一种微型压电石英传感血凝监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微型压电石英传感血凝监测系统，包括有电脑、Arduino核心控制器、DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、电源、控温器、液晶显示屏；本发明专利技术这种微型压电石英传感血凝监测系统尺寸小，重量轻，方便携带，仪器模块化结构、数据显示储存一体、无需外配电脑，有利于实现实时在线检测；本发明专利技术传感器件采用不同基本频率的双面镀银AT切石英晶体和单面无极镀银石英晶体，发明专利技术了一种一次性压电传感电极检测片，每Hz的频率变化相当于1.34ng/cm

【技术实现步骤摘要】
一种微型压电石英传感血凝监测系统
本专利技术属于生化仪器检验
，具体涉及一种微型压电石英传感血凝监测系统。
技术介绍
血液凝固是由凝血因子参与的一系列免疫反应过程，正常情况的血液凝固能够防止人体意外出血，而不正常血液凝固则可能导致血栓或者凝血系统异常。凝血系统异常通常与多种疾病有关，如中风、血友病、新型冠状肺炎等。临床医学检验通常根据病人血液凝固特性来筛选出一系列遗传性疾病，如肝脏类、血栓性疾病等。因此，血液凝固特性的检验在一系列疾病防控中显得尤为重要。临床血液学检验设备有半自动血凝仪和全自动血凝仪，设备检测原理包括凝固法(电流法、磁珠法、和光学法)，底物显色法，免疫学法(扩散法、电泳法、比浊法)等，每种方法都有其独特优势，最常用的是凝固法。半自动血凝仪操作简便、价格便宜，但检测速度慢、精度低，全自动血凝仪通道多、速度快、测量精度好，但价格昂贵、对操作人员素质要求高。随着国家医疗条件的不断进步，上述大型、复杂的凝血检测设备已不能满足社区、家庭、现场急救等应用场景下的需求，急需一种操作便捷式、低成本、应用稳定、测量结果可靠的实时在线检验设备来实现凝血时的测定。随着测量仪器的发展，光、电、声、色等不同原理的传感器均被应用于血液凝固时间的检测。石英晶体微天平(QCM)传感器是一种能对其表面纳克级质量负载和非质量负载(如粘度、密度、电导率等)高度响应的压电传感器，其在临床诊断、食品安全、环境科学、化工生产等领域具有非常广泛的应用。石英晶体压电传感器不仅能摆脱光学传感器易受外界光源的干扰的劣势，还能克服电化学传感器易受本底电流干扰，测量精度受限的缺陷，并且具备结构简单、成本低、测量精度高、稳定性好、响应速度快、可实时在线检测等优势。压电石英晶体作为石英晶体微天平传感器的核心元件，压电石英晶体的结构对传感器的性能起着关键的作用。本文选用的QCM芯片为基本谐振频率为10Mhz、50Mhz或者100Mhz的AT切割双面镀银压电石英晶体，根据sauerbrey方程得出：由负载质量Δm引起的频率变化Δf随着基本谐振频率f0的增大而増大，这说明提高QCM芯片的基本谐振频率将大幅提高它的质量－频率灵敏度，理论上当将晶体基本谐振频率提高10倍时，质量灵敏度应提高100倍。然而对于双面镀银电极来说，电极沉积工艺复杂，加工成本高，并且电极涂层也具有一定的厚度，因此电极的存在会增加石英晶片的负载质量，降低石英谐振子的品质因数，为了提高压电石英晶体的质量灵敏度，本文也采用了高频100Mhz单面无极压电石英晶体。用户可根据不同的应用场景选用不同精确度的压电石英晶体。生物敏感膜又称分子识别元件，它直接决定生物传感器的功能与质量。生物敏感膜的制备是QCM生物传感器技术发展和应用的关键。由于高分子材料(凝胶、纤维、膜等)与具有传感、处理和执行功能的生物体有着相似的结构，因此可作为生物传感器敏感膜的基础研究。水凝胶作为一种含水量较高的高分子材料，其具有三维网状结构、安全无毒、生物相容性好、易于降解等特点，目前在生物传感、医用载药、废水治理等方面有着不错的应用价值，而传统水凝胶易脆且韧性有限，因此对传统水凝胶进行改性则可以赋予水凝胶更多的功能，以满足其在实际应用中的特定需求。双网络水凝胶是将两种相互独立的亲水性聚合物结合在一起的水凝胶，其脆而刚的第一层网络交联软而韧的第二层网络赋予了其出色的力学性能。聚丙烯酰胺(PAM)是一类典型的亲水性凝胶集团，其结构中含有-CONH-官能团，能与水形成氢键。天然亲水性高分子海藻酸钠(SA)来源丰富、价格低廉，分子中含有-COO--集团，通常遇见Ca2+就能迅速由溶液转变成凝胶。将海藻酸钠与聚丙烯酰胺交联形成SA/PAM双网络水凝胶，不仅可以提高水凝胶机械强度，还能增加水凝胶可伸缩性。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种新型压电高分子材料，PVDF具有较高机械强度，稳定的化学性质，耐腐蚀、抗污染性能好、制备流程简单、可塑性强等优势，使其成为一种理想的制膜材料，但其疏水性强和易污染的缺陷，极大的制约了其应用，因此对PVDF膜的亲水性改性研究成为国内外学者的研究重点。利用共混法对PVDF膜进行亲水改性不仅可以使膜具有优良的性能，还能提高改性效果的持久性，改善膜表面改性不稳定的缺点，是PVDF膜改性的常要方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种操作便捷式、低成本、应用稳定、测量结果可靠的微型压电石英传感血凝监测系统。本专利技术这种微型压电石英传感血凝监测系统，包括有电脑、Arduino核心控制器、DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、电源、控温器、液晶显示屏等；电脑端口与Arduino核心控制器通过线路互联，Arduino核心控制器与DDS信号源和液晶显示屏连接，DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、Arduino核心控制器按照顺序依次通过线路连接，形成一个测试回路；Arduino核心控制器与电脑、DDS信号源、相敏检波器、以及液晶显示屏四者都连接；所有的器件通过电源供电；控温器与传感器件连接，控制测试时温度；传感器件为一次性压电传感电极检测片；各设备之间的连接是通过线路互连。检测时，在一次性压电传感电极检测片连接在微型压电石英传感血凝监测系统中，接着在检测片的进样口加入待测血样，通过电脑端控制Arduino核心控制器控制DDS信号源连接发出正弦波扫频信号激励，信号依次通过A/D数模转换器、低通滤波器处理后，作用于检测片上，由于检测血样中血液凝固过程中的血液粘弹性变化敏感，导致信号的改变，改变的信号经过信号放大器放大后，输出至相敏检波器中，相敏检波器对信号进行拟合，输出相位值至Arduino核心控制器，Arduino核心控制器输出结果至液晶显示屏，实时动态记录相位-时间的变化数据。所述的一次性压电传感电极检测片由下至上包括3层，基底层、中间层和顶层；基底层由基片、电极和QCM芯片组成，QCM芯片嵌入在基片中，电极与QCM芯片连接后，也嵌入在基片中；中间层由基片以及基片上刻蚀的进样室、反应腔室和透气孔组成，反应腔室的位置与QCM芯片位置是对应的，即反应腔室在QCM芯片上方，反应腔室是镂空设计的，即在反应腔室中反应物质会与QCM芯片直接接触；反应腔室与进样室直接连通，进样室与反应腔室的对面开设有透气孔，透气孔与反应腔室连通；顶层在对应中间层进样室和透气孔的位置开设有镂空的进样口和透气口，在对应反应腔室的位置圈定出了固定试剂区，将基底层、中间层和顶层按照对应的位置合在一起，即构成了一次性压电传感电极检测片。所述的基底层基片尺寸为30mm*15mm，QCM芯片为圆形芯片直径为8mm；中间层和顶层的基片尺寸均为13mm*13mm，反应腔室为圆形，直径为5mm；进样室和透气孔也为圆形，直径均为3mm；顶层圈出的试剂固定区与反应腔室大小一致，顶层进样口和透气口与中间层的进样室和透气口大小一致。所述的QCM芯片为基本谐振频率为10Mhz、50Mhz或者100Mhz的AT切割双面镀银石英晶体和高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，包括有电脑、Arduino核心控制器、DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、电源、控温器、液晶显示屏；电脑端口与Arduino核心控制器通过线路互联，Arduino核心控制器与DDS信号源和液晶显示屏连接，DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、Arduino核心控制器按照顺序依次通过线路连接，形成一个测试回路；Arduino核心控制器与电脑、DDS信号源、相敏检波器、以及液晶显示屏四者都连接；所有的器件通过电源供电；控温器与传感器件连接，控制测试时温度；传感器件为一次性压电传感电极检测片；各设备之间的连接是通过线路互连。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，包括有电脑、Arduino核心控制器、DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、电源、控温器、液晶显示屏；电脑端口与Arduino核心控制器通过线路互联，Arduino核心控制器与DDS信号源和液晶显示屏连接，DDS信号源、A/D数模转换器、低通滤波器、传感器件、信号放大器、相敏检波器、Arduino核心控制器按照顺序依次通过线路连接，形成一个测试回路；Arduino核心控制器与电脑、DDS信号源、相敏检波器、以及液晶显示屏四者都连接；所有的器件通过电源供电；控温器与传感器件连接，控制测试时温度；传感器件为一次性压电传感电极检测片；各设备之间的连接是通过线路互连。


2.根据权利要求1所述的微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，所述的一次性压电传感电极检测片由下至上包括3层，基底层、中间层和顶层；基底层由基片、电极和QCM芯片组成，QCM芯片嵌入在基片中，电极与QCM芯片连接后，也嵌入在基片中；中间层由基片以及基片上刻蚀的进样室、反应腔室和透气孔组成，反应腔室的位置与QCM芯片位置是对应的，即反应腔室在QCM芯片上方，反应腔室是镂空设计的，即在反应腔室中反应物质会与QCM芯片直接接触；反应腔室与进样室直接连通，进样室与反应腔室的对面开设有透气孔，透气孔与反应腔室连通；顶层在对应中间层进样室和透气孔的位置开设有镂空的进样口和透气口，在对应反应腔室的位置圈定出了固定试剂区，将基底层、中间层和顶层按照对应的位置合在一起，即构成了一次性压电传感电极检测片。


3.根据权利要2所述的微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，所述的基底层基片尺寸为30mm*15mm，QCM芯片为圆形芯片直径为8mm；中间层和顶层的基片尺寸均为13mm*13mm，反应腔室为圆形，直径为5mm；进样室和透气孔也为圆形，直径均为3mm；顶层圈出的试剂固定区与反应腔室大小一致，顶层进样口和透气口与中间层的进样室和透气口大小一致。


4.根据权利要求2所述的微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，所述的QCM芯片为基本谐振频率为10Mhz、50Mhz或者100Mhz的AT切割双面镀银石英晶体和高频100Mhz单面无极镀银石英晶体。


5.根据权利要求4所述的微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，采用高频100Mhz单面无极石英晶体时，顶层的圈出的试剂固定区粘附铝箔片，周围需要嵌入一块铜片电极，铜片电极与铝箔接触，检测时，铝箔片还充当了QCM芯片的激励电极，和铜片电极一起构成回路。


6.根据权利要求2～4所述的微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，所述的QCM芯片为表面经过水凝胶修饰后的QCM芯片。


7.根据权利要求6所述的微型压电石英传感血凝监测系统，其特征在于，所述的水凝胶溶液的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制海藻酸钠溶液：将海藻酸钠粉末(SA)加入到去离子水中，室温下充分搅拌溶解，然后加热继续搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：司士辉，扶梅，张润，冯浪霞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43