一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，由免疫传感器，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成。在石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物修饰的工作电极表面固定农药抗体，制备了免疫传感器，三电极系统通过免疫传感器接触农药前后电流的变化来测定农药的浓度。信号处理电路将采集的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波，A/D转换最终将数字量信号送入微控制器进行程序处理；该检测仪可对检测样品中的农药残留量是否超标及浓度值进行显示、存储和打印。本发明的电流型免疫传感器农药残留快速检测仪可准确快速的检测样品中是否含有某种农药及是否超标等信息，非常适合对农药残留进行现场快速检测的场合。
【专利说明】一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种农药残留快速检测仪，尤其涉及一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，属于农产品安全检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]现在生产领域中应用的农药种类已经达到100多种，对农业保持丰收增产起到了很大的作用，其已成为重要的一种生产资料。伴随着改革开放的深入进行，在一些常熟地区，农药事业的发展速度变得很快。因农业机械化正在不断推进，农药的大面积使用是不可缺少的。但因农药的不合理的使用，造成了诸多的环境问题，如农田生态系统被破坏等。农药的大量使用，在保证了粮食等农作物大量稳产的同时，也带来了诸多的环境问题。在植物、土壤和水体中残留的农药有两种残存的形式:第一种保持原有的化学结构；第二种以化学转化后的产物或被生物降解产物的形式残存。因此，农药残留问题不容忽视。
[0003]目前农药残留分析的主要方法是气相色谱仪、液相色谱仪、气质联用仪、液质联用仪等，这些方法虽然分析精度高，定量准确，但其样品的前处理复杂、检测耗时长、成本高、需要技术熟练的操作人员。我国农药残留的速测方法是酶抑制试纸法和酶抑制分光光度法(农残快速检测仪)，可以实现有机磷农药及氨基甲酸酯类农药的现场快速检测，具有较好的实用价值。速测卡是通过肉眼观察卡片的颜色变化，因此一般只能用于严重超标的蔬菜样品进行定性测量。酶抑制分光光度法的应用也比较广泛，国内已有多种农药残留速测仪均是基于此原理。分光光法的原理是基于吸光度的变化进行检测的，但蔬菜水果中大量的色素会对分光光度法造成很大的影响，导致检测结果的不准确。并且上述方法存在回收率低、错检、漏检比例较高、重复性差、难以满足低残留和定量检测的要求等缺点。
[0004]发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，具有携带方便、检测快速准确、操作简单、可专门测定农产品中某种农药残留是否超标及浓度信息。
[0005]本发明一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的基本原理是:三电极系统将免疫传感器接触农药前后由于免疫反应而导致微弱电流信号的变化，检测电路将免疫传感器产生的电流信号进行采集。检测电路将采集而来的微弱电流信号进行Ι/v转换，放大，滤波，A/D转换最终将数字量信号送入单片机进行程序处理。最后，显示与打印存储系统将农药残留的浓度、抑制度等参数显示出来，并将数据存储下来以便用户及时查看和进行数据分析。本发明的检测仪内含微型打印机，可以将数据进行相应的打印输出。信号检测与处理系统内部的单片机对显示与打印存储系统统一进行编程控制。
[0006]为实现以上功能，本发明的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的免疫传感器制备方法为:(I)电极采用2μ L石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物滴涂到各工作电极表面。石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物制备方法如下:将
0.5g壳聚糖溶于IOOmL 1.0%的醋酸溶液中，室温下搅拌3h，配成0.5%CS溶液，室温下磁力搅拌Ih,使壳聚糖完全溶解；称取4.0mg石墨烯和4.0mg多壁碳纳米管加入10.0mL上述得到的壳聚糖溶液中，在室温下超声分散，直至得到稳定的黑色分散液(石墨烯-多壁碳-壳聚糖纳米复合材料)；再将制备好的10.0mL的纳米金胶加入已混合好的上述溶液中，再在室温下超声分散12h至完全溶解，得到石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物。
(2)抗体在工作电极上的固定方法:在修饰好的工作电极表面滴涂2 μ L浓度为100 μ g/mL蛋白A，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗，氮气吹干；滴涂2 μ L浓度为10 μ g/mL农药抗体，4°C孵育12h ;将上述制备好的电极最后浸入2.5%的BSA溶液中室温下静置lh，以封闭电极上非特异性结合位点，以减少非特异性干扰。室温下晾干，免疫传感器制作完成，保存在4 °C条件下备用。
[0007]所述的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，其特征在于:三电极系统电路由三电极免疫传感器传感器，三电极检测电路，恒电位电路组成；三电极免疫传感器采集电流信号由三电极检测电路传向信号检测与处理系统电路。恒电位电路向反应溶液环境提供500mV的稳定电压。
[0008]信号检测与处理系统电路具有I/V转换，放大，滤波功能，内含A/D转换芯片将经过Ι/v转换之后酶传感器采集的模拟量信号转换成数字量信号送入单片机进行程序处理。信号检测与处理系统的单片机微控制器为STC89C52。单片机的检测程序包含数据打印与存储，时间显示，使用说明和对重要步骤提示的对话框，帮助用户快速掌握仪器的使用方法以及进行数据打印和存储方便以后进行数据的检查和处理。信号检测与处理系统电路采用TLC272CP芯片多路运放电路具有I/V转换，放大，滤波并向三电极反应环境提供500mv恒定电压的功能。
[0009]显示与打印存储系统电路由显示器电路，打印电路和存储器电路组成。显示器用于显示数据通过操作按键进行控制作为用户进行控制的界面。打印存储系统电路分别与微型打印机以及存储器相连进行数据打印和存储。显示屏采用了一般的3.5寸的显示屏，微型打印机采用微型嵌入式打印机，其尺寸和功耗满足方便携带和便携式的功耗要求。[0010]为达到以上目的，采取以下技术方案实现:供电系统电路由开关电源和电压转换电路组成，开关电源将交流电转换成直流电经过电压转换电路分别向各系统电路和微型打印机供电。开关电源为+12￥，认、-12￥，认、+5￥，5八三路输出。电源与供电系统中的开关电源相连。
[0011]【专利附图】
【附图说明】
图1为本发明一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的结构框图，
图2为本发明三电极与恒电位电路及A/D转换前期处理电路。
【具体实施方式】
[0012]首先，对本发明的结构示意框图加以说明；其次，对信号检测及处理系统所包括的恒电位电路、A/D转换前期处理电路加以详细说明；最后，对整个系统的应用软件及检测流程加以说明。
图1为本发明一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的结构框图。如图1所示，本发明由三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成。三电极系统通过免疫传感器采集反应溶液中的微弱电流信号；信号检测与处理系统将三电极采集而来的微弱电流信号进行ΙΛ转换，放大，滤波，A/D转换最终将数字量信号送入单片机进行程序处理；显示与打印存储系统将残留的农药浓度、抑制度等参数显示出来，并将数据存储下来以便用户及时查看和进行数据分析。本发明的检测仪内含微型打印机，可以将数据进行相应的打印输出。信号检测与处理系统内部的单片机对显示与打印存储系统统一进行编程控制。供电系统将交流电转换成三路直流电为各系统电路以及微型打印机供电。所述的微控制器采用内核为MCS-51的STC89C52RC+微控制器，其上加载检测程序。
[0013]本发明中，检测电路中的恒电位电路为三电极系统电流/电压转化检测电路提供稳定的工作电压，图2为恒电位仪电路的一个实施例，由一个双路运算放大器UlOTLC272CP和R44, R46, R4, C35, C16, R48构成。运放B的引脚6和7相连与A的3脚相连，A的2脚与三电极体系的工作电极相连并连上了 C16，增强抗干扰能力，R48是做为反馈电阻在放大器A上，B的5管脚外接一个电位器R46，由正5V供电激励，R44，R46, R4通过电压分压供给500mv电压给与B的5管脚形成恒电位电路，初始电压为500mv.运放A和的引脚8接+5V电源，引脚4接-5V，U9 TLC272CP的运放B引脚7与引脚6直接相连作为电压跟随器，ADE引脚3与B的引脚5相连接，共同接地，起到抗干扰的作用。A的引脚2直接与三电极体系的参比电极相连接，引脚I直接与三电极体系的辅助电极相连接，之间连接电容14，目的是起隔离电路的作用，同时能提高带负载的能力，因此U9和UlO共同构成了生物传感器的三电极体系，所用检测端由这里引出，采集与检测电化学反应产生的微弱电流信号。
[0014]本发明的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的免疫传感器制备方法为:(I)电极采用2 μ L石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物滴涂到各工作电极表面。石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物制备方法如下:将0.5g壳聚糖溶于IOOmL
1.0%的醋酸溶液中，室温下搅拌3h，配成0.5%CS溶液，室温下磁力搅拌lh，使壳聚糖完全溶解；称取4.0mg石墨烯和4.0mg多壁碳纳米管加入10.0mL上述得到的壳聚糖溶液中，在室温下超声分散，直至得到稳定的黑色分散液(石墨烯-多壁碳-壳聚糖纳米复合材料)；再将制备好的10.0mL的纳米金胶加入已混合好的上述溶液中，再在室温下超声分散12h至完全溶解，得到石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物。(2)抗体在工作电极上的固定方法:在修饰好的工作电极表面滴涂2 μ L浓度为100 μ g/mL蛋白A，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗，氮气吹干；滴涂2 μ L浓度为10 μ g/mL农药抗体，4°C孵育12h ;将上述制备好的电极最后浸入2.5%的BSA溶液中室温下静置lh，以封闭电极上非特异性结合位点，室温下晾干，免疫传感器制作完成，保存在4°C条件下备用。
[0015]一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪的样品处理方法如下:选取有代表性的蔬菜和水果样品，用潮湿的抹布将蔬菜表面的泥土擦拭干净，切碎成2cm左右的见方碎片，取样品2g，放入提取瓶中，加入IOml磷酸盐缓冲液，放入超声提取仪，超声提取3分钟，倒出提取液静置2min，备用即可。
[0016]本发明的检测流程是:首先，将制备好的免疫传感器放入不含农药的测试底液中，测得不含农药时的电流I1，即抑制前电流(抑制前电流也可以采用系统中设定的默认值);之后将免疫传感器去除，用蒸馏水冲洗后，将免疫传感器工作电极放入待检测溶液孵育10分钟，再次将免疫传感器放入测试底液中，测得抑制后的电流I2;最后通过微控制器上运行的检测程序自动计算出抑制率(1%)，计算公式如下:
1%= ( I1-12)/ I1 X 100% 通常如果检测溶液中含有农药，由于抗体与农药发生免疫反应产生免疫复合物阻碍了测试液与电极之间的电子转移，电流I2小于Ilt5 I1与I2的差值愈大则抑制率愈大，表明检测溶液中农药残留的浓度愈高；I1与I2的差值愈小则抑制率愈小，表明检测溶液中农药残留的浓度愈低。
[0017]目前认为当抑制率大于、等于50%时，农药残留超标；当抑制率小于50%时，农药残留未超标。
[0018]微控制器根据得到的抑制率做出定性结论，将结果送到显示屏显示，并将最后结果打印输出，数据同时一并进行存储供相关人员以后的查找和研究。
[0019]本发明微控制器上运行的检测程序还包含屏幕跳转演示和对重要步骤提示的对话框、打印提示，可以帮助用户快速掌握仪器的使用方法。
[0020]检测程序的实施例:首先，将免疫传感器放入底物溶液中进行检测准备。然后，按下仪器开关键，系统初始化后进入首页，显示屏旁边有检测按钮、复位和打印三个播磨按键。第一次点击检测按钮，开始检测并显示读数I1;第二次点击检测之后，观察提示，显示结果I2 ;点击打印，打印结果并保存。打开电源键，屏幕显示“START检测”，清零。将鳄鱼夹分别加紧三电极系统对应的三个柱状电极，将固定抗体的免疫传感器浸入到之前准备的磷酸盐缓冲溶液中按下检测键，屏幕显示开始检测，约Imin后，基线达到稳定水平，约30s后，得到第一个完整的电流数据，记为Ip待测样品测试:将免疫传感器放入提取好的样品溶液中，约lOmin，之后再将其浸入定量磷酸盐缓冲溶液中，按测量键，点击检测键第二次测量，同时显示第二个电流数据12。通过两个电流数据自动计算该样品液对固定化酶的活性抑制率。选择适当的关系曲线计算提取液的目标农药浓度，并折算成样品中目标农药的含量，最后自动生成测定结果报告。按下打印键，将印有前后两次检测电压、农药抑制率以及农药检测浓度的数据进行打印输出。
[0021]本发明的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，操作工艺简单，检测时间较短，可实现农药残留的定性定量测量，具有灵敏度高，稳定性好、重现性好等优点，符合我国农药残留快速检测技术发展和国际化要求。
【权利要求】
1.一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，其特征在于:该检测仪由免疫传感器，信号检测与处理电路，显示与打印存储电路，恒电位供电电路，操作按键，数据存储器，微型打印机，电源构成；免疫传感器产生的电流信号由检测电路传向信号检测与处理系统电路；恒电位电路向工作电极与参比电极之间提供500mV的稳定工作电压；所述的信号检测与处理电路具有I/V转换，放大，滤波功能，内含A/D转换芯片将酶传感器采集的模拟量信号转换成数字量信号送入单片机进行程序处理；所述的免疫传感器使用纳米材料修饰工作电极后，将特定的农药抗体固定到电极表面，可特定性的测量样品液中是否含有某种农药。
2.如权利要求1所述的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，其特征在于所述的信号检测与处理系统的单片机微控制器为STC89C52。
3.如权利要求1所述的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，其特征在于该检测仪使用的是免疫传感器，在免疫传感器工作电极表面固定了特定的农药抗体，因此该检测仪可实现特定性的测定样品中是否含有某种农药，实现样品的定性定量测量。
4.如权利要求1所述的一种电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，其特征在于所述的信号检测与处理系统电路采用TLC272CP芯片多路运放电路具有I/V转换，放大，滤波并向三电极反应环境提供500mv恒定电压的功能。
5.所述的电流型免疫传感器农药残留快速检测仪，其特征在于采用石墨烯-多壁碳-纳米金胶-壳聚糖纳米复合物纳米复合物修饰电极，并用蛋白质A将农药抗体固定在修饰好的工作电极表面，最后用牛血清蛋白做封闭剂以封闭电极表面的非特异性位点，以减少非特异性干扰。
【文档编号】G01N27/327GK103558374SQ201310576569
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】郭业民, 王相友, 孙霞, 刘君峰, 赵国 申请人:山东理工大学