CN114441612A - 一种电化学生物传感器、检测方法及用途 - Google Patents

一种电化学生物传感器、检测方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学生物传感器、检测方法及用途。该电化学生物传感器包括芯片基板、工作电极、参比电极、辅助电极、固态电解质物质以及生物探针。通过将固态电解质物质固定在工作电极、参比电极以及辅助电极表面，使得在检测时，该固态电解质物质能溶解于液态生物样品以形成反应溶液，从而可以直接通过与生物探针进行电化学反应来实现检测，提升了待检测的生物靶标物质检测的便利性；进一步地，本发明提供的一种电化学生物传感器、检测方法及用途还通过聚苯胺将用于检测的生物活性物质固定到工作电极上，从而提升了电信号传递更快速，提升待检测的生物靶标物质的检测结果的可见性。

Description

一种电化学生物传感器、检测方法及用途
技术领域
本发明涉及电化学生物传感器领域，涉及一种电化学生物传感器、检测方法及用途。
背景技术
生物靶标物质，即待检测的目标生物物质，包括多糖、萜类、甾醇类、生物碱、肽类、核酸、蛋白质、氨基酸、甙类、油脂、蜡、树脂类、植物色素、矿物质元素、酶和维生素等。在疾病诊断以及其他领域，通过检测样本中的生物靶标物质来进行各种认定的方式已被广泛使用。因此，准确而快速地检测对应的生物靶标物质是十分重要的。
在现有技术中，通常先将生物样本制备成反应溶液，随后再使用光学、化学或电化学手段进行生物靶标物质的检测，以电化学手段为例，现有技术在做检测的时候，需由样本中自带的液体中物质充当电解质，或者在工作时单独添加电解质试剂作为反应。
但是，现有技术仍存在如下缺陷：检测便利性较低，需要进行过滤、裂解、离心、提纯等检测前处理，并额外制备检测环境。
因此，当前需要一种电化学生物传感器、检测方法及用途，从而克服现有技术中存在的上述缺陷。
发明内容
针对现存的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种电化学生物传感器、检测方法及用途，从而提升生物靶标物质的检测的便利性。
本发明提供了一种电化学生物传感器，所述电化学生物传感器包括芯片基板、工作电极、参比电极、辅助电极、固态电解质物质以及生物探针，所述固态电解质物质固定在所述工作电极、参比电极以及辅助电极的表面，所述生物探针电连接到所述工作电极上。
在一个实施例中，所述生物探针包括生物活性物质以及聚苯胺，所述生物活性物质通过所述聚苯胺连接到所述工作电极。
在一个实施例中，所述工作电极为圆盘电极。
在一个实施例中，所述圆盘电极直径范围为1mm-10mm。
在一个实施例中，所述圆盘电极的材料包括金、铂金、铜、玻碳、FTO以及ITO。
在一个实施例中，所述生物活性物质包括单克隆抗体蛋白、多克隆抗体蛋白、核酸适配体、酶以及肽链结构。
在一个实施例中，所述电化学生物传感器还包括多孔膜，所述多孔膜用于过滤杂质。
本发明还提供了一种电化学生物传感器的检测方法，所述检测方法由前所述的电化学生物传感器执行，所述检测方法包括：获取待检测的生物样本，并使所述固态电解质物质溶解于所述生物样本中，从而获得反应溶液；所述反应溶液与所述工作电极相反应，并输出所述生物样本对应的电流值；将所述电流值与预设的检测标准电流曲线进行对比，并根据所述对比结果输出生物检测结果。
本发明还提供了一种将如前所述的电化学生物传感器的检测方法应用于新冠病毒检测的用途。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明提供了一种电化学生物传感器、检测方法及用途，通过将固态电解质物质固定在工作电极表面，使得在检测时，该固态电解质物质能溶解于生物样品以形成反应溶液，从而可以直接通过与生物探针进行电化学反应来实现检测，提升了生物靶标物质的检测的便利性。
进一步地，本发明提供的一种电化学生物传感器、检测方法及用途还通过聚苯胺将能用于检测的生物活性物质固定到工作电极上，从而提升了电信号传递更快速，提升生物靶标物质的检测结果的可见性。
附图说明
下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：
图1示出了根据本发明的一种电化学生物传感器的一个实施例的结构图；
图2示出了根据本发明的一种电化学生物传感器的检测方法的一个实施例的流程图；
图3示出了根据本发明的一种电化学生物传感器的检测方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例一
本发明实施例首先描述了一种电化学生物传感器。图1示出了根据本发明的一种电化学生物传感器的一个实施例的结构图。
如图1所示，该生物检测装置包括芯片基板、工作电极、参比电极、辅助电极、固态电解质物质以及生物探针，所述固态电解质物质以预设的修饰方法固定在所述工作电极、参比电极以及辅助电极的表面，所述生物探针电连接到所述工作电极上。在图1中，RE代表参考电极、WE代表工作电极、CE代表辅助电极。
由于原理上电化学反应需在电解质溶液中才能发生，通过电解质的离子发生氧化还原反应传递电荷。在现有技术中，电化学检测都是在电解质溶液进行，操作上需要额外加入反应的电解质溶液，如果将这样的技术直接用于本发明实施例描述的生物靶标物质的生物检测中，会使得检测过程和工序十分复杂。对此，本发明实施例对现有技术进行了创新，将需要添加的电化学生物探针与电解质通过特殊的修饰方法定量固定在电极表面，使电化学反应过程不需要再额外添加试剂。
具体地，在一个实施例中，将定量的可溶的固态电解质物质提前固定在电极上，由于该固态电解质物质溶解在水中，从而通过控制加样量使得固态电解质物质形成定量浓度的离子态电解质溶液，进而形成完成的电化学检测环境。在一个实施例中，固态电解质物质为铁氰化钾。
在现有技术中，对生物靶标物质的检测常常需要预先对生物样品进行过滤、裂解、离心、提纯等检测前处理，再进行检测，这会使得检测便利性不足，对此，本发明实施例将检测靶标设置为能与待检测的生物靶标物质特异性结合的生物活性物质，从而使得在进行检测时，生物探针能与生物样本中待检测的生物靶标物质结合，从而实现快速、便利地检测。
在一个实施例中，所述生物探针包括生物活性物质以及聚苯胺，所述生物活性物质通过所述聚苯胺连接到所述工作电极。在一个实施例中，所述生物活性物质包括单克隆抗体蛋白、多克隆抗体蛋白、核酸适配体、酶以及肽链结构。
在一个实施例中，为了保证该生物检测装置获得的样品具有一定浓度，且在此基础上兼顾制造成本，在一个实施例中，所述圆盘电极直径范围为1mm-10mm。
此外，为了保证工作电极的材料稳定性与导电性能均足够良好，且能够与生物探针有效结合，在一个实施例中，所述圆盘电极的材料包括金、铂金、铜、玻碳、FTO以及ITO。
为了保证参考电极的点位有非常好的重复性，且要保证辅助电极本身的电阻小而不易发生极化，在一个实施例中，参考电极的材料包括银和氯化银，辅助电极的材料包括铂金和碳。
在一个实施例中，所述生物检测装置还包括多孔膜，所述多孔膜用于过滤杂质。
本发明实施例描述了一种电化学生物传感器，通过将固态电解质物质固定在丝网印刷电极表面，使得在检测时，该固态电解质物质能溶解于生物样品以形成反应溶液，从而可以直接通过与生物探针进行电化学反应来实现检测，提升了生物靶标物质的检测的便利性；进一步地，本发明实施例描述的一种电化学生物传感器还通过聚苯胺将能用于检测的生物活性物质固定到工作电极上，从而提升了电信号传递更快速，提升生物靶标物质的检测结果的可见性。
具体实施例二
除上述装置外，本发明实施例还描述了一种电化学生物传感器的检测方法。图2示出了根据本发明的一种电化学生物传感器的检测方法的一个实施例的流程图。
如图2所示，该生物检测方法包括如下步骤：
S1:获取待检测的生物样本，并使所述固态电解质物质溶解于所述生物样本中，从而获得反应溶液。
在实际应用前述生物传感器的过程中，首先需要先获取待检测的生物样本，并使该生物样本参与进电化学反应中。具体地，当获取生物样本且生物样本与固态电解质物质接触时，生物传感器中的固态电解质物质会溶解于该生物样本中，从而形成反应溶液。
S2:所述反应溶液与所述工作电极相反应，并输出所述生物样本对应的电流值。
在形成反应溶液后，反应溶液会和固定在工作电极上的生物探针进行反应，并在生物探针中的生物活性物质感知到反应溶液中存在可结合的生物靶标物质并与之结合时，输出对应的电流值(电位变化)。所述生物探针与生物靶标物质特异性反应，通过检测反应过程中反应的电荷变化输出所述生物样本对应的电流值。具体地，通过向工作电极施加在生物探针与生物靶标物质发生特异性结合时，电解质反应的CV波峰电压，通过计时电流法检测该电压下电流随时间变化的电流曲线。
S3:将所述电流值与预设的检测标准电流曲线进行对比，并根据所述对比结果输出生物检测结果。
在输出生物样本对应的电流值之后，为了根据该电流值确定生物样本中是否存在待检测的生物靶标物质，需要将该电流值与事先标定的检测标准电流曲线进行对比，从而根据对比结果进行确定。
具体地，在一个实施例中，将该电流曲线与预设的检测标准电流曲线进行比较，若有电流明显上升，则表明该生物样本中存在能与生物探针结合的生物靶标物质，且电流上升幅度与待检测的生物靶标物质的浓度呈线性关系。
本发明实施例描述了一种电化学生物传感器的检测方法，通过将固态电解质物质固定在工作电极表面，使得在检测时，该固态电解质物质能溶解于生物样品以形成反应溶液，从而可以直接通过与生物探针进行电化学反应来实现检测，提升了生物靶标物质的检测的便利性；进一步地，本发明实施例描述的一种电化学生物传感器的检测方法还通过聚苯胺将能用于检测的生物活性物质固定到工作电极上，从而提升了电信号传递更快速，提升生物靶标物质的检测结果的可见性。
具体实施例三
进一步地，本发明实施例还描述了一种电化学生物传感器的检测方法。图3示出了根据本发明的一种电化学生物传感器的检测方法的另一实施例的流程图。
如图3所示，该生物检测方法包括如下步骤：
A1:获取待检测的生物样本，并使所述固态电解质物质溶解于所述生物样本中，从而获得反应溶液。
在实际应用前述生物传感器的过程中，首先需要先获取待检测的生物样本，并使该生物样本参与进电化学反应中。具体地，当获取生物样本且生物样本与固态电解质物质接触时，生物传感器中的固态电解质物质会溶解于该生物样本中，从而形成反应溶液。
A2:所述反应溶液与所述工作电极相反应，并输出所述生物样本对应的电流值。
在形成反应溶液后，反应溶液中的生物靶标物质会和固定在工作电极上的生物探针进行反应，并在生物探针中的生物活性物质感知到反应溶液中存在可结合的待检测的生物靶标物质并与之结合时，输出对应的电流值(电位变化)。具体地，通过向工作电极施加生物探针与生物靶标物质发生特异性结合时，电解质反应的CV波峰电压，通过计时电流法检测该电压下电流随时间变化的电流曲线。
A3:将所述电流值与预设的检测标准电流曲线进行对比，并根据所述对比结果输出生物检测结果。
在输出生物样本对应的电流值之后，为了根据该电流值确定生物样本中是否存在待检测的生物靶标物质，需要将该电流值与事先标定的检测标准电流曲线进行对比，从而根据对比结果进行确定。
具体地，在一个实施例中，将该电流曲线与预设的检测标准电流曲线进行比较，若有电流明显上升，则表明该生物样本中存在能与生物探针结合的生物靶标物质，且电流上升幅度与待检测的生物靶标物质的浓度呈线性关系。
A4：以预设的信息形式向用户发送所述检测结果。
在一个实施例中，预设的信息形式包括文字信息、声音信息、图像信息、数字信息以及前述一种或多种的组合。
本发明实施例描述了一种电化学生物传感器的检测方法，通过将固态电解质物质固定在工作电极表面，使得在检测时，该固态电解质物质能溶解于生物样品以形成反应溶液，从而可以直接通过与生物探针进行电化学反应来实现检测，提升了生物靶标物质的检测的便利性；进一步地，本发明实施例描述的一种电化学生物传感器的检测方法还通过聚苯胺将能用于检测的生物活性物质固定到工作电极上，从而提升了电信号传递更快速，提升生物靶标性物质的检测结果的可见性。
具体实施例四
除上述方法和装置外，本发明还描述了一种将如前所述的电化学生物传感器的检测方法应用于新冠病毒检测的用途。
在现有技术中，虽然有电化学检测的广泛应用，但没有将其用于生物靶标物质的检测或者疾病诊断的应用。
具体地，在一个实施例中，以待检测人员的唾液为生物样本，当待检测人员的唾液与该生物传感器接触时，该唾液样本使得该生物传感器上的固体电解质物质溶解以形成反应溶液，并和工作电极上的生物探针一起构成检测环境，随后，固定在工作电极上的生物探针通过其生物活性物质与反应溶液进行反应；当唾液中存在能与生物探针结合的病毒时，会引起电位变化聚苯胺传递并放大这种变化，从而输出与病毒标准电流曲线对应部分不同的电流，此时检测结果为存在新冠病毒；反之则反。
应该理解的是，本发明实施例中虽是以“病毒”作为检测对象，但由此及彼，本发明实施例中所述的方法、装置均可用作其他生物检测，例如细菌、真菌以及其他病毒的检测等。
本发明实施例描述了一种电化学生物传感器的用途，该电化学生物传感器通过将固态电解质物质固定在工作电极表面的结构，从而使得在检测时，该固态电解质物质能溶解于生物样品以形成反应溶液，从而可以直接通过与生物探针进行电化学反应来实现检测，提升了生物靶标物质的检测的便利性；进一步地，本发明实施例描述的一种电化学生物传感器的用途还通过聚苯胺将能用于检测的生物活性物质固定到工作电极上，从而提升了电信号传递更快速，提升生物靶标物质的检测结果的可见性。
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的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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)

1.一种电化学生物传感器，其特征在于，所述电化学生物传感器包括芯片基板、工作电极、参比电极、辅助电极、固态电解质物质以及生物探针，所述固态电解质物质固定在所述工作电极、参比电极以及辅助电极的表面，所述生物探针电连接到所述工作电极上。
2.根据权利要求1所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述生物探针包括生物活性物质以及聚苯胺，所述生物活性物质通过所述聚苯胺连接到所述工作电极。
3.根据权利要求2所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述工作电极为圆盘电极。
4.根据权利要求3所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述圆盘电极直径范围为1mm-10mm。
5.根据权利要求4所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述圆盘电极的材料包括金、铂金、铜、玻碳、FTO以及ITO。
6.根据权利要求5所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述生物活性物质包括单克隆抗体蛋白、多克隆抗体蛋白、核酸适配体、酶以及肽链结构。
7.根据权利要求5所述的电化学生物传感器，其特征在于，所述电化学生物传感器还包括多孔膜，所述多孔膜用于过滤杂质。
8.一种电化学生物传感器的检测方法，其特征在于，所述检测方法由如权利要求1-7任一项所述的电化学生物传感器执行，所述检测方法包括：
获取待检测的生物样本，并使所述固态电解质物质溶解于所述生物样本中，从而获得反应溶液；
所述反应溶液与所述工作电极相反应，并输出所述生物样本对应的电流值；
将所述电流值与预设的检测标准电流曲线进行对比，并根据所述对比结果输出生物检测结果。
9.一种将如权利要求8所述的电化学生物传感器的检测方法应用于新冠病毒检测的用途。
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