CN115060773A - 一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统 - Google Patents

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CN115060773A CN202210518951.2A CN202210518951A CN115060773A CN 115060773 A CN115060773 A CN 115060773A CN 202210518951 A CN202210518951 A CN 202210518951A CN 115060773 A CN115060773 A CN 115060773A
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Abstract

本发明申请公开了一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统，在内窥镜上设置集成的传感器电极，利用传感器电极的pH敏感膜以及钠离子敏感膜与生物标记物产生电化学效应，产生pH以及钠离子浓度相关的目标电信号，实现了对组织液的pH以及钠离子浓度的原位检测；并且利用金属导电层与不锈钢钢丝基底形成的ROS电极通道与生物标记物产生电化学效应，产生ROS相关的目标电信号，实现了对组织液的ROS的原位检测，从而实现了对组织液多参数的原位检测，提高了检测结果获取的实时性，为临床分析带来了便利性。并且由于无需对组织液采取额外的外部分析环节，大大降低了体内诊断的成本。本发明可广泛应用于生物组织液传感技术领域。

Description

一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统
技术领域
本发明涉及生物组织液传感技术领域，尤其是一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统。
背景技术
临床上，内窥镜通常与组织切除装置和电子仪器集成，可以实现多种临床治疗功能，如阑尾切除术、腹腔镜引流术、食管和胆囊的切除术。通过使用内窥镜，临床医生可直接观察患者体内的病变。
然而，目前对消化系统各种疾病的诊断仍然依赖于体内光学成像和需要组织提取的外部分析，缺乏对分析物(如代谢物和电解质离子)的实时体内分析，缺乏对生理状态的准确分析。而增加的外部分析环节会大大增加诊断的成本，并且分析结果往往无法实时获取，为临床分析带来了诸多的不便。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统。
本发明实施例第一部分所采取的技术方案是：
一种传感器电极，包括：
金属导电层；
不锈钢钢丝基底，设置在所述金属导电层的一侧，所述不锈钢钢丝基底上涂敷有导电浆料；
第一电极通道，包括第一导电层和pH敏感膜，所述第一导电层设置在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧，所述pH敏感膜设置在所述第一导电层远离所述金属导电层的一侧；
第二电极通道，包括第二导电层和钠离子敏感膜，所述第二导电层设置在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧，所述钠离子敏感膜设置在所述第二导电层远离所述金属导电层的一侧。
作为一种可选的实施方式，所述金属导电层包括金层和铂层，所述金层设置在靠近所述不锈钢钢丝基底的一侧，所述铂层设置在所述金层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧。
作为一种可选的实施方式，所述第一导电层和所述第二导电层为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐。
本发明实施例第二部分所采取的技术方案是：
一种传感器电极的制备方法，包括以下步骤：
制备不锈钢钢丝基底，在所述不锈钢钢丝基底上涂敷导电浆料；
在所述不锈钢钢丝基底上通过电镀和电沉积制备金属导电层；
在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备第一导电层和第二导电层；
在所述第一导电层远离所述金属导电层的一侧制备pH敏感膜；
在所述第二导电层远离所述金属导电层的一侧制备钠离子敏感膜。
作为一种可选的实施方式，所述金属导电层包括金层和铂层；
所述在所述不锈钢钢丝基底上通过电镀和电沉积制备金属导电层，包括：
在所述不锈钢钢丝基底上以10mA电镀金5min，通过电沉积形成所述金层；
在所述金层上以5mA电镀铂5min，通过电沉积形成所述铂层。
作为一种可选的实施方式，所述第一导电层和所述第二导电层为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐；
所述在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备第一导电层和第二导电层，包括：
采用包含0.01M EDOT和0.1M NaPSS的溶液通过电聚合在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐，形成所述第一导电层和所述第二导电层。
本发明实施例第三部分所采取的技术方案是：
一种传感器电极阵列，包括：
第一部分所述的传感器电极组成的阵列。
本发明实施例第四部分所采取的技术方案是：
一种系统，包括：
内窥镜，用于拍摄影像；
滑动模块，滑动设置在所述内窥镜的表面上；
第三部分所述的传感器电极阵列，固定设置在所述滑动模块上，所述传感器电极阵列用于与生物标记物产生电化学响应生成目标电信号；
控制模块，用于控制所述滑动模块的滑动，用于获取所述影像和所述目标电信号。
作为一种可选的实施方式，所述控制模块包括三电极电路，所述三电极电路用于调控所述传感器电极阵列中工作的电极的电势差以及实现电流放大并转换为电压。
作为一种可选的实施方式，所述控制模块中还包括通讯模块，所述通讯模块用于将所述影像和所述目标电信号发送给配对成功的处理终端。
本发明实施例的一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统，在内窥镜上设置集成的传感器电极，利用传感器电极第一电极通道上的pH敏感膜以及第二电极通道上的钠离子敏感膜与生物标记物产生电化学效应，产生pH以及钠离子浓度相关的目标电信号，实现了对组织液的pH以及钠离子浓度的原位检测；并且利用金属导电层与不锈钢钢丝基底形成的ROS电极通道与生物标记物产生电化学效应，产生ROS相关的目标电信号，实现了对组织液的ROS的原位检测，从而实现了对组织液多参数的原位检测，提高了检测结果获取的实时性，为临床分析带来了便利性。并且由于无需对组织液采取额外的外部分析环节，大大降低了体内诊断的成本。
附图说明
图1为本发明实施例一种传感器电极的结构示意图；
图2为本发明实施例一种传感器电极的制备方法流程图；
图3为本发明实施例一种传感器电极的形貌图；
图4为本发明实施例一种系统的结构示意图；
图5为本发明实施例一种系统的控制模块的结构示意图；
图6为本发明实施例一种传感器电极的ROS电极通道的性能曲线图；
图7为本发明实施例一种传感器电极的第一电极通道的性能曲线图；
图8为本发明实施例一种传感器电极的第二电极通道的性能曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
临床上，内窥镜通常与组织切除装置和电子仪器集成，可以实现多种临床治疗功能，如阑尾切除术、腹腔镜引流术、食管和胆囊的切除术。通过使用内窥镜，临床医生可直接观察患者体内的病变。
然而，目前对消化系统各种疾病的诊断仍然依赖于体内光学成像和需要组织提取的外部分析，缺乏对分析物(如代谢物和电解质离子)的实时体内分析，缺乏对生理状态的准确分析。而增加的外部分析环节会大大增加诊断的成本，并且分析结果往往无法实时获取，为临床分析带来了诸多的不便。
为此，本发明实施例提出了一种传感器电极及其制备方法、传感器电极阵列和系统，在内窥镜上设置集成的传感器电极，利用传感器电极第一电极通道上的pH敏感膜以及第二电极通道上的钠离子敏感膜与生物标记物产生电化学效应，产生pH以及钠离子浓度相关的目标电信号，实现了对组织液的pH以及钠离子浓度的原位检测；并且利用金属导电层与不锈钢钢丝基底形成的ROS电极通道与生物标记物产生电化学效应，产生ROS相关的目标电信号，实现了对组织液的ROS的原位检测，从而实现了对组织液多参数的原位检测，提高了检测结果获取的实时性，为临床分析带来了便利性。并且由于无需对组织液采取额外的外部分析环节，大大降低了体内诊断的成本。
如图1所示，本发明实施例一方面提出了一种传感器电极，包括：
金属导电层；
不锈钢钢丝基底101，设置在所述金属导电层的一侧，所述不锈钢钢丝基底上涂敷有导电浆料；
第一电极通道，包括第一导电层102和pH敏感膜103，所述第一导电层102设置在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底101的一侧，所述pH敏感膜103设置在所述第一导电层102远离所述金属导电层的一侧，如图1(a)所示；
第二电极通道，包括第二导电层104和钠离子敏感膜105，所述第二导电层104设置在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底101的一侧，所述钠离子敏感膜105设置在所述第二导电层104远离所述金属导电层的一侧，如图1(b)所示。
其中，通过在不锈钢钢丝基底上涂敷导电浆料形成参比电极。在本发明的一个实施例中，为了便于进行体内的原位检测，形成不锈钢钢丝基底101的钢丝直径大于0.1mm，小于3mm。
本发明实施例利用传感器电极第一电极通道上的pH敏感膜103以及第二电极通道上的钠离子敏感膜105与生物标记物产生电化学效应，产生pH以及钠离子浓度相关的目标电信号，实现了对组织液的pH以及钠离子浓度的原位检测，无需在内窥镜常规检测时进行组织采样和离体检测，提高了生物组织液检测分析的效率，并降低了成本。
可以理解的是，电化学效应方法相较于光学分析法和化学分析法具有更高的灵敏度和可靠性。生物标记物是用于评估正常或异常生物过程和疾病发展的生物分子。生物标志物的水平波动反映了微观生理环境的变化，对生物标志物的监测可以在分子水平上洞察使用者的健康状况。其中，钠离子的浓度在一定程度上反映了人体的电解质平衡，间质液的pH值反映了体内的酸碱平衡和代谢情况。此外，活性氧浓度的增加水平往往反映体内炎症的程度。
此外，本发明实施例利用金属导电层与不锈钢钢丝基底101形成的ROS电极通道与生物标记物产生电化学效应，产生ROS相关的目标电信号，实现了对组织液的ROS的原位检测，从而结合第一电极通道和第二电极通道实现了对组织液多参数的原位检测。其中，不锈钢钢丝基底101作为对电极，覆盖在不锈钢钢丝基底上的金属导电层作为ROS电极，从而形成ROS电极通道，如图1(c)所示。
作为一种可选的实施方式，所述金属导电层包括金层106和铂层107，所述金层106设置在靠近所述不锈钢钢丝基底101的一侧，所述铂层107设置在所述金层106远离所述不锈钢钢丝基底101的一侧。
作为一种可选的实施方式，所述第一导电层102和所述第二导电层104为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。
另一方面，基于图1所示的一种传感器电极，本发明实施例提供了一种传感器电极的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S201、制备不锈钢钢丝基底，在所述不锈钢钢丝基底上涂敷导电浆料；
具体地，通过湿化学腐蚀的方法，酸洗除去不锈钢钢丝基底表面的氧化层，并在不锈钢钢丝基底上涂敷导电浆料形成参比电极。在本发明的实施例中，在不锈钢钢丝基底上涂敷银/氯化银导电浆料，并在80℃环境下烘烤3h以上。在本发明的实施例中，为了便于进行体内的原位检测，形成不锈钢钢丝基底的钢丝为圆柱状，直径大于0.1mm，小于3mm。可选地，通过机械加工的方式将不锈钢钢丝基底的钢丝加工成圆锥状，圆锥状的不锈钢钢丝基底形成的参比电极可以通过微针以近无创的方法进行透皮检测，从而采集更丰富的生理信息。
S202、在所述不锈钢钢丝基底上通过电镀和电沉积制备金属导电层；
其中，所述金属导电层包括金层和铂层。
具体地，在所述不锈钢钢丝基底上以10mA电镀金5min，通过电沉积形成所述金层；在所述金层上以5mA电镀铂5min，通过电沉积形成所述铂层。
S203、在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备第一导电层和第二导电层；
其中，所述第一导电层和所述第二导电层为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。第一导电层和第二导电层作为传感器电极的电子传导层，实现了直接电子传递(DET)，增加了传感器电极的电化学活性。
具体地，采用包含0.01M EDOT和0.1M NaPSS的溶液通过电聚合在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐，形成所述第一导电层和所述第二导电层。
S204、在所述第一导电层远离所述金属导电层的一侧制备pH敏感膜；
具体地，在所述第一导电层远离所述金属导电层的一侧加入pH敏感膜溶液，待静置干燥后在真空中酸化5h以上，完成pH敏感膜的制备，形成第一电极通道。
S205、在所述第二导电层远离所述金属导电层的一侧制备钠离子敏感膜。
具体地，在所述第二导电层远离所述金属导电层的一侧加入钠离子敏感膜溶液，待静置干燥后完成钠离子敏感膜的制备，形成第二电极通道。
图3示出了本发明实施例一种传感器电极的SEM形貌表征图。参照图3可知，在电沉积后，在电镀了金层和铂层的电极表面出现了明显的金铂颗粒。而在制备PEDOT:PSS后，由于PEDOT:PSS层的覆盖，传感器电极表面的不平整度增加，金铂颗粒被新沉积的材料覆盖。
另一方面，基于图1所示的一种传感器电极，本发明实施例提供了一种传感器电极阵列，所述的传感器电极阵列为图1所示的传感器电极组成的阵列。
具体地，在本发明的实施例中，传感器电极通过环绕型排布、密集并排型排布和集束型排布组成传感器电极阵列。
另一方面，参照图4，本发明实施例提供了一种系统，包括：
内窥镜401，用于拍摄影像；
滑动模块402，滑动设置在所述内窥镜401的表面上；
前面所述的传感器电极阵列403，固定设置在所述滑动模块402上，所述传感器电极阵列403用于与生物标记物产生电化学响应生成目标电信号；
控制模块404，用于控制所述滑动模块402的滑动，用于获取所述影像和所述目标电信号。
其中，图4(a)为本发明实施例的系统的主视图，图4(b)为本发明实施例的系统的侧视图。内窥镜401采用临床使用内窥镜或纤维内窥镜；在本发明的一个实施例中，滑动模块402通过滑轨安装在内窥镜401的表面上，实现滑动模块402上传感器电极阵列403的整体滑动，便于传感器电极阵列403与待检测分析的生物标记物产生电化学响应生成目标电信号。可选地，控制模块404通过电传的方式控制滑动模块402的滑动，或者，控制模块404通过液压的方式控制滑动模块402的滑动，本发明对此不作限定。
可以理解的是，本发明实施例通过传感器电极阵列403与生物标记物产生电化学响应生成目标电信号，从而将人体疾病相关的一些生物标志物列入检测范围，并结合内窥镜401的成像结果综合分析，有利于实时综合判断患者的病情，提高检测效率。
作为一种可选的实施方式，所述控制模块404包括三电极电路，所述三电极电路用于调控所述传感器电极阵列403中工作的电极的电势差以及实现电流放大并转换为电压。
其中，参照图5，控制模块404的三电极电路包括电压跟随器、控制放大器、反馈跟随器和跨阻放大器。
具体地，电压跟随器能够起到阻抗匹配的作用，调控参比电极和工作电极(第一电极通道、第二电极通道以及ROS电极通道)的电势差，跨阻放大器将工作电极上通过的电流放大并转换为相应的电压。跨阻放大器实现电流到电压的反馈转换，产生的电压经过电路芯片读取转换得到电流信号。在本发明的实施例中，控制模块404的MCU采用单片机芯片或ARM处理器芯片实现，如STM32F103芯片。
作为一种可选的实施方式，所述控制模块404中还包括通讯模块，所述通讯模块用于将所述影像和所述目标电信号发送给配对成功的处理终端。
其中，在本发明的实施例中，通讯模块选用Wi-Fi模块或者蓝牙模块实现，如CC2640R2F芯片。通过串口透传的方式将MCU的采集到的数据(影像和目标电信号)发送到配对成功的处理终端以进行处理。
本发明实施例在内窥镜上设置集成的传感器电极(传感器电极阵列)，利用传感器电极第一电极通道上的pH敏感膜以及第二电极通道上的钠离子敏感膜与生物标记物产生电化学效应，产生pH以及钠离子浓度相关的目标电信号，实现了对组织液的pH以及钠离子浓度的原位检测；并且利用金属导电层与不锈钢钢丝基底形成的ROS电极通道与生物标记物产生电化学效应，产生ROS相关的目标电信号，实现了对组织液的ROS的原位检测，从而实现了对组织液多参数的原位检测，提高了检测结果获取的实时性，为临床分析带来了便利性。并且由于无需对组织液采取额外的外部分析环节，大大降低了体内诊断的成本。
图6为本发明实施例利用金属导电层与不锈钢钢丝基底101形成的ROS电极通道的性能曲线图。通过在PBS中连续添加分析物H2O2，并对其进行计时电流测试(在PBS中每次滴加2mM H2O2溶液，每次响应时间持续30s，重复测量3-5次)，结果如图6所示。由此可知，ROS电极通道对H2O2的电流响应呈现良好的线性，其中R2为0.995。
图7为本发明实施例的第一电极通道(pH敏感膜)的性能曲线图。通过在不同pH值的pH缓存溶液(6-8)中对第一电极通道(pH敏感膜)的性能连续分析，测试其开路电压。从pH为6的溶液开始，每0.5pH设置一个测试梯度，每组溶液测试20s,稳定后，再测试下一组溶液。重复测量3-5次。其结果如图7所示。由此可知，第一电极通道(pH敏感膜)对pH的电压响应呈现良好的线性，其中R2为0.998。
图8为本发明实施例的第二电极通道(钠离子敏感膜)的性能曲线图。通过在不同钠离子浓度值的钠离子溶液对第二电极通道(钠离子敏感膜)的性能连续分析，通过在去离子水中连续添加分析物钠离子溶液测试其开路电压。待20s稳定后，在去离子水中依次滴加10mM、10mM、20mM、40mM、80mM溶液，连续滴加5次，每次响应时间持续20s，重复测量3-5次。其结果如附图8所示。由此可知第二电极通道(钠离子敏感膜)对钠离子的电压响应呈现良好线性，其中R2为0.99。
人类组织液中，正常pH范围7.0-7.5，正常钠离子范围140mM-145mM，而ROS浓度大于1mM可以认为机体发生细胞损伤产生炎症。因此，结合图6-8所示，利用本发明实施例的传感器电极(传感器电极阵列)检测患者各生物标志物水平是可行的。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种传感器电极，其特征在于，包括：
金属导电层；
不锈钢钢丝基底，设置在所述金属导电层的一侧，所述不锈钢钢丝基底上涂敷有导电浆料；
第一电极通道，包括第一导电层和pH敏感膜，所述第一导电层设置在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧，所述pH敏感膜设置在所述第一导电层远离所述金属导电层的一侧；
第二电极通道，包括第二导电层和钠离子敏感膜，所述第二导电层设置在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧，所述钠离子敏感膜设置在所述第二导电层远离所述金属导电层的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种传感器电极，其特征在于，所述金属导电层包括金层和铂层，所述金层设置在靠近所述不锈钢钢丝基底的一侧，所述铂层设置在所述金层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧。
3.根据权利要求1所述的一种传感器电极，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐。
4.一种传感器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备不锈钢钢丝基底，在所述不锈钢钢丝基底上涂敷导电浆料；
在所述不锈钢钢丝基底上通过电镀和电沉积制备金属导电层；
在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备第一导电层和第二导电层；
在所述第一导电层远离所述金属导电层的一侧制备pH敏感膜；
在所述第二导电层远离所述金属导电层的一侧制备钠离子敏感膜。
5.根据权利要求4所述的一种传感器电极的制备方法，其特征在于，所述金属导电层包括金层和铂层；
所述在所述不锈钢钢丝基底上通过电镀和电沉积制备金属导电层，包括：
在所述不锈钢钢丝基底上以10mA电镀金5min，通过电沉积形成所述金层；
在所述金层上以5mA电镀铂5min，通过电沉积形成所述铂层。
6.根据权利要求4所述的一种传感器电极的制备方法，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐；
所述在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备第一导电层和第二导电层，包括：
采用包含0.01M EDOT和0.1M NaPSS的溶液通过电聚合在所述金属导电层远离所述不锈钢钢丝基底的一侧制备聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐，形成所述第一导电层和所述第二导电层。
7.一种传感器电极阵列，其特征在于，包括：
权利要求1-3任一项所述的传感器电极组成的阵列。
8.一种系统，其特征在于，包括：
内窥镜，用于拍摄影像；
滑动模块，滑动设置在所述内窥镜的表面上；
权利要求7所述的传感器电极阵列，固定设置在所述滑动模块上，所述传感器电极阵列用于与生物标记物产生电化学响应生成目标电信号；
控制模块，用于控制所述滑动模块的滑动，用于获取所述影像和所述目标电信号。
9.根据权利要求8所述的一种系统，其特征在于，所述控制模块包括三电极电路，所述三电极电路用于调控所述传感器电极阵列中工作的电极的电势差以及实现电流放大并转换为电压。
10.根据权利要求8所述的一种系统，其特征在于，所述控制模块中还包括通讯模块，所述通讯模块用于将所述影像和所述目标电信号发送给配对成功的处理终端。
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