检测病原菌的阻抗生物传感器系统设计

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1、2015年4月农机化研究第4期检测病原菌的阻抗生物传感器系统设计11112许洋，谢玉芳，胡耀华，李敏通，LiYanbin(1．西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100;2．美国阿肯色大学生物与农业工程系，费耶特维尔AＲ72701)摘要:为了快速、准确地检测食品中有害病原菌的含量，设计了一种能够快速、定量、即时地检测出食品中多种病原菌的阻抗生物传感器系统。系统以STC89C52单片机为核心，使用键盘输入被测物种类，蛋白A修饰叉指微电极，应用电化学阻抗分析测量病原菌在不同浓度下的阻抗值，经过阻抗电压转换电路

2、、电压放大电路、A/D转换等信号处理，最终通过LCD显示出病原菌浓度含量，若病原菌含量超限则报警。该系统能定量检测出多种病原菌的含量，并可实现含量的LCD显示和超限报警。该系统采用软、硬件模块化设计方法，结构紧凑、成本低、分析速度快、灵敏度高。关键词:病原菌;传感器;叉指微电极;模块化中图分类号:TS203文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)04－0128－03DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.04.0311．1工作原理0引言本研究以病原菌为检测对象，通过蛋白A将病原国以民为

3、本，民以食为天，食以安为先。食品安菌抗体固定于金叉指阵列微电极表面，制备了一种阻［5］3－/4－全关系到国计民生，加强食品安全管理和监督是社会抗型传感器。以Fe(CN)6作为氧化还原对，经各界的重要任务之一。其中，食品中的病原菌是威胁过化学电阻抗谱表征电极表面修饰及抗原捕获过程，食品安全的重要因素，因此检测食品中的病原菌对保采用等效电路阐述其阻抗谱的变化。实验结果表明，障食品安全具有重大意义。待测溶液中病原菌浓度的对数值与叉指阵列微电极［1］［2］［6］传统的检测方法有色谱法和质谱法。这些的电子传递阻抗的变化值呈线性关

4、系。传感器系方法测定结果准确可靠，是当前的主流技术;但存在统将上面的输出信号进行电压放大、A/D转换等处［3］着仪器昂贵、操作复杂、分析费用高等不足，无法满理，然后由已知的定量检测模型得出表征被测物含量足食品现场检测准确、快速的要求，很难在实际检测的数值，并通过LCD装置进行显示，且可在超过安全中广泛应用。近几年来，通过综合引用微生物学、化值时进行报警。学、生物化学、生物物理学、免疫学以及血清学试验技1．2基本结构术，实现了对微生物进行分离、检测、鉴定和计数。与实现定量检测和自动报警等功能，单片机是核心传统方法比较，其

5、具有更快、更方便、更灵敏的优势。部件。本设计选用STC89C52单片机，它是一种低功目前，已有的检测方法如电阻抗法、流式细胞术、免疫耗、高性能CMOS8位微控制器，可满足系统工作的要检测技术、生物荧光法等新的快速检测方法中，生物求。该系统以STC89C52单片机为核心，包括阻抗测阻抗法是最易实现快速检测食品病原菌含量，具有操试模块、阻抗电压转换模块、电压放大电路模块、A/D［4］作简单、灵敏度高、特异性好、无需标记等优点。为转换模块和显示及报警模块，结构框图如图1所示。此，设计了一种可以快速、定量、即时地检测食品中多种

6、病原菌含量的阻抗生物传感器系统装置。1基本结构和工作原理收稿日期:2014－04－18基金项目:杨凌现代农业国际研究院培育项目(A213021005)作者简介:许洋(1988－)，男，辽宁锦州人，硕士研究生，(E－mail)2522148837@qq．com。通讯作者:胡耀华(1973－)，女，江西奉新人，副教授，博士生导师，博图1系统框图士，(E－mail)huyaohua@nwsuaf．edu．cn。Fig．1Controlblockdiagramofthesystem·128·2015年4月农机化研究第4期此系统

7、采用模块化设计不仅便于扩充不同测量2．3显示及报警模块设计单元，而且可防止各模块间相互干扰，利于仪器稳定。2．3．1显示电路设计传感器需要输出液晶显示结果，主要包括检测物2硬件选型及电路设计名及物质浓度等。本系统选用LCD1602液晶显示屏，2．1集成放大器选择它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而叉液晶模块，能够同时显示16×2(16列2行，即32个)指微电极输出的电压信号比较小，所以需要对叉指微字符，可满足显示检测物名称和浓度的要求。其显示［7］电极输出的电压信号进

8、行放大。主放大电路采用电路如图4所示。放大器ICL7650，其电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用及价格低廉等优点，广泛应用在［8］各种电路中。主放大电路如图2所示。图41602与单片机接口电路Fig．4Interfacecircuitof1602andMCU图2主放大电路2．3．2报警电路设计Fig．2Mainamp