一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法

1.本发明涉及生物磁珠检测技术领域，更具体的说是涉及一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，对某种特定的生物分子dna或rna等进行快速的定性、定量检测变得越来越重要。生物传感技术应运而生，并逐渐在医学研究、临床诊断以及生态农业等领域发挥着巨大的作用。生物传感器是将生物相关信息转化为电信号等可测量信息的分析装置，整个系统主要由生物敏感材料(如酶、细胞、核酸等生物活性物质)、能量转换器件(如氧电极或光纤)和信号检测电路三部分构成。
3.磁珠(magneticbeads,mb)也称磁纳米颗粒(magneticparticles,mp)，是一种化学合成材料,其粒径小(微米级甚至纳米级),比表面极大,耦联容量高,具有磁响应性、生物相容性及非常高的吸附能力。基于这些特性，磁珠在磁性分离、生物样品处理、生物分子检测识别、药物靶向治疗、mir、热疗、及组织工程等生物医药领域获得了广泛应用。磁珠的高吸附能力是通过活化结合丰富的表面功能基团,再与生物样品结合。另外，通过外加磁场可对磁珠进行操控(聚集、移动、洗脱及定位等)。利用磁珠的这两个特性可对核酸、蛋白质、病毒及微生物等生物样品进行分离、富集、提纯等处理，国内外也有多家公司开发出多种基于磁珠吸附特性的生物样品处理仪器。
4.然而，在申请号为201410337351.1的一种基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器及申请号为201820212465.7的一种基于磁珠的生物样品检测装置等现有技术中，均是通过亥姆霍兹线圈进行检测，这种检测方法存在体积大，功耗高，非常不灵活的缺陷。且要想实现高磁场让磁珠饱和需要非常大的线圈电流，检测设备成本昂贵，同时，检测结果不能实时得到，需要采样结束后运算处理，整个检测过程繁琐复杂。
5.综上，如何提供一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法，用以解决上述现有技术中存在的问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一方面，本发明提供了一种生物磁珠的快速检测系统，基于生物磁珠溶液，包括：
9.功率放大电路，与外部的信号源连接，将外部信号进行功率放大处理并输出；
10.生物探头，与所述功率放大电路连接，将生物磁珠溶液放置在所述物探头中间，采集生物磁珠信号；
11.低噪声放大电路，与所述生物探头连接，将所述生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；
12.控制电路，与所述功率放大电路以及所述低噪声放大电路连接，用于控制所述功率放大电路以及所述低噪声放大电路的目标增益；
13.信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；
14.显示界面，显示所述生物磁珠检测结果。
15.优选的，所述功率放大电路包括：
16.第一级放大模块、第二级放大模块以及第三级放大模块；
17.其中，
18.所述第一级放大模块为第一场效应管j1与第二效应管j2组成的共源放大；
19.所述第二级放大模块为第一三极管q1、第二三极管q2以及第三三极管q3组成的共基共集组合放大；
20.所述四三级放大模块为运算放大器u1组成的同向放大。
21.优选的，所述生物探头包括：
22.嵌套结构的低频激励绕组、高频激励绕组及采样绕组；
23.其中，所述低频激励绕组的绕制方向为顺时针，匝数为1000匝，骨架外径为25mm，线径为0.51mm，频率为20-100hz；
24.所述高频激励绕组的绕制方向为顺时针，匝数为1000匝，骨架外径为16mm，线径为0.30mm，频率为1-10khz；
25.所述采样绕组的肯架外径为10mm，线径为0.15mm，且所述采样绕组分为两个区域，第一区域的绕制方向为顺时针，匝数为400匝，第二区域的绕制方向为逆时针，匝数为400匝。
26.优选的，所述控制电路包括：
27.第一控制单元，与所述功率放大电路连接，用于控制功率放大电路的目标增益在的第一预设范围之内；
28.第二控制单元，与所述低噪声放大电路连接，用于控制低噪声放大电路的目标增益在第二预设范围之内。
29.优选的，所述信号处理电路包括：
30.单通道模数转换器，用于将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行模数转换；
31.fpga模块，与所述单通道模数转换器连接，用于对经过模数转换后的生物磁珠信号进行高速处理，输出fft结果；
32.处理器arm，与所述fpga模块及所述显示界面连接，用于接收fft结果，并对结果进行校验，得到生物磁珠检测结果输出至所述显示界面。
33.优选的，所述单通道模数转换器包括：一对通道引脚以及一对补偿引脚，每个所述补偿引脚与相对应所述通道引脚连接，其中，所述补偿引脚用于对所述通道引脚进行激励。
34.优选的，所述fpga模块，包括：adc单元以及fft运算单元；
35.其中，
36.所述adc单元用于对同一输入的磁珠检测信号进行采集，将采集得到的包含n个采样点的采集数据序列发送至所述fft运算单元；
37.所述fft运算单元，采用65536点的快速fft初步确定输入信号的频率，并根据输入
信号的频率值寻峰找到对应的2,4,6次谐波频率成分及幅度，其中，fh±
2nf
l
，其中，fh表示谐波，f
l
表示频率，n表示谐波次数。输出fft结果。
38.优选的，所述显示界面的型号为：labiew。
39.另一方面，本发明还提供了一种生物磁珠的快速检测方法，包括：
40.s100：通过功率放大电路将外部信号进行功率放大处理并输出；
41.s200：将生物磁珠溶液放置在所述物探头中间，采集生物磁珠信号；
42.s300：通过低噪声放大电路将生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；
43.s400：通过控制电路控制所述功率放大电路以及所述低噪声放大电路的目标增益；
44.s500：通过信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；
45.s600：通过显示界面显示所述生物磁珠检测结果。
46.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法，检测精度高，系统实时性好。具体有益效果为：
47.(1)系统更加紧凑，原本需要很多台设备共同协作完成的工作一套系统设备就可以实现；
48.(2)本发明的生物探头具有体积小，功耗小，检测灵活，成本低的优点；
49.(3)信号处理电路中设置单通道模数转换器、fpga模块及处理器arm，由于fpga高性能运算处理器的加入可以实现实时多点快速傅立叶变换，可以实现较高的频率分辨率且实时输出运算结果，通过使用arm处理器和fpga协同处理数据的方式，保证数据高速且有效的处理，使其能够快速得到精准的生物磁珠检测结果。
附图说明
50.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
51.图1为本发明的系统结构示意图；
52.图2为本发明提供的功率放大电路结构示意图；
53.图3为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.参见附图1所示，本发明实施例公开了一种生物磁珠的快速检测系统，基于生物磁珠溶液，包括：
56.功率放大电路，与外部的信号源连接，将外部信号进行功率放大处理并输出；
57.生物探头，与功率放大电路连接，将生物磁珠溶液放置在物探头中间，采集生物磁珠信号；
58.低噪声放大电路，与生物探头连接，将生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；
59.控制电路，与功率放大电路以及低噪声放大电路连接，用于控制功率放大电路以及低噪声放大电路的目标增益；
60.信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；
61.显示界面，显示生物磁珠检测结果。
62.参见附图2所示，在一个具体实施例中，功率放大电路包括：
63.输入端in、输出端o
ut
、第一电容c
fb
、第二电容c
f5
第一场效应管j1、第二效应管j2、运算放大器u1、第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第一电阻rd、第二电阻r
p1
、第三电阻r
p2
、第四电阻r
p3
、第五电阻p
e3
、第六电阻r
e2
、第七电阻r
f5
、第八电阻r1、第九电阻r2以及第十电阻r0；
64.其中，第一电容c
fb
的一端与输入端in连接，另一端与第一场效应管j1的栅极连接，第一场效应管j1的漏极与第二效应管j2的漏极、第一电阻rd的一端接地，以及与第一三极管q1的发射级连接，第一场效应管j1以及第二效应管j2的源极接地，第二效应管j2的栅极通过第五电阻p
e5
以及第十电阻r0与输出端o
ut
连接，第一三极管q1的基极分别与第二电阻r
p1
、第三电阻r
p2
的一端连接，第二三极管q2的发射极通过第六电阻r
e2
接地，第二三极管q2的基极通过第五电阻p
e5
接地，第三三极管q3的基极与第一三极管q1以及第二三极管q2的集电极连接，第三三极管q3的发射极通过第五电阻p
e3
接地，第三三极管q3的集电极与第一电阻rd、第二电阻r
p1
共同接地，运算放大器u1的同相输入端与第三三极管q3的发射极连接，以及通过第二电容c
f5
与第二效应管j2的栅极连接，运算放大器u1的反向输入端通过第八电阻r1接地，以及通过第九电阻r2、第十电阻r0与输出端o
ut
连接。
65.在一个具体实施例中，功率放大电路包括：第一级放大模块、第二级放大模块以及第三级放大模块；
66.其中，
67.第一级放大模块为第一场效应管j1与第二效应管j2组成的共源放大；
68.具体的，上述组成的共源放大结构提供个较高的输入阻抗，可以减小对源的干扰。
69.第二级放大模块为第一三极管q1、第二三极管q2以及第三三极管q3组成的共基共集组合放大；
70.具体的，上述组成的共基共集组合放大结构可以极大地拓展带宽，保证足够的带宽，其中，第二三极管q2为恒流源，为电路提供合适的基础偏置。
71.第三级放大模块为运算放大器u1组成的同向放大。
72.具体的，上述三级放大在整个电路中，rfb提供了整个大环路负反馈，控制噪声增益，提供第一级的偏置。c
fb
为米勒补偿电容，为电路增加一个极点，保证电路的稳定性
73.具体的，第一场效应管j1与第二效应管j2结型场效应管(jfet)。
74.第一三极管q1为pnp型，第二三极管q2以及第三三极管q3为npn型。
75.在一个具体实施例中，生物探头包括：
76.嵌套结构的低频激励绕组、高频激励绕组及采样绕组；
77.其中，低频激励绕组的绕制方向为顺时针，匝数为1000匝，骨架外径为25mm，线径为0.51mm，频率为20-100hz；
78.高频激励绕组的绕制方向为顺时针，匝数为1000匝，骨架外径为16mm，线径为0.30mm，频率为1-10khz；
79.采样绕组的肯架外径为10mm，线径为0.15mm，且采样绕组分为两个区域，第一区域的绕制方向为顺时针，匝数为400匝，第二区域的绕制方向为逆时针，匝数为400匝。
80.在一个具体实施例中，控制电路包括：
81.第一控制单元，与功率放大电路连接，用于控制功率放大电路的目标增益在的第一预设范围之内；
82.第二控制单元，与低噪声放大电路连接，用于控制低噪声放大电路的目标增益在第二预设范围之内。
83.具体的，第一预设范围：功率放大电路gain＝30db；
84.低噪声放大电路第二预设范围：gain＝58db，且，noise(噪声密度)＝1nv/√hz，bw＝1khz；
85.通过第一控制单元以及第二控制单元相应控制功率放大电路及低噪声放大电路的目标增益，如果目标增益在第一预设范围(第二预设范围)之内，则第一控制单元(第二控制单元)通过带外ase检测电路获取的带外ase值，直接将功率放大电路(低噪声放大电路)锁定到目标增益；
86.如果目标增益在第一预设范围(第二预设范围)范围之内外，则将将拉功率放大电路(低噪声放大电路)增益锁定到对应的第一预设范围(第二预设范围)的最大值，然后预设的第一步进长度，逐步递增锁定增益，直到达到目标增益。
87.具体的，低噪声放大电路包括：
88.信号调节器、运算放大器、电平搬移电路、末级功放电路、以及调制信号耦合器；
89.其中，将生物探头采集的生物磁珠信号作为输入信号输入至信号调节器，输入信号经过信号调节器后，通过运算放大器送入电平搬移电路，之后再送入末级功放电路，末级功放电路输出的高压信号，与调制信号耦合器输出的调制信号叠加后输出至信号处理电路。
90.在一个具体实施例中，信号处理电路包括：
91.单通道模数转换器，用于将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行模数转换；
92.fpga模块，与单通道模数转换器连接，用于对经过模数转换后的生物磁珠信号进行高速处理，输出fft结果；
93.处理器arm，与fpga模块及显示界面连接，用于接收fft结果，并对结果进行校验，得到生物磁珠检测结果输出至显示界面。
94.在一个具体实施例中，单通道模数转换器包括：一对通道引脚以及一对补偿引脚，每个补偿引脚与相对应通道引脚连接，其中，补偿引脚用于对通道引脚进行激励。
95.在一个具体实施例中，fpga模块，包括：adc单元以及fft运算单元；
96.其中，
97.adc单元用于对同一输入的磁珠检测信号进行采集，将采集得到的包含n个采样点的采集数据序列发送至fft运算单元；
98.fft运算单元，采用65536点的快速fft初步确定输入信号的频率，并根据输入信号的频率值寻峰找到对应的2,4,6次谐波频率成分及幅度，输出fft结果。
99.具体的，处理器arm移植底层linux系统，通过axi总线将
100.fft结果传输到处理器arm中，处理器arm通过网口上传显示界面。
101.更具体的，处理器arm与fpga模块之间通过dma进行信息交互，通过循环冗余校验无误后，根据检验要求进行向输出接口发送执行指令。
102.在一个具体实施例中，显示界面的型号为：labiew。
103.另一方面，参见附图3所示，本实施例还公开了一种生物磁珠的快速检测方法，包括：
104.s100：通过功率放大电路将外部信号进行功率放大处理并输出；
105.s200：将生物磁珠溶液放置在物探头中间，采集生物磁珠信号；
106.s300：通过低噪声放大电路将生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；
107.s400：通过控制电路控制功率放大电路以及低噪声放大电路的目标增益；
108.s500：通过信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；
109.s600：通过显示界面显示生物磁珠检测结果。
110.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法，检测精度高，系统实时性好。具体有益效果为：
111.(1)系统更加紧凑，原本需要很多台设备共同协作完成的工作一套系统设备就可以实现；
112.(2)本发明的生物探头具有体积小，功耗小，检测灵活，成本低的优点；
113.(3)信号处理电路中设置单通道模数转换器、fpga模块及处理器arm，由于fpga高性能运算处理器的加入可以实现实时多点快速傅立叶变换，可以实现较高的频率分辨率且实时输出运算结果，通过使用arm处理器和fpga协同处理数据的方式，保证数据高速且有效的处理，使其能够快速得到精准的生物磁珠检测结果。
114.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
115.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种生物磁珠的快速检测系统，基于生物磁珠溶液，其特征在于，包括：功率放大电路，与外部的信号源连接，将外部信号进行功率放大处理并输出；生物探头，与所述功率放大电路连接，将生物磁珠溶液放置在所述物探头中间，采集生物磁珠信号；低噪声放大电路，与所述生物探头连接，将所述生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；控制电路，与所述功率放大电路以及所述低噪声放大电路连接，控制所述功率放大电路以及所述低噪声放大电路的目标增益；信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；显示界面，显示所述生物磁珠检测结果。2.根据权利要求1所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述功率放大电路包括：第一级放大模块、第二级放大模块以及第三级放大模块；其中，所述第一级放大模块为第一场效应管j1与第二效应管j2组成的共源放大；所述第二级放大模块为第一三极管q1、第二三极管q2、以及第三三极管q3组成的共基共集组合放大；所述第三级放大模块为运算放大器u1组成的同向放大。3.根据权利要求1所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述生物探头包括：嵌套结构的低频激励绕组、高频激励绕组及采样绕组；其中，所述低频激励绕组的绕制方向为顺时针，匝数为1000匝，骨架外径为25mm，线径为0.51mm，频率为20-100hz；所述高频激励绕组的绕制方向为顺时针，匝数为1000匝，骨架外径为16mm，线径为0.30mm，频率为1-10khz；所述采样绕组的肯架外径为10mm，线径为0.15mm，且所述采样绕组分为两个区域，第一区域的绕制方向为顺时针，匝数为400匝，第二区域的绕制方向为逆时针，匝数为400匝。4.根据权利要求1所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述控制电路包括：第一控制单元，与所述功率放大电路连接，用于控制功率放大电路的目标增益在的第一预设范围之内；第二控制单元，与所述低噪声放大电路连接，用于控制低噪声放大电路的目标增益在第二预设范围之内。5.根据权利要求1所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括：单通道模数转换器，用于将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行模数转换；fpga模块，与所述单通道模数转换器连接，用于对经过模数转换后的生物磁珠信号进行高速处理，输出fft结果；
处理器arm，与所述fpga模块及所述显示界面连接，用于接收fft结果，并对结果进行校验，得到生物磁珠检测结果输出至所述显示界面。6.根据权利要求5所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述单通道模数转换器包括：一对通道引脚以及一对补偿引脚，每个所述补偿引脚与相对应所述通道引脚连接，其中，所述补偿引脚用于对所述通道引脚进行激励。7.根据权利要求5所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述fpga模块，包括：adc单元以及fft运算单元；其中，所述adc单元用于对同一输入的磁珠检测信号进行采集，将采集得到的包含n个采样点的采集数据序列发送至所述fft运算单元；所述fft运算单元，采用65536点的快速fft初步确定输入信号的频率，并根据输入信号的频率值寻峰找到对应的2,4,6次谐波频率成分及幅度，输出fft结果。8.根据权利要求1所述的一种生物磁珠的快速检测系统，其特征在于，所述显示界面的型号为：labiew。9.一种利用权利要求1-8任一项所述的生物磁珠的快速检测系统的生物磁珠的快速检测方法，其特征在于，包括：s100：通过功率放大电路将外部信号进行功率放大处理并输出；s200：将生物磁珠溶液放置在物探头中间，采集生物磁珠信号；s300：通过低噪声放大电路将所述生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；s400：通过控制电路控制所述功率放大电路以及所述低噪声放大电路的目标增益；s500：通过信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；s600：通过显示界面显示所述生物磁珠检测结果。

技术总结
本发明公开了一种生物磁珠的快速检测系统及检测方法，属于生物磁珠检测技术领域。该系统包括：功率放大电路，与外部的信号源连接，将外部信号进行功率放大处理并输出；生物探头，与功率放大电路连接，将生物磁珠溶液放置在所述物探头中间，采集生物磁珠信号；低噪声放大电路，与生物探头连接，将生物探头采集的生物磁珠信号进行低噪声放大处理；控制电路，与功率放大电路以及低噪声放大电路连接，用于控制功率放大电路以及低噪声放大电路的目标增益；信号处理电路，将经过低噪声放大处理的生物磁珠信号进行运算处理得到生物磁珠检测结果；显示界面，显示生物磁珠检测结果。本发明具有检测精度高，成本低，系统结构紧凑且实时性好的有益效果。性好的有益效果。性好的有益效果。


技术研发人员：谭稀 宋玉哲 谢明玲 卢启海
受保护的技术使用者：甘肃省科学院传感技术研究所
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/21