专利名称：电化学生物传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电化学分析技术领域，特别是涉及一种便携式多通道两用电化学 生物传感器及其检测方法。
背景技术：
便携式多通道两用电化学生物传感器是一套完整的电化学体系检测分析设备，可 以完成多种状态下电化学体系的参数跟踪和分析。迄今为止，国内外的许多厂商已经开发 出了多种电分析装置，如恒电位仪、极谱仪、电化学分析测试系统/工作站等。我国从20世 纪90年代以来，在电分析仪器的研发方面取得了一定的成绩，在一定程度上满足了科研教 学及分析应用的需要。但整体上国外同类产品尚有一定的差距，对现有产品的改进及研发 新的电化学分析仪器仍然是一项非常有意义的工作。目前常用的电化学分析仪器主要来自于国外，以美国化学仪器(CHI)公司生产的 电化学工作站为例。无论是600B系列通用电化学分析仪还是1200系列掌上电化学分析仪， 都需要由外部计算机控制，在视窗操作系统下工作。600B系列仪器重达7Kg，无法满足户外 现场检测的便携要求。1200系列仪器虽然体积小重量轻，但是加上外部控制的计算机，仍然 无法实现真正的便携。通常的便携式电化学分析仪，例如中国专利号为200610113140. 5公开的一种手 持型电化学分析仪，仪器内部设置有恒电位器、控制器和电源，仪器外表面设置有与所述控 制器连接的液晶屏、按键及存储卡接口 ；控制器通过接口与恒电位器连接；电极的一端通 过弓I线连接到恒电位器，另外一端裸露在仪器外面。上述CHI1200系列和200610113140. 5两种仪器均具有体积小，结构简单，操作方 便的优点。但是两者均采用串口通讯，传输速度较慢，且采用单通道检测，无法满足对比性、 重复性实验中多路快速检测的需求。200610113140. 5脱离外部计算机控制，实现了独立检 测，但仍然为单通道，且按键式的输入方法也不够灵活，因而上述电化学分析仪器在一些科 研实验及生产测试方面应用存在较大的局限性。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的电化学传感器采用串口 通讯，传输速度较慢，且采用单通道检测，无法满足对比性、重复性实验中多路快速检测的 需求等缺陷，提供一种便携式多通道两用电化学生物传感器及其检测方法。本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种电化学生物传感器，其特点在于，其包括一作为该电化学生物传感器的前端，将化学信号转换为电信号的多通道芯片电 极；一与该芯片电极电连接的电化学检测模块，该电化学检测模块包括依次电连接的 信号调理电路、A/D转换器和MCU，该电化学检测模块产生电压，并将电压输入到芯片电极中，芯片电极产生相应的电流，电流通过信号调理电路转换为电压，电压通过A/D转换器后 得到相应的数字量，再通过MCU进行处理；及一用于负责控制测试流程、实现实时显示、控制实验进程以及接收检测数据的控 制模块，该控制模块与该电化学检测模块电连接。较佳地，该电化学生物传感器还包括一由触摸屏和鼠标组成的人机交互模块，该 人机交互模块与该控制模块电连接。较佳地，该多通道芯片电极具有两个以上的通道。较佳地，该多通道芯片电极为16通道。较佳地，该控制模块与该电化学检测模块通过SPI或USB电连接。本实用新型的积极进步效果在于本实用新型的便携式多通道两用电化学生物传 感器，具有人性化的触摸屏式人机交互界面，多路检测通道，既能独立使用又能够连接PC 机使用。满足对比性、重复性实验中多路快速检测的需求。并且，使用印刷电极代替传统的 电极，更适合小型化。进一步地，将印刷式芯片电极与本电化学生物传感器有效结合，采用多通道电化 学检测电路，能够实现1 16通道同时检测，更加方便快捷，同步性好，减少了测量误差。配 合印刷式芯片电极使用时，仪器可以检测试剂是否正确滴加到芯片上，以节省实验人员无 谓的操作。另外，将嵌入式技术应用于仪器设计，即选用ARM9系列处理器S3C2410作为CPU， 结合外围电路，构建基于ARM的Windows CE操作系统，结合触摸屏，实现更加人性化的人机 交互。另外，当无需便携使用时，也可以与PC连接使用，操作和处理数据更加方便。仪器不 但可以将数据存储在U盘和SD卡中，也可以通过USB将数据上传到PC机，或者通过LAN上 传到网络。
图1为本实用新型的电化学生物传感器的系统框图。图2为本实用新型的恒电位仪的电路图。图3为本实用新型的信号调理电路的电路图。图4为本实用新型的基于ARM的系统控制模块的示意图。图5为本实用新型的鼠标接口电路的电路图。图6为本实用新型的芯片电极的原理图。
具体实施方式
以下结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。如图1-5所示，本实用新型的电化学生物传感器，包括一多通道芯片电极，用于 作为该电化学生物传感器的前端，将化学信号转换为电信号，本实施例中其具体采用印制 电路板技术，将硅、金等常用的金属电极材料印制在PCB板上，实现三电极体系；一电化学 检测模块，其包括信号调理电路、A/D转换器和MCU，该电化学检测模块产生电压，并将电压 输入到芯片电极中，芯片电极产生相应的电流，电流通过信号调理电路转换为电压，电压通 过A/D转换器后得到相应的数字量，再通过MCU进行处理；一控制模块，用于负责控制测试流程、实现实时显示、控制实验进程以及接收检测数据。本实施例中的电化学生物传感器的主要技术指标如下(1)通道数16通道(2)恒压源输出电压范围士 IOV(3)恒压源输出电压分辨率< ImV(4)扫描速度彡lV/s(5)采样速率彡lkSPS/16通道(6)电流测量范围士 IOOmA(7)电流测量分辨率0· InA本实施例中的便携式多通道两用电化学生物传感器软件部分包括上位机软件和 下位机软件，如图1所示，上位机程序运行于基于ARM的控制模块，下位机程序运行于测试 流程控制模块即AVR系列单片机中。上位机软件基于Windows CE操作系统，负责整个测 试流程的控制，可以实现实时显示、控制实验进程、接收检测数据等功能。下位机软件基于 AVR系列单片机，用于控制通道选通和A/D及D/A转换等，可根据实际需要选通设备的相应 通道。作为可选功能，当无需便携使用时，用户可以直接通过PC操控仪器，在这种模式下， 设计了相应的上位机软件，可工作于WindOWS2000或WindowsXP操作系统。仪器每个通道 从芯片电极中引出电流信号，进而通过信号调理电路(包括I/V转换电路和滤波电路)得 到与电流相对应的电压值，通过A/D转换器得到电压的数字量，将该数字量连接到微处理 器的输入端。更具体地，上位机软件根据用户要求，将相应的控制命令发送到下位机，同时 存数、显示测量结果等。下位机根据命令控制扫描电压，电解池开启和关闭，选择适当灵敏 度，电压转换，数据传输等。上位机软件负责整个测试流程的控制，工作于Windows CE操作系统平台，本领域 技术人员可以使用Platform开发底层硬件驱动、eMbedded VisuaC++开发应用程序。下位 机软件基于AVR系列单片机，使用AVR Studio开发程序，GCC编译器编译，并通过JTAG接 口进行在线仿真和程序下载。上位机软件主要实现底层驱动加载，对下位机的参数设置，实验过程控制以及数 据存储。值得一提的是上位机添加了开机自检功能，仪器上电之后先采集系统零位，如果零 位偏差较大则仪器没有通过自检，不能进行下一步操作。下位机软件主要实现三个事务一是接收上位机发送的控制命令及相关参数，并 对电化学仪进行参数设置；二是实现控制波形的产生和电流采集；三是对采集数据进行处 理并发送到上位机。为了实现仪器的可选功能，即便携式多通道电化学分析仪可以使用PC控制，还设 计了工作于WindowsXP操作系统的上位机程序，使用Visual C++开发应用程序。基于ARM的控制模块是便携式多通道两用电化学生物传感器的核心。模块以ARM9 系列芯片S3C2410为主要组成部分，相对于其他芯片，ARM9系列在高性能和低功耗方便提 供最佳的性能。其MMU支持WindowsCE、Linux等主流嵌入式操作系统；其MPU支持实时操 作系统；支持数据和指令Cache。如图4所示，NandFlasKSDRAM、电源/晶振，作为硬件基本 系统，共同组成了系统控制模块。WindowsCE操作系统的镜像存放在外部的NandFlash中， 并从NandFlash启动，当处理器在这种启动模式下复位时，代码将自动加载到内部SRAM并且运行。之后，SRAM中的引导程序将操作系统镜像加载到SDRAM中，操作系统就能在SDRAM 中运行。其中基于ARM的上位机的基本系统包括NandFlash、SDRAM、电源、晶振。另外，还 包括触摸屏(用于与用户交互)、U盘或SD卡接口(用于存储数据)、网口/USB 口(用于 数据传输)。下位机主要包括AVR单片机、AD转换器、滤波电路、I/V转换电路、恒电位仪和 DA转换器。其中电化学检测模块是便携式多通道两用电化学生物传感器的基础。模块以恒电 位仪为主要组成部分，由MCU控制协调其他相关器件，实现电流检测，如图1中电化学检测 模块所示。由D/A组成的函数发生器产生电压，经过恒电位仪将电压输入到芯片电极中，电 极产生相应的电流，电流通过信号调理电路转换为电压，电压通过16路A/D转换后得到相 应的数字量，再通过AVR系列MCU(Mega64)进行处理。图2所示的恒电位仪电路采用通过 Ul形成加和电路，使参比电极电位的反馈信号经电压跟随器U3与基准信号uil相加，电压 跟随器的作用是降低通过参比电极的电流，这种电路在电化学分析仪中应用广泛。信号调 理电路中，输入电流Iin流过反馈电阻器Rf，放大器A的低偏置电流对电流Iin的影响很小， 可以忽略，放大器的输出电压计算如下V0 = -IinRf所以输出电压V。可以用来度量输入电流。总的灵敏度由反馈电阻器Rf决定。从 而将电流值转换成电压值。其中，仪器测试流程控制模块的核心器件为微处理器，根据上位机的指令，控制电 解池的开关、控制测试过程的开始和暂停，设置实验参数相应的电压值、灵敏度等。能同时 进行1 16通道的电化学检测。本实施例中的仪器数据传输模块，主要由SPI，USB, LAN组成。本便携式多通道电 化学分析仪的电化学检测模块，采用SPI接口与以ARM9为处理器的上位机相连传输控制命 令等，仪器工作于Windows CE操作系统。在这种模式下，用户可以将实验数据通过LAN上 传到网络、通过USB存储到U盘或者SD卡中。本仪器的另一个特色是当无需便携使用时， 用户可以直接通过PC操控仪器，仪器通过USB接口传输控制命令等，同时接收测试过程中 的实验数据。此时，PC可工作于WindOWS2000或Windows XP操作系统。显然，仪器满足了 室外检测时便携的需求和实验室检测时方便的需求。本便携式多通道两用电化学生物传感器的电化学检测模块采用SPI与ARM9相 连，传输控制命令和测试数据，仪器工作于WindowsCE操作系统。当无需便携使用时，用 户可以直接通过PC操控仪器。在这种模式下，仪器通过USB接口进行通讯，PC可工作于 Windows2000, WindowsXP操作系统。PC通过USB将控制命令发送至下位机，下位机通过USB 将采集信号发送至上位机。仪器人机交互模块由触摸屏和鼠标组成，用户可以像使用iPhone手机一样通过 触摸屏使用仪器，也可以通过鼠标使用仪器。相比于传统仪器的按键式操作，更加人性化。 人机交互模块运行于基于ARM的控制模块提供的Windows CE操作系统下，Windows CE操 作系统类似于Windows XP操作系统，其自带对鼠标和触摸屏的驱动，所以只要设计好相应 的硬件电路即可直接驱动。触摸屏接口电路只需将ARM自带的控制引线引出即可，关于鼠 标接口的电路示意图见图5，采用USB鼠标，使用时只需将图中J13/J14的2、3引脚短接，将鼠标插在J15上即可使用。通过上位机软件，用户直接控制实验过程，与此同时，实验数据 将保存至上位机外接的U盘或者SD卡中，以方便用户进行下一步数据处理。另外，本实施例中采用了与仪器匹配的16通道印刷式芯片电极，与传统的金电 极，硅电极相比，芯片电极具有价格低廉、便于携带操作、多路通道等优点，这些优点使得使 用芯片电极逐渐成为电化学分析的一种趋势。本实施例中的芯片电极以97%氧化铝陶瓷作 为基底，按照现有的三电极体系，在上面镀纯金。每个圆形结构为独立的体系，中间点为工 作电极2、右边点为参比电极3、左边点为对电极1，如图6所示。本实用新型的电化学生物传感器在检测时，用户将待测溶液滴加在印刷芯片电极 上，电化学检测模块将芯片电极产生的电流传递给基于ARM的控制模块，进行数据保存和 数据处理，最终通过人际交互模块呈现给用户。本实施例中，芯片电极产生的电流通过信号 调理电路转换为电压，电压通过A/D转换器后得到相应的数字量，再通过MCU进行处理。本 实用新型的电化学生物传感器能够同时进行16通道的电化学检测，并控制测试过程、辅助 工作人员校验试剂是否滴加正确、设置实验参数等。本实用新型的电化学生物传感器还具有开机自检功能，以使得用户能够在不借助 外部测量体系的情况下，判断仪器是否工作正常；自检分为开机自检和手工自检两种。仪器 具有自动调节灵敏度的功能，在研究新的化学试剂时，节省了摸索实验条件的时间。本检测仪器还具有高效、快速、价廉、方便的特点，适用于使用印刷式芯片电极的 电分析化学检测，即适合实验室科学研究又适合户外现场检测。因此，本实用新型具有很好 的产业化前景，符合目前的市场情况。虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解， 这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术 人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修 改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
权利要求一种电化学生物传感器，其特征在于，其包括一作为该电化学生物传感器的前端，将化学信号转换为电信号的多通道芯片电极；一与该芯片电极电连接的电化学检测模块，该电化学检测模块包括依次电连接的信号调理电路、A/D转换器和MCU，该电化学检测模块产生电压，并将电压输入到芯片电极中，芯片电极产生相应的电流，电流通过信号调理电路转换为电压，电压通过A/D转换器后得到相应的数字量，再通过MCU进行处理；及一用于负责控制测试流程、实现实时显示、控制实验进程以及接收检测数据的控制模块，该控制模块与该电化学检测模块电连接。
2.如权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，该电化学生物传感器还包括 一由触摸屏和鼠标组成的人机交互模块，该人机交互模块与该控制模块电连接。
3.如权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，该多通道芯片电极具有两个 以上的通道。
4.如权利要求3所述的电化学生物传感器，其特征在于，该多通道芯片电极为16通道。
5.如权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，该控制模块与该电化学检测 模块通过SPI或USB电连接。
专利摘要本实用新型公开了一种电化学生物传感器，其包括一作为该电化学生物传感器的前端，将化学信号转换为电信号的多通道芯片电极；一与该芯片电极电连接的电化学检测模块，该电化学检测模块产生电压，并将电压输入到芯片电极中，芯片电极产生相应的电流，电流通过信号调理电路转换为电压，电压通过A/D转换器后得到相应的数字量，再通过MCU进行处理；及一用于负责控制测试流程、实现实时显示、控制实验进程以及接收检测数据的控制模块。本实用新型具有人性化的触摸屏式人机交互界面，多路检测通道，既能独立使用又能连接PC机使用。满足对比性、重复性实验中多路快速检测的需求。使用印刷电极代替传统的电极，更适合小型化。
文档编号G01N27/327GK201724923SQ20102019047
公开日2011年1月26日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者姜智能, 孟伟丽, 宋世平, 朱欣华, 樊春海, 苏岩, 顾睿风 申请人:中国科学院上海应用物理研究所