一種通用型量熱式生物傳感器的制作方法

本發明涉及一種通用型量熱式生物傳感器，能夠應用在酶分析、生化檢測、環境監測以及生化、發酵等過程的在線監測。

背景技術：

生物化學技術的發展，要求對各種生化組分進行有效分析，像，酶分析，環境監測、在線測定反應過程中形成的或消耗的特定成分，發酵過程中也需要對原料和中間產物以及生成物質等的濃度連續測定用以控制過程的進行等。由于上述過程具有高度非線性和隨機性，通過假設和實驗得到的機理和控制模型的應用范圍都是有限的，難以準確有效地描述整個過程的特性，需要研究開發用于生化過程的分析儀器。

結合流動注射分析系統的生物傳感器已廣泛應用于生化過程化學物質、生物物質的分析和檢測。對于生化過程的現場檢測和在線監測，由于是在線完成，樣品往往不能進行復雜的予處理，通常會包含有其他物質，有的還有顏色。電化學傳感器常常受到同底物中電化學活性物質的干擾，光度測量方法易受試劑本來存在的或在反應中形成的光學干擾物質的影響，二者應用到在線檢測存在局限。比較而言，量熱式生物傳感器適用于絕大多數的生化反應，不受顏色、渾濁和電化學等樣品屬性的影響，尤其適合于檢測未經處理的實際樣品，通過結合酶等可以極大地提高量熱法的特異性。

生化過程的分析常常涉及多個參數，并需同時監測，適應多組分同時測量和復雜流程的需要（富集、檢測一體化量熱式生物傳感器，zl200910126677.9；基于可逆固定化酶的量熱式生物傳感器，zl200910126676.4），可以借助通用型量熱式生物傳感器結合多種流程變化來實現。

專利（酶熱生物反應器裝置，zl201120033726.7）提供了一種酶熱生物反應器裝置，至少存在以下技術缺陷：不能適應富集、檢測一體化等復雜流程及工況調整的需要；僅采用固定化酶，存在局限；酶柱更換操作繁瑣，系統干擾大；其主要的分流模式，由于壓力、流動等復雜因素，較難獲得流態、流量、濃度分布完全相同的測試和參比流路；結構僅采用熱敏電阻，需復雜額外電橋電路，存在非線性；僅設計了加熱恒溫，且恒溫管路長，不宜控制流動注射分布濃度；結構相對復雜，不緊湊，固定化酶保存不便，不太適合現場和在線使用。

技術實現要素：

本發明的目的是解決現有量熱式生物傳感器的技術缺陷，提供一種通用型量熱式生物傳感器，能夠應用在酶分析、生化檢測、環境監測以及生化、發酵等過程的在線監測。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，一種通用型量熱式生物傳感器包括恒溫進樣絕熱合流裝置、熱穩定微小反應器、小溫差測量裝置、絕熱底座、絕熱殼體、定位螺栓、緊固螺母和絕熱蓋，所述恒溫進樣絕熱合流裝置實現多流路進樣的恒溫以及絕熱條件下的合流，所述熱穩定微小反應器是保持熱穩定性的微小反應器，所述小溫差測量裝置是采用板狀和片狀形式熱傳感器的小溫差測量裝置，所述熱穩定微小反應器放置在所述恒溫進樣絕熱合流裝置和所述小溫差測量裝置之間，分別依靠所述恒溫進樣絕熱合流裝置的半圓柱半錐體凸起插入所述熱穩定反應器入口的封頭和所述小溫差測量裝置的半圓柱半錐體凸起插入所述熱穩定反應器出口的封頭進行密閉結合，所述定位螺栓固定在所述絕熱底座上，穿過所述小溫差測量裝置的定位孔，并由緊固螺母彈力壓緊所述恒溫進樣絕熱合流裝置、所述熱穩定微小反應器和所述小溫差測量裝置，所述恒溫進樣絕熱合流裝置固定在絕熱底座內，所述熱穩定微小反應器和所述小溫差測量裝置周圍布置有所述絕熱殼體，上部布置有絕熱蓋，多流路進樣經所述恒溫進樣絕熱合流裝置的流入孔道恒溫，經所述恒溫進樣絕熱合流裝置的流出孔道合流，經所述熱穩定微小反應器入口進入所述熱穩定微小反應器內進行反應，經所述熱穩定微小反應器的出口流出，經所述小溫差測量裝置的流入孔道進入所述小溫差測量裝置進行測溫，經所述小溫差測量裝置的流出孔道流出，通過設置孿生結構的所述恒溫進樣絕熱合流裝置、所述熱穩定微小反應器和所述小溫差測量裝置分別作為測量和參比，組合為一組測量通道和參比通道，如同時成倍增加測量通道和參比通道，可實現多組通道的同時測量。

進一步地，所述恒溫進樣絕熱合流裝置由恒溫體、熱絕緣錐形旋塞和壓蓋組成，所述恒溫體由高化學惰性的金屬材料制成，所述恒溫體通過外部加熱/制冷裝置進行控溫并恒溫，所述恒溫體開有與所述熱絕緣錐形旋塞配合的錐形塞孔，所述熱絕緣錐形旋塞由高化學惰性的熱絕緣材料制成，所述熱絕緣錐形旋塞由壓蓋彈力壓緊并保持在錐形塞孔內，所述錐形塞孔側開有三路用于進樣的水平流入孔道，所述熱絕緣錐形旋塞開有與錐形塞孔的三路所述流入孔道配合的三路所述流入孔道，三路所述流入孔道的中心軸線均通過所述熱絕緣錐形旋塞的軸心，三路所述流入孔道水平停止于熱絕緣錐形旋塞軸心并沿軸向垂直向上延伸開孔，作為流出孔道，三路所述流入孔道的長度相同，且相鄰所述流入孔道的水平夾角相同，通過旋轉所述熱絕緣錐形旋塞進行切換，所述恒溫體的所述流入孔道與所述熱絕緣錐形旋塞的所述流入孔道分別連通一路流入孔道、二路流入孔道和三路流入孔道，實現單流入單流出、雙流入單流出和三流入單流出，進樣流過恒溫體的所述流入孔道時被恒溫，然后流過所述熱絕緣錐形旋塞的所述流入孔道并通過所述流出通道合流匯集流出。

進一步地，所述熱穩定微小反應器，包括反應器外管、反應器內管、支撐圓環、封頭和濾網，所述反應器外管和所述反應器內管為等長度、不同口徑的管件，所述反應器外管與所述反應器內管的軸線重合并嵌套，所述反應器外管的內壁和所述反應器內管的外壁間存在空氣間隙，所述支撐圓環的外緣與所述反應器外管外壁面平齊，所述支撐圓環的內緣與所述反應器內管內壁面平齊，所述支撐圓環一側為平整表面，另一側設有凸環，所述支撐圓環的凸環過盈嵌入所述反應器外管和所述反應器內管兩端的空氣間隙，所述封頭沿軸線開孔作為所述一次性使用的熱穩定微小反應器的出入口，所述封頭內側布置所述濾網，所述封頭過盈嵌入所述反應器內管，所述反應器外管、反應器內管和支撐圓環均由高化學惰性的熱惰性硬質材料制成，所述封頭由高化學惰性的熱惰性軟質彈性材料制成。

進一步地，小溫差測量裝置由熱傳感器a、熱傳感器b、恒溫熱沉、感溫腔體、熱絕緣支撐體、熱絕緣壓蓋、流入孔道和流出孔道組成，所述熱傳感器a和所述熱傳感器b是孿生熱傳感器，是板狀和片狀形式的接觸式熱傳感器，優選為片狀熱電堆，所述熱傳感器a和所述熱傳感器b的一側端面為熱端面，另一側端面為冷端面，所述熱傳感器a和所述熱傳感器b的相同一側端面與所述恒溫熱沉熱接觸良好，相同另一側端面為所述感溫腔體，所述感溫腔體連接所述流入孔道和所述流出孔道，所述流入孔道和所述流出孔道的相對位置保證流動為下入上出，所述恒溫熱沉內置恒溫模塊，可實現可控的恒溫狀態，所述恒溫熱沉為圓臺形式的金屬塊，側面加工成平面并分別與所述熱傳感器a和所述熱傳感器b良好熱接觸，所述熱絕緣支撐體上開有凹坑，內置所述熱傳感器a、所述熱傳感器b和所述恒溫熱沉，所述熱絕緣支撐體上放置所述熱絕緣壓蓋，保證所述熱傳感器a、所述熱傳感器b和所述恒溫熱沉與環境熱絕緣，所述熱傳感器a和所述熱傳感器b的信號輸出按照差分輸出方式串接，所述熱絕緣支撐體和所述熱絕緣壓蓋均由高化學惰性的熱絕緣材料制成。

本發明的有益效果是，通用性強，可采用固定化酶，液態酶等，適應富集、檢測一體化等多流路、多組份、復雜流程及工況調整的需要；靈活性高，可以實現單流入單流出、雙流入單流出和三流入單流出變化，不同大小、規格的反應器方便更換調整；與分流模式不同，孿生平行流模式較易獲得流態、流量、濃度分布完全相同的測試和參比流路；設計了加熱/制冷恒溫，除工作進行控溫外，可以在測試間隙采用制冷保護生物活性待測；熱穩定性好，適應量熱分析；系統結構簡單緊湊、模塊化，反應器更換方便、適用性強，尤其適用于現場測量。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是通用型量熱式生物傳感器結構示意圖。

其中：1、恒溫進樣絕熱合流裝置，2、熱穩定微小反應器，3、小溫差測量裝置，4、絕熱底座，5、絕熱殼體，6、定位螺栓，7、緊固螺母，8、半導體制冷/加熱器件，9、換熱器，10、風扇，11、彈簧，12，絕熱蓋。

圖2是恒溫進樣絕熱合流裝置的結構示意圖。

圖3是熱絕緣錐形旋塞的結構示意圖。

其中：101、恒溫體，102、熱絕緣錐形旋塞，103、錐形塞孔，104、壓蓋，105、流入孔道，106、流出孔道。

圖4是單流入單流出、雙流入單流出和三流入單流出的原理示意圖。

圖5是熱穩定微小反應器的結構示意圖。

其中：201、反應器外管，202、反應器內管，203、支撐圓環，204、封頭，205、濾網。

圖6是小溫差測量裝置的結構示意圖。

其中：301、熱傳感器a，302、熱傳感器b，303、恒溫熱沉，304、感溫腔體，305、熱絕緣支撐體，306、熱絕緣壓蓋，307、流入孔道，308、流出孔道。

具體實施方式

本發明結合籍由以下結合的實施例來說明本發明之內容，而非限制本發明之范圍。

如圖1所示，一種通用型量熱式生物傳感器包括恒溫進樣絕熱合流裝置1、熱穩定微小反應器2、小溫差測量裝置3、絕熱底座4、絕熱殼體5、定位螺栓6、緊固螺母7、半導體制冷/加熱器件8、換熱器9、風扇10、彈簧11和絕熱蓋12，恒溫進樣絕熱合流裝置1實現多流路進樣的恒溫以及絕熱條件下的合流，熱穩定微小反應器2是保持熱穩定性的微小反應器，小溫差測量裝置3是采用柱狀、珠狀和球狀熱傳感器的小溫差測量裝置，熱穩定微小反應器2放置在恒溫進樣絕熱合流裝置1和小溫差測量裝置3之間，分別依靠恒溫進樣絕熱合流裝置1的半圓柱半錐體凸起插入熱穩定反應器2入口的封頭和小溫差測量裝置3的半圓柱半錐體凸起插入熱穩定反應器2出口的封頭進行密閉結合，定位螺栓6固定在絕熱底座4上，穿過小溫差測量裝置3的定位孔，并由緊固螺母7和彈簧11彈力壓緊恒溫進樣絕熱合流裝置1、熱穩定微小反應器2和小溫差測量裝置3，恒溫進樣絕熱合流裝置1固定在絕熱底座4內，恒溫進樣絕熱合流裝置1的底部設置半導體制冷/加熱器件8、換熱器9和風扇10進行控溫，絕熱底座4的底裙部分開孔或部分切除，用于換熱器與環境間的良好換熱，保證半導體制冷/加熱器件8正常工作。熱穩定微小反應器2和小溫差測量裝置3周圍布置有絕熱殼體5，上部布置有絕熱蓋12，多流路進樣經恒溫進樣絕熱合流裝置1的流入孔道恒溫，經恒溫進樣絕熱合流裝置1的流出孔道合流，經熱穩定微小反應器2入口進入熱穩定微小反應器2內進行反應，經熱穩定微小反應器2的出口流出，經小溫差測量裝置3的流入孔道進入小溫差測量裝置3進行測溫，經小溫差測量裝置3的流出孔道流出，通過設置孿生結構的恒溫進樣絕熱合流裝置1、熱穩定微小反應器2和小溫差測量裝置3分別作為測量和參比，其中小溫差測量裝置3的孿生熱傳感器的信號輸出按照差分輸出方式串接，組合為一組測量通道和參比通道，如同時成倍增加測量通道和參比通道，可實現多組通道的同時測量。

如圖2和圖3所示，恒溫進樣絕熱合流裝置1由恒溫體101、熱絕緣錐形旋塞102和壓蓋104組成，恒溫體101為多邊形不銹鋼金屬塊，恒溫體101的底部通過半導體加熱/制冷裝置進行控溫并恒溫，恒溫體101開有與熱絕緣錐形旋塞102配合的錐形塞孔103，熱絕緣錐形旋塞102由壓蓋104依靠彈簧彈力壓緊并保持在錐形塞孔103內，熱絕緣錐形旋塞102上部布置有半圓柱半錐體的凸起，用于插入微小反應器入口的封頭，保證流道密閉。錐形塞孔103側開有三路用于進樣的流入孔道105，熱絕緣錐形旋塞102開有與錐形塞孔103的三路流入孔道105配合的三路流入孔道105，三路流入孔道105的中心軸線均通過熱絕緣錐形旋塞2的軸心，三路流入孔道105的長度相同，且相鄰流入孔道105水平夾角為45°，三路流入孔道105水平停止于熱絕緣錐形旋塞102軸心并沿軸向垂直向上延伸開孔，作為流出孔道106。熱絕緣錐形旋塞102和壓蓋104均由聚四氟乙烯（親水化改性）材料制成。如圖4所示，熱絕緣錐形旋塞102逆時針分別旋轉角度45°和90°，恒溫體101的三路流入孔道105與熱絕緣錐形旋塞102的三路流入孔道105連通一路流入孔道105、二路流入孔道105和三路流入孔道105，實現三流入單流出（圖4a）、雙流入單流出（圖4b）和單流入單流出（圖4c），進樣流過恒溫體1的流入孔道105時被恒溫，然后流過熱絕緣錐形旋塞102的三路流入孔道105并通過流出通道106合流匯集流出。熱絕緣錐形旋塞102順時針旋轉也可實現上述功能，原理一致。

如圖5所示，熱穩定微小反應器2包括反應器外管201、反應器內管202、支撐圓環203、封頭204、濾網205和密封塞206，反應器外管201和反應器內管202為等長度、不同口徑的硬質塑料管，其壁厚約為1mm，反應器外管201與反應器內管202的軸線重合并嵌套，反應器外管201的內壁和反應器內管202的外壁間存在空氣間隙，空氣間隙約為1mm，支撐圓環203為硬質塑料材料制成的圓環，支撐圓環203的外緣與反應器外管201的外壁面平齊，支撐圓環203的內緣與反應器內管202的內壁面平齊，支撐圓環203設有高度約2mm高的凸環，支撐圓環203的凸環過盈嵌入反應器外管201和反應器內管202兩端的空氣間隙，封頭204由彈性橡膠材料制成，封頭204沿軸線開孔作為微小反應器的出入口，封頭204嵌入反應器內管202，反應器內管202內部封頭204的內側布置濾網205。

如圖6所示，小溫差測量裝置3由熱傳感器a301、熱傳感器b302、恒溫熱沉303、感溫腔體304、熱絕緣支撐體305、熱絕緣壓蓋306流入孔道307和流出孔道308組成，熱傳感器a301和熱傳感器b302是孿生熱傳感器，選用性能結構一致的片狀熱電堆，熱絕緣支撐305上開有凹坑，用于內置熱傳感器a301、熱傳感器b302和恒溫熱沉303，熱傳感器a301和熱傳感器b302的熱端面與恒溫熱沉303側面緊密接觸，并涂抹導熱硅脂減少接觸熱阻，熱傳感器a301和熱傳感器b302的冷端面分別覆蓋在凹坑開出的感溫腔體304，并直接粘結在熱絕緣支撐305上，測量時熱傳感器a301、熱傳感器b302均與感溫腔體304中的反應液直接接觸，感溫腔體304為厚度為2-5mm的圓柱形腔體，側面開孔連接流入孔道307和流出孔道308，熱絕緣支撐305下部布置有半圓柱半錐體的凸起，沿凸起軸心開孔作為流入孔道307，流出孔道8在熱絕緣支撐305水平開孔得到，相對位置高于流入孔道307，保證流動為下入上出，恒溫熱沉303為圓臺形式的金屬塊，其底面朝上，內置半導體制冷/加熱模塊，可實現可控的恒溫狀態，恒溫熱沉303側面加工成平面并分別與熱傳感器a301和熱傳感器b302緊密接觸，熱絕緣支撐體305上部放置熱絕緣壓蓋306，保證熱傳感器a301、熱傳感器b302和恒溫熱沉303與環境熱絕緣，熱傳感器a301和熱傳感器b302的信號輸出按照差分輸出方式串接。熱絕緣支撐體305和熱絕緣壓蓋306均由聚四氟乙烯（親水化改性）制成。

本發明提出的一種通用型量熱式生物傳感器可作為富集、檢測一體化量熱式生物傳感器流程用于檢測重金屬，具體流程和檢測方法參見文獻（新型多功能量熱式生物傳感器系統研究與開發，儀器儀表學報，2011:32(12),45-51），由本發明和緩沖液、試樣、蠕動泵等組成流動注射系統，實現富集、檢測一體化的檢測流程，熱穩定微小反應器2內部充滿40目的113樹脂，并通過結合本發明的半圓柱半錐體凸起引入系統流路，周圍放置絕熱殼體5，并旋緊定位螺栓6上的緊固螺母7，然后按照流程進行測試，小溫差測量裝置3輸出的熱信號由微機的檢測處理程序完成，最后打印樣品的量。