基于電化學(xué)傳感器的菌量實(shí)時檢測系統(tǒng)

周永軍，牛中奇，盧智遠(yuǎn)，張　輝，侯建強(qiáng)

(1．咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，陜西咸陽　712000；2．西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安　710071)

0　引言

對細(xì)菌快速、準(zhǔn)確檢測在環(huán)境檢測、食品安全檢測、微生物研究等方面具有重要意義。常規(guī)細(xì)菌檢測方法主要有培養(yǎng)法、免疫學(xué)方法、分子生物學(xué)方法等，但上述方法存在耗時長，費(fèi)用高，對設(shè)備、人員及環(huán)境要求高的問題，因而限制其推廣普及范圍。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注微生物自身的熱學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)，提出一系列新型微生物快速檢測方法，其中生物電化學(xué)方法因具有直觀、測量快速、操作簡單、測量設(shè)備成本低、信號具有可控性等特點(diǎn)備受關(guān)注，發(fā)表了不少相關(guān)研究文章[1-5]。

基于細(xì)菌代謝和基質(zhì)氧化還原機(jī)理，文中設(shè)計一種能實(shí)時測定奶乳制品含菌量的檢測裝置，通過與傳統(tǒng)平板培育法的試驗(yàn)對比，該裝置10 min給出含菌量檢測值與平板培育法(培養(yǎng)時間24 h)測得的數(shù)值相吻合。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和檢測原理

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在自行設(shè)計并制作的生物電池盒基礎(chǔ)上搭建了含菌量實(shí)時檢測系統(tǒng)，如圖1所示，其由微機(jī)板、電源板、生物電池盒、同軸電纜組成。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1．2檢測原理

式(1)為電化學(xué)能斯特方程：

(1)

式中：Φ為電池的電動勢；Φ0為電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢；c(還原態(tài))、c(氧化態(tài))是電池反應(yīng)中各物質(zhì)的濃度，mol/L；n為反應(yīng)過程中得失電子數(shù)。

由上式可知隨著試樣含細(xì)菌量的不同，相應(yīng)底物中被極化基質(zhì)的量也不同，導(dǎo)致電極間電子失衡態(tài)勢不同，陰極、陽極受理氧化、還原作用電子數(shù)量也就不同，生物電池盒信號輸出就會產(chǎn)生變化，因此可通過檢測輸出信號得知被檢樣品的含菌量。

2　生物傳感器設(shè)計

2．1生物電池盒

將色素還原法[4]應(yīng)用于生物電池可實(shí)現(xiàn)樣品含菌量的檢測。設(shè)計的生物電池盒如圖2所示。

圖2　生物電池盒原理圖

電池陰極和陽極間安裝有陰離子交換膜(目的是為了防止電池盒內(nèi)的被測試樣與磷酸緩沖液交融)，陰極為貴重金屬鉑，陽極為過氧化銀，緩沖液采用0．1 mol濃度單位磷酸緩沖液(其作用是為了保證不因pH值變化而使細(xì)菌的生育條件惡化)。

2．2電池盒電化學(xué)反應(yīng)

細(xì)菌代謝與電子發(fā)生過程如圖3所示。

圖3　細(xì)菌代謝過程說明圖

電池盒內(nèi)基質(zhì)因細(xì)菌資化而生成代謝物質(zhì)，細(xì)菌使基質(zhì)養(yǎng)分氧化最終生成H2O和CO2，細(xì)菌就是依賴此種反應(yīng)能量而得以生存。輔酶(1)NAD+、輔酶(2)FAD+起著傳遞氫和催化作用，基質(zhì)中的H因輔酶(1)催化向NAD+遷移形成NADH(可還原成NAD+)，NADH因輔酶(2)催化使FAD+受H還原為FADH，由輔酶輸送的H最終被陽極氧化形成H2O．上述氧化還原存在電子(e-)的授受，有電流形成。

陽極表面溶液中的氫離子被陽極(Ag2O2)氧化形成氫離子。用化學(xué)式表示為：

Ag2O2+4H→2Ag+2H2O

(2)

綜合反應(yīng)式為：

4FADH+Ag2O2→4FAD+2Ag+2H2O

(3)

通過測定陰、陽極氧化、還原過程的電流或電壓就可以實(shí)現(xiàn)含菌量的檢測。該研究著眼于電壓測定。

3　信號采集、處理

3．1前置放大單元

生物電池盒輸出的電信號量值較小(μA級)，直接用其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確檢測是非常困難(易受到外界電信號干擾)，加之考慮相位補(bǔ)償、電源波動、干擾濾除及放大器自身影響等多種不利因素，故先將電池盒輸出信號經(jīng)如圖4所示的基于ICL7650[6]的程控放大器放大后，再進(jìn)行信號后續(xù)處理。

圖4　基于ICL7650前置放大電路

該程控放大器不但具有較高的信噪比、高共模抑制比，高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)，且其閉環(huán)放大倍數(shù)為50，可對生物電池盒輸出信號進(jìn)行有效放大。

3．2DSP芯片

DSP系統(tǒng)采用TMS320LF2407A[7]作為主控芯片，其內(nèi)部集成了高速的CPU內(nèi)核和各種外設(shè)器件，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部具有2套分別獨(dú)立的程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線，高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，供電電壓為3．3 V，指令的執(zhí)行速度可以達(dá)到40 MIPS，指令周期僅為25 ns，運(yùn)算速度快，具有544字片內(nèi)雙存取RAM；2 K單存取RAM和32 K的閃存；2個事件管理器模塊EVA和 EVB；16通道A/D轉(zhuǎn)換器，同時在芯片內(nèi)部集成了多種的通訊外設(shè)接口，方便用戶進(jìn)行通訊擴(kuò)展。

生物電池盒輸出的微弱電信號經(jīng)前置放大電路放大及濾波后，送至DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器中，在DSP內(nèi)部完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理的工作。最終測量結(jié)果可分別通過數(shù)字和模擬形式兩種情況顯示出來。

4　試驗(yàn)結(jié)果和討論

為了避免外界溫度對測量結(jié)果影響，測量系統(tǒng)中設(shè)置恒溫加熱槽使生物電池盒內(nèi)溫度保持在25 ℃左右，為了避免整個試驗(yàn)受環(huán)境細(xì)菌影響，先用紫外線燈對操作室進(jìn)行滅菌1 h且室溫控制在(25±0．2)℃．

用檢測裝置對受到環(huán)境細(xì)菌污染(0～2 h)的8組不同狀況的奶乳制品樣本含菌量進(jìn)行了檢測。結(jié)果如表1所示，圖5為它們之間的對應(yīng)關(guān)系圖。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　電壓-細(xì)菌數(shù)曲線圖

圖5中，點(diǎn)代表8組不同樣品中含菌量的數(shù)值和對應(yīng)電壓值，線為DSP中預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)曲線。從圖中可見在試樣無菌情況下，傳感器的輸出仍有57mV，這和式(1)中描述相一致。該裝置可以測取103～1012區(qū)間的細(xì)菌數(shù)目，它的檢測下限是在103，而文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[8]的細(xì)菌檢測下限均在104以上，另外，還可以看出該裝置測量結(jié)果具有較好的線性，但是還存在一定的誤差，其原因有以下幾個方面：由于生物傳感器輸出的電信號微弱，加上測量環(huán)境電磁干擾和放大器自身的影響；可能是加入溶液的試劑、試樣和激勵劑的不均勻性；測試過程中溫度的變化所引起的誤差。這些問題尚需要進(jìn)一步解決和完善，但該技術(shù)就其簡便的操作和極快的檢測速度足以彌補(bǔ)其他方面的缺陷，測試結(jié)果表明所研制的奶乳制品含菌量實(shí)時檢測系統(tǒng)能滿足實(shí)時檢測的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[5]馮德榮，朱思榮．SBA-60型四電極生物傳感分析系統(tǒng)的研制．山東科學(xué)，1998(2)45-49．

[6]吳祖國．ICL7650 斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用．國外電子元器件，2003(4)：41-42．

[7]江思敏 TMS320LF240X DSP硬件開發(fā)教程．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：202-212．