CN201060198Y

CN201060198Y - 一种测定血铅浓度的集成型一次性电化学传感器

Info

Publication number: CN201060198Y
Application number: CNU2007200707291U
Authority: CN
Inventors: 孔继烈; 李玮; 余绍宁
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2017-06-07

Abstract

本实用新型属于传感器领域，涉及了一种用于快速测定血铅浓度的集成型一次性电化学传感器。本实用新型的传感器中，工作电极为圆形，位于传感器中部；对电极为圆弧形，位于工作电极外周；参比电极也为圆弧形，位于工作电极外周；绝缘层覆盖引出线，引出线的出线端伸出绝缘层。本实用新型的传感器使用时，取样量小、仪器设备低廉、测定步骤少、时间短、分析成本低，可以广泛应用于环境、日常用品及体液中Pb离子的检测。

Description

一种测定血铅浓度的集成型一次性电化学传感器

技术领域

本实用新型属于传感器领域，涉及了一种用于快速测定血铅浓度的集成型一次性电化学传感器及其检测手段。

背景技术

铅中毒是一种由于铅的累计吸收而导致的慢性病，不易治愈，其对人体的危害即使在血铅含量降低后还会持续很长的时间。铅中毒至少损害到三种人体器官：1、周围及中枢神经系统；2、亚铁血红细胞的生物合成途径；3、肾脏功能。铅中毒对于儿童和成人的伤害不尽相同，因为儿童的神经系统没有发育完全，而且成人吸收饮食中的铅为10％，儿童可达40-50％，因此对于儿童的神经系统的损害会高于成人，对于孕妇的伤害主要是造成了胎儿的先天铅中毒。

中华预防医学会儿童保健会在《儿童期铅污染及损害防治常规》中指出：“铅是多系统、多亲合性毒物，对胎儿生长发育，儿童青少年生长发育，心理行为发育，智力发育，潜能发展，产生不可逆的损伤，并保留终生。”研究证实，铅中毒对儿童的损伤包括神经、血液、造血、心血管、消化、免疫、内分泌、生殖泌尿等多系统、多器官。而且是不可逆的终生的损伤。

研究发现，上海地区儿童的血铅水平均值已高达96μg/L，其中高于或等于目前国际公认的儿童铅中毒诊断标准的比例为37.8％。而据北京，广州，长沙，合肥等城市的抽样调查结果，儿童铅中毒在我国已成普遍现象，血铅的常规检测刻不容缓。早在1999年，国家卫生部就把“儿童血铅检测”列为各级医院常规检测项目。结合我国人口密集的特点，快速、简便、灵敏的血铅测试成为当前需求的热点。

由于目前国内采用较多的原子吸收光谱法、红细胞原卟啉(EP)升高法等。无火焰原子吸收法存在着仪器价格昂贵、测定步骤多、时间长、成本较高、分析成本高等缺点。而后两者在灵敏度、精确度、成本等方面都不尽人意，且样品取样量大，需反复消化处理，因而容易引入铅污染导致结果的不可靠，也不易被受检者接受。

基于电化学检测手段和集成型电化学传感器由于其检测的快速性和批量制备的便捷及经济效益，日益得到人们的极大重视，设计形式非常多样。有关集成型电化学传感器的专利申请也日益增多。对1992年以来的全球专利以electrochemical sensor和film electrode为关键词组合检索，共有4项专利。其中涉及电化学检测的共三项JP2004219325-A(Real-time electrochemicalbiosensor for medical applications，has insulating substrate with thin-filmelectrode，adhered to polymeric substrate with sample introduction and ejectioncapillaries，through double sided adhesive sheet)；CN1563970-A(Test strip ofan electrochemical sensor for detecting cholesterol，comprises preparing a goldfilm electrode on insulating material by using a micro electric mechanicalsystem)；EP1591780-A2(Electro-chemical sensor for the identification ofsubstances in liquids has upper and lower sections with mechanical connector forreplacement)。这些专利均涉及在绝缘薄膜上将通过微机械加工技术制作的电极，但主要是应用于大通量的样品检测。

对1985年以来的中国专利进行检索，有关集成型电化学传感器的专利共有7条，其中涉及传感器设计及应用的专利共3项。

实用新型专利一次性生物传感器(申请号94212913.X)，该专利所描述的传感器是以片状金属为导电衬底，以印刷工艺在其表面涂覆导电层及绝缘保护环，形成基础电极，对在基础电极的表面进行修饰，形成可测量水溶液中一种物质的生物传感器；实用新型专利圆柱形体液葡萄糖电化学传感器(申请号200620110322.2)，该专利描述了一种圆柱形体液葡萄糖电化学传感器，由圆筒形外壳和圆柱形内芯构成，在外壳2内表面设有两个对称的丝网印刷电极，但非集成型电极。

本实验室在先前的工作中曾报道了测定血铅浓度的一次性电化学传感器(02264889.5)。该实用新型采用印刷版印制的圆形工作电极、圆弧形对极和圆弧形参比电极，通过其引出线与分析测试仪连接检测血铅浓度。工作电极、对极及其引出线底层是导电银浆，表层由导电碳浆印制；参比电极及其引出线底层是由导电银浆、表层是由各占50％的AgCl粉和导电银浆印制，引出线部分遮覆绝缘墨。

从有关集成型薄膜电极的专利检索可以看出，集成型薄膜电极电化学检测所采用的多为丝网印刷技术。未检索到以蒸镀法制备的集成型电化学传感器。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种基于集成型薄膜电极，能够快速准确测定血铅浓度的一次性电化学传感器。

本实用新型的一种测定血铅浓度的一次性电化学传感器，在印刷版基板上由工作电极及其引出线、对电极及其引出线、参比电极及其引出线和绝缘层组成。其中，工作电极是直径3.5-4.0mm的圆形，位于传感器中间内部；对电极是直径7.0-8.0mm的圆弧，圆弧长度对应160-210度圆周长，位于工作电极外侧；参比电极是直径为7.0-8.0mm的圆弧，圆弧长度对应60-90度圆周长，位于工作电极另一侧；绝缘层覆盖电极(包括工作电极、对电极和参比电极)引出线的前半部分，引出线(包括各电极的引出线)的后半部分伸出绝缘层。

工作电极及其引出线、对极及参比电极引出线可以是导电金属层，如金箔层或铂层；对极可以是油墨层；参比电极表层可以是通过电化学方法制备的Ag/AgCl层。引出线端与电化学分析仪联接，采用阳极溶出伏安法进行测定。

上述传感器的印刷版是长25-30mm、宽10-13mm、厚15-20μm的长方体。体积小巧，材料可以采用PET基片制成。

上述传感器的电极以及引出线的宽度是1-1.5mm。

上述传感器的绝缘层是长8-10mm、宽10-13mm的长方形，由环氧树脂层或绝缘墨制成。

上述传感器的电极引出线长度均是20-22mm。

上述传感器的引出线端部联接溶出伏安仪。

本实用新型的集成型电化学传感器可以通过以下步骤制备：

(1)集成型电化学传感器模板的制备

将传感器设计图形用CAD软件绘制，采用高清晰激光照排系统输出在胶片上，即得掩模。在PET薄膜上覆膜并用蒸镀法在覆膜后的PET薄膜上喷金制得模版。将喷金后的PET薄膜上所覆盖的覆膜小心撕下，PET薄膜上留下部分便为所需电极。

(2)集成型电化学传感器的预处理

处理好的电极依次分别在无水乙醇、蒸馏水中超声洗涤半分钟左右。用氮气将电极表面残留的水份吹干。电极沿工作电极根部切线处向上用环氧树脂密封，宽度约为1cm。待环氧树脂干后，以印刷用碳油墨均匀涂布覆盖住对电极，置于红外灯下固化1小时，取出备用。

(3)通过电化学方法制备参比电极

参比电极为电化学方法在金膜表面制备的Ag/AgCl参比电极。5mM的AgNO₃溶液内，-0.4V电位下电镀100s，使银沉积在金膜表面。再将此电极置于6mM NaCl溶液中，0.4V下电镀80s，即得Ag/AgCl参比电极。避光保存。

制得的传感器需避光保存。由上述步骤制得的传感器即可以用于检测，不需要其他处理或者再用其它物质包裹。

本实用新型的集成型电化学传感器使用时，可以与多功能电化学分析仪的三电极接入线相连接，加入消解液与血液的混合溶液，使用伏安法测量其电化学信号。并将所得电化学信号带入公式，计算得到血样中的铅离子浓度。

采用脉冲伏安分析法(DPSV)作为分析方法，首先在血中加入溶血试剂，使铅从血蛋白中溶出；当一滴混合血样滴加到该传感器的前端虚线区时，样品溶液和三电极体系的局部将形成一微小的电化学电解池，从而可使用溶出伏安法实现对微量铅的检测。再施加负电位，沉积铅离子在工作电极上；最后用DPSV法溶出铅离子，电流信号和铅浓度成正比。

具体测定步骤如下：

首先在-1.2V条件下电镀120s，静止10s后，反向扫描至-0.2V，其中反向扫描速度0.02V/s，amp＝0.05V，pw＝0.05s。在1.2～70μg/dL范围内线性良好。将所得的电化学溶出峰电流信号带入归一化的经验公式：Y＝9.726E-8+9.959E-8*X (Y为峰电流值：A，X为铅离子浓度：μg/dL)得到最终血液中铅离子的含量。

本实用新型使用的电极是集成型一次性金属蒸镀薄膜电极，在工业化生产的薄膜电极镀上Ag/AgCl参比电极，构成三电极体系。成本极其低廉，每片仅需几分钱。其特点是灵敏度高，所需血量少，只需一滴末梢血(50μL)；价格便宜，相比与其他经典血铅检测方法如石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)、电感耦合等离子光谱法(ICP)。更重要的是方法简单，快速。可在3分钟内完成一滴血的检测，且无化学专业知识的人员同样可操作。

采用本实用新型的集成型一次性电化学传感器，可以极大的降低由于传统电极反复使用造成样品的交叉感染，降低分析误差。且由于其可以批量制备的特点，单次测量的成本也远远低于传统的原子吸收法等测定方法。类似的设计还可以广泛应用于环境、日常用品及体液中Pb或其他重金属离子的检测。本实用新型采用共沉积镀汞，减少了预镀汞的步骤；同时电化学方法制备的参比电极比较手工印制方法，显著提高了批量制备参比电极的稳定性和均一性，为公式的总结奠定了基础。

附图说明

图1传感器结构图。

图2使用溶出伏安法的标准铅溶液图。

图3是图2相应的电压电流图。

图4参比电极及其引出线底层表层结构示意图。

图5对电极及其引出线底层表层结构示意图。

上述图中1是工作电极金膜层，2是对极碳浆层，3是参比电极Ag/AgCl层，4是工作电极引出线，5是对电极引出线，6是参比电极引出线，7、8、9分别是4、5、6的电极引出线端部，10是绝缘层，11是印刷版基板，12是金膜层。

具体实施方式

实施例1集成型电化学传感器的预处理

根据所需电极形状设计图形制版，整个传感器是在长25-30mm、宽10-13mm、厚15-20μm的长方体PET基片上制成。电极1、2、3分别为工作电极、对电极和参比电极。工作电极1是直径为3.5-4.0mm的圆形，工作电极及其引出线导电金箔层。对极2是直径为7.0-8.0mm的圆弧，圆弧长度对应160度圆周长，参比电极3是直径为7.0-8.0mm的圆弧，圆弧长度对应60度圆周长，三个电极的引出线分别是4、5、6，绝缘层10是长方形；工作电极、对极及参比电极引出线是导电金箔层；对极是油墨。电极1、2、3以及引出线4、5、6的宽度是1-1.5mm。绝缘层是长8-10mm、宽10-13mm的长方形环氧树脂层。电极1、2、3引出线长度均是20-22mm。在PET薄膜上覆膜并用蒸镀法在覆膜后的PET薄膜上喷金制得模版。将喷金后的PET薄膜上所覆盖的覆膜小心撕下，PET薄膜上留下部分便为所需电极。处理好的电极依次分别在无水乙醇、蒸馏水中超声(SCS3200，上海轻超超声波仪器有限公司)洗涤半分钟左右。用氮气将电极表面残留的水份吹干。电极沿工作电极根部切线处向上用环氧树脂密封，宽度约为1cm。待环氧树脂干后，以印刷用碳油墨(CH-1CARBON INK，JUJO CHEMICAL Co.，LTD.TOKOYO JAPAN)均匀涂布覆盖住对电极和工作电极，置于红外烘箱中1小时，烘干，取出备用。

实施例2参比电极的制备

5mM的AgNO₃溶液内，-0.4V电位下电镀100s，使银沉积在参比电极表面。再将此电极置于6mM NaCl溶液中，0.4V下电镀80s，即得Ag/AgCl参比电极，避光保存。

实施例3集成型一次性电化学传感器应用于标准铅溶液的检测

按照实施例1、2的方法制作集成型一次性电化学传感器。

取50μL待测铅溶液滴加到传感器表面使其覆盖工作电极、对电极和参比电极，在-1.2V电位下沉积一段时间，使Pb²⁺与溶液中的Hg²⁺以铅汞齐的形式共沉积到工作电极表面；静置10s后施以微分脉冲伏安法(Parametersfor Differential Pulse Voltammetry，DPSV)溶出，电位范围为-1.2～-0.2V(Increment potential of each point 0.004V；Potential pulse amplitude 0.05V；Potential pulse width 0.05s；Potential pulse period or dropping time 0.20s ；Quiescent time before potential scan 10s)；最后施加一段时间0.1V的正电位，使残余在电极表面的铅汞齐溶出。

铅离子浓度在1.2～70μg/dL范围内时，浓度与溶出峰高呈现很好的线性关系，线性相关系数达到0.998。相对标准偏差(RSD)仅为4.78％(N＝30)。证明集成型薄膜三电极体系具有很好的电化学稳定性。

根据实际检测的需要，选择空白和Pb²⁺浓度为5、30、60μg/dL的溶液进行重复多次测量，将得到的峰电流值数据进行回归分析其对应的线性方程即得到铅标准溶液的工作曲线原始方程。为便于实际应用，将空白溶出峰电流的平均值作为常量引入公式，最终得到线性方程如下：

Y＝9.726E-8+9.959E-8*X (n＝52)

Y为峰电流值(A)，X为铅离子浓度(μg/dL)

检出限的测定取标准偏差的3倍作为检测下限。结果为1.2μg/dL。其回收率在92.37～115.1％之间，证明所得公式具有较好的准确性。详见图3和图2。

实施例4集成型一次性电化学传感器应用于实际血铅样品的检测

按照实施例1、2的方法制作集成型一次性电化学传感器。

取50μL的血液加入到200μL的消解液中混匀，取50μL血样与消解液的混合溶液滴加到传感器表面使其覆盖工作电极、对电极和参比电极并进行测量。按照实施例3的方法进行检测，得到的血液样品中铅离子的浓度含量为230.3±8.68μg/L。

用等离子电感耦合-原子发射法(ICP-AES，IRIS Intrepid，美国ThermoElemetal公司)对同一全血样品中的剩余样品平行进行血铅分析。得到的血铅的浓度为240±5.17μg/L。两方法之间的相对标准偏差仅为4.04％。证明集成型薄膜电极在测量血铅方面具有较好的准确度。

Claims

1.一种测定血铅浓度的一次性电化学传感器，在印刷版上由工作电极及其引出线、对电极及其引出线、参比电极及其引出线和绝缘层组成，其特征是：工作电极(1)是直径3.5-4.0mm的圆形，位于传感器中间；对电极(2)是直径7.0-8.0mm的圆弧，圆弧长度对应160-210度圆周长，位于工作电极(1)外侧；参比电极(3)是直径为7.0-8.0mm的圆弧，圆弧长度对应60-90度圆周长，位于工作电极(1)另一侧；电极引出线(4、5和6)的前半部分覆盖绝缘层(10)，引出线(4、5和6)的后半部分伸出绝缘层(10)；工作电极(1)及其引出线(4)、对电极引出线(5)及参比电极引出线(6)是导电金箔层；对电极(2)是油墨层；参比电极(3)表层是Ag/AgCl层。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是传感器的印刷版(11)是长8-10mm、宽10-13mm、厚15-20μm的长方体。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征是传感器的绝缘层(10)是长8-10mm、宽10-13mm的长方形。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征是电极(1、2和3)及其引出线(4、5和6)的宽度是1-1.5mm。

5.根据权利要求1所述的测定血铅浓度的一次性电化学传感器，其特征是电极引出线(4、5和6)长度均是20-22mm。