智能化离子敏快速检测仪

　　随着化学分析和生物医学工程研究的发展,离子敏场效应晶体管(ISFET)[1]愈来愈为人们所注视,它是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管,既具有离子选择电极(ISE)响应被测离子的特性,又具有场效应晶体管的特性[2],我们研制了一种可以连接各种ISFET的智能化离子快速检测仪。

　　1　系统的结构及特点

　　1.1　系统的构成

　　整个系统结构采用STD总线形式,积木化方法,如图1所示。系统硬件主要由四块电路模板组成:CPU板,键盘扫描与显示板,传感器信号处理板以及电源板,各个模板大小也同STD模板。

　　1.2　系统的特点

　　(1)快速性　和以往的化学测量方法相比,采用离子敏场效应管传感器大大缩短了测量时间。例如用碘离子化学法测定青霉素效价时,测定一次需4 h,而用智能化离子快速检测仪测量只需4 min,这就为生物化药品的生产提供了快速、准确的实时测量,从而有利于提高生化药品的质量。

　　(2)通用性、智能化　该仪器E2PROM里存储了十种离子敏场效应管的输出特性曲线和相应的操作程序。用户在对不同离子进行检测时,只需更换离子敏场效应管传感器,并通过键盘和数码管显示器选择出待测离子后按下测量键,仪器便自动完成搅拌、提示加样、数据采集和分析等过程,最后在显示器上给出结果。E2PROM里用于存放离子敏场效应管传感器的输出特性曲线的数据区部分,用户可通过仪器提供的两种整定功能法(实验标定法与输入标定法)进行修改,对于每条曲线,用户最多可输入50个测量点。

　　(3)可靠性　由于采用了单片机系统,在软件上对采集的信号进行数字滤波和自动校零措施,并增加了自诊断功能和看门狗电路,使得系统测量准确、抗干扰性能好。

　　2　ISFET信号处理电路板设计

　　2.1　ISFET工作原理

　　ISFET器件结构与去掉金属栅的MOSFET极为相似,如图2所示。其绝缘栅上涂以对不同离子敏感的膜,就构成了不同的ISFET。绝缘栅直接与电解液接触,绝缘栅——电解液界面的电势与电解液中的离子浓度有关,溶液中离子浓度的改变将引起ISFET器件阈值电压相应的改变。电解液中放置参考电极,通过施加电压以使ISFET合理地工作。

　　2.2　ISFET信号处理电路设计

　　图3为ISFET的信号处理接口电路,图中设置了ISFET正常工作所需的偏置电路,它由IC1、IC2、IC3、IC4及其外围电路构成。其中甘汞电极为参比电极,为ISFET提供栅极参考电压。漏源电压设计为2 V恒压,流过漏极电流设计为0.2 mA恒流。ISFET输出信号经调零电路、放大电路后送到312A/D转换器进行模数转换,转换速率为15次/S。