CN204536250U - 一种阻抗生物传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种阻抗生物传感器，本实用新型的阻抗生物传感器包括微处理器、阻抗测量模块以及微电极模块；所述微处理器控制所述阻抗测量模块完成所述微电极模块的阻抗的获取和处理分析；所述阻抗测量模块通过设置阻抗测量芯片、高通滤波器、电压跟随器、I-V缓冲器以及量程调节器，实现快速、精确的测量，同时本实用新型的生物传感器具有成本较低、频带较宽、精度较高、定量分析和现场检测等优点。

Description

一种阻抗生物传感器

技术领域

本实用新型涉及生物阻抗检测技术领域，尤其涉及一种阻抗生物传感器。

背景技术

食品安全和动物疫病是我国面临的最突出问题之一。当前，食品安全事故处于多发期，高致病性动物疫病也时有发生。病原微生物筛查是食品安全和动物疫病防控的关键，由于现有的常规检测方法通常无法实现现场快速检测，因此迫切需要发展病原微生物快速检测技术。

阻抗生物传感器是一种新型生物检测技术，具有检测速度较快、灵敏度较高和操作较简单等优点，已得到农业、食品、环境和卫生等领域科研工作者和企业的关注。前人研究表明：其检测精度通常介于大型实验室分析仪器(如实时荧光定量PCR)与常规快速检测方法(如胶体金试纸条)之间，有望实现病原微生物的简单、快速和低成本的检测。目前，阻抗生物传感器通常由阻抗生物芯片和阻抗分析仪组成，阻抗分析一般由大型阻抗分析仪器来完成，美国Agilent、英国Solartron公司、德国Zahner公司都已经开发出了阻抗分析仪器或电化学工作站；此外，也有研究报道了一些小型阻抗检测装置，如在应义斌(授权公共号CN 203310795U)、胡耀华(授权公共号CN 203241371U)等人自主开发的阻抗检测装置。应义斌的手持式阻抗检测装置在模拟信号与检测电极之间加入前置处理，提高了阻抗检测的精度和稳定性。胡耀华的手持阻抗检测装置可实现多目标测定，并且有报警功能。

但是现有的小型阻抗检测装置存在频带过窄、检测速度和精度偏低、功能较简单等问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种阻抗生物传感器，实现在较宽频带范围内生物阻抗的快速准确测量和分析。

为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种阻抗生物传感器，所述阻抗生物传感器包括微处理器、阻抗测量模块以及微电极模块，目标微生物吸附于所述微电极模块上从而改变所述微电极模块的阻抗；所述微处理器控制所述阻抗测量模块完成所述微电极模块的阻抗的获取，并对所述阻抗进行处理分析得到目标微生物浓度；

所述阻抗测量模块包括：

阻抗测量芯片，用于测量所述微电极模块的阻抗，所述阻抗测量芯片与所述微处理器连接，所述微处理器为所述阻抗测量芯片提供控制信号；

高通滤波器，其输入端与所述阻抗测量芯片的激励信号输出端连接，用于过滤低频干扰信号；

电压跟随器，其输入端连接所述高通滤波器的输出端，其输出端连接所述微电极模块的输入端，用于调节所述阻抗测量芯片输出的激励信号的直流偏置电压，从而消除所述微电极模块的输出端和输入端之间的直流分量差异；

I-V缓冲器，其输入端连接所述微电极模块的输出端，其输出端通过反馈电阻连接所述阻抗测量芯片的输入引脚VIN和RFB，用于将所述微电极模块输出的电流信号转换成电压信号并输入到所述阻抗测量芯片，并由所述阻抗测量芯片将接收的所述电压信号处理得到所述微电极模块的阻抗，再将所述微电极模块的阻抗传递给所述微处理器；

以及量程调节器，其输入端连接所述微电极模块的输出端，其输出端连接所述I-V缓冲器的输出端，用于为所述阻抗测量芯片提供多个测量档。

优选地，所述微处理器采用ARM9处理器，并且所述ARM9处理器与所述阻抗测量芯片的连接方式为：

所述ARM9处理器的内部定时器T0的引脚TOUT0与所述阻抗测量芯片的外部时钟引脚MCLK连接，为所述阻抗测量芯片提供时钟信号；所述ARM9处理器的I²C接口时钟引脚I²CSCL和I²C接口数据引脚I²CSDA分别与所述阻抗测量芯片的I²C接口时钟引脚SCL以及I²C接口数据引脚SDA连接。

优选地，所述微处理器包括分析计算单元，其根据所述阻抗测量芯片测量得到的所述微电极模块的阻抗得到此时所述微电极模块的电子转移电阻，并计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，利用所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型，分析得到对应的目标微生物浓度；

所述分析计算单元包括模型构建子单元，其将所述微电极模块构成的检测体系转化为等效电路，并计算所述等效电路的阻抗，再根据所述等效电路的阻抗求取其实部，之后结合测量的阻抗的实部和对应的角频率，利用牛顿下山算法求取电子转移电阻；求取此时的所述电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，建立所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型。

此步骤中，所述阻抗测量芯片测量得到阻抗的实部和虚部(十六进制)，并将测量值传输给所述微处理器，所述微处理器首先根据所述阻抗测量芯片对应的产品说明书中的转换公式得到微处理器模块的阻抗的实际的实部和虚部，之后利用下面公式求取电子转移电阻，

$R=R_s+\frac{R_{\mathrm{et}}}{{\left(\mathrm{\ω}{R}_{\mathrm{et}}{c}_{\mathrm{dl}}\right)}^2+1}.$

式中，R为在特定角频率ω下测量得到实部值，R_et为等效电路的电子转移电阻，R_s为等效电路的溶液电阻，C_dl为等效电路的双电层电容。

优选地，所述量程调节器；

所述量程调节器包括四个信号继电器以及分别与所述四个信号继电器连接的四个不同阻值的反馈电阻，所述信号继电器分别与所述微处理器的四个I/O口连接，实现所述微处理器对所述量程调节器的量程的自动选择。

优选地，所述阻抗测量模块还包括：

稳压器，其与所述阻抗测量芯片连接，用于为所述阻抗测量芯片提供稳定的电压；

触摸显示模块，用于检测结果显示和参数设置，其中所述参数设置中设置的参数包括样本编号、测量频率、静置时间、阈值。

优选地，所述I-V缓冲器与所述阻抗测量芯片的连接方式为：

所述I-V缓冲器的输出端通过反馈电阻RFB1连接到所述阻抗测量芯片的输入端VIN引脚，所述I-V缓冲器的输出端通过反馈电阻RFB1和反馈电阻RFB2连接到所述阻抗测量芯片的RFB引脚。

优选地，所述微电极模块包括基底、以及位于所述基底上的第一金电极、第二金电极、第一焊盘和第二焊盘；

所述第一金电极与所述第一焊盘连接，所述第二金电极与所述第二焊盘连接；所述第一金电极和第二金电极均由多个相同尺寸的指电极以相同的间距平行并联组合形成，并且所述第一金电极和第二金电极的指电极相互交叉；

所述第一金电极和第二金电极的指电极的表面上均修饰有目标微生物的生物识别材料。

优选地，所述阻抗生物传感器还包括：

USB模块，与所述微处理器连接，用于与所述微处理器进行信息存取操作；

串口模块，与所述微处理器连接，用于与所述微处理器进行通讯；

JTAG模块，与所述微处理器连接，用于对所述处理器进行测试；

储存器模块，与所述微处理器连接，用于存储所述微处理器中的数据；

电源模块，与所述微处理器、阻抗测量模块以及储存器模块连接，用于为所述微处理器、阻抗测量模块以及储存器模块供电。

对应于上述传感器本实用新型公开一种生物阻抗检测分析方法，所述方法包括以下步骤：

构建电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型：将微电极模块构成的检测体系转化为等效电路，并计算所述等效电路的阻抗，再根据所述等效电路的阻抗求取其实部，之后结合测量的微电极模块的阻抗的实部和对应的角频率，利用牛顿下山算法求取电子转移电阻，并计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，建立所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型；

利用上述阻抗生物传感器测量得到所述微电极模块的电子转移电阻变化值，并利用所述关系模型，找到对应的目标微生物浓度。

优选地，所述等效电路的阻抗为：

$Z=R_s+\frac{R_{\mathrm{et}}{X}_c}{R_{\mathrm{et}}+X_c}$

其中R_et为所述等效电路的电子转移电阻，X_c为所述等效电路的双电层电容的容抗，R_s为等效电路的溶液电阻。

上述构建所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的所述关系模型具体包括以下步骤：

S1、将微电极构成的检测体系转化为所述等效电路，并计算所述等效电路的阻抗，并如公式所示：

$Z=R_s+\frac{R_{\mathrm{et}}{X}_c}{R_{\mathrm{et}}+X_c}$

其中R_et为所述等效电路的电子转移电阻，X_c为所述等效电路的双电层电容的容抗，R_s为所述等效电路的溶液电阻。

S2、计算所述双电层电容的容抗为：

$X_c=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{c}_{\mathrm{dl}}},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf}$

其中，C_dl为所述双电层电容的电容值，f为频率，ω为角频率。

S3、求取所述等效电路的阻抗的实部R：

$R=R_s+\frac{R_{\mathrm{et}}}{{\left(\mathrm{\ω}{R}_{\mathrm{et}}{c}_{\mathrm{dl}}\right)}^2+1}$

将实部转化为：

(R_s-R)(1+ω²C_dl ²R_et ²)+R_et＝0

S4、测量得到三组所述实部值R和频率值ω的值，分别记为(R₁,ω₁)，(R₂,ω₂)和(R₃,ω₃)，可得到方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=(R_s-R_1)(1+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2)+R_{\mathrm{et}}=0;\\ f_2(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=(R_s-R_2)(1+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2)+R_{\mathrm{et}}=0;\\ f_3(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=(R_s-R_3)(1+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2)+R_{\mathrm{et}}=0;\end{array}\right.$

S5、引入向量

$f(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=\left(\begin{array}{c}{f}_1(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})\\ f_2(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})\\ f_3(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})\end{array}\right),m=\left(\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{et}}\\ R_s\\ C_{\mathrm{dl}}\end{array}\right);$

将所述步骤S4中的公式表示为

f(m)＝0

S6、引入下山因子λ，得出以下计算公式：

$m_{k+1}=m_k-\mathrm{\λ}\frac{f\left(m_k\right)}{f^{\′}\left(m_k\right)},$

其中：

λ＝2^-n,n＝0,1,2......

$f^{,}\left(m_k\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{\∂f_1\left(m\right)}{\∂R_{\mathrm{et}}},\frac{\∂f_1\left(m\right)}{\∂R_s},\frac{\∂f_1\left(m\right)}{\∂C_{d1}}\\ \frac{\∂f_2\left(m\right)}{\∂R_{\mathrm{et}}},\frac{\∂f_2\left(m\right)}{\∂R_s},\frac{\∂f_2\left(m\right)}{\∂C_{d1}}\\ \frac{\∂f_3\left(m\right)}{\∂R_{\mathrm{et}}},\frac{\∂f_3\left(m\right)}{\∂R_s},\frac{\∂f_3\left(m\right)}{\∂C_{d1}}\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{c}2(R_s-R_1)R_{\mathrm{et}}{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2+\mathrm{1,1}+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2,2(R_s-R_1)C_{\mathrm{dl}}{R_{\mathrm{et}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2\\ 2(R_s-R_2)R_{\mathrm{et}}{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2+\mathrm{1,1}+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2,2(R_s-R_2)C_{\mathrm{dl}}{R_{\mathrm{et}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2\\ 2(R_s-R_3)R_{\mathrm{et}}{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2+\mathrm{1,1}+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2,2(R_s-R_3)C_{\mathrm{dl}}{R_{\mathrm{et}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2\end{array}\right)$

按照牛顿下山算法，求解所述电子转移电阻R_et、所述双电层电容C_dl以及所述溶液电阻R_s的近似值；

S7、计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，根据此时的目标微生物浓度，建立所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型。

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型通过ARM9处理器内部定时器T0产生一个低频时钟，将现有小型阻抗检测装置中的单频率或窄频带检测扩展为较宽频带(100Hz-100kHz)，针对现有装置中由直流偏置电压差异引起的电极极化和阻抗测量不准确等问题，本实用新型通过一个高通滤波器、一个电压跟随器和一个I-V缓冲器消除微电极模块的输入信号和输出信号之间的直流偏置差异，使整个信号链中的直流偏置电压恒定在VDD/2，通过分段校正和量程自动调节将阻抗精确检测范围扩展至100Ω-100kΩ，并通过采用等效电路求取与目标微生物浓度真正相关的电子转移电阻，代替前人采用的阻抗幅值，来建立与目标微生物浓度的关系模型，进行目标微生物的定量分析。此外，现有装置多是利用单片机进行开发，在人际交互界面上比较简单，本实用新型采用ARM9处理器开发了操作更简单和显示更直观的触摸显示屏人机交互界面；总之，本实用新型的阻抗生物传感器具有检测速度较快、成本较低、精度较高、频带较宽、定量分析和现场检测等优点。

附图说明

图1是本实用新型的一种阻抗生物传感器的结构示意图；

图2是本实用新型中等效电路的电路图；

图3是本实用新型中阻抗测量模块的电路图；

图4是本实用新型中微电极模块的结构示意图；

图5是利用本实用新型的装置进行生物检测的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型公开了一种阻抗生物传感器，如图1所示，所述阻抗生物传感器包括微电极模块1、微处理器2以及阻抗测量模块3，生物吸附于所述微电极模块1上从而改变所述微电极模块1的阻抗；所述微处理器2控制所述阻抗测量模块3完成所述微电极模块1的阻抗的获取和处理分析。

如图3所示，所述阻抗测量模块3包括：阻抗测量芯片3.2，用于测量所述微电极模块1的阻抗(得到不同频率下阻抗的实部和虚部)，所述阻抗测量芯片3.2与所述微处理器2连接，所述微处理器2为所述阻抗测量芯片3.2提供控制信号；高通滤波器3.4，其输入端与所述阻抗测量芯片3.2的激励信号输出端连接，用于过滤低频干扰信号；电压跟随器3.5，其输入端连接所述高通滤波器3.4的输出端，其输出端连接所述微电极模块1的输入端，用于调节所述阻抗测量芯片输出的激励信号的直流偏置电压，从而消除所述微电极模块的输出端和输入端之间的直流分量差异；I-V缓冲器3.6，其输入端连接所述微电极模块1的输出端，其输出端通过反馈电阻RFB1和RFB2连接所述阻抗测量芯片3.2，用于将所述微电极模块输出的电流信号转换成电压信号并输入到所述阻抗测量芯片3.2，并由所述阻抗测量芯片3.2处理得到所述微电极模块的阻抗，传递给所述微处理器；以及量程调节器3.1，其输入端连接所述微电极模块1的输出端，其输出端连接所述I-V缓冲器3.6的输出端，用于为所述阻抗测量芯片3.2自动选择合适的测量档。

所述I-V缓冲器3.6与所述阻抗测量芯片3.2的连接方式为：所述I-V缓冲器3.6的输出端通过反馈电阻RFB1连接到所述阻抗测量芯片3.2的VIN引脚，所述I-V缓冲器3.6的输出端通过反馈电阻RFB1和反馈电阻RFB2连接到所述阻抗测量芯片3.2的RFB引脚。

所述量程调节器3.1包括四个信号继电器(3.1.1、3.1.2、3.1.3、3.1.4)以及分别与所述四个信号继电器连接的四个不同阻值的反馈电阻(RF1、RF2、RF3、RF4)，所述信号继电器分别与所述微处理器四个I/O口(GPA1、GPA2、GPA3、GPA4)连接，实现所述微处理器2对所述量程调节器3.1的量程自动调节。

所述阻抗测量模块还包括：稳压器3.3，其与所述阻抗测量芯片3.2连接，用于为所述阻抗测量芯片3.2提供稳定的3V电压；触摸显示模块，用于检测结果显示(即与所述电子转移电阻对应的微生物浓度)和参数设置，包括样本编号、测量频率设置、静置时间设置、阈值设置等。

所述微处理器2采用TQ2440核心板，板上集成了一个ARM9处理器芯片S3C2440，并且所述微处理器2与所述阻抗测量芯片3.2的连接方式为：所述微处理器2的内部定时器T0引脚TOUT0与所述阻抗测量芯片3.2的外部时钟引脚MCLK连接；所述微处理器2的I²C接口通信时钟引脚I²CSCL和I²C接口通信数据引脚I²CSDA分别与所述阻抗测量芯3.2片的I²C接口时钟引脚SCL和I²C接口数据引脚SDA连接。

所述微处理器2包括分析计算单元，其根据所述微处理器模块的阻抗得到电子转移电阻，构建和存储所述电子转移电阻变化值与对应的目标微生物浓度的关系模型，并根据所述关系模型，结合测量的阻抗，得到对应的目标微生物浓度；所述分析计算单元包括模型构建子单元，其将微电极模块构成的检测体系转化为等效电路，如图2所示，并计算所述等效电路的阻抗，根据所述等效电路的阻抗求取其实部，之后结合测量得到所述实部值和对应的频率值，利用所述牛顿下山算法求取电子转移阻抗，并计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，利用所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型，分析得到对应的目标微生物浓度。

如图4所示，所述微电极模块1包括基底1.1、以及位于所述基底1.1上的第一金电极1.2、第二金电极1.3、第一焊盘1.4和第二焊盘1.5；所述第一金电极1.2与所述第一焊盘1.4连接，所述第二金电极1.3与所述第二焊盘1.5连接；所述第一金电极1.2和第二金电极1.3均由多个相同尺寸的指电极以相同的间距平行并联组合形成，并且所述第一金电极1.2和第二金电极1.3的指电极相互交叉；所述第一金电极1.2和第二金电极1.3的指电极的表面上均修饰有目标微生物的生物识别材料。所述第一焊盘1.4和第二焊盘1.5分别作为所述微电极模块的输入端和输出端。

所述阻抗生物传感器还包括：USB模块，与所述微处理器连接，用于与所述微处理器进行信息存取操作；串口模块，与所述微处理器连接，用于与所述微处理器进行通讯；JTAG模块，与所述微处理器连接，用于测试所述微处理器；储存器模块，与所述微处理器连接，用于存储所述微处理器中的数据；电源模块，与所述微处理器、阻抗测量模块以及储存器模块连接，用于为所述微处理器、阻抗测量模块以及储存器模块供电；PC机，用于与所述USB模块、串口模块以及JTAG模块连接，实现通讯与调试。

对应于上述本实用新型的传感器，本实用新型还公开一种生物阻抗检测分析方法，首先构建电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型，包括以下步骤：将微电极模块构成的检测体系转化为等效电路，并计算所述等效电路的阻抗，再根据所述等效电路的阻抗求取其实部，之后结合测量的阻抗信号的实部和对应的角频率，利用牛顿下山算法求取电子转移电阻，并计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，利用所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型，分析得到对应的目标微生物浓度；之后，利用所述关系模型，结合测量的所述电子转移电阻，找到对应的目标微生物浓度。

进一步地，构建所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的所述关系模型具体包括以下步骤：

S1、将微电极构成的检测体系转化为所述等效电路，并计算所述等效电路的阻抗，并如公式所示：

$Z=R_s+\frac{R_{\mathrm{et}}{X}_c}{R_{\mathrm{et}}+X_c}$

其中R_et为所述等效电路的电子转移电阻，X_c为所述等效电路的双电层电容的容抗，R_s为等效电路的溶液电阻。

S2、计算所述双电层电容的容抗为：

$X_c=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{c}_{\mathrm{dl}}},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf}$

其中，C_dl为所述双电层电容的电容值，f为频率，ω为角频率。

S3、求取所述等效电路的实部R：

$R=R_s+\frac{R_{\mathrm{et}}}{{\left(\mathrm{\ω}{R}_{\mathrm{et}}{c}_{\mathrm{dl}}\right)}^2+1}$

将实部可转化为：

(R_s-R)(1+ω²C_dl ²R_et ²)+R_et＝0

S4、测量得到三组所述实部值R和频率值ω的值，分别记为(R₁,ω₁)，(R₂,ω₂)和(R₃,ω₃)，可得到方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=(R_s-R_1)(1+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2)+R_{\mathrm{et}}=0;\\ f_2(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=(R_s-R_2)(1+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2)+R_{\mathrm{et}}=0;\\ f_3(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=(R_s-R_3)(1+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2)+R_{\mathrm{et}}=0;\end{array}\right.$

S5、引入向量

$f(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})=\left(\begin{array}{c}{f}_1(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})\\ f_2(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})\\ f_3(R_{\mathrm{et}},R_s,C_{\mathrm{dl}})\end{array}\right),m=\left(\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{et}}\\ R_s\\ C_{\mathrm{dl}}\end{array}\right);$

将所述步骤S4中的公式表示为

f(m)＝0

S6、引入下山因子λ，得到以下计算公式：

$m_{k+1}=m_k-\mathrm{\λ}\frac{f\left(m_k\right)}{f^{\′}\left(m_k\right)},$

其中：

λ＝2^-n,n＝0,1,2......

$f^{,}\left(m_k\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{\∂f_1\left(m\right)}{\∂R_{\mathrm{et}}},\frac{\∂f_1\left(m\right)}{\∂R_s},\frac{\∂f_1\left(m\right)}{\∂C_{d1}}\\ \frac{\∂f_2\left(m\right)}{\∂R_{\mathrm{et}}},\frac{\∂f_2\left(m\right)}{\∂R_s},\frac{\∂f_2\left(m\right)}{\∂C_{d1}}\\ \frac{\∂f_3\left(m\right)}{\∂R_{\mathrm{et}}},\frac{\∂f_3\left(m\right)}{\∂R_s},\frac{\∂f_3\left(m\right)}{\∂C_{d1}}\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{c}2(R_s-R_1)R_{\mathrm{et}}{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2+\mathrm{1,1}+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2,2(R_s-R_1)C_{\mathrm{dl}}{R_{\mathrm{et}}}^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2\\ 2(R_s-R_2)R_{\mathrm{et}}{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2+\mathrm{1,1}+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2,2(R_s-R_2)C_{\mathrm{dl}}{R_{\mathrm{et}}}^2{{\mathrm{\ω}}_2}^2\\ 2(R_s-R_3)R_{\mathrm{et}}{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2+\mathrm{1,1}+{R_{\mathrm{et}}}^2{C_{\mathrm{dl}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2,2(R_s-R_3)C_{\mathrm{dl}}{R_{\mathrm{et}}}^2{{\mathrm{\ω}}_3}^2\end{array}\right)$

按照牛顿下山算法，求解所述电子转移电阻R_et，所述双电层电容C_dl以及所述溶液电阻R_s的近似值；

S7、计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，根据此时的目标微生物浓度，建立所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型。

进一步地，所述微处理器2是基于ARM9内核的微处理器，集成了丰富的片上资源，包括存储器部分、时钟部分和电源部分。

进一步地，所述阻抗测量芯片3.2采用AD公司推出的一种高精度阻抗转换集成电路AD5933或AD5934，片上集成了频率发生器与模数转换器。

进一步地，阻抗测量芯片3.2的型号为AD5933或AD5934，稳压器3.3的型号为ADR433，电压跟随器3.5的型号为1/2AD8606，I-V缓冲器3.6的型号为1/2AD8606，四个信号继电器3.1.1、3.1.2、3.1.3和3.1.4的型号均为G6E-134P-US，六个反馈电阻(RFB1、RFB2、RF1、RF2、RF3和RF4)和四个偏置电阻(R1、R2、R3和R4)均使用精度0.1％的精密电阻，由微处理器2的四个I/O口GPA1、GPA2、GPA3和GPA4控制。

图5为本实用新型的一个较佳实施例的一种阻抗生物传感器生物检测的流程图。所述第一电极1.2、第二电极1.3表面上均修饰有目标微生物的生物识别材料(以抗体为例)：先通过静电和疏水作用将蛋白A吸附在所述第一电极1.2、第二电极1.3的表面上，再利用蛋白A与抗体的免疫球蛋白的Fc段发生特异性结合将抗体固定在所述第一电极1.2、第二电极1.3上，最后利用牛血清蛋白封闭残留的结合位点避免非特异性反应。实施时，首先进行阻抗测量，通过所述电极的等效电路分析得到对照的电子转移电阻R_etc，之后把包含目标微生物的样本滴加在所述电极上，所述目标微生物将被所述电极1.2、1.3表面上的抗体所捕获，再利用PBS清洗后，滴加氧化还原探针([Fe(CN)₆]^3-/4-)测量电极阻抗，通过所述电极的等效电路分析得到样本的电子转移电阻R_ets，求取R_ets与R_etc的差值△R_et，再通过△R_et与目标微生物浓度的关系模型，对目标微生物进行定量检测。

表1为利用本实用新型公开的生物阻抗分析方法得到的电子转移电阻R_et值与现有阻抗谱分析软件Zsimpwin得到的电子转移电阻ZR_et值的比较。本实用新型分别对所述电极在生物修饰和目标微生物检测过程(蛋白A固定、抗体偶联、牛血清蛋白BSA封闭和目标物捕获)采集的实验数据进行对比分析，Zsimpwin软件使用相同的等效电路对实验数据进行仿真处理得到电子转移阻抗ZR_et，本实用新型从实验数据中从不同频率处抽取15个数据，即低频(100、100±5Hz和100±10Hz)、中频(5kHz、5±0.25kHz和5±0.5kHz)和高频(85kHz、85±1kHz和85±2kHz)，再从低、中和高频中各选取一个组成为一组数据，每组数据的频率和实部按照上述方法进行处理，即利用牛顿下山法进行求解，可得到5个电子转移电阻值；最后进行冒泡法排序，取中间3个值求平均值作为电子转移电阻R_et。可见，本实用新型公开的的生物阻抗分析方法与Zsimpwin的结果具有较好的一致性。

表1本实用新型公开的生物阻抗分析方法与现有阻抗分析软件的结果比较

针对现有小型阻抗检测装置存在的频带过窄、检测精度偏低、功能较简单等问题，本实用新型采用ARM9处理器(S3C2440)内部定时器产生的125kHz低频时钟，解决了AD5933或AD5934的低频响应问题。针对现有阻抗检测装置中由直流偏置电压差异引起的电极极化和阻抗测量不准确等问题，本实用新型通过一个高通滤波器、一个电压跟随器和一个I-V缓冲器消除微电极模块的输入信号和输出信号之间的直流偏置差异，，使整个信号链中的直流偏置电压恒定在VDD/2，通过分段校正和量程自动调节将阻抗检测范围扩展至100Ω-100kΩ，所有偏置电阻和反馈电阻均使用精度0.1％的电阻以降低不准确性，有效地提高了测量精度，并通过采用等效电路求取与目标微生物浓度真正相关的电子转移电阻，代替前人采用的阻抗幅值，来建立与目标微生物浓度的关系模型，进行目标微生物的定量分析。此外，现有装置多是利用单片机进行开发，在人际交互界面上比较简单，本实用新型采用ARM9处理器开发了操作更简单和显示更直观的触摸屏人机交互界面。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种阻抗生物传感器，其特征在于，所述阻抗生物传感器包括微处理器、阻抗测量模块以及微电极模块，目标微生物吸附于所述微电极模块上从而改变所述微电极模块的阻抗；所述微处理器控制所述阻抗测量模块完成所述微电极模块的阻抗的获取，并对所述阻抗进行处理分析得到目标微生物浓度；

所述阻抗测量模块包括：

阻抗测量芯片，用于测量所述微电极模块的阻抗，所述阻抗测量芯片与所述微处理器连接，所述微处理器为所述阻抗测量芯片提供控制信号；

高通滤波器，其输入端与所述阻抗测量芯片的激励信号输出端连接，用于过滤低频干扰信号；

电压跟随器，其输入端连接所述高通滤波器的输出端，其输出端连接所述微电极模块的输入端，用于调节所述阻抗测量芯片输出的激励信号的直流偏置电压，从而消除所述微电极模块的输出端和输入端之间的直流分量差异；

I-V缓冲器，其输入端连接所述微电极模块的输出端，其输出端通过反馈电阻连接所述阻抗测量芯片的输入引脚VIN和RFB，用于将所述微电极模块输出的电流信号转换成电压信号并输入到所述阻抗测量芯片，并由所述阻抗测量芯片将接收的所述电压信号处理得到所述微电极模块的阻抗，再将所述微电极模块的阻抗传递给所述微处理器；

以及量程调节器，其输入端连接所述微电极模块的输出端，其输出端连接所述I-V缓冲器的输出端，用于为所述阻抗测量芯片提供多个测量档。

2.根据权利要求1所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述微处理器采用ARM9处理器，并且所述ARM9处理器与所述阻抗测量芯片的连接方式为：

所述ARM9处理器的内部定时器T0的引脚TOUT0与所述阻抗测量芯片的外部时钟引脚MCLK连接，为所述阻抗测量芯片提供时钟信号；所述ARM9处理器的I²C接口时钟引脚I²CSCL和I²C接口数据引脚I²CSDA分别与所述阻抗测量芯片的I²C接口时钟引脚SCL以及I²C接口数据引脚SDA连接。

3.根据权利要求2所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述微处理器包括分析计算单元，其根据所述阻抗测量芯片测量得到的所述微电极模块的阻抗得到此时所述微电极模块的电子转移电阻，并计算此时所述微电极模块的电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，利用所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型，分析得到对应的目标微生物浓度；

所述分析计算单元包括模型构建子单元，其将所述微电极模块构成的检测体系转化为等效电路，并计算所述等效电路的阻抗，再根据所述等效电路的阻抗求取其实部，之后结合测量的阻抗的实部和对应的角频率，利用牛顿下山算法求取电子转移电阻；求取此时的所述电子转移电阻与所述微电极模块未吸附目标微生物时的电子转移电阻的差值，作为电子转移电阻变化值，建立所述电子转移电阻变化值与目标微生物浓度的关系模型。

4.根据权利要求3所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述量程调节器；

所述量程调节器包括四个信号继电器以及分别与所述四个信号继电器连接的四个不同阻值的反馈电阻，所述信号继电器分别与所述微处理器的四个I/O口连接，实现所述微处理器对所述量程调节器的量程的自动选择。

5.根据权利要求4所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述阻抗测量模块还包括：

稳压器，其与所述阻抗测量芯片连接，用于为所述阻抗测量芯片提供稳定的电压；

触摸显示模块，用于检测结果显示和参数设置，其中所述参数设置中设置的参数包括样本编号、测量频率、静置时间、阈值。

6.根据权利要求5所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述I-V缓冲器与所述阻抗测量芯片的连接方式为：

所述I-V缓冲器的输出端通过反馈电阻RFB1连接到所述阻抗测量芯片的输入端VIN引脚，所述I-V缓冲器的输出端通过反馈电阻RFB1和反馈电阻RFB2连接到所述阻抗测量芯片的RFB引脚。

7.根据权利要求6所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述微电极模块包括基底、以及位于所述基底上的第一金电极、第二金电极、第一焊盘和第二焊盘；

所述第一金电极与所述第一焊盘连接，所述第二金电极与所述第二焊盘连接；所述第一金电极和第二金电极均由多个相同尺寸的指电极以相同的间距平行并联组合形成，并且所述第一金电极和第二金电极的指电极相互交叉；

所述第一金电极和第二金电极的指电极的表面上均修饰有目标微生物的生物识别材料。

8.根据权利要求7所述的阻抗生物传感器，其特征在于，所述阻抗生物传感器还包括：

USB模块，与所述微处理器连接，用于与所述微处理器进行信息存取操作；

串口模块，与所述微处理器连接，用于与所述微处理器进行通讯；

JTAG模块，与所述微处理器连接，用于对所述处理器进行测试；

储存器模块，与所述微处理器连接，用于存储所述微处理器中的数据；

电源模块，与所述微处理器、阻抗测量模块以及储存器模块连接，用于为所述微处理器、阻抗测量模块以及储存器模块供电。