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1、便携式多参数生化检测仪的研制第23卷第1期2005年3月广西师范大学(自然科学版)J0URNAL0FGUANGXIN0RMALUNIVERSITYVo1.23No.1March2005便携式多参数生化检测仪的研制巩祥鹏,张虹,韩泾鸿,夏善红(传感技术国家重点实验室,中国科学院电子学研究所,北京100080)摘要:多参数生化检测仪是基于MOS器件基本原理设计完成的,可以用来检测因待测物质浓度变化而引起的膜电位变化.文中介绍了该检测仪的基本原理,设计方案.研制出的便携式多参数生化检测仪技术指标达到:检测范围为pH014或O～5V,测量精度为pH0.1或1.0
2、mV,制成后的检测仪检测范围为O～1000mV,测量反应时间小于4s,可以使用外接9V直流电源或干电池.尺寸为134mm×70mm×20mm,重约150g,具有便携,使用简便,小型,稳定,可靠等优点,可以方便地用于实验室和室外测量现场,操作简单,无需专业人员.关键词:物理电子学;场效应管;生化检测仪;单片机中图分类号:TH79文献标识码:A文章编号:1001—6600(2005)01—0095—04多参数生化检测仪可以测量溶液中各种能够引起敏感膜电位变化的物质浓度,例如有机磷,抗生素,pH,尿素和蛋白质等.便携式多参数生化检测仪在化工,生物,医学,环保,
3、地质,海洋,科研和工农业生产各领域应用极其广泛.例如在临床医学上,现有的多参数生化检测仪大都为大型的光学分析系统,操作复杂,耗时,价格昂贵,中小型医院无力购买.我们研制的多参数生化检测仪具有便携,操作简便,价廉等特点,与现有的检测手段相比具有无可比拟的优势.便携式多参数生化检测仪的工作环境对其功耗,体积,电路和传感器的可靠性都提出了较高的要求.本文介绍的多参数生化检测仪采用中国科学院电子学研究所研制的离子敏感场效应管(ISFET)传感器,具有小型,稳定,可靠,响应快,输出阻抗低和易集成化等优点.1离子敏感场效应管(ISFET)传感器的工作原理离子敏感场效
4、应管(ISFET)是一种2O世纪7O年代发明并迅速发展的微型半导体化学传感器¨.利用绝缘层或在上面涂覆一层对离子有选择作用的敏感膜代替MOSFET金属铝栅,让敏感膜直接与溶液接触,从而调制ISFET的漏源电流的变化,利用这个特性就能检测溶液中离子的活度.图1显示了ISFET的基本结构.由以下Nernst方程可以得到离子敏感膜的膜电位为:,EM=EEE.±lga.(1)o±.(1)ziI'式中,71为温度,R为气体常数,F为法拉第常数,n为响应离子的活度,22为响应离子的电荷数.在饱和区工作时漏源电流表达式为:IDs一/1(U~s--),(2)其中为常数,
5、UG一EM+U..由(1),(2)式可以看出,如果保持漏源电流DS恒定,则参比电极上的控制电位c与n,的对数呈线性关系,按照原理设计出的前级电路如图2.收稿日期:2004—08—01基金项目:国家自然科学基金资助项目(60302002,90307014)作者简介:巩祥鹏(1982一),男,安徽涡阳人,中国科学院硕士研究生.广西师范大学(自然科学版)第23卷该前级电路采用反馈补偿的模式,其优点有:反馈补偿电路工作在ISFET的饱和区,饱和区的工作范围比非饱和区的工作范围宽得多,这就大大方便了电路的制作和调试,而且ISFET工作在饱和区时和璐无关,提高了前级
6、电路的精确度¨.图1ISFET的基本结构Fig.1ThestructureofISFET100KB100K图2前级电路Fig.2Drivingcircuit2便携式多参数生化检测仪的工作原理和设计方案便携式多参数生化检测仪的原理如图3所示,前级电路将待测离子活度口的对数值转化为电压信号.再经A/D转换器将电压信号转换成数字信号由单片机进行计算和显示.图3便携式多参数生化检测仪原理图Fig.3Thesketchofthemulti—parameterbiochemicalmeasurer3检测仪的软硬件实现以检测溶液中的pH值为例,我们设计检测仪时采用以下
7、方案.3.1lSFET测量溶液pH值时,检测仪使用的H一ISFET传感器稳定性小于1.0mv/h,响应时间小于1s(90%),灵敏度可以达到45～50mV/pH.3.2前级电路如图3所示,Us=0V不变,因而璐保持不变,运放1的输出等于.,运放2的正相输入为.,由于运放两输入端19的电压近似为零,即Ue一÷c,所以U.一2U一一.一,调整可以使前级电路输出.在0～5V之间.第1期巩祥鹏等:便携式多参数生化检测仪的研制973.3A/DMAX187是MAXIM公司生产的CMOS12位高速串行模数转换器,采用单一电源+5V供电,输入范围0～5V时,测量精度可以
8、达到s/2一0.0012V,相当于pH值0.025,完全满足设计要求[2].3.
