CN102914583A - 便携式电化学生物芯片检测仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学生物芯片检测仪系统，特别是能够满足无线信息传输的便携式电化学生物芯片检测仪系统，它包括电化学生物芯片、电化学生物芯片读数器及电化学生物芯片检测仪。该系统体积小、分析速度快能够对多种被检测分析物进行现场快速低成本检测，同时具有人性化的液晶触摸显示操作界面，使用简便，还含有无线数据传输功能，便于数据的收集和传输监测，能被广泛用于医疗卫生诊断、食品卫生(食品成分、食品添加剂、有害毒物等的分析检测)、军事医学(生物战剂检测)，环境检测(水质分析)等诸多领域。

Description

便携式电化学生物芯片检测仪系统

技术领域

本发明涉及电化学生物芯片检测仪系统，特别是能够满足无线信息传输的便携式电化学生物芯片检测仪系统，用于生物(酶、蛋白质、抗体、抗原、微生物、细胞、核酸等)和非生物标志物(铜、铬、铅等有毒重金属离子)的快速分析与检测，属于生物芯片系统技术领域。

背景技术

现今的医疗诊断、食品工业(食品成分、食品添加剂、有害毒物等的分析检测)、军事医学(生物毒素的检测)中的生化反恐，环境监测(水质分析)对于现场即时检测的需求越来越高，因此一种能够满足现场即时检测的仪器系统将具有十分重要的意义。目前已有许多检测技术及设备(如基因芯片系统、生化分析仪、微生物检测仪等等)用于多种生物或非生物标志物的检测，但是由于自身技术的局限性，如操作繁琐、分析时间长且需要专业技术背景人员或因仪器造价成本过高、体积庞大等因素，无法满足现场即时检测的需求。

生物电化学技术是与尖端科学技术的发展紧密相关的，它能够对物质进行组成形态和成分含量的检测与分析，在生命科学、能源科学、信息科学和环境科学的发展中具有重要的作用。微电子机械系统(MEMS)是20世纪80年代后期在微电子技术的基础上发展起来的一门新兴应用基础技术，MEMS具有微型化、集成化、应用范围广等优点。近年来与生物学技术的联合应用形成生物微电子机械系统(Bio-MEMS)新的前沿技术，已被广泛应用到多个研究领域，尤其是在医疗诊断方面。由于MEMS器件具有体积小、重量轻、成本低及性能稳定、一致性好等优点，基于此技术基础研制的便携式电化学生物芯片检测仪系统，具有体积小、专一性强、分析速度快、准确度高、检测量大、检测成本低等优点；与目前高度成熟的无线信息传输技术整合后，该电化学生物芯片检测仪系统实用性大大增强，能够满足现场即时检测及分析数据无线传输的需求，该便携式检测仪系统适用于医院、家庭或单兵检测装备。

发明内容

本发明目的在于提供一种满足现场即时检测应用的便携式电化学生物芯片检测仪系统。

本发明主要通过以下技术方案实施，该便携式电化学生物芯片检测仪系统主要包括电化学生物芯片、电化学生物芯片读数器及电化学生物芯片检测仪三个部分。

所述的便携式电化学生物芯片检测仪系统中的电化学生物芯片包括一个底板及其上面的16个微反应单元体系。

其中底板的形状为一个长方体，其材料可以选自玻璃、硅、陶瓷或PVC。

其中16个微反应单元体系由纳米材料构成，每个单元分别含有(工作电极、辅助电极、参比电极)三电极体系，纳米材料可以选自金、铂、钛、铜、银、钯、镍或铬等。工作电极表面可以用化学试剂或生物分子进行功能化修饰，在其表面构建生物反应层界面，最常用的物质为巯基醇、EDC、NHS、辣根过氧化物酶、生物素或亲和素等。

所述的便携式电化学生物芯片检测仪系统中的电化学生物芯片读数器包括加样槽、上盖、底盒和信号传导线路；上盖通过转轴和转轴槽旋转后闭合在底盒上面，与底盒形成一个密闭腔室。

其中加样槽含有16个圆形生化反应池，反应池和电化学生物芯片上的16个微反应单元相对应，当覆盖在电化学生物芯片表面时，只露出电极接触点部分。

其中上盖含有一个标本加样窗口，加样窗含有一个盖子，通过卡式结构装配在上盖，可以很方便的取下或扣上。

其中底盒上面有一个凹槽用来放置和固定电化学生物芯片，凹槽的正中间有两个对应的半圆形缺口，便于电化学生物芯片的拿取；当关闭上盖后，凹槽的方位正对于上盖加样窗口。

其中信号传导线路包括电路板、USB传输端口及底盒外置线路端口构成，位于上盖内部的电路板含有48个伸缩式金属触针，通过挡板固定在上盖，具有信号传输功能，三个一组共16组，用于和电化学生物芯片表面16个微反应单元电极触点接触；底盒内部的USB传输端口分别与底盒外置线路端口及USB信号传输电路板相连接。

所述的便携式电化学生物芯片检测仪系统中的电化学检测仪包括微控制器单元模块、AD与DA转换模块、时钟和温度传感器模块、触摸液晶显示模块、恒电压/恒电流数字采集模块、电源模块、蓝牙数据传输模块；电化学检测仪前部含有一个电源开关、USB端口及蓝牙指示灯，后部含有一个读数器连接线端口，还有一个含有凹槽式结构防滑条纹的手持部位，底部含有左右对称的四个垫脚。

其中微控制器单元模块为微处理器，它具有高性能、低功耗、多种高精度及高速的外设。

其中AD与DA转换模块为具有多路带功能的AD和DA，可以在微处理器很少参与的情况下，自动、高速的进行AD和DA转换，为恒电压和恒电流方式的信号输出和输入采集提供了基本支持。

其中时钟和温度传感器模块为修正环境及时间影响提供了一个比较便捷的方式。

其中触摸液晶显示模块采用带触摸功能的TFT真彩液晶显示屏，价格低、功耗低，以字符、图形、图像的方式提供了一个方便、快捷的人机交换界面。

其中恒电压/恒电流数字采集模块共有十六个采集单元，每个单元输入、输出信号通过多路开关切换进入微控制器CPU，为保证寿命而科学的采用了快速无触点切换方式，通过多路开关切换恒电压和恒电流工作方式；每个检测单元前端单独采用一套运放电路，十六路信号采集综合后采用程控增益放大器配合低内阻多路开关，可以实现多种放大倍数的选择，为微信号、大量程、高精度的采集提供了可靠的依据。

其中电源模块采用低压差线性稳压器，为检测电路提供了200mA的±5V电源，同时采用2.5V的精密基准电压源，为AD、DA转换，电平迁移等电路提供了可靠的基准电压，系统也可以采用内部锂电池供电和USB模式供电，为系统的便携提供了依据。

其中数据传输模块采用无线蓝牙模块和USB端口，可以和具有无线信号(蓝牙、3G)收发功能的PDA(掌上电脑、手机)相连接，为现场即时监测数据远距离传输提供了极大方便；也可以通过USB和具有LAN接口的计算机连接，通过计算机显示，进行鼠标操作和检测信息传输。

上述的上盖、底盒、检测仪外壳、加样窗盖子、挡板、减震缓冲垫及脚垫的材料优选聚丙烯、聚碳酸酯、有机玻璃、聚氟乙烯、聚乙烯或ABS等塑料；伸缩式触针及转轴优选材料为不锈钢、镍镉合金或镍铜合金等；读数器USB电路板、信号传输电路板及检测仪内部电路板均制备在PCB板上；加样槽的材料优选自硅胶、聚氟乙烯、ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯。

本发明中的便携式电化学生物芯片检测仪系统是一种现场多功能即时检测的生物技术平台，比传统的检测仪器系统(如基因芯片系统、生化分析仪、微生物检测仪等)体积小、制造成本低、操作使用简便，能够对多种被检测分析物进行现场快速低成本检测，同时还含有无线数据传输功能，便于数据的收集和传输监测，能为现今的医疗卫生诊断、食品卫生(食品成分、食品添加剂、有害毒物等的分析检测)、军事医学(生物战剂快速检测)，环境监测(水质分析)等诸多领域提供一种现场即时检测的便携式检测仪系统。

附图说明

图1是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统立体图。

图2是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的电化学生物芯片立体图。

图3是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的覆盖有加样槽的电化学生物芯片立体图。

图4是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的电化学生物芯片读数器立体图。

图5是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的读数器上盖分解图的立体图。

图6是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的读数器底盒分解图的立体图。

图7是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的读数器的后视立体图。

图8是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的电化学生物芯片检测仪的立体图。

图9是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的仰视立体图。

图10是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的后视立体图。

图11是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的框架图。

图12是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪单个恒电流/恒电位采集模块电路图。

图13是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪TFT触摸显示模块电路图。

图14是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪蓝牙模块电路图。

图15是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪EEPROM存储器电路图。

图16是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪FLASH存储器电路图。

图17是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪USB端口电路图。

图18是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪时钟与温度模块电路图。

图19是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统的检测仪电源模块电路图。

图中1.电化学生物芯片，2.开盖状态下的电化学生物芯片读数器，3.闭合状态下的电化学生物芯片读数器，4.电化学生物芯片检测仪，5.工作电极，6.辅助电极，7.参比电极，8.电化学生物芯片底板，9.电极触点，10.加样槽，11.圆形生化反应池，12.微量移液器，13.加样窗盖子，14.加样窗，15.上盖卡槽，16.加样窗卡槽，17.信号传输电路板，18.伸缩式触针，19.挡板，20.减震缓冲垫，21.圆柱形转轴槽，22.转轴，23.半圆形缺口，24.凹槽，25.读数器USB传输端口，26.读数器USB信号传输电路板，27.底盒底板，28.底盒外置线路端口，29.电化学生物芯片检测仪手持处，30.TFT液晶触摸显示屏，31.电化学生物芯片检测仪电源开关，32.蓝牙信号指示灯，33.电化学生物芯片检测仪USB端口，34.脚垫，35.内置锂电池，36.读数器线路连接端口。

具体实施方式：

如图1所示，是本发明所提供的便携式电化学生物芯片检测仪系统，它包括电化学生物芯片1、电化学生物芯片读数器2(未闭合)、3(闭合)及电化学生物芯片检测仪4。

如图2至3所示，所述的电化学生物芯片1由一个长方体结构的底板8，和底板表面的十六个三微电极(工作电极5、辅助电极6、参比电极7)体系构成，加样槽10对应覆盖在电化学生物芯片1表面固定好后，每个生化反应池11应和每个三微电极体系正好对应，只露出电极触点9，此时工作电极5表面可以通过微量移液器12往生化反应池11里面加入生化试剂(如巯基醇，EDC，NHS，辣根过氧化物酶，生物素或亲和素等)进行功能化修饰。

如图4至10所示，将覆盖有加样槽10的电化学生物芯片1放置在减震缓冲垫20上面，再将整体放置在底盒凹槽24上面(如2.所示状态)，上盖通过圆柱形转轴槽21及转轴22旋转盖在底盒上面，此时上盖电路板17上面的十六组伸缩式探针18正好和电化学生物芯片表面的电极接触点9完全对应接触，在上盖卡槽15的作用下，上盖和底盒紧密连接形成一个密闭腔室(如3.所示状态)；打开上盖加样窗盖子13，用微量移液器12通过加样窗口14将所需检测的标本加到圆形生化反应池11微孔里面，再迅速通过加样窗卡槽16关上加样窗盖子13，避免外界环境干扰。通过底盒外置线路端口28和读数器USB传输端口25相连接，将反应信号通过读数器线路连接端口36输出到电化学生物芯片检测仪4进行处理。

进行检测时，打开电化学生物芯片检测仪电源开关31，在内置锂电池35的供电模式下，通过含有凹槽式防滑条纹的电化学生物芯片检测仪手持处29握住电化学生物芯片检测仪，在TFT液晶触摸显示屏30上设置相关检测参数，进行相关数据采集、处理及显示。为了满足野外作业条件，可以通过电化学生物芯片检测仪USB端口33，和具无线信号(3G)收发功能的PDA(掌上电脑、手机)相连接，进行监测数据的远距离输送；在室内也可以通过电化学生物芯片检测仪USB端口34，直接和商业化的计算机连接，用鼠标进行操作，通过因特网进行检测信息传递。若PDA(掌上电脑、手机)或计算机具备蓝牙模块，可以在不用外置USB连接端口的情况下，直接进行蓝牙连接，此时通过蓝牙信号指示灯32观察连接状态。

如图11至19所示，是本发明便携式电化学生物芯片检测仪系统中的电化学检测仪，它包括微控制器模块、AD与DA转换模块、时钟和温度传感器模块、触摸液晶显示模块、恒电压/恒电流检测模块、电源变换模块、蓝牙数据传输模块、FLASH存储器、EEPROM存储器及USB数据传送口。

其中电化学生物芯片检测仪微控制器模块采用ARM公司Cortex-M3内核的32微处理器，以STM32F103VCT6作为核心控制单元，具有高性能、低价格、低功耗和多种高精度、高速的外设。

其中电化学生物芯片检测仪内部集成有多路带DMA功能的十二位分辨率的AD和DA，可以在微处理器很少参与的情况下，自动、高速的进行AD和DA转换，为恒电压和恒电流方式的扫描信号输出和微电压、电流输入采集提供了高速、高分辨率的支持。

其中电化学生物芯片检测仪内部还集成了USB2.0驱动和无线蓝牙信息传输功能，可以实现检测仪同计算机或PDA(掌上电脑、手机)之间的高速通讯，也可以通过USB端口把数据转移到U盘中或通过蓝牙进行无线信息传输，为后续数据处理提供方便，由此减小本机系统体积、重量，提高便携性。

其中电化学生物芯片检测仪硬件系统采用8.7时带触摸功能的TFT真彩液晶显示屏，软件系统采用UCGUI嵌入式图形支持系统，配合UCOS2多任务实时操作系统，以字符、图形、图像的方式提供了一个方便、简洁的类似视窗系统的人机交换界面，同时实现十六路系统的数据实时控制与采集。

其中电化学生物芯片检测仪采用ADI公司生产的高精度、低漏电、低漂移、低失调和高共模抑制比的轨道轨运放AD8544，为前级微信号放大提供了基本的硬件条件，采用了BB公司的OPA551大电流运放为检测电路提供大于100mA的输出电流，通过CMOS多路开关4051切换恒电压和恒电流工作方式，为保证寿命而科学的采用了快速无触点切换的方式，采用多片多路开关4051，形成十六路的多路采集系统，每个检测单元前端单独采用一套运放电路，十六路的多路采集综合后，采用BB公司的程控增益放大器INA110配合ADI的低内阻多路开关ADG1611，可以实现×1，×10，×100，×200，×500等几种放大倍数的选择，为微信号、大量程、高精度的采集提供了可靠的依据。

其中电化学生物芯片检测仪电源模块采用ASM1117低压差线性稳压器，34063开关式集成电路和LT1964低压差线性负电压稳压器产生-5V电压，为检测电路提供了200mA的±5V电源，采用LM385-2.5提供2.5V的精密基准电压源，为AD、DA转换，电平迁移等电路提供了可靠的基准电压。系统内部采用2A锂电池供电，也可以采用外接5V/2A直流稳压电源供电。

其中电化学生物芯片检测仪还集成了时钟和温度传感器，为修正环境影响提供了一个比较便捷的方式。

上述的电化学生物芯片1表面纳米电极5、6、7的材料可以优选自金、铂、钛、铜、银、钯、镍或铬等纳米金属，电化学生物芯片底板8的材料优选自玻璃、硅、陶瓷或PVC等，电化学生物芯片整体通过生物微机械电子工艺完成；上盖、底盒、检测仪外壳、加样窗盖子13、挡板19、减震缓冲垫20、脚垫36的材料优选聚丙烯、聚碳酸酯、有机玻璃、聚氟乙烯、聚乙烯或ABS等塑料，通过注塑加工工艺完成；伸缩式触针18及转轴22优选材料为不锈钢、镍镉合金或镍铜合金等，加工工艺为精密机械加工；读数器USB信号传输电路板26、信号传输电路板17及检测仪内部电路板均制备在PCB板上，加工工艺为印刷电路板技术；加样槽10的材料优选自硅胶、聚氟乙烯、ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯，加工工艺为注塑加工。

Claims (14)

1.一种便携式电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：它包括电化学生物芯片、电化学生物芯片读数器、电化学生物芯片检测仪。

2.根据权利要求1所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述电化学生物芯片由一个底板和底板表面的16个三电极(工作、辅助、参比电极)体系构成。

3.根据权利要求2所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述底板的结构为长方体，底板材料可选自于玻璃、硅、陶瓷或PVC；电极所需的纳米材料可选自于金、铂、钛、铜、银、钯、镍或铬。

4.根据权利要求1所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述电化学生物芯片读数器包括加样槽、上盖、底盒和信号传导线路；上盖通过转轴和转轴槽旋转后关闭在底盒上面，与底盒形成一个密闭腔室。

5.根据权利要求4所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述加样槽含有16个反应池，与电化学生物芯片上面的16个三电极体系完全吻合，只露出电极触针接触点，加样槽材料是硅胶、聚氟乙烯、ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯。

6.根据权利要求4所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述上盖有一个固定位用来安装信号传导线路的电路板；底盒含有一个电化学生物芯片凹槽，凹槽内含有减震缓冲垫，用来放置电化学生物芯片，凹槽两边设置有对称缺口，以方便电化学生物芯片从底盒中取出。

7.根据权利要求6所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述上盖还含有一个加样窗，加样窗含有一个盖子，通过卡式结构装配在上盖，可以很方便的取下或扣上。

8.根据权利要求6、7所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述的上盖、底盒、减震缓冲垫及加样窗盖子的材料是聚丙烯、聚碳酸酯、有机玻璃、聚氟乙烯、聚乙烯或ABS。

9.根据权利要求4所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述信号传导线路由电路板、USB传输端口及底盒外置线路端口构成；其中上盖内部的电路板含有48个可伸缩式金属触针，三个一组共16组，形成16个信号传输通道，通过密封挡板固定在上盖；底盒USB传输端口分别与外置线路端口及USB信号传输电路板相连接。

10.根据权利要求9所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述伸缩式金属触针的材料是不锈钢、镍镉合金或镍铜合金。

11.根据权利要求1所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述电化学生物芯片检测仪包含有核心控制单元模块、AD与DA转换模块、时钟和温度传感器模块、TFT触摸液晶显示模块、十六个恒电压/恒电流数字采集模块、电源模块、USB数据传送模块及蓝牙数据传输模块。

12.根据权利要求11所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述电源模块内部含有锂电池。

13.根据权利要求1所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述电化学生物芯片检测仪前部含有一个电源开关、蓝牙指示灯及USB端口，后部还含有一个电化学生物芯片读数器连接端口。

14.根据权利要求1所述的电化学生物芯片检测仪系统，其特征在于：所述电化学生物芯片检测仪机身后部两边各有一个手持部位，其中手持部位含有凹槽式条纹防滑结构，机身底部还含有左右对称的四个垫脚。

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