一种六通道便携式免疫传感器的制备方法及其应用

本发明涉及免疫传感检测，具体而言，涉及一种六通道便携式免疫传感器的制备方法及其应用。

背景技术：

1、随着农业生产规模化与集约化程度不断提升，化学农药在保障作物产量与品质方面仍发挥重要作用，但由此带来的农药残留问题也日益成为食品安全与公共健康关注的核心议题之一。尤其是有机磷类农药，因其作用靶点明确、杀虫谱广而被长期大量使用，残留污染在主粮与农产品链条中具有一定的普遍性。发明表明，意外摄入有机磷农药可通过抑制神经系统相关酶活性引发神经系统异常兴奋，并可能造成更为复杂的健康风险；此外，不同类别有机磷残留的复合暴露还可能带来危害增强效应，食源性暴露被认为是重要途径之一。

2、为规范农药残留风险控制，我国现行强制性国家标准《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》（gb 2763—2021）对多类农药及其代谢物的最大残留限量（mrls）作出规定。以谷物中常见有机磷为例，对氧磷在稻谷与小麦中的最大残留限量为0.01 mg/kg，反映出监管对痕量风险的高度敏感性。同时，在gb 2763—2021体系中，针对有机磷及其代谢物的定量分析通过气相色谱等方法完成，体现了色谱技术在法规检测中的“标准”地位。但是，实验室色谱/质谱平台的优势与现场筛查需求之间仍存在结构性矛盾。一方面，gc、lc以及gc-ms/lc-ms等方法具有高分辨率、高灵敏度与多组分分离能力，是实验室检测的重要技术支撑；另一方面，这些方法往往需要复杂的样品前处理流程，仪器设备价格昂贵、运行环境要求苛刻且依赖专业人员操作，客观上限制了其在复杂现场环境中的应用推广。

3、在此背景下，面向农药残留的快速检测技术呈现出多路线并进的发展态势，其中以生物传感器为代表的方法因“识别元件—信号转换—便携读出”的一体化潜力而受到广泛关注。特别是针对有机磷这类小分子化合物，免疫分析与电化学检测的耦合为实现快速、灵敏与可工程化提供了可行路径。尽管已有多种快速检测方法与设备形态不断涌现，但面向真实监管与市场应用仍面临若干共性挑战：农药种类繁多、结构差异大，单一靶标检测难以满足“多残留筛查”需求；复杂基质干扰、现场环境波动与操作差异会削弱检测结果的稳定性与可比性；便携式仪器在微弱信号采集、抗干扰与多通道一致性方面对电路设计与系统集成提出更高要求。因此，为了提高检测效率、降低检测成本，实现多种dpps现场快速检测，提出一种六通道便携式免疫传感器的制备方法及其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种六通道便携式免疫传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、硬件模块选型与搭建：选用stm32f103系列微控制器作为控制核心，搭配tlv4376ipwr运算放大器、tps54302同步降压转换器，集成跨阻放大（i/v）转换模块、12bitadc模块、12bit dac模块，构建六通道信号采集与控制硬件架构；

2、步骤2、滤波电路设计与集成：采用有源滤波架构，前端配置一阶低通滤波器、工频陷波电路，引入自适应动态滤波模块，结合tlv4376ipwr运算放大器优化信号传输，完成滤波降噪电路与硬件架构的集成；

3、步骤3、电源电路搭建：基于tps54302同步降压转换器，设计宽输入电压范围的双电源输出电路，输出±5v或±3.3v稳定电压，在电源输出端增设滤波电容，实现硬件系统的稳定供电；

4、步骤4、pcb设计与制作：遵循电磁兼容性原则，采用双层板结构，优化电路模块布局以抑制噪声干扰，完成六通道硬件系统的印制电路板制作；

5、步骤5、外壳制备与设备装配：以聚乳酸为原料，通过3d打印制备规格为114.00×79.00×21.00 mm的设备外壳，装配硬件电路、3.5寸触摸串口屏、type-c接口及六通道电极接口，完成传感器整机装配；

6、步骤6、传感界面构建与校准：以丝网印刷电极为工作电极，构建pani/co3o4复合材料界面，负载广谱性抗体作为识别元件，在含5.0 mm[fe(cn）5]3-/4-的电解质溶液中完成六通道信号校准，调试数据采集与交互显示功能，得到六通道便携式免疫传感器。

7、作为本发明优选的技术方案，步骤1、中所述stm32f103系列微控制器选用stm32f103ret6，基于arm cortex-m3架构，主频72mhz，内置12bit adc与12bit dac模块，分辨率均为0.8 mv，支持多通道数据处理、低功耗运行及与串口屏的实时通信。

8、作为本发明优选的技术方案，步骤2、中所述一阶低通滤波器的截止频率为0.1khz，工频陷波电路用于消除50/60 hz电源噪声，自适应动态滤波模块基于数字电位器设计，适配不同检测参数模式的频带需求。

9、作为本发明优选的技术方案，步骤3、中所述tps54302同步降压转换器的输入电压范围为4.5 v至28 v，输出电流最高达3 a，转换效率不低于95%，具备过流保护功能。

10、作为本发明优选的技术方案，步骤6、中所述信号校准的具体过程为：控制微控制器通过dac模块调节工作电极电位，维持工作电极与对电极之间的电流恒定，工作电极流过的电流经tia转换为电压后，由adc模块采集，通过计算电流放大倍数、电压偏置电位得到工作电极电流，完成六通道信号校准。

11、一种六通道便携式免疫传感器，包括控制模块、信号采集模块、滤波模块、电源模块、交互显示模块及六通道检测接口；所述控制模块为stm32f103系列微控制器，用于统筹信号调控、数据处理与指令传输；所述交互显示模块为3.5寸触摸串口屏，用于设置电化学运行参数、显示检测数据及导出测量结果；所述六通道检测接口用于连接丝网印刷电极，实现多通道并行检测。

12、作为本发明优选的技术方案，所述传感器的单通道连续循环伏安扫描中，氧化峰值电流相对标准偏差≤1.77%，还原峰值电流相对标准偏差≤2.25%；rc低通滤波后输出波形标准差≤2.032 mv2，稳定检测pa级微弱电流。

13、作为本发明优选的技术方案，所述传感器在0–10μa区间的线性拟合斜率为0.979±0.005，相关系数≥0.9997；在10–1000μa区间的线性拟合斜率为1.005±0.005，相关系数≥0.9996。

14、六通道便携式免疫传感器的应用，用于有机磷农药残留的现场快速筛查与定量分析，所述有机磷农药包括对硫磷、喹硫磷、蝇毒磷、三唑磷中的至少一种。

15、作为本发明优选的技术方案，所述应用的具体步骤包括：

16、步骤1、样品预处理：将果蔬样品粉碎匀浆，经0.22μm滤膜过滤后，6000 rpm离心10min，取上清液用0.1 m、ph7.0的pbs缓冲溶液稀释，4℃冷藏备用；

17、步骤2、检测：将预处理后的样品与传感器的六通道电极接口连接，采用电化学免疫分析方法，在1–104ng/ml浓度范围内完成有机磷农药的定量检测，检出限为0.298–0.416ng/ml，总检测时间≤1 h；

18、步骤3、结果验证：检测完成后，通过type-c接口导出数据，样品加标回收率控制在88.64%–106.08%，相对标准偏差为1.45%–6.89%，与gc–ms检测结果具有一致性。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果：

20、1.本发明采用六通道并行设计，相较于传统单通道免疫传感器，大幅提升检测效率，可同时完成多种有机磷农药残留的检测，适配批量样品的现场快速筛查需求，兼顾多指标检测与便携性。

21、2.硬件架构选用stm32f103ret6为主控芯片，搭配tlv4376ipwr运算放大器与tps54302电源芯片，集成高精度adc/dac模块与优化的滤波电路，有效抑制噪声干扰，提升信号稳定性与检测精度，可稳定检测pa级微弱电流，氧化/还原峰值电流相对标准偏差低，线性响应优异。

22、3.构建pani/co3o4复合材料传感界面，负载广谱性抗体作为识别元件，兼具优异的信号传导性能与特异性识别能力，实现对多种有机磷农药的高灵敏度检测，检出限低至0.298 ng/ml，检测范围宽达1–104ng/ml，满足痕量残留检测需求。

23、4.设备采用3d打印聚乳酸外壳，体积小巧（114.00×79.00×21.00 mm），集成触摸交互与数据导出功能，操作便捷，适配现场检测场景，无需专业操作人员，降低检测门槛；电源电路具备高转换效率与过流保护功能，提升设备续航能力与使用安全性。

24、5.应用于果蔬样品有机磷农药残留检测时，样品预处理简便，检测周期短（≤1h），加标回收率与相对标准偏差符合检测规范，与gc–ms检测结果一致性好，可替代传统大型检测仪器，为食品安全与环境监测提供工程化解决方案，具有广阔的推广应用前景。