CN115128061A - 一种电化学发光分析仪 - Google Patents

一种电化学发光分析仪 Download PDF

Info

Publication number
CN115128061A
CN115128061A CN202210518683.4A CN202210518683A CN115128061A CN 115128061 A CN115128061 A CN 115128061A CN 202210518683 A CN202210518683 A CN 202210518683A CN 115128061 A CN115128061 A CN 115128061A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrochemiluminescence
unit
detection
data processing
instrument control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210518683.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115128061B (zh
Inventor
章春笋
石延阳
钟金彪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN202210518683.4A priority Critical patent/CN115128061B/zh
Publication of CN115128061A publication Critical patent/CN115128061A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115128061B publication Critical patent/CN115128061B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/76Chemiluminescence; Bioluminescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/02Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a plurality of sample containers moved by a conveyor system past one or more treatment or analysis stations
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

本发明公开一种电化学发光分析仪,包括壳体,壳体内设置有第一隔板和第二隔板,第一隔板与第二隔板垂直设置,壳体内设置有数据处理与仪器控制单元、成像检测单元、电化学反应激励单元、开放式检测单元,壳体前端设有显示屏,壳体后端设有可充电电源,数据处理与仪器控制单元、成像检测单元和电化学反应激励单元位于第二隔板上方,开放式检测单元位于第二隔板下方,成像检测单元设置于第一隔板一侧,数据处理与仪器控制单元和电化学反应激励单元设置于第一隔板另一侧,数据处理与仪器控制单元分别与成像检测单元、电化学反应激励单元、显示屏和可充电电源连接,电化学反应激励单元分别与开放式检测单元和可充电电源连接,显示屏与可充电电源连接。

Description

一种电化学发光分析仪
技术领域
本发明涉及电化学发光检测仪器领域,具体地说,涉及一种电化学发光分析仪。
背景技术
电化学发光(ECL)是电化学与化学发光相结合的一种分析检测技术,具有低背景信号、灵敏度高、线性范围宽以及易于控制等优点,已被广泛应用于生化检测、免疫分析、临床诊断、食品与环境监测等领域。对于电化学发光分析技术,检测器是非常重要的组成部分。一般来讲,电化学发光检测器核心组件为电化学反应激励单元、光信号探测单元和数据处理与仪器控制单元。
目前,电化学反应激励单元可分为双极电化学发光激励单元和三电极电化学发光激励单元。光信号探测单元经常采用单光子探测器和多波长探测器,单光子探测器如光电倍增管PMT、光电二极管等,多波长探测器如互补金属氧化物半导体(CMOS,ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)相机、电荷耦合器件(CCD,charge coupled device)相机等。电化学发光辐射较弱,因此经常需要灵敏度高、时间响应快和接受面积大的光电转换元件。数据处理与仪器控制单元一般选择台式计算机、笔记本电脑。
电化学发光检测器采集到的光信号需要传输并存储到外置电脑上,体积相对庞大,价格相对昂贵,难以便携。同时,电化学发光检测器进行高通量检测时无法实现图像信号的采集、传输与处理的一体化检测,需要外接220V交流电源。现有的电化学发光检测器操作复杂,难以实现现场即时检验(POCT,point-of-care testing),应用上具有一定局限性,而且,一般仅能进行芯片或非芯片检测,或者仅能进行双极电化学发光或三电极电化学发光检测,不具备通用性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供一种体积小、操作简单,能方便进行多种体系的高通量、即时检验的电化学发光分析仪。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种电化学发光分析仪,包括壳体,壳体内设置有第一隔板和第二隔板,第一隔板与第二隔板垂直设置,壳体内设置有数据处理与仪器控制单元、成像检测单元、电化学反应激励单元、开放式检测单元,壳体前端设有显示屏,壳体后端设有可充电电源,
数据处理与仪器控制单元、成像检测单元和电化学反应激励单元位于第二隔板上方,开放式检测单元位于第二隔板下方,成像检测单元设置于第一隔板一侧,数据处理与仪器控制单元和电化学反应激励单元设置于第一隔板另一侧,数据处理与仪器控制单元分别与成像检测单元、电化学反应激励单元、显示屏和可充电电源连接,电化学反应激励单元分别与开放式检测单元和可充电电源连接,显示屏与可充电电源连接;
成像检测单元包括物镜、相机和支架,物镜安装在相机上,相机固定在支架上,支架固定于壳体的第一隔板上;电化学反应激励单元设有双极电化学发光激励电路和三电极电化学发光激励电路;开放式检测单元包括传送台、检测台和检测电极触点,检测台位于传送台上,检测台上放置待测物品电化学发光反应池,检测电极触点与检测台正对设置,检测电极触点分别与待测物品电化学发光反应池的电极以及与电化学反应激励单元的输出端连接;
电化学反应激励单元用于激励待测物品发生电化学发光反应并发出光信号,成像检测单元用于将电化学发光产生的光信号转换成电信号,并传输给数据处理与仪器控制单元,数据处理与仪器控制单元用于处理并存储成像检测单元所发送的电信号,显示屏用于人机界面交互、电化学发光成像预览和显示检测结果。
进一步,壳体、传送台和检测台均采用聚乳酸PLA黑色材料通过3D打印设备打印而成。
进一步,第二隔板上正对物镜的位置设有圆形通光孔,圆形通光孔的直径大于物镜的直径。
进一步,物镜正对检测台上的电化学发光反应池,支架采用位移平台,支架上设置有旋钮,调节旋钮可改变物镜与待测物品的距离。
进一步,电化学反应激励单元的双极电化学发光激励电路和三电极电化学发光激励电路共用一个有机电致发光显示模块,数据处理与仪器控制单元与电化学反应激励单元共同作用实现双极电化学发光和三电极电化学发光同时检测。
进一步,双极电化学发光激励电路还包括第一D/A模块和信号放大器模块,可充电电源提供双极电化学发光激励电路的输入电压,输入电压经过第一D/A模块、信号放大器模块输出激励信号并在有机电致发光显示模块上显示。
进一步,三电极电化学发光激励电路还包括第二D/A模块和恒电位模块,可充电电源提供三电极电化学发光激励电路的输入电压,输入电压经过第二D/A模块、恒电位模块输出激励信号并在有机电致发光显示模块上显示。
进一步,数据处理与仪器控制单元采用基于ARM架构的树莓派4B,数据处理与仪器控制单元内嵌入有多线程的程序,数据处理与仪器控制单元执行程序可以实现电化学发光检测分析。
进一步,数据处理与仪器控制单元内嵌入的程序进行电化学发光检测分析过程如下;
(1)通过相机的应用程序接口(API)对相机的曝光时间,增益模式等参数进行控制,使预览图像最清晰。
(2)以预览图像的左上角为坐标原点,将待检测ECL反应池的每个发光电极的坐标进行区域划分。
(3)记录下整个视野内每个发光区域的发光过程,并以视频流形式保存在树莓派中。
(4)遍历保存的视频,找到每个发光电极区域中发光强度值最大的一帧图片。
(5)对上述的一帧图片进行中值滤波、最大值灰度化、大律算法二值化,以及闭操作后,对图片进行边缘识别,并将所有边缘轮廓保存起来。
(6)遍历保存的边缘轮廓,若轮廓所构成面积小于某一值,则认为该轮廓为噪声,忽略该轮廓,直至准确定位到发光区域的轮廓坐标。
(7)对上述已确定轮廓坐标的发光区域计算平均灰度值,从而实现对待测样品的定量分析。
进一步,可充电电源设有两个输出为5V的USB接口以及一个DC输出接口,两个USB接口分别与数据处理与仪器控制单元和显示屏连接,一个DC输出接口与电化学反应激励单元连接。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明首次实现了一种基于电化学发光的即时检测,便携性高、分析速度快、可以进行高通量检测以及不同体系的定量检测。
2、与传统的电化学发光检测仪器相比,本发明的数据处理与仪器控制单元为树莓派,代替外置电脑,降低成本、减小体积、可充电的电源单元的使用提高了分析仪的集成度与便携性。因此,本发明的分析仪可在户外进行即时检测,这在医院、社区、野外等场景的检测应用中具有重要意义。
3、本发明采用开放式检测窗口单元,可以进行不同体系的检测,既可进行芯片检测又可进行非芯片检测;既可进行湿法检测,又可进行干法检测;既可进行双极电化学发光检测又可进行三电极电化学发光检测,这在生化检测、免疫分析、临床诊断、食品与环境监测等领域具有重要意义。
4、本发明采用自研的电化学反应激励单元,无需使用昂贵的恒电位仪或直流电源,不仅可以分别进行双极电化学发光和三电极电化学发光体系的电化学反应激励,而且能实现同时进行双极电化学发光和三电极电化学发光体系的电化学反应激励。
5、本发明采用CMOS相机成像和自主研发的软件,实现自动、高通量的电化学发光定量检测,填补了目前市场上电化学发光仪器的高通量检测软件上的空白。
6、本发明从光信号采集到样品分析完成仅需30秒左右,操做简单、无需专业人员操作就可实现快速、定量检测。
附图说明
图1为本发明电化学发光分析仪的结构示意图。
图2为本发明电化学发光分析仪的结构示意图。
图3为三电极布芯片上三丙胺TPA浓度分别为0μM、100μM、500μM和2500μM时的电化学发光强度值。
图4为分析仪与电脑端定量检测TPA时的电化学发光强度对比图。
图5是过氧化氢H2O2浓度为0μM、50μM、500μM和2000μM时的电化学发光强度值。
图6为本发明电化学发光分析仪与电脑端定量检测H2O2时的电化学发光强度对比图。
图7为双极多元检测布芯片上TPA浓度分别为100μM、500μM和2500μM时的电化学发光图。
图8为双极布芯片上葡萄糖Glucose浓度分别为0.25mM、1mM和2.5mM时干法检测的电化学发光强度值。
图9为液相三电极体系中TPA浓度分别为100μM、400μM和2000μM时的电化学发光强度值。
图10为同时进行双极电化学发光和三电极电化学发光的检测时,TPA浓度为2.5mM时的电化学发光强度值。
图11为同时进行双极电化学发光和三电极电化学发光的检测时,H2O2浓度为1mM时的电化学发光强度值。
附图标号说明:
壳体-1;第一隔板-11;第二隔板-12;圆形通光孔-13;第一导线孔-14;第二导线孔-15;第三导线孔-16;数据处理与仪器控制单元-2;成像检测单元-3;物镜-31;CMOS相机-32;USB接口-321;支架-33;电化学反应激励单元-4;开放式检测单元-5;传送台-51;检测台-52;检测电极触点-53;显示屏-6;可充电电源-7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明电化学发光分析仪作进一步说明。
请参阅图1和图2,本发明公开了一种电化学发光分析仪,电化学发光分析仪包括壳体1,壳体1内设置有数据处理与仪器控制单元2、成像检测单元3、电化学反应激励单元4、开放式检测单元5。壳体1前端设有显示屏6,壳体1后端设有可充电电源7,数据处理与仪器控制单元2分别与成像检测单元3、电化学反应激励单元4、显示屏6和可充电电源7连接,电化学反应激励单元4分别与开放式检测单元5和可充电电源7连接,显示屏6与可充电电源7连接。
电化学反应激励单元4用于激励待测物品发生电化学发光反应并发出光信号,成像检测单元3用于将电化学发光产生的光信号转换成电信号,并传输给数据处理与仪器控制单元2,数据处理与仪器控制单元2用于处理并存储成像检测单元3所发送的电信号,显示屏6用于人机界面交互、电化学发光成像预览和显示检测结果,可充电电源7单元用于供电。
壳体1内设置有第一隔板11和第二隔板12,第一隔板11与第二隔板12垂直设置,第二隔板12将壳体1分为上下两层,数据处理与仪器控制单元2、成像检测单元3和电化学反应激励单元4位于第二隔板12上方,开放式检测单元5位于第二隔板12下方。成像检测单元3设置于第一隔板11一侧,数据处理与仪器控制单元2和电化学反应激励单元4设置于第一隔板11另一侧。
成像检测单元3包括物镜31、CMOS相机32和支架33,物镜31安装在CMOS相机32上,CMOS相机32固定在支架33上,支架33固定在壳体1上层的第一隔板11上。在物镜31正下方的第二隔板12上切割一个略大于物镜31的圆形通光孔13,使物镜31可收集发光信号。
开放式检测单元5包括传送台51、检测台52和检测电极触点53,检测台52位于传送台51上,检测台52上放置待测物品电化学发光反应池,检测电极触点53与检测台52正对设置,检测电极触点53分别与待测物品电化学发光反应池的电极以及与电化学反应激励单元4的输出端连接。
壳体1上层中数据处理与仪器控制单元2与成像检测单元3的CMOS相机32的USB接口321、与电化学反应激励单元4的通用输入输出(GPIO)的引脚,与显示屏6的高清多媒体接口(HDMI)接口经过第一导线孔14进行连接。下层中检测电极触点53与电化学反应激励单元4的输出端经过第二导线孔15进行连接。为保证开放式检测单元5有良好的黑暗环境,壳体1采用聚乳酸PLA黑色材料通过3D打印设备打印而成。
可充电电源7固定在壳体1的后部,分别与数据处理与仪器控制单元2、电化学反应激励单元4和显示屏6经过第三导线孔16连接,显示屏6镶嵌在壳体1的前部斜面上。具体地,在本实施例中,该壳体1采用3D打印而成,用1.75mm的聚乳酸PLA黑色线材打印,其外观尺寸为长220mm,宽180mm,高215mm。
数据处理与仪器控制单元2为树莓派,在树莓派上安装操作系统、相机驱动、自主研发的软件来实现对仪器的控制以及图像信号的处理与分析。数据处理与仪器控制单元2对仪器的控制,包括对CMOS相机32、电化学反应激励单元4以及显示屏6的控制。数据处理与仪器控制单元2对CMOS相机32的控制包括对其曝光时间、分辨率、增益系数、白平衡等参数的调节;调节曝光时间、分辨率、增益系数、白平衡分别能改变成像的时间分辨率、空间分辨率、灵敏度和色度质量,合理控制这些参数能提高分析仪整体的灵敏度与稳定性。数据处理与仪器控制单元2对电化学反应激励单元4的控制,包括对双极电化学发光、三电极电化学发光的选择及其各自参数的设定。
在本实施例中,采用4GB应用内存的树莓派4B作为数据处理与仪器控制单元2,树莓派4B为64位、1.5GHz、四核的处理器,具有四个USB接口,操作系统安装了CMOS相机的驱动与动态链接库,调用相机应用程序接口API进行程序编写,控制相机的曝光时间范围为0μs~5s之间,增益系数为1~16倍之间,最大分辨率为3072×2048。
数据处理与仪器控制单元2采用基于ARM架构的树莓派4B,数据处理与仪器控制单元2内嵌入有多线程的程序,数据处理与仪器控制单元2执行程序可以实现电化学发光检测分析。
数据处理与仪器控制单元2内嵌入的程序进行电化学发光检测分析过程如下;
(1)通过相机的应用程序接口(API)对相机的曝光时间,增益模式等参数进行控制,使预览图像最清晰。
(2)以预览图像的左上角为坐标原点,将待检测ECL反应池的每个发光电极的坐标进行区域划分。
(3)记录下整个视野内每个发光区域的发光过程,并以视频流形式保存在树莓派中。
(4)遍历保存的视频,找到每个发光电极区域中发光强度值最大的一帧图片。
(5)对上述的一帧图片进行中值滤波、最大值灰度化、大律算法二值化,以及闭操作后,对图片进行边缘识别,并将所有边缘轮廓保存起来。
(6)遍历保存的边缘轮廓,若轮廓所构成面积小于某一值,则认为该轮廓为噪声,忽略该轮廓,直至准确定位到发光区域的轮廓坐标。
(7)对上述已确定轮廓坐标的发光区域计算平均灰度值,从而实现对待测样品的定量分析。
成像检测单元3的物镜31正对放置在检测台52上的待测样品电化学发光反应池,用于收集发光信号。支架33用来调节物镜31与电化学发光反应池之间的距离,使光信号最大限度地透过物镜31进行成像。本实施例中,所选物镜31为C接口的工业相机物镜31,焦距16mm,光圈调到1.4,CMOS相机32有630万像素,曝光时间范围为6μs~7s,有效增益为1-16x;可调整支架33为螺旋支架,并与3D打印的外壳适配而成,3D打印的外壳根据CMOS相机32尺寸设计打印。
电化学反应激励单元4包括双极电化学发光激励电路与三电极电化学发光激励电路,电化学反应激励单元4不仅可以分别进行双极电化学发光和三电极电化学发光的电化学反应激励,而且可以同时进行双极电化学发光和三电极电化学发光的电化学反应激励。
双极电化学发光激励电路中包括第一D/A模块、信号放大器模块、OLED(OrganicLight-Emitting Diode,有机电致发光显示)模块,可充电电源7为双极电化学发光激励电路提供的输入电压为5V,输入电压经过第一D/A模块、信号放大器模块可输出电压的范围为1.25V~32V。三电极电化学发光激励电路包括第二D/A模块、恒电位模块、与双极电化学发光激励电路共用的OLED模块,可充电电源7为双极电化学发光激励电路提供的输入电压为5V,输入电压经过第二D/A模块可输出循环伏安、计时电流等激励信号,激励信号施加在恒电位模块中,提供起止电压为-1.5V~1.5V的循环伏安法、恒定电压为1.5V的计时电流法等,可满足不同的电化学反应激励需求。
开放式检测单元5的检测台52上放置待测样品电化学发光反应池,可以固定待测样品,使待测样品电化学发光反应池与圆形通光孔13对齐,即与成像检测单元3的物镜31对齐。检测电极触点53具有五个,根据不同的电化学反应激励需求,选择不同的检测电极触点53。检测电极触点53设置在检测台52正前方,一边与待测样品电化学发光反应池上的电极相连,另一边与电化学反应激励单元4输出端相连。本实施例中,传送台51和检测台52通过3D打印机打印而成,检测电极触点53采用铜触点。
显示屏6可进行人机界面交互,能够调节CMOS相机32、电化学反应激励单元4的相关参数,以及进行发光过程的实时显示与结果的输出。采用7寸的可触摸的显示屏6,其镶嵌在壳体1的前部斜面上,通过数据线与可充电电源7与数据处理与仪器控制单元2连接。
可充电电源7有2个输出为5V的USB输出接口、2个DC输出接口和1个DC输入接口,2个USB输出接口分别为树莓派1和显示屏6供电,1个DC输出接口为电化学反应激励单元43供电。本实施例中,采用的可充电电源7为可充电的锂电池,容量为38400mAh,其外观为长方体,尺寸长为161mm,宽为138mm,高为33mm。
应用实施例1
本实施例中采用电化学发光分析仪,用三联吡啶钌(Ru(bpy)3 2+)体系定量检测三丙胺(TPA),芯片采用三电极电化学发光布芯片,称为芯片A。
(1)首先把芯片A固定到检测台上,将芯片A的三个电极与相应的三电极电化学发光的电极触点进行连接,启动电化学反应激励单元便可触发电化学发光反应。
(2)往芯片A的反应池中加入检测工作液30μL,等待3~5s,检查芯片A反应池中的工作电极是否对准CMOS相机配置的物镜,通过人机界面调节CMOS相机相关参数使成像最清晰,接着启动CMOS相机录像功能,再启动电化学反应激励单元触发电化学发光反应,此时CMOS相机记录电化学发光反应池的发光过程。
(3)电化学发光反应结束后,通过操作人机界面结束录像功能,与此同时开启数据分析程序,并将分析结果显示并存储到分析仪上。
其中,TPA检测工作液是由浓度为10mM Ru(bpy)3 2+(由蒸馏水配制)和不同浓度TPA溶液(由pH 7.4的磷酸盐缓冲液(PBS)稀释98%TPA得到)等体积混合而成。
首先,验证Ru(bpy)3 2+体系定量检测TPA的可行性,设置检测工作液中TPA浓度为0μM、100μM、500μM和2500μM,电化学反应激励方法为恒定电压为1.5V的计时电流法。图3中的柱状图分别是在TAP浓度为0μM、100μM、500μM和2500μM时分析仪测得的发光强度值(实验重复5次)。从图3可以看出,随着TPA浓度从0μM增加到2500μM,其ECL强度值显著地从1.27×105增加到24.66×105,这表明分析仪可以在Ru(bpy)3 2+体系下定量检测TPA。
其次,验证分析仪与传统数据处理结果的相关性,采用相同的相机和实验条件,通过相机配套的电脑端软件采集发光过程,然后将相机所采集的图像用MATLAB软件进行分析处理,并将电脑端的检测结果与分析仪的检测结果进行对比。
图4中的柱状图是在TPA浓度为0μM、100μM、500μM和2500μM时分析仪与电脑端处理得到的结果(实验重复5次),通过柱状图可以看出两者具有相同的趋势。在TPA浓度为0μM、100μM、500μM和2500μM时,本发明的分析仪测得的ECL强度值分别为1.27×105、3.55×105、9.61×105、24.46×105;在电脑端测得的ECL强度值分别为4.14×105、12.94×105、43.01×105、126.72×105。计算出四个浓度下数据相关性为0.9990,两者具有很好的相关性,表明该分析仪与电脑端的检测结果具有一致性。
应用实施例2
本实施例中采用电化学发光分析仪,用鲁米诺(Luminol)体系定量检测过氧化氢(H2O2),芯片采用三电极电化学发光布芯片,称为芯片A。
(1)首先把芯片A固定到检测台上,将芯片A的三个电极与相应的三电极电化学发光的电极触点进行连接,启动电化学反应激励单元便可触发电化学发光反应。
(2)往芯片A的反应池中加入检测工作液30μL,等待3~5s,检查芯片A反应池中的工作电极是否对准CMOS相机配置的物镜,通过人机界面调节CMOS相机相关参数使成像最清晰,接着启动CMOS相机录像功能,再启动电化学反应激励单元触发电化学发光反应,此时CMOS相机记录电化学发光反应池的发光过程。
(3)电化学发光反应结束后,通过操作人机界面结束录像功能,与此同时开启数据分析程序,并将分析结果显示并存储到分析仪上。
其中,H2O2检测工作液是由浓度为4mM Luminol溶液(由蒸馏水配制)和不同浓度H2O2溶液(由pH 7.49的碳酸盐缓冲液(CBS)稀释得到)等体积混合而成。
首先,验证以Luminol体系定量检测H2O2的可行性,设置检测工作液中H2O2浓度为0μM、50μM、500μM和2000μM,电化学反应激励方法为恒定电压1.5V的计时电流法。图5中的柱状图分别是在H2O2浓度为0μM、50μM、500μM和2000μM时分析仪测得的发光强度值(实验重复5次)。从图5可以看出,随着H2O2浓度从0μM增加到2000μM,其ECL强度值显著地从1.76×105增加到了22.29×105,这表明分析仪可以在Luminol体系下定量检测H2O2
其次,验证分析仪与传统数据处理结果的相关性,采用相同的相机和实验条件,通过相机配套的电脑端软件采集发光过程,然后将相机所采集的图像用MATLAB软件进行分析处理,并将电脑端的检测结果与分析仪的检测结果进行对比。
图6中柱状图是在H2O2浓度分别为0μM、50μM、500μM和2000μM时在分析仪与电脑端处理得到的结果(实验重复5次),通过柱状图可以看出两者具有相同的趋势,在H2O2浓度为0μM、50μM、500μM和2000μM时,本发明的分析仪测得的ECL强度值分别为1.76×105、6.08×105、10.41×105、22.29×105;在电脑端测得的ECL强度值分别为4.46×105、18.65×105、37.79×105、76.77×105;计算出四个浓度下数据相关性为0.9999,两者具有很好的相关性,表明该分析仪与电脑端的检测结果具有一致性。
应用实施例3
本实施例中采用电化学发光分析仪,用Ru(bpy)3 2+体系进行高通量检测,芯片采用一种共享双性电极阴极的电化学发光布芯片,称为芯片B。
(1)首先把芯片B固定到检测台上,将芯片B的三个报告反应池与一个支持反应池与相应的双性电极的电极触点进行连接,同时将芯片B的三个报告反应池对准CMOS相机配置的宏观镜头,保证三个报告反应池都在视野中,通过人机界面调节CMOS相机相关参数使成像最清晰。
(2)往三个报告反应池中分别加入30μL的5mM Ru(bpy)3 2+和不同浓度的TPA混合液(对应TPA的终浓度分别为100μM、500μM、2500μM),往支持反应池中添加30μL 10×PBS,等待3~5s,启动CMOS自动成像功能以采集电化学发光图像,紧接着启动电化学反应激励单元触发电化学发光,记录发光成像数据。
(3)电化学发光反应结束后,通过操作人机界面结束录像功能,与此同时开启数据分析程序,并将分析结果显示并存储到分析仪上。
本实施例来验证高通量定量检测的可行性,图7柱状图分别是在不同TPA浓度下的测量结果(实验重复5次)。从图7可以看出,随着TPA浓度从100μM增加到2500μM,其ECL强度值显著地从0.14×106增加到了5.13×106,表明分析仪可以进行高通量的定量检测。
应用实施例4
本实施例中采用电化学发光分析仪,进行电化学发光芯片的干法检测实验,具体是检测葡糖糖的浓度。芯片采用一种双极电化学发光布芯片,称为芯片C。
(1)将芯片C报告反应池中的闭合式双性电极(C-BPE)阳极先预固定10mMLuminol,预固定过程为:将20μL的10mM Luminol滴加到芯片C的C-BPE阳极上,室温下干燥3小时。
(2)待Luminol干燥完成后,将芯片C报告反应池中的C-BPE阳极再固定葡萄糖氧化酶(GOD),C-BPE阳极固定GOD过程为:将10μL的4.5U/μL GOD滴加到芯片C的C-BPE阳极上,室温下干燥1小时。
(3)将制备好的芯片C固定到检测台上,将芯片C的两个驱动电极与相应的双性电极的电极触点连接,启动电化学反应激励单元便可触发电化学发光反应。芯片C的C-BPE阳极对准CMOS相机配置的物镜,检查C-BPE阳极是否在视野中,通过人机界面调节CMOS相关参数使成像最清晰。
(4)往芯片C报告反应池中滴加不同浓度的葡萄糖溶液20μL(对应葡糖糖终浓度分别为0.25mM、1mM、2.5mM);往芯片C支持反应池中滴加30μL 10×PBS;等待90s,启动CMOS录像功能,紧接着启动电化学反应激励单元触发电化学发光,记录发光成像数据。
(5)电化学发光反应结束后,通过操作人机界面结束录像功能,与此同时开启数据分析程序,并将分析结果显示并存储到分析仪上。
本实施案例来验证芯片干法定量检测的可行性,图8柱状图分别是在不同葡萄糖浓度下的测量结果(实验重复5次)。从图8可以看出,随着葡萄糖浓度从0.25mM增加到2.5mM,其ECL强度值显著地从0.65×106增加到了4.35×106,表明分析仪可以进行芯片上干法定量检测。
应用实施例5
本实施例中采用电化学发光分析仪,进行非芯片检测实验。用碳电极与反应池共同构建一个三电极电化学发光体系,检测工作液采用Ru(bpy)3 2+和TPA混合溶液。
(1)三电极电化学发光体系是以布为衬底的三个网印碳电极(即工作电极、对电极与参比电极)以及一个培养皿反应池。
(2)把电化学发光反应池固定到检测台上,将以布为衬底的三个网印碳电极固定到培养皿反应池中,将三个网印碳电极与相应的三电极电化学发光电极触点连接,构成三电极电化学发光反应体系,启动电化学反应激励单元便可触发电化学发光反应。
(3)往反应池中加入检测工作液2mL,等待3~5s,检查反应池中工作电极是否对准CMOS相机配置的物镜,通过人机界面调节CMOS相机相关参数使成像最清晰,启动CMOS录像功能,紧接着启动电化学反应激励单元触发电化学发光反应,记录发光过程。
(4)电化学发光反应结束后,通过操作人机界面结束录像功能,与此同时开启数据分析程序,并将分析结果显示并存储到分析仪上。
其中,TPA检测工作液是由浓度为10mM Ru(bpy)3 2+(由蒸馏水配制)和不同浓度TPA溶(由pH 7.4的PBS稀释98%TPA得到)等体积混合而成。
检测工作液中TPA浓度为100μM、400μM、2000μM,电化学反应激励方法为1.5V的计时电流法。图9中柱状图分别是在TAP浓度为100μM、400μM、2000μM时测得的ECL强度值(实验重复5次)。从图9可以看出,随着TPA浓度从100μM增加到2000μM,其ECL强度值显著地从3.24×106增加到了15.63×106。这表明该分析仪在非芯片下也可以定量检测。
应用实施例6
本实施例中采用电化学发光分析仪,进行三电极电化学发光与双极电化学发光同时检测的实验,检测工作液采用Ru(bpy)3 2+和TPA的混合溶液以及Luminol和H2O2的混合溶液各检测一次,芯片采用三电极电化学发光与双极电化学发光同时检测的布芯片,称为芯片D。
(1)将芯片D固定到样品台上,将芯片D的五个电极(其中三个电极用于三电极电化学发光,两个电极用于双极电化学发光)与相应的五个电极触点连接,启动电化学反应激励单元便可触发电化学发光反应。
(2)将芯片D的双极电化学发光反应检测区域中的C-BPE阳极先滴加20μL检测工作液,该检测工作液由浓度为10mM Ru(bpy)3 2+(由蒸馏水配制)和5mM TPA溶液(由pH 7.4的PBS稀释98%TPA得到)等体积混合而成;芯片D的双极电化学发光反应检测区域中的C-BPE阴极滴加20μL CBS(pH 10)。
(3)将芯片D的三电极电化学发光检测区域中滴加30μL的工作液,该工作液由浓度为10mM Ru(bpy)3 2+(由蒸馏水配制)和5mM TPA溶液(由pH 7.4的PBS稀释98%TPA得到)等体积混合而成。
(4)芯片D的双极电化学发光检测区域的C-BPE阳极与三电极电化学发光检测区域对准CMOS相机配置的物镜,检查双极电化学发光检测区域的C-BPE阳极与三电极电化学发光检测区域是否在视野中,通过人机界面调节CMOS相机的参数使成像最清晰。等待3~5s,先启动CMOS相机录像功能,再启动电化学反应激励单元触发电化学发光反应,此时CMOS相机记录电化学发光反应池的发光过程。
(5)电化学发光反应结束后,通过操作人机界面结束录像功能,与此同时开启数据分析程序,并将分析结果显示并存储到分析仪上。
(6)更换检测工作液,重复上述1~5步骤,更换的检测工作液由浓度为10mMLuminol溶液(由蒸馏水配制)和2mM H2O2溶液(由pH 7.49的CBS稀释得到)等体积混合而成。
本实施例用来验证三电极电化学发光与双极电化学发光同时检测的可行性,图10与图11的柱状图分别是检测工作液为Ru(bpy)3 2+和TPA混合溶液以及Luminol和H2O2混合溶液时的检测结果(实验重复5次)。从图10和图11可以看出,无论是Ru(bpy)3 2+和TPA混合溶液还是Luminol和H2O2混合溶液,都能检测到对应的电化学发光强度值,这表明分析仪可以进行三电极电化学发光与双极电化学发光同时检测。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明,但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围,凡本发明所揭示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更,均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种电化学发光分析仪,包括壳体,其特征在于:壳体内设置有第一隔板和第二隔板,第一隔板与第二隔板垂直设置,壳体内设置有数据处理与仪器控制单元、成像检测单元、电化学反应激励单元、开放式检测单元,壳体前端设有显示屏,壳体后端设有可充电电源,
数据处理与仪器控制单元、成像检测单元和电化学反应激励单元位于第二隔板上方,开放式检测单元位于第二隔板下方,成像检测单元设置于第一隔板一侧,数据处理与仪器控制单元和电化学反应激励单元设置于第一隔板另一侧,数据处理与仪器控制单元分别与成像检测单元、电化学反应激励单元、显示屏和可充电电源连接,电化学反应激励单元分别与开放式检测单元和可充电电源连接,显示屏与可充电电源连接;
成像检测单元包括物镜、相机和支架,物镜安装在相机上,相机固定在支架上,支架固定于壳体的第一隔板上;电化学反应激励单元设有双极电化学发光激励电路和三电极电化学发光激励电路;开放式检测单元包括传送台、检测台和检测电极触点,检测台位于传送台上,检测台上放置待测物品电化学发光反应池,检测电极触点与检测台正对设置,检测电极触点分别与待测物品电化学发光反应池的电极以及与电化学反应激励单元的输出端连接;
电化学反应激励单元用于激励待测物品发生电化学发光反应并发出光信号,成像检测单元用于将电化学发光产生的光信号转换成电信号,并传输给数据处理与仪器控制单元,数据处理与仪器控制单元用于处理并存储成像检测单元所发送的电信号,显示屏用于人机界面交互、电化学发光成像预览和显示检测结果。
2.如权利要求1的电化学发光分析仪,其特征在于,壳体、传送台和检测台均采用聚乳酸PLA黑色材料通过3D打印设备打印而成。
3.如权利要求1的电化学发光分析仪,其特征在于,第二隔板上正对物镜的位置设有圆形通光孔,圆形通光孔的直径大于物镜的直径。
4.如权利要求1的电化学发光分析仪,其特征在于,物镜正对检测台上的电化学发光反应池,支架采用位移平台,支架上设置有旋钮,调节旋钮可改变物镜与待测物品的距离。
5.如权利要求1的电化学发光分析仪,其特征在于,电化学反应激励单元的双极电化学发光激励电路和三电极电化学发光激励电路共用一个有机电致发光显示模块,数据处理与仪器控制单元与电化学反应激励单元共同作用实现双极电化学发光和三电极电化学发光同时检测。
6.如权利要求5的电化学发光分析仪,其特征在于,双极电化学发光激励电路还包括第一D/A模块和信号放大器模块,可充电电源提供双极电化学发光激励电路的输入电压,输入电压经过第一D/A模块、信号放大器模块输出激励信号并在有机电致发光显示模块上显示。
7.如权利要求5的电化学发光分析仪,其特征在于,三电极电化学发光激励电路还包括第二D/A模块和恒电位模块,可充电电源提供三电极电化学发光激励电路的输入电压,输入电压经过第二D/A模块、恒电位模块输出激励信号并在有机电致发光显示模块上显示。
8.如权利要求1的电化学发光分析仪,其特征在于,数据处理与仪器控制单元采用基于ARM架构的树莓派4B,数据处理与仪器控制单元内嵌入有多线程的程序,数据处理与仪器控制单元执行程序可以实现电化学发光检测分析。
9.如权利要求8的电化学发光分析仪,其特征在于,数据处理与仪器控制单元内嵌入的程序进行电化学发光检测分析过程如下;
(1)通过相机的应用程序接口对相机参数进行控制,使预览图像最清晰;
(2)以预览图像的左上角为坐标原点,将电化学发光电极的坐标进行区域划分;
(3)记录相机视野内发光区域的发光过程,以视频流形式保存;
(4)遍历保存的视频,找到发光电极区域中发光强度值最大的一帧图片;
(5)图片预处理后,对图片进行边缘识别,并将所有边缘轮廓保存起来;
(6)遍历保存的边缘轮廓,根据轮廓面积进行筛选,定位发光区域的轮廓坐标;
(7)对确定轮廓坐标的发光区域计算平均灰度值,从而实现对待测样品的定量分析。
10.如权利要求1的电化学发光分析仪,其特征在于,可充电电源设有两个输出为5V的USB接口以及一个DC输出接口,两个USB接口分别与数据处理与仪器控制单元和显示屏连接,一个DC输出接口与电化学反应激励单元连接。
CN202210518683.4A 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学发光分析仪 Active CN115128061B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210518683.4A CN115128061B (zh) 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学发光分析仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210518683.4A CN115128061B (zh) 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学发光分析仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115128061A true CN115128061A (zh) 2022-09-30
CN115128061B CN115128061B (zh) 2024-06-28

Family

ID=83375970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210518683.4A Active CN115128061B (zh) 2022-05-13 2022-05-13 一种电化学发光分析仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115128061B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115980163A (zh) * 2023-03-17 2023-04-18 武汉理工大学 一种便携式肿瘤dna的电化学发光检测装置及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11352064A (ja) * 1998-06-10 1999-12-24 Hitachi Ltd 電気化学発光分析装置
JPH11352100A (ja) * 1998-06-10 1999-12-24 Hitachi Ltd 電気化学発光分析装置
KR20050023455A (ko) * 2002-07-23 2005-03-09 더 텍사스 에이 & 엠 유니버시티 시스템 전기화학 이벤트의 광 신호 보고
WO2016145539A1 (en) * 2015-03-18 2016-09-22 The Royal Institution For The Advancement Of Learning/Mcgill University Electrochemical flow cell and ultramicroelectrode
CN106018389A (zh) * 2016-05-20 2016-10-12 华南师范大学 手持式poct双性电极-电化学发光装置及其应用
CN107064116A (zh) * 2017-03-01 2017-08-18 浙江大学 一种基于手机usb‑otg接口的电化学发光生化检测系统及方法
KR20190094648A (ko) * 2018-02-05 2019-08-14 숭실대학교산학협력단 전기화학발광소자용 계측 장치 및 그 방법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11352064A (ja) * 1998-06-10 1999-12-24 Hitachi Ltd 電気化学発光分析装置
JPH11352100A (ja) * 1998-06-10 1999-12-24 Hitachi Ltd 電気化学発光分析装置
KR20050023455A (ko) * 2002-07-23 2005-03-09 더 텍사스 에이 & 엠 유니버시티 시스템 전기화학 이벤트의 광 신호 보고
WO2016145539A1 (en) * 2015-03-18 2016-09-22 The Royal Institution For The Advancement Of Learning/Mcgill University Electrochemical flow cell and ultramicroelectrode
CN106018389A (zh) * 2016-05-20 2016-10-12 华南师范大学 手持式poct双性电极-电化学发光装置及其应用
CN107064116A (zh) * 2017-03-01 2017-08-18 浙江大学 一种基于手机usb‑otg接口的电化学发光生化检测系统及方法
KR20190094648A (ko) * 2018-02-05 2019-08-14 숭실대학교산학협력단 전기화학발광소자용 계측 장치 및 그 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG, D等: "Sensitivity enhancement of cloth-based closed bipolar electrochemiluminescence glucose sensor via electrode decoration with chitosan/multi-walled carbon nanotubes/graphene quantum dots-gold nanoparticles", 《BIOSENSORS & BIOELECTRONICS》, vol. 130, 1 April 2019 (2019-04-01), pages 55 - 64 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115980163A (zh) * 2023-03-17 2023-04-18 武汉理工大学 一种便携式肿瘤dna的电化学发光检测装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115128061B (zh) 2024-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108204979B (zh) 用于试纸检测设备中光源校准的方法和装置
KR100753595B1 (ko) 휴대단말기를 이용한 임상화학 측정 시스템 및 그 방법
TW201821616A (zh) 微生物之檢查方法及其裝置
CN108627513A (zh) 一种用于试剂卡的预扫描方法、系统及终端
US11231373B2 (en) Measurement method and measurement device
AU2013306701B2 (en) Method for examining microorganism and device for same
US20230152231A1 (en) Information processing apparatus, information processing method, information processing system, and computer program
CN115128061A (zh) 一种电化学发光分析仪
JPWO2006078036A1 (ja) 生化学検査装置および生化学検査方法
Liu et al. Research on advanced methods of electrochemiluminescence detection combined with optical imaging analysis for the detection of sulfonamides
US20220057362A1 (en) Auxiliary Electrodes and Methods for Using and Manufacturing the Same
CN107991275A (zh) 一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测方法和装置
US20130087467A1 (en) High-performance analytical instrument and method
CN106198496B (zh) 一种高通量的电化学发光检测方法
US20230061508A1 (en) Electrochemical cell devices and methods of manufacturing
CN111504971B (zh) 基于目标响应式3d打印模型与智能手机集成的2,4-二氯苯氧乙酸现场定量检测平台
CN213516977U (zh) 多维电化学检测装置
JP2004004006A (ja) 微生物検査システム
JPH0744707A (ja) 細菌検査装置と検査方法
CN203745471U (zh) 基于图像传感器的胶体金免疫分析的检测系统
CN112924421A (zh) 一种核酸适配体传感器的共振光散射检测分析方法及检测装置
US8963105B2 (en) Image obtaining apparatus, image obtaining method, and image obtaining program
Jiang et al. Design and application of multi-functional electrogenerated chemiluminescence imaging analyzer
CN106092992B (zh) 一种土壤氧气二维分布测量装置
CN103472040B (zh) 荧光检测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant