CN107421982B - 一种通用型量热式生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通用型量热式生物传感器，适用于柱状、珠状和球状形式热传感器，包括恒温进样绝热合流装置、热稳定微小反应器、小温差测量装置，并通过快速接头结合。多流路进样经恒温进样绝热合流装置恒温并合流，进入热稳定微小反应器内进行反应，经小温差测量装置进行测温，系统通用性强，适应多流路、多组份、复杂流程及工况调整的需要，灵活性高，热稳定性好，结构简单紧凑、模块化，适用性强，能够应用在酶分析、生化检测、环境监测以及生化、发酵等过程的在线监测，尤其适用于量热分析和现场测量。

Description

一种通用型量热式生物传感器

技术领域

本发明涉及一种通用型量热式生物传感器，能够应用在酶分析、生化检测、环境监测以及生化、发酵等过程的在线监测。

背景技术

生物化学技术的发展，要求对各种生化组分进行有效分析，像，酶分析，环境监测、在线测定反应过程中形成的或消耗的特定成分，发酵过程中也需要对原料和中间产物以及生成物质等的浓度连续测定用以控制过程的进行等。由于上述过程具有高度非线性和随机性，通过假设和实验得到的机理和控制模型的应用范围都是有限的，难以准确有效地描述整个过程的特性，需要研究开发用于生化过程的分析仪器。

结合流动注射分析系统的生物传感器已广泛应用于生化过程化学物质、生物物质的分析和检测。对于生化过程的现场检测和在线监测，由于是在线完成，样品往往不能进行复杂的予处理，通常会包含有其他物质，有的还有颜色。电化学传感器常常受到同底物中电化学活性物质的干扰，光度测量方法易受试剂本来存在的或在反应中形成的光学干扰物质的影响，二者应用到在线检测存在局限。比较而言，量热式生物传感器适用于绝大多数的生化反应，不受颜色、浑浊和电化学等样品属性的影响，尤其适合于检测未经处理的实际样品，通过结合酶等可以极大地提高量热法的特异性。

生化过程的分析常常涉及多个参数，并需同时监测，适应多组分同时测量和复杂流程的需要（富集、检测一体化量热式生物传感器，ZL 200910126677.9；基于可逆固定化酶的量热式生物传感器，ZL 200910126676.4），可以借助通用型量热式生物传感器结合多种流程变化来实现。

专利（酶热生物反应器装置，ZL 201120033726.7）提供了一种酶热生物反应器装置，至少存在以下技术缺陷：不能适应富集、检测一体化等复杂流程及工况调整的需要；仅采用固定化酶，存在局限；酶柱更换操作繁琐，系统干扰大；其主要的分流模式，由于压力、流动等复杂因素，较难获得流态、流量、浓度分布完全相同的测试和参比流路；仅设计了加热恒温，且恒温管路长，不宜控制流动注射分布浓度；结构相对复杂，不紧凑，固定化酶保存不便，不太适合现场和在线使用。

发明内容

本发明的目的是解决现有量热式生物传感器的技术缺陷，提供一种通用型量热式生物传感器，能够应用在酶分析、生化检测、环境监测以及生化、发酵等过程的在线监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种通用量热式生物传感器包括恒温进样绝热合流装置、热稳定微小反应器、小温差测量装置、绝热底座、绝热壳体、定位螺栓、紧固螺母，所述恒温进样绝热合流装置实现多流路进样的恒温以及绝热条件下的合流，所述热稳定微小反应器是保持热稳定性的微小反应器，所述小温差测量装置是采用柱状、珠状和球状热传感器的小温差测量装置，所述热稳定微小反应器放置在所述恒温进样绝热合流装置和所述小温差测量装置之间，分别依靠所述恒温进样绝热合流装置的半圆柱半锥体凸起插入所述热稳定反应器入口的封头和所述小温差测量装置的半圆柱半锥体凸起插入所述热稳定反应器出口的封头进行密闭结合，所述恒温进样绝热合流装置固定在绝热底座内，所述热稳定微小反应器周围布置有所述绝热壳体，所述定位螺栓固定在所述绝热底座上，穿过所述绝热壳体和所述小温差测量装置的定位孔，并由紧固螺母锁紧，多流路进样经所述恒温进样绝热合流装置的流入孔道恒温，经所述恒温进样绝热合流装置的流出孔道合流，经所述热稳定微小反应器入口进入所述热稳定微小反应器内进行反应，经所述热稳定微小反应器的出口流出，经所述小温差测量装置的流入孔道进入所述小温差测量装置进行测温，经所述小温差测量装置的流出孔道流出，通过设置孪生结构的所述恒温进样绝热合流装置、所述热稳定微小反应器和所述小温差测量装置分别作为测量和参比，组合为一组测量通道和参比通道，如同时成倍增加测量通道和参比通道，可实现多组通道的同时测量。

进一步地，所述恒温进样绝热合流装置由恒温体、热绝缘锥形旋塞和压盖组成，所述恒温体由高化学惰性的金属材料制成，所述恒温体通过外部加热/制冷装置进行控温并恒温，所述恒温体开有与所述热绝缘锥形旋塞配合的锥形塞孔，所述热绝缘锥形旋塞由高化学惰性的热绝缘材料制成，所述热绝缘锥形旋塞由压盖弹力压紧并保持在锥形塞孔内，所述锥形塞孔侧开有三路用于进样的水平流入孔道，所述热绝缘锥形旋塞开有与锥形塞孔的三路所述流入孔道配合的三路流入孔道，三路所述流入孔道的中心轴线均通过所述热绝缘锥形旋塞的轴心，三路所述流入孔道水平停止于热绝缘锥形旋塞轴心并沿轴向垂直向上延伸开孔，作为流出孔道，三路所述流入孔道的长度相同，且相邻所述流入孔道的水平夹角相同，通过旋转所述热绝缘锥形旋塞进行切换，所述恒温体的所述流入孔道与所述热绝缘锥形旋塞的所述流入孔道分别连通一路流入孔道、二路流入孔道和三路流入孔道，实现单流入单流出、双流入单流出和三流入单流出，进样流过恒温体的所述流入孔道时被恒温，然后流过所述热绝缘锥形旋塞的所述流入孔道并通过所述流出通道合流汇集流出。

进一步地，所述热稳定微小反应器，包括反应器外管、反应器内管、支撑圆环、封头和滤网，所述反应器外管和所述反应器内管为等长度、不同口径的管件，所述反应器外管与所述反应器内管的轴线重合并嵌套，所述反应器外管的内壁和所述反应器内管的外壁间存在空气间隙，所述支撑圆环的外缘与所述反应器外管外壁面平齐，所述支撑圆环的内缘与所述反应器内管内壁面平齐，所述支撑圆环一侧为平整表面，另一侧设有凸环，所述支撑圆环的凸环过盈嵌入所述反应器外管和所述反应器内管两端的空气间隙，所述封头沿轴线开孔作为所述热稳定微小反应器的出入口，所述封头内侧布置所述滤网，所述封头过盈嵌入所述反应器内管，所述反应器外管、反应器内管和支撑圆环均由高化学惰性的热惰性硬质材料制成，所述封头由高化学惰性的热惰性软质弹性材料制成。

进一步地，小温差测量装置由热传感器、热绝缘堵头、感温腔体、热绝缘密封螺栓、密封垫圈、压紧盖、支撑体、流入孔道和流出孔道组成，所述热传感器是柱状、珠状和球状形式的热传感器，优选为热敏电阻，所述热绝缘堵头是圆柱形，中心开孔为所述流入孔道，一端面布置有半圆柱半锥体的凸起，另一端开有螺纹孔，螺纹孔底部开有口径小于螺纹孔直径的所述感温腔体，所述感温腔体内布置热传感器，所述热绝缘紧固螺栓中心开孔为所述流出孔道，所述热绝缘紧固螺栓与所述热绝缘堵头的螺纹孔配合，通过压紧所述密封垫圈密闭所述感温腔体，所述压紧盖中心开有通孔，通孔的口径大于所述热绝缘紧固螺栓外径且小于热绝缘堵头外径，所述压紧盖套在所述热绝缘紧固螺栓上，所述压紧盖与所述支撑体螺纹配合，可旋紧螺纹推动所述热绝缘堵头向所述热绝缘堵头的凸起端面方向移动位置，压紧热稳定微小反应器，所述热绝缘堵头和所述热绝缘紧固螺栓均由高化学惰性的热绝缘材料制成。

本发明的有益效果是，通用性强，可采用固定化酶，液态酶等，适应富集、检测一体化等多流路、多组份、复杂流程及工况调整的需要；灵活性高，可以实现单流入单流出、双流入单流出和三流入单流出变化，不同大小、规格的反应器方便更换调整；与分流模式不同，孪生平行流模式较易获得流态、流量、浓度分布完全相同的测试和参比流路；设计了加热/制冷恒温，除工作进行控温外，可以在测试间隙采用制冷保护生物活性待测；热稳定性好，适应量热分析；系统结构简单紧凑、模块化，反应器更换方便、适用性强，尤其适用于现场测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是通用型量热式生物传感器结构示意图。

其中： 1、恒温进样绝热合流装置，2、热稳定微小反应器，3、小温差测量装置，4、绝热底座，5、绝热壳体，6、定位螺栓，7、紧固螺母，8、半导体制冷/加热器件，9、换热器，10、风扇。

图2是恒温进样绝热合流装置的结构示意图。

图3是热绝缘锥形旋塞的结构示意图。

其中：101、恒温体，102、热绝缘锥形旋塞，103、锥形塞孔，104、压盖，105、流入孔道，105’、流入孔道，106、流出孔道。

图4是单流入单流出、双流入单流出和三流入单流出的原理示意图。

图5是热稳定微小反应器的结构示意图。

其中：201、反应器外管，202、反应器内管，203、支撑圆环，204、封头，205、滤网。

图6是小温差测量装置的结构示意图。

其中：301、热传感器，302、热绝缘堵头，303、感温腔体，304、热绝缘密封螺栓，305、密封垫圈，306、压紧盖，307、支撑体，308、流入孔道，309、流出孔道。

具体实施方式

本发明结合籍由以下结合的实施例来说明本发明之内容，而非限制本发明之范围。

如图1所示， 一种通用量热式生物传感器包括恒温进样绝热合流装置1、热稳定微小反应器2、小温差测量装置3、绝热底座4、绝热壳体5、定位螺栓6、紧固螺母7、半导体制冷/加热器件8、换热器9和风扇10，恒温进样绝热合流装置1实现多流路进样的恒温以及绝热条件下的合流，热稳定微小反应器2是保持热稳定性的微小反应器，小温差测量装置3是采用柱状、珠状和球状热传感器的小温差测量装置，热稳定微小反应器2放置在恒温进样绝热合流装置1和小温差测量装置3之间，分别依靠恒温进样绝热合流装置1的半圆柱半锥体凸起插入热稳定反应器入口的封头和小温差测量装置3的半圆柱半锥体凸起插入热稳定反应器2出口的封头进行密闭结合，恒温进样绝热合流装置1固定在绝热底座4内，恒温进样绝热合流装置1的底部设置半导体制冷/加热器件8、换热器9和风扇10进行控温，绝热底座4的底裙部分开孔或部分切除，用于换热器与环境间的良好换热，保证半导体制冷/加热器件8正常工作。热稳定微小反应器3周围布置有绝热壳体5，定位螺栓6固定在绝热底座4上，穿过绝热壳体5和小温差测量装置3的定位孔，并由紧固螺母7锁紧，多流路进样经恒温进样绝热合流装置1的流入孔道恒温，经恒温进样绝热合流装置1的流出孔道合流，经热稳定微小反应器2入口进入热稳定微小反应器2内进行反应，经热稳定微小反应器2的出口流出，经小温差测量装置3的流入孔道进入小温差测量装置3进行测温，经小温差测量装置3的流出孔道流出，通过设置孪生结构的恒温进样绝热合流装置1、热稳定微小反应器2和小温差测量装置3分别作为测量和参比，其中小温差测量装置3的孪生热传感器的信号输出按照差分输出方式串接，组合为一组测量通道和参比通道，如同时成倍增加测量通道和参比通道，可实现多组通道的同时测量。

如图2和图3所示，恒温进样绝热合流装置1由恒温体101、热绝缘锥形旋塞102和压盖104组成，恒温体101为多边形不锈钢金属块，恒温体101的底部通过半导体加热/制冷装置进行控温并恒温，恒温体101开有与热绝缘锥形旋塞102配合的锥形塞孔103，热绝缘锥形旋塞102由压盖104依靠弹簧弹力压紧并保持在锥形塞孔103内，热绝缘锥形旋塞102上部布置有半圆柱半锥体的凸起，用于插入微小反应器入口的封头，保证流道密闭。锥形塞孔103侧开有三路用于进样的流入孔道105，热绝缘锥形旋塞102开有与锥形塞孔103的三路流入孔道105配合的三路流入孔道105’，三路流入孔道105’的中心轴线均通过热绝缘锥形旋塞102的轴心，三路流入孔道105’的长度相同，且相邻流入孔道105’水平夹角为45°，三路流入孔道105’水平停止于热绝缘锥形旋塞102轴心并沿轴向垂直向上延伸开孔，作为流出孔道106。热绝缘锥形旋塞102和压盖104均由聚四氟乙烯（亲水化改性）材料制成。如图4所示，热绝缘锥形旋塞102逆时针分别旋转角度45°和90°，恒温体101的三路流入孔道105与热绝缘锥形旋塞102的三路流入孔道105’连通一路流入孔道、二路流入孔道和三路流入孔道，实现三流入单流出（图4a）、双流入单流出（图4b）和单流入单流出（图4c），进样流过恒温体1的流入孔道105时被恒温，然后流过热绝缘锥形旋塞102的三路流入孔道105’并通过流出通道106合流汇集流出。热绝缘锥形旋塞102顺时针旋转也可实现上述功能，原理一致。

如图5所示，热稳定微小反应器2包括反应器外管201、反应器内管202、支撑圆环203、封头204、滤网205和密封塞206，反应器外管201和反应器内管202为等长度、不同口径的硬质塑料管，其壁厚约为1mm，反应器外管201与反应器内管202的轴线重合并嵌套，反应器外管201的内壁和反应器内管202的外壁间存在空气间隙，空气间隙约为1mm，支撑圆环203为硬质塑料材料制成的圆环，支撑圆环203的外缘与反应器外管201的外壁面平齐，支撑圆环203的内缘与反应器内管202的内壁面平齐，支撑圆环203设有高度约2mm高的凸环，支撑圆环203的凸环过盈嵌入反应器外管201和反应器内管202两端的空气间隙，封头204由弹性橡胶材料制成，封头204沿轴线开孔作为微小反应器的出入口，封头204嵌入反应器内管202，反应器内管202内部封头204的内侧布置滤网205。

如图6所示，小温差测量装置3由热传感器301、热绝缘堵头302、感温腔体303、热绝缘密封螺栓304、密封垫圈305、压紧盖306、支撑体307、流入孔道308和流出孔道309组成，热传感器301选用珠状热敏电阻，圆柱形热绝缘堵头302中心开孔为流入孔道308，圆柱形热绝缘堵头302底部端面布置有半圆柱半锥体凸起，上端面开有螺纹孔，螺纹孔底部开口径有小于螺纹孔直径的圆柱形感温腔体303，感温腔体303的容积为1.0 ml，热传感器301布置在感温腔体303内部，测量时沉浸在反应液中，热绝缘紧固螺栓304与热绝缘堵头302的螺纹孔配合，旋紧后压紧密封垫圈305实现感温腔体303密闭，热绝缘紧固螺栓304中心开孔为流出孔道309，压紧盖306中心开有通孔，通孔的内径大小界于热绝缘紧固螺栓304外径和热绝缘堵头302外径之间，压紧盖306套在热绝缘紧固螺栓304上，压紧盖306与支撑体307螺纹配合，可旋紧螺纹推动热绝缘堵头302向热绝缘堵头302的底部端面方向移动位置，压紧热稳定微小反应器2，反之亦然。热绝缘堵头302和热绝缘紧固螺栓304均由聚四氟乙烯（亲水化改性）制成。

本发明提出的一种通用型量热式生物传感器可作为富集、检测一体化量热式生物传感器流程用于检测重金属，具体流程和检测方法参见文献（新型多功能量热式生物传感器系统研究与开发，仪器仪表学报，2011:32(12), 45-51），由本发明和缓冲液、试样、蠕动泵等组成流动注射系统，实现富集、检测一体化的检测流程，热稳定微小反应器2内部充满40目的113树脂，并通过结合本发明的半圆柱半锥体凸起引入系统流路，周围放置绝热壳体5，并旋紧定位螺栓6上的紧固螺母7，然后按照流程进行测试，小温差测量装置3输出的热信号由微机的检测处理程序完成，最后打印样品的量。

Claims (1)

1.一种通用型量热式生物传感器，包括恒温进样绝热合流装置（1）、热稳定微小反应器（2）、小温差测量装置（3）、绝热底座（4）、绝热壳体（5）、定位螺栓（6）和紧固螺母（7），其特征在于：

所述热稳定微小反应器（2）放置在所述恒温进样绝热合流装置（1）和所述小温差测量装置（3）之间，分别依靠所述恒温进样绝热合流装置（1）的半圆柱半锥体凸起插入所述热稳定反应器（2）入口的封头和所述小温差测量装置（3）的半圆柱半锥体凸起插入所述热稳定反应器（2）出口的封头进行密闭结合，所述定位螺栓（6）固定在所述绝热底座（4）上，穿过所述绝热壳体（5）和所述小温差测量装置（3）的定位孔，并由紧固螺母（7）锁紧，所述恒温进样绝热合流装置（1）固定在绝热底座（4）内，所述热稳定微小反应器（2）周围布置有所述绝热壳体（5），通过设置孪生结构的所述恒温进样绝热合流装置（1）、所述热稳定微小反应器（2）和所述小温差测量装置（3）分别作为测量和参比，组合为一组测量通道和参比通道，同时成倍增加测量通道和参比通道，实现多组通道的同时测量；

所述恒温进样绝热合流装置（1）由恒温体（101）、热绝缘锥形旋塞（102）和压盖（104）组成，所述恒温体（101）开有与所述热绝缘锥形旋塞（102）配合的锥形塞孔（103），所述热绝缘锥形旋塞（102）由压盖（104）弹力压紧并保持在锥形塞孔（103）内，所述锥形塞孔（103）侧开有三路用于进样的水平流入孔道（105），所述热绝缘锥形旋塞（102）开有与锥形塞孔（103）的三路所述流入孔道（105）配合的三路流入孔道（105’），三路所述流入孔道（105’）的中心轴线均通过所述热绝缘锥形旋塞（102）的轴心，三路所述流入孔道（105’）水平停止于热绝缘锥形旋塞（102）轴心并沿轴向垂直向上延伸开孔，作为流出孔道（106），三路所述流入孔道（105’）的长度相同，且相邻所述流入孔道（105’）的水平夹角相同，通过旋转所述热绝缘锥形旋塞（102）进行切换，所述恒温体（101）的所述流入孔道（105）与所述热绝缘锥形旋塞的所述流入孔道（105’）分别连通一路流入孔道、二路流入孔道和三路流入孔道，实现单流入单流出、双流入单流出和三流入单流出；

所述热稳定微小反应器（2），包括反应器外管（201）、反应器内管（202）、支撑圆环（203）、封头（204）和滤网（205），所述反应器外管（201）和所述反应器内管（202）为等长度、不同口径的管件，所述反应器外管（201）与所述反应器内管（202）的轴线重合并嵌套，所述反应器外管（201）的内壁和所述反应器内管（202）的外壁间存在空气间隙，所述支撑圆环（203）的外缘与所述反应器外管（201）外壁面平齐，所述支撑圆环（203）的内缘与所述反应器内管（202）内壁面平齐，所述支撑圆环（203）一侧为平整表面，另一侧设有凸环，所述支撑圆环（203）的凸环过盈嵌入所述反应器外管（201）和所述反应器内管（202）两端的空气间隙，所述封头（204）沿轴线开孔作为所述热稳定微小反应器（2）的进出口，所述封头（204）内侧布置所述滤网（205），所述封头（204）过盈嵌入所述反应器内管（202），所述反应器外管（201）、反应器内管（202）、支撑圆环（203）和密封塞（206）均由高化学惰性的热惰性硬质塑料制成，所述封头（204）由高化学惰性的热惰性软质弹性橡胶制成；

所述小温差测量装置（3）由热传感器（301）、热绝缘堵头（302）、感温腔体（303）、热绝缘密封螺栓（304）、密封垫圈（305）、压紧盖（306）、支撑体（307）、流入孔道（308）和流出孔道（309）组成，所述热传感器（301）是柱状、珠状或球状形式的热传感器，所述热绝缘堵头（302）是圆柱形，中心开孔为所述流入孔道（308），一端面布置有半圆柱半锥体的凸起，另一端开有螺纹孔，螺纹孔底部开有口径小于螺纹孔直径的所述感温腔体（303），所述感温腔体（303）内布置所述热传感器（301），所述热绝缘紧固螺栓（304）中心开孔为所述流出孔道（309），所述热绝缘紧固螺栓（304）与所述热绝缘堵头（302）的螺纹孔配合，通过压紧所述密封垫圈（305）密闭所述感温腔体（303），所述压紧盖（306）中心开有口径大于热绝缘紧固螺栓（304）外径且小于所述热绝缘堵头（302）外径的通孔，所述压紧盖（306）套在所述热绝缘紧固螺栓（304）上，所述压紧盖（306）与所述支撑体（307）螺纹配合，可旋紧螺纹推动所述热绝缘堵头（302）向所述热绝缘堵头（302）的凸起端面方向移动位置，压紧热稳定微小反应器（2）。