基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法与流程

本发明涉及生物科学与医学工程领域，特别是基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法。

背景技术：

微流控纸芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析的全过程，即微流控纸芯片是一类特殊的电化学生物传感器。

电化学生物传感器一般以导电离子为基础介质，将目标生理信号转化为电流、电位等电信号或物理信号，由于价格低廉、抗环境干扰能力强、操作简便，电化学生物检测如今有很大的发展前景。

在电化学传感器的设计中，根据测量信号的不同可分为电流型、电导型、电位型传感器，由于电位型传感器简单易实现，我们选择电位测量法。

电位测量的基本原理是氧化还原反应会产生电子对的转移，从而导致电极上的电位发生变化，通过电位大小来测量反应物的浓度。一般电极都具有离子选择性，根据电化学中的能斯特方程就能够求出相应的浓度。

从能斯特方程式(2-1)中可知，温度不变的情况下，电极电位与反应物浓度的对数成线性关系，可以做出反应物浓度和电极电位的关系图，通过比对实现测量的目的。

从实验结果来看，虽然能够满足使用需求，但手工制作的芯片仍然存在精度问题，这是由于芯片中酶的存储时间(30天内)，存储条件(冷藏室2～4℃)上有一定要求，并且，每一张芯片中酶活性可能存在不同，导致测量误差。

因此，本发明提供基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法，有效地解决了用微流控纸芯片检测生理指标导致测量误差的问题。

其解决的技术方案是，微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法，包括包括被测生理指标样品、微流控纸芯片、a/d转换模块、单片机模块、按键模块、显示模块、语音模块，所述被测生理指标样品、微流控纸芯片、a/d转换模块、单片机模块依次连接，单片机模块分别与按键模块、显示模块、语音模块连接，其特征在于，微流控纸芯片和a/d转换模块之间连接有电压跟随器模块、电压放大器模块，具体为微流控纸芯片连接电压跟随器模块，电压跟随器模块连接电压放大器模块，电压放大器模块连接a/d转换模块。

基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法，以被测生理指标样品之一的尿酸为例，具体包括如下步骤，

步骤1，放入生理指标样品在微流控纸芯片内，微流控纸芯片生化反应开始的同时，按下按键模块中触发开关键key3；

步骤2，在步骤1的基础上，系统上电，单片机初始化配置，进入设备的主界面:“welcometomicrocarepartner”提示语，提示语下方有倒计时显示；

步骤3，在步骤2的基础上，在此期间(此例为30秒)，用户可以按按键模块中的中断键key1停止倒计时，进入下一个界面，用户可以查看此时刻的电极电压以及对应的浓度；

步骤4，在步骤2的基础上，若不按中断键key1键，30秒后，系统自动切换至下一个界面，用户可以看到样品中检测到的尿酸浓度，并且系统会提示该浓度相对于健康标准是偏高，偏低或正常；

步骤5，在步骤4的基础上，同时给出正常时的尿酸浓度范围以供用户参考；

步骤6，在步骤3、4、5任一步骤的基础上如果要测量下一组样品，按下返回键key0，即可返回到步骤2重新计时。

本发明构思巧妙、人性化设计且便携化，采用新型的微流控纸芯片来检测尿酸浓度，生化反应后产生的模拟电压信号经电压跟随、电压放大后经ad转换为数字量电信号送入stm32系列单片机智能分析与处理，可快速获得检测结果并在屏幕上显示，并且系统会提示该浓度相对于健康标准是偏高，偏低或正常测量结果可靠，具有市场发展潜力。

附图说明

图1为本发明的整体电路连接模块图。

图2为本发明的控制方法流程图。

图3为本发明的电压跟随器模块电路连接原理图。

图4为本发明的电压放大器模块电路连接原理图。

图5为本发明的两极电势与尿酸浓度变化关曲线拟合图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图5对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

实施例一，基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法，包括被测生理指标样品，可为血糖、尿酸等，取适当量放入微流控纸芯片内，微流控纸芯片利用丝网印刷的碳电极尿酸传感芯片来检测尿酸浓度，其经过不断的改进、测试，是价格低廉、方便快速、精度较高、便携易操作的纸芯片，经微流控纸芯片的前端特制接口采集微弱的模拟电压信号，此微弱的模拟电压信号进入电压跟随器模块进行缓冲、隔离、提高带载能力，再经电压放大器模块，进行同相比例放大后送入a/d转换模块将模拟电信号转换为数字电信号，单片机模块接收数字量电信号和按键模块用户的操作指令，控制显示模块直观界面显示(显示检测值、提示结果值)，语音模块智能语音提示操作音及检测值、提示结果值。

基于微流控纸芯片的便携式生理指标检测仪及其检测方法，以被测生理指标样品之一的尿酸为例，具体包括如下步骤，

步骤1，放入生理指标样品在微流控纸芯片内，微流控纸芯片生化反应开始的同时，按下按键模块中触发开关键key3；

步骤2，在步骤1的基础上，系统上电，单片机初始化配置，进入设备的主界面:“welcometomicrocarepartner”提示语，提示语下方有倒计时显示；

步骤3，在步骤2的基础上，在此期间(此例为30秒)，用户可以按按键模块中的中断键key1停止倒计时，进入下一个界面，用户可以查看此时刻的电极电压以及对应的浓度；

步骤4，在步骤2的基础上，若不按中断键key1键，30秒后，系统自动切换至下一个界面，用户可以看到样品中检测到的尿酸浓度，并且系统会提示该浓度相对于健康标准是偏高，偏低或正常；

步骤5，在步骤4的基础上，同时给出正常时的尿酸浓度范围以供用户参考；

步骤6，在步骤3、4、5任一步骤的基础上如果要测量下一组样品，按下返回键key0，即可返回到步骤2重新计时。

实施例二，在实施例一的基础上，所述电压跟随器模块用于起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，进而提高测量的准确度，包括型号为opa656u的运算放大器u1，运算放大器u1的引脚3为同相输入端连接由微流控纸芯片产生的电化学信号经接地电阻r1消振后的信号，因为根据运算放大器虚短、虚断特性，如果电化学信号的内阻非常的大，也就是带载的能力很差，反射的电流信号就会在输入点附近形成很强的发射震荡也就是“回音”这样的噪声经过放大就会使输出信号质量很差，运算放大器u1的引脚2为同相输入端直接连接运算放大器u1的引脚6输出端，即输出电压完全跟随输入电压的幅度和相位，放大倍数为1，虽无电压放大倍数，但有一定的电流输出能力。电路起到了阻抗变换作用，提升电路的带负载能力，将一个高阻抗信号源转换成为一个低阻抗信号源。减弱信号输入回路高阻抗和输出回路低阻抗的相互影响，又起到对输入、输入回路的隔离和缓冲作用。运算放大器u1的引脚7为正电源端，由电容c2和电解电容c5滤除杂波后提供电源+5v，运算放大器u1的引脚4为负电源端，由电容c1和电解电容c6滤除杂波后提供电源-5v。

实施例三，在实施例一的基础上，所述电压放大器模块用于将电压跟随器模块输出的电压信号等比例放大在送入a/d转换模块，包括型号为opa8431d运算放大器u2，运算放大器u2的引脚3为同相输入端通过电阻r3连接运算放大器u1的引脚6输出的电压信号，运算放大器u2的引脚2分别连接接地电阻r2的一端、电阻r4的一端，电阻r4的另一端分别连接运算放大器u2的引脚6，电阻r3、电阻r4组成反馈比例系数，电压放大倍数＝1+r4/r2，此例根据尿酸浓度与电位关系，设置电阻r2、电阻r4阻值分别为46kω、20kω，此时放大的电压信号送入以ad7606芯片为核心a/d转换模块的通道输入端，运算放大器u2的引脚7为正电源端，由电容c4和电解电容c7滤除杂波后提供电源+5v，运算放大器u2的引脚4为负电源端，由电容c3和电解电容c8滤除杂波后提供电源-5v。

本发明在使用时，放入生理指标样品在微流控纸芯片，微流控纸芯片生化反应开始的同时，按下按键模块中触发开关键key3，系统上电，单片机初始化配置，进入设备的主界面，显示模块中显示屏:“welcometomicrocarepartner”提示语，提示语下方有倒计时显示，微流控纸芯片生化反应结束后经电压跟随器模块缓冲、隔离、提高带载能力再经等比例放大后送入以ad7606为核心的a/d转换模块的通道输入端，大大减小ad7606转换芯片输入阻抗对输入信号的影响，从而提高测量精度，ad7606将模拟电信号转换为数字电信号，通过并行接口与单片机模块中stm32单片机连接，stm32单片机读取ad采样数据后与标准尿酸浓度与电位值进行分析、计算，并检测是否有按键模块中的按键操作指令，此过程时间为30s，30s内若无任何按键操作指令，stm32单片机控制语音模块智能语音提示操作音及检测值、提示结果值，显示模块中显示屏自动切换至下一个界面，用户可以看到样品中检测到的尿酸浓度，参考值及该浓度相对于健康标准是偏高，偏低或正常；30s内用户可以按按键模块中的中断键key1停止倒计时，进入下一个界面，用户可以查看此时刻的电极电压以及对应的浓度；30s内，如果要测量的样品错误或要测量下一组样品，按下返回键key0，可重新测量。