一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，屬于農產品安全檢測【技術領域】。本發明所提供的基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀由三電極系統，信號檢測與處理系統，顯示與打印存儲系統和供電系統構成。三電極系統先通過酶傳感器，測定接觸樣品前后電流的變化，獲知樣品中是否含有重金屬是否超標。如果有重金屬超標，再使用免疫傳感器，測定接觸樣品前后電流的變化，獲知樣品中含有何種重金屬及重金屬的濃度等信息。本發明所提供的檢測儀具有操作簡單、價格低廉、靈敏度高、重復性好且能夠實現在線快速檢測，適用于農產品的現場快速檢測。
【專利說明】一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，屬于農產品安全檢測【技術領域】。
技術背景
[0002]我國是農業大國，蔬菜水果總產量位居世界第一，但是隨著工業化發展，農業科學技術的不斷進步，食品安全問題日益突出，尤其是果蔬中重金屬的含量超標問題，備受人們關注。由于工業廢水、城市生活用水的直接排放，污泥、垃圾等固體廢棄物的農業利用，采礦、冶煉、造紙、交通等人為活動的廢棄物不達標的排放，化肥、農業、塑料薄膜等的污染，均可能導致農業土壤重金屬含量超標，而不同果蔬對不同重金屬的富集能力不同，所以，不同果蔬超標的重金屬種類也不盡相同，然而只要是重金屬對人類的危害都十分嚴重，可以使人致癌、致畸、發生基因突變等導致的疑難雜癥。隨著我國人民生活水平不斷提高，農產品的質量安全問題越來越受到關注，尤其蔬菜中重金屬殘留問題已經成為公眾關注的焦點。加強對農產品中重金屬殘留的檢測對保護生態環境，尤其是保障人類健康有著十分深遠的意義，所以，建立一種方便快速并且能準確測量出果蔬產品中的重金屬殘留是否超標，對人類的健康和我國農副產品走向世界有著極其重要的意義。
[0003]目前重金屬分析的主要方法是氣相色譜儀、液相色譜儀、氣質聯用儀、液質聯用儀等，這些方法雖然分析精度高，定量準確，但其樣品的前處理復雜、檢測耗時長、成本高、需要技術熟練的操作人員。難以實現在線快速檢測。迫切需要發展果蔬中重金屬的快速檢測方法和儀器。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種能克服上述缺陷以及操作簡單、價格低廉、靈敏度高、實現在線快速檢測的重金屬快速檢測儀。可以準確獲知樣品中含有重金屬是否超標且能何種重金屬及濃度等信息。所采取的技術方案如下:
一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，是由三電極系統，信號檢測與處理系統，顯示與打印存儲系統和供電系統構成；
所述三電極系統由酶電極和免疫傳感器，三電極檢測電路，恒電位電路及模擬多路開關構成，酶電極和免疫傳感器從檢測樣品中采集電流信號，三電極檢測電路將電路信號傳向信號檢測與處理系統，恒電位電路為電極提供穩恒電壓，模擬多路開關分別逐次將免疫傳感器產生的電流信號采集并送入信號檢測與處理系統；
所述酶電極由一個工作電極構成，在工作電極表面固定有脲酶；所述免疫傳感器由一個圓形的電極盤構成，電極盤的中心位置有對電極和參比電極，外圍是均勻分布的陣列工作電極，陣列工作電極固定有銅、鎘、鉛、鉻和鎳五種重金屬抗體；
所述信號檢測與處理系統由TLC272CP芯片，A/D轉換芯片和單片機構成，TLC272CP芯片的多路運放電路對從酶電極和免疫傳感器傳送來的電流信號進行I/V轉化，放大，濾波處理，A/D轉換芯片將轉換后的數字信號送入單片機，單片機具有微控制器，對轉換后的數字信號進行程序處理；
所述單片機的微控制器為STC89C52微控制器，單片機的程序包含數據打印與存儲，時間顯示，使用說明和對重要步驟提示的對話框，幫助用戶快速掌握儀器的使用方法以及進行數據打印和存儲；
所述顯示與打印存儲系統由顯示器電路，打印電路和存儲器電路構成，顯示器用于顯示數據并通過操作鍵進行控制，打印和存儲電路分別為微型打印機及存儲器相連進行數據打印和存儲；
所述供電系統電路由開關電源和電壓轉換電路構成，開關電源將交流電轉換成直流電經過電壓轉換電路分別向各系統電路和微型打印機供電，開關電源為+12V，1A、-12V，1A、+5V, 5A三路輸出，電源與供電系統中的開關電源相連。
[0005]所述恒電位電路，為工作電極與參比電極之間提供500mV的穩恒電壓。
[0006]所述微控制器是內核為MCS-51的STC89C52RC+微控制器。
[0007]所述信號檢測與處理系統的存儲單元置入脲酶傳感器和免疫傳感器相應檢測重金屬的重金屬濃度與電流關系的標準曲線數據庫。
[0008]所述顯示器采用3.5寸顯示屏；所述微型打印機采用微型嵌入式打印機。
[0009]一種利用所述檢測儀的檢測方法步驟如下:
1)將固定有脲酶的酶電極放入不含重金屬的底物溶液中，檢測不含重金屬時的電流I1，或者采用系統設定的默認值；
2)取出酶電極后，用蒸餾水沖洗，再將酶電極放入樣品液中孵育IOmin;
3)取出酶電極后，用蒸餾水沖洗，再次放入底物溶液中，檢測電流I2；
4)通過微控制器上的檢測程序根據抑制率公式，計算抑制率；
5)利用免疫傳感器替代酶電極，重復步驟I)至步驟4)過程重新檢測步驟4)所測抑制率聞于20%的樣品，并獲得超標抑制率；
6)將步驟5)所得超標抑制率與預先置入檢測儀的抑制率與重金屬濃度標準曲線數據庫進行對比，獲得超標重金屬種類和濃度。
[0010]權利要求6所述方法，其特征在于，步驟4)所述抑制率公式，具體為:1 %=( I1-12)/ I1 X 100%。
[0011]本發明所提供的檢測儀的基本原理是:三電極系統先通過酶傳感器，測定接觸樣品前后電流的變化，獲知樣品中是否含有重金屬是否超標。如果確有重金屬超標，再使用免疫傳感器，測定接觸樣品前后電流的變化，獲知樣品中含有何種重金屬及重金屬的濃度等信息。重金屬檢測儀負責將三電極采集而來的微弱電流信號進行Ι/v轉換，放大，濾波，A/D轉換最終將數字量信號送入單片機進行程序處理。顯示與打印存儲系統將殘留的重金屬濃度、抑制度等參數顯示出來，并將數據存儲下來以便用戶及時查看和進行數據分析。顯示與打印存儲系統內含微型打印機，可以將數據進行相應的打印輸出。
[0012]為了實現上述功能，所述的酶傳感器有一個工作電極構成，在工作電極表面固定脲酶，制備脲酶傳感器。所述的免疫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，外圍是均勻分布的工作電極，以確保對電極、參比電極與各工作電極的距離相等，其中陣列工作電極用來固定不同種類的重金屬抗體。檢測儀存儲單元置入脲酶傳感器和免疫傳感器相應檢測重金屬的重金屬濃度與電流關系的標準曲線數據庫。使用時先將固定脲酶傳感器與檢測儀相連，根據脲酶傳感器獲得的接觸樣品前后電流變化的信號，確定是否含有重金屬且是否超標。如果有超標顯示，再將固定不同重金屬抗體的免疫傳感器陣列連接到檢測儀上，通過模擬多路開關分別逐次地將陣列免疫傳感器產生的電流信號采集送入檢測儀中，根據免疫傳感器獲得的接觸樣品前后電流的變化信號，確定具體何種重金屬超標及濃度為多少。因此該檢測儀可在一次樣品取樣中同時獲取重金屬是否超標，含有何種具體的重金屬及濃度等信息。
[0013]本發明的有益效果:本發明所提供給的基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，可以彌補脲酶生物傳感器和免疫傳感器存在的缺陷。脲酶傳感器只能檢測是否含有重金屬，而無法確定性的獲知是哪一種重金屬超標。免疫傳感器是抗原抗體的特異性識別，因此可以獲知具體哪一種重金屬，但是抗體比較昂貴，如果沒有重金屬超標的信息，就沒有必要進行第二步的測量。因此本發明的一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，既節約了檢測成本，又能確定性的獲知具體哪一種重金屬超標的信息，適合于重金屬的快速檢測。用此方法可以達到的檢測限為5 μ g/L。因為使用兩種傳感器進行檢測，所以準確度高于單純用酶傳感器和免疫傳感器的準確度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀的結構框圖。
[0015]圖2為本發明三電極與恒電位電路及A/D轉換前期處理電路。
【具體實施方式】
[0016]首先，對本發明的結構示意框圖加以說明；其次，對信號檢測及處理系統所包括的恒電位電路、A/D轉換前期處理電路加以詳細說明；最后，對整個系統的應用軟件及檢測流程加以說明。
[0017]圖1為本發明一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀的結構框圖。如圖1所示，本發明由三電極系統，信號檢測與處理系統，顯示與打印存儲系統，供電系統組成。三電極系統通過酶傳感器和免疫傳感器采集微弱電流信號；信號檢測與處理系統將三電極采集而來的微弱電流信號進行Ι/v轉換，放大，濾波，A/D轉換最終將數字量信號送入單片機進行程序處理；顯示與打印存儲系統將殘留的重金屬濃度、抑制度等參數顯示出來，并將數據存儲下來以便用戶及時查看和進行數據分析。顯示與打印存儲系統內置微型打印機，可以將數據進行相應的打印輸出。信號檢測與處理系統內部的單片機對顯示與打印存儲系統統一進行編程控制，同時也對其它系統進行響應。供電系統將交流電轉換成三路直流電為各系統電路以及微型打印機供電。所述的微控制器采用內核為MCS-51的STC89C52RC+微控制器，其上加載檢測程序。
[0018]本發明中，檢測電路中的恒電位電路為三電極系統電流/電壓轉化檢測電路提供穩定的工作電壓，圖2為恒電位儀電路及A/D轉換前期處理電路，由一個雙路運算放大器UlO TLC272CP和R44, R46, R4, C35, C16, R48構成。運放B的引腳6和7相連與A的3腳相連，A的2腳與三電極體系的工作電極相連并連上了 C16，增強抗干擾能力，R48是作為反饋電阻在放大器A上，B的5管腳外接一個電位器R46，由正5V供電激勵，R44，R46，R4通過電壓分壓供給500mv電壓給與B的5管腳形成恒電位電路，初始電壓為500mv.運放A和的引腳8接+5V電源，引腳4接-5V，U9 TLC272CP的運放B引腳7與引腳6直接相連作為電壓跟隨器，ADE引腳3與B的引腳5相連接，共同接地，起到抗干擾的作用。A的引腳2直接與三電極體系的參比電極相連接，引腳I直接與三電極體系的輔助電極相連接，之間連接電容14，目的是起隔離電路的作用，同時能提高帶負載的能力，因此U9和UlO共同構成了生物傳感器的三電極體系，所用檢測端由U9和UlO引出，采集與檢測電化學反應產生的微弱電流信號。
[0019]一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀的檢測流程是:首先，將固定脲酶的傳感器放入不含重金屬的底物溶液中，測得不含重金屬時的電流I1，即抑制前電流(抑制前電流也可以采用系統中設定的默認值)；之后將酶傳感器的工作電極取出，用蒸餾水沖洗后，將固定脲酶的工作電極放入樣品液中孵育，等待10分鐘后取出用蒸餾水沖洗，再次放入底物溶液中，測得抑制后的電流I2 ;最后通過微控制器上運行的檢測程序自動計算出抑制率，計算公式如下:
I %=( I1-12)/ I1 X 100%。
[0020]如果抑制率超過20%，就使用陣列免疫傳感器重復以上操作，獲取檢測抑制率，根據陣列傳感器各通道測定電流變化的結果，再根據檢測儀置入的抑制率與重金屬濃度的標準曲線數據庫對應可知道樣品中 何種重金屬以及重金屬的濃度是多少。根據國家標準中規定的食品中重金屬最大殘留限量，確定檢測的此種重金屬是否超標。
[0021]微控制器根據得到的測定的抑制率做出定性結論，將結果送到顯示屏顯示，并將最后結果打印輸出，數據同時一并進行存儲供相關人員以后的查找和研究。
[0022]本發明微控制器上運行的檢測程序還包含屏幕跳轉演示和對重要步驟提示的對話框、打印提示，可以幫助用戶快速掌握儀器的使用方法。
[0023]下面就檢測過程的實施例做具體說明:首先，將鱷魚夾分別加緊三電極系統對應的三個柱狀電極，將固化酶的三電極浸入到含有尿素(濃度為30-60 mmol/L)的pH7.5磷酸鹽緩沖溶液中按下檢測鍵，屏幕顯示開始檢測，約Imin后，基線達到穩定水平，約30s后，得到第一個完整的電流數據，記為1:。待測樣品測試:將酶傳感器放入提取好的樣品溶液中，約lOmin，之后再將其浸入到含有尿素(濃度為30-60 mmol/L)的pH7.5磷酸鹽緩沖溶液中，第二次點擊檢測之后，觀察提示，顯示結果I2及抑制率；如果抑制率超過20%，屏幕提示進入第二輪測試。將各種重金屬抗體的陣列免疫傳感器放入測試底液中，通過模擬多路開關分別逐次地將陣列免疫傳感器產生的電流信號采集送入檢測儀中，進行上述重復的二次測試(此時的測試底液改為鐵氰化鉀溶液)，獲得測試結果，如果測試結果中某一個免疫傳感器的電流變化抑制率超過20%，則將結果與置入的電流與重金屬的標準曲線數據庫進行比對，最終顯示超標的重金屬的種類及濃度。
[0024]注意:1.若要測量下一個待測樣品，點擊復位即可。
[0025]2.關機后須重新進行儀器調零和標準樣品測試。
[0026]本發明使用的一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，可以實現重金屬的定性定量測量，同時本發明可以適用于同時檢測多種重金屬的檢測場合。上述實施例是對本發明做進一步說明，本發明不受實施例的限制。
【權利要求】
1.一種基于酶免疫傳感器的重金屬快速檢測儀，其特征在于，由三電極系統，信號檢測與處理系統，顯示與打印存儲系統和供電系統構成； 所述三電極系統由酶電極和免疫傳感器，三電極檢測電路，恒電位電路及模擬多路開關構成，酶電極和免疫傳感器從檢測樣品中采集電流信號，三電極檢測電路將電路信號傳向信號檢測與處理系統，恒電位電路為電極提供穩恒電壓，模擬多路開關分別逐次將免疫傳感器產生的電流信號采集并送入信號檢測與處理系統； 所述酶電極由一個工作電極構成，在工作電極表面固定有脲酶；所述免疫傳感器由一個圓形的電極盤構成，電極盤的中心位置有對電極和參比電極，外圍是均勻分布的陣列工作電極，陣列工作電極固定有銅、鎘、鉛、鉻和鎳五種重金屬抗體； 所述信號檢測與處理系統由TLC272CP芯片，A/D轉換芯片和單片機構成，TLC272CP芯片的多路運放電路對從酶電極和免疫傳感器傳送來的電流信號進行I/V轉化，放大，濾波處理，A/D轉換芯片將轉換后的數字信號送入單片機，單片機具有微控制器，對轉換后的數字信號進行程序處理； 所述單片機的微控制器為STC89C52微控制器，單片機的程序包含數據打印與存儲，時間顯示，使用說明和對重要步驟提示的對話框，幫助用戶快速掌握儀器的使用方法以及進行數據打印和存儲； 所述顯示與打印存儲系統由顯示器電路，打印電路和存儲器電路構成，顯示器用于顯示數據并通過操作鍵進行控制，打印和存儲電路分別與微型打印機和存儲器相連進行數據打印和存儲； 所述供電系統電路由開關電源和電壓轉換電路構成，開關電源將交流電轉換成直流電經過電壓轉換電路分別向各系統電路和微型打印機供電，開關電源為+12V，1A、-12V，1A、+5V, 5A三路輸出，電源與供電系統中的開關電源相連。
2.權利要求1所述檢測儀，其特征在于，所述恒電位電路，為工作電極與參比電極之間提供500mV的穩恒電壓。
3.權利要求1所述檢測儀，其特征在于，所述微控制器是內核為MCS-51的STC89C52RC+微控制器。
4.權利要求1所述檢測儀，其特征在于，所述信號檢測與處理系統的存儲單元植入脲酶傳感器和免疫傳感器相應檢測重金屬的重金屬濃度與電流關系的標準曲線數據庫。
5.權利要求1所述檢測儀，其特征在于，所述顯示器采用3.5寸顯示屏；所述微型打印機采用微型嵌入式打印機。
6.一種權利要求1所述檢測儀的檢測方法，其特征在于，步驟如下: 將固定有脲酶的酶電極放入不含重金屬的濃度為30-60 mmol/L尿素溶液中，檢測不含重金屬時的電流I1，或者采用系統設定的默認值； 取出酶電極后，用蒸餾水沖洗，再將酶電極放入樣品液中孵育IOmin ； 取出酶電極后，用蒸餾水沖洗，再次放入濃度為30-60 mmol/L尿素溶液中，檢測電流 通過微控制器上的檢測程序根據抑制率公式，計算抑制率； 利用免疫傳感器替代酶電極，重復步驟I)至步驟4)過程重新檢測步驟4)所測抑制率聞于20%的樣品，并獲得超標抑制率；將步驟5)所得超標抑制率與預先植入檢測儀的抑制率與重金屬濃度標準曲線數據庫進行對比，獲得超標重金屬種類和濃度。
7.權利要求6所述方法，其特征在于，步驟4)所述抑制率公式，具體為:1 %=( I1-12)/I1 X100%。
【文檔編號】G01N27/26GK103940988SQ201410143552
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】孫霞, 郭業民, 王相友, 劉君峰, 趙文蘋 申請人:山東理工大學