可同时检测肌酐、葡萄糖和尿酸的电化学传感器阵列的制作方法

1.本实用新型涉及一种对临床样本进行分析测试用的装置，具体涉及一种用于电化学法检测多个慢性病临床指标的生物传感器阵列。


背景技术：

2.近年来糖尿病的患病率持续上升，已成为世界范围内的主要死亡原因。血糖水平是糖尿病诊断和治疗的主要标准，被诊断为糖尿病的人口服75克葡萄糖后，空腹血糖水平应>7.0mm或2小时血糖水平>11.1mm。糖尿病患者通常需要每天检测几次血糖水平，现有技术中，poc(point
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care)设备是用于血糖监测的主流设备。肌酐是人体自然产生的代谢产物，每天以相对恒定的量由肾脏从血液中过滤出来。血肌酐浓度是评价肾功能、诊断急性肾损伤(aki)和慢性肾脏病(ckd)的重要指标。血肌酐的正常水平是40
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150μm；血肌酐水平超过150μm时需要进行肌酐清除测试；血肌酐水平大于500μm时意味着存在严重的肾损害。尿酸是通过体内嘌呤代谢途径产生的，尿酸水平异常可导致各种疾病，如痛风、lesch
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nyhan综合征、高血压、心血管疾病等，尿酸在血清中的正常水平为240
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520μm，在尿液中的正常水平为1.4
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4.4mm。
3.针对上述各种疾病相关生物标志物的准确检测，对相应疾病的控制和治疗起着至关重要的作用。目前，临床上对这些标志物的常用测定方法是基于比色法。虽然可以通过引入酶来提高其灵敏度和特异度，但是这些方法通常依赖于大型设备，使检测过程变得复杂，无法应用于临床的便捷检测或居家的长期监测。近年来，针对含有多种溶质的复杂实际样品的新型生物传感平台的开发引起了人们极大的兴趣。电化学生物传感器具有耗时少、实验过程简单、仪器要求相对便宜、选择性和灵敏度高等优点，被广泛应用于医学分析领域。现有技术中，人们基于不同的方法研究制造了多种电化学生物传感器阵列，包括伏安法、电导法、安培法等。但现有的电化学生物传感器或传感器阵列仍存在便携性、准确性和灵敏度等方面的不足。
4.因此，有必要提供一种可对样本中多个指标同时进行快速、准确、便捷检测的电化学生物传感器，使其能够方便地用于血糖、肌酐和尿酸等指标的快速检测或长期监测。


技术实现要素：

5.鉴于上述背景，本实用新型的目的在于：提供一种电化学法检测多个指标的生物传感器，具有灵敏度高、抗干扰性强、性能稳定、结构简单、体积小、造价低等综合优势，可以用于临床或居家的快速、便捷检测。
6.本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
7.提供一种用电化学法同时检测肌酐、葡萄糖和尿酸的生物传感器阵列，包括底板和设置在底板表面的电极组；所述的电极组由工作电极阵列、参比电极和对电极组成；所述的工作电极阵列由相互独立设置的第一工作电极、第二工作电极和第三工作电极组成；所述的第一工作电极表面设有可与肌酐反应生成过氧化氢的第一酶层；所述的第二工作电极
表面设有可与葡萄糖反应生成过氧化氢的第二酶层；所述的第三工作电极表面设有可与尿酸反应生成过氧化氢的第三酶层。
8.本实用新型所述的方案中，所述电极组中的各电极形状和规格没有特别的限定，其横截面可以是圆形、椭圆形、矩形或其他多边形。
9.本实用新型所述的方案中，所述的各电极的基础材料可以是现有的各种可用于氧化还原电极的材料组合物，包括各种含惰性金属材料的组合物(例如铂电极材料、金电极材料或汞电极材料)或者含碳电极材料的组合物，等等。所述的各工作电极包括由所述基础材料制成的基层，且相应的酶层固定于所述的基层表面。优选的方案中，第一工作电极的所述基层、第二工作电极的所述基层、第三工作电极的所述基层和对电极均采用相同的材料，例如，含电子介体成分的石墨、碳糊或玻碳中的任意一种；所述的参比电极采用ag/agcl电极材料。
10.本实用新型优选的方案中，为了进一步提高各工作电极的灵敏度，所述的第一工作电极的基层和第一酶层之间设有第一电子介体增强层、第二工作电极的基层和第二酶层之间设有第二电子介体增强层、第三工作电极的基层和第三酶层之间设有第三电子介体增强层。所述的电子介体增强层含有选自普鲁士蓝、亚甲基蓝、二茂铁及其衍生物或铁氰化钾中的任意一种电子介体；最优选普鲁士蓝。
11.本实用新型的方案中，各工作电极的基本工作原理均基于目标物与酶反应生成的过氧化氢被电子介体催化还原，该过程将酶活性中心的电子转移至电极基层产生还原电流，通过参比电极可测量工作电极的电位。因此，工作电极产生过氧化氢的浓度对电位测量有着至关重要的影响。本实用新型优选的方案中，为了防止工作电极周围高浓度的过氧化氢扩散，各所述的工作电极周围分别设置防扩散围挡，所述的防扩散围挡为中空管状，底面与所述底板紧密固定连接，高度大于所述工作电极厚度。
12.所述的防扩散围挡的具体形状没有特别的限制，可以是圆形中空管状、方形中空管状，或是其他形状的中空管状。所述的防扩散围挡的具体材料也没有特别的限制，可以采用现有的多种耐腐蚀致密材料，例如聚四氟乙烯(ptfe)等。
13.本实用新型优选的方案中，为了进一步降低样本中不同目标物生成的过氧化氢对各工作电极的交叉影响，所述电极组的五个电极中，第一工作电极、第二工作电极和第三工作电极在所述底板上的位置互不相邻。
14.进一步优选的方案中，所述电极组的五个电极中，第一工作电极、第二工作电极和第三工作电极分别处于所述底板上半部最大的等边三角形的三个顶点的位置，且对电极和参比电极分别处于任意两个工作电极之间。
15.本实用新型的方案中，所述的底板的具体材料、规格及形状没有特别的限制。所述的底板材料可以是现有的多种绝缘材料，优选绝缘纸、塑料、橡胶等具有疏水表面的材料；所述的塑料进一步优选pet、pvc、pe或pp中的任意一种。所述的底板的规格可以根据需要制造成不同厚度和大小。所述的底板的形状可以是实际测量时应用场景可接受的任意形状。
16.本实用新型优选的方案中，所述的底板上还设有与所述电极组中每个电极单独连接的金属导线；所述的金属导线用于将所述的各电极与外设的电位检测设备电连接。
17.本实用新型进一步优选的方案中，所述的各电极与相应金属导线连接的接头处设有强化连接的固定组件。
18.本实用新型优选的方案中，所述的底板上，在所述电极组的外围还设有绝缘材料墙，所述的绝缘材料墙整体呈闭合的框状，底部与所述的底板紧密固定连接，高度为所述电极厚度的2倍以上且高于所述防扩散围挡的高度，由此将所述电极组的各电极围在其内部，形成一个可盛装样本的空腔。
19.所述的绝缘材料墙可以选择由各种现有的绝缘材料制成，优选热熔胶。
20.本实用新型的方案中，所述第一工作电极上的第一酶层含有可与肌酐反应生成过氧化氢的酶组合物，优选由肌酐酶(ca)、肌酸酶(ci)和肌氨酸氧化酶(so)组成的三酶组合物；所述第二工作电极上的第二酶层含有可与葡萄糖反应生成过氧化氢的酶，优选葡萄糖氧化酶(god)；所述第三工作电极上的第三酶层含有可与尿酸反应生成过氧化氢的酶，优选尿酸氧化酶(uricase)。
21.本实用新型所述电化学生物传感器阵列的使用方法及工作原理是：检测时使各电极与外部的电位检测设备实现电连接；然后先在所述电极组位置滴加缓冲液，再滴加样本(例如血浆样本)，样本中的肌酐会与固定在第一工作电极上的复合酶发生反应生成过氧化氢，样本中的葡萄糖会与固定在第二工作电极上的酶发生反应生成过氧化氢，样本中的尿酸会与固定在第三工作电极上的酶发生反应生成过氧化氢。每个工作电极上生成的过氧化氢经相应电极上的电子介体催化还原，电子被传递到各工作电极的基层产生还原电流，根据各工作电极的电流响应值与样本中相应目标物的浓度关系，可以得知样本中肌酸、葡萄糖和尿酸的含量。用本实用新型所述传感器阵列检测时，检测样本可以是全血、血浆、血清、尿液等等各种形式。
22.本实用新型的电化学生物传感器阵列能够同时选择性地检测样本中的肌酐、血糖和尿酸三种重要的标志物浓度，且各工作电极对相应的标志物具有较高的灵敏度和选择性。实际血浆样本的测量结果表明，本实用新型电化学生物传感器阵列的检测性能接近临床实践中使用的标准方法，有望为上述标志物的临床便捷检测和居家长期监测提供有力支持。本实用新型优选的方案中，各工作电极通过优化内部组成结构，在检测用酶层与电极基层之间增设了电子介体增强层，从而显著增强了电子传递效率，最终可使检测时三个工作电极的还原电位降低至
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0.1v，从而有效排除了检测中非目标标志物带来的干扰，显著提高了抗干扰能力。本实用新型的电化学生物传感器阵列可以用于多种便携、快捷的小型电化学检测设备中，非常有利于血、尿等样本中肌酐、葡萄糖及尿酸的临床检测或居家监测。
附图说明
23.图1是实施例1所述的电化学生物传感器阵列结构示意图。
24.图2是实施例2所述的电化学生物传感器阵列结构示意图。
25.图3是实施例1或2所述的电化学生物传感器阵列中各工作电极的结构示意图。
具体实施方式
26.以下将结合附图以列举实施例的方式详细说明本实用新型的技术方案，但本实用新型的范围不限于所列举的实施例。
27.实施例1
28.一种用电化学法同时检测肌酐、葡萄糖和尿酸的生物传感器阵列，包括底板和设
置在底板表面的电极组、绝缘材料墙和金属导线。
29.如图1所示，底板10为厚度0.2mm、长度14mm、宽度10mm的矩形pet板。电极组由工作电极阵列、参比电极50和对电极60组成；所述的工作电极阵列由相互独立设置的第一工作电极20、第二工作电极30和第三工作电极40组成；所有工作电极的形状均为头部圆形柄部条形，所有工作电极的内部结构，如图3所示，包括最底层的炭浆层1(基层)、中间的普鲁士蓝层2(电子介体增强层)和最表面的酶层3。参比电极50采用ag/agcl电极材料。对电极60为与工作电极的炭浆层1相同的炭浆材料。如图1所示，第一工作电极20、第二工作电极30和第三工作电极40分别处于底板10上半部最大的等边三角形的三个顶点的位置，且对电极60处于第一、第二工作电极之间，参比电极50处于第二、第三工作电极之间。
30.如图1所示，所述电极组的外围还设有绝缘材料墙70，绝缘材料墙70整体呈闭合的框状，底部与底板10紧密固定连接，由此将电极组各电极围在其内部，形成一个用于盛装样本的空腔。绝缘材料墙70高度为其内部各电极厚度的2倍以上，以更好地限制样本外溢流失。此外，在底板10上，每个电极都单独连接铜导线90，且在连接的接头处设有强化连接的热熔胶块80。铜导线90用于将所述的各电极与外设的电位检测设备电连接。
31.制备本实施例的电化学生物传感器阵列时，先在所述规格的pet底板10上，按照既定位置，以炭浆为材料用丝网印刷的方式打印第一工作电极20、第二工作电极30第三工作电极和对电极60，然后以ag/agcl浆为材料用丝网印刷的方式在既定位置打印参比电极50，通过电化学沉积的方法在第一工作电极20、第二工作电极30和第三工作电极40表面增设普鲁士蓝层，最后在第一工作电极20表面通过戊二醛交联的方式固定ca、ci和so的酶复合物形成第一酶层，在第二工作电极30表面通过戊二醛交联的方式固定god形成第二酶层，在第三工作电极40表面通过戊二醛交联的方式固定uricase形成第三酶层。
32.实施例2
33.一种用电化学法同时检测肌酐、葡萄糖和尿酸的生物传感器阵列，其结构如图2所示，整体上与实施例1的传感器阵列相同，区别在于：每个工作电极上，只在其圆形头部表面设置普鲁士蓝层和酶层；且每个工作电极位置均设置内径大于电极头部直径的中空短管100，中空短管100底部与底板10紧密固定连接，在每个工作电极周围形成防扩散围挡结构，用于防止检测过程中工作电极周围高浓度的过氧化氢扩散；每个中空短管100的高度大于所述的工作电极厚度且小于所述的绝缘材料墙70的高度。