CN110346428A - 实时原位检测抗生素的微传感器检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时原位检测抗生素的微传感器检测系统及其检测方法，包含箱体、三维位移控制台、信号采集模块、信息处理模块、无线通信模块、显示界面、电源模块、移动终端设备等模块。移动终端设备通过无线通信模块与检测系统通信连接，用户可以在移动终端设备上调整工作参数实现对检测系统的控制，并能接收检测系统的分析数据与报告，让系统的操作更加人性化，从而减少了体积。系统采用电化学方法进行检测，利用微传感器的传质速率快、检出限低、体积小，磁性分子印迹聚合物的特异性识别抗生素等特点，实现对抗生素实时地检测，可以应用于科学研究、食品安全、农业环保等多个领域的检测分析。

Description

实时原位检测抗生素的微传感器检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于抗生素检测分析技术领域，涉及一种实时原位检测抗生素的微传感器检测系统及其检测方法。

背景技术

自1928年弗莱明发现第一种天然抗生素——青霉素，各种抗生素(天然和合成)已经帮助人类消除了包括结核病和炭疽在内的各种重大疾病，并且仍然在医学领域发挥着重要作用。同时，抗生素还广泛且有效地用作兽药或食品添加剂，以提高牲畜和水产品的产量。当前，抗生素已经被大量使用并在生态系统中释放了几十年，抗生素对生态系统和人类健康的负面影响和风险受到越来越多的关注，并成为全球科研人员热门的研究课题。

科研人员发现，抗生素通过生活、农业和工业废水进入到生态系统中，并通过生活用水与食物链在人体内富集，直接或间接地危害人类健康风险。目前，科研人员已在肉类、牛奶、蜂蜜、水果等食品中发现多种抗生素的残留。除了滥用抗生素带来的化学污染外，生态系统中抗生素抗性细菌/基因也在不断增加，已经证明，滥用的抗生素降低了对人和动物病原体的治疗潜力。因此，建立一种简单、快速、精确的抗生素检测技术就显得非常迫切。

抗生素在环境水体中的浓度一般为纳克级(ng/L)，在食品中的含量一般为毫克级(mg/kg)至微克级(μg/kg)，因此需要高精度的检测仪器。目前，常见的检测仪器及方法有：

色谱法，主要包括高效液相色谱法、质谱法、毛细管电泳法、气相色谱-质谱联用法等。色谱法是用于在各种环境中定性/定量测定抗生素的最传统和最标准的方法。然而，昂贵的设施和繁琐的操作限制了色谱法在现场的快速分析。免疫分析法，主要包括酶联免疫分析法、胶体金免疫层析法、荧光免疫分析法等。免疫分析法具有灵敏度高、特异性强、分析通量大、快速安全等优点，但试剂盒一般寿命短、重现性差、不同批次间及同批次内检测差异大，限制了其应用。

微传感器(microelectrode，ME)是指检测尖端一维尺寸在微米级(10^-6m)或纳米级(10^-9m)的一类传感器。它具有常规传感器无法比拟的优良性能，如：RC时间常数小、传质速率快、电流密度大和信噪比高等电化学性能。极细的尖端使得它拥有极低的检出限，检出限通常达到10^-7mol/L～10^-9mol/L。同时，非常小的尖端面积(约10^-8cm²)极大地减少了测定过程中目标物的消耗，即使长时间连续检测也不影响待测环境，从而确保所得结果的准确性。由于微传感器具有上述优良的电化学性能，在食品、环境、医学方面的痕量物质分析领域具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的就是提供一种实时原位检测抗生素的微传感器检测系统及其检测方法。

本发明包括箱体、三维位移控制台、信号采集模块、信息处理模块、无线通信模块、显示屏幕、电源模块、移动终端设备；所述的信号采集模块包括温度传感器、PH传感器、微传感器；信号处理模块包括降噪模块、信号放大模块、信号分析模块、微控制器；显示屏幕与微控制器有线连接；电源模块与微控制器有线连接；无线通信模块与微控制器有线连接；降噪模块与信号放大模块有线连接；信号放大模块与信号分析模块有线连接；降噪模块与微控制器有线连接；信号放大模块与微控制器有线连接；信号采集模块与降噪模块有线连接；信号分析模块与微控制器有线连接；无线通信模块与移动终端设备以无线连接的方式实现通信。

所述的箱体作为检测系统的各个模块的载体，为模块提供物理支撑；信号采集模块，用于检测待测溶液中的温度、PH值、抗生素浓度，以电化学信号的方式进行采集，信号采集模块中温度传感器，用于采集待测溶液的温度信息。信号采集模块中pH传感器，用于采集待测溶液的pH信息。信号采集模块中微传感器，用于采集待测溶液中的抗生素浓度。

所述的信号处理模块，用于处理、计算、分析微传感器采集到的信号。信号处理模块中降噪模块，用于对微传感器、PH传感器、温度传感器采集到的电化学信号进行预处理，减少噪声信号的干扰。信号处理模块中信号放大模块，用于对降噪处理后的电化学信号进行多级放大。信号处理模块中信号分析模块，对处理后的电化学信号进行分析计算，与标准工作曲线进行比对，结合溶液PH值、温度数值进行修正后，获得待测样品中抗生素浓度数据，输出抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、分析报告等信息。信号采集模块中微控制器用于整个检测流程的自动化控制。

所述的电源模块为检测系统的各个模块提供稳定的低噪声直流电源。三维位移控制台，用于控制微传感器，并使微传感器实现X轴、Y轴、Z轴三个维度上的移动，提高检测系统检测的精确性。显示屏幕，显示抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、待测样品的实时温度、实时pH值、分析报告等信息。无线通信模块用于实现移动终端设备与检测系统之间的通信。移动终端设备通过无线通信模块与检测系统进行通信，用于控制检测系统的工作模式与工作参数，以及接收检测系统的分析数据与报告。

所述的微传感器与三维位移控制台连接，三维位移控制台用于固定微传感器并实现X\Y\Z轴的移动；三维位移控制台前端为一个固定夹，用于固定微传感器；控制台具有X轴、Y轴、Z轴三自由度，分别在X方向、Y方向、Z方向进行移动，转动调节螺母，实现固定装置在单维度上的移动，移动精度达到微米级；控制台表面涂有一层聚四氟乙烯。

移动终端设备用于控制检测系统，用户能够在移动终端设备中设定系统初始化参数，包括电化学检测模式、电压大小、精度范围、报警阈值信息，通过无线通信模块发送至微控制器，实现对系统的初始化设置。

作为优选，所述的箱体为矩形。

进一步的，所述的微传感器，由毛细玻璃管外壳、铂丝、铜丝组成，铂丝尖端的表面涂有PFSA高分子膜，在PFSA膜均匀镶嵌着磁性分子印迹聚合物。

更进一步的，所述的微传感器的毛细玻璃管外壳尖端外部由毛细玻璃管进行包裹，在使用过程中玻璃保护层有效防止溶液流入电极内部，保护其内部电极丝。所述的磁性分子印迹聚合物，其核心为超顺磁性Fe₃O₄，超顺磁性Fe₃O₄的外部包裹着一层SiO₂，SiO₂层的外包裹着一层分子印迹聚合物组成，用于特异性识别溶液中的抗生素。

基于上述装置的一种实时原位检测抗生素的方法，具体包括以下步骤：

步骤一：打开系统电源，检查系统各部件的连接情况，等待显示屏读数稳定；

步骤二：通过移动终端设备设置检测系统的电化学检测模式、电压大小、精度范围、报警阈值等信息，通过无线通信模块对检测系统设置初始化；

步骤三：用三维位移控制台装夹微传感器，并用0.5M～3M的氯化钾溶液润洗微传感器、PH传感器、温度传感器；

步骤四：将PH传感器、温度传感器插入待测样品，调节三维位移控制台调节螺母，将微传感器小心放入待测溶液中；

步骤五：微传感器、PH传感器、温度传感器采集待测样品的实时抗生素浓度、PH值、温度；

步骤六：微传感器、PH传感器、温度传感器将采集到的电化学信号传入信号处理模块，经降噪、放大、分析处理后，得到分析结果；

步骤七：将原始数据发送至移动终端设备，并在显示屏幕、移动终端设备上显示抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、分析报告信息；

步骤八：结束电化学测试，关闭电源，调节三维位移控制台调节螺母，将微传感器、PH传感器、温度传感器移出待测溶液，用0.5M～3M的氯化钾溶液润洗后密封保存。

本发明针对当前抗生素浓度检测设备存在样品预处理复杂、设备体积庞大以及成本高等问题，利用磁性分子印迹聚合物良好的吸附性能，微传感器的响应快速、样品用量少、抗干扰能力强等优点，使该系统具有检测精度高、操作简单、检测成本低以及能实现原位实时检测等特点。

本发明采用微传感器来检测抗生素，相较于传统的大型设备，检测更快、体积更小，能够实现现场实时检测，大大提高了检测的灵活性；同时，基于电化学的检测方法，操作简单，降低了抗生素检测的操作门槛，在科学研究、食品安全、农业环保等多个领域有着广阔的发展前景。通过移动终端设备实现对检测系统的控制，并且将传感器采集到的原始电化学信号以及信息处理模块处理后的分析数据、分析报告等信息传输至移动终端设备，有效地增强了用户体验与人机交互性。

附图说明

图1为本发明整体结构模块图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示,一种实时检测抗生素原位的微传感器检测系统，包括箱体、三维位移控制台、信号采集模块、信息处理模块、无线通信模块、显示屏幕、电源模块、移动终端设备；信号采集模块包括温度传感器、PH传感器、微传感器；信号处理模块包括降噪模块、信号放大模块、信号分析模块、微控制器；

显示屏幕与微控制器有线连接；电源模块与微控制器有线连接；无线通信模块与微控制器有线连接；降噪模块与信号放大模块有线连接；信号放大模块与信号分析模块有线连接；降噪模块与微控制器有线连接；信号放大模块与微控制器有线连接；信号采集模块与降噪模块有线连接；信号分析模块与微控制器有线连接；无线通信模块与移动终端设备以无线连接的方式实现通信。

检测系统利用微传感器的传质速率快、检出限低、体积小，磁性分子印迹聚合物的特异性识别抗生素等特点，实现对抗生素的实时检测。

箱体为矩形，作为检测系统的各个模块的载体，为模块提供物理支撑；信号采集模块，用于检测待测溶液中的温度、PH值、抗生素浓度，以电化学信号的方式进行采集，信号采集模块中温度传感器，用于采集待测溶液的温度信息，通过信号处理模块做进一步处理。信号采集模块中PH传感器，用于采集待测溶液的pH信息，通过信号处理模块做进一步处理。信号采集模块中微传感器，用于采集待测溶液中的抗生素浓度，通过信号处理模块做进一步处理。

微传感器，由毛细玻璃管外壳、铂丝、铜丝组成，铂丝尖端的表面涂有PFSA高分子膜，在PFSA膜均匀镶嵌着磁性分子印迹聚合物。

微传感器的毛细玻璃管外壳尖端外部由毛细玻璃管进行包裹，在使用过程中玻璃保护层有效防止溶液流入电极内部，保护其内部电极丝。

PFSA高分子膜，作为磁性分子印迹聚合物的载体，膜上嵌有磁性分子印迹聚合物，这样既提高了磁性分子印迹聚合物在微传感器上的粘附性与稳定性，也使得微传感器能更均匀的传导电子。

磁性分子印迹聚合物，其核心为超顺磁性Fe₃O₄，超顺磁性Fe₃O₄的外部包裹着一层SiO₂，SiO₂层的外包裹着一层分子印迹聚合物组成，用于特异性识别溶液中的抗生素。

信号处理模块，用于处理、计算、分析微传感器采集到的信号。信号处理模块中降噪模块，用于对微传感器、PH传感器、温度传感器采集到的电化学信号进行预处理，减少噪声信号的干扰。信号处理模块中信号放大模块，用于对降噪处理后的电化学信号进行多级放大。信号处理模块中信号分析模块，对处理后的电化学信号进行分析计算，与标准工作曲线进行比对，结合溶液PH值、温度数值进行修正后，获得待测样品中抗生素浓度数据，输出抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、分析报告等信息。信号采集模块中微控制器用于整个检测流程的自动化控制。

电源模块为检测系统的各个模块提供稳定的低噪声直流电源。三维位移控制台，用于控制微传感器，并使微传感器实现X轴、Y轴、Z轴三个维度上的移动，提高检测系统检测的精确性。显示屏幕，显示抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、待测样品的实时温度、实时PH值、分析报告等信息。无线通信模块用于实现移动终端设备与检测系统之间的通信。移动终端设备通过无线通信模块与检测系统进行通信，用于控制检测系统的工作模式与工作参数，以及接收检测系统的分析数据与报告。

微传感器与三维位移控制台连接，三维位移控制台用于固定微传感器并实现X\Y\Z轴的移动；三维位移控制台前端为一个固定夹，用于固定微传感器；控制台具有X轴、Y轴、Z轴三自由度，分别在X方向、Y方向、Z方向进行移动，转动调节螺母，实现固定装置在单维度上的移动，移动精度达到微米级；控制台表面涂有一层聚四氟乙烯，以提高在现场检测的耐用性与稳定性。

移动终端设备用于控制检测系统，用户能够在移动终端设备中设定系统初始化参数，包括电化学检测模式(计时电流法、循环伏安法、快速循环伏安法、差分脉冲伏安法)、电压大小、精度范围、报警阈值等信息，通过无线通信模块发送至微控制器，实现对系统的初始化设置，有效地减小了系统体积。

基于上述实时原位检测抗生素的微传感器检测系统的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤一：打开系统电源，检查系统各部件的连接情况，等待显示屏读数稳定；

步骤二：通过移动终端设备设置检测系统的电化学检测模式、电压大小、精度范围、报警阈值等信息，通过无线通信模块对检测系统设置初始化；

步骤三：用三维位移控制台装夹微传感器，并用0.5M～3M的氯化钾溶液润洗微传感器、PH传感器、温度传感器；

步骤四：将PH传感器、温度传感器插入待测样品，调节三维位移控制台调节螺母，将微传感器小心放入待测溶液中；

步骤五：微传感器、PH传感器、温度传感器采集待测样品的实时抗生素浓度、PH值、温度；

步骤六：微传感器、PH传感器、温度传感器将采集到的电化学信号传入信号处理模块，经降噪、放大、分析处理后，得到分析结果；

步骤七：将原始数据发送至移动终端设备，并在显示屏幕、移动终端设备上显示抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、分析报告等信息，；

步骤八：结束电化学测试，关闭电源，调节三维位移控制台调节螺母，将微传感器、PH传感器、温度传感器移出待测溶液，用一定浓度的氯化钾溶液润洗后密封保存。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.实时原位检测抗生素的微传感器检测系统，包括箱体、三维位移控制台、信号采集模块、信息处理模块、无线通信模块、显示屏幕、电源模块、移动终端设备；其特征在于：所述的信号采集模块包括温度传感器、PH传感器、微传感器；信号处理模块包括降噪模块、信号放大模块、信号分析模块、微控制器；显示屏幕与微控制器有线连接；电源模块与微控制器有线连接；无线通信模块与微控制器有线连接；降噪模块与信号放大模块有线连接；信号放大模块与信号分析模块有线连接；降噪模块与微控制器有线连接；信号放大模块与微控制器有线连接；信号采集模块与降噪模块有线连接；信号分析模块与微控制器有线连接；无线通信模块与移动终端设备以无线连接的方式实现通信；

所述的箱体作为检测系统的各个模块的载体，为模块提供物理支撑；信号采集模块，用于检测待测溶液中的温度、PH值、抗生素浓度，以电化学信号的方式进行采集，信号采集模块中温度传感器，用于采集待测溶液的温度信息；信号采集模块中PH传感器，用于采集待测溶液的pH信息；信号采集模块中微传感器，用于采集待测溶液中的抗生素浓度；

所述的信号处理模块，用于处理、计算、分析微传感器采集到的信号；信号处理模块中降噪模块，用于对微传感器、PH传感器、温度传感器采集到的电化学信号进行预处理，减少噪声信号的干扰；信号处理模块中信号放大模块，用于对降噪处理后的电化学信号进行多级放大；信号处理模块中信号分析模块，对处理后的电化学信号进行分析计算，与标准工作曲线进行比对，结合溶液PH值、温度数值进行修正后，获得待测样品中抗生素浓度数据，输出抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、分析报告等信息；信号采集模块中微控制器用于整个检测流程的自动化控制；

所述的电源模块为检测系统的各个模块提供稳定的低噪声直流电源；三维位移控制台，用于控制微传感器，并使微传感器实现X轴、Y轴、Z轴三个维度上的移动，提高检测系统检测的精确性；显示屏幕，显示抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、待测样品的实时温度、实时PH值、分析报告等信息；无线通信模块用于实现移动终端设备与检测系统之间的通信；移动终端设备通过无线通信模块与检测系统进行通信，用于控制检测系统的工作模式与工作参数，以及接收检测系统的分析数据与报告；

所述的微传感器与三维位移控制台连接，三维位移控制台用于固定微传感器并实现X\Y\Z轴的移动；三维位移控制台前端为一个固定夹，用于固定微传感器；控制台具有X轴、Y轴、Z轴三自由度，分别在X方向、Y方向、Z方向进行移动，转动调节螺母，实现固定装置在单维度上的移动，移动精度达到微米级；控制台表面涂有一层聚四氟乙烯；

移动终端设备用于控制检测系统，用户能够在移动终端设备中设定系统初始化参数，包括电化学检测模式、电压大小、精度范围、报警阈值信息，通过无线通信模块发送至微控制器，实现对系统的初始化设置。

2.如权利要求1所述的实时原位检测抗生素的微传感器检测系统，其特征在于：所述的箱体为矩形。

3.如权利要求1所述的实时原位检测抗生素的微传感器检测系统，其特征在于：所述的微传感器，由毛细玻璃管外壳、铂丝、铜丝组成，铂丝尖端的表面涂有PFSA高分子膜，在PFSA膜均匀镶嵌着磁性分子印迹聚合物。

4.如权利要求3所述的实时原位检测抗生素的微传感器检测系统，其特征在于：所述的微传感器的毛细玻璃管外壳尖端外部由毛细玻璃管进行包裹，在使用过程中玻璃保护层有效防止溶液流入电极内部，保护其内部电极丝。

5.如权利要求3所述的实时原位检测抗生素的微传感器检测系统，其特征在于：所述的磁性分子印迹聚合物，其核心为超顺磁性Fe₃O₄，超顺磁性Fe₃O₄的外部包裹着一层SiO₂，SiO₂层的外包裹着一层分子印迹聚合物组成，用于特异性识别溶液中的抗生素。

6.一种实时原位检测抗生素的检测方法，其特征在于：

具体包括以下步骤：

步骤一：打开系统电源，检查系统各部件的连接情况，等待显示屏读数稳定；

步骤二：通过移动终端设备设置检测系统的电化学检测模式、电压大小、精度范围、报警阈值等信息，通过无线通信模块对检测系统设置初始化；

步骤三：用三维位移控制台装夹微传感器，并用0.5M～3M的氯化钾溶液润洗微传感器、PH传感器、温度传感器；

步骤四：将PH传感器、温度传感器插入待测样品，调节三维位移控制台调节螺母，将微传感器小心放入待测溶液中；

步骤五：微传感器、PH传感器、温度传感器采集待测样品的实时抗生素浓度、PH值、温度；

步骤六：微传感器、PH传感器、温度传感器将采集到的电化学信号传入信号处理模块，经降噪、放大、分析处理后，得到分析结果；

步骤七：将原始数据发送至移动终端设备，并在显示屏幕、移动终端设备上显示抗生素实时浓度、抗生素浓度随时间变化的曲线、分析报告信息，；

步骤八：结束电化学测试，关闭电源，调节三维位移控制台调节螺母，将微传感器、PH传感器、温度传感器移出待测溶液，用0.5M～3M的氯化钾溶液润洗后密封保存。