電化學檢測系統的制作方法

本發明涉及電化學行業信號檢測領域，尤其涉及一種電化學檢測系統。

背景技術：

神經遞質是一類在神經元化學突觸間產生信號轉導的特定化學物質，其于神經元內合成后，由突觸前膜釋放并立即與相應的突觸后膜受體結合，以完成神經信息傳遞功能。神經遞質與人類健康密切相關，而且在學習、記憶、神經元的可塑性、軀體運動以及大腦發育等機體生理功能的調節方面發揮重要作用。因此，開展活體腦內神經遞質釋放檢測研究，對理解大腦運行機理、研究腦部疾病病因機制、藥物治療以及臨床基礎研究等方面均具有重要的意義。

然而，由于神經遞質通過突觸前膜囊泡釋放完成信息傳遞功能的過程中，釋放的神經遞質微量乃至痕量，并且，神經遞質囊泡釋放非常快速，通常是ms級，加之活體腦內檢測環境復雜，基線電流大，現有神經遞質檢測技術還無法滿足對活體神經遞質釋放進行長時間連續檢測的需求。如圖1所示為目前應用最廣泛的活體神經遞質檢測技術。圖1(a)顯示了電化學快速掃描循環伏安法的掃描檢測原理，即在一個大于100V/s的掃速下，周期性地在電極上施加三角波電壓，同時每個周期都在被檢測物質的氧化電位上測量電流。作為一種可用于在線檢測腦內化學物質的電化學掃描技術，它的突出優點是對被檢測物有富集作用，可以提高檢測電流的大小，并且能夠將檢測速度提高到亞秒級。然而，由于快速掃描循環伏安法的背景電流偏移，使其還不能用于長時間連續監測被測物的濃度變化，更為重要的是，基于現有的各種電化學分析設備，該方法的檢測時間分辨率也還無法達到ms量級。圖1(b)顯示了微透析取樣電化學分析法的工作示意圖，它的原理就是將透析探針植入感興趣的腦區，用泵將灌注液泵入小分子能在其中交換的透析膜中，而后將透析液移出到體外電化學分析設備中進行分析。這種方法具有很好的化學分辨性，可實現多種組分的連續檢測。然而，由于受限于透析膜的擴散速度，微透析檢測分析時間分辨率在min量級，還無法用于ms量級的神經遞質囊泡釋放事件的在線檢測。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種電化學檢測系統，為神經科學研究提供一種新的研究工具和手段。

(二)技術方案

本發明提供一種電化學檢測系統，包括：

自參考微電極陣列，包括多個檢測位點，配置為植入待檢測部位，在同一個檢測位點同時獲取參考信號和電化學反應信號；

電化學檢測儀，連接所述自參考微電極陣列，用于同時檢測多個檢測位點的化學物質濃度變化，并輸出數據。

進一步的，所述自參考微電極陣列，每個檢測位點都由兩個臨近的對稱的電極組成，其中，一個為參考電極，檢測環境電流，另一個為工作電極，檢測工作電流，所述對稱的電極的差值構成電化學反應電流，實現自參考檢測。

進一步的，所述電化學檢測儀，包括：電流檢測單元，連接自參考微電極陣列的參考電極和工作電極，用于檢測電化學反應電流；雙電壓恒電位調理輸出單元，連接電化學參比電極和對電極，用于輸出自參考微電極陣列的參考電極和工作電極所需的工作電位。

進一步的，所述電流檢測單元，利用自參考檢測技術，同時對參考電極和工作電極輸入的電流信號進行電流電壓轉換。

進一步的，所述電流檢測單元，利用多級放大技術，分別在電流電壓轉換級、差分放大級等各級對信號進行放大。

進一步的，所述電流檢測單元，利用高頻補償技術，補償電流電壓轉換部分反饋電阻對信號帶寬的限制。

進一步的，所述雙電壓恒電位調理輸出單元，對輸入的電壓波形進行調理，為電化學反應提供恒電位儀，并實現共用參比電極和對電極的功能，同時將參考電位和工作電位分別施加到參考電極和工作電極。

進一步的，系統還包括：多通道電化學處理器，通過USB接口與電化學檢測儀進行數據通信，用于接收所述數據，進行人機交互、電化學參數設置以及多通道電化學數據同步處理、顯示和/或分析功能。

進一步的，電化學檢測儀還包括：數據采集單元，用于采集電流檢測單元輸出的信號，同時采集雙電壓恒電位調理輸出單元施加的電位；電壓生成單元，用于生成電化學反應所需的電壓波形；中央控制單元，與儀器的各個部分相連，用于完成協調控制多通道同步檢測及檢測數據的預處理等功能，并完成與多通道電化學軟件的數據通信；供電電源，與儀器的各個部分相連，用于為整個儀器提供穩定的低噪聲直流電源。

(三)有益效果

從上述技術方案可知，本發明電化學檢測系統具有以下有益效果：

(1)本發明電化學檢測系統所包含的電流檢測單元，利用自參考檢測、多級放大、高頻補償等技術，能夠實現在高精度條件下，同時高速度檢測電化學反應產生的電流，能解決活體痕量神經遞質快速釋放檢測時，面臨的高精度檢測時難以實現快速檢測的問題；

(2)本發明電化學檢測系統所包含的自參考微電極陣列，結合電流檢測單元的自參考檢測技術，能夠在信號檢測的源頭通過自參考的方式盡量消除檢測環境的基線電流的影響，并且能適應基線電流的波動，實現高精度獲取痕量神經遞質，同時解決活體神經遞質釋放難以實現長時間連續檢測問題。

附圖說明

圖1(a)和1(b)分別為現有常用活體神經遞質在線檢測技術的微透析取樣電化學分析法的工作示意圖和微透析取樣電化學分析法的工作示意圖；

圖2為本發明實施例電化學檢測系統示意圖；

圖3為本發明實施例電化學檢測系統中電流檢測單元和雙電壓恒電位調理輸出單元結構示意圖；

圖4為本發明實施例電化學檢測系統中自參考微電極陣列的制備流程圖；

圖5為本發明實施例電化學檢測系統中自參考微電極陣列的修飾方案圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。且在附圖中，實施例以簡化或是方便標示。再者，附圖中未繪示或描述的元件或實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。

在本發明的一個示例性實施例中，提出了一種電化學檢測系統。圖2為本發明實施例電化學檢測系統示意圖。如圖2所示，本實施例電化學檢測系統，由檢測電極、檢測儀器和包含上位機軟件的處理器組成，包括：自參考微電極陣列、電化學檢測儀和含多通道電化學軟件的處理器。其中，自參考微電極陣列，植入待測部位，能在同一個檢測位點同時獲取參考信號和電化學反應信號，并將檢測的信號傳輸給電化學檢測儀；電化學檢測儀，由電流檢測單元、雙電壓恒電位調理輸出單元、高速數據采集單元、精密電壓生成單元、中央控制單元和精密供電電源等組成，能同時檢測多個位點的化學物質濃度變化；多通道電化學軟件，用于完成人機交互、電化學參數設置以及多通道電化學數據同步處理、顯示、分析等功能。以下分別對各個組成部分進行詳細說明。

本發明實施例電化學檢測系統中電化學檢測儀的結構如圖2所示，采用多通道設計。其中，高速數據采集單元，由中央控制單元控制，同步采集4個電化學檢測通道輸出的信號，并同時采集雙電壓恒電位調理輸出單元施加的電位；精密電壓生成單元，由中央控制單元控制，同時為4個電化學檢測通道獨立地提供電化學反應所需的精密電壓波形；中央控制單元，是整個儀器的中樞，與儀器的各個部分相連，完成對多通道的協調控制、同步及檢測數據的預處理等功能，并實現與多通道電化學軟件的數據通信；精密供電電源，為整個儀器提供穩定的低噪聲直流電源，特別地，該精密供電電源采用多級供電技術，將模擬電源和數字電源分開，并單獨為電流檢測單元提供精密的低噪聲電源。

本發明實施例電化學檢測系統中，電化學檢測儀含有4個獨立的電化學通道，可用于同時檢測4種神經遞質的釋放或同時在4個位點進行檢測。如圖3所示，單個電化學通道包含電流檢測單元和雙電壓恒電位調理輸出單元。電化學通道檢測電路采用三電極體系。傳統的三電極電化學體系包括參比電極、對電極和工作電極，特別地，本實施例為了實現自參考檢測，增加了參考電極。需要說明的是，該檢測儀器的4個獨立的電化學通道是通常的設置，不構成對本發明的限制。

如圖3所示，電流檢測單元由電流電壓轉換(I-V轉換器)、差分放大、高頻補償、二級放大濾波、可調增益放大器、輸出濾波器等組成。利用自參考檢測技術，兩個相同的I-V轉換器同時對參考電極和工作電極輸入的電流信號進行電流電壓轉換，這樣能減小檢測環境基線電流本身及其波動對電流檢測產生的影響，提高電化學電流檢測精度和長時間連續檢測的穩定性。利用多級放大和高頻補償技術，輸入的信號分別在電流電壓轉換級、差分放大級、二級放大濾波級和可調增益放大級進行放大，并經過高頻補償和信號濾波去除噪聲后輸出到高速數據采集單元。其中，需要說明的是，在高精度電化學檢測時，對檢測速度造成影響最大的是I-V轉換器所用的大反饋電阻及其寄生電容構成的RC低通濾波器；為了提高檢測速度，本發明采取的策略是減小反饋電阻的大小，而在I-V轉換器之后的各放大級補償反饋電阻減小造成的放大倍數降低，并通過高頻補償技術補償I-V轉換器對信號帶寬限制，以最終實現在高精度條件下進行高速電化學檢測。本實施例中，為了獲得更好的性能，I-V轉換器所用的運放選用的是National semiconductor公司的超低輸入電流(25fA)和超低電流噪聲(@1kHz)運放LMC6001A，并且，在電路設計時，依據電磁兼容原理，對電化學電流輸入引腳和反饋電阻進行了精細的干擾防護處理。本實施例中電流檢測單元能實現的電流檢測精度為pA級，檢測時間精度達0.03ms，完全能滿足活體腦內痕量神經遞質快速釋放(ms量級)的檢測需求。

如圖3所示，雙電壓恒電位調理輸出單元分別對精密電壓生成單元生成的工作電位和參考電位通過緩沖器和濾波器進行調理，再經過雙電壓關聯運算，最后通過恒電位器輸出電位到參比電極上。發生電化學反應時，所需的電位為發生反應的電極相對參比電極的電位，因此，雙電壓恒電位調理輸出單元通過雙電壓關聯部分調節參考電極的相對電位，可實現獨立調節工作電極和參考電極上施加的反應電位。另外，通過配置I-V轉換的偏置電位，可以進一步調整工作電極和參考電極基線電流的失衡，保證自參考功能的完全實現。本實施例中，將施加到參比電極的電位輸入高速數據采集單元，以提高在軟件用戶界面所作的電流-電壓圖的準確性。

本發明實施例中電化學檢測系統中，含多通道電化學軟件的處理器通過USB接口與電化學檢測儀進行數據通信，能夠同步處理、顯示、分析4通道的電化學檢測數據，具備人機交互、電化學參數設置等功能。該軟件設置有計時電流法(I-T)、循環伏安法(CV)、快速循環伏安法(FSCV)、差分脈沖伏安法(DPV)等多種電化學檢測方法，并且用戶能根據需求，編輯生成所需的電化學檢測方法。需要說明的是，該軟件的4個電化學通道也是通常的設置，不構成對本發明的限制。

本發明實施例電化學檢測系統中，自參考微電極陣列如圖2所示。擬在同一個微電極陣列上，設計4個檢測位點，每個位點都由兩個臨近的對稱的半圓形電極組成，其中，一個為參考電極，檢測環境電流，另一個為工作電極，檢測工作電流，二者的差值構成電化學反應電流，實現自參考檢測。針對高速探測需要降低電極檢測電阻和電容的需求，結合神經細胞的尺寸大小，將每個電極的最小直徑設計為5μm。

自參考微電極陣列采用如圖4所示的MEMS加工工藝制作。為提高電極的生物相容性，選用硅作為基底材料，氮化硅為絕緣材料，鉑/金(Pt/Au)等貴金屬或其氧化物作為導電材料制備電極。需要說明的是，該自參考微電極陣列的檢測位點數、電極尺寸和形狀不構成對本發明的限制。

為了實現對神經遞質的選擇性檢測，需要對自參考微電極陣列進行修飾。本發明實施例以檢測谷氨酸為例，采用如圖5所示的方法對電極進行修飾。采用自參考檢測有兩種實現消除基線的方案：

其一，對參考電極和工作電極進行完全一樣的修飾，只是在檢測時，工作電極施加谷氨酸檢測所需的氧化電位，而參考電極施加零電位；

其二，對參考電極和工作電極進行有區別的修飾，同時對兩個電極施加谷氨酸的氧化電位。

如圖5所示：首先，在電極表面超聲電鍍納米Pt/Au顆粒；然后，再電化學沉積間苯二胺(mPD)膜；最后，在工作電極上電化學定向沉積谷氨酸氧化酶(GLOD)

——采用方案一時，同時對參考電極沉積GLOD；

——采用方案二時，對參考電極不再修飾GLOD。

需要說明的是，在修飾的過程中，因參考電極和工作電極相隔較近，需嚴格控制修飾條件，以保證二者不發生短接。

需要說明的是，上述對各元件的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如：(1)電流檢測單元中，I-V轉換器所用運放LMC6001A可用性能相當的運放LMP7721來代替；(2)自參考微電極陣列的4個檢測位點可以按照需求垂直排列，以檢測不同腦區的神經遞質釋放。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。