一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，包括传感器本体、直流电压供电部件、电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、控制器、数据处理和通讯部件、电源。加入一个与工作电极大小相同的空白电极，通过信号相减的方式消除干扰信号。加入一个交流阻抗测量部件，并用其输出的系统阻抗值判断传感器的工作状态。可以有效地消除因干扰物的存在和测量环境变化而对分析物信号产生的影响，使传感器在工作期间保证测量信号的有效性和准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分析物传感系统
，具体涉及一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统及方法。
技术介绍
电化学传感器是一种应用广泛的分析物传感器，其基本工作原理是通过在传感器工作电极上施加适合的电压或电流，将测量样本中的化学分析物通过电化学反应转化为可检测的电信号。目前市面上存在用于多种分析物的各类型的生物传感器，其中研究最多、最常见的生物传感器是电流型(安培型)葡萄糖传感器，其对于成功地控制糖尿病的葡萄糖水平来说是非常重要的。传统的电流型葡萄糖传感器利用固定在传感器电极上的葡萄糖氧化酶把样本中葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和副产物过氧化氢，然后将过氧化氢在传感器工作电极上氧化从而生成可探测的电流信号。与之类似的，在本领域已知的多种氧化还原酶中发生的反应已被用于基于同样工作原理的电流型传感器设计。电化学传感器的一个普遍问题是它们不仅可与待测量的分析物(或具有该分析物的酶促反应的副产物)进行电化学反应，而且还可与其他无意被测量的电活性化学物种进行反应，由于这些“干扰物种”，这种无意被测量的反应导致信号强度增加，从而影响到对分析物浓度的准确判断。例如，在传统的基于葡萄糖氧化酶的电流型葡萄糖传感器中，已知诸如醋氨酚、抗坏血酸盐和尿酸盐之类的干扰物种混淆真正的分析物信号。此外，传统的电流型电化学传感器所获得的信号也会被传感器所处的测量环境的改变所影响，这些情况包括但不限于传感器电极修饰层的电化学活性减弱，脱水或分解脱落，传感器被非特异性蛋白结合形成的不透水层覆盖，和传感器从探测环境中移位等等。由于传统电流型电化学传感器无法分辨出其工作电极的信号来源，因此这些环境变化将对分析物检测的准确度造成巨大的影响。基于这个原因，电流型电化学传感器需要一套可以进行自检，分辨并排除非分析物的信号的解决方案，其中非分析物信号包括干扰物信号和电极周边环境信号等。目前，针对干扰物信号的排除主要通过在传感器工作电极表面增加干扰抑制隔膜来解决，其工作机制是利用隔膜物理化学特性隔离与分析物不同的干扰物，使其无法接触传感器电极表面发生电化学反应。常见的方案包括调整隔膜的孔隙大小将大分子干扰物隔离，和利用隔膜材料和水接触在分子链所带的正电荷或负电荷对带有相同电荷的干扰物分子产生排斥效应等。而对环境信号的判断通常通过对信号电流的绝对数值和变化速率分析产生，例如，当信号数值明显低于正常范围，或信号变化速率明显高于因正常的分析物浓度变化速率时，可以认为传感器测量数据失效，需要重新校准传感器或停止传感器工作。上述两种干扰信号排除和环境信号排除的解决方案也时常结合起来应用。现有的这两种方案都有一定的局限性。针对干扰信号的排除，干扰抑制隔膜的应用不仅制造成本高，工艺复杂，而且只能对特定的一类干扰物有效。例如通过调整孔隙大小只能将比分析物分子更大的干扰物排除，而无法排除和分析物分子大小相仿或更小的干扰物；同样，电荷排除法也只能排除与分析物所带电荷相反的干扰物，而无法排除中性或者与分析物带同样电荷的干扰物。针对测量环境信号影响的排除，使用传感器电信号的绝对数值分析和变化速率分析仅仅能排除极端情况，而不能分辨或排除幅度较小的测量环境变化影响。在这种情形下，传感器的准确度仍会受到影响，因此需要定期进行校准来调整电流信号和分析物浓度之间的关联式来保证准确性，这也增加了传感器的使用难度，使用便利性变差。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统及方法，以解决现有技术的不足。本专利技术采用以下技术方案：一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，包括传感器本体、直流电压供电部件、电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、控制器、数据处理和通讯部件、电源，传感器本体，包括工作电极、参比电极、对电极和空白电极；直流电压供电部件，包括两个独立的并联电路，分别向工作电极和空白电极施加相对于参比电极相同的电压，以激发相应的分析物电化学反应电流和干扰物反应电流；电流测量部件，包括两个独立的电流测量部件，分别测量工作电极和空白电极所通过的电流并把测得的数值发送给数据处理和通讯部件；交流阻抗测量部件，用于在给工作电极或空白电极施加直流电压的同时再施加一个固定频率的交流电压，然后测量工作电极或空白电极相应的电流反应并计算其相应的交流电阻抗，然后将输出结果发送给数据处理和通讯部件；电路切换开关，用于把工作电极在对应的电流测量部件和交流阻抗测量部件之间切换，切换的时机和频率由控制器的指令决定；或用于把空白电极在对应的电流测量部件和交流阻抗测量部件之间切换，切换的时机和频率由控制器的指令决定；控制器，用于计时，控制电流测量部件的采样时间和频率，交流阻抗测量部件的采样时间和频率，电路切换开关的状态，以及数据处理和通讯部件处理和传输数据的时机；数据处理和通讯部件，将从电流测量部件和交流阻抗测量部件获得的输出结果进行运算，从而得出分析物浓度并把结果发送给接收终端；电源，给直流电压供电部件，电流测量部件，交流阻抗测量部件，电路切换开关，控制器，数据处理和通讯部件提供运行所需的电能；直流电压供电部件输出端分别和工作电极、空白电极连接；空白电极输出端和其对应的电流测量部件连接，工作电极和电路切换开关连接，电路切换开关再分别和工作电级对应的电流测量部件、交流阻抗测量部件连接，或工作电极和其对应的电流测量部件连接，空白电极和电路切换开关连接，电路切换开关再分别和空白电极对应的电流测量部件、交流阻抗测量部件连接；控制器输出端分别和电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、数据处理和通讯部件连接，电流测量部件、交流阻抗测量部件分别和数据处理和通讯部件输入端连接，电源输出端分别和直流电压供电部件、控制器连接。进一步地，工作电极表面修饰有只针对分析物的氧化还原酶或氧化还原对介质，空白电极除了不带有针对分析物的氧化还原酶或氧化还原对介质修饰之外，其余属性均与空白电极相同；工作电极和空白电极在传感器上的位置相邻，两个电极之间的最短距离不超过5毫米。进一步地，工作电极和空白电极上覆盖薄膜层。进一步地，交流阻抗测量部件交流电压的频率为100kHz-1kHz，交流阻抗测量部件阻抗测量的输出包括阻抗的阻抗值和相位或者阻抗的实部和虚部。进一步地，工作电极的电流测量采样频率高出交流阻抗测量采样频率10倍以上。一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感方法，包括如下步骤：步骤一、分别向工作电极和空白电极施加相对于参比电极相同的电压，以激发相应的分析物电化学反应电流和干扰物反应电流，分别由相应的电流测量部件测量出，并把测得的数值发送给数据处理和通讯部件；交流阻抗部件在给工作电极或空白电极施加直流电压的同时再施加一个固定频率的交流电压，然后测量工作电极或空白电极相应的电流反应并计算其相应的交流电阻抗，然后将输出结果发送给数据处理和通讯部件；步骤二、数据处理和通讯部件利用从电流测量部件和交流阻抗测量部件获得的输出结果进行运算，从而得出分析物浓度并把结果发送给接收终端。进一步地，步骤二中的运算包含1个输入数据点，9个输入信息序列和2个输出信息序列，1个输入数据点为：系统起始时间t0,9个输入信息序列为：工作电极采样电流序列I1，工作电极采样时间序列t1,空白电极采样电流序列I2，空白电极采样时间序列t2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，其特征在于，包括传感器本体、直流电压供电部件、电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、控制器、数据处理和通讯部件、电源，传感器本体，包括工作电极、参比电极、对电极和空白电极；直流电压供电部件，包括两个独立的并联电路，分别向工作电极和空白电极施加相对于参比电极相同的电压，以激发相应的分析物电化学反应电流和干扰物反应电流；电流测量部件，包括两个独立的电流测量部件，分别测量工作电极和空白电极所通过的电流并把测得的数值发送给数据处理和通讯部件；交流阻抗测量部件，用于在给工作电极或空白电极施加直流电压的同时再施加一个固定频率的交流电压，然后测量工作电极或空白电极相应的电流反应并计算其相应的交流电阻抗，然后将输出结果发送给数据处理和通讯部件；电路切换开关，用于把工作电极在对应的电流测量部件和交流阻抗测量部件之间切换，切换的时机和频率由控制器的指令决定；或用于把空白电极在对应的电流测量部件和交流阻抗测量部件之间切换，切换的时机和频率由控制器的指令决定；控制器，用于计时，控制电流测量部件的采样时间和频率，交流阻抗测量部件的采样时间和频率，电路切换开关的状态，以及数据处理和通讯部件处理和传输数据的时机；数据处理和通讯部件，将从电流测量部件和交流阻抗测量部件获得的输出结果进行运算，从而得出分析物浓度并把结果发送给接收终端；电源，给直流电压供电部件，电流测量部件，交流阻抗测量部件，电路切换开关，控制器，数据处理和通讯部件提供运行所需的电能；直流电压供电部件输出端分别和工作电极、空白电极连接；空白电极输出端和其对应的电流测量部件连接，工作电极和电路切换开关连接，电路切换开关再分别和工作电级对应的电流测量部件、交流阻抗测量部件连接，或工作电极和其对应的电流测量部件连接，空白电极和电路切换开关连接，电路切换开关再分别和空白电极对应的电流测量部件、交流阻抗测量部件连接；控制器输出端分别和电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、数据处理和通讯部件连接，电流测量部件、交流阻抗测量部件分别和数据处理和通讯部件输入端连接，电源输出端分别和直流电压供电部件、控制器连接。...

【技术特征摘要】
1.一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，其特征在于，包括传感器本体、直流电压供电部件、电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、控制器、数据处理和通讯部件、电源，传感器本体，包括工作电极、参比电极、对电极和空白电极；直流电压供电部件，包括两个独立的并联电路，分别向工作电极和空白电极施加相对于参比电极相同的电压，以激发相应的分析物电化学反应电流和干扰物反应电流；电流测量部件，包括两个独立的电流测量部件，分别测量工作电极和空白电极所通过的电流并把测得的数值发送给数据处理和通讯部件；交流阻抗测量部件，用于在给工作电极或空白电极施加直流电压的同时再施加一个固定频率的交流电压，然后测量工作电极或空白电极相应的电流反应并计算其相应的交流电阻抗，然后将输出结果发送给数据处理和通讯部件；电路切换开关，用于把工作电极在对应的电流测量部件和交流阻抗测量部件之间切换，切换的时机和频率由控制器的指令决定；或用于把空白电极在对应的电流测量部件和交流阻抗测量部件之间切换，切换的时机和频率由控制器的指令决定；控制器，用于计时，控制电流测量部件的采样时间和频率，交流阻抗测量部件的采样时间和频率，电路切换开关的状态，以及数据处理和通讯部件处理和传输数据的时机；数据处理和通讯部件，将从电流测量部件和交流阻抗测量部件获得的输出结果进行运算，从而得出分析物浓度并把结果发送给接收终端；电源，给直流电压供电部件，电流测量部件，交流阻抗测量部件，电路切换开关，控制器，数据处理和通讯部件提供运行所需的电能；直流电压供电部件输出端分别和工作电极、空白电极连接；空白电极输出端和其对应的电流测量部件连接，工作电极和电路切换开关连接，电路切换开关再分别和工作电级对应的电流测量部件、交流阻抗测量部件连接，或工作电极和其对应的电流测量部件连接，空白电极和电路切换开关连接，电路切换开关再分别和空白电极对应的电流测量部件、交流阻抗测量部件连接；控制器输出端分别和电流测量部件、交流阻抗测量部件、电路切换开关、数据处理和通讯部件连接，电流测量部件、交流阻抗测量部件分别和数据处理和通讯部件输入端连接，电源输出端分别和直流电压供电部件、控制器连接。2.根据权利要求1所述的可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，其特征在于，工作电极表面修饰有只针对分析物的氧化还原酶或氧化还原对介质，空白电极除了不带有针对分析物的氧化还原酶或氧化还原对介质修饰之外，其余属性均与空白电极相同；工作电极和空白电极在传感器上的位置相邻，两个电极之间的最短距离不超过5毫米。3.根据权利要求2所述的可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，其特征在于，工作电极和空白电极上覆盖薄膜层。4.根据权利要求1所述的可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，其特征在于，交流阻抗测量部件交流电压的频率为100kHz-1kHz，交流阻抗测量部件阻抗测量的输出包括阻抗的阻抗值和相位或者阻抗的实部和虚部。5.根据权利要求1所述的可自纠正干扰信号的电化学分析物传感系统，其特征在于，工作电极的电流测量采样频率高出交流阻抗测量采样频率10倍以上。6.一种可自纠正干扰信号的电化学分析物传感方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、分别向工作电极和空白电极施加相对于参比电极相同的电压，以激发相应的分析物电化学反应电流和干扰物反应电流，分别由相应的电流测量部件测量出，并把测得的数值发送给数据处理和通讯部件；交流阻抗部件在给工作电极或空白电极施加直流电压的同时再施加一个固定频率的交流电压，然后测量工作电极或空白电极相应的电流反应并计算其相应的交流电阻抗，然后将输出结果发送给数据处理和通讯部件；步骤二、数据处理和通讯部件利用从电流测量部件和交流阻抗测量部件获得的输出结果进行运算，从而得出分析物浓度并把结果发送给接收终端。7.根据权利要求6所述的可自纠正干扰信号的电化学分析物传感方法，其特征在于，步骤二中的运算包含1个输入数据点，9个输入信息序列和2个输出信息序列，1个输入数据点为：系统起始时间t0,9个输入信息序列为：工作电极采样电流序列I1，工作电极采样时间序列t1,空白电极采样电流序列I2，空白电极采样时间序列t2，阻抗实部序列Zre，阻抗虚部序列Zim，阻抗采样时间序列tZ，校准分析物浓度序列C0，校准分析物时间tc0，2个输出信息序列为：测量分析物浓度序列C1，测量时间tc1；当传感系统首次通电并启动后，系统记录下启动时间t0,并同时开始记录工作电极和空白电极的采样电流I1、I2和采样时间t1、t2；t2采样时间在t1前后不超过1分钟；具体包括如下步骤：步骤A、首先判断当前运行时间T＝(t1–t0)是否已经超过预设的运行期限Tmax，如果判定为是，则系统提示传感器已过期需要更换；如果判定为否，则运行步骤B；步骤B、判断运行时间是否超过了预设的初始化时间，如果是，则运行步骤C；如果...

【专利技术属性】
技术研发人员：于非，
申请(专利权)人：微泰医疗器械杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33