CN106483175A - 一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪 - Google Patents

一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，检测仪掌上手持，由纸过滤膜、丝网印刷电极适配体传感器、类似USB接口的丝网印刷电极插入口、电信号采集与处理子模块、显示打印存储子模块、电源子模块和无线数据输出模块组成。掌上检测仪具有无需样品前处理的优势，将牛奶直接滴到样品区域，既可进行检测，检测完成，结果自动传至物联网数据库。操作简单，携带方便，可用于牛奶样品中目标抗生素的现场快速检测。

Description

一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪
技术领域
本发明涉及一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，属于农产品质量安全快速检测技术领域。
背景技术
抗生素是一种能抑制或杀死其他微生物细胞的生理活性物质，主要由微生物产生。自20世纪30年代发现青霉素以来，现如今已被发现的抗生素有2000多种。常在奶牛中使用的抗生素主要有氨基糖苷类、β-内酰胺类、四环素类和大环内酯类等。如果人类长期食用含抗生素残留的动物性食品后，药物不断在体内蓄积，会对人体产生毒性作用，增加细菌的耐药性，引起人体的过敏和变态反应，甚至会产生致癌、致畸、致突变作用。虽然近年来国际上严格限制抗生素的残留最大量，但由于其对某些作物具有生长刺激作用，所以仍有不少违章使用现象，因此实现对牛奶等食品中的抗生素残留进行快速检测是至关重要的。
目前抗生素残留分析的主要方法是气相色谱仪、液相色谱仪、气质联用仪、液质联用仪等，这些方法虽然分析精度高，定量准确，但其样品的前处理复杂、检测耗时长、成本高、需要技术熟练的操作人员。传统的抗生素检测方法主要有：气相色谱(GC)、高效液相色谱法(HPLC)、色谱/质谱联用技术(GC/LC-MS)、毛细管电泳法(CE)、荧光分析、酶联免疫法(ELISA)。这些方法虽然选择性好、灵敏度高、准确度高、检出限低，可同时检测多种元素或化合物，但其需要昂贵的仪器设备，样品前处理过程繁琐、费时，并且对分析人员的技术水平要求很高，不适于现场快速检测。与传统的分析方法相比，生物传感器具有如下特点：（1）较高的选择性，因此不需要对被测组分进行分离，即不用对样品进行预处理。（2）结构简单，体积小，使用方便，非常有利于农产品安全质量的快速测定。（3）可实现连续在线检测，使食品加工过程的质量控制变得简便。（4）响应速度快，样品用量少，与其他大型分析仪器相比，基于丝网印刷电极的适配体传感器制作成本低，可以一次使用后抛弃。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，检测仪掌上手持，由纸过滤膜、丝网印刷电极抗生素适配体传感器、类似USB接口的丝网印刷电极插入口、电信号采集与处理子模块、显示打印存储子模块、电源子模块和无线数据输出模块组成；所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，通过电信号采集装置可检测丝网印刷电极工作区域接触样品前后导致的电流信号变化，将信号送至检测仪的数据处理模块进行数据处理后，获取样品中的抗生素残留量的信息； 所述的纸过滤膜放置于丝网印刷电极表面，纸过滤膜是带有疏水区和亲水通道的微孔滤膜，将检测样品滴到纸过滤膜的检测分离区，牛奶等样品蛋白质等由于大于分离膜的孔径而不能透过分离膜，而小分子抗生素透过分离膜，通过通道的亲水吸力进入测试区，样品渗透到丝网印刷电极的工作表面，解决现有的抗生素残留检测仪需要进行样品前处理问题；所述的纸过滤膜的制作过程如下：将一片Whatman No. 1定性滤纸切成大小为1.8 cm×2.0 cm的矩形，将两片Whatman样品分离膜切成大小为1.6 cm×2.0 cm的矩形。将Whatman No. 1定性滤纸的边缘重叠在距离样品分离膜边缘1mm处，置于载玻片上。然后，将一个哑铃型磁铁放在滤纸上，通过载玻片另一侧的永磁体将其暂时性吸附在滤纸表面。然后，在105~130℃，将其浸入融化的蜡中，浸渍时间1s。20s后，将定性滤纸和载玻片分离，并且将哑铃型磁铁从滤纸上移除。最后，通过蜡浸渍技术，使滤纸与样品分离膜的重叠区域粘着在一起。
所述的丝网印刷电极抗生素适配体传感器，其特征在于，所述的丝网印刷电极适配体传感器，其制备方法为：是在清洗活化后的丝网印刷电极表面分别先后修饰上制备的纳米金-壳聚糖、纳米碳纤维-纳米金复合物，然后在修饰好的电极上分别滴加二茂铁-适配体、适配体，得到检测抗生素的适配体传感器。所述适配体传感器制备具体步骤如下：
1）纳米金/纳米金-壳聚糖复合物、纳米碳纤维(NCFs)、二茂铁(Fc)-适配体的制备；
2）清洗活化丝网印刷电极，得到预处理的丝网印刷电极；
3）将步骤1）制备得到的纳米金-壳聚糖复合物和纳米碳纤维/纳米金分别修饰到步骤2）预处理的丝网印刷电极上，得到修饰好的丝网印刷电极；
4) 将二茂铁-适配体、适配体分别滴加到步骤3）所得的修饰好的丝网印刷电极上，自然晾干后得到基于丝网印刷电极的基础适配体传感器；
5）优化步骤4）所得的基础适配体传感器的三种试验条件；
6）在步骤5）所得的最优条件下，对目标抗生素进行检测。
所述抗生素适配体传感器制备方法，其特征在于，步骤1）所述纳米金-壳聚糖复合物、纳米碳纤维、二茂铁-适配体分别是以壳聚糖为分散剂分散纳米金，取一定浓度的纳米碳纤维溶液，将二茂铁与适配体混合得到分散均匀的悬浊液。
所述抗生素适配体传感器制备方法，其特征在于，步骤3）所述丝网印刷电极电极的修饰，是分别先将7 μL纳米金-壳聚糖复合物、30% 纳米碳纤维溶液和纳米金溶液滴加到预处理的丝网印刷电极上，室温下晾干，分别得到纳米金-壳聚糖，纳米碳纤维/纳米金修饰的丝网印刷电极。
所述抗生素适配体传感器制备方法，其特征在于，步骤4）所述在修饰好的电极上分别滴加7 μL 二茂铁-适配体复合物、适配体溶液，是将7 μL 二茂铁-适配体复合物滴加到纳米金-壳聚糖修饰好的丝网印刷电极上，将7 μL 适配体溶液滴加到纳米碳纤维/纳米金修饰的丝网印刷电极上，在4℃条件下干燥，得到两种适配体生物传感器。
所述抗生素适配体传感器制备方法，其特征在于，步骤5）所述两种适配体生物传感器的三种试验条件测试底液pH值、适配体浓度、孵育时间分别进行了优化：pH值为7.0，适配体浓度为6 μM，孵育时间为60 min。
所述抗生素适配体传感器制备方法的步骤6）所述滴加不同浓度的目标抗生素标准液，孵育 60 min，在底液中进行循环伏安法检测。
所述的丝网印刷电极的夹持装置，是一个类似于USB接口装置，可以将丝网印刷电极的三电极端口直接插入，并将三电极工作表面的电化学反应产生的电流信号传递给电信号采集装置；所述的电流信号采集与处理子模块，该子模块含有微处理器、I/V转换电路、信号放大电路、滤波电路和A/D转换电路，该子模块将接收到的检测信号经过I/V转换、信号放大、滤波和A/D转换处理后生成初始检测信息，初始检测信息被传输给显示与打印子模块和数据传输子模块；所述的显示与打印存储子模块，该子模块由触摸屏驱动电路、打印电路、存储器电路、存储器、液晶触摸屏和微型打印机组成，该子模块在接收到初始检测信息后，将初始检测信息通过存储器电路传输给存储器存储，通过打印电路传输给微型打印机打印，并通过液晶触摸屏显示；所述的电源子模块，采用9V锂电池和基于CW7805三端集成稳压器组成，为检测仪提供稳定的电源供给。
所述无线数据输出模块，采用Zigbee将检测数据发送至农产品安全溯源物联网数据库。
本发明获得有益效果如下：
现有抗生素检测设备仪器过于笨重，体积较大，携带不方便，且通常需要对牛奶等样品进行前处理，离不开实验室条件，本发明的基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，使用带有纸过滤膜的丝网印刷电极直接插入掌上检测仪器，既解决了牛奶样品无需前处理，将牛奶直接滴入带有微孔滤膜的丝网印刷电极，然后将丝网印刷电极插入掌上检测仪器，就可以完成抗生素残留的浓度及是否超标的检测信息。检测仪器使用锂电池作为电源，检测仪随身携带方便，完全不需要实验室条件支持，使用操作简单，且检测数据随时无线传至农产品安全检测物联网数据库。可以家庭使用，也可以用于生产企业自检。
具体实施方式
下面结合实施例，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。
所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，检测仪掌上手持，由纸过滤膜、丝网印刷电极适配体传感器、类似USB接口的丝网印刷电极插入口、电信号采集与处理子模块、显示打印存储子模块、电源子模块、和无线数据输出模块组成。
所述的纸过滤膜的制作方法如下：将一片Whatman No. 1定性滤纸切成大小为1.8cm×2.0 cm的矩形，将两片Whatman样品分离膜切成大小为1.6 cm×2.0 cm的矩形。将Whatman No. 1定性滤纸的边缘重叠在距离样品分离膜边缘1mm处，置于载玻片上。然后，将一个哑铃型磁铁放在滤纸上，通过载玻片另一侧的永磁体将其暂时性吸附在滤纸表面。然后，在105~130℃，将其浸入融化的蜡中，浸渍时间1s。20s后，将定性滤纸和载玻片分离，并且将哑铃型磁铁从滤纸上移除，最后，通过蜡浸渍技术，使滤纸与样品分离膜的重叠区域粘着在一起。
所述的丝网印刷电极抗生素适配体传感器制备具体步骤如下：
1） 纳米金/纳米金-壳聚糖复合物、纳米碳纤维、二茂铁-适配体的制备：100 mL 0.01%的氯金酸（W/V）滴加到烧杯中，置于电炉上加热，边加热边搅拌直至沸腾，然后迅速加入2.5mL 1% 柠檬酸钠溶液，随着反应的进行该溶液很快变成了红宝石颜色，说明指示的金纳米粒子的形成。剧烈搅拌该溶液持续1h后，得到所制备的纳米金溶液；称取0.5 g壳聚糖（CS）置于烧杯中，加入1.0 %的醋酸溶液搅拌溶解，将溶解好的溶液置于250 mL容量瓶中并定容，定容后的溶液倒入烧杯中，在磁力搅拌器下磁力搅拌10 h，得到0.2%的壳聚糖溶液；将20 mL 1％的壳聚糖（CS）乙酸溶液（W/V））搅拌加入到上述纳米金溶液中得到纳米金-壳聚糖复合物；1 g 二茂铁加入到100 mL 乙醇溶液中超声30 min，得到 1% (w/v) 二茂铁溶液，然后将适配体溶液加入到二茂铁溶液中，在4℃ 下搅拌混匀12h，得到二茂铁-适配体复合物。
2）丝网印刷电极的清洗、活化：首先，将丝网印刷碳电极放入盛有1mM NaOH溶液的小烧杯中超声清洗5min，超纯水清洗，氮气吹干，然后，将电极放入盛有1mM HCl 溶液的小烧杯中超声清洗5min，超纯水清洗，氮气吹干，之后，用无水乙醇清洗电极，氮气吹干，最后，在pH=5的磷酸盐缓冲液中进行电流-时间曲线扫描300s，之后，进行循环伏安曲线扫描，直至性能稳定；
3）丝网印刷电极的修饰：在丝网印刷电极上分别滴加7 μL 纳米金-壳聚糖复合物、30%纳米碳纤维溶液和纳米金溶液滴加到预处理的丝网印刷电极上，室温下晾干，分别得到纳米金-壳聚糖，纳米碳纤维/纳米金修饰的丝网印刷电极；
4）适配体的固定：在上述的电极上滴加7 μL 二茂铁-适配体复合物滴加到纳米金-壳聚糖修饰好的丝网印刷电极上，将7 μL 适配体溶液滴加到纳米碳纤维/纳米金修饰的丝网印刷电极上，在室温下干燥，得到两种适配体生物传感器，并将制备好的电极放于4℃干燥的环境中保存备用；
5）试验条件的优化：制备一系列pH值的磷酸盐缓冲液，pH值分别为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，并分别配成了一系列的检测底液，在这些底液中对传感器电流值进行检测，筛选出最佳pH值7.0；分别向电极负载2 μM、4 μM、5 μM、6 μM、8 μM的适配体，对其电流值进行检测，筛选出最佳适配体浓度为6 μM；用同一浓度的四环素孵育时间分别控制为30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90 min，对其电流值进行检测，筛选出最佳孵育时间为60min；
6）四环素的检测：在最优条件下：pH 7.0，适配体浓度 6 μM，孵育时间60 min，在两种适配体传感器上对不同浓度的四环素进行电流检测，并分别建立了建立不同四环素浓度与丝网印刷电极电流变化之间的关系曲线，进而得到不同浓度的四环素的对数值与电流峰值比率之间的线性回归方程为y=-0.02854x - 0.02655 (R2 = 0.994， 浓度范围10-11～10- 9g/mL)，y = -0.00225x + 0.20538 (R2 = 0.997，浓度范围10-9～10-3g/mL)。
将制作好的纸过滤膜置于制备好的丝网印刷适配体传感器上面。
所述的掌上抗生素残留快速检测仪，装置部分如下：
所述的丝网印刷电极的夹持装置，是一个类似于USB接口装置，可以将丝网印刷电极的三电极端口直接插入，并将三电极工作表面的电化学反应产生的电流信号传递给电信号采集装置；所述的电流信号采集与处理子模块，该子模块含有微处理器、I/V转换电路、信号放大电路、滤波电路和A/D转换电路，该子模块将接收到的检测信号经过I/V转换、信号放大、滤波和A/D转换处理后生成初始检测信息，初始检测信息被传输给显示与打印子模块和数据传输子模块；所述的显示与打印存储子模块，该子模块由触摸屏驱动电路、打印电路、存储器电路、存储器、液晶触摸屏和微型打印机组成，该子模块在接收到初始检测信息后，将初始检测信息通过存储器电路传输给存储器存储，通过打印电路传输给微型打印机打印，并通过液晶触摸屏显示；所述的电源子模块，采用9V锂电池和基于CW7805三端集成稳压器组成，为检测仪提供稳定的电源供给；所述无线数据输出模块，采用Zigbee将检测数据发送至农产品安全溯源物联网数据库。
将带有纸过滤膜的丝网印刷电极插入掌上检测仪器的预留插口，将牛奶等样品放于纸微孔滤膜的两端，1min后按下检测按钮，即可进行检测。
所述的基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，该检测仪可用于检测牛奶等样品中的适配体目标抗生素残留。
所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，采用本发明使用一次性可抛弃的丝网印刷电极进行检测，操作简单携带方便，且本身带有纸过滤膜，实现了牛奶样品无需前处理，将牛奶直接滴入带有纸过滤膜的丝网印刷电极，然后将丝网印刷电极插入掌上检测仪器，就可以完成抗生素残留的浓度及是否超标的检测信息。检测仪器使用锂电池作为电源，检测仪随身携带方便，完全不需要实验室条件支持，使用操作简单，且检测数据随时无线传至农产品安全检测物联网数据库。可以家庭使用，也可以用于生产企业自检。
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 (8)

1.一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，检测仪掌上手持、由纸过滤膜、丝网印刷电极适配体传感器、丝网印刷电极夹持装置、电信号采集与处理子模块、显示打印存储子模块、电源子模块和无线数据输出模块组成；所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，通过电信号采集装置可检测丝网印刷电极工作区域接触样品前后导致的电流信号变化，将信号送至检测仪的数据处理模块进行数据处理后，获取样品中的抗生素残留量的信息； 所述的纸过滤膜放置于丝网印刷电极表面，纸过滤膜是带有疏水区和亲水通道的微孔滤膜，将检测样品滴到纸过滤膜的检测分离区，牛奶样品脂肪、蛋白质等由于大于分离膜的孔径而不能透过分离膜，而小分子抗生素透过分离膜，通过通道的亲水吸力进入测试区，样品渗透到丝网印刷电极的工作表面，解决现有的抗生素残留检测仪需要进行样品前处理问题；所述的丝网印刷电极适配体传感器，其制备方法为：是在清洗活化后的丝网印刷电极表面分别先后修饰上制备的纳米金-壳聚糖、纳米碳纤维-纳米金复合物，然后在修饰好的电极上分别滴加二茂铁-适配体、适配体，得到检测抗生素的适配体传感器。
2.所述的丝网印刷电极的夹持装置，是一个类似于USB接口装置，可以将丝网印刷电极的三电极端口直接插入，并将三电极工作表面的电化学反应产生的电流信号传递给电信号采集装置；所述的电流信号采集与处理子模块，该子模块含有微处理器、I/V转换电路、信号放大电路、滤波电路和A/D转换电路，该子模块将接收到的检测信号经过I/V转换、信号放大、滤波和A/D转换处理后生成初始检测信息，初始检测信息被传输给显示与打印子模块和数据传输子模块；所述的显示与打印存储子模块，该子模块由触摸屏驱动电路、打印电路、存储器电路、存储器、液晶触摸屏和微型打印机组成，该子模块在接收到初始检测信息后，将初始检测信息通过存储器电路传输给存储器存储，通过打印电路传输给微型打印机打印，并通过液晶触摸屏显示；所述的电源子模块，采用9V锂电池和基于CW7805三端集成稳压器组成，为检测仪提供稳定的电源供给。
3.权利要求1所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于所述的丝网印刷电极适配体传感器制备方法如下：
1）纳米金/纳米金-壳聚糖复合物、纳米碳纤维(NCFs)、二茂铁(Fc)-适配体的制备；
2）清洗活化丝网印刷电极，得到预处理的丝网印刷电极；
3）将步骤1）制备得到的纳米金-壳聚糖复合物和纳米碳纤维/纳米金分别修饰到步骤2）预处理的丝网印刷电极上，得到修饰好的丝网印刷电极；
4) 将二茂铁-适配体、适配体分别滴加到步骤3）所得的修饰好的丝网印刷电极上，自然晾干后得到基于丝网印刷电极的基础适配体传感器；
5）优化步骤4）所得的基础适配体传感器的三种试验条件；
6）在步骤5）所得的最优条件下，对目标抗生素进行检测。
4.权利要求1所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，所述信号检测与处理子模块的微处理器，是STM32F103VET6微处理器。
5.权利要求1所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，所述液晶触摸屏，是3.5寸TFT液晶屏，为电容触摸屏，MCU接口，分辨率为320x480；所述微型打印机，是RD-E型微型打印机。
6.权利要求1所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，所述电源子模块，采用9V锂电池和基于CW7805三端集成稳压器组成，为检测仪提供稳定的电源供给。
7.权利要求1所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，所述无线数据输出模块，采用Zigbee将检测数据发送至农产品安全溯源物联网数据库。
8.权利要求1所述的一种基于物联网的掌上抗生素残留快速检测仪，其特征在于，该检测仪可用于检测适配体相对应的抗生素残留。
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