專利名稱：快速檢測致病大腸桿菌的TiO₂納米線生物傳感器芯片及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個用于快速靈敏檢測致病性大腸桿菌的T^2納米線生物傳感器芯片檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的細(xì)菌檢測手段如細(xì)胞培養(yǎng)、熒光測試等不僅檢測周期長而且耗費(fèi)大量的人力物力，難以滿足目前國內(nèi)外對食品安全檢測的要求。目前，酶聯(lián)免疫吸附測定技術(shù) (enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)以及聚合酶鏈反應(yīng)法(Polymerase Chain Reaction,PCR)等常用的檢測手段與傳統(tǒng)方法相比，雖然能夠有效的縮短分析時間，但是其檢測時間仍長達(dá)五到六個小時，而且不能實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的實(shí)時檢測。因此，實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的快速、實(shí)時檢測以確保人們的日用生活安全成為目前急需解決的重要問題。近年來，抗體或免疫傳感器已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)，通過抗原抗體的相互作用， 微生物可以被直接或間接的快速檢測出來。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和微加工技術(shù)的不斷成熟，基于納米材料的傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注。而一維納米線由于具有較大的比表面積和特殊的電子傳輸性能被廣泛應(yīng)用于制備各種電子器件。TiO2是一種寬帶隙半導(dǎo)體氧化物，其在傳感、光催化、燃料敏化太陽能電池以及電化學(xué)鋰存儲等方面有著重要的潛在應(yīng)用價值。此外，其還具有良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和可忽略的蛋白質(zhì)變性作用，這些特殊的性能都使其成為理想的生物傳感材料。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)食品細(xì)菌檢測方法的諸多問題，本發(fā)明目的是提供一種快速檢測致病大腸桿菌的T^2納米線生物傳感器芯片及系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是其快速檢測致病大腸桿菌的TiA 納米線生物傳感器芯片是在兩個平行的金電極之間連接有TiO2納米線，所述TiO2納米線為同軸層狀納米結(jié)構(gòu)，所述TiA納米線的表面鍵合有羥基。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述TiO2同軸層狀納米結(jié)構(gòu)是由TiO2納米線軸及包裹該軸的一層以上TiA納米管構(gòu)成。本發(fā)明快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)包括生物傳感器、阻抗檢測電路、第一蠕動泵、第二蠕動泵和交變磁場，所述生物傳感器包括進(jìn)樣容器、出樣容器和TW2納米線生物傳感器芯片，進(jìn)樣容器和出樣容器通過微流通道連通，TiO2納米線生物傳感器芯片中的TiA 納米線置于所述微流通道內(nèi)，TiO2納米線生物傳感器芯片中的兩個平行的金電極分置于微流通道的兩側(cè)；所述TiA納米線生物傳感器芯片中的TiA納米線置于所述交變磁場內(nèi)，使免疫磁分離的細(xì)菌在微流通道內(nèi)的TiO2納米線上易于捕獲；所述第一蠕動泵通過細(xì)菌進(jìn)樣管與進(jìn)樣容器連通，第二蠕動泵通過清洗液進(jìn)樣管與進(jìn)樣容器連通；所述阻抗檢測電路分別與兩個金電極、第一蠕動泵和第二蠕動泵電連接，第一蠕動泵和第二蠕動泵可以分別自動給生物傳感器注入流量可控的細(xì)菌和清洗液。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述阻抗檢測電路包括相互連接的單片機(jī)和型號為AD5933的阻抗檢測芯片。利用AD5933阻抗檢測芯片來測定TW2納米線生物傳感器芯片在抗體修飾前后及細(xì)菌捕獲后IHz IMHz范圍內(nèi)的阻抗譜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用同軸層狀TiA納米線做傳感材料，其表面鍵合有一定數(shù)目的羥基，羥基可以很容易的與抗體相互作用，使得抗體被固定在納米線表面，從而抗體可以快速捕獲細(xì)菌，使用該納米線生物傳感器芯片檢測細(xì)菌的時間由傳統(tǒng)的五、六個小時縮短為50分鐘；同時，由于TW2納米線直徑可控，因而表面羥基的數(shù)目可控，致使抗體固定數(shù)目隨之可控，從而在細(xì)菌數(shù)目較低到10 102CfU/ml時，細(xì)菌仍能被很好的檢測到。蠕動泵可以實(shí)現(xiàn)高精度的給傳感器進(jìn)樣，檢測過程所需的細(xì)菌用量很少，節(jié)約成本。采用AD5933型阻抗測量芯片測定阻抗，操作簡單，測試速度快，便于使用。同時，與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用本檢測系統(tǒng)不需要對含有細(xì)菌的樣本做復(fù)雜的預(yù)處理，從而縮短了細(xì)菌的檢測時間，易于滿足對細(xì)菌快速檢測的需求。


圖1是本發(fā)明具有同軸層狀結(jié)構(gòu)的TiO2納米線示意圖；圖2是本發(fā)明含有T^2納米線生物傳感器芯片的快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明一種阻抗檢測電路的單片機(jī)與串行通信模塊的電路圖；圖4是本發(fā)明一種阻抗檢測電路的蠕動泵驅(qū)動及外圍接口模塊的電路圖；圖5是本發(fā)明一種阻抗檢測電路的阻抗檢測模塊的電路圖；圖6是本發(fā)明一種阻抗檢測電路的電源模塊的電路圖；圖7是本發(fā)明利用含TiO2納米線生物傳感器芯片的系統(tǒng)檢測致病大腸桿菌時，抗體固定前后及細(xì)菌捕獲后T^2納米線生物傳感器芯片的阻抗值與頻率的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明同軸層狀結(jié)構(gòu)TiO2納米線采用溶液法制備，以下舉例說明將0. 2g 1102粉末在不斷攪拌下加入到2. Omol/L的Ca(OH)2和lOmol/L的NaOH混合液中，將此混合液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中密封，在100 250°C下反應(yīng)4小時至7天后得到產(chǎn)物，即具有同軸層狀結(jié)構(gòu)的T^2納米線。所得產(chǎn)物用去離子水沖洗至中性備用。本發(fā)明所制得同軸層狀納米結(jié)構(gòu)的TiO2納米線的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該同軸層狀 TiO2納米線是由中心的TiA納米線軸1及在軸外層包裹的一層以上的TiA納米管2構(gòu)成 (圖ι中僅示出了兩層TiA納米管2，但本發(fā)明的TiA納米線還可以具有一層或三層以上 TiO2納米管2，各層TiO2納米管2均以TiO2納米線軸1為中心層層包裹。),TiO2納米線軸 1的直徑通常在200nm左右，每一層TiO2納米管2層的厚度大約在20nm左右。多層TW2 納米管2在TW2納米線軸1上外延生長，TiO2納米線軸1與外延生長的TW2納米管2層的分界可明顯的看出。同軸層狀TiO2納米線的表面鍵合有一定數(shù)目的羥基。如圖1所示， TiO2納米線的表面包括TiA納米線軸1、各層TiA納米管2的裸露在外部分的表面。該同軸層狀納米線具有價帶可調(diào)、表面羥基數(shù)量可控的優(yōu)點(diǎn)。通過調(diào)控反應(yīng)時間的長短可以控制TW2納米線的直徑，從而調(diào)節(jié)TiO2納米線表面羥基的數(shù)目。羥基數(shù)目多，則固定抗體數(shù)量相應(yīng)增加，可以提高TiO2納米線的敏感性，使得在細(xì)菌數(shù)目低到10 IO2CfuAil時，仍能被很好的檢測到。同軸層狀結(jié)構(gòu)的TiA納米線生物傳感器芯片的制備過程如下將TiA納米線置于氧化硅基片上，然后采用光刻法制備兩個平行的金電極與TW2納米線相連，使得在兩個平行的金電極之間連接有TiA納米線。使用本發(fā)明同軸層狀TiO2納米線生物傳感器芯片時，將該生物傳感器芯片的表面進(jìn)行抗體修飾，具體過程如下將TiA納米線生物傳感器芯片置于2-甲基-2-丙硫醇中對金電極表面進(jìn)行修飾，然后分別用99. 5%乙醇和二次去離子水清洗。將致病性大腸桿菌抗體直接滴在TW2納米線生物芯片的表面上，在室溫下孵育2小時，然后用去離子水沖洗，并在氮?dú)鈿夥障赂稍铩＿@樣表面修飾有抗體的T^2納米線生物傳感器芯片就制成了。本發(fā)明包含有同軸層狀的T^2納米線生物傳感器芯片的快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成生物傳感器、自動進(jìn)樣清洗裝置和阻抗檢測電路。圖2是本發(fā)明快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)中的生物傳感器包括微流通道3、進(jìn)樣容器4、出樣容器5和T^2納米線生物傳感器芯片，進(jìn)樣容器4和出樣容器5通過微流通道3連通。TW2納米線生物傳感器芯片中的TW2納米線6置于微流通道3內(nèi)，TiO2納米線生物傳感器芯片中的相互平行的金電極7和金電極8分置于微流通道3的兩側(cè)。T^2納米線生物傳感器芯片的金電極7和金電極8通過導(dǎo)線與圖4的阻抗檢測電路的外圍接口模塊中的接線端子P3的VIN接線柱和VOUT接線柱連接。使用時，在微流通道3的兩側(cè)施加交變磁場9，使TW2納米線生物傳感器芯片微流通道中的TW2納米線處于交變磁場內(nèi)，這就會使免疫磁分離的細(xì)菌在微流通道3內(nèi)流動時更易被T^2納米線上的抗體捕獲。在本發(fā)明快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)的自動進(jìn)樣清洗裝置中，第一蠕動泵12 通過細(xì)菌進(jìn)樣管10與進(jìn)樣容器4連通，第二蠕動泵13通過清洗液進(jìn)樣管11與進(jìn)樣容器4 連通。第一蠕動泵12通過細(xì)菌進(jìn)樣管10自動給生物傳感器定量注入致病大腸桿菌的培養(yǎng)液。第一蠕動泵12的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0. 1 50rpm，流量最低可達(dá)1 μ L/min,以此來保證系統(tǒng)高精度控制細(xì)菌培養(yǎng)液的進(jìn)樣量。第二蠕動泵13通過清洗液進(jìn)樣管11注入清洗液(如蒸餾水)來清洗T^2納米線生物傳感器芯片。本發(fā)明的阻抗檢測電路包括單片機(jī)與串行通信模塊、蠕動泵驅(qū)動及外圍接口模塊、阻抗檢測模塊及電源模塊四部分構(gòu)成，各個模塊之間通過圖3至圖6所示的各模塊電路圖中相同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的引腳相連接。圖3和圖4分別是本發(fā)明一種阻抗檢測電路的單片機(jī)與串行通信模塊以及蠕動泵驅(qū)動及外圍接口模塊的電路圖。圖3中阻抗檢測電路的核心控制芯片采用飛利浦公司 P89C51型單片機(jī)。單片機(jī)P89C51通過圖4中的步進(jìn)電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動電路中的UL擬803A 達(dá)林頓集成驅(qū)動芯片U3和光電耦合器U6來分別控制圖2的第一蠕動泵12和第二蠕動泵 13的開啟、停止、加速減速及正反轉(zhuǎn)。由于核心控制電路中的微控制器Ul的GPIO驅(qū)動能力有限，因此采用UL擬803A達(dá)林頓集成驅(qū)動芯片U3驅(qū)動圖2中第一蠕動泵12的步進(jìn)電機(jī)， 蠕動泵驅(qū)動電路板中接線端子P2的1、2、3、4、5接線柱分別與圖2中第一蠕動泵12的步進(jìn)電機(jī)相連。微控制器Ul通過發(fā)出有序的矩形脈沖，控制UL擬803A驅(qū)動四相步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)加速、減速、正反轉(zhuǎn)等功能。同時阻抗檢測電路中接線端子P3的1號接線柱與圖2的第二蠕動泵13的直流電機(jī)電連接。以此，通過微控制器Ul控制光電耦合器U6來驅(qū)動第二蠕動泵13的直流電機(jī)。圖5是本發(fā)明一種阻抗檢測電路的阻抗檢測模塊的電路圖。在阻抗檢測模塊中采用ADI公司的AD5933型高精度的阻抗測量芯片測定抗體固定前、抗體固定后以及細(xì)菌滴加后TW2納米線生物傳感器芯片在IHz IMHz頻率范圍內(nèi)的阻抗譜。AD5933芯片由片上集成頻率發(fā)生器與12位、IMSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號來激勵外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號由片上ADC進(jìn)行采樣，然后由片上DSP引擎進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)處理。通過DFT算法在每個頻率上返回一個實(shí)部(R)數(shù)據(jù)字和一個虛部(I) 數(shù)據(jù)字。校準(zhǔn)之后，算出各掃描頻率點(diǎn)的阻抗幅度和相對相位。隨后圖3中單片機(jī)P89C51 通過串行通信模塊的RS232接口把數(shù)據(jù)傳遞給上機(jī)位(PC機(jī))用戶。圖6是本發(fā)明阻抗檢測電路的電源模塊的電路圖。阻抗檢測電路的各個模塊通過相應(yīng)的端口與電源模塊相連。以此來通過電源驅(qū)動各個模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。以下舉例說明利用本發(fā)明系統(tǒng)檢測細(xì)菌的過程如下1)將TW2納米線生物傳感器芯片置于微流通道中，使TiO2納米線6與微流通道 3的流體流動方向相垂直，然后利用阻抗測定電路中的AD5933型高精度的阻抗測量芯片測定抗體固定前IHz IMHz頻率范圍內(nèi)TW2納米線生物傳感器芯片的阻抗值；2)取出T^2納米線生物傳感器芯片，對芯片表面進(jìn)行抗體修飾，隨后將抗體修飾的TiA納米線生物傳感器芯片置于微流通道3中，使TiA納米線6與微流通道3的流體流動方向相垂直，然后利用阻抗測定電路中的AD5933型高精度的阻抗測量芯片測定抗體固定后IHz IMHz頻率范圍內(nèi)TW2納米線生物傳感器芯片的阻抗值；3)將第一蠕動泵12和第二蠕動泵13分別與阻抗檢測電路電連接，通過阻抗檢測電路控制第一蠕動泵向固定有TW2納米線生物傳感器芯片的微流通道3注入致病大腸桿菌。利用阻抗測定電路中的AD5933型高精度的阻抗測量芯片測定細(xì)菌吸附后IHz IMHz 頻率范圍內(nèi)TiO2納米線生物傳感器芯片的阻抗譜。隨后利用阻抗檢測電路控制第二蠕動泵 13對固定有T^2納米線生物傳感器芯片的微流通道3注入一定量的去離子水進(jìn)行清洗，以用于重復(fù)使用。圖7是本發(fā)明利用含TiO2納米線生物傳感器芯片的系統(tǒng)檢測致病大腸桿菌時，抗體固定前后及濃度為IO2CfuAil的細(xì)菌捕獲后TiO2納米線生物傳感器芯片的阻抗值與頻率的關(guān)系曲線。從圖7可以看出，抗體加入后，TiO2納米線生物傳感器芯片阻抗值降低。而當(dāng)加入細(xì)菌后，TiO2納米線生物傳感器芯片阻抗值升高。這是由于當(dāng)TiO2納米線表面固定抗體后，TiO2納米線表面羥基與抗體結(jié)合使得抗體固定，同時TW2納米線與抗體發(fā)生靜電吸引亦使得抗體被固定，由于抗體加入TiO2納米線表面電荷減少引起阻抗降低；當(dāng)對致病大腸桿菌進(jìn)行檢測時，抗體捕獲細(xì)菌使得TiA納米線表面電荷增加而使得阻抗升高。這表明固定有抗體的TiA納米線生物傳感器芯片可以快速檢測致病性大腸桿菌。
權(quán)利要求
1.一種快速檢測致病大腸桿菌的TiA納米線生物傳感器芯片，其特征是在兩個平行的金電極之間連接有TW2納米線，所述TW2納米線為同軸層狀納米結(jié)構(gòu)，所述TW2納米線的表面鍵合有羥基。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的快速檢測致病大腸桿菌的T^2納米線生物傳感器芯片，其特征是所述TW2同軸層狀納米結(jié)構(gòu)是由TiO2納米線軸及包裹該軸的一層以上TW2納米管構(gòu)成。
3.一種包含權(quán)利要求1的TiA納米線生物傳感器芯片的快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)，其特征是包括生物傳感器、阻抗檢測電路、第一蠕動泵、第二蠕動泵和交變磁場，所述生物傳感器包括進(jìn)樣容器、出樣容器和TiA納米線生物傳感器芯片，進(jìn)樣容器和出樣容器通過微流通道連通，TiO2納米線生物傳感器芯片中的TW2納米線置于所述微流通道內(nèi)， TiO2納米線生物傳感器芯片中的兩個平行的金電極分置于微流通道的兩側(cè)；所述TiO2納米線生物傳感器芯片中的TiO2納米線置于所述交變磁場內(nèi)；所述第一蠕動泵通過細(xì)菌進(jìn)樣管與進(jìn)樣容器連通，第二蠕動泵通過清洗液進(jìn)樣管與進(jìn)樣容器連通；所述阻抗檢測電路分別與兩個金電極、第一蠕動泵和第二蠕動泵電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速檢測致病大腸桿菌的系統(tǒng)，其特征是所述阻抗檢測電路包括相互連接的單片機(jī)和型號為AD5933的阻抗檢測芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開一種快速檢測致病大腸桿菌的TiO2納米線生物傳感器芯片及系統(tǒng)。TiO2納米線生物傳感器芯片是在兩個平行的金電極之間連接有TiO2納米線，TiO2納米線為同軸層狀納米結(jié)構(gòu)，TiO2納米線的表面鍵合有羥基?？焖贆z測致病大腸桿菌的系統(tǒng)的生物傳感器的進(jìn)樣容器和出樣容器通過微流通道連通，TiO2納米線生物傳感器芯片中的TiO2納米線置于微流通道內(nèi)，TiO2納米線生物傳感器芯片中的兩個平行的金電極分置于微流通道兩側(cè)，且TiO2納米線置于交變磁場內(nèi)；該系統(tǒng)的第一蠕動泵通過細(xì)菌進(jìn)樣管與進(jìn)樣容器連通，第二蠕動泵通過清洗液進(jìn)樣管與進(jìn)樣容器連通；阻抗檢測電路分別與兩個金電極、第一蠕動泵和第二蠕動泵電連接。本發(fā)明不需對細(xì)菌樣本做復(fù)雜預(yù)處理，縮短細(xì)菌檢測時間。
文檔編號G01N33/569GK102175859SQ201010561929
公開日2011年9月7日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者李冰杰, 李超榮, 王學(xué)斌, 董文鈞, 許麗, 陳本永 申請人:浙江理工大學(xué)