CN113514527B - 一种离子检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离子检测方法，采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对样本进行检测，包括如下步骤：在预定时间内，持续获取工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，以及工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值，获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；确定数据序列中与电流最小值对应的电压值；根据电流最小值对应的电压值计算出离子浓度。本发明采用检测特定电气回路中的电流值，以电流值来确定工作电极的测试反应是否达到平衡状态，并以反应平衡状态下的工作电极电压值作为浓度计算依据，使离子浓度检测的准确度更高。

Description

一种离子检测方法
技术领域
本发明涉及医疗检测技术领域，具体涉及一种离子检测方法。
背景技术
钾离子等各种离子是人体内维持酸碱平衡的物质之一，参与人体内的能量代谢，维持人体内的神经肌肉的正常功能，适当的钾离子等各种离子的浓度及其在细胞膜两侧的比值对维持神经-肌肉组织的静息电压的产生，以及电兴奋的产生和传导有重要作用，同时也直接影响酸碱平衡的调节。
目前血液中钾离子等各种离子的检测方法主要有火焰光度法、离子交换电极法、丙酮酸激酶法、色氨酸酶法等方法，这些检测方法的检测原理是根据离子反应达到平衡状态下电极电压会达到峰值，电压峰值与离子浓度构成对应函数关系，检测到电压峰值即可计算出离子浓度；具体方法一般是通过多个不同离子浓度的训练样本，再根据每个训练样本的平衡状态时工作电极的电极电压，建立对应的离散函数，即可获得电极电压与离子浓度相关的计算方程，以此方程就可以在测试过程中，将检测到的电极电压代入方程，获得离子浓度。上述现有技术存在一定的缺陷：由于电极电压是通过测试仪器以一定频率施加的电位来实现的，此外由于在平衡状态下正向和逆向反应的交替进行，或者一些其它未知原因，电极电压可能在其它状态下(非平衡状态)出现电压峰值，这种情况不具备一致性，也不可预料，出现的电压峰值可能大也可能小；在检测电极电压过程中，反应持续进行，同时也是持续检测电极电压的；但测试仪器不知道反应什么时候会达到平衡状态；如果仅根据电极电压的检测数据，将电压峰值定义为与平衡状态对应，本身就有一些偏差，那么会导致：根据电极电压峰值来确定的函数相关性非常差，计算出来的离子浓度不够准确。
因此，有必要对现有技术进行改进，以克服现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子检测方法，采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对样本进行检测，通过检测特定电气回路中的电流值，以电流值来确定反应是否达到平衡状态，再根据平衡状态下的电极电压计算离子浓度，检测结果较传统检测方法更准确。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种离子检测方法，采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对样本进行检测，其特征在于，包括如下步骤：
在预定时间内，持续获取工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，以及工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值，获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；确定数据序列中与电流最小值对应的电压值；根据电流最小值对应的电压值计算出离子浓度。
根据以上技术方案，根据电流最小值对应的电压值计算出离子浓度，具体包括：将所述电流最小值对应的电压值，代入预设的离子浓度计算函数中，计算出离子浓度。
根据以上技术方案，所述预设的离子浓度计算函数通过如下步骤确定：制备多个不同的、已知离子浓度的样本；采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对每个样本依次进行测试；在预定时间内，持续获取每个样本的在测试过程中的电压值和电流值；其中，电压值为工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，电流值为工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值；对应于每个样本，均获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；确定每个数据序列中与电流最小值对应的电压值；以电流最小值对应的电压值与离子浓度建立对应关系拟合函数，作为预设的离子浓度计算函数。
根据以上技术方案，以电流最小值对应的电压值与离子浓度建立对应关系拟合函数，具体包括：以离子浓度的对数为横坐标，以电流最小值对应的电压值为纵坐标，建立散点图进行函数拟合获得拟合函数；上述拟合函数的反函数即为预设的离子浓度计算函数。
根据以上技术方案，所述对数为以10为底数的对数。
根据以上技术方案，所述函数拟合为线性函数拟合。
根据以上技术方案，所述工作电极为离子选择性电极。
根据以上技术方案，所述工作电极上与样本接触的部分附着有离子敏感型金属络合物膜，所述金属络合物膜包含有二价过渡金属离子。
根据以上技术方案，所述金属络合物膜的通式为：AxMz[Fe(CN)6]y，其中，A为与样本中待测离子相同的金属阳离子，M为二价过渡金属离子，Fe(CN)6为六氰基铁酸根离子，x、y和z上述三种离子在金属络合物膜中的离子数量比例。
根据以上技术方案，所述A为钾离子或钠离子，所述M为镍离子、钴离子、铜离子或锌离子。
本发明的有益效果是：
本发明采用工作电极与对电极组成的特定电气回路中工作电极上的电流值，以该电流值来确定工作电极的上的测试反应是否达到平衡状态，当反应达到平衡状态时，工作电极-对电极之间的回路的电流值会出现最小值的峰值，检测到电流最小值峰值即可确定已达到反应平衡状态；那么，以此为依据，同步检测上述回路的电流值，以及工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，以电流值的最小值峰值来确定准确的平衡状态下工作电极电压，再以此来计算离子浓度，能避免意外出现的电压峰值造成的干扰，使离子浓度检测的准确度更高。
附图说明
图1是本发明的试条电流-电压图；
图2是本发明的钾离子浓度对数线性关系图；
图3是本发明的离子检测试条电极层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
本发明所述的一种离子检测方法，采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对样本进行检测。具体的检测设备包含仪器和试条，将试条插入到仪器，完成检测准备工作之后，将包含有待测离子的样本施加到试条的进样口，样本会自动进入试条并分别与工作电极、参比电极和对电极形成接触；仪器与试条之间形成特定的电气连接，当样本与各电极完成接触后，工作电极与对电极构成一个电气回路，同时工作电极与参比电极也构成另一外电气回路。仪器对各电极施加对应的激励电压，各电极就可以产生与样本对应的电信号，仪器同步接收这些电信号并对信号进行处理。
具体地，在检测过程中，仪器持续地获取工作电极与对电极组成的电气回路中工作电极上的电流值，同时仪器也同步地获取工作电极与参比电极组成的电气回路中工作电极上的电压值；在相同的时间节点上，电流值与电压值是一一对应关系。当达到预设的检测时间后，仪器完成信号获取过程，获得一个包含有多个电流值和电压值相对应的数据序列；然后仪器从这个数据序列中，找到电流最小值，根据电流最小值确定与其对应的电压值，再以这个电压值计算出离子浓度，最终仪器将计算出的离子浓度显示在仪器屏幕上，完成整个检测并反馈结果的过程。
本发明采用检测特定电气回路中的电流值，以电流值来确定工作电极的反应是否达到平衡状态(即工作电极与待测样本中离子进行化学反应达到平衡状态)，取反应平衡状态下工作电极的电压值，作为离子浓度计算依据。相较于目前直接以电压峰值作为离子浓度计算依据的检测方法，本发明可以规避因一些不可控因素导致电压值出现的异常波动，能准确找到反应平衡状态时的电压值，以反应平衡状态时的电压值来计算离子浓度，更能反应出真实的离子浓度水平，使得离子浓度的检测更加准确。
关于离子浓度的计算，可以使用现有技术中采用的计算函数的确定方式来确定一个浓度计算函数。为了提高计算函数的准确性，优选采用与本发明检测方法相同的测试方式来确定计算函数，本发明中离子浓度的计算函数的确定方法如下：
准备多个已知离子浓度的样本，每个样本的离子浓度均不同；通过本发明检测方法中提到的上述仪器和试条，分别对每个样本进行测试；仪器获得信号的方式与前述检测过程中相同；针对每个样本，仪器都可以获得一个包含有多个电流值和电压值相对应的数据序列；在每个数据序列中，找到电流最小值，再确定与之对应的电压值；每个电压值与离子浓度建立对应关系，进行函数拟合，就可以确定出离子浓度的计算函数。
以下以钾离子检测作为实施例，介绍本发明的计算函数确定过程和检测过程。
钾离子浓度计算函数的确定过程如下：
1)采用测试仪器，以设定测试的初始电压、最终电压、静置时间、扫描速率、频率等参数，对多个不同的、已知钾离子浓度的样本进行测试。具体地，本实施例中,测试仪器通过试条对钾离子浓度A+为1mMol、3mMol、6mMol、10mMol含有钾离子的样本进行测试。
2)在预定时间内，测试仪器持续获取每个样本的在测试过程中的电压值和电流值；其中，电压值为工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，电流值为工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值；对应于每个样本，均获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；从而获得以电压为横坐标、以电流为纵坐标的散点图，将该散点图进行平滑滤波处理，剔除异常点，从而获得处理后的电流-电压图，见图1。
3)峰识别：确定每个数据序列中与电流最小值对应的电压值，从电压-电流图中找出波峰位置，即电流最小值所处位置，据此测试仪器得到电流最小值对应的电压，当电流取最小值时，对应的电压值E分别为0.507V、0.538V、0.558V和0.572V。
4)将不同钾离子浓度下的电压与浓度对应，进行函数拟合，具体地是指：将不同离子浓度下的电压与浓度的对数在直角坐标系中做散点图，浓度的对数lg(A+)分别为0、0.48、078和1，以浓度的对数lg(A+)作为横坐标，电压E作为纵坐标，将该散点图进行线性拟合，得出拟合函数，获得线性拟合函数方程为y＝ax+b，见图2，完成函数拟合后a、b值均为确定值；
其中x为lg(A+)，A+表示样本中离子浓度，其单位为mMol/L；y为电压E，单位为V；拟合的函数实际为E＝a*lg(A+)+b，将其进行反函数运算，获得一个包含确定的a、b值的计算函数：
Figure BDA0003155122140000051
即为离子浓度计算函数，将该函数设置到测试仪器中，在每次正式的离子浓度检测过程中，仪器就可以调用该函数完成离子浓度的计算。
前述函数拟合过程中，选择离子浓度的对数参与散点图的建立，可以提高函数的相关性；对数的类型选择任意底数的对数，但优选自然对数ln或底数为10的对数lg，更优选对数lg；函数拟合的类型，可以是多段式、一元多次函数、幂函数、指数函数等，优选线性函数，即能保证函数的相关性，也可以简化计算量。
钾离子浓度的正式使用过程，即检测过程包括如下步骤：
1)将钾离子检测试条的电接触端插入到测试仪器的试条插座中，使试条的电极上的电接触端与测试仪器形成电连接。
2)将待测样本施加到试条的进样端，样本会进入进样通道内，样本通过虹吸作用沿着进样通道流动，最终与参比电极、工作电极以及对电极接触。
3)进样完成后，在预定时间内，测试仪器持续获取工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，以及工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值，获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；确定数据序列中与电流最小值对应的电压值E。
4)仪器将获得的电压值E，代入钾离子浓度计算函数
Figure BDA0003155122140000052
计算获得钾离子浓度A+，并将该计算结果在仪器屏幕上显示，使用户获得测试结果。
本发明前述的工作电极上的电流值以及电压值的测定与所述离子检测试条电极层直接相关，为便于有效理解本发明，有必要对离子检测试条的电极层进行必要说明，具体结构见图3。所述电极层包括工作电极71、参比电极6以及对电极72，所述工作电极71包括工作电极横向端711和工作电极竖向端712，所述工作电极横向端711的表面上附着有金属络合物膜，工作电极横向端711置于进样通道内，便于与待测样本进行有效接触，工作电极竖向端712用于与测试仪器进行电连接；所述参比电极6包括参比电极横向端61和参比电极竖向端62，参比电极横向端61置于进样通道内，便于与待测样本进行有效接触，参比电极竖向端62用于与测试仪器进行电连接。本发明所述的电极层还包括对电极72，对电极横向端721置于进样通道内，便于与待测样本进行有效接触，对电极竖向端722用于与测试仪器进行电连接。
需要特别说明的是，所述工作电极71为离子选择性电极，具体地，所述金属络合物膜为离子敏感型金属络合物膜，其通式为：AxMz[Fe(CN)6]y；其中，A为单价阳离子，所述A离子与样本中待测阳离子相同，M为过渡金属离子，Fe(CN)6为六氰基铁酸根离子，x、y和z上述三种离子在金属络合物膜中的离子数量比例。所述金属络合物具有晶格状内部结构，晶格由六氰基铁酸根离子和过渡金属离子联结，构成稳定的晶格结构。当晶格结构与待测离子接触时，待测离子会进入到晶格内部，被嵌入到晶格内部，这样金属络合物会吸收待测离子，使工作电极的电位发生变化，而仪器对参比电极施加基准电位，这样工作电极与参比电极之间的电位差发生变化，即工作电极上的电压发生变化；这个电压变化即反应出离子浓度的水平。
更具体讲，所述A为钾离子或钠离子，所述M为镍离子、钴离子、铜离子或锌离子。钠离子的检测过程与计算函数的确定过程与钾离子完全相同，区别仅在于数据的大小不同，本发明列举了钾离子的检测过程与计算函数的确定过程，不再针对钠离子进行实例说明。
另外，还设有与电极层配合的若干银导线8，所述工作电极横向端711和工作电极竖向端712均为碳导线，所述工作电极71覆盖于银导线8上。所述参比电极横向端61为Ag/AgCl电极，参比电极竖向端62为碳导线，参比电极竖向端62覆盖于银导线8上。所述对电极72为碳导线，所述对电极72覆盖于银导线8上。
本发明所述工作电极71、参比电极竖向端62以及对电极72均为碳导线，将所述工作电极71、参比电极竖向端62以及对电极72覆盖于银导线8上，构成碳、银相结合的电极结构，极大地提高电极的电信号传导能力，同时，碳导线覆盖于银导线上，目的是使进样通道内杜绝银导线的存在，使银导线不会直接与样本接触到，能避免样本中的离子与银导线发生干扰反应。
值得一提的是，所述参比电极横向端61为Ag/AgCl电极，同样地位于进样通道内，参比电极横向端61采用Ag/AgCl材质制成电极，性质比较稳定不会与样本产生反应，同时参比电极也需要比较优良的电信号传导能力，因此采用Ag/AgCl材质。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种离子检测方法，采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对样本进行检测，其特征在于，包括如下步骤：
在预定时间内，持续获取工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，以及工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值，获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；
确定数据序列中与电流最小值对应的电压值；
将所述电流最小值对应的电压值，代入预设的离子浓度计算函数中，计算出离子浓度，所述预设的离子浓度计算函数通过如下步骤确定：
制备多个不同的、已知离子浓度的样本；
采用包含有工作电极、参比电极和对电极的离子检测试条对每个样本依次进行测试；
在预定时间内，持续获取每个样本的在测试过程中的电压值和电流值；其中，电压值为工作电极与参比电极组成的回路中工作电极上的电压值，电流值为工作电极与对电极组成的回路中工作电极上的电流值；对应于每个样本，均获得一个包含有多个电压值和电流值一一对应的数据序列；
确定每个数据序列中与电流最小值对应的电压值；
以电流最小值对应的电压值与离子浓度建立对应关系拟合函数，作为预设的离子浓度计算函数。
2.根据权利要求1所述的离子检测方法，其特征在于，以电流最小值对应的电压值与离子浓度建立对应关系拟合函数，具体包括：
以离子浓度的对数为横坐标，以电流最小值对应的电压值为纵坐标，建立散点图进行函数拟合获得拟合函数；上述拟合函数的反函数即为预设的离子浓度计算函数。
3.根据权利要求2所述的离子检测方法，其特征在于，所述对数为以10为底数的对数。
4.根据权利要求2所述的离子检测方法，其特征在于，所述函数拟合为线性函数拟合。
5.根据权利要求1所述的离子检测方法，其特征在于，所述工作电极为离子选择性电极。
6.根据权利要求1所述的离子检测方法，其特征在于，所述工作电极上与样本接触的部分附着有离子敏感型金属络合物膜，所述金属络合物膜包含有二价过渡金属离子。
7.根据权利要求6所述的离子检测方法，其特征在于，所述金属络合物膜的通式为：
AxMz[Fe(CN)6]y
其中，A为与样本中待测离子相同的金属阳离子，M为二价过渡金属离子，Fe(CN)6为六氰基铁酸根离子，x、y和z为上述三种离子在金属络合物膜中的离子数量比例。
8.根据权利要求7所述的离子检测方法，其特征在于，所述A为钾离子或钠离子，所述M为镍离子、钴离子、铜离子或锌离子。
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