分子会诱导相邻的液晶分子采取相同的取向, 这样, 就形成一个整齐排列取向的液晶膜(1～100 μm厚度)。由于液晶分子具有取向有序性,光束通过液晶层时会产生双折射现象,有序性的变化会引起光学信号的改变,这一特性使得液晶成为一种新型的化学、生物传感器。并且由于由于液晶具有特殊的光学放大效应,因此液晶传感器具有很高的检测灵敏度而不需要进行任何标记。可发展为一类需要低检测下限以及不需要复杂的信号获取装置的检测技术。
在表面具有自组装膜的固体表面形成一定结构的沟槽,液晶分子在沟槽诱导下按一定方向排列,当待测物存在时,待测物与组装膜上的特定物质结合,使得沟槽被填埋,沟槽的消失使得液晶取向发生变化,从而实现对待测物的检测[1,5,6]。
Abbott研究小组首次提出了在固体表面形成敏感组装膜对气体小分子实现检测的基本原理:首先将敏感分子(也可称为受体)固定在表面(固体表面或液晶-水界面),这种敏感分子能够与液晶分子作用并使液晶分子形成取向有序结构(平行或垂直于固体表面);当待测物存在时,待测物取代液晶分子与敏感分子形成更为稳定的作用,这些作用包括氢键、酸-碱相互作用、金属-配体相互作用、疏水缔合作用等;由于待测物与敏感分子的结合释放了液晶分子,从而使液晶分子取向发生变化,液晶分子的取向发生变化,改变液晶折射光线的能力,导致传感器的颜色和光亮度发生变化,颜色变化指示目标分子的存在,光亮度变化指示目标分子的浓度,以此检测化学物质或生物分子。该方法的原理示意图如图1所示[2]。
2 基于液晶取向改变的检测方法的应用
2.1 化学物质检测
在化学物质检测方面,科研工作者采用液晶传感器实现了对一些气体的检测,包括有机胺[2,7]有机磷[2,8,9,10,11]、硫醇气体[12]以及醛类气体[13]。低分子量的有机胺被广泛应用于化工、制药、农药等行业,而人体内过量摄入有机胺会导致一些严重疾病的发生,因此对有机胺进行灵敏、快速检测具有重要意义。为检测有机胺,Abbott小组将尾部带有羧基的HOOC(CH2)10SH分子通过巯基键合到金膜表面作为受体[2],在受体表面组装液晶分子(4-腈基-4’-戊烷基联苯,简称5CB),通过5CB 中的-CN与-COOH 的相互作用将5CB组装上去(结合强度为10～40 kJ/mol),此时液晶分子具有特定取向的排列。当待测物有机胺存在时,有机胺与受体的—COOH通过酸-碱相互作用(结合强度大于70 kJ/mol), 液晶分子被有机胺取代后排列将发生变化,对偏振光的双折射性也将随之发生改变,可通过偏振光显微镜对液晶的取向变化进行检测。水、乙醇、正己烷、(H3CO)2POCH3的存在并不引发液晶取向发生变化。另一方面,在军事领域,迅速、有效的监测环境中可能存在的化学与生物毒剂是保证部队战斗力的重要因素之一。由于战争特殊的环境对军用传感器提出了特殊的要求,便携式、微型化一直是人们追求的目标。而在实验中,经常用甲基膦酸二甲酯(DMMP)来模仿化学毒剂,Abbott小组开创了用液晶传感器检测DMMP的先例[2],他们将巯基十一酸自组装膜用Cu2+修饰后,巯基十一酸末端功能基COOH 与Cu2+形成金属配合物,液晶5CB的取向呈垂直排列。当自组装敏感膜与DMMP接触后,由于DMMP的-P=O键与Cu2+的键合作用强于Cu2+与5CB的末端氰基配位作用,Cu2+与5CB的作用被释放,导致液晶分子的取向发生改变,由垂直排列变为倾斜排列,传感器的颜色和光亮度随之发生相应变化,从而实现对DMMP的检测。后来,该课题组在固体表面上引入过氯酸盐[8],用金网(宽283 μm,深20 μm)将5CB固载于过氯酸盐修饰的表面上,研究发现当所用的盐为Cu2+时,1 min对就可以对低于20 ppm的DMMP实现检测。而当表面金属离子为Ni2+时,由于Ni2+与5CB的氰基的配位作用强于其与DMMP的作用,液晶分子取向不会发生变化,就不能实现对DMMP的检测。最近他们在表面引入过氯酸铝[10],可在30 s对DMMP浓度5 ppm的气体实现检测。利用不同金属离子与氰基作用强度的不同,他们不仅实现了对四种有机磷化学毒气(沙林 (GB), 索曼 (GD), 塔崩 (GA), 及 维克斯(VX))的检测,还对这四种毒气进行了区分[11],首先他们设计了表面具有microwell结构的传感器,每个microwell可为方形、圆形或者菱形,不同形状对应的表面为不同离子所修饰,所采用的液晶分子为E7(一种热致液晶的混合物)。当表面离子为Al3+时,可以实现对这四种气体的检测;当为Zn2+时,只能实现对GB与VX的检测;为Fe3+时只能实现对GB的检测(见图2)。这样就可以同时实现对多种有毒气体的检测,为液晶传感器的发展带来了新的血液。新加坡国立大学的Yang课题小组采用液晶传感器实现了对硫醇气体分子的检测[12],在表面形成N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷敏感膜,然后引入Cu2+,硫醇吸附后改变了表面能使得5CB取向发生改变,进而光学织构也发生变化,由暗变亮,实现对硫醇分子的检测;可以检测1-丁硫醇,1-己硫醇长链硫醇,对于乙硫醇的短链硫醇没有响应。Yang课题小组在固体表面引入了-NH2基团,以5CB为液晶基体,仅用20 s时间就实现了对207 ppmv戊二醛气体的特异性检测[13]。
尽管对有毒气体的检测已经发展了很多技术,比如石英微天平(QCM)[14,15]、气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术[16,17],这些技术也可以实现对这些有毒气体的高灵敏度地检测,但是这些方法需要经过训练的检测人员及复杂的仪器设备,这些就限制了这些检测方法的广泛应用。因此,液晶传感技术作为一种简便的、直观的、快速的并且不需要专门检测人员的检测方法将会给毒性气体的检测带来新的发展空间。
2.2 生物分子检测
最初用于生物检测的液晶传感器需要制备液晶盒,制备方法如下:首先在固体基片表面形成组装膜或者是形成组装膜后再形成沟槽结构;然后将两块固体基片面对面的组成液晶盒,此后将热致液晶加热到液态,通过毛细管作用力被注射到液晶盒中,待冷却到液晶相,即可用偏光显微镜观察它的偏光信号。
Abbott 与合作者开辟了液晶用于检测生物分子的新领域[1,18,19],该研究小组发现,在具有纳米级沟槽状半透明超薄Au膜表面(波长20～40 nm,振幅2 nm)上,制备bio-(CH2)2[(CH2)2O]2NH-CO(CH2)11SH(缩写BiSH)和CH3(CH2)7SH混合自组装膜上,通过抗生素avidin(AV)与BiSH之间的键合作用,制备出可识别免疫球蛋白G (Immunoglobulin G, lgG)的自组装敏感膜;两片修饰有自组装敏感膜的基底玻片面对面地组成液晶盒。起初,液晶取向呈整齐的沿面排列(homogenous);当自组装敏感膜接触到含有IgG的溶液时,IgG与敏感膜上的AV发生专一性键合反应,液晶分子在发生键合反应的敏感膜表面上的取向排列由沿面排列发生扭曲,导致液晶分子对可见光的折射发生改变,液晶膜的颜色和光亮度发生变化。通过进一步研究,溶液中的IgG浓度与液晶膜颜色变化的平均光亮度有一个关系曲线,首次实现用液晶传感器对IgG的定量化检测分析,对1～100 nmol/L的IgG可有效检测[19]。该研究结果为后来的液晶传感器用于定量检测生物分子奠定了基础。
该课题组用表面上引入多聚赖氨酸组装层的固体基片制备液晶盒对病毒进行检测[20],5CB与带正电荷的表面接触后,液晶分子取向平行于表面,当将该阳离子组装表面接触水疱性口炎病毒(vesicular stomatitis virus(VSV))时,液晶分子取向垂直于表面,实现了对该病毒细菌的检测。
该课题小组采用液晶传感器还实现了对EGFR(epithelial growth factor receptor,表皮生长因子受体)的检测[21],胃癌、乳腺癌、膀胱癌和头颈部鳞癌的EGFR表达将增高所以对EGFR的检测对癌症的预防和治疗具有极其重要的意义,液晶传感器能方便、快速、非标记的检测EGFR,这无疑给癌症的诊断和治疗增加了新的选择。
其他研究小组也在该方面做了大量的工作。如Hoogboom小组在ITO的微米沟槽上形成末端为苯环的自组装敏感膜,末端的苯环诱导5CB呈水平取向,当该表面接触脂肪酶的水溶液时,酶催化组装膜上酯键的水解,水解产生的羧基与5CB的氰基之间的氢键作用诱导5CB呈垂直取向,取向的改变导致光学信号的变化实现了对酶的非标记检测[22]。
此外,Yang课题小组在用液晶传感器来检测生物分子方面也做了很多重要的工作,最近他们刚报到了一项有意义的工作,利用液晶取向变化进行光学免疫检测[23],他们采用PDMS微流控芯片实现了高通量高灵敏度、非标记、操作简单的免疫检测。并且根据微通道中的亮区的长度很方便的得到了检测下限及实现定量分析,当免疫球蛋白抗体(anti-IgG)的浓度低于0.02 mg/L时,正交偏光图像呈现为完全黑色,表明0.02 mg/L即为检测下限;在anti-IgG浓度大于0.02 mg/L时,亮区长度随着浓度的增加而变大,并且与浓度呈线性关系,从而实现了anti-IgG的定量检测(见图3)。
Kim 和合作者们研究了DNA芯片上DNA杂交所引起液晶向列变化[24]。该小组证实了DNA杂交引起5CB 各向异性的变化通过肉眼可测。单链DNA (ss-DNA) 修饰的基底表面, 组装密度小, 液晶分子在与ss-DNA空间相互作用下,整齐排列。这时,ss-DNA充当着液晶垂直配向膜。然而,当DNA 杂交后,分子组装密度增大,DNA 分子自由空间减小,渗透到其间的液晶也减少,这就实现了液晶从垂直到平行排列的转化。
Yang课题小组采用液晶传感器开启了DNA无损检测的大门[25]。他们在平面玻璃表面形成三乙氧基硅基丁醛(TEA)多分子层组装膜,制成DNA芯片,该组装膜使得5CB采取垂直取向。一定浓度的DNA存在使得5CB的取向改变,偏光图像由黑暗转为明亮,通过点样仪在传感器上形成尺寸不同的点振,点的尺寸的降低可以提高检测下限,并建立了干涉色与DNA浓度的关系,实现了对DNA定量分析;更重要的是,该方法不会破坏固定上的核酸链, 将液晶溶液清洗掉,DNA单链仍可与目标链杂交,这是一种无损检测方法。
以上这些方法中所制备的液晶传感器中,两片修饰有自组装敏感膜的基底玻片面对面地组成液晶盒,在未接触待测物的时候,在两片底片之间充入液晶,液晶分子垂直于表面取向,呈现暗场,然后将修饰有自组装敏感膜的基片与待测物溶液接触后,清洗干燥后再制备一个液晶盒。就是说,配体和受体需要在液晶加入前结合,这样就降低了实时检测的效果。
2003年Abbott小组发展了一种全新的方法来实现液晶传感器对生物分子间相互作用的检测[3]。他们直接在OTS修饰的玻璃表面上放置一个金网,网格深20 μm宽283 μm,利用毛细作用将液晶5CB注入到该空中,这些网孔为液晶分子提供了稳定的支撑作用,并防止液晶的反浸润现象的发生。将这个液晶器件放入水溶液中,OTS(十八烷基三氯硅烷)使得靠近固体表面的液晶分子的取向垂直于OTS-glass,而靠近水面附近,液晶分子的取向平行于OTS-glass及液晶-水的界面,这时候偏光显微镜中观察为亮场,当水溶液存在待分析物时候,这些分子会与液晶分子发生相互作用,使得液晶分子取向发生变化,光学信号发生变化,肉眼即可观察,从而可以实现快速、实时的检测。 他们在Science上发表的论文中提到水溶液中的磷脂分子可与5CB的分子发生疏水缔合作用而使得液晶分子取向垂直于界面(见图4),将此器件从水溶液中取出,该取向稳定性可长时间存在。磷脂是生物膜的重要组成部分,一些重要的生物分子相互作用常发生在生物膜表面,包括毒素蛋白进入细胞前的结合[26]、引发细胞信号传递的酶的结合[27]、蛋白质的结晶化[28]等。这些作用都涉及到与磷脂分子发生相互作用,在液晶传感器表面,这些分子与磷脂分子的作用会改变磷脂分子与液晶分子之间的相互作用,从而改变液晶分子的取向,基于这一原理,可以实现对一些生物分子的检测。这种检测方法是一种无需标记的、无需复杂仪器的、无需专门培训人员的方便快捷的检测方法。如他们将负载L-1,2-二月桂酰卵磷脂(L-DLPC)的液晶器件放入磷脂酶(PLA2)的溶液中,在钙离子的存在下,PLA2催化L-DLPC水解,L-DLPC水解产物从液晶-水界面上脱附下来,诱导液晶分子的取向从垂直变为水平,传感器颜色由暗变亮,而那些不能与L-DLPC形成键合作用的蛋白质比如白蛋白、溶菌酶及细胞色素C的存在,液晶分子的取向不发生变化(图5)。该课题小组还采用生物素标记的磷脂(Bi-X-DPPE)与L-DLPC在液晶与水界面上形成液晶垂直界面取向的磷脂敏感膜,然后将此传感器件放入含有中和亲和素的水溶液,亲和素和生物素之间强烈的相互作用使得传感器出现亮场,结合荧光图像发现这种方法不仅能实现对蛋白质的检测,并且能够指出蛋白质在界面的层间分布方式即蛋白质的结晶[29]。同时作者也证明了这种方法的特异性,他们在水溶液中同时加入游离态的生物素后,游离态的生物素与中和亲和素的作用阻止了磷脂膜对其作用,从而使得液晶5CB的取向响应减弱。
该课题组还以酶催化水解肽键为基原反应,采用该液晶传感器检测了酶的活性。首先在液晶5CB-水的界面上负载尾部为羧基和乙二醇单元的磷脂,该磷脂的C14链与5CB的烷基链相互作用使得液晶分子取向垂直于界面;然后采用EDC/NHS活化末端羧基,此时液晶取向未发生变化;再与多肽溶液接触,多肽上的氨基与NHS活化的羧基发生反应将多肽分子引入到磷脂上,由于磷脂分子与多肽分子之间的作用强于其与5CB分子之间的作用,液晶分子取向发生改变,光场颜色由暗变亮。当此液晶元件与含有钙离子的胰岛素酶水溶液接触时,酶催化了肽键的水解,5 min内,干涉色就变成均一的黑色,结果表明这种检测方法无标记的快速的实现了对酶的活性的测定[30]。
Abbott小组在研究液晶-水界面上磷脂对液晶取向的影响的同时也研究了另外一类两亲分子-离子型表面活性剂在界面上诱导液晶取向的影响。一些长链的离子表面活性剂的长的碳链可与5CB的烷基链相互作用进而诱导液晶分子垂直于液晶-水界面取向[31,32,33]。利用这一现象他们构造了生物传感器,最近他们结合了阳离子表面活性剂(OTAB),构建了DNA 液晶传感器[34]。通过二次诱导,实现对DNA 的低浓度检测,检测下限可达50 fmol,且能很好的区别一个碱基错配的DNA。
在Abbott小组研究结果的基础上,新加坡国立大学的Yang课题组对传感器的制备进行了改进[35],见图6。Yang等人在玻璃表面上放一块具有孔洞结构的镍盘,孔洞里注入水溶液,每个孔就是一个微型封闭系统,然后直接将装有液晶5CB的金网放置到水溶液表面,液晶分子膜顶层与空气接触,底层与水溶液接触,与空气接触的液晶分子呈垂直于界面取向,与水溶液接触呈水平取向。这种方法较Abbott提出的方法具有所需样品量低、制造简便、成本低的优点;如Abbott方法中需要在固体表面上修饰疏水自组装层,并且Yang方法中所需样品量为2 μL,一个镍盘上可以同时负载100多个待检测样品溶液,并且这种传感器可以重复利用。而Abbott方法中所需样品量大于250 μL。Yang研究小组采用该方法实现了对多种生物分子的检测。首先他们对三种酶及其水解抑制剂进行了检测,phospholipase A (PLA), phospholipase B (PLB), phospholipase C (PLC), and phospholipase D (PLD)在液晶-水界面形成一层诱导液晶垂直界面取向的磷脂膜,当此传感元件接触到待测酶的水溶液的时候,钙离子存在下待测酶催化磷脂水解,水解产物释放到水溶液中,使得液晶取向发生变化,实现了对酶的检测;一些酶水解产物比如PLD及PLC的水解产物会加速肿瘤细胞的生长,所以通过适当的方法开发酶水解抑制剂在肿瘤治疗领域是非常有现实意义的。他们就采用这种液晶传感器实现了对酶水解抑制剂的检测,采用MJ33、48/80化合物及EGTA分别作为PLA2、PLC及PLD的抑制剂,当在相应酶的溶液中加入对应抑制剂后,液晶取向从水平变为垂直,由亮变暗,并且他们还研究了这些抑制剂对这三种酶的交叉抑制作用,研究结果表明这种液晶传感器有望方便、快捷的实现抑制剂的筛选。
采用同样的传感器他们实现了对类酶毒素Beta-bungarotoxin的检测及该毒素抑制剂的筛选[36],该毒素是眼镜蛇毒液中的主要成分,这种方法可以实现低达5 pg的实时、快无标记检测,这为相关药物筛选提供了更广阔的研究空间。
最近,Abbott小组又开展了用液晶5CB的胶体粒子来实现对生物分子检测的研究[37]。此外他们还研究了两亲性高分子在液晶-水界面上的组装及该两亲高分子对液晶分子取向的影响[38],这些研究无疑将会推进液晶生物、化学传感器的发展。
3 问题与展望
综上所述,这种基于液晶取向变化的传感器的研究是具有极高的科研价值及现实意义的。有望将其开发成一种全新的、用日光等自然光做光源、目视检测、无需电源、可进行高灵敏度、高分辨率、现场快速检测的微型传感器。然而目前对液晶传感器的研究理论上和应用上都不甚成熟,存在一定局限性,离实际应用还有一段距离,要作为具有商业使用价值的材料还有许多问题尚待解决。
首先是在目前的研究工作中,所涉及的待测物质种类很局限,一类为有机胺、有机磷气体分子,另外一类为生物活性大分子。而对某些水溶液中的有毒有害小分子或者生物小分子的检测还未见报道,如果能实现对这些分子的检测,无疑会给液晶传感器的研究带来更大的价值。
其次是在液晶传感器用于生物分子相互作用的检测中,只是提到这些生物分子的相互作用会诱导液晶分子的取向,为什么会诱导取向,如何实现的一些理论问题还没有解决,可以结合SPR、AFM、荧光分析等技术对生物分子的作用诱导液晶取向的本质及深层次原因做合理的研究和解释,这无疑会增加液晶传感器在生物领域应用广度。
再次,液晶传感器对相关化学、生物分子进行定量检测的时候,定量检测还需要一个普适性的方法。
机遇与挑战并存,上述不足的存在从另一角度也显示了这一领域未来发展的巨大潜力。总之,对基于液晶取向改变的化学、生物传感器的研究方兴未艾,等待着专家学者的进一步研究和探讨。可以预期,通过进一步努力,该传感器在现实应用方面将取得突破。
摘要：基于液晶取向改变的传感技术是一项新兴的生物化学检测技术,这种基于液晶取向变化的传感器的研究是具有极高的科研价值及现实意义的。有望将其开发成一种全新的、用日光等自然光做光源、目视检测、无需电源、可进行高灵敏度、高分辨率、现场快速检测的微型传感器。目前在化学和生物检测领域研究日益广泛。本文介绍了基于液晶取向改变的检测方法的机理,并对其在化学和生物检测方面的应用进行综述,简要分析了目前存在的问题并展望了液晶传感技术的发展方向及应用前景。
液晶技术研究动态论文 篇4
电视的发展经历了从传统的CRT电视到现在市场上主流的液晶电视。而液晶电视的功耗主要集中在背光上。一般的液晶电视,背光基本上是全开的,而且随着液晶电视的尺寸越来越大,功耗也会越来越大。动态背光技术可以动态调节背光亮度,让液晶电视的功耗降低20%~40%。这样,可以满足节能的要求。
另外,由于背光全开,长时间观看电视,容易让眼睛产生疲劳,采用动态背光技术,可以在一定程度上起到保护视觉的作用。
2 动态背光方法介绍
基于图像场景的动态背光方法,一般分为全局的动态背光控制、一维分区的动态背光控制、二维分区的动态背光控制等,其方法是通过计算图像的实时亮度,进而动态控制背光大小。
基于外界环境光的动态背光方法,其原理是在电视主板上连接一个感光片,将外界环境光的亮度,计算成电压值,传输给芯片,芯片通过得到的电压值实时控制背光大小。外界环境光越亮,背光值也就越高。反之,外界环境光越暗,背光值也就越低。
但是在实际应用过程中,上述两种动态背光方法,由于控制背光调节的速度不适宜,经常会出现图像背光变化不自然,长时间观看容易让用户产生视觉疲劳。并且,在动态背光功能起作用的情况下,用户会感觉背光仍然偏高或者偏低。针对上述情况,经过大量的模拟实验,以及不同人员反馈结果,本文选取了大多数人认可的动态背光调节速度,并将动态背光控制过程中,最大背光值开放出来让用户调节,用户可以选择适宜自己的最大背光值。
3 基于图像场景以及环境光的动态背光方法
3.1 基于图像场景的动态背光方法
此种方法是通过计算APL(Average Picture Level,图像的平均亮度),来动态控制PWM占空比,进而控制背光亮度。
图像的平均亮度通过计算图像中所有像素的平均亮度来获得:
其中f为图像的平均亮度,fi为每个像素的亮度,N为图像的总像素。
此时,背光在OSD(on-screen display)上的显示范围为[0,100],PWM占空比对应[20%,MAX],MAX为用户自行设定的最大背光占空比。此时步进为0.05s,即占空比每步进1%,时间为0.05s。实时检测图像场景的亮度,进而实时动态控制背光。
基于图像场景的动态背光方法流程图如下:
以最大背光MAX为100%占空比为例,实际测试结果如下:
3.2 基于外界环境光的动态背光方法
基于外界环境观的亮度来动态控制背光,是通过增加传感器感知外界环境光,转化成电压,进而根据电压大小来动态控制背光。
如图3,PIN7为感光片位置,通过0欧的电阻,直接串联到MSD3463GU芯片PIN106上,读取该脚的电压,最小为0V,最大为3.3V,对应PWM的占空比分别为20%和100%。在外界环境光变化的情况下,MSD3463GU芯片PIN106会检测到不同的电压值,对应数据范围为[0,255],从而线性映射在PWM占空比范围[20%,100%],进而动态控制背光亮度。
在基于外界环境光动态背光方法的过程中,由于正常情况下,环境光不会有非常剧烈的变化,步进一般会比基于图像的要小,这里设置PWM步进1%,时间为0.2s。此时背光的最大亮度,也可以由用户自行设定。
3.3 基于图像场景与外界环境光共同作用的动态背光方法
如上3.1,3.2所述基于图像场景以及环境光的两种动态背光方法,两种动态背光方法都会设置开关,可以独立使用,也可以联合使用。当两种动态背光方法共同起作用时,计算出来的实时背光值如下:
其中,f1为基于图像场景的动态背光方法得到的背光占空比,范围取值[20%,MAX];f2为基于外界环境光方法得到的背光占空比,范围取值[50%,MAX]。
4 总结
本文介绍了基于图像场景动态背光方法以及基于外界环境光的动态背光方法,经过多次的模拟实验,选取了适用于绝大多数用户的动态背光调节速度,同时,将最大背光的占空比开放给用户自行设置,此类设计方法在MSD3463GU芯片上得以应用,解决了用户在实际过程中,动态背光不自然,以及动态背光亮度偏高或者偏低的问题。客户对此类设计方法效果反馈非常好。
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