一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀的製作方法

2023-06-03 07:12:36

一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於陣列傳感器的抗生素多殘留檢測儀，該檢測儀由檢測電路、陣列式傳感器、模擬多路開關、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構成。檢測晶片產生激勵電壓施加到陣列式傳感器上，通過模擬多路開關確定哪一路工作電極接通，並採集響應阻抗信號。陣列式傳感器各工作電極固定不同的抗生素適配體，與實際的樣品接觸後，根據各個傳感器阻抗值的變化來確定是否有抗生素超標，並確定抗生素的種類。本發明的抗生素殘留檢測儀可實現多殘留在線快速檢測，具有實用性強、攜帶方便、檢測精度高、檢測快速準確、易操作等特點，非常適合對抗生素殘留進行現場快速檢測的場合。
【專利說明】—種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀【技術領域】
[0001]本發明涉及一種抗生素多殘留檢測儀，尤其涉及一種基於陣列式傳感器的抗生素殘留檢測儀，其融合了生物傳感器檢測技術和嵌入式系統設計方法，用於方便、迅速、準確的檢測牛奶等農產品中含有何種抗生素殘留及是否超標。屬於農產品安全檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國畜牧養殖業的迅速發展，奶產量大幅度提高，新鮮牛奶和奶製品已經成為人民(尤其是老人和兒童)生活食品中的重要組成部分。然而，抗生素在現代畜牧業中的廣泛應用，不可避免地造成牛奶中抗生素殘留。若長期飲用含有抗生素的牛奶，無疑是等於長期服用小劑量的抗生素，對抗生素過敏體質的人服用殘留抗生素的牛奶後可引發過敏反應。正常飲用者，會導致體內的某些條件性致病菌易產生耐藥性，一旦患病再用同種抗生素治療很難奏效。抗生素殘留不僅危害人類健康，同時也影響牛奶的品質，造成經濟損失。由於奶牛乳腺炎發病率較高，用抗生素來治療乳腺炎等產科疾病仍較普遍，這容易導致在牛奶中抗生素的殘留。過量使用抗生素不可避免會使母體代謝產物等相關抗生素殘留於動物的肌肉、蛋、奶、臟器組織中，進而通過食物鏈影響人體健康。可見，加強對牛奶等農產品中抗生素殘留的檢測，尤其是保障人類健康有著十分深遠的意義。
[0003]傳統的抗生素殘留檢測方法主要有:氣相色譜(GC)、高效液相色譜法(HPLC)、色譜/質譜聯用技術(GC/LC-MS)、毛細管電泳法(CE)、螢光分析、酶聯免疫法(ELISA)。這些方法雖然選擇性好、靈敏度高、準確度高、檢出限低，可同時檢測多種元素或化合物，但其需要昂貴的儀器設備，樣品前處理過程繁瑣、費時，並且對分析人員的技術水平要求很高，不適於現場快速檢測。與傳統的分析方法相比，生物傳感器具有如下特點:(1)較高的選擇性，因此不需要對被測組分進行分離，即不用對樣品進行預處理。(2)結構簡單，體積小，使用方便，特別是可攜式的免疫傳感器，非常有利於農產品安全質量的快速測定。(3)可實現連續在線檢測，使食品加工過程的質量控制變得簡便。(4)響應速度快，樣品用量少，與其他大型分析儀器相比，免疫傳感器製作成本低，且可反覆使用。
[0004]發明的目的在於針對現有技術的不足，設計提供一種基於陣列式傳感器的抗生素殘留檢測儀，具有攜帶方便、檢測快速準確、操作簡單、可實現多殘留同時檢測等特點。
[0005]所述的一種基於陣列式傳感器的抗生素殘留檢測儀其檢測原理為:利用適配體與抗生素之間的特異性免疫反應，以適配體作為識別元件，採用固定化技術在工作電極表面固定不同種類的抗生素適配體，通過模擬多路開關使陣列式傳感器中的一個工作電極與共用的參比電極和對電極接通。通過傳感器在測試底液中導致的阻抗變化來確定樣品中含有何種抗生素，並根據不同抗生素產生阻抗變化的標準曲線，確定樣品中的抗生素的含量。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀由檢測電路、陣列式傳感器、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構成。檢測電路用來產生激勵電壓並施加到各免疫傳感器上，隨後採樣激勵後的響應信號並進行數字處理，將結果送入微控制器；微控制器及其上面運行的檢測程序對輸入信號進行再次處理，並對整個系統的運行進行控制和響應；按鍵用來輸入指令和檢測參數；顯示屏用來量化輸出呈現最終的檢測結果，是用戶與系統的交互界面；電源為整個系統供電。
[0007]本發明的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀具體結構為:抗生素多殘留檢測儀由檢測電路、陣列式傳感器、模擬多路開關、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構成，其中:檢測電路由供電電路、檢測晶片、撥碼開關、標定電阻、陣列式傳感器、模擬多路開關構成。供電電路與微控制器和檢測晶片相連，採用先經變壓器降壓再經濾波穩壓的方法獲得的+5V供電；晶片通過撥碼開關與標定電阻相連，根據輸入測量範圍參數，通過撥碼開關選擇相應標定電阻，以此調整測量靈敏度；在微控制器的控制下，晶片產生激勵電壓施加到陣列式免疫傳感器上並收集響應信號，經過離散型傅立葉變換後得到其實部與虛部，並將其輸出到微控制器。微控制器上運行檢測程序，將接收到的阻抗實部與虛部通過阻抗的模值與相角計算公式計算出阻抗的模值與相角，再經過校準後得出實際的阻抗值，與設定的反應前的阻抗值進行比較，得到變化率並對比標準曲線得出結論，送至顯示屏顯示。所述的顯示屏與微控制器相連，用於顯示數據及作為用戶進行交互操作的窗口，顯示屏採用LED12864，其功耗能夠滿足可攜式設備的功耗要求。所述的按鍵與微控制器和檢測電路相連，設有啟動、開始、復位、停止按鍵和四個檢測範圍檔位，用於輸入相關指令和檢測參數。所述電源與供電電路相連。
[0008]本發明的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，檢測使用時，首先通過撥碼開關選定標定電阻保證測量靈敏度，將陣列式傳感器放入待檢測溶液中，在微控制器的控制下，晶片產生激勵電壓施加到陣列式傳感器上並收集響應信號，經過離散型傅立葉變換後得到其實部與虛部，並將其輸出到微控制器，經微控制器及其檢測程序進行信號再處理，並與反應前阻抗值做比較，計算得出變化率。由於在陣列式傳感器的工作電極上固定不同種類的抗生素抗體，因此根據各傳感器阻抗變化率的大小即表明了檢測的樣品中含有何種抗生素及抗生素殘留的濃度。
[0009]為達到以上目的，陣列式傳感器採取以下技術方案實現:由一個圓形的電極盤組成，中心位置有對電極和參比電極，外圍是工作電極，以確保對電極、參比電極與各工作電極的距離相等，使各個工作電極與對電極之間的有相等的阻抗值。在工作電極與參比電極之間加300毫伏的工作電壓，測試液中測定的是工作電極與對電極之間的阻抗值。使用模擬多路開關確定哪一路工作電極接通。
[0010]本發明提供的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀應用到農產品中的抗生素殘留快速檢測領域，可以為檢測人員帶來極大的便利，能夠充分滿足抗生素殘留現場快速檢測的要求。相對於以往的檢測工作必須把各種待測樣品運輸到檢測中心，由專業工作人員在大型的工作站設備進行而言，本發明的檢測儀具有攜帶方便、檢測快速準確、操作簡單、實用性強等突出特點。
[0011]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發明的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀的結構框圖，
圖2為本發明中供電電路原理圖，
圖3為本發明中檢測電路原理圖。
【具體實施方式】[0012]下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作詳細說明。圖1為本發明的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀的結構框圖，本發明由檢測電路、陣列式免疫傳感器、模擬多路開關、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構成。其中檢測電路由供電電路、檢測晶片、撥碼開關、標定電阻、陣列式免疫傳感器連接構成。檢測電路用來產生激勵電壓並施加到免疫傳感器上，隨後採樣激勵後的響應信號並進行數字處理，將結果送入微控制器；微控制器及其上面運行的檢測程序對輸入信號進行再次處理，並對整個系統的運行進行控制和響應；按鍵用來輸入指令和檢測參數；顯示屏用來量化輸出呈現最終的檢測結果，是用戶與系統的交互界面；電源為整個系統供電。
[0013]所述的陣列式傳感器由一個圓形的電極盤組成，中心位置有對電極和參比電極，外圍是工作電極，以確保對電極、參比電極與各工作電極的距離相等，使各個工作電極與對電極之間的有相等的阻抗值。在工作電極與參比電極之間加300毫伏的工作電壓，測試液中測定的是工作電極與對電極之間的阻抗值。使用模擬多路開關確定哪一路工作電極接通。
[0014]所述微控制器選用STC89C52，其上加載檢測程序。檢測電路中的供電電路構成和原理如圖2所示，由變壓器Tl，橋式整流電路BR1，電解電容C1、C3，普通電容C2、C4，三端穩壓器Ul構成，其作用是為整個系統提供+5V的電源供電。本設計中電解電容C1、C2的作用是濾波，簡單的講就是電容兩端電壓升高時，電容充電，電壓降低時，電容放電，讓電壓降低時的坡度變得平緩，從而起到濾波的作用。普通電容C2、C4的作用是防止自激，其可以將高頻激信號吸收保持穩定，使電路沒有激勵信號，從而防止自激。三端穩壓器Ul的作用是將輸出電壓穩定在+5V上，Ul的輸出端和接地端分別接+5V和接地。
[0015]所述的檢測電路中核心部分檢測電路的構成如圖3所示:由檢測晶片U3，撥碼開關SW3，標定電阻R1、R2、R3、R4、R5，普通電容C7、C8構成，其作用是產生激勵電壓並施加到免疫傳感器上，隨後採樣激勵後的響應信號並進行數字處理，將結果送入微控制器。其中標定電阻Rl、R2、R3的作用是作為外接反饋電阻。撥碼開關SW3是四位撥碼開關，其作用是選擇合適的標定的電阻連入檢測電路來防止響應信號超過檢測晶片的量程並且保證系統的線性特性。標定電阻R4、R5的作用是作為上拉電阻連接在檢測晶片的15、16引腳與電源之間。電容C7、C8的作用是用來濾波和起保護作用的，防止電磁幹擾。檢測晶片U3是一款高精度的阻抗測量晶片，內部集成了帶有12位，採樣率高達IMSPS的AD轉換器的頻率發生器。其作用是產生特定頻率的激勵電壓來激勵待測元件，得到的響應信號被ADC採樣，並通過片上的DSP進行離散的傅立葉變換，傅立葉變換後返回在這個輸出頻率下得到的實部值和虛部值，並將結果送入微控制器。其15、16引腳通過上拉電阻R4、R5與+5V電源相連，其12、13、14引腳並聯接地，其9、10、11引腳並聯與+5V電源相連，其4、5引腳之間通過撥碼開關與標定電阻相連，其5、6用來接待測元件。
[0016]本發明的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，具體使用過程如下:在使用前將陣列式傳感器工作電極表面使用多壁碳納米管等納米材料進行化學修飾，提高傳感器檢測的靈敏度，之後在陣列式免疫傳感器工作電極表面分別固定不同種類的適配體。然後將陣列式適配體傳感器放入冰箱中，4° C下保存備用。使用時打開抗生素多殘留檢測儀的電源開關，將陣列式傳感器放入測試底液中測量初始阻抗值Al，並保存。將免疫傳感器放入事先處理好的樣品液中孵化10分鐘，再將傳感器連接至檢測儀進行阻抗測量，獲取第二次測量的阻抗值A2，微控制器將其送至顯示屏顯示。計算出變化率，變化率計算公式如下:
變化率= |A1-A2|/A1
如果樣品液中含有抗生素，則含相應抗生素的工作電極發生特異性免疫反應，導致反應後的相應傳感器阻抗值明顯增大。Al與A2的差值越大，表明檢測溶液中的含有某種抗生素殘留的濃度越高。對比標準曲線得到樣品中抗生素殘留的濃度，在顯示屏顯示。阻抗變化率與抗生素殘留濃度關係標準曲線，可以通過抗生素殘留檢測儀對多組不同濃度不同種類的抗生素加標測定得出。
[0017]本發明的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀檢測方法操作工藝簡單，檢測時間較短，可實現抗生素殘留的定性定量測量，具有靈敏度高，穩定性好、重現性好等優點，符合我國抗生素殘留快速檢測技術發展和國際化要求。
【權利要求】
1.一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，其特徵在於由檢測電路、陣列式免疫傳感器、模擬多路開關、微控制器、按鍵、顯示屏及電源構成: 所述的檢測電路由供電電路、檢測晶片、撥碼開關、標定電阻、陣列式傳感器、模擬多路開關構成；供電電路與微控制器和檢測晶片相連，採用先經變壓器降壓再經濾波穩壓的方法獲得的5V供電電路；晶片通過撥碼開關與標定電阻相連，根據輸入測量範圍參數，通過撥碼開關選擇相應標定電阻，以此調整測量靈敏度；在微控制器的控制下，晶片產生激勵電壓施加到與待測液發生特異性免疫反應後的免疫傳感器上並收集響應信號，經過離散型傅立葉變換後得到其實部與虛部，並將其輸出到微控制器； 所述的陣列式傳感器，由一個圓形的電極盤組成，中心位置有對電極和參比電極，外圍是工作電極，以確保對電極、參比電極與各工作電極的距離相等，使各個工作電極與對電極之間的有相等的阻抗值，在工作電極與參比電極之間加300毫伏的工作電壓，測試底液中測定的是工作電極與對電極之間的阻抗值，使用模擬多路開關確定哪一路工作電極接通；所述的微控制器上運行檢測程序，將接收到的阻抗實部與虛部通過阻抗的模值與相角計算公式計算出阻抗的模值與相角，再經過校準後得出實際的阻抗值，與設定的反應前的阻抗值進行比較，得出變化率，對比標準曲線得出結論，送至顯示屏顯示； 所述的顯示屏與微控制器相連，用於顯示數據及作為用戶進行交互操作的窗口 ； 所述按鍵與微控制器和檢測電路相連，用於輸入相關指令和檢測參數； 所述電源與供電電路相連。
2.根據權利要求1所述的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，其特徵在於所述的檢測晶片採用AD5933晶片。
3.根據權利要求1所述的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，其特徵在於所述微控制器上運行的檢測程序。
4.根據權利要求1所述的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，其特徵在於所述微控制器選用STC89C52微控制器。
5.根據權利要求1所述的一種基於陣列式傳感器的抗生素多殘留檢測儀，其特徵在於所述的陣列式傳感器為適配體傳感器，工作電極表面固定不同種類的抗生素適配體，通過模擬多路開關使陣列式傳感器中的一個工作電極與共用的參比電極和對電極接通，通過傳感器在測試底液中導致的阻抗變化來確定樣品中含有何種抗生素，並根據不同抗生素產生阻抗變化的標準曲線，確定樣品中的抗生素的含量。
【文檔編號】G01N27/02GK103558258SQ201310577998
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】孫霞, 郭業民, 王相友, 劉君峰, 丁將 申請人:山東理工大學