用于tnt檢測的生物阻抗移動傳感裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電化學阻抗檢測技術，尤其涉及一種用于TNT檢測的生物阻抗移動傳感裝置和方法。
【背景技術】
[0002]TNT(三硝基甲苯)是一種目前最常見的爆炸物。其具有巨大的破壞性，嚴重的污染性，因此對TNT的有效檢測在現代社會中，尤其是在公共安全方面，具有十分重要的意義。目前已采用的多種TNT檢測方法包括搜索犬檢查法、人工檢測法、掃描成像探測法、核能探測法、化學傳感法等。但是這些方法具有成本高、可靠性較低、體積大、集成度低、功能單一、靈敏度較低等不同的缺點。因此開發小型化、低成本、高精度及檢測范圍較廣的TNT檢測裝置具有迫切的需求。
[0003]近年來，移動設備由于其強大的計算和儲存能力，作為數據處理和顯示的平臺，能夠結合不同的便攜式傳感檢測裝置，實現對生理參數和化學物質的移動檢測，大大提高了傳感檢測的移動性和便攜性。而目前也未見文獻報道基于移動設備采用生物阻抗傳感的便攜式TNT檢測儀器。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于TNT檢測的生物阻抗移動傳感裝置和方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種用于TNT檢測的生物阻抗移動傳感裝置，包括檢測電路室、供電模塊、檢測電路模塊和傳感檢測室；其中，所述檢測電路室由檢測電路室底座和檢測電路室外殼組成，所述檢測電路室外殼固定在檢測電路室底座上，形成一個密閉空間；所述供電模塊由9V電池和開關按鍵電路連接組成；所述檢測電路模塊由Arduino UNO開發板和功能擴展板組成，所述Arduino UNO開發板固定于檢測電路室底座上，Arduino UNO開發板的電源接口與開關按鍵電路連接，所述傳感檢測室由傳感器固定臺、傳感檢測室外殼、傳感器接口和生物阻抗傳感器組成，所述傳感器固定臺和傳感檢測室外殼均固定在檢測電路室外殼的上表面，傳感器固定臺和傳感檢測室外殼之間形成一個密閉空間；所述傳感器接口固定在傳感器固定臺上，所述生物阻抗傳感器以插拔形式與傳感器接口連接；
所述功能擴展板包括第一 8位排針、3位信號接口、第二 8位排針、藍牙模塊、第三8位排針、放大模塊、阻抗模塊、第四8位排針、時鐘模塊和選通校準模塊；其中，所述藍牙模塊分別連接第三8位排針和第一 8位排針；放大模塊分別連接3位信號接口、第三8位排針和阻抗模塊；阻抗模塊分別連接第三8位排針和第四8位排針；時鐘模塊分別連接第三8位排針和阻抗模塊；選通校準模塊分別連接第三8位排針和阻抗模塊；第一 8位排針、第二 8位排針、第三8位排針、第四8位排針插入Arduino UNO開發板相應位置的排母中，從而實現功能擴展板與Arduino UNO開發板的電氣連接；所述3位信號接口與傳感器接口電路連接；Arduino UNO開發板通過第三8位排針對藍牙模塊、放大模塊、阻抗模塊、時鐘模塊和選通校準模塊進行供電；時鐘模塊和選通校準模塊分別為阻抗模塊提供外部時鐘和阻值校準信號；生物阻抗傳感器產生的阻抗信號經放大模塊放大后，再經阻抗模塊進行復阻抗分析和數模轉換，經Arduino UNO開發板進行信號處理和編碼，得到反映阻抗變化的數字信號，該數字信號傳輸至藍牙模塊，最后由藍牙模塊傳輸至移動終端。
[0006]2、根據權利要求1所示用于TNT檢測的生物阻抗移動傳感裝置，其特征在于，所述生物阻抗傳感器包括兩個參考電極、工作電極、生物多肽膜、電化學反應腔、印刷導線和電氣連接端，所述參考電極、工作電極和電氣連接端通過標準絲網印刷技術在PET材料表面制備；所述工作電極為直徑5 mm的圓形，印刷材料為碳；兩個參考電極均為厚度2 mm的半圓環，環繞對稱分布于工作電極的兩側，印刷材料為銀；工作電極和兩個參考電極均由寬度為2 mm的印刷導線引出至器件底部；印刷導線材料為銀，其上覆蓋透明絕緣膠，利用環氧樹脂溶解劑去除器件底部導線5 _長區域表面絕緣膠，暴露銀材料，形成三個電氣連接端；所述生物多肽膜由30 μ L 200 μ g/ml的多肽溶液滴加在工作電極表面，氮氣吹干形成；所述多肽溶液的溶劑為0.1 M磷酸緩沖液，pH=7.4 ;所述電化學反應腔為正方環形結構，環繞工作電極和兩個參考電極，固定在器件表面。
[0007]3、一種應用權利要求1所述生物阻抗移動傳感裝置進行TNT檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)配制待測TNT標準樣品溶液:采用濃度為0.1 M的TNT標準貯備溶液稀釋配制7種濃度梯度為 1(Γ6 Μ、3Χ1(Γ6 Μ、1(Γ5 Μ、3Χ1(Γ5 Μ、1(Γ4 Μ、3Χ1(Γ4 Μ、和 1(Γ3 M 的 TNT 標準樣品溶液；稀釋液為無水甲醇；
(2)檢測TNT標準樣品溶液，得到TNT標準樣品溶液作用下生物阻抗傳感器的阻抗值變化:將生物阻抗傳感器插入傳感器接口，向電化學反應腔滴加10 μ L無水甲醇，蓋上傳感檢測室外殼，Arduino UNO開發板開始記錄生物阻抗傳感器阻抗值信號，在開始后50 s左右打開傳感檢測室外殼，向電化學反應腔中滴加1yL TNT標準樣品溶液，合上傳感檢測室外殼，繼續記錄生物阻抗傳感器阻抗值信號，直至120 s結束；以第一個記錄點阻值為基準，得到120 s內歸一化阻抗變化，施加交流激勵幅度為200 mV，頻率為20 kHz，記錄阻抗值時間間隔為I s ；
(3)建立TNT標準樣品溶液濃度-歸一化阻抗變化的標準曲線:使用生物阻抗傳感裝置重復步驟2中的測量過程，直至完成7種濃度梯度分別為10_6 M、3X10_6 M、10_5 M、3X10_5M、10_4 M、3X10_4 M和10_3 M的TNT標準樣品溶液的測量，得到不同濃度下的歸一化阻抗變化；每個濃度重復測量10次，生物阻抗傳感器不能重復使用，得到TNT標準樣品溶液濃度與歸一化阻抗變化的關系曲線y=0.1477 log(x)+ 0.947，其中，x為TNT標準樣品溶液濃度，I為歸一化阻抗變化；
(4)檢測未知溶液的TNT離子濃度:將待測濃度的TNT溶液，重復步驟2的測量過程，得到歸一化阻抗變化值，帶入步驟3得到的標準曲線公式y=0.1477 log(x)+ 0.947，計算得到TNT溶液的濃度，實現對TNT的濃度檢測。
[0008]本發明相對于現有的TNT檢測方法具有以下有益效果:本發明提供了用于TNT檢測的生物阻抗移動傳感裝置，實現了對TNT的定量檢測。采用移動終端作為裝置的控制、分析和顯示平臺，大大簡化了生物阻抗移動傳感裝置的電路設計，提高了裝置的便攜性，克服了現有的TNT檢測大型儀器價格高昂、無法移動檢測的缺點。生物阻抗移動傳感裝置利用生物多肽膜修飾的新型阻抗傳感器實現對TNT檢測，在利用生物體對TNT的高度特異性敏感特性的基礎上，克服了生物體對TNT檢測中存在的個體差異、易疲勞等缺點，其具有靈敏度高、特異性好、工作穩定、長時檢測的優點，本發明方法具有檢測過程簡單、成本低廉、易在不同環境下操作的特點。根據以上優點，本發明的裝置及方法可廣泛用于TNT檢測的相關領域。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明用于TNT檢測的生物阻抗移動傳感裝置整體結構圖；
圖2是本發明功能擴展板各組成模塊示意圖；
圖3是本發明生物阻抗傳感器結構圖；
圖4是本發明生物阻抗傳感原理圖；
圖5是本發明TNT檢測裝置的總體流程框架圖；
圖6是本發明阻抗傳感裝置電阻阻抗檢測性能標定結果圖；
圖7是本發明阻抗傳感裝置電容阻抗檢測性能標定結果圖；
圖8是本發明阻抗傳感裝置在不同頻率點阻抗檢測標定結果圖；
圖9是本發明智能手機顯不界面圖；
圖10是本發明用于TNT檢測實時阻抗信號記錄圖；
圖11是本發明用于TNT檢測結果圖；
圖12是本發明對不同化學物質檢測結果圖；
圖中:檢測電路室底座1、Arduino UNO開發板2、第一開發板固定螺釘3、功能擴展板
4、第一檢測電路室定位螺桿5、傳感器固定臺6、傳感檢測室外殼7、9V電池8、第二開發板固定螺釘9、開關導線10、電源接口 11、供電導線13、第二檢測電路室定位螺桿14、檢測電路室外殼15、開關按鍵16、信號導線17、傳感器接口 18、生物阻抗傳感器19、第一 8位排針41、3位信號接口 42、第二 8位排針43、藍牙模塊44、第三8位排針45、放大模塊46、阻抗模塊47、第四8位