一種生物檢測儀的製作方法
2023-09-27 06:18:50
專利名稱：一種生物檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種生物檢測儀，所製備的檢測儀可以應用在化工、食品安全或者醫藥衛生中過氧化氫、葡萄糖、血糖、膽固醇、胺基酸和こ醇等檢測。
背景技術：
隨著科技的飛速發展，人們對生理物質的檢測越來越關注。這類物質，諸如葡萄糖，乳酸，胺基酸等含量不僅僅在醫藥領域作為人體生理指標正常的判斷依據，並且在化工發酵等行業也作為重要的產品指標。因此，設計和製備出滿足市場需求的高靈敏度的生物檢測儀具有堅實的實用依據以及廣泛的市場前景。生物含量的電生物化學檢測，以血糖檢測為例，血糖測量的電生物化學原理是當施加一定電壓於經酶反應後的血液產生的電流會隨著血液中的血糖濃度的增加而增加。通 過精確測量出這些微弱電流，並根據電流值和血糖濃度的關係，反算出相應的濃度。血糖測量通常採用電化學分析中的三電極體系，三電極體系包括，工作電極(WE)、參比電極(RE)和對電極(CE)，參比電極用來定點位零點，工作電極和參比電極構成ー個不通或基本少通電的體系，利用參比電極電位的穩定性來測量工作電極的電極電勢。工作電極和輔助電極構成ー個通電的體系，用來測量工作電極通過的電流。但是，傳統的市面上能夠買到的用於檢測生理指標的儀器，如血糖儀，都普遍僅僅能測量單一的物質含量。但往往人體出現不良症狀或者慢性疾病的時候都不單單是ー種指標趨於非正常狀態，多指標的檢測以及比對對於疾病的控制、藥物的採用以及劑量的調整都具有明顯的幫助。然而，人體內各個生理物質都具有各自的檢測極限以及濃度範圍，有的可能會相差幾個數量級。這很難在一種電子模塊中進行統一，並且對於檢測極限低的生理物質，電路的高靈敏度也是很難解決的方面。所以，目前製備出高靈敏度，多生理指標測試功能複合的生物檢測儀還未有開發。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供ー種結構簡單、精度高的生物檢測儀。軟體程序部分主要控制各個硬體模塊協調工作、完成部分算法的工作。實現本發明目的的技術方案是ー種生物檢測儀，由酶電極模塊、微處理模塊、酶電極檢測電路、電流測量電路、電源和顯示模塊及輸入輸出模塊組成；其中，酶電極模塊由參比電扱、對電極和工作電極三電極組組成，微處理模塊包括微處理器、A/D轉換模塊和D/A轉換模塊；所述酶電極檢測電路由前端信號濾波電路、隔離電路、控制信號調理電路和信號放大模塊組成，所述前端信號濾波電路與三電極中的參比電極連接，對參比電極的電壓信號中的幹擾信號和電源エ頻50HZ幹擾信號進行濾波後，再與對參比電極輸出的電信號進行比較放大，輸出調整電壓信號V1至控制信號調理電路輸入端，微處理器控制D/A轉換電路輸出第一控制電壓信號Vtl至隔離電路輸入端，隔離電路對第一控制電壓信號Vtl進行比例放大，輸出第二控制電壓信號V2至控制信號調理電路輸入端與所述調整電壓信號V1進行疊カロ，控制信號調理電路對輸入信號進行傳輸阻抗匹配和功率放大，輸出第三控制電壓信號V3至對電極；所述電流測量電路中設有檢測電路和程控放大器，所述檢測電路將對工作電極輸出的電流信號轉化為電壓檢測信號，輸出至程控放大器，微處理器控制程控放大器中的模擬開關進行放大檔位的選擇，輸出放大後電壓檢測信號至微處理器模塊；經A/D轉換模塊至微處理器；微處理器模塊,控制D/A轉換電路輸出控制電壓信號,控制程控放大器的模擬開關選擇放大檔位，將接收到的電壓檢測信號經A/D轉換電路轉換後，輸入至微處理器，微處理器根據物質濃度與電壓檢測信號之間的關係式，進行物質濃度的擬合，得到測量結果，送至顯示及輸入輸出模塊；顯示及輸入輸出模塊顯示操作界面和測量結果、供用戶進行輸入操作；
路、顯示及輸入輸出模塊進行供電。作為本發明進ー步改進，所述微處理器控制D/A輸出的第一控制電壓信號Vtl的大小和該電極上的電壓變化増量變化速率A相關，控制電壓信號F= Γん々，カロ
載該式的控制電壓信號能夠達到對電極的最大敏感電流，從而能夠提高測量精度。作為本發明進ー步改進，所述微處理器對輸入的反應物質濃度的電壓檢測信號，進行連續採樣5次，在這5次的採集數據中找到中間值作為本次採集的有效值進行數據擬合，通過這樣的數據篩選將隨機幹擾降低，同時兼顧電極反應速度。作為本發明進ー步改進，所述微處理器採用分斜率函數擬合方式，按照y =knx+4. 0665進行數據擬合，其中I為濃度，X為檢測電壓值，kn為第η種物質酶所對應的斜率，η為正整數，常數4. 0665為本電極的修正值。數據擬合根據電極特性，採用修正值的辦法，從而是使擬合數據與電壓成線性關係，避免了複雜函數運算造成的計算誤差。作為本發明進ー步改進，所述酶電極模塊中設有若干個三電極組和模擬切換開關，所述微處理器還用於控制切換開關切換三電極組，控制D/A轉換電路輸出相應的控制電壓信號，同時控制程控放大模擬開關選擇相應的放大檔位，實現對ー種以上物質的檢測。本發明的有益效果在於1、針對生物酶在反應中產生雙充電電流幹擾物質的測量問題，目前的生物檢測儀中採用降低掃描頻率的辦法，本設計在不降低掃描頻率的前提下，所採用濾波抑制電路主要針對電源的エ頻幹擾信號進行處理和補償雙充電層電容的辦法，提高了測量精度，具體電路體現在R12、R13、C2、C1構成的濾波、補償網絡中；2、多物質的檢測。目前的生物測試儀中只能完成某ー種的物質測量。在本發明中通過微處理器控制模擬開關，切換反應酶電極組的投入和與該酶電極組相應的放大檔位，配合與各酶電極對應的擬合算法控制實現多物質的檢測。
圖I是本發明實施例I的結構框圖；圖2是本發明實施例I具體電路結構圖3是本發明實施例I的微處理器電路圖；圖4是本發明實施例I的D/A轉換模塊；圖5是本發明實施例I的電源電路圖；
圖6是本發明實施例I中多物質檢測的流程圖；圖7是本發明實施例I中數據篩選流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例做進ー步說明。如圖I所示，ー種生物檢測儀，由酶電極模塊、微處理模塊、酶電極檢測電路、電流測量電路、電源和顯示模塊及輸入輸出模塊組成；其中，酶電極模塊由η個三電極組和模擬切換開關組成，其中，三電極組由參比電極、對電極和工作電極組成，微處理模塊包括微處理器、A/D轉換模塊和D/A轉換模塊。酶電極檢測電路由前端信號濾波電路、隔離電路、控制信號調理電路和信號放大模塊組成，所述前端信號濾波電路與三電極中的參比電極連接，對參比電極輸出的電壓信號中的幹擾信號和電源エ頻50ΗΖ幹擾信號進行濾波後，與對參比電極輸出的電信號進行比較放大，輸出調整電壓信號V1至控制信號調理電路輸入端，微處理器控制D/A轉換電路輸出第一控制電壓信號Vtl至隔離電路輸入端，隔離電路對第一控制電壓信號Vtl進行比例放大，輸出第二控制電壓信號V2至控制信號調理電路輸入端與所述調整電壓信號V1進行疊カロ，控制信號調理電路對輸入信號進行傳輸阻抗匹配和功率放大，輸出第三控制電壓信號V3至工作電極，V3=VfV2t5電流測量電路中設有檢測電路和程控放大器,檢測電路將工作電極輸出的電流檢測信號放大、濾除幹擾信號並轉化為電壓檢測信號，輸出至程控放大器，微處理器控制程控放大器中的模擬開關進行放大檔位的選擇，輸出放大後電壓檢測信號至微處理器模塊；經A/D轉換模塊至微處理器。微處理器模塊,控制D/A轉換電路輸出控制電壓信號,控制程控放大器的模擬開關選擇放大檔位，將接收到的電壓檢測信號經A/D轉換電路轉換後，輸入至微處理器，微處理器根據物質濃度與電壓檢測信號之間的關係式，進行物質濃度擬合，得到測量結果，送至顯示及輸入輸出模塊；微處理器還用於控制切換開關切換三電極組，控制D/A轉換電路輸出相應的控制電壓信號，同時控制程控放大模擬開關選擇相應的放大檔位，實現對ー種以上物質的檢測。顯示及輸入輸出模塊顯示操作界面和測量結果、供用戶進行輸入操作。電源採用單電源轉成雙電源結構，對微處理模塊、酶電極檢測電路、電流測量電路、顯示及輸入輸出模塊進行供電。本生物檢測儀的基本原理是通過酶電極在被測物質中反應產生的反應電子，在微處理器產生的控制電壓信號下形成電流信號，然後將這電流信號轉換成電壓信號，得到與反應物質濃度成比例的電壓信號，再運用微處理器進行分析處理，根據反應物質濃度越高在相應酶電極上產生的電壓信號越強這ー化學原理，用多種酶電極進行測試得到檢測體系中各個成分的濃度配比。如圖2所示，隔離電路10中，控制電壓信號接電阻R9的一端，R9的另一端與U8運放正向輸入端連接，R8為反饋電阻U8的輸出經R14送入U5。微處理器在控制D/A下產生控制信號由U8晶片引入電路，該部分電路中還起作隔離作用。前端濾波電路20中，參比電極電壓信號經串聯的R12、R13送到運算放大器Ul正向輸入端，電容Cl 一端和Ul的正向輸入端連接,另一端接地，Ul的輸出反饋至反相輸入端，Ul的輸出還經C2反饋至R13的輸入端；U1的輸出經R11，送入U5進行比較放大。參比電極中的被測信號在電路R12、R13、C2、Cl構成的濾波網絡中進行針對電化學中幹擾信號和電源エ頻50HZ幹擾信號進行濾波；然後進入Ul高性能運放放大和輸入阻抗匹配，R16為電路開路保護電阻。控制信號調理電路30中，控制信號在U5中進行疊加，並在此保持恆定。控制信號進入U4晶片進行功率放大，加載於對電極，對電極的反應電子在控制電壓的作用下形成電流，該反應電流經過反應介質到達工作電極構成反應迴路。工作電極輸出的電流信號轉化為電壓檢測信號，送入價、服、1 17、1 19構成的檢測電路中，經過現構成的程控放大器進行信號放大，最後進行A/D轉換進入微處理器處理，經過線性擬合最後顯示出測量結果。電流檢測電路40中，流過對電極10的輸出電流信號，經過信號檢測電阻R18轉換成電壓信號，該電壓信號送入運放U6、U7的輸入端，U6、U7運放構成差動放大電路，以提高抗幹擾能力。U6、U7運放的輸出電壓信號經過R17和R19進入U9運放進行放大；U9運放、程控放大模塊、模擬電子開關組成分段放大電路；U9輸出電壓0-5伏經模數轉換送入微處理器進行分析。
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圖3所示的微處理器模塊是生物測試儀的控制核心。微處理器中採用ATmegal28單片機，在滿足控制、算法要求下使開發難度和成本降低；微處理器通過內部A/D晶片採集，對信號進行算法處理，並進行物質成分進行擬合；微處理控制D/A D/AC902晶片輸出控制電壓信號，進入信號處理模塊，加載到酶電極上對反應電流經行控制；電源部分採用單電源轉成雙電源結構滿足測試中電路供電要求。如圖4所示，為D/A模擬輸出轉換電路。採用DAC902晶片，數據端ロ D I — D 12與微處理相連。由於本電路需要直流耦合輸出，所以採用運算放大器0P680、R7、R8、R9、R11、R14、R15構成差分轉換放大電路；D/A模擬信號0P680第6腳輸出。如圖5所示的為電源電路。電池或外接直流9伏直流正電壓，經LMC7660I電壓轉換晶片輸出負9伏電壓,經7905穩壓後輸出負5伏電壓；另一路經晶片U7穩壓後輸出正5伏電壓。為電路提供正負5伏的電壓。微處理器檢測控制過程流程如圖6所示經過開機自檢、選擇檢測的物質、啟動D/A、輸出控制電壓信號、對程控放大開關進行放大量程切換、檢測工作電極輸出的物質反應電流、進行A/D轉換和數據篩選，完成第一種物質測量。然後返回選擇檢測的物質步驟進行下一物質的測定，最後顯示結果，完成測量。微處理器控制D/A輸出的第一控制電壓信號Vtl的大小和該電極上的電壓變化增量^^變化速率A相關，控制電壓信號「= /ん加載該式的控制電壓信號能夠達到工作電極的最大敏感電流，從而能夠提高測量精度。如圖7所示，微處理器對輸入的反應物質濃度的電壓檢測信號，進行連續採樣5次，在這5次的採集數據中找到中間值作為本次採集的有效值進行數據擬合圖中i、j為循環次數，a 口、temp []數組，D/Ata為輸出電壓。微處理器採用分斜率函數擬合方式，按照y = knx+4. 0665進行數據擬合，其中y為濃度，X為檢測電壓值，kn為第η種物質酶所對應的斜率，η為正整數，常數4. 0665為本電 極的修正值。
權利要求
1.ー種生物檢測儀，由酶電極模塊、微處理模塊、酶電極檢測電路、電流測量電路、電源和顯示模塊及輸入輸出模塊組成；其中，酶電極模塊由參比電極、對電極和工作電極三電極組組成，微處理模塊包括微處理器、A/D轉換模塊和D/A轉換模塊； 所述酶電極檢測電路由前端信號濾波電路、隔離電路、控制信號調理電路和信號放大模塊組成，所述前端信號濾波電路與三電極中的參比電極連接，對參比電極的電壓信號中的幹擾信號和電源エ頻50HZ幹擾信號進行濾波後，再與對參比電極輸出的電信號進行比較放大，輸出調整電壓信號V1至控制信號調理電路輸入端，微處理器控制D/A轉換電路輸出第一控制電壓信號Vtl至隔離電路輸入端，隔離電路對第一控制電壓信號Vtl進行比例放大，輸出第二控制電壓信號V2至控制信號調理電路輸入端與所述調整電壓信號V1進行疊カロ，控制信號調理電路對輸入信號進行傳輸阻抗匹配和功率放大，輸出第三控制電壓信號V3至對電極； 所述電流測量電路中設有檢測電路和程控放大器，所述檢測電路將對工作電極輸出的電流信號轉化為電壓檢測信號，輸出至程控放大器，微處理器控制程控放大器中的模擬開關進行放大檔位的選擇，輸出放大後電壓檢測信號至微處理器模塊；經A/D轉換模塊至微處理器； 微處理器模塊，控制D/A轉換電路輸出控制電壓信號，控制程控放大器的模擬開關選擇放大檔位，將接收到的電壓檢測信號經A/D轉換電路轉換後，輸入至微處理器，微處理器根據物質濃度與電壓檢測信號之間的關係式，進行物質濃度的擬合，得到測量結果，送至顯不及輸入輸出模塊； 顯示及輸入輸出模塊顯示操作界面和測量結果、供用戶進行輸入操作； 電源採用單電源轉成雙電源結構，對微處理模塊、酶電極檢測電路、電流測量電路、顯不及輸入輸出模塊進行供電。
2.根據權利要求I所述的生物檢測儀，其特徵是，所述微處理器控制D/A輸出的第一控制電壓信號Vtl的大小和該電極上的電壓變化増量VF、變化速率A相關，控制電壓信號
3.根據權利要求I所述的生物檢測儀，其特徵是，所述微處理器對輸入的反應物質濃度的所述電壓檢測信號，進行連續採樣5次，在這5次的採集數據中找到中間值作為本次採集的有效值進行數據擬合。
4.根據權利要求I所述的生物檢測儀，其特徵是，所述酶電極模塊中設有若干個三電極組和模擬切換開關，所述微處理器還用於控制切換開關切換三電極組，控制D/A轉換電路輸出相應的控制電壓信號，同時控制程控放大模擬開關選擇相應的放大檔位。
5.根據權利要求3所述的生物檢測儀，其特徵是，所述微處理器採用分斜率函數擬合方式，按照y = knx+4. 0665進行數據擬合，其中y為濃度，x為檢測電壓值，kn為第η種物質酶所對應的斜率，η為正整數，常數4. 0665為本電極的修正值。
全文摘要
一種生物檢測儀，由酶電極模塊、微處理模塊、酶電極檢測電路、電流測量電路、電源和顯示模塊及輸入輸出模塊組成；所述酶電極檢測電路由前端信號濾波電路、隔離電路、控制信號調理電路和信號放大模塊組成，所述電流測量電路中設有檢測電路和程控放大器，所述檢測電路將對工作電極輸出的電流信號轉化為電壓檢測信號，輸出至程控放大器，微處理器控制程控放大器中的模擬開關進行放大檔位的選擇，輸出放大後電壓檢測信號至微處理器模塊；經A/D轉換模塊至微處理器；微處理器模塊，控制D/A轉換電路輸出控制電壓信號，控制程控放大器的模擬開關選擇放大檔位。
文檔編號G01N27/26GK102854230SQ201210323450
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者金萬勤, 嚴奎, 儲震宇, 張豔男, 薛加彬 申請人:南京工業大學