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磁弹性生物传感器的仿真与实验研究

【摘要】:随着人类社会的发展,人类对食品安全的关注度日益提高,乳制品作为人们日常饮食中不可或缺的饮品之一,其安全也备受关注。金黄色葡萄球菌是常见于乳品中的一种有毒菌种,因此,对于金黄色葡萄球菌的检测势在必行。磁弹性生物传感器凭借其体积较小、取样量较少、检测过程方便快捷的优势,目前在化学、生物、医学等领域广泛应用,但利用磁弹性生物传感器检测金黄色葡萄球菌方面研究成果较少,本文拟采用磁弹性生物传感器对金黄色葡萄球菌进行检测,根据磁弹性生物传感基本原理提出了一种改进的方案用来提高检测的精度、灵敏度等多种指标,其具体内容如下:(1)磁致伸缩效应的理论基础研究。首先对磁致伸缩效应展开理论研究,分析磁致伸缩的振动机理、共振频率的影响因素以及检测方式,推导出磁弹性膜片质量负载的变化会引起磁弹性生物传感器共振频率的偏移,磁弹性生物传感器所在液体的粘度也会对磁弹性生物传感器的共振频率造成影响,研究结果为磁弹性生物传感器的研究提供基本的理论基础,同时为有限元仿真提供研究思路。(2)磁弹性生物传感器检测方法的仿真研究。建立磁弹性传感器的数值分析模型,由于磁弹性膜片长度是影响磁弹性生物传感器共振基频的重要因素,因此,研究了不同尺寸的磁弹性传感器的共振频率,探究不同尺寸对磁弹性传感器共振频率的影响,研究发现:不同长度的磁弹性膜片的共振频率与磁弹性材料长度成反比。(3)磁弹性生物传感器用于金黄色葡萄球菌检测的实验研究。搭建用于检测金黄色葡萄球菌的磁弹性生物传感器的检测平台,利用该平台进行了磁弹性生物传感器的检测实验,分析了金黄色葡萄球菌对磁弹性生物传感器共振频率的影响;不同液体粘度对磁弹性生物传感器共振频率的影响;探究了磁弹性生物传感器如何检测牛奶中的金黄色葡萄球菌,结果表明:磁弹性生物传感器对质量负载和粘度变化的响应速度都较快,利用质量负载的变化利于实现金黄色葡萄球菌的快速检测。(4)磁弹性生物传感器在检测金黄色葡萄菌的实验中存在一定的缺陷,因此,针对存在的缺陷提出改进膜片位置以及固定其位置的实验方案,研究激励信号的影响因素,磁弹性膜片位置的变化,研究了磁弹性膜片在被固定的情况下对检测信号的影响,探究了不同尺寸磁弹性膜片与磁弹性传感器共振频率的关系,针对仿真分析所得检测信号较弱,改进了检测平台,提高了信号的信噪比,便于响应信号的检测。研究发现:当磁弹性膜片位于检测线圈两端时,传感器的共振频率较高,有利于提高传感器的灵敏度;固定后的磁弹性膜片的稳定性得到了提高,利于提高检测结果的重复精度。

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