CN109884298B - 一种滚筒式液体中病菌含量检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种滚筒式液体中病菌含量检测装置及其检测方法，属于磁致伸缩检测装置及检测方法技术领域，解决待测液体中病菌含量的快速检测的技术问题，解决方案为：本检测装置包括壳体，托盘设置于壳体的底部，壳体的上端面可拆卸地设置有端盖，升降电机设置于端盖的上端面上，托盘的上方固定安装有套筒，套筒内侧壁的中部安装有套管，亥姆霍兹线圈安装于套筒内侧壁上并位于套管的两端端面处。本发通过调节可调恒（交）流源，提供交变电流和直流偏置，通过调节恒流大小及交流频率，调节磁致伸缩体的频率及振幅，通过材料本身的物理特性与生物学知识的结合，采用套筒旋转增大传感器和待测液体中病菌特异性结合效率，快速实现待测液体中病菌的定量检测。

Description

一种滚筒式液体中病菌含量检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于磁致伸缩检测装置及检测方法技术领域，具体涉及的是一种滚筒式液体中病菌含量检测装置及其检测方法。

背景技术

食品安全是全球共同关注的公共卫生问题之一，事关人民群众身体健康和生命安全。据有关食品安全起因的调查结果显示，食源性疾病引发的食品安全问题是全世界当前首要的食品安全问题。世界卫生组织估计，全球每年发生食源性疾病病例高达40-60亿，且呈逐年上升趋势，其中约300万个5岁以下儿童死亡。在我国，平均每年有2亿多人次罹患食源性疾病，即平均6.5人中就有1人罹患食源性疾病。根据中国疾病预防控制中心的统计报告表明，在食源性疾病中，95%以上是致病菌引起的，其发病率居各类疾病总发病率的前列。阻止被病菌污染的食品进入人类食物链的一个有效的途径就是在最初的控制点进行监测。在此背景下，研发高灵敏、快速、原位病菌检测技术，是食品安全防护迫切需要解决的问题。

传统检测致病菌的方法主要依赖于特异性的微生物和生化鉴定，由于其较高的稳定性被广泛用于医院和生物实验室。但是，传统检测技术操作过程复杂、费时，需要具有一定专业知识的技术人员才能完成操作，无法满足便携、快速、原位检测的现实需求。近年来，由于无线、无源、灵敏度高、操作简单、原位检测等优势，磁致伸缩生物传感器病菌检测技术吸引了广大研究者的广泛关注。

在现有技术中，采用各种手段均为了增大传感器和待测液体中病菌特异性结合效率的目的，从而提高检测的精确程度，但是其装置结构复杂，技术方案繁琐，传感器在待测液体中移动过程缓慢，测试时间长，不利于快速精确检测。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，快速准确地确认水资源及其他液体副产品，如湖泊、河流、井水、自来水、牛奶、果汁等是否有病菌造成污染，解决恒定待测液中病菌含量快速检测的技术问题，旨在提供方便、快速、准确的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置及其检测方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，它包括亥姆霍兹线圈、升降电机、旋转电机、壳体和托盘，其中：

所述托盘的上方固定安装有套筒，套筒侧壁的底部设置有排水孔，套筒内侧壁的中部安装有套管，所述亥姆霍兹线圈安装于套筒内侧壁上并位于套管的两端端面处，套管的内侧壁上设置有用于增大液体流动的若干凸起，套管与凸起的材质均为磁致伸缩材料，套管与凸起的表面上溅射铬元素层，铬元素层的外侧面上溅射金元素层，金元素层的外侧面上固定有抗体层；

所述壳体为空心桶体，所述托盘设置于壳体的底部，所述旋转电机设置于壳体的下方，旋转电机的转子贯穿壳体的底面与托盘固定连接，旋转电机驱动托盘正负180°周期性转动；所述壳体的上端面可拆卸地设置有端盖，所述升降电机设置于端盖的上端面上，升降杆的一端安装于升降电机上，升降杆的另一端贯穿端盖延伸至套管中，升降杆的下端部固定安装有喷头，端盖的下端面上设置有用于存放喷头的凹槽，升降电机通过升降杆驱动喷头沿竖直方向往复运动；所述壳体内壁的中部设置有用于卡装套筒的台阶孔，壳体的侧壁中设置有用于加热的电阻丝；所述壳体侧壁下部与排水孔位置对应处设置有排水通道，贯穿排水孔和排水通道设置有顶杆，顶杆的外侧端部延伸至壳体的外部，顶杆的内侧端部安装有塞体；

所述壳体的外侧壁上还安装有电气控制箱，电气控制箱中安装有示波器、交流电源和直流电源，示波器通过信号线与套管的两个端面电性连接，交流电源分别与亥姆霍兹线圈的外圈和旋转电机电性连接，直流电源分别与亥姆霍兹线圈的内圈、电阻丝和升降电机电性连接，壳体和套筒的侧壁上设置有用于安装电器元件连接线的线槽。

进一步地，所述端盖与壳体的内壁螺纹连接，端盖的下端面上还设置有用于卡装套筒的台阶端面。

进一步地，所述升降电机设置于端盖上端面的心部。

进一步地，所述升降杆为空心管体，升降杆中安装有用于给喷头供液的管道。

进一步地，所述套管的磁致伸缩系数大于20ppm(10^-6)，套管内壁与铬元素层之间还涂覆有材质为铜或铝的保护层，所述铬元素层和金元素层的厚度均为60~150nm。

进一步地，所述旋转电机的转子与壳体接触面之间设置有轴承。

一种滚筒式液体中病菌含量检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、在磁致伸缩材质套管的内壁上溅射铬元素层，再在铬元素层的外侧面上溅射金元素层，然后将若干种能够与待测液体中病菌携带的抗原发生特异性结合的抗体种植于金元素层的外侧面上，形成抗体层，将种植有抗体层的套管放置于培养液中，保持抗体层的生物活性留待后步使用；

S2、将步骤S1中种植有抗体层的套管安装于套筒中，将套筒安装在托盘上，将套筒和托盘一起安装在壳体中；直流电源与亥姆霍兹线圈的内圈导通，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；交流电源与亥姆霍兹线圈的外圈导通，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场，通过示波器检测套管的固有频率并记录，然后断开直流电源、交流电源与亥姆霍兹线圈；

S3、直流电源与电阻丝连通，调节电阻丝的加热温度为25~40℃，操作顶杆将塞体从套筒中抽离至壳体中，向套筒内添加待测液体，然后将端盖安装在壳体的上端面上，并使喷头回收至用于存放喷头的凹槽中；

S4、旋转电机启动，旋转电机驱动托盘带动套筒正负180°周期性转动，待测液体中病菌携带的抗原与抗体层上的抗体发生特异性结合，待测液体中的病菌吸附在抗体层上，套管的重量增加；

S5、操作顶杆将塞体从壳体中推动至套筒内部，套筒中的待测液由排液孔和排水通道排放至壳体外部；直流电源与电阻丝断开，升降电机驱动升降杆下降，喷头喷出清洗液对套管内壁和凸起进行清洗，将抗体层上残留的未发生特异性结合的病菌和杂物清洗；升降杆下降至套筒的底部后，升降电机反向转动驱动升降杆上升至所述凹槽中，再次对抗体层上残留的未发生特异性结合的病菌和杂物进行清洗，两次清洗后的液体均由排液孔和排水通道排放至壳体外部；

S6、直流电源与亥姆霍兹线圈的内圈再次导通，交流电源与亥姆霍兹线圈的外圈再次导通，同样条件下通过示波器再次检测套管的振幅和谐振频率并记录，通过套管振幅和固有频率的变化定量获得待测液体中病菌的含量；

S7、断开直流电源、交流电源与亥姆霍兹线圈，取下端盖，分别取出套筒与套管，清除金元素层外的抗体层，留待下一次在金元素层外再次种植能够与待测液体中病菌携带的抗原发生特异性结合的抗体层。

进一步地，在所述步骤S2中，套管的中部与套筒的内壁铆接。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

本发明提供的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置及其检测方法，通过调节可调恒（交）流源，提供交变电流和直流偏置，通过调节恒流大小及交流频率，调节磁致伸缩体的频率及振幅，充分利用了亥姆霍兹线圈内磁致伸缩材料固有频率变化的特点，通过材料本身的物理特性与生物学知识的结合，采用套筒旋转增大传感器和待测液体中病菌特异性结合效率，快速实现待测液体中病菌的定量检测。

附图说明

图1为未添加待测液体时省略端盖的主视剖视结构示意图。

图2为图1中A位置处的局部放大结构示意图。

图3为待测液体中病菌含量检测过程的主视剖视结构示意图。

图4为待测液体中病菌与抗体层特异性结合后喷头清洗过程中的主视剖视结构示意图。

图中，1为旋转电机，2为壳体，3为托盘，4为套筒，5为亥姆霍兹线圈，6为电气控制箱，7为套管，8为端盖，9为喷头，10为升降电机，11为升降杆，12为凸起，13为排水通道，14为顶杆，15为铬元素层，16为金元素层，17为抗体层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图4所示的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，它包括亥姆霍兹线圈5、升降电机10、旋转电机1、壳体2和托盘3，其中：

所述托盘3的上方固定安装有套筒4，套筒4侧壁的底部设置有排水孔，套筒4内侧壁的中部安装有套管7，所述亥姆霍兹线圈5安装于套筒4内侧壁上并位于套管7的两端端面处，套管7的内侧壁上设置有用于增大液体流动的若干凸起12，套管7与凸起12的材质均为磁致伸缩材料，套管7与凸起12的表面上溅射铬元素层15，铬元素层15的外侧面上溅射金元素层16，金元素层16的外侧面上固定有抗体层17；

所述壳体2为空心桶体，所述托盘3设置于壳体2的底部，所述旋转电机1设置于壳体2的下方，旋转电机1的转子贯穿壳体2的底面与托盘3固定连接，旋转电机1驱动托盘3正负180°周期性转动；所述壳体2的上端面可拆卸地设置有端盖8，所述升降电机10设置于端盖8的上端面上，升降杆11的一端安装于升降电机10上，升降杆11的另一端贯穿端盖8延伸至套管7中，升降杆11的下端部固定安装有喷头9，端盖8的下端面上设置有用于存放喷头9的凹槽，升降电机10通过升降杆11驱动喷头9沿竖直方向往复运动；所述壳体2内壁的中部设置有用于卡装套筒的台阶孔，壳体2的侧壁中设置有用于加热的电阻丝；所述壳体2侧壁下部与排水孔位置对应处设置有排水通道13，贯穿排水孔和排水通道13设置有顶杆14，顶杆14的外侧端部延伸至壳体2的外部，顶杆14的内侧端部安装有塞体；

所述壳体2的外侧壁上还安装有电气控制箱6，电气控制箱6中安装有示波器、交流电源和直流电源，示波器通过信号线与套管7的两个端面电性连接，交流电源分别与亥姆霍兹线圈5的外圈和旋转电机1电性连接，直流电源分别与亥姆霍兹线圈5的内圈、电阻丝和升降电机10电性连接，壳体2和套筒4的侧壁上设置有用于安装电器元件连接线的线槽。

进一步地，所述端盖8与壳体2的内壁螺纹连接，端盖8的下端面上还设置有用于卡装套筒4的台阶端面。

进一步地，所述升降电机10设置于端盖上端面的心部。

进一步地，所述升降杆11为空心管体，升降杆11中安装有用于给喷头9供液的管道。

进一步地，所述套管7的磁致伸缩系数大于20ppm(10^-6)，套管7内壁与铬元素层15之间还涂覆有材质为铜或铝的保护层，所述铬元素层15和金元素层16的厚度均为60~150nm。

进一步地，所述旋转电机1的转子与壳体2接触面之间设置有轴承。

一种滚筒式液体中病菌含量检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、在磁致伸缩材质套管7的内壁上溅射铬元素层15，再在铬元素层15的外侧面上溅射金元素层16，然后将若干种能够与待测液体中病菌携带的抗原发生特异性结合的抗体种植于金元素层16的外侧面上，形成抗体层17，将种植有抗体层17的套管7放置于培养液中，保持抗体层17的生物活性留待后步使用；为提高套管7和凸起12表面的耐蚀性和生物活性，采用美国 Moorestown，NJ公司生产的高真空RF喷溅系统，在套管7和凸起12的表面上溅射厚度100nm的铬元素层15，同理在铬元素层15的外侧面上溅射厚度100nm的金元素层16，在金元素层16的外侧面上采用Langmuir Blodgett技术将抗体单分子层固定在金元素层16的表面上，形成抗体层17；铬元素层15可以提高磁致伸缩材质的套管7和凸起12的耐蚀性，避免测试液体对套管7和凸起12造成的腐蚀作用；金元素层16提高了抗体层17的固定活性，使得抗体更容易固定在金元素层16的表面上；

S2、将步骤S1中种植有抗体层17的套管7安装于套筒4中，将套筒4安装在托盘3上，将套筒4和托盘3一起安装在壳体2中；直流电源与亥姆霍兹线圈5的内圈导通，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；交流电源与亥姆霍兹线圈5的外圈导通，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场，通过示波器检测套管7的固有频率并记录，然后断开直流电源、交流电源与亥姆霍兹线圈5；

S3、直流电源与电阻丝连通，调节电阻丝的加热温度为25~40℃，使抗体与抗原的特异性结合环境温度最佳，即抗体与抗原的生物活性最强；操作顶杆14将塞体从套筒4中抽离至壳体2中，向套筒4内添加待测液体，然后将端盖8安装在壳体2的上端面上，并使喷头9回收至用于存放喷头9的凹槽中；

S4、旋转电机1启动，旋转电机1驱动托盘3带动套筒4正负180°周期性转动，待测液体中病菌携带的抗原与抗体层17上的抗体发生特异性结合，待测液体中的病菌吸附在抗体层17上，套管7的重量增加；

S5、操作顶杆14将塞体从壳体2中推动至套筒4内部，套筒4中的待测液由排液孔和排水通道13排放至壳体2外部；直流电源与电阻丝断开，升降电机10驱动升降杆11下降，喷头9喷出清洗液对套管7内壁和凸起12进行清洗，将抗体层17上残留的未发生特异性结合的病菌和杂物清洗；升降杆11下降至套筒4的底部后，升降电机10反向转动驱动升降杆11上升至所述凹槽中，再次对抗体层17上残留的未发生特异性结合的病菌和杂物进行清洗，两次清洗后的液体均由排液孔和排水通道13排放至壳体2外部；

S6、直流电源与亥姆霍兹线圈5的内圈再次导通，交流电源与亥姆霍兹线圈5的外圈再次导通，同样条件下通过示波器再次检测套管7的振幅和谐振频率并记录，通过套管7振幅和固有频率的变化定量获得待测液体中病菌的含量；

S7、断开直流电源、交流电源与亥姆霍兹线圈5，取下端盖8，分别取出套筒4与套管7，清除金元素层16外的抗体层17，留待下一次在金元素层16外再次种植能够与待测液体中病菌携带的抗原发生特异性结合的抗体层17。

进一步地，在所述步骤S2中，套管7的中部与套筒4的内壁铆接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，它包括亥姆霍兹线圈（5）、升降电机（10）、旋转电机（1）、壳体（2）和托盘（3），其特征在于：

所述托盘（3）的上方固定安装有套筒（4），套筒（4）侧壁的底部设置有排水孔，套筒（4）内侧壁的中部安装有套管（7），所述亥姆霍兹线圈（5）安装于套筒（4）内侧壁上并位于套管（7）的两端端面处，套管（7）的内侧壁上设置有用于增大液体流动的若干凸起（12），套管（7）与凸起（12）的材质均为磁致伸缩材料，套管（7）与凸起（12）的表面上溅射铬元素层（15），铬元素层（15）的外侧面上溅射金元素层（16），金元素层（16）的外侧面上固定有抗体层（17）；

所述壳体（2）为空心桶体，所述托盘（3）设置于壳体（2）的底部，所述旋转电机（1）设置于壳体（2）的下方，旋转电机（1）的转子贯穿壳体（2）的底面与托盘（3）固定连接，旋转电机（1）驱动托盘（3）正负180°周期性转动；所述壳体（2）的上端面可拆卸地设置有端盖（8），所述升降电机（10）设置于端盖（8）的上端面上，升降杆（11）的一端安装于升降电机（10）上，升降杆（11）的另一端贯穿端盖（8）延伸至套管（7）中，升降杆（11）的下端部固定安装有喷头（9），端盖（8）的下端面上设置有用于存放喷头（9）的凹槽，升降电机（10）通过升降杆（11）驱动喷头（9）沿竖直方向往复运动；所述壳体（2）内壁的中部设置有用于卡装套筒的台阶孔，壳体（2）的侧壁中设置有用于加热的电阻丝；所述壳体（2）侧壁下部与排水孔位置对应处设置有排水通道（13），贯穿排水孔和排水通道（13）设置有顶杆（14），顶杆（14）的外侧端部延伸至壳体（2）的外部，顶杆（14）的内侧端部安装有塞体；

所述壳体（2）的外侧壁上还安装有电气控制箱（6），电气控制箱（6）中安装有示波器、交流电源和直流电源，示波器通过信号线与套管（7）的两个端面电性连接，交流电源分别与亥姆霍兹线圈（5）的外圈和旋转电机（1）电性连接，直流电源分别与亥姆霍兹线圈（5）的内圈、电阻丝和升降电机（10）电性连接，壳体（2）和套筒（4）的侧壁上设置有用于安装电器元件连接线的线槽。

2.根据权利要求1所述的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，其特征在于：所述端盖（8）与壳体（2）的内壁螺纹连接，端盖（8）的下端面上还设置有用于卡装套筒（4）的台阶端面。

3.根据权利要求1所述的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，其特征在于：所述升降电机（10）设置于端盖上端面的心部。

4.根据权利要求1所述的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，其特征在于：所述升降杆（11）为空心管体，升降杆（11）中安装有用于给喷头（9）供液的管道。

5.根据权利要求1所述的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，其特征在于：所述套管（7）的磁致伸缩系数大于20ppm(10^-6)，套管（7）内壁与铬元素层（15）之间还涂覆有材质为铜或铝的保护层，所述铬元素层（15）和金元素层（16）的厚度均为60~150nm。

6.根据权利要求1所述的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置，其特征在于：所述旋转电机（1）的转子与壳体（2）接触面之间设置有轴承。

7.一种如权利要求1所述的滚筒式液体中病菌含量检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、在磁致伸缩材质套管（7）的内壁上溅射铬元素层（15），再在铬元素层（15）的外侧面上溅射金元素层（16），然后将若干种能够与待测液体中病菌携带的抗原发生特异性结合的抗体种植于金元素层（16）的外侧面上，形成抗体层（17），将种植有抗体层（17）的套管（7）放置于培养液中，保持抗体层（17）的生物活性留待后步使用；

S2、将步骤S1中种植有抗体层（17）的套管（7）安装于套筒（4）中，将套筒（4）安装在托盘（3）上，将套筒（4）和托盘（3）一起安装在壳体（2）中；直流电源与亥姆霍兹线圈（5）的内圈导通，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；交流电源与亥姆霍兹线圈（5）的外圈导通，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场，通过示波器检测套管（7）的固有频率并记录，然后断开直流电源、交流电源与亥姆霍兹线圈（5）；

S3、直流电源与电阻丝连通，调节电阻丝的加热温度为25~40℃，操作顶杆（14）将塞体从套筒（4）中抽离至壳体（2）中，向套筒（4）内添加待测液体，然后将端盖（8）安装在壳体（2）的上端面上，并使喷头（9）回收至用于存放喷头（9）的凹槽中；

S4、旋转电机（1）启动，旋转电机（1）驱动托盘（3）带动套筒（4）正负180°周期性转动，待测液体中病菌携带的抗原与抗体层（17）上的抗体发生特异性结合，待测液体中的病菌吸附在抗体层（17）上，套管（7）的重量增加；

S5、操作顶杆（14）将塞体从壳体（2）中推动至套筒（4）内部，套筒（4）中的待测液由排液孔和排水通道（13）排放至壳体（2）外部；直流电源与电阻丝断开，升降电机（10）驱动升降杆（11）下降，喷头（9）喷出清洗液对套管（7）内壁和凸起（12）进行清洗，将抗体层（17）上残留的未发生特异性结合的病菌和杂物清洗；升降杆（11）下降至套筒（4）的底部后，升降电机（10）反向转动驱动升降杆（11）上升至所述凹槽中，再次对抗体层（17）上残留的未发生特异性结合的病菌和杂物进行清洗，两次清洗后的液体均由排液孔和排水通道（13）排放至壳体（2）外部；

S6、直流电源与亥姆霍兹线圈（5）的内圈再次导通，交流电源与亥姆霍兹线圈（5）的外圈再次导通，同样条件下通过示波器再次检测套管（7）的振幅和谐振频率并记录，通过套管（7）振幅和固有频率的变化定量获得待测液体中病菌的含量；

S7、断开直流电源、交流电源与亥姆霍兹线圈（5），取下端盖（8），分别取出套筒（4）与套管（7），清除金元素层（16）外的抗体层（17），留待下一次在金元素层（16）外再次种植能够与待测液体中病菌携带的抗原发生特异性结合的抗体层（17）。

8.根据权利要求7所述的一种滚筒式液体中病菌含量检测装置的检测方法，其特征在于：在所述步骤S2中，套管（7）的中部与套筒（4）的内壁铆接。

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