恶性肿瘤早期诊断仪及测量方法研究

引言

恶性肿瘤严重危害着人类的健康，但是对于早期恶性肿瘤的患者由于没有明显的症状，所以检测相对而言比较麻烦，人们也逐渐认识到了检测的重要性。下面对一款恶性肿瘤早期测试仪做下简单的介绍。

恶性肿瘤电化学筛查与早期诊断仪由八通道免疫测定芯片，多通道恒电位电路和自动化系统和数据处理与显示系统所组成；基本结构如图1所示；八通道免疫测定芯片通过接口与多通道恒电位仪相连接，数据处理与显示系统通过接口也与多通道恒电位仪相连接。测定样品时，将各通道得到的I-V数据做成8个峰图，然后对每个峰图设置阈值，当测得的峰信号高于阈值15%为阳性，低于阈值15%为阴性，在之间为可疑，需进行进一步检查。下面对就其结构进行简单介绍。



1 基本原理



1.1、 八通道免疫测定芯片

由于我们在实验中需要同时对多种抗体进行测量，减小测量周期，因此使用八通道免疫测定芯片，即有八个工作电极，如图2所示，每个电极上固定有不同的抗原功能化膜。基于竞争反应模式，将样品（抗原）和特定浓度的多种酶标抗体溶液的混合液作为温育液，利用免疫芯片上固定的不同抗原和样品抗原竞争反应温育液中相对应的辣根过氧化物酶标记的酶标抗体[1]，从而使 辣根过氧化物酶固定在电极表面，催化H2O2与电子传递媒介体的反应，通过催化电流的大小间接检测待测抗原的含量。



下面取一个工作电极和辅助电极，参比电极[2]进行介绍，如图3所示。电流在工作电极与辅助电极之间流动。工作电极为研究的具体对象，辅助电极可以是任一种电极，要求它的电化学性质不影响工作电极的行为，参比电极是一个已知电势的电极，用来作为参考,使工作电极有个电位基准。由于化学池中溶液存在一定的电阻，所以存在一定的电压降[3]，电势的变化还有一部分由iR引起，对测量有一定的影响。为了去掉它的影响 ，要求参比电极与工作电极间的输入阻抗尽可能大，通过参比电极的电流可以忽略，则它的电势保持不变，等于开路电势。在具体使用中，当参比电极距离工作电极很近时，由于流过的电流很小，可以忽略电压降的影响。

1.2、 恒电位仪

用三电极体系研究溶液特性时，要求工作电极短时间相对于参比电极保持在设定的电位上，不会由于化学反应进行时发生变化，因此使用恒电位仪来控制三电极系统，如图4所示，控制对电极和参比电极：



由运放U1构成的电压跟随器将由上位机写入的扫描电压经DA控制输入与负载隔离开来，并将接受到的扫描电压加到U2上，参比电极的电流流过一个电阻后由电压跟随器U3将其电压加在U2上， U2作为一个差分式积分电路将两个电压去掉噪声[5]后加在对电极上。



图5所示，为工作电极的工作电路，由U1将工作电极上的电流转化为电压信号，U2、U3、U4、U5构成一个仪表放大器[6]，将输入电压放大10倍，然后经过A/D输出给上位机。

对于由上位机加到恒电位仪上的扫描电压由我们的具体实验相关，下面对DPV测量方法[7]进行阐述。



1.3、 DPV（Differential Pulse Voltammetry）测量方法

DPV是一种精确度较高的伏安测量法，用于定量测量，如图7为加在电极上的电压。



实验初期，基电势远正于样本的标准电势E0，脉冲时电势变化很小，没有法拉第电流，所以i（t）-i(t’)近似为0，而当电势逐渐降低到标准电势E0附近时，电极上的物质会以最快的速度被还原，因此形成法拉第电流，i（t）-i(t’)很大，当电势继续降低，当物质被完全还原后，法拉第电流降低，所以能得到峰状结果。

Step E是方波以一定的步长增长，因为在实验时存在一定的背景电流，所以通过差分计算，在一个周期的最高点和最低点分别采样，然后将得到的电流相减，这样可以去掉背景电流。最后在做伏安曲线时以最低点的电压作为标准，当振幅不是太大的情况下，可以将误差控制在一定的范围内。

2 数据处理和分析

DPV测量

按照如表1的参数设定将一个扫描电压经数模转换加到电极上。

由图6可知，重复使用同一芯片会造成电流的峰值减小，主要原因在于对芯片进行冲洗时会导致电极上的抗原数目减少，故该芯片不能重复使用。但是能看到明显的峰值，并能得到相应的含量。

起始电压(mV) 扫描台阶(mV) 结束电压(mV) 扫描周期(mS) 脉冲台阶(mV) 脉冲宽度(mV)-200 -2 -450 500 -30 80



3结语

通过对样品使用DPV进行分析可以看到明显的峰值，然后根据峰值对应的电压可以得到抗原的数目从而判断是否有相应的恶性肿瘤。

软件部分通过使用for语句，可以在加通过恒电位仪加一个电压的情况下，分别对8个通道进行采样，很大的缩短了检测周期。

对于外界干扰，采用数字滤波[8]。利用软件编程取连续多个值，然后取平均。由于连续几个采样点包含的噪声将正负抵消而接近于0。

参考文献

[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