手持式poct雙性電極-電化學發光裝置及其應用
【專利摘要】本發明公開了一種手持式POCT雙性電極?電化學發光裝置及其應用，該裝置是由一個避光外殼將可充電蓄電池、恒電壓電路轉換系統和微流控芯片集成在其內；在避光外殼內部，微流控芯片與其他部件之間用隔離板隔開；在避光外殼上嵌裝一部智能手機，其背部攝像頭正對著避光外殼內的微流控芯片。本發明裝置與實驗室目前所采用的CCD成像裝置及穩壓電源相比具有體積小、操作簡單、集成化程度高、便于攜帶等優點，尤其可應用于POCT檢測領域。
【專利說明】
手持式R)CT雙性電極-電化學發光裝置及其應用
技術領域
[0001]本發明屬于微流控分析領域，具體涉及一種手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置及其在檢測過氧化氫(H2O2)和葡萄糖中的應用。
【背景技術】
[0002]POCT(point of care testing)一般稱為即時檢驗，是體外診斷(IVD)的一個分支行業，具有操作簡便、快速、效率高、成本低的優勢，具有巨大的市場需求和良好的發展前景，主要應用于環境監測、食品安全檢測、臨床疾病診斷、個人家庭自檢與健康管理等領域。
[0003]以智能手機等移動互聯網設備為基礎的POCT具備高靈敏、高特異的多參數定量的檢測能力和更加集成便攜、操作簡便、信息化等諸多潛在優勢，促進了遠程醫療以及家庭護理等領域的發展，提高了即時診斷的便攜性和普遍性，使現場采集的數據能夠通過移動設備傳送到分析中心，從而避免了試樣運輸帶來的麻煩，已成為分子生物診斷、微流控、電化學檢測等領域的最前沿技術。
[0004]目前，微流控領域中電化學發光檢測裝置主要應用于實驗室，利用PMT(光電倍增管)檢測光強或者CCD成像裝置捕捉發光圖像，與電壓源、微流控芯片等組合裝置進行成像檢測。但是，這些裝置集成化不足、成本高、體積龐大、重量不輕，因而導致檢測過程繁瑣，穩定性和便攜性不足。到目前為止，基于智能手機POCT雙性電極-電化學發光及其檢測應用未被報道過。
[0005]1990年，Manz和Widmer等人首次提出微流控全分析系統(Miniaturized TotalAnalysia Systems，yTAS)概念以來，基于微流控芯片的生化分析技術得到了非常快速的發展，已從理論層次開始真正走向實際應用層面。
[0006]2007年，Whitesides研究組提出使用紙作為微流控襯底材料，開啟了紙芯片的領域。2009年，Henry課題組更首次提出在紙芯片上進行電化學檢測，彌補了比色法靈敏度低的缺陷。隨后，本領域獲得了持續的發展。
[0007]近來，本申請發明人所在的實驗室首次提出利用紙基雙性電極電化學發光方法檢測H2O2和三丙胺，然而文中使用的檢測裝置為專用CCD攝像和數據處理設備和可調電壓源等設備，整體檢測設備體積和重量都很大，未對裝置進行集成以及提出POCT的概念；同時檢測過程操作較為復雜，對操作人員的要求較高;文中未對檢測系統的應用領域進行拓展，未利用該系統來間接檢測待檢測物，例如葡萄糖的檢測方法為利用葡萄糖氧化酶和葡萄糖反應產生H2O2,通過檢測H2O2從而實現間接檢測葡萄糖濃度的方法等。

【發明內容】

[0008]本發明的首要目的在于提供一種手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置，該裝置將微流控芯片與智能手機等移動互聯網設備相結合，具有體積小、重量輕、操作簡便、成本低、穩定性好的優點。
[0009]本發明的另一目的在于提供上述裝置在檢測H2O2和葡萄糖中的應用，該裝置可以達到高靈敏度和低檢測限的效果，可實際應用于環境監測、食品安全檢測、臨床疾病診斷等領域。
[0010]本發明的目的通過下述技術方案實現:
[0011]—種手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置，是由一個避光外殼將可充電蓄電池、恒電壓電路轉換系統和微流控芯片集成在其內；
[0012]在避光外殼內部，可充電蓄電池連接恒電壓電路轉換系統，采用粘性導電膠布將恒電壓電路轉換系統的正負極輸出端固定連接到微流控芯片的驅動電極上;微流控芯片與可充電蓄電池、恒電壓電路轉換系統之間用隔離板隔開，以保證避光外殼閉合時芯片處于一個暗環境中，同時防止電磁信號干擾，盡量提高采集圖像時的信噪比；
[0013]所述的微流控芯片固定在支撐平臺上。
[0014]在避光外殼上嵌裝一部智能手機，該智能手機有背部攝像頭，同時還具有無線傳輸功能；其背部攝像頭正對著避光外殼內的微流控芯片，能將芯片上發生的雙性電極電化學反應成像，然后發送給遠程的PC端進行分析;智能手機的顯示屏朝外，方便使用者操作。
[0015]智能手機的背部攝像頭與微流控芯片之間的距離優選3cm。當距離小于3cm時不便于手機聚焦，導致采集到的數據圖像模糊，影響實驗數據的分析；當距離大于3cm時攝像頭視場較寬，大于整個紙基微流控芯片的面積，一方面有可能產生外界信號干擾，另一方面會導致采集的光強度偏小。3cm的距離既能便于聚焦，又能保證視場和紙基微流控芯片吻合，從而使檢測效果達到最佳。
[0016]所述的微流控芯片是中國專利申請(申請號)201410494915.2中所述的雙性電極電致化學發光的紙基微流控芯片。
[0017]所述的可充電蓄電池具有體積小、重量輕、容量大的優點，特別適合作為手持式檢測裝置的供電電源。
[0018]所述的恒電壓電路轉換系統具有電壓實時顯示功能，同時輸出電壓可調節。
[0019]所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置可以用于檢測H2O2和葡萄糖；
[0020]所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置用于檢測H2O2時，包括以下步驟:將魯米諾溶液與含有H2O2的待檢測溶液按體積比1:1混合，滴加到微流控芯片的通道內，調節輸出電壓5.5-8V，將避光外殼閉合，在芯片上物質充分反應過程中，利用智能手機攝取發光圖像，分析得到結果；
[0021 ]所述魯米諾溶液的pH值優選9.0-11.5，濃度優選5-10mM。
[0022]所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置用于檢測葡萄糖時，包括以下步驟:將葡萄糖氧化酶滴加在微流控芯片的雙性電極陽極上;將葡萄糖溶解到人工尿中形成待測溶液，然后滴加到微流控芯片的通道內，待反應充分后滴加魯米諾溶液，調節輸出電壓5.5-8V，將避光外殼閉合，利用智能手機攝取發光圖像，分析得到結果；
[0023]所述魯米諾溶液的pH值優選9.0-11.5，濃度優選5-10mM;
[0024]檢測葡萄糖的原理為葡萄糖氧化酶法，利用葡萄糖與葡萄糖氧化酶反應產生H2O2,通過檢測H2O2的濃度從而來檢測葡萄糖的濃度。
[0025]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
[0026]1、以智能手機等移動互聯網設備為基礎的POCT具備高靈敏、高特異的多參數定量的檢測能力和更加集成便攜、操作簡便、信息化等諸多潛在優勢，促進了遠程醫療以及家庭護理等領域的發展，提高了即時診斷的便攜性和普遍性，使現場采集的數據能夠通過移動設備傳送到分析中心，從而避免了試樣運輸帶來的麻煩，已成為分子生物診斷、微流控、電化學檢測等領域的最前沿技術。
[0027]2、本發明裝置與實驗室目前所采用的CCD成像裝置及穩壓電源相比具有體積小、操作簡單、集成化程度高、便于攜帶并且可用于現場實時檢測等優點，尤其可應用于POCT檢測領域。
[0028]3、本發明的裝置中，樣品的加樣過程約3s(對于葡萄糖檢測而言，需要額外308來產生H2O2),電化學發光被觸發后整個反應過程持續約25s，完成樣品成像傳感分析僅需30s左右，將得到的數據無線傳輸給計算機處理，因此從進樣到檢測的分析速度極快。
[0029]4、本發明的檢測方法中，對檢測條件諸如驅動電壓、緩沖液pH值、以及魯米諾溶液濃度進行了優化，得到了較優的檢測條件。
[0030]5、本發明對H2O2和葡萄糖的檢測，降低了檢測限，達到了高靈敏度的檢測效果。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置的組成示意圖；其中，1-避光外殼，2-可充電蓄電池，3-恒電壓電路轉換系統，4-智能手機，5-隔離板，6-微流控芯片，7-支撐平臺。
[0032]圖2是驅動電壓與發光強度的關系曲線圖。
[0033]圖3是緩沖液pH值與發光強度的關系曲線圖。
[0034]圖4是魯米諾濃度與發光強度的關系曲線圖。
[0035]圖5是H2O2濃度與發光強度的關系曲線圖。
[0036]圖6是葡萄糖濃度與發光強度的標準曲線圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0038]實施例1
[0039]—種手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置，如圖1所不，是由一個避光外殼I將可充電蓄電池2、恒電壓電路轉換系統3和微流控芯片6集成在其內；
[0040]在避光外殼內部，可充電蓄電池2連接恒電壓電路轉換系統3，采用粘性導電膠布將恒電壓電路轉換系統3的正負極輸出端固定連接到微流控芯片6的驅動電極上;微流控芯片6與可充電蓄電池2、恒電壓電路轉換系統3之間用隔離板5隔開，以保證避光外殼閉合時芯片處于一個暗環境中，同時防止電磁信號干擾，盡量提高采集圖像時的信噪比；
[0041]微流控芯片6固定在支撐平臺7上。
[0042]在避光外殼I上嵌裝一部智能手機4，該智能手機4有背部攝像頭，同時還具有無線傳輸功能;其背部攝像頭正對著避光外殼內的微流控芯片6，攝像頭與微流控芯片6之間的距離為3cm，從而能將芯片上發生的雙性電極電化學反應成像，然后發送給遠程的PC端進行分析;智能手機4的顯示屏朝外，方便使用者操作。
[0043]所述的微流控芯片6是中國專利申請(申請號)201410494915.2中所述的雙性電極電致化學發光的紙基微流控芯片。
[0044]智能手機4采用小米手機(型號MI2SC，北京小米科技有限責任公司出產)，其背部攝像頭的參數為:800萬像素、光圈數f/2.0。
[0045]可充電蓄電池采用的是12.6V供電電源(型號XSL-12.6V，深圳市鑫盛力電源有限公司)，容量為4.4Ah(即IA電流放電4.4h)蓄電池，體積大小為65mmX 54mmX 37mm，重量約為260g，具有過充、過放、過流、短路等保護功能，具有體積小、重量輕、容量大等優點，裝置進行檢測時整個電路的放電電流約為30mA，因此充電一次可連續工作146.7h(4.4Ah/0.03A =146.7h)，非常適合作為手持式檢測設備的供電電源。
[0046]恒電壓電路轉換系統(型號:YS_05，深圳育松創達電子有限公司)由以X14015芯片為核心的集成電路組成，是開關降壓型DC-DC轉換芯片；固定頻率為180kHz，可減小外部元器件尺寸，方便EMC設計。芯片具有出色的線性調整率和負載調整率，輸出電壓支持1.25-32V間任意調節，其內部集成過流保護、過溫保護、短路保護等安全可靠性模塊，具有集成度高、外圍器件少、應用靈活等優點，適用于體積小的電壓控制調節電路。該恒電壓電路轉換系統包括極性電容、非極性電容、xl4015芯片、穩壓管、電感、電位器等，蓄電池的輸出電壓正負極分別接到電壓控制系統的輸入端，輸出電壓大小為1.2 5 X (I + R 2 / RI) V，輸出電壓
1.5-12V可調，通過調節電位器R2，可以得到所需的輸出電壓以用于雙性電極-電化學發光的驅動電壓源。數碼管可以顯示輸出電壓值，便于選擇合適的驅動電壓進行檢測。
[0047]實施例2
[0048]從驅動電壓角度對實施例1得到的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置的檢測條件進行優化，包括以下步驟:
[0049]使用pH值9.0的Na2CO3-NaHCO3緩沖液稀釋魯米諾至終濃度為5mM、稀釋H2O2至終濃度為ImM;將H2O2溶液和魯米諾溶液按體積比1:1混合，得到含有H2O2和魯米諾的混合溶液；用移液槍吸取上述混合溶液25yL，滴加在芯片通道上。接著，輸出電壓(即驅動電壓)調節到一定數值后，將避光外殼閉合，電化學發光反應過程中利用智能手機圖像采集系統進行圖像拍攝、保存(所需時間大約25s);將得到數據無線傳輸給計算機進行分析處理。
[0050]對于每組驅動電壓(3￥、4￥、4.5￥、5￥、5.5￥、6￥、7￥、8￥、利)做8次以上重復試驗。通過ImageJ軟件對無線傳輸得到的圖像進行分析，每張圖片主要發光區域進行灰度值測量，將灰度值乘以發光區域的像素點得到發光面積的光子數，并將數據導入到Origin進行分析和擬合，得到在不同驅動電壓下的雙性電極-電化學發光曲線，見圖2。
[0051]從圖2可以看出在驅動電壓為5.5-8V時，電化學發光的強度較大。驅動電壓為7V時，檢測到的發光強度值最大；電壓小于7V時，隨著驅動電壓增大，電化學發光強度逐漸增加;當電壓大于7V時，電化學發光強度減小。
[0052]實施例3
[0053]從緩沖液pH值角度對實施例1得到的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置的檢測條件進行優化，包括以下步驟:
[0054]配制pH值分別為 7.5、8.0、9.0、10.0、10.5、11.0、11.5 的Na2CO3-NaHCO3 緩沖液，分別用不同PH值的緩沖液將魯米諾稀釋到5mM、H202稀釋到ImM。保持實施例2優化得到的驅動電壓7V，并采用實施例2中檢測步驟和數據分析方法，得到緩沖液在不同pH值下的雙性電極-電化學發光曲線，見圖3。
[0055]從圖3可以看出緩沖液pH值為9.0-11.5時，電化學發光的強度較大。緩沖液pH值為10.5時檢測到的發光強度值最大；當pH值小于10.5時，隨著pH值增大，電化學發光的強度逐漸增加;當pH值大于10.5時，電化學發光強度減小。
[0056]實施例4
[0057]從魯米諾濃度角度對實施例1得到的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置的檢測條件進行優化，包括以下步驟:
[0058]采用實施例3優化得到的pH值10.5的緩沖液配制魯米諾溶液，其濃度分別為0、0.5mM、ImM、2.5mM、5mM、7.5mM、1mM、12.5mM ；保持實施例2優化得到的驅動電壓7V，并采用實施例2中檢測步驟和數據分析方法，得到在不同魯米諾濃度下的雙性電極-電化學發光曲線，見圖4。
[0059]從圖4可以看出在魯米諾濃度為5-10mM時，電化學發光強度較大。魯米諾濃度為
7.5mM時發光強度最大；當魯米諾濃度小于7.5mM時，隨著魯米諾濃度增大，電化學發光的強度逐漸增加;當魯米諾大于7.5mM時，電化學發光強度減小。
[0060]實施例5
[0061 ]根據以上實施例2、3、4得到的最優檢測條件，實施例1得到的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置檢測不同濃度的H2O2,包括以下步驟:
[0062]采用實施例3優化得到的pH值10.5的緩沖液配制不同濃度的H2O2,其濃度分別為0mM、0.005mM、0.01mM、0.02mM、0.05mM、0.1mM、0.2mM、0.5mM、lmM、2mM、5mM;保持實施例 2 優化得到的驅動電壓7V和實施例4優化得到的魯米諾濃度7.5mM;并采用實施例2中檢測步驟和數據分析方法，得到不同濃度H2O2下的雙性電極-電化學發光曲線，見圖5。
[0063]從圖5可以看出，H2O2濃度從0.005mM變化到5mM時，電化學發光的強度逐漸增加。根據圖5所示的低濃度下H2O2校正曲線和未加樣品時的空白值加上其相對標準偏差三倍作為發光強度值，算出本發明在優化條件下H2O2的檢測限為1.75μΜ。由此可以得出，該發明裝置可以實現Η2Ο2高靈每女、寬范圍(達到3個數量級)的定量檢測。
[0064]實施例6
[0065]利用實施例1的裝置檢測不同濃度的葡萄糖，包括以下步驟:
[0066](I)將lU/yL的葡萄糖氧化酶分三次滴加到微流控芯片的雙性電極陽極上(每次1μL)，保證酶不會擴散到雙性電極的陰極一端以及紙芯片的通道中；
[0067](2)葡萄糖氧化酶需要在弱酸性條件下才能發揮出酶的最佳活性作用，因此采用pH值6.0的人工尿溶解葡萄糖，分別得到OmM、0.lmM、0.5mM、lmM、2mM、5mM的葡萄糖溶液；
[0068](3)用移液槍吸取上述葡萄糖溶液12.5yL，添加到微流控芯片通道中，等待葡萄糖與葡萄糖氧化酶反應約30s;
[0069](4)滴加體積為12.5yL、實施例4優化得到的濃度為7.5mM魯米諾溶液到微流控芯片通道中；保持實施例2優化得到的驅動電壓7V，并采用實施例2中檢測步驟和數據分析方法，得到不同葡萄糖濃度下的雙性電極-電化學發光曲線，見圖6。
[0070]從圖6可以看出，葡萄糖濃度從0.1mM變化到5mM時，電化學發光的強度逐漸增加。根據圖6所示的葡萄糖校正曲線和未加樣品時的空白值加上其相對標準偏差三倍作為發光強度值，算出本發明在優化條件下葡萄糖的檢測限為43μΜ。
[0071]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置，其特征在于:是由一個避光外殼將可充電蓄電池、恒電壓電路轉換系統和微流控芯片集成在其內； 在避光外殼內部，可充電蓄電池連接恒電壓電路轉換系統，采用粘性導電膠布將恒電壓電路轉換系統的正負極輸出端固定連接到微流控芯片的驅動電極上;微流控芯片與可充電蓄電池、恒電壓電路轉換系統之間用隔離板隔開； 在避光外殼上嵌裝一部智能手機，該智能手機有背部攝像頭，同時還具有無線傳輸功能;其背部攝像頭正對著避光外殼內的微流控芯片;智能手機的顯示屏朝外。2.根據權利要求1所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置，其特征在于:所述的微流控芯片固定在支撐平臺上。3.根據權利要求1所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置，其特征在于:智能手機的背部攝像頭與微流控芯片之間的距離為3cm。4.權利要求1-3任一項所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置在檢測H2O2中的應用。5.根據權利要求4所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置在檢測H2O2中的應用，其特征在于包括以下步驟: 將魯米諾溶液與含有H2O2的待檢測溶液按體積比1:1混合，滴加到微流控芯片的通道內，調節輸出電壓5.5-8V，將避光外殼閉合，待芯片上物質充分反應后，利用智能手機攝取發光圖像，分析得到結果。6.根據權利要求5所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置在檢測H2O2中的應用，其特征在于:所述魯米諾溶液的pH值為9.0-11.5，濃度為5-10mM。7.權利要求1-3任一項所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置在檢測葡萄糖中的應用。8.根據權利要求7所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置在檢測葡萄糖中的應用，其特征在于包括以下步驟: 將葡萄糖氧化酶滴加在微流控芯片的雙性電極陽極上；用人工尿溶解葡萄糖得到待測溶液，然后將其滴加到微流控芯片的通道內，待反應充分后滴加魯米諾溶液，調節輸出電壓5.5-8V，將避光外殼閉合，利用智能手機攝取發光圖像，分析得到結果。9.根據權利要求8所述的手持式POCT雙性電極-電化學發光裝置在檢測葡萄糖中的應用，其特征在于:所述魯米諾溶液的pH值為9.0-11.5，濃度為5-10mM。
【文檔編號】G01N21/76GK106018389SQ201610344999
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】章春筍, 陳路
【申請人】華南師范大學