用于tnt检测的生物阻抗移动传感装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电化学阻抗检测技术，尤其涉及一种用于TNT检测的生物阻抗移动传感装置和方法。
【背景技术】
[0002]TNT(三硝基甲苯)是一种目前最常见的爆炸物。其具有巨大的破坏性，严重的污染性，因此对TNT的有效检测在现代社会中，尤其是在公共安全方面，具有十分重要的意义。目前已采用的多种TNT检测方法包括搜索犬检查法、人工检测法、扫描成像探测法、核能探测法、化学传感法等。但是这些方法具有成本高、可靠性较低、体积大、集成度低、功能单一、灵敏度较低等不同的缺点。因此开发小型化、低成本、高精度及检测范围较广的TNT检测装置具有迫切的需求。
[0003]近年来，移动设备由于其强大的计算和储存能力，作为数据处理和显示的平台，能够结合不同的便携式传感检测装置，实现对生理参数和化学物质的移动检测，大大提高了传感检测的移动性和便携性。而目前也未见文献报道基于移动设备采用生物阻抗传感的便携式TNT检测仪器。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于TNT检测的生物阻抗移动传感装置和方法。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种用于TNT检测的生物阻抗移动传感装置，包括检测电路室、供电模块、检测电路模块和传感检测室；其中，所述检测电路室由检测电路室底座和检测电路室外壳组成，所述检测电路室外壳固定在检测电路室底座上，形成一个密闭空间；所述供电模块由9V电池和开关按键电路连接组成；所述检测电路模块由Arduino UNO开发板和功能扩展板组成，所述Arduino UNO开发板固定于检测电路室底座上，Arduino UNO开发板的电源接口与开关按键电路连接，所述传感检测室由传感器固定台、传感检测室外壳、传感器接口和生物阻抗传感器组成，所述传感器固定台和传感检测室外壳均固定在检测电路室外壳的上表面，传感器固定台和传感检测室外壳之间形成一个密闭空间；所述传感器接口固定在传感器固定台上，所述生物阻抗传感器以插拔形式与传感器接口连接；
所述功能扩展板包括第一 8位排针、3位信号接口、第二 8位排针、蓝牙模块、第三8位排针、放大模块、阻抗模块、第四8位排针、时钟模块和选通校准模块；其中，所述蓝牙模块分别连接第三8位排针和第一 8位排针；放大模块分别连接3位信号接口、第三8位排针和阻抗模块；阻抗模块分别连接第三8位排针和第四8位排针；时钟模块分别连接第三8位排针和阻抗模块；选通校准模块分别连接第三8位排针和阻抗模块；第一 8位排针、第二 8位排针、第三8位排针、第四8位排针插入Arduino UNO开发板相应位置的排母中，从而实现功能扩展板与Arduino UNO开发板的电气连接；所述3位信号接口与传感器接口电路连接；Arduino UNO开发板通过第三8位排针对蓝牙模块、放大模块、阻抗模块、时钟模块和选通校准模块进行供电；时钟模块和选通校准模块分别为阻抗模块提供外部时钟和阻值校准信号；生物阻抗传感器产生的阻抗信号经放大模块放大后，再经阻抗模块进行复阻抗分析和数模转换，经Arduino UNO开发板进行信号处理和编码，得到反映阻抗变化的数字信号，该数字信号传输至蓝牙模块，最后由蓝牙模块传输至移动终端。
[0006]2、根据权利要求1所示用于TNT检测的生物阻抗移动传感装置，其特征在于，所述生物阻抗传感器包括两个参考电极、工作电极、生物多肽膜、电化学反应腔、印刷导线和电气连接端，所述参考电极、工作电极和电气连接端通过标准丝网印刷技术在PET材料表面制备；所述工作电极为直径5 mm的圆形，印刷材料为碳；两个参考电极均为厚度2 mm的半圆环，环绕对称分布于工作电极的两侧，印刷材料为银；工作电极和两个参考电极均由宽度为2 mm的印刷导线引出至器件底部；印刷导线材料为银，其上覆盖透明绝缘胶，利用环氧树脂溶解剂去除器件底部导线5 _长区域表面绝缘胶，暴露银材料，形成三个电气连接端；所述生物多肽膜由30 μ L 200 μ g/ml的多肽溶液滴加在工作电极表面，氮气吹干形成；所述多肽溶液的溶剂为0.1 M磷酸缓冲液，pH=7.4 ;所述电化学反应腔为正方环形结构，环绕工作电极和两个参考电极，固定在器件表面。
[0007]3、一种应用权利要求1所述生物阻抗移动传感装置进行TNT检测的方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)配制待测TNT标准样品溶液:采用浓度为0.1 M的TNT标准贮备溶液稀释配制7种浓度梯度为 1(Γ6 Μ、3Χ1(Γ6 Μ、1(Γ5 Μ、3Χ1(Γ5 Μ、1(Γ4 Μ、3Χ1(Γ4 Μ、和 1(Γ3 M 的 TNT 标准样品溶液；稀释液为无水甲醇；
(2)检测TNT标准样品溶液，得到TNT标准样品溶液作用下生物阻抗传感器的阻抗值变化:将生物阻抗传感器插入传感器接口，向电化学反应腔滴加10 μ L无水甲醇，盖上传感检测室外壳，Arduino UNO开发板开始记录生物阻抗传感器阻抗值信号，在开始后50 s左右打开传感检测室外壳，向电化学反应腔中滴加1yL TNT标准样品溶液，合上传感检测室外壳，继续记录生物阻抗传感器阻抗值信号，直至120 s结束；以第一个记录点阻值为基准，得到120 s内归一化阻抗变化，施加交流激励幅度为200 mV，频率为20 kHz，记录阻抗值时间间隔为I s ；
(3)建立TNT标准样品溶液浓度-归一化阻抗变化的标准曲线:使用生物阻抗传感装置重复步骤2中的测量过程，直至完成7种浓度梯度分别为10_6 M、3X10_6 M、10_5 M、3X10_5M、10_4 M、3X10_4 M和10_3 M的TNT标准样品溶液的测量，得到不同浓度下的归一化阻抗变化；每个浓度重复测量10次，生物阻抗传感器不能重复使用，得到TNT标准样品溶液浓度与归一化阻抗变化的关系曲线y=0.1477 log(x)+ 0.947，其中，x为TNT标准样品溶液浓度，I为归一化阻抗变化；
(4)检测未知溶液的TNT离子浓度:将待测浓度的TNT溶液，重复步骤2的测量过程，得到归一化阻抗变化值，带入步骤3得到的标准曲线公式y=0.1477 log(x)+ 0.947，计算得到TNT溶液的浓度，实现对TNT的浓度检测。
[0008]本发明相对于现有的TNT检测方法具有以下有益效果:本发明提供了用于TNT检测的生物阻抗移动传感装置，实现了对TNT的定量检测。采用移动终端作为装置的控制、分析和显示平台，大大简化了生物阻抗移动传感装置的电路设计，提高了装置的便携性，克服了现有的TNT检测大型仪器价格高昂、无法移动检测的缺点。生物阻抗移动传感装置利用生物多肽膜修饰的新型阻抗传感器实现对TNT检测，在利用生物体对TNT的高度特异性敏感特性的基础上，克服了生物体对TNT检测中存在的个体差异、易疲劳等缺点，其具有灵敏度高、特异性好、工作稳定、长时检测的优点，本发明方法具有检测过程简单、成本低廉、易在不同环境下操作的特点。根据以上优点，本发明的装置及方法可广泛用于TNT检测的相关领域。
【附图说明】
[0009]图1是本发明用于TNT检测的生物阻抗移动传感装置整体结构图；
图2是本发明功能扩展板各组成模块示意图；
图3是本发明生物阻抗传感器结构图；
图4是本发明生物阻抗传感原理图；
图5是本发明TNT检测装置的总体流程框架图；
图6是本发明阻抗传感装置电阻阻抗检测性能标定结果图；
图7是本发明阻抗传感装置电容阻抗检测性能标定结果图；
图8是本发明阻抗传感装置在不同频率点阻抗检测标定结果图；
图9是本发明智能手机显不界面图；
图10是本发明用于TNT检测实时阻抗信号记录图；
图11是本发明用于TNT检测结果图；
图12是本发明对不同化学物质检测结果图；
图中:检测电路室底座1、Arduino UNO开发板2、第一开发板固定螺钉3、功能扩展板
4、第一检测电路室定位螺杆5、传感器固定台6、传感检测室外壳7、9V电池8、第二开发板固定螺钉9、开关导线10、电源接口 11、供电导线13、第二检测电路室定位螺杆14、检测电路室外壳15、开关按键16、信号导线17、传感器接口 18、生物阻抗传感器19、第一 8位排针41、3位信号接口 42、第二 8位排针43、蓝牙模块44、第三8位排针45、放大模块46、阻抗模块47、第四8位