CN114384129A - 多通道电化学检测电极和传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道电化学检测电极和传感器，该电极包括：传感器基底，以及设置在所述传感器基底上的工作电极、辅助电极和参比电极；所述工作电极为多个，每个工作电极分别用于采集不同的生理或生化信号，并同时输出采集信号或者通过多通道开关进行切换选择输出；切换选择后的每个工作电极，与参比电极构成检测电压回路，与辅助电极构成检测电流回路。该电极通过对多通道电极进行设计，复用对电极和参比电极，具有同时检测多路信号、节约电极材料和结构紧凑的优点；与外部采集电路组合后，可以对不同的工作电极依次选通来检测，可以结合不同的电化学检测方式，以及可以按需设定检测频率和时长，实现多指标检测。

Description

多通道电化学检测电极和传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种多通道电化学检测电极和传感器。

背景技术

人体健康信息包含有生理和生化信息。这些信息一般指从人的体表或者体内检测到的信号，来辅助人体的临床诊断。常见的生理信息有体温、血压、肌电信号、脑电信号和心电信号，生化信息则有血糖、血脂、尿酸、乳酸等等，这些信号的获取对于监测人体的健康状况具有重要意义。现阶段人体生理生化信号的检测多依赖于各种传感器，而传感器的核心在于其检测电极的设计和修饰。通过将生理信息、生化信息转化为电信号，进而被采集电路模块获取，最终转换为相应信号的值，如温度传感器、心电传感器、血糖传感器、乳酸传感器等等。

用于人体健康信息采集的传感器主要存在以下问题：目前此类传感器普遍只能检测单种信号，例如血糖传感器、乳酸传感器都只能单一运用于血糖、乳酸的检测，当需要用于检测人体多种信号时，只能简单组合各类传感器，造成传感器器件繁多，空间占用大，采集电路也同样冗杂。当检测人体信号的需求更多的时候，如对重症监护室病人的监测，则会造成更大的不便。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多通道电化学检测电极和传感器。

本发明提供一种多通道电化学检测电极，包括：传感器基底，以及设置在所述传感器基底上的工作电极、辅助电极和参比电极；所述工作电极为多个，且多个工作电极共用同一对参比电极和辅助电极，每个工作电极分别用于采集不同的生理或生化信号，并同时输出采集信号或者通过多通道开关进行切换选择输出；同时输出采集信号的每个工作电极，或者切换选择后的每个工作电极，与同一参比电极构成检测电压回路，与同一辅助电极构成检测电流回路。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测电极，所述工作电极分别修饰参与不同生物电化学反应的生物材料，以采集对应的生理或生化信号。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测电极，所述生物材料包括能够催化生化反应的生物活性物质或具有生物识别功能的材料，所述生物活性物质包括酶，所述具有生物识别功能的材料包括抗体、抗菌肽、适配体、离子选择膜、分子印迹膜或高聚物膜。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测电极，每个电极的材料结构包括铂电极、金电极或碳基电极。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测电极，所述传感器基底材料包括硅片、硅胶、玻璃、聚二甲基硅氧烷或者聚对苯二甲酸乙二醇酯。

本发明还提供一种多通道电化学检测传感器，包括上述任一项所述的多通道电化学检测电极和程控开关；所述工作电极通过所述程控开关进行切换选择。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测传感器，所述传感器还包括运算放大器模块；每个工作电极，分别通过所述程控开关的不同通道连接至运算放大器模块，不同通道通过所述程控开关的开关元件进行切换；辅助电极和参比电极均连接至所述运算放大器模块；每个工作电极，与辅助电极构成的检测电流回路，通过所述运算放大器模块输出放大后的检测信号。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测传感器，所述传感器还包括滤波模块，用于对所述检测电流信号进行滤波。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测传感器，所述传感器还包括整流模块，用于对滤波后的检测电流信号进行整流。

根据本发明一个实施例的多通道电化学检测传感器，每个工作电极的检测电流信号共用所述滤波模块和所述整流模块。

本发明提供的多通道电化学检测电极和传感器，通过对多通道电极进行设计，复用对电极和参比电极，具有同时检测多路信号、节约电极材料和结构紧凑的优点；与外部采集电路组合后，可以对不同的工作电极依次选通来检测，可以结合不同的电化学检测方式，以及可以按需设定检测频率和时长，实现多指标检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的多通道电化学检测电极的结构示意图之一；

图2是本发明提供的多通道电化学检测电极的结构示意图之二；

图3是本发明提供的多通道电化学检测传感器结构示意图之一；

图4是本发明提供的多通道电化学检测传感器结构示意图之二；

图5是本发明提供的葡萄糖检测结果示意图；

图6是本发明提供的为乳酸检测结果示意图；

图中：1.传感器基底；2.工作电极；3.辅助电极；4.参比电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于电极复用的多通道电化学检测电极和传感器，可用于对病人进行多种指标的同时检测。本发明通过对多通道电极进行设计，结构上复用对电极和参比电极，电路采集上采用分时采集的方式，实现对人体多种信息的同时检测。该多通道传感器整体更加紧凑，节约电极，通过配套了多路采集处理电路，可使人体健康信号检测装置更小型化、便捷化，从而满足多路检测佩戴者健康指标的需求。

下面结合图1-图6描述本发明的多通道电化学检测传感器及装置。图1是本发明提供的多通道电化学检测电极的结构示意图之一，如图1所示，本发明提供多通道电化学检测电极，包括：传感器基底1，以及设置在所述传感器基底1上的工作电极2、辅助电极3和参比电极4；所述工作电极2为多个，每个工作电极2分别用于采集不同的生理或生化信号，并且共同一对参比电极和辅助电极，并同时输出采集信号或者通过多通道开关进行切换选择输出；同时输出采集信号的每个工作电极，或者切换选择后的每个工作电极2，与同一参比电极4构成检测电压回路，与同一辅助电极3构成检测电流回路。

图1中展示了两个工作电极的情况，本发明通过对多通道电极进行设计，结构上通过多个工作电极复用对电极和参比电极，电路采集上可采用分时采集的方式，可通过多通道开关切换选择不同的工作电极实现对人体多种信息的同时检测，也可同时输出多路采集信号。

当其进行生化信息采集时，多个电极的设置也可以是辅助电极和多个参比电极以及多个工作电极。进行多类生化信息采集时，各个工作电极的功能、检测对象不同，每个工作电极的功能取决于对其进行的化学修饰。根据不同的化学修饰，可以完成对多种不同生理或者生化指标进行检测，如代谢物、蛋白质、核酸、激素、外泌体和病毒等。

检测电极加工方法可以是微加工工艺、丝网印刷工艺或者是3D打印技术加工得到。

工作电极，根据检测需要可以是两个或两个以上。每个工作电极，根据检测需要，对不同的生理信号检测、生化信号检测、生理和生化信号同时进行检测。即根据检测指标数据，增加工作电极数目，实现对多路人体信号的检测。

辅助电极，作用是与工作电极组成电流测量回路。辅助电极选用电阻小，并且不容易发生极化的电极。

参比电极，作为基准来测量其工作电极的相对电位。

可以根据工作电极采集的生理或生化信号不同，分别选择合适的方式采集电化学信号，如循环伏安法(CV)，差分脉冲伏安法(DPV)，波伏安法(SWV)，或计时电流法(I-t)等。

多通道电化学检测电极在使用时可以根据体外检测或者体内检测，采取不同的样品采集方式和进样方式。采集电路可以根据需要扩增工作电极的采集模块，在检测时依次测量各个通道工作电极的信号，并根据需要灵活设定检测频率和时长。图2是本发明提供的多通道电化学检测电极的结构示意图之二，如图2所示，电极与图1类似，不同在于参比电极设计的位置。

本发明提供的多通道电化学检测电极，通过对多通道电极进行设计，复用对电极和参比电极，具有同时检测多路信号、节约电极材料和结构紧凑的优点；与外部采集电路组合后，可以对不同的工作电极依次选通来检测，可以实现多种不同电化学检测方式(如CV，DPV，SWV，或I-t等)，可按需设定检测频率和时长，从而实现多指标检测。

在一个实施例中，所述工作电极分别修饰参与不同生物电化学反应的生物材料，以采集对应的生理或生化信号。

例如，工作电极为两个，一个工作电极上修饰用于检测葡萄糖的生物材料，一个工作电极上修饰用于乳酸检测的生物材料。然后，根据不同时期对葡萄糖和乳酸检测的需求，通过多通道开关进行切换选择对应的工作电极，输出对应的生化信号。

本发明的多通道电化学检测电极，每个工作电极分别修饰参与不同生物电化学反应的生物材料，以采集对应的生理或生化信号，在信号采集上可通过采用分时方法，实现对人体多种信息的同时检测，检测人体多种信号时，可避免多种信号检测时，传感器器件繁多及空间占用大的问题。

在一个实施例中，所述生物材料包括能够催化生化反应的生物活性物质或具有生物识别功能的材料，所述生物活性物质包括酶，所述具有生物识别功能的材料包括抗体、抗菌肽、适配体、离子选择膜、分子印迹膜或高聚物膜。

通过在每个工作电极表面修饰不同的材料来实现对不同的目标物的传感功能，如修饰不同的酶，修饰针对不同靶标的抗体或适配体(如核酸适配体)，或修饰不同的高分子材料等。在具体检测时，根据多路开关进行切换，切换选择后的工作电极输出对应的信号。

在一个实施例中，每个电极的材料可以是铂、金或碳基电极。具体而言，本发明所设计的多通道电极，其工作电极、参比电极、辅助电极可以使用铂、金或碳基电极等导电材料。

在一个实施例中，传感器基底材料包括硅片、玻璃、硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，即传感器基底所用材料具有多种选择，根据具体需求确定。

本发明还提供一种多通道电化学检测传感器，包括程控开关和上述任一个实施例的多通道电化学检测电极；所述工作电极通过所述程控开关进行切换选择。

具体而言，通过多路的程控开关分别进行工作电极的选通，可在信号采集时，对传感器各通道的工作电极依次检测信号，通过程控开关进行自动切换，即可实现对人体多种信息的同步检测。

在一个实施例中，所述传感器还包括运算放大器模块；每个工作电极，分别通过所述程控开关的不同通道连接至运算放大器模块，不同通道通过所述程控开关的开关元件进行切换；辅助电极和参比电极均连接至所述运算放大器模块；每个工作电极，与辅助电极构成的检测电流回路，通过所述运算放大器模块输出放大后的检测电流信号。

图3是本发明提供的多通道电化学检测传感器结构示意图之一，如图3所示，工作电极1(WE1)和工作电极2(WE2)通过程控开关进行切换，每个时刻选通一个工作电极，然后与运算放大器模块连接。辅助电极(CE)和参比电极(RE)也连接至运算放大器模块。辅助电极与工作电极1或者工作电极2之间的检测电流信号，通过算放大器模块进行输出。其中，运算放大器模块通过信号源提供电压。本发明中所述的运算放大器模块可根据具体需要，通过一个或多个运算放大器，结合若干电阻等器件构成。

本发明的多通道电化学检测传感器，通过运算放大器模块，可实现输出检测信号的放大而利于检测，可以对运算放大器模块进行共用，整体上使得电化学检测传感器结构更加紧凑。

在一个实施例中，所述传感器还包括滤波模块，用于对所述检测电流信号进行滤波。对于运算放大器模块的输出信号，可设置滤波模块进行滤波，从而消除噪声干扰，提高检测信号的准确性。

在一个实施例中，所述传感器还包括整流模块，用于对滤波后的检测电流信号进行整流。相应地，本发明实施例通过整流模块对滤波后的检测信号进行整流，趋于直流的输出信号有利于仪器的测量。

在一个实施例中，每个工作电极的检测电流信号共用所述滤波模块和所述整流模块。

图4是本发明提供的多通道电化学检测传感器结构示意图之二，如图4所示，本发明实施例对滤波模块和整流模块进行共用，可避免多个工作电极的输出信号占用多个滤波模块和整流模块，使得多通道电化学检测传感器结构更加紧凑。

本发明的多通道电化学传感器，由于整体结构紧凑，易于集成化封装，可以集成于可穿戴设备、植入式设备以及床旁诊断设备，便于用户居家检测，进行慢病管理和健康监测。

图5是本发明提供的葡萄糖检测结果示意图，图6是本发明提供的为乳酸检测结果示意图，如图5和图6所示，预先通过测得的电流信号大小和对应待测物的浓度进行拟合，得到图中的拟合曲线。在检测过程中，通过工作电极1输出的电流信号1便可测得对应的葡萄糖浓度，当还需要检测乳酸浓度时，通过开关进行切换，通过工作电极2输出的电流信号2便可测得对应的乳酸浓度。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多通道电化学检测电极，其特征在于，包括：

传感器基底，以及设置在所述传感器基底上的工作电极、辅助电极和参比电极；

所述工作电极为多个，每个工作电极分别用于采集不同的生理或生化信号，并同时输出采集信号或通过多通道开关进行切换选择输出；

多个工作电极，共用一对辅助电极和参比电极；

同时输出采集信号的每个工作电极，或者切换选择后的每个工作电极，与同一参比电极构成检测电压回路，与同一辅助电极构成检测电流回路。

2.根据权利要求1所述的多通道电化学检测电极，其特征在于，所述工作电极分别修饰参与不同生物电化学反应的生物材料，以采集对应的生理或生化信号。

3.根据权利要求2所述的多通道电化学检测电极，其特征在于，所述生物材料包括能够催化生化反应的生物活性物质或具有生物识别功能的材料，所述生物活性物质包括酶，所述具有生物识别功能的材料包括抗体、抗菌肽、适配体、离子选择膜、分子印迹膜或高聚物膜。

4.根据权利要求1所述的多通道电化学检测电极，其特征在于，每个电极的材料结构包括铂电极、金电极或碳基电极。

5.根据权利要求1所述的多通道电化学检测电极，其特征在于，所述传感器基底材料包括硅片、玻璃、硅胶、聚二甲基硅氧烷或者聚对苯二甲酸乙二醇酯。

6.一种多通道电化学检测传感器，其特征在于，包括程控开关以及权利要求1-5任一项所述的多通道电化学检测电极；

所述工作电极通过所述程控开关进行切换选择。

7.根据权利要求6所述的多通道电化学检测传感器，其特征在于，所述传感器还包括运算放大器模块；

每个工作电极，分别通过所述程控开关的不同通道连接至运算放大器模块，不同通道通过所述程控开关的开关元件进行切换；

辅助电极和参比电极均连接至所述运算放大器模块；

每个工作电极，与辅助电极构成的检测电流回路，通过所述运算放大器模块输出放大后的检测电流信号。

8.根据权利要求7所述的多通道电化学检测传感器，其特征在于，所述传感器还包括滤波模块，用于对所述检测电流信号进行滤波。

9.根据权利要求8所述的多通道电化学检测传感器，其特征在于，所述传感器还包括整流模块，用于对滤波后的检测电流信号进行整流。

10.根据权利要求9所述的多通道电化学检测传感器，其特征在于，每个工作电极的检测电流信号共用所述滤波模块和所述整流模块。

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