一种一次性结石电化学传感器分析芯片的制作方法

1.本发明涉及肾结石快速检测技术领域，特别涉及一种一次性结石电化学传感器分析芯片。


背景技术：

2.cn201611233104.2公开了一种基于电化学方法的凝血酶原时间(pt)检测卡及其制备方法。该凝血酶原时间(pt)检测卡由导电基板、化学试剂等部分组成。其中化学试剂具体包括：组织因子、磷脂等主要成分。本发明制备的凝血酶原时间检测卡能够实现对指尖血或未经凝血处理血样的凝血酶原时间检测，具有准确性高、重复性好等优点。
3.本技术部分发明人在中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究了一种电化学检测芯片和电化学传感器，专利号为：201822268842.1，公开了一种电化学检测芯片，包括电极层，所述电极层的工作电极包括依次层叠设置的导电层、纳米材料层和凝血反应层；所述凝血反应层产生用于检测凝血酶原时间的电信号，所述纳米材料层传递和放大所述电信号。利用纳米材料层的高导电性、大比表面积以及良好的生物相容性等，实现对凝血酶原时间检测过程中电信号的放大、增强，以提高芯片检测的灵敏度、缩短检测时间，另，本技术部分发明人的导师娄保华博士于2016年发表了文献《基于微流控芯片技术的电化学生物传感器的设计和研究》分别公开了：微流控芯片技术(microfluidic chip)自发展以来，由于其高灵敏、高通量、低试剂消耗等优点，在分析化学领域表现出了巨大的应用价值。目前，微流控芯片已经成功的应用到了许多分析检测领域如细胞分析、蛋白质、核酸分析、酶动力学测试等。随着科技的发展和生活水平的提高，人们对生存环境质量和身体健康越来越关注。由于微流控芯片具有自动化程度高，可进行实时原位检测，灵敏度高，成本低的优势，具有应用于环境检测和疾病诊断的潜力。然而，通常情况下微流控芯片仅仅提供了微流体样品的载体，需要结合荧光/紫外、激光诱导荧光、质谱等大型分析检测仪器来完成分析工作。“头小尾大”的工作模式违背了微流控芯片创建小型化、微型化分析平台并应用于实时分析、现场分析的初衷，很大程度限制了微流控芯片的发展。在本论文中，我们致力于高集成度、微小型分析传感平台的构建，设计新型微流控芯片用于生物样品的分析，开展了一系列的研究工作，具体包括以下几个部分:1.基于在纸芯片上集成导电聚合物薄膜修饰电极的新型阴离子电化学传感平台。我们通过丝网印刷技术把三电极体系集成到纸芯片上，通过电化学聚合方法在电极上修饰氯离子掺杂的聚吡咯(ppy)薄膜。通过检测氯离子掺杂的ppy膜对溶液中氯离子浓度的电位响应，可以快速检测出溶液中的氯离子浓度。该芯片成本低廉，制作简单，能批量化生产，只用万用表就能检测电位输出信号。相对于传统的选择性离子电极，除了制备方法简便可控外，其最大优点是电极响应十分快速灵敏，而且响应信号稳定。把该芯片应用到自来水和血清的实样分析中，均获得了准确的结果，证明了该芯片在环境检测和临床分析中的应用价值。
4.2.基于铂纳米粒子催化肼氧化反应的电化学细胞传感器。我们制备了一种宽度为
20μm的微电极用来实现对靶细胞的灵敏检测。该传感器以细胞适配子作为识别元素，靶细胞被固定在电极表面上的细胞适配子识别捕获后，进一步与适配子修饰的铂纳米粒子结合。由于铂纳米粒子对肼的电化学氧化具有很高的催化能力，当样品中含有靶细胞时会检测到强氧化电流信号，同时得益于微电极的低背景信号，该传感器最低可以检测到10个靶细胞。因此该方法可以用于检测癌症病人血液中稀少的循环肿瘤细胞(ctcs)，对癌症的早期诊断具有重要意义。
5.3.在微流控芯片上设计用于智能检测多种肿瘤细胞的逻辑门传感器。我们设计了一种叉指排列的，具有10μm宽的金导线阵列，修饰在金导线上的细胞适配子捕获细胞后会改变芯片的电阻，通过电阻的变化就可以判断样品中是否含有靶细胞。通过将两个相同的金导线微阵列并联或串联的方式就可以组成or和and逻辑门的传感芯片。通过逻辑操作，可以获得样品中含有几种靶细胞的信息。因此该方法在癌症诊断方面具有很大的应用潜力。
6.4.在微流控芯片上原位检测靶细胞释放的基质金属蛋白酶-9(mmp-9)。我们设计了一个把细胞捕获、细胞培养、多肽水解反应、电化学测试集成在一个通道内的3-d微流控芯片。该芯片不仅能够用于检测靶细胞，还能对靶细胞培养过程中释放的mmp-9进行定量检测，实现了单芯片多功能的分析应用。该芯片能实时检测肿瘤细胞的新陈代谢活动，对研究和认识肿瘤细胞的生理反应规律具有重要意义。
7.然而单纯的学术研究不具有实用性，存在难以量产、制造周期长，成本过高，效率低等明显缺点，在具体的应用环节，在医院为患者诊疗的实战环节，检测需要的时间和成本面，与其它现有医疗手段来比，毫无优势可言，新技术的落地应用需要有实力的医疗机构配合一同产学研，为克服以上缺陷，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所与苏州科技城医院和南京中医药大学附属医院三家一起合作，抽调专家王卫国（苏州科技城医院），陈雪花（南京中医药大学附属医院），张威、周连群（中科院苏州医工所），徐彦（南京中医药大学附属医院），组成联合团队，进驻苏州科技城医院，根据实际需求情况，研究患者肾结石的复杂成因和演变过程，一次取样，同时检测出尿液ph值和尿中的草酸、枸橼酸、尿酸、磷酸、碳酸氢盐、钙、镁、钠、铵和肌酐共10个标志物，以苏州科技城医院为主体研发出了本发明。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种一次性结石电化学传感器分析芯片，可以有效解决背景技术中的问题。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种一次性结石电化学传感器分析芯片，包括线路承载基板、ic模组、数据储存器和外接导电装置，所述ic模组、数据储存器和外接导电装置连接并被线路承载基板固定，还包括电化学腐蚀探针、探针腐蚀检测传感器和尿液分隔装置，所述尿液分隔装置包围并隔离各电化学腐蚀探针之间的联系，在滴入尿液时，将尿液分隔在各电化学腐蚀探针处，分别构成独立的电化学腐蚀单元，电化学腐蚀时，各电化学腐蚀单元内的尿液不会相互干扰，所述外接导电装置从外界获取电源，所述ic模组控制电化学腐蚀探针通电进行电化学腐蚀，并通过探针腐蚀检测传感器探测电化学腐蚀数据，存入数据储存器中，用户或医师能够提取数据储存器中的电化学腐蚀数据，对数据进行分析。
10.进一步的，用户或医师是通过外接导电装置提取数据储存器中的电化学腐蚀数
据，进行医学分析，即外接导电装置即是供电装置，又是数据采集装置，所述外接导电装置为导电点、导电盘、导电板，探针、导电夹头或线束接插件，所述线路承载基板为电路板、绿油铜箔或绝缘板块，用于连接固定电子元器件，并构成完整电路。
11.进一步的，所述ic模组为至少拥有12引脚以上的通用ic，如：江苏长电的8050ss，额定功率：1w ，集电极电流ic：1.5a ，集射极击穿电压vce：25v， 类型：npn；又如：sinowealth/中颖 的sh79f6431p，工作温度：-40
°
c~125
°
c，电压：2v~8.5v，所述数据储存器为通用ic自带的储存空间。
12.进一步的，所述电化学腐蚀探针为金属针，数量为10以上，依序排列，专门分配地址，每一个标志物对应一个电化学腐蚀探针，并设置有涂层，该涂层在尿液浸泡下，与尿液中的标志物进行作用加快或减缓电化学腐蚀的进程，避免电化学腐蚀速度过快或过慢，控制电化学腐蚀反应的速度，方便同时采集差异化数据，并保证同时采样时的数据偏差在5%-20%以内，具有多次数据采集的相对一致性，每个电化学腐蚀单元使用0.01-10 ml尿液即可，一次电化学腐蚀持续时间为10秒-5分钟为宜。
13.进一步的，所述尿液中的标志物为草酸、枸橼酸、尿酸、磷酸、碳酸氢盐、钙、镁、钠、铵和肌酐；检测时，同时检测出尿液ph值，每个电化学腐蚀探针的涂层材料各不相同，根据需要含有促进标志物沉淀或抑制、代替其沉淀的物质，以ph值7.0为分界线，分为ph值7.0以上和ph7.0以下两种大类，如想促进草酸、枸橼酸、尿酸、磷酸沉淀，则涂层材质可为溶液呈弱碱性的钡盐、钙盐、银盐或碱金属的氧化物等，如想抑制草酸、枸橼酸、尿酸、磷酸沉淀，则涂层材质可为溶液呈弱酸性的锰盐、铁盐、铝盐或弱酸的酸酐等，一般来讲，一根电化学腐蚀探针一般只想抑制一种标志物的沉淀，同时并促进其它标志物的沉淀，但钠、铵除外，钠、铵易溶，很难有沉淀物，为了区分，可以让专门测钠标志物的涂层为酸性涂层、专门测铵标志物涂层为碱性性涂层，或相反，或同一种酸碱物质，但浸泡尿液后的ph值相差1以上。
14.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器为电化学腐蚀探针本身，任意两根相邻的电化学腐蚀探针通电时，均构成一组电容，通过分析每组电容的电化学腐蚀过程中的电容值变化过程，可以判断患者的结石类型，对症下药，进行准确疗养。
15.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器为电阻式传感器或电容式传感器。
16.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器为电阻式传感器时，所述电化学腐蚀探针被视为可变电阻，通过该可变电阻的电流与放大器连接，用稳压的交流电或直流电供电，可变电阻的阻值变化时，其电流值也变化，放大其变化幅度，便于观察和记录阻值差异变化。
17.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器为电容式传感器时，所述电化学腐蚀探针被视为可变电容器的一极，用稳压交流电供电，相当于在不停的对可变电容进行充放电，其充放电的电流与放大器连接，可变电容的电容值变化时，其电流值也变化，放大其变化幅度，便于观察和记录电容值的差异变化。
18.进一步的，所述尿液分隔装置为印刷在两根电化学腐蚀探针之间的尿液不能浸润的油墨或框架格挡，阻止电化学腐蚀探针之间的尿液连通和流动，尿液分隔装置为框架格挡时，优选为整体式精密注塑成型的塑料框架，通过卡接或粘接在电化学腐蚀探针之间。
19.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、一次采样，一次检测，同时检测出尿液ph值和尿中的草酸、枸橼酸、尿酸、磷酸、碳酸氢盐、钙、镁、钠、铵和肌酐共10个标志物，大幅提升检测速度、大幅降低检测成本、减少
了大量的重复劳动，经济效果显著；2、单次检测能够快速精确定位患者的当前结石主要成因，给与针对性的高效治疗康复方案，并且患者的治疗成本极低，利民效果显著。
20.3、多次的检测结果配合医师的针对性治疗方案反馈，进行分析，很容易判断出患者的体质属性倾向，进行个性化精准治疗方案，持久疗效效果显著。
附图说明
21.图1为本发明一种实施例成品芯片的整体结构示意图；图2为本发明一种实施例成品芯片的电路基板及铜箔示意图；图3为本发明一种实施例成品芯片铜箔式电化学腐蚀探针的示意图；图4为本发明一种实施例成品芯片的尿液分隔装置结构示意图；图5为本发明一种标志物的原始电化学腐蚀速度与时间曲线取样示意图；图6为本发明一种标志物的原始电化学腐蚀速度与时间曲线取样示意图；图7为本发明一种标志物的原始电化学腐蚀速度与时间曲线取样示意图；图8为本发明一种标志物的原始电化学腐蚀速度与时间曲线取样示意图。
22.图中：线路承载基板1、ic模组2、数据储存器3、外接导电装置4、电化学腐蚀探针5、探针腐蚀检测传感器6、尿液分隔装置7、印刷电路或铜箔11、电子元件扩展接口12、探针外接引线51（金属针或铜箔）、电化学腐蚀区探针52、空腔53、尿液隔离仓71、隔离仓外挡72、隔离仓格挡73、隔离仓内挡74、探针传感器安装位75。
具体实施方式
23.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.如图1-8所示，一种一次性结石电化学传感器分析芯片，包括线路承载基板1、ic模组2、数据储存器3和外接导电装置4，所述ic模组2、数据储存器3和外接导电装置4连接并被线路承载基板1固定，还包括电化学腐蚀探针5、探针腐蚀检测传感器6和尿液分隔装置7，所述尿液分隔装置7包围并隔离各电化学腐蚀探针5之间的联系，在滴入尿液时，将尿液分隔在各电化学腐蚀探针5处，分别构成独立的电化学腐蚀单元，所述外接导电装置4从外界获取电源，所述ic模组2控制电化学腐蚀探针5通电进行电化学腐蚀，并通过探针腐蚀检测传
感器6探测电化学腐蚀数据，存入数据储存器3中，用户或医师能够提取数据储存器3中的电化学腐蚀数据，对数据进行分析。
27.进一步的，用户或医师是通过外接导电装置4提取数据储存器3中的电化学腐蚀数据，进行医学分析，即外接导电装置4即是供电装置，又是数据采集装置，所述外接导电装置4为导电点、导电盘、导电板，探针、导电夹头或线束接插件，所述线路承载基板1为电路板、绿油铜箔或绝缘板块，用于连接固定电子元器件，并构成完整电路。
28.进一步的，所述ic模组2为通用ic，所述数据储存器3为通用ic自带的储存空间。
29.进一步的，所述电化学腐蚀探针5为金属针，并设置有涂层，该涂层在尿液浸泡下，与尿液中的标志物进行作用，加快或减缓电化学腐蚀的进程，避免电化学腐蚀速度过快或过慢，控制电化学腐蚀反应的速度，十种标志物的电化学腐蚀速度曲线各不相同，按曲线的变化情况可分为加速型（如图5所示）、近曲率直线型（如图7所示），和减速型（如图6和图8所示），我们取其速度变化相对较缓和平稳的那段时间，即图5-图8中对应的t1-t2的区域，我们可以改变其反应速度，确保同一取样时间时，各探针的腐蚀处于曲线变化相对平缓的区域，方便同时采集差异化数据，并保证同时采样时的数据偏差在5%-20%以内，具有多次数据采集的相对一致性。
30.进一步的，所述尿液中的标志物为草酸、枸橼酸、尿酸、磷酸、碳酸氢盐、钙、镁、钠、铵和肌酐；检测时，同时检测出尿液ph值。
31.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器6为电化学腐蚀探针5本身，任意两根相邻的电化学腐蚀探针5通电时，均构成一组电容，通过分析每组电容的电化学腐蚀过程中的电容值变化过程，可以判断患者的结石类型，对症下药，进行准确疗养。
32.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器6为电阻式传感器或电容式传感器。
33.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器6为电阻式传感器时，所述电化学腐蚀探针5被视为可变电阻，通过该可变电阻的电流与放大器连接，用稳压的交流电或直流电供电，可变电阻的阻值变化时，其电流值也变化，放大其变化幅度，便于观察和记录阻值差异变化。
34.进一步的，所述探针腐蚀检测传感器6为电容式传感器时，所述电化学腐蚀探针5被视为可变电容器的一极，用稳压交流电供电，相当于在不停的对可变电容进行充放电，其充放电的电流与放大器连接，可变电容的电容值变化时，其电流值也变化，放大其变化幅度，便于观察和记录电容值的差异变化。
35.进一步的，所述尿液分隔装置7为印刷在两根电化学腐蚀探针5之间的尿液不能浸润的油墨或框架格挡，阻止电化学腐蚀探针5之间的尿液连通和流动，尿液分隔装置7为框架格挡时，优选为整体式精密注塑成型的塑料框架，通过卡接或粘接在电化学腐蚀探针5之间。
36.需要说明的是，本发明为一种一次性结石电化学传感器分析芯片，将本发明的外接导电装置接上电源，比较理想的方式是通过线束或数据对接，供电的同时，也能够实时获取和事后读取电化学腐蚀的数据，结石患者用户在家或在医院采集适量尿液，滴到本发明的电化学腐蚀探针分布区域，被尿液分隔装置分隔成独立的10个以上的电化学腐蚀空间，尿液接触电化学腐蚀探针10-600秒后，开始通电进行电化学腐蚀，电化学腐蚀探针上的涂层与尿液接触作用，起到加快或减缓电化学腐蚀探针腐蚀速度的作用，确保用户或医师操作时，即使电化腐蚀取样时间偏差几秒至几分钟，也能得出近似相同的结论，电化学腐蚀持
续时间为15秒-5分钟为宜，一边腐蚀一边记录传感器的数据，电化学腐蚀持续时间满足要求后，停止电化学腐蚀供电，然后用读卡器、数据线或线束等工具读取各探针的电化学腐蚀过程的数据，电脑或人工分析数据，得出患者当前的产生结石原因标志物，并为止匹配对症下药的诊疗方案，对症下药的诊疗方案是当前治标的方案，未必是最好的诊疗方案，由于个人体质的原因，一组同样病症的患者，用药量相同时，有的人是刚刚好，病情治愈，且不复发；有的人是用药量不足，原有症状减缓，但难以根除，需要适当加大药量，持久治疗，病情反复；还有的人是已经就用药过度了，也是病情反复，但导致结石的标志物已经是另一种标志物了，如：以前是碱性标志物在碱性体液中容易产生的结石，现在体液呈酸性了，结果酸性环境容易产生的结石又出现了，前后两次结石的成因不同，通过多次间隔取样电化学腐蚀分析，可以根据不同时间顺序的结石成因标志物的分析，得出患者在治疗过程中的身体属性改变情况，从而一对一精准治疗，让患者很难复发结石，本发明成本低，采样成本低、分析成本低，数据分析准确，能够对患者的体质进行较好的把握，精准诊疗，社会价值和经济价值极高。
37.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。