基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统

1.本发明涉及分子探测技术领域，尤其是一种基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统。


背景技术：

2.目前的生物化学分子检测技术主要是光学检测。在进行光学检测过程中，往往需要添加催化剂、显色剂并放入恒温箱中在一定温度下进行一定时间如30分钟的孵育。这极大的限制了检测环境，不具备快速检测和现场检测的能力。
3.术语解释：
4.oect：organic electrochemical transistors，有机电化学晶体管。


技术实现要素：

5.针对目前基于光学检测的生物化学分子检测技术存在的检测效率低、检测环境限制多等技术问题，本发明的目的在于提供一种基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统。
6.本发明实施例包括一种基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，包括：
7.多通道oect传感器阵列；所述多通道oect传感器阵列用于安放多孔板，所述多孔板用于容纳样品，所述多通道oect传感器阵列用于对所述样品进行电催化；
8.全光谱光源；所述全光谱光源用于对所述多孔板中的样品进行全光谱照射；
9.检测器；所述检测器用于检测所述多孔板中的样品的全光谱吸光度；
10.主控电路；所述主控电路包括电压调控模块、电流检测模块和运动控制模块；所述电压调控模块用于调控所述多通道oect传感器阵列中的oect的电极电压；所述电流检测模块用于检测所述多通道oect传感器阵列中的oect的电极电流；
11.运动模块；所述运动模块用于在所述主控电路的控制下，驱动所述多孔板相对所述全光谱光源运动。
12.进一步地，所述运动模块包括步进电机、电源、驱动器、第一导轨、第二导轨、第一滑块、第二滑块、联轴器、上位机、传感器以及用于固定所述多孔板的多孔板支架；
13.所述第一滑块限定在所述第一导轨内运动，所述第二滑块限定在所述第二导轨内运动；所述第一导轨和所述第一滑块布置于x方向，所述第二导轨和所述第二滑块布置于y方向；
14.所述多孔板支架固定于所述第一滑块上，所述第一滑块和所述第一导轨的底部通过所述联轴器固定于所述第二滑块上；
15.所述传感器设置于x和y方向的原点位置，用于在所述第一导轨和所述第二导轨运动复位时进行原点定位。
16.进一步地，所述多孔板支架为中间镂空结构，所述多孔板支架中间与所述多孔板
的边缘固定，从而承载所述多孔板。
17.进一步地，所述主控电路用于获取运动指令和电压调控参数，将所述运动指令发送给所述驱动器，由所述驱动器驱动所述步进电机控制滑块在导轨上运动；
18.所述主控电路通过数模转换模块将电压输出至所述传感器；
19.所述上位机根据导轨和滑块的当前位置和预定位置发出运动指令。
20.进一步地，所述检测器用于根据所述全光谱吸光度生成光学波形数据和电流波形数据。
21.进一步地，所述检测器用于将所述光学波形数据和所述电流波形数据发送至上位机，显示所述光学波形数据和所述电流波形数据。
22.进一步地，所述基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统还包括第一准直镜、第二准直镜和光纤支架；
23.所述第一准直镜和所述第二准直镜相对布置；
24.所述光纤支架为e字型三层板结构，所述光纤支架的上层用于固定所述第一准直镜，所述光纤支架的下层用于固定所述第二准直镜；
25.所述全光谱光源通过光纤与所述第一准直镜，所述第一准直镜5通过螺纹与相应的准直镜法兰盘，垂直连接至所述光纤支架的中间板；
26.所述检测器通过光纤、所述第二准直镜以及相应的法兰盘，连接至所述光纤支架的顶板；所述多通道oect传感器阵列可在所述光纤支架的顶板和中间板之间移动。
27.进一步地，所述多通道oect传感器阵列中的oect电极表面或沟道薄膜表面经过分子识别剂表面修饰处理。
28.进一步地，所述多通道oect传感器阵列中的oect含有电解质溶液，所述电解质溶液中包含有机显色剂。
29.进一步地，所述电解质溶液为pbs溶液或者水凝胶。
30.本发明的有益效果是：实施例中的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，能够同时测得样品的全光谱的吸光度数据，以及通道oect传感器阵列中所有通道不同电压下的电流数据，从而实现对生物化学分子浓度和光学特性的同时检测，通过运动控制模块可以准确控制多孔板的运动和定位，保证测试的准确性同时实现高通量测量，能够对被检测分子进行电催化，使其快速发生反应，省去孵育等环节，可以检测电催化产生的电流信号，根据信号测算当前浓度和显示曲线图。
附图说明
31.图1为实施例中基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统的实物结构图；
32.图2为实施例中基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统的电路结构图；
33.图3为实施例中主控电路的程序流程图。
34.附图标记：
35.1-全光谱光源、2-光纤、3-光纤支架、4-准直镜法兰盘、5-第一准直镜、6-多通道oect传感器阵列、7-多孔板支架、8-外壳、9-检测器中的光谱仪、10-滚珠丝杆、11-第一导
轨、12-驱动器、13-步进电机、14-联轴器、15-传感器、16-工作台、17-主控电路、18-电源。
具体实施方式
36.本实施例中，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统的实物结构如图1所示。参照图1，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统包括可透光的多通道oect传感器阵列、全光谱光源、检测器、主控电路和运动模块。
37.具体地，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统主要包含全光谱光源、检测器(光谱仪)、高精度滚珠丝杆二维滑台和多可透光的多通道oect传感器阵列，其中传感器阵列采用24或96孔均匀排列的方式。高精度滚珠丝杆二维滑台具体包括：步进电机、主控电路、电源、驱动器、两组导轨和滑块、联轴器、多孔板支架、上位机和传感器。其中，所述两组导轨和滑块分别布置于x和y方向，多孔板支架7固定于一组导轨和滑块的滑块上，该组导轨和滑块的底部通过联轴器固定于另一组导轨和滑块的滑块上。接近传感器设置于导轨的原点位置的侧边，用于滑块复位时的原点定位。
38.需要指出的是用于测量所述oect传感器阵列内被所述全光谱透照的样品的全光谱吸光度的检测器为任意含有ccd、能够测量全光谱的检测器，如光谱仪等；所述控制装置可以为皮带传动、滑台等。
39.本实施例中，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统的电路结构如图2所示。
40.本实施例中，多通道oect传感器阵列用于安放多孔板。在使用探测系统时，将样品(例如被检测溶液)加入到多孔板中，由多通道oect传感器阵列对样品进行电催化。多通道oect传感器阵列中包括多个电化学有机晶体管(oect)。oect电极表面或沟道薄膜表面经过分子识别剂表面修饰处理，oect表明或者内部含有电解质溶液，电解质溶液中包含有机显色剂。具体地，可以使用pbs溶液或者水凝胶作为电解质溶液。
41.本实施例中，多通道oect传感器阵列以oect为传感元件，通过主控电路中的电压调控模块，对oect的源极、漏极、栅极这三个极中的两个极进行加压(加压大小可通过软件实时调节)，对加入了显色剂的样品起到电催化的作用，使溶液变色。由全光谱光源对多孔板中的样品进行全光谱照射(光照波段可以在360nm-2000nm之间)。
42.运动模块用于在主控电路的控制下，驱动多孔板相对全光谱光源运动。
43.本实施例中，运动模块包括步进电机、电源、驱动器、第一导轨、第二导轨、第一滑块、第二滑块、联轴器、上位机、传感器以及用于固定多孔板的多孔板支架。第一滑块限定在第一导轨内运动，形成一个组件；第二滑块限定在第二导轨内运动，形成另一个组件。第一导轨和第一滑块布置于x方向，第二导轨和第二滑块布置于y方向，其中，x方向和y方向互相垂直。传感器设置于x和y方向的原点位置，传感器在第一导轨和第二导轨运动复位时进行原点定位。
44.本实施例中，多孔板支架为中间镂空结构，多孔板支架中间与多孔板的边缘固定，从而承载多孔板，便于光路测量，同时可取放多孔板。多孔板支架固定于第一滑块上，第一滑块和第一导轨的底部通过联轴器固定于第二滑块上。
45.本实施例中，主控电路集成有控制芯片、串口芯片、信号输出电路，信号输出电路与驱动器连接，其中控制芯片采用stm32f103rct6，串口芯片采用ch340。通过串口芯片，主
控电路可以与上位机(可以是个人电脑等设备)进行通信。主控电路中还设有电源模块，电源模块可以将12v直流输入转为5v、-5v、3.3v等电压，从而为探测系统中的各部件进行供电。
46.主控电路17主要用于接受上位机发来的运动指令和传感器电压调控参数，并将控制电机的信号发送给驱动器12，电源18与驱动器12进行连接，驱动器12驱动步进电机13运转，同时输出不同电压至含oect传感器阵列6。主控电路17集成有控制芯片、串口芯片、按键、电机信号输出电路、多通道数模转换电压输出电路、电流检测电路，优选地，控制芯片采用stm32，串口芯片采用ch340，数模转换芯片采用dac81416。电机信号输出电路直接与驱动器的信号输入端口连接。
47.具体地，主控电路的程序流程如图3所示，首先系统上电后，当前位置自动归零，即：主控电路开启定时器，判断接近传感器信号是否达到阈值，若是表示当前位置为原点位置，则停止向驱动器发送控制信号，向上位机发送当前位置为零，定时器中断；若否则向驱动器发送控制信号，重新根据传感器信号判断，直至达到阈值。然后主控电路接收上位机指令，判断是否接收到正确指令，如果是则向驱动器发送控制信号，驱动器控制步进电机运动，根据脉冲计算出运动后的当前位置，并将当前位置发送给上位机，否则重新接受上位机指令，直至达到预定位置。
48.本实施例中，主控电路获取运动指令和电压调控参数，将运动指令发送给驱动器，由驱动器驱动步进电机控制滑块在导轨上运动。主控电路通过数模转换模块将电压输出至传感器；上位机根据导轨和滑块的当前位置和预定位置发出运动指令。
49.本实施例中，在主控电路的控制下，第一滑块能够通过多孔板支架带动多孔板，沿着第一导轨在x方向上运动，沿着第二导轨在y方向上运动，从而使得多孔板中的样本能够到达多通道oect传感器阵列的不同位置，使得多通道oect传感器阵列中的不同oect都能够对样本进行催化。
50.本实施例中，检测器包括微型光谱仪，通过光谱仪可以检测到样品的光谱或者吸光度信息，从而生成光学波形数据。通过主控电路中的电流检测模块，对oect上催化产生的电极电流进行精准检测，从而生成电流波形数据。
51.检测器可以将光学波形数据和电流波形数据存储在本地，在探测系统设有显示器的情况下，检测器可以将光学波形数据和电流波形数据发送至显示器，通过显示器将光学波形数据和电流波形数据显示出来。
52.检测器也可以将光学波形数据和电流波形数据发送至上位机，由上位机存储和显示光学波形数据和电流波形数据。上位机是用于选择要光学测量的通道并设定预定的位置以及各通道传感器输出电压大小，根据两组导轨和滑块的当前位置和预定位置发出运动指令。同时显示当前波形数据以及保存当前数据。波形数据包含电压、电流数据和吸光度数据。能将数据以数组的形式保存至本地。
53.通过显示光学波形数据和电流波形数据，实现了对样本的光电混合探测。
54.本实施例中，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统还包括第一准直镜、第二准直镜和光纤支架。其中，第一准直镜和第二准直镜相对布置，即第一准直镜和第二准直镜相互位于对方的视野范围内。
55.本实施例中，光纤支架为e字型三层板结构，光纤支架的上层用于固定第一准直
镜，光纤支架的下层用于固定第二准直镜。全光谱光源通过sma905接头的光纤和螺纹与第一准直镜连接，第一准直镜通过螺纹与相应的准直镜法兰盘，垂直连接至光纤支架的中间板。
56.本实施例中，检测器中的光谱仪通过光纤、第二准直镜以及相应的法兰盘，连接至光纤支架的顶板；多通道oect传感器阵列可在光纤支架的顶板和中间板之间移动，将指定通道的样本溶液对准测量光路，进行测量。
57.本实施例中，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统的工作原理是：同时测得样品的全光谱(200nm-850nm)的吸光度数据，以及通道oect传感器阵列中所有通道不同电压下的电流数据，从而实现对生物化学分子浓度和光学特性的同时检测。通过运动控制模块可以准确控制多孔板的运动和定位，保证测试的准确性同时实现高通量测量。通过上述工作原理，基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统具有以下优点：
58.(1)能够对被检测分子进行电催化，使其快速发生反应，省去孵育等环节，可以检测电催化产生的电流信号，根据信号测算当前浓度和显示曲线图；
59.(2)在检测溶液中加入显色剂后可以检测其光谱信息；
60.(3)能够实时将浓度信息、电催化加压电压和电流大小的光学波形数据和电流波形数据，显示在上位机的电脑操作界面上并保存至本地，其中光学波形数据可以以光谱谱图的形式显示，电流波形数据可以以i-v曲线的形式显示。
61.可以通过编写执行本实施例中的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统的计算机程序，将该计算机程序写入至存储介质或者计算机装置中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本实施例中的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，从而实现与实施例中的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统相同的技术效果。
62.需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
63.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
64.应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中
描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
65.此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
66.进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
67.计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
68.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

技术特征：
1.一种基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统包括：多通道oect传感器阵列；所述多通道oect传感器阵列用于安放多孔板，所述多孔板用于容纳样品，所述多通道oect传感器阵列用于对所述样品进行电催化；全光谱光源；所述全光谱光源用于对所述多孔板中的样品进行全光谱照射；检测器；所述检测器用于检测所述多孔板中的样品的全光谱吸光度；主控电路；所述主控电路包括电压调控模块、电流检测模块和运动控制模块；所述电压调控模块用于调控所述多通道oect传感器阵列中的oect的电极电压；所述电流检测模块用于检测所述多通道oect传感器阵列中的oect的电极电流；运动模块；所述运动模块用于在所述主控电路的控制下，驱动所述多孔板相对所述全光谱光源运动。2.根据权利要求1所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述运动模块包括步进电机、电源、驱动器、第一导轨、第二导轨、第一滑块、第二滑块、联轴器、上位机、传感器以及用于固定所述多孔板的多孔板支架；所述第一滑块限定在所述第一导轨内运动，所述第二滑块限定在所述第二导轨内运动；所述第一导轨和所述第一滑块布置于x方向，所述第二导轨和所述第二滑块布置于y方向；所述多孔板支架固定于所述第一滑块上，所述第一滑块和所述第一导轨的底部通过所述联轴器固定于所述第二滑块上；所述传感器设置于x和y方向的原点位置，用于在所述第一导轨和所述第二导轨运动复位时进行原点定位。3.根据权利要求2所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述多孔板支架为中间镂空结构，所述多孔板支架中间与所述多孔板的边缘固定，从而承载所述多孔板。4.根据权利要求2所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于：所述主控电路用于获取运动指令和电压调控参数，将所述运动指令发送给所述驱动器，由所述驱动器驱动所述步进电机控制滑块在导轨上运动；所述主控电路通过数模转换模块将电压输出至所述传感器；所述上位机根据导轨和滑块的当前位置和预定位置发出运动指令。5.根据权利要求1所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述检测器用于根据所述全光谱吸光度生成光学波形数据和电流波形数据。6.根据权利要求5所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述检测器用于将所述光学波形数据和所述电流波形数据发送至上位机，显示所述光学波形数据和所述电流波形数据。7.根据权利要求1所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统还包括第一准直镜、第二准直镜和光纤支架；所述第一准直镜和所述第二准直镜相对布置；
所述光纤支架为e字型三层板结构，所述光纤支架的上层用于固定所述第一准直镜，所述光纤支架的下层用于固定所述第二准直镜；所述全光谱光源通过光纤与所述第一准直镜，所述第一准直镜5通过螺纹与相应的准直镜法兰盘，垂直连接至所述光纤支架的中间板；所述检测器通过光纤、所述第二准直镜以及相应的法兰盘，连接至所述光纤支架的顶板；所述多通道oect传感器阵列可在所述光纤支架的顶板和中间板之间移动。8.根据权利要求1所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述多通道oect传感器阵列中的oect电极表面或沟道薄膜表面经过分子识别剂表面修饰处理。9.根据权利要求1所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述多通道oect传感器阵列中的oect含有电解质溶液，所述电解质溶液中包含有机显色剂。10.根据权利要求9所述的基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，其特征在于，所述电解质溶液为pbs溶液或者水凝胶。

技术总结
本发明公开了一种基于有机电化学晶体管的阵列化化学分子探测系统，包括多通道OECT传感器阵列、全光谱光源、检测器、主控电路和运动模块。其中全光谱光源对多孔板中的样品进行全光谱照射，检测器检测多孔板中的样品的全光谱吸光度，主控电路调控多通道OECT传感器阵列中的OECT的电极电压，检测多通道OECT传感器阵列中的OECT的电极电流。本发明能够同时测得样品的全光谱的吸光度数据，以及通道OECT传感器阵列中所有通道不同电压下的电流数据，从而实现对生物化学分子浓度和光学特性的同时检测，省去孵育等环节，可以检测电催化产生的电流信号，根据信号测算当前浓度和显示曲线图。本发明广泛应用于分子探测技术领域。明广泛应用于分子探测技术领域。明广泛应用于分子探测技术领域。


技术研发人员：韩宋佳 杨金虎 刘川 吴倩
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/13