植物有机小分子在线检测装置及方法
技术领域
[0001] 本
发明属于有机物监测技术领域，更具体涉及一种植物有机小分子在线检测装置及方法。
背景技术
[0002] 植物有机小分子在植物生长发育中具有重要作用，现有植物有机小分子检测设备包括
氨基酸分析仪、酶标仪、气相色谱-质谱分析仪、高效液相色谱分析仪等。这些检测设备均使用分析化学方法检测，检测过程需要离体分析，并设置了不同时间点进行
采样，之后通过
研磨、匀浆、过滤等前处理过程，最后上机分析有机小分子含量。
[0003] 现有的检测技术检测的是植物有机小分子某个或某几个时间点静态浓度，需要离体检测，仅能获取植物体内有机小分子的静态信息，无法体现植物对环境变化的动态响应机制，并且检测样品的制备及前处理过程复杂，效率低。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是如何实现对植物有机小分子在线、活体、动态检测以及分析。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种植物有机小分子在线检测装置，所述装置包括微型
生物传感器单元、激励
信号发生单元、
数据采集处理单元以及主控单元；
[0006] 所述主控单元与所述
激励信号发生单元连接，所述主控单元产生原始激励信号并传输给所述激励信号发生单元；
[0007] 所述激励信号发生单元与所述微型
生物传感器单元连接，所述激励信号发生单元根据所述原始激励信号产生激励信号并传递给所述微型生物传感器单元；
[0008] 所述微型生物传感器单元与所述数据采集处理单元连接，所述微型生物传感器单元在所述激励信号的作用下与待检测的有机小分子发生反应，产生
电信号，并将产生的电信号传递给所述数据采集处理单元；
[0009] 所述数据采集处理单元与所述主控单元连接，所述数据采集处理单元对所述电信号进行预处理后传递给所述主控单元，所述主控单元对所述数据采集处理单元传递的预处理后的电信号进行分析得到待检测有机小分子的浓度。
[0010] 优选地，所述装置还包括压降
温度补偿单元；所述压降温度补偿单元与所述微型生物传感器单元以及所述主控单元连接，所述压降温度补偿单元采集所述微型生物传感器单元工作过程中的压降以及温度，并传递给所述主控单元；
[0011] 所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的温度信息产生温度补偿激励信号并传递给所述激励信号发生单元，所述激励信号发生单元根据所述温度补偿激励信号以及所述原始激励信号产生所述激励信号；
[0012] 所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的压降信息输出对应的补偿补偿
电压给所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据所述补偿电压对所述电信号进行预处理，之后将处理后的电信号传递给所述主控单元。
[0013] 优选地，所述数据采集处理单元包括信号放大子单元以及信号调理子单元；所述信号放大子单元与所述微型生物传感器单元连接，用于将所述电信号以及所述补偿电压进行
叠加以及放大的预处理；所述信号调理子单元与所述信号放大子单元以及所述主控单元连接，用于对放大后的电信号进行调理，之后传递给所述主控单元。
[0014] 优选地，所述主控单元包括第一
数模转换子单元以及第一
模数转换子单元；
[0015] 所述原始激励信号通过所述第一数模转换子单元进行数模转换后传递给所述激励信号发生单元；
[0016] 所述数据采集处理单元预处理后的电信号经过所述第一模数转换子单元进行模数转换后传递给所述主控单元。
[0017] 优选地，所述主控单元还包括第二数模转换子单元、第三数模转换单元以及第二模数转换子单元；
[0018] 所述温度补偿激励信号通过所述第二数模转换子单元进行数模转换后传递给所述激励信号发生单元；
[0019] 所述压降温度补偿单元采集的压降以及温度经过所述第二模数转换子单元进行模数转换后传递给所述主控单元；
[0020] 所述补偿电压通过所述第三数模转换子单元进行数模转换后传递给所述微型生物传感器单元。
[0021] 优选地，所述主控单元还包括主控子单元，所述主控子单元中存储有传感器工作曲线，利用所述传感器工作曲线以及所述电信号确定待检测有机小分子的浓度。
[0023] 一种利用上述的装置进行植物有机小分子在线检的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0024] S1、主控单元产生原始激励信号并传输给激励信号发生单元；
[0025] S2、所述激励信号发生单元根据所述原始激励信号产生激励信号并传递给微型生物传感器单元；
[0026] S3、所述微型生物传感器单元在所述激励信号的作用下与待检测的有机小分子发生反应，产生电信号，并将产生的电信号传递给数据采集处理单元；
[0027] S4、所述数据采集处理单元对所述电信号进行预处理后传递给所述主控单元，所述主控单元对所述数据采集处理单元传递的预处理后的电信号进行分析得到待检测有机小分子的浓度。
[0028] 优选地，所述方法还包括以下步骤：
[0029] 压降温度补偿单元采集所述微型生物传感器单元工作过程中的压降以及温度，并传递给所述主控单元；
[0030] 所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的温度信息产生温度补偿激励信号并传递给所述激励信号发生单元，所述激励信号发生单元根据所述温度补偿激励信号以及所述原始激励信号产生所述激励信号；
[0031] 所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的压降信息输出对应的补偿电压给所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据所述补偿电压对所述电信号进行预处理，之后将处理后的电信号传递给所述主控单元。
[0032] 优选地，所述步骤S4中，所述主控单元对所述数据采集处理单元传递的预处理后的电信号进行分析得到待检测有机小分子的浓度具体为：
[0033] 所述主控单元利用所述传感器工作曲线以及所述电信号确定待检测有机小分子的浓度，其中所述传感器工作曲线存储于所述主控单元中。
[0034] 本发明提供了一种植物有机小分子在线检测装置及方法，本发明利用微型生物传感器单元获取信号，利用数据采集处理单元对采集的信号进行预处理，之后利用主控单元对预处理后的信号进行分析得到待检测的有机小分子浓度。将微型生物传感器单元插入待检测的植物器官中进行实时检测，从而实现了对植物有机小分子的在线、活体、动态检测以及连续分析，为植物生理学、植物电生理学、植物学、植物细胞生物学等提供新的解决方案。
附图说明
[0035] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036] 图1为本发明的一个较佳实施例的植物有机小分子在线检测装置的结构示意图；
[0037] 图2为本发明另一个较佳实施例的植物有机小分子在线检测装置工作信号流向示意图；
[0038] 图3为本发明的再一个较佳实施例的植物有机小分子在线检测方法
流程图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0040] 一种植物有机小分子在线检测装置，如图1所示，所述装置包括微型生物传感器单元、激励信号发生单元、数据采集处理单元以及主控单元；所述主控单元与所述激励信号发生单元连接，所述主控单元产生原始激励信号并传输给所述激励信号发生单元；所述激励信号发生单元与所述微型生物传感器单元连接，所述激励信号发生单元根据所述原始激励信号产生激励信号并传递给所述微型生物传感器单元；所述微型生物传感器单元与所述数据采集处理单元连接，所述微型生物传感器单元在所述激励信号的作用下与待检测的有机小分子发生反应，产生电信号，并将产生的电信号传递给所述数据采集处理单元；所述数据采集处理单元与所述主控单元连接，所述数据采集处理单元对所述电信号进行预处理后传递给所述主控单元，所述主控单元对所述数据采集处理单元传递的预处理后的电信号进行分析得到待检测有机小分子的浓度。
[0041] 将微型生物传感器单元插入待检测的植物器官中进行实时检测，可以实现对植物有机小分子的在线、活体、动态检测以及连续分析，为植物生理学、植物电生理学、植物学、植物细胞生物学等提供新的高效率的解决方案。
[0042] 进一步地，所述装置还包括压降温度补偿单元；由于装置在采集信号过程中内阻或带来的压降影响，在运行过程中，可能引发温度变化，因此将所述压降温度补偿单元与所述微型生物传感器单元以及所述主控单元连接，由所述压降温度补偿单元采集所述微型生物传感器单元工作过程中的压降以及温度，并传递给所述主控单元。所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的温度信息分析是否需要进行温度补偿，若是则产生温度补偿激励信号并传递给所述激励信号发生单元，如图2所示，所述激励信号发生单元根据所述温度补偿激励信号以及所述原始激励信号产生所述激励信号。优选地，所述激励信号发生单元将所述温度补偿激励信号以及所述原始激励信号叠加，产生所述激励信号。所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的压降信息分析是否需要进行电压补偿，若是则输出对应的补偿电压给所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据所述补偿电压对所述电信号进行预处理，之后将处理后的电信号传递给所述主控单元。
[0043] 进一步地，所述数据采集处理单元包括信号放大子单元以及信号调理子单元，如图2所示；所述信号放大子单元与所述微型生物传感器单元连接，用于将所述电信号以及所述补偿电压进行叠加以及放大的预处理；所述信号调理子单元与所述信号放大子单元以及所述主控单元连接，用于对放大后的电信号进行调理，之后传递给所述主控单元。
[0044] 进一步地，如图2所示，所述主控单元包括第一数模转换子单元以及第一模数转换子单元；所述原始激励信号通过所述第一数模转换子单元进行数模转换后传递给所述激励信号发生单元；所述数据采集处理单元预处理后的电信号经过所述第一模数转换子单元进行模数转换后传递给所述主控单元。
[0045] 所述主控单元还包括第二数模转换子单元、第三数模转换单元以及第二模数转换子单元；所述温度补偿激励信号通过所述第二数模转换子单元进行数模转换后传递给所述激励信号发生单元；所述压降温度补偿单元采集的压降以及温度经过所述第二模数转换子单元进行模数转换后传递给所述主控单元；所述补偿电压通过所述第三数模转换子单元进行数模转换后传递给所述微型生物传感器单元。
[0046] 进一步地，所述主控单元还包括主控子单元，所述主控子单元中存储有传感器工作曲线，利用所述传感器工作曲线以及所述电信号确定待检测有机小分子的浓度。优选地，上述补偿电压、原始激励信号、温度补偿激励信号均有所述主控子单元经过分析处理后产生。第二模数转换子单元转换后的信号以及第一模数转换子单元转换后的信号均传递给所述主控子单元。优选地上述电信号为电流。
[0047] 进一步地，上述第一数模转换子单元、第一模数转换子单元、第二数模转换子单元、第三数模转换单元以及第二模数转换子单元可以是所述主控单元的一部分，同样也可以脱离所述主控单元二独立存在，可以根据实际情况设计。所述第一数模转换子单元以及所述第二数模转换子单元分别输出所述原始激励信号、温度补偿激励信号。
[0048] 上述有传感器工作曲线是实现确定好的，其绘制具体为：
[0049] 配置浓度梯度为0、0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0、10mM
葡萄糖-
磷酸缓冲(pH＝6.8)溶液，使用制备的微型生物传感器进行循环
伏安法检测(电压-1.0～0.6V，扫描速度
50mV/s)，得到一组浓度与还原峰电流的关系曲线，制作微型生物传感器工作曲线，线性方程为i＝4.8413-98.48501c(电流单位nA，浓度单位μM)，线性范围0.01～10mM。
[0050] 优选地，微型生物传感器单元的传感器包括参比
电极、
工作电极、
对电极。使用时将微型生物传感器插入到植物根、茎、叶或果实中。
[0051] 本发明提供的装置集成了微型生物传感器、微
电子、计算机、自动控制、数学、
纳米技术等，为植物生理、植物电生理、植物学、植物病理学、农学等领域的科研人员提供直接在线检测小分子的工具，通过微型生物传感器获取信号，利用主控单元将信号转化为小分子浓度，从而实现实时、在线、动态获取小分子浓度信息。
[0052] 进一步地，上述微型生物传感器制备包括以下步骤：
[0053] 1、微型生物传感器采用溅射技术和蚀刻技术在
硅片基底上制备，长4cm，外置导电部分长5mm；
[0054] 2、采用电化学沉积法将微型生物传感器导电部分分别修饰成
镀铂对电极、
银/氯化银参比电极、镀金工作电极；
[0055] 3、用金相
砂纸打磨金电极至光滑，用蒸馏
水并超声清洗干净；
[0056] 4、随后将微型生物传感器置于0.5M稀
硫酸溶液中进行循环伏安扫描(-0.1—1.6V)得到典型的循环伏安谱图，已证电极表面干净；
[0057] 5、配制10mM L-半胱氨
酸溶液，将它滴涂在金电极表面，在室温、湿度100％下修饰20小时，后用蒸馏水清洗干净，得到修饰的金电极；
[0058] 6、将直径10nm纳米金溶胶滴涂在5)中修饰好的金电极上，在室温、湿度100％下修饰20小时，蒸馏水冲干净，获得金电极；
[0059] 7、在含70％的壳聚糖溶液溶解葡萄糖
氧化酶，最终将浓度为0.1M，将酶液滴涂在6)金电极上，在4℃、湿度100％下修饰24h，蒸馏水洗净，获得工作电极，4℃存放备用。
[0060] 利用上述装置进行植物有机小分子在线检的方法以下步骤，如图3所示：
[0061] S1、主控单元产生原始激励信号并传输给激励信号发生单元；
[0062] S2、所述激励信号发生单元根据所述原始激励信号产生激励信号并传递给微型生物传感器单元；
[0063] S3、所述微型生物传感器单元在所述激励信号的作用下与待检测的有机小分子发生反应，产生电信号，并将产生的电信号传递给数据采集处理单元；
[0064] S4、所述数据采集处理单元对所述电信号进行预处理后传递给所述主控单元，所述主控单元对所述数据采集处理单元传递的预处理后的电信号进行分析得到待检测有机小分子的浓度。
[0065] 进一步地，所述方法还包括以下步骤：
[0066] 压降温度补偿单元采集所述微型生物传感器单元工作过程中的压降以及温度，并传递给所述主控单元；
[0067] 所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的温度信息产生温度补偿激励信号并传递给所述激励信号发生单元，所述激励信号发生单元根据所述温度补偿激励信号以及所述原始激励信号产生所述激励信号；
[0068] 所述主控单元根据所述压降温度补偿单元传递的压降信息输出对应的补偿电压给给所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据所述补偿电压对所述电信号进行预处理，之后将处理后的电信号传递给所述主控单元。
[0069] 进一步地，所述步骤S4中，所述主控单元对所述数据采集处理单元传递的预处理后的电信号进行分析得到待检测有机小分子的浓度具体为：所述主控单元利用所述传感器工作曲线以及所述电信号确定待检测有机小分子的浓度，其中所述传感器工作曲线存储于所述主控单元中。
[0070] 进一步地，利用上述装置进行检测之前还包括以下步骤：将微型生物传感器用蒸馏水清洗后，先分别检测三份标定(0.1，1，5mmol/L)葡萄糖溶液进行校正，最后得到浓度和电流值的曲线的斜率，当斜率与上述工作曲线的斜率偏差在15％以内被认定为酶活性正常，电极工作也正常。
[0071] 使用时将校正后的微型传感器插入待测玉米茎秆中，进行循环伏安扫描10min，获取稳定的曲线后，结合上述工作曲线，最终获得玉米茎秆葡萄糖浓度。
[0072] 作为对比，获取微型传感器检测部位的组织样本进行液相色谱检测，检测结果与利用本发明的装置或方法得到的结果进行比较，见表1。可以看出本发明的装置或方法检测结果偏差小于15％，检测结果可靠，可实现小分子在线检测。
[0073] 表1测试结果对比
[0074]
[0075]
[0076] 以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、
修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
