惡性腫瘤早期診斷儀及測量方法研究

引言

惡性腫瘤嚴(yán)重危害著人類的健康，但是對于早期惡性腫瘤的患者由于沒有明顯的癥狀，所以檢測相對而言比較麻煩，人們也逐漸認(rèn)識到了檢測的重要性。下面對一款惡性腫瘤早期測試儀做下簡單的介紹。

惡性腫瘤電化學(xué)篩查與早期診斷儀由八通道免疫測定芯片，多通道恒電位電路和自動化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)所組成；基本結(jié)構(gòu)如圖1所示；八通道免疫測定芯片通過接口與多通道恒電位儀相連接，數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)通過接口也與多通道恒電位儀相連接。測定樣品時，將各通道得到的I-V數(shù)據(jù)做成8個峰圖，然后對每個峰圖設(shè)置閾值，當(dāng)測得的峰信號高于閾值15%為陽性，低于閾值15%為陰性，在之間為可疑，需進(jìn)行進(jìn)一步檢查。下面對就其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單介紹。

1 基本原理

1.1、 八通道免疫測定芯片

由于我們在實(shí)驗(yàn)中需要同時對多種抗體進(jìn)行測量，減小測量周期，因此使用八通道免疫測定芯片，即有八個工作電極，如圖2所示，每個電極上固定有不同的抗原功能化膜。基于競爭反應(yīng)模式，將樣品（抗原）和特定濃度的多種酶標(biāo)抗體溶液的混合液作為溫育液，利用免疫芯片上固定的不同抗原和樣品抗原競爭反應(yīng)溫育液中相對應(yīng)的辣根過氧化物酶標(biāo)記的酶標(biāo)抗體[1]，從而使 辣根過氧化物酶固定在電極表面，催化H2O2與電子傳遞媒介體的反應(yīng)，通過催化電流的大小間接檢測待測抗原的含量。

下面取一個工作電極和輔助電極，參比電極[2]進(jìn)行介紹，如圖3所示。電流在工作電極與輔助電極之間流動。工作電極為研究的具體對象，輔助電極可以是任一種電極，要求它的電化學(xué)性質(zhì)不影響工作電極的行為，參比電極是一個已知電勢的電極，用來作為參考,使工作電極有個電位基準(zhǔn)。由于化學(xué)池中溶液存在一定的電阻，所以存在一定的電壓降[3]，電勢的變化還有一部分由iR引起，對測量有一定的影響。為了去掉它的影響 ，要求參比電極與工作電極間的輸入阻抗盡可能大，通過參比電極的電流可以忽略，則它的電勢保持不變，等于開路電勢。在具體使用中，當(dāng)參比電極距離工作電極很近時，由于流過的電流很小，可以忽略電壓降的影響。

1.2、 恒電位儀

用三電極體系研究溶液特性時，要求工作電極短時間相對于參比電極保持在設(shè)定的電位上，不會由于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時發(fā)生變化，因此使用恒電位儀來控制三電極系統(tǒng)，如圖4所示，控制對電極和參比電極：

由運(yùn)放U1構(gòu)成的電壓跟隨器將由上位機(jī)寫入的掃描電壓經(jīng)DA控制輸入與負(fù)載隔離開來，并將接受到的掃描電壓加到U2上，參比電極的電流流過一個電阻后由電壓跟隨器U3將其電壓加在U2上， U2作為一個差分式積分電路將兩個電壓去掉噪聲[5]后加在對電極上。

圖5所示，為工作電極的工作電路，由U1將工作電極上的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，U2、U3、U4、U5構(gòu)成一個儀表放大器[6]，將輸入電壓放大10倍，然后經(jīng)過A/D輸出給上位機(jī)。

對于由上位機(jī)加到恒電位儀上的掃描電壓由我們的具體實(shí)驗(yàn)相關(guān)，下面對DPV測量方法[7]進(jìn)行闡述。

1.3、 DPV（Differential Pulse Voltammetry）測量方法

DPV是一種精確度較高的伏安測量法，用于定量測量，如圖7為加在電極上的電壓。

實(shí)驗(yàn)初期，基電勢遠(yuǎn)正于樣本的標(biāo)準(zhǔn)電勢E0，脈沖時電勢變化很小，沒有法拉第電流，所以i（t）-i(t’)近似為0，而當(dāng)電勢逐漸降低到標(biāo)準(zhǔn)電勢E0附近時，電極上的物質(zhì)會以最快的速度被還原，因此形成法拉第電流，i（t）-i(t’)很大，當(dāng)電勢繼續(xù)降低，當(dāng)物質(zhì)被完全還原后，法拉第電流降低，所以能得到峰狀結(jié)果。

Step E是方波以一定的步長增長，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)時存在一定的背景電流，所以通過差分計算，在一個周期的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別采樣，然后將得到的電流相減，這樣可以去掉背景電流。最后在做伏安曲線時以最低點(diǎn)的電壓作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)振幅不是太大的情況下，可以將誤差控制在一定的范圍內(nèi)。

2 數(shù)據(jù)處理和分析

DPV測量

按照如表1的參數(shù)設(shè)定將一個掃描電壓經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換加到電極上。

由圖6可知，重復(fù)使用同一芯片會造成電流的峰值減小，主要原因在于對芯片進(jìn)行沖洗時會導(dǎo)致電極上的抗原數(shù)目減少，故該芯片不能重復(fù)使用。但是能看到明顯的峰值，并能得到相應(yīng)的含量。

起始電壓(mV) 掃描臺階(mV) 結(jié)束電壓(mV) 掃描周期(mS) 脈沖臺階(mV) 脈沖寬度(mV)-200 -2 -450 500 -30 80

3結(jié)語

通過對樣品使用DPV進(jìn)行分析可以看到明顯的峰值，然后根據(jù)峰值對應(yīng)的電壓可以得到抗原的數(shù)目從而判斷是否有相應(yīng)的惡性腫瘤。

軟件部分通過使用for語句，可以在加通過恒電位儀加一個電壓的情況下，分別對8個通道進(jìn)行采樣，很大的縮短了檢測周期。

對于外界干擾，采用數(shù)字濾波[8]。利用軟件編程取連續(xù)多個值，然后取平均。由于連續(xù)幾個采樣點(diǎn)包含的噪聲將正負(fù)抵消而接近于0。

參考文獻(xiàn)

[1] CHEN Hongyuan, CAI Chenxin, and JU Huangxian. Biomolecular sensor based on a polypyrrole-coated microelectrode array [J].CHINESE SCIENCE BULLETIN.1996,41(17):1441-1445