CN104535627A - 葡萄糖传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种葡萄糖传感系统，它包括恒电势仪、第一和第二电流电压转换器、差分放大器和一组以上传感器电极；传感器电极与恒电势仪连接；每组传感器电极包括两个工作电极，第一工作电极与第一电流电压转换器的输入端电连接，第一电流电压转换器的输出端与差分放大器的其中一个输入端电连接，第二工作电极与第二电流电压转换器的输入端电连接，第二电流电压转换器的输出端与差分放大器的另一个输入端电连接；第一、第二工作电极的表面涂有涂层，涂层由内向外为酶固定层、控制释放层和生物相容性涂层；除酶固定层以外，第一、第二工作电极的其他涂层对应相同；第一工作电极的酶固定层内仅比第二工作电极的酶固定层多固定有葡萄糖氧化酶。

Description

葡萄糖传感系统

技术领域

本发明涉及一种葡萄糖传感系统，属于医疗检测设备领域。

背景技术

糖尿病是由遗传因素、免疫功能紊乱、微生物感染及其他毒素、自由基毒素、精神因素等等各种致病因子作用于机体导致胰岛功能减退、胰岛素抵抗等而引发的糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征。糖尿病人的血糖一旦控制不好会引发糖尿病并发症，如血糖过低、酮酸中毒、昏迷、高血压、心脏病变、肾衰竭、神经病变、视网膜损伤、下肢坏疽等。

连续血糖监测是将葡萄糖传感器植入患者的皮下，实时监测组织液中的葡萄糖浓度，糖尿病人可以根据测得的血糖浓度，来调整饮食以及作息，从而使血糖值稳定在正常的范围。严格使用连续血糖监测可以使糖尿病患者的寿命延长5年，视力延长8年，肾衰竭延缓6年，下肢坏疽延缓6年。

传感器植入体内后，体内的一些内源性电化学活性物质，如抗坏血酸、尿酸、醋氨酚等在电压作用下，在电极表面发生氧化反应，产生的氧化电流与葡萄糖在电极表面氧化产生的电流混合，从而影响血糖浓度的准确性。为了减小葡萄糖监测过程中干扰物质对传感器信号造成的误差，研究人员通常在传感器外层涂覆一层抗干扰膜，通过基于膜的尺寸选择或者极性选择特性，来限制干扰物质的透过，从而提高传感器检测信号的准确性。

现有的商业化的连续血糖监测传感器一般植入体内可以连续测量3-5天，几天之后，传感器出现灵敏度下降、基线漂移等问题，对测试结果的准确性产生影响。传感器出现功能失效的原因一方面在于传感器表面的生物相容性不够，导致植入体内之后产生免疫反应和排异反应，体内的免疫细胞以及大分子蛋白吸附在传感器表面，形成纤维包囊，导致葡萄糖和氧气的透过性降低，从而造成传感器的灵敏度下降；另一方面传感器植入体内后，血液和组织液中的金属离子、小分子物质会对酶的活性造成抑制，从而使传感器植入后灵敏度下降。除此之外，酶流失也是传感器失效的一个重要因素。

常用的延长传感器寿命的方式是提高传感器的生物相容性，然而，生物相容性涂层虽然可以提高传感器的生物相容性，减小植入后的免疫反应、炎症反应，但是仍然不能阻止传感器长期植入后的灵敏度以及稳定性的下降；并且，传感器植入体内之后一般只能维持3-5天的寿命，频繁更换传感器会使患者的经济负担急剧增加。除此之外，体内电化学活性物质在电压的作用下，在电极表面发生氧化反应，从而影响传感器的准确性。虽然Nafion、醋酸纤维素等抗干扰涂层可以减小干扰物对传感器检测信号的影响，但长期植入体内还是会使抗干扰层的效果减弱，最终将达不到抗干扰的效果。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有新结构的葡萄糖传感系统,以减小体内电化学活性物质对其检测信号的影响。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种葡萄糖传感系统,以提高传感器系统植入体内后的工作寿命。

本发明的发明构思是：为了减小体内电化学活性物质对葡萄糖传感器的检测信号的影响，本发明设计了一种差分式的电极结构，每组传感器电极共用一个参比电极和一个对电极（当为双电极结构时，则共用一个对电极）；每组传感器电极的工作电极部分包括两个工作电极，其中第一工作电极上的酶固定层内含有对葡萄糖敏感的葡萄糖氧化酶，第二工作电极的酶固定层内不含有葡萄糖氧化酶，两个工作电极的其余涂层均相同。在电压的作用下，葡萄糖只能在固定有葡萄糖氧化酶的工作电极表面发生氧化反应，而体内的电化学活性干扰物在两个工作电极的表面均能发生氧化反应；将两个工作电极的电流信号进行差分，就可以得到由于葡萄糖反应产生的电流变化，从而得到葡萄糖的浓度。本发明采用上述差分式的电极结构对干扰物产生的信号进行消除，一方面由于两个工作电极的差别仅在于其中一个工作电极的表面固定有葡萄糖氧化酶而另一个工作电极表面不固定葡萄糖氧化酶，其他条件全部相同，因此在相同的工作电压下，电化学活性物质在两个工作电极上的氧化反应完全相同，由此产生的干扰电流信号也相同，通过差分可以完全消除；另一方面由于该差分式的电极结构无需抗干扰层，因此不存在抗干扰层性能的变化，植入体内之后抗干扰性不会随着植入时间的变化而减弱，可以提高传感器抗干扰特性的长期稳定性。

为了解决传感器植入体内后寿命短的问题，本发明进一步采用多组传感器电极的结构，并在每组传感器电极的工作电极的最外层涂覆一层具有生物相容性的可降解涂层。该可降解涂层一方面可以保护电极表面的葡萄糖氧化酶，防止由于葡萄糖氧化酶流失而造成传感器性能的下降；另一方面，初始状态时，葡萄糖氧化酶受可降解涂层保护，不参与催化反应，植入体内后，随着可降解涂层的降解，葡萄糖氧化酶被慢慢释放出来，代替已经失活的或者流失的葡萄糖氧化酶参与催化反应，形成葡萄糖氧化酶释放的接力机制，从而延长传感器的寿命。

本发明可以通过在不同组传感器电极中的工作电极表面覆盖降解速度不同的可降解材料来控制葡萄糖氧化酶释放的速度，使得当其中第一组传感器电极的工作电极表面的葡萄糖氧化酶流失或失活，传感器灵敏度开始出现下降时，第二组工作电极表面的葡萄糖氧化酶此时随着可降解材料的降解而开始释放，代替第一组工作电极表面失活或流失的葡萄糖氧化酶参与催化反应，从而使葡萄糖传感系统整体的灵敏度保持稳定。本发明可以通过在更多组传感器电极的工作电极表面涂覆降解速率不同的可降解涂层，并使各组传感器电极的工作电极表面的可降解涂层逐个形成降解接力，由此来延长葡萄糖传感系统的寿命。

具体地说，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明的一种葡萄糖传感系统包括恒电势仪，并且还包括第一电流电压转换器、第二电流电压转换器、差分放大器和一组以上传感器电极；所述传感器电极与恒电势仪连接；每组所述传感器电极的工作电极部分包括一个第一工作电极和一个第二工作电极，其中，所述第一工作电极与所述第一电流电压转换器的输入端电连接，所述第一电流电压转换器的输出端与所述差分放大器的其中一个输入端电连接，所述第二工作电极与所述第二电流电压转换器的输入端电连接，第二电流电压转换器的输出端与所述差分放大器的另一个输入端电连接；所述第一工作电极和所述第二工作电极的表面涂有涂层，所述涂层由内向外为酶固定层、控制释放层和生物相容性涂层；除所述酶固定层以外，所述第一工作电极的其他涂层与所述第二工作电极的对应涂层相同；所述第一工作电极的酶固定层内仅比所述第二工作电极的酶固定层多固定有葡萄糖氧化酶。

进一步地，本发明还包括A/D转换器，所述A/D转换器的输入端与所述差分放大器的输出端电连接。

本发明的另一种葡萄糖传感系统包括恒电势仪，并且还包括第一电流电压转换器、第二电流电压转换器、第一放大器、第二放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、差分运算器和一组以上传感器电极，所述传感器电极与恒电势仪连接；每组所述传感器电极的工作电极部分包括一个第一工作电极和一个第二工作电极，其中，所述第一工作电极与第一电流电压转换器的输入端电连接，第一电流电压转换器的输出端与所述第一放大器的输入端电连接，所述第二工作电极与第二电流电压转换器的输入端电连接，第二电流电压转换器的输出端与所述第二放大器的输入端电连接；所述第一放大器的输出端与第一A/D转换器的输入端电连接，所述第二放大器的输出端与第二A/D转换器的输入端电连接，第一A/D转换器的输出端和第二A/D转换器的输出端均与所述差分运算器连接；所述第一工作电极和所述第二工作电极的表面涂有涂层，所述涂层由内向外为酶固定层、控制释放层和生物相容性涂层；除酶固定层以外，所述第一工作电极的其他涂层与所述第二工作电极的对应涂层相同，所述第一工作电极的酶固定层内仅比所述第二工作电极的酶固定层多固定有葡萄糖氧化酶。

进一步地，本发明各组所述传感器电极共用一个参比电极和一个对电极，所述参比电极和对电极同时与所述恒电势仪连接；在每组所述传感器电极中，第一工作电极与所述参比电极和对电极构成一个三电极结构，第二工作电极与所述参比电极和对电极构成另一个三电极结构；参比电极与同一组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极的距离相等，对电极与同一组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极的距离相等。

进一步地，本发明各组所述传感器电极共用一个对电极，所述对电极与所述恒电势仪连接；在每组所述传感器电极中，第一工作电极与所述对电极构成一个双电极结构，第二工作电极与所述对电极构成另一个双电极结构；对电极与同一组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极的距离相等。

进一步地，本发明所述传感器电极有n组，n≥2,其中的n-1组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极还包括具有生物相容性的可降解涂层，所述可降解涂层为工作电极的最外层，构成同一组传感器电极的第一工作电极和第二工作电极的可降解涂层相同。

进一步地，本发明同一组传感器电极中的工作电极表面的所述可降解涂层的降解速率相同，不同组传感器电极中的工作电极表面的可降解涂层的降解速率不同，使得当一组传感器电极中的工作电极中的葡萄糖氧化酶流失或失活时，另一组传感器电极中的工作电极中的葡萄糖氧化酶开始随着该工作电极表面的可降解涂层的降解而释放。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过工作电极的差分结构，可以完全消除体内电化学活性物质的干扰，提高葡萄糖传感系统检测信号的准确性，并使葡萄糖传感系统对体内活性物质的抗干扰性能不会随着传感系统植入体内时间的变化而减弱。通过在不同组的传感器电极中的工作电极表面覆盖一层降解速率不同的可降解涂层，在涂层降解的过程中，缓慢将包裹在内部的葡萄糖氧化酶释放出来，并在各组传感器电极中的工作电极之间形成葡萄糖氧化酶逐个释放的接力机制，由此提高葡萄糖传感系统植入体内的寿命。本发明的这种差分式的传感器电极结构可以应用到由MEMS（微机电系统）工艺制作出的平面传感器电极上，从而可以减小传感器电极的体积，提高传感器电极的一致性，并且可以通过批量生产，降低成本。本发明这种抗干扰能力强、使用寿命长、生物相容性好的植入式或介入式实时检测葡萄糖传感系统在植入式或介入式医疗检测设备中有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明葡萄糖传感系统的一种实施方式的结构示意框图；

图2是本发明葡萄糖传感系统的另一种实施方式的结构示意框图；

图3是本发明中的各电极采用针状电极时的一组传感器电极的结构示意图；

图4是图3的仰视图；

图5是本发明的一组传感器电极的一种结构示意图，其中，各电极采用平面电极，对电极位于两个工作电极中间；

图6是图5的A-A剖面图；

图7是本发明的一组传感电极的另一种结构示意图，其中，各电极采用平面电极，对电极包围两个工作电极并将两者分隔；

图8是本发明的两组传感器电极的一种结构示意图，其中，各电极采用平面电极，且其中一组传感器电极的最外层为可降解涂层；

图9是图8的B-B剖面图；

图10是本发明的三组传感器电极的一种结构示意图，其中，各电极采用平面电极，且其中两组传感器电极中的工作电极的最外层涂覆有可降解涂层，不同工作电极的可降解涂层的厚度不同；

图11是图10的C-C剖面图。

具体实施方式

在本发明中，传感器电极2的组成可以为双电极结构，也可以为三电极结构。当传感器电极2为双电极结构时，每组传感器电极2的工作电极部分由第一工作电极81和第二工作电极82组成，各组传感器电极2共用一个对电极10，从而使得对电极10与第一工作电极81构成一个双电极结构，该对电极10又与第二工作电极82构成另一个双电极结构（图中未示出）。当传感器电极2为三电极结构时，每组传感器电极2的工作电极部分由第一工作电极81和第二工作电极82组成，各组传感器电极2共用一个参比电极9和一个对电极10，从而使得参比电极9和对电极10与第一工作电极81构成一个三电极结构，该参比电极9和对电极10又与第二工作电极81构成另一个三电极结构（参见图1）。为了使同一组的传感器电极2中的第一工作电极81和第二工作电极82处于完全相同的工作环境中，在每一组传感器电极的制作过程中，可使第一工作电极81到参比电极9的距离与第二工作电极82到参比电极9的距离相等，第一工作电极81到对电极10的距离与第二工作电极82到对电极10的距离相等；同时，在传感器电极的工作过程中，在第一工作电极81和第二工作电极82上施加相同的工作电压。

图1示出了本发明葡萄糖传感系统仅包含一组传感器电极时的结构示意框图。如图1所示，本发明葡萄糖传感系统包括恒电势仪1、一组传感器电极2、电流电压转换器31和电流电压转换器32、差分放大器4和A/D转换器5。参见图1，恒电势仪1与传感器电极2中的参比电极9和对电极10连接，由此通过恒电势仪1控制参比电极9与对电极10之间的电压，使其电压保持恒定。电流电压转换器31的输入端与第一工作电极81电连接，电流电压转换器32的输入端与第二工作电极82电连接，电流电压转换器31和电流电压转换器32分别用于将与其连接的工作电极上的电流信号转换为电压信号，电流电压转换器31和电流电压转换器32的输出端分别与同一个差分放大器4的两个输入端电连接，从而使上述电压信号经差分放大器4进行差分放大，得到葡萄糖传感系统的传感电极周围体液中的葡萄糖的浓度。

当本发明葡萄糖传感系统包括A/D转换器时（参见图1），A/D转换器5的输入端与差分放大器4的输出端电连接，使得经差分放大器4差分放大后的信号再经A/D转换器5采样，得到差分后的血糖浓度信号。

第一工作电极81和第二工作电极82的表面由内向外依次涂有酶固定层、控制释放层、生物相容性涂层。同一组传感器电极中的第一工作电极81具有与第二工作电极82相同的控制释放层和生物相容性涂层（即第一工作电极81和第二工作电极82的表面除酶固定层以外的其他各涂层，两个工作电极的同一种涂层在种类、物质组成以及涂层的厚度、高度等方面完全对应相同）；而同一组传感器电极中的第一工作电极81的酶固定层内则仅比第二工作电极82的酶固定层内多固定有葡萄糖氧化酶（即第一工作电极81的酶固定层与第二工作电极82的酶固定层的区别仅在于：第一工作电极81的酶固定层内固定有葡萄糖氧化酶，而第二工作电极82的酶固定层内不固定葡萄糖氧化酶）。

参见图1，在由第一工作电极81、参比电极9以及对电极10构成的三电极结构中，由于第一工作电极81的酶固定层中固定有葡萄糖氧化酶，并在第一工作电极81上施加有工作电压，葡萄糖和体内干扰物质均可在第一工作电极81的表面发生反应，因此第一工作电极81上产生的电流信号为葡萄糖和干扰物质产生的电流信号的总和。在第二工作电极82、参比电极9以及对电极10构成的另一个三电极结构中，由于第二工作电极82的酶固定层中不含有葡萄糖氧化酶，但是施加了与第一工作电极81相同的工作电压，因此葡萄糖在第二工作电极82的表面不发生反应，而体内干扰物质会在电压的作用下发生反应，产生电流，因此第二工作电极82表面的电流信号只包含干扰物质产生的电流信号，而不含有葡萄糖的电流信号。由于上述两个三电极结构共用同一个参比电极9和对电极10（若是两个双电极结构，则是共用同一个对电极10），所以两个三电极结构（或两个双电极结构）所处的电学环境相同；同时由于传感器电极的尺寸很小，两个三电极结构（或两个双电极结构）所处的化学环境也相同，即传感器电极周围的葡萄糖浓度、电化学活性物质（如尿酸、抗坏血酸、醋氨酚等物质）的浓度均相同。因此，在相同的工作电压下，电化学活性物质在两个工作电极上产生的电流相同。将两个工作电极上的电流引出进行差分后，得到的就是由葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下产生的电流。可见，本发明通过对传感器电极的工作电极上的信号进行差分的方法，可以将体内干扰物质对传感器检测信号准确性的影响完全消除。

传统的消除干扰物影响的方法是在传感器的工作电极外层涂覆抗干扰层，如醋酸纤维素、Nafion、有机硅烷等。抗干扰层可以在一定程度上减小体内电化学活性物质的干扰，但并不能完全消除所有干扰物质的影响，只能在一定程度上降低其影响，而且不同的干扰物质需要不同的抗干扰层，因此使用该方法来消除体内电化学活性物质的影响，需要多种抗干扰材料。而本发明中通过在传感器电极的不同工作电极的表面进行有葡萄糖氧化酶和无葡萄糖氧化酶的处理，将工作电极上的信号使用差分的方法来消除干扰物质的影响，不需要额外的抗干扰层，且能完全消除体内电化学活性物质的影响。另外，现有的葡萄糖传感器采用具有抗干扰层的工作电极，植入体内之后，抗干扰层受到体内小分子物质以及炎症免疫细胞的影响，性能会逐渐降低。本发明由于采用差分的方法，无需采用抗干扰层，因此不存在抗干扰层性能下降的问题，且由于同一组传感器电极的两个三电极结构或两个双电极结构所处的电学环境和生化环境完全相同，因此在整个植入过程中，可以完全保持差分性能，消除干扰物质的影响。

图2为本发明葡萄糖传感系统的另一种实施方式。其中，电流电压转换器31的输入端与第一工作电极81电连接，电流电压转换器31的输出端与A/D转换器51的输入端电连接；电流电压转换器32的输入端与第二工作电极82电连接，电流电压转换器32的输出端与A/D转换器52的输入端电连接；A/D转换器51的输出端和A/D转换器52的输出端分别与差分运算器6连接。电流电压转换器31和电流电压转换器32分别用于将与其连接的工作电极上的电流信号转换为电压信号，A/D转换器51和A/D转换器52分别用于将与其输入端连接的电流电压转换器输出的电压信号转换为数字信号，再通过差分运算器6进行差分，最终得到第一工作电极81和第二工作电极82上的差分信号。本发明中的传感器电极2中的各电极可以为针状电极、平面电极等。其中，图3和图4示出了当各电极选用针状电极时的一种传感器电极2的结构。其中，一组传感器电极2包括一个第一工作电极81、一个第二工作电极82、一个参比电极9和一个对电极10。第一工作电极81、第二工作电极82、参比电极9和对电极10均安装在基座7上。

每一组传感器电极中，第一工作电极81和第二工作电极82的表面由内向外依次涂有酶固定层、控制释放层、生物相容性涂层。第一工作电极81具有与第二工作电极82相同的控制释放层和生物相容性涂层（即第一工作电极81和第二工作电极82的表面除酶固定层以外的其他各涂层，两个工作电极相互对应的同一种涂层的种类、物质组成以及涂层的厚度、高度等完全相同）；而同一组传感电极中的第一工作电极81的酶固定层内则仅比第二工作电极82的酶固定层多固定有葡萄糖氧化酶（即第一工作电极81的酶固定层与第二工作电极82的酶固定层的区别仅在于：第一工作电极81的酶固定层内固定有葡萄糖氧化酶，而第二工作电极82的酶固定层内不固定葡萄糖氧化酶）。

图5和图6示出了当各电极选用平面电极时的一组传感器电极2的一种实施方式。传感器电极（包括第一工作电极81、第二工作电极82、参比电极9和对电极10）、导线13以及焊盘12通过MEMS加工工艺制作在基底11上，基底11包括衬底11a以及覆盖在衬底11a上的绝缘层11b。传感器电极2（包括第一工作电极81、第二工作电极82、参比电极9和对电极10）通过导线13与焊盘12连接，焊盘12用作与外部电路的连接。衬底11a的材料可以为硅、石英、玻璃中的任意一种，绝缘层11b的材料可以为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种。第一工作电极81和第二工作电极82的形状可以为任意形状，如圆形、椭圆形、方形等。以下以工作电极为圆形为例，对本发明作进一步说明。

本发明葡萄糖传感系统中的传感器电极的制作过程如下：

参见图6，在基底11上涂覆一层光刻胶，使用掩膜板曝光显影后形成传感器电极2、导线13和焊盘12的形状，其中，传感器电极2包括第一工作电极81、第二工作电极82、参比电极9和对电极10；然后通过溅射或气相沉积工艺在基底11的表面沉积一层厚度为几百纳米的金，通过剥离工艺将光刻胶及其表面的金剥离，即在基底11表面留下了金材料制作的第一工作电极81和第二工作电极82以及参比电极基层9a、对电极基层10a、导线13和焊盘12。采用同样的方法，在各电极的表面沉积一层厚度为几百纳米的铂，并通过光刻及剥离工艺，制作对电极铂表层10b。同样的，在各电极的表面沉积一层厚度为几百纳米的银，并通过光刻及剥离工艺，制作参比电极银表层9b。参比电极9的银表层9b制作完成后，可将其放入盐酸溶液或者氯化钠溶液中进行氯化，进一步形成银/氯化银表层。

传感器电极2、导线13和焊盘12制作完成之后，在各电极的表面沉积一层绝缘层14，用于将金属与体液进行隔离。绝缘层14的材料可以为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种。绝缘层14沉积完毕后，通过光刻工艺将传感器电极2中的各电极表面以及焊盘12表面的绝缘材料去除。

作为一种示例，当本发明中的传感器电极采用平面电极结构时，传感器电极的分布形式可以如图5所示，对电极10置于第一工作电极81和第二工作电极82之间从而将两者分隔，参比电极9包围半个第一工作电极81和第二工作电极82。传感器电极中的各电极的分布形式也可以如图7所示，对电极10将第一工作电极81和第二工作电极82分隔，且对电极10分别将第一工作电极81和第二工作电极82包围，参比电极9则将对电极10、第一工作电极81和第二工作电极82包围。

为了提高传感器电极的寿命，本发明在采用两个工作电极进行差分的传感器电极结构的基础上，进一步在工作电极的最外层引入具有生物相容性的可降解涂层，在不同组的传感器电极的工作电极的可降解涂层降解的过程中，形成葡萄糖氧化酶释放的接力机制，使新释放的葡萄糖氧化酶的代替已经失活的葡萄糖氧化酶完成催化反应，提高传感器电极的寿命。

图8和图9所示的是本发明引入可降解涂层后的两组传感器电极的结构，它是在图7所示的传感器电极结构的基础上，增加一组差分结构的工作电极，即增加第一工作电极83和第二工作电极84，从而构成两组传感器电极。该两组传感器电极共用一个对电极10和一个参比电极9。该两组传感器电极的制作过程可参见图5所示的传感器电极的制作过程。第一工作电极81和第二工作电极82的表面由内向外各自涂有相同的酶固定层、控制释放层、生物相容性涂层，第一工作电极81和第二工作电极82的表面的对应的同一种涂层的种类、物质组成以及涂层的厚度、高度完全相同。第一工作电极83和第二工作电极84的表面由内向外各自涂有相同的酶固定层、控制释放层、生物相容性涂层和具有生物相容性的可降解涂层，除酶固定层以外，第一工作电极83和第二工作电极84的同一种表面涂层的种类、物质组成以及涂层的厚度、高度完全相同。第一工作电极81和第一工作电极83的酶固定层内固定有葡萄糖氧化酶，而第二工作电极82和第二工作电极84的酶固定层内均不固定葡萄糖氧化酶。因此，在相同的工作电压下，第一工作电极81和第一工作电极83上的电流信号为葡萄糖在葡萄糖氧化酶催化下产生的电流与体内电化学活性物质在电压下氧化产生的电流之和，而第二工作电极82和第二工作电极84上的电流信号只是体内电化学活性物质在电压下氧化产生的电流。将这两组电流进行差分，即可得到体内葡萄糖在葡萄糖氧化酶催化作用下的电流，从而排除干扰物的影响，计算出体内葡萄糖浓度。

为了方便可降解涂层的涂覆，在第一工作电极83和第二工作电极84的外围对应地制作了具有一定高度的第一圆筒151和第二圆筒152。第一圆筒151和第二圆筒152的壁厚和高度均相同。第一工作电极83的外表面与第一圆筒151的内壁之间、第二工作电极84的外表面与第二圆筒152的内壁之间分别形成了具有一定容积的腔体，可用于盛放具有生物相容性的可降解材料。第一圆筒151和第二圆筒152的材料可以是PDMS（聚二甲基硅氧烷）或者SU8光刻胶中的任意一种，通过光刻工艺制作。在第一工作电极83和第二工作电极84的表面涂覆可降解材料时，将溶解在溶剂中的可降解材料通过移液器转移至第一工作电极83和第二工作电极84的外表面与第一圆筒151和第二圆筒152的内壁对应形成的腔体中，经溶剂挥发形成可降解涂层。在第一工作电极83和第二工作电极84的外围制作圆筒，一方面可以防止可降解材料涂覆在工作电极上后流出，避免污染参比电极9和对电极10；另一方面通过将降解材料束缚在腔体中，可以使溶剂均匀挥发，形成厚度均匀的可降解涂层，从而在植入体内的降解过程中，第一工作电极83和第二工作电极84表面的可降解涂层的降解速度一致，可以提高传感器电极的稳定性。同时，在制作过程中使用圆筒，可以利用圆筒的高度来控制可降解涂层的厚度：圆筒的高度越高，对应的可降解涂层的厚度越厚。由于可降解涂层的厚度与其降解时间相关，可降解涂层越厚，其降解时间越长，被可降解涂层覆盖的葡萄糖氧化酶释放所需要的时间越长，传感器电极植入体内后的寿命也越长。

为了进一步提高传感器电极的寿命，可以通过增加工作电极的数量来增加传感器电极的组数，并且使同一组传感器电极中的工作电极的最外层的可降解涂层的厚度相同，不同组的传感器电极中的工作电极的最外层的可降解涂层的厚度不同。当未覆盖可降解材料的工作电极的灵敏度开始下降时，厚度最小的可降解涂层开始降解，释放出新的葡萄糖氧化酶参与反应，从而使传感器电极的灵敏度保持稳定；随后不同厚度的可降解涂层依次在一段时间后降解，释放出新的葡萄糖氧化酶，代替已经失活的或者流失的葡萄糖氧化酶参与反应，使得不同组的传感器电极的可降解涂层形成依次降解的接力机制，使传感器电极表面的葡萄糖氧化酶浓度保持恒定，从而保持传感器电极的稳定性。

图10和图11所示的是采用三组传感器电极的一种结构，并且使第二组传感器电极的第一工作电极83和第二工作电极84的外围的圆筒与第三组传感器电极的第一工作电极85和第二工作电极86的外围的圆筒的高度不同，从而使第二组传感器电极中的工作电极的可降解层的厚度与第三组传感器电极中的工作电极的可降解层的厚度不同。其中，第一圆筒151在第一工作电极83的外围，第二圆筒152在第二工作电极84的外围，第一圆筒151和第二圆筒152的壁厚和高度相同；第三圆筒153在第一工作电极85的外围，第四圆筒154在第二工作电极86的外围，第三圆筒153和第四圆筒154的壁厚和高度相同。第一圆筒151和第二圆筒152的高度比第三圆筒153和第四圆筒154的高度低，因此第一工作电极83和第二工作电极84表面的可降解涂层的厚度比第一工作电极85和第二工作电极86表面的可降解涂层薄。第一工作电极83和第二工作电极84表面的可降解层的降解时间比第一工作电极85和第二工作电极86表面的可降解层的降解时间短，由此，通过圆筒的高度来调节可降解涂层的厚度，可以较好地控制可降解涂层的降解时间，从而延长传感器电极的寿命。

本发明由于采用了差分的工作电极结构，在同一组传感器电极的其中一个工作电极的表面固定有葡萄糖氧化酶，另一个工作电极的表面不固定葡萄糖氧化酶，并在两个工作电极上施加相同的工作电压。固定有葡萄糖氧化酶的工作电极上产生的电流为葡萄糖在电极表面经酶催化产生的电流与体内电化学活性物质在电压作用下氧化产生的电流之和，而不固定葡萄糖氧化酶的工作电极上的电流只是体内电化学活性物质在电压作用下氧化产生的电流；且由于电极的尺寸很小，两个工作电极附近的电化学活性物质的浓度相同，由此产生的氧化电压电流相同，从而，本发明通过同一组传感器电极的工作电极的差分结构，即可消除体内电化学活性物质的干扰，保证葡萄糖传感器系统检测信号的准确性。

本发明在差分形式的工作电极结构的基础上，在工作电极的最外层增加可降解材料形成可降解层，在可降解层降解的过程中缓慢将葡萄糖氧化酶释放，新释放的葡萄糖氧化酶接替失效和流失的葡萄糖氧化酶完成催化反应，形成葡萄糖氧化酶释放的接力机制，最终使工作电极上的葡萄糖氧化酶浓度保持恒定，从而保证传感器系统的稳定性，提高其寿命。可降解涂层的厚度决定了其降解时间。可降解涂层的厚度可以通过工作电极外围的圆筒的高度来调节，通过在几组传感器电极的工作电极的外围设置不同高度的圆筒，使得这几组传感器电极的工作电极获得厚度不同的可降解涂层，并使不同组传感器电极的工作电极的可降解涂层依次降解，并形成降解的接力机制，延长传感器的寿命。本发明葡萄糖传感器系统的测量结果准确且寿命长，在植入式血糖监测领域有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种葡萄糖传感系统，包括恒电势仪，其特征在于：还包括第一电流电压转换器、第二电流电压转换器、差分放大器和一组以上传感器电极；所述传感器电极与恒电势仪连接；每组所述传感器电极的工作电极部分包括一个第一工作电极和一个第二工作电极，其中，所述第一工作电极与所述第一电流电压转换器的输入端电连接，所述第一电流电压转换器的输出端与所述差分放大器的其中一个输入端电连接，所述第二工作电极与所述第二电流电压转换器的输入端电连接，第二电流电压转换器的输出端与所述差分放大器的另一个输入端电连接；所述第一工作电极和所述第二工作电极的表面涂有涂层，所述涂层由内向外为酶固定层、控制释放层和生物相容性涂层；除所述酶固定层以外，所述第一工作电极的其他涂层与所述第二工作电极的对应涂层相同；所述第一工作电极的酶固定层内仅比所述第二工作电极的酶固定层多固定有葡萄糖氧化酶。

2.根据权利要求1所述的葡萄糖传感系统，其特征是：还包括A/D转换器，所述A/D转换器的输入端与所述差分放大器的输出端电连接。

3.一种葡萄糖传感系统，其特征在于：包括恒电势仪，其特征在于：还包括第一电流电压转换器、第二电流电压转换器、第一放大器、第二放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、差分运算器和一组以上传感器电极，所述传感器电极与恒电势仪连接；每组所述传感器电极的工作电极部分包括一个第一工作电极和一个第二工作电极，其中，所述第一工作电极与第一电流电压转换器的输入端电连接，第一电流电压转换器的输出端与所述第一放大器的输入端电连接，所述第二工作电极与第二电流电压转换器的输入端电连接，第二电流电压转换器的输出端与所述第二放大器的输入端电连接；所述第一放大器的输出端与第一A/D转换器的输入端电连接，所述第二放大器的输出端与第二A/D转换器的输入端电连接，第一A/D转换器的输出端和第二A/D转换器的输出端均与所述差分运算器连接；所述第一工作电极和所述第二工作电极的表面涂有涂层，所述涂层由内向外为酶固定层、控制释放层和生物相容性涂层；除酶固定层以外，所述第一工作电极的其他涂层与所述第二工作电极的对应涂层相同，所述第一工作电极的酶固定层内仅比所述第二工作电极的酶固定层多固定有葡萄糖氧化酶。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的葡萄糖传感系统，其特征在于：各组所述传感器电极共用一个参比电极和一个对电极，所述参比电极和对电极同时与所述恒电势仪连接；在每组所述传感器电极中，第一工作电极与所述参比电极和对电极构成一个三电极结构，第二工作电极与所述参比电极和对电极构成另一个三电极结构；参比电极与同一组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极的距离相等，对电极与同一组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极的距离相等。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的葡萄糖传感系统，其特征在于：各组所述传感器电极共用一个对电极，所述对电极与所述恒电势仪连接；在每组所述传感器电极中，第一工作电极与所述对电极构成一个双电极结构，第二工作电极与所述对电极构成另一个双电极结构；对电极与同一组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极的距离相等。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的葡萄糖传感系统，其特征在于：所述传感器电极有n组，n≥2,其中的n-1组传感器电极中的第一工作电极和第二工作电极还包括具有生物相容性的可降解涂层，所述可降解涂层为工作电极的最外层，构成同一组传感器电极的第一工作电极和第二工作电极的可降解涂层相同。

7.根据权利要求6所述的葡萄糖传感系统，其特征在于：同一组传感器电极中的工作电极表面的所述可降解涂层的降解速率相同，不同组传感器电极中的工作电极表面的可降解涂层的降解速率不同，使得当一组传感器电极中的工作电极中的葡萄糖氧化酶流失或失活时，另一组传感器电极中的工作电极中的葡萄糖氧化酶开始随着该工作电极表面的可降解涂层的降解而释放。