CN105004768B - 基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置及方法。解决现有采用浓度分析仪成本高的问题。装置包括采集工作台、采集单元、转换单元和处理单元，采集工作台包括座体，在座体上设置有圆盘，在圆盘上设置有多个储液腔，在圆盘一侧下部设置有滴液室，滴液室底部设置有滴液头，在滴液头的下方座体上设置有放置槽，采集单元包括细胞电极板和声表面波谐振器，细胞电极板位于在放置槽内，声表面波谐振器与转换单元连接，转换单元与处理单元连接。本发明的优点是结构简单，制作成本低，能够自动对多种溶液浓度进行检测，操作方便快捷，同时减少了操作人员工作量，节约了时间。检测过程方便快捷，精度高。

Description

基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种溶液浓度检测技术，尤其是涉及一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，以及基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析方法。

背景技术

在实验室中经常需要对溶液的浓度进行检测，在检测溶液浓度时，通常使用专用的浓度分析仪检测，但浓度分析仪价格昂贵，少则也需要上万元，这大大增加了实验成本。因此，有必要设计一种结构简单，操作快捷，成本低廉的浓度检测装置，以及该检测装置的检测方法。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中采用浓度分析仪成本高的问题，提供了一种结构简单，操作快捷，成本低的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置。

本发明还提供了一种操作快捷的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，包括采集工作台、采集单元、转换单元和处理单元，所述采集工作台包括底座，在底座上旋转设置有圆盘，在圆盘上绕圆心设置有多个储液腔，在圆盘一侧下部设置有滴液室，所述滴液室上部与圆盘底部相接触，在储液室底部设置有出液口，在出液口上设置有第一电磁阀，在滴液室顶部对应出液口位置设置有进液口，所述滴液室底部上设置有滴液头，滴液室内设置有清洗机构和排水机构，在滴液头的下方底座上设置有放置槽，所述采集单元包括相连接的细胞电极板和声表面波谐振器，细胞电极板位于在放置槽内，所述声表面波谐振器与转换单元连接，转换单元与处理单元连接。本发明采集工作台自动将不同浓度溶液分别滴到细胞电极板上进行检测，声表面波谐振器采集细胞电极板上反应信息，以频率的形式输出到转换单元转，转换单元采集声表面波谐振器的频率信号，并转换成数字信号发送给处理单元，处理单元对数字信号进行共振处理得到输出信噪比值。在对不同浓度溶液检测后得到与N个数字信号分别对应的输出信噪比值，然后根据拟合直线得到溶液浓度预测模型。圆盘上能放置多种浓度溶液，并根据设定每隔一段时间旋转并将一个储液腔内溶液加入到滴液室内。滴液室将溶液滴到细胞电极板上，在一种浓度溶液检测完毕后能排出剩余溶液并能对滴液室进行清洗。本发明能自动对不同浓度溶液的浓度进行分析，操作简单方便，无需操作人员一直守候旁边并手动更换检测溶液，减轻了操作人员工作量，节约了时间。本发明滴液室具有清洗功能，当将一种浓度的溶液排出后，清洗机构能通入水进行清洗，并通入气体进行吹干，保证了另一种浓度溶液进入滴液室时不会与之前剩余液体混合，使得溶液浓度的不会发生变化，保证了最后分析数据的精确性。

作为一种优选方案，所述清洗机构包括与滴液室内部连通的进水口和进气口，进水口与水箱连接，进气口与气泵连接，在进水口和进气口上分别设置有进水电磁阀和进气电磁阀，所述排水机构包括设置在滴液室底部的排水口，在排水口上设置有排水电磁阀。清洗机构对滴液室进行清洗。清洗时打开排水口，通过进水口通入清水进行水清洗，水清洗后通过进气口通入空气对滴液室内进行干燥，这使得之后加入的溶液不会与之前残留液混合，使得溶液浓度不会发生变化，保证分析结果的精确性。

作为一种优选方案，所述滴液头通过微量泵与滴液室相连通。通过微量泵将滴液室内的溶液按照设定量和时间滴落在细胞电极板上。

作为一种优选方案，在滴液室内设置有加氧搅拌机构，加氧搅拌机构包括转轴，转轴内设置有管路，所述转轴与进水口和进气口相连通，在转轴上连接有搅拌管，搅拌管的中间位置设置有转轴座，搅拌管通过转轴座按照在转轴上，构成T型结构，搅拌管为空心密封管，搅拌管与转轴相连通，在搅拌管的端头一端上设置有若干第一气孔，在搅拌管的另一端头与第一气孔相背的一侧上设置有若干第二气孔。加氧搅拌机构将空气通入到滴液室内的溶液内，增加溶液的含氧量，同时通入空气能够带动搅拌管进行旋转，会对溶液进行搅拌，使得溶液与空气更好的混合，增加含氧量，这样溶液滴到细胞电极板上后，能使细胞电极板上的细胞存活更好，存活寿命更长，保证了检测数据的准确性。

作为一种优选方案，所述圆盘侧面下边缘上设置有一圈限位沿，在所述滴液室顶部上设置有限位块，限位块表面为弧形面，限位块表面与圆盘侧面相贴近，在限位块表面上对应设置有限位槽，限位沿嵌入在限位槽内。限位沿和限位槽保证圆盘与滴液室相接触，圆盘转动时不会偏离位置，使得出液口与进液口相对准。

作为一种优选方案，在所述细胞电极板上设置有工作电极、对电极和两个参比电极，所述工作电极的前端为圆形，该圆形部分采用泡沫铜制成，且在这些泡沫铜上还镀有一层镀金层，细胞附着在工作电极前端上，所述对电极和参比电极的前端围绕工作电极前端设置，并在工作电极、对电极和参比电极的前端外部分上涂覆有一层油漆涂层。电极采用泡沫铜制成，泡沫铜为均匀分布的三维网状孔结构，其具有多层稳定的网状结构且连接紧密，网状结构不易变形及塌陷。这使得细胞能够进入泡沫铜结构内部，使得细胞能更好的附着在电极上。镀金层相比泡沫铜毒性更低，与细胞接触使得细胞活性更好，也使得检测灵敏度更好。

作为一种优选方案，所述在底座上竖立设置有旋转电机，所述圆盘安装在旋转电机的转轴上，在旋转电机转轴外设置有轴套，所述滴液室固定在轴套上。

一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析方法，包括以下步骤：

步骤一：将苯基硫脲溶液放入在圆盘中与滴液室相对的储液腔内，然后将储液腔内溶液注入滴液室；储液腔与滴液室相对，即储液室的出液口与滴液室的进液口相对准。

步骤二：通过微量泵向细胞电极板上滴液，设定每次滴液量为0.05ml，滴液间隔时间为3.5秒，滴液次数为100次，滴液结束后，排出滴液室内剩余溶液并对滴液室进行清洗吹干；打开排水电磁阀，将滴液室内的剩余溶液排出，排出后关闭排水电磁阀。然后打开进水电磁阀通入清水，对滴液室内进行冲洗，清洗后再打开排水电磁阀进行排水。关闭进水电磁阀，打开进气电磁阀，通入气体对滴液室内进行吹干处理，最后关闭排水电磁阀。

步骤三：声表面波谐振器采集细胞电极板上的信号以频率形式输出，转换单元对频率信号进行转换得到频率曲线，然后传送到处理单元上，处理单元在频率曲线上采样得到输入值S(t)；将输入值S(t)代入二阶线性***随机共振模型，该模型为：

并使二阶线性系数随机共振模型共振；其中x(t)是振动质点位移，Ω为角频率，r和ω分别为设定的衰减系数和线性振动质点的频率，c是设定的信号调解系数，b是设定的二次噪声ξ²(t)的系数，ξ(t)为三歧噪声，ξ(t)∈{-a,0,a}，a＞0，噪声的歧化过程遵循泊松分布，其概率分布为p_s(a)＝p_s(-a)＝q，p_s(0)＝1-2q，其中0<q<0.5；噪声均值与相关性遵循<ξ(t)>＝0，<ξ(t)ξ(t+τ)>＝2qa²e^-λτ；λ为相关率，三歧噪声ξ(t)的平直度为得到溶液的输出信噪比值

步骤四：将输出信噪比值代入苯基硫脲溶液浓度预测模型：

计算出苯基硫脲溶液的浓度。

作为一种优选方案，所述苯基硫脲溶液浓度预测模型由以下步骤计算得出：

步骤a：分别调配好多种浓度的苯基硫脲溶液，将苯基硫脲溶液分别放入在圆盘的储液腔内，同时在处理器内输入对应的各苯基硫脲溶液的浓度值k₁,k₂,...,k_N；N为检测溶液的数量。

步骤b：将圆盘中与滴液室相对的储液腔内溶液注入滴液室，按照步骤二和三，得到溶液的输出信噪比值；

步骤c：转动圆盘，使下一个储液腔与滴液室相对，重复步骤b，这样直到圆盘上所有溶液都进行检测，最后处理器得到对应这些溶液的输出信噪比值SNR₁,SNR₂,...,SNR_N，然后根据对应的溶液浓度k₁,k₂,...,k_N，利用(k₁,SNR₁),(k₂,SNR₂),...,(k_N,SNR_N)拟合成直线，根据拟合的直线得出苯基硫脲溶液浓度预测模型：

因此，本发明的优点是：结构简单，制作成本低，能够自动对多种溶液浓度进行检测，操作方便快捷，同时减少了操作人员工作量，节约了时间。检测过程方便快捷，精度高。

附图说明

附图1是本发明的一种结构框示图；

附图2是本发明中采集工作台的一种结构示意图；

附图3是本发明中加氧搅拌机构的一种结构示意图；

附图4是本发明中细胞电极板的一种结构示意图。

1-采集工作台 2-采集单元 3-转换单元 4-处理单元 5-声表面波谐振器 6-细胞电极板 7-底座 8-圆盘 9-储液腔 10-滴液室 11-放置槽 12-出液口 13-出液电磁阀 14-进液口 15-滴液头 16-进气口 17-进气电磁阀 18-进水口 19-进水电磁阀 20-排水口21-排水电磁阀 22-旋转电机 23-轴套 24-微量泵 25-转轴 26-搅拌管 27-转轴座 28-第一气孔 29-第二气孔 30-限位沿 31-工作电极 32-对电极 33-参比电极 34-油漆涂层35-限位槽

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，包括有采集工作台1、采集单元2、转换单元3和处理单元4。

如图2所示，采集工作台包括有底座7，在底座上竖直安装有旋转电机22，旋转电机的转轴上设置有圆盘8，旋转电机的转轴外设置有轴套23。在圆盘上绕圆心均匀设置有多个用于放置溶液的储液腔9，在圆盘一侧的下部设置有滴液室10，滴液室固定连接在轴套上，滴液室的上部与圆盘底部相接触。圆盘侧面下边缘上设置有一圈限位沿30，在滴液室顶部上设置有限位块，限位块表面为弧形面，限位块表面与圆盘侧面相贴近，在限位块表面上对应设置有限位槽35，限位沿嵌入在限位槽内。

在储液腔的底部设置有出液口12，在出液口上设置有出液电磁阀13，在储液室的上部对应出液口位置设置有进液口14，进液口直径大于出液口直径。在滴液室的底部上设置有滴液头15，滴液头上设置有微量泵24，通过微量泵与滴液室内部相连通。

在滴液室内设置有清洗机构和排水机构，清洗机构包括进水口18和进气口16，进气口和进水口汇成一个管路然后与滴液室内部相连通。进水口上设置有进水电磁阀19，进水口通过管路与水箱连接，在管路上设置有水泵。进气口上设置有进气电磁阀17，进气口与气泵相连接。排水机构包括设置在滴液室底部的排水口20，在排水口上设置有排水电磁阀21。

在滴液室内还设置有加氧搅拌机构，如图3所示，加氧搅拌机构包括转轴25，转轴内设置有管路，转轴内管路与进水口和进气口相连通，在转轴上连接有搅拌管26，搅拌管的中间位置设置有转轴座27，搅拌管通过转轴座安装在转轴上，构成T型结构，搅拌管为空心密封管，搅拌管与转轴相连通。在搅拌管的端头一端上设置有若干第一气孔28，在搅拌管的另一端头与第一气孔相背的一侧上设置有若干第二气孔29。

在滴液头下部底座上设置有放置槽11，放置槽底部设置有出水口。

采集单元包括细胞电极板6和声表面波谐振器5，细胞电极板连接声表面包谐振器上。操作时，细胞电极板放置在采集工作台的放置槽内。如图1所示，声表面波谐振器与转换单元相连接，转换单元与处理单元相连接，声表面波谐振器上连接有电源。如图4所示，细胞电极板上设置有工作电极31、对电极32和两个参比电极33。工作电极的前端为圆形，该圆形部分采用泡沫铜制成，且在这些泡沫铜上还镀有一层镀金层，细胞附着在工作电极前端上，对电极和参比电极的前端围绕工作电极前端设置，并且在工作电极、对电极和参比电极的前端外部分上涂覆有一层油漆涂层34。

基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析方法，包括以下步骤：

步骤一：将苯基硫脲溶液放入在圆盘中与滴液室相对的储液腔内，然后将储液腔内溶液注入滴液室。

步骤二：通过微量泵向细胞电极板上滴液，设定每次滴液量为0.05ml，滴液间隔时间为3.5秒，滴液次数为100次。滴液结束后，打开排水电磁阀，将滴液室内的剩余溶液排出，排出后关闭排水电磁阀。然后打开进水电磁阀通入清水，对滴液室内进行冲洗，清洗后再打开排水电磁阀进行排水。关闭进水电磁阀，打开进气电磁阀，通入气体对滴液室内进行吹干处理，最后关闭排水电磁阀。

步骤三：声表面波谐振器采集细胞电极板上的信号以频率形式输出，转换单元对频率信号进行转换得到频率曲线，然后传送到处理单元上，处理单元在频率曲线上采样得到输入值S(t)；将输入值S(t)代入二阶线性***随机共振模型，该模型为：

并使二阶线性系数随机共振模型共振；其中x(t)是振动质点位移，Ω为角频率，r和ω分别为设定的衰减系数和线性振动质点的频率，c是设定的信号调解系数，b是设定的二次噪声ξ²(t)的系数，ξ(t)为三歧噪声，ξ(t)∈{-a,0,a}，a＞0，噪声的歧化过程遵循泊松分布，其概率分布为p_s(a)＝p_s(-a)＝q，p_s(0)＝1-2q，其中0<q<0.5；噪声均值与相关性遵循<ξ(t)>＝0，<ξ(t)ξ(t+τ)>＝2qa²e^-λτ；λ为相关率，三歧噪声ξ(t)的平直度为得到溶液的输出信噪比值

步骤四：将输出信噪比值代入苯基硫脲溶液浓度预测模型：

计算出苯基硫脲溶液的浓度。

其中苯基硫脲溶液浓度预测模型由以下步骤计算得出：

步骤a：分别调配好多种浓度的苯基硫脲溶液，将苯基硫脲溶液分别放入在圆盘的储液腔内，同时在处理器内输入对应的各苯基硫脲溶液的浓度值k₁,k₂,...,k_N；

步骤b：将圆盘中与滴液室相对的储液腔内溶液注入滴液室，按照步骤二和三，得到溶液的输出信噪比值；

步骤c：转动圆盘，使下一个储液腔与滴液室相对，重复步骤b，这样直到圆盘上所有溶液都进行检测，最后处理器得到对应这些溶液的输出信噪比值SNR₁,SNR₂,...,SNR_N，然后根据对应的溶液浓度k₁,k₂,...,k_N，利用(k₁,SNR₁),(k₂,SNR₂),...,(k_N,SNR_N)拟合成直线，根据拟合的直线得出苯基硫脲溶液浓度预测模型：

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了采集工作台、采集单元、转换单元、处理单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征在于：包括采集工作台(1)、采集单元(2)、转换单元(3)和处理单元(4)，所述采集工作台包括底座(7)，在底座(7)上旋转设置有圆盘(8)，在所述底座(7)上竖立设置有旋转电机(22)，所述圆盘(8)安装在旋转电机(22)的转轴上，在圆盘(8)上绕圆心设置有多个储液腔(9)，在圆盘(8)一侧下部设置有滴液室(10)，所述滴液室(10)上部与圆盘(8)底部相接触，在储液腔底部设置有出液口(12)，在出液口(12)上设置有出液电磁阀(13)，在滴液室(10)顶部对应出液口(12)位置设置有进液口(14)，所述滴液室(10)底部上设置有滴液头(15)，滴液室(10)内设置有清洗机构和排水机构，在滴液头(15)的下方底座上设置有放置槽(11)，所述采集单元(2)包括相连接的细胞电极板(6)和声表面波谐振器(5)，细胞电极板(6)位于在放置槽(11)内，所述声表面波谐振器(5)与转换单元(3)连接，转换单元(3)与处理单元(4)连接。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征是所述清洗机构包括与滴液室(10)内部连通的进水口(18)和进气口(16)，进水口(18)与水箱连接，进气口(16)与气泵连接，在进水口(18)和进气口(16)上分别设置有进水电磁阀(19)和进气电磁阀(17)，所述排水机构包括设置在滴液室(10)底部的排水口(20)，在排水口(20)上设置有排水电磁阀(21)。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征是所述滴液头(15)通过微量泵(24)与滴液室(10)相连通。

4.根据权利要求2所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征是在滴液室(10)内设置有加氧搅拌机构，加氧搅拌机构包括转轴(25)，转轴(25)内设置有管路，所述转轴(25)与进水口(18)和进气口(16)相连通，在转轴(25)上连接有搅拌管(26)，搅拌管(26)的中间位置设置有转轴座(27)，搅拌管(26)通过转轴座(27)安装在转轴(25)上，构成T型结构，搅拌管(26)为空心密封管，搅拌管(26)与转轴(25)相连通，在搅拌管(26)的端头一端上设置有若干第一气孔(28)，在搅拌管(26)的另一端头与第一气孔(28)相背的一侧上设置有若干第二气孔(29)。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征是所述圆盘(8)侧面下边缘上设置有一圈限位沿(30)，在所述滴液室(10)顶部上设置有限位块，限位块表面为弧形面，限位块表面与圆盘(8)侧面相贴近，在限位块表面上对应设置有限位槽(35)，限位沿(30)嵌入在限位槽(35)内。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征是在所述细胞电极板(6)上设置有工作电极(31)、对电极(32)和两个参比电极(33)，所述工作电极(31)的前端为圆形，该圆形部分采用泡沫铜制成，且在这些泡沫铜上还镀有一层镀金层，细胞附着在工作电极(31)前端上，所述对电极(32)和参比电极(33)的前端围绕工作电极(31)前端设置，并在工作电极(31)、对电极(32)和参比电极(33)的前端外部分上涂覆有一层油漆涂层(34)。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析装置，其特征是在旋转电机(22)转轴外设置有轴套(23)，所述滴液室(10)固定在轴套(23)上。

8.一种基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析方法，采用权利要求1-7任一项中的装置，其特征是包括以下步骤：

步骤一：将苯基硫脲溶液放入在圆盘中与滴液室相对的储液腔内，然后将储液腔内溶液注入滴液室；

步骤二：通过微量泵向细胞电极板上滴液，设定每次滴液量为0.05ml，滴液间隔时间为3.5秒，滴液次数为100次，滴液结束后，排出滴液室内剩余溶液并对滴液室进行清洗吹干；

步骤三：声表面波谐振器采集细胞电极板上的信号以频率形式输出，转换单元对频率信号进行转换得到频率曲线，然后传送到处理单元上，处理单元在频率曲线上采样得到输入值S(t)；将输入值S(t)代入二阶线性***随机共振模型，该模型为：

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并使二阶线性系数随机共振模型共振；其中x(t)是振动质点位移，Ω为角频率，r和ω分别为设定的衰减系数和线性振动质点的频率，c是设定的信号调解系数，b是设定的二次噪声ξ²(t)的系数，ξ(t)为三歧噪声，ξ(t)∈{-a,0,a}，a＞0，噪声的歧化过程遵循泊松分布，其概率分布为p_s(a)＝p_s(-a)＝q，p_s(0)＝1-2q，其中0<q<0.5；噪声均值与相关性遵循<ξ(t)>＝0，<ξ(t)ξ(t+τ)>＝2qa²e^-λτ；λ为相关率，三歧噪声ξ(t)的平直度为得到溶液的输出信噪比值

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步骤四：将输出信噪比值代入苯基硫脲溶液浓度预测模型：

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计算出苯基硫脲溶液的浓度。

9.根据权利要求8所述的基于声表面波串联谐振器生物舌的苯基硫脲浓度分析方法，其特征是所述苯基硫脲溶液浓度预测模型由以下步骤计算得出：

步骤a：分别调配好多种浓度的苯基硫脲溶液，将苯基硫脲溶液分别放入在圆盘的储液腔内，同时在处理器内输入对应的各苯基硫脲溶液的浓度值k₁,k₂,...,k_N；

步骤b：将圆盘中与滴液室相对的储液腔内溶液注入滴液室，按照步骤二和三，得到溶液的输出信噪比值；

步骤c：转动圆盘，使下一个储液腔与滴液室相对，重复步骤b，这样直到圆盘上所有溶液都进行检测，最后处理器得到对应这些溶液的输出信噪比值SNR₁,SNR₂,...,SNR_N，然后根据对应的溶液浓度k₁,k₂,...,k_N，利用(k₁,SNR₁),(k₂,SNR₂),...,(k_N,SNR_N)拟合成直线，根据拟合的直线得出苯基硫脲溶液浓度预测模型：

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