CN102854231B - 促红细胞生成素受体修饰电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促红细胞生成素受体修饰电极,是在电极表面通过ZnO溶胶-凝胶固定有促红细胞生成素受体作为识别元件的玻碳电极,该修饰电极制备方法简单、性能稳定,4℃避光放置50天后响应电流值仍维持在初始值的77%左右;以该修饰电极为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、含有2mmol/LK3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的磷酸盐缓冲液为测试底液组建电化学生物传感器,可以快速、特异、灵敏地检测促红细胞生成素(EPO)和/或重组人促红细胞生成素(rhEPO),线性范围为5pg/L~500ng/L,检出限低至0.5pg/L,特别是能根据峰电位对EPO和rhEPO进行精确甄别,不但适用于低浓度EPO或rhEPO的检测,而且适用于体育竞技中对兴奋剂rhEPO的检测。
Description
技术领域
本发明属于电化学检测技术领域,涉及一种修饰电极及其制备方法,还涉及以该修饰电极作为工作电极组建的电化学生物传感器及其检测方法。
背景技术
促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)是一种糖蛋白激素,在人体内主要是由肾脏生成的一种造血生长因子,其生理功能是促进骨髓红细胞的生成和释放。1985年人类首次利用基因工程技术合成了重组人促红细胞生成素(recombinant human erythopoietin,rhEPO),由于其具有分裂原和分化原的双重功能,能在不输血的情况下产生输血效应,使病人避免病毒感染和输血过量的危险,已在肾性贫血的治疗方面发挥出重要作用。同时,因其具有提高机体携氧能力、增强运动耐力的特性,rhEPO在体育运动中成为新的兴奋剂。2005年起,国际奥委会和世界反兴奋剂机构的禁用清单中,rhEPO被列为体育竞技中禁用的首个肽类物质。
由于EPO与rhEPO具有完全相同的生物活性和基本一致的分子结构,唯一差别仅在于等电点不同,EPO的等电点为3.7~4.7,rhEPO的等电点为4.4~5.1,因此精确区分EPO与rhEPO具有诸多困难。长期以来,EPO与rhEPO的甄别检测大多采用质谱、等电聚焦、凝胶电泳等方法相结合,但这些检测方法存在实验分离时间长、检测效率低、特异性差等缺点,不能满足对EPO和rhEPO进行快速、精确甄别的要求。因此,研究一种特异性好、灵敏度高、能够快速、精确甄别EPO和rhEPO的检测方法及工具势在必行。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的之一在于提供一种修饰电极,目的之二在于提供一种所述修饰电极的制备方法,目的之三在于提供一种以该修饰电极作为工作电极组建的电化学生物传感器,目的之四在于提供一种利用所述电化学生物传感器检测EPO和/或rhEPO的方法,所述修饰电极制备简单、性能稳定,以其为工作电极组建的电化学生物传感器可以快速、特异、灵敏地检测EPO和/或rhEPO,特别是能对EPO和rhEPO进行快速、精确甄别。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
1.促红细胞生成素受体(EPOR)修饰电极,所述修饰电极是在电极表面通过ZnO溶胶-凝胶固定有EPOR作为识别元件的玻碳电极。
2.EPOR修饰电极的制备方法,包括以下步骤:
a.玻碳电极的预处理:将玻碳电极表面抛光,清洁,干燥,备用;
b.ZnO溶胶-凝胶的制备:将乙酸锌溶于无水乙醇中,再在超声波作用下加入氢氧化锂,制得ZnO溶胶-凝胶溶液,备用;
c.EPOR的固定:将EPOR溶液与步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液混匀,滴加至经步骤a预处理的玻碳电极表面,干燥成膜,洗涤,即制得EPOR修饰电极。
优选的,所述步骤a是将玻碳电极依次用0.3μm和0.05μm的三氧化二铝粉末抛光打磨,每次打磨后先用水洗净,再依次用硝酸、丙酮和水超声洗涤,空气中晾干。
优选的,所述步骤b是将乙酸锌溶于无水乙醇中制成浓度为0.1mol/L的溶液,再在超声波作用下加入氢氧化锂至终浓度为0.067mol/L,制得ZnO溶胶-凝胶贮备液,临用前用无水乙醇按体积比为2:1~1:3进行稀释,制得ZnO溶胶-凝胶溶液。
更优选的,所述步骤b是将乙酸锌溶于无水乙醇中制成浓度为0.1mol/L的溶液,再在超声波作用下加入氢氧化锂至终浓度为0.067mol/L,制得ZnO溶胶-凝胶贮备液,临用前用无水乙醇按体积比为1:2进行稀释,制得ZnO溶胶-凝胶溶液。
优选的,所述步骤c是将步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液与浓度为10ng/L~100μg/L的EPOR溶液按照体积比为4:1~1:1.15混合均匀,再将混合液滴加在经步骤a预处理的玻碳电极表面,空气中干燥,用磷酸盐缓冲液充分洗涤,即制得EPOR修饰电极。
更优选的,所述步骤c是将步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液与浓度为1μg/L的EPOR溶液按照体积比为1:1混合均匀,再将混合液滴加在经步骤a预处理的玻碳电极表面,空气中干燥,用磷酸盐缓冲液(PBS)充分洗涤,即制得EPOR修饰电极。
3.EPO和rhEPO电化学生物传感器,包括工作电极、对电极、参比电极和测试底液,所述工作电极为前述EPOR修饰电极,对电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极;所述测试底液为含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]和2mmol/L K4[Fe(CN)6](后续简写为2mmol/LK3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6])且pH为6.2~9.0的磷酸盐缓冲液。
优选的,所述测试底液为含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]且pH为7.4的磷酸盐缓冲液。
4.利用前述EPO和rhEPO电化学生物传感器检测EPO和/或rhEPO的方法,是将EPOR修饰电极与样品溶液共孵育20分钟以上,然后以EPOR修饰电极为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]且pH为6.2~9.0的磷酸盐缓冲液为测试底液构建电化学生物传感器,采用循环伏安法进行扫描测定,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为10~100mv/s,根据电位0.14~0.17V处的峰电流和EPO标准曲线计算样品溶液中EPO的浓度,和/或根据电位0.06~0.09V处的峰电流和rhEPO标准曲线计算样品溶液中rhEPO的浓度。
优选的,所述EPOR修饰电极与样品溶液的共孵育时间为20分钟,所述电位扫描速率为50mv/s。
本发明的有益效果在于:本发明的EPOR修饰电极制备方法简单,性能稳定,4℃避光放置50天后的响应电流值仍然维持在初始值的77%左右,以其为工作电极构建的三电极体系电化学生物传感器可以快速、特异、灵敏地检测EPO和/或rhEPO,线性范围均为5pg/L~500ng/L,检出限均低至0.5pg/L,特别是能根据峰电位对EPO和rhEPO进行快速、精确甄别,不但适用于低浓度EPO或rhEPO的检测,而且适用于体育竞技中对兴奋剂rhEPO的检测。
附图说明
图1为ZnO溶胶-凝胶贮备液和无水乙醇的稀释比对EPOR修饰电极电流响应的影响。
图2为ZnO溶胶-凝胶溶液与EPOR溶液的体积比对EPOR修饰电极电流响应的影响。
图3为EPOR溶液浓度对EPOR修饰电极电流响应的影响。
图4为测试底液的pH值对EPO和rhEPO电化学生物传感器电流响应的影响。
图5为工作电极在样品溶液中的孵育时间对EPO和rhEPO电化学生物传感器电流响应的影响。
图6为循环伏安法扫描电位对EPO和rhEPO电化学生物传感器电流响应的影响。
图7为以EPOR修饰电极为工作电极构建的电化学生物传感器的电化学响应及传感器特异性实验结果。其中a为单纯ZnO溶胶-凝胶修饰电极在PBS溶液中的循环伏安曲线;b为裸玻碳电极在含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液中的循环伏安曲线;c为单纯ZnO溶胶-凝胶修饰电极在含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液中的循环伏安曲线;d为EPOR修饰电极在含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液中的循环伏安曲线;e为EPOR修饰电极在干扰物质溶液(500ng/L IgA、500ng/L IgG和500ng/L IgM)中孵育20分钟后的循环伏安曲线;f为EPOR修饰电极在500ng/L EPO标准品溶液中孵育20分钟后的循环伏安曲线;g为EPOR修饰电极在500ng/L rhEPO标准品溶液中孵育20分钟后的循环伏安曲线。
图8为EPO和rhEPO电化学生物传感器在最佳条件下检测获得的EPO标准曲线和rhEPO标准曲线。
图9为EPO和rhEPO电化学生物传感器在贮存不同时间后的电流响应值变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例中所用的主要试剂和仪器来源如下:一水氢氧化锂LiOH·H2O、二水乙酸锌Zn(Ac)2·2H2O购自上海生工生物工程有限公司,K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]购自重庆东方试剂厂,玻碳电极、饱和甘汞电极、铂电极、0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末购自天津艾达恒晟科技发展有限公司,PBS粉末购自北京中杉金桥生物技术有限公司,EPOR购自美国Novus Biologicals公司,EPO和rhEPO标准品购自美国Abnova公司。KQ-5200B型超声波清洗器为江苏省昆山市超声仪器有限公司产品,CHI660C型电化学工作站为上海辰华仪器有限公司产品,ZD-2自动电位滴定仪为上海精科雷磁有限公司产品。
一、EPOR修饰电极的制备及参数优化
EPOR修饰电极的制备方法具体包括以下步骤:
a.玻碳电极的预处理:取直径为3mm的玻碳电极,依次用0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末进行抛光打磨,每次打磨后先用超纯水洗净,再依次于硝酸、丙酮和超纯水中超声洗涤5分钟,空气中晾干;
b.ZnO溶胶-凝胶溶液的制备:将Zn(Ac)2·2H2O2.20g(0.01mol)溶于100ml无水乙醇中,再在超声波作用下缓慢加入LiOH·H2O0.28g(6.7mmol),制得ZnO溶胶-凝胶贮备液,4℃保存备用,临用前按照体积比为1:2加入无水乙醇进行稀释,制得ZnO溶胶-凝胶溶液;
c.EPOR的固定:将浓度为1μg/L的EPOR溶液与步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液按照体积比1:1混匀,取混合液10μl滴在经步骤a预处理的玻碳电极表面,室温干燥16小时使电极表面的胶体形成凝胶,最后用PBS溶液(pH7.4,0.05mol/L)充分洗涤,即制得EPOR修饰电极,不用时置4℃避光保存。
本发明在研究过程中对影响EPOR修饰电极电流响应的主要参数进行了优化。将以不同参数制备的EPOR修饰电极作为工作电极、饱和甘汞电极作为参比电极、铂电极作为对电极组建电化学生物传感器,以含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液(pH7.4,0.05mol/L)作为测试底液,在室温下采用循环伏安法进行扫描测定,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为50mv/s。结果显示,ZnO溶胶-凝胶贮备液与无水乙醇的稀释比、ZnO溶胶-凝胶溶液与EPOR溶液的体积比、EPOR溶液的浓度都会影响EPOR修饰电极的电流响应,ZnO溶胶-凝胶贮备液与无水乙醇的稀释比优选为2:1~1:3,更优选为1:2(图1),ZnO溶胶-凝胶溶液与EPOR溶液的体积比优选为4:1~1:1.15,更优选为1:1(图2),EPOR溶液的浓度优选为10ng/L~100μg/L,更优选为1μg/L(图3)。
二、EPO和rhEPO电化学生物传感器的构建及参数优化
将EPOR修饰电极与样品溶液孵育20分钟,然后以EPOR修饰电极为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂电极为对电极构建EPO和rhEPO电化学生物传感器,以含有2mmol/LK3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液(pH7.4,0.05mol/L)为测试底液,在室温下采用循环伏安法进行扫描测定,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为50mv/s。
本发明在研究过程中对影响EPO和rhEPO电化学生物传感器电流响应的主要参数也进行了优化。结果显示,测试底液的pH值为6.2~9.0时传感器的峰电流较大,pH值为7.4时传感器的峰电流最大,因此,测试底液的pH值优选为6.2~9.0,更优选为7.4(图4);EPOR修饰电极与500ng/L EPO或rhEPO标准品溶液的孵育时间从5分钟增加至20分钟,传感器的峰电流逐渐降低并达到最小值,之后继续增加孵育时间至40分钟,峰电流基本保持不变,说明20分钟时EPOR修饰电极上结合的EPO或rhEPO已达到饱和,因此EPOR修饰电极与样品溶液的孵育时间优选为20分钟以上,更优选为20分钟(图5)。此外,扫描电位的变化对K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]氧化还原峰的峰电位的影响不大,但对传感器的电流响应的影响较为明显,在-0.3V~0.7V之间有最好的电流响应(图6)。电位扫描速率影响循环伏安曲线的形状,本发明研究发现,电位扫描速率在10~100mv/s范围内都可行,当其为50mv/s时循环伏安曲线最光滑。
三、EPO和rhEPO电化学生物传感器的检测性能
1、特异性
将EPOR修饰电极与样品溶液孵育20分钟,然后将EPOR修饰电极与铂电极、饱和参比电极组成电化学生物传感器,以含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液(pH7.4,0.05mol/L)为测试底液,在室温下采用循环伏安法进行扫描测定,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为50mv/s。
传感器的特异性实验结果如图7所示,曲线a为单纯ZnO溶胶-凝胶修饰电极在PBS溶液中的循环伏安曲线,只能观测到背景电流;曲线b为裸玻碳电极在含有2mmol/LK3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液中的循环伏安曲线,由于在PBS溶液中加入了氧化还原探针K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6],循环伏安曲线有明显改变,出现了一对准可逆的氧化还原峰;曲线c为单纯ZnO溶胶-凝胶修饰电极在含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液中的循环伏安曲线,由于ZnO溶胶-凝胶薄膜在一定程度上阻碍了溶液中导电离子在电极上的电子传递,氧化还原峰的峰电流降低;曲线d为EPOR修饰电极在含有2mmol/LK3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液中的循环伏安曲线,与曲线c有明显不同,说明EPOR已成功修饰到电极表面,由于EPOR是生物大分子,被吸附在电极表面后阻碍电子传输,氧化还原峰的峰电流较曲线c进一步降低;曲线e为EPOR修饰电极在干扰物质溶液(500ng/LIgA、500ng/L IgG和500ng/L IgM)中孵育20分钟后的循环伏安曲线,与曲线d相比,基本保持不变,说明IgA、IgG、IgM等干扰物质不会影响EPO和rhEPO的检测;曲线f为EPOR修饰电极在500ng/L EPO标准品溶液中孵育20分钟后的循环伏安曲线,孵育前后响应电流变化值(ΔI)为8.2μA,峰电流出现在电位0.16V处,由于溶液中的EPO与电极上的EPOR特异性结合形成的EPO-EPOR复合物覆盖了更多的电极表面,进一步阻碍了电子传输,因此氧化还原峰的峰电流较曲线d明显降低;曲线g为EPOR修饰电极在500ng/L rhEPO标准品溶液中孵育20分钟后的循环伏安曲线,孵育前后响应电流变化值(ΔI)为9.7μA,同样由于rhEPO与EPOR特异性结合形成的rhEPO-EPOR复合物阻碍了电子传输,氧化还原峰的峰电流较曲线d明显降低,但由于rhEPO与EPO的等电点不同,导致rhEPO-EPOR复合物与EPO-EPOR复合物的工作电位不同,与曲线f相比,曲线g的氧化还原峰向负电位方向移动,峰电流出现在电位0.08V处,从而通过氧化还原峰的峰电位可以将EPO和rhEPO精确区分开来。以上实验结果表明,本发明构建的EPOR修饰电极抗干扰能力强,对EPO和rhEPO具有良好的选择性,并能对EPO和rhEPO进行精确甄别检测。
2、线性范围和检出限
将EPOR修饰电极分别与不同浓度的EPO标准品溶液、rhEPO标准品溶液孵育20分钟,然后与铂电极、饱和参比电极构建电化学生物传感器,以含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液(pH7.4,0.05mol/L)为测试底液,在室温下采用循环伏安法进行扫描测定,考察峰电流与EPO、rhEPO浓度的关系,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为50mv/s。结果见图8,当EPO的浓度为5pg/L~500ng/L时,EPO浓度的对数值与峰电流呈良好的线性关系,线性回归方程为:y=2.1674x+17.691,相关系数为0.9966,检出限为0.5pg/L;当rhEPO的浓度为5pg/L~500ng/L时,rhEPO浓度的对数值与峰电流呈良好的线性关系,线性回归方程为:y=1.5737x+14.765,相关系数为0.9935,检出限为0.5pg/L。以上结果表明本发明构建的EPO和rhEPO电化学生物传感器具有较宽的线性范围和较低的检出限。
3、稳定性
将新制备的EPOR修饰电极分别于4℃避光放置10、20、30、40、50、60天,然后与铂电极、饱和参比电极构建电化学生物传感器,以含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]-K4[Fe(CN)6]的PBS溶液(pH7.4,0.05mol/L)为测试底液,在室温下采用循环伏安法进行扫描测定,考察EPOR修饰电极的稳定性,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为50mv/s。结果见图9,EPOR修饰电极在放置20天后,响应电流值约为初始值的95%;放置40天后,响应电流值下降至初始值的82%;放置50天后,响应电流值仍然维持在初始值的77%左右,说明本发明的EPOR修饰电极具有良好的稳定性,使用寿命较长。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述,但本领域的普通技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.促红细胞生成素受体修饰电极,其特征在于,所述修饰电极是在电极表面通过ZnO溶胶-凝胶固定有促红细胞生成素受体作为识别元件的玻碳电极。
2.权利要求1所述的促红细胞生成素受体修饰电极的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
a.玻碳电极的预处理:将玻碳电极表面抛光,清洁,干燥,备用;
b.ZnO溶胶-凝胶的制备:将乙酸锌溶于无水乙醇中,再在超声波作用下加入氢氧化锂,制得ZnO溶胶-凝胶溶液,备用;
c.促红细胞生成素受体的固定:将步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液与促红细胞生成素受体溶液混匀,滴加至经步骤a预处理的玻碳电极表面,干燥成膜,洗涤,即制得促红细胞生成素受体修饰电极。
3.根据权利要求2所述的促红细胞生成素受体修饰电极的制备方法,其特征在于,所述步骤a是将玻碳电极依次用0.3μm和0.05μm的三氧化二铝粉末抛光打磨,每次打磨后先用水洗净,再依次用硝酸、丙酮和水超声洗涤,空气中晾干。
4.根据权利要求2所述的促红细胞生成素受体修饰电极的制备方法,其特征在于,所述步骤b是将乙酸锌溶于无水乙醇中制成浓度为0.1mol/L的溶液,再在超声波作用下加入氢氧化锂至终浓度为0.067mol/L,制得ZnO溶胶-凝胶贮备液,临用前用无水乙醇按ZnO溶胶-凝胶贮备液与无水乙醇的体积比为2:1~1:3进行稀释,制得ZnO溶胶-凝胶溶液。
5.根据权利要求4所述的促红细胞生成素受体修饰电极的制备方法,其特征在于,所述步骤b是将乙酸锌溶于无水乙醇中制成浓度为0.1mol/L的溶液,再在超声波作用下加入氢氧化锂至终浓度为0.067mol/L,制得ZnO溶胶-凝胶贮备液,临用前用无水乙醇按ZnO溶胶-凝胶贮备液与无水乙醇的体积比为1:2进行稀释,制得ZnO溶胶-凝胶溶液。
6.根据权利要求2所述的促红细胞生成素受体修饰电极的制备方法,其特征在于,所述步骤c是将步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液与浓度为10ng/L~100μg/L的促红细胞生成素受体溶液按照体积比为4:1~1:1.15混合均匀,再将混合液滴加在经步骤a预处理的玻碳电极表面,空气中干燥,用磷酸盐缓冲液充分洗涤,即制得促红细胞生成素受体修饰电极。
7.根据权利要求6所述的促红细胞生成素受体修饰电极的制备方法,其特征在于,所述步骤c是将步骤b制得的ZnO溶胶-凝胶溶液与浓度为1μg/L的促红细胞生成素受体溶液按照体积比为1:1混合均匀,再将混合液滴加在经步骤a预处理的玻碳电极表面,空气中干燥,用磷酸盐缓冲液充分洗涤,即制得促红细胞生成素受体修饰电极。
8.促红细胞生成素和重组人促红细胞生成素电化学生物传感器,其特征在于,包括工作电极、对电极、参比电极和测试底液;所述工作电极为权利要求1所述的促红细胞生成素受体修饰电极,对电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极;所述测试底液为含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]和2mmol/L K4[Fe(CN)6]且pH为6.2~9.0的磷酸盐缓冲液。
9.根据权利要求8所述的促红细胞生成素和重组人促红细胞生成素电化学生物传感器,其特征在于,所述测试底液为含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]和2mmol/L K4[Fe(CN)6]且pH为7.4的磷酸盐缓冲液。
10.利用权利要求8所述电化学生物传感器检测促红细胞生成素和/或重组人促红细胞生成素的方法,其特征在于,将促红细胞生成素受体修饰电极与样品溶液共孵育20分钟以上,然后以促红细胞生成素受体修饰电极为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、含有2mmol/L K3[Fe(CN)6]和2mmol/L K4[Fe(CN)6]且pH为6.2~9.0的磷酸盐缓冲液为测试底液构建电化学生物传感器,采用循环伏安法进行扫描测定,电位扫描范围为-0.3V~0.7V,电位扫描速率为10~100mv/s,根据电位0.14~0.17V处的峰电流和促红细胞生成素标准曲线计算样品溶液中促红细胞生成素的浓度,和/或根据电位0.06~0.09V处的峰电流和重组人促红细胞生成素标准曲线计算样品溶液中重组人促红细胞生成素的浓度。
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