平面交叉数字传感器用于海产品质量评价的初步探讨

摘要

设计了一种基于平面间数字传感器的海产品质量评价系统。我们的主要目标是检测贻贝中软骨藻酸分子的存在。最初的研究使用了三种肽衍生物，即肌氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，它们在结构上与我们的目标分子密切相关。脯氨酸分子可以说是肽构象中最重要的氨基酸，其基本结构与软骨藻酸相似。设计并制作了三种新型的交叉数字传感器。初步结果表明，传感器对化学物质的响应很好，可以从传感器输出的化学物质中区分出不同的化学物质。分析结果表明，与其他传感器相比，Sensor_1具有更好的灵敏度。选择Sensor_1与真贻贝进行进一步分析。然后用真贻贝分析了添加脯氨酸前后传感器阻抗的变化。用传感器检测贻贝样品中脯氨酸的存在。 Results also showed a good correlation of在灵敏度和样品厚度之间=0.717。

1.介绍

在19世纪末和20世纪初，大量疾病与食用生牡蛎、虾爪和贻贝有关。这个问题今天仍然存在，并不时地出现在社会上。最近发生了一些死亡事件，这使得这个问题值得研究。调查发现，这些疾病与食用受软骨藻酸污染的贻贝有关，引致失忆性贝类中毒(ASP) [1.–4.]．ASP的特征是胃肠道和神经系统症状，包括严重头痛、意识混乱和暂时性或永久性记忆丧失。

软骨藻酸(DA)是一种由微藻，特别是硅藻产生的天然毒素Pseudo-nitzschia。DA是藻类或浮游生物繁殖时产生的一种化学物质。贝类和滤食性鱼类(凤尾鱼、沙丁鱼、磷虾等)摄取这些藻类，毒素就集中在那里。两者都能积聚这种毒素而没有明显的不良影响。然而，在海洋哺乳动物和人类中，DA是一种作为神经毒素的替羧酸。这种毒素不能通过烹饪或冷冻来消灭。图形1.显示软骨藻酸的化学结构。

世界各地已报告贝类中含有甲壳类动物[1.]．已经有许多关于各种野生动物毒性的报告，表明DA在海洋生态系统的食物链中向上移动[1.–4.]．

研究证明，一定量的DA会给动物和人类带来健康问题[5.–10]．1987年，DA被确定为导致加拿大爱德华王子岛爆发疾病的毒素[11]。这是由食用蓝贻贝引起的。观察到对胃肠道和神经系统的影响。据报道，107名患者（均为成年人）符合病例定义[2.]．与剂量相关的症状包括恶心、呕吐、腹部绞痛、腹泻、头痛、失忆和抽搐，一些死亡都归因于该毒素。由于人类疾病在加拿大的插曲，监管水平为20μ建立了贝类肉中DA的g/g。

为了保护消费者不受贝类中毒的影响，大多数国家都有一套监管指南。所有的产品都需要进行毒素测试，这给实验室带来了沉重的工作量，对行业来说也非常昂贵。这促使我们开发一种传感系统，这种传感系统可以很容易地、低成本地检测出DA及其类似物的存在。

2.现有的方法

现有的DA检测方法有HPLC和SPR两种。

２.１.基于高效液相色谱

高压液相色谱法（HPLC）已用于测定DA[2.,11–13]。对来自日本的10个商用蓝色贻贝（贻贝）样品进行了DA分析。在所有样品中都发现了低浓度（0.11–1.81）的DA ng/g贻贝组织）[14]．本文报道了一种高效液相色谱法测定丙二醛的新方法[15]．

２.２.基于SPR

研制了一种便携式表面等离子体共振（SPR）生物传感器系统，用于软骨藻酸的检测[16]．报道了一种快速、灵敏的免疫筛选方法，利用表面等离子共振光学生物传感器检测贝类提取物中存在的DA [17]．

现有的方法需要昂贵的设备和训练有素的人员。制备样品和进行实验的过程是繁琐和耗时的。针对现有方法的复杂性，我们设计并制作了一种基于平面间数字传感器的新型传感系统，以方便DA的分子检测。所开发的传感系统应该是可靠的和具有成本效益的。

3.用于软骨藻酸评估的平面叉指传感器的开发

平面间数字传感器已被用来估计电介质材料的特性，如牛奶、萨克斯簧片、肉和皮革[18–22]．传感器产生的电场线穿透被测材料(MUT)，改变传感器的阻抗。传感器表现为一个电容，其中电容电抗成为系统特性的函数。因此，可以通过测量容抗来评估系统的性能。并联板电容器的电容可由 哪里是电容（以法拉为单位），为绝对介电常数()，为被测材料的相对介电常数，面积(单位是平方米)和为间距，单位为米。

３．１．传感器设计

采用了一种不同于传统间隙传感器的新型平面间隙传感器。设计并制作了三种新型交叉数字传感器。最初的目标是评估这三个传感器中哪一个能给出良好的响应，并能区分三种不同的化学样品。每个传感器的有效面积为4.75 mm × 5.00 mm，间距(相邻正负电极之间的距离)为0.25 mm。正极和负极长度相同，分别为4.75 mm和0.125 mm。所有传感器的设计都具有相同的有效电极数(13个)。Sensor_1设计为两端各有2个正极，11个负极分开。Sensor_2和Sensor_3的尺寸相同，但配置不同。Sensor_2有3个正极，10个负极;Sensor_3有4个正极，9个负极。数据2.（a） 及2.(b)显示传统和新型数字间传感器的代表。图形3.显示不同配置的Sensor_2和Sensor_3。

然而,(1.)可以通过引入两个因素来计算平面型电容器的电容，一个是距离的变化，"另一个是改变区域，"”。只有“在设计上有所改变。在传感器设计阶段，优化负极的数量和估计传感器几何形状内的等效电容是很重要的。在传感器几何形状内估计等效电容的等效电路如图所示4..等效电容可通过以下公式计算： 哪里．

图形5.显示了传感器几何结构内电容的估计值。电路分析结果表明，传感器_1比传感器_2和传感器_3具有更好的均匀性。这种均匀性对于实现最大的测量灵敏度非常重要。图6.显示所有组装传感器的图片。

4.结果和讨论

传感器与一系列表面贴装电阻120kΩ连接，测量通过传感器的电流。使用安捷伦函数波形发生器，将10 kHz的频率与10 Vpp(电压峰对峰)应用于激励线圈。在被测系统中，传感器的激励线圈将产生电场。数字间传感器的输出信号是小的，并且是互换性的。图形7.显示传感器_1的信号波形和表1.显示所有传感器的激励电压、感应电压、电流和阻抗之间的关系。

信号整流电路如图所示8.来校正和放大交流信号。电路中使用了两台LM324低功耗四倍运算放大器。全波整流器将信号波形转换为一个恒定极性(+ve和)在它的输出。放大信号将通过一个截止频率为13 kHz的低通滤波器。电路的输出信号馈送到单片机SiLab C8051F020的模拟输入端，得到数字值。

4．1.实验室实验

在用贻贝的实际样品进行实验之前，我们在初步研究中探索了与我们的目标分子在结构上密切相关的三种肽衍生物肌氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸对传感器的响应。n -甲基甘氨酸是最简单的结构。脯氨酸分子可以说是肽构象中最重要的氨基酸，其基本结构与软骨藻酸相似。羟基脯氨酸中4位的羟基代表了C4的取代基，这对结合尤为重要。图形9显示了用于最初研究的三个样品的化学结构。选择这三种样品是因为它们的价格比软骨藻酸便宜。表格2.显示了市场上每种化学品的价格。

少量肌氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸样本（1.4 mg）用于实验。将每种化学品放置在传感器的有效面积上，如图所示10．电极在布包的帮助下与样品分离。实验设置如图所示11．空气测量数据()，以作校正之用。输出电压()从整流电路和单片机采集数字量，对传感器灵敏度数据进行分析，通过计算机计算灵敏度 哪里电压是空气电压还是无样品电压为带样品的电压输出。

数据12和13显示三个样品的三个不同传感器的传感器输出的比较值。可以说，这些传感器对化学物质的反应非常好。可以看出，从传感器的输出信号中辨别不同的化学物质是可能的。这为开发一个传感系统来检测生牡蛎、爪子和贻贝中DA的存在提供了机会。初步研究结果表明，Sensor_1具有良好的响应性，对化学结构具有更好的灵敏度。与Sensor_2和Sensor_3相比，该方法能明显区分三种样品。因此，选择Sensor_1与真贻贝进行进一步分析。

4.2.贻贝实验

假设市场上所有贻贝都是好的，DA水平低于20μg/g贻贝肉。随机选择一组8个贻贝，从5个不同位置切割。图14展示了样本是如何从每个贻贝中提取的。所有的样品都放在不粘纸上，并让它们在实验室控制的温度下晾干湿度40%。用数显卡尺和温度测试仪分别测量各试样的厚度和表面温度。测得的样品厚度在1.6 ~ 3.2 mm之间，测得的温度范围在1.6 ~ 3.2 mm之间到.实验装置如图所示10用于测试样品。每个样品放置在传感器上，如图所示15．

采集信号整流电路的输出电压和单片机的数字值。在样品中加入少量脯氨酸(0.7 mg)前后分别采集数据进行分析。实验中使用脯氨酸是因为它与软骨藻酸的化学结构密切。结果在图16说明添加脯氨酸前后Sensor_1的灵敏度有显著差异。结果表明，Sensor_1能够检测样品上是否存在脯氨酸。图在图17显示位置5的平均传感器灵敏度较高，位置1的平均传感器灵敏度较低。这是因为5号位置的平均厚度为2.7 mm，比其他位置厚。位置1的灵敏度最低，平均厚度为2.3 mm。Figure中的图表18显示出很好的相关性，传感器灵敏度与样品厚度之间。并进行了DA实验。将0.1 mg的少量DA稀释在2.0 mL (2.0 g)水中，得到50 ppm的DA。结果在图19显示传感器_1对少量DA（0.5）的响应 μg） 注射到样品中。

5.结论

对三种不同化学物质的初步研究证明，传感器可以对每种化学物质做出很好的反应，并能清楚地区分它们。Sensor_1具有更好的灵敏度，因此选择其与真贻贝进行进一步分析。对真实贻贝的检测结果分析表明，Sensor_1能够检测样品上是否存在脯氨酸。可以说，Sensor_1能够检测到少量脯氨酸，其结构与DA的化学结构相近。DA实验也表明，Sensor_1能够检测到贻贝肉中DA的存在。因此，新型平面间数字传感器可用于贻贝化学物质结构的检测。该传感系统可为贝类肉中DA的快速分析提供依据。未来将开发一种低成本、可靠的商用传感系统。该系统将采用基于微控制器的传感系统，传感器的校准和分析可以即时完成。先对空气进行校准，然后对样品进行测量数据。 A set of threshold values (sensor sensitivity) at different sample thickness need to be set. This threshold values can be obtained from the experiment with more mussels with injected DA. A result of pass and fail analysis will be programmed into the microcontroller according to this threshold values.

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