CN104523284B - 一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统 - Google Patents

一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其结合血糖微创探测方法中的透皮组织液提取与基于全息纳米探测器的光学探测方法，能实现对人体血糖水平的一步测量。具体来说，利用皮肤增透剂使组织液透过皮肤角质层析出，组织液直接渗入紧贴于皮肤上的全息纳米探测器进行分析得出组织液中葡萄糖水平，作为体内血糖水平指示。在现有微创血糖测量组织液提取和分析分步进行的基础上，这种方法将组织液提取和葡萄糖测量合为一体，同步实时进行，且和主流分步分析相比无需样品转移，极大提高的血糖检测的速度，简易度和样品利用效率。

Description

一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统
技术领域
本发明涉及糖尿病检测技术领域，尤其涉及的是一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统。
背景技术
糖尿病是一种高血糖为特征的代谢性疾病，其主要机制为由于人体胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损引起高血糖，导致各种组织，特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。严重危害人民健康。目前临床上血糖含量是诊断糖尿病的惟一标准和糖尿病综合治疗的基石，它对于指导治疗、降低并发症、改善预后至关重要。
目前，糖尿病检测主要依靠有创测量，由患者自己针刺手指，取血用血糖仪测定。有创方法对病人带来一定程度的伤害，给他们带来痛苦并有感染的危险，且取血消耗品成本较高。
无创或微创血糖检测从70年代开始，就吸引了广泛的关注。无创血糖测量主要方式为以透射式方式测量血糖对各种波，如红外光，超声，热的吸收。如1980年代后期至1990年代间吸引了大量资金和注意力的无创近红外光谱方法(NIR)(BIOCONTROL、FUTREX等美国公司)，这种方法通过血糖对利用葡萄糖分子在红外光谱区有微弱吸收的特性，对不同波长处的红外吸收光谱。无创探测方法优点在于可以实时，快速，无损的进行测量。然而这种方法得到的血糖信息极，原因在于由于皮下组织血糖含量低，同时人体组织和血液也形成复杂背景。因此，无创方式不具备足够的专属性和选择性，检测精度有限，可靠性较低，实际上成为可靠产品的可能性有待进一步验证。
由于组织液中的葡萄糖水平与血糖水平有高相关性，而组织液没有血管的屏障，通过一定手段将组织液从表皮提取出来，可以解决无创探测信号来源弱的问题。因而通过微创方法提取组织液进行血糖测量的方法近年来倍受关注。现有的商业化微创血糖连续检测系统有CygnusGlucoWatch和MiniMedCGMSTM等。除了商业化的产品外，人们还研究了其他大量微创血糖检测方法，例如：用激光在皮肤上打小孔，并通过该孔抽取血液或者组织液(SPECTRX，美国)；用微型针阵列刺破角质层，并抽取组织液(加利福尼亚大学伯克利分校，美国)；利用微透析法抽取组织液(UniversityofGroningen，荷兰；A.MenariniI.F.R.S.r.l.,FlorenceItaly；浙江大学，中国)等。微创检测的探测较无创测量精确，检测过程需要经历组织液的提取，分析两步，无法实时快速的显示结果，同时，微创分析对组织液样品量有要求，通常在几十至几百毫升，另外，对组织液样品进行取样，移动的过程中存在样品损耗。因此一种快速，实时，节省样品的微创探测方法能实现对血糖的快速实时，高效探测。
另外，全息纳米探测器是近年来兴起的一种纳米材料技术。它通过在聚合物内全息写入具有光学响应特性的结构，如衍射光栅。同时在聚合物内掺入特定的测试材料，通过测试材料与被试物的结合使聚合物体积发生改变，这种体积改变通过衍射光栅可以由光学方法进行探测。剑桥大学的Kabilan等人就报导了使用掺20mol％3-acrylamidophenylboronicacid(3-APB)的全息探测器测量血糖的实验。
有鉴于此，如何将同时具备光学探测的实时性和特异性分析的能力的全息纳米探测器与血糖的微创探测方法结合，实现血糖快速实时，高效的微创探测成为目前的研究方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，能够实现血糖快速实时，高效的微创探测。
本发明的技术方案如下：
一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其中，包括：
一光学探测装置，其进一步包括激光器和接收器；
一全息纳米探测器，其由掺葡萄糖探测分子的聚合物及内部写入的三维结构组成；
皮肤促渗剂，用于通过提高促渗对象在皮肤中的分配系数来提高促渗对象的透皮流量，以及使皮肤脂质双层无序化，通过角蛋白变性来提高皮肤通透性；
激光器发出的连续激光作为探测光进入到全息纳米探测器；组织液在皮肤促渗剂的作用下渗透至全息纳米探测器内，通过接收器测量衍射光波长即可得到组织液葡萄糖水平。
所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其中，所述激光器为可见光激光器，所述接收器为光谱仪。
所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其中，所述葡萄糖探测分子为与葡萄糖分子具有特异性结合的分子。
所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其中，所述衍射光波长与光栅的光栅常数对应关系为：
λ＝2ndsinθ/m；
其中，λ为衍射光波长，n为系统平均折射率，d为光栅间隔，θ为全息纳米探测器与光栅平面夹角，m为衍射级数。
所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其中，所述皮肤促渗剂包括任何改变表皮角质层结构，提高角度层小孔数量和尺寸的化学物质，包括且不限于亚枫类中的DMSO、月桂氮酮类氮酮、噻酮、或多元醇类中的乙醇、丙二醇中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明所提供的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统具有以下优点：
将全息纳米探测器与微创血糖测量中的透皮组织液提取技术有机结合的设计及实现方法。和现有技术中样品提取和分析分步进行相比，本发明过程实时，快速，由于节省了样品转移的过程，血糖分析更加简单直接。提出了在一个探测器内实现皮肤组织液提取，分析的概念。
附图说明
图1为本发明的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统的实施例的示意图。如图所示，所述基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系包括：光学探测装置(图中用1-1至1-4表示，下面会进行介绍)、全息纳米探测器(图中用2-1至2-2表示，下面会进行介绍)以及皮肤促渗剂。
具体来说，所述光学探测装置进一步包括激光器1-1和接收器1-2。在本实施例中，激光器1-1采用波长为632.8nm的He-Ne激光器(当然，其他可见光波长的也可),所述接收器1-2为光谱仪。激光器1-1发出的连续激光作为探测光，探测光进入全息纳米探测器的第一级衍射光由一光谱仪接收。另外，1-3和1-4分别为激光器和信号输出接口，其输出部分与本发明无关，这里就不多做赘述了。
所述全息纳米探测器由掺葡萄糖探测分子的聚合物2-1及内部写入的三维结构(在本实施例中，所述三维结构采用光栅)2-2组成。其中，目前报导的用于此类全息纳米探测器的葡萄糖探测分子主要为3-(Acrylamido)phenylboronicacid(3-APB)。有研究表明，3-APB的一些衍生物也可用于葡萄糖探测。例如较3-APB对环境pH值更稳定的2-APB，或它们与其它分子的阻断剂的组合，如与果糖的阻断剂trimethylammoniumchloride(ATMA)可提高全息纳米探测器对葡萄糖选择性探测能力。
3-1为示例的皮肤促渗剂的作用范围，4-1、4-2、4-3分别为表皮的角质层，生发层及基底层示意。5为组织液在皮肤促渗剂3-1作用下渗透至全息纳米探测器内示意。具体来说皮肤表皮内组织液主要存在于生发层4-2和基底层4-3，角质层4-1为表皮对机体内化学物质的屏障。皮肤促渗剂3-1一方面通过提高促渗对象在皮肤中的分配系数来提高促渗对象的透皮流量，另一方面使皮肤脂质双层无序化，使角蛋白变性来提高皮肤通透性。组织液5通过角质层4-1后进入全息纳米探测器。
基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统的实现方式如下：
激光器发出的连续激光作为探测光进入到全息纳米探测器；组织液在皮肤促渗剂的作用下渗透至全息纳米探测器内，其中的葡萄糖与全息纳米探测器中的葡萄糖探测分子结合，导致全息纳米探测器体积膨胀，改变光栅的光栅常数，引起探测光的衍射光波长增加，通过接收器测量衍射光波长即可得到组织液葡萄糖水平。具体来说，所述衍射光波长与光栅的光栅常数对应关系为：λ＝2ndsinθ/m；
其中，λ为衍射光波长，n为系统平均折射率，d为光栅间隔，θ为全息纳米探测器与光栅平面夹角，m为衍射级数。即此全息纳米探测器中光栅2-2间隔d与葡萄糖含量成线性反比，通过光谱仪1-2测量衍射光波长即可得到组织液葡萄糖水平。
进一步地，比较常用的皮肤促渗剂包含以下几种：亚枫类中的DMSO、月桂氮酮类氮酮、噻酮、以及多元醇类中的乙醇、丙二醇等。化学促渗剂种类很多，其中其化学结构的不同可分为亚砜类、吡咯酮类、月桂氮酮(Azone)类、脂肪酸及其酯、表面活性剂、醇类、多元醇类、萜烯类、胺及酞胺类、磷脂类、糖类、氨基酸类、大环化合物类、软渗透促进剂类、有机溶剂类等16大类。均可用于皮肤促渗。
综上所述，本发明提供的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其结合血糖微创探测方法中的透皮组织液提取方法与基于全息纳米探测器的光学探测，实现对人体血糖水平的一步测量。具体来说，利用皮肤增透剂使组织液透过皮肤角质层析出，组织液直接渗入紧贴于皮肤上的全息纳米探测器进行分析得出组织液中葡萄糖水平，作为体内血糖水平指示。在现有微创血糖测量组织液提取和分析分步进行的基础上，这种方法将组织液提取和葡萄糖测量同步实时进行，且和分步分析相比无需样品转移，极大提高的血糖检测的速度，难易程序和样品利用效率。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其特征在于，包括：
一光学探测装置，其进一步包括激光器和接收器；
一全息纳米探测器，其由掺葡萄糖探测分子的聚合物及内部写入的三维结构组成；
皮肤促渗剂，用于通过提高促渗对象在皮肤中的分配系数来提高促渗对象的透皮流量，以及使皮肤脂质双层无序化，通过角蛋白变性来提高皮肤通透性；
激光器发出的连续激光作为探测光进入到全息纳米探测器；组织液在皮肤促渗剂的作用下渗透至全息纳米探测器内，通过接收器测量衍射光波长即可得到组织液葡萄糖水平。
2.根据权利要求1所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其特征在于，所述激光器为可见光激光器，所述接收器为光谱仪。
3.根据权利要求1所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其特征在于，所述葡萄糖探测分子为与葡萄糖分子具有特异性结合的分子。
4.根据权利要求1所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其特征在于，所述衍射光波长与光栅的光栅常数对应关系为：
λ＝2ndsinθ/m；
其中，λ为衍射光波长，n为系统平均折射率，d为光栅间隔，θ为全息纳米探测器与光栅平面夹角，m为衍射级数。
5.根据权利要求1所述的基于全息纳米探测和微创组织液提取的血糖测量系统，其特征在于，所述皮肤促渗剂包括任何改变表皮角质层结构，提高角度层小孔数量和尺寸的化学物质，包括亚枫类中的DMSO、月桂氮酮类氮酮、噻酮、或多元醇类中的乙醇、丙二醇中的一种或多种。
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