CN106419851A - 电化学检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电化学检测系统，包括：自参考微电极阵列，包括多个检测位点，配置为用于植入待检测部位，在同一个检测位点同时获取参考信号和电化学反应信号；电化学检测仪，连接所述自参考微电极阵列，用于同时检测多个检测位点的化学物质浓度变化，并输出数据。本发明可以解决神经科学研究中难以长时间连续检测脑内痕量神经递质快速释放的问题，为神经科学研究提供一种新的研究工具和手段。

Description

电化学检测系统
技术领域
本发明涉及电化学行业信号检测领域，尤其涉及一种电化学检测系统。
背景技术
神经递质是一类在神经元化学突触间产生信号转导的特定化学物质，其于神经元内合成后，由突触前膜释放并立即与相应的突触后膜受体结合，以完成神经信息传递功能。神经递质与人类健康密切相关，而且在学习、记忆、神经元的可塑性、躯体运动以及大脑发育等机体生理功能的调节方面发挥重要作用。因此，开展活体脑内神经递质释放检测研究，对理解大脑运行机理、研究脑部疾病病因机制、药物治疗以及临床基础研究等方面均具有重要的意义。
然而，由于神经递质通过突触前膜囊泡释放完成信息传递功能的过程中，释放的神经递质微量乃至痕量，并且，神经递质囊泡释放非常快速，通常是ms级，加之活体脑内检测环境复杂，基线电流大，现有神经递质检测技术还无法满足对活体神经递质释放进行长时间连续检测的需求。如图1所示为目前应用最广泛的活体神经递质检测技术。图1(a)显示了电化学快速扫描循环伏安法的扫描检测原理，即在一个大于100V/s的扫速下，周期性地在电极上施加三角波电压，同时每个周期都在被检测物质的氧化电位上测量电流。作为一种可用于在线检测脑内化学物质的电化学扫描技术，它的突出优点是对被检测物有富集作用，可以提高检测电流的大小，并且能够将检测速度提高到亚秒级。然而，由于快速扫描循环伏安法的背景电流偏移，使其还不能用于长时间连续监测被测物的浓度变化，更为重要的是，基于现有的各种电化学分析设备，该方法的检测时间分辨率也还无法达到ms量级。图1(b)显示了微透析取样电化学分析法的工作示意图，它的原理就是将透析探针植入感兴趣的脑区，用泵将灌注液泵入小分子能在其中交换的透析膜中，而后将透析液移出到体外电化学分析设备中进行分析。这种方法具有很好的化学分辨性，可实现多种组分的连续检测。然而，由于受限于透析膜的扩散速度，微透析检测分析时间分辨率在min量级，还无法用于ms量级的神经递质囊泡释放事件的在线检测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种电化学检测系统，为神经科学研究提供一种新的研究工具和手段。
(二)技术方案
本发明提供一种电化学检测系统，包括：
自参考微电极阵列，包括多个检测位点，配置为植入待检测部位，在同一个检测位点同时获取参考信号和电化学反应信号；
电化学检测仪，连接所述自参考微电极阵列，用于同时检测多个检测位点的化学物质浓度变化，并输出数据。
进一步的，所述自参考微电极阵列，每个检测位点都由两个临近的对称的电极组成，其中，一个为参考电极，检测环境电流，另一个为工作电极，检测工作电流，所述对称的电极的差值构成电化学反应电流，实现自参考检测。
进一步的，所述电化学检测仪，包括：电流检测单元，连接自参考微电极阵列的参考电极和工作电极，用于检测电化学反应电流；双电压恒电位调理输出单元，连接电化学参比电极和对电极，用于输出自参考微电极阵列的参考电极和工作电极所需的工作电位。
进一步的，所述电流检测单元，利用自参考检测技术，同时对参考电极和工作电极输入的电流信号进行电流电压转换。
进一步的，所述电流检测单元，利用多级放大技术，分别在电流电压转换级、差分放大级等各级对信号进行放大。
进一步的，所述电流检测单元，利用高频补偿技术，补偿电流电压转换部分反馈电阻对信号带宽的限制。
进一步的，所述双电压恒电位调理输出单元，对输入的电压波形进行调理，为电化学反应提供恒电位仪，并实现共用参比电极和对电极的功能，同时将参考电位和工作电位分别施加到参考电极和工作电极。
进一步的，系统还包括：多通道电化学处理器，通过USB接口与电化学检测仪进行数据通信，用于接收所述数据，进行人机交互、电化学参数设置以及多通道电化学数据同步处理、显示和/或分析功能。
进一步的，电化学检测仪还包括：数据采集单元，用于采集电流检测单元输出的信号，同时采集双电压恒电位调理输出单元施加的电位；电压生成单元，用于生成电化学反应所需的电压波形；中央控制单元，与仪器的各个部分相连，用于完成协调控制多通道同步检测及检测数据的预处理等功能，并完成与多通道电化学软件的数据通信；供电电源，与仪器的各个部分相连，用于为整个仪器提供稳定的低噪声直流电源。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本发明电化学检测系统具有以下有益效果：
(1)本发明电化学检测系统所包含的电流检测单元，利用自参考检测、多级放大、高频补偿等技术，能够实现在高精度条件下，同时高速度检测电化学反应产生的电流，能解决活体痕量神经递质快速释放检测时，面临的高精度检测时难以实现快速检测的问题；
(2)本发明电化学检测系统所包含的自参考微电极阵列，结合电流检测单元的自参考检测技术，能够在信号检测的源头通过自参考的方式尽量消除检测环境的基线电流的影响，并且能适应基线电流的波动，实现高精度获取痕量神经递质，同时解决活体神经递质释放难以实现长时间连续检测问题。
附图说明
图1(a)和1(b)分别为现有常用活体神经递质在线检测技术的微透析取样电化学分析法的工作示意图和微透析取样电化学分析法的工作示意图；
图2为本发明实施例电化学检测系统示意图；
图3为本发明实施例电化学检测系统中电流检测单元和双电压恒电位调理输出单元结构示意图；
图4为本发明实施例电化学检测系统中自参考微电极阵列的制备流程图；
图5为本发明实施例电化学检测系统中自参考微电极阵列的修饰方案图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种电化学检测系统。图2为本发明实施例电化学检测系统示意图。如图2所示，本实施例电化学检测系统，由检测电极、检测仪器和包含上位机软件的处理器组成，包括：自参考微电极阵列、电化学检测仪和含多通道电化学软件的处理器。其中，自参考微电极阵列，植入待测部位，能在同一个检测位点同时获取参考信号和电化学反应信号，并将检测的信号传输给电化学检测仪；电化学检测仪，由电流检测单元、双电压恒电位调理输出单元、高速数据采集单元、精密电压生成单元、中央控制单元和精密供电电源等组成，能同时检测多个位点的化学物质浓度变化；多通道电化学软件，用于完成人机交互、电化学参数设置以及多通道电化学数据同步处理、显示、分析等功能。以下分别对各个组成部分进行详细说明。
本发明实施例电化学检测系统中电化学检测仪的结构如图2所示，采用多通道设计。其中，高速数据采集单元，由中央控制单元控制，同步采集4个电化学检测通道输出的信号，并同时采集双电压恒电位调理输出单元施加的电位；精密电压生成单元，由中央控制单元控制，同时为4个电化学检测通道独立地提供电化学反应所需的精密电压波形；中央控制单元，是整个仪器的中枢，与仪器的各个部分相连，完成对多通道的协调控制、同步及检测数据的预处理等功能，并实现与多通道电化学软件的数据通信；精密供电电源，为整个仪器提供稳定的低噪声直流电源，特别地，该精密供电电源采用多级供电技术，将模拟电源和数字电源分开，并单独为电流检测单元提供精密的低噪声电源。
本发明实施例电化学检测系统中，电化学检测仪含有4个独立的电化学通道，可用于同时检测4种神经递质的释放或同时在4个位点进行检测。如图3所示，单个电化学通道包含电流检测单元和双电压恒电位调理输出单元。电化学通道检测电路采用三电极体系。传统的三电极电化学体系包括参比电极、对电极和工作电极，特别地，本实施例为了实现自参考检测，增加了参考电极。需要说明的是，该检测仪器的4个独立的电化学通道是通常的设置，不构成对本发明的限制。
如图3所示，电流检测单元由电流电压转换(I-V转换器)、差分放大、高频补偿、二级放大滤波、可调增益放大器、输出滤波器等组成。利用自参考检测技术，两个相同的I-V转换器同时对参考电极和工作电极输入的电流信号进行电流电压转换，这样能减小检测环境基线电流本身及其波动对电流检测产生的影响，提高电化学电流检测精度和长时间连续检测的稳定性。利用多级放大和高频补偿技术，输入的信号分别在电流电压转换级、差分放大级、二级放大滤波级和可调增益放大级进行放大，并经过高频补偿和信号滤波去除噪声后输出到高速数据采集单元。其中，需要说明的是，在高精度电化学检测时，对检测速度造成影响最大的是I-V转换器所用的大反馈电阻及其寄生电容构成的RC低通滤波器；为了提高检测速度，本发明采取的策略是减小反馈电阻的大小，而在I-V转换器之后的各放大级补偿反馈电阻减小造成的放大倍数降低，并通过高频补偿技术补偿I-V转换器对信号带宽限制，以最终实现在高精度条件下进行高速电化学检测。本实施例中，为了获得更好的性能，I-V转换器所用的运放选用的是National semiconductor公司的超低输入电流(25fA)和超低电流噪声( @1kHz)运放LMC6001A，并且，在电路设计时，依据电磁兼容原理，对电化学电流输入引脚和反馈电阻进行了精细的干扰防护处理。本实施例中电流检测单元能实现的电流检测精度为pA级，检测时间精度达0.03ms，完全能满足活体脑内痕量神经递质快速释放(ms量级)的检测需求。
如图3所示，双电压恒电位调理输出单元分别对精密电压生成单元生成的工作电位和参考电位通过缓冲器和滤波器进行调理，再经过双电压关联运算，最后通过恒电位器输出电位到参比电极上。发生电化学反应时，所需的电位为发生反应的电极相对参比电极的电位，因此，双电压恒电位调理输出单元通过双电压关联部分调节参考电极的相对电位，可实现独立调节工作电极和参考电极上施加的反应电位。另外，通过配置I-V转换的偏置电位，可以进一步调整工作电极和参考电极基线电流的失衡，保证自参考功能的完全实现。本实施例中，将施加到参比电极的电位输入高速数据采集单元，以提高在软件用户界面所作的电流-电压图的准确性。
本发明实施例中电化学检测系统中，含多通道电化学软件的处理器通过USB接口与电化学检测仪进行数据通信，能够同步处理、显示、分析4通道的电化学检测数据，具备人机交互、电化学参数设置等功能。该软件设置有计时电流法(I-T)、循环伏安法(CV)、快速循环伏安法(FSCV)、差分脉冲伏安法(DPV)等多种电化学检测方法，并且用户能根据需求，编辑生成所需的电化学检测方法。需要说明的是，该软件的4个电化学通道也是通常的设置，不构成对本发明的限制。
本发明实施例电化学检测系统中，自参考微电极阵列如图2所示。拟在同一个微电极阵列上，设计4个检测位点，每个位点都由两个临近的对称的半圆形电极组成，其中，一个为参考电极，检测环境电流，另一个为工作电极，检测工作电流，二者的差值构成电化学反应电流，实现自参考检测。针对高速探测需要降低电极检测电阻和电容的需求，结合神经细胞的尺寸大小，将每个电极的最小直径设计为5μm。
自参考微电极阵列采用如图4所示的MEMS加工工艺制作。为提高电极的生物相容性，选用硅作为基底材料，氮化硅为绝缘材料，铂/金(Pt/Au)等贵金属或其氧化物作为导电材料制备电极。需要说明的是，该自参考微电极阵列的检测位点数、电极尺寸和形状不构成对本发明的限制。
为了实现对神经递质的选择性检测，需要对自参考微电极阵列进行修饰。本发明实施例以检测谷氨酸为例，采用如图5所示的方法对电极进行修饰。采用自参考检测有两种实现消除基线的方案：
其一，对参考电极和工作电极进行完全一样的修饰，只是在检测时，工作电极施加谷氨酸检测所需的氧化电位，而参考电极施加零电位；
其二，对参考电极和工作电极进行有区别的修饰，同时对两个电极施加谷氨酸的氧化电位。
如图5所示：首先，在电极表面超声电镀纳米Pt/Au颗粒；然后，再电化学沉积间苯二胺(mPD)膜；最后，在工作电极上电化学定向沉积谷氨酸氧化酶(GLOD)
——采用方案一时，同时对参考电极沉积GLOD；
——采用方案二时，对参考电极不再修饰GLOD。
需要说明的是，在修饰的过程中，因参考电极和工作电极相隔较近，需严格控制修饰条件，以保证二者不发生短接。
需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：(1)电流检测单元中，I-V转换器所用运放LMC6001A可用性能相当的运放LMP7721来代替；(2)自参考微电极阵列的4个检测位点可以按照需求垂直排列，以检测不同脑区的神经递质释放。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电化学检测系统，其特征在于，包括：
自参考微电极阵列，包括多个检测位点，配置为植入待检测部位，在同一个检测位点同时获取参考信号和电化学反应信号；
电化学检测仪，连接所述自参考微电极阵列，用于同时检测多个检测位点的化学物质浓度变化，并输出数据。
2.根据权利要求1所述的电化学检测系统，其中，所述自参考微电极阵列，每个检测位点都由两个临近的对称的电极组成，其中，一个为参考电极，检测环境电流，另一个为工作电极，检测工作电流，所述对称的电极的差值构成电化学反应电流，实现自参考检测。
3.根据权利要求2所述的电化学检测系统，其中，所述电化学检测仪，包括：
电流检测单元，连接自参考微电极阵列的参考电极和工作电极，用于检测电化学反应电流；
双电压恒电位调理输出单元，连接电化学参比电极和对电极，用于输出自参考微电极阵列的参考电极和工作电极所需的工作电位。
4.根据权利要求3所述的电化学检测系统，其中，所述电流检测单元，利用自参考检测技术，同时对参考电极和工作电极输入的电流信号进行电流电压转换。
5.根据权利要求3所述的电化学检测系统，其中，所述电流检测单元，利用多级放大技术，分别在电流电压转换级、差分放大级等各级对信号进行放大。
6.根据权利要求3所述的电化学检测系统，其中，所述电流检测单元，利用高频补偿技术，补偿电流电压转换部分反馈电阻对信号带宽的限制。
7.根据权利要求3所述的电化学检测系统，其中，所述双电压恒电位调理输出单元，对输入的电压波形进行调理，为电化学反应提供恒电位仪，并实现共用参比电极和对电极的功能，同时将参考电位和工作电位分别施加到参考电极和工作电极。
8.根据权利要求1所述的电化学检测系统，还包括：
多通道电化学处理器，通过USB接口与电化学检测仪进行数据通信，用于接收所述数据，进行人机交互、电化学参数设置以及多通道电化学数据同步处理、显示和/或分析功能。
9.根据权利要求1-8任一所述的电化学检测系统，其中，电化学检测仪还包括：
数据采集单元，用于采集电流检测单元输出的信号，同时采集双电压恒电位调理输出单元施加的电位；
电压生成单元，用于生成电化学反应所需的电压波形；
中央控制单元，与仪器的各个部分相连，用于完成协调控制多通道同步检测及检测数据的预处理等功能，并完成与多通道电化学软件的数据通信；
供电电源，与仪器的各个部分相连，用于为整个仪器提供稳定的低噪声直流电源。
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