一種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，由檢測電路、免疫傳感器、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構(gòu)成。檢測電路用來產(chǎn)生激勵電壓并施加到免疫傳感器上，隨后采樣激勵后的響應信號并進行數(shù)字處理，將結(jié)果送入微控制器；微控制器及其上面運行的檢測程序?qū)斎胄盘栠M行再次處理，并對整個系統(tǒng)的運行進行控制和響應；按鍵用來輸入指令和檢測參數(shù)；顯示屏用來量化輸出呈現(xiàn)最終的檢測結(jié)果，是用戶與系統(tǒng)的交互界面；電源為整個系統(tǒng)提供能量。本發(fā)明融合了基于生物傳感器法的農(nóng)藥殘留檢測技術和嵌入式系統(tǒng)設計方法，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，非常適合對農(nóng)藥殘留進行現(xiàn)場快速檢測的場合。
【專利說明】一種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種農(nóng)藥殘留檢測儀，尤其涉及ー種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，其融合了生物傳感器法的農(nóng)藥殘留檢測技術和嵌入式系統(tǒng)設計方法，用于方便、迅速、準確的檢測食品中農(nóng)藥殘留的情況。屬于農(nóng)藥檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]我國農(nóng)藥每年的實際產(chǎn)量約40萬噸，僅次于美國居世界第二位，年用量約27萬噸，居世界前列，有逐年増加的趨勢。但由于我國施藥技術落后，農(nóng)藥不能得到有效利用，過度施用的農(nóng)藥導致了嚴重的農(nóng)藥污染問題，也對我國食品安全及人類健康構(gòu)成了嚴重威脅。
[0003]針對我國小規(guī)模農(nóng)戶分散生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，要控制農(nóng)藥殘留，就必須發(fā)展能對果蔬表面的農(nóng)藥殘留進行快速實時檢測的手段，在農(nóng)產(chǎn)品上市之前進行大規(guī)模抽檢。農(nóng)藥殘留快速檢測方法的缺乏和落后是造成農(nóng)產(chǎn)品出口被退或被銷毀的技術瓶頸。
[0004]一般農(nóng)藥殘留檢測方法主要可以分為色譜檢測法和生化檢測法兩大類。
[0005]色譜檢測的最大優(yōu)點是能夠定性定量的檢測樣品中的農(nóng)藥，但是這種方法的樣品要經(jīng)過復雜的前處理步驟、檢測耗時長、成本昂貴、需要技術數(shù)量的人員操作設備。
[0006]生化檢測法是檢測農(nóng)藥殘留的重要方法，其原理是利用農(nóng)藥與農(nóng)藥敏感蛋白進行的特異識別反應來判斷農(nóng)藥污染狀況。測定時樣品處理簡單，儀器成本低，操作簡單，適用于現(xiàn)場檢測及大批樣品的篩選檢測，因而通常被稱為“快速檢測方法”。免疫傳感器檢測方法檢測農(nóng)藥殘留具有結(jié)構(gòu)簡單、特異性強、成本低、分析速度快等優(yōu)點。
[0007]免疫傳感器檢測原理:利用抗原抗體特異性免疫反應，以抗體作為識別元件，通過固定化技術將抗體結(jié)合到感受器表面，與農(nóng)藥發(fā)生免疫識別反應后，生成的免疫復合物與產(chǎn)生的物理或化學信號相關聯(lián)，使其本身的阻抗性發(fā)生變化，經(jīng)過電路的測定與標準值做對比，再經(jīng)過程序的換算，最終獲得待測物濃度信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明專利的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，設計提供一種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，具有攜帯方便、檢測快速準確、操作簡單等特點。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀由檢測電路、免疫傳感器、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構(gòu)成。檢測電路用來產(chǎn)生激勵電壓并施加到免疫傳感器上，隨后采樣激勵后的響應信號并進行數(shù)字處理，將結(jié)果送入微控制器；微控制器及其上面運行的檢測程序?qū)斎胄盘栠M行再次處理，并對整個系統(tǒng)的運行進行控制和響應；按鍵用來輸入指令和檢測參數(shù)；顯示屏用來量化輸出呈現(xiàn)最終的檢測結(jié)果，是用戶與系統(tǒng)的交互界面；電源為整個系統(tǒng)提供能量。
[0010]本發(fā)明的基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀具體結(jié)構(gòu)為:
檢測儀由檢測電路、免疫傳感器、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構(gòu)成，其中: 檢測電路由供電電路、檢測芯片、撥碼開關、標定電阻、免疫傳感器連接構(gòu)成。供電電路與微控制器和檢測芯片相連，采用先經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)濾波穩(wěn)壓的方法獲得的+5V供電；芯片通過撥碼開關與標定電阻相連，根據(jù)輸入測量范圍參數(shù)，通過撥碼開關選擇相應標定電阻，以此調(diào)整測量靈敏度；在微控制器的控制下，芯片產(chǎn)生激勵電壓施加到與待測液發(fā)生了特異性免疫反應的免疫傳感器上并收集響應信號，經(jīng)過離散型傅立葉變換后得到其實部與虛部，并將其輸出到微控制器。
[0011]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(jīng)過校準后得出實際的阻抗值，與設定的反應前的阻抗值進行比較，得到變化率并對比標準曲線得出結(jié)論，送至顯示屏顯示。
[0012]所訴顯示屏與微控制器相連，用于顯示數(shù)據(jù)及作為用戶進行交互操作的窗ロ，顯示屏采用LED12864，其功耗能夠滿足便攜式設備的功耗要求。
[0013]所述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范圍檔位，用于輸入相關指令和檢測參數(shù)。
[0014]所述電源與供電電路相連。
[0015]本發(fā)明的檢測使用時，首先通過撥碼開關選定標定電阻保證測量靈敏度，將免疫傳感器放入待檢測溶液中，在微控制器的控制下，芯片產(chǎn)生激勵電壓施加到與待測液發(fā)生特異性免疫反應后的免疫傳感器上并收集響應信號，經(jīng)過離散型傅立葉變換后得到其實部與虛部，并將其輸出到微控制器，經(jīng)微控制器及其檢測程序進行信號再處理，并與反應前阻抗值做比較，計算得出變化率。阻抗變化率的大小即表明了檢測溶液中農(nóng)藥殘留的濃度高低。
[0016]本發(fā)明提供的一種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀應用到農(nóng)藥污染檢測領域，可以為檢測人員帶來極大的便利，能夠充分滿足農(nóng)藥殘留現(xiàn)場檢測的要求。相對于以往的檢測工作必須把各種待測樣品運輸?shù)綑z測中心，由專業(yè)工作人員在大型的工作站設備進行而言，本發(fā)明的檢測儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、攜帯方便、檢測快速準確、操作簡單、實用性強等突出特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明中供電電路原理圖。
[0019]圖3為本發(fā)明中檢測電路原理圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作詳細說明。
[0021]首先，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意框圖加以說明；其次對檢測電路包括的供電電路、檢測芯片、撥碼開關、標定電阻的工作過程加以詳細說明；最后對整個系統(tǒng)的應用軟件及檢測流程加以說明。
[0022]圖1為本發(fā)明基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示，本發(fā)明由檢測電路、免疫傳感器、電源、按鍵、微控制器及顯示屏構(gòu)成。其中檢測電路由供電電路、檢測芯片、撥碼開關、標定電阻、免疫傳感器連接構(gòu)成。檢測電路用來產(chǎn)生激勵電壓并施加到免疫傳感器上，隨后采樣激勵后的響應信號并進行數(shù)字處理，將結(jié)果送入微控制器；微控制器及其上面運行的檢測程序?qū)斎胄盘栠M行再次處理，并對整個系統(tǒng)的運行進行控制和響應；按鍵用來輸入指令和檢測參數(shù)；顯示屏用來量化輸出呈現(xiàn)最終的檢測結(jié)果，是用戶與系統(tǒng)的交互界面；電源為整個系統(tǒng)提供能量。
[0023]所述微控制器選用STC89C52，其上加載檢測程序。
[0024]本發(fā)明的一個實施例中，檢測電路中的供電電路構(gòu)成和原理如圖2所示，由變壓器Tl，橋式整流電路BRl，電解電容Cl、C3，普通電容C2、C4，三端穩(wěn)壓器Ul構(gòu)成，其作用是為整個系統(tǒng)提供+5V的電源供電。本設計中電解電容Cl、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(wěn)定，使電路沒有激勵信號，從而防止自激。三端穩(wěn)壓器Ul的作用是將輸出電壓穩(wěn)定在+5V上，Ul的輸出端和接地端分別接+5V和接地。
[0025]檢測電路中核心部分檢測電路的構(gòu)成如圖3所示:由檢測芯片U3，撥碼開關SW3，標定電阻Rl、R2、R3、R4、R5，普通電容C7、C8構(gòu)成，其作用是產(chǎn)生激勵電壓并施加到免疫傳感器上，隨后采樣激勵后的響應信號并進行數(shù)字處理，將結(jié)果送入微控制器。其中標定電阻R1、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芯片的量程并且保證系統(tǒng)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芯片的15、16引腳與電源之間。電容C7、CS的作用是用來濾波和起保護作用的，防止電磁干擾。檢測芯片U3是ー款高精度的阻抗測量芯片，內(nèi)部集成了帶有12位，采樣率高達IMSPS的AD轉(zhuǎn)換器的頻率發(fā)生器。其作用是產(chǎn)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采樣，并通過片上的DSP進行離散的傅立葉變換，傅立葉變換后返回在這個輸出頻率下得到的實部值和虛部值，并將結(jié)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引腳并聯(lián)接地，其9、10、11引腳并聯(lián)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。
[0026]本發(fā)明的檢測流程是:首先，將免疫傳感器放入不添加農(nóng)藥的底物溶液中，測得其阻抗值Al ;之后將免疫傳感器取出，用蒸餾水沖洗后，將其放入待檢測液，等待二十至三十分鐘以便其充分反應，測得阻抗值A2 ;最后通過微控制器上運行的檢測程序自動計算變化值，對比阻抗變化率與農(nóng)藥濃度關系曲線得出農(nóng)藥濃度大小值。變化率計算公式如下:
變化率=|A1-A2|/A1
通常如果檢測溶液中含有農(nóng)藥，就會與免疫傳感器電極發(fā)生特異性免疫反應，導致反應后的免疫傳感器阻抗值増大。Al與A2的差值越大，表明檢測溶液中的農(nóng)藥殘留濃度越高，Al與A2的差值越小，表明農(nóng)藥殘留的濃度越低。
[0027]阻抗變化率與農(nóng)藥濃度關系標準曲線，可以通過阻抗分析儀對多組不同濃度農(nóng)藥的待測液分別測定得出。
[0028]微控制器根據(jù)得到的阻抗變化率對比標準曲線做出定性結(jié)論，并將結(jié)果送至顯示
屏顯示。
[0029]下面就檢測程序的實施例做具體說明:
首先，將免疫傳感器放入底物溶液中浸泡二十至三十分鐘。[0030]然后，打開電源，微控制器設定晶振為系統(tǒng)時鐘，配置相關引腳，并初始化系統(tǒng)。選擇合適的標定電阻，點擊開始按鈕，進入檢測流程。
[0031]進入檢測流程后，檢測芯片進入標準模式，微控制器控制向檢測芯片發(fā)送指令，檢測芯片接收指令，片內(nèi)DDS模塊片上開始產(chǎn)生指定頻率的激勵電壓信號，該信號可通過ー個可編程増益放大器，通過控制増益可以實現(xiàn)四個不同范圍的峰峰值輸出。ADC模塊在設定時間周期過去之后開始接收響應信號。在接收過程中，從阻抗元件上得到的信號首先進入電流電壓轉(zhuǎn)換放大器，后面緊跟的是ー個可編程增益放大器，經(jīng)過可編程增益放大器之后的信號被ADC采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)送DSP進行傅立葉變換。每個頻率采樣1024個點進行傅立葉變換，輸出其實部值和虛部值，并輸送給微控制器。微控制器接收后，按照既定公式計算出該阻抗信號的模值和相角?？芍貜投啻危料鄬藴势睢?5%，取最后一次測量值輸送至顯示屏顯示。第一次測量過程結(jié)束。
[0032]完成上述步驟后，將免疫傳感器取出用蒸餾水沖洗后并放入待測溶液，等待二十至三十分鐘后，點擊開始檢測按鈕，進入免疫反應后的測量流程(與反應前測量流程相同)，得到第二次的阻抗值。微控制器將其送至顯示屏顯示。并計算出變化率，對比標準曲線得到底物濃度信息，同樣送至顯示屏顯示。完成檢測過程。
[0033]本發(fā)明使用的免疫傳感器可以通用，因此，本發(fā)明可以適用于多種農(nóng)藥殘留檢測場合。
【權(quán)利要求】
1.一種基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，其特征在于由檢測電路、免疫傳感器、微控制器、按鍵、顯示屏及電源構(gòu)成: 所述的檢測電路由供電電路、檢測芯片、撥碼開關、標定電阻、免疫傳感器連接構(gòu)成:供電電路與微控制器和檢測芯片相連，采用先經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)濾波穩(wěn)壓的方法獲得的5V供電電路；芯片通過撥碼開關與標定電阻相連，根據(jù)輸入測量范圍參數(shù)，通過撥碼開關選擇相應標定電阻，以此調(diào)整測量靈敏度；在微控制器的控制下，芯片產(chǎn)生激勵電壓施加到與待測液發(fā)生特異性免疫反應后的免疫傳感器上并收集響應信號，經(jīng)過離散型傅立葉變換后得到其實部與虛部，并將其輸出到微控制器； 在所述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(jīng)過校準后得出實際的阻抗值，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(jié)論，送至顯示屏顯示； 所述顯示屏與微控制器相連，用于顯示數(shù)據(jù)及作為用戶進行交互操作的窗ロ ； 所述按鍵與微控制器和檢測電路相連，用于輸入相關指令和檢測參數(shù)； 所述電源與供電電路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，其特征在于所述的檢測芯片采用AD5933芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，其特征在于所述微控制器上運行的檢測程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的基于免疫傳感器的阻抗型農(nóng)藥殘留檢測儀，特征在于所述微控制器選用STC89C52微控制器。
【文檔編號】G01N33/53GK103499686SQ201310487874
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】郭業(yè)民, 孫霞, 王相友, 劉君峰, 丁將 申請人:山東理工大學