专利名称：一种生物检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种生物检测仪，所制备的检测仪可以应用在化工、食品安全或者医药卫生中过氧化氢、葡萄糖、血糖、胆固醇、氨基酸和こ醇等检测。
背景技术：
随着科技的飞速发展，人们对生理物质的检测越来越关注。这类物质，诸如葡萄糖，乳酸，氨基酸等含量不仅仅在医药领域作为人体生理指标正常的判断依据，并且在化工发酵等行业也作为重要的产品指标。因此，设计和制备出满足市场需求的高灵敏度的生物检测仪具有坚实的实用依据以及广泛的市场前景。生物含量的电生物化学检测，以血糖检测为例，血糖测量的电生物化学原理是当施加一定电压于经酶反应后的血液产生的电流会随着血液中的血糖浓度的增加而增加。通 过精确測量出这些微弱电流，并根据电流值和血糖浓度的关系，反算出相应的浓度。血糖测量通常采用电化学分析中的三电极体系，三电极体系包括，工作电极(WE)、參比电极(RE)和对电极(CE)，參比电极用来定点位零点，工作电极和參比电极构成ー个不通或基本少通电的体系，利用參比电极电位的稳定性来測量工作电极的电极电势。工作电极和辅助电极构成ー个通电的体系，用来測量工作电极通过的电流。但是，传统的市面上能够买到的用于检测生理指标的仪器，如血糖仪，都普遍仅仅能测量单一的物质含量。但往往人体出现不良症状或者慢性疾病的时候都不单单是ー种指标趋于非正常状态，多指标的检测以及比对对于疾病的控制、药物的采用以及剂量的调整都具有明显的帮助。然而，人体内各个生理物质都具有各自的检测极限以及浓度范围，有的可能会相差几个数量级。这很难在一种电子模块中进行统一，并且对于检测极限低的生理物质，电路的高灵敏度也是很难解决的方面。所以，目前制备出高灵敏度，多生理指标测试功能复合的生物检测仪还未有开发。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供ー种结构简单、精度高的生物检测仪。软件程序部分主要控制各个硬件模块协调工作、完成部分算法的工作。实现本发明目的的技术方案是ー种生物检测仪，由酶电极模块、微处理模块、酶电极检测电路、电流测量电路、电源和显示模块及输入输出模块组成；其中，酶电极模块由參比电扱、对电极和工作电极三电极组组成，微处理模块包括微处理器、A/D转换模块和D/A转换模块；所述酶电极检测电路由前端信号滤波电路、隔离电路、控制信号调理电路和信号放大模块组成，所述前端信号滤波电路与三电极中的參比电极连接，对參比电极的电压信号中的干扰信号和电源エ频50HZ干扰信号进行滤波后，再与对參比电极输出的电信号进行比较放大，输出调整电压信号V1至控制信号调理电路输入端，微处理器控制D/A转换电路输出第一控制电压信号Vtl至隔离电路输入端，隔离电路对第一控制电压信号Vtl进行比例放大，输出第二控制电压信号V2至控制信号调理电路输入端与所述调整电压信号V1进行叠カロ，控制信号调理电路对输入信号进行传输阻抗匹配和功率放大，输出第三控制电压信号V3至对电极；所述电流测量电路中设有检测电路和程控放大器，所述检测电路将对工作电极输出的电流信号转化为电压检测信号，输出至程控放大器，微处理器控制程控放大器中的模拟开关进行放大档位的选择，输出放大后电压检测信号至微处理器模块；经A/D转换模块至微处理器；微处理器模块,控制D/A转换电路输出控制电压信号,控制程控放大器的模拟开关选择放大档位，将接收到的电压检测信号经A/D转换电路转换后，输入至微处理器，微处理器根据物质浓度与电压检测信号之间的关系式，进行物质浓度的拟合，得到測量结果，送至显示及输入输出模块；显示及输入输出模块显示操作界面和測量结果、供用户进行输入操作；
路、显示及输入输出模块进行供电。作为本发明进ー步改进，所述微处理器控制D/A输出的第一控制电压信号Vtl的大小和该电极上的电压变化増量变化速率A相关，控制电压信号F= Γん々，カロ
载该式的控制电压信号能够达到对电极的最大敏感电流，从而能够提高測量精度。作为本发明进ー步改进，所述微处理器对输入的反应物质浓度的电压检测信号，进行连续采样5次，在这5次的采集数据中找到中间值作为本次采集的有效值进行数据拟合，通过这样的数据筛选将随机干扰降低，同时兼顾电极反应速度。作为本发明进ー步改进，所述微处理器采用分斜率函数拟合方式，按照y =knx+4. 0665进行数据拟合，其中I为浓度，X为检测电压值，kn为第η种物质酶所对应的斜率，η为正整数，常数4. 0665为本电极的修正值。数据拟合根据电极特性，采用修正值的办法，从而是使拟合数据与电压成线性关系，避免了复杂函数运算造成的计算误差。作为本发明进ー步改进，所述酶电极模块中设有若干个三电极组和模拟切换开关，所述微处理器还用于控制切换开关切換三电极组，控制D/A转换电路输出相应的控制电压信号，同时控制程控放大模拟开关选择相应的放大档位，实现对ー种以上物质的检測。本发明的有益效果在于1、针对生物酶在反应中产生双充电电流干扰物质的测量问题，目前的生物检测仪中采用降低扫描频率的办法，本设计在不降低扫描频率的前提下，所采用滤波抑制电路主要针对电源的エ频干扰信号进行处理和补偿双充电层电容的办法，提高了测量精度，具体电路体现在R12、R13、C2、C1构成的滤波、补偿网络中；2、多物质的检測。目前的生物测试仪中只能完成某ー种的物质测量。在本发明中通过微处理器控制模拟开关，切換反应酶电极组的投入和与该酶电极组相应的放大档位，配合与各酶电极对应的拟合算法控制实现多物质的检测。


图I是本发明实施例I的结构框图；图2是本发明实施例I具体电路结构图3是本发明实施例I的微处理器电路图；图4是本发明实施例I的D/A转换模块；图5是本发明实施例I的电源电路图；
图6是本发明实施例I中多物质检测的流程图；图7是本发明实施例I中数据筛选流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例做进ー步说明。如图I所示，ー种生物检测仪，由酶电极模块、微处理模块、酶电极检测电路、电流測量电路、电源和显示模块及输入输出模块组成；其中，酶电极模块由η个三电极组和模拟切换开关组成，其中，三电极组由參比电极、对电极和工作电极组成，微处理模块包括微处理器、A/D转换模块和D/A转换模块。酶电极检测电路由前端信号滤波电路、隔离电路、控制信号调理电路和信号放大模块组成，所述前端信号滤波电路与三电极中的參比电极连接，对參比电极输出的电压信号中的干扰信号和电源エ频50ΗΖ干扰信号进行滤波后，与对參比电极输出的电信号进行比较放大，输出调整电压信号V1至控制信号调理电路输入端，微处理器控制D/A转换电路输出第一控制电压信号Vtl至隔离电路输入端，隔离电路对第一控制电压信号Vtl进行比例放大，输出第二控制电压信号V2至控制信号调理电路输入端与所述调整电压信号V1进行叠カロ，控制信号调理电路对输入信号进行传输阻抗匹配和功率放大，输出第三控制电压信号V3至工作电极，V3=VfV2t5电流测量电路中设有检测电路和程控放大器,检测电路将工作电极输出的电流检测信号放大、滤除干扰信号并转化为电压检测信号，输出至程控放大器，微处理器控制程控放大器中的模拟开关进行放大档位的选择，输出放大后电压检测信号至微处理器模块；经A/D转换模块至微处理器。微处理器模块,控制D/A转换电路输出控制电压信号,控制程控放大器的模拟开关选择放大档位，将接收到的电压检测信号经A/D转换电路转换后，输入至微处理器，微处理器根据物质浓度与电压检测信号之间的关系式，进行物质浓度拟合，得到測量结果，送至显示及输入输出模块；微处理器还用于控制切换开关切換三电极组，控制D/A转换电路输出相应的控制电压信号，同时控制程控放大模拟开关选择相应的放大档位，实现对ー种以上物质的检测。显示及输入输出模块显示操作界面和測量结果、供用户进行输入操作。电源采用单电源转成双电源结构，对微处理模块、酶电极检测电路、电流测量电路、显示及输入输出模块进行供电。本生物检测仪的基本原理是通过酶电极在被测物质中反应产生的反应电子，在微处理器产生的控制电压信号下形成电流信号，然后将这电流信号转换成电压信号，得到与反应物质浓度成比例的电压信号，再运用微处理器进行分析处理，根据反应物质浓度越高在相应酶电极上产生的电压信号越强这ー化学原理，用多种酶电极进行测试得到检测体系中各个成分的浓度配比。如图2所示，隔离电路10中，控制电压信号接电阻R9的一端，R9的另一端与U8运放正向输入端连接，R8为反馈电阻U8的输出经R14送入U5。微处理器在控制D/A下产生控制信号由U8芯片引入电路，该部分电路中还起作隔离作用。前端滤波电路20中，參比电极电压信号经串联的R12、R13送到运算放大器Ul正向输入端，电容Cl 一端和Ul的正向输入端连接,另一端接地，Ul的输出反馈至反相输入端，Ul的输出还经C2反馈至R13的输入端；U1的输出经R11，送入U5进行比较放大。參比电极中的被测信号在电路R12、R13、C2、Cl构成的滤波网络中进行针对电化学中干扰信号和电源エ频50HZ干扰信号进行滤波；然后进入Ul高性能运放放大和输入阻抗匹配，R16为电路开路保护电阻。控制信号调理电路30中，控制信号在U5中进行叠加，并在此保持恒定。控制信号进入U4芯片进行功率放大，加载于对电极，对电极的反应电子在控制电压的作用下形成电流，该反应电流经过反应介质到达工作电极构成反应回路。工作电极输出的电流信号转化为电压检测信号，送入价、服、1 17、1 19构成的检测电路中，经过现构成的程控放大器进行信号放大，最后进行A/D转换进入微处理器处理，经过线性拟合最后显示出測量結果。电流检测电路40中，流过对电极10的输出电流信号，经过信号检测电阻R18转换成电压信号，该电压信号送入运放U6、U7的输入端，U6、U7运放构成差动放大电路，以提高抗干扰能力。U6、U7运放的输出电压信号经过R17和R19进入U9运放进行放大；U9运放、程控放大模块、模拟电子开关组成分段放大电路；U9输出电压0-5伏经模数转换送入微处理器进行分析。
·
图3所示的微处理器模块是生物测试仪的控制核心。微处理器中采用ATmegal28单片机，在满足控制、算法要求下使开发难度和成本降低；微处理器通过内部A/D芯片采集，对信号进行算法处理，并进行物质成分进行拟合；微处理控制D/A D/AC902芯片输出控制电压信号，进入信号处理模块，加载到酶电极上对反应电流经行控制；电源部分采用单电源转成双电源结构满足测试中电路供电要求。如图4所示，为D/A模拟输出转换电路。采用DAC902芯片，数据端ロ D I — D 12与微处理相连。由于本电路需要直流耦合输出，所以采用运算放大器0P680、R7、R8、R9、R11、R14、R15构成差分转换放大电路；D/A模拟信号0P680第6脚输出。如图5所示的为电源电路。电池或外接直流9伏直流正电压，经LMC7660I电压转换芯片输出负9伏电压,经7905稳压后输出负5伏电压；另一路经芯片U7稳压后输出正5伏电压。为电路提供正负5伏的电压。微处理器检测控制过程流程如图6所示经过开机自检、选择检测的物质、启动D/A、输出控制电压信号、对程控放大开关进行放大量程切換、检测工作电极输出的物质反应电流、进行A/D转换和数据筛选，完成第一种物质測量。然后返回选择检测的物质步骤进行下一物质的測定，最后显示结果，完成測量。微处理器控制D/A输出的第一控制电压信号Vtl的大小和该电极上的电压变化增量^^变化速率A相关，控制电压信号「= /ん加载该式的控制电压信号能够达到工作电极的最大敏感电流，从而能够提高測量精度。如图7所示，微处理器对输入的反应物质浓度的电压检测信号，进行连续采样5次，在这5次的采集数据中找到中间值作为本次采集的有效值进行数据拟合图中i、j为循环次数，a 口、temp []数组，D/Ata为输出电压。微处理器采用分斜率函数拟合方式，按照y = knx+4. 0665进行数据拟合，其中y为浓度，X为检测电压值，kn为第η种物质酶所对应的斜率，η为正整数，常数4. 0665为本电 极的修正值。
权利要求
1.ー种生物检测仪，由酶电极模块、微处理模块、酶电极检测电路、电流测量电路、电源和显示模块及输入输出模块组成；其中，酶电极模块由參比电极、对电极和工作电极三电极组组成，微处理模块包括微处理器、A/D转换模块和D/A转换模块； 所述酶电极检测电路由前端信号滤波电路、隔离电路、控制信号调理电路和信号放大模块组成，所述前端信号滤波电路与三电极中的參比电极连接，对參比电极的电压信号中的干扰信号和电源エ频50HZ干扰信号进行滤波后，再与对參比电极输出的电信号进行比较放大，输出调整电压信号V1至控制信号调理电路输入端，微处理器控制D/A转换电路输出第一控制电压信号Vtl至隔离电路输入端，隔离电路对第一控制电压信号Vtl进行比例放大，输出第二控制电压信号V2至控制信号调理电路输入端与所述调整电压信号V1进行叠カロ，控制信号调理电路对输入信号进行传输阻抗匹配和功率放大，输出第三控制电压信号V3至对电极； 所述电流測量电路中设有检测电路和程控放大器，所述检测电路将对工作电极输出的电流信号转化为电压检测信号，输出至程控放大器，微处理器控制程控放大器中的模拟开关进行放大档位的选择，输出放大后电压检测信号至微处理器模块；经A/D转换模块至微处理器； 微处理器模块，控制D/A转换电路输出控制电压信号，控制程控放大器的模拟开关选择放大档位，将接收到的电压检测信号经A/D转换电路转换后，输入至微处理器，微处理器根据物质浓度与电压检测信号之间的关系式，进行物质浓度的拟合，得到測量结果，送至显不及输入输出模块； 显示及输入输出模块显示操作界面和測量结果、供用户进行输入操作； 电源采用单电源转成双电源结构，对微处理模块、酶电极检测电路、电流測量电路、显不及输入输出模块进行供电。
2.根据权利要求I所述的生物检测仪，其特征是，所述微处理器控制D/A输出的第一控制电压信号Vtl的大小和该电极上的电压变化増量VF、变化速率A相关，控制电压信号
3.根据权利要求I所述的生物检测仪，其特征是，所述微处理器对输入的反应物质浓度的所述电压检测信号，进行连续采样5次，在这5次的采集数据中找到中间值作为本次采集的有效值进行数据拟合。
4.根据权利要求I所述的生物检测仪，其特征是，所述酶电极模块中设有若干个三电极组和模拟切换开关，所述微处理器还用于控制切换开关切換三电极组，控制D/A转换电路输出相应的控制电压信号，同时控制程控放大模拟开关选择相应的放大档位。
5.根据权利要求3所述的生物检测仪，其特征是，所述微处理器采用分斜率函数拟合方式，按照y = knx+4. 0665进行数据拟合，其中y为浓度，x为检测电压值，kn为第η种物质酶所对应的斜率，η为正整数，常数4. 0665为本电极的修正值。
全文摘要
一种生物检测仪，由酶电极模块、微处理模块、酶电极检测电路、电流测量电路、电源和显示模块及输入输出模块组成；所述酶电极检测电路由前端信号滤波电路、隔离电路、控制信号调理电路和信号放大模块组成，所述电流测量电路中设有检测电路和程控放大器，所述检测电路将对工作电极输出的电流信号转化为电压检测信号，输出至程控放大器，微处理器控制程控放大器中的模拟开关进行放大档位的选择，输出放大后电压检测信号至微处理器模块；经A/D转换模块至微处理器；微处理器模块，控制D/A转换电路输出控制电压信号，控制程控放大器的模拟开关选择放大档位。
文档编号G01N27/26GK102854230SQ201210323450
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者金万勤, 严奎, 储震宇, 张艳男, 薛加彬 申请人:南京工业大学