（物理电子学专业论文）用于现场快速生化检测的台式仪表研究.pdf

， ， 鼍 l 摘要 摘要 目前，大部分的人体血液生化检测都是在传统的大型检测仪器上完成，但是 这些仪器通常比较庞大，价格昂贵，操作复杂，而且检验周期长。而随着现代急 救医学的发展，在急诊科对危重病人的救治中快速检验很有必要。这种需求剌激 了相关科学和技术的进步，给与现场快速检查的新生。因此利用生物技术、电子 技术，结合生物医学传感器开发出相应的便携式生化检测仪，进行人体生化指标 的快速诊断技术研究，这无论在医院、个人还是其它相关部门都具有很大的应用 前景和推广价值。 本文结合生物传感器技术，开发了一种适合现场快速检测的多参数血液生化 检测仪表，可实现对包括葡萄糖( g l u c o s e ，简称g l u ) 、乳酸( l a c t i ca c i d ，简称 l a ) 、丙氨酸氨基转移酶( a l a n i n ea m i n o t r a n s f e m s e ，简称a l t ) ，天门冬氨酸氨基移 换酶( a s p a r t a t e a m i n o t r a n s f e r a s e ，简称a s t ) ，血红蛋白( h e m o g l o b i n ，简称h b ) 和肌酸激酶( c r e a t i n ek i n a s e ，简称c k ) 在内的多种生化参数的快速检测。检测仪 为便携式设计，成本低，操作简单，而且在两分钟内就可以得到测试结果，其准 确性和稳定性都可满足检测要求。 鉴于生化信号都是微弱信号，信号采集电路是设计的重点。信号采集电路采 用斩波稳零技术对信号进行放大，之后采用低通滤波器滤除高频干扰，最后由模 拟数字转换器( a d c ) 进行采样。采用片上2 4 位a d c ，不仅使电路更加简单， 而且整个电路的采样精度也提高至t j o 1n a 。 除了信号采集电路外，硬件电路包括主控制器、数据存储、温度补偿、液晶 显示、与p c 机通信、按键、校准模块、电源和报警装置等单元。这些单元和信 号采集单元共同完成了信号的检测。 结合硬件电路采用模块化结构编制软件系统。软件系统包括液晶显示、按键 读取、存储器读写、a d 采集等功能模块，通过调用这些功能模块实现设置、测 试、记录查询等功能。 现在本生化检测仪已经进行了临床应用测试，并且也获得了满意的结果。 关键词：现场快速检测，生化检测仪，生物传感器，微弱信号检测 、 一 r l a b s t r a c t r e s e a r c ho ni n s t r u m e n tf o rt h ep o i n to fc a r em e d i c a lt e s t i n g h u iw a n g ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f c a ix i n x i a a b s t r a c t t o d a y , m o s to fh e m a n a l y s i sf o rp e o p l ew a sp r e f o r m e db yt r a d i t i o n a ll a r g e s c a l e d i a g n o s t i cs y s t e m s t h e s ei n s t r u m e n t sa r eg e n e r a l l yu t i l i z ec o m p l e x ，m u l t i - s t e pt e s t s r e q u i r i n gu s eb yh i g h l yt r a i n e di n d i v i d u a l sw i t hat u m a r o u n dt i m eo fs e v e r a ld a y st oa f e ww e e k s a d d i t i o n a l l y , t h ec o m p l e x i t ya n dc o s to fc o m p l e xt e s t i n ga n dr e q u i r e d e q u i p m e n tm a yp r o h i b i tt h eu n i v e r s a lu t i l i z a t i o no fc o n v e n t i o n a lt e s t i n gi nm e d i c a l s e t t i n g sw i t hl i m i t e dr e s o u r c e sa n dp e r s o n n e l w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i r s ta i d m e d i c a lt e c h n o l o g y ，t h ep o i n to fc a r et e s t i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o r e m e r g e n c yt r e a t m e n t t h i sd e m a n da c c e l e r a t e dt h ei m p r o v e m e n to fc o r r e l a t i v e t e c h n o l o g ya n dg a v et h eb i r t ht ot h ep o i n to fc a r et e s t i n g t h e n ，b yu t i l i z i n gb i o l o g y a n de l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ，ap o r t a b l e d e v i c ew a s s t u d i e d i n t e g r a t e d t h e c o r r e s p o n d i n gb i o s e n s o r s ，t h ed e v i c e c o u l dd e t e c tt h eb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r s c o n v e n i e n t l y s oi ti si n t e n d e df o ru s ea sap o i n t - o f - c a r et e s tt oa i di nt h ed i a g n o s i so f e m e r g e n c ym e d i c i n ea n dt h e e v a l u a t i o no fb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r so fa t h l e t e s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，an e w p o r t a b l eb i o c h e m i c a ld e t e c t o rw a si n t r o d u c e d i tc a n d e t e c tm u l t i - p a r a m e t e r si n c l u d i n gg l u c o s e ( g l uf o rs h o r t ) ，l a c t i ca c i d ( l af o rs h o r t ) ， a l a n i n ea m i n o t r a n s f e r a s e ( a l tf o rs h o r t ) ，a s p a r t a t ea m i n o t r a n s f e r a s e ( a s tf o rs h o r t ) ， h e m o g l o b i n ( h bf o rs h o r t ) a n dc r e a t i n ek i n a s e( c kf o rs h o r t ) c o m p a r i n g c o n v e n t i o n a le l e t r o c h e m i c a li n s t r u m e n t s ，t h i si n s t r u m e n tw a sp o r t a b l e ，s i m p l et ou s e ， l o w c o s ta n di t sv e r a c i t ya n ds t a b i l i t yc a nm e e tt h ee x p e r i m e n t a st h eb i o c h e m i c a ls i g n a l sw e r ef e e b l e ，t h es i g n a la c q u i s i t i o np a r tw a sd e s i g n e d i n p a r t i c u l a r f i r s t ，t h ec h o p p e r s t a b i l i z e da m p l i f i e rw a sa d o p t e d t h e nau p p e r l i m i t i n ga c t i v ef i l t e rw a su s e dt or e j e c tt h eh i g h 一矗e q u e n c yn o i s e a f t e ra m p l i f e rs t a g e ， t h es i g n a lw a ss a m p l e db ya n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ro nt h ec o n t r o l l e r a d o p t i n ga i i a b s t r a c t 2 4 _ b i tr e s o l u t i o na d c 。t h ei n s t n u n e n tc o u l dd e t e c tc u r r e n ta sl o wa s0 1n a b e s i d e st h es i g n a la c q u i s i t i o np a r t ，t h eh a r d w a r eo f t h i ss y s t e mw a sa l s oc o m p o s e d o fm a i nc o n t r o l l e r ，l c dd i s p l a yp a r t ，a n n u n c i a t o r ，r e g u l a t o r ，k e yc o n t r o lp a r t ，d a t a s a v i n gp a r t ，p o w e ra n dc o m m u n i c a t i n gp a r t t h e s eu n i t sw e r ec o m b i n e d t o a c c o m p l i s ht h ed e t e c t i o n t h es y s t e mw a sp r o g r a m m e di nt h em e t h o do fm o d u l a rp r o g r a m m i n gc o n s i d e r i n g t h eh a r d w a r e t h es o f t w a r e i n c l u d e dl c dd i s p l a yd r i v e r ，k e yc o n t r o l l e r ，m e m o r y r e a d w r i t ea n da ds i g n a lc o l l e c t i o nm o d u l e b yu s i n gt h e s em o d u l e s ，t h ef u n c t i o n s o fs e t u p ，m e a s u r e m e n ta n dr e c o r dc a nb er e a l i z e d n o wt h ed e t e c t o rh a sb e e na p p l i e dt od e t e r m i n et h eb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r s i n c l u d i n gh b ，al t ，l aa n ds oo n a n dg o o dr e s u l t sh a sa t t a i n e d ， k e yw o r d s ：p o i n to fc a r et e s t i n g ，i n s t r u m e n tf o rb i o c h e m i c a lt e s t i n g ，b i o s e n s o r ，f e e b l e s i g n a l st e s t i n g 1 1 1 一 1 l 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导 下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致 谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位 或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的 任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：王莞 日期：妒；争埘 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论 文的规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论 文的原件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复 制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子 所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公 布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：加占4 - 2 , 0 日期：矽，牛， 第一章绪论 1 1 临床生化分析 第一章绪论 临床生化分析是通过测定血液、体液及其它标本进行定性、定量分析，并以 此作为疾病诊断，制定治疗方案，判断疗效的依据。而其中血液生化分析占很大 比重，一个典型的大型临床实验室大约能够检测7 4 0 个项目。1 1 , 2 1 现代科学技术和现代医学的进步，特别是近十年来酶学、免疫化学、分 子生物学、光机电一体化设计以及计算机技术的高速发展，使临床生物分析在方 法技术、测试仪器装备以及试剂方面都取得了迅速发展。【3j 自上个世纪8 0 年代 以来，随着计算机技术的引入，专用于临床检验的自动生化分析仪器不断进步和 更新。测量仪器的自动化程度和分析功能愈来愈高，检查项目增多，测量速度和 效率增加，并逐渐把某些电化学方法引进到自动生化分析仪器中。生化分析仪器 已成为临床检查中应用最多和最广泛的生物医学仪器。【4 ，5 】 11 1 临床生化分析仪 自5 0 年代s k e g g s 首次介绍一种临床生化分析仪的原理以来，随着科学技术 尤其是医学科学的发展，各种生化自动分析仪和诊断试剂均有了很大发展，随着 医学的发展，临床生化分析样品量迅猛增加，因此对分析的快速化、自动化提出 了强烈要求。 1 9 5 7 年美国s k e g g s 博士首先提出了气泡隔离连续流动分析原理，并研制了 世界上第一台临床生化自动化分析仪a al 型自动分析仪。这种仪器将样本和 试剂按比例在管道内汇合，并在流动的过程中完成混合、保温、化学反应、比色 等步骤，最后打印出测定结果。这种仪器从早期的单通道，只测定2 个生化指标， 到1 9 7 7 年发展成内置计算机控制的连续多通道生化自动分析仪，每小时可测定 1 5 0 个样本，每个样本可测2 0 个生化指标。由于所需试剂量太易产生交叉污染， 结构复杂，故障不易排除，到八十年代初连续流动式仪器已开始被七十年代发 展起来的分立式和离心式仪器所代替。【3 】 由于应用电子技术，临床检验技术和仪器性能得到前所未有的发展，实验室 用于医学快速检测的台式生化检测仪 自动化程度大大提高，上世纪8 0 年代，全自动化临床实验技术在日本出现。全 自动生化分析仪如图1 1 ，从加样至出结果的全过程完全由仪器自动完成。操作 者只需把样品放在分析仪的特定位置上，选用程序开动仪器即可等取检验报告。 由于分析中没有手工操作步骤，故主观误差很少，且由于该类仪器一般都具有自 动报告异常情况，自动校正自身工作状态的功能，因此系统误差也较小，给使用 者带来很大的便利。这类仪器适应在大、中型检测单位用于临床生化项目的检测。 而且由于主要依靠进口，价格比较昂贵，故只有较大型医院才能使用。1 6 型号：t m s l 0 2 4 i h 本型号：日立7 1 8 0 h 本 图i 1 全自动生化分析仪 1 2 现场快速( p o i n to fc a r e ) 生化分析 1 2 1 现场快速检测( p o i n to fc a r et e s t i r i g ) 的概念 医院中的临床检验始于1 9 世纪的床边检查。早期多是由临床医师使用显微 镜检查尿液的结晶和管型等，或用化学试验检查尿糖和蛋白。2 0 世纪，为了检 验服务的标准化，导致i 临床检验从床边到中心实验室的变化。2 0 世纪后半期， 急救医学的发展，在急诊科对危重病人的救治中快速检验很有必要。这种需求刺 激了相关科学和技术的进步，给与了现场快速检查的新生。 由于简易干化学试剂条、片的发展使许多检验可在病人床旁进行，从而产生 了床旁检验( b e ds i d et e s t ；b s t 或病人身边检验n e a rp a t i e n tt e s t ：n p t ) 。随着 检测试剂和仪器的发展，这种简易快速检验又从临床检验扩展到食品卫生、环保 和法医等领域的现场随即检验，从而产生了p o i n to f c a r et e s t i n g 或p o i mo f c a r e 第一章绪论 i nv i t r od i a g n o s t i ct e s t i n g ，缩写为p o c t 。p o c t 在美国使用很广，1 9 9 5 年美国 临床实验室标准化委员会m a t i o n a lc o m m i t t e ef o rc l i n i c a ll a b o r a t o r ys t a n d a r d s ， n c c l s ) 发表了a s t 2 - p 文件，即床边体外诊断检验导贝j ( p o i n to fc a r ei nv i t r o d i a g n o s t i ct e s t i n gp r o p o s e d g u i d e l i n e ) ，以对p o c t 进行规范。现在已被其他许多 国家如英国、日本、瑞典、丹麦、法国等所接受和应用。 7 , 8 1 1 22 现场快速检测所涉及的理论与技术概述 现场快速检测发展很快，主要得益于一些新技术的应用。目前应用的技术主要 有： ( 一) 干化学生物传感器，如尿液一般化学检查、蛋白质、葡萄糖等约有十几 项。将多种反应试剂，干燥在纸片上，加上检验标本后产生颜色反应，用眼观定 性或仪器检测( 半定量) 。 ( 二) 多层涂膜技术，是从感光胶片制作技术移植而来。将多种反应试剂依次 涂布在片基上，制成干片。采用多层涂膜技术制成的干片，比干化学纸片平整均 匀，用仪器检测，可以准确定量，如目前临床使用的干板化学分析系统，可用于 大多数血液化学成分，如蛋白质、糖类、脂类、酶、电解质、非蛋白氮类及一些 血药浓度的测定，可供检测的项目达数十项，几乎覆盖了常做的临床生化检验项 目。由于其操作简便、快速，常用于急诊检验，也相应推出了一些小型仪器，可 作床边检验，但干片成本较高。 ( 三) 金、银、硒及色素标记免疫技术，胶体金、银、硒以及色素( 包括荧 光色素和非荧光色素) 可以牢固吸附在抗体的表面而不影响抗体的活性，当标 记抗体与抗原反应聚集到一定浓度时，可直接呈现颜色。目前，金、银、硒及 色素标记免疫反应的方法主要有斑点免疫渗滤法和免疫层析法，用于快速检测 蛋白质类或多肽类抗原，如h c g 、c t n t 、血清白蛋白、h s c r p 及一些病毒如h b v 、 t t c v 、h i v 等的抗原和抗体定性。配合小型检测仪，可做半定量和定量。 ( 四) 选择性电极技术：用离子选择性电极结合传感器包括生物传感器和化 学传感器技术，制成了便携式快速检测血气和电解质的仪器，已被广泛应用于 临床。 ( 五) 红外和远红外分光光度技术：常用于制作经皮检测仪器，可检测血液 用于医学快速检测的台式生化检测仪 血红蛋白、胆红素、葡萄糖等多种成分。这类检验仪器可连续监测病人血液中 的目的成份：无需抽血，这可避免抽血可能引起的交叉感染和血液标本的污染； 降低每次检验的成本和缩短报告时间。但这类经皮检测仪器检测结果的准确性 有待提高。 ( 六) 微流控芯片技术：利用上世纪末提出的以微电加工技术( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 为基础的微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a l a n a l y s i ss y s t e m ，m t a s ) 的概念，将所有试样处理及测定步骤合并于一体，分 析人员可在很短时间和空间间隔内获取电信号形式表达的化学信息。微流控芯 片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是m t a s 中当前最活跃的领域和发展前沿，它集中的体 现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想，即芯片实验室 ( l a b o n a c h i p ，l o c ) ，是系统集成微刻技术发展的结晶，是可以完成生物化 学分析的微型芯片。实现对原有检验仪器微型化，制成便携式仪器，用于床边 检验。如血细胞分析、酶联免疫吸附分析( e l i s a ) 、血液气体和电解质分析等 都可进行p o e t 。1 8 】 1 2 3 现场快速检测的主要优点 首先是获得检验结果快速，通常可在几分钟内完成，这在重危病人的诊治中 非常重要。临床医师根据p o c t 提供的信息，对病人及时作出初步诊断并拟定出 救治方案。对重危病人的早期诊断和治疗，必将减少住院时间，降低发病率死 亡率。将产生很大经济效益和社会效益，这也是p o c t 日益增多的主要原因之一。 其次，现场快速检验免除了标本的采送，可减少标本的污染和可能产生的错误。 第三，现场快速检验基本上都用无创或微创技术，病人乐于接受。若使用血液标 本，通常仅用微量毛细血管血液，无需分离血浆或血清。而且由于其操作简便， 明显减少了检测人员的工作单位和劳动程度，并能缩短检验周期而被采用。 由于p o e t 具有上述独特优势，虽然，仍存在赞同开展和反对开展的不同观 点，但其发展迅速。 8 1 1 3 基于电化学生物传感器的快速生化检测仪 1 3 1 电化学生物传感器 第一章绪论 电化学生物传感器是一种特殊的化学传感器，它是以生物活性单元( 如酶、 抗体、核酸、细胞等) 作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的检测器。 它一般包括两部分：一是生物识别单元，是具有分子识别能力的生物活性物质( 如 组织切片、细胞、酶等) ；另一个是物理化学转换器单元，主要有电化学电极( 如 电位、电流的测量) 、光学检测元件等。 9 1 自1 9 6 2 年c l a r k 和l y o n s 提出了电流型葡萄糖生物传感器以来2 1 ，在临床生 化，食品工业中得到了广泛应用。i 临床上血液的生化检测项目有7 4 0 多项，其中 有3 0 多项是在临床上经常需要检验的项目。在检测血气方面的有p ( c 0 2 ) ，p ( 0 2 ) ， 电解质k 十，c a 2 + ，n a + ，n h 。+ 等，检测代谢物的如葡萄糖、尿素、乳酸、胆固 醇、血酮体等。 表1 - 1 电化学分析方法原理及其应州 从检测的方法学上，目前，电化学传感器主要检测方法如表1 1 中所示，一 用于腻学快速 盘涮的台式生化检寝4 位 般有：测定电极表面或者膜的电位的变化与底物的浓度呈定量关系电位法 ( p o t e n t i o m e i r i c ) ，在工作电极和对电极之间加适当的电压，从而引起电活性物 质的氧化还原产生电流同底物的浓度成比例关系的电流法( a m p e r o m e t r i c ) 和给分 析体系施与一系列不同频率、体系的电导与分析物的浓度有关的电导法 ( c o n d u c t o m e t r j c ) 等几种方法的研究较多。4 132 基于电化学生物传感器的现场快速生化检测仪 与常见的传感器类似，生物传感器也需要有其配套的自动化的数据采集和汜 录系统，以实现对传感器信号的检测和分析。它主要是根据电化学生物传感器的 工作原理，实现获耿生物传感器的信号，将其放大、处理，并将结果显示和储存 的功能。为了满足现场检测的要求，现场快速生化检测仪必须便携，操作简单， 能够适应不断变化的外部条件，并且保证在不同的条件下，测试结果的准确度都 能满足测试要求。 目前，现场快速生化检测仪器大都采用干化学生物传感器作为前端探 i | 1 0 头， 与后端的便携式仪表相结合便可以进行现场快速检测。现今现场快速生化检测仪 按检测原理不同大体分为两种，一种是采用电化学生物传感器，另种是采用干 化学光学生物传感器。 采用电化学生物传感器的现场快速生化检测仪大都采用电化学电流法进行 测量，如葡萄糖、乳酸等。通过检测电化学电极上的电流大小，从而测定被测物 的浓度，而且采用相同的原理，只要通过改变测试的条件，与相应的传感器相配 合，就可叭实现多参数兼容，如一台生化检测仪可以检测葡萄糖、乳酸、酮体、 胆固醇、血红素、转氮酶等。 与采用干化学光学生物传感器的现场快速生化检测仪相比，基于电化学生 物传感器的现场快速生化检测仪具有操作简便，仪器结构简单，分析速度快，而 且易于小型化等优点。 133 现场快速生化检测仪器国内外研究进展 6 第一章绪论 市场上已经比较成熟的产品有血糖仪、乳酸仪、尿液分析仪和干式全血 生化分析仪等。其中血糖仪和乳酸仪采用都是其中血糖仪和乳酸仪等是采用 电流型酶生化传感器。利用酶法分析技术，分析速度快，不到2 0 秒可以获得 准确的分析结果，这在临床急症室、某些重症病人的监护等许多场合都很重 要。而且血糖仪已经发展到家庭保健用的手掌型血糖仪，操作更加方便，便 于家庭血糖监视。表1 2 中列出了我国市场的血糖仪系列产品。 表1 - 2 我国市场的血糖仪系列产品【1 3 】 产品名 生产或经销商 罗氏公司是以研究为导向的健康事业公司之一，2 0 0 3 年，罗氏成功 购并世界第二大胰岛素泵生产商，瑞士d is e t r o n i c 公司，使在糖尿 罗氏血糖仪 病监控领域拥有世界领先技术的罗氏诊断部成为糖尿病综合控制系 统设备的最主要供应商。 1 9 9 6 年，雅培公司收购了m e d i s e n s e 后进入了血糖仪监护市场，而 美国雅培血糖 m e d i s e n s e 公司是第一家将采用传感器技术进行血糖检测并有产品进 仪 入市场的公司。 、 由北京麦邦生物工程技术公司经销的日本京都血糖仪和美国p a l c o 公 日本京都血糖 司岫胰岛素注射笔。公司成立于1 9 9 6 年，是专业经营糖尿病产品和 仪 致力于糖尿病教育的股份合作制公司。 理康血糖仪 理康血糖仪由j o h n s o n j o h n s o nc o m p a n y 生产，已有2 0 年历史。 由北京世安医疗器械有限责任公司生产和经营的怡成血糖仪是我国 怡成血糖仪 最早出现的国产血糖仪。产品荣获国家技术监督局颁发的新产品证 书。 长沙三诺生物传感技术有限公司获得2 0 0 3 年科技型中小企业创新基 曼诺血糖仪 金，位于湖南长沙留学人员创业园 德国赛斯马克自b 京康联医用设备有限公司德国赛斯马克血糖仪，血糖试纸。 | 血糖仪 用于医学快速检测的台式生化检测仪 上海新立工业微生物科技有限公司，由海外留学归国人员组织生产 “家用手持式血糖测试仪及测试条”，属上海市高新技术成果转化认 新立血糖仪 定项目。2 0 0 1 年4 月试生产并投放市场销售，2 0 0 2 年已实现销售额 数百万元人民币。 图12 商业化的便携式( 手持式) 全血血糖仪( 引自怡成公司、贝朗公司网站) 但是根据市场状况调研及前期研究显示，尿液分析仪和干式生化分析仪均采 用干化学光学生物传感器，利用光反射法对各生化参数进行检测。其中尿液分析 仪已经实现国产化，而对于现场快速全血生化分析仪则全部依靠进口，而且世界 上也只有德国r o c h e 生产的r e f l o t r o n i v 型全血生化分析仪和美国金泉仪器公 司y s i - 1 5 0 0 全血乳酸分析仪如图1 3 所示。同时我国对干式全血生化分析仪的 需求也很大，主要用于血站血液安全初筛，运动员机能评定、急诊化验等。因此， 建立一套具有自主知识产权并可以直接用于批量生产血液生化分析微系统的通 用的工艺平台和检测系统平台，可以填补国内在这方面研究的空白。 金泉仪器公司y s i 一1 5 0 0r e f l o t r o n 圆i v 型全血生化分析仪 圈l 3 国外现场快速全血生化分析仪( 引自国体产品网站) 1 4 本研究的内容、目的以及意义 第一章绪论 1 4 1 本研究的意义 在血站的初筛实验中，我们要对a b o 血型、乙肝表面抗原、血色素 ( h e m o g l o b i n ，h b ) 和血清丙氨酸氨基转移酶( a l a n n i n ea m i n o t r a n s f e r a s e ，a l t ) 进行快速检测。快速法是一种简单，节约时间的检测方法，它的优点就是出结果 的速度快，检测结果比较稳定可靠，适用于无偿献血的现场初筛以及健康人群的 体检或特殊检测等。而且对于被检者也是在时间和检验过程中的简化，只要几滴 血就可以检测出是否合格，相对于普通的检测来晚，一般的静脉血检测时间要 4 0 6 0 分钟左右，而快速检测只要1 0 2 0 分钟即可。对于献血者的献血时 间也缩短了一大部分。 1 4 , 1 5 】 按照北京血液中心提供的数据，采用干式化学法a l t 快速检测与全自动生 化分析仪复检结果比较结果1 5 2 3 0 份标本中，初筛组( 1 0 0 0 0 份) 采后a l t 复检阳 性率为0 1 ，未初筛组( 5 2 3 0 份) 复检阳性率4 8 ，二者有显著差异，同时采用 2 种方法检测的2 5 份标本结果的比较无显著性差异。因此可以看出对无偿献血 者采前快速检测a l l ：可大大降低采血后a l t 不合格率，节约采集及检验成本，具 有良好的社会效益和经济效益。 而对于a l t 和h b 的快速检测，经过调研国内还没有相应的技术，国际上 也只有德国的罗氏公司和瑞典的h e m o c u e 生产，检验用的一次性试条每条需要 5 元，所以血液中心每年在此项目上的费用开销很大，因而迫切要求实现检验仪 器和耗材的国产化。 另一方面，运动生理生化在训练中也是非常重要的，它的探讨对象是体能和 身心健康。其中机能评定的手段是取血液，测量其成分。生化指标能准确地给教 练员以提示，使他们尽可能作出明确的判断，从而对训练计划和恢复措施进行及 时的调整。一般检测指标包括血乳酸( l a c t i ca c i d ，l a ) ，葡萄糖( g l u c o s e ，g l u ) 血色素( h e m o g l o b i n ，h b ) ，血清天门冬氨酸氨基移换酶( a s p a r t a t e a m i n o t r a n s f e r a s e ，a s t ) 和血清肌酸激酶( c r e a t i v e k i n a s e ，c k ) 等。而这些参数都可以 采用同样的测试方法。其中，a s t 在人体各组织中以心脏的含量最高，在心脏 受损时，细胞内酶释入血液，使血清中酶的活性增高。因此可应用于医院急诊时 快速检测心脏机能，也可以用于运动员在训练中判定心脏组织是否受损的指标。 而且研究发现，高强度的肌肉负荷后，肌肉酸痛与血清c k 水平存在高度相关。 用于医学快速检测的台式生化检测仪 血清中c k 的活性的变化可作为评定肌肉承受刺激和骨骼肌微细损伤及其适应 于恢复的敏感的生化指标。 1 5 1 7 1 4 2 本研究的内容与目的 本课题属于生物医学测量技术领域。生物医学测量是生命医学工程的重要 分支。生物体内的各种成分、性质、状态和功能等信息，均属于生物医学测量的 范围。它是随着生物学、医学和工程技术的进步，为了适应生物医学的需要，在 物理学、化学、信息科学和以电子技术为代表的各种现代工程技术相结合的基础 上发展起来的。0 8 1 本文研究的血液生化分析微系统由生物传感器和便携式测试仪表组成，生物 传感器主要是以酶或者其他试剂作为分子识别元件、电化学电极作为换能器的一 种电化学传感器。采用电化学电流测试方法原理，便携式测试仪表对生化传感器 的信号进行放大、采集以及处理，保证检测精度达到检测要求，并且按照程序设 计的要求，显示和存储测试结果。同时仪表还要保证测试条件的一致性，对传感 器信号进行校正。测试操作简单，可以用于临床医学或家庭快速检测 ( r a p i d t e s t ) 。 本论文得到了国家高新技术研究发展计划项目、国家自然科学基金项目、中 国科学院创新项目等项目的资助，主要的研究目的是以血液安全筛查和医院l 临床 应用需求为导向，以检测系统设计与制作为重点研究方向，将生化检测系统与生 化传感系统集成，通过应用研究，为该技术的实用化奠定基础。主要进行了与各 种生化传感器试条配套使用的台式检测仪的研究，包括微弱信号处理电路设计； 校正系统设计；电化学生化传感器测试外围系统设计以及相应软件系统的设计 等。 第二章电流型生物传感器 2 1 引言 第二章电流型生物传感器 生物传感器是一种特殊的化学传感器，包括生物识别单元和物理化学转换器 单元。生物识别单元能够识别被测物在溶液中的存在，活性或者浓度等。 1 9 1 生物 识别分子与目标分析物的相互作用使溶液中的组分发生变化，如生成或消耗反应 试剂。转换器把溶液组分的变化信息转换成定量的电子信号。 这一章里，我们将介绍电流型传感器。这类传感器从结构上来讲可分为两个 部分：其一是分子识别部分或称为感受器，主要是由具有分子识别能力的生物活 性物质构成；其二是信号转换部分，称为基础电极或称为内敏感器，是一个电化 学检测元件。对于电流型生物传感器，以葡萄糖传感器为例，基础电极是伏安电 极体系中的工作电极。例如c l a r k 氧电极( 或称为p t o 。电极) 可以作为葡萄糖 检测中的基础电极。将生物活性酶作为分子识别部分的电化学生物传感器又称为 酶电极。酶电极是利用酶的生物催化反应的高度专一性，对底物待测分子进行识 别，并利用基础电极上酶促反应产物的化学信号与电信号的转换，根据所检测的 电信号与底物分子及其浓度的关系，实现对底物分子的检测。1 2 0 l 2 2 电流型生物传感器基本原理 我们以葡萄糖传感器为例介绍电流型生物传感器的基本原理。葡萄糖传感器 中的基础电极主要有两种，一种是酶p t h 。0 。电极：一种是酶p t o 。电极。酶p t h 。0 。 电极的结构如图2 1 所示。其中铂柱电极为工作电极，铂丝电极为辅助电极， a g l a g c l 电极为参比电极。 用于医学快速检测的台式生化检测仪 图2 1 基于氧电极的生物传感器原理示意图( 本图引自j w o o d w a r d ，1 9 9 8 ) 2 3 基于电子媒介体的传感器基本原理 一般的酶都是生物大分子，其氧化还原活性中心被包埋在酶蛋白质分子里 面，它与电极表面闻的直接电子传递难以进行。即使直接电子传递能够进行，电 子传递速率也很慢，这是因为分子( 氧化还原活性中心) 与电极表面间的电子传递 速率随两者间距离的增加呈指数衰减。1 2 1 对蛋白质分子而言，当电子给予体与 电子接受体之间的距离从8 a 增加到l o a 时，电子传递速率衰减到原值的1 1 0 4 。 电子媒介体的引入克服了这一缺陷。如图2 2 ，对于葡萄糖氧化酶修饰电极而言， 电子媒介体( m ) 的作用就是，把还原态葡萄糖氧化酶g o d ( f a d h 2 ) 氧化，使之再 生后循环使用，而m 本身被还原，还原态m 又在电极上被氧化，其响应原理为： g l u c o s e + g o x ( f a d ) 一g l u c o n i c a c i d - t - g o x ( f a d h 2 ) g o d ( f a d h 2 ) + 2 m 。x _ g o d ( f a d ) + 2 m r e d + 2 h + ； 2 m r c d - 2 e - 2 m 。( 在电极上) 1 2 2 在上述反应式中，m 。和m 。d 分别为电子媒介体的氧化态和还原态。从上 述原理可知，利用电子媒介体后，既不涉及0 2 也不涉及h 2 0 2 ，而是利用具有 较低氧化电位的m 在电极上产生的氧化电流对葡萄糖进行测定，从而避免了其 它电活性物质的干扰，提高了检测的灵敏度和准确性。【2 2 】 兰三兰生堕型兰塑堡堕堂 c h - o h( h ：o h 幽2 2 电子媒介体生物传感器原理示意图( 本图引自j w o o d w a r d ，1 9 9 8 ) 24 传感器的设计与工艺流程 用于制备一次性使用的生化检测用生物传感器设计重点在于材料的选取，电 极的形成，反应室的形成与封装。电极制备通常采用二维平面设计，将生物分子 识别物质固定于电极表面。 2 41 传感器的结构设计 从传感器的原理、其制作成本和易于大规模生产的方面来考虑，我们设计了 两电极和三电极的生物传感器系统，以两电极为例，如图2 3 所示，( 1 ) 为传感 器基底，( 2 ) 、( 3 ) 分别为工作电极和参考电极，( 4 ) 为隔离层，( 5 ) 为电化学 反应区域。在此区域根据测量物质的不同，固定有不同的试剂，作为反应的催化 物。 汐 胁 给 用于医学快速检测的台式生化检测仪 ( a ) 朱加上覆盖层的酶电极( b ) 加了覆盖层的酶电极 图2 3 电极形成示意图 将试剂固定化并且干燥后，最后还需在反应区域上方覆盖一层保护膜( 6 ) ， 这层保护膜一方面保护了试剂，增强了传感器的抗干扰性；固定了反应物质的量， 提高了反应的一致性水平。另一方面，使狭小的反应区域形成了密闭的反应沟道， 从而形成了虹吸现象，待测血液会瞬间铺满整个反应室。( 7 ) 为进样孔。整个反 应室的容积由隔离区域的长，宽和隔离材料的厚度决定。 2 4 2 材料的选取 1 ) 传感器的基底 作为生物传感器的基底材料要求电气绝缘性好、性能稳定、成本低、生物兼 容性好、便于生产加工等特点，在我们的生物传感器研制中，聚碳酸酯( p c ) 能满 足这样的要求。 聚碳酸酯( p c ) 是一种综合性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击性 能，可制造机械、汽车和精密仪器等零部件；使用温度范围宽( 一1 0 0 1 3 5 c ) 、 吸水率低、收缩率小、尺寸稳定，可制成精度高的成型品；优异的电绝缘性能， 可用于电子元件和电动工具部件：食品卫生性能优良，无毒、耐化学性好，可以 广泛用在人民生活用品中；有自熄性，易增强阻燃；聚碳酸酯在工程塑料中是唯 具有良好透明性的材料，因此被广泛应用于航空玻璃、灯具、门窗安全玻璃、 办公设备、信息储存( 激光光盘等) 、文化娱乐、交通运输、建筑材料、纺织、医 疗卫生及人民生活日常用品等方面。【2 3 】 我们选用聚碳酸酯( p 0 1 y c a r b o n a t e ) 塑料作为传感器基底材料，该材料厚 度为0 5m m ，具有足够的挠性和强度，在溅射电极的时候，电离气体轰击基片 4 塑三垦! ! 垫型竺塑堡堕璺 产生的温度约在8 0 度左右，而p c 材料的在( 一1 0 0 1 3 5 。c 度以内都具有很好的稳 定性，并且基片在溅射的时候在匀速运动，溅射时间仅需2 分钟，所以该塑料没 有因为溅射的产生的高温而受影响。 p o l y c a r b o n a t e ( p c ) 塑料价钱也比较便宜，每个生物传感器的基底材料 成本仅2 分钱，在传感器的总体成本中可以忽略不计。 2 ) 电极材料 电极材料的要求是导电性好，性质稳定，不和试剂发生化学反应，成本低。 常用的电极材料有金，银，铂等贵重金属。韩国a 1 1m e d i c c u sc o ，l t d 开发的 g l u c o d r 牌血糖检测传感器是第一家采用黄金作为电极材料的公司，在实验室研 究中，我们也选取金作为电极材料，因为采用了薄膜成型技术，电极的厚度极薄 ( 1 0 0n m ) ，所用的金量很少，传感器性能得到了提升，而成本得到了很好的控制。 3 ) 隔离层 隔离层的作为反应沟道的挡板，需要有合适的高度，另外，该层的纵切面将 直接和试剂接触，所以该层的材料需要具备化学惰性，避免对化学试剂发生影响。 为了能在隔离层上顺利的覆盖上保护膜，隔离层最好是双面胶材料，我们选用的 隔离层材料为从新加坡进口的医用压敏胶带，其粘着力、粘附力和内聚力综合性 较好。该胶带具有良好的粘接性能和较好的热稳定性和化学稳定性。材料厚度为 0 2m m ，封装的体积可以很微小，满足微量检测的需求。 4 ) 覆盖层( 保护膜) 保护膜的选用也是传感器设计的重要部分，为了固定反应室的容积和利用虹 吸原理进行进样，这一层要能很严密的覆盖在隔离层上，这一点通过隔离层的双 面胶材料来实现。另外，为了加快待测溶液进入反应室的速度，减少检测时间， 故选用的涂有特殊的亲水性物质的保护膜材料。我们选用了a