CN110487872B - 一种基于压舌板的电化学生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压舌板的电化学生物传感器及其传感方法，该电化学生物传感器以木制一次性压舌板为基底，配备有电源(1)、计算电路(2)和显示屏(6)，另一面构筑有三电极电化学系统，包括参比电极RE(3)、对电极CE(4)和工作电极WE(5)，电化学传感部分和电信号处理显示部分共同构成完整的便携式生物传感装置；该电化学生物传感器检测方便迅速，可以随身携带，随时获取唾液葡萄糖浓度，具有非侵入性特点，使用体验好，结构简单、成本低廉，用后即弃，避免交叉感染，不依赖使用者判读，读数精确，检测精度更高。

Description

一种基于压舌板的电化学生物传感器
技术领域
本发明属于生物传感技术领域，具体涉及一种用于唾液分析物的基于压舌板的电化学生物传感器及其传感方法。
背景技术
当前的生物传感器在很多领域获得了成功应用，包括医疗、环境监测和国防科工等。但传统的生物传感器往往具有仪器庞大复杂、成本高、操作繁琐且需要专业人员、信息反馈时间长等固有缺陷。在新兴的家庭医疗和POCT(point of care testing)领域，患者和护理人员需要一种价格低廉、使用简便、数据读取迅速准确的仪器，实现对唾液中各项目标分析物浓度的检测，但面对这些要求，传统的检测仪器常常难以胜任。目前传统的生物检测方法还是使用大型光学检测仪器，而这样的检测手段只能由医院完成，难以走进更基层的卫生机构和普通家庭，而制造简便、反馈迅速、便携廉价的电化学生物传感器为解决生物检测的普及性问题打开了新的思路。
电化学生物传感器门类繁多，其工作原理主要包括安培滴定法、电位滴定法和利用表面反应的场效应晶体管法等，可主要分为电位型传感器、电流型传感器以及电导型传感器。本发明主要使用的是安培滴定法传感器，由工作电极、对电极、参比电极和电解质缓冲溶液构成电解池。工作电极和参比电极间形成稳定的分解电位，向缓冲溶液中滴加待测溶液，待检测物经转化在分解电位下发生氧化还原反应，此过程中的电子转移形成电流，且电流大小与在检测范围内与待测物浓度成正比，则可由测量的电流值计算待测物浓度。
发明内容
为了解决唾液的实时检测问题，本发明提出了一种用于唾液分析物的基于压舌板的电化学生物传感器及其传感方法，用于检测葡萄糖。本发明的基于压舌板的电化学生物传感器，使得葡萄糖传感器微型化，更加适于商业应用，也将为糖尿病患者的家庭医疗检测提供更多选择。
本发明的一个目的在于提出一种用于唾液分析物的基于压舌板的电化学生物传感器。
本发明的电化学生物传感器的电源采用电池或者无线接收器。
当电源采用电池时，本发明的电化学生物传感器包括：压舌板、传感电极、微电流计和电源；其中，微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接，微处理器通过显示电路连接至显示屏；工作电极、对电极和参比电极在压舌板头部下表面平行排列；微电流计的电流采集电路、A/D转换电路微处理器和显示电路以及电源、显示屏安装在压舌板上表面尾部；工作电极和对电极/参比电极分别通过导线连接至电源的正极和负极；在工作电极与电源之间，或者在对电极与电源之间串联微电流计；在工作电极的表面固定催化剂；不处于工作状态时，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；当用压舌板下表面前头部接触待测试者舌部，唾液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与唾液中的待检测物的浓度有关，电流采集电路采集电流，经A/D 转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器处理后得到待检测物的浓度，通过显示电路传输给显示屏，显示屏显示待检测物的浓度。
微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏，其中，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器串联在工作电极与电源之间，或者在对电极与电源之间；电流采集电路采集电流，传输至A/D转换电路，A/D 转换电路将电流转换为数字信号传输至微处理器，微处理器根据电流值得到相应的浓度值，传输至显示电路；显示电路将数字信号输出至显示屏显示。显示屏采用多个LED数码管。微处理器的宽度为2～3mm，长度2～3mm，高为0.6～0.9mm。
电源采用内置电池的方式，电源为电池，电池为可置换的结构，采用小型电池，如纽扣电池、柱状电池，方形电池或异形电池。电池或小型无线充电单元内置在环形穿戴模型内的安装孔中，两端分别连接至工作电极和对电极，并串联微电流计，为微电流计提供电源，并在工作电极和对电极之间形成电位差，促进电化学反应。电源的电压为1～10V；工作电极上的电位为0～1V。
当电源采用无线接收器时，本发明的电化学生物传感器包括：压舌板基底、传感电极、电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器；其中，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接；无线接收器连接至微处理器；微处理器连接至无线发射器；工作电极、对电极和参比电极在压舌板头部下表面平行排列；微电流计的电流采集电路、A/D转换电路微处理器安装在压舌板上表面尾部；工作电极连接至微处理器，对电极/参比电极连接至电流采集电路；在工作电极的表面固定催化剂；外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；未接触测试者舌部时为断路，当接触测试者的舌部表面唾液时，唾液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与唾液中的待检测物的浓度有关，电流采集电路采集电流，经过A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。外部的控制器采用计算机或者智能手机。
无线接收器包括感应线圈和整流器，外部的控制器为感应线圈提供射频信号，感应线圈产生感应电流，经整流器整流后传输至微处理器进行供电，射频信号采用短距离传输高频电波，例如蓝牙的2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波。这种射频信号的频率都在安全范围内，不会对人体产生损害。
压舌板为普通医用压舌板，二端圆形薄木片。各电极均宽2mm，长20mm，纵向平行排列，制作在压舌板头部下表面，间隔2mm。微电流计的电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路以及电源，或者电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器，均安装在压舌板尾部上表面。
传感电极采用两电极体系或三电极体系。在两电极体系中，传感电极由工作电极和对电极组成，在工作过程中，工作电极和对电极之间形成电流回路和电压回路，电化学反应电流由此之间流通，同时由电源提供一个稳定的电位差。在三电极体系中，传感电极由工作电极、参比电极和对电极组成，工作电极和对电极分别连在电源的两端，参比电极连接至环形穿戴模型相当于接地；在工作过程中，工作电极和对电极之间形成电流回路，而参比电极和工作电极之间形成稳压电路，减少了极化现象的影响。
工作电极和对电极采用对电化学反应敏感的传感材料，例如石墨、碳纳米管或金；参比电极采用电位稳定的材料，如质量比50：50的银/氯化银。上述材料均对人体无明显毒性。
针对待检测物选择相应的催化剂，例如，要检测唾液中的葡萄糖含量，则针对葡萄糖选择催化剂为葡萄糖氧化酶；其中，葡萄糖氧化酶浓度为10～100U/μl，容量为1～10μl。进一步，采用固化剂将催化剂固定在工作电极的表面，根据催化剂选择固化剂，针对葡萄糖氧化酶作为催化剂的情况，固化剂采用戊二醛。
本发明的电化学生物传感器与人体接触部分，持续电压范围在1～6V之间，小于持续接触安全电压24V；持续电流在0～0.03mA之间，小于人体持续接触安全电流10mA和人体感知最小电流1mA，故不会对人体健康造成任何危害，以及不会在测试过程中产生任何异样感。
本发明的另一个目的在于提供一种用于唾液分析物的基于压舌板的电化学生物传感器的传感方法。
当电源采用电池时，本发明的传感方法包括以下步骤：
1)根据待检测物，提供相应的催化剂，固定在工作电极的表面；
2)压舌板未接触测试者舌头表面，没有唾液作为导电溶液，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；
3)当测试者的舌头表面产生唾液时，唾液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与唾液中的待检测物的浓度有关；
4)电流采集电路采集电流，经A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器处理后得到待检测物的浓度，通过显示电路传输给显示屏，显示屏显示待检测物的浓度。
当电源采用无线接收器时，本发明的传感方法包括以下步骤：
1)根据待检测物，提供相应的催化剂，固定在工作电极的表面；
2)外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；
3)压舌板未接触测试者舌头表面，没有唾液作为导电溶液，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；
4)当压舌板接触测试者舌头表面唾液时，唾液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与唾液中的待检测物的浓度有关；
5)电流采集电路采集电流，经过A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。
其中，在步骤1)中，针对唾液中葡萄糖，选择催化剂为葡萄糖氧化酶；其中，葡萄糖氧化酶浓度为10～100U/μl，容量为1～10μl。采用固化剂将催化剂固定在工作电极的表面，针对乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶的催化剂，固化剂采用戊二醛。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
本发明的电化学生物传感器针对人体唾液进行实时检测，针对唾液的葡萄糖敏感检测范围为0.0465～6mM(毫摩每升)，反应时间在常见葡萄糖浓度范围内短至1分钟左右，要远远短于现有常规医疗检测手段，且拥有稳定的电流和较高的准确率，回归相关系数为0.9788。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，而不应将其视为是对本发明范围的限制。其中：
图1为本发明实施例提供的一种基于压舌板的电化学生物传感器的上表面的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于压舌板的电化学生物传感器的下表面的结构示意图；
图3为实施例一中本发明的电化学生物传感器测得的H2O2检测表征图；
图4为实施例二中本发明的电化学生物传感器测得的葡萄糖检测表征图；
图5为实施例三中本发明的电化学生物传感器测得的葡萄糖检测表征图。
附图标记：
电源1、计算电路2、参比电极RE3、对电极CE4、工作电极WE5、显示屏 6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照图1和2描述本发明实施例提供的一种基于压舌板的电化学生物传感器。如图1所示，本发明的电化学生物传感器用于唾液分析物，包括电化学测试部分和信号处理显示部分，电化学测试部分包括参比电极RE3、对电极CE4 和工作电极WE5，信号处理部分包括电源1、计算电路2和显示屏6；其中，工作电极WE5上涂有生物敏感成分，能将目标生物分析物转化为相应的电化学反应分析物，工作电极WE5与对电极CE4构成回路，参比电极RE3为工作电极 WE5提供稳定的参比电位；电源1、计算电路2和显示屏6布置在压舌板的一面，参比电极RE3、对电极CE4和工作电极WE5布置在压舌板的另一面，各器件之间用导线连接；该电化学生物传感器使用电化学方法分析目标生物分析物的成分浓度，通过信号电流大小反映待测目标生物分析物的浓度；信号处理部分的电源 1、计算电路2和显示屏6与电化学测试部分的参比电极RE3、对电极CE4和工作电极WE5整合在同一压舌板基底上，在工作电极WE5完成目标生物分析物转化并发生电化学反应与对电极CE4形成回路，产生信号电流，参比电极RE3为工作电极WE5提供稳定的电位参照，得到的信号电流经过计算电路2分析处理，在显示屏6上显示目标生物分析物的浓度，电源1为电化学生物传感器提供能源。
具体地，如图1所示，压舌板上表面布置有：微电流计A、控压原件V和电源1；其中，微电流计A包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏6，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接，微处理器通过显示电路连接至显示屏6。
如图2所示，在压舌板下表面布置有工作电极WE5、对电极CE4和参比电极RE3，并通过导线与上表面的元器件相连。工作电极WE5和对电极CE4分别通过导线连接至电源1的正极和负极；在工作电极WE5与电源1之间，或者在对电极CE4与电源1之间串联微电流计；对电极CE4与参比电极RE3之间连有高阻抗的控压元件V；在工作电极WE5的表面固定催化剂。
在本实施例中，工作电极WE5、对电极CE4和参比电极RE3均长20mm，宽2mm，工作电极WE5和对电极CE4采用碳纳米管，参比电极RE3采用 Ag/AgCl。
以缓冲溶液作为模拟实际人体的唾液的生理溶液，以葡萄糖作为待检测物。催化剂采用葡萄糖氧化酶，唾液中的葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下发生催化反应分解，生成过氧化氢H2O2，H2O2在工作电极上发生氧化还原反应，氧化还原反应中的电子转移产生电流。
本实施例的电化学生物传感器在测试前，需要放置在浓度已知的待检测物中进行标定，工作电极和对电极分别连接电源的正负极，并且串联电流表，得到待检测物的浓度与电流之间的关系，包括以下步骤：
a)提供已知待检测物浓度的唾液；
b)在工作电极的表面固定催化剂；
c)工作电极和对电极的表面被唾液覆盖；
d)唾液中的待检测物与催化剂发生反应形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路；
e)电流表中有电流通过，电流的大小体现唾液的浓度有关；
f)记录下此浓度下对应的电流值；
g)改变待检测物的浓度，重复步骤b)～e)，得到一组已知的浓度与对应的电流值；
h)将一组已知的浓度与对应的电流值进行拟合，得到待检测物的浓度与电流之间的关系。
微处理器根据电流得到待检测物的浓度。
实施例一
图3为实施例一中本发明的电化学生物传感器测得的H2O2检测表征图。在本实施例中，利用电化学工作站作为电源对压舌板传感器进行检测H2O2浓度的测试。图3显示了使用电化学工作站并基于本发明的电化学生物传感器的H2O2检测的特征。使用电化学工作站在0.6V电压下测量，在可穿戴传感器上放置 200μl的50mM缓冲溶液，然后添加10μl各种浓度的H2O2溶液；使混合物静置，直到电流稳定，然后继续逐滴添加下一种浓度的H2O2。图3中，C1～C8分别为滴加后溶液中检测物的浓度变化量(下同)：C1:0.1mM、C2:0.2mM、C3:0.2 mM、C4:0.5mM、C5:1.0mM、C6:1.0mM、C7:1.0mM、C8:1.0mM。图3a 显示了H2O2检测的当前时间曲线。当溶液加入时，由于新加入H2O2分子集中在电极表面，大量的H2O2分子与电极接触，氧化反应强烈，因此产生非常大的电流；H2O2继续迅速扩散。随着扩散速率的逐渐减小，电流开始稳定，直至扩散均匀。此外，随着液滴浓度的增加，扩散所需的时间也随着响应时间的增加而增加，使电流更难达到平衡。测量时间为2～5分钟。本发明的电化学生物传感器检测H2O2的电流时间曲线，如图3b所示，回归系数R2为0.9951。
实施例二
图4为实施例二中本发明的电化学生物传感器测得的葡萄糖检测表征图。在本实施例中，利用电化学工作站作为电源使用本发明的电化学生物传感器进行检测葡萄糖浓度的测试。图4显示了使用电化学工作站作为仪器，用本发明电化学生物传感器来检测乳酸的时间电流曲线。将电化学工作站的电压设为0.6V，然后加入200μl的50mM缓冲溶液，在工作电极顶部加入10μl每种浓度的葡萄糖溶液。等待电流稳定后，继续滴加下一浓度的乳酸。图4中，C1～C10分别为滴加后溶液中检测物的浓度变化量(下同)：C1:0.1mM、C2:0.2mM、C3:0.2mM、 C4:0.5mM、C5:1.0mM、C6:1.0mM、C7:1.0mM、C8:1.0mM、C9:1.0mM、 C10:9mM。当溶液加入时，葡萄糖分子集中在电极表面。大量的葡萄糖分子与电极接触，氧化反应强烈，因此产生非常大的电流；葡萄糖继续迅速扩散，随着扩散速率的逐渐减小，电流开始稳定，直至扩散均匀。此外，随着液滴浓度的增加，扩散所需的时间也随着响应时间的增加而增加，使电流更难达到平衡。测量时间为2～5分钟，表明酶催化葡萄糖分解反应非常迅速。产生的信号电流响应在 0～6mM的线性范围内与葡萄糖浓度成正比；最后加入极高浓度葡萄糖溶液，发现酶的反应位点在高浓度下饱和，加入更多的葡萄糖也只能在同一时间产生一定量的过氧化氢，电流信号大小不再与葡萄糖浓度成正比，符合预期。从图4b中的校准曲线来看，得到的斜率为2.149μA/mM，回归系数R2为0.9788，检测限为0.00465mM。
实施例三
图5为实施例三中本发明的电化学生物传感器测得的葡萄糖检测表征图。在本实施例中，针对真人唾液里的葡萄糖进行检测，取健康男性的唾液样本180μl 作为缓冲溶液，向其中滴加20μl浓度为1mM的葡萄糖溶液，使总葡萄糖浓度上升0.1mM，即100μM。测试本发明的电化学生物传感器对健康人和糖尿病患者的唾液的分辨能力。本发明的电化学生物传感器对0.1mM的葡萄糖浓度变化产生的电流响应均值为0.20μA，标准差为0.011μA，对应标准工作曲线得到测试的浓度检测数值为93.1±5.1μM。
本发明所提供的基于压舌板的电化学生物传感器可以检测唾液中葡萄糖浓度，通过测试电化学生物传感器在缓冲溶液中对过氧化氢、葡萄糖的测试和在真人唾液中对葡萄糖的检测情况，验证了本发明的电化学生物传感器具有良好的检测性能，为今后电化学测量提供了一种很有前景的选择。本发明有望为开发新的传感系统和推进相关的生物医学和环境应用开辟重要的途径。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于压舌板的电化学生物传感器，其特征在于：该电化学生物传感器包括电化学测试部分和信号处理显示部分，所述电化学测试部分包括参比电极RE(3)、对电极CE(4)和工作电极WE(5)，所述信号处理显示部分包括电源(1)、计算电路(2)和显示屏(6)；其中，所述工作电极WE(5)上涂有生物敏感成分，能将目标生物分析物转化为相应的电化学反应分析物，所述工作电极WE(5)与所述对电极CE(4)构成回路，所述参比电极RE(3)为所述工作电极WE(5)提供稳定的参比电位；所述电源(1)、计算电路(2)和显示屏(6)布置在所述压舌板的一面，所述参比电极RE(3)、对电极CE(4)和工作电极WE(5)布置在所述压舌板的另一面，各器件之间用导线连接；该电化学生物传感器使用电化学方法分析所述目标生物分析物的成分浓度，通过信号电流大小反映待测所述目标生物分析物的浓度；所述信号处理显示部分的电源(1)、计算电路(2)和显示屏(6)与所述电化学测试部分的参比电极RE(3)、对电极CE(4)和工作电极WE(5)整合在同一压舌板基底上，在所述工作电极WE(5)完成所述目标生物分析物转化并发生电化学反应与所述对电极CE(4)形成回路，产生信号电流，所述参比电极RE(3)为所述工作电极WE(5)提供稳定的电位参照，得到的所述信号电流经过所述计算电路(2)分析处理，在所述显示屏(6)上显示所述目标生物分析物的浓度，所述电源(1)为所述电化学生物传感器提供能源。
2.根据权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，使用电解池作为电化学分析组件的框架，所述电解池为包含所述参比电极RE(3)的三电极系统或不包含所述参比电极RE(3)的双电极系统，使用恒压分析法，测试的是电流值。
3.根据权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述对电极CE(4)和工作电极WE(5)的电极材料是导电性优良的碳材料或金属材料，为碳纳米管、石墨、石墨烯、铂或金，所述参比电极RE(3)的电极材料为电位稳定的惰性物质，银/氯化银或甘汞。
4.根据权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述工作电极WE(5)上涂有生物敏感成分，能将所述目标生物分析物转化为能发生电化学反应的物质。
5.根据权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述压舌板上集合了完整的电路部分，所述计算电路(2)中包括ADC信号转换、微处理器和开关。
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