CN101504418A - 一种生物检验传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物检验传感器，其特征在于：它包括安装架、悬臂机构、测试盘仓、蠕动泵和单片机；安装架由侧板、后侧板、横支撑板和支撑梁组成，支撑梁上水平设置一导轨；悬臂机构包括输出端连接一针头的直线步进电机和光电转换部件；悬臂机构滑动设置在导轨上，且悬臂机构连接一传动皮带，传动皮带连接一步进电机的输出端；测试盘仓为四面闭合的矩形框体，其设置在悬臂机构下方的横支撑板上；测试盘仓一侧的横支撑板上开有一内设液位检测开关的液位检测窗；蠕动泵连接一管道，管道的出口端与针头相连接；单片机连接各步进电机和电磁铁的输入端。本发明实现了生物检验的自动化，可以广泛使用于环境保护、医学诊断和食品、药品生产等领域的在线监测。

Description

一种生物检验传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是关于一种用来检测试样液体中是否含有有毒成分的全自动生物检验传感器。

背景技术

免疫层析法(Immunochromatography)是近几年来兴起的一种快速诊断技术，其原理是将特异的抗体先固定于硝酸纤维素膜的某一区带，当干燥的硝酸纤维素膜一端浸入样品后，由于毛细管作用，样品沿着该膜向前移动，当移动至固定有抗体的区域时，样品中相应的抗原即与该抗体发生特异性结合，若用免疫胶体金或免疫酶染色可使该区域显示一定的颜色，从而实现特异性的免疫诊断。

免疫金标记技术(Immunogold labelling techique)利用金颗粒具有高电子密度的特性，金标蛋白在相应的配体处大量聚集时，可形成肉眼可见的红色或粉红色斑点，因而用于定性或半定量的快速免疫检测方法中。其基本原理是将抗原包被在硝酸纤维素膜的检测线(T)上，将人工合成抗体包被在硝酸纤维素膜的对照线(C)上，用胶体金标记的抗原干燥后置于硝酸纤维素膜下端。把样本加入加样孔内，由于层析的原理，被检样本开始沿纸条向上移动，当遇上干燥的金标抗原，将其溶解，并带着金标抗原继续往上移动，至硝酸纤维素膜的检测线。如果样品中有抗体存在时，包被在检测线上的抗原和金标抗原与样品中的抗体将会在检测线上形成一条紫红色的夹心免疫复合物。检测线位于对照线下端，样本要达到对照线处就必须先通过检测线，当检测线与对照线处都显现时就可以判断为阳性；检测线未出现，只有对照线出现时即可判断为阴性。

近年来，胶体金标记免疫层析试纸检测技术具有简单方便、反应快速、容易识别等特点被广泛应用于医学诊断、生物和化学检验等领域。这种检测方法既适用于肉眼视觉判断，也可仪器识别，但是视觉判断具有不能定量测量，只能定性测量；测量结果的客观性差；不能监测生物反应的动态过程等缺点。为了克服这些缺点，国内相继开发了一些检测仪器，如：2003年10月29日公开的公开号为CN1451963A，发明专利名称为：金标试条定量测试方法及系统；2006年2月15日授权的授权公告号为CN2758754Y，实用新型专利名称为：金标试条光纤探头装置；2007年1月31日公开的公开号为CN1904592A，发明专利名称为：金标免疫试纸条的反射式光度计；2007年11月28日公开的公开号为CN101078722A，发明专利名称为：一种金标试剂定量检测装置及测定方法。这些仪器的开发克服了人工视觉判断的一些缺点，提高了检测水平，有利于识别判断的标准化。但是，以上这些仪器除了结果识别判定以外，其他操作都是人工完成，一次只能检测1个样品，无法实现联机在线自动工作和多个样品同时检测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种用来检测试样液体中是否含有有毒成分的全自动生物检验传感器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种生物检验传感器，其特征在于：它包括一安装架、一悬臂机构、一测试盘仓、一蠕动泵和一单片机；所述安装架由两侧板、一后侧板、一横支撑板和一支撑梁组成，所述支撑梁上水平设置有至少一根X轴导轨；所述悬臂机构包括一垂直设置的Z轴步进电机和一固定在所述Z轴步进电机一侧的光源和光电转换部件，其中所述Z轴步进电机为一直线步进电机，其输出端连接一针头；所述悬臂机构滑动设置在所述X轴导轨上，且所述悬臂机构连接一驱动其在所述X轴导轨上做直线运动的传动皮带，所述传动皮带连接一X轴步进电机的输出端，所述X轴步进电机固定在所述后侧板上；所述传动皮带一端的所述后侧板上设置有一与所述X轴步进电机相连接的X轴限位开关；所述悬臂机构上还设置有一与所述Z轴步进电机连接的Z轴限位开关；所述测试盘仓为一四面闭合的矩形框体，其设置在悬臂机构下方的横支撑板上；所述测试盘仓一侧的所述横支撑板上开设有一圆形的液位检测窗，所述液位检测窗内设置有一液位检测开关；所述蠕动泵固定在所述横支撑板下部的所述后侧板上，其连接一管道，所述管道的入口端连接外部的液体入口处，出口端与所述针头相连接；所述单片机固定在所述后侧板上，其连接各所述步进电机和电磁铁的输入端，且所述单片机上配备有用于与上位机相连接的通信串口。

所述测试盘仓包括一贯穿所述横支撑板的矩形腔体和一活动设置在所述矩形腔体内的托盘；所述测试盘仓的前后两侧分别设置有一立板，所述立板的两端在竖直方向各具有一伸出臂，所述伸出臂的顶端设置有一挂钩，四个所述挂钩通过四个弹簧连接所述托盘；在一侧所述立板上设置有一盘空检测开关，两所述立板外侧的所述横支撑板上对称设置有四个大电磁铁和四个导轮，每个所述大电磁铁的伸缩端连接一楔形部件，与所述楔形部件位置对应的所述立板上开有四个方形孔；所述测试盘仓的右侧前后对称设置有两个小电磁铁，所述小电磁铁的伸缩端连接一挡板。

在所述测试盘仓左侧设置有一推盘机构，所述推盘机构包括一推盘，所述推盘外侧连接一水平设置在所述横支撑板上方的推盘轴，所述推盘轴的另一端连接竖直贯穿所述横支撑板的推盘连接杆的上端，所述推盘连接杆的下端连接一水平设置的齿条，所述齿条的下方水平设置有一用来支撑和固定所述齿条的推盘轴导轨，所述推盘轴导轨固定在两所述侧板上；所述推盘轴导轨上固定有一与所述齿条连接的推盘步进电机，所述推盘连接杆的外侧设置有一与所述推盘步进电机连接的推盘限位开关。

它还包括一测试盘，所述测试盘为一与所述测试盘仓形状相配合的矩形盘体，所述测试盘上设置有若干个用来放置测试条的矩形试纸槽，每一所述试纸槽的下部均设置有一与之相连通的圆形注液孔；所述测试盘的前后两侧设置有四个与所述大电磁铁的楔形部件相配合的楔形槽；所述测试盘的上表面覆盖有一层保护薄膜。

所述液位检测窗的下方设置有一用来收集废弃液体的废液盒。

所述X轴限位开关、Z轴限位开关和液位检测开关采用的光电发射接收对管，所述盘空检测开关和推盘轴限位开关采用的是磁开关。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明中与针头相连接的管道可与相关采样仪器或样品容器连接，通过蠕动泵自动抽取试样液体，并自动排出液体管道内的空气，悬臂机构带动针头水平和竖直移动，准确地实现了针头的自动定量注液。2、本发明的光源和光电转换部件将试纸条的灰度信号转换成电压信号，并输入到单片机的AD输入端，单片机内的AD转换器将模拟的电压信号转换成数字信号，然后通过通讯串口传输到上位机，在上位机中显示检测结果，整个检测过程无需人工操作。3、本发明将多个检测试纸条集成在一个测试盘上，实现了多个样品同时检测。4、本发明通过蠕动泵可自动将剩余试样液体排放收集在废液盒内，并能够自动冲洗液体管道。5、本发明在测试盘仓的一侧设置推盘机构，推盘机构能够在检测结束后，自动更换测试盘，以备下次检测。6、本发明既可现场控制，也可以通过RS485/422等的连接还可以实现远程控制和检测，减轻了操作者的劳动强度，提高了操作者的安全性。综上所述，本发明实现了生物检验的自动化，可以广泛使用于环境保护、医学诊断和食品、药品生产等领域的在线监测。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图

图2是本发明的主视图

图3是图2的俯视图

图4是本发明的测试盘结构示意图

图5是本发明推盘时的工作流程示意图

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。

如图1～图3所示，本发明包括一安装架1、一悬臂机构2、一测试盘仓3、一推盘机构4、一蠕动泵5和一单片机(图中未示出)。安装架1由两侧板11、一后侧板12、一横支撑板13和一支撑梁14组成，在支撑梁14上水平设置有两根X轴导轨6(仅以此为例，并不限于此)。

悬臂机构2包括一垂直设置的Z轴步进电机21和一固定在Z轴步进电机21右侧的光源和光电转换部件22，其中Z轴步进电机21为一直线步进电机，其输出端连接一针头23，针头23在Z轴步进电机21驱动下沿竖直方向做直线运动。悬臂机构2滑动设置在两X轴导轨6上，且悬臂机构2连接一驱动其在X轴导轨6上做直线运动的传动皮带24，传动皮带24连接一X轴步进电机25的输出端，X轴步进电机25固定在后侧板12上。传动皮带24一端的后侧板12上设置有一与X轴步进电机25相连接的X轴限位开关26，用来确定悬臂机构2在X轴导轨6上的零点位置。悬臂机构2上还设置有一与Z轴步进电机21连接的Z轴限位开关27，用来确定针头23在悬臂机构2上的零点位置。

测试盘仓3设置在悬臂机构2下方的横支撑板13上，其包括一贯穿横支撑板13的矩形腔体301和一活动设置在矩形腔体301内的托盘302。测试盘仓3的前后两侧分别设置有一立板303，立板303的两端在竖直方向各具有一伸出臂304，伸出臂304的顶端设置有一挂钩305，四个挂钩305通过四个弹簧306连接托盘302，从而使托盘302能够在矩形腔体301内做升降运动。在一侧立板303上设置有一盘空检测开关307，两立板303外侧的横支撑板13上对称设置有四个大电磁铁308和四个导轮309，每个大电磁铁308的伸缩端连接一楔形部件310，与楔形部件310位置对应的立板303上开有四个方形孔。测试盘仓3的右侧前后对称设置有两个小电磁铁311，小电磁铁311的伸缩端连接一挡板312。测试盘仓3左侧的横支撑板13上开设有一圆形的液位检测窗7，液位检测窗7内设置有一液位检测开关71。液位检测窗7的下方设置有一废液盒8，用来收集使用完的废弃液体。

推盘机构4包括一设置在测试盘仓3左侧的推盘41，推盘41外侧连接一水平设置在横支撑板13上方的推盘轴42，推盘轴42的另一端连接竖直贯穿横支撑板13的推盘连接杆43的上端，推盘连接杆43的下端连接一水平设置的齿条44，齿条44的下方水平设置有一用来支撑和固定齿条44的推盘轴导轨45，推盘轴导轨45固定在两侧板11上。推盘轴导轨45上固定有一与齿条44连接的推盘步进电机46推盘步进电机46通过推盘机构4带动推盘41在测试盘仓3内做横向直线运动。推盘连接杆43的外侧设置有一与推盘步进电机46连接的推盘限位开关47，用来限制推盘41的行程。

蠕动泵5固定在横支撑板13下部的后侧板12上，其连接一管道51，管道51的入口端连接外部的液体入口处，出口端与针头23相连接。

单片机固定在后侧板12上，其连接各步进电机和电磁铁的输入端，控制各步进电机和电磁铁的运动。该单片机上还配备有通信串口，可以与上位机(如PC机)连接，并将检测结果和数据输入上位机。

如图4所示，本发明还包括一与测试盘仓3形状相配合的测试盘9，测试盘9上设置有若干个用来放置试纸条的矩形试纸槽91，每一试纸槽91的下部均设置有一与之相连通的圆形注液孔92。测试盘9的前后两侧设置有四个与大电磁铁308的楔形部件310相配合的楔形槽93。测试盘9的上表面覆盖有一层保护薄膜，以防止测试条受潮和被灰尘污染。测试盘9预先放置在托盘302上，一次可以放入十块以上。

上述实施例中，X轴限位开关26、Z轴限位开关27和液位检测开关71采用的光电发射接收对管，盘空检测开关307和推盘轴限位开关48采用的是磁开关。

上述实施例中，若每次只需要完成一个测试盘9的检测，则可以将测试盘仓3简化为一个矩形槽，同时也可以不用设置推盘机构4。

本发明在上电之后，首先要执行使各电机回到零点位置，并使其进入空闲状态，等待接收上位机指令。当接收到启动指令后，本发明的工作流程共分为以下六个阶段：

1、填充管道：X轴步进电机25带动悬臂机构2水平移动，移动到液位检测窗7的正上方后停止；接着，Z轴步进电机21带动针头23向下移动，移动到液位检测开关71的附近后停止；然后，蠕动泵5开始抽取试样液体，液体将从管道51入口端开始充满管道51，当液体到达针头23后，将从针尖处滴出；滴出的液体流经液位检测开关71，液位检测开关71将被触发，接着Z轴步进电机21向上移动到零点位置。

2、注入试样：X轴步进电机25带动悬臂机构2移动到测试盘9上第一个注液孔92的正上方后停止，接着Z轴步进电机21带动针头23向下移动，使针尖刺破测试盘9上的保护薄膜，插入到注液孔92内。接着，蠕动泵5慢速转动，向注液孔92内注入约几滴试样液体后停止；然后针头23向上回归到零点位置。如此便完成了一个注液孔92的注液。剩下的十二个注液孔92全都以同样的步骤执行。注射完全部十三个注液孔92后，X轴步进电机25回归到零点位置。

3、浸润：这段时间是试样液体与试纸条的浸润时间，一般约为五分钟左右。

4、扫描：扫描就是利用光源和光电转换部件22将测试盘9上试纸条的条纹读出，并上传到上位机，其工作原理是：光源和光电转换部件22将试纸条的灰度信号转换成电压信号，微弱的电压信号经过放大、滤波等一系列操作后，输入到单片机的AD输入端，单片机内的AD转换器将模拟的电压信号转换成数字信号，然后数据经过简单的处理后，通过通讯串口传输到上位机。该过程是一个动态的过程，持续大约有十几分钟，因此，在这段时间内应该不停的读取数据。光源和光电转换部件22一共要进行十次读循环，每次读循环都将十三个试纸条读一遍。X轴步进电机25带动光源和光电转换部件22移动到试纸条的位置，启动光源和光电转换部件22开始读取数据。为了消除镜头与试纸条的对准误差，在每个试纸条的附近，X轴步进电机25都要微动并多次读取数据。

5、换测试盘：每块测试盘9只能使用一次，当测试盘9使用完毕时，将被推到废盘筒，下面的新盘自动上移以备下次使用。推盘时，推盘步进电机46与各电磁铁相互配合，完成整个操作，具体过程如下(如图5所示)：首先，四个大电磁铁308动作，楔形部件310与测试盘9的楔形槽93配合产生向下的力，使最上面的测试盘9与下面的测试盘9脱离；然后，推盘41将最上面的测试盘9推掉后立刻回原位；接着，小电磁铁311动作，小电磁铁311的挡板312和其他三面形成一个四面闭合的框型，保证上移的测试盘9不会移位；接着，大电磁铁308失电，下面的测试盘9向上填补；最后，小电磁铁311失电，完成整个推盘操作。

6、清洗管道：检测结束后，将试样液体排放至废液盒8，以备复检或后送。管道51内的剩余试样液体会影响下一次的使用，因此试样液体排空后向管道51内加注清洗液，通过蠕动泵5排放至废液盒8，反复三次后，关闭液路阀门，本发明回复到待机状态。

综上所述，本发明可以实现生物检验的自动化，并且通过RS485/422等的连接还可以实现远程控制和检测，为病原体检测提供了安全方便的途径。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1、一种生物检验传感器，其特征在于：它包括一安装架、一悬臂机构、一测试盘仓、一蠕动泵和一单片机；所述安装架由两侧板、一后侧板、一横支撑板和一支撑梁组成，所述支撑梁上水平设置有至少一根X轴导轨；

所述悬臂机构包括一垂直设置的Z轴步进电机和一固定在所述Z轴步进电机一侧的光源和光电转换部件，其中所述Z轴步进电机为一直线步进电机，其输出端连接一针头；所述悬臂机构滑动设置在所述X轴导轨上，且所述悬臂机构连接一驱动其在所述X轴导轨上做直线运动的传动皮带，所述传动皮带连接一X轴步进电机的输出端，所述X轴步进电机固定在所述后侧板上；所述传动皮带一端的所述后侧板上设置有一与所述X轴步进电机相连接的X轴限位开关；所述悬臂机构上还设置有一与所述Z轴步进电机连接的Z轴限位开关；

所述测试盘仓为一四面闭合的矩形框体，其设置在悬臂机构下方的横支撑板上；所述测试盘仓一侧的所述横支撑板上开设有一圆形的液位检测窗，所述液位检测窗内设置有一液位检测开关；

所述蠕动泵固定在所述横支撑板下部的所述后侧板上，其连接一管道，所述管道的入口端连接外部的液体入口处，出口端与所述针头相连接；

所述单片机固定在所述后侧板上，其连接各所述步进电机和电磁铁的输入端，且所述单片机上配备有用于与上位机相连接的通信串口。

2、如权利要求1所述的一种生物检验传感器，其特征在于：所述测试盘仓包括一贯穿所述横支撑板的矩形腔体和一活动设置在所述矩形腔体内的托盘；所述测试盘仓的前后两侧分别设置有一立板，所述立板的两端在竖直方向各具有一伸出臂，所述伸出臂的顶端设置有一挂钩，四个所述挂钩通过四个弹簧连接所述托盘；在一侧所述立板上设置有一盘空检测开关，两所述立板外侧的所述横支撑板上对称设置有四个大电磁铁和四个导轮，每个所述大电磁铁的伸缩端连接一楔形部件，与所述楔形部件位置对应的所述立板上开有四个方形孔；所述测试盘仓的右侧前后对称设置有两个小电磁铁，所述小电磁铁的伸缩端连接一挡板。

3、如权利要求2所述的一种生物检验传感器，其特征在于：在所述测试盘仓左侧设置有一推盘机构，所述推盘机构包括一推盘，所述推盘外侧连接一水平设置在所述横支撑板上方的推盘轴，所述推盘轴的另一端连接竖直贯穿所述横支撑板的推盘连接杆的上端，所述推盘连接杆的下端连接一水平设置的齿条，所述齿条的下方水平设置有一用来支撑和固定所述齿条的推盘轴导轨，所述推盘轴导轨固定在两所述侧板上；所述推盘轴导轨上固定有一与所述齿条连接的推盘步进电机，所述推盘连接杆的外侧设置有一与所述推盘步进电机连接的推盘限位开关。

4、如权利要求1或2或3所述的一种生物检验传感器，其特征在于：它还包括一测试盘，所述测试盘为一与所述测试盘仓形状相配合的矩形盘体，所述测试盘上设置有若干个用来放置测试条的矩形试纸槽，每一所述试纸槽的下部均设置有一与之相连通的圆形注液孔；所述测试盘的前后两侧设置有四个与所述大电磁铁的楔形部件相配合的楔形槽；所述测试盘的上表面覆盖有一层保护薄膜。

5、如权利要求1或2或3所述的一种生物检验传感器，其特征在于：所述液位检测窗的下方设置有一用来收集废弃液体的废液盒。

6、如权利要求4所述的一种生物检验传感器，其特征在于：所述液位检测窗的下方设置有一用来收集废弃液体的废液盒。

7、如权利要求1或2或3所述的一种生物检验传感器，其特征在于：所述X轴限位开关、Z轴限位开关和液位检测开关采用的光电发射接收对管，所述盘空检测开关和推盘轴限位开关采用的是磁开关。

8、如权利要求4所述的一种生物检验传感器，其特征在于：所述X轴限位开关、Z轴限位开关和液位检测开关采用的光电发射接收对管，所述盘空检测开关和推盘轴限位开关采用的是磁开关。

9、如权利要求6所述的一种生物检验传感器，其特征在于：所述X轴限位开关、Z轴限位开关和液位检测开关采用的光电发射接收对管，所述盘空检测开关和推盘轴限位开关采用的是磁开关。

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