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CN110988087A - 一种微流控阻抗式生物的在线检测装置 - Google Patents

一种微流控阻抗式生物的在线检测装置 Download PDF

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CN110988087A
CN110988087A CN201911168695.3A CN201911168695A CN110988087A CN 110988087 A CN110988087 A CN 110988087A CN 201911168695 A CN201911168695 A CN 201911168695A CN 110988087 A CN110988087 A CN 110988087A
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李琛
郭黎明
许庆铎
夏程豪
曾俊杰
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China Jiliang University
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China Jiliang University
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Abstract

本发明公开了一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，属于生物检测领域，一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，本发明通过将微流控芯片系统、阻抗检测处理系统和主设备系统三者有效集成为一种可便携的智能设备，使富集、反应、检测、分析等过程均能实现自动化，只需要注入检测物即能实现检测并显示结果，检测灵敏度高，操作简单，成本低，整体运行性良好；通过纳米磁颗粒耦合抗体，在磁场发生器作用下生物抗体固定在金叉指电极上，可以有效地特异性富集和捕捉生物抗原，并且利用滤膜过滤掉较大杂质颗粒，提高了检测灵敏度；当金叉指电极不发生作用时，生物抗体脱离金叉指电极，便于微通道清洗，实现微流控芯片的循环使用。

Description

一种微流控阻抗式生物的在线检测装置
技术领域
本发明涉及生物检测领域，更具体地说，涉及一种微流控阻抗式生物的在线检测装置。
背景技术
由细菌病毒引起的安全事件已经构成了公众卫生健康和社会经济发展的重大威胁。如2013年澳洲农林渔业部发表声明称新西兰恒天然集团(全球最大巧乳制品加工企业)生产的浓缩孰清蛋白粉产品可能含有超标大肠杆菌O157∶H7，新西兰当局随即宣布于全球范围巧召回1000吨疑化污染巧相应乳制品。2017年8月初，欧洲被爆出“毒鸡蛋”丑闻，鸡蛋受杀虫剂大范围污染，大量使用会导致肝脏损伤，甲状腺功能受损，欧洲近二十个国家受到影响。
因此，研究快速生物检测技术，对预防和有效控制生物细菌病毒诱发的安全事件具有重大意义。在过去几十年中，人们在快速检测生物方面作出了巨大努力，研究了多种检测技术和生物传感器。除了常规的细菌培养计数之外，还有多种其他方法，例如基于核酸的(例如PCR，LAMP，NASBA，RPA和Helicase)，基于免疫学的(例如LFD，ELISA和ELFA)和生物传感器(例如光学，电化学和基于质谱的生物传感器)用于快速检测生物细菌和病毒。
但这些技术或装置要么操作复杂，要么仪器昂贵，且无法实现智能在线快速检测，亦无法满足人们研究检测和生活应用中方便、高效、快速、智能的要求。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，它通过将微流控芯片系统、阻抗检测处理系统和主设备系统三者有效集成为一种可便携的智能设备，使富集、反应、检测、分析等过程均能实现自动化，只需要注入检测物即能实现检测并显示结果，检测灵敏度高，操作简单，成本低，整体运行性良好；通过纳米磁颗粒耦合抗体，在磁场发生器作用下生物抗体固定在金叉指电极上，可以有效地特异性富集和捕捉生物抗原，并且利用滤膜过滤掉较大杂质颗粒，提高了检测灵敏度；当金叉指电极不发生作用时，生物抗体脱离金叉指电极，便于微通道清洗，实现微流控芯片的循环使用。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，包括微流控芯片系统、阻抗检测处理系统和主设备系统，所述微流控芯片系统和主设备系统均与阻抗检测处理系统连接，所述微流控芯片系统包括进样器和微流控芯片，所述阻抗检测处理系统包括阻抗检测模块和信号处理电路，所述主设备系统包括电源模块、中央处理器单元、存储器模块、显示模块、集成电路和外端接口模块，所述微流控芯片包括从上往下一次分布的盖片层、通道层和基底层，所述通道层固定连接于盖片层和基底层之间，所述盖片层上开设有进液口和出液口，所述通道层内包括样液槽、废液槽、微通道和滤膜，所述微通道位于样液槽和废液槽之间，所述滤膜固定连接于样液槽和微通道的连接处，所述基底层的上端固定连接有金叉指电极，所述金叉指电极位于微通道内，所述微通道的内部还设有耦合金纳米磁珠的生物抗体，所述基底层的下端固定连接有磁场发生器，本发明通过将微流控芯片系统、阻抗检测处理系统和主设备系统三者有效集成为一种可便携的智能设备，使富集、反应、检测、分析等过程均能实现自动化，只需要注入检测物即能实现检测并显示结果，检测灵敏度高，操作简单，成本低，整体运行性良好；通过纳米磁颗粒耦合抗体，在磁场发生器作用下生物抗体固定在金叉指电极上，可以有效地特异性富集和捕捉生物抗原，并且利用滤膜过滤掉较大杂质颗粒，提高了检测灵敏度；当金叉指电极不发生作用时，生物抗体脱离金叉指电极，便于微通道清洗，实现微流控芯片的循环使用。
进一步的，所述金叉指电极包括一对引伸出去的引脚，所述阻抗检测模块通过引脚与金叉指电极连接，用于检测金叉指电极上因生物抗体与抗原结合而产生的阻抗信号；并通过信号处理电路将检测到的阻抗信号作进一步处理，随后传输到主设备系统。
进一步的，所述阻抗检测模块包括AD5933阻抗检测芯片。
进一步的，所述信号处理电路包括电压转换电路、电压放大电路和A/D转换电路，A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而金叉指电极输出的电压信号比较小，所以需要对金叉指电极输出的电压信号进行放大，经电压放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入主设备系统进行处理，还必须进入A/D转换电路处理后送入主设备系统进行结果分析。
进一步的，所述中央处理器单元为可编程处理器，所述中央处理器单元包括定量检测模型、检测驱动指令和阈值报警模型；
所述定量检测模型为阻抗信号Y与样液中检测物浓度C的线性回归方程：Y＝βC+x，β、x为常数，通过测得的阻抗值反应检测物的浓度，阈值报警模型可在检测物所测浓度超过一定阈值发出指令警报。
进一步的，所述存储器模块包括操作系统、检测驱动程序和数据存储，所述检测驱动程序通过端口与阻抗检测处理系统连接，操作系统可选择安卓或者ios操作系统，为用户提供可视化界面操作，检测驱动程序用于驱动AD5933阻抗检测芯片输出一定频率的激励电压，用于检测金叉指电极上的阻抗信号，阻抗信号经信号处理电路处理后的阻抗数据也存于存储器模块中，便于传入到中央处理器单元进行检测物浓度的定量检测和阈值判断。
进一步的，所述显示模块包括显示屏和扬声器，显示屏可进行可视化操作，如发送指令，显示屏也可显示检测物浓度，当检测浓度超过阈值时，扬声器342进行报警。
进一步的，所述电源模块为基于开关电源技术的外接电源适配器，所述电源模块的输出电压为12V，用于为整个装置供电。
进一步的，所述集成电路包括稳压电路、时钟电路、IO电路和数据寄存器。
进一步的，所述外端接口模块与其他电子设备连接并进行传输阻抗数据。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案通过将微流控芯片系统、阻抗检测处理系统和主设备系统三者有效集成为一种可便携的智能设备，使富集、反应、检测、分析等过程均能实现自动化，只需要注入检测物即能实现检测并显示结果，检测灵敏度高，操作简单，成本低，整体运行性良好；通过纳米磁颗粒耦合抗体，在磁场发生器作用下生物抗体固定在金叉指电极上，可以有效地特异性富集和捕捉生物抗原，并且利用滤膜过滤掉较大杂质颗粒，提高了检测灵敏度；当金叉指电极不发生作用时，生物抗体脱离金叉指电极，便于微通道清洗，实现微流控芯片的循环使用。
(2)金叉指电极包括一对引伸出去的引脚，阻抗检测模块通过引脚与金叉指电极连接，用于检测金叉指电极上因生物抗体与抗原结合而产生的阻抗信号；并通过信号处理电路将检测到的阻抗信号作进一步处理，随后传输到主设备系统。
(3)信号处理电路包括电压转换电路、电压放大电路和A/D转换电路，A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而金叉指电极输出的电压信号比较小，所以需要对金叉指电极输出的电压信号进行放大，经电压放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入主设备系统进行处理，还必须进入A/D转换电路处理后送入主设备系统进行结果分析。
(4)中央处理器单元为可编程处理器，中央处理器单元包括定量检测模型、检测驱动指令和阈值报警模型，定量检测模型为阻抗信号Y与样液中检测物浓度C的线性回归方程：Y＝βC+x，β、x为常数，通过测得的阻抗值反应检测物的浓度，阈值报警模型可在检测物所测浓度超过一定阈值发出指令警报。
(5)存储器模块包括操作系统、检测驱动程序和数据存储，检测驱动程序通过端口与阻抗检测处理系统连接，操作系统可选择安卓或者ios操作系统，为用户提供可视化界面操作，检测驱动程序用于驱动AD5933阻抗检测芯片输出一定频率的激励电压，用于检测金叉指电极上的阻抗信号，阻抗信号经信号处理电路处理后的阻抗数据也存于存储器模块中，便于传入到中央处理器单元进行检测物浓度的定量检测和阈值判断。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的微流控芯片的结构示意图；
图3为本发明的阻抗信号处理流程图；
图4为本发明的检测流程图。
图中标号说明：
1微流控芯片系统、11进样器、12微流控芯片、2阻抗检测处理系统、21阻抗检测模块、22信号处理电路、3主设备系统、31电源模块、32中央处理器单元、33存储器模块、34显示模块、35集成电路、36外端接口模块、4盖片层、41进液口、42出液口、5通道层、51样液槽、52废液槽、53微通道、54滤膜、6基底层、61金叉指电极、6101引脚、62生物抗体、63磁场发生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，包括微流控芯片系统1、阻抗检测处理系统2和主设备系统3，微流控芯片系统1和主设备系统3均与阻抗检测处理系统2连接，微流控芯片系统1作为一套检测平台，用于被检测生物样品进样、富集、捕获、反应与检测，微流控芯片系统1包括进样器11和微流控芯片12，进样器11可选择微量注射器或者移液器，用于将被检测样液导入微流控芯片12内进行检测。
请参阅图2，微流控芯片12包括从上往下一次分布的盖片层4、通道层5和基底层6，通道层5固定连接于盖片层4和基底层6之间，盖片层4上开设有进液口41和出液口42，通道层5内包括样液槽51、废液槽52、微通道53和滤膜54，微通道53位于样液槽51和废液槽52之间，微通道53的形状为一字型，其结构参数为：长7mm、宽0.5mm、深100μm，进液口41和样液槽51相通，出液口42和废液槽52相通，样液槽51用于存储检测前的样液，废液槽52用于存储检测后的废液，通过进样器11将样液从进液口41中导入样液槽51，继而在微通道53中进行反应与检测，再经废液槽52和出液口42排出，滤膜54固定连接于样液槽51和微通道53的连接处，滤膜54用于过滤样液中较大的杂质颗粒，减少对检测结果造成影响，基底层6的上端固定连接有金叉指电极61，金叉指电极61位于微通道53内，微通道53的内部还设有耦合金纳米磁珠的生物抗体62，基底层6的下端固定连接有磁场发生器63，磁场发生器63包括一幅电磁线圈，产生磁场时吸引耦合金纳米磁珠的生物抗体62固定到金叉指电极61上，撤去磁场时生物抗体62脱离金叉指电极61。
请参阅图2，金叉指电极61包括一对引伸出去的引脚6101，阻抗检测模块21通过引脚6101与金叉指电极61连接，用于检测金叉指电极61上因生物抗体62与抗原结合而产生的阻抗信号；并通过信号处理电路22将检测到的阻抗信号作进一步处理，随后传输到主设备系统3。
请参阅图1，阻抗检测处理系统2包括阻抗检测模块21和信号处理电路22，阻抗检测模块21包括AD5933阻抗检测芯片，信号处理电路22包括电压转换电路、电压放大电路和A/D转换电路，请参阅图3，A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而金叉指电极61输出的电压信号比较小，所以需要对金叉指电极61输出的电压信号进行放大，经电压放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入主设备系统3进行处理，还必须进入A/D转换电路处理后送入主设备系统3进行结果分析。
请参阅图1，主设备系统3包括电源模块31、中央处理器单元32、存储器模块33、显示模块34、集成电路35和外端接口模块36。
中央处理器单元32为可编程处理器，中央处理器单元32包括定量检测模型、检测驱动指令和阈值报警模型；
定量检测模型为阻抗信号YΩ与样液中检测物浓度Cmg/ml的线性回归方程：Y＝βC+x，β、x为常数，通过测得的阻抗值反应检测物的浓度，阈值报警模型可在检测物所测浓度超过一定阈值发出指令警报。
存储器模块33包括操作系统、检测驱动程序和数据存储，检测驱动程序通过端口与阻抗检测处理系统2连接，操作系统可选择安卓或者ios操作系统，为用户提供可视化界面操作，检测驱动程序用于驱动AD5933阻抗检测芯片输出一定频率的激励电压，用于检测金叉指电极61上的阻抗信号，阻抗信号经信号处理电路22处理后的阻抗数据也存于存储器模块33中，便于传入到中央处理器单元32进行检测物浓度的定量检测和阈值判断。
显示模块34包括显示屏和扬声器，显示屏可进行可视化操作，如发送指令，显示屏也可显示检测物浓度，当检测浓度超过阈值时，扬声器342进行报警，电源模块31为基于开关电源技术的外接电源适配器，电源模块31的输出电压为12V，用于为整个装置供电，集成电路35包括稳压电路、时钟电路、IO电路和数据寄存器，外端接口模块36与其他电子设备连接并进行传输阻抗数据。
本发明通过将微流控芯片系统1、阻抗检测处理系统2和主设备系统3三者有效集成为一种可便携的智能设备，使富集、反应、检测、分析等过程均能实现自动化，只需要注入检测物即能实现检测并显示结果，检测灵敏度高，操作简单，成本低，整体运行性良好；通过纳米磁颗粒耦合抗体，在磁场发生器63作用下生物抗体62固定在金叉指电极61上，可以有效地特异性富集和捕捉生物抗原，并且利用滤膜54过滤掉较大杂质颗粒，提高了检测灵敏度；当金叉指电极61不发生作用时，生物抗体62脱离金叉指电极61，便于微通道53清洗，实现微流控芯片12的循环使用。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：包括微流控芯片系统(1)、阻抗检测处理系统(2)和主设备系统(3)，所述微流控芯片系统(1)和主设备系统(3)均与阻抗检测处理系统(2)连接，所述微流控芯片系统(1)包括进样器(11)和微流控芯片(12)，所述阻抗检测处理系统(2)包括阻抗检测模块(21)和信号处理电路(22)，所述主设备系统(3)包括电源模块(31)、中央处理器单元(32)、存储器模块(33)、显示模块(34)、集成电路(35)和外端接口模块(36)，所述微流控芯片(12)包括从上往下一次分布的盖片层(4)、通道层(5)和基底层(6)，所述通道层(5)固定连接于盖片层(4)和基底层(6)之间，所述盖片层(4)上开设有进液口(41)和出液口(42)，所述通道层(5)内包括样液槽(51)、废液槽(52)、微通道(53)和滤膜(54)，所述微通道(53)位于样液槽(51)和废液槽(52)之间，所述滤膜(54)固定连接于样液槽(51)和微通道(53)的连接处，所述基底层(6)的上端固定连接有金叉指电极(61)，所述金叉指电极(61)位于微通道(53)内，所述微通道(53)的内部还设有耦合金纳米磁珠的生物抗体(62)，所述基底层(6)的下端固定连接有磁场发生器(63)。
2.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述金叉指电极(61)包括一对引伸出去的引脚(6101)，所述阻抗检测模块(21)通过引脚(6101)与金叉指电极(61)连接。
3.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述阻抗检测模块(21)包括AD5933阻抗检测芯片。
4.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述信号处理电路(22)包括电压转换电路、电压放大电路和A/D转换电路。
5.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述中央处理器单元(32)为可编程处理器，所述中央处理器单元(32)包括定量检测模型、检测驱动指令和阈值报警模型；
所述定量检测模型为阻抗信号Y(Ω)与样液中检测物浓度C(mg/ml)的线性回归方程：Y＝βC+x，β、x为常数。
6.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述存储器模块(33)包括操作系统、检测驱动程序和数据存储，所述检测驱动程序通过端口与阻抗检测处理系统(2)连接。
7.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述显示模块(34)包括显示屏和扬声器。
8.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述电源模块(31)为基于开关电源技术的外接电源适配器，所述电源模块(31)的输出电压为12V。
9.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述集成电路(35)包括稳压电路、时钟电路、IO电路和数据寄存器。
10.根据权利要求1所述的一种微流控阻抗式生物的在线检测装置，其特征在于：所述外端接口模块(36)与其他电子设备连接并进行传输阻抗数据。
CN201911168695.3A 2019-11-25 2019-11-25 一种微流控阻抗式生物的在线检测装置 Pending CN110988087A (zh)

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