[发明专利]一种基于仿生嗅觉的土壤养分快速检测装置

说明书

技术领域

本发明属于新型传感器技术领域，具体涉及一种基于仿生嗅觉的土壤养分快速检测装置。

背景技术

精细农业是近年来备受关注而又发展迅速的现代农业体系，作为精细农业核心内容之一的变量施肥技术(包括测土配方施肥技术)旨在基于土壤养分检测信息，结合作物的生长、需肥规律以及土壤养分供给能力，制定施肥配方，合理施用化肥，全面协调作物营养状况，达到农业生产高产、高效、安全目的。因此土壤养分的快速检测在测土配方施肥中具有重要作用。然而，土壤养分的快速、实时检测一直是现代农业的技术瓶颈，使得测土配方施肥技术的推广受到严重的制约。

传统离子选择电极法在进行土壤养分检测时，多采用田间获取样本、实验室分析的方式，存在样品采集困难、分析时效差、检测费用高等问题，很难实现大面积推广应用。土壤电导率测量法具有响应快、成本低、耐久性好等特点，已成为实时获取土壤分布图的一种重要技术。然而，电导率测定仪获得的数据和多个土壤参数关联，不能定量测定土壤养分含量。近红外光谱分析法是近年来新发展的一种土壤养分检测方法，由于其分析速度快、测量精度高、可同时测量多种成分等优点，受到了广泛的研究与应用。然而，近红外光谱易受土壤含水率、土壤质地与土壤粒度等的影响。

上述问题已然成为土壤养分检测的技术瓶颈，因此寻找一种新的解决方式显得尤为重要。气味是物质的重要特性之一，能够代表物质的本质。物质所产生的气味就是对外界传播起本质特征的信息，物质的气味最能代表物质的本质。有经验的土壤学家经常利用土壤的气味判定土质的优劣，因此寻找一种对土壤气味敏感的动物，借鉴其嗅觉功能实现土壤养分检测不失为一种有效的途径。苍蝇是一种节肢动物，双翅目，嗅觉系统简单，但嗅觉功能却十分强大，其头部有触须和下颚须两对嗅觉器官，触须能够探测远距离的挥发性气味，下颚须则有助于发现近距离的气味，对腐蚀变质的东西尤为敏感，对土壤腐植质亦敏感。

目前，国际采用细胞传感芯片技术的研究已经开始，因发明膜片钳而获得诺贝尔奖的德国学者Erwin Neher在Nature上撰文分析了采用半导体器件检测活细胞生理特性的技术发展前景。Straub等一些著名的学者研究活细胞与微电子技术相结合，并取得了快速的发展。细胞传感器可以直接检测细胞膜上的通道，对于研究细胞生理及其响应机理具有重要的意义。基于平面微电极的细胞芯片，不但能研究神经、心肌细胞生长和电信号传递过程，而且能进行神经网络和其他细胞的电生理检测和分析，为仿生传感器研究和药物、环境以及土壤检测等提供了重要的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仿生嗅觉的土壤养分快速检测装置，通过该装置能够解决目前土壤养分快速检测方法受土壤含水率、土壤质地和土壤粒度影响的弊端，达到利用果蝇嗅觉细胞分子对土壤气味的卓越识别能力实现对土壤养分的快速、准确、无损检测的目的。

本发明创造的目的是这样实现的：一种基于仿生嗅觉的土壤养分快速检测装置，所述检测装置包括吸气系统、排气系统、密闭气室、信号调理电路、嵌入式控制系统和计算机模式识别系统；

①、所述吸气系统由第一净气装置、第二净气装置、通道选择模块、吸气泵及入气导管构成，其中，第一净气装置用于净化待测气体，第二净化装置用于净化空气，第一、二净气装置分别与通道选择模块连通，吸气泵分别与通道选择模块和入气导管连通；

②、所述排气系统包括排气泵，所述排气泵与排气导管连通，用于排出废气；

③、所述密闭气室为正方形或长方形腔体，在正方形或长方形的密闭气室内分别安装细胞传感器阵列、恒温模块、恒湿模块和恒压模块；所述细胞传感器阵列是一种将果蝇离体嗅觉神经细胞培养在拥有n≥16个微电极的MEAs阵列芯片表面而形成的生物-电子复合传感器阵列，n≥16个微电极构成信号输出总线；

④、所述信号调理电路包括相互连通的信号预处理电路和信号采集电路；所述信号预处理电路由n个阻抗匹配电路和n个信号变换电路组成，所述n个阻抗匹配电路的输出端依次一对一的与n个信号变换电路的输入端连接，n个信号变换电路的输出端构成一级传输总线，一级传输总线与信号采集电路的输入端连接，所述信号采集电路由n个采样/保持电路和n个A/D转换电路组成，n个采样/保持电路的输出端与n个A/D转换电路的输入端一对一连接，所述n个A/D转换电路的输出端构成二级传输总线；