CN104569102B - 检测血液微量信号的生物传感电极和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测血液微量信号的生物传感电极和方法，通过工作电极和对电极尺寸和距离限定、电介体浓度和体积选取、电极浆料选取、以及酶配方的选择，并通过对电极间隔施加两个恒电压，来得到放大的电流信号和去除信噪干扰，可以实现对血液中微量信号的检测；恒电压的选取原则为检测样品的氧化还原电位，进而提高检测灵敏度和准确度。

Description

检测血液微量信号的生物传感电极和方法

技术领域：

本发明涉及一种检测血液微量信号的电极和方法，特别涉及一种用于血液中总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇、甘油三酯、尿酸等微量指标即时检测的酶电极，属于生物传感技术领域。

背景技术：

血脂是血液中脂肪类物质的统称，其中主要包括胆固醇和甘油三酯。血脂是人体中一种重要的物质，有许多非常重要的功能，但是不能超过一定的范围。如果血脂过多，容易造成“血稠”，在血管壁上沉积，逐渐形成小斑块（就是我们常说的“动脉粥样硬化”）这些“斑块”增多、增大，逐渐堵塞血管，使血流变慢，严重时血流被中断。这种情况如果发生在心脏，就引起冠心病；发生在脑，就会出现脑中风；如果堵塞眼底血管，将导致视力下降、失明；如果发生在肾脏，就会引起肾动脉硬化，肾功能衰竭；发生在下肢，会出现肢体坏死、溃烂等。此外，高血脂可引发高血压、诱发胆结石、胰腺炎，加重肝炎、导致男性性功能障碍、老年痴呆等疾病。最新研究提示高血脂可能与癌症的发病有关。血脂异常一般包括三类情况，即血清中的总胆固醇或低密度脂蛋白胆固醇(LDL~C)高于正常范围、甘油三酯水平高于正常范围，或高密度脂蛋白胆固醇(HDL~C)水平低下。

尿酸是嘌呤代谢的终末产物，嘌呤代谢紊乱、能量代谢异常及肾脏对尿酸的排泄障碍均可引起血浆尿酸浓度升高(高尿酸血症)或降低(低尿酸血症)。目前认为，尿酸测定是诊断嘌呤代谢紊乱所致痛风的最佳生化标志。痛风的主要特点是高尿酸血症，由此而引起痛风性急性关节炎、痛风石沉积、痛风石性慢性关节炎和关节畸形、尿酸肾结石等肾脏病变，对健康危害很大。

自从20世纪70年代发明袖珍血糖仪，生物传感电极飞速发展。近年来，由于酶电极生物传感器的低成本，易制造以及方便携带的检测仪器的配套使用等特征，已经被越来越广泛的应用于各种产品检测的商品化生产，例如血糖、尿酸等生化检测仪器。这类生物传感器是利用酶等生物材料的分子识别能力以生物材料作为分子识别原件的传感器。酶电极利用试样液中含有的被检测物质与酶的反应生成的电极来还原受电子体，测定装置利用电化学方法测量该受电子体的还原量，从而实现被检测物质的定量分析。

现在市场上出售的各种酶电极以血糖检测的居多，尿酸和血脂的检测试纸较为少见。指测量血糖所用的血量，一般在0.5微升〜10微升之间，用血多少会影响病人的痛感。血糖一般测量范围在3mmol/L〜33.3mmol/L。相比之下总胆固醇一般测量范围在2.6mmol/L〜10.4mmol/L、低密度脂蛋白胆固醇一般测量范围在1.3〜5.18 mmol/L、高密度脂蛋白胆固醇一般测量范围在0.4〜2.20 mmol/L、甘油三酯一般测量范围在0.56〜5.65 mmol/L、尿酸一般测量范围在179 〜 1190μmol/L。这些指标在人体血液中的含量较为低，通过传统的酶电极和检测方法无法获得很好的灵敏度和准确度。

发明内容：

为了克服上述缺陷，本发明旨在提供一种灵敏度和准确度更高的检测血液微量信号的生物传感电极。

本发明的另一个目的是提供一种检测灵敏度和准确度更高的检测血液微量信号的方法。

由于以上两项发明创造对现有技术作出的贡献为通过工作电极和对电极尺寸和距离限定、电介体浓度和体积选取、电极浆料选取、以及酶配方的选择和两个阶跃电位的施加，进而提高检测灵敏度和准确度，因而属于一个总的发明构思，具备单一性，可以作为一件申请提出。

为了实现发明目的，本发明采用的技术方案为：检测血液微量信号的生物传感电极，电极试纸包括绝缘基底，绝缘基底上印刷有电极，电极包括工作电极和对电极，其特征在于，工作电极的面积为6mm^2~15mm²，对电极的面积为2 mm²~5mm²，工作电极和对电极之间的距离0.2mm~1mm；所述的电极上修饰有检测酶层。

工作电极和对电极的电介体为铁氰化钾、亚铁氰化钾、二茂铁苯醌中的一种或几种，浓度为0.05~0.5mmol/L，体积为1μL~10μL。

所述的检测酶层的酶为胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶、甘油激酶、甘油磷酸氧化酶、脂蛋白酯酶或抗坏血酸氧化酶。

所述的工作电极和对电极被施加2个阶跃电压，阶跃1的电位为-400mV~0mV，阶跃2电位为0 mV~400mV，阶跃时间0.2s~5s。

工作电极的浆料为碳、或银、或金、或铂，对电极的浆料为碳、或银、或氯化银。

检测血液微量信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）构建生物传感电极，电极试纸包括绝缘基底，绝缘基底上印刷有工作电极、对电极，工作电极的面积为6mm^2~15mm²，对电极的面积为2 mm²~5mm²，工作电极和对电极之间的距离0.2mm~1mm；所述的电极上修饰检测酶层；

（2）电介体选择铁氰化钾、亚铁氰化钾、二茂铁苯醌中的一种或几种，浓度为0.05~0.5mmol/L，体积为1μL~10μL；

（3）加入血液样品2μL~20μL，对生物传感电极施加2个阶跃电压，阶跃1的阶跃1的电位为-400mV~0mV，阶跃2电位为0mV~400mV，阶跃时间0.2s~5s；

（4）得到血液中待检测指标与时间的响应电流关系，取5s~150s电流值为响应电流，将该响应电流与待检测指标浓度~响应电流标准曲线进行对比，计算得出血液样品中待检测指标的浓度。

所述的生物传感电极为总胆固醇传感电极、低密度脂蛋白传感电极、高密度脂蛋白传感电极、甘油三酯传感电极或尿酸传感电极，所述的待检测指标为总胆固醇、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、甘油三酯或尿酸。

所述的总胆固醇传感电极的阶跃1电位： -400mV，阶跃2电位： 400mV，阶跃时间1s~3s，取值时间为40s~90s；

所述的低密度脂蛋白胆固醇传感电极的阶跃1电位： -350mV，阶跃2电位： 300mV，阶跃时间1s~3s，取值时间为40s~90s；

所述的高密度脂蛋白胆固醇传感电极的阶跃1电位： -300mV，阶跃2电位： 300mV，阶跃时间1s~3s，取值时间为40s~90s；

所述的甘油三酯传感电极的阶跃1电位： -100mV，阶跃2电位： 150mV，阶跃时间1.5s~5s，取值时间为60s~150s；

所述的尿酸传感电极的阶跃1电位： -100mV，阶跃2电位： 400mV，阶跃时间1s，取值时间为20s。

所述的电介体为铁氰化钾；针对总胆固醇传感电极，检测酶层由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片。

针对低密度脂蛋白胆固醇传感电极，检测酶层由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对高密度脂蛋白胆固醇传感电极，检测酶层由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对甘油三酯传感电极，检测酶层由甘油激酶、甘油磷酸氧化酶、脂蛋白酯酶中的一种或几种组成，其中，甘油激酶的浓度为200~2000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，甘油磷酸氧化酶浓度为500~2000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，脂蛋白酯酶的浓度为2000~10000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对尿酸传感电极，检测酶层为抗坏血酸氧化酶，浓度为0.5kU~10kU/ml，体积范围为2μl~4μL/片。

本发明通过工作电极和对电极尺寸和距离限定、电介体浓度和体积选取、电极浆料选取、以及酶配方的选择，提高检测灵敏度；并通过对电极间隔施加两个恒电压，来得到放大的电流信号和去除信噪干扰，可以实现对血液中微量信号的检测，恒电压的选取原则为检测样品的氧化还原电位，进而提高检测灵敏度和准确度。

附图说明

图1为本发明的检测血液微量信号的电极试纸的结构图；

图2为基板的结构图；

图3为中隔层的结构图；

图4为上盖的结构图；

图5为尿酸溶液的浓度和响应电流标准曲线图；

图6为总胆固醇溶液的浓度和响应电流标准曲线图；

图7为低密度脂蛋白胆固醇溶液的浓度和响应电流标准曲线图；

图8为高密度脂蛋白胆固醇溶液的浓度和响应电流标准曲线图；

图9为甘油三酯溶液的浓度和响应电流标准曲线图；

其中1 进样口，2反应区，3试纸，4电极，5对电极，6工作电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图1~9对本发明作更进一步的说明。

试纸3结构：

试纸由绝缘基底、中隔层和上盖三层组成，绝缘基底上印刷有电极4和连接导线，电极包括工作电极6、对电极5，三层粘合后形成进样口1和反应区2。

电极结构：

工作电极的面积为6mm^2~15mm²，对电极的面积为2 mm²~5mm²，工作电极和对电极之间的距离0.2mm~1mm。优选的，工作电极的尺寸为3mm*3mm，对电极的尺寸为1mm*3mm，工作电极和对电极之间的距离0.5mm。

电极的浆料：

工作电极为碳、或银、或金、或铂，对电极为碳、或银、或氯化银。

电介体：

电介体可以是铁氰化钾、亚铁氰化钾、二茂铁苯醌中的一种或几种，优选铁氰化钾作为电介体，浓度为0.05~0.5mmol/L，体积为1μL~10μL。

总胆固醇：优选铁氰化钾的浓度为0.4 mmol/L，体积优选3μL。

低密度脂蛋白胆固醇：优选铁氰化钾的浓度为0.3 mmol/L，体积优选2μL。

高密度脂蛋白胆固醇：优选铁氰化钾的浓度为0.3 mmol/L，体积优选2μL。

甘油三酯：优选铁氰化钾的浓度为0.15 mmol/L，体积优选4μL。

尿酸：优选铁氰化钾的浓度为0.05 mmol/L，体积优选2μL。

酶配方：

总胆固醇酶反应液由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，优选的：胆固醇氧化酶的浓度为2000U/ml，体积范围为1.5μL/片，胆固醇酯酶浓度为4000U/ml，体积范围为1.5μL/片。

低密度脂蛋白胆固醇酶反应液由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，优选的：胆固醇氧化酶的浓度为2500U/ml，体积范围为1.5μL/片，胆固醇酯酶浓度为4000U/ml，体积范围为1.5μL/片。

高密度脂蛋白胆固醇酶反应液由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，优选的：胆固醇氧化酶的浓度为2500U/ml，体积范围为1.5μL/片，胆固醇酯酶浓度为4500U/ml，体积范围为1.5μL/片。

甘油三酯酶反应液由甘油激酶、甘油磷酸氧化酶、脂蛋白酯酶中的一种或几种组成，其中，甘油激酶的浓度为200~2000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，甘油磷酸氧化酶浓度为500~2000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，脂蛋白酯酶的浓度为2000~10000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，优选的：甘油激酶的浓度为1500U/ml，体积范围为1μL/片，甘油磷酸氧化酶浓度为1000U/ml，体积范围为1μL/片，脂蛋白酯酶浓度为8000U/ml，体积范围为1.5μL/片。

UA：抗坏血酸氧化酶浓度为0.5kU~10kU/ml，体积范围为2μl~4μL/片。优选的：抗坏血酸氧化酶的浓度为5kU/ml，体积为1.5μL/片。片指的是电极试片/试纸。

阶跃电位：

总胆固醇：用电位阶跃法，阶跃1电位为-400mV~0mV，阶跃2电位为0 mV~400mV，阶跃时间为1s~3s，得到血液中总胆固醇与时间的响应电流关系，取40s~90s电流值为响应电流，将该响应电流与总胆固醇浓度~响应电流标准曲线进行对比，计算得出血液样本中总胆固醇的浓度。其中，优选阶跃1电位为-400mV，优选阶跃2电位为400mV，优选阶跃时间为2s，优选取值时间为60s。

低密度脂蛋白胆固醇：用电位阶跃法，阶跃电位为±100mV~±400mV，阶跃时间为1s~3s，得到血液中低密度脂蛋白胆固醇与时间的响应电流关系，取40s~90s电流值为响应电流，将该响应电流与低密度脂蛋白胆固醇浓度~响应电流标准曲线进行对比，计算得出血液样本中低密度脂蛋白胆固醇的浓度。其中，优选阶跃1电位为-350mV，优选阶跃2电位为300mV，优选阶跃时间为2s，优选取值时间为60s。

高密度脂蛋白胆固醇：用电位阶跃法，阶跃电位为±100mV~±400mV，阶跃时间为1s~3s，得到血液中高密度脂蛋白胆固醇与时间的响应电流关系，取40s~90s电流值为响应电流，将该响应电流与高密度脂蛋白胆固醇浓度~响应电流标准曲线进行对比，计算得出血液样本中高密度脂蛋白胆固醇的浓度。其中，优选阶跃1电位为-300mV，优选阶跃2电位为300mV，优选阶跃时间为2s，优选取值时间为60s。

甘油三酯：用电位阶跃法，阶跃电位为±100mV~±400mV，阶跃时间为5s~1.5s，得到血液中甘油三酯与时间的响应电流关系，取60s~150s电流值为响应电流，将该响应电流与甘油三酯浓度~响应电流标准曲线进行对比，计算得出血液样本中甘油三酯的浓度。其中，优选阶跃1电位为-100mV，优选阶跃2电位为150mV，优选阶跃时间为1s，优选取值时间为90s。

尿酸：阶跃1电位：-400mV~0mV，优选-100mV，阶跃2电位：0 mV~400mV，优选400mV，阶跃时间0.2s~5s，优选1s，优选取值时间为20s。

吸血量：2μL~20μL血液。

检测血液微量信号的电极试纸的制作方法：

1）在绝缘基底（即基板）上丝网印刷工作电极和对电极，以及两者的引出导线。

2）将中隔层黏贴到绝缘基底上，形成包含工作电极和对电极的加样区和反应区。中隔层为具有双面胶的绝缘薄膜，可以是PVC绝缘薄膜、PET绝缘薄膜等。

3）在反应区用丝网印刷或点胶机将反应试剂均匀修饰到电极表面，形成检测试剂层，检测试剂层包括检测酶层。

4）粘贴亲水性上盖，形成进样腔和进样口。亲水性上盖为表面亲水处理的薄膜。

实施例1 尿酸的检测

尿酸的检测原理如下：

抗坏血酸氧化酶 + 抗坏血酸 + O2 → 脱氢抗坏血酸 + H2O

尿酸 + 铁氰化钾 → 亚铁氰化钾 + 尿囊素

亚铁氰化钾 → 铁氰化钾 + e

检测过程：将UA试片接入电化学站或样机，在阶跃1电位为-0.1V，阶跃2电位为0.4V，阶跃时间为1s的实验条件下进行测试，每个样品浓度重复测试三次，取平均值进行分析，如图5所示，可以看出0.2mM~1.2mM尿酸的响应电流在5.41µA~13.32µA左右，线性方程为y = 8.1342x + 3.8774，R² = 0.9957，说明该尿酸试片的响应电流较大，线性较佳，分辨度较高。

实施例2 总胆固醇的检测

通过喷涂的方式，在工作电极和对电极上喷涂覆盖胆固醇氧化酶和胆固醇酯酶溶液，45℃干燥10min，黏贴上盖，制备成检测总胆固醇的酶电极试片总胆固醇酶电极试片，检测11个不同浓度总胆固醇样本，按阶跃1电位-400mV，阶跃2电位400mV，阶跃时间2s，取60s时的检测电流，将样本浓度与对应的检测电流作图6， R²值为0.9885，试片的相对标准误差为CV≤6.3%。

实施例3 低密度脂蛋白胆固醇的检测

通过喷涂的方式，在工作电极和对电极上喷涂覆盖胆固醇氧化酶和胆固醇酯酶溶液，45℃干燥10min，然后再喷涂apoA抗脂蛋白抗体溶液，35℃干燥10min，黏贴上盖，制备成检测低密度脂蛋白胆固醇的酶电极试片总胆固醇酶电极试片，低密度脂蛋白胆固醇酶电极试片，检测11个不同浓度低密度脂蛋白胆固醇样本，按照阶跃1电位为-350mV，阶跃2电位为300mV，阶跃时间2s，取60s时的检测电流，将样本浓度与对应的检测电流作图7， R²值为0.985，试片的相对标准误差为CV≤6.2%。

实施例4 高密度脂蛋白胆固醇的检测

通过喷涂的方式，在工作电极和对电极上喷涂覆盖胆固醇氧化酶和胆固醇酯酶溶液，45℃干燥10min，然后再喷涂apoB抗脂蛋白抗体溶液，35℃干燥10min，黏贴上盖，制备成检测高密度脂蛋白胆固醇的酶电极试片总胆固醇酶电极试片，高密度脂蛋白胆固醇酶电极试片，检测10个不同浓度高密度脂蛋白胆固醇样本，按照阶跃1电位为-300mV，阶跃2电位为300mV，阶跃时间2s，取60s时的检测电流，将样本浓度与对应的检测电流作图8，R²值为0.9877，试片的相对标准误差为CV≤6.5%。

实施例5 甘油三酯的检测

通过喷涂的方式，在工作电极和对电极上喷涂覆盖甘油激酶、磷酸甘油氧化酶，45℃干燥10min，在工作电极和对电极上喷涂覆盖脂蛋白酯酶，45℃干燥10min，制备成检测甘油三酯的酶电极试片，检测10个不同浓度甘油三酯样本，按照阶跃1电位为-100mV，阶跃2电位为150mV，阶跃时间1s，取90s时的检测电流，将样本浓度与对应的检测电流作图9，R²值为0.9814，试片的相对标准误差为CV≤8.7%。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.检测血液微量信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建生物传感电极，电极试纸包括绝缘基底，绝缘基底上印刷有工作电极、对电极，工作电极的面积为6mm²~15mm²，对电极的面积为2 mm²~5mm²，工作电极和对电极之间的距离0.2mm~1mm；所述的电极上修饰检测酶层；

电介体选择铁氰化钾、亚铁氰化钾、二茂铁苯醌中的一种或几种，浓度为0.05~0.5mmol/L，体积为1μL~10μL；

加入血液样品2μL~20μL，对生物传感电极施加2个阶跃电压，阶跃1的电位为-400mV~0mV，阶跃2电位为0mV~400mV，阶跃时间0.2s~5s；

得到血液中待检测指标与时间的响应电流关系，取5s~150s电流值为响应电流，将该响应电流与待检测指标浓度~响应电流标准曲线进行对比，计算得出血液样品中待检测指标的浓度；

所述的生物传感电极为总胆固醇传感电极、低密度脂蛋白传感电极、高密度脂蛋白传感电极、甘油三酯传感电极或尿酸传感电极，所述的待检测指标为总胆固醇、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、甘油三酯或尿酸；

所述的总胆固醇传感电极的阶跃1电位： -400mV，阶跃2电位： 400mV，阶跃时间1s~3s，取值时间为40s~90s；

所述的低密度脂蛋白胆固醇传感电极的阶跃1电位： -350mV，阶跃2电位： 300mV，阶跃时间1s~3s，取值时间为40s~90s；

所述的高密度脂蛋白胆固醇传感电极的阶跃1电位： -300mV，阶跃2电位： 300mV，阶跃时间1s~3s，取值时间为40s~90s；

所述的甘油三酯传感电极的阶跃1电位： -100mV，阶跃2电位： 150mV，阶跃时间1.5s~5s，取值时间为60s~150s；

所述的尿酸传感电极的阶跃1电位： -100mV，阶跃2电位： 400mV，阶跃时间1s，取值时间为20s。

2.根据权利要求1所述的检测血液微量信号的方法，其特征在于，所述的电介体为铁氰化钾；

针对总胆固醇传感电极，检测酶层由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对低密度脂蛋白胆固醇传感电极，检测酶层由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对高密度脂蛋白胆固醇传感电极，检测酶层由胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶中的一种或几种组成，其中，胆固醇氧化酶的浓度为500~3000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，胆固醇酯酶浓度为1000~5000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对甘油三酯传感电极，检测酶层由甘油激酶、甘油磷酸氧化酶、脂蛋白酯酶中的一种或几种组成，其中，甘油激酶的浓度为200~2000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，甘油磷酸氧化酶浓度为500~2000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片，脂蛋白酯酶的浓度为2000~10000U/ml，体积范围为0.5~3μL/片；

针对尿酸传感电极，检测酶层为抗坏血酸氧化酶，浓度为0.5kU~10kU/ml，体积范围为2μl~4μL/片。