皮质醇免疫功能化电极、其制备方法及空调系统

技术领域

本发明涉及空调技术领域，具体而言，涉及皮质醇免疫功能化电极、其制备方法及空调系统。

背景技术

目前，空调已经成为一种家庭必备的调节室内环境温湿度的智能设备，在人们的日常生活中发挥着重要作用。目前已有大量针对室内温湿度的监测方法，实现了智能化的室内温湿度调节，提高了用户的生活质量。

但是，目前还没有针对用户心理压力、身体疲劳度的检测，空调健康监测的覆盖范围还有待提高。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种皮质醇免疫功能化电极及其制备方法，旨在特异性地识别皮质醇分子，产生电流信号，便于检测皮质醇的浓度。

本发明的另一目的在于提供一种空调系统，其能够检测人唾液中皮质醇的浓度，当浓度超标时调节空调模式，便于人体达到放松愉悦的状态。

本发明是这样实现的：

本发明提出一种皮质醇免疫功能化电极，包括工作电极，工作电极表面依次沉积有第一金层、二硫化钼层、第二金层和抗体组装层，抗体组装层上结合有皮质醇单克隆抗体；

其中，抗体组装层是由同时含有巯基和羧基的聚合物在第二金层上沉积而得。

本发明还提出一种皮质醇免疫功能化电极的制备方法，包括：

利用金硫键的结合方式，在工作电极的表面依次沉积第一金层、二硫化钼层、第二金层和抗体组装层；

利用抗体组装层上的羧基与皮质醇单克隆抗体中的氨基进行脱水缩合反应，将皮质醇单克隆抗体结合在抗体组装层上。

本发明还提出一种空调系统，包括空调器和检测器，检测器包括上述皮质醇免疫功能化电极，检测器用于与皮质醇分子发生特异结合，检测电流变化以得到电流信号；空调器的控制器用于接受信号，并根据接收到的信号判断皮质醇溶度是否超标，在超标时调节空调运行模式。

本发明具有以下有益效果：本发明提供的皮质醇免疫功能化电极能够在工作电极接触到皮质醇分子时，比如人体唾液中的皮质醇分子，皮质醇单克隆抗体对皮质醇配体分子的捕获会导致抗原-抗体相互作用，这些相互作用会对电极上的电催化特性产生影响，使其电学特性产生变化，从而检测到电流变化，便于检测皮质醇的浓度，然后利用皮质醇的浓度变化反映人心里或生理压力。

本发明还提供的一种空调系统，其利用上述皮质醇免疫功能化电极产生的电流信号进行处理，并反馈至控制器，通过控制器判断皮质醇的浓度是否超标，当皮质醇的浓度超标时调控空调的工作模式，使人体达到放松愉悦的状态，减少慢性疾病的发生，实现了即时、准确、便捷的健康监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为皮质醇免疫功能化电极的结构示意图；

图2为电极层层自组装换能器的原理图；

图3为皮质醇抗体功能化电极的制备原理图；

图4为本发明空调系统的整体示意图；

图5为本发明整体工作流程图；

图6为实施例1制备的皮质醇免疫功能化电极检测不同浓度皮质醇的结果及皮质醇检测结果的拟合曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

皮质醇是一种类固醇激素，是心理或生理压力的重要生物标志物，若能够实时监测皮质醇的浓度可以间接地反应人体的压力状态。

为此，本发明实施例提供一种皮质醇免疫功能化电极的制备方法，其通过在工作电极中引入皮质醇单克隆抗体，用于特异性识别皮质醇分子，如人体唾液中的皮质醇分子，进而反应人体压力状态，实现实时智能化的健康监测及预防。

具体地，如图1所示，电极为一般的丝网印刷电极，其包括工作电极(碳)、参比电极(银/氯化银)和对电极(碳)，本发明实施例的改进主要是针对工作电极。

本发明实施例提供的一种皮质醇免疫功能化电极的制备方法包括如下步骤：

S1、电极预处理

需要说明的是，电极的预处理是可选步骤，可以根据电极的状态选择是否进行预处理，若电极本身表面清洁且电流响应稳定性很好，则可以不进行预处理。

电极预处理包括对电极进行表面清洗和电极活化，通过表面清洗去除电极表面的有机残留物，通过电极活化使电极的电流响应基本保持稳定。

在一些实施例中，表面清洗是采用乙醇和水的混合溶液进行冲洗，并震荡1-5min。具体地，混合溶液中乙醇和水的比例可以大致采用1:1的比例，也可以采用其他比例，在此不做限定。振荡可以是在振荡混均器上进行，以更好地将有机残留物从电极表面清除。

在一些实施例中，电极活化是采用碱溶液，采用循环伏安法进行活化，设置循环电压为-1～1V，循环扫描8-15圈。循环圈数可以为8圈、10圈、13圈、15圈等；碱溶液可以为氢氧化钠溶液、碳酸氢钠溶液等，碱溶液的浓度可以大致为0.05-0.2M，如0.1M。

S2、电极层层自组装为换能器

请参照图2，利用金硫键的结合方式，在工作电极的表面依次沉积第一金层、二硫化钼层和第二金层，经过层层自组装后三明治结构的丝网印刷电极成功被构建出来并用作换能器。

需要说明的是，二硫化钼层具有非常大的比表面积，但是导电性不佳，利用第一金层和第二金层很好的导电性才构建出换能器，检测的准确度较高。采用金属纳米材料和二硫化钼复合可以获得更大的电活性表面积与体积比，加速电子从电极到改性生物材料的转移并降低背景电流，同时结合了一维金纳米颗粒和二维平面材料二硫化钼两种材料优点，为皮质醇的高灵敏度检测提供了良好的条件。

进一步地，第一金层是通过循环伏安法在工作电极上将氯金酸(HAuCl

具体地，第一金层的形成过程中循环电压为0-2V，采用循环伏安法发生氧化还原反应；氯金酸采用质量分数为0.5-2％的氯金酸溶液，氯金酸溶液的浓度可以为0.5％、1％、1.5％、2％等，也可以为以上相邻两个浓度值之间的任意值。

进一步地，二硫化钼层是由二硫化钼分散液滴加至第一金层上并干燥而得，形成稳定的金-硫(Au-S)共价键，从而形成有效的二硫化钼自组装单层(SAM)。

具体地，二硫化钼分散液的浓度为0.5-2mg/mL，如0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL、2mg/mL，也可以为以上相邻两个浓度值之间的任意值。干燥是在空气中干燥0.5-2h，如0.5h、1h、1.5、2h等，也可以为以上相邻两个时间值之间的任意值。

进一步地，第二金层是由金纳米颗粒滴加在二硫化钼层上形成，利用粒径大致为80-120nm(如100nm)的金纳米颗粒滴加至工作电极上，同样形成稳定的金-硫(Au-S)共价键。

需要说明的是，金纳米颗粒可以为市购原料，也可以为通过氯金酸制备而得，在此不做限定。

S3、皮质醇抗体的引入

请参照图3，为了引入皮质醇抗体，发明人利用同时含有巯基和羧基的聚合物在工作电极上沉积制备抗体组装层，和工作电极上的第二金层通过金-硫(Au-S)共价键结合在一起；然后利用抗体组装层上的羧基与皮质醇单克隆抗体中的氨基进行脱水缩合反应，将皮质醇单克隆抗体结合在抗体组装层上。

抗体组装层的制备过程包括：将聚合物溶液在沉积有第一金层、二硫化钼层和第二金层的工作电极上孵育10-15h(如10h、11h、12h、13h、14h、15h等)，以使聚合物充分地沉积。

在一些实施例中，聚合物的一端为巯基，另一端为羧基，如SH-PEG-COOH型聚乙二醇。聚合物溶液的浓度为1-3mg/mL，如1mg/mL、1.5mg/mL、2.0mg/mL、2.5mg/mL、3.0mg/mL等，也可以为以上相邻两个浓度值之间的任意值。

在一些实施例中，聚合物溶液的溶剂为乙醇和水，且乙醇和水的体积比为3:5-9，如3:5、3:6、3:7、3:8、3:9等。

可选地，在孵育完成之后，进行水洗，以去除未结合的聚合物分子。

进一步地，在EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和NHS(N-羟基丁二酰亚胺)的体系下，将皮质醇单克隆抗体结合在抗体组装层上，EDC和NHS体系可以促进酰胺化反应的进行，具体的浓度不限可以参照现有技术。

可选地，皮质醇单克隆抗体的结合过程是在PBS缓冲溶液中进行反应，利用PBS缓冲液调节溶液的pH值大致为7。

在一些实施例中，皮质醇单克隆抗体(CORT-Ab)的原料浓度为5-15μg/mL，将浓度控制在上述范围内，以更充分地使聚乙二醇上的羧基发生反应，避免非特异性结合的发生。具体地，皮质醇单克隆抗体的原料浓度可以为5μg/mL、8μg/mL、10μg/mL、12μg/mL、15μg/mL等。

进一步地，在将皮质醇单克隆抗体结合在抗体组装层上后，将工作电极在胺基类化合物如乙醇胺溶液中孵育，以阻断非特异性结合。

在一些实施例中，在乙醇胺溶液中孵育是在浓度为5-15μg/mL(如5μg/mL、10μg/mL、15μg/mL)的乙醇胺溶液中孵育20-40min，如30min。乙醇胺溶液的溶剂可以为10mM的PBS溶液，以更好地调控pH。

可选地，在孵育完成后进行水洗，以去除未反应的乙醇胺。

通过以上制备方法的介绍，可以制备得到EA/CORT-Ab/SH-PEG-COOH/AuNPs/MoS

本发明实施例还提供一种皮质醇免疫功能化电极，其包括工作电极，工作电极表面依次沉积有第一金层、二硫化钼层、第二金层和抗体组装层，抗体组装层上结合有皮质醇单克隆抗体；其中，抗体组装层是由同时含有巯基和羧基的聚合物在第二金层上沉积而得。

需要说明的是，皮质醇免疫功能化电极可以通过以上制备方法制备而得，能够在工作电极接触到皮质醇分子时，比如人体唾液中的皮质醇分子，皮质醇单克隆抗体对皮质醇配体分子的捕获会导致抗原-抗体相互作用，这些相互作用会对电极上的电催化特性产生影响，使其电学特性产生变化，从而检测到电流变化，便于检测皮质醇的浓度，然后利用皮质醇的浓度变化反映人心里或生理压力。

在一些实施例中，抗体组装层上还结合有封端基团，封端基团是由抗体组装层上的羧基与胺基类化合物进行酰胺化反应形成；可选地，胺基类化合物为乙醇胺。利用封端基团防止未反应的羧基发生非特异性结合，影响测试的准确性。

请参照图4和图5，本发明实施例还提供一种空调系统，包括空调器和检测器，检测器包括上述皮质醇免疫功能化电极，检测器用于与皮质醇分子发生特异结合，检测电流变化以得到电流信号；空调器的控制器用于接受信号，并根据接收到的信号判断皮质醇溶度是否超标，在超标时调节空调运行模式。

需要说明的是，皮质醇免疫功能化电极可以作为皮质醇免疫传感器，是一种高灵敏度、可抛式的低成本传感器，将其作为人体压力信号的快速采集模块，通过信号处理电路、蓝牙模块进行信号传输，使用家庭常备的空调作为信号接收处理终端，无需专门的大型设备或软件，判断人体压力状态，实现实时智能化的健康监测及预防。

具体地，皮质醇免疫传感器检测到电流变化后，信号处理模块将采集的电流信号转换成电压信号，再通过信号传输模块传送到空调控制器。当控制器接收到信号，通过软件对比解析，判断人体唾液中皮质醇的浓度是否超标。若浓度处于人体正常范围，则空调按正常设定执行；当浓度出现异常时，代表人体生理或心理压力过大，可以通过控制器调控空调工作模式。

具体地，当皮质醇溶度超标时，可以通过控制器使空调自动运行舒风模式，导风门自动转为水平方向，吹出柔和舒适的静音风，伴随着清新的芳香，减轻人体的烦躁，并通过语音提示放松一下，进行反馈调节，使人保持愉悦的状态，减少慢性疾病的发生，实现了即时、准确、便捷的健康监测。

需要补充的是，信号处理模块、信号传输模块的具体工作原理为现有技术，在此不做详细赘述。控制器根据收集到的电压信号通过软件对比解析得出具体浓度的过程也可以根据现有技术进行设定，在此不做具体说明。判断皮质醇浓度是否超标的临界值不做具体限定，需要根据实际情况进行设置。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明实施例提供一种皮质醇免疫功能化电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)电极预处理

用乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1:1)冲洗电极，并在振荡混匀器上震荡2分钟。通过循环伏安法(CV)在配制好的NaOH(0.1M)溶液中活化电极，电压范围设置为在-1-1V，循环扫描10圈，使电极的电流响应基本保持稳定。

(2)电极层层自组装为换能器

通过循环伏安法(0～-2V)在清洗干净的丝网印刷电极上将1％的氯金酸(HAuCl

将10μL二硫化钼分散液(1mg/ml)均匀滴加到工作电极表面上在并空气中干燥1小时以形成稳定的金-硫(Au-S)共价键，以形成二硫化钼层。

将10μL金纳米颗粒滴加到工作电极上，室温下干燥以形成第二金层。

(3)皮质醇抗体的引入

皮质醇抗体的自组装层构建：以乙醇和水按体积比3：7混合作为溶剂，配置1.5mg/ml的聚乙二醇溶液(SH-PEG-COOH)，将10μL聚乙二醇溶液在步骤(2)处理后得到三明治结构的工作电极上孵育约12小时，再用去离子水(DI)洗去未结合的SH-PEG-COOH分子。

抗体结合：在EDC、NHS的化学作用下，将PBS中的皮质醇单克隆抗体(CORT-Ab，10μg/mL)固定到电极表面上的PEG自组装单层上，聚乙二醇的羧基与抗体的氨基发生脱水缩合反应。

阻断非特异性结合：加入10μL乙醇胺(EA，溶剂为10mM的PBS溶液)，孵育30分钟并用去离子水冲洗。

需要说明的是，实施例1仅为一个代表性的具体实施例，在制备过程中各原料的浓度可以按照本发明实施例所提供的范围值进行配置，在此不做一一列举。

试验例1

测试实施例1和对比例1-2中得到皮质醇免疫功能化电极用于皮质醇浓度检测的准确性，测试结果如图6所示，图中(a)为皮质醇免疫功能化电极检测不同浓度皮质醇的结果图，(b)为皮质醇检测结果的拟合曲线。

皮质醇检测由抗原抗体特异性结合的免疫原理可知，皮质醇抗体可特异性识别皮质醇分子。具体实现过程如下：(1)乙醇溶液作为助溶剂，将皮质醇溶解到20mM。(2)磷酸盐缓冲液(PBS)作为溶剂，将皮质醇原液稀释到不同浓度(0.5nM、1nM、2nM、4nM、10nM、20nM、40nM、100nM、200nM)作为目标配体分子。(3)分别取50ul皮质醇溶液和100ul PBS溶液混合滴加到功能化丝网印刷电极上；(4)然后利用皮质醇免疫传感装置对其进行检测，检测电压为-1～5V。

建立标准曲线如图6，随着皮质醇浓度从0.5nM增加到200nM，氧化峰峰值电流不断减小，表明皮质醇免疫传感器捕获到越来越多的皮质醇分子。从图6可以看出，标准化电流与皮质醇浓度的对数浓度呈线性关系，线性相关系数R

综上所述，本发明提供的皮质醇免疫功能化电极及其制备方法，利用层层自组装的方法构建了一种新型的高灵敏度、特异性、可抛式的低成本皮质醇免疫传感器，易于使用推广。该皮质醇免疫功能化电极能够在工作电极接触到皮质醇分子时，比如人体唾液中的皮质醇分子，皮质醇单克隆抗体对皮质醇配体分子的捕获会导致抗原-抗体相互作用，这些相互作用会对电极上的电催化特性产生影响，使其电学特性产生变化，从而检测到电流变化，便于检测皮质醇的浓度，然后利用皮质醇的浓度变化反映人心里或生理压力。

此外，皮质醇免疫传感器促进了免疫传感器的小型化、便携性，解决了传统皮质醇检测设备体积大、无法实现即时检测、成本高、样品需求量大等难点，在心理压力、慢性疾病即时检测等众多领域具有良好的发展前景。

本发明还提供的一种空调系统，其利用上述皮质醇免疫功能化电极产生的电流信号进行处理，并反馈至控制器，通过控制器判断皮质醇的浓度是否超标，当皮质醇的浓度超标时调控空调的工作模式，使人体达到放松愉悦的状态，减少慢性疾病的发生，实现了即时、准确、便捷的健康监测。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。