CN204679444U - 一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪 - Google Patents
一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪，包括三电极系统、恒电位系统、信号检测系统、供电系统和外围系统，所述三电极系统包括集工作电极、参比电极和辅助电极于一体的三电极免疫传感器；所述恒电位系统通过恒电位电路向工作电极与参比电极之间提供0~1V，步进0.01V可调的稳定恒定工作电压，电压值由单片机及数模转换电路控制；免疫传感器产生的电流信号由辅助电极传向信号检测系统，再通过单片机将模拟量信号转换成数字量信号，并在单片机中进行程序处理；所述单片机与外围系统控制连接。该检测仪携带方便、操作工艺简单，检测快速准确，可实现组胺残留的定性定量测量。
Description
技术领域
本实用新型属于食品安全检测设备领域，更具体地，涉及一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪。
背景技术
组胺是广泛存在于动植物体内的一种生物胺，是由组氨酸脱羧而形成的，通常贮存于组织的肥大细胞中。在体内，组胺是一种重要的化学递质，当机体受到某种刺激引发抗原-抗体反应时，引起肥大细胞的细胞膜通透性改变，释放出组胺，与组胺受体作用产生病理生理效应。因此组胺是维持机体正常生理功能所必需的，但当人体血液中的生物胺过量超过人体对生物胺的代谢能力时，会引起过敏反应，严重的还会危及生命。摄入8 ~ 40 mg组胺会产生轻微的中毒症状，超过40 mg产生中等中毒症状，超过100 mg产生严重中毒症状。美国FDA通过对爆发组胺中毒的大量数据的研究，确定组胺的危害作用水平为500 mg/kg（食品）。近年来，我国在广东、浙江、山东等多地都爆发过组胺中毒事件，据报道，仅杭州下城区，在1997年至2006年的十年间就发生7次组胺中毒事件。因此，组胺含量对于保障消费者健康具有十分重要的意义，目前国内外把组胺列为水产品的必检项目。
目前组胺残留分析的主要方法是比色法、薄层色法、毛细管电泳法、气相色谱法、液相色谱、酶生物传感器法等。比色法、薄层色法灵敏度低，特异性差；毛细管电泳法、气相色谱法、液相色谱等仪器法定量结果精确稳定，但是仪器设备昂贵，成本高，检测通量低，需要专业人员操作。生物传感器法多采用酶将组胺氧化，产生双氧水，通过测定双氧水的量间接测得组胺，但是该方法特异性差，易受其他胺类化合物影响，采用的酶难以商业化，且仪器及耗材较为昂贵，步骤比较繁琐，耗时长，不适合现场快速检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪。该检测仪携带方便、操作工艺简单，检测快速准确，可实现组胺残留的定性定量测量，具有灵敏度高，稳定性好、重现性好等优点，符合我国水产品中组胺残留快速检测技术发展和国际化要求。
本实用新型的上述目的是通过以下技术方案予以实现的。
一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪，包括三电极系统、恒电位系统、信号检测系统、供电系统和外围系统，所述三电极系统包括集工作电极、参比电极和辅助电极于一体的三电极免疫传感器，所述免疫传感器的工作电极表面有普鲁士蓝-壳聚糖-纳米金复合膜，所述工作电极上固定有组胺包被原；所述恒电位系统通过恒电位电路向工作电极与参比电极之间提供0~1V，步进0.01V可调的稳定恒定工作电压，电压值由单片机及数模转换电路控制；免疫传感器产生的电流信号由辅助电极传向信号检测系统，再通过单片机将模拟量信号转换成数字量信号，并在单片机中进行程序处理；所述单片机与外围系统控制连接。
本实用新型组胺快速检测仪基于抗原抗体特异性识别的电化学免疫分析技术，所述免疫传感器采用复合膜材料修饰的工作电极，并固定有组胺包被原。检测时，恒电位系统向三电极免疫传感器加上恒定电压后，免疫传感器接触组胺前后由于竞争免疫反应而发生微弱电流信号的变化，免疫传感器产生的电流信号通过辅助电极进入检测电路，并通过单片机进行模数转化，对数据进行处理判断后显示组胺的浓度、竞争结合率等参数，对样品中组胺含量进行定性定量测定。所述检测仪快速、简便、灵敏，低成本，无需专业操作人员。同时，所述单片机与外围系统控制连接，可自行选择是否存储或打印输出，实现数据处理及人机交互功能，使本检测仪便携易用，并能根据用户需求进行功能拓展。
优选地，所述外围系统包括显示与打印存储系统电路。优选地，所述显示与打印存储系统电路由显示器电路、打印电路和存储器电路组成。显示器用于显示数据，由操作按键进行控制，作为用户进行控制的界面。打印存储系统电路分别与微型打印机以及存储器相连进行数据打印和存储。更优选的，显示屏采用 3.5 寸的LCD液晶显示屏，微型打印机采用微型嵌入式打印机，或者提供标准RS232接口供用户自行外接便携式打印机，其尺寸和功耗满足便携式的功耗要求。
优选地，所述外围系统还包括警示提示和操作按键。
优选地，所述供电系统包括电源、开关电源整流变换器、电压变换芯片。所述供电系统将交流电（市电220V/50Hz交流电）转换成直流电，并经过电压变换电路分别向各系统电路供电。
优选地，所述信号检测系统采用多片ICL7650运放芯片、电容和电阻构成检测电路，对免疫传感器产生的电流信号进行I/V转换，放大，滤波。
优选地，所述恒电位系统中采用LM324多路运放芯片构成恒电位电路。所述恒电位系统提供的恒定电压大小由单片机输出数字信号经数模转化电路，再由恒电位电路向三电极系统提供0~1V，步进0.01V可调的恒定电压。
优选地，所述单片机采用STM8S208C8T6。所述单片机内置有A/D转换功能，将检测电路处理后的模拟量信号转换成数字量信号。
优选地，所述数模转换电路是由DAC0832数模转化芯片构成的电路。
优选地，所述三电极免疫传感器采用丝网印刷电极。丝网印刷电极集工作电极、参比电极和辅助电极于一体，将丝网印刷电极作为免疫生物传感器，不需要额外使用甘汞参比电极（或氯化银参比电极）和铂对电极，且用完可丢弃。
优选地，所述单片机集成所述恒电位控制、信号检测与处理，及外围系统的控制。更优选地，所述单片机集成外围系统中警示提示音控制、结果显示、数据打印与存储、操作步骤提醒、操作按键检测，帮助用户快速掌握仪器的使用方法以及进行数据打印和存储，方便以后进行数据的检查和处理。
优选地，所述电源为+12V输出，经电压变换芯片提供+5V，-5V及+3.3V的直流电压。
相较于现有技术，本实用新型的有益效果在于：本实用新型组胺快速检测仪携带方便、操作工艺简单，检测快速准确，可实现组胺残留的定性定量测量，具有灵敏度高，稳定性好、重现性好等优点，符合我国水产品中组胺残留快速检测技术发展和国际化要求。
附图说明
图1为本实用新型组胺快速检测仪的结构示意框图。
图2为本实用新型的恒电位电路图。
图3为本实用新型的信号检测系统电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
首先，对本实用新型的结构示意框图加以说明；其次，对恒电位电路进行详细说明，及对信号检测处理系统检测电路加以详细说明；最后，对整个系统及检测流程加以说明。
图1为本实用新型一种电流型免疫传感器组胺残留快速检测仪的结构框图。如图1所示，所述检测仪由三电极系统、恒电位系统、信号检测系统、供电系统和外围系统组成。其中，三电极系统包括集工作电极、参比电极和辅助电极于一体的三电极免疫传感器，所述三电极免疫传感器采用丝网印刷电极。所述免疫传感器的工作电极表面有普鲁士蓝-壳聚糖-纳米金复合膜，所述复合膜中纳米金与普鲁士蓝(Fe4[Fe(CN)6]3)的摩尔浓度比为1:2000~1:20，壳聚糖质量体积含量为0.01%~0.05%，所述工作电极上固定有10 μg/mL的组胺包被原。
所述恒电位系统通过恒电位电路向工作电极与参比电极之间提供0~1V，步进0.01V可调的稳定恒定工作电压，电压值由单片机及数模转换电路控制。所述恒电位系统中采用LM324多路运放芯片构成恒电位电路。免疫传感器产生的电流信号由辅助电极传向信号检测系统，所述信号检测系统通过单片机将模拟量信号转换成数字量信号，并在单片机中进行程序处理；所述单片机与外围系统控制连接。所述数模转换电路是由DAC0832数模转化芯片构成的电路。所述信号检测系统采用多片ICL7650运放芯片、电容和电阻构成检测电路。
所述供电系统包括电源、开关电源整流变换器、电压变换芯片；所述电源为+12V输出，经电压变换芯片提供+5V，-5V及+3.3V的直流电压。所述外围系统包括显示与打印存储电路、警示提示电路和操作按键。所述单片机采用STM8S208C8T6，单片机集成所述恒电位控制、信号检测与处理，及外围系统中警示提示音控制、结果显示、数据打印与存储、操作步骤提醒、操作按键检测。
所述三电极系统通过三电极免疫传感器采集待测液中的微弱电流信号，信号检测系统将三电极免疫传感器采集而来的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波，将模拟量输入单片机的A/D转换端口，通过单片机内置的A/D转换功能进行处理。外围系统中的显示与打印存储系统将组胺浓度、竞争结合率等参数显示出来，并将数据存储下来以便用户及时查看和进行数据分析。本实施例的检测仪还包括微型打印机，可以将数据进行相应的打印输出。所述信号检测系统内部的单片机对显示与打印存储系统统一进行编程控制。供电系统将交流电转换成三路直流电为各系统电路以及微型打印机供电。
图2为本实用新型的恒电位电路图，所述恒电位系统的恒电位电路为三电极系统及检测电路提供稳定的工作电压，
所述恒电位电路由LM324多路运放中的两路运放，即U4A、U4B及外围辅助电路构成，其中U4B与R11、C7构成电压深度负反馈，维持工作电极和参比电极之间的电压恒定。
图3为本实用新型的信号检测系统电路图。所述信号检测系统中的检测电路采用高输入阻抗运放差分放大电路，使用较小电阻R6对电流进行采样，得到微小电压差，U1、U3两个同相运放构成输入极，通过两个运放进行差分放大可得到电压差的增益为 ，其中，，，形成严格对称，构成差分放大电路。本电路能对微小电流进行I/V转换放大，且对三电极系统中的电化学反应影响较小，基本可以忽略。
本实用新型检测仪的检测方法：首先，取4℃保存的酶标抗体溶液（含0.05%叠氮化钠）10μL，用磷酸盐缓冲液稀释1000 倍，然后取两份等体积的酶标抗体溶液分别与等体积的磷酸盐缓冲液（空白组）和样液混合均匀，取6μL滴涂在预先处理好的丝印电极工作区域室温孵育30 min，待测。将制备好的免疫传感器放入待测液中，测得在添加过氧化氢前后的电流分别为I1，I2和I3，I4；空白组的峰电流差DI0（I2-I1）也可以采用系统默认值。最后，通过单片机微控制器上运行的检测程序自动计算出竞争结合率(I%)，计算公式如下：
通常如果检测溶液中含有组胺，就会与电极表面的包被原竞争结合酶标抗体，导致电流变化值DI（I4-I3）小于DI0（I2-I1）。DI 与 DI0 的差值愈大，即竞争结合率愈大，表明检测溶液中组胺浓度愈高；DI 与 DI0 的差值愈小，即竞争结合率愈小，表明检测溶液中组胺残浓度愈低。
目前认为当竞争结合率≥50％时，组胺残留超标；当竞争结合率＜50％时，组胺残留未超标。
单片机微控制器根据得到的竞争结合率做出定性结论，将结果送到显示屏显示，并将最后结果打印输出，数据同时一并进行存储供相关人员以后的查找和研究。本实用新型单片机微控制器上运行的检测程序还包含屏幕跳转演示和对重要步骤提示的对话框、打印提示，可以帮助用户快速掌握仪器的使用方法。
本实用新型检测仪操作步骤：首先，将校准的免疫传感器放入测试溶液中进行检测准备。然后，按下仪器开关键，系统初始化后进入首页，显示屏旁边有校准、检测、复位和打印四个按键。第一次点击校准按钮，开始检测并显示读数I1；在测试溶液中加入30μL 0.48 mmol/L H2O2后，第二次点击校准之后，观察提示，显示结果I2；点击打印，打印结果并保存。类似，第一次点击检测按钮，开始检测并显示读数I3；在测试溶液中加入30μL 0.48 mmol/L H2O2后，第二次点击检测之后，观察提示，显示结果I4；点击打印，打印结果并保存，并自动计算出DI0（I2-I1）和DI（I4-I3）。通过两个电流差自动计算该样品液对酶标抗体的竞争结合率。选择适当的关系曲线计算提取液的目标组胺浓度，并折算成样品中目标组胺的含量，最后自动生成测定结果报告。按下打印键，将印有前后两次检测电压、组胺竞争结合率以及组胺检测浓度的数据进行打印输出。
显然，以上所述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电流型免疫传感器的组胺快速检测仪，其特征在于，包括三电极系统、恒电位系统、信号检测系统、供电系统和外围系统，所述三电极系统包括集工作电极、参比电极和辅助电极于一体的三电极免疫传感器，所述免疫传感器的工作电极表面有普鲁士蓝-壳聚糖-纳米金复合膜，所述工作电极上固定有组胺包被原；所述恒电位系统通过恒电位电路向工作电极与参比电极之间提供0~1V，步进0.01V可调的稳定恒定工作电压，电压值由单片机及数模转换电路控制；免疫传感器产生的电流信号由辅助电极传向信号检测系统，再通过单片机将模拟量信号转换成数字量信号，并在单片机中进行程序处理；所述单片机与外围系统控制连接。
2.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述外围系统包括显示与打印存储系统电路。
3.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述供电系统包括电源、开关电源整流变换器、电压变换芯片。
4.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述信号检测系统采用多片ICL7650运放芯片、电容和电阻构成检测电路。
5.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述恒电位系统中采用LM324多路运放芯片构成恒电位电路。
6.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述单片机采用STM8S208C8T6。
7.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述数模转换电路是由DAC0832数模转化芯片构成的电路。
8.根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述三电极免疫传感器采用丝网印刷电极。
9. 根据权利要求1所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述单片机集成所述恒电位控制、信号检测与处理，及外围系统的控制。
10.根据权利要求3所述的组胺快速检测仪，其特征在于，所述电源为+12V输出，经电压变换芯片提供+5V，-5V及+3.3V的直流电压。
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|---|---|---|---|---|
| CN105424770A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-03-23 | 中国科学院电子学研究所 | 一种用于直接电化学免疫传感器检测的电化学检测仪 |
| CN108267600A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-07-10 | 广东农工商职业技术学院(农业部华南农垦干部培训中心) | 硫堇嵌合氧化石墨烯在孕酮检测方面的应用及孕酮快速检测仪 |
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