CN105866107B - 基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明共开了一种基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置，包括用于储存反应试剂并发生反应的微型暗室和用于储存检测物并发生氧化还原反应的储液池，所述微型暗室和储液池之间分别设有双极电极和电信号施加单元，其中所述双极电极的一端封装在微型暗室底部内腔、另一端伸入储液池内，同时所述电信号施加单元的正极通过一驱动电极伸入储液池内，负极通过一驱动电极与微型暗室顶部相连。该基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置将分别放置的检测物和信号分子联系起来，实现储液池内的氧化还原反应以电子形式传递至微型暗室内，并产生光信号，即实现相应的电化学发光信号相应，极大的提高了检测的灵敏度和可靠性。

Description

基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置。
背景技术
电致化学发光是一种基于电化学的以电激发的光信号为度量的分析方法，是指反应试剂在电极表面发生反应产生激发态，当其回到基态时所产生的发光现象。它在继承了电化学灵敏度高，可控性好等优点的基础上，降低了电化学的背景信号影响，从而进一步提升了检测灵敏度。通过控制条件，更可将检测结果可视化呈现，拓宽了分析检测的范围，已成功用于多种金属离子、生物小分子、癌症标记物、细胞等物质的检测。双极电极是一段置于外加电场中的导体，受外加电场极化而产生阴阳两极。双极电极在电致化学发光领域的引入，可以有效地将检测目标物和信号分子隔离开，在无干扰的条件下通过信号端光信号的测定实现对检测端的间接检测。
传统的电致化学发光装置，受限于发光强度弱的影响，必须隔绝外界光源。此外在传统的电化学发光装置中，光信号产生部分和待分析样品不是相对独立的，所有电极、待分析样品和储存反应试剂的器皿都必须同处在同一个暗室中；通常实验须在搭建的大型暗室中进行，所有电极必须在大型暗室中，很难在光照条件下用电极进行观察性实验。不仅仪器笨重、操作繁琐，影响因素多，对分析者的操作和待分析样品的状态要求也较高；同时，对微小的或需要精确定位的样品，抑或是生物体内诊断，传统的电致化学发光检测装置难以实现准确测定，具有很大的局限性。
目前的电致化学发光检测装置都是仪器靶向性，而非目标靶向性。为了实现光信号的检测，须对样品或者样品载体进行加工和预处理。传统装置对双极电极，在电极选择上有时有着严格的要求。例如在常用下采光系统中，滴涂样品的电极须具有很好的透光性才能保证光信号不衰减。这样的检测过程导致对样品及其载体加工的精度和平行性有很高的要求，甚至会改变样品本来的形貌或状态。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是一种具有较高的灵敏度和广谱性、且设备轻便、操作简单，能克服现有技术中存在的全部电极反应必须在大型暗室中进行、不能进行电极观察性实验的基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置，包括用于储存反应试剂并发生反应的微型暗室和用于储存检测物并发生氧化还原反应的储液池，所述微型暗室和储液池之间分别设有双极电极和电信号施加单元，其中，所述双极电极的一端封装在微型暗室底部内腔、另一端伸入储液池内，同时，所述电信号施加单元的正极通过一驱动电极伸入储液池内，负极通过一驱动电极与微型暗室顶部相连。
优选的，所述微型暗室上还连接有用于采集微型暗室中产生的光信号的信号采集单元。该微型暗室为光电倍增管，可将微弱光信号转换成电信号。
进一步，该基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置还包括将采集的光信号进行放大并转换为数字信号的信号放大处理单元，该信号放大处理单元的一端与信号采集单元相连，另一端外接移动终端并输出数据。
其中，所述微型暗室为表面氧化发黑的中空状结构，该微型暗室的两端由带微孔的密封塞密封。密封塞可为为丁基橡胶塞。
优选的，所述双极电极包括由铂丝、金丝、合金、石墨、碳纤维或玻璃管拉制而成的外壁裹覆有金属薄层的纺锤形电极，该纺锤形电极除其两端外还包覆有绝缘层。
发明原理：当电信号施加单元的正负极通过驱动电极施加电压时，位于储液池中的双极电极上发生还原反应，封装在微型暗室内的双极电极上发生氧化反应，即双极电极的两端产生了电性相反的阴阳两极，其中发生还原反应的为阴极，发生氧化反应的为阳极。电化学发光反应会在双极电极上产生，产生的光信号被信号采集单元收集。然后对信号进行处理和输出。在本发明中，双极电极与微型暗室相组合的结构将光信号产生部分和检测物相互独立开，使得光信号产生部分处在微型暗室中，检测物本身无需避光；这就使得本装置可以在光照环境中对检测物进行检测。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先该基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置有效的将电致化学发光技术和双极电极的结合一体，将分别放置的检测物和信号分子(电致化学反应试剂)联系起来，避免了检测物和反应试剂混合所带来的污染，施加电压后伸入储液池内的双极电极的一端为阴极，阴极发生还原反应，而封装在微型暗室内的双极电极的一端为阳极，阳极发生氧化反应，双极电极的阴极端的电化学响应改变会影响通过双极电极的电流密度，通过识别双极电极阳极端的电致化学发光强度变化可以实现对检测端目标物浓度的标定，极大的提高了检测的灵敏度和可靠性；其次通过微型暗室、双极电极、驱动电极和电信号施加单元的合理布置且集成为一体，使其总质量不到60g，可实现宏、微观目标靶向性原位精确检测；再者，双极电极的一极可以在光照条件下进行探测实验，可以在无避光环境下进行光信号检测，信号可靠，用途广泛，经济效益高；最后双极电极为可替换型双极电极，可根据检测物的不同尺寸和不同位置目标的原位实时检测选择不同型号的双极电极，可以为不同的检测体系提供一种可在光照环境中进行检测的有效方案，提高该分析装置的适用范围，进一步增强其广谱性。
附图说明
图1为本发明基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置的结构示意图；
图2为本发明基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置的原理示意图；
图3为使用本发明基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置进行双氧水检测的结果关系图；
图4为使用本发明基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置进行葡萄糖检测的结果关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置包括用于储存电致化学反应试剂并发生电致化学发光反应的微型暗室1、双极电极2、用于储存检测物并发生氧化还原反应的储液池3、电信号施加单元4、驱动电极5、信号采集单元6、信号放大处理单元7。其中，电信号施加单元为电化学工作站或直流可调电源，信号采集单元6、信号放大处理单元7均可外购获得。本发明中使用的微型暗室1为中空状结构，可为铝材微型暗室，其表面氧化发黑形成微型暗室。该微型暗室1的两端由带微孔的密封塞密封住。与电信号施加单元负极相连接的驱动电极5通过密封塞微孔插入微型暗室顶部并伸入微型暗室内腔与反应试剂接触，微型暗室1的底部的密封塞微孔上插有双极电极2，该双极电极2的一端封装在微型暗室1内与反应试剂相接触、另一端伸入储液池3内与检测物接触。封装在微型暗室内的、且发生氧化反应的双极电极的一端为阳极端，伸入储液池内、且发生还原反应的双极电极的一端为阴极端。本发明的双极电极2包括由铂丝、金丝、合金、石墨、碳纤维或玻璃管拉制而成的外壁裹覆有金属薄层的纺锤形电极，该纺锤形电极除其两端外还包覆有绝缘层。本发明中的双极电极的阳极端和阴极端长度相同，驱动电极5与双极电极的阳极端在微型暗室1中形成一双电极电解体系。在上述微型暗室1的下方还设有用于储存检测物并发生氧化还原反应的储液池3，储液池3和电信号施加单元4的正极之间连接有驱动电极5，该驱动电极5与从微型暗室底部伸入储液池中的双极电极2的阴极端在储液池3中形成一双电极电解体系。通过双极电极2使得两个双电极电解体系串联耦合，产生相应的电化学发光信号响应。该分析装置将分别放置的检测物和信号分子(电致化学反应试剂)联系起来，避免了检测物和反应试剂混合所带来的污染，施加电压后储液池内为阴极，其发生还原反应，而微型暗室内发生氧化反应，即储液池内的氧化还原反应以电子形式传递至微型暗室内，并产生相应的光信号，即可实现相应的电化学发光信号相应，极大的提高了检测的灵敏度和可靠性。
上述微型暗室1还具有微型暗室采光窗口，该微型暗室采光窗口上还连接有用于采集微型暗室中双极电极2上产生的光信号的信号采集单元6。该微型暗室1为光电倍增管，可将微弱光信号转换成电信号。
本发明中所采集到的光信号需经过信号放大处理单元7，先将光电倍增管输出的纳安级弱电流信号转化为电压信号，再经运算放大器进行放大并将其转换为数字信号再外接移动终端(如手机、电脑、iPad等)将数据输出。
实施例1
本发明方法在实施过程中使用的试剂包括：30％过氧化氢溶液，0.01M磷酸盐缓冲液(PBS，pH 7.4)，反应试剂为1.0mM的联吡啶钌(Ru(bpy)32+)与5.0mM的三正丙胺(TPA)混合溶液。使用的装置包括一套基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置。
利用本装置在光亮环境中，可以实现对不同浓度过氧化氢溶液的快速检测。
本方法的具体实施流程如下：
步骤1：系列浓度过氧化氢的配制
用0.01M PBS溶液将原浓度过氧化氢逐级稀释为10-3M、10-4M、10-5M、10-6M、10-7M和10-8M的过氧化氢溶液。
步骤2：不同浓度过氧化氢ECL信号的检测
在储液池中加入0.01M PBS溶液，并将正极驱动电极和双极电极检测端置于溶液中。通过电信号施加单元在驱动电极上施加外加电压，方法采用循环伏安法(CV)，电压范围为0.2-2.4V，扫描速度为0.1V/s。同时，打开信号采集单元，采集ECL信号并记录下稳定后的ECL信号，该信号即背景信号。按照上述方法依次对10-8M至10-3M过氧化氢溶液进行检测，记录下不同浓度过氧化氢溶液下的稳定ECL信号，从而获得ECL信号-H2O2浓度关系图，发现ECL信号强度与双氧水浓度的对数值呈线性关系。
实施例2：
本发明方法在实施过程中使用的试剂包括：葡萄糖，葡萄糖氧化酶溶液，0.01M磷酸盐缓冲液(PBS，pH7.4)，反应试剂为1.0mM的联吡啶钌(Ru(bpy)32+)与5.0mM的三正丙胺(TPA)混合溶液。使用的装置包括一套基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置。
利用本装置在光亮环境中，可以实现对不同浓度葡萄糖溶液的原位快速检测。
本方法的具体实施流程如下：
步骤1：系列浓度葡萄糖的配制
用0.01M PBS作为溶剂配制10-3M、10-4M、10-5M、10-6M、10-7M和10-8M的葡萄糖溶液。
步骤2：不同浓度葡萄糖溶液ECL信号的检测
在储液池中加入2.0mL 0.01M PBS溶液，并在溶液中加入20 L葡萄糖氧化酶溶液,将正极驱动电极和双极电极检测端置于溶液中。通过电信号施加单元在驱动电极上施加外加电压，方法采用循环伏安法(CV)，电压范围为0.2-2.4V，扫描速度为0.1V/s。同时，打开信号采集单元，采集ECL信号并记录下稳定后的ECL信号，该信号即背景信号。按照上述方法，依次对10-8M至10-3M葡萄糖溶液进行检测，记录下不同浓度葡萄糖溶液的稳定ECL信号，从而获得ECL信号-葡萄糖浓度关系图，发现ECL信号强度与葡萄糖浓度的对数值呈线性关系。

Claims (3)

1.一种基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置，其特征在于：包括用于储存反应试剂并发生反应的微型暗室(1)和用于储存检测物并发生氧化还原反应的储液池(3)，所述微型暗室(1)和储液池(3)之间分别设有双极电极(2)和电信号施加单元(4)，其中所述双极电极(2)的一端封装在微型暗室(1)底部内腔、另一端伸入储液池(3)内，同时所述电信号施加单元(4)的正极通过一驱动电极(5)伸入储液池(3)内，负极通过一驱动电极(5)与微型暗室(1)顶部相连；所述微型暗室(1)为表面氧化发黑的中空状结构，该微型暗室(1)的两端由带微孔的密封塞密封；所述双极电极(2)包括由铂丝、金丝、合金、石墨、碳纤维或玻璃管拉制而成的外壁裹覆有金属薄层的纺锤形电极，该纺锤形电极除其两端外还包覆有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置，其特征在于：所述微型暗室(1)上还连接有用于采集微型暗室中产生的光信号的信号采集单元(6)。
3.根据权利要求2所述的基于电致化学发光技术和双极电极构造的分析装置，其特征在于：还包括将采集的光信号进行放大并转换为数字信号的信号放大处理单元(7)，该信号放大处理单元(7)的一端与信号采集单元(6)相连，另一端外接移动终端并输出数据。
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