一种便携式病菌快速检测终端的制作方法

1.本实用新型涉及一种检测终端，尤其是涉及一种便携式病菌快速检测终端。


背景技术：

2.随着现代文明的广泛深入，人类活动日益加剧,大量有毒有害污染物被排放到湖泊、河流、海洋,环境污染造成的毒性危害也越加严重。因此检测其毒性的任务也越来越紧迫。我国以前的毒性检测均采用特定物质分析方法,也就是针对某种有害化学物进行化学定量分析,确定其含量。这种方法的分析结果比较精确,但是分析前需要大概知道可能存在有害物质种类,分析时间也很长。由于毒害物质种类众多,难以评价多种毒物的综合毒性和生物效应。
3.自1672年r.boyle观察到发光的菌体所发出的光易被化学物质抑制后,许多科学家相继对细菌的发光效应进行了大量的研究。上世纪70年代至80年代初,国外科学家首次从海鱼体表分离和筛选出对人体无害,对环境敏感的发光细菌,用于检测水体生物毒性,现已成为一种简单、快速的生物毒性检测手段。利用发光细菌法的生物毒性检测系统适合各种有毒化合物如废水、沥出液(土壤、固体废物等)、化工原料、土壤、海洋中受污染区域的生物毒性的测定。可广泛应用于质检、环境监测、水产养殖等领域。国家质量技术监督局、国家环境保护总局已颁布了《gb/t 15441-1995水质急性毒性的测定:发光细菌法》用于水质急性毒性的测定。该方法在实验室被广泛应用于各种物质毒性的测定,但目前还没有适合快速测定的便携式仪器可供使用，不能满足社会对项目检测的需求。小巧便携适合现场检测的检测设备是发展方向,有广阔市场前景。另外目前使用的发光细菌存在世代周期短、不同环境下发光不够稳定的缺陷。方法本身也存在着被测样品受颜色和悬浮物等,对测量结果有影响的限制。
4.延边大学开发的便携式病菌快速检测终端专利申请，其申请号：cn 2020215904508，该专利申请虽然在早期于2021年2月3日收到专利局下发的授予实用新型专利权通知书，但是，一方面由于全球疫情爆发的原因耽误了办理专利权的办登手续，另一方面本发明申请人在采用该检测终端过程中发现，该检测测试终端存在如下缺陷：1、工作不稳定，经常出现信号干扰，从而影响设备正常使用；2、终端供电系统不方便，经常出现使用过程中没电情况，降低工作效率；3、检测终端在工作时间过长时候，终端壳体温度过高，原因是终端壳体内部散热效果不好，偶尔会出现过热保护而中断终端工作；因此工程技术人员在该现有技术专利申请的基础上重新设计、实验，从而设计出一信号干扰小，稳定性强、通过太阳能持续供电的检测终端。
5.总之，基于上述原因，申请人借鉴了延边大学设计的检测终端，并在此基础上对其进行改进，以克服上述缺陷。


技术实现要素：

6.本实用新型提出一种便携式病菌快速检测终端借鉴了延边大学设计的一种便携
式病菌快速检测终端(申请号：cn 2020215904508)，并在此基础上改进了技术方案，具体的技术方案如下：
7.一种便携式病菌快速检测终端，包括壳体、液晶显示模块、光学检测模块和电路模块,所述壳体包括上、下壳体，所述下壳体上设有四个支柱，四个所述支柱一端通过螺栓与下壳体固定连接，支柱另一端设置具有内螺纹的螺孔，所述光学检测模块和电路模块通过螺钉与所述螺孔螺接；所述液晶显示模块固定在上壳体上，所述上、下壳体通过卡扣并通过螺钉、螺母配合固定，所述上、下壳体内部铺设一层屏蔽层；所述光学检测模块包括生物传感器及光电检测器；电路模块包括信号处理器；所述光电检测器在电路模块的驱动控制下,检测生物传感器所产生的微弱荧光信号，并将其转换成电信号输出；所述电路模块将所述电信号转换成数字信号并通过处理器进行处理,将处理结果与预设阈值进行比较,并将比较结果存储到存储器中，通过液晶显示模块显示；其特征为：还包括光伏组件，所述光伏组件包括铺设在下壳体上的光伏板、与光伏板连接的第一dc/dc转换模块、以及用于检测太阳光强度的检测模块；所述信号处理器分别与检测模块、蓄电池、光伏板连接；所述蓄电池输出端与第二dc/dc转换模块连接，所述第二dc/dc转换模块经过滤波后与低压差线性稳压器ldo连接；所述上、下壳体侧面设置散热孔，同时在检测终端内部增加微型风扇。
8.优选为：所述ldo采用型号为：sc662k-3.3v。
9.优选为：所述ldo与电路模块中aduc834连接，为其提供3.3v工作电压。
10.优选为：所述生物传感器及光电检测器均安装在铝制密闭结构中；生物传感器与光电检测器通过直径12mm通光孔相连。
11.优选为：光电检测器选用小型光电倍增管，其型号为：h5773-02；在通光孔处安装用于增强光线汇聚的凸透镜。
12.优选为：所述生物传感器包括光学敏感池、套筒、液体蓄池和带有棉拭子的取样棒四部分；各部分通过螺纹自上而下进行封装连接；取样棒下端带有预先润湿的棉拭子并可带动棉拭子在套筒内向下移动。
13.优选为：所述液体蓄池由三个一端开口、一端经铝箔封口的圆形中空管通过螺纹首尾连接而成；液体蓄池的上端封有提取剂，用于提取细菌细胞内的atp，下端封有中和剂，用来中和提取atp后体系中残余的提取剂；光学敏感池内预先封入发光试剂。
14.优选为：所述上、下壳体侧面增加散热孔，同时在检测终端内部增加微型风扇以降低由功率元件发热导致温度升高而损耗器件的可能性。
15.有益效果
16.该检测终端操作简便、携带方便、测量时间短、灵敏度高、重复性好、结果可靠和经济耗费低；
17.采用太阳能供电，增加了检测终端的灵活性；
18.采用ldo为控制器供电，同时增加滤波电路、屏蔽措施，增加了终端的抗干扰能力；
19.增加通风孔、微型风扇减低终端内部过热现象的发生。
附图说明
20.图1为本实用新型便携式病菌快速检测终端检测系统结构框图一。
21.图2为本实用新型便携式病菌快速检测终端检测系统结构框图二。
22.图3为本实用新型便携式病菌快速检测终端检测系统光学检测模块结构示意图
23.图4为本实用新型便携式病菌快速检测终端检测系统光学检测模块中生物传感器结构示意图。
24.图5为本实用新型便携式病菌快速检测终端检测系统电路控制模块示意图。
25.其中，1.传感器、2.反应池、3.凸透镜、4.光电倍增管pmt、5.铝制密闭腔、6.取样棒、7.套筒、8.棉拭子、9.液体蓄池、10.光学敏感池。
具体实施方式
26.本实用新型是现有技术的基础上(申请号：cn 2020215904508)进行改进获得的。
27.一种便携式病菌快速检测终端，包括壳体、液晶显示模块、光学检测模块和电路模块,所述壳体包括上、下壳体，所述下壳体上设有四个支柱，四个所述支柱一端通过螺栓与下壳体固定连接，支柱另一端设置具有内螺纹的螺孔，所述光学检测模块和电路模块通过螺钉与所述螺孔螺接；所述液晶显示模块固定在上壳体上，所述上、下壳体通过卡扣并通过螺钉、螺母配合固定，所述上、下壳体内部铺设一层屏蔽层；所述光学检测模块包括生物传感器及光电检测器；电路模块包括信号处理器；所述光电检测器在电路模块的驱动控制下,检测生物传感器所产生的微弱荧光信号，并将其转换成电信号输出；所述电路模块将所述电信号转换成数字信号并通过处理器进行处理,将处理结果与预设阈值进行比较,并将比较结果存储到存储器中，通过液晶显示模块显示；其特征为：还包括光伏组件，所述光伏组件包括铺设在下壳体上的光伏板、与光伏板连接的第一dc/dc转换模块、以及用于检测太阳光强度的检测模块；所述信号处理器分别与检测模块、蓄电池、光伏板连接；所述蓄电池输出端与第二dc/dc转换模块连接，所述第二dc/dc转换模块经过滤波后与低压差线性稳压器ldo连接。所述ldo采用型号为：sc662k-3.3v。所述ldo与电路模块中aduc834连接，为其提供3.3v工作电压。所述生物传感器及光电检测器均安装在铝制密闭结构中；生物传感器与光电检测器通过直径12mm通光孔相连。光电检测器选用小型光电倍增管，其型号为：h5773-02；在通光孔处安装用于增强光线汇聚的凸透镜。所述生物传感器包括光学敏感池、套筒、液体蓄池和带有棉拭子的取样棒四部分；各部分通过螺纹自上而下进行封装连接；取样棒下端带有预先润湿的棉拭子并可带动棉拭子在套筒内向下移动。所述液体蓄池由三个一端开口、一端经铝箔封口的圆形中空管通过螺纹首尾连接而成；液体蓄池的上端封有提取剂，用于提取细菌细胞内的atp，下端封有中和剂，用来中和提取atp后体系中残余的提取剂；光学敏感池内预先封入发光试剂。所述上、下壳体侧面增加散热孔，同时在检测终端内部增加微型风扇以降低由功率元件发热导致温度升高而损耗器件的可能性。
28.以下部分与现有技术(申请号：cn 2020215904508)内容相同，参见图1-2所示，该实用新型便携式病菌快速检测终端检测系统结构示意图。该检测终端主要包括光学检测模块和电路模块两部分,其系统结构框图如图1所示,其中光学检测模块包括生物传感器及光电检测器；电路部分包括处理器、信号采集等核心器件以及按键、显示、存储等外围器件。光电检测器在电路模块的驱动控制下,检测生物传感器所产生的微弱荧光信号,并将其转换成电信号输出。电路模块将采集到的模拟电信号转换成数字信号并进行处理,根据预设算法,得出最终检测结果并显示、存储。
29.由于生物发光强度极其微弱,光学检测模块设计需充分考虑屏蔽外界光及电磁干
扰，并选择高灵敏度的光电检测器同时增加光路补偿器。由物质特有的lambert和beer定律可知,有色溶液对光线有选择性的吸收作用,不同物质由于其分子结构不同,对不同波长线的吸收能力也不同。当一束单色光通过溶液后,由于溶液吸收了一部分光能，光的强度就要减弱。为了消除被测样品有颜色、存在悬浮物时，对测量结果的影响,提高仪器测量的精度。设计了测量被测样品吸光度的电路，该电路由恒流源、光源和光敏二极管组成。恒流源为光源提供稳定的电源，光源为发光波长范围为490nm
±
20nm的发光二极管，光敏二极管接受光信号，并将光信号转换成电流信号。
30.为了防止外界干扰,实现微弱光信号检测,生物传感器及光电检测器均安装在铝制密闭结构中。图3中左侧为生物传感器，右侧为光电检测器,通过直径12mm通光孔相连。选用小型光电倍增管(h5773-02，日本滨松光子)作为光电检测器,其光学响应波长为500～600nm,尺寸仅为50mm
×
25mm
×
18mm,灵敏度高,适用于小型光学检测检测终端。在通光孔处安装凸透镜,用于增强光线会聚,以提高检测灵敏度。生物传感器上部分为反应试剂存储区，下部分为光学敏感池,被测样品加入到生物传感器后，首先与存储区反应试剂反应,释放出atp(三磷酸腺苷),然后进入光学敏感池，与敏感池中荧光素、荧光素酶等发光试剂反应,释放出微弱荧光信号,经凸透镜汇聚,到达光电倍增管检测区。
31.由于发光细菌自身发光强度不大,波长在490
±
20nm。而且在测量毒性时,用量比较少。在暗室条件下，肉眼可见微弱的光。所以光电转换器选用光谱响应范围为300～650nm，最大响应波长为450nm的侧窗型光电倍增管。
32.光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电流。阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素。由于暗电流对周围温度非常敏感，所以在要进行温度控制，以减轻周围温度的影响是必要。恒温电路是利用运算放大器作为差分放大器的温度测量电路，该电路由运算放大器及后接开关晶体管放大器和继电器线圈构成。运算放大器输入电路为电阻桥，其中一个分支上接具有正或负温度系数的热敏电阻。通过运算放大器出现对称差值电压，经运算放大器控制相应的继电器动作。两个继电器分别控制致冷器开关和加热器开关。光电倍增管的温度保持恒定的-20℃。
33.光电倍增管是灵敏度非常高的光探测器,检测的信号应该是微弱的。在光电倍增管通电的状态下,遇到强光时,流过光电倍增管的电流过大,以致损伤或烧毁光电倍增管。除了将反应池做成暗室和把光电倍增管放置在避光的外罩内以外,还应加保护电路,以保证因操作失误或暗室和外罩漏光时,光电倍增管得到保护。而且当光电倍增管输出电流过大时,也会烧毁后面的电路。保护电路由比较器和三极管组成一个电源开关,利用三极管是否导通来控制光电倍增管供电高压电源。
34.生物传感器包括光学敏感池、套筒、液体蓄池和带有棉拭子的取样棒4部分；各部分通过螺纹自上而下进行封装连接,以方便传感器的装配。取样棒下端带有预先润湿的棉拭子,便于传感器对固体表面、液体取样；其上端为长螺纹设计,取样棒可带动棉拭子在套筒内向下移动。液体蓄池由三个一端开口、一端经铝箔封口的圆形中空管通过螺纹首尾连接而成,便于简化试剂封装流程,并保证各试剂的分开储存,有效消除了试剂之间的相互影响,利于提高传感器响应灵敏度。液体蓄池的上端封有提取剂,用于提取细菌细胞内的atp；下端封有中和剂,用来中和提取atp后体系中残余的提取剂,以消除残余提取剂对发光反应
的干扰。光学敏感池内预先封入发光试剂。当取样棒向下旋进时,棉拭子上的样品先经液体蓄池中的提取剂作用,被提取出来的游离atp分散于液体中,随着取样棒的继续下移而下落到光学敏感池中,与发光试剂反应而产生荧光,此时结合atp荧光仪检测反应光强信号,便可检测出细菌atp量,进而获得样品细菌总数。
35.生物传感器及试剂的封装步骤为:(1)在取样棒的棉拭子上滴加50μltris缓冲液使其润湿；(2)在液体蓄池的两个圆形管内加入150μl提取剂和中和剂后,与另一个圆形管连接起来,完成液体的存储和密封；(3)将加有发光试剂的光学敏感池与液体蓄池通过螺纹以共轴套装的方式进行整体封装,获得传感器。
36.电路控制模块如图5所示,以analo g devices(ad)公司的adμc834单片机作为主控核心,其内部集成24位高精度a/d及12位d/a转换器,通过其d/a输出800mv电压作为光电倍增管参考电压,并可通过调节d/a输出电压大小,调节光电倍增管响应灵敏度和增益。光电倍增管输出电流信号,经过电流-电压转换电路转换成电压信号,再经电压放大后进入adμc834a/d通道,转换成数字信号,adμc834根据比较值得到比较结果。由于不同器件工作电压不同,同时为提高检测稳定性，降低干扰，该检测终端对不同器件分路供电，采用texas instruments公司生产的tps61045为光电倍增管提供14v工作电压，ldo型号sc662k-3.3v为adμc834等核心器件提供3.3v工作电压，同时选用max179350为存储、显示、按键等外围器件提供5v工作电压。
37.生物传感器在制备过程中已加入多种试剂,包括虫荧光素酶(美国promega公司)、甲虫荧光素(美国promega公司)、三羟甲基氨基甲烷t ri s(美国amresco公司)、乙二胺四乙酸二钠(美国sigma公司)、二硫苏糖醇(美国sigma公司)、牛血清白蛋白(美国sigma公司)、四水合醋酸镁(美国sigma公司)，所有试剂均为分析纯。
38.根据《gb/t15441-1995水质急性毒性的测定:发光细菌法》,通过采用相对发光度或相对抑光度来表征毒物所在环境的生物毒性水平：
[0039][0040][0041]
样品发光强度为被测样品加入发光细菌时,发光细菌的发光量；对照发光强度为同一等量的发光细菌在未加入被测样品时,发光细菌的发光量。
[0042]
以一系列氯化汞溶液作为样品,绘制参比毒性氯化汞浓度c(mg/l)与氯化汞溶液相对发光度t(％)的均值标准曲线,建立一元一次线性回归方程:t＝a bc,将t＝50代入回归方程,求出样品的ec50值。并检验相关系数显著水平p值，若p≤0.01，且ec50＝0.10mg/l
±
0.02mg/l,则所求方程成立。将样品测得的相对发光度平均值代入回归方程,得出相当的氯化汞浓度(mg/l)或ec50值来表征生物毒性水平。
[0043]
终端检测仪采用的发光细菌为明亮发光杆菌t3小种冻干粉(中国科学院南京土壤研究所提供)，用1ml注射器吸取冷的2mg/l氯化钠0.5ml(适用于5ml测试管)注入已开口的冻干粉瓶中,务必充分混匀。2min后菌即复苏发光。在发光细菌复苏稳定发光后，便可以进行测试使用。取两支空5ml测试管,加3mg/l氯化钠5ml。此作ck1管和ck2管。ck1管只加菌液,ck2管加菌液和待测样品。用仪器中光电转换器测定两管的电压值。求出样品的相对发光
度、参比毒性氯化汞浓度和ec50值。若待测样品有颜色和悬浮物时,另取两支空5ml测试管,加3mg/l氯化钠5ml，此作ck3管和ck4管；ck4管滴入有色和悬浮物待测样品液。然后用仪器中的光路补偿器测定两管的电压值，分别记做l1(ck3管)和l2(ck4管)得出因颜色和悬浮物引起的发光量校正值
△
l＝l1-l2。ck2管测定的发光量均须减去校正值
△
l后才能作为ck2管发光量。
[0044]
配制含3mg/l氯化钠的参比毒物氯化汞系列溶液,浓度值分别为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18、0.20mg/l,空白与氯化汞的系列浓度同时测定其发光度，每一浓度氯化汞溶液测定3次。利用最小二乘法,求得氯化汞浓度与发光细菌相对发光度均值的相关方程t＝111.84～574.06c(t为相对发光度％,c为氯化汞浓度mg/l)经过计算,r＝-0.984 9,ec50＝0.1077。由此可见，发光细菌相对发光度与氯化汞浓度呈显著的线性相关,所求相关方程成立。
[0045]
当氯化汞标准溶液浓度为0.1mg/l时,发光细菌的相对发光度为50％,其误差不超过
±
10％。在发光菌的相对发光度与氯化汞浓度的关系实验中,0.1mg/l氯化汞时测得发光细菌的相对发光度可以得出检测终端的检测误差满足检测要求。
[0046]
该便携式病菌快速检测终端适合病菌的快速检测，可广泛应用于日常质检、环境监测；同时该检测终端操作简便、携带方便、测量时间短、灵敏度高、重复性好、结果可靠和经济耗费低。
[0047]
本技术人再次声明：本发明是在延边大学申请的技术方案基础上进行改进以得到本技术技术方案。本发明是对现有技术存在的缺陷进行改进，是基于延边大学设计的检测终端(申请号：cn 2020215904508)的基础上进行硬件改进以解决背景技术中存在的缺陷，经过对现有技术的改进，本实用新型解决了该现有技术检测终端供电问题、解决了散热问题、解决了系统抗干扰问题。此外，虽然具体实施方式中并没有过多的体现上述结构，但是，增加的技术手段都属于本领域常规技术手段，申请人仅仅是在现有技术的基础上，将公知的技术手段应用于现有的快速检测终端中以保障现有的快速终端工作的稳定性。
[0048]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。