CN101587092A - 快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学生物传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学传感器。主要包括一次性使用的传感器电极试条和便携式检测仪器两部分。传感器电极试条采用丝网印刷技术制作，每片试条上具有两个工作电极和一个共用的对电极，可同时检测对照样品和实际样品，有效减小因试条制作一致性不好而产生的结果偏差的问题。便携式检测仪器采用基于微控制器的嵌入式系统设计。具有两路采样通道、液晶显示和蜂鸣器报警提示的功能，采用电池供电。本仪器基于电化学酶生物传感器的原理，可现场快速检测有机磷农药残留对乙酰胆碱酯酶的抑制率，从而对样品中的农药残留含量进行评价。

Description

快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学生物传感器

技术领域

本发明涉及一种便携式电化学生物传感器，特别是用于快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学生物传感器。

背景技术

有机磷和氨基甲酸酯类农药是在我国被广泛使用的一类农药。这类农药中，有不少品种具有很强的毒性。其一旦进入人体，会不可逆地抑制体内胆碱酯酶的活性，从而影响人中枢神经系统的正常功能，严重的可导致死亡。为了保障农产品的质量安全，国家已于2008年1月禁止甲胺磷等五种高毒有机磷农药的生产和流通。在蔬菜瓜果等作物上，有关法规也对有机磷农药的使用进行了限制或禁止。但是违规使用、滥用农药的现象仍然存在。蔬菜瓜果等农产品中经常可以检测出有机磷类农药的残留。因此，农产品在上市前进行有机磷农药残留的快速检测，具有十分重要的意义。目前使用的蔬菜中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留量快速检测方法主要是速测卡法和分光光度法，前者的灵敏度有待提高，后者需要分光光度仪或类似的专用仪器，操作相对复杂且检测成本增加。本发明采用电化学酶生物传感器的方法，具有高灵敏度、特异性好的优点。而且检测仪器可便携化、小型化。传感器试条采用丝网印刷技术制作，可工业化低成本批量生产。

经文献检索发现，中国专利公开号：CN1699985A，专利名称为：农药检测用纳米修饰微型电化学生物传感器的制法。该专利介绍了一种用于农药残留检测的一次性纳米修饰微型电化学生物传感器的制备方法，以及用于检测的掌上型有机磷农药检测仪。由于该传感器试条上只有一个工作电极，在实际检测时，这一工作电极事实上被测了两次，酶层有可能在第一次测试操作时就被损伤，从而造成最终的结果偏差。该检测仪设计不够简洁，开关和按扭多，操作过程还需要人工记录读数和计算，自动化程度不够。与之相比较，本发明设计了双工作电极形式的传感器试条，同时检测对照样和待测样，提高了结果准确性，简化了检测操作过程。本发明的检测仪器采用了高集成度和低功耗的微控制器，电路设计简单、集成度高，仪器实现“一键式”操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学生物传感器。该传感器具有检测准确度高、操作简单、成本低的特点，并且能够实现商业化批量生产。

本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括一次性使用的传感器电极试条和便携式检测仪器两部分。其中，一次性使用的传感器电极试条采用丝网印刷技术逐层印制而成，包括基板、导电层、电介质层、绝缘层、酶层和样品池。便携式检测仪器主要包括：微控制器(集成数/模转换DAC和模/数转换ADC功能)(1)、电流/电压转换电路(2)、液晶显示模块(3)、蜂鸣器电路(4)。

所述的一次性使用的传感器电极试条，每片上具有两个工作电极和一个共用的对电极，可同时检测对照样品和实际样品。由于对照结果在同一检测试条上产生，有效地减小了因试条制作一致性不好而产生的结果偏差的问题。基板采用0.5～1mm厚高分子材料(聚对苯二甲酸乙二酯PET片、聚氯乙烯PVC)薄片或氧化铝陶瓷片；导电层材料为商业导电碳浆；电介质层材料为普鲁士蓝固体粉末和导电碳浆按质量比1∶5～1∶2配制的混和物；酶层材料为乙酰胆碱酯酶和生物兼容性的高分子材料(壳聚糖、聚乙烯醇或琼脂糖)的混和物；绝缘层材料为商业绝缘油墨；样品池由0.3mm～1mm厚的PET或PVC薄片按图1中设计的形状加工而成：每片试条上具有两个独立的圆柱形腔体状的样品池，分别位于两个工作电极上方，样品池腔体的底面覆盖整个工作对极和部分对电极。

所述的便携式检测仪器采用嵌入式系统设计。以低功耗、高集成度的微控制器芯片(1)(型号：C8051F040、ADuc812或P89LPC935)为核心。电流/电压转换电路(2)采用运算放大器LM358(或MCP6002)，其电压输出引脚与微控制器的模/数转换引脚相连。液晶显示模块(3)和蜂鸣器电路(4)与微控制器直接相连。仪器由一节3.0V钮扣电池供电。该仪器具有双采样通道，能同时对两个工作电极产生的电流信号采样。施加在工作电极上的0.2V工作电压，由微控制器的数/模转换DAC电路产生。两路响应电流信号经电流/电压转换电路转换为电压后进行模/数转换，转换结果由微控制器进行计算，并将计算得到的抑制率数值显示在液晶屏上。当抑制率大于50％时，蜂鸣器会报警提示。

本发明具有实质性特点和显著进步。同已有技术相比，本发明采用丝网印刷技术制作传感器电极试条，可实现低成本批量制作；电极试条采用创新的“双工作电极”的设计，既简化了检测操作步骤，又提高了结果的准确性；便携式检测仪器采用基于微控制器的嵌入式系统设计，电路简洁、集成度高，实际操作简单，且整个系统能耗低。

附图说明

图1本发明中传感器电极试条结构示意图

图2本发明中检测仪器电路示意图

具体实施方式

1、传感器电极试条印制过程：

(1)以0.5mm厚PET板为基板。用清水、丙酮清洗基板表面。

(2)使用丝网印刷工艺，将CH-10导电碳浆(日本十条公司)印在基板上；120℃烘箱内热固化处理30min。

(3)印刷普鲁士蓝和CH-10导电碳浆(1∶4)的混和物；120℃烘箱内热固化处理30min。

(4)印刷AC-3G(日本十条公司)绝缘油墨；120℃烘箱内热固化处理5min。

(5)印刷乙酰胆碱酯酶和5％壳聚糖溶液的混和物；自然晾干。

(6)用0.5mm厚PET板加工成样品池，通过双面胶粘在试条上。

2、便携式检测仪器的微控制器为C8051F040，该微控制器集成模/数转换和数/模转换功能。使用运算放大器LM358将工作电极1和工作电极2上产生的响应电流分别转换为电压，LM358的电压输出引脚与微控制器的模/数转换引脚相连。液晶显示模块(3)和蜂鸣器电路(4)与微控制器直接相连。

3、检测操作：

(1)样品处理，溶液配制。

(2)测试前：同时取10μL对照液和样品提取液分别滴入工作电极1和工作电极2上的样品池中，放置15min以上(每批样品的控制时间应一致)。

(3)测试：仪器开机，在待检状态时将电极插入仪器接口。同时向工作电极上两反应池中各加入2μL底物。按键施加工作电压，催化反应开始。反应2min后，仪器自动读取响应电流，计算并显示出抑制率。

(4)结果判定：结果以酶被抑制的程度(抑制率)表示。当蔬菜样品提取液对酶的抑制率≥50％时，表示蔬菜中有高剂量有机磷或氨基甲酸酯类农药存在，样品为阳性结果，仪器会进行报警提示。阳性结果的样品需要重复检验2次以上。

Claims (8)

1、一种用于快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学传感器，其特征是：包括一次性使用的传感器电极试条和便携式检测仪器两部分。一次性使用的传感器电极试条采用丝网印刷技术逐层印制而成，包括基板、导电层、电介质层、绝缘层、酶层和样品池。便携式检测仪器主要包括：微控制器(集成数/模转换DAC和模/数转换ADC功能)(1)、电流/电压转换电路(2)、液晶显示模块(3)和蜂鸣器电路(4)。

2、根据权利要求1所述的一次性使用的传感器电极试条，其特征是，基板为0.5～1mm厚高分子材料(聚对苯二甲酸乙二酯PET片、聚氯乙烯PVC)薄片或氧化铝陶瓷片；导电层材料为商业导电碳浆；电介质层材料为普鲁士蓝固体粉末和导电碳浆按质量比1∶5～1∶2配制的混和物；酶层材料为乙酰胆碱酯酶和生物兼容性的高分子材料(壳聚糖、聚乙烯醇或琼脂糖)的混和物；绝缘层材料为商业绝缘油墨；样品池材料为0.3mm～1mm厚的PET或PVC薄片。

3、根据权利要求1所述的一次性使用的传感器电极试条，其特征是，每片试条上具有两个工作电极和一个共用的对电极，同时检测对照样品和实际样品。

4、根据权利要求1所述的一次性使用的传感器电极试条，其特征是，每片试条上具有两个独立的圆柱形腔体状的样品池，分别位于两个工作电极上方，样品池腔体的底面覆盖整个工作对极和部分对电极。

5、根据权利要求1所述的便携式检测仪器，其特征是，微控制器同时集成数/模转换DAC和模/数转ADC换功能(型号：C8051F040、ADuc812或P89LPC935)；电流/电压转换电路采用的运算放大器为LM358(或MCP6002)。

6、根据权利要求1所述的便携式检测仪器，其特征是，工作电极上的工作电压为0.2V，由微控制器的数/模转换DAC电路产生。

7、根据权利要求1所述的便携式检测仪器，其特征是，具有两条采样通道，同时对传感器试条上的两个工作电极产生的电流信号采样。

8、根据权利要求1所述的便携式检测仪器，其特征是，检测结果以抑制率形式显示在液晶屏上，当抑制率大于50％时，进行蜂鸣器报警提示。

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