一种电化学传感器及其在人体生理生化指标检测中的应用
阅读说明：本技术 一种电化学传感器及其在人体生理生化指标检测中的应用 (Electrochemical sensor and application thereof in human body physiological and biochemical index detection ) 是由 郭振 李超 张威 姚佳 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电化学传感器及其在人体生理生化指标检测中的应用,属于电化学检测技术领域。本发明提供了一种基于丝网印刷技术的电化学传感器,所述电化学传感器包括三电极电化学传感器,所述三电极电化学传感器的工作电极上修饰有增强型材料；使用所述电化学传感器测试不同血样PT值,能够清晰的显示出区分度,且挑选三组血样进行PT重复实验,出峰时间变异系数分别为2.26％、3.22％和2.96％,实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R～(2)为0.986。因此,所述电化学传感器用于PT测试具有良好的重复性和一致性,易于批量生产,大大降低了凝血测量的成本,且适合多种场合的测量,在即时检测领域具有极大潜力。(The invention relates to an electrochemical sensor and application thereof in human body physiological and biochemical index detection, belonging to the technical field of electrochemical detection. The invention provides an electrochemical sensor based on a screen printing technology, which comprises a three-electrode electrochemical sensor, wherein a working electrode of the three-electrode electrochemical sensor is modified with an enhanced material; the electrochemical sensor is used for testing PT values of different blood samples, the differentiation can be clearly displayed, three groups of blood samples are selected for PT repeated experiments, the variation coefficients of the peak time are respectively 2.26%, 3.22% and 2.96%, and the linear fitting decision coefficient R of the experimental results and the clinical results of hospitals 2 Was 0.986. Thus, it is possible to provideThe electrochemical sensor has good repeatability and consistency when used for PT test, is easy for batch production, greatly reduces the cost of blood coagulation measurement, is suitable for measurement in various occasions, and has great potential in the field of instant detection.)
技术领域
本发明涉及一种电化学传感器及其在人体生理生化指标检测中的应用，属于电化学检测技术领域。
背景技术
凝血功能正常与否关系着人体生理健康状态，凝血时间则是衡量凝血状态的重要指标。凝血酶原时间(Prothrombin Time,PT)是凝血时间检测中外源性凝血功能指标，凝血酶原时间PT取决于血液中的凝血酶原、纤维蛋白原及凝血因子Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ等的水平，其中凝血因子主要由肝脏合成，因此PT对于肝硬化、肝炎等许多肝病患者的治疗具有极其重要意义，对于一些先天或后天型凝血因子缺乏患者、血栓性疾病患者和先天性FV增多症患者等也都需要严密监控PT凝血时间的变化。
目前医院等地方的大型仪器多采用血栓弹性描记法、光学法等旧的方法来测量凝血时间，其中光学法的仪器检测PT的检测精度高于其他方法，因此将光学法血凝仪器视为凝血检测的标准仪器，但这些设备操作复杂且要求比较专业。而目前商业化的用于测量凝血参数的小型系统所需的传感器价格昂贵，测试的结果重复性也不甚优异。随着即时检测技术的快速发展，传统的检测方式已经难以满足病床旁、户外和家庭床旁等场景的即时检测需求。因此，亟需研发一种低成本便捷型凝血检测新技术。
丝网印刷电化学传感器在医学生物领域的广泛应用为凝血功能即时检测的研究开拓了道路。基于丝网印刷技术的电化学生物传感器具有制备简单、检测灵敏度高及检测时间短的特点，且丝网印刷电极成本低廉可一次性使用，其测试所需样本量较少，可以避免在电化学分析过程中引发污染和腐蚀等问题。因此，探究一种丝网印刷技术的电化学生物传感器来检测PT具有重要的研究价值。
发明内容
凝血参数检测对于抗凝药物服用者、肝病患者的治疗等具有重要的指导意义，为解决目前人体生理生化指标检测仪器存在的成本昂贵操作复杂等问题，本发明提供了一种基于丝网印刷技术的电化学传感器，所述电化学传感器包括三电极电化学传感器；所述三电极电化学传感器的工作电极上修饰有增强型材料。
在本发明的一种实施方式中，所述增强型材料为碳纳米管(SWCNTs)或石墨烯、纳米金中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，所述三电极电化学传感器的工作电极上还修饰有用于人体生理生化指标检测的试剂。
在本发明的一种实施方式中，所述用于人体生理生化指标检测的试剂为凝血反应试剂；所述凝血反应试剂的成分包含凝血酶底物溶液与PT试剂。
在本发明的一种实施方式中，所述碳纳米管和用于人体生理生化指标检测的试剂上覆盖有亲水膜。
在本发明的一种实施方式中，所述电化学传感器的基材为PET片材、PVC片材、PP片材、ABS片材或陶瓷材料中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，所述电化学传感器的基材厚度为0.2～0.5mm。
在本发明的一种实施方式中，所述电化学传感器的工作电极层为导电碳油墨材料或金油墨材料中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，所述电化学传感器的参比电极层为Ag/AgCl油墨材料。
在本发明的一种实施方式中，所述电化学传感器的导电线层为Ag/AgCl油墨材料或Ag油墨材料。
在本发明的一种实施方式中，所述电化学传感器的保护层为绝缘油墨材料。
本发明还提供了一种检测人体生理生化指标的方法，所述方法为使用上述电化学传感器对待测血液样本进行人体生理生化指标检测。
在本发明的一种实施方式中，所述人体生理生化指标检测包括凝血检测；所述凝血检测包括凝血酶原时间(PT)检测、活化部分凝血活酶时间(APTT)检测、凝血酶时间(TT)检测或血浆纤维蛋白原(FIB)检测中的至少一种。
本发明还提供了上述电化学传感器在人体生理生化指标检测中的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述人体生理生化指标检测包括凝血检测；所述凝血检测包括凝血酶原时间(PT)检测、活化部分凝血活酶时间(APTT)检测、凝血酶时间(TT)检测或血浆纤维蛋白原(FIB)检测中的至少一种。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供了一种基于丝网印刷技术的电化学传感器，所述电化学传感器包括三电极电化学传感器；所述三电极电化学传感器的工作电极上修饰有多壁碳纳米管(MWCNTs)和凝血反应试剂，所述凝血反应试剂的成分包含凝血酶底物溶液与PT试剂。凝血过程是一个极其复杂的生理反应，血液中许多物质会对检测过程产生干扰，选择三电极体系，将MWCNTs修饰在丝印电极表面，可以使电极获得较大的比表面积，增强电极的信号强度，排除干扰并保证在检测过程中工作电位的恒定，以便于电化学分析，所述电化学传感器可以即时测量电极表面反应过程中电子传递引起的电流变化。使用所述电化学传感器测试不同血样PT值，能够清晰的显示出区分度，且挑选三组血样进行PT重复实验，出峰时间变异系数分别为2.26％、3.22％和2.96％，实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R2为0.986。因此，所述电化学传感器用于PT测试具有良好的重复性和一致性，易于批量生产，大大降低了凝血测量的成本，且适合多种场合的测量，在即时检测领域具有极大潜力。
附图说明
图1：三电极电化学传感器的结构示意图。图1中，1、基底层；2、导电轨道；3、Ag/AgCl层；4、碳层；5、绝缘层。
图2：3组血样PT测试结果及阴性对照结果。
图3：MWCNTs型传感器与SYSMEX CS 5100的PT结果对比。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
下述实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1：一种多壁碳纳米管(MWCNTs)电化学传感器
本实施例提供了一种多壁碳纳米管(MWCNTs)电化学传感器，所述电化学传感器包括三电极电化学传感器；所述三电极电化学传感器的工作电极上修饰有碳纳米管和凝血反应试剂，所述凝血反应试剂的成分包含凝血酶底物溶液与PT试剂。
作为优选，所述碳纳米管和凝血反应试剂上覆盖有亲水膜。
作为优选，所述电化学传感器的基材为PET片材、PVC片材、PP片材、ABS片材或陶瓷材料中的至少一种。
作为优选，所述电化学传感器的基材厚度为0.2～0.5mm。
作为优选，所述电化学传感器的工作电极层为导电碳油墨材料或金油墨材料中的至少一种。
作为优选，所述电化学传感器的参比电极层为Ag/AgCl油墨材料。
作为优选，所述电化学传感器的导电线层为Ag/AgCl油墨材料或Ag油墨材料。
作为优选，所述电化学传感器的保护层为绝缘油墨材料。
作为优选，所述碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管中的至少一种。。
实验例1：多壁碳纳米管(MWCNTs)电化学传感器的功能验证
1、实验方法
1.1实验主要材料和仪器
使用CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)连接传感器测量所需参数，并用SYSMEX CS 5100光学凝血仪验证与临床结果的一致性。
1.2电化学传感器制备
普通三电极电化学传感器由全自动丝网印刷机制作，其结构如图1所示。选择聚PET作为基材，印刷之前，将PET基材用去离子水冲洗去除表面杂质，并用氮气吹干。首先印刷导电银层，以提高丝网印刷电极的导电性并作为丝印电极的参比电极和导电轨道。第二步印刷氯化银浆料覆盖参比电极，之后印刷导电碳墨浆料作为工作电极和对电极，其中工作电极为圆盘状。每步完成后将丝印电极放于特别干燥的恒温箱中在70～90℃温度下下烘烤，直至丝印浆料完全干燥为止。干燥步骤完成后，绝缘层采用绝缘油墨固定在电极层上，留下用于固定试剂和发生反应的工作区域，并在80～100℃温宿的干燥恒温箱中再次烘烤，直至绝缘浆料完全固化。制备好的传感器在室温下老化数天，期间电极保存在避光干燥的环境中。
1.3修饰MWCNTs
使用去离子水清洗传感器表面电极，并用氮气烘干。然后称取3μL的MWCNTs均匀分散液涂覆修饰于制作好的丝印电极的工作电极表面，并放置于恒温箱中70～90℃下烘干，干燥后即制成MWCNTs型电化学传感器。
1.4凝血参数PT测量实验
(1)传感器制备
在制作好的MWCNTs型传感器的工作电极表面涂覆修饰凝血PT反应试剂。之后放于恒温箱中进行试剂固化处理，然后在电极表面封装一层亲水材料，形成一个5～10μL的反应池，制成用于PT检测的MWCNTs型电化学传感器，并放置于真空密封袋中以待实验所需。
(2)实验过程
将电极放置于平稳的实验台上，在进行凝血实验前，先从血液样本中抽取一定量的血浆，将血浆样本放到37℃水浴中3min，使用移液器将5～10μL样本通过传感器的进液口注入反应腔中，采用计时电流法记录样本凝固的反应过程。
2、结果与分析
2.1测试实验结果
实验中从医院选取了3例病人的血浆样本，其中图2和表1结果分别对应血样的医院测试PT标准值为10.4s、15.6s、19.9s，从实验结果显示，利用MWCNTs电化学传感器测试不同PT值的血样的信号时间具有明显的区分度，3组样本测试结果分别为42.75s、58.94s、82.86s。
2.2传感器重复性实验结果
为了验证MWCNTs型电化学传感器测量PT的重复性，本文用3组血浆样本分别作了5次重复测量。3组样本依次记为第1组、第2组和第3组。结果如表1所示，3组实验结果的CV值分别为2.26％、3.22％和2.96％，由此可以判断本文的传感器用以测量PT具有良好一致性和重复性。
表1三组血样5次重复结果(时间：s)
2.3临床对比实验结果
使用SYSMEX CS 5100光学凝血仪验证本文的MWCNTs增强型电化学传感器的临床应用价值。实验中从医院选取了8例血液样本，使用本文的传感器与标准凝血仪结果进行对比，PT结果关系如图3所示，直线为测量结果的线性拟合曲线，决定系数R2为0.986。结果显示，此电化学传感器可以较好的应用于临床检测凝血参数PT。
3、结论
本文设计制备了一种重复性好价格低廉的MWCNTs增强型电化学传感器，并利用该传感器用以测量凝血参数PT。PT参数实验中，对于不同PT值的血样，能够清晰的显示出区分度，且每组组血样进行PT测量重复实验，3组测试结果变异系数分别为2.26％、3.22％、2.96％，均控制在5％之内，因此判断本传感器具有良好的重复性。将实验结果与医院的SYSMEX CS 5100光学凝血检测仪线性拟合决定系数R2为0.986。MWCNTs型电化学传感器可以有效测量凝血参数PT，传感器可以批量化生产，大大降低了凝血检测成本，且测试时间短，所需样本量少，可以适用于各种场合的即时测量。MWCNTs型传感器也有潜力测量其他凝血参数的测量及其他类型试剂的分析。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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