CN109283234A - 一种去干扰纸基电化学传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去干扰纸基电化学传感器及其测试方法，属于电化学传感器领域。该电化学传感器包括纸基底层和测量电极系统；所述纸基底层由处于同一水平面的亲水层与疏水层组成，亲水层一端与纸基底层一侧平齐作为流道入口，亲水层其余侧边均被疏水层包围，构成导流沟道；所述导流沟道中具有去干扰段和测量段，且去干扰段在导流沟道中位于靠近所述流道入口的上游；所述的测量电极系统设置于纸基底层表面，测量电极系统中包括工作电极与参比电极，工作电极与参比电极的电极检测端均位于导流沟道的测量段中，引出端均位于纸基底层的侧边缘。本发明具有干扰物充分反应消除，测量准确，加工简单，成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明属于电化学传感器领域，具体涉及一种去干扰纸基电化学传感器及其测试方法。
背景技术
电化学传感器常被应用于液体样品中目标分析物浓度的测定，其中基于酶生物分子的电化学生物传感器是应用最为广泛的电化学传感器之一。已商品化的血糖、血酮、血脂和血肌酐电化学试片都属于该类传感器。这些电化学传感器大多以PET、PVC、陶瓷为基底，其工作电极上往往修饰有特异性催化的催化剂，通过检测目标分析物在催化剂下产生的氧化或还原电流来实现对目标分析物的定量检测。
然而在液体样品中往往含有目标分析物以外的化学物质，比如血液样品中的扑热息痛、抗坏血酸、胆红素、多巴胺、龙胆酸、左旋多巴、尿酸等，该类化学物质也会在工作电极上发生氧化或还原反应，影响目标分析物的电流响应，从而影响电化学试片的测量精度。因此，降低或去除干扰物，提高电化学传感器的去干扰能力，对提高电化学传感器的测量准确度具有重要意义。
目前，降低或消除干扰物的方法主要有以下几种：(1)在工作电极表面覆盖一层带负电高分子薄膜(如Nafion)，利用静电排斥原理阻碍各种带负电的干扰物(如抗坏血酸和尿酸)到达电极表面；(2)在工作电极表面修饰一层尺寸选择薄膜，利用薄膜的尺寸选择效应排除部分大分子量的干扰物在工作电极发生电化学反应；(3)在工作电极表面修饰与主要干扰物对应的酶，利用酶促反应去除干扰物，防止干扰物在工作电极上发生电化学反应；(4)采用具有低氧化还原电位的电子介体，降低施加在工作电极的工作电压，降低干扰物在电极上的电化学反应；(5)在电化学传感器中增加第二工作电极，将第二工作电极上测得的干扰电流从工作电极的电流信号中扣除，消除干扰。尽管上述这些方法在电化学传感器的干扰消除上具有一定的作用，但存在单一方法只能消除小部分干扰物、工作电极覆膜偏厚影响电子传递、电极加工工艺复杂等缺点。因此，发展新的具有广泛抗干扰能力且性能优良的电化学传感器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种去干扰纸基电化学传感器及其测试方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种去干扰纸基电化学传感器，其包括纸基底层和测量电极系统；所述纸基底层由处于同一水平面的亲水层与疏水层组成，亲水层一端与纸基底层一侧平齐作为流道入口，亲水层其余侧边均被疏水层包围，构成导流沟道；所述导流沟道中具有去干扰段和测量段，且去干扰段在导流沟道中位于靠近所述流道入口的上游；所述的测量电极系统设置于纸基底层表面，测量电极系统中包括工作电极与参比电极，工作电极与参比电极的电极检测端均位于导流沟道的测量段中，引出端均位于纸基底层的侧边缘。
进一步地，所述的去干扰段中设有第一试剂滴加区域，所述测量段的工作电极附近设有第二试剂滴加区域。
更进一步地，去干扰段上的第一试剂滴加区域具有多个，且顺着导流沟道沿程间隔布设。
进一步地，所述的测量电极系统为三电极体系，其中还设有辅助电极，辅助电极的检测端也位于导流沟道的测量段中，引出端也设置于纸基底层的侧边缘。
进一步地，所述的所述纸基底层的材料为滤纸、层析纸、PVDF膜、NC膜、吸墨纸和Kleenex纸巾中的一种或多种。
进一步地，所述的测量电极系统中电极材料为碳浆、Ag/AgCl、掺杂石墨烯的碳浆、碳纳米管或普鲁士蓝。
进一步地，所述的测量电极系统中各电极的引出端均连接电化学检测仪。
进一步地，所述疏水层通过在纸基底层上采用光刻法、蜡印法、喷墨法、PDMS绘图法中的一种或多种实现；亲水层通过在纸基底层上采用等离子亲水处理实现。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述电化学传感器对待测样品液进行测试的方法，其步骤如下：
在测试前，将能够与待测样品液中的待去除目标干扰物质反应但不与待检测目标物质反应的第一生物化学试剂，滴加至第一试剂滴加区域，使第一生物化学试剂渗入亲水层中，覆盖导流沟道的一个或多个断面；将能与待测样品液中的待检测目标物质反应的第二生物化学试剂滴加至第二试剂滴加区域中，对工作电极进行修饰；
然后将待测样品液滴加至所述的流道入口中，使待测样品液沿导流沟道不断扩散到达去干扰段的第一试剂滴加区域，待测样品液中的目标干扰物质与第一生物化学试剂发生反应被去除；待测样品液继续沿导流沟道扩散至测量段的第二试剂滴加区域，待测样品液中的待检测目标物质与第二生物化学试剂反应并产生反应产物；对所述测量电极系统施加电位，反应产物在工作电极上发生电化学反应，记录工作电极上的电流，利用该电流计算得到待测样品液的目标物质浓度。
进一步地，所述的第一生物化学试剂和第二生物化学试剂均选择葡萄糖氧化酶、变旋酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶、磷脂酶、氨基酸酶、辣根过氧化物酶、β-羟丁酸脱氢酶、抗坏血酸酶、普鲁士蓝、二茂铁衍生物中的一种或多种，且第一生物化学试剂和第二生物化学试剂不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将能够与待测样品液中的待去除目标干扰物质反应但不与待检测目标物质反应的第一生物化学试剂设置在导流沟道内，而不是直接修饰在工作电极上。在测试时，待测样品液在导流沟道内流动，其中的干扰物能够与去干扰区的第一生物化学试剂充分接触反应，当待测样品液流动至测量区时，其中的干扰物基本被消耗殆尽，待测样品液中目标物再发生反应。因而本发明无需添加低氧化还原电位的电子介体，无需设置第二工作电极，具有干扰物充分反应消除，测量准确、加工工艺简洁等优点。
(2)本发明将第一生物化学试剂与测量区分开，而不是直接与第二生物化学试剂共同修饰在工作电极上。如此，使得待测样品液中的干扰物与目标物分区域发生反应，可以减小工作电极上的覆膜厚度，排除第一生物化学试剂对工作电极的影响，也排除第一生物化学试剂对第二生物化学试剂的影响。因而具有电子传递迅速、测量准确的优点。
(3)本发明采用的电极基底为纸基。以纸为基底，利用了纸张吸水、易得、廉价等优点，因此所发明的去干扰纸基电化学传感器不需要特殊的亲水处理，具有加工简单，成本低廉、有利于工业化批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明去干扰纸基电化学传感器的一种实施方式的结构俯视图；
图2为本发明去干扰纸基电化学传感器的一种实施方式的结构侧视图；
图中：纸基底层100、电极层200、疏水层101、亲水层102、导流沟道103、去干扰段104、测量段105、第一试剂滴加区域106、第二试剂滴加区域107、工作电极201、参比电极202、辅助电极203。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，作为一种实施方式，本发明的去干扰纸基电化学传感器主要包括纸基底层100和测量电极系统200。
纸基底层100是纸基电化学传感器的主体，它由处于同一平面上的疏水层101和亲水层102组成。亲水层102一端与纸基底层100一侧边缘平齐作为流道入口，亲水层102其余侧边均被疏水层101包围，构成导流沟道103。当待测样品液滴加至亲水层102端部的流道入口时，由于亲水层102具有亲水性，而其周边的疏水层101具有疏水性，因此样品液会以亲水层102作为导流沟道103从流道入口开始向另一端扩散，形成液体流动。在本实施例中，纸基底层100的材料可以是滤纸、层析纸、PVDF膜、NC膜、吸墨纸和Kleenex纸巾中的一种或多种。而疏水层101可以在纸基底层100基础上通过光刻法、蜡印法、喷墨法、PDMS绘图法中的一种或多种实现，使得纸片具有疏水性。同理亲水层也可以通过对纸基底层100进行等离子亲水处理实现，使试剂流动更为均匀。当然假如纸基底层100本身具有亲水性，也可无需进行亲水处理。
导流沟道103中沿程进行功能分区，其中设有一段去干扰段104和一段测量段105。去干扰段104和测量段105本身均是由亲水层102所形成的导流沟道103中的一段，但由于其他处理不同导致其功能也出现差异。去干扰段104的作用主要是对待测样品液中的目标干扰物质进行去除，而测量段105的作用是通过电化学检测获得与待测样品液中待检测的目标物质正相关的电流信号。因此，在位置布局上，去干扰段104在导流沟道103中应当位于靠近流道入口的上游，即待测样品液从流道入口进入后，先经过去干扰段104在流至测量段105。
测量段105中的电化学检测需要依靠测量电极系统200实现。在本实施例中，测量电极系统200是将电极材料通过丝网印刷或喷墨打印的方式印刷在纸基底层100表面上的，测量电极系统200中电极材料为碳浆、Ag/AgCl、掺杂石墨烯的碳浆、碳纳米管、普鲁士蓝中的一种或多种，可根据需要进行选择。当然也可以采用其他的电极铺设方式，只要能够将测量电极系统200设置于纸基底层100表面即可。测量电极系统200可以采用具有工作电极201和参考电极202的两电极体系，但在本实施例中，为了提高工作电极201和参考电极202之间的电压稳定性，测量电极系统200中还增加了辅助电极203。工作电极201、参比电极202、辅助电极203的电极检测端均位于导流沟道103的测量段105中，底面紧贴在亲水层102上表面上，能够与其中的待检测物质接触发生电化学反应。工作电极201、参比电极202、辅助电极203的电极引出端均位于纸基底层100的侧边缘，以方便引线。在使用时，测量电极系统200中各电极的引出端均连接电化学检测仪，用于对电极施加电位。
在本发明中，去干扰段104是独立设置在测量段105上游的，两者之间不重合。其中去干扰段104中干扰物去除功能，是利用生物化学试剂对纸基进行修饰所产生的。在去干扰段104中设有第一试剂滴加区域106，利用本发明进行检测前，每个区域中可以滴加与待测样品液中的待去除目标干扰物质反应但不与待检测目标物质反应的生物化学试剂，记为第一生物化学试剂。由于亲水层具有吸水性，因此试剂滴加后会向周向扩散，横向跨度覆盖整条导流沟道103宽度，竖向渗透至亲水层底部，因此实际上最终对该滴加位置的导流沟道103的整个断面进行了修饰。当待测样品液扩散至该区域时，其中的干扰物质可以与第一生物化学试剂反应，但待检测目标物质却不会反应，使得干扰物质在去干扰段104基本消耗完毕，不含干扰物质的待检测目标物质即可进入后续的测量段105中。去干扰段104中的第一试剂滴加区域106可以根据需要设置一个或多个。当第一试剂滴加区域106有多个时，可顺着导流沟道103沿程间隔布设，不同区域中滴加的试剂可以是相同的，相同的试剂能够重复多次对干扰物进行去除，尽可能减少干扰物进入后续的测量段105中。当然，如果待测样品液中含有多种干扰物时，也可以在不同的第一试剂滴加区域106滴加不同的试剂，分别对不同的干扰物进行反应消耗，但不同的试剂均需保证不能与待检测物质发生反应。同理，测量段105的工作电极201上或者附近位置也可以设有第二试剂滴加区域107，利用本发明进行检测前，第二试剂滴加区域107中可以滴加与待测样品液中待检测的目标物质反应的生物化学试剂，记为第二生物化学试剂。第二试剂滴加区域107大小不限，只要在滴加试剂后扩散的试剂能够与工作电极接触发生电化学反应即可。
上述去干扰纸基电化学传感器可批量预制，生物化学试剂可以选择使用时再自行滴加。传感器预制时，仅需在导流沟道103的相应位置预留第一试剂滴加区域106和第二试剂滴加区域107即可。不同的区域可以通过划线、颜色区分、标注等标记方式，方便用户根据检测要求滴加相应的试剂；当然用户本身具有辨识能力时，仅需留有空白位置即可，由用户自行设计滴加位置。当然，第一生物化学试剂和第二生物化学试剂可以直接预制在纸基试片上，这样在使用时就无需再额外滴加，对纸基或电极进行修饰。具体做法可根据实际进行调整。
在本发明中，根据目标分析物的不同，第一生物化学试剂和第二生物化学试剂不相同，但都可以为葡萄糖氧化酶、变旋酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶、磷脂酶、氨基酸酶、辣根过氧化物酶、β-羟丁酸脱氢酶、抗坏血酸酶、普鲁士蓝、二茂铁衍生物等试剂中的一种或多种。具体需要根据检测的目标物质和干扰物质不同，由用户按需选择；如需预制则需要分别针对不同的检测对象和干扰物组合预制多种检测器类别。第一生物化学试剂可以作为反应物与待测样品液中的干扰物发生反应而产生反应产物，也可以作为催化剂催化待测样品液中的干扰物发生反应而产生反应产物。第二生物化学试剂可以作为反应物与待测样品液中的目标物发生反应而产生反应产物，也可以作为催化剂与催化待测样品液中的目标物发生反应而产生反应产物。
下面以没有预制生物化学试剂的去干扰纸基电化学传感器为例，阐述基于此类纸基电化学传感器对待测样品液进行测试的方法，其步骤如下：
在测试前，将能够与待测样品液中的待去除目标干扰物质反应但不与待检测目标物质反应的第一生物化学试剂，滴加至第一试剂滴加区域106，使第一生物化学试剂渗入亲水层102中，覆盖导流沟道103的一个或多个断面；将能与待测样品液中的待检测目标物质反应的第二生物化学试剂滴加至第二试剂滴加区域107中，对工作电极201进行修饰；
然后将待测样品液滴加至亲水层末端的流道入口中，使待测样品液沿导流沟道103不断扩散到达去干扰段104的第一试剂滴加区域106，待测样品液中的目标干扰物质与第一生物化学试剂发生反应被去除；待测样品液继续沿导流沟道103扩散至测量段105的第二试剂滴加区域107，待测样品液中的待检测目标物质与第二生物化学试剂反应并产生反应产物。利用电化学检测仪对测量电极系统200施加一定的电位，使待检测目标物质与第二生物化学试剂反应产生的反应产物在工作电极201上发生电化学反应，记录工作电极201上的电流，利用该电流计算得到待测样品液的目标物质浓度。
作为本实施方式的一个实例，其目标分析物为尿酸，第一试剂滴加区域106的第一生物化学试剂为抗坏血酸氧化酶，第二试剂滴加区域107的第二生物化学试剂为尿酸氧化酶，待测样品液为抗坏血酸和尿酸混合溶液，其中尿酸为目标检测物。在测试时，混合溶液从导流沟道103入口进入，流经去干扰段104，混合溶液中的抗坏血酸与抗坏血酸酶充分接触反应，随着混合溶液在导流沟道103内的流动，抗坏血酸被逐渐消耗。当混合溶液流动到测量段105时，混合溶液中已经不包含抗坏血酸，此时混合溶液中的尿酸与测量区的尿酸氧化酶发生反应产生产物，该产物在测量区施加的电位下发生电化学反应产生电化学电流。如此产生的电化学电流只与目标物尿酸的浓度成正相关，达到了去除干扰的目的。根据电流与尿酸浓度的相关关系即可计算得到待测样品液的尿酸浓度。
需要指出的是，假如待测样品液中的待检测目标物质本身具有氧化还原活性，那么第二试剂滴加区域107中可以不用添加第二生物化学试剂，工作电极201可以直接检测电流。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，疏水层101和亲水层102也可以以其他方式实现，例如采用现有疏水材料和亲水材料拼接，或者在基底层上方铺疏水材料层和亲水材料层，只要能够保证待检测液体沿着亲水层流动即可。另外，测量电极系统必要时也可仅采用两电极体系。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，包括纸基底层(100)和测量电极系统(200)；所述纸基底层(100)由处于同一水平面的亲水层(102)与疏水层(101)组成，亲水层(102)一端与纸基底层(100)一侧平齐作为流道入口，亲水层(102)其余侧边均被疏水层(101)包围，构成导流沟道(103)；所述导流沟道(103)中具有去干扰段(104)和测量段(105)，且去干扰段(104)在导流沟道(103)中位于靠近所述流道入口的上游；所述的测量电极系统(200)设置于纸基底层(100)表面，测量电极系统(200)中包括工作电极(201)与参比电极(202)，工作电极(201)与参比电极(202)的电极检测端均位于导流沟道(103)的测量段(105)中，引出端均位于纸基底层(100)的侧边缘。
2.如权利要求1所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，所述的去干扰段(104)中设有第一试剂滴加区域(106)，所述测量段(105)的工作电极(201)附近设有第二试剂滴加区域(107)；优选的，所述的第一试剂滴加区域(106)中具有能够与待测样品液中的待去除目标干扰物质反应但不与待检测目标物质反应的第一生物化学试剂。
3.如权利要求2所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，去干扰段(104)上的第一试剂滴加区域(106)具有多个，且顺着导流沟道(103)沿程间隔布设。
4.如权利要求1所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，所述的测量电极系统(200)为三电极体系，其中还设有辅助电极(203)，辅助电极(203)的检测端也位于导流沟道(103)的测量段(105)中，引出端也设置于纸基底层(100)的侧边缘。
5.如权利要求1所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，所述的所述纸基底层(100)的材料为滤纸、层析纸、PVDF膜、NC膜、吸墨纸和Kleenex纸巾中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，所述的测量电极系统(200)中电极材料为碳浆、Ag/AgCl、掺杂石墨烯的碳浆、碳纳米管或普鲁士蓝。
7.如权利要求1所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，所述的测量电极系统(200)中各电极的引出端均连接电化学检测仪。
8.如权利要求1所述的去干扰纸基电化学传感器，其特征在于，所述疏水层(101)通过在纸基底层(100)上采用光刻法、蜡印法、喷墨法、PDMS绘图法中的一种或多种实现；亲水层(102)通过在纸基底层(100)上采用等离子亲水处理实现。
9.一种利用如权利要求1所述电化学传感器对待测样品液进行测试的方法，其特征在于，步骤如下：
在测试前，将能够与待测样品液中的待去除目标干扰物质反应但不与待检测目标物质反应的第一生物化学试剂，滴加至第一试剂滴加区域(106)，使第一生物化学试剂渗入亲水层(102)中，覆盖导流沟道(103)的一个或多个断面；将能与待测样品液中的待检测目标物质反应的第二生物化学试剂滴加至第二试剂滴加区域(107)中，对工作电极(201)进行修饰；
然后将待测样品液滴加至所述的流道入口中，使待测样品液沿导流沟道(103)不断扩散到达去干扰段(104)的第一试剂滴加区域(106)，待测样品液中的目标干扰物质与第一生物化学试剂发生反应被去除；待测样品液继续沿导流沟道(103)扩散至测量段(105)的第二试剂滴加区域(107)，待测样品液中的待检测目标物质与第二生物化学试剂反应并产生反应产物；对所述测量电极系统(200)施加电位，反应产物在工作电极(201)上发生电化学反应，记录工作电极(201)上的电流，利用该电流计算得到待测样品液的目标物质浓度。
10.如权利要求9所述的对待测样品液进行测试的方法，其特征在于，所述的第一生物化学试剂和第二生物化学试剂均选择葡萄糖氧化酶、变旋酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶、磷脂酶、氨基酸酶、辣根过氧化物酶、β-羟丁酸脱氢酶、抗坏血酸酶、普鲁士蓝、二茂铁衍生物中的一种或多种，且第一生物化学试剂和第二生物化学试剂不同。
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