CN109342507B

CN109342507B - 基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统及其流动检测分析方法

Info

Publication number: CN109342507B
Application number: CN201811131025.XA
Authority: CN
Inventors: 文韬; 李延斌; 董帅; 王孟龙; 王利军; 韩龙波
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: CN109342507A

Abstract

本发明公开了一种基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统及其流动检测分析方法，检测系统由流通池、电极、液体输送系统和阻抗测量单元组成，流通池为面壁射流型流通池，包括上盖、底座、电极密封套和锁紧机构，电极密封套包括电极密封套上盖、底盘、矩形密封圈和数据输出端口，底盘上设置有与电极尺寸相当的凹槽，矩形密封圈卡在密封套上盖矩形孔内，数据输出端口与电极通过弹簧顶针和连接铜片连接；锁紧机构包括外六角螺栓和蝶型螺母；在锁紧机构作用下，带有电极的电极密封套压合在底座上，通过矩形密封圈将电极和上盖密封，从而流通池上盖、电极和密封圈三者形成密封腔。本发明便于更换多种电极和延长使用寿命。

Description

基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统及其流动检测分析方法

技术领域

本发明涉及生化传感检测应用领域，特别涉及一种基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统及其流动检测分析方法。

背景技术

随着科学技术的日益发展，整个社会对分析科学提出更高的要求，即使用更少的试剂消耗、更简便的检测方法及更快捷的分析效率用以提供实时在线、准确、全方位的信息。由于光刻技术的广泛应用，叉指结构的电极在增强检测信号方面发挥着重要作用。通常裸电极在进行检测时，由于单一的物理作用，其特异性在一定程度上受到限制，而再此条件下引入基于生物免疫结合的电极，使传感检测的特异性有显著提高。传统的免疫传感检测方法大部分停留在静态检测阶段，因此为实现高通量的检测目标和提高检测效率，流通池的流动检测需求显得尤为关键。为最大化避免人工操作误差，以减少试剂消耗和提高检测精度，发展流通池的自动化检测也成为趋势，通常要求装置简单，适用性强，硬件使用寿命长，且易于集成和自动控制。

当前生化分析方法普遍采用大型仪器检测，存在费时、耗材、成本高和难以适应现场检测等问题，且需要专业人员手动操作，操作步骤繁琐，难以保证检测结果一致性和高效性。因此，小型化、快速化、微量化和自动化的生化分析方法是重要的发展趋势，而基于免疫传感的可更新表面检测分析技术正好满足以上发展趋势的需要，是实现分析仪器小型化与检测消耗量微量化的有效方法。电化学检测仪具有响应快速性、装置便捷性、灵敏度高和使用成本低等优点。其中流通池在电化学检测分析仪器中起着至关重要的作用，配合测控技术可以实现高通量的自动化微量流动检测。

公开号为CN103149261A的中国发明专利公开了一种电极流通池及其流通系统，该流通池为壁面射流型流通池，包括上腔、底座、密封电极套、密封电极套托盘和锁紧结构，密封电极套托盘上设置有凹槽；锁紧机构包括凸轮和用于使凸轮旋转的凸轮手柄，凸轮设置在密封电极套托盘的下端；在锁紧机构作用下，带有电极的密封电极套托盘沿底座内孔的凹槽上下移动，从而流通池上腔、电极和密封圈三者形成密封腔。此专利存在以下不足：(1)在此专利中公开的锁紧机构主要结构为凸轮，且设置在密封电极套托盘的下端，该结构造成凸轮在安装固定过程中非常不便，容易出现安装不牢固的问题；(2)此专利中，锁紧机构的凸轮主要依靠线接触的方式和自身具有的自锁特性实现装置锁紧密封，但由于丙烯酸甲酯材料不具有很好的耐磨性，因此使用过程极易出现锁紧效果不佳或者自锁失效；(3)密封电极套所包括的底盘上只设置有与电极尺寸相当的凹槽，由于电极表面光滑易与底盘产生吸附作用，造成电极更换不便或者损坏电极。

目前，微、纳米电极流通池系统普遍存在费时、耗材、成本高、难以适应现场检测、需专业人员操作且步骤繁琐、更换电极困难、电极易损坏、密封可靠性差、检测效果不稳定和效率低等诸多问题，为此，需要提出一种克服上述问题的微、纳米电极流通池系统及其流动检测分析方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统及其流动检测分析方法，易于调节且锁紧效果好，而且还便于电极的更换，操作简便。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统，包括流通池；所述流通池进口、出口分别通过管路与溶液池、废液池连通；所述流通池和溶液池之间设置有液体输送泵组；所述液体输送泵组通过流通池的数据输出端口与测控电路电连接；所述测控电路与计算机电连接；所述计算机与数据采集卡电连接。

所述流通池包括上盖；所述上盖与底座连接；所述上盖上开设有进口和出口；所述底座上设置有凹槽；所述凹槽内设置电极密封套。

所述电极密封套包括底盘；所述底盘上开设有与电极形状尺寸匹配的凹槽，电极密封套上盖盖合在该凹槽上，且所述电极密封套上盖上开设矩形孔，该矩形孔内卡设密封圈，使得所述上盖、电极和密封圈形成密封腔；所述电极通过弹簧顶针与数据输出端口连接。

所述数据采集卡与运算放大模组、阻抗匹配电路连接；所述运算放大模组接多支路选择器；所述多支路选择器接所述液体输送泵组；所述阻抗匹配电路与所述电极连接；所述电极通过声卡接所述计算机。

所述阻抗匹配电路包括激励交流信号发生器，交流激励信号由计算机声卡提供；所述激励交流信号发生器与匹配电阻串联；所述匹配电阻与电极数据输出端口连接；所述匹配电阻接运算放大器的反向输入端；所述匹配电阻接运算放大器的反向输入端还与负反馈电阻一端连接，所述负反馈电阻另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的同相输入端接地；所述运算放大器的输入端接直流开关电源；所述直流开关电源与第一电容、第二电容一端连接；所述第一电容、第二电容另一端均接地；所述运算放大器的输出端接所述数据采集卡。

阻抗匹配电路的输出阻抗Z＝V2/(V1/R1)-R2；其中，V1为激励电压；V2为响应输出电压；R1为负反馈电阻阻值；R2为匹配电阻阻值。

相应地，本发明还提供了一种电极流通池的流动检测分析方法，其包括以下步骤：

1)电极在抗体修饰固定之前，先用50uL的1mol/L的氢氧化钠溶液处理30min并漂洗，接着用50uL的1mol/L的盐酸溶液处理5min并漂洗，最后用氮气干燥电极；

2)将电极在室温下用20mmol/L的巯基十六酸乙醇溶液功能化处理24～48h并漂洗，同时用氮气干燥电极，然后继续在室温下用混合溶液活化处理电极10min并漂洗；

3)将50uL的1mg/mL的链霉亲和素溶液滴在电极表面，在室温下培养40min后漂洗，最后用氮气干燥电极；

4)将50uL的0.8～1mg/mL的生物素化抗体溶液滴在电极表面，在室温下培养30min后漂洗，最后用氮气干燥电极；

5)将修饰后的电极安装到流通池中，将氧化还原探针溶液以300uL/min的流量累积泵送3min，使溶液到达流通池入口后，降低泵送流量为13.6uL/min并持续1min，得到稳定的检测基线；

6)将待测溶液以300uL/min的流量累积泵送3min，使溶液到达流通池入口后，再以最优13.6uL/min的流量累积泵送溶液30min；

7)将氧化还原探针溶液以300uL/min的流量累积泵送3min，使溶液到达流通池入口后，降低泵送流量为13.6uL/min并持续1min，并进行电极阻抗测量；

8)将缓冲溶液以300uL/min的流量累积泵送60min，用以清洗管道中的氧化还原探针溶液。

步骤2)中，所述混合溶液为：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶液。

所述检测泵送流量为13.6uL/min。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明通过由外六角螺栓和蝶型螺母组合的锁紧机构锁紧电极与流通池上盖形成密封腔，微、纳米电极或丝网印刷电极置于电极密封套中构成独立单元，更易于保护和更换电极，同时避免了二次污染。

2、现有技术中，液体流入、流出管道通常沿着基块的水平或者竖直方向，不便于清洗，而本发明中的液体流入、流出管道与电极垂直或与电极表面呈60度，更易于冲洗试剂。

3、现有技术中，检测效果容易受到流通池的影响。而本发明的管路进出口交汇位置设有隔离凸台，该结构便于让检测液处于电极有效检测区域内，并与电极工作表面形成的窄通道可加强液体和电极表面的有效接触，减小液体表面张力对检测结果的影响，以提高检测的准确性。

4、现有技术中，溶液检测分析通常采用人工操作的静态检测方式，其容易造成人工操作误差和检测效率低的问题，而本发明的液体输送系统结合测控单元，能够实现基于免疫传感的电子舌阻抗检测流通池系统的高通量自动化微量流动检测分析方法。

附图说明

图1是本发明流通池的流通系统总体示意图；

图2是本发明流通池的结构原理图；其中，(a)为流通池的总体结构图；(b)为流通池的流道局部图；

图3是本发明流通池中电极密封套的结构原理图；

图4是本发明电极阻抗检测流通池系统原理图；

图5是本发明电极阻抗检测流通池系统测控原理图；

图6是本发明阻抗匹配电路原理图；

图7是本发明交流激励信号产生流程图；

图8是本发明免疫传感检测工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例是一种电极阻抗检测流通池系统，包括流通池、溶液池、废液池、液体输送泵组、测控电路、数据采集卡72和计算机71。流通池进出口通过液体管路分别连接溶液池和废液池，液体输送泵组设于流通池和溶液池之间，测控电路分别于流通池的数据输出端口47和液体输送泵组相连，数据采集卡72与计算机71连接后，再与测控电路连接，以实现流通池的电子舌阻抗检测分析方法。

如图2所示，本实施例是一种电极阻抗检测流通池，为壁面射流型流通池，包括上盖2、底座5、电极密封套4和锁紧机构(包括外六角螺栓6和蝶型螺母1)，上盖2和底座5通过外六角螺栓6和蝶型螺母1锁紧连接，上盖2上设有用于进出液体的连接管，且连接管路与电极表面呈60度，管路进出口初始位置设有倾斜的沉台孔(沉台孔便于及时发现检测液在接口处是否存在泄漏，并可收集一定量泄漏的液体，防止其四处流动，减少清洗工作量和降低危害)，管路进出口交汇位置设有隔离凸台(隔离凸台便于让检测液分布在电极有效检测区域内，同时与电极工作表面形成的窄通道可加强液体和电极表面的有效接触，减小液体表面张力对检测结果的影响，以提高检测的准确性)；底座5上设置有定位固定带有电极的电极密封套4的凹槽和安装O型垫圈3的沉台(沉台用于安装O型垫圈)。

如图3所示，电极密封套包括电极密封套上盖42、底盘44、矩形密封圈41和数据输出端口47，所述底盘44上设置有与电极43尺寸相当的凹槽和配合耳槽，矩形密封圈41卡在密封套上盖42矩形孔内，密封套上盖42矩形孔的边界要大于矩形密封圈41外圈，电极有效区域边界要小于矩形密封圈41内圈，密封圈41的厚度大于密封套上盖42的厚度；数据输出端口47与电极43通过弹簧顶针46和连接铜片45连接，数据输出端口47和连接铜片45通过螺钉48连接。

如图4所示，流通池检测分析方法中信号通道实现过程：通过计算机71连接数据采集卡72，分别控制溶液输送系统和阻抗测量，在进行阻抗测量过程中，虚拟阻抗分析仪并行向流通池内含的电极发出交流激励信号和接受反馈信号。而物理通道实现主要过程：探针溶液、待测溶液和缓冲溶液通过液体输送系统内的微量泵1、微量泵2、微量泵3和输送泵进入流通池，溶液与电极接触并完成检测后，便被回收到废液池中。

如图5所示，测控单元包括测控计算机71，计算机71的输入输出端连接数据采集卡72，通过程序控制数据采集卡72生成电压信号，电压信号经运算放大模组73放大后传至多支路选择器74，经过多支路选择器74判断后，准确实现液体输送泵组75的控制。测控计算机71控制其自带的声卡77发送交流激励信号到电极43，利用电极43反映出由待测液体引起电极电特性的变化，并通过阻抗匹配电路76变送至数据采集卡，将采集的电信号传送给测控计算机71进行存储和显示，并对数据结果进行模式识别分析处理。

如图6所示，阻抗匹配电路76包括电极数据输出端口47、匹配电阻765、负反馈电阻767、运算放大器762、电容763和电容764、激励交流信号发生源761、直流开关电源765。激励交流信号发生源761与匹配电阻765串联，另一端接地；电极数据输出端口47与匹配电阻765连接，另一端与运算放大器762的反向输入端连接；负反馈电阻767与运算放大器762的反向输入端连接，另一端与运算放大器762的输出端连接；运算放大器762的同相输入端接地；直流开关电源765与运算放大器762的输入电压端连接，同时电容763和电容764的一端与直流开关电源765连接，另一端接地，运算放大器762的输出电压端接数据采集卡72。其中激励交流信号发生源761控制计算机声卡实现交流模拟信号输出。

如图7所示，激励交流信号发生源761产生流程有声卡输出配置、功率设置、信号写入和配置复位四个部分。声卡输出配置主要包括设备ID、采样率和采样数等参数输入；功率设置只有功率参数输入；信号写入主要包括波形、幅值和频率等经过波形调制处理的参数输入。功率设置和信号写入两部分共同构成循环结构，用以产生连续交流激励信号。

如图8所示，一种基于上述电极流通池的流动检测分析方法，包括下列步骤：

S1.在进行基于免疫传感的阻抗检测之前，电极表面需要功能性抗体修饰固定，而电极在抗体修饰固定之前，先用50uL的1mol/L的氢氧化钠溶液处理30min并漂洗，接着用50uL的1mol/L的盐酸溶液处理5min并漂洗，最后用氮气干燥电极。

S2.先将电极在室温下用20mmol/L的巯基十六酸乙醇溶液功能化处理24～48h并漂洗，同时用氮气干燥电极，然后继续在室温下用某种混合溶液(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶液)活化处理电极10min并漂洗。

S3.再将50uL的1mg/mL的链霉亲和素溶液滴在电极表面，在室温下培养40min后漂洗，最后用氮气干燥电极。

S4.然后将50uL的0.8～1mg/mL的生物素化抗体溶液滴在电极表面，在室温下培养30min后漂洗，最后用氮气干燥电极，以备阻抗检测分析。

上述所有漂洗步骤，均用漂洗瓶喷洒去离子水20～30s。

S5.将修饰后的电极安装到流通池中，将氧化还原探针溶液以300uL/min的流量累积泵送3min，使溶液到达流通池入口后，降低泵送流量(13.6uL/min)并持续1min，以便得到稳定的检测基线。

S6.再将待测溶液以300uL/min的流量累积泵送3min，使溶液到达流通池入口后，再以最优13.6uL/min的流量累积泵送溶液30min。

S7.接着仍将氧化还原探针溶液以300uL/min的流量累积泵送3min，使溶液到达流通池入口后，降低泵送流量并持续1min，并进行电极阻抗测量。

S8.最后将缓冲溶液以300uL/min的流量累积泵送60min，用以清洗管道中的氧化还原探针溶液，以便下次检测。

上述所有检测步骤，电极的输出响应信号经过阻抗采集匹配电路、数据采集卡传输至测控计算机进行存储和显示，并对数据结果进行模式识别分析处理。

Claims

1.一种基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统，其特征在于，包括流通池；所述流通池进口、出口分别通过管路与溶液池、废液池连通；所述流通池和溶液池之间设置有液体输送泵组；所述液体输送泵组通过流通池的数据输出端口与测控电路电连接；所述测控电路与计算机电连接；所述计算机与数据采集卡电连接；所述流通池包括上盖(2)；所述上盖(2)与底座(5)连接；所述上盖(2)上开设有进口和出口；所述底座(5)上设置有凹槽；所述凹槽内设置电极密封套(4)；所述电极密封套(4)包括底盘(44)；所述底盘(44)上开设有与电极(43)形状尺寸匹配的凹槽，电极密封套上盖(42)盖合在该凹槽上，且所述电极密封套上盖(42)上开设矩形孔，该矩形孔内卡设密封圈(41)，使得所述上盖(2)、电极(43)和密封圈(41)形成密封腔；所述电极(43)通过弹簧顶针(46)与数据输出端口(47)连接；所述上盖(2)上设有用于进出液体的连接管路，所述连接管路进出口初始位置设有倾斜的沉台孔，连接管路进出口交汇位置设有隔离凸台。

2.根据权利要求1所述的基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统，其特征在于，所述数据采集卡与运算放大模组、阻抗匹配电路连接；所述运算放大模组接多支路选择器；所述多支路选择器接所述液体输送泵组；所述阻抗匹配电路与所述电极(43)连接；所述电极(43)通过声卡接所述计算机。

3.根据权利要求2所述的基于免疫传感的电子舌阻抗检测系统，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括激励交流信号发生器，交流激励信号由计算机声卡提供；所述激励交流信号发生器与匹配电阻串联；所述匹配电阻与电极数据输出端口连接；所述匹配电阻接运算放大器的反向输入端；所述匹配电阻接运算放大器的反向输入端还与负反馈电阻一端连接，所述负反馈电阻另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的同相输入端接地；所述运算放大器的输入端接直流开关电源；所述直流开关电源与第一电容、第二电容一端连接；所述第一电容、第二电容另一端均接地；所述运算放大器的输出端接所述数据采集卡。

4.根据权利要求3所述检测系统的电极流通池的流动检测分析方法，其特征在于，所述阻抗匹配电路的输出阻抗Z＝V2/(V1/R1)-R2；其中，V1为激励电压；V2为响应输出电压；R1为负反馈电阻阻值；R2为匹配电阻阻值；分析方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的电极流通池的流动检测分析方法，其特征在于，步骤2)中，所述混合溶液为：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶液。

6.根据权利要求4所述的电极流通池的流动检测分析方法，其特征在于，所述检测泵送流量为13.6uL/min。