本發(fā)明涉及電化學(xué)檢測(cè)，特別是涉及一種基于旋嵌式離心微流控芯片的電化學(xué)檢測(cè)裝置及工作方法。
背景技術(shù)：
1、隨著微流控技術(shù)的快速發(fā)展，離心式微流控芯片電化學(xué)檢測(cè)裝置因其高效、低耗、高集成度的優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)即時(shí)診斷、環(huán)境污染物快速篩查及食品安全高通量分析等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。離心式微流控技術(shù)通過精密設(shè)計(jì)的離心式芯片結(jié)構(gòu)，結(jié)合電化學(xué)檢測(cè)方法的高靈敏度特性，可實(shí)現(xiàn)納升級(jí)樣本的全流程自動(dòng)化處理，包括樣本分配、試劑混合、分離富集、反應(yīng)及檢測(cè)，顯著提升檢測(cè)效率與數(shù)據(jù)可靠性。然而現(xiàn)有設(shè)計(jì)仍面臨以下問題：
2、（1）動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力不足：如cn105964314b依賴離心停止后的電極靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)，需精密機(jī)械控制，對(duì)時(shí)間依賴性生物標(biāo)志物的分析能力受限。
3、（2）長(zhǎng)期穩(wěn)定性缺陷：如cn212748794u通過機(jī)械彈簧簡(jiǎn)化安裝，但部件繁多易老化，長(zhǎng)期使用造成位置偏差。
4、（3）系統(tǒng)復(fù)雜與成本高：如cn111982985a的集成化系統(tǒng)雖支持多數(shù)據(jù)融合，但依賴高功耗中央處理器與多模塊協(xié)同架構(gòu)。
5、此外，離心式微流控電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)普遍局限于“離心驅(qū)動(dòng)-靜態(tài)檢測(cè)”的分步模式，無法在旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)捕捉反應(yīng)動(dòng)態(tài)變化，難以滿足即時(shí)檢測(cè)和高通量篩查對(duì)效率與數(shù)據(jù)全面性的需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有離心式微流控檢測(cè)電化學(xué)檢測(cè)裝置存在的動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力不足、長(zhǎng)期穩(wěn)定性缺陷和系統(tǒng)復(fù)雜等問題，本發(fā)明提供了一種基于旋嵌式離心微流控芯片、能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)定位與動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的電化學(xué)檢測(cè)裝置及工作方法。
2、具體而言，本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體如下：
3、一種基于旋嵌式離心微流控芯片的電化學(xué)檢測(cè)裝置，包括電化學(xué)檢測(cè)芯片、電極適配模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊；
4、所述電化學(xué)檢測(cè)芯片包括芯片基體和位于芯片基體下方的檢測(cè)電極，所述芯片基體內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)檢測(cè)腔，所述檢測(cè)電極中設(shè)有至少一組相互連接的內(nèi)電極和外電極，所述內(nèi)電極的檢測(cè)區(qū)域與檢測(cè)腔的底面重合，所述外電極裸露于芯片基體的外側(cè)，所述檢測(cè)電極的上表面與芯片基體的底面緊密鍵合；
5、所述電極適配模塊包括固定殼，所述固定殼包括頂部開口的固定外殼，所述固定外殼的側(cè)壁內(nèi)表面上連接有至少一個(gè)卡槽，所述卡槽的左側(cè)面或右側(cè)面開口，所述卡槽的頂面的內(nèi)壁上嵌入有接觸電極，所述卡槽的底面上開設(shè)有定位孔，所述定位孔位于接觸電極的正下方，所述定位孔內(nèi)裝有用于提高外電極與接觸電極貼合緊密度的自鎖分度銷；所述電化學(xué)檢測(cè)芯片放置于固定殼的空腔內(nèi)，當(dāng)電化學(xué)檢測(cè)芯片與固定殼未鎖緊時(shí)，電化學(xué)檢測(cè)芯片可旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度；當(dāng)電化學(xué)檢測(cè)芯片的外電極旋入卡槽內(nèi)且檢測(cè)芯片與固定殼鎖緊時(shí)，外電極與接觸電極緊密貼合；
6、所述電化學(xué)檢測(cè)模塊包括電滑環(huán)和電化學(xué)檢測(cè)電路；所述電滑環(huán)位于固定殼下方且與固定殼電連接；
7、所述驅(qū)動(dòng)模塊包括電機(jī)，所述電機(jī)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)芯片基體、檢測(cè)電極、固定殼及電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)。
8、其中，所述芯片基體和檢測(cè)電極的中央均設(shè)有中心通孔，所述固定殼的底面中央設(shè)有通孔，所述固定殼底面的通孔內(nèi)設(shè)有彈簧，所述彈簧的底部與固定殼接觸，彈簧的頂部與電化學(xué)檢測(cè)芯片的底面接觸，所述傳動(dòng)軸穿過彈簧。
9、其中，所述電化學(xué)檢測(cè)電路集成有恒電位儀、信號(hào)生成電路、信號(hào)采集電路以及信號(hào)處理電路；所述信號(hào)采集電路與電滑環(huán)電連接。
10、其中，還包括調(diào)控模塊，所述調(diào)控模塊包括控制器、通信接口和交互界面，交互界面通過顯示器顯示；所述控制器包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和微處理器。
11、其中，所述芯片基體由聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或玻璃等材料制成且底面具有微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與檢測(cè)電極鍵合后形成腔室、微通道、閥門等結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)形狀由待測(cè)樣品及功能需求確定。
12、其中，所述檢測(cè)腔的數(shù)量與內(nèi)電極、外電極、接觸電極和自鎖分度銷的數(shù)量相同，確保相互配合。
13、其中，所述檢測(cè)電極為兩電極、三電極或四電極體系，電極材料為金屬、碳材料或者半導(dǎo)體材料等，電極制作方法采用絲網(wǎng)印刷、真空蒸鍍、離子濺射或分子束外延等，檢測(cè)電極與接觸電極形狀相適配，在緊密接觸條件下能夠穩(wěn)定傳輸電信號(hào)。
14、其中，所述芯片基體的檢測(cè)腔與檢測(cè)電極的內(nèi)電極相配合，芯片基體的底面與檢測(cè)電極的電極面緊密鍵合，檢測(cè)腔完全覆蓋檢測(cè)電極的內(nèi)電極區(qū)域。
15、其中，所述檢測(cè)電極的外電極、接觸電極和自鎖分度銷位于同一豎直軸線，鎖緊狀態(tài)下三者緊密貼合。
16、其中，所述接觸電極與檢測(cè)電極的外電極相配合，放入電化學(xué)檢測(cè)芯片時(shí)，用力按壓彈簧并將外電極旋轉(zhuǎn)進(jìn)入接觸電極所在的卡槽內(nèi)，停止按壓彈簧后，電化學(xué)檢測(cè)芯片在彈簧壓力的作用下上移，使接觸電極與外電極適配貼合。
17、其中，所述自鎖分度銷可以手動(dòng)調(diào)節(jié)頂部高度，未鎖緊狀態(tài)下，自鎖分度銷頂部與外電極底部不貼合，手動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)自鎖分度銷底部90°使其處于鎖緊狀態(tài)下，自鎖分度銷頂部給外電極底部施加向上的力，使外電極頂部與接觸電極緊密貼合，因此高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電化學(xué)檢測(cè)芯片與電化學(xué)檢測(cè)模塊可以通過電極適配模塊實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電信號(hào)傳輸。
18、其中，所述電滑環(huán)包括轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子部分的電路與電極適配模塊連接，定子部分的電路與電化學(xué)檢測(cè)電路連接，由此實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的穩(wěn)定電信號(hào)連通。
19、其中，所述傳動(dòng)軸與電滑環(huán)之間采用螺栓固定，通過橫向壓緊力實(shí)現(xiàn)連接，便于快速安裝、更換和定期維護(hù)，傳動(dòng)軸與固定殼和電化學(xué)檢測(cè)芯片之間的配合方式是任意的，可以是過盈配合、鍵連接、脹緊套連接等。
20、其中，所述電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4000r/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.48nm，霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差≤1%。
21、其中，所述電化學(xué)檢測(cè)電路集成恒電位儀、信號(hào)生成電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路，支持循環(huán)伏安法、差分脈沖伏安法、方波伏安法等多種電化學(xué)檢測(cè)模式。
22、其中，所述恒電位儀能夠調(diào)節(jié)的電位范圍為±5v，精度為±1mv，測(cè)量電流范圍為±1na至±100ma，掃描速度范圍為0.1mv/s至1v/s。
23、其中，所述信號(hào)生成電路可以輸出方波、正弦波以及階梯波等多種激勵(lì)信號(hào)，頻率范圍為0.1hz至100khz，電壓幅值為±5v。
24、其中，所述信號(hào)采集電路的采樣率不低于100khz，支持24位模數(shù)轉(zhuǎn)換。
25、其中，所述信號(hào)處理電路包括低通濾波器和可編程增益放大器，可以捕獲1na-100ma的電流信號(hào)，滿足快速檢測(cè)需求。
26、其中，所述調(diào)控模塊作為整個(gè)裝置的核心控制樞紐，通過通信接口和控制器調(diào)控電機(jī)與電化學(xué)檢測(cè)電路運(yùn)行，借助交互界面展示參數(shù)、接收指令以靈活設(shè)置檢測(cè)模式與檢測(cè)參數(shù)。
27、其中，所述通信接口分為電機(jī)通信接口和電化學(xué)檢測(cè)電路通信接口，所述電機(jī)通信接口采用rs485差分總線協(xié)議，波特率配置為9600，通過雙絞屏蔽電纜與阻抗匹配終端設(shè)計(jì)，確保電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)抗電磁干擾能力穩(wěn)定，所述電化學(xué)檢測(cè)電路通信接口采用usb3.0superspeed協(xié)議，實(shí)際傳輸速率≥400mbps，支持即插即用功能與批量傳輸模式。
28、其中，所述控制器能夠調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為±4000rpm，調(diào)節(jié)精度為±1rpm，且能夠設(shè)定電化學(xué)檢測(cè)電路的檢測(cè)方法、檢測(cè)時(shí)間、掃描速率等相關(guān)參數(shù)。
29、其中，所述顯示屏的交互界面支持多點(diǎn)觸控操作，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示及保存，方便用戶使用。
30、其中，整個(gè)裝置設(shè)有裝置外殼。
31、本發(fā)明基于旋嵌式離心微流控芯片的電化學(xué)檢測(cè)裝置的工作方法，具體為：將電化學(xué)檢測(cè)芯片的中心通孔與傳動(dòng)軸軸線對(duì)齊，確保芯片水平放置，向下按壓電化學(xué)檢測(cè)芯片，壓縮彈簧至最大行程，保持按壓狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)電化學(xué)檢測(cè)芯片使外電極嵌入接觸電極所在的卡槽內(nèi)；緩慢松開，彈簧回彈推動(dòng)電化學(xué)檢測(cè)芯片上移，外電極與接觸電極初步貼合；手動(dòng)旋轉(zhuǎn)自鎖分度銷，自鎖分度銷頂部對(duì)外電極施加垂直向上壓力，確保緊密貼合；打開交互界面，設(shè)置運(yùn)行流程，進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)束后，再次旋轉(zhuǎn)自鎖分度銷，解除鎖緊狀態(tài)，按壓旋轉(zhuǎn)并取出電化學(xué)檢測(cè)芯片。
32、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出效果在于：
33、（1）本發(fā)明的基于旋嵌式離心微流控芯片的電化學(xué)檢測(cè)裝置，運(yùn)用固定殼與電滑環(huán)的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)離心力驅(qū)動(dòng)與電化學(xué)檢測(cè)的同步耦合，突破傳統(tǒng)“離心驅(qū)動(dòng)-靜態(tài)檢測(cè)”的分步檢測(cè)模式；彈簧與自鎖分度銷構(gòu)建的軸向位移自補(bǔ)償機(jī)制抑制電化學(xué)檢測(cè)芯片徑向跳動(dòng)，提高定位精度、保證檢測(cè)過程中信號(hào)的穩(wěn)定傳輸；檢測(cè)模塊、調(diào)控模塊與交互界面的高度集成，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，便于操作和調(diào)整。
34、（2）本發(fā)明裝置通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與電滑環(huán)的同步信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)在離心過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)；旋嵌式安裝與電極彈性適配相結(jié)合，安裝時(shí)僅需按壓旋轉(zhuǎn)芯片并手動(dòng)鎖定自鎖分度銷，操作簡(jiǎn)便且減少對(duì)電極的損傷；嵌入式布局提高系統(tǒng)集成度和便攜度，支持“裝樣-檢測(cè)-分析”全流程自動(dòng)化，適配精準(zhǔn)醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)與食品安全等多種即時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。
35、下面結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的基于旋嵌式離心微流控芯片的電化學(xué)檢測(cè)裝置及工作方法作進(jìn)一步說明。