基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置及检测方法

摘要

本发明公开了一种基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置及检测方法，所述放线菌酮浓度检测装置与计算机电连接；包括试验台，设于试验台上的检测盒、声表面波谐振器、电子计数器、振荡器、无线发射器和细胞电极芯片；振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路，计数器分别与无线发射器和振荡回路电连接，声表面波谐振器与细胞电极芯片电连接，无线发射器与计算机通信连接。本发明具有操作简单，检测灵敏性好，检测精度高，检测速度快；装置稳定性好，重复性好的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及溶液浓度检测技术领域，尤其是涉及一种检测准确性高，速度快的基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置及检测方法。

背景技术

现有的溶液浓度检测方法有仪器分析检测法和化学检测法，仪器分析检测法虽然操作简单，但是存在检测精度低的缺陷；化学检测法存在操作繁琐，重复性差的不足。

中国专利授权公开号：CN103528877A，授权公开日2014年1月22日，公开了一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统，包括1个触摸屏，负责接受现场人员的设置和操作；2个恒流泵，负责对反应液进行稀释；1个在线糖分析仪，负责糖浓度的在线检测；1个离线糖浓度分析仪，负责糖浓度的离线检测；1个嵌入式模块BL2100，作为系统的控制单元，控制恒流泵的流速以及糖浓度分析仪的动作，采集在线糖分析仪的糖浓度检测值，对采集值进行在线校正，得到生化反应器内准确的糖浓度检测值，并根据离线糖浓度分析仪的值对模型参数进行修正。该发明的不足之处是，检测精度低和重复性差的不足。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的检测方法检测精度低和重复性差的不足，提供了一种检测准确性高，速度快的基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置，所述放线菌酮浓度检测装置与计算机电连接；包括试验台，设于试验台上的检测盒、声表面波谐振器、电子计数器、振荡器、无线发射器和细胞电极芯片；振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路，计数器分别与无线发射器和振荡回路电连接，声表面波谐振器与细胞电极芯片电连接，无线发射器与计算机通信连接；

所述细胞电极芯片包括基板、设于基板上表面的钨对电极、钨参比电极和工作电极；所述细胞电极芯片平放于检测盒内，检测盒上设有可正对工作电极滴下放线菌酮溶液的微量泵，检测盒下部设有出液口；所述工作电极包括聚氨酯泡沫层、设于聚氨酯泡沫层上的镀铜层、设于镀铜层上的镀金层，镀金层的各个网孔内均设有小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞；基板下表面由内至外依次设有聚氨酯泡沫层和镀铜层；

所述试验台上设有L形支撑臂，支撑臂上设有圆盘，圆盘上设有n个分别盛有不同浓度的放线菌酮溶液的吊瓶；支撑臂中部设有位于圆盘下方的容器，容器内设有分别与进水管、进气管连接的搅拌装置，搅拌装置上设有若干个通孔，容器上设有盖板，容器下部设有出液管，微量泵与容器下端相连通；支撑臂通过可带动圆盘水平旋转的电机与圆盘相连接，各个吊瓶下端、进水管、出液管及进气管上均设有电磁阀，计算机分别与微量泵、电机和各个电磁阀电连接。

本发明的细胞电极芯片的工作电极包括聚氨酯泡沫层、设于聚氨酯泡沫层上的镀铜层、设于镀铜层上的镀金层；工作电极表面具有均 匀分布的三维网状孔结构，多层稳定的网状结构连接紧密，铜的机械性能良好，可防止网状结构变形、塌陷及表面的断裂可能。工作电极表面网孔的直径在0.15mm-0.35mm之间，而其内部的网孔直径越来越小，这种特殊的结构有利于分子或离子在网孔内自由移动，使得具有电活性的分子或离子可以进入网孔结构内部，增大了待测液与电极的接触面积，提高了工作电极的灵敏度及选择性。

镀金层具有隔离镀铜层和小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞的作用，因为铜对小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞具有毒害的作用，会降低小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞的活性，而金对小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞没有毒害作用，小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞活性更好，增加了工作电极的生物相容性，进一步提高了检测的灵敏度。

本发明的生物舌是由培养在工作电极上的小鼠菌状味蕾苦味味觉受体细胞构成，由于小鼠菌状味蕾苦味味觉受体细胞对放线菌酮有灵敏的响应，将小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞培养在工作电极表面作为味觉敏感元件，细胞受到味物质分子的刺激会产生特异性响应，同时释放出ATP和五羟色胺等神经递质类化学物质，这些物质具有还原性，被镀铜层氧化得到特异性电流响应，电流响应被声表面波串联谐振器捕捉到，以频率的形式检出，根据声表面波谐振器的检出频率就可以实现味物质信息检测的目标。

基板下表面上的镀铜层具有还原催化作用，会加快细胞释放出ATP和五羟色胺等神经递质类化学物质的还原反应速度，特异性电流 响应更强，检测的灵敏度更高。

因此，本发明具有操作简单，检测灵敏性好，检测精度高，检测速度快；装置稳定性好，重复性好的特点。

作为优选，所述搅拌装置为设于容器下部内的T形搅拌管，所述容器内设有竖筒，竖筒上边缘设有向外水平延伸的翻边，T形搅拌管的下边缘设有与翻边相适配的向内水平延伸的环形边，环形边上表面与翻边下表面间隙配合；

竖筒上部设有挡圈，挡圈上表面与环形边下表面相接触；竖筒下部与进水管、进气管相连接；

各个通孔分别位于T形搅拌管一端的外周面后部和另一端的外周面前部。

T形搅拌管可以一边搅拌一边向溶液中充入空气，从而提高溶液中的空气浓度，高含氧量的溶液可以提高小鼠菌状味蕾味觉受体细胞的活性，细胞活性好，则检测的灵敏度更高。

作为优选，所述T形搅拌管的外周面上部和下部均设有若干个通孔。

作为优选，声表面波谐振器包括压电基片、叉指换能器、2个反射栅、设于反射栅两侧的4个增益栅和分别设置于两个反射栅的远离叉指换能器一侧的两个吸声件；对电极和工作电极分别与设于叉指换能器上的2个连接端电连接。

一种基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(5-1)在圆盘的n个吊瓶中依次盛有浓度逐渐升高的放线菌酮溶液，计算机按照浓度升高的顺序为各个吊瓶由1至n依次编号，计算机中存储有1至n吊瓶中的放线菌酮溶液浓度k₁，k₂，...，k_n，吊瓶序号i的初始值为1，i＝1，…，n；

(5-2)将盖板从容器上取下，计算机控制出液管的电磁阀关闭，通过电机控制圆盘转动，使编号为i的吊瓶与容器对准，计算机控制该吊瓶的电磁阀打开，吊瓶内的放线菌酮溶液被倒进容器中；

(5-3)计算机控制与空气连通的进气管的电磁阀打开，搅拌装置边搅拌边向溶液内充入28至30℃的干燥空气，5至8分钟后计算机控制进气管的电磁阀关闭；

(5-4)计算机控制微量泵每隔时间T向工作电极滴下0.05m1的放线菌酮溶液，当滴完290至310滴后计算机控制微量泵停止滴液；在滴液的同时，计数器采集振荡回路的频率响应曲线，计算机在频率响应曲线上采集若干个频率值，将各个频率值构成频率信号S(t)；

(5-5)计算机中预设有二阶线性随机共振模型 $>\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+[4r^2+2\xi \left(t\right)+b{\xi }^2\left(t\right)]\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\omega }^{4}x\left(t\right)=A\cos \left(\mathrm{\Omega t}\right)+\mathrm{cS}\left(t\right),$>将S(t)输入二阶线性随机共振模型并使二阶线性随机共振模型共振；

其中，x(t)是振动质点的位移，Ω为角频率，r和ω分别是设定的衰减系数和线性振动质点的频率，c是设定的信号调解系数，b是设定的二次噪声ξ²(t)的系数，ξ(t)为三歧噪声，ξ(t)∈{-a，0，a}，a＞0，噪声的歧化过程遵循泊松分布，其概率分布为p_s(a)＝p_s(-a)＝q，p_s(0)＝1-2q，其中0＜q＜0.5；

噪声均值与相关性遵循<ξ(t)>＝0，<ξ(t)ξ(t+τ)>＝2qa²e^-λτ；

其中λ为相关率，三歧噪声ξ(t)的平直度为

当模型共振时，质点在某个位置产生共振，此时角频率Ω、衰减系数r、相关率λ、系数b、常数a、q都已经确定；

计算机利用公式计算并得到输出信噪比SNR_i；计算机查询编号为i的放线菌酮溶液的浓度k_i，并将k_i和SNR_i存储到计算机中；

(5-6)当i＜n，使i值增加1，计算机控制出液管的电磁阀打开，多余的溶液从容器中流出；用盖板盖住容器上部的开口，计算机控制出液管的电磁阀关闭，并将进水管的电磁阀打开，向容器内充入去离子水1至2分钟对容器进行搅拌清洗；将出液管的电磁阀打开，将去离子水放出；将进水管及出液管的电磁阀关闭，使进气管的电磁阀打开，向容器充入90℃至120℃干燥空气对容器进行烘干；计算机控制进气管的电磁阀关闭，转入步骤(5-2)；当i≥n，转入步骤(5-7)；

(5-7)计算机读取存储的放线菌酮溶液浓度k₁，k₂，...，k_n；计算机利用点(k₁，SNR₁)，(k₂，SNR₂)，...，(k_n，SNR_n)拟合成直线，根据拟合的直线得出放线菌酮浓度预测模型：

(5-8)将微量泵与盛有待检测放线菌酮溶液W的容器连通，并利用步骤(5-2)检测得到频率信号S(t)_w，将S(t)_w输入步骤(5-5)的二阶线性随机共振模型，使二阶线性随机共振模型共振；

并利用公式计算并得到与放线菌酮溶液对应的输出信噪比SNR_w；

(5-9)将SNR_w代入中，计算得到放线菌酮溶液W的浓度k_w。

作为优选，所述T为1至1.3秒。

作为优选，所述n为12至19。

作为优选，步骤(5-4)中计算机在频率响应曲线上采集等间隔分布的97至120个频率值。

本发明是通过检测已知浓度的放线菌酮溶液，得到放线菌酮浓度预测模型，并用放线菌酮浓度预测模型来检测未知浓度的放线菌酮溶液的浓度；检测的稳定性、可靠性好，灵敏度高，检测速度快。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)操作简单，检测灵敏性好，检测精度高，检测速度快；

(2)装置稳定性好，重复性好。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明的检测盒的一种结构示意图；

图3是本发明的声表面波谐振器的一种结构示意图；

图4是本发明的细胞电极芯片的一种结构示意图；

图5是本发明的实施例的一种流程图；

图6是本发明的一种结构示意图；

图7是本发明的T形搅拌管、竖筒和挡圈的一种结构示意图。

图中：声表面波谐振器1、电子计数器2、振荡器3、细胞电极芯片4、计算机5、基板6、对电极7、参比电极8、工作电极9、检测盒10、微量泵11、出液口12、支撑架13、容器14、试验台15、支撑臂16、圆盘17、吊瓶18、搅拌装置19、通孔20、压电基片21、叉指换能器22、反射栅23、增益栅24、吸声件25、连接端26、油漆涂层27、出液管28、电机29、电磁阀30、T形搅拌管31、竖筒32、翻边33、环形边34、挡圈35、盖板36、无线发射器37。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置，放线菌酮浓度检测装置与计算机电连接；包括试验台，设于试验台上的检测盒、声表面波谐振器1、电子计数器2、振荡器3、无线发射器37和细胞电极芯片4；振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路，计数器分别与无线发射器和振荡回路电连接，声表面波谐振器与细胞电极芯片电连接，无线发射器与计算机5通信连接；

如图4所示，细胞电极芯片包括ST切型石英制成的基板6、设于基板上表面的钨对电极7、钨参比电极8和工作电极9和油漆涂层27；对电极、参比电极和工作电极上表面均高于基板上表面1厘米。

如图2所示，细胞电极芯片平放于检测盒内，检测盒10上设有可正对工作电极滴下放线菌酮溶液的微量泵，检测盒下部设有出液口12，检测盒内还设有支撑架13；工作电极包括聚氨酯泡沫层、设于 聚氨酯泡沫层上的镀铜层、设于镀铜层上的镀金层，镀金层的各个网孔内均设有小鼠舌面菌状味蕾苦味味觉受体细胞；基板下表面由内至外依次设有聚氨酯泡沫层和镀铜层；

如图6、图7所示，试验台15上设有L形支撑臂16，支撑臂上设有圆盘17，圆盘上设有15个分别盛有不同浓度的放线菌酮溶液的吊瓶18；支撑臂中部设有位于圆盘下方的容器14，容器内设有分别与进水管、进气管连接的搅拌装置19，搅拌装置上设有35个通孔20；容器上设有盖板36，容器下部设有出液管28，微量泵11与容器下端相连通；支撑臂通过可带动圆盘水平旋转的电机29与圆盘相连接，各个吊瓶下端、进水管、出液管及进气管上均设有电磁阀30，如图1所示，计算机分别与微量泵、电机和各个电磁阀电连接。

如图3所示，声表面波谐振器包括压电基片21、叉指换能器22、2个反射栅23、设于反射栅两侧的4个增益栅24和分别设置于两个反射栅的远离叉指换能器一侧的两个吸声件25；对电极和工作电极分别与设于叉指换能器上的2个连接端26电连接。参比电极通过5V偏置直流电压与工作电极连接。

如图7所示，搅拌装置为设于容器下部内的T形搅拌管31，所述容器内设有竖筒32，竖筒上边缘设有向外水平延伸的翻边33，T形搅拌管的下边缘设有与翻边相适配的向内水平延伸的环形边34，环形边上表面与翻边下表面间隙配合；竖筒上部设有挡圈35，挡圈上表面与环形边下表面相接触；竖筒下部与进水管、进气管相连接；各个通孔分别位于T形搅拌管一端的外周面后部和另一端的外周面 前部；T形搅拌管的外周面上部和下部均设有10个通孔。

如图5所示，一种基于生物舌的放线菌酮浓度检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤100，为吊瓶编号 

在圆盘的15个吊瓶中依次盛有浓度逐渐升高的放线菌酮溶液，计算机按照浓度升高的顺序为各个吊瓶由1至15依次编号，计算机中存储有根据调配比例计算得到的1至15吊瓶中的放线菌酮溶液浓度k₁，k₂，...，k₁₅，吊瓶序号i的初始值为1，i＝1，…，15；

步骤200，将编号为i的吊瓶中的溶液倒入容器中

将盖板从容器上取下，计算机控制出液管的电磁阀关闭，通过电机控制圆盘转动，使编号为i的吊瓶与容器对准，计算机控制该吊瓶的电磁阀打开，吊瓶内的放线菌酮溶液被倒进容器中；

步骤300，对容器中的溶液搅拌并通空气

计算机控制与空气连通的进气管的电磁阀打开，搅拌装置边搅拌边向溶液内充入28℃干燥空气，5分钟后计算机控制进气管的电磁阀关闭；

步骤400，进行检测 

计算机控制微量泵每隔时间T向工作电极滴下0.05ml的放线菌酮溶液，当滴完300滴后计算机控制微量泵停止滴液；在滴液的同时，计数器采集振荡回路的频率响应曲线，计算机在频率响应曲线上采集若干个频率值，将各个频率值构成频率信号S(t)；

步骤500，数据处理 

计算机中预设有二阶线性随机共振模型 $>\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+[4r^2+2\xi \left(t\right)+b{\xi }^2\left(t\right)]\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\omega }^{4}x\left(t\right)=A\cos \left(\mathrm{\Omega t}\right)+\mathrm{cS}\left(t\right),$>将S(t)输入二阶线性随机共振模型并使二阶线性随机共振模型共振；

其中，x(t)是振动质点的位移，Ω为角频率，r和ω分别是设定的衰减系数和线性振动质点的频率，c是设定的信号调解系数，b是设定的二次噪声ξ²(t)的系数，ξ(t)为三歧噪声，ξ(t)∈{-a，0，a}，a＞0，噪声的歧化过程遵循泊松分布，其概率分布为p_s(a)＝p_s(-a)＝q，p_s(0)＝1-2q，其中0<q<0.5；

噪声均值与相关性遵循<ξ(t)>＝0，<ξ(t)ξ(t+τ)>＝2qa²e^-λτ；

其中λ为相关率，三歧噪声ξ(t)的平直度为

计算机利用公式计算并得到输出信噪比SNR_i；计算机查询编号为i的放线菌酮溶液的浓度k_i，并将k_i和SNR_i存储到计算机中；

步骤600，循环检测 

当i<15，使i值增加1，计算机控制出液管的电磁阀打开，多余的溶液从容器中流出；用盖板盖住容器上部的开口，计算机控制出液管的电磁阀关闭，并将进水管的电磁阀打开，向容器内充入去离子水2分钟对容器进行搅拌清洗；将出液管的电磁阀打开，将去离子水放出；将进水管及出液管的电磁阀关闭，使进气管的电磁阀打开，向容器充入高温空气对容器进行烘干；计算机控制进气管的电磁阀关闭，转入步骤200；当i≥15，转入步骤700；

步骤700，得出放线菌酮浓度预测模型

计算机读取存储的放线菌酮溶液浓度k₁，k₂，...，k₁₅；计算机利用点(k₁，SNR₁)，(k₂，SNR₂)，...，(k₁₅，SNR₁₅)拟合成直线，根据拟合的直线得出放线菌酮浓度预测模型：

步骤800，检测未知浓度的放线菌酮溶液W

将微量泵与盛有待检测放线菌酮溶液W的容器连通，并利用步骤200检测得到频率信号S(t)_w，将S(t)_w输入步骤500的二阶线性随机共振模型，使二阶线性随机共振模型共振；

并利用公式计算并得到与放线菌酮溶液对应的输出信噪比SNR_w；

步骤900，得到放线菌酮溶液W的浓度

将SNR代入中，计算得到放线菌酮溶液W的浓度k_w。

本实施例中，T为1秒，步骤500中计算机在频率响应曲线上采集等间隔分布的100个频率值。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。