CN103389333B - 一种基于复合纳米材料修饰电极的血糖快速检测装置 - Google Patents

一种基于复合纳米材料修饰电极的血糖快速检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于复合纳米材料修饰电极的新型血糖快速检测装置，它是由主控芯片，恒电位模块，电极接口，模数转换，液晶显示屏，键盘所组成，其中主控芯片控制横电位模块通过电极接口对新型纳米材料修饰的电极施加信号，然后通过模数转换模块提取反馈信号，通过数字处理运算得出结果并显示在液晶屏上。新型纳米材料修饰的电极主要是RGO-Au-PTBO/-GOx葡萄糖生物传感器或RGO-TiO2-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器或RGO-Au-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器，本发明是基于新型纳米材料修饰电极的血糖便携式快速检测仪器，能耗低，性能稳定可靠。

Description

一种基于复合纳米材料修饰电极的血糖快速检测装置
技术领域
本发明涉及一种快速测量血糖含量的设备装置，是在个人血糖监测以及医疗诊断中使用的测量工具，属于医用器械技术领域。
背景技术
目前，人体血糖含量快速检测通常通过测量血液中的葡萄糖与试纸中的葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶反应产生的电流量测量血糖。目前主流机型大多为葡萄糖氧化酶测量法为主。
基于葡萄糖氧化酶的血糖仪由于测量时容易受到氧气的干扰，所以经常出现检测误差；另一种基于者葡萄糖脱氢酶的血糖仪，由于测量时容易受到麦芽糖和半乳糖等的干扰，而使得所测血糖浓度虚高。报出虚高的血糖浓度值，如果患者根据这个假阳性高值接受治疗，可能会造成异常的低血糖(低血糖症)、昏迷、甚至死亡。因此，具有更加精确测量能力的本发明具有重要的科研价值和现实需求。
发明内容
本发明提供一种快速测量血糖含量的设备装置，使用主控芯片的数模转换器和恒电位模块为电极提供准确电信号，并从电极上提取反馈信号，主控芯片通过控制恒电位模块输出规定信号，根据相应算法快速数据处理，计算数值，并输出液晶屏。同时，采用新颖复合纳米材料修饰电极制作有酶葡萄糖传感器可克服普通试纸的缺陷。纳米材料修饰的电极主要是RGO-Au-PTBO/-GOx葡萄糖生物传感器或RGO-TiO2-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器或RGO-Au-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器。
本发明所采用的技术方案为：一种基于复合纳米材料修饰电极的血糖快速检测装置，由主控芯片，恒电位模块电路，电极接口电路，模数转换模块电路，液晶显示电路和键盘组成，其特征在于，主控芯片通过自身并口控制其他五个器件，主控芯片通过控制恒电位模块电路输出规定信号，施加在滴有血样的电极上，同时主控芯片通过片内自带的模数转换芯片输出规定信号，通过恒电位模块电路输出到电极上，恒电位模块电路在设计上保证信号功率稳定的输出到电极上，为电极表面的反应提供保障，模数转换模块将电极输出的微弱电流安固定倍数放大并转换成数字信号采集到主控芯片中，模数转换模块的性能保证放大不失真并保证转换速度，主控芯片通过数字信号处理，根据算法以及通过与已建好模型的比对修正计算结果并将分析出的结果到液晶显示模块上。
其中电极接口电路为并列排列的三个接线柱，以方便使用玻碳电极、ITO电极或通过扩展使用印刷电极。
恒电位模块由ADOP777和AD8663两个运算放大器组成，将主控芯片输出的信号施加到电极上，并保持稳定功率。
一种应用到上述的基于复合纳米材料修饰电极的快速检测血糖装置上的葡萄糖传感器的制作方法，通过电聚合的方法一步完成聚甲苯胺蓝(PTBO)膜修饰或葡萄糖氧化酶(GOx)的固定，同时结合化学修饰石墨烯(RGO)或纳米TiO2或纳米Au/纳米Pt构建无酶葡萄糖传感器和有酶葡萄糖传感器。
所述有酶葡萄糖传感器包括RGO-Au-PTBO/-GOx葡萄糖生物传感器或RGO-TiO2-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器或RGO-Au-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器。
RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖传感器的制作方法为：将预先准备好的电极进行电沉积AuNPs和电聚合PTBO膜/GOx，其中电沉积AuNPs是在含有0.2mMHAuCl4和100mMKCl的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.3V到+1.2V，扫描速度为50mV/s；电聚合PTBO膜是在含单体2mM单体TBO和10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V，扫描速度为50mV/s；当沉积完AuNPs后用去离子水清洗电极后再到TBO溶液中进行电聚合实验，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2ul全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖传感器。
RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器的制作方法为：将经过硅胶干燥器干燥的电极修饰TiO2-Pt纳米晶须膜，配制1mg/mL的TiO2-Pt纳米晶须水溶液，并在使用前超声20分钟使其成为均一的悬浮液，然后滴8ul在电极表面并让其在自然干燥，然后将其置于254波长的紫外光照射形成电子空穴对；电聚合GOx膜是在10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2ul全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器。
RGO-Au-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器的制作方法为：将经过硅胶干燥器干燥的电极修饰Pt，具体条件是：在2mmol的H2PtCl6溶液中进行，电位窗口为-1V到+1V,扫描速度为50mV/s，用去离子水清洗电极，电聚合GOx膜是在10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2ul全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-Au-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器。
采用本发明的快速测量血糖含量的设备装置，可以给电极提供稳定的触发信号，并能精确的提取工作电极的反馈电流，通过处理反馈信号计算得出血糖值，性能可靠，相关检测范围0.01mM/L--50mM/L。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
图1是本发明专利相关装置血糖仪的电路原理图。
图2是血糖仪中恒电位模块电路图。
图3是电极按照0.5mM梯度滴加葡萄糖标准样品的安培电流响应实施图，极化电位-0.25V，其中包括的左下插图为电流与浓度校准曲线。
图中1.德州仪器MP430主控芯片，2.恒电位模块电路，3.电极接口电路，4.模数转换模块电路，5.液晶显示电路，6.键盘，7.OP777运算放大器，8.AD8663运算放大器。
具体实施方式
如图1中所示为本发明专利相关装置血糖仪的电路原理图，其中本发明电路系统主要由主控芯片1，恒电位模块电路2，电极接口电路3，模数转换模块电路4，液晶显示电路5和键盘6组成，其中主控芯片1通过自身并口控制其他器件实现系统功能，主控芯片1通过控制恒电位模块电路2输出规定信号，施加在滴有血样的电极上，其中主控芯片1通过片内自带的模数转换芯片输出规定信号，通过恒电位模块电路2输出到电极上，恒电位模块电路2在设计上保证信号功率稳定的输出到电极上，为电极表面的反应提供保障，模数转换模块4将电极输出的微弱电流安固定倍数放大并转换成数字信号采集到主控芯片1中，模数转换模块4的性能保证放大不失真并保证转换速度，主控芯片1通过数字信号处理，根据相关算法，以及通过与已建好模型的比对修正计算结果并将分析出的结果到液晶显示模块5上。其中电极接口电路3为并列排列的三个接线柱，方便使用玻碳电极或者ITO电极，以及通过扩展使用印刷电极。
图2中的OP777运算放大器7和AD8663运算放大器8共同组成恒电位模块2，运算放大器7其中将主控芯片1输出的信号稳定的输出到参比电极，运算放大器8与对电极相连。运算放大器7与运算放大器8以此种方式组成恒电位模块2，其中运算放大器7保障参比电极和工作电极间信号的精确度，运算放大器8保障工作电极表面电流的发生。
特别地，本发明通过在玻碳电极、ITO电极、印刷碳电极或其他碳纸或碳布等电极上电聚合的方法一步完成聚甲苯胺蓝(PTBO)膜修饰/或葡萄糖氧化酶(GOx)的固定，同时结合化学修饰石墨烯(RGO)、或纳米TiO2、或纳米Au/纳米Pt构建了无酶葡萄糖传感器和有酶葡萄糖传感器(包括RGO-Au-PTBO/-GOx、或RGO-TiO2-Pt//-GOx、或RGO-Au-Pt/-GOx、等葡萄糖生物传感器)。
利用稀醋酸溶解壳聚糖，再用氢氧化钠调节pH值到5.3左右，壳聚糖的浓度为1mg/ml，将石墨烯(RGO)转移到壳聚糖溶液，充分搅拌超声1h左右得到石墨烯浓度为1mg/ml的均匀分散的石墨烯-壳聚糖分散体系。将上述制得的溶液与胶体金混合，搅拌6h使得二者充分自组装，离心分离收集石墨烯和纳米金颗粒的自组装复合物(RGO-Au)，在将其分散于壳聚糖(Chit)溶液得到分散到壳聚糖溶液中的石墨烯-金复合材料(RGO-Au/Chit)。将玻碳电极使用之前用0.3和0.5um的氧化铝粉依次打磨到表面呈镜面光华，接着用酒精和去离子水超声清洗5分钟，用氮气吹干l立刻使用5uLRGO-Au/Chit滴加到电极表面，在硅胶干燥器经过2小时水分蒸发后为后续修饰电极准备。
RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖传感器制作，将上述准备好的电极进行电沉积AuNPs和电聚合PTBO膜/GOx。电沉积AuNPs是在含有0.2mMHAuCl4和100mMKCl的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.3V到+1.2V，扫描速度为50mV/s；电聚合PTBO膜是在含单体2mM单体TBO和10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s。当沉积完AuNPs后用去离子水清洗电极后再到TBO溶液中进行电聚合实验，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2ul全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖传感器。
RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器制作，将经过硅胶干燥器干燥的电极修饰TiO2-Pt纳米晶须膜，配制1mg/mL的TiO2-Pt纳米晶须水溶液，并在使用前超声20分钟使其成为均一的悬浮液，然后滴8ul在电极表面并让其在自然干燥，然后将其置于254波长的紫外光照射形成电子空穴对。电聚合GOx膜是在10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2ul全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器。
RGO-Au-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器制作，将经过硅胶干燥器干燥的电极修饰Pt，具体条件是：在2mmol的H2PtCl6溶液中进行，电位窗口为-1V到+1V,扫描速度为50mV/s，用去离子水清洗电极，电聚合GOx膜是在10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2ul全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-Au-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器。
上述三种电极均可用ITO代替玻碳电极，其中ITO电极的清洗步骤是先后用丙酮、酒精、去离子水在超声中清洗10分钟。
图3是使用时间电流法检测血糖的过程，图中显示本装置在0.1mMol/L--12mMol/L有很好的线性稳定度和极好的精度。
通过控制恒电位模块输出规定信号，并将其施加在滴有微量血样或唾液等样本的电极上，模数转换模块将电极输出的电流转换成数字信号采集到主控芯片中，主控芯片通过数字信号处理，将分析出的结果到液晶显示模块上。

Claims (4)

1.一种应用到基于复合纳米材料修饰电极的快速检测血糖装置上的葡萄糖传感器的制作方法，所述基于复合纳米材料修饰电极的快速检测血糖装置由主控芯片，恒电位模块电路，电极接口电路，模数转换模块电路，液晶显示电路和键盘组成，主控芯片通过自身并口控制其他五个器件，主控芯片通过控制恒电位模块电路输出规定信号，施加在滴有血样的电极上，同时主控芯片通过片内自带的模数转换芯片输出规定信号，通过恒电位模块电路输出到电极上，恒电位模块电路在设计上保证信号功率稳定的输出到电极上，为电极表面的反应提供保障，模数转换模块将电极输出的微弱电流按固定倍数放大并转换成数字信号采集到主控芯片中，模数转换模块的性能保证放大不失真并保证转换速度，主控芯片通过数字信号处理，根据算法以及通过与已建好模型的比对修正计算结果并将分析出的结果显示到液晶显示模块上；由ADOP777和AD8663两个运算放大器组成恒电位模块集成，将主控芯片输出的信号施加到电极上，并保持稳定功率；所述运算放大器ADOP777其中将主控芯片输出的信号稳定的输出到参比电极，所述运算放大器AD8663与对电极相连，其中所述运算放大器ADOP777保障参比电极和工作电极间信号的精确度，所述运算放大器AD8663保障工作电极表面电流的发生，其特征是：
上述制作方法通过电聚合的方法一步完成聚甲苯胺蓝(PTBO)膜修饰或葡萄糖氧化酶(GOx)的固定，同时结合化学修饰石墨烯(RGO)或纳米TiO2或纳米Au/纳米Pt构建无酶葡萄糖传感器和有酶葡萄糖传感器；所述有酶葡萄糖传感器包括RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖生物传感器或RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖生物传感器或RGO-Au-Pt/-GOx葡萄糖生物传感器；RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖传感器的制作方法为：将预先准备好的电极进行电沉积AuNPs和电聚合PTBO膜/GOx，其中电沉积AuNPs是在含有0.2mMHAuCl4和100mMKCl的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.3V到+1.2V，扫描速度为50mV/s；电聚合PTBO膜是在含单体2mM单体TBO和10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V，扫描速度为50mV/s；当沉积完AuNPs后用去离子水清洗电极后再到TBO溶液中进行电聚合实验，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2μL全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-Au-PTBO/-GOx有酶葡萄糖传感器；
其中，利用稀醋酸溶解壳聚糖，再用氢氧化钠调节pH值到5.3左右，壳聚糖的浓度为1mg/ml，将石墨烯(RGO)转移到壳聚糖溶液，充分搅拌超声1h左右得到石墨烯浓度为1mg/ml的均匀分散的石墨烯-壳聚糖分散体系；将上述制得的溶液与胶体金混合，搅拌6h使得二者充分自组装，离心分离收集石墨烯和纳米金颗粒的自组装复合物(RGO-Au)，在将其分散于壳聚糖(Chit)溶液得到分散到壳聚糖溶液中的石墨烯-金复合材料(RGO-Au/Chit)；将玻碳电极使用之前用0.3和0.5μm的氧化铝粉依次打磨到表面呈镜面光华，接着用酒精和去离子水超声清洗5分钟，用氮气吹干l立刻使用5μLRGO-Au/Chit滴加到电极表面，在硅胶干燥器经过2小时水分蒸发后为后续修饰电极准备。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖传感器的制作方法，其特征是：RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器的制作方法为：将经过硅胶干燥器干燥的电极修饰TiO2-Pt纳米晶须膜，配制1mg/mL的TiO2-Pt纳米晶须水溶液，并在使用前超声20分钟使其成为均一的悬浮液，然后滴8μL在电极表面并让其在自然干燥，然后将其置于254nm波长的紫外光照射形成电子空穴对；电聚合GOx膜是在10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2μL全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-TiO2-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器。
3.根据权利要求1所述的葡萄糖传感器的制作方法，其特征是：RGO-Au-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器的制作方法为：将经过硅胶干燥器干燥的电极修饰Pt，具体条件是：在2mmol的H2PtCl6溶液中进行，电位窗口为-1V到+1V,扫描速度为50mV/s，用去离子水清洗电极，电聚合GOx膜是在10mg/mlGOx的PBS溶液中进行，电位窗口为-0.6V到+1.1V,扫描速度为50mV/s，电聚合完成后用去离子水清洗电极滴加2μL全氟磺酸树脂到固定GOx的电极表面，即完成RGO-Au-Pt/-GOx有酶葡萄糖传感器。
4.根据权利要求1所述的葡萄糖传感器的制作方法，其特征是：所述基于复合纳米材料修饰电极的快速检测血糖装置中，其中电极接口电路为并列排列的三个接线柱，以方便使用玻碳电极、ITO电极或通过扩展使用印刷电极。
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