CN105548316A - 基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪 - Google Patents

基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，包括：系统控制模块、恒电位仪模块、信号采集与处理模块、脲酶生物传感器和串口通信模块；恒电位仪模块向脲酶生物传感器的参比电极和工作电极提供稳定的恒电位电势；信号采集与处理模块采集脲酶生物传感器在底物中产生的电流信号，将其依次进行电流电压转换、滤波、放大和模数转换后发送至系统控制模块；系统控制模块控制对接收的数字信号处理，获得土壤重金属检测结果；串口通信模块将检测结果发送至上位机。本发明可以快速、准确地检测土壤中的重金属，减少成本及操作的复杂度。

Description

基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪
技术领域
本发明涉及土壤重金属检测技术领域，特别涉及一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪。
背景技术
目前，农产品质量安全是人们关注的焦点之一，而农产品的质量与土壤环境质量密切相关，土壤环境质量评估尤其是土壤环境中的重金属检测对农产品质量乃至人体健康至关重要。另外，随着中国工业化、城市化的不断加速，涉及重金属排放的行业越来越多，包括矿山开采、金属冶炼、化工、印染、皮革、城市垃圾、废旧电池等，使得重金属污染物通过不同形式进入农田土壤环境，影响农产品及其加工食品的安全。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解并能够通过食物链进入人体，在器官中富集，超过一定限度后，会造成急性中毒、亚急性中毒和慢性中毒，严重危害人类健康。为了加强对农产品产地土壤环境中重金属污染程度的监控和防范，确保农产品产地农作物的食用安全，相关人员需要在一定时间内对大量土壤样品开展筛查和检测工作，而适用的方法和检测手段显得尤为重要和迫切。
目前常规的重金属检测技术主要有X荧光光谱(XRayFluorescence，简称XRF)、电感耦合等离子质谱法((Inductivelycoupledplasmamassspectrometry，简称ICP-MS)、原子吸收光谱法(AtomicAbsorptionSpectroscopy，简称AAS)，原子发射光谱法(AtomicEmissionSpectrometry，简称AES)、原子荧光光谱法(AtomicFluorescenceSpectrometry，简称AFS)，这些方法都有较好的选择性和灵敏度，但存在着样品前处理较为复杂、仪器设备昂贵、运行费用高并且需要专业人员以及在实验室环境下进行操作等缺陷，难以用于对现场大量土壤样品的快速筛查。
鉴于此，如何快速、精确地检测土壤中的重金属，且减少成本及操作的复杂度成为目前需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，可以快速、精确地检测土壤中的重金属，减少成本及操作的复杂度。
第一方面，本发明提供一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，包括：系统控制模块、恒电位仪模块、信号采集与处理模块、脲酶生物传感器和串口通信模块；
所述系统控制模块分别与所述恒电位仪模块、所述信号采集与处理模块和所述串口通信模块连接，所述恒电位仪模块分别与所述脲酶生物传感器的辅助电极和参比电极连接，所述信号采集与处理模块与所述脲酶生物传感器的工作电极连接；
所述恒电位仪模块，用于向所述脲酶生物传感器中的参比电极和工作电极提供稳定的恒电位电势；
所述信号采集与处理模块，用于采集所述脲酶生物传感器在底物中产生的电流信号，将所述电流信号转换成电压信号经过滤波处理后放大，并将经过放大的电压信号由模拟信号转换成数字信号，将所述数字信号发送至所述系统控制模块；
所述系统控制模块，用于控制所述恒电位仪模块的运行，以及对所述信号采集与处理模块发送的数字信号进行处理，获得土壤重金属检测结果；
所述串口通信模块，用于将所述土壤重金属检测结果发送至上位机。
可选地，所述系统控制模块，包括：微处理器，晶振电路和复位电路；
所述微处理器分别与所述晶振电路和所述复位电路连接。
可选地，所述恒电位仪模块，包括：数/模转换器和恒电位电路；
所述数/模转换器分别与所述系统控制模块和所述恒电位电路连接，所述恒电位电路的输出端与所述脲酶生物传感器的辅助电极连接，所述恒电位电路的的反馈输入端与所述脲酶生物传感器的参比电极连接。
可选地，所述恒电位仪模块在所述参比电极的负反馈回路中引入电压跟随器。
可选地，所述信号采集与处理模块，包括：模/数转换器和电流电压转换、滤波及放大电路；
所述模/数转换器分别与所述系统控制模块和所述电流电压转换、滤波及放大电路连接，所述电流电压转换、滤波及放大电路的反向输入端与所述脲酶生物传感器的工作电极连接。
可选地，所述电流电压转换、滤波及放大电路，包括：放大电路和带有偏置电源的电压跟随器电路；
所述放大电路包括：由AD8625模拟放大器构成负反馈放大电路、与所述负反馈放大电路连接的低通滤波电路、以及与所述低通滤波电路及所述负反馈放大电路连接的模拟多路转换器ADG1404；
所述模拟放大器的反向输入端与所述脲酶生物传感器的工作电极连接；
所述模拟多路转换器，用于对放大倍数进行设置。
可选地，所述脲酶生物传感器，包括：辅助电极、参比电极、工作电极和工作电极上的脲酶以及纳米复合膜修饰物。
可选地，所述脲酶生物传感器为羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸复合膜修饰的脲酶生物传感器。
可选地，所述底物为由三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲液和尿素组成的混合溶液。
可选地，所述土壤重金属检测仪，还包括：界面显示与数据存储模块和电源模块；
所述界面显示与数据存储模块与所述系统控制模块连接，所述电源模块分别与所述系统控制模块、界面显示与数据存储模块、恒电位仪模块、信号采集与处理模块连接；
所述电源模块，用于为所述土壤重金属检测仪提供电源；
所述界面显示与数据存储模块，用于显示所述系统控制模块获得的土壤重金属检测结果，并将所述土壤重金属检测结果进行存储。
由上述技术方案可知，本发明的基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，可以快速、精确地检测土壤中的重金属，减少成本及操作的复杂度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪的结构图；
图2为图1中的恒电位仪模块的电路原理图；
图3为图1中的电流电压转换、滤波及放大电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪的结构示意图，如图1所示，本实施例的基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，包括：系统控制模块1、恒电位仪模块2、信号采集与处理模块3、脲酶生物传感器4和串口通信模块5；
所述系统控制模块1分别与所述恒电位仪模块2、所述信号采集与处理模块3和所述串口通信模6块连接，所述恒电位仪模块2分别与所述脲酶生物传感器4的辅助电极和参比电极连接，所述信号采集与处理模块3与所述脲酶生物传感器4的工作电极连接；
所述恒电位仪模块2，用于向所述脲酶生物传感器4中的参比电极和工作电极提供稳定的恒电位电势；
所述信号采集与处理模块3，用于采集所述脲酶生物传感器4在底物中产生的电流信号，将所述电流信号转换成电压信号经过滤波处理后放大，并将经过放大的电压信号由模拟信号转换成数字信号，将所述数字信号发送至所述系统控制模块1；
所述系统控制模块1，用于控制所述恒电位仪模块2的运行，以及对所述信号采集与处理模块3发送的数字信号进行处理，获得土壤重金属检测结果；
所述串口通信模块5，用于将所述土壤重金属检测结果发送至上位机。
在具体应用中，所述土壤重金属检测仪，还包括：界面显示与数据存储模块6和电源模块7；
所述界面显示与数据存储模块6与所述系统控制模块1连接，所述电源模块7分别与所述系统控制模块1、界面显示与数据存储模块6、恒电位仪模块2、信号采集与处理模块3连接；
所述电源模块7，用于提供电源，可为系统控制模块1提供5V工作电源及4.096V参考电源，为恒电位仪模块2、信号采集与处理模块3提供5V、-5V工作电源；
所述界面显示与数据存储模块6，为检测仪的用户操作界面，包括显示单元和存储单元，显示单元显示所述系统控制模块1获得的土壤重金属检测结果，存储单元将所述土壤重金属检测结果进行存储。
优选地，所述显示单元，可包括4寸含有RM68042驱动器的薄膜晶体管(ThinFilmTransistor，简称TFT)液晶触摸屏，分辨率为480*320，存储器芯片为FM25W256-G。
优选地，所述电源模块7可由LM7805、MAX829及ADR292芯片，以及相应的外围电路组成，在具体应用中，所述电源模块7的输入电压可以为9V电源电压，经过LM7805三端集成稳压电路转换为5V电压输出，经过MAX829开关稳压器将5V电压转换为-5V电压。使用ADR292将5V电压转换成高精度的4.096V参考电压，并通过运算放大器产生-2.048V的偏置电压。
在具体应用中，本实施例所述系统控制模块1可包括图中未示出的：微处理器，晶振电路和复位电路；所述微处理器分别与所述晶振电路和所述复位电路连接。
举例来说，所述微处理器优选为ADUC842BS62-5。
在具体应用中，参见图2，本实施例所述恒电位仪模块2可包括：数/模转换器(DigitaltoAnalogConverter，简称DAC)和恒电位电路；
所述数/模转换器分别与所述系统控制模块1和所述恒电位电路连接，所述恒电位电路的输出端(模拟放大器A4A管脚1)与所述脲酶生物传感器4的辅助电极连接，所述恒电位电路的的反馈输入端(模拟放大器A4B管脚5)与所述脲酶生物传感器4的参比电极连接，可通过底物溶液形成的电阻构成负反馈回路。保证参比电极不和工作电极形成回路，同时控制工作电极和参比电极之前的电势差。
其中，所述数/模转换器可由LTC2601芯片，以及相应的外围电路组成。
进一步地，所述恒电位仪模块2可在所述参比电极的负反馈回路中引入电压跟随器。
优选地，所述恒电位仪模块2，为待测土壤样品检测环境提供的恒定电压是1.5V。
在具体应用中，参见图3，本实施例所述信号采集与处理模块3可包括：模/数转换器(AnalogtoDigitalConverter，简称ADC)和电流电压转换、滤波及放大电路；
所述模/数转换器分别与所述系统控制模块和所述电流电压转换、滤波及放大电路连接，所述电流电压转换、滤波及放大电路的反向输入端与所述脲酶生物传感器4的工作电极连接。
在具体应用中，本实施例所述电流电压转换、滤波及放大电路，可包括：放大电路和带有偏置电源的电压跟随器电路；
所述放大电路可包括：由AD8625模拟放大器构成负反馈放大电路、与所述负反馈放大电路连接的低通滤波电路(由电容、电阻构成)、以及与所述低通滤波电路及所述负反馈放大电路连接的模拟多路转换器ADG1404(如图3中为4路)；
所述模拟放大器的反向输入端与所述脲酶生物传感器的工作电极连接；
所述模拟多路转换器，用于对放大倍数进行设置。
在具体应用中，本实施例所述串口通信模块5可基于MAX3232E芯片，以及相应的外围电路实现晶体管-晶体管逻辑集成电路(Transistor-TransistorLogic，简称TTL)电平和232电平的转换。
在具体应用中，本实施例所述脲酶生物传感器4可包括：辅助电极、参比电极、工作电极和工作电极上的脲酶以及纳米复合膜修饰物。
优选地，本实施例所述脲酶生物传感器为羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸(MWNTs-β-cyclodextrin-Nafion)复合膜修饰的脲酶生物传感器，其中脲酶修饰在工作电极上并通过与底物发生催化反应改变反应环境的电导率，在恒电位的作用下由工作电极采集电流。
可理解的是，采用羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸复合膜修饰的玻碳电极表面固定脲酶，能够改善脲酶在玻碳电极上的固定效果，增强电极表面的电子传递速率，提高电极的抗干扰能力。通过此法修饰的脲酶生物传感器应用到所述的土壤重金属快速检测仪中，可提高本检测仪器的准确性和重现性，提高了检测效率，在农产品产地对大量土壤样品中的重金属残留进行快速筛查领域具有广阔的发展前景。
在具体应用中，本实施例所述底物可优选为由三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲液Tris-Hcl和尿素组成的混合溶液。其中，所述Tris-Hcl的PH值可优选为7，所述尿素的浓度可优选为0.3M。
在具体应用中，举例来说，本实施例的所述脲酶生物传感器4的制备方法可以为：
称取32mgβ-环糊精并加入4mL二甲基甲酰胺混合后进行超声溶解得到β-环糊精溶液。称取1mg羧基化多壁碳纳米管加入到β-环糊精溶液中进行超声溶解得到羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精混合溶液。将400μL1％的全氟磺酸溶液加入到羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精混合溶液中得到多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸混合溶液。取6μL羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸混合溶液滴涂到经过预处理的Φ＝3mm的玻碳工作电极上，然后通过红外干燥灯照射15Min。取3μL脲酶滴涂在修饰了羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸复合膜的电极表面，4℃下静置2h待用。
应说明的是，本实施例所述基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪的检测步骤如下：
S1、使用Tessier方法对土壤样品进行前处理，得到土壤提取液。
S2、使用本实施例所述土壤重金属检测仪对底液(Tris-Hcl和尿素组成的混合溶液)进行第一次检测，检测仪采集土壤重金属抑制前的电流I1。
S3、将修饰好的工作电极取出后用PH7.0的Tris-Hcl冲洗后放入土壤提取液中孵育15分钟以便土壤中的重金属离子对脲酶的活性进行抑制。再次取出工作电极并放入底液中进行第二次检测，检测仪采集土壤重金属抑制后的电流I2。
S4、根据抑制前后的电流计算抑制率为△I＝|I1-I2|/I1。
S5、根据抑制率与重金属浓度之间的线性关系得到重金属离子浓度。
在具体应用中，本实施例的重金属检测相关程序可包含数字信号处理及计算程序，界面显示程序，数据存储程序，恒电位信号触发程序，重金属种类选择程序，模拟信号数字信号转换程序，数字信号和模拟信号触发程序。
本实施例所述基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪的具体操作流程可如下所述：
P1、打开检测仪开关，屏幕显示“中国农业大学土壤重金属快速检测仪”。点击下方“开始检测”按钮开始检测。
P2、点击屏幕上方“种类”按钮进入重金属种类选择界面，选择将要进行检测的重金属的种类。
P3、选择重金属种类后屏幕跳转到第一次电流采集界面，点击上方“开始第一次采集”按钮仪器开始对反应环境进行第一次信号检测并记录检测值。第一次信号检测完成后屏幕自动跳转到第二次信号检测界面。
P4、将抑制后的电极放入反应池中，点击屏幕上方的“开始第二次采集”按钮仪器开始对反应环境进行第二次信号检测并计算得出所检测的重金属种类的浓度值。等待5s钟后屏幕跳转，显示二次采集到的电流值，抑制率以及检测种类和重金属残留值。
应说明的是，本实施例使用的(三电极)酶传感器可以是脲酶传感器，但并不限于脲酶传感器，只要是满足三电极测量方法即可。因此，本发明可以适用于多种土壤重金属残留检测场合。
本实施例的基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，可以快速、精确地检测土壤中的重金属，减少成本及操作的复杂度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于脲酶生物传感器的土壤重金属检测仪，其特征在于，包括：系统控制模块、恒电位仪模块、信号采集与处理模块、脲酶生物传感器和串口通信模块；
所述系统控制模块分别与所述恒电位仪模块、所述信号采集与处理模块和所述串口通信模块连接，所述恒电位仪模块分别与所述脲酶生物传感器的辅助电极和参比电极连接，所述信号采集与处理模块与所述脲酶生物传感器的工作电极连接；
所述恒电位仪模块，用于向所述脲酶生物传感器中的参比电极和工作电极提供稳定的恒电位电势；
所述信号采集与处理模块，用于采集所述脲酶生物传感器在底物中产生的电流信号，将所述电流信号转换成电压信号经过滤波处理后放大，并将经过放大的电压信号由模拟信号转换成数字信号，将所述数字信号发送至所述系统控制模块；
所述系统控制模块，用于控制所述恒电位仪模块的运行，以及对所述信号采集与处理模块发送的数字信号进行处理，获得土壤重金属检测结果；
所述串口通信模块，用于将所述土壤重金属检测结果发送至上位机。
2.根据权利要求1所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述系统控制模块，包括：微处理器，晶振电路和复位电路；
所述微处理器分别与所述晶振电路和所述复位电路连接。
3.根据权利要求1所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述恒电位仪模块，包括：数/模转换器和恒电位电路；
所述数/模转换器分别与所述系统控制模块和所述恒电位电路连接，所述恒电位电路的输出端与所述脲酶生物传感器的辅助电极连接，所述恒电位电路的的反馈输入端与所述脲酶生物传感器的参比电极连接。
4.根据权利要求3所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述恒电位仪模块在所述参比电极的负反馈回路中引入电压跟随器。
5.根据权利要求1所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述信号采集与处理模块，包括：模/数转换器和电流电压转换、滤波及放大电路；
所述模/数转换器分别与所述系统控制模块和所述电流电压转换、滤波及放大电路连接，所述电流电压转换、滤波及放大电路的反向输入端与所述脲酶生物传感器的工作电极连接。
6.根据权利要求5所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述电流电压转换、滤波及放大电路，包括：放大电路和带有偏置电源的电压跟随器电路；
所述放大电路包括：由AD8625模拟放大器构成负反馈放大电路、与所述负反馈放大电路连接的低通滤波电路、以及与所述低通滤波电路及所述负反馈放大电路连接的模拟多路转换器ADG1404；
所述模拟放大器的反向输入端与所述脲酶生物传感器的工作电极连接；
所述模拟多路转换器，用于对放大倍数进行设置。
7.根据权利要求1所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述脲酶生物传感器，包括：辅助电极、参比电极、工作电极和工作电极上的脲酶以及纳米复合膜修饰物。
8.根据权利要求1所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述脲酶生物传感器为羧基化多壁碳纳米管-β-环糊精-全氟磺酸复合膜修饰的脲酶生物传感器。
9.根据权利要求1所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，所述底物为由三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲液和尿素组成的混合溶液。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的土壤重金属检测仪，其特征在于，还包括：界面显示与数据存储模块和电源模块；
所述界面显示与数据存储模块与所述系统控制模块连接，所述电源模块分别与所述系统控制模块、界面显示与数据存储模块、恒电位仪模块、信号采集与处理模块连接；
所述电源模块，用于为所述土壤重金属检测仪提供电源；
所述界面显示与数据存储模块，用于显示所述系统控制模块获得的土壤重金属检测结果，并将所述土壤重金属检测结果进行存储。
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