CN103006239A

CN103006239A - 一种超滤取样葡萄糖检测微型传感器

Info

Publication number: CN103006239A
Application number: CN2013100056375A
Authority: CN
Inventors: 刘亚欣; 黄博; 姚玉峰
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种超滤取样葡萄糖检测微型传感器，其由玻璃下层、阀膜层、玻璃上层、微通道层和MEMS检测芯片层组成，玻璃下层、玻璃上层与中间的阀膜层构成底座，底座上粘接一层PDMS材料制作的微通道层，MEMS检测芯片层与微通道层贴合；所述玻璃下层设有三个接口，分别为组织液抽吸接口、压力接口和残液排出口；所述阀膜层采用负性光刻胶材料SU-8制成的膜状结构，其上设有抽吸单向阀和残液单向阀。在压力作用下，组织液抽吸接口和残液排出口通过阀膜层的抽吸单向阀和残液单向阀实现单向开启。本发明组成合理，检测方便、灵活，适应组织液超滤提取特点、具有组织液收集和排除，并可对提取组织液直接进行葡萄糖检测。

Description

一种超滤取样葡萄糖检测微型传感器

技术领域

本发明涉及一种用于血糖检测领域的传感器，具体地说是一种可辅助实现组织液超滤提取并对其进行分析检测的超滤取样葡萄糖检测微型传感器。

背景技术

据世界卫生组织统计，糖尿病及其并发症已经成为威胁人类健康的重要杀手之一。该病临床主要表现为血糖偏高。久病可引起多系统损害和多种慢性病变。糖尿病患者的科学诊断与治疗需要频繁对血糖指标进行检测，从而有效地控制血糖水平。因此，近年来动态连续血糖检测技术研究逐渐成为国内外学者研究的热点。

目前常见的连续动态血糖检测方法是皮下植入微电极式的血糖检测方法。该方法将针型葡萄糖氧化酶电极直接植入皮下，通过测量皮下组织液的葡萄糖浓度进行血糖连续检测。该技术目前面临的挑战在于：由于传感器植入体内后产生的排斥反应，传感器植入后会存在信号不稳定现象，传感器的信号会降低，并逐渐衰弱直至失效，开发长期植入的微型酶电极血糖传感器目前还存在挑战。此外，传感器长期植入体内，温度较高, 葡萄糖氧化酶性能不易保持稳定；传感器植入皮下后，信号衰减，在血糖浓度低于50mg/dl 情况下的检测结果相关性降低。对于ICU危重病人非皮下组织的血糖监测，以及不同身体位置的血糖检测方面，植入式酶电极传感器应用还面临一定的限制。因此，许多专家学者开始通过在体提取组织液、体外葡萄糖检测方法来实现血糖浓度的连续测量，这是从另一个角度解决长时间持续血糖检测问题的有效途径，具有重要的研究价值。在这类研究中，基于超滤方法体内提取组织液、体外葡萄糖检测是实现长期连续血糖监测的新手段。

超滤方法是由Janle等于1987年提出的一种简单方便的活体取样技术。它通过施加负压做驱动力，收集经过半透膜过滤的体液进行后续分析。该方法不需要额外配置液泵，具有操作简单、可持续提取、提取液浓度再现率高，可直接进行后续分析的特点。1992年Ash等人第一次将超滤技术用于人体进行葡萄糖浓度检测，随后又基于此技术进行了组织液中其它化学成分的分析。后来，Tiessena等也利用超滤技术对6名志愿者进行了葡萄糖和乳酸的检测分析。到目前为止，已有很多研究团体将其直接应用在鼠，猫，狗、马、猪、鸡、羊、牛等动物以及人体进行组织液提取，对包括葡萄糖在内的很多种小分子成分进行分析。并且，近年来关于大分子物质的超滤提取分析，例如细胞因子，肽类激素等物质提取分析的研究也获得突破。

超滤取样技术具有超滤针可长期植入、不需要机械泵灌注液体、仅需要提供负压、操作简单，便于装置微型化优点。但目前基于超滤的血糖持续检测技术研究中，超滤提取出的组织液需先存贮在试剂瓶或一段毛细管中，然后利用专用的葡萄糖检测设备对其进行测量，组织液提取和后续测量设备是分离的。这导致血糖检测具有较大的延迟，而且每次检测所需组织液用量较大、抽吸时间延长，进而存在单次血糖检测用时较长等现象。因此，特别需要一种能够同时完成组织液超滤提取并直接对其进行葡萄糖检测的传感器装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述超滤组织液提取与后续检测操作分离的问题，提供一种组成合理，检测方便、灵活，适应组织液超滤提取特点、具有组织液收集和排除，并可对提取组织液直接进行葡萄糖检测的超滤取样葡萄糖检测微型传感器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种超滤取样葡萄糖检测微型传感器，其由玻璃下层、阀膜层、玻璃上层、微通道层和MEMS检测芯片层组成，玻璃下层、玻璃上层与中间的阀膜层构成底座，底座上粘接一层PDMS材料制作的微通道层，MEMS检测芯片层与微通道层贴合；所述玻璃下层设有三个接口，分别为组织液抽吸接口、压力接口和残液排出口，其中压力接口与外部压力源连接；组织液抽吸接口与外部超滤针连接；所述阀膜层是采用负性光刻胶材料SU-8制成的膜状结构，其上设有两个单向阀，分别是抽吸单向阀和残液单向阀；所述微通道层设有微通道和圆形检测池；所述压力接口与阀膜层上设有的压力孔、玻璃上层设有的压力孔和微通道层上设有的压力孔处于同轴位置；残液排出口与残液单向阀、玻璃上层设有的残液孔和微通道层上的残液孔处于同轴位置；组织液抽吸接口与抽吸单向阀、玻璃上层设有的抽吸孔处于同轴位置并与微通道层的微通道连接；在压力作用下，组织液抽吸接口和残液排出口通过阀膜层的抽吸单向阀和残液单向阀实现单向开启。当压力接口提供负压时，残液排出口的单向阀关闭，组织液抽吸接口单向阀打开。此时组织液由抽吸接口流入微通道汇入检测区域中，可以与传感器的电极接触，基于电化学原理实现葡萄糖浓度检测。当压力接口提供正压时，残液排出口开启，抽吸接口关闭以防止组织液倒流。此时用过的组织液会在压力下从残液排出口排出，减小对下一次检测的影响。

所述MEMS检测芯片层刻蚀有硅杯结构作为微腔，其底部制作有98个直径为10μm的小孔，在微腔底部以及芯片层上表面设有铂工作电极，在芯片层下表面设有铂对电极和参比电极；在芯片微腔内的工作电极上，采用琼脂糖包埋的方法固化有葡萄糖氧化酶。

所述阀膜层的抽吸单向阀和残液单向阀主要由中间的圆盘和周围四组对称的悬梁组成，抽吸单向阀和残液单向阀上的圆盘分别盖住组织液抽吸接口和残液排出口。

本发明采用上述组成结构，其具备组织液提取和检测功能。工作时，传感器的压力接口与压力源连接，组织液抽吸接口与超滤针连接。当提供负压时，在残液单向阀的作用下，残液排出口处于关闭状态。此时皮下组织液基于超滤原理，在负压作用下会从组织液抽吸接口流入微通道并汇集在检测区域圆形检测池中与检测芯片的电极接触，这样基于电化学原理即可以检测组织液中的葡萄糖浓度。该次检测结束后，压力接口处施加正压，此时组织液抽吸接口的抽吸单向阀关闭，残液排出口打开。这样，检测区域的组织液在压力作用下沿着微通道流向残液排出口排出，从而完成一次检测。重复上述工作过程，就可以实现组织液反复抽吸和检测，从而持续长时间的对组织液中葡萄糖浓度进行监测，实现人体血糖状态的长时间监控。对照现有技术，本发明可直接且自动化的实现组织液超滤提取并可直接对提取组织液进行在线检测，从而实现血糖的持续监测。此外，由于传感器中设计有微通道及单向阀等结构，可以通过压力的交替变化实现组织液抽吸检测与残液排出控制，进而实现灵活可控、持续的血糖监测。本发明组成合理，检测方便、灵活，适应组织液超滤提取特点、具有组织液收集和排除，并可对提取组织液直接进行葡萄糖检测。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1 是本发明的组成结构的截面示意图。

图2 本发明组成结构的分解示意图。

图3 是本发明MEMS检测芯片层截面结构的原理示意图。

图4 是本发明MEMS检测芯片层背面电极布置示意图。

图5 是本发明阀膜层的结构示意图。

图中标号是：1. MEMS检测芯片层，2. 微通道层，3.玻璃上层，4.阀膜层，5.玻璃下层。11.工作电极，12.微腔，13.参比电极，14.对电极。21.压力孔，22. 圆形检测池，23.微通道，24.残液孔。31.压力孔，32. 抽吸孔，33.残液孔。41.压力孔，42.抽吸单向阀，43.残液单向阀。51.压力接口，52.组织液抽吸接口，53.残液排出口。421.圆盘，422.悬梁。431.圆盘，432.悬梁。

具体实施方式

从图1、图2中可以看出，一种超滤取样葡萄糖检测微型传感器，它由多层结构组成，包括有玻璃下层5、阀膜层4、玻璃上层3、微通道层2和MEMS检测芯片层1。首先由玻璃下层5、玻璃上层3与中间阀膜层4构成底座。底座上粘接一层PDMS材料制作的微通道层2。由于PDMS材料自身的特性，它会很容易与玻璃表面以及硅片表面键合在一起。最后MEMS检测芯片层1与再与其贴合构成整个传感器。

所述玻璃下层设有三个接口，分别为组织液抽吸接口52、压力接口51和残液排出口53，其中压力接口51与外部压力源连接；组织液抽吸接口52与外部超滤针连接。所述微通道层2设有连接各个接口之间的微通道23和圆形检测池22。

本发明所述阀膜层4是采用负性光刻胶材料SU-8制成的膜状结构，阀膜层4组装在玻璃下层5和玻璃上层3之间，起到控制组织液抽吸接口52和残液排出口53开关的作用。如图5所示，在SU-8制成的阀膜层4上有两个单向阀，分别是抽吸单向阀42和残液单向阀43。它们主要由中间的圆盘421、431和周围四组对称的悬梁422、432组成。在悬梁422、432结构作用下，圆盘421、431被连接到SU-8阀膜层4上，而且圆盘421、431的运动被限制为仅在阀膜层4垂直的方向上。圆盘421、431偏离阀膜层4表面的位置越远，受到周围悬梁422、432的拉力越大。

本发明所述的MEMS检测芯片层1是采用体硅加工工艺制作的葡萄糖检测芯片层。图3是MEMS检测芯片层结构原理示意图。如图1、图3所示，在MEMS检测芯片层1的正面刻蚀有硅杯结构形成微腔12，其底部制作有98个直径为10μm的小孔。在微腔12底部以及芯片层正面溅射有铂工作电极11。葡萄糖氧化酶采用琼脂糖包埋的方法固化在芯片微腔12内的工作电极11上，被微腔结构保护起来。这在一定程度上避免酶流失以及减少电极干扰，有助于提高传感器寿命，可反复多次对葡萄糖浓度进行测量。如图4所示，在检测芯片层背面溅射有铂对电极14和参比电极13。当抽取的组织液到达圆形检测池22与传感器检测芯片背面接触时，组织液中的葡萄糖分子会经微腔12底部硅膜上面的微孔扩散与腔体中固化的葡萄糖氧化酶发生电化学反应，生成葡萄糖酸内酯和过氧化氢。葡萄糖氧化生成的过氧化氢进一步扩散到阳极电极表面，并在一定的电压作用下发生氧化反应。酶发生反应时氧化电流与H₂O₂浓度呈线性关系，而H₂O₂浓度又与葡萄糖浓度对应，反应时氧化电流与葡萄糖浓度对应，所以通过测量电流值即可检测葡萄糖的浓度。

如图1、图2所示，所述压力接口51与阀膜层上设有的压力孔41、玻璃上层设有的压力孔31和微通道层上设有的压力孔21处于同轴位置；残液排出口53与残液单向阀43的圆盘431、玻璃上层设有的残液孔33和微通道层上的残液孔24处于同轴位置；组织液抽吸接口52与抽吸单向阀42的圆盘421、玻璃上层抽吸孔32处于同轴位置，并且残液排出口53与组织液抽吸接口52都最终经由微通道23连接，与压力接口51联通。由于所述玻璃上层和玻璃下层在组织液抽吸接口和残液排出口处开孔直径的不同以及限制，组织液抽吸接口52处的圆盘421会在传感器内部处于负压时抬起、正压时压紧组织液抽吸接口，实现负压单向开启功能。同理，残液排出口53处的圆盘431会在传感器内部处于正压时抬起、负压时压紧玻璃上层设有的残液口33，实现正压单向开启功能。以组织液抽吸接口52处为例，玻璃上层抽吸孔32为阶梯孔，与阀膜层4接触的那一侧孔径大于玻璃下层5上组织液抽吸接口52孔径。而且，抽吸单向阀42的圆盘421的直径大于组织液抽吸接口52的孔径，且圆盘421在周围悬梁422作用下与阀膜层4处于同一平面，正好盖住组织液抽吸接口52。

在压力作用下，组织液抽吸接口52和残液排出口53通过阀膜层4的抽吸单向阀42和残液单向阀43实现单向开启。具体是，当压力接口提供负压时，由于传感器内部压力小于外界大气压力，组织液在压力差的作用下会向传感器内流动，此时盖住组织液抽吸接口52处的圆盘421会向上运动，直到圆盘421两面的压力差与悬梁422作用的拉力相平衡，这样圆盘421和玻璃下层组织液抽吸接口52之间会有一定缝隙，此时，组织液抽吸接接口52处于开启状态。而与此同时，在残液排出口53处，如图2所示，玻璃上层残液孔33孔径小于圆盘431直径，由于外界大气压大于传感器模块内部压力，圆盘在压力作用下盖住玻璃上层残液孔33，此时，残液排出口53处于关闭状态。此时组织液由抽吸接口52流入微通道汇入圆形检测池22中，可以与传感器的电极接触，基于电化学原理实现葡萄糖浓度检测。相反地，如果压力供给模块提供正压，此时组织液抽吸接口52会被圆盘421压紧，组织液抽吸接口52关闭；残液排出口53处的圆盘431会向下开启一定缝隙，残液排出口53开启。抽吸接口52关闭以防止组织液倒流。此时用过的组织液会在压力下从残液排出口53排出，减小对下一次检测的影响。

工作时，当压力接口51处施加负压时，组织液抽吸接口52会在负压作用下开启，残液排出口53关闭。这样，组织液会在负压作用下，基于超滤原理从组织液抽吸口52流入微通道汇入圆形检测池22。当组织液流进圆形检测池22时，可以与传感器检测芯片层1的对电极14，参比电极13及工作电极11接触，基于电化学原理实现组织液葡萄糖浓度检测。当本次检测结束后，压力接口51施加正压时，残液排出口53在正压作用下开启，组织液抽吸口52关闭以防止组织液倒流.此时，传感器中使用过的组织液将从残液排出口53排出，减小对下一次检测的影响，从而完成一次抽吸检测操作。

Claims

1.一种超滤取样葡萄糖检测微型传感器，其由玻璃下层、阀膜层、玻璃上层、微通道层和MEMS检测芯片层组成，玻璃下层、玻璃上层与中间的阀膜层构成底座，底座上粘接一层PDMS材料制作的微通道层，MEMS检测芯片层与微通道层贴合；所述玻璃下层设有三个接口，分别为组织液抽吸接口、压力接口和残液排出口，其中压力接口与外部压力源连接；组织液抽吸接口与外部超滤针连接；所述阀膜层是采用负性光刻胶材料SU-8制成的膜状结构，其上设有两个单向阀，分别是抽吸单向阀和残液单向阀；所述微通道层设有微通道和圆形检测池；所述压力接口与阀膜层上设有的压力孔、玻璃上层设有的压力孔和微通道层上设有的压力孔处于同轴位置；残液排出口与残液单向阀、玻璃上层设有的残液孔和微通道层上的残液孔处于同轴位置；组织液抽吸接口与抽吸单向阀、玻璃上层抽吸孔处于同轴位置并与微通道层的微通道连接；在压力作用下，组织液抽吸接口和残液排出口通过阀膜层的抽吸单向阀和残液单向阀实现单向开启。

2.根据权利要求1所述的超滤取样葡萄糖检测微型传感器，其特征是：所述MEMS检测芯片层刻蚀有硅杯结构作为微腔，其底部制作有98个直径为10μm的小孔，在微腔底部以及芯片层上表面设有铂工作电极，在芯片层下表面设有铂对电极和参比电极；在芯片微腔内的工作电极上，采用琼脂糖包埋的方法固化有葡萄糖氧化酶。

3.根据权利要求1所述的超滤取样葡萄糖检测微型传感器，其特征是：所述阀膜层的抽吸单向阀和残液单向阀主要由中间的圆盘和周围四组对称的悬梁组成，抽吸单向阀和残液单向阀上的圆盘分别盖住组织液抽吸接口和残液排出口。