CN105548297A - 基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统及其检测方法，该系统包括具有试制座的便携式检测仪器、电极装置以及待测样品溶液收容器，电极装置的试制座连接端插设于试制座内，电极装置的反应端插设于待测样品溶液收容器的腔体中，电极装置包括电极本体以及设于电极本体上的三电极结构体，三电极结构体包括并排设于电极本体上的工作电极、参比电极以及对电极，工作电极、参比电极及对电极的反应端均设于电极本体的同一端侧的反应区域上，以供反应区域浸于待测样本溶液中对待测样品溶液进行检测。该检测系统解决了现有系统误差较大，对测试试剂质量要求很高，对所涉及的仪器要求较高，不利于市场普及的问题。

Description

基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于电分析化学传感技术领域，具体是涉及一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统及其检测方法。

背景技术

电分析化学(ElectroanalyticalChemistry)是仪器分析的一个重要的分支，它是以测量某一化学体系或试样的电响应为基础建立起来的一类分析方法。它把测定的对象构成一个化学电池的组成部分，通过测量电池的某些物理量，如电位、电流、电导或电量等，求得物质的含量或测定某些电化学性质。

血红蛋白(Hb)是脊椎动物红细胞内的呼吸蛋白，是血液中运输氧气的主要物质，在生物体内起到传输氧气、分解H2O2、传递电子等与氧和能量代谢有关的重要活动，在一切生命活动中起着关键作用。血红蛋白的相对分子质量约为67000，其分子具有四级结构，是由两条α和两条β多肽链构成的四聚体，每个肽链上各结合有一个血红素分子，且相互接近，形成近似球形的血红蛋白分子，直径为55nm。对血红蛋白的研究多集中在其结构、输氧功能及其与电极之间的电子转移过程和机理。

由于血红蛋白的空间结构庞大，电活性中心不容易暴露，而且易于吸附在电极表面而使固体电极表面钝化，同时其过电位较高，在电极上电子转移速率很慢，难以得到有效的电化学信号，而且其相对分子质量较大，溶液中的浓度一般较低，产生的氧化还原电流较小，其电信号易被充电电流、残余电流等背景电流所掩盖，如在玻碳电极上就无明显的电化学信号，所以早期以各种裸电极对其进行研究和测定并不成功。但由于蛋白质与电极之间的电子转移在某种程度上类似于生物体中蛋白质分子之间的电子转移过程，所以对蛋白质与电极之间的电子转移的直接电化学研究越来越受到重视。本领域技术人员利用裸银电极为工作电极，报道了血红蛋白在裸银电极上的直接电化学行为及分析应用。在+0.4～-0.2V(vs.SCE)电位范围内于pH4.5的0.1mol/LHOAc2NaOAc缓冲溶液中，血红蛋白会产生一对灵敏的氧化还原峰，氧化峰峰电位Ep，a为+0.26V，还原峰峰电位Ep，c为+0.01V，峰电位之差ΔE为+0.25V。该峰与血红素的循环伏安图一致，说明血红蛋白电极反应过程的实质是血红蛋白中的血红素在电极上发生了电子得失反应，而不受肽链的影响；动力学研究表明电极反应的电子转移数n为0.94，表观电子传递速率常数ka为0.032s-1；峰电流与血红蛋白的浓度关系可用于血红蛋白的测定，线性范围为2.0×10-7～2.0×10-6mol/L。为了改善血红蛋白电极反应的可逆性，加速其在电极上交换电子的速率，活化其氧化还原中心，急需一种促进剂来加快血红蛋白的电极反应过程。

本领域技术人员对血红蛋白在氯化四甲基铵促进下于裸银电极上的直接电化学行为进行了研究。在pH5.0的0.3mol/LNaOAc2HOAc缓冲溶液中，于+0.4～-0.1V范围循环扫描，血红蛋白产生一对氧化还原峰。当有氯化四甲基铵存在时，峰电位之差为0.14V(扫描速度10mV/s)。动力学研究表明，该反应为单电子转移反应，转移系数α为0.60，电极反应速率常数k为0.103s-1.而且氧化峰电流与血红蛋白浓度在2.0×10-7～1.5×10-5mol/L范围内有良好的线性关系，可用于血红蛋白的测定。本领域技术人员则利用十二烷基硫酸钠(SDS)做为促进剂，在pH5.5的HOAc2NaOAc缓冲溶液中，SDS的加入使Hb的氧化峰明显增大，且峰形对称，可直接用于Hb的分析测定，在5.0×10-7～5.0×10-6mol/L范围内氧化峰电流与其浓度呈正比，可用于人血清中Hb的测定。其它一些阳离子和非离子表面活性剂如氯化四丁基铵、氯化十四烷基吡啶、氯化十六烷基吡啶、氯化十四烷基二甲基苄基铵、溴化十六烷基三甲基铵、乳化剂OP、TritonX2100等均能促进Hb在电极上的反应，其原因是表面活性剂与血红蛋白相互作用形成复合物而使Hb的多肽链伸展开来，其疏水结构被打开使电活性中心暴露而加快了电子转移的速率。

人血清中血红蛋白含量的测定是临床检测的一个重要内容，正常人血液中血红蛋白的含量在100～200g/L范围之内。若血红蛋白的含量降低则有可能是各种原因造成的贫血，而其含量相对增多则主要是由于大量体液和血浆丢失所致，因此对血红蛋白含量的准确测定具有非常实际的意义。

目前市面上针对血红蛋白的检测方法，常用硫酸铜沉淀法、氰化高铁血红蛋白测定法、沙利酸化血红蛋白检测法和十二烷基硫酸钠血红蛋白测定法等，这些方法或者结果误差较大，或者对测试试剂质量要求很高，或者对所涉及的仪器有较高的要求，故而基本上只能用于中心实验室内专业人士操作使用，不利于广大用户的自我监测。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统及其检测方法，解决现有系统及方法的误差较大，对测试试剂质量要求很高，对所涉及的仪器要求较高，不利于市场普及的问题。

一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，包括：具有试制座的便携式检测仪器、电极装置以及待测样品溶液收容器，所述电极装置的连接端插设于试制座内，所述电极装置的反应端插设于所述待测样品溶液收容器的腔体中；所述电极装置包括电极本体以及设于电极本体上的三电极结构体，所述三电极结构体包括并排设于电极本体上的工作电极(WE)、参比电极(RE)以及对电极(CE)，所述工作电极(WE)、参比电极(RE)及对电极(CE)的反应端均设于所述电极本体的同一端侧的反应区域上，以供反应区域浸于待测样本溶液中对待测样品溶液进行检测。

优选地，所述电极本体的反应区域上设有用于虹吸所述待测样品溶液的包裹层，所述包裹层内具有虹吸腔体。

优选地，其特征在于，所述包裹层包括设于反应区域两侧的第一亲水吸片，跨设于两所述第一亲水吸片的第二亲水吸片，以供所述第一亲水吸片和第二亲水吸片包裹的反应区域上形成有两端开口的槽状虹吸腔体。

优选地，所述第二亲水吸片的宽度对应所述电极本体的宽度设置，所述第二亲水吸片的长度延伸至靠近所述电极本体的试制座的连接端，以供三电极结构体工作区域不与外界接触。

优选地，所述电极本体的表面设有加快电化学响应信号的反应层，所述反应物层为金纳米微粒层、碳纳米微粒层、亚甲基蓝层、柳堇层及其衍生物层中的任意一种。

一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，使用样本预处理液对待测样本溶液进行预处理；步骤(2)，将具有三电极结构体的电极装置与便携式检测仪器对应插接，然后将电极装置的反应区域端浸入预处理后的待测样本溶液中进行反应；步骤(3)，反应完成后，便携式检测仪器根据测试信号值，并对比信号-浓度关系表，作出测试所得的血红蛋白浓度值。

优选地，在步骤(1)中，样本处理液为含有0.2-0.01mol/l的ph4.0-5.5的醋酸钠缓冲液，含有0.01％-2％(w/w)的十二烷基硫酸钠，含有0.02％-5％(w/w)的的TritonX-100，含有0.01％-2％(w/w)的脱脂奶粉，含有0.01％-1％(w/w)的CTAB中的任意一种。

优选地，步骤(2)中，所述电极本体为裸电极；或所述电极本体为经反应物质修饰处理后的裸电极以加快电化学响应信号。

优选地，所述反应物质为金纳米微粒、碳纳米微粒、亚甲基蓝、柳堇及其衍生物中的任意一种；所述修饰处理的方式为共价键合、吸附法、表面自组装、聚合物薄膜法中的任意一种。

优选地，所述的内置信号-浓度关系表内置或者通过芯片卡导入检测仪器内，当测试样本的时候，所述检测仪器自动根据测试信号值比对内置的关系表，换算报告出所测样本的血红蛋白浓度值。

本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，通过将三电极结构体引入电极装置中，通过便携式检测仪器连接电极装置，然后将工作电极(WE)、参比电极(RE)及对电极(CE)的反应端插入待测样品溶液收容器内进行检测。解决了现有系统误差较大，对测试试剂质量要求很高，对所涉及的仪器要求较高，不利于市场普及的问题。

本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，使用样本预处理液对待测样本溶液进行预处理，将具有三电极结构体的电极装置与便携式检测仪器对应插接，然后将电极装置的反应区域端浸入预处理后的待测样本溶液中进行反应，待反应完成后，便携式检测仪器根据测试信号值，并对比信号-浓度关系表，作出测试所得的血红蛋白浓度值。解决了现有系统误差较大，对测试试剂质量要求很高，对所涉及的仪器要求较高，不利于市场普及的问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统的结构示意图；

图2为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统中电极装置的结构示意图；

图3为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统中设有三电极体的电极本体的结构示意图；

图4为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统中电极本体与第一亲水吸片连接的结构示意图。

具体实施方式

为利于对本发明的结构的了解，以下结合附图及实施例进行说明。

图1为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统的结构示意图，图2为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统中电极装置的结构示意图，图3为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统中电极本体的结构示意图，图4为本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统中电极本体与第一亲水吸片连接的结构示意图。结合图1至图4所示，本发明提供了一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，包括：具有试制座11的便携式检测仪器10、电极装置20以及待测样品溶液收容器30。

所述电极装置20的连接端插设于试制座11内，所述电极装置20的反应端插设于所述待测样品溶液收容器30的腔体中，所述电极装置20包括电极本体21以及设于电极本体21上的三电极结构体22，所述三电极结构体22包括并排设于电极本体21上的工作电极(WE)223、参比电极(RE)221以及对电极(CE)222。电极本体21具有与待测样品溶液收容器30内的待测样品接触反应的反应区域211，所述工作电极(WE)223、参比电极(RE)221及对电极(CE)222的反应端均设于所述电极本体21的同一端侧的反应区域211上，以供反应区域211浸于待测样品溶液收容器30的待测样本溶液中对待测样品溶液进行检测。

所述电极本体21的反应区域211上设有用于虹吸所述待测样品溶液的包裹层23，所述包裹层23内具有虹吸腔体。进一步地，所述包裹层23包括设于反应区域两侧的第一亲水吸片231，跨设于两所述第一亲水吸片231的第二亲水吸片232，以供所述第一亲水吸片231和第二亲水吸片232包裹的反应区域211上形成有两端开口的槽状虹吸腔体。更进一步地，所述第二亲水吸片232的宽度对应所述电极本体21的宽度设置，所述第二亲水吸片232的长度延伸至靠近所述电极本体21的试制座11的连接端，以供三电极结构体22工作区域不与外界接触。实际应用中，第一亲水吸片231为电极本体21表面粘贴具有亲水性能的PET片，第二亲水吸片232为具有亲水功能的盖片。

另外，所述电极本体21的表面设有加快电化学响应信号的反应层，所述反应物层为金纳米微粒层、碳纳米微粒层、亚甲基蓝层、柳堇层及其衍生物层中的任意一种，通过共价键合、吸附法、表面自组装、聚合物薄膜法等方式设于电极本体表面。

本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，通过将三电极结构体引入电极装置中，通过便携式检测仪器连接电极装置，然后将工作电极(WE)、参比电极(RE)及对电极(CE)的反应端插入待测样品溶液收容器内进行检测。解决了现有系统误差较大，对测试试剂质量要求很高，对所涉及的仪器要求较高，不利于市场普及的问题。

本发明还提供了一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，包括如下步骤：

步骤S1，使用样本预处理液对待测样本溶液进行预处理。进一步地，样本处理液为含有0.2-0.01mol/l的ph4.0-5.5的醋酸钠缓冲液，含有0.01％-2％(w/w)的十二烷基硫酸钠，含有0.02％-5％(w/w)的的TritonX-100，含有0.01％-2％(w/w)的脱脂奶粉，含有0.01％-1％(w/w)的CTAB中的任意一种，本发明优选样本处理液为含有0.2-0.01mol/l的ph4.0-5.5的醋酸钠缓冲液。

步骤S2，将具有三电极结构体22的电极装置20与便携式检测仪器10对应插接，然后将电极装置20的反应区域211端浸入预处理后的待测样本溶液中进行反应。

进一步地，在步骤(2)中，所述电极本体为裸电极；或所述电极本体为经反应物质修饰处理后的裸电极以加快电化学响应信号。当电极本体为经反应物质修饰处理后的裸电极时，所述反应物质为金纳米微粒、碳纳米微粒、亚甲基蓝、柳堇及其衍生物中的任意一种。所述修饰处理的方式为共价键合、吸附法、表面自组装、聚合物薄膜法中的任意一种。

步骤S3，反应完成后，便携式检测仪器10根据测试信号值，并对比信号-浓度关系表，作出测试所得的血红蛋白浓度值。

另外，所述的内置信号-浓度关系表还可内置或者通过芯片卡导入检测仪器10内，当测试样本的时候，所述检测仪器10自动根据测试信号值比对内置的关系表，换算报告出所测样本的血红蛋白浓度值。

本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，使用样本预处理液对待测样本溶液进行预处理，将具有三电极结构体的电极装置与便携式检测仪器对应插接，然后将电极装置的反应区域端浸入预处理后的待测样本溶液中进行反应，待反应完成后，便携式检测仪器根据测试信号值，并对比信号-浓度关系表，作出测试所得的血红蛋白浓度值。解决了现有系统误差较大，对测试试剂质量要求很高，对所涉及的仪器要求较高，不利于市场普及的问题。

以下对本发明提供的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统及方法的具体应用细节进行详细说明。

将待测样本经过本样本预处理液处理后，将电极装置20(电极片)插入手持式血红蛋白检测仪器试制座内，然后将电极片反应区域211浸入预处理液后的待测样本溶液中，待测样本从电极装置20的进样口进入反应区域后，到达底部的触发器电极片会发出测定倒计时信号给检测仪器10，检测仪器便进入倒计时测试。待反应完成后，仪器根据测试信号值，对比内置的信号-浓度关系表，自动报告出测试所得的血红蛋白浓度值。

其中，便携式检测仪器10为手持式血红蛋白检测仪器，是基于现有市面上的血糖仪检测仪器的单片机，可以主动提供一定范围的电压，并对电极表面的电分析化学反应信号进行采集及统计分析，可在指定的恒压条件下，记录电流随时间的变化。

三电极体系22，包括工作电极(WE)223、参比电极(RE)221和对电极(CE)222。参比电极221用来定点位零点，电流流经工作电极和对电极，工作电极和参比电极构成一个不通或基本少通电的体系，利用参比电极221电位的稳定性来测量工作电极的电极电势。工作电极223和对电极222构成一个通电的体系，用来测量工作电极通过的电流。电极进过表面结构组装，形成具有虹吸作用的自动进样槽，

包裹层23主要通过在电极本体21表面粘贴具有亲水性能的PET片，在电极装置20的电极本体21工作区域形成一个两端开口的腔体，从而使腔体可以通过虹吸作用自动吸取待测样本到电极的工作区域，实现样本的自动进样功能。具体地说，首先在电极本体粘贴PET盖面，使电极本体21表面工作电极区域凹陷为反应区域221，然后粘贴一层亲水性盖片，保护电极表面工作反应区域221不被外界接触污染，并形成虹吸腔体，实现虹吸进样功能。

该电极装置20亦可以通过共价键合、吸附法、表面自组装、聚合物薄膜法等方式将金纳米微粒、碳纳米微粒、亚甲基蓝、柳堇及其衍生物等修饰电极表面，从而增强加快电化学响应信号。

对待测样本处理，是指通过样本预处理液稀释处理所采集的样本。样本进过预处理后，可以在电极本体21表面表现出较高的电化学活性，从而实现电化学信号的增强及稳定。本实施例中，样本处理液为含有0.2-0.01mol/l的ph4.0-5.5的醋酸钠缓冲液。每次测试样本预处理液对样本的稀释比例是固定的，其稀释比例可以根据项目需求进行预先设置调整。样本的稀释方式，亦可以采用简易式固定比例稀释装置稀释样本。

所述的内置信号-浓度关系表，是指预先根据已知浓度的血红蛋白质控品检测所得的信号值与浓度值的关系表，可以预先测试并将关系表内置或者通过芯片卡导入检测仪器内。当测试样本的时候，仪器可以自动根据测试信号值比对内置的关系表，从而换算报告出所测样本的血红蛋白浓度值。

实施例1：用微量移液器采集样本5ul，将样本用2ml的样本处理液处理稀释。取未使用的具有三电极体系的电极片，插入检测仪器试纸座上，仪器被引导启动并自检判断电极片正常。将电极片工作区域端插入待测样本中，样本由虹吸作用自动进入电极工作区域，触发检测仪器倒计时检测。检测完成后，仪器自动对测试信号值进行计算，报告出待测样本的血红蛋白浓度值。

实施例2：首先用固定比例稀释装置采集稀释待测样本，该固定比例稀释装置由稀释液容器、保护罩和采样/稀释转换器组成。首先利用稀释装置上具有虹吸功能的微量计量采样器对样本进行定量采集，采样后的微量计量采样器密封在稀释液容器中，通过摇晃振动等机械方式使稀释液容器中的稀释液对具有虹细功能的微量计量采样器反复冲洗，得到均匀稀释的样本。然后，冲洗后的液体通过微量计量采样器的采样孔进入给定体积的稀释液容器内，从而实现对定量采集的样本的均匀稀释。然后，取未使用的具有三电极体系的电极片，插入检测仪器试纸座上，仪器被引导启动并自检判断电极片正常。将待测样本滴加到电极进样槽上，样本由虹吸作用自动进入电极工作区域，触发检测仪器倒计时检测。最后，待检测完成后，仪器自动对测试信号值进行计算，报告出待测样本的血红蛋白浓度值。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，其特征在于，包括：具有试制座的便携式检测仪器、电极装置以及待测样品溶液收容器，所述电极装置的连接端插设于试制座内，所述电极装置的反应端插设于所述待测样品溶液收容器的腔体中；

所述电极装置包括电极本体以及设于电极本体上的三电极结构体，所述三电极结构体包括并排设于电极本体上的工作电极(WE)、参比电极(RE)以及对电极(CE)，所述工作电极(WE)、参比电极(RE)及对电极(CE)的反应端均设于所述电极本体的同一端侧的反应区域上，以供反应区域浸于待测样本溶液中对待测样品溶液进行检测。

2.根据权利要求1所述的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，其特征在于，所述电极本体的反应区域上设有用于虹吸所述待测样品溶液的包裹层，所述包裹层内具有虹吸腔体。

3.根据权利要求2所述的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，其特征在于，所述包裹层包括设于反应区域两侧的第一亲水吸片，跨设于两所述第一亲水吸片的第二亲水吸片，以供所述第一亲水吸片和第二亲水吸片包裹的反应区域上形成有两端开口的槽状虹吸腔体。

4.根据权利要求3所述的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，其特征在于，所述第二亲水吸片的宽度对应所述电极本体的宽度设置，所述第二亲水吸片的长度延伸至靠近所述电极本体的试制座的连接端，以供三电极结构体工作区域不与外界接触。

5.根据权利要求4所述的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统，其特征在于，所述电极本体的表面设有加快电化学响应信号的反应层，所述反应物层为金纳米微粒层、碳纳米微粒层、亚甲基蓝层、柳堇层及其衍生物层中的任意一种。

6.一种如权利要求1-5任一项所述基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测系统的基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，使用样本预处理液对待测样本溶液进行预处理；

步骤(2)，将具有三电极结构体的电极装置与便携式检测仪器对应插接，然后将电极装置的反应区域端浸入预处理后的待测样本溶液中进行反应；

步骤(3)，反应完成后，便携式检测仪器根据测试信号值，并对比信号-浓度关系表，作出测试所得的血红蛋白浓度值。

7.根据权利要求6基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，其特征在于，在步骤(1)中，样本处理液为含有0.2-0.01mol/l的ph4.0-5.5的醋酸钠缓冲液，含有0.01％-2％(w/w)的十二烷基硫酸钠，含有0.02％-5％(w/w)的的TritonX-100，含有0.01％-2％(w/w)的脱脂奶粉，含有0.01％-1％(w/w)的CTAB中的任意一种。

8.根据权利要求7基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述电极本体为裸电极；或所述电极本体为经反应物质修饰处理后的裸电极以加快电化学响应信号。

9.根据权利要求8基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法，其特征在于，所述反应物质为金纳米微粒、碳纳米微粒、亚甲基蓝、柳堇及其衍生物中的任意一种；所述修饰处理的方式为共价键合、吸附法、表面自组装、聚合物薄膜法中的任意一种。

10.根据权利要求9基于电化学生物传感器的血红蛋白定量检测方法其特征在于，所述的内置信号-浓度关系表内置或者通过芯片卡导入检测仪器内，当测试样本的时候，所述检测仪器自动根据测试信号值比对内置的关系表，换算报告出所测样本的血红蛋白浓度值。