專利名稱：一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，特別是關(guān)于一種可快速檢測(cè)水中污染物的基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)生物傳感器分析儀。
背景技術(shù)：
近年來，全球范圍內(nèi)環(huán)境污染對(duì)水環(huán)境安全和人類健康的危害日益引起廣泛關(guān)注。尤其在我國(guó)，有毒有害污染物大量增加，污染事故頻頻發(fā)生，嚴(yán)重危及我國(guó)可持續(xù)發(fā)展。為了能夠有效控制有毒有害污染物(尤其是持久性有毒污染物)，急需有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)儀器。但是現(xiàn)在使用的常規(guī)分析測(cè)試方法(如HPLC)，需要采集水樣后，從現(xiàn)場(chǎng)返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，檢測(cè)步驟也比較繁瑣。更為重要的是，由于水樣容易變化，保存和運(yùn)輸過程都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。
為了解決現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的問題，各國(guó)研究團(tuán)體相繼開展針對(duì)有毒污染物快速檢測(cè)技術(shù)的研究。在這些研究中，環(huán)境生物傳感器技術(shù)表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著這種分析器件的核心技術(shù)(傳感原理和識(shí)別機(jī)制)日益成熟，各國(guó)都紛紛進(jìn)行相關(guān)的生物傳感器集成分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)，一方面可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)一步完善環(huán)境生物傳感器技術(shù)，另外一個(gè)方面也推動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的發(fā)展。
由于生物傳感技術(shù)種類繁多，因此相應(yīng)的集成分析系統(tǒng)也有較大差異。盡管如此，結(jié)合水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求來看，生物傳感器系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)有一定的共性，如可靠性好，可以在現(xiàn)場(chǎng)工作，能適應(yīng)各種環(huán)境；操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，便于一般技術(shù)人員操作；小型化或微型化，成本較低，能夠快速部署和檢測(cè)大量樣本。在這樣的需求下，近年來出現(xiàn)一些生物傳感器系統(tǒng)。如德國(guó)Tübingen大學(xué)研制了自動(dòng)化水質(zhì)分析計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)(Automated Water Analyzer ComputerSupported System，AWACSS)，并將其用于萊茵河的水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究；又如日本東芝公司采用電化學(xué)生物傳感器原理研制了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(AdvancedEnvironmental Monitoring System)，用于地下水有毒污染物的預(yù)警試驗(yàn)研究等。這些研究表明，在生物傳感器核心器件研究的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對(duì)集成系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，以推動(dòng)環(huán)境生物傳感器的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)生物傳感器分析儀，其可快速檢測(cè)水中污染物，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低的特點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于它包括一電化學(xué)池；一生物傳感器；一流動(dòng)控制模塊；一恒電位器；一控制系統(tǒng)和一電源；所述生物傳感器夾設(shè)在所述電化學(xué)池之間，檢測(cè)液體由所述流動(dòng)控制模塊推入所述電化學(xué)池，流經(jīng)所述生物傳感器，所述生物傳感器連接所述恒電位器，所述控制系統(tǒng)控制所述恒電位器和所述流動(dòng)控制模塊的動(dòng)作。
所述電化學(xué)池包括一上板，一下板，一電極觸板，一電極引線，一進(jìn)樣孔，一出樣孔，和一四周設(shè)有O形橡膠圈的檢測(cè)腔；所述上板與下板緊密貼合，所述電極觸板夾設(shè)在所述上板、下板之間，其上設(shè)置有三個(gè)電極，一端連接所述電極引線，另一端緊密貼合所述檢測(cè)腔，形成一容室，所述進(jìn)樣孔與出樣孔通過所述容室導(dǎo)通。
所述生物傳感器包括采用絲網(wǎng)印刷電極制成的所述電極觸板，所述電極觸板的一側(cè)面設(shè)置所述三個(gè)電極，所述三個(gè)電極貼合所述檢測(cè)腔的檢測(cè)端放置有生物酶，另一側(cè)面設(shè)置有外圍運(yùn)放電路，用于向所述控制系統(tǒng)傳輸檢測(cè)信息。
所述流動(dòng)控制模塊包括恒流泵、六通閥和八位閥，分別連接所述控制系統(tǒng)，并在所述控制系統(tǒng)的控制下動(dòng)作。
所述流動(dòng)控制模塊還包括一電磁閥，以切換流路。
所述流動(dòng)控制模塊還包括一插設(shè)在所述六通閥上的定量環(huán)，以將被測(cè)液體推入主流路中。
所述恒電位器包括一微控制器，一光耦元件，三電極外圍運(yùn)放電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，及多個(gè)繼電器；所述微控制器發(fā)出的指令經(jīng)所述光耦元件輸送至所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和多個(gè)繼電器，再輸入所述三電極外圍運(yùn)放電路；所述三電極外圍運(yùn)放電路的檢測(cè)信息經(jīng)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸送至所述光耦元件再輸入所述微處理器中。
所述恒電位器通過一極低壓差穩(wěn)壓模塊連接電源。
所述控制系統(tǒng)包括一主板，所述主板上設(shè)置有CPU模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊連接所述流動(dòng)控制模塊的恒流泵和電磁閥，所述六通閥、八位閥和恒電位器通過串口與所述控制系統(tǒng)連接，所述主板上還設(shè)置有連接外接存儲(chǔ)卡、硬盤、顯示器及鍵盤、鼠標(biāo)的接口。
所述主板上設(shè)有以太網(wǎng)接口。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明將恒電位器和控制系統(tǒng)集成在兩塊電路板上，可使設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且操作方便。2、本發(fā)明通過采用集成電路，降低了設(shè)備成本。3、本發(fā)明不僅可快速進(jìn)行電流分析，而且通過在三電極外圍運(yùn)放電路中增設(shè)電流放大器和極低壓差穩(wěn)壓器，使本發(fā)明具有抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的電化學(xué)流動(dòng)池結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明恒電位器的結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明控制系統(tǒng)的主板結(jié)構(gòu)5是本發(fā)明的流路示意6是本發(fā)明的控制過程示意7是本發(fā)明的檢測(cè)實(shí)例具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
本發(fā)明是采用生物傳感器原理的水質(zhì)自動(dòng)分析設(shè)備，主要原理是利用電化學(xué)傳感器表面的生物識(shí)別分子進(jìn)行酶分析和免疫分析。
本發(fā)明的儀器包括一電化學(xué)池；一生物傳感器；一流動(dòng)控制模塊；一恒電位器；一控制系統(tǒng)和一電源。
如圖1所示，本發(fā)明的電化學(xué)流動(dòng)池結(jié)構(gòu)包括上板1，下板2，電極引線5，進(jìn)樣孔6，出樣孔7，電極觸板8，橡膠圈9，檢測(cè)腔10。電化學(xué)池的上板1和下板2的材料為有機(jī)玻璃，電極引線5穿設(shè)在上板1的一側(cè)，相對(duì)一側(cè)距離一間距設(shè)置有進(jìn)樣孔6和出樣孔7，在進(jìn)樣孔6和出樣孔7的下方凹設(shè)薄層檢測(cè)腔10。電極觸板8采用絲網(wǎng)印刷電極，上層排列設(shè)置有工作電極、參比電極和對(duì)電極三個(gè)電極，電極的設(shè)置形式為本領(lǐng)域中常用的，在此不再詳述。三個(gè)電極的檢測(cè)端放置生物功能制劑，如酶或抗體，另一端為外露的電極觸點(diǎn)，中間進(jìn)行絕緣處理。電極觸板8的下層設(shè)置三電極外圍運(yùn)放電路14，電極觸板8設(shè)置在緊密貼合的上、下板1、2之間，放置有生物酶的檢測(cè)端緊密貼合檢測(cè)腔10，在橡膠圈9的密封作用下，將檢測(cè)腔10密閉為一容室，構(gòu)成生物傳感器。電極觸板8具有外露的電極的一端貼合在電極引線5的下端，使電極引線5與檢測(cè)腔10電性連通。使用時(shí)，溶液從進(jìn)樣孔6進(jìn)入檢測(cè)腔10，流經(jīng)電極觸板8的表面，然后從出樣孔7流出電化學(xué)池，溶液的電化學(xué)參數(shù)經(jīng)各電極傳導(dǎo)至電極引線5。為了減小紊流對(duì)測(cè)量的影響以及減少響應(yīng)時(shí)間，檢測(cè)腔10采用薄層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)厚度為0.4mm，直徑10mm，理論容積為31.4μL。檢測(cè)腔10四周輔以O(shè)形橡膠圈9防止?jié)B漏。電極觸板8連接電極引線5的一端為與電極引線5相配合的0.8mmU型SIM卡卡座。上板1與下板2的疊合固定可以采用在四角設(shè)置螺孔用螺栓螺固的方式，也可以采用在上板1和下板2的一側(cè)設(shè)置鉸鏈4，另一側(cè)設(shè)置搭扣的固定方式。總之，只要能達(dá)到上下板固定緊密，開合方便的目的即可。
本發(fā)明的流動(dòng)控制模塊是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)樣和生化反應(yīng)控制而設(shè)計(jì)的，其基本原理是流動(dòng)注射分析技術(shù)。如圖2、圖5所示，它包括一恒流泵11，一六通閥12，一八位閥13，以及一用于切換流路的電磁閥23。恒流泵11采用蘭格公司生產(chǎn)的BT00-100M恒流泵驅(qū)動(dòng)器和DG-6多通道泵頭，泵管內(nèi)徑為0.5mm，外徑為0.8mm。六通閥12和八位閥13分別采用Valco公司生產(chǎn)的C22-3186EH六通閥和C25-3188EMH八位閥，均為本領(lǐng)域中的常用設(shè)備。在六通閥12的其中兩個(gè)通道口之間還插設(shè)有一定量環(huán)3(如圖6所示)，定量環(huán)3的容積為100μL，可將其中的被測(cè)液體推入主流路中進(jìn)行檢測(cè)。流動(dòng)控制模塊中的管路采用PTFE管，外徑為1/16”，內(nèi)徑為0.50mm，設(shè)計(jì)流速為0.05min～2mL/min。各部件在控制系統(tǒng)的控制下，完成恒流泵11的開啟、轉(zhuǎn)速的控制以及六通閥12的切換等功能。
如圖3所示，恒電位器設(shè)置在一電路板上，其上設(shè)置有一微控制器15，微控制器15通過一個(gè)光耦元件19連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器16，數(shù)模轉(zhuǎn)換器17，以及多個(gè)繼電器20，模數(shù)轉(zhuǎn)換器16、數(shù)模轉(zhuǎn)換器17及繼電器20又連接三電極外圍運(yùn)放電路14，電源通過一極低壓差穩(wěn)壓器18為各器件提供穩(wěn)定的電力。微控制器15還連接有FLASH閃存，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。在檢測(cè)過程中，需要對(duì)電極2上的偽參比電極施加一定的極化電位，從工作電極把極化電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。三電極外圍運(yùn)放電路14采用基于加法控制放大器的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，以保證偽參比電極上沒有測(cè)量電流。由于電極2的尺寸小，電流信號(hào)弱，系統(tǒng)容易受到雜散分流電容(流)影響。為了抑噪抗干擾，三電極外圍運(yùn)放電路14中的電流放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器16和數(shù)模轉(zhuǎn)換器17在同一電路板上，并且通過極低壓差穩(wěn)壓器18提供電源，提高了抗干擾能力和測(cè)量精度。微控制器15采用C8051F，模數(shù)轉(zhuǎn)換器16采用AD7714，數(shù)模轉(zhuǎn)換器17采用DAC8531，光耦元件19采用TLP112或TLP521。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度為0.1nA的電流。使用方式是上位機(jī)通過RS232協(xié)議，控制恒電位器的極化電位和極化電流的采集。
如圖4所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括一主板20，主板20上設(shè)置有CPU模塊21和數(shù)據(jù)采集模塊22。其中CPU模塊21采用的是PC104嵌入式CPU模塊，具體為DM&P(SiS)Vortex86單芯片系統(tǒng)，CPU的主頻為166MHZ，板載內(nèi)存128MB，采用PC/104標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格/ISA總線，內(nèi)置1個(gè)增強(qiáng)IDE接口與硬盤連接，3個(gè)RS-232接口(COM口)，連接六通閥12、八位閥13和恒電位器的微控制器15，2個(gè)USB接口用于連接閃存或其它外設(shè)。2.0毫米8-pin以太網(wǎng)接口，以與網(wǎng)絡(luò)連接。2.0毫米44-pin顯示接口，可連接LCD顯示器。以及連接鍵盤、鼠標(biāo)的PS2接口。數(shù)據(jù)采集模塊22是基于PC104總線的數(shù)據(jù)采集卡，有16路單端/8路雙端12位模擬量輸入，分別連接恒流泵11和電磁閥23。模擬量輸入范圍在-5V～+5V之間，數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間只需10ms，數(shù)據(jù)采集模塊22具有2路12位模塊量輸出，模擬量輸出范圍在0～10V之間。
本發(fā)明的電源為直流電源，利用電池組即可實(shí)現(xiàn)。
如圖6所示，是本發(fā)明的控制過程示意圖。本發(fā)明的操作系統(tǒng)采用Windows98，包括在主程序窗口24控制下設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)模塊25和檢測(cè)流程模塊26，系統(tǒng)參數(shù)模塊25包括端口參數(shù)、端口啟停控制。檢測(cè)流程模塊26控制恒流泵11、六通閥12、八位閥13其、電磁閥23及恒電位器的動(dòng)作。一個(gè)檢測(cè)流程最多可以包含32個(gè)檢測(cè)步驟。設(shè)定好的數(shù)據(jù)通過控制命令模塊27自動(dòng)生成控制命令，通過TComm32和WinIO接口庫發(fā)送給接口硬件。其中對(duì)于不同檢測(cè)電極和電化學(xué)池，均包含不同的檢測(cè)參數(shù)(如電位校準(zhǔn)、電流補(bǔ)償、標(biāo)定系數(shù))。采集的數(shù)據(jù)通過TComm32接口返回到信號(hào)預(yù)處理單元28，經(jīng)過濾波等處理后傳輸給數(shù)據(jù)顯示模塊23和數(shù)據(jù)管理模塊30。本發(fā)明控制程序中的檢測(cè)參數(shù)控制模塊31，是用于通過人機(jī)交互，人工設(shè)定工作流程中各環(huán)節(jié)的動(dòng)作，并存儲(chǔ)和管理預(yù)設(shè)的工作流程，數(shù)據(jù)解析模塊32包含了橢圓低通濾波器(截止頻率10Hz)和移動(dòng)窗數(shù)據(jù)平滑(7點(diǎn))，用以抑制噪聲，提高信噪比。
實(shí)施例1采用本發(fā)明的電化學(xué)生物傳感器分析儀檢測(cè)H2O2HRP(辣根過氧化物酶)酶?jìng)鞲衅鞯闹苽浞椒ú捎媚z包埋法。包埋材料為3.7mg/mL鋨聚乙烯基咪唑吡啶，包被液中HRP為1mg/mL，聚合物為0.37mg/mL，乙醇為10％，去離子水90％。取3μL滴加到電極上，風(fēng)干后安裝于電化學(xué)流動(dòng)池。按照表1設(shè)置的分析步驟，啟動(dòng)檢測(cè)流程，其中極化電位是-300mV，檢測(cè)體系中的載流為PBS(磷酸鹽緩沖液)緩沖液，底物溶液增加0.3mol L-1NaCl水溶液。檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。由該圖可知，檢測(cè)H2O2的線性區(qū)間在0～20mM之間，且電極反應(yīng)主要受擴(kuò)散過程控制。
表1工作流程

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明并不以此為限，其中所采用的各種集成芯片和微控制器不僅可采用上述公開的型號(hào)，還可以使用本領(lǐng)域任何公知的可實(shí)現(xiàn)相同功能的集成芯片和微控制器。
權(quán)利要求
1.一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于它包括一電化學(xué)池；一生物傳感器；一流動(dòng)控制模塊；一恒電位器；一控制系統(tǒng)和一電源；所述生物傳感器夾設(shè)在所述電化學(xué)池之間，檢測(cè)液體由所述流動(dòng)控制模塊推入所述電化學(xué)池，流經(jīng)所述生物傳感器，所述生物傳感器連接所述恒電位器，所述控制系統(tǒng)控制所述恒電位器和所述流動(dòng)控制模塊的動(dòng)作。
2.如權(quán)利要求1所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述電化學(xué)池包括一上板，一下板，一電極觸板，一電極引線，一進(jìn)樣孔，一出樣孔，和一四周設(shè)有O形橡膠圈的檢測(cè)腔；所述上板與下板緊密貼合，所述電極觸板夾設(shè)在所述上板、下板之間，其上設(shè)置有三個(gè)電極，一端連接所述電極引線，另一端緊密貼合所述檢測(cè)腔，形成一容室，所述進(jìn)樣孔與出樣孔通過所述容室導(dǎo)通。
3.如權(quán)利要求1或2所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述生物傳感器包括采用絲網(wǎng)印刷電極制成的所述電極觸板，所述電極觸板的一側(cè)面設(shè)置所述三個(gè)電極，所述三個(gè)電極貼合所述檢測(cè)腔的檢測(cè)端放置有生物酶，另一側(cè)面設(shè)置有外圍運(yùn)放電路，用于向所述控制系統(tǒng)傳輸檢測(cè)信息。
4.如權(quán)利要求1所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述流動(dòng)控制模塊包括恒流泵、六通閥和八位閥，分別連接所述控制系統(tǒng)，并在所述控制系統(tǒng)的控制下動(dòng)作。
5.如權(quán)利要求4所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述流動(dòng)控制模塊還包括一電磁閥，以切換流路。
6.如權(quán)利要求4或5所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述流動(dòng)控制模塊還包括一插設(shè)在所述六通閥上的定量環(huán)，以將被測(cè)液體推入主流路中。
7.如權(quán)利要求1所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述恒電位器包括一微控制器，一光耦元件，三電極外圍運(yùn)放電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，及多個(gè)繼電器；所述微控制器發(fā)出的指令經(jīng)所述光耦元件輸送至所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和多個(gè)繼電器，再輸入所述三電極外圍運(yùn)放電路；所述三電極外圍運(yùn)放電路的檢測(cè)信息經(jīng)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸送至所述光耦元件再輸入所述微處理器中。
8.如權(quán)利要求7所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述恒電位器通過一極低壓差穩(wěn)壓模塊連接電源。
9.如權(quán)利要求1所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述控制系統(tǒng)包括一主板，所述主板上設(shè)置有CPU模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊連接所述流動(dòng)控制模塊的恒流泵和電磁閥，所述六通閥、八位閥和恒電位器通過串口與所述控制系統(tǒng)連接，所述主板上還設(shè)置有連接外接存儲(chǔ)卡、硬盤、顯示器及鍵盤、鼠標(biāo)的接口。
10.如權(quán)利要求9所述一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀，其特征在于所述主板上設(shè)有以太網(wǎng)接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于流動(dòng)注射分析的電化學(xué)分析儀。該分析儀包括一電化學(xué)池；一生物傳感器；一流動(dòng)控制模塊；一恒電位器；一控制系統(tǒng)和一電源；生物傳感器夾設(shè)在電化學(xué)池之間，檢測(cè)液體由流動(dòng)控制模塊推入電化學(xué)池，流經(jīng)生物傳感器，生物傳感器連接恒電位器，控制系統(tǒng)控制恒電位器和流動(dòng)控制模塊的動(dòng)作。本發(fā)明可快速檢測(cè)水中污染物，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/403GK1924567SQ200610113139
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者何苗, 蔡強(qiáng), 施漢昌 申請(qǐng)人:清華大學(xué)