金丝电极及其制备方法和体外器官灌注中血气参数实时检测装置

本发明涉及分析检测，尤其涉及金丝电极及其制备方法和体外器官灌注中血气参数实时检测装置。

背景技术：

1、血气分析通过检测人体动脉血中的生理参数了解人体呼吸功能、酸碱平衡状态与电解质等，是人体健康状况的重要参考，可用来进行低氧血症、呼吸衰竭、酸碱失衡等疾病的诊断。常规的血气分析只支持单次取样检测，无法实现对多种参数的实时监控。频繁地取血操作繁琐且痛苦，极其不便。而血气多参数实时检测囿于在体实时检测技术的不足与耗血量的限制而无法实现。

2、目前对于血气参数的实时检测存在如下问题：1)多参数协同反映人体健康状态，但是在体环境限制了耗血量与传感器体积，要求多参数检测消耗极低的样品的同时仅产生极小创伤。而部分血气参数的实时检测，如酸碱度的实时检测基于电位分析法的原理使用玻璃探头，该方法需要最少8ml的检测液，且需要极大地创口。因此不适用于血气多参数实时检测。2)人体血液中含有多种蛋白与细胞可能在传感探针表面吸附，使传感器性能降低或失效。同时，血液的流动发生冲刷对传感器表面结构产生影响。需要稳定可靠，具备生物相容性的生物保护膜。3)生物保护膜可以对传感界面施加保护作用，但也会影响传感器的检测性能。保护与检测形成拮抗作用。

3、因此需要构建超灵敏检测界面以达成所需性能。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供金丝电极及其制备方法和体外器官灌注中血气参数实时检测装置，本发明通过设计能够抗灌注液冲刷的金丝电极，并设计多参数组合的实时检测装置，大大降低了体外器官机械灌注系统血气分析中灌注液的使用量，降低了检测成本，且提高了检测的稳定性。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种金丝电极，所述金丝电极包括金丝本体以及位于所述金丝本体表面的微纳结构；以及位于所述微纳结构表面的铂纳米颗粒层；以及位于所述铂纳米颗粒层表面的生物保护膜层。

4、本发明提供的金丝电极由于需要应用在体外器官机械灌注系统的血气分析中，因此相较于常规电化学检测而言，其需要具有额外的特性：1.其灵敏度相较于常规的金丝电极需要更高，这是由于体外器官机械灌注系统中的灌注液十分昂贵，在连续实时检测过程中检测装置需要时时占用部分灌注液，当这部分被占用的灌注液用量低时，能够降低体外器官机械灌注系统的成本；而这就需要金丝电极具有更高的灵敏度，因此本发明中金丝电极的表面设置微纳结构以提高金丝电极的比表面积提升灵敏度；同时在金丝本体的表面构建铂纳米颗粒层，该铂纳米颗粒能够容纳更多的特异性敏感物，进一步提升了灵敏度；2.金丝电极需要耐冲刷，由于体外器官机械灌注系统中灌注液一直处于流动状态，相较于静态环境下检测而言，检测液一直处于流动状态将容易导致检测的稳定性下降且金丝电极表面的特异性敏感物容易被冲刷，因此本发明创造性地在铂纳米颗粒层的表面设置生物保护膜，从而提升其在流动状态下检测的稳定性并延长金丝电极的使用寿命。

5、优选地，所述微纳结构的粗糙度为1.2μm～5μm，例如可以是1.2μm、1.5μm、2.0μm、2.5μm、2.8μm、3.0μm、3.2μm、3.5μm、4.0μm、4.5μm、5μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

6、优选地，所述铂纳米颗粒层中铂纳米颗粒的粒径范围为120nm～900nm，例如可以是120nm、150nm、200nm、220nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、600nm、700nm、800nm或900nm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

7、优选地，所述金丝电极还包括设置在铂纳米颗粒层与生物保护膜层之间的特异性敏感物涂层。

8、值得说明的是，本发明将特异性敏感物涂层设置在铂纳米颗粒层的表面，能够提高特异性敏感物的纳入量，如果将铂纳米颗粒层设置在特异性敏感物层的表面，则存在无法提高附着点以增强敏感物密度，因而无法提高灵敏度的问题。

9、优选地，所述特异性敏感物涂层包括酸碱度敏感物涂层、葡萄糖敏感物涂层或氧气敏感物涂层。

10、优选地，所述酸碱度敏感物涂层为聚苯胺涂层。

11、优选地，所述葡萄糖敏感物涂层为葡萄糖氧化酶涂层。

12、优选地，所述氧气敏感物涂层为漆酶涂层。

13、优选地，所述金丝电极的长度为4～6cm，例如可以是4cm、4.3cm、4.5cm、4.7cm、4.9cm、5.2cm、5.4cm、5.6cm、5.8cm或6cm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

14、优选地，所述金丝电极的直径为0.2～0.5mm，例如可以是0.2mm、0.24mm、0.27mm、0.3mm、0.34mm、0.37mm、0.4mm、0.44mm、0.47mm或0.5mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

15、本发明优选选用直径较小的金丝电极，这样能够更好地降低灌注液的占用量。

16、第二方面，本发明提供一种第一方面所述的金丝电极的制备方法，所述制备方法包括：

17、(1)金丝本体于碱性溶液中经循环伏安法清洗，再于酸性溶液中经方波伏安法进行表面粗糙化，得到含微纳结构的金丝；

18、(2)步骤(1)中所述含微纳结构的金丝经镀铂液在微纳结构的表面镀上铂纳米颗粒，得到含微纳结构和铂纳米颗粒层的金丝；

19、(3)在步骤(2)所述含微纳结构和铂纳米颗粒层的金丝上涂覆生物保护膜，得到所述金丝电极。

20、本发明第二方面提供的金丝电极的制备方法制作流程简单且能够得到检测稳定性高的金丝电极，应用前景广阔。

21、优选地，步骤(1)中所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液。

22、优选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.2～0.8mol/l，例如可以是0.2mol/l、0.27mol/l、0.34mol/l、0.4mol/l、0.47mol/l、0.54mol/l、0.6mol/l、0.67mol/l、0.74mol/l或0.8mol/l等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

23、优选地，所述酸性溶液包括硫酸溶液。

24、优选地，所述硫酸溶液的浓度为0.2～0.8mol/l，例如可以是0.2mol/l、0.27mol/l、0.34mol/l、0.4mol/l、0.47mol/l、0.54mol/l、0.6mol/l、0.67mol/l、0.74mol/l或0.8mol/l等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

25、优选地，步骤(2)中所述镀铂液包括乙酸铅和氯铂酸。

26、优选地，所述镀铂液中乙酸铅的浓度为0.15～0.44wt％，例如可以是0.15wt％、0.19wt％、0.22wt％、0.25wt％、0.28wt％、0.32wt％、0.35wt％、0.38wt％、0.41wt％或0.44wt％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

27、优选地，所述镀铂液中氯铂酸的浓度为1～4wt％，例如可以是1wt％、1.4wt％、1.7wt％、2wt％、2.4wt％、2.7wt％、3wt％、3.4wt％、3.7wt％或4wt％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

28、优选地，步骤(2)中所述镀上铂纳米颗粒的方法为计时电流法。

29、关键工艺参数在于氯铂酸与乙酸铅的浓度对比，镀铂液中的氯铂酸浓度占比提高会导致形成更厚的铂纳米颗粒层，但是过厚的颗粒层存在附着性不够强易脱落等问题，而过薄的铂纳米颗粒层则难以起到提高灵敏度的作用，因此需要选择合适的氯铂酸与乙酸铅的浓度配比。

30、优选地，步骤(3)中所述涂覆生物保护膜的过程包括：将生物保护膜的溶液滴涂在含微纳结构和铂纳米颗粒层的金丝上，并固化，随后在调和溶液中浸润。

31、优选地，所述生物保护膜的材质包括聚氨酯。

32、优选地，所述固化的温度为常温。

33、优选地，所述固化的时间为4～8h，例如可以是4h、4.5h、4.9h、5.4h、5.8h、6.3h、6.7h、7.2h、7.6h或8h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

34、优选地，所述调和溶液包括pbs溶液。

35、pbs溶液是一种缓冲液，主要成分为na2hpo4、kh2po4、nacl和kcl，一般作为溶剂，起溶解保护试剂的作用。由于na2hpo4和kh2po4有二级解离，缓冲的ph值范围很广，而nacl和kcl主要作用为增加盐离子浓度。

36、优选地，所述浸润的时长为24～78h，例如可以是24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h、72h或78h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

37、优选地，所述制备方法在步骤(2)和步骤(3)之间还包括：在铂纳米颗粒层的表面制作特异性敏感物涂层。

38、优选地，所述特异性敏感物涂层为酸碱度敏感物涂层时，所述制作特异性敏感物涂层包括：采用含苯胺的硫酸溶液作为电解质，通过循环伏安法将聚苯胺涂层固定在铂纳米颗粒层的表面。

39、优选地，所述含苯胺的硫酸溶液中硫酸的浓度为0.5mmol/l～2mmol/l，例如可以是0.5mmol/l、0.6mmol/l、1.0mmol/l、1.2mmol/l、1.3mmol/l、1.5mmol/l、1.8mmol/l或2.0mmol/l等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

40、优选地，所述含苯胺的硫酸溶液中苯胺的浓度为0.04mmol/l～2mmol/l，例如可以是0.04mmol/l、0.05mmol/l、0.1mmol/l、0.15mmol/l、0.18mmol/l、0.19mmol/l或0.2mmol/l等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

41、优选地，所述特异性敏感物涂层为葡萄糖敏感物涂层时，所述制作特异性敏感物涂层包括：采用含葡萄糖氧化酶的邻苯二酚溶液作为电解质，通过计时电流法将葡萄糖氧化酶涂层固定在铂纳米颗粒层的表面。

42、优选地，所述含葡萄糖氧化酶的邻苯二酚溶液中葡萄糖氧化酶的浓度为1000u/ml～3000u/ml，例如可以是1000u/ml、1100u/ml、1200u/ml、1300u/ml、1400u/ml、1500u/ml、1600u/ml、1800u/ml、2000u/ml、2200u/ml、2500u/ml或3000u/ml等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

43、优选地，所述含葡萄糖氧化酶的邻苯二酚溶液中邻苯二酚的浓度为3mmol/l～5mmol/l，例如可以是3mmol/l、3.1mmol/l、3.2mmol/l、3.3mmol/l、3.5mmol/l、3.8mmol/l、4.0mmol/l、4.3mmol/l、4.5mmol/l或5.0mmol/l等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

44、优选地，所述含葡萄糖氧化酶的邻苯二酚溶液的ph为5.8～6.1，例如可以是5.8、5.9、6.0或6.1等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

45、优选地，所述含葡萄糖氧化酶的邻苯二酚溶液中采用乙酸调节ph。

46、优选地，所述特异性敏感物涂层为氧气敏感物涂层时，所述制作特异性敏感物涂层包括：采用含漆酶的吡咯溶液作为电解质，通过计时电流法将漆酶涂层固定在铂纳米颗粒层的表面。

47、优选地，所述含漆酶的吡咯溶液中漆酶的浓度为600u/ml～2000u/ml，例如可以是600u/ml、650u/ml、700u/ml、800u/ml、900u/ml、1000u/ml、1200u/ml、1300u/ml、1500u/ml、1800u/ml或2000u/ml等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

48、优选地，所述含漆酶的吡咯溶液中吡咯的浓度为2mmol/l～5mmol/l，例如可以是2mmol/l、2.5mmol/l、3mmol/l、3.5mmol/l、4mmol/l、4.5mmol/l或5mmol/l等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

49、优选地，所述含漆酶的吡咯溶液的ph为5.8～6.2，例如可以是5.8、5.9、6.0、6.1或6.2等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

50、优选地，所述含漆酶的吡咯溶液中采用乙酸调节ph。

51、第三方面，本发明提供一种电化学检测血气参数的装置，所述电化学检测血气参数的装置包括第一方面所述的金丝电极。

52、优选地，所述电化学检测血气参数的装置包括集成板，以及设置在集成板上的酸碱度检测单元、葡萄糖检测单元、温度检测单元和氧气浓度检测单元；所述酸碱度检测单元包括镀有酸碱度敏感物涂层的第一金丝电极以及第一参比电极；所述葡萄糖检测单元包括镀有葡萄糖敏感物涂层的第二金丝电极以及第二参比电极；所述温度检测单元包括第三金丝电极；所述氧气浓度检测单元包括镀有氧气敏感物涂层的第四金丝电极、对电极以及第三参比电极；所述第一金丝电极、第二金丝电极和第四金丝电极均为第一方面所述的金丝电极。

53、优选地，所述第一金丝电极、第二金丝电极、第三金丝电极和第四金丝电极的长度各自独立地为4～6cm，例如可以是4cm、4.3cm、4.5cm、4.7cm、4.9cm、5.2cm、5.4cm、5.6cm、5.8cm或6cm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

54、优选地，所述第一金丝电极、第二金丝电极、第三金丝电极和第四金丝电极的直径各自独立地为0.2～0.5mm，例如可以是0.2mm、0.24mm、0.27mm、0.3mm、0.34mm、0.37mm、0.4mm、0.44mm、0.47mm或0.5mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

55、优选地，所述第一参比电极、第二参比电极、第三参比电极和第四参比电极各自独立地为银/氯化银参比电极。

56、优选地，所述对电极为铂电极。

57、第四方面，本发明提供一种体外器官灌注中血气参数实时检测装置，所述体外器官灌注中血气参数实时检测装置包括第三方面所述的电化学检测血气参数的装置。

58、相较于常规血气分析，体外器官灌注系统对多血气参数实时检测的耗样量、稳定性提出了更高的要求。在灌注系统中，由于灌注液量极小，分配在血气检测中的灌注液量极低，因此本发明基于柔软的金丝与银丝等在尺寸毫米级的灌注管道中构建检测系统。同时，灌注液的流动对传感窗口进行持续的冲刷与影响，我们通过合理配置构建生物保护膜，维持了检测的稳定性。

59、优选地，依照灌注液的流动方向，所述实时检测装置依次设置温度检测单元、氧气浓度检测单元、酸碱度检测单元和葡萄糖检测单元。

60、值得说明的是，由于葡萄糖的检测会消耗灌注液的氧气，从而对氧气的检测造成影响，同时也为了避免氧气和酸碱度检测过程中对灌注液温度波动的影响。本发明根据灌注液的流动方向，在构建四参数同时检测系统时依次设置温度检测单元、氧气浓度检测单元、酸碱度检测单元和葡萄糖检测单元。这种设置方式能够保障四个检测单元检测的准确性，避免相互之间的干扰。

61、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

62、(1)本发明提供的金丝电极具有灵敏度高，耐冲刷的优势；

63、(2)本发明提供的体外器官灌注中血气参数实时检测装置具有占用液量少，仅需8ml以内的液量即可实现多血气参数的检测；

64、(3)本发明提供的体外器官灌注中血气参数实时检测装置检测的稳定性高，持续检测多天检测的灵敏度仍然不会下降。