活体检测电极校正方法及其应用与流程

本发明涉及分析领域，具体地，本发明涉及活体检测电极校正方法及其应用。

背景技术：

活体检测由于可以原位、实时的反应待测物在生物体中的浓度等情况，被广泛用于研究或检测生物体内的各项生化进程。在各类活体检测方法中，电化学方法由于其时空分辨率高，方法灵敏选择性好，对生物体损伤较小等优势备受关注。由于活体检测的检测环境复杂，例如，以脑部活体检测为例，脑内环境中不仅存在许多小分子干扰物质，还包含许如脂质、蛋白质等生物大分子干扰物。这些干扰物，尤其是蛋白质在电极界面上的吸附会导致电极灵敏度的降低，使得电极性能较体外有着较大的变化。因此，在采用电化学方法进行活体检测时，需要对电极进行校正。

然而，目前用于活体检测的电极校正方法仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明是基于发明人的下列认识和发现而完成的：

目前的电极校正方法，多为活体分析后，测量待测物的校正曲线，再对活体检测获得的电化学信号进行定量分析。然而，活体检测要求对于生物体的损伤尽可能小，因此用于活体检测的电极多为微电极，以便减小活体检测的伤口。活体分析后进行校正的方法，要求在复杂的活体分析后，再测量尺寸较小的微电极的校正曲线，因此对于操作精度要求很高，且容易造成微电极的损坏。并且，上述校正方法是在假设电极的灵敏度在整个分析过程以及活体分析后保持不变的前提下进行的。而实际操作中，由于蛋白质等大分子会在活体分析过程中吸附在电极表面，电极的灵敏度并非保持不变，因此活体分析后的校正方法存在一定误差。

有鉴于此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种用于活体分析的电极校正方法。该方法在活体分析前，采用与活体分析环境相近似的溶液做为电解质对待测物预先进行校正，一方面可以降低校正过程中对于操作精度的要求，避免了活体分析后再对电极进行校正时，由于电极破损、失效而造成活体分析数据无法使用；另一方面，采用的电解质溶液中含有蛋白质分子，因此校正过程电极表面的蛋白质吸附已达到吸附平衡，从而可以防止活体环境中的蛋白质进一步吸附在电极表面，从而可以提高活体检测的准确性。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种用于活体分析的电极的校正方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在进行所述活体分析前，将所述电极浸入含有牛血清蛋白的人工脑脊髓溶液中，向所述含有牛血清蛋白的人工脑脊髓溶液中加入待测物，获得所述待测物的校正曲线，以便完成所述电极的校正。由此，可以降低校正过程中对于操作精度的要求，避免活体分析后电极破损而无法使用活体分析获得的数据，提高活体分析检测结果的准确性。

根据本发明的实施例，含有牛血清蛋白的人工脑脊髓溶液中，所述牛血清蛋白的浓度为20～60mg/ml。

根据本发明的实施例，所述校正曲线是在两电极体系或三电极体系下实现的，其中，所述两电极体系中，工作电极为所述电极，参比电极为ag/agcl电极；所述三电极体系中，工作电极为所述电极，对电极为pt电极，参比电极为ag/agcl电极或饱和甘汞电极。

根据本发明的实施例，所述校正曲线是通过安培法或快速扫描循环伏安法获得的。由此，可以根据不同的待测物，选择适当的电化学方法进行校正，从而可以扩展该校正方法的应用范围。

根据本发明的实施例，通过所述安培法获得所述校正曲线是通过以下步骤实现的：(1)对所述电极施加固定电位的电压，检测所述电极的电流；(2)向所述含有牛血清蛋白的人工脑脊髓液中加入所述待测物，并检测所述电极的电流；(3)多次重复步骤(2)，获得多个所述待测物浓度以及与所述多个待测物浓度一一对应的多个所述电流，以便获得所述校正曲线。由此，可以简便地利用安培法获得待测物的校正曲线。

根据本发明的实施例，通过所述快速扫描循环伏安法获得所述校正曲线是通过以下步骤实现的：(1)向所述含有牛血清蛋白的人工脑脊髓液中加入所述待测物，在所述三电极体系中，测量所述电极的循环伏安曲线；(2)多次重复步骤(1)，以便获得多个待测物浓度以及与所述多个待测物浓度一一对应的多个所述循环伏安曲线；(3)利用步骤(2)中获得的所述多个待测物浓度，以及所述多个循环伏安曲线中所述待测物的氧化或还原峰的峰电流作图，以便获得所述校正曲线。由此，可以简便地利用循环伏安法获得待测物的校正曲线。

根据本发明的实施例，所述快速扫描循环伏安法的扫描速度不低于400v/s。

根据本发明的实施例，获得所述校正曲线之后进一步包括：利用人工脑脊髓液对所述电极进行淋洗处理。

在本发明的第二方面，本发明提出了前面所述的电极校正方法在安培法活体检测多巴胺中的应用。

在本发明的第三方面，本发明提出了前面所述的电极校正方法在安培法活体检测抗坏血酸中的应用。

在本发明的第四方面，本发明提出了前面所述的电极校正方法在快速扫描循环伏安法活体检测多巴胺中的应用。

附图说明

图1显示了根据本发明一个实施例的电极校正方法的流程示意图；

图2显示了本发明实施例1中获得的多巴胺浓度对应电极电流曲线；

图3显示了本发明实施例1中获得活体检测前以及活体后多巴胺校正曲线；

图4显示了本发明实施例2中获得的抗坏血酸浓度对应电极电流曲线；

图5显示了本发明实施例2中获得活体检测前以及活体后抗坏血酸校正曲线；

图6显示了本发明实施例3中活体检测前的快速扫描循环伏安扫描曲线；

图7显示了本发明实施例3中活体检测后的快速扫描循环伏安扫描曲线；以及

图8显示了本发明实施例3中获得活体检测前以及活体后多巴胺校正曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种用于活体分析的电极的校正方法。该方法在进行活体分析之前，预先该电极进行待测物校正曲线的测量。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：

s100：浸入电解液

根据本发明的实施例，在该步骤中，在进行所述活体分析前，将用于活体分析的电极浸入到含有蛋白质的与活体检测环境相近似的电解液中。发明人经过深入研究以及大量实验发现，在电解液中加入蛋白质，可以在活体分析前的校正过程中，预先使用于活体分析的电极(通常为微电极)达到蛋白质的吸附平衡，吸附有蛋白质的电极，可以使得电极界面的接触角降低，亲水性增强，从而可以避免活体分析过程中，活体环境中的蛋白进一步吸附在电极表面，影响检测结果，并增强电极的稳定性能以及生物兼容性。根据本发明的具体实施例，当活体检测为针对脑部的活体检测时，可以将用于活体分析的电极浸入含有牛血清蛋白(bsa)的人工脑脊髓(acsf)溶液中。发明人经过大量实验发现，含有牛血清的人工脑脊髓溶液可以较好的模拟脑内环境，因此采用上述溶液作为电解液的校正结果准确可信。并且，牛血清蛋白为实验室中更能够简单易得的蛋白，因此有利于降低该方法的试剂成本，并扩展该方法的推广应用。根据本发明的实施例，上述电解液中，牛血清蛋白等蛋白质的含量不受特别限制，本领域技术人员可以根据活体检测的具体情况，以及用于活体检测的电极的具体类型进行调节。根据本发明的具体实施，在含有牛血清蛋白的人工脑脊髓溶液中，牛血清蛋白的浓度可以为20～60mg/ml。

需要说明的是，本发明所提出的电极校正方法，测量校正曲线所采用的具体电化学技术不受特别限制，本领域技术人员可以根据待测物的具体类型进行选择。例如，根据本发明的具体实施例，校正曲线可以是通过安培法或循环伏安法获得的。由此，可以根据不同的待测物，选择适当的电化学方法进行校正，从而可以扩展该校正方法的应用范围。根据本发明的实施例，上述校正曲线可以是在两电极体系或三电极体系下实现的。在两电极体系中，工作电极为用于活体检测的电极，参比电极为ag/agcl电极；在三电极体系中，工作电极为用于活体检测的电极，对电极为pt电极，参比电极为ag/agcl电极或饱和甘汞电极。

s200：加入待测物

根据本发明的实施例，在该步骤中，向电解液中加入待测物。具体的，上述电解液可以为含有牛血清蛋白的人工脑脊髓液，在该步骤中，可以多次向含有牛血清蛋白的人工脑脊髓液中添加定量的待测物，以便梯度地改变电解液中待测物的浓度。每一次向电解液中添加待测物后，采用相应的电化学分析技术(如安培法或循环伏安法)，测量相应的工作电极电信号(如电极电流)。由此，可以获得与待测物浓度一一对应的电极信息。根据本发明的具体实施例，采用循环伏安法测量工作电极的电信号时，可以采用快速扫描循环伏安法。具体的，快速循环伏安法的扫描速度不低于400v/s。

根据本发明的具体实施例，当采用安培法进行电极校正时，可以对工作电极施加固定值的电压，测量工作电极的电流。待背景电流稳定后，开始向电解液中加入一定量的待测物，同时测量此时的电极电流，获得第一个待测物浓度以及与之对应的电极电流；随后，多次向电解液中加入固定量的待测物，使得待测物的浓度呈梯度变化，并测量每一次待测物浓度改变时的电极电流。

根据本发明的具体实施例，当采用快速扫描循环伏安法进行电极校正时，可以在未加入待测物时，首先利用快速扫描循环伏安技术获得循环伏安曲线并作为背景参考。然后，向电解液中加入一定量的待测物，在相同的测试条件下，再测量循环伏安曲线，然后扣除背景电流曲线。此时获得的循环伏安曲线中，具有待测物的特征氧化和/或还原峰。由此，可以获得第一个待测物浓度以及与之对应的氧化/还原特征峰的峰电流值。然后多次重复加入固定量待测物的操作，并在每一次加入待测物之后，进行上述循环伏安曲线的测量。

s300：绘制待测物校正曲线

根据本发明的实施例，利用前面获得的待测物浓度以及相应的电极信息，绘制待测物的校正曲线。

根据本发明的具体实施例，当采用安培法进行电极校正时，可以直接利用前面获得的不同待测物浓度对应的电极电流，绘制待测物浓度对应电极电流的校正曲线。根据该校正曲线，可以通过活体检测中所测得的电极电流，对应获得活体环境中待测物的浓度。

根据本发明的具体实施例，当采用循环伏安法进行电极校正时，需要首先读取每一个待测物浓度下的氧化/还原特征峰的峰电流，随后，利用待测物浓度以及峰电流作图，即可获得待测物的校正曲线。在活体检测中，利用循环伏安法检测待测物，并通过循环伏安曲线中特征氧化或是还原峰的峰电流，利用校正曲线获得待测物在活体检测环境中的浓度。

根据本发明的实施例，获得上述校正曲线之后，可以利用人工脑脊髓液对工作电极进行淋洗处理，以便除去电极表面未吸附在电极上的剩余牛血清蛋白。待电极自然干燥后，即可用于活体检测。

综上所述，根据本发明实施例的校正方法，具有以下优点的至少之一：

1)通过实验室中简单易得的牛血清白蛋白模拟脑内环境，并以此为活体前校正溶液对植入电极进行活体前校正，校正结果准确可信。有望发展成为脑内物质定量分析的一种常用校正方法；

2)活体检测前电极已预先达到蛋白质吸附平衡，使得其电极界面接触角降低亲水性增强，从而阻止了活体内蛋白质的进一步吸附，使得电极在活体内始终保持稳定；

3)由于牛血清白蛋白具有很好的生物兼容性，因此活体前吸附了牛血清白蛋白的电极植入到脑内时，生物兼容性也会有所提高。

在本发明的第二方面，本发明提出了前面所述的电极校正方法在安培法活体检测多巴胺中的应用。

在本发明的第三方面，本发明提出了前面所述的电极校正方法在安培法活体检测抗坏血酸中的应用。

在本发明的第四方面，本发明提出了前面所述的电极校正方法在快速扫描循环伏安法活体检测多巴胺中的应用。

下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。下述实施例中所用的多巴胺(da)购于sigma-aldrich公司，商品目录号为：h8502；抗坏血酸(aa)购于sigma-aldrich公司，商品目录号为：a5960。牛血清白蛋白(bsa)购于sigma-aldrich，商品目录号为a1933。

在下列实施例中，采用碳纤维电极或碳纳米管修饰的碳纤维电极作为活体检测的电极。

实施例1：安培法检测多巴胺(da)活体前校正曲线

碳纤维电极的制备：首先将玻璃毛细管(外径:1.5mm；内径:0.89mm；长度:10cm)在微电极拉制仪(wd-1型，成都仪器厂)上拉制成两个尖端很细的锥形毛细管，在显微镜下，用玻璃刀轻将尖端割开，使端口内径约为30-50μm。然后将约2cm长的碳纤维用ag导电胶粘在一根铜丝上，将其穿入拉好的毛细管中，使碳纤维在毛细管的尖端外暴露出约3mm的长度。再用环氧树脂(乙二胺作为固化剂)将尖端的空隙封住，防止溶液进入毛细管内。毛细管和碳纤维上多余的环氧树脂用丙酮溶液除去，放置过夜，使环氧树脂固化。用绝缘胶将毛细管的另外一端封住，使铜丝和毛细管固定在一起，并在显微镜下，用小刀将碳纤维突出毛细管部分截为0.5-1.0mm，即制成碳纤维微电极(cfe)。制备好的cfe依次在丙酮、3.0mol/l的hno3和1.0mol/l的koh溶液中超声2min。然后在1mol/l的氢氧化钠溶液中进行电化学活化：先施加+1.5v的电位极化80s，再以0.1vs-1的扫描速度在0.0-1.0v的电位范围内进行循环伏安扫描，到获得稳定的循环伏安图为止。

活体检测前电极校正：首先制备50mmol/l的多巴胺溶液，以及含有40mg/mlbsa的acsf溶液，移取10mlbsa的acsf溶液于烧杯中做为电解液，然后将cfe置于烧杯中并以铂丝为对电极，银氯化银为参比电极构成三电极体系。然后对工作电极施加+0.2v的电压，待背景电流稳定后，向电解液中加入1μl的da溶液4次，调节电解液中da的浓度按照5μmol/l、10μmol/l、15μmol/l以及20μmol/l的梯度变化，同时实时检测上述过程中的电极电流。

参考图2(pre-calibration)，电极电流随多巴胺浓度的梯度上述也呈梯度增长。以浓度为自变量，对应电流响应为因变量绘制浓度电流曲线做为多巴胺的活体前校正曲线，校正曲线如图3所示(pre-calibration)。

为了证实上述校正方法获得的校正曲线的准确性，将进行过上述活体前校正曲线测量的电极植入到大鼠纹状体中两个小时后取出，然后对植入活体后取出的cef按照活体前校正曲线的步骤，绘制活体后的多巴胺浓度校正曲线，以核对活体前进行电极校正获得的校正曲线的可靠性。参考图2(post-calibration)，活体后获得的电极电流也能够随多巴胺浓度的梯度上述呈梯度增长，且在多巴胺浓度相同时，测得的电极电流与活体前测得的电极电流基本保持一致。绘制的活体后校正曲线参考图3(post-calibration)，活体前后多巴胺的校正曲线基本重合，说明经过本发明实施例的活体前校正，电极表面已基本达到蛋白质吸附的平衡，活体过程中电极稳定性较好。

实施例2：安培法检测抗坏血酸活体前校正曲线

碳纳米管修饰的碳纤维电极的制备：将2mg的多壁碳纳米管(mwnt)超声分散在1ml的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，取一滴滴在平滑的玻璃板上，将活化好的碳纤维微电极在碳纳米管的液滴中滚动，使mwnt修饰在cfe上，然后在空气中放置使溶剂挥发，即制得mwnt/cfe。

活体检测前电极校正：首先制备50mmol/l的抗坏血酸(aa)溶液，以及含有40mg/mlbsa的acsf溶液，移取10mlbsa的acsf溶液于烧杯中做为电解液，然后将mwnt/cfe置于烧杯中并以铂丝为对电极，银氯化银为参比电极构成三电极体系。然后对工作电极施加+0.05v的电压，待背景电流稳定后，向电解液中加入10μl的aa溶液5次，调节电解液中aa的浓度按照50μmol/l、100μmol/l、150μmol/l200μmol/l以及250μmol/l的梯度变化，同时实时检测上述过程中的电极电流。

参考图4(pre-calibration)，电极电流随抗坏血酸浓度的梯度上述也呈梯度增长。以浓度为自变量，对应电流响应为因变量绘制浓度电流曲线做为aa的活体前校正曲线，校正曲线如图5所示(pre-calibration)。

为了证实上述校正方法获得的校正曲线的准确性，将进行过上述活体前校正曲线测量的电极植入到大鼠纹状体中两个小时后取出，然后对植入活体后取出的cef按照活体前校正曲线的步骤，绘制活体后的aa浓度校正曲线，以核对活体前进行电极校正获得的校正曲线的可靠性。参考图3(post-calibration)，活体后获得的电极电流也能够随多巴胺浓度的梯度上述呈梯度增长，且在aa浓度相同时，测得的电极电流与活体前测得的电极电流基本保持一致。绘制的活体后校正曲线参考图5(post-calibration)，活体前后aa的校正曲线基本重合，说明经过本发明实施例的活体前校正，电极表面已基本达到蛋白质吸附的平衡，活体检测过程中电极稳定性较好。

实施例3：快扫扫描循环伏安法检测多巴胺活体前校正曲线

碳纤维电极的制备：首先在乙醇溶液中将长10cm左右的碳纤维电极穿入到玻璃毛细管(外径:1.5mm；内径:0.89mm；长度:10cm)，使玻璃毛细管的一端有一段碳纤维露出。将穿好的碳纤维在烘箱中50℃干燥两个小时。然后在水平激光拉制仪(p-2000,sutterinstrumentco.)上拉制成两个尖端很细的锥形毛细管。在显微镜下，用虹膜剪将露出的碳纤维剪至100-300μm，然后将硅橡胶反向灌注到玻璃管的尖端，为了确保硅橡胶充满毛细管的尖端，将电极固定在2ml的离心管中然后置于离心机中以7000rpm的转速离心70秒。然后将电极置于室温状态下24h，待硅橡胶固化即可使用。使用时向玻璃管中充入3mol/l的kcl然后插入银氯化银丝作为电极连接线。

活体检测前电极校正：首先制备50mmol/l的多巴胺溶液，以及含有40mg/mlbsa的acsf溶液，移取10mlbsa的acsf溶液于烧杯中做为电解液，然后将前面制备的碳纤维电极置于烧杯中为工作电极，并以银氯化银为参比电极构成两电极体系。然后在-0.4v～+1.1v电压范围内，以400v/s的扫速进行多次循环伏安扫。待循环伏安曲线稳定后，向电解液中加入1μl的da溶液5次，调节电解液中da的浓度按照0.5μmol/l、1μmol/l、1.5μmol/l、2μmol/l以及2.5μmol/l的梯度变化，并在每一次添加da后，对体系进行循环伏安扫描。参考图6(pre-calibration)，da的特征峰电流随体系中da浓度的升高而升高。以da浓度为自变量，对应特征峰的峰电流为因变量，绘制浓度电流曲线，即获得活体检测前多巴胺的校正曲线，参考图8(pre-calibration)。

为了证实上述校正方法获得的校正曲线的准确性，将进行过上述活体前校正曲线测量的电极植入到大鼠纹状体中两个小时后取出，然后对植入活体后取出的cef按照活体前校正曲线的步骤，绘制活体后的多巴胺浓度校正曲线，以核对活体前进行电极校正获得的校正曲线的可靠性。参考图7(post-calibration)，活体后获得的特征峰电流也能够随多巴胺浓度的梯度上述呈梯度增长，且在多巴胺浓度相同时，测得的电极电流与活体检测前测得的特征峰电流基本保持一致。绘制的活体后校正曲线参考图8(post-calibration)，活体前后多巴胺的校正曲线基本重合，说明经过本发明实施例的活体前校正，电极表面已基本达到蛋白质吸附的平衡，活体检测过程中电极稳定性较好。

从上述实施例可以看出，本发明在用于活体前电极的校正无论对于相同电化学方法检测不同种物质(分别用电流法检测da和aa)，还是不同电化学方法检测相同物质(分别用电流法和快速扫描循环伏安法检测da)都呈现很好的线性关系，且与后校正方法比较来看，该方法与传统后校正方法绘制的校正曲线基本一致。说明该方法不局限于某一种电化学方法也不局限于检测某一种物质，具有一定的普世性且具有较高的准确性和可信度。从而本发明有望发展成为一种简单便捷的活体前校正方法，应用于活体内信号的定量分析。对于研究脑内物质变化及其相关生理、病理过程具有重要意义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。