快速检测毒死蜱和大肠杆菌的便携式阻抗生物传感器仪器研究

摘要

阻抗生物传感器由于其测量速度快，免标记等优点在食品安全快速检测应用中受到越来越多的关注。但是目前由于商业阻抗生物传感测量仪器存在体积大、价格高、操作复杂等缺点，限制了该技术的应用。
　　本课题以常见的农药残留和食源性致病菌为研究对象，以微电极阻抗生物传感器技术为检测手段，确立了检测等效电路模型和较优检测频率，开发了一种便携式阻抗生物传感器仪器及其配套软件。通过多种手段评估其检测性能，验证了该仪器替代大型商业阻抗测量仪器的可行性，为食品安全现场快速检测提供技术保障。
　　本文的主要研究内容和结果如下：
　　(1)研究了阻抗生物传感器快速检测农药残留的方法。建立了微电极阻抗生物传感器叠加法检测毒死蜱农药的回归方程，确定了检测毒死蜱的较优工作频率。建立了检测毒死蜱的等效电路模型，创新性地研究了等效电路模型参数与测量阻抗值之间相关性。研究发现，在特定频率下测量阻抗值与等效电路中的电子转移电阻之间存在线性关系。这为采用测量阻抗值来直接检测未知样品浓度的方法提供了理论依据。
　　(2)研究开发了便携式阻抗生物传感器仪器系统，包括仪器主机、微型打印机以及上位机管理软件。仪器可在多频率和多电压下进行精确的阻抗测量，解决了商业仪器体积大、价格高、操作复杂且不适合现场检测等问题。
　　(3)研究开发了可快速插拔的阻抗生物传感器仪器的标定模块，为仪器标定服务。确立了标定模块的等效电路模型，研究了模块的寄生电感和寄生电容等参数与标称阻抗值之间的关系，验证了模块用于阻抗标定的可行性。
　　(4)综合评估了便携式阻抗生物传感器仪器样机的检测性能。评估了便携式仪器测量商业校准模块的精度。与商业阻抗仪器比较，便携式仪器对校准模块的最大阻抗测量误差为1.21％，最大相位误差为0.670°。研究了三种缓冲液的阻抗测量稳定性，发现溶液阻抗存在不稳定性，但多次测量后溶液阻抗逐渐趋于稳定。对稳定后的两种缓冲液（KPL洗液和manitol溶液）进行评估。与商业仪器相比，在三个测量频率下(1 kHz、10 kHz和100 kHz)，便携式仪器对两种缓冲液的最大阻抗测量相对误差为4.60％，八次测量两种缓冲液的最大阻抗变异系数为0.94％。由于抗毒死蜱农药研究抗体在仪器样机评估前已经消耗完毕，因此无法进行农药残留的评估。此外为减少阻抗测量信号的不稳定性，本研究直接评估检测经过免疫磁分离后的大肠杆菌O157∶H7样品。便携式仪器测量大肠杆菌O157∶H7样品的最大阻抗误差为2.91％，最大相位误差为1.892°，均发生在100 kHz测量频率下。仪器测量时间小于5秒。通过评估，表明了开发的便携式阻抗生物传感器仪器具有测量精度高、速度快等优点，验证了该便携式仪器替代大型商业阻抗测量仪器的可行性。它的研发成功为食品安全快速检测提供了一种有效的技术手段。

目录

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摘要

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第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 现有检测技术

1．2．1 食源性致病菌检测技术

1．2．2 农药残留快速检测技术

1．2．3 生物传感器技术

1．3 阻抗生物传感器

1．3．1 阻抗生物传感器致病菌检测研究进展

1．3．2 阻抗生物传感器农药残留检测研究进展

1．3．3 阻抗生物传感器商业阻抗测量仪器

1．3．4 阻抗生物传感器仪器化研究进展

1．4 国内外研究中尚存在的问题

1．4．1 等效电路模型应用问题

1．4．2 阻抗测量信号稳定性问题

1．4．3 便携式阻抗生物传感器仪器研究

1．5 研究目的、内容和技术路线

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

1．6 本章小结

第二章 阻抗生物传感器检测农药残留研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试剂与材料

2．2．2 仪器与设备

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 阻抗生物传感器制备过程表征

2．3．2 检测毒死蜱的较优频率研究

2．3．3 检测毒死蜱的回归模型

2．3．4 等效电路分析

2．3．5 电子转移电阻与测量阻抗值相关性

2．4 本章小结

第三章 便携式阻抗生物传感器仪器硬件研究

3．1 引言

3．2 仪器功能

3．3 仪器硬件

3．3．1 微处理器

3．3．2 键盘模块

3．3．3 阻抗测量模块

3．3．4 电源管理模块

3．3．5 通讯模块

3．3．6 液晶显示模块

3．3．7 数据存储模块

3．3．8 电压采样模块

3．3．9 时钟模块

3．3．10 声光提醒模块

3．3．11 I／O扩展模块

3．4 仪器外观

3．4．1 前面板

3．4．2 上面板

3．4．3 后面板

3．5 仪器基本工作过程

3．6 本章小结

第四章 便携式阻抗生物传感器仪器软件研究

4．1 引言

4．2 下位机软件

4．2．1 阻抗测量

4．2．2 电压检测

4．2．3 液晶模块

4．2．4 存储模块

4．2．5 串口通讯

4．2．6 键盘编程

4．3 上位机软件

4．3．1 软件功能

4．3．2 软件界面

4．4 本章小结

第五章 便携式阻抗生物传感器仪器标定模块研究

5．1 引言

5．2 设备和材料

5．3 研究方法

5．4 结果与分析

5．4．1 标定模块阻抗特性

5．4．2 标定模块等效电路

5．4．5 标定模块测量

5．5 本章小结

第六章 便携式阻抗生物传感器仪器评估研究

6．1 引言

6．2 实验材料和方法

6．2．1 实验材料

6．2．2 仪器设备

6．2．3 实验方法

6．3 实验结果

6．3．1 商业校准模块评估

6．3．2 缓冲液阻抗测量稳定性研究

6．3．3 EDS仪器测量缓冲液性能评估

6．3．4 细菌样品测量评估

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

作者简历