CN115078495A - 一种结合夹心式生物传感器的便携式幽门螺杆菌检测仪 - Google Patents
一种结合夹心式生物传感器的便携式幽门螺杆菌检测仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种结合夹心式生物传感器的便携式幽门螺杆菌检测仪。该便携式幽门螺杆菌检测仪主要由夹心式生物传感器和便携式电化学检测仪组成。便携式电化学检测仪由微控制器模块、电压扫描模块、恒电位模块、电流测量模块、低通滤波模块、数据采集模块、串口传输模块和显示模块组成。首先，微控制器控制电压扫描模块产生恒定的电压激励通过恒电位模块施加在生物传感器上；其次，利用电流测量模块将生物传感器得到的电流信号转化成电压信号；再然后，数据采集模块采集被低通滤波后的电压信号；最终，微控制器对采集的电压信号进行处理并通过串口传输模块将检测数据传输至显示模块进行显示。
Description
技术领域
本发明属于电化学分析领域，尤其涉及一种结合夹心式生物传感器的便携式幽门螺杆菌检测仪。
背景技术
幽门螺杆菌是一种常见的致病菌，可通过粪便、饮用水、食物和口腔等渠道在人群中传播。一旦被幽门螺杆菌感染，如果没有经过治疗，就会导致终生感染，并且可能导致胃溃疡、胃癌等严重后果。研究认为，幽门螺杆菌我国感染率达到50％以上，因此对幽门螺杆菌的诊断显得极为重要。目前，临床上使用的测试手段虽然准确，但存在价格昂贵、操作复杂、需要专业技术人员的局限，难以用于日常的普遍筛查。
在电化学检测领域，一般将用于电化学生物传感器的检测电路统称为电化学检测仪器。目前，市售的电化学仪器虽然有着卓越的电化学检测性能，但存在着便携性较差、成本较高的缺点；科研工作者开发的便携式电化学仪器虽解决了部分市售的电化学仪器的弊端，但并不能够量体裁衣的用于检测幽门螺杆菌。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结合夹心式生物传感器的便携式幽门螺杆菌检测仪。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种夹心式生物传感器，主要由三电极体系、纳米粒子、生物识别元件组成；夹心式生物传感器的制备方法包括：
(1)采用电化学沉积方法，使得纳米粒子修饰在三电极体系的工作电极表面，之后将得到的工作电极，清洗并干燥；
(2)将生物识别元件，加入步骤(1)得到的工作电极表面，放在恒温环境中保湿孵育，之后将得到的工作电极，清洗并干燥；
(3)将6-巯基己醇溶液，滴加在步骤(2)得到的工作电极表面，并放在恒温环境中保湿孵育，之后将得到的工作电极，清洗并干燥，最终得到夹心式生物传感器。
进一步地，步骤(1)采用的电化学沉积方法为电流时间法或循环伏安法。
进一步地，所述三电极体系使用丝网印刷电极或者由电极棒所组成的电化学反应发生场所。
进一步地，所述纳米粒子为金纳米粒子。
进一步地，所述生物识别元件为核酸适配体，序列为5’-SH-(CH2)6-CCAGGAGGACCCTATTCTCGTGTATCGACGAGATCCAGTG-3’。
进一步地，夹心式生物传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在空白的丝网印刷电极表面，滴加氯金酸溶液，采用电化学沉积方法，使得金纳米粒子修饰在三电极体系的工作电极表面，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；
(2)将核酸适配体溶液，滴加在步骤(1)得到的丝网印刷电极表面后，放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；
(3)将6-巯基己醇溶液，滴加在步骤(2)得到的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干，最终得到夹心式生物传感器。
一种便携式幽门螺杆菌检测仪，主要由上述夹心式生物传感器、信号探针和便携式电化学检测仪组成；所述信号探针与夹心式生物传感器中的生物识别元件结合形成的夹心结构，能够特异性识别幽门螺杆菌；所述便携式电化学检测仪，用于在与信号探针结合的夹心式生物传感器三电极体系上施加激励信号，将生物化学信号转变成电信号以及检测由三电极体系响应后得到的电信号。
进一步地，所述信号探针为被辣根过氧化氢酶标记的单克隆抗体。
进一步地，所述便携式幽门螺杆菌检测仪的工作过程包括：
(a)将夹心式生物传感器的三电极体系连接便携式电化学检测仪；
(b)将待测样本，滴加在制备好的夹心式生物传感器的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；
(c)将辣根过氧化氢酶/单克隆抗体混合溶液，滴加在步骤(b)得到的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；此时形成了夹心结构；
(d)在夹心结构上滴加3,3',5,5'-四甲基联苯胺/过氧化氢混合溶液；
(e)所述便携式电化学检测仪使用电流时间法进行电化学检测，采集三电极体系响应后得到的电信号，结合拟合曲线，最终得到待测样本中的幽门螺杆菌浓度；
其中，所述拟合曲线由标定得到，具体为：对不同浓度的幽门螺杆菌样本执行步骤(b)～(d)，计算幽门螺杆菌浓度和三电极体系响应的电信号的拟合曲线。
进一步地，所述便携式电化学检测仪，主要由微控制器模块、电压扫描模块、恒电位模块、电流测量模块、低通滤波模块、数据采集模块、串口传输模块和显示模块组成；夹心式生物传感器的三电极体系，连接便携式电化学检测仪的恒电位模块和电流测量模块；便携式电化学检测仪的工作流程包括：
首先，微控制器模块，控制电压扫描模块，产生恒定的电压激励，通过恒电位模块，施加在夹心式生物传感器的三电极体系上；
然后，电流测量模块，将从夹心式生物传感器的三电极体系上，得到的电流信号，转化成电压信号，发送给低通滤波模块；
接着，数据采集模块采集被低通滤波模块处理后的电压信号，将模拟信号转变成数字信号，发送给微控制器模块；
最终，微控制器模块，根据采集的电压信号和拟合曲线，计算得到被测样本的幽门杆菌浓度，并通过串口传输模块，将处理得到的检测结果数据，传输至显示模块进行显示。
进一步地，所述电化学检测方法为电流时间法。
本发明的有益效果是：本发明使用一次性使用的丝网印刷电极，一方面能够应用在即时诊断的相关场所，另一方面能够有效的避免多次检测而造成的污染；本发明能够快速即时的对样本中幽门螺杆菌进行检测，所涉及的传感器具有响应速度快、灵敏度高和特异性高的优点。
附图说明
图3是本发明便携式幽门螺杆菌检测仪的示意图；
图1是本发明便携式幽门螺杆菌检测仪的结构示意图；
图2是本发明夹心式生物传感器检测幽门螺杆菌的原理图；
图4是不同浓度幽门螺杆菌样本的电流时间表征曲线；
图5是本实施例标定的拟合曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行描述。
如图1所示本发明一种夹心式生物传感器，主要由三电极体系、纳米粒子、生物识别元件组成；如图2所示，其制备方法，具体为：
(1)在空白的丝网印刷电极a表面滴加1g/L的氯金酸溶液，使用电化学沉积中的电流时间法，在-300mV电位下沉积600s，使得金纳米粒子修饰在三电极体系的工作电极表面，之后将得到的丝网印刷电极b用去离子水清洗并用N2吹干。
(2)将浓度为1μM的核酸适配体溶液，滴加在步骤(1)所得到丝网印刷电极表面c后，放在4℃恒温冰箱中保湿孵育12小时，之后将得到的丝网印刷电极d用去离子水清洗并用N2吹干。核酸适配体的序列为5’-SH-(CH2)6-CCAGGAGGACCCTATTCTCGTGTATCGACGAGATCCAGTG-3’。
(3)将浓度为1mM的6-巯基己醇溶液，滴加在步骤(2)所得到丝网印刷电极d表面，用于封闭其上的活性位点，并放在4℃恒温冰箱中保湿孵育4小时，之后将得到的丝网印刷电极e用去离子水清洗并用N2吹干，随即得到夹心式生物传感器。
本发明夹心式生物传感器和信号探针结合，可以形成夹心结构，用于特异性识别幽门杆菌，实现过程具体为：
(i)将幽门螺杆菌样本，滴加在制备好的夹心式生物传感器上的丝网印刷电极e表面，并放在4℃恒温冰箱中保湿孵育6小时，之后将得到的丝网印刷电极f用去离子水清洗并用N2吹干，幽门螺杆菌被生物传感器特异性捕获。
(ii)将浓度为1.5mg/mL的辣根过氧化氢酶/单克隆抗体混合溶液，滴加在步骤(i)所得到丝网印刷电极f表面，并放在4℃恒温冰箱中保湿孵育3小时，之后将得到的丝网印刷电极用去离子水清洗并用N2吹干。此时，信号探针与生物传感器特异性识别幽门螺杆菌形成夹心结构g。
(iii)对空白溶液(不含幽门螺杆菌的样本)执行步骤(i)随即得到丝网印刷电极i，对丝网印刷电极i执行步骤(ii)，随即得到丝网印刷电极h。此时由于样本中没有幽门螺杆菌，故不能形成夹心结构，即信号探针不能与夹心式生物传感器结合。
一种便携式幽门螺杆菌检测仪，主要由上述夹心式生物传感器、信号探针和便携式电化学检测仪组成。信号探针主要由辣根过氧化氢酶和单克隆抗体组成。信号探针与夹心式生物传感器结合，可以形成夹心结构，用于特异性识别幽门螺杆菌；便携式电化学检测仪将识别之后的生物化学信号转变成电信号，具体为：在夹心式生物传感器上施加激励信号，以及检测由夹心式生物传感器响应后得到的电信号。便携式电化学检测仪由微控制器模块、电压扫描模块、恒电位模块、电流测量模块、低通滤波模块、数据采集模块、串口传输模块和显示模块组成。其中，电压扫描模块采用IIC总线协议与微控制器模块通信，数据采集模块使用SPI协议与微控制器模块通信，串口传输模块使用UART协议与微控制器模块通信。
如图3所示，便携式电化学检测仪的工作过程包括：
(a)将制备好的夹心式生物传感器的三电极体系部分，插入到便携式电化学检测仪恒电位模块和电流测量模块中。
(b)将待测样本，滴加在制备好的夹心式生物传感器的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干。
(c)将辣根过氧化氢酶/单克隆抗体混合溶液，滴加在步骤(b)得到的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；此时形成了夹心结构。
(d)在夹心式生物传感器的三电极体系表面，滴加3,3',5,5'-四甲基联苯胺/过氧化氢混合溶液。
(e)所述便携式电化学检测仪使用电流时间法进行电化学检测，采集三电极体系响应后得到的电信号，结合拟合曲线，可以得到待测样本中的幽门螺杆菌浓度；这个过程大约需要200s。
具体地，便携式电化学检测仪工作流程如下：首先，微控制器控制电压扫描模块产生恒定的电压激励通过恒电位模块施加在夹心式生物传感器的三电极体系上；其次，利用电流测量模块将从夹心式生物传感器的三电极体系得到的电流信号转化成电压信号，发送给低通滤波模块；接着，数据采集模块采集被低通滤波后的电压信号，转变成数字信号，发送给微控制器模块；最终，微控制器根据采集的电压信号和拟合曲线，计算得到被测样本的幽门杆菌浓度，并通过串口传输模块，将检测数据传输至显示模块进行显示。
其中，所述拟合曲线由标定得到，具体为：对不同梯度浓度的幽门螺杆菌样本执行步骤(b)～(d)，计算幽门螺杆菌浓度和三电极体系响应的电信号的拟合曲线。如图4所示，本发明实施例的检测结果范围为1～105CFU/mL；从图4中可以看出，随着幽门螺杆菌浓度的增加，时间电流法得到的电流值逐渐变大。对时间电流法得到的电流值与幽门螺杆菌浓度的大小进行分析，从图5中可以看出，时间电流法得到的电流值I与幽门螺杆菌浓度的对数值log[c(H.pylori)]之间存在很强的线性关系，I＝-0.924·log[c(H.pylori)]-1.253，相关系数R2＝0.994。因此，对于某一待测样本，根据测得的电流值，对应着该线性关系，可以得到待测样本中幽门螺杆菌的浓度，进而实现对幽门螺杆菌浓度的检测。
本具体实例方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本发明可以有不同于上述的其它实现方式，选用其它试剂材料、调整孵育时间等方法均在本发明专利要求范围之内，只要是在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种夹心式生物传感器，其特征在于，主要由三电极体系、纳米粒子、生物识别元件组成；夹心式生物传感器的制备方法包括：
(1)采用电化学沉积方法，使得纳米粒子修饰在三电极体系的工作电极表面，之后将得到的工作电极，清洗并干燥；
(2)将生物识别元件，加入步骤(1)得到的工作电极表面，放在恒温环境中保湿孵育，之后将得到的工作电极，清洗并干燥；
(3)将6-巯基己醇溶液，滴加在步骤(2)得到的工作电极表面，并放在恒温环境中保湿孵育，之后将得到的工作电极，清洗并干燥，最终得到夹心式生物传感器。
2.如权利要求1所述夹心式生物传感器，其特征在于，步骤(1)采用的电化学沉积方法为电流时间法或循环伏安法。
3.如权利要求1所述夹心式生物传感器，其特征在于，所述三电极体系使用丝网印刷电极或者由电极棒所组成的电化学反应发生场所。
4.如权利要求1所述夹心式生物传感器，其特征在于，所述纳米粒子为金纳米粒子。
5.如权利要求1所述夹心式生物传感器，其特征在于，所述生物识别元件为核酸适配体，序列为5’-SH-(CH2)6-CCAGGAGGACCCTATTCTCGTGTATCGACGAGATCCAGTG-3’。
6.如权利要求1所述夹心式生物传感器，其特征在于，其制备方法，包括如下步骤：
(1)在空白的丝网印刷电极表面，滴加氯金酸溶液，采用电化学沉积方法，使得金纳米粒子修饰在三电极体系的工作电极表面，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；
(2)将核酸适配体溶液，滴加在步骤(1)得到的丝网印刷电极表面后，放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；
(3)将6-巯基己醇溶液，滴加在步骤(2)得到的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干，最终得到夹心式生物传感器。
7.一种便携式幽门螺杆菌检测仪，其特征在于，主要由权利要求1所述夹心式生物传感器、信号探针和便携式电化学检测仪组成；所述信号探针与夹心式生物传感器中的生物识别元件结合形成的夹心结构，能够特异性识别幽门螺杆菌；所述便携式电化学检测仪，用于在与信号探针结合的夹心式生物传感器三电极体系上施加激励信号，将生物化学信号转变成电信号以及检测由三电极体系响应后得到的电信号。
8.如权利要求7所述便携式幽门螺杆菌检测仪，其特征在于，所述信号探针为被辣根过氧化氢酶标记的单克隆抗体。
9.如权利要求7所述便携式幽门螺杆菌检测仪，其特征在于，工作过程包括：
(a)将夹心式生物传感器的三电极体系连接便携式电化学检测仪；
(b)将待测样本，滴加在制备好的夹心式生物传感器的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；
(c)将辣根过氧化氢酶/单克隆抗体混合溶液，滴加在步骤(b)得到的丝网印刷电极表面，并放在4℃恒温环境中保湿孵育，之后将得到的丝网印刷电极，清洗并吹干；此时形成了夹心结构；
(d)在夹心结构上滴加3,3',5,5'-四甲基联苯胺/过氧化氢混合溶液；
(e)所述便携式电化学检测仪使用电流时间法进行电化学检测，采集三电极体系响应后得到的电信号，结合拟合曲线，最终得到待测样本中的幽门螺杆菌浓度；
其中，所述拟合曲线由标定得到，具体为：对不同浓度的幽门螺杆菌样本执行步骤(b)～(d)，计算幽门螺杆菌浓度和三电极体系响应的电信号的拟合曲线。
10.如权利要求7所述便携式幽门螺杆菌检测仪，其特征在于，所述便携式电化学检测仪，主要由微控制器模块、电压扫描模块、恒电位模块、电流测量模块、低通滤波模块、数据采集模块、串口传输模块和显示模块组成；夹心式生物传感器的三电极体系，连接便携式电化学检测仪的恒电位模块和电流测量模块；便携式电化学检测仪的工作流程包括：
首先，微控制器模块，控制电压扫描模块，产生恒定的电压激励，通过恒电位模块，施加在夹心式生物传感器的三电极体系上；
然后，电流测量模块，将从夹心式生物传感器的三电极体系上，得到的电流信号，转化成电压信号，发送给低通滤波模块；
接着，数据采集模块采集被低通滤波模块处理后的电压信号，将模拟信号转变成数字信号，发送给微控制器模块；
最终，微控制器模块，根据采集的电压信号和拟合曲线，计算得到被测样本的幽门杆菌浓度，并通过串口传输模块，将处理得到的检测结果数据，传输至显示模块进行显示。
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