青霉素-ISFET生物传感器及信号调理电路研究

论文摘要

青霉素类抗生素作为一种广谱抗菌药物,由于其价格低廉、使用方便、抗菌作用强,因此被广泛的用于治疗动物炎症、感染。如果将停药期间内的动物屠宰或挤取尚在停药期间奶牛的牛奶,就会造成动物性食品中青霉素的残留。人们食用残留有青霉素的食品后,会诱导耐药菌株的产生,敏感的人群会产生过敏反应。工业发酵乳中残留青霉素会抑制生产菌的生长。因此,建立针对青霉素残留的快速检测方法对控制动物性食品的卫生质量、保障消费者健康、保证工业生产等方面都具有比较重要的社会经济意义。本文针对以往青霉素残留检测方法的不足之处,提出了一种新的测量方法-离子敏场效应管（Ion-Sensitive Field-Effect Transistor,ISFET）生物传感器法。该测量方法具有操作简单、样品不需要预处理、检测速度快、准确度高等优点。本文从ISFET的结构着手,从化学的角度分析了ISFET的敏感机理,推导出了界面势与氢离子活度的关系式,从中得出了影响ISFET生物传感器灵敏度和线性响应范围的因素。在ISFET特性分析上,通过与MOSFET进行比较,推导出了ISFET的电压、电流方程,并在通用电路模拟程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis,SPICE）内部的MOSFET模型基础上进行扩展,建立了描述ISFET电学特性的SPICE模型,并对模型进行了仿真验证,结果表明本模型能够很好的反映ISFET的电压、电流等特性。在传感器测量模式中,通过对几种方法的比较,最终选择了电流法,并设计了信号调理电路。青霉素-ISFEF生物传感器作为生物传感器的一个分支,集生物传感器高灵敏度、高选择性和场效应管器件易集成化、微型化等优点于一体,使它在智能化、在线、实时分析等方面具有较大的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 抗生素残留的危害
• 1.1.2 抗生素残留对人体肠道菌群的影响
• 1.1.3 抗生素残留引起的过敏和变态反应
• 1.1.4 青霉素类抗生素残留的控制
• 1.2 抗生素残留分析技术研究现状
• 1.2.1 微生物检测法
• 1.2.2 理化检测法
• 1.2.3 免疫法
• 1.3 青霉素-ISFET 生物传感器
• 1.4 研究内容及论文框架
• 第2章 ISFET 生物传感器的工作原理
• 2.1 ISFET 的基本结构
• 2.2 ISFET 的敏感机理
• 2.2.1 电解液-绝缘体-半导体（E-I-S）系统表面基理论简介
• 2.2.2 E-I 界面表面基/复合中心模型理论
• 2.2.3 E-I 界面电荷与电势关系
• 2.2.4 E-I-S 系统方程组及参数分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 ISFET 的SPICE 模型的建立
• 3.1 SPICE 软件简介
• 3.2 ISFET 特性
• 3.2.1 ISFET 的阈值电压
• 3.2.2 ISFET 的漏源电流方程
• 3.2.3 ISFET 的温度特性
• 3.2.4 ISFET 的时间漂移特性
• 3.3 ISFET 等效电路建立
• 3.4 ISFET 宏模型建立
• 3.4.1 ISFET 宏模型参数的确定
• 3.4.2 ISFET SPICE 程序设计
• 3.5 仿真分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 信号调理电路
• 4.1 传感器信号读取电路
• 4.2 信号调理电路
• 4.2.1 测量放大器
• 4.2.2 滤波
• 4.3 信号采样保持
• 4.4 A/D 转换
• 4.5 MSP430 单片机及接口电路
• 4.5.1 MSP430 单片机概述
• 4.5.2 MSP430 单片机接口电路
• 4.5.3 RS-232 串口通信
• 4.6 系统硬件电路集成
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢