CN100465638C - 一种基于流动注射分析的电化学分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于流动注射分析的电化学分析仪。该分析仪包括一电化学池；一生物传感器；一流动控制模块；一恒电位器；一控制***和一电源；生物传感器夹设在电化学池中，检测液体由流动控制模块推入电化学池，流经生物传感器，生物传感器连接恒电位器，控制***控制恒电位器和流动控制模块的动作。本发明可快速检测水中污染物，并具有结构简单、操作方便、成本较低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境监测仪器，特别是关于一种可快速检测水中污染物的基于流动注射分析的电化学生物传感器分析仪。
背景技术
近年来，全球范围内环境污染对水环境安全和人类健康的危害日益引起广泛关注。尤其在我国，有毒有害污染物大量增加，污染事故频频发生，严重危及我国可持续发展。为了能够有效控制有毒有害污染物(尤其是持久性有毒污染物)，急需有效的监测技术和监测仪器。但是现在使用的常规分析测试方法(如HPLC)，需要采集水样后，从现场返回实验室进行分析，检测步骤也比较繁琐。更为重要的是，由于水样容易变化，保存和运输过程都会对检测结果产生重要影响。
为了解决现场检测的问题，各国研究团体相继开展针对有毒污染物快速检测技术的研究。在这些研究中，环境生物传感器技术表现出广阔的应用前景。随着这种分析器件的核心技术(传感原理和识别机制)日益成熟，各国都纷纷进行相关的生物传感器集成分析***的研究与开发，一方面可以结合现场监测试验进一步完善环境生物传感器技术，另外一个方面也推动环境监测仪器的发展。
由于生物传感技术种类繁多，因此相应的集成分析***也有较大差异。尽管如此，结合水环境监测的实际需求来看，生物传感器***的发展目标有一定的共性，如可靠性好，可以在现场工作，能适应各种环境；操作简单，自动化程度高，便于一般技术人员操作；小型化或微型化，成本较低，能够快速部署和检测大量样本。在这样的需求下，近年来出现一些生物传感器***。如德国Tübingen大学研制了自动化水质分析计算机支持***(Automated Water Analyzer ComputerSupported System，AWACSS)，并将其用于莱茵河的水质监测研究；又如日本东芝公司采用电化学生物传感器原理研制了现代环境监测***(AdvancedEnvironmental Monitoring System)，用于地下水有毒污染物的预警试验研究等。这些研究表明，在生物传感器核心器件研究的基础上，需要进一步对集成***进行开发，以推动环境生物传感器的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于流动注射分析的电化学生物传感器分析仪，其可快速检测水中污染物，并具有结构简单、操作方便、成本较低的特点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：它包括一电化学池；一生物传感器；一流动控制模块；一恒电位器；一控制***和一电源；所述生物传感器夹设在所述电化学池中，检测液体由所述流动控制模块推入所述电化学池，流经所述生物传感器，所述生物传感器连接所述恒电位器，所述控制***控制所述恒电位器和所述流动控制模块的动作。
所述电化学池包括：一上板，一下板，一电极触板，一电极引线，一进样孔，一出样孔，和一四周设有O形橡胶圈的检测腔；所述电极触板夹设在所述上板、下板之间，所述上板与下板紧密贴合，所述电极触板的一个侧面设置有三个电极，所述三个电极的一端连接所述电极引线，另一端紧密贴合所述检测腔，形成一容室，所述进样孔与出样孔通过所述容室导通，所述电极触板的另一侧面设置有三电极***运放电路。
位于所述检测腔一端的三个电极上放置有生物酶，进而与所述三电极***运放电路构成所述生物传感器，用于向所述控制***传输检测信息。
所述流动控制模块包括：恒流泵、六通阀和八位阀，分别连接所述控制***，并在所述控制***的控制下动作。
所述流动控制模块还包括一电磁阀，以切换流路。
所述流动控制模块还包括一插设在所述六通阀上的定量环，以将被测液体推入主流路中。
所述恒电位器包括：一微控制器，一光耦元件，三电极***运放电路，模数转换器，数模转换器，及多个继电器；所述微控制器发出的指令经所述光耦元件输送至所述数模转换器和多个继电器，再输入所述三电极***运放电路；所述三电极***运放电路的检测信息经所述模数转换器输送至所述光耦元件再输入所述微处理器中。
所述恒电位器通过一极低压差稳压模块连接电源。
所述控制***包括一主板，所述主板上设置有CPU模块和数据采集模块，所述数据采集模块连接所述流动控制模块的恒流泵和电磁阀，所述流动控制模块的六通阀、八位阀和所述恒电位器通过串口与所述控制***连接，所述主板上还设置有连接外接存储卡、硬盘、显示器及键盘、鼠标的接口。
所述主板上设有以太网接口。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将恒电位器和控制***集成在两块电路板上，可使设备的结构简单，且操作方便。2、本发明通过采用集成电路，降低了设备成本。3、本发明不仅可快速进行电流分析，而且通过在三电极***运放电路中增设电流放大器和极低压差稳压模块，使本发明具有抗干扰能力强，检测精度高的优点。
附图说明
图1是本发明的电化学池结构示意图
图2是本发明的结构示意图图
图3是本发明恒电位器的结构示意图
图4是本发明控制***的主板结构图
图5是本发明的流路示意图
图6是本发明的控制过程示意图
图7是本发明的检测实例
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明是采用生物传感器原理的水质自动分析设备，主要原理是利用电化学传感器表面的生物识别分子进行酶分析和免疫分析。
本发明的仪器包括：一电化学池；一生物传感器；一流动控制模块；一恒电位器；一控制***和一电源。
如图1所示，本发明的电化学池结构包括：上板1，下板2，电极引线5，进样孔6，出样孔7，电极触板8，橡胶圈9，检测腔10。电化学池的上板1和下板2的材料为有机玻璃，电极引线5穿设在上板1的一侧，相对一侧距离一间距设置有进样孔6和出样孔7，在进样孔6和出样孔7的下方凹设薄层检测腔10。电极触板8采用丝网印刷电极，上层排列设置有工作电极、参比电极和对电极三个电极，电极的设置形式为本领域中常用的，在此不再详述。三个电极的检测端放置生物功能制剂，如酶或抗体，另一端为外露的电极触点，中间进行绝缘处理。电极触板8的下层设置三电极***运放电路14，电极触板8设置在紧密贴合的上、下板1、2之间，放置有生物酶的检测端紧密贴合检测腔10，在橡胶圈9的密封作用下，将检测腔10密闭为一容室，构成生物传感器。电极触板8具有外露的电极的一端贴合在电极引线5的下端，使电极引线5与检测腔10电性连通。使用时，溶液从进样孔6进入检测腔10，流经电极触板8的表面，然后从出样孔7流出电化学池，溶液的电化学参数经各电极传导至电极引线5。为了减小紊流对测量的影响以及减少响应时间，检测腔10采用薄层结构，设计厚度为0.4mm，直径10mm，理论容积为31.4μL。检测腔10四周辅以O形橡胶圈9防止渗漏。电极触板8连接电极引线5的一端为与电极引线5相配合的0.8mmU型SIM卡卡座。上板1与下板2的叠合固定可以采用在四角设置螺孔用螺栓螺固的方式，也可以采用在上板1和下板2的一侧设置铰链，另一侧设置搭扣的固定方式。总之，只要能达到上下板固定紧密，开合方便的目的即可。
本发明的流动控制模块是为了实现自动进样和生化反应控制而设计的，其基本原理是流动注射分析技术。如图2、图5所示，它包括：一恒流泵11，一六通阀12，一八位阀13，以及一用于切换流路的电磁阀23。恒流泵11采用兰格公司生产的BT00-100M恒流泵驱动器和DG-6多通道泵头，泵管内径为0.5mm，外径为0.8mm。六通阀12和八位阀13分别采用Valco公司生产的C22-3186EH六通阀和C25-3188EMH八位阀，均为本领域中的常用设备。在六通阀12的其中两个通道口之间还插设有一定量环3(如图6所示)，定量环3的容积为100μL，可将其中的被测液体推入主流路中进行检测。流动控制模块中的管路采用PTFE管，外径为1/16”，内径为0.50mm，设计流速为0.05min～2mL/min。各部件在控制***的控制下，完成恒流泵11的开启、转速的控制以及六通阀12的切换等功能。
如图3所示，恒电位器设置在一电路板上，其上设置有一微控制器15，微控制器15通过一个光耦元件19连接模数转换器16，数模转换器17，以及多个继电器20，模数转换器16、数模转换器17及继电器20又连接三电极***运放电路14，电源通过一极低压差稳压模块18为各器件提供稳定的电力。微控制器15还连接有FLASH闪存，以便进行数据运算。在检测过程中，需要对电极上的伪参比电极施加一定的极化电位，从工作电极把极化电流转换为电压信号。三电极***运放电路14采用基于加法控制放大器的三运放结构，以保证伪参比电极上没有测量电流。由于电极的尺寸小，电流信号弱，***容易受到杂散分流电容(流)影响。为了抑噪抗干扰，三电极***运放电路14中的电流放大器与模数转换器16和数模转换器17在同一电路板上，并且通过极低压差稳压模块18提供电源，提高了抗干扰能力和测量精度。微控制器15采用C8051F，模数转换器16采用AD7714，数模转换器17采用DAC8531，光耦元件19采用TLP112或TLP521。整个***的设计精度为0.1nA的电流。使用方式是上位机通过RS232协议，控制恒电位器的极化电位和极化电流的采集。
如图4所示，本发明的控制***包括一主板20，主板20上设置有CPU模块21和数据采集模块22。其中CPU模块21采用的是PCI04嵌入式CPU模块，具体为DM&P(SiS)Vortex86单芯片***，CPU的主频为166MHZ，板载内存128MB，采用PC/104标准规格/ISA总线，内置1个增强IDE接口与硬盘连接，3个RS-232接口(COM口)，连接六通阀12、八位阀13和恒电位器的微控制器15，2个USB接口用于连接闪存或其它外设。2.0毫米8-pin以太网接口，以与网络连接。2.0毫米44-pin显示接口，可连接LCD显示器。以及连接键盘、鼠标的PS2接口。数据采集模块22是基于PCI04总线的数据采集卡，有16路单端/8路双端12位模拟量输入，分别连接恒流泵11和电磁阀23。模拟量输入范围在-5V～+5V之间，数模转换时间只需10ms，数据采集模块22具有2路12位模块量输出，模拟量输出范围在0～10V之间。
本发明的电源为直流电源，利用电池组即可实现。
如图6所示，是本发明的控制过程示意图。本发明的操作***采用Windows98，包括在主程序窗口24控制下设定***参数模块25和检测流程模块26，***参数模块25包括端口参数、端口启停控制。检测流程模块26控制恒流泵11、六通阀12、八位阀13、电磁阀23及恒电位器的动作。一个检测流程最多可以包含32个检测步骤。设定好的数据通过控制命令模块27自动生成控制命令，通过TComm32和WinIO接口库发送给接口硬件。其中对于不同检测电极和电化学池，均包含不同的检测参数(如电位校准、电流补偿、标定系数)。采集的数据通过TComm32接口返回到信号预处理单元28，经过滤波等处理后传输给数据显示模块29和数据管理模块30。本发明控制程序中的检测参数控制模块31，是用于通过人机交互，人工设定工作流程中各环节的动作，并存储和管理预设的工作流程，数据解析模块32包含了椭圆低通滤波器(截止频率10Hz)和移动窗数据平滑(7点)，用以抑制噪声，提高信噪比。
实施例1：采用本发明的电化学生物传感器分析仪检测H2O2
HRP(辣根过氧化物酶)酶传感器的制备方法采用凝胶包埋法。包埋材料为3.7mg/mL锇聚乙烯基咪唑吡啶，包被液中HRP为1mg/mL，聚合物为0.37mg/mL，乙醇为10％，去离子水90％。取3μL滴加到电极上，风干后安装于电化学池。按照表1设置的分析步骤，启动检测流程，其中极化电位是—300mV，检测体系中的载流为PBS(磷酸盐缓冲液)缓冲液，底物溶液增加0.3mol′L—1NaCl水溶液。检测结果如图7所示。由该图可知，检测H2O2的线性区间在0～20mM之间，且电极反应主要受扩散过程控制。
表1：工作流程
| 冲洗 | 基线 | 检测 | 冲洗 | |
| 多位阀 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 电磁阀 | 关闭 | 开启 | 关闭 | 关闭 |
| 六通阀 | 采样 | 采样 | 注射 | 采样 |
| 恒流泵 | 10rpm | 10rpm | 10rpm | 10rpm |
| 检测器 | 关闭 | 开启 | 开启 | 关闭 |
| 持续时间 | 60s | 60s | 60s | 60s |
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明并不以此为限，其中所采用的各种集成芯片和微控制器不仅可采用上述公开的型号，还可以使用本领域任何公知的可实现相同功能的集成芯片和微控制器。
Claims (10)
1、一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：它包括一电化学池；一生物传感器；一流动控制模块；一恒电位器；一控制***和一电源；所述生物传感器夹设在所述电化学池中，检测液体由所述流动控制模块推入所述电化学池，流经所述生物传感器，所述生物传感器连接所述恒电位器，所述控制***控制所述恒电位器和所述流动控制模块的动作。
2、如权利要求1所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述电化学池包括：一上板，一下板，一电极触板，一电极引线，一进样孔，一出样孔，和一四周设有O形橡胶圈的检测腔；所述电极触板采用丝网印刷电极制成，所述电极触板夹设在所述上板、下板之间，所述上板与下板紧密贴合，所述电极触板的一个侧面设置有三个电极，所述三个电极的一端连接所述电极引线，另一端紧密贴合所述检测腔，形成一容室，所述进样孔与出样孔通过所述容室导通，所述电极触板的另一侧面设置有三电极***运放电路。
3、如权利要求2所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：位于所述检测腔一端的三个电极上放置有生物酶，进而与所述三电极***运放电路构成所述生物传感器，用于向所述控制***传输检测信息。
4、如权利要求1所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述流动控制模块包括：恒流泵、六通阀和八位阀，分别连接所述控制***，并在所述控制***的控制下动作。
5、如权利要求4所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述流动控制模块还包括一电磁阀，以切换流路。
6、如权利要求4或5所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述流动控制模块还包括一插设在所述六通阀上的定量环，以将被测液体推入主流路中。
7、如权利要求1所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述恒电位器包括：一微控制器，一光耦元件，三电极***运放电路，模数转换器，数模转换器，及多个继电器；所述微控制器发出的指令经所述光耦元件输送至所述数模转换器和多个继电器，再输入所述三电极***运放电路；所述三电极***运放电路的检测信息经所述模数转换器输送至所述光耦元件再输入所述微处理器中。
8、如权利要求7所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述恒电位器通过一极低压差稳压模块连接电源。
9、如权利要求1所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述控制***包括一主板，所述主板上设置有CPU模块和数据采集模块，所述数据采集模块连接所述流动控制模块的恒流泵和电磁阀，所述流动控制模块的六通阀、八位阀和所述恒电位器通过串口与所述控制***连接，所述主板上还设置有连接外接存储卡、硬盘、显示器及键盘、鼠标的接口。
10、如权利要求9所述一种基于流动注射分析的电化学分析仪，其特征在于：所述主板上设有以太网接口。
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| 新型BOD微生物传感流动注射检测仪的研制. 李捷等.环境污染治理技术与设备，第6卷第3期. 2005 |
| 新型BOD微生物传感流动注射检测仪的研制. 李捷等.环境污染治理技术与设备，第6卷第3期. 2005 * |
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