一种基于绝缘微球状态改变的高通量生物电阻传感测量装置

1.本实用新型涉及食品安全、体外诊断、环境监测等领域，涉及一种基于绝缘微球状态改变的高通量生物电阻传感测量装置。


背景技术：

2.当前在食品安全、体外诊断、环境监测等领域中，生物传感检测作为一种新兴检测方法，具有检测方式多样、仪器便携性好、准确度高等优点，能够满足现场快速检测的需求。常用的生物传感器有热敏生物传感器、压电生物传感器、电化学生物传感器、光学生物传感器等。其中电化学生物传感器操作简单、灵敏度高，是目前应用较为广泛的一类传感器。电化学生物传感器是把特定的生物识别元件作为检测单元，电极作为信号转换装置，在进行相应的生化反应后，将样品中目标物的浓度大小转换为电信号读出，并进一步转换成数字信号与上位机完成通讯。但是该类传感器需要在电极上进行生化反应，反应过程会使电极表面发生钝化，长期使用会造成检测不灵敏，且容易受到样品基质的干扰，稳定性较差。
3.在前期工作中，实用新型人提出了一种基于绝缘微球浓度变化导致微通道电阻改变的生物传感检测方法(公开号cn112415058a)，该方法是在微通道两端施以恒定的电压/电流，高压作用下导电池内会产生电渗流，电渗流驱动待测液通过微通道，待测液中的绝缘微球在通过微通道的过程中会产生阻塞效应，导致微通道内的电阻发生改变，因此通过测量微通道的电流变化值可以检测绝缘微球浓度，从而间接得到待测目标物的含量。该实用新型专利基于电化学生物传感原理，通过微通道两端的电阻变化来间接测量待测目标物的浓度变化，提高了电化学生物传感方法的便捷性，降低了设备成本。但该方法需要磁分离、洗涤等步骤，影响了整个检测速度。为了解决这个问题，实用新型人提出了一种基于绝缘微球状态变化导致微通道电阻改变的均相分析方法(申请号：202011239627.4)，该方法根据免疫反应可以改变绝缘微球的状态，而绝缘微球状态的改变可以引起微通道两端电阻的改变，进而构建了一种均相、免洗的免疫分析方法，但该方法无法实现多个目标物的高通量检测，也没有实现自动化的装置。此外，实用新型人还提出了一种用于检测微米颗粒的多通道颗粒检测装置及检测方法(公开号cn111413264a)，该装置在箱体上设置多个侧边开有小孔的试管，试管内外装有正负电极，利用升降机构来控制小孔试管插入或离开样品池，试管内有吸液管，样品池中的待测目标物在吸液管的负压作用下进入小孔从而引起内部电阻变化，随后将电信号转换为数字信号输出，该实用新型实现了对多个样品进行同时检测，降低了检测时间和检测成本，但该装置还是相对复杂，成本比较高。因此需要开发一种便携、全自动、高通量的检测装置，实现对微球状态改变的监测，进而实现多个样品的高通量检测。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，提供一种基于绝缘微球状态改变的高通量生物电阻传感测量装置。
5.本实用新型的方案是：
6.一种基于绝缘微球状态改变的高通量生物电阻传感测量装置，所述装置包括多个多孔微通道、导电池组、加热装置、升降装置、电极板和机座；
7.导电池组包括1号导电池和2号导电池，1号导电池和2号导电池通过之间设有多孔微通道；
8.加热装置为位于1号导电池和和2号导电池底部的加热盘，加热盘与1号导电池的接触部分开有小孔，加热盘底部通过触点与机座上的加热电极相连，加热电极连接直流电源形成闭合回路；
9.升降装置包括升降电机和滚珠丝杆，滚珠丝杆一端连接升降电机，另一端连接电极板。
10.优选地，所述1号导电池和2号导电池通过螺纹连接，多孔微通道与1号导电池和2号导电池连通的两侧分别设有硅胶垫圈。
11.所述电极板底部有多组检测电极，检测电极通过导线与直流电源相连形成闭合回路，其闭合回路上设有检测仪表和电源输出控制器，检测电极包括可分别插入1号导电池内的正极检测电极和2号导电池内的负极检测电极。
12.优选地，所述1号导电池内底部设有搅拌转子，机座包括操作显示模块和搅拌模块，操作显示模块为显示屏和对测量通道进行选择的按钮开关，搅拌模块为多组与永磁铁相连的微电机，微电机通过加热盘上的小孔带动1号导电池内的搅拌转子转动完成搅拌。
13.优选地，所述多孔微通道孔数≤3孔。
14.优选地，所述多孔微通道的通道内径为70-80μm，长度为1.5-2.5mm。
15.优选地，所述导电池组内设有待识别的颗粒，所述待识别颗粒为高分子绝缘微球，所述高分子绝缘微球表面修饰有特定的生物识别分子，所述特定的生物识别分子包括抗体或者dna分子探针。
16.优选地，所述1号导电池和2号导电池材质为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或其他。
17.优选地，所述导电池组设有7-9组。
18.采用上述装置进行测量方法包括如下：
19.首先将特定的生物识别分子如抗体或者dna分子探针分别修饰在高分子绝缘微球表面，随后加入待测目标物进行免疫反应，经过抗体-抗原之间的免疫反应之后，绝缘微球状态由原来的分散状态变成聚集状态，绝缘微球状态与待测目标物浓度相关。将待测溶液置于1号导电池内，在正极检测电极和负极检测电极上施加恒定的电压或电流，高压作用下导电池内部产生的电渗流驱动高分子绝缘微球通过多孔微通道，微球在通过多孔微通道时会产生阻塞效应，阻塞效应导致闭环电路的电阻上升，更为重要的是在微球浓度一定的条件下，聚集状态的微球通过多孔微通道引起的阻塞效应比分散状态的微球大，引起的电阻变化值更大，因此，电阻值变化大小与高分子绝缘微球的状态呈正相关，通过测量得到微通道两端的电压/电流值变化量，该变化量取决于高分子绝缘微球的状态的改变，从而实现目标物浓度的测量。
20.其中1号导电池作为反应池，底部装有搅拌转子，2号导电池作为废液收集部分，检测时待测液从1号导电池进入多孔微通道后流向2号导电池。
21.所述通道内径为75μm，长度为2mm。
22.所述检测电极上施加的电压为1～1000v，优选为200v。
23.所述1号导电池和2号导电池材质为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，但不仅限于此类材料。
24.所述电极材质为铜，表面处理方式为镀金或镀铂，但不仅限于此类处理方式。
25.与现有的现场快速检测装置相比，本实用新型具有如下优点：
26.(1)高通量检测：本实用新型设置8组导电池，可实现8种样品的同时检测，极大地提高了检测效率和降低了检测成本。
27.(2)检测精度高：搅拌装置可使溶液中的微球分布更均匀，使微通道的电阻变化和微球状态所呈线性关系相关度更高，每组导电池内有多孔微通道，可实现对电阻信号的精确采集。
28.(3)检测时间短：该装置通过电信号的读出来反应高分子绝缘微球状态的变化，信号读出速度快，检测时间可缩短至10s内。
29.(4)操作简单：只需将反应液加入容器中反应完成后即可，检测过程中所需加热、搅拌、状态检测等过程均通过自动化程序控制。
附图说明
30.图1为本实用新型高通量生物电阻传感测量装置总体结构示意图。
31.图2为本实用新型内部结构示意图；
32.图3为本实用新型导电池结构示意图；
33.图4为双抗夹心法检测血清中降钙素原(pct)的电流变化图；
34.其中：导电池组1，第一号导电池101，第二号导电池102，多孔微通道103，硅胶垫圈104，搅拌转子105，加热装置2，升降装置3，升降电机301，滚珠丝杆 302，电极板4，正极检测电极401，负极检测电极402，机座5，显示屏501，开关502，永磁铁503，微电机504。
具体实施方式
35.以下结合附图与实施例对本实用新型结构和操作过程做进一步详细说明，本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。
36.实施例1高通量生物电阻传感测量装置的组建
37.本实用新型提供了一种基于绝缘微球状态改变的高通量生物电阻传感测量装置。
38.参见图1、图2、图3所示，一种基于绝缘微球状态改变的高通量生物电阻传感测量装置，所述装置包括多个多孔微通道、导电池组1、加热装置2、升降装置3、电极板4和机座5；
39.导电池组1包括第一号导电池101和第二号导电池102，第一号导电池101 和第二号导电池102通过之间设有多孔微通道103；
40.加热装置2为位于第一号导电池101和和第二号导电池102底部的加热盘，加热盘与1号导电池的接触部分开有小孔，加热盘底部通过触点与机座5上的加热电极相连，加热电极连接直流电源形成闭合回路；
41.升降装置3包括升降电机301和滚珠丝杆302，滚珠丝杆302一端连接升降电机301，另一端连接电极板4。
42.优选地，所述第一号导电池101和第二号导电池102通过螺纹连接，多孔微通道103
与第一号导电池101和第二号导电池102连通的两侧分别设有硅胶垫圈104。
43.所述电极板4底部有多组检测电极，检测电极通过导线与直流电源相连形成闭合回路，其闭合回路上设有检测仪表(型号dm1630多通道电压电流表，购于博敏特成都科技有限公司)和数字电位器(型号ad7890br-10 8通道12位串行数据采集系统，购于深圳市科利智浦科技有限公司)，检测电极包括可分别插入第一号导电池101内的正极检测电极401和第二号导电池102内的负极检测电极402。
44.优选地，所述第一号导电池101内底部设有搅拌转子105，机座5包括操作显示模块和搅拌模块，操作显示模块为显示屏501和对测量通道进行选择的按钮开关502，搅拌模块为多组与永磁铁503相连的微电机504，微电机通过加热盘上的小孔带动第一号导电池101内的搅拌转子105转动完成搅拌。
45.优选地，所述多孔微通道103孔数为3孔。
46.优选地，所述多孔微通道103的通道内径为75μm，长度为2mm
47.优选地，所述导电池组1内设有待识别的颗粒，所述待识别颗粒为高分子绝缘微球，所述高分子绝缘微球表面修饰有特定的生物识别分子，所述特定的生物识别分子包括抗体或者dna分子探针。
48.优选地，所述第一号导电池101和第二号导电池102材质为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或其他。
49.所述检测电极上施加的电压为1～1000v，优选为200v。
50.所述电极材质为铜，表面处理方式为镀金或镀铂，但不仅限于此类处理方式。
51.该高通量生物电阻传感装置检测原理如下：
52.1号导电池提供反应场所101，加热装置2对应的加热盘提供恒温，反应过程中微电机504带动搅拌转子105高速旋转完成搅拌。测量时，升降电机301 转动使电极板4下降，检测电极插入导电池组1中，在正负电极上施加恒定的电压或电流形成闭环电路，高分子绝缘微球在导电池组1内部产生的电渗流驱动下流入多孔微通道103，微球在通过多孔微通道103时会产生阻塞效应，阻塞效应导致闭环电路的电阻上升，并且电阻变化大小与高分子绝缘微球的状态呈正相关，因此通过检测闭环电路的电流或电压的变化值可得到高分子绝缘微球的状态从而间接得到待测目标物含量，该装置可在多组导电池内完成上述检测过程，进而实现多个样品的同时检测。
53.实施例2采用实施例1装置进行：高通量检测血清中降钙素原(pct)
54.(1)分别将pct捕获抗体-ps微球(2mg/ml，粒径2μm)和pct标记抗体-ps微球(2mg/ml，粒径5μm)用pbs稀释至300μg/ml和100μg/ml；
55.(2)使用pbs配制1mg/ml的pct标准品储备液，配制成浓度分别为0、0.01、0.1、1、10、100ng/ml的pct标准品溶液；
56.(3)分别向1号导电池内加入100μlpct捕获抗体-ps微球稀释液(300 μg/ml)、100μl pct标准品溶液(0、0.01、0.1、1、10、100ng/l)、100μl pct 标记抗体-ps微球(直径3μm，100μg/ml)；开启电源，在在操作显示模块上设定加热板温度37℃、微电机转速8000r/min、孵育时间20min，设定完成后，反应液在恒定温度和搅拌转子的恒定转速下进行孵育；孵育过程中，pct捕获抗体-ps微球、pct标记抗体-ps微球、血清样本3者发生双抗夹心免疫反应，生成ps微球-捕获抗体-pct-标记抗体-ps微球复合物；孵育完成后，升降电机转动，通过滚
珠丝杆带动电极板下降，电极板下方的正极检测电极和负极检测电极分别插入1号导电池和2号导电池中，同时与正负电极连通的电源导通，向1号、2 号导电池上方的正负电极施加直流电压，反应后的混合液在电渗流作用下进入微通道；同时系统自动记录电流变化；以pct浓度的对数值为横坐标，电流差值为纵坐标，作如图3的标准曲线。整个检测过程中，只需要在操作显示模块上设定孵育温度、微电机转速、孵育时间、检测电压即可，其余过程均由程序控制。
57.本实用新型装置检测原理如下：反应液在第1导电池内设定的恒定温度和恒定转速下孵育完成后，溶液中未反应的pct捕获抗体-ps微球和ps微球-pct 捕获抗体-pct-pct标记抗体-ps微球复合物混合液在检测电极高压产生的电渗流驱动作用下进入微通道，由于混合物中pct捕获抗体-ps微球和ps微球-pct 捕获抗体-pct-pct标记抗体-ps微球复合物的聚集状态不同，在3孔微通道内产生的阻塞效应也会不同，因此微通道内的电阻也会发生相应的变化，与pct 捕获抗体-ps微球相比，复合物的聚集状态更大，对应的微通道电阻增大更明显，根据欧姆定律，恒压条件下，闭合电路中电流变化和电阻变化成反比，检测电路自动检测正负电极上的电流值并计算差值得出电流变化量，闭环电路的电流变化值大小与复合物的含量相关，进而可得到血清样本样品中的降钙素原含量。
58.采用标准加入法对人血清样品中的pct进行检测，结果如表1所示。
59.表1采用标准加入法对人血清中的pct进行检测的结果
[0060][0061]
基于上述实验，我们从检测性能方面，包括灵敏度、稳定性、分析时间等方面，对采用该检测装置的检测结果与传统的elisa方法检测结果进行了对比，结果如表2所示，表明该装置不仅具有较高的灵敏度，且稳定性更好，分析时间也从2～3h缩短到0.1h之内。
[0062]
表2本装置和elisa对降钙素原(pct)的分析性能对比
[0063]
分析性检出限rsd(％)分析时间(min)本方法2.72＜6.2＜5elisa260＜12.0＞120
[0064]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。