一种多参数微环境联合分析的胃肠道胶囊及其检测方法

本发明属于生物传感领域，具体涉及一种多参数微环境联合分析的胃肠道胶囊及其检测方法。

背景技术：

1、胃肠道区域出现微环境稳态失调会导致腹泻、腹痛和消化道出血等症状。当前对胃肠道内的生化诊断方法主要有内窥镜和粪便检查。其中，内窥镜检查具有侵入性，患者依从性差，短时间内不能重复检测；粪便检查无法实现原位实时监测，生理指标具有滞后性，且难以反映胃肠道内不同区段微环境的动态变化。为克服上述局限，可摄入式传感胶囊成为近年来的研究热点。作为背景技术，国内已公开以下相关专利方案：

2、专利公开号为cn118121195a的一种用于胃肠内生理环境的检测装置，该装置搭载在内窥镜本体上，包括安装在内窥镜本体上的壳体，其特征在于：壳体内自内窥镜本体的检测端至另一端分别安装有用于吸取放置胃液样本的取样机构和用于对取样机构胃液样本图像进行放大以及对放大后的样本图像进行采集的图像获取组件。该装置通过搭载在内窥镜上的取样机构解决了对肠胃道多个胃液样品中的菌群进行形态学分析，但是显微成像仅能提供定性信息，缺乏对关键生理生化指标的定量判断，因而难以用于准确评估胃肠道疾病的病程。

3、专利公开号为cn113616200a的一种用于胃肠道ph值检测的无线胶囊传感装置及方法，公开了一种用于胃肠道ph传感的摄入式胶囊传感器，解决了在临床非麻醉状态下难以对胃肠道ph进行检测的问题。但是该技术公开的ph检测方法仅能反应最基础的生理参数，单一指标的检测无法直观、全面地反映胃肠道内复杂的微环境生理状态，例如氧化应激水平和神经递质紊乱等关键病理信息均无法获取，并不能准确判断胃肠道内微环境的生理状态。

4、因此，现有可吞服式胶囊传感器普遍仅针对单一或少数物理参数（如ph值或温度），难以全面反映胃肠道内由菌群代谢、炎症反应、氧化应激和神经内分泌共同塑造的复杂生理与病理微环境。此外从现有技术来看，尽管已有可商用的胶囊内镜（如pillcam系列）能够获取消化道图像，以及能够同时检测ph、温度和压力的多功能胶囊（如smartpill），但它们均集中于物理参数或影像信息，缺乏对分子层面生物标志物的联合分析能力，由此提出本发明。

技术实现思路

1、针对现有内窥镜及体外分析方法的侵入性强、无法实现原位监测的限制，以及现有胃肠道检测技术中多参数集成检测能力不足的问题，本发明提供一种多参数微环境联合分析的胃肠道胶囊及其检测方法，为可摄入式的胶囊电化学传感器，实现多维参数的无创、非侵入性、原位联合分析感知；所述胶囊集成血清素、orp和ph检测传感电极及信号采集、处理和无线通信单元；开发了用于体内胃肠道中血清素、orp和ph值的多参数原位检测，可以全面反映胃肠道内神经递质、氧化应激和酸碱环境等的多维微环境生理状态；通过对电化学传感器进行适配体功能化修饰，改善其在胃肠道环境中工作时的检测特异性；进样口设置过滤膜、水溶性保护层以及肠溶响应层，降低其在复杂环境中受到的杂质污染和实现肠道中定向采样功能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种多参数微环境联合分析的胃肠道胶囊，包括胶囊外壳，所述胶囊外壳包括相互连接的第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和第二壳体用光固化胶连接形成密封腔体，胶囊外壳的一端设有采样孔，胶囊外壳内从采样孔端至另一端依次设有第一、第二、第三、第四、第五圆片；

4、第一圆片上设置有电化学接口单元，用于与电化学传感器电连接；所述电化学传感器包括设于pet塑料基片上的一个共用对电极ce、一个共用参比电极re以及三个独立工作电极we1、we2和we3；其中we1电极、共用对电极和共用参比电极构成血清素传感器用于血清素检测，we2电极、共用对电极和共用参比电极构成orp传感器用于orp检测，we3电极、共用对电极和共用参比电极构成ph传感器用于ph检测；

5、所述第一工作电极we1表面修饰有能够特异性识别血清素的识别层，以提高复杂肠道环境下的选择性。识别层包括：适配体、抗体、分子印迹材料。

6、所述第二工作电极we2用于检测胃肠道环境中的氧化还原状态，其表面设置有氧化还原响应功能层，所述氧化还原响应功能层包括贵金属纳米材料，用于提高电极界面的电子交换能力，改善电位响应稳定性和响应速度。

7、所述第三工作电极we3用于胃肠道环境中酸碱状态检测，其表面修饰有离子-电子转换层和氢离子响应层。所述离子-电子转换层用于提高电极界面的电荷传输能力降低电位漂移；所述氢离子响应层用于感知环境中氢离子浓度变化，实现ph参数检测。

8、第二圆片设置有模拟前端单元，所述模拟前端单元包括多通道运算放大器、模拟开关及外围阻容元件，所述多通道运算放大器的不同运算放大通道与外围阻容元件构成恒电位控制电路、跨阻放大电路tia和低通滤波电路；所述模拟开关与主控芯片连接，主控芯片根据预设检测时序控制模拟开关的导通或断开；

9、第三圆片设置有主控单元mcu，所述主控单元mcu包括用于数据采集的主控芯片，所述主控芯片内部集成有模数转换器adc和数模转换器dac；主控芯片通过其内部数模转换器dac输出预设的阶梯电位和脉冲电位信号，所述数模转换器dac输出端与多通道运算放大器中的恒电位控制电路输入端连接，模数转换器adc对三个工作电极的模拟信号进行模数转换，主控芯片进一步进行检测时序控制、数据处理和结果计算；

10、模拟前端单元与电化学接口单元以及主控mcu单元分别电连接；

11、第四圆片设置有供电单元，所述供电单元包括低压差线性稳压器ldo，第四圆片和第五圆片之间设置有电池，所述低压差线性稳压器ldo与电池电连接，其稳压输出端分别与模拟前端单元、主控单元以及无线通信单元的电源输入端连接，用于向各功能单元提供稳定的工作电压；

12、第五圆片设置有无线通信单元，所述无线通信单元包括ble无线通信模块，ble无线通信模块通过uart通信接口与主控芯片连接，用于接收经主控芯片处理后的血清素、orp和ph检测数据，并将所述检测数据无线传输至外部终端或移动端app，以实现胃肠道多参数电化学信号的无线传输、实时显示及监测。各电连接均通过柔性导电线路实现电连接。

13、进一步地，采样孔处由内至外依次覆盖有过滤层、水溶性保护层和肠溶响应层，胶囊外壳材质为光固化树脂，所述多通道运算放大器型号为ltc2065；模拟开关型号为adg842，所述主控芯片型号为stm32l151，所述圆片材质为fpc，电池为纽扣电池。所述肠溶响应层用于在特定胃肠环境条件下发生溶解或结构变化，使内部传感区域暴露，从而实现目标胃肠区域选择性采样。

14、所述水溶性保护层用于控制传感区域暴露过程；

15、所述过滤层用于阻隔肠液中的大分子污染物进入传感区域。

16、进一步地，胶囊外壳采用bmf htl 树脂通过3d打印方式制得，打印完成后，在无水乙醇中对壳体进行超声清洗处理20~40 min，胶囊外壳直径为9~11mm，长度为15~20 mm。

17、进一步地，采样孔直径为2.5~3.5 mm，过滤层为直径为5 mm、孔径50 μm的聚偏氟乙烯微孔膜；水溶性保护层通过下述过程获得：将8~12 μl 的10 mg/ml的pva水溶液均匀涂覆于聚偏氟乙烯微孔膜外侧，室温下干燥至少30 min，重复2~4次；肠溶响应层通过下述过程获得：将eudragit l100溶解于无水乙醇中使其质量分数为8~12%，加入占eudragit l100质量8~12%的柠檬酸三乙酯，搅拌20~40 min，形成均匀涂层液；取8~12 μl涂层液涂覆于水溶性膜外侧，室温下干燥至少30 min，重复2~4次。

18、进一步地，在pet塑料基片上丝网印刷银浆形成导线和参比电极区域，参比电极区域用fecl3水溶液进行氯化从而形成银/氯化银参比电极，接着丝网印刷碳浆形成第一、第二、第三碳工作电极和碳对电极，工作电极的直径为1 mm，对电极的直径为1.4 mm，参比电极的直径为0.5 mm，其中参比电极需通过下述过程进行修饰：将聚乙烯醇缩丁醛和氯化钠溶解于甲醇中得到参比溶液，聚乙烯醇缩丁醛浓度为79~80mg/ml，氯化钠浓度为50mg/ml，然后，将0.5 µl参比溶液滴涂在参比电极上，室温干燥，即得。

19、进一步地，we1工作电极的制备过程如下：

20、在1 mm 的haucl4·4h2o和100 mm的kcl混合溶液中，使用循环伏安法在第一碳工作电极上电沉积，参数设置为-0.35v至-0.6v，扫速0.1v/s，圈数40圈，干燥，得到金纳米颗粒电极，随后，将血清素适配体溶解于1× tris-edta缓冲液中，配制成10 µm的浓度，然后分装后于-20 ℃冷冻保存，使用循环伏安法在0.5 m h2so4溶液中对金纳米颗粒电极进行电化学清洗，扫描速率为0.1 v s-1，电压范围为-1 v至1.6 v，循环15~25次，随后用去离子水冲洗，得到清洁的工作电极，将5 µl浓度为10 µm的适配体溶液与5 µl浓度为1 mm的tcep溶液混合，在室温下避光反应1 h，然后用1 × pbs缓冲液稀释至2.5 µm，随后，使用pcr仪将适配体在95 ℃加热5 min，自然恢复至室温，然后将2.5 µl、2.5 µm适配体溶液滴加在清洁的工作电极上，4℃冰箱内避光孵育12小时，用1 × pbs 缓冲液冲洗掉未结合的适配体，随后，用0.5 mm 巯基己醇溶液孵育电极30 min用以封闭金电极上未结合的电活性表面，最后，用1×pbs缓冲液彻底冲洗适配体修饰的电极，即得，其中，血清素适配体序列如下：5’-thiol-c6-linker-cgactggtaggcagataggggaagctgattcgatgcgtgggtcg-mb-3’。

21、进一步地，we2工作电极的制备过程如下：采用含1 mm h2ptcl6和100 mm h2so4的混合溶液作为电沉积体系，通过循环伏安法在第二碳工作电极上进行铂纳米颗粒沉积，电沉积电位范围为-0.35 v至0.6 v，扫描速率为0.05 v/s，循环15~25圈，沉积完成后，对电极进行干燥处理，即得。

22、进一步地，we3工作电极的制备过程如下：

23、（1）制备pedot:pss层：将10.6 µl edot、206 mg napss 和36.8 mg k4fe(cn)6溶于10 ml去离子水得到电沉积溶液，采用多电位阶跃法在第三碳工作电极上进行电沉积，具体过程为第一步电压和时间：0.465 v 和 0.75 s；第二步电压和时间：0.865 v 和 0.25 s；循环次数：840，将电极在55~65 ℃干燥1~3 h；

24、（2）制备聚苯胺氢离子响应层：在0.1 m苯胺和1 m hcl的混合溶液中，通过循环伏安法在相对于商用ag/agcl参比电极-0.2v至1 v的电位范围内，以0.1 v/s的扫描速率进行40次循环，然后在55~65 ℃干燥1~3 h，即得。

25、一种上述的多参数微环境联合分析的胃肠道胶囊的检测方法，血清素采用差分脉冲伏安法dpv进行检测，orp和ph采用开路电位-时间法ocpt进行检测；

26、将胶囊浸入胃液或肠液，进行血清素dpv检测时，恒电位控制电路接收主控芯片mcu内部数模转换器dac输出的dpv设定电位信号，恒电位控制电路同时接收共用参比电极re反馈的电位信号，并根据设定电位与反馈电位之间的关系调节共用对电极ce的驱动电位，从而控制血清素工作电极we1与参比电极re之间的电位差按照预设dpv波形变化；

27、血清素工作电极we1产生的微弱电流信号输入跨阻放大电路tia，所述跨阻放大电路tia将工作电极产生的电流信号转换为相应的电压信号，转换后的电压信号经低通滤波电路滤波和信号调理后输入第三圆片中主控芯片内部adc进行模数转换，得到血清素电流信号；

28、进行orp和ph检测时，工作电极we2和工作电极we3分别与共用参比电极re构成开路电位检测回路，工作电极we2和工作电极we3相对于参比电极re产生的开路电位信号输入多通道运算放大器，经低通滤波电路滤波后输入主控芯片内部adc，以获得orp电位信号和ph电位信号；

29、主控芯片对三路检测数据进行处理后，通过uart发送至ble无线通信模块，并进一步无线发送至外部终端，将采集到的数据代入相应参数的标准曲线方程，得到血清素浓度或orp值或ph值。

30、与现有技术相比，本发明具有以下显著有益效果：

31、基于电化学传感器的集成传感胶囊，实现了体内胃肠道区域的神经递质、氧化应激和酸碱平衡等多种情况的分子水平探究，能够用于胃肠道内微环境的原位感知。与现有技术相比，本发明将血清素、orp和ph检测功能集成于同一装置，并配置相应的信号采集、处理和无线通信单元，以提供多参数微环境检测信息。利用适配体、贵金属纳米颗粒等材料功能化的电化学传感器增强了肠道内复杂环境下的传感选择性，实现体内胃肠道的多维参数的精准分析；利用采样口多层肠溶性过滤保护膜，提高对胃肠道复杂生物基质的过滤效果并控制传感区域的暴露。离体小鼠肠道内容物上清液的检测结果表明，该胶囊能够检测到实际来源样品的血清素、氧化还原电位和ph参数，为其用于胃肠道微环境检测提供实验依据。上述技术特征可通过改变修饰元件，如修饰葡萄糖氧化酶、抗体等，以满足肠道内代谢、炎症标志物等的原位筛查。