CN101614687B - 富集、检测一体化量热式生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种富集、检测一体化量热式生物传感器，其特征在于，系统是由恒流泵、注入阀、恒温器、微反应器、参比微反应器、检测器和流路等组成的流动注射分析系统。其检测流程的特征在于，其基于流动注射分析方法，并且富集和检测反应均发生在富集载体上。本发明的有益效果是富集、检测一体化生物传感器集分离、富集、增敏、检测于一体，省略传统的洗脱等步骤，提高了检测的灵敏度和选择性，以及分析的自动化程度和精度，实现了高灵敏度和高选择性的检测和分析，大大加强了量热式生物传感器的固有优势和应用。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种集富集和检测于一体的量热式生物传感器，能够应用在食品、医药、生化、环境及化工等过程的现场、在线监测和痕量分析等。
背景技术
科学的发展要求分析领域能够用更低的消耗、更简便的方法和设备、更快的分析速度提供实时、准确、全面的信息，其明显的发展趋势是分析设备的准确化、集成化与自动化。
量热式生物传感器是通过测量生化反应过程产生的热量变化来进行分析的生物传感器。相对于电化学和光学等生物传感器方法，量热式生物传感器不受颜色、浑浊及电化学等固有属性的干扰，具有优势，尤其适用于现场、在线监测和分析未处理的实际试样。另外，量热方法的检测原理简单、可靠，有利于微型系统的开发。
传统量热式生物传感器应用在痕量分析，其灵敏度和选择性不近如人意，其特异性可通过结合特定的生物敏感元件来提高，但其灵敏度不能简单地通过提高量热换能器的灵敏度来提高，因为这往往会造成干扰信号的同时放大，并引起输出信号的不稳定。通过对待测试样的适当富集才是根本之道。富集是排除干扰、降低检出限、提高分析精度的重要手段，能大大提高有效信号的强度，并相对改善其特异性。目前，结合富集功能的量热式生物传感器未见报道和产品销售，并且传统的在线富集方法采用的流程是在固相载体上完成对待测组分分离、富集后，用洗脱液将试样组分洗脱，然后将洗脱液送入检测器进行检测，操作繁琐、耗时长，同时增加了检测的复杂性和不确定性，也增加了误差传递过程，制约了它们的应用。
针对上述背景，本发明涉及一种富集、检测一体化量热式生物传感器，集分离、富集、增敏、检测于一体，并省略传统的洗脱等步骤，结合高精度热传感器，能够实现高灵敏度和高选择性的检测和分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种高适应性、特异性和灵敏度的生物传感器，其采用简单、可靠的量热方法，并利用富集增强检测的灵敏度和特异性，富集、检测的一体化进一步减少了中间环节，提高了分析的自动化程度和精度。
本发明的技术方案是这样实现的，一种采用流动注射分析技术作为自动化连续流动分析方法的富集、检测一体化量热式生物传感器系统，包括恒流泵、注入阀、恒温器、反应器、检测器和流路等，其特点是恒流泵提供样液、载流和试剂的定流量输送的动力；注入阀实现样液、载流和试剂的组合和控制；恒温器使样液、载流和试剂的组合在进入反应器前恒定达到设定的反应温度；反应器是由孪生对称结构的检测微反应器和参比微反应器组成，二者内部填充富集载体(树脂、活性炭等)；作为检测器的热传感器得到检测微反应器和参比微反应器的反应热信号差，经信号处理及显示单元或计算机处理后显示；反应器和热传感器均放置在绝热环境中。富集、检测一体化量热式生物传感器采用如下检测流程：第一步，准备和稳定过程，在检测微反应器和参比微反应器中自然堆积填充富集载体，整个系统通入载流并至系统稳定，获得稳定基线；第二步，富集过程，样液与载流混合物定流量流过检测微反应器，同时载流同流量流过参比微反应器，过程持续设定时间作为富集时间，此时，被测组分被富集到富集载体上；第三步，反应及检测过程，试剂组合与载流混合物同流量、同时间、同时流过检测微反应器和参比微反应器，并在其中的富集载体上进行反应，热传感器全程监测两反应器中各种反应放出的热量变化，其信号变化反映了被测组分的量；第四步，排除检测微反应器和参比微反应器中富集载体及流路中的残液，进行下一样品测试。所述的系统流程，每步分别对应相应的程序和控制，实现流速和切换等操作。
本发明的有益效果是该量热式生物传感器集分离、富集、增敏、检测于一体，富集有效增强了灵敏度，富集、检测一体化省略传统的洗脱等步骤，同时减少了误差传递过程，进一步提高了检测的灵敏度和选择性。并且其分离、富集、测定一次完成，减少了人工干预，提高分析的自动化程度和精度，这将大大加强量热式生物传感器的固有优势和应用。
附图说明
图1为富集、检测一体化量热式生物传感器系统示意图
图2为检测环境水样中重金属实施例的流程图
图3为检测果蔬中有机磷农药残留实施例的流程图
具体实施方式
本发明结合附图作一说明，如图1所示富集、检测一体化量热式生物传感器系统。其中C为载流；S为试样；R为试剂；P为恒流泵；V为注入阀；T为恒温器；M为检测微反应器；MC为参比微反应器；D为检测器；C&D为信号处理及显示单元；PC为计算机；W为废液。恒流泵P实现载流C、样液S和试剂R的设定流量的传输，恒流保证了系统的重现性和精度；通过注入阀V实现载流C、样液S、试剂R间的切换和自由组合，完成定时、定量注入，实现程序控制和自动进样等操作；恒温器T对进入检测微反应器M、参比微反应器MC的载流C、样液S、试剂R的组合进行恒温，能保证反应在最适温度条件下的重现性；检测微反应器M和参比微反应器MC采用孪生对称的结构，参比微反应器MC的设置能有效消除非特异性热干扰，检测微反应器M和参比微反应器MC内部填充富集载体(树脂、活性炭等)，其上进行富集和反应过程，同时也通过增大反应的表面积和混合有效地增强反应效率；作为检测器D的热传感器得到检测微反应器M和参比微反应器MC的反应热信号差，并经信号处理及显示单元C&D，或与计算机PC连接，进行信号处理，得到被测组分的量；检测微反应器M、参比微反应器MC和恒温器T外部的绝热环境，能有效消除热损失，提高精度。使用上述富集、检测一体化生物传感器系统的具体实施检测流程为：第一步，准备和稳定过程，在检测微反应器M和参比微反应器MC中自然堆积填充富集载体，开启恒流泵P和恒温器T，通入载流C至系统稳定，获得稳定基线。第二步，切换注入阀V，样液S与载流C的混合物和载流C以同流量分别流过检测微反应器M和参比微反应器MC，此时，被测组分被富集到载体上，为富集过程，持续设定时间作为富集时间；第三步，反应及检测过程，切换注入阀V，对试剂R和载流C组合，其混合物同流量、同时间、同时流过检测微反应器M和参比微反应器MC，并在其中的富集载体上进行反应，热传感器全程监测两反应器中各种反应放出的热量变化，其信号变化反映了被测组分的量；第四步，切换注入阀V，载流C冲刷系统流路，排除检测反应器M和参比微反应器MC中富集载体及流路中的残液，进行下一样品测试。
根据富集、检测一体化量热式生物传感器的不同应用领域，提供两个测试例。
测试例1：
使用所述的富集、检测一体化量热式生物传感器检测环境水样中的重金属离子，检测流程如图2所示。采用酶抑制法进行，重金属离子可以抑制脲酶的活性，环境样品无重金属离子时，尿素在脲酶的作用下水解，当有重金属离子时，脲酶的活性受到抑制，酶促反应程度下降。环境样品中重金属离子量的多少可以反映酶反应的激烈程度，进而可以通过反应热的变化上获知。检测微反应器和参比微反应器尺寸均为Φ5mm×30mm，富集载体为粒径30～35目的D401螯合树脂，使用2mM的脲酶，0.5M的尿素作为底物，PH7.0，0.1M的磷酸盐缓冲液，富集时间为5min，恒温器设定温度为35℃，流速为1ml/min。得到，环境水样中Cu2+离子和Hg2+离子的检测限可达0.005mg/L。
测试例2：
使用所述的富集、检测一体化量热式生物传感器检测果蔬中的有机磷农药残留，检测流程如图3所示。采用酶抑制法进行，农药残留可以抑制胆碱酯酶的活性，环境样品无农药残留时，丁酰胆碱在胆碱酯酶的作用下水解，当有农药残留时，胆碱酯酶的活性受到抑制，酶促反应程度下降。果蔬中有机磷农药残留量的多少可以反映在农药对胆碱酯酶活性的抑制程度，进而可以通过反应热的变化上获知。检测微反应器和参比微反应器尺寸均为Φ5mm×30mm，富集载体使用粒径30～35目的活性炭，使用2mM的胆碱酯酶和20mM的丁酰胆碱作为底物，PH7.0，0.1M的磷酸盐缓冲液。恒温器设定温度为30℃，富集时间为5min，流速为2ml/min。检测得到，果蔬样品中有机磷农药的检测限达到0.01mg/L。
Claims (4)
1.一种富集、检测一体化量热式生物传感器，它是由恒流泵、注入阀、恒温器、反应器、检测器、信号处理及显示单元、计算机和流路组成的流动注射分析系统，其特征在于，恒流泵(P)提供样液(S)、载流(C)和试剂的定流量输送的动力；注入阀(V)实现样液(S)、载流(C)和试剂的组合和控制；恒温器(T)使样液(S)、载流(C)和试剂的组合在进入反应器前恒定达到设定的反应温度；反应器是由孪生对称结构的检测微反应器(M)和参比微反应器(MC)组成，二者内部填充富集载体；作为检测器(D)的热传感器得到检测微反应器(M)和参比微反应器(MC)的反应热信号差，经信号处理及显示单元(C&D)或计算机(PC)处理后显示。
2.根据权利要求1所述的富集、检测一体化量热式生物传感器，其特征在于所述富集载体是树脂或活性炭。
3.根据权利要求1所述的富集、检测一体化量热式生物传感器，其特征在于所述反应器和热传感器均放置在绝热环境中。
4.应用权利要求1所述的富集、检测一体化量热式生物传感器的检测流程，其特征在于：
a.在检测微反应器(M)和参比微反应器(MC)中自然堆积填充富集载体，整个系统通入载流(C)并至系统稳定，获得稳定基线；
b.样液(S)与载流(C)混合物定流量流过检测微反应器(M)，同时载流(C)同流量流过参比微反应器(MC)，过程持续设定时间作为富集时间，此时，被测组分被富集到富集载体上；
c.试剂与载流(C)混合物同流量、同时间、同时流过检测微反应器(M)和参比微反应器(MC)，并在其中的富集载体上进行反应，热传感器全程监测两反应器中各种反应放出的热量变化，其信号变化反映了被测组分的量；
d.排除检测微反应器(M)和参比微反应器(MC)中富集载体及流路中的残液，进行下一样品测试。
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