專利名稱：一種海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物檢測儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器 及其方法。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)中葉以來，隨著人類對生命本質(zhì)、生命過程和生命體與其生存環(huán)境的信 息交流的認識的不斷深入，研究發(fā)展新的分析手段越來越重要。分析生物技術(shù)的一個重要 領(lǐng)域便是生物傳感器(biosensor)，它是用生物活性材料(酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生 物膜等)與物理化學(xué)換能器有機結(jié)合的一門交叉學(xué)科，結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué) 和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測的物質(zhì)進行快速分析和跟蹤。因此，生物傳 感器是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快 速、微量分析方法。生物傳感器的傳感原理如圖1所示，其構(gòu)成包括兩部分生物敏感膜和換能器(又 稱一次儀表)。被分析物擴散進入固定化生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生 的信息繼而被相應(yīng)的化學(xué)換能器或物理換能器轉(zhuǎn)變成定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀 表(檢測放大器)放大并輸出，便可知道待測物濃度。20世紀(jì)70年代中期至整個80年代，生物技術(shù)、生物電子學(xué)和微電子學(xué)不斷滲透、 融合，致使生物傳感器不再限制于生物反應(yīng)的電化學(xué)過程，而是根據(jù)生物學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的 各種信號(如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)和質(zhì)量變化)來設(shè)計各種精密的探測裝置。如1974 年，Lund大學(xué)的K. Moshach和B. Danielsson發(fā)明了熱生物傳感器，與之同時報道熱生物傳 感器的還有C. L. Cooney等、Janata關(guān)于酶場效應(yīng)晶體管的專利、D. ff. Lubber s和N. Optiz 發(fā)明的酶光極(酶光纖傳感器)、Giulbault報道的壓電晶體酶傳感器。B. Liedberg等利 用表面等離子體共振(surface plasmon resonance)方法，能夠適時地對生物親和反應(yīng)進 行監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，瑞典Pharmacia公司在1990年推出商用儀器BIAcore，成為目前研究 生物分子之間相互作用最優(yōu)秀的實驗工具。1984年，英國學(xué)者A. E. G. Cass等首次建立了 介體酶電極方法，利用化學(xué)介體戊二醛取代分子氧作為氧化還原酶酶促反應(yīng)得電子受體， 這篇文章促成了 1987年美國MediSene公司開發(fā)成功的印刷酶電極。在這一時期，生物傳 感器的研究成果十分豐富，有關(guān)文獻數(shù)量迅速增加，在功能方面，生物傳感器已經(jīng)發(fā)展到活 體(in vivo)測定、多指標(biāo)測定和聯(lián)機在線測定，檢測對象包括各種常見的生物化學(xué)物質(zhì)， 在臨床、發(fā)酵、食物、化工和環(huán)保等方面均顯示了廣泛的應(yīng)用前景。在各國科學(xué)家的推動下，從1990年開始至今，每隔兩年來自世界各地的學(xué)者都會 匯聚一起召開“世界生物傳感學(xué)術(shù)大會”。通過學(xué)術(shù)交流，展示了許多新思想、新概念、新成 果和新技術(shù)。踏入二十一世紀(jì)，微系統(tǒng)分析技術(shù)的快速發(fā)展對生物傳感器提出了更高的要 求，生物傳感器陣列、DNA生物芯片等受到廣泛的關(guān)注，成為熱門的研究課題?；蚣夹g(shù)在 生物傳感器方面的應(yīng)用也越來越多。2004年，在西班牙Granada召開了第8屆國際生物傳 感學(xué)術(shù)大會，有700多名入會者，會議收錄論文達500多篇。會議內(nèi)容十分豐富，主題廣泛，涉及核酸生物傳感器與DNA芯片、生物電子學(xué)、生物燃料電池、微分析系統(tǒng)、酶傳感器、器官 與全細胞生物傳感器、傳感器系統(tǒng)集成、蛋白質(zhì)組學(xué)和單細胞分析、免疫生物傳感器、天然 受體與合成受體生物傳感器、新的信號傳導(dǎo)技術(shù)、商業(yè)化和市場開發(fā)等。這現(xiàn)象表明，生物 傳感器這個多學(xué)科交叉領(lǐng)域，在經(jīng)歷了 30年的發(fā)展和一代人的努力奮斗以后，出現(xiàn)和融會 了許多新知識、新技術(shù)和新人才。在生物傳感器領(lǐng)域里，學(xué)科廣泛交叉，不同學(xué)科之間的界 限已經(jīng)難以分清，孕育著新的發(fā)展機遇和高潮。美國斯坦福大學(xué)的Wang等人則致力于研究單個磁標(biāo)記的探測，最終目的是使其 適用于DNA片段的探測。他們在平行于12X3 y m2的GMR自旋閥平面施加一個偏置磁場， 使其處于線性敏感區(qū)的工作點，然后在平面內(nèi)垂直于偏置磁場的方向再施加一個調(diào)制磁 場。在最近的研究工作中，他們改良了磁標(biāo)記探測的設(shè)計，采用鎖相放大技術(shù)，提高測量極 限到1到10個llnm的Co納米顆粒。他們宣稱這種GMR傳感器的構(gòu)型，已經(jīng)成功地實現(xiàn)用 2. 8u mDyna磁標(biāo)記的免疫檢測。葡萄牙里斯本計算機科學(xué)與工程研究所(INESC)進一步研究了利用錐形鋁電流 線控制單個磁珠標(biāo)記的位置，并利用GMR傳感器進行探測，分析了其信號大小和噪聲的問 題，并給出了他們測量裝置的測量極限是Nanomag公司的單個250nm的標(biāo)記；在此基礎(chǔ)上， Ferreira等人在GMR自旋閥表面引入微導(dǎo)流管系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測的生物傳感器模型。 在這種生物傳感器模型中，使帶有磁標(biāo)記的生物檢測成分在流通一個GMR自旋閥表面時發(fā) 生特異性免疫應(yīng)答，另外一個自旋閥用光刻膠保護作為參考器件，兩者串聯(lián)并通過檢測各 自兩端電壓值的差分放大值作為檢測信號。因此，即使不施加調(diào)制磁場，也能檢測單個2 y m 的磁標(biāo)記。與此同時，國際上不少公司對此技術(shù)給予關(guān)注并進行研究，如比利時的IMEC，荷蘭 的Philips公司研究所等。國內(nèi)其他單位，如北京博奧生物芯片有限責(zé)任公司，浙江大學(xué)生 物醫(yī)學(xué)工程研究，中國科學(xué)院微生物研究所，上海交通大學(xué)，東南大學(xué)等在生物傳感器方面 有不俗的研究基礎(chǔ)，但尚沒有進行關(guān)于磁生物傳感器、特別是把巨磁致電阻器件應(yīng)用于免 疫生物傳感器的研究。2.檢測原理磁場可以使很多金屬的電阻發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻 (magnetoresistance)效應(yīng)。如果以磁電阻率n
toon] n = (Rh-R0) /R0 = ( p h" p o) / p o(其中Rh(Pq)為磁場為H時的電阻(率)，^(P。)為磁場為零時的電阻(率)) 來表征磁致電阻效應(yīng)大小的話，一般不超過2% 3%。GMR效應(yīng)主要指磁性多層膜和顆粒膜等的與電子自旋相關(guān)的磁致電阻效應(yīng)?？啥?性地以一多層膜結(jié)構(gòu)——兩層鐵磁性金屬(FM)薄膜之間以非鐵磁性金屬(NM)薄膜隔開來 示意GMR結(jié)構(gòu)模型。見圖2，在多層膜中非鐵磁層金屬層對自旋方向相反的兩組傳導(dǎo)電子的 影響是相同的，故只考慮鐵磁層金屬層的影響。當(dāng)非鐵磁性金屬薄膜的厚度控制在某一范 圍時，上下兩鐵磁性金屬薄膜層通過中間非鐵磁性金屬層的交換作用，會耦合成反平行的 磁化方向。此時，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過磁矩取向與其自旋相同的鐵磁金屬層 后，在另一個磁矩方向相反的鐵磁金屬層那里受到強烈的散射。此時，宏觀上來說，多層膜 處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，可見圖2(a)中的電阻網(wǎng)絡(luò)，其中R>r。若施加足夠大的外磁場，則會破
5壞鐵磁性金屬薄膜之間的耦合作用，使其磁化方向與外磁場相互平行。此時，盡管一部分自 旋方向與磁矩方向相反的傳導(dǎo)電子在每一層鐵磁層都受到強烈的散射作用，但是與磁矩方 向相同的那一部分傳導(dǎo)電子則可以輕易的穿過多層鐵磁金屬層。也就是說，有一半傳導(dǎo)電 子存在低電阻通道，在宏觀上多層膜處于低電阻狀態(tài)，圖2 (b)。這樣，隨著外磁場的影響，多 層膜就呈現(xiàn)出GMR效應(yīng)。磁標(biāo)記免疫生物傳感器的原理性結(jié)構(gòu)和工作方式如圖3所示。1為非待測生物體， 通常在單晶硅襯底8上制備多層結(jié)構(gòu)的GMR自旋閥免疫生物傳感器件7，然后在該傳感器件 上做一層保護層6，如氮化硅、二氧化硅等，同時再做一層支撐層(為了更好的與生物分子 連接)或生物固定層5，最后通過生物固定層5固定待測病原體的免疫抗體4。當(dāng)待測樣品 中的病原體3 (抗原)流經(jīng)傳感器表面時與被固定的抗體4產(chǎn)生抗原一抗體免疫應(yīng)答反應(yīng)， 此抗原3進一步與免疫磁珠2上的二抗結(jié)合，形成“一抗一抗原一二抗一免疫磁珠”聯(lián)合體。 免疫磁珠2的存在改變外磁場的局域空間分布，被傳感器探測到，輸出電信號的變化，產(chǎn)生 “抗原一固定免疫磁珠一電信號輸出”這一一對應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，從而判斷待測樣品之中是否 存在待測抗原?，F(xiàn)有技術(shù)的檢測，就是在磁珠接掛前后，利用電橋法分別測量GMR自旋閥表面的 外加磁場上升到磁敏感點的時候GMR自旋閥電阻值的大小。電阻值的變化，定性地反映了 GMR自旋閥表面磁珠接掛的數(shù)量。但是這種測量方式只限于定性的測量，而無法實現(xiàn)實時的 定量的測量，因而無法滿足實際的需求。為了解決這個問題又出現(xiàn)了一種新的檢測方式，如中國專利200910041727. 3基 于GMR自旋閥免疫生物傳感器的檢測方法及系統(tǒng)，將該GMR自旋閥免疫生物傳感器置于復(fù) 合掃描磁場內(nèi)，測量該傳感器表面滴加免疫磁珠前后磁敏感點對應(yīng)的磁場偏移量之差，計 算免疫磁珠數(shù)量。由于其系統(tǒng)中的螺線管采用的是單層的線圈，因而將GMR自旋閥免疫生 物傳感器置于該單層線圈產(chǎn)生的復(fù)合掃描磁場內(nèi)，這樣在測量的精度方面，不是很高；此 外，在測量后的數(shù)據(jù)處理的過程中，采用了正交矢量算法，由于傳感器在敏感區(qū)中部隨機噪 聲比較大，該算法無法消除這些噪聲，這也很大程度上影響了測量的精度和最后的效果。同 時，在測量的過程中，同一芯片組間的不同傳感器之間也會存在差異，而且也會存在熱穩(wěn)定 性差的問題，通常的解決辦法，是通過重復(fù)測量來使測量結(jié)果更為可靠。以上提到的這些問 題，都會一定程度上影響測量的精確度。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確測量的海洋細菌病 毒磁傳感檢測儀器及其方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，包括電源、系統(tǒng)板、螺線管、用戶接口以及檢 測芯片組，電源為系統(tǒng)板供電，檢測芯片組置于螺線管中，并反饋信號給系統(tǒng)板，系統(tǒng)板為 螺線管提供復(fù)合磁場，用戶接口和系統(tǒng)板相連，完成數(shù)據(jù)的互相交換，該螺線管包括絕緣材 料制成的支撐層，以及繞制于其上的兩層線圈。這里螺線管包括兩層線圈，這樣可以同時產(chǎn) 生兩種磁場，從而使得測量的精度和準(zhǔn)確度升高。該兩層線圈分別用來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場和掃描交直流復(fù)合磁場，該檢測芯片組包括印刷電路板和設(shè)置于其上的自旋閥傳感器。兩種磁場綜合作用，使得測量的準(zhǔn)確性和精度都 相應(yīng)提高。每層線圈包括繞制于中部的主線圈以及繞制于兩端的補償線圈。主線圈加上補償 線圈后，能延長螺線管內(nèi)部穩(wěn)恒磁場的范圍，從而增加可測量傳感器的數(shù)量。雙線圈設(shè)計跟 單線圈設(shè)計相比，能大大減少掃描磁場的發(fā)熱問題，減少掃描過程中線圈內(nèi)部的溫度漂移。該螺線管的長度大于或等于8cm，該螺線管采用0. 1mm或0. 2mm的銅線繞制。在該螺線管上部和下部還分別設(shè)有換熱風(fēng)扇，且兩個換熱風(fēng)扇的吹風(fēng)方向相同。 在螺線管兩側(cè)設(shè)有兩個風(fēng)扇，兩個風(fēng)扇設(shè)計為單一風(fēng)道，即一端的風(fēng)扇把風(fēng)往螺線管上吹， 另一個風(fēng)扇把風(fēng)從螺線管往外抽。采用雙風(fēng)扇主動散熱設(shè)計后，能有效把螺線管上產(chǎn)生的 熱量帶走，保持螺線管工作時的溫度穩(wěn)定性。該系統(tǒng)板包括信號調(diào)理模塊對檢測芯片組輸出的信號進行增益、去噪并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；算法與控制模塊對信號調(diào)理模塊輸出的信號進行處理；磁場調(diào)控模塊包括穩(wěn)恒磁場驅(qū)動模塊和掃描交直流復(fù)合磁場驅(qū)動模塊，根據(jù)算 法與控制模塊的輸出信號進行磁場調(diào)控；檢測調(diào)控模塊根據(jù)算法與控制模塊的輸出信號對檢測芯片組供電并對不同的芯 片組進行選通切換。溫度監(jiān)控模塊檢測螺線管內(nèi)部溫度并反饋信號給算法與控制模塊進行溫度調(diào) 節(jié)。這里設(shè)置的溫度監(jiān)控模塊，通過查表法對最大值擬合點進行溫度補償，可以改進 傳感器片間差異的問題以及熱穩(wěn)定性差的問題，有效提高自旋閥傳感器的測量精度以及測 量重復(fù)性，并且使測量結(jié)果更可靠。穩(wěn)恒磁場驅(qū)動模塊包括參考電壓芯片，放大器和功率管，使得螺線管產(chǎn)生直流穩(wěn) 恒磁場，該掃描交直流復(fù)合磁場驅(qū)動模塊包括兩個16位高速D/A轉(zhuǎn)換器，放大器和功率管， 使得螺線管產(chǎn)生一個可控直流偏置磁場和固定幅值固定頻率的交變磁場二者混合而成的 綜合磁場。該溫度監(jiān)控模塊包括恒流源、熱變電阻、放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器，該恒流源提供恒 定電流驅(qū)動熱變電阻，而該放大器隔離采集該熱變電阻兩端電壓，該A/D轉(zhuǎn)換器對放大器 的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并輸出給算法與控制模塊。一種海洋細菌病毒磁傳感檢測器的檢測方法，包括(1)將檢測芯片組置于螺線管內(nèi)，改變該螺線管中的直流偏置磁場N，并讀取相應(yīng) 的檢測芯片組信號強度S，當(dāng)直流偏置磁場N增加到設(shè)定值后，停止上述過程，獲得S關(guān)于N 的曲線；(2)對該曲線進行高階多項式擬合，得到相應(yīng)的擬合曲線；(3)在該擬合曲線中尋找S的最大值點，然后讀取該最大值點所對應(yīng)的偏置點N1， 作為一個中間參考量，定義為Qln ；(4)在該檢測芯片組表面滴加經(jīng)過處理的待檢測的海水與磁珠混合液體，重復(fù)所 述⑴至(3)的過程，得到一組新的中間參考量Q2n;(5)計算Qn = Q2n-Qln,再將Qn輸入定標(biāo)曲線，獲得對應(yīng)的磁珠數(shù)量；再根據(jù)磁珠數(shù)量與特定的病毒或細菌濃度對應(yīng)關(guān)系，得到待測的病毒或細菌濃度，測量完成。由于采用了二次高階多項式擬合算法，對采樣曲線進行擬合，進而選取擬合曲線 的最大值點橫坐標(biāo)作為標(biāo)定參考點。與原方法相比，擬合方法得到的物理信息更為完備，能 很好地去除傳感器在敏感區(qū)中部所引入的隨機噪聲。因此，從擬合曲線中得到的最大值點， 測量精度與重復(fù)性都比原方法有大幅度提高。該高階多項式擬合為3階到23階32位定點二次多項式擬合算法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明能夠通過對免疫磁珠進行定量的檢測，從而間接地反映出待測樣本中抗 原、病菌、病毒的濃度或具體數(shù)量，跟現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不使用參考GMR芯片，無需電 橋，節(jié)省了成本。而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶。


圖1為生物傳感器的傳感原理示意圖；圖2為本發(fā)明GMR結(jié)構(gòu)模型示意圖；圖3為本發(fā)明磁標(biāo)記免疫生物傳感器的原理性結(jié)構(gòu)和工作方式示意圖；圖4為本發(fā)明的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器的系統(tǒng)框圖；圖5為本發(fā)明的螺線管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明系統(tǒng)板的結(jié)構(gòu)框圖；圖7為本發(fā)明海洋細菌病毒磁傳感檢測器的信號處理流程圖；圖8為本發(fā)明的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器的檢測方法的測量步驟；圖9為基于FPGA的算法處理模塊示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。實施例1本發(fā)明目的是研究實現(xiàn)一種用于檢測海水中多種細菌與病毒濃度的儀器。該儀器 應(yīng)用了基于自旋閥傳感器的掃描磁場檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測海水中是否存在若干中 待測病菌和病毒。如圖4所示，是本發(fā)明的一種海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器的系統(tǒng)框圖，它由五 部分組成，電源、系統(tǒng)板、螺線管、用戶接口以及檢測芯片組，電源為系統(tǒng)板供電，檢測芯片 組置于螺線管中，并反饋信號給系統(tǒng)板，系統(tǒng)板為螺線管提供復(fù)合磁場，用戶接口和系統(tǒng)板 相連，完成數(shù)據(jù)的互相交換。這里電源可以使用低噪聲線性穩(wěn)壓電源；而用戶接口包括帶觸 摸屏的液晶顯示，以及與計算機相連的USB通訊；檢測芯片組由印刷電路板和自旋閥傳感 器組成。這里，螺線管的結(jié)構(gòu)如圖5所示該螺線管包括絕緣材料制成的支撐層，以及繞制 于其上的兩層線圈，兩層線圈分別用來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場和掃描交直流復(fù)合磁場，螺線管的長 度至少為8CM，使用0. 1mm或者0. 2mm的銅線密繞若干圈。這里每層線圈除了繞制于中部的 主線圈外，還分別在左右兩端密繞數(shù)層作補償線圈。這里，由圖中還可以看出，該螺線管上 部和下部還分別設(shè)有換熱風(fēng)扇，且兩個換熱風(fēng)扇的吹風(fēng)方向相同，即，將兩個風(fēng)扇設(shè)計為單一風(fēng)道，一個風(fēng)扇把風(fēng)往螺線管上吹，另一個風(fēng)扇把風(fēng)從螺線管往外抽。采用雙風(fēng)扇主動散 熱設(shè)計后，能有效地把螺線管產(chǎn)生的熱量帶走，保持螺線管工作時的溫度穩(wěn)定性。如圖6所示，為系統(tǒng)板的結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)板包括信號調(diào)理模塊負責(zé)將傳感器輸入信號進行適當(dāng)?shù)脑鲆嬉约叭ピ?，再進行高精度 數(shù)模轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號。它由多種模擬放大器以及模擬濾波器、24位高速A/D轉(zhuǎn)換器組 成，磁場調(diào)控模塊根據(jù)算法與控制模塊的輸出信號進行磁場調(diào)控；包括穩(wěn)恒磁場驅(qū) 動模塊和掃描交直流復(fù)合磁場驅(qū)動模塊，它們分別獨立驅(qū)動一層線圈。穩(wěn)恒磁場驅(qū)動模塊 由參考電壓芯片，放大器和功率管組成，負責(zé)驅(qū)動第一層線圈產(chǎn)生直流穩(wěn)恒磁場。掃描交直 流復(fù)合磁場驅(qū)動模塊由兩個16位高速D/A轉(zhuǎn)換器，放大器和功率管組成，負責(zé)驅(qū)動第二層 線圈產(chǎn)生一個可控直流偏置磁場和固定幅值固定頻率的交變磁場二者混合而成的綜合磁 場。算法與控制模塊對信號調(diào)理模塊輸出的信號進行處理；它由FPGA組成。其中又 分為系統(tǒng)控制部分與數(shù)字算法處理部分。系統(tǒng)控制部分由內(nèi)嵌軟核實現(xiàn)，負責(zé)進行數(shù)據(jù)處 理，檢測流程控制，人機接口控制等。數(shù)字算法處理部分由C0RDIC算法以及LOCK-IN算法 組成，分別負責(zé)交流磁場數(shù)字信號的產(chǎn)生以及傳感器輸入信號的去噪以及幅值提取。溫度監(jiān)控模塊檢測螺線管內(nèi)部溫度并反饋信號給算法與控制模塊進行溫度調(diào) 節(jié)；溫度監(jiān)控模塊包括恒流源、熱變電阻、放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器，恒流源提供恒定電流驅(qū) 動熱變電阻，而放大器隔離采集該熱變電阻兩端電壓，A/D轉(zhuǎn)換器對放大器的輸出信號進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換并輸出給算法與控制模塊。整個溫度監(jiān)控模塊負責(zé)監(jiān)測螺線管內(nèi)部溫度。檢測調(diào)控模塊根據(jù)算法與控制模塊的輸出信號對檢測芯片組供電并對不同的芯 片組進行選通切換。它由恒流源，繼電器組或者模擬選通器組成，負責(zé)給傳感器提供穩(wěn)恒電 流。實施例2如圖7和8所示，一種海洋細菌病毒磁傳感檢測器的檢測方法，包括以下步驟(1)將檢測芯片組置于螺線管內(nèi)，啟動儀器，改變該螺線管中的直流偏置磁場N， 并讀取相應(yīng)的檢測芯片組信號強度S，當(dāng)直流偏置磁場N增加到設(shè)定值隊后，停止上述過 程，獲得S關(guān)于N的曲線；(2)對該曲線進行高階多項式擬合，這里采用3階到23階32位定點二次多項式擬 合算法(優(yōu)選階數(shù)為5到10階)，得到相應(yīng)的擬合曲線；(3)在該擬合曲線中尋找S的最大值點，然后讀取該最大值點所對應(yīng)的偏置點N1， 作為一個中間參考量，定義為Qln ；(4)在該檢測芯片組表面滴加經(jīng)過處理的待檢測的海水與磁珠混合液體，重復(fù)所 述⑴至⑶的過程，得到一組新的中間參考量Q2n ；(5)計算Qn = Q2n-Qln,再將Qn輸入定標(biāo)曲線，獲得對應(yīng)的磁珠數(shù)量；再根據(jù)磁珠 數(shù)量與特定的病毒或細菌濃度對應(yīng)關(guān)系，得到待測的病毒或細菌濃度，測量完成。這里的高階多項式擬合為3階到23階32位定點二次多項式擬合算法。如圖9所示，為基于FPGA的算法處理模塊示意圖。這里通過硬件實現(xiàn)基于C0RDIC的正交相關(guān)算法，用于提取傳感器的有效信號強度。首先它通過硬件實現(xiàn)并行的3階到23階32位定點二次多項式擬合算法，用于對采集到的有效信號_掃描磁場曲線進行擬合。其次，采用嵌入式系統(tǒng)，如NI0S，實現(xiàn)對擬合曲線尋找最大值點。再次，通過前期實驗摸索出溫度與最大值點漂移的對應(yīng)關(guān)系，整理成數(shù)據(jù)表固化 成硬件ROM模塊。采用通過溫度監(jiān)控模塊采集到的溫度對最大值點進行插值補償。最后得 到的信號值用于表征傳感器的本底信號與滴加磁珠后的綜合信號。
權(quán)利要求
一種海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，包括電源、系統(tǒng)板、螺線管、用戶接口以及檢測芯片組，電源為系統(tǒng)板供電，檢測芯片組置于螺線管中，并反饋信號給系統(tǒng)板，系統(tǒng)板為螺線管提供復(fù)合磁場，用戶接口和系統(tǒng)板相連，完成數(shù)據(jù)的互相交換，其特征在于該螺線管包括絕緣材料制成的支撐層，以及繞制于其上的兩層線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于該兩層線圈分 別用來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場和掃描交直流復(fù)合磁場，該檢測芯片組包括印刷電路板和設(shè)置于其上 的自旋閥傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于每層線圈包括 繞制于中部的主線圈以及繞制于兩端的補償線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于該螺線管 的長度大于或等于8cm，該螺線管采用0. 1mm或0. 2mm的銅線繞制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于在該螺線 管上部和下部還分別設(shè)有換熱風(fēng)扇，且兩個換熱風(fēng)扇的吹風(fēng)方向相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于該系統(tǒng)板 包括信號調(diào)理模塊對檢測芯片組輸出的信號進行增益、去噪并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；算法與控制模塊對信號調(diào)理模塊輸出的信號進行處理；磁場調(diào)控模塊包括穩(wěn)恒磁場驅(qū)動模塊和掃描交直流復(fù)合磁場驅(qū)動模塊，根據(jù)算法與 控制模塊的輸出信號進行磁場調(diào)控；檢測調(diào)控模塊根據(jù)算法與控制模塊的輸出信號對檢測芯片組供電并對不同的芯片組 進行選通切換。溫度監(jiān)控模塊檢測螺線管內(nèi)部溫度并反饋信號給算法與控制模塊進行溫度調(diào)節(jié)；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于穩(wěn)恒磁場驅(qū)動 模塊包括參考電壓芯片、放大器和功率管，使得螺線管產(chǎn)生直流穩(wěn)恒磁場，該掃描交直流復(fù) 合磁場驅(qū)動模塊包括兩個16位高速D/A轉(zhuǎn)換器、放大器和功率管，使得螺線管產(chǎn)生一個可 控直流偏置磁場和固定幅值固定頻率的交變磁場二者混合而成的綜合磁場。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，其特征在于該溫度監(jiān)控模 塊包括恒流源、熱變電阻、放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器，該恒流源提供恒定電流驅(qū)動熱變電阻， 而該放大器隔離采集該熱變電阻兩端電壓，該A/D轉(zhuǎn)換器對放大器的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn) 換并輸出給算法與控制模塊。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項的海洋細菌病毒磁傳感檢測器的檢測方法，包括 (1)將檢測芯片組置于螺線管內(nèi)，改變該螺線管中的直流偏置磁場N，并讀取相應(yīng)的檢測芯 片組信號強度S，當(dāng)直流偏置磁場N增加到設(shè)定值隊后，停止上述過程，獲得S關(guān)于N的曲 線.一入 ，其特征在于還包括以下步驟(2)對該曲線進行高階多項式擬合，得到相應(yīng)的擬合曲線；(3)在該擬合曲線中尋找S的最大值點，然后讀取該最大值點所對應(yīng)的偏置點N1，作為 一個中間參考量，定義為Qln;(4)在該檢測芯片組表面滴加經(jīng)過處理的待檢測的海水與磁珠混合液體，重復(fù)所述(1)至(3)的過程，得到一組新的中間參考量Q2n ；(5)計算Qn = Q2n-Qln，再將Qn輸入定標(biāo)曲線，獲得對應(yīng)的磁珠數(shù)量；再根據(jù)磁珠數(shù)量 與特定的病毒或細菌濃度對應(yīng)關(guān)系，得到待測的病毒或細菌濃度，測量完成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的海洋細菌病毒磁傳感檢測方法，其特征在于該高階多項式 擬合為3階到23階32位定點二次多項式擬合算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器，包括電源、系統(tǒng)板、螺線管、用戶接口以及檢測芯片組，電源為系統(tǒng)板供電，檢測芯片組置于螺線管中，并反饋信號給系統(tǒng)板，系統(tǒng)板為螺線管提供復(fù)合磁場，用戶接口和系統(tǒng)板相連，完成數(shù)據(jù)的互相交換，該螺線管包括絕緣材料制成的支撐層，以及繞制于其上的兩層線圈。本發(fā)明的海洋細菌病毒磁傳感檢測儀器成本較低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，檢測結(jié)果較為精確。本發(fā)明同時提供了一種海洋細菌病毒磁傳感檢測器的檢測方法，本方法操作簡單，可靠性和精度均較高。
文檔編號C12Q1/70GK101858886SQ20101017907
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者何振輝, 劉永峰, 張嘉鵬, 王自鑫, 陳弟虎 申請人:中山大學(xué)