CN106198945A - 低功耗葡萄糖移动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低功耗葡萄糖移动检测装置，包括ConA/Dex‑AgNPs敏感膜、ISFET转换器、传感器测量电路、低功耗单片机、低功耗蓝牙BLE通讯电路与电源控制电路。本发明将ConA/Dex‑AgNPs敏感材料与ISFET转换器结合，基于葡聚糖‑刀豆球蛋白A‑葡萄糖之间的竞争关系实现葡萄糖的生化传感检测，通过传感器测量电路与低功耗单片机对传感信号进行提取、处理与封装，并通过低功耗蓝牙BLE通讯电路与移动设备进行实时通讯，通过电源控制电路给各个模块供电并进行低功耗控制。本发明具有低功耗、尺寸小、快速检测、可利用集成电路工艺进行大规模生产、样液需求量少、可与手机进行实时通讯等优点。

Description

低功耗葡萄糖移动检测装置

技术领域

本发明涉及一种低功耗葡萄糖移动检测装置，特别涉及指一种可与手机无线通讯的葡萄糖移动检测装置，具有快速检测、功耗低、集成度高、尺寸小、样液需求量少、可大规模生产等优势。

背景技术

随着社会迅速发展以及生活水平的不断提高，人们对自身健康的问题也越来越关注。糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，也是一种较为常见的慢性疾病，其患病人群年龄分布广泛。通过检测人体血液中葡萄糖的整体水平，是及时诊断治疗糖尿病的最佳途径。因此很多糖尿病病患需要随身携带葡萄糖检测仪器，来对自身血液中的葡萄糖含量进行检测，从而使用药物进行及时正确的治疗。

现在社会，手机是每个人随身必备的通讯工具。随着科技的发展，手机的存储器越来越多，屏幕越来越大也越来越清晰，手机处理器的速度也越来越快。因此，对于糖尿病患者，需要有一种可以检测血液中葡萄糖的移动装置，尺寸较小且方便携带。检测血糖的同时，可与手机进行通讯，通过手机的处理器完成血糖数据的处理，通过手机的屏幕进行显示，通过手机的存储器进行大量血糖数据的存储。将葡萄糖移动检测装置与手机的相关部分结合，可以在减少支出的同时也减轻负重。还可以通过手机网络将数据发送到云端，由主治医生对测量结果进行分析与判断，并进行必要的医疗干预。

作为移动装置，同时需要有低功耗的特点，在完成传感检测的同时，耗电量较小，能够由移动电源完成供电。

因此，需要寻求一种具有低功耗、小尺寸(方便携带，方便集成)、需求样液少、可大规模生产(价格低)、可与手机随时无线通讯的葡萄糖移动检测装置，作为附件与手机结合后，可用于糖尿病病人血液中葡萄糖含量的稳定检测。

葡萄糖传感器作为生化传感器，从结构上一般包括敏感膜和转换器两部分。敏感膜与葡萄糖发生生化反应，转换器将生化反应所产生的信息转换为电信号输出。

用于葡萄糖检测的敏感膜根据是否含有生物酶分为有酶与无酶两大类。

用于葡萄糖检测的生物酶一般有己糖激酶、葡萄糖脱氢酶或葡萄糖氧化酶等。各种酶与葡萄糖进行特异性生化反应后，通过电化学或光化学等转换器将生成的信息进行转换，以实现对葡萄糖浓度的检测。

基于酶的葡萄糖生化传感器是利用酶对葡萄糖的特异性反应特点。因此，无需对样液进行前期处理，在实用上具有明显的优势。目前商业化的家用血糖检测仪便多是以酶作为敏感材料，结合电化学转换器来完成血液中葡萄糖浓度的检测。

但是，在实际储存和应用中，这种基于酶的传感器也存在很多不足。首先，各种酶容易受周围环境中温度、pH值、有毒物质等影响，从而导致酶失活。所以对此类传感器的制备环境和储存条件提出了更加严格的要求。其次，在电极上固定酶的过程复杂，导致器件的重复性和稳定性差，且成本较高。

因此，目前有酶的葡萄糖检测装置并不适合与手机连接，构成葡萄糖移动检测设备。

另一类无酶的葡萄糖传感器一般使用金属材料作为敏感材料，利用其催化性质，直接对葡萄糖进行催化反应进而完成检测。其敏感材料包括贵金属(如金、银、铂等)、过渡金属(如铜、镍等)及其合金材料、金属氧化物等等。近些年来，随着纳米合成工艺的发展，金属纳米材料被广泛的用于无酶葡萄糖传感器的敏感膜。

与有酶葡萄糖生化传感器相比，无酶的葡萄糖生化传感器具有以下优势：1)结构简单。一般说来，无酶的葡萄糖传感器都是用金属材料直接对葡萄糖进行催化，因而传感器结构相对简单；2)储存容易。无酶的葡萄糖传感器在检测过程中不需要酶的参与，所以不用考虑酶失活带来的影响。金属材料通常具有很好的化学稳定性，对保存条件没有特殊要求，因此存储起来相对方便；3)寿命长。金属材料通常具有稳定的物理和化学性质，所以无酶的葡萄糖传感器具有较长的使用寿命；4)成本低。金属纳米材料的催化性能好，而且合成成本相对较低。

未来葡萄糖传感检测的趋势均是向集成化、智能化、小型化方面发展，并且具有低功耗的特点。可作为附件结合手机的运算能力、显示能力和通讯能力，构成移动检测设备。可对用户的血糖进行实时监控，并且对信号进行处理，上传到云端。

为了达到上述目的，从敏感材料的角度考虑，由于酶有使用寿命和保存环境苛刻的问题，使得以酶作为敏感材料的葡萄糖传感器并不适合与手机端进行集成。无酶生化传感器的检测方法能够克服有酶传感器不稳定，易失活的缺点，能够应用于实际生化样品的分析，因此具有较广阔的发展前景。但目前无酶的葡萄糖传感器的选择性较差，无法对葡萄糖特异性敏感，容易受到血液中其他因素的干扰。

从转换器的角度考虑，无论结合有酶还是无酶的敏感膜，以电化学和光化学两种转换器在葡萄糖检测中的应用最为广泛。

基于电化学的葡萄糖检测方法是葡萄糖在酶或其它敏感材料的催化作用下，产生氧化还原反应。通过电极间的电子交换，形成氧化还原电流。通过测量氧化还原电流的大小，便可对葡萄糖的浓度进行检测。该方法具有响应速度较快等特点。

从与手机集成化的角度考虑，基于电化学的传感检测方法有以下不足：1)与手机等移动设备相比，其能耗较高。2)其检测电路与现有集成电路工艺不兼容，不适合大规模生产。3)由于是通过电子交换的氧化还原反应来完成测量，对样液直接造成破坏，无法进行重复测量。因此，导致对血液样液的需求量较大。

基于光学的葡萄糖检测仪，是利用葡萄糖被催化之后，通过检测其吸收光谱的变化而完成的测量。葡萄糖浓度越高，该光谱的吸收强度越高。基于光学的葡萄糖检测具有精度高、灵敏度高、选择性和重现性好等优势，但是光学检测仪器装置比较庞大，价格昂贵。不适合移动使用，不易集成，且操作非常复杂。这些缺点使得基于光学的葡萄糖检测仪不适合小型化，也不适合与手机进行连接。而且光学检测时，很容易受到光污染，对被测溶液的需求量也较电化学的大。

总之，目前市场上存在的葡萄糖检测仪都有功能单一，功耗高，不方便携带，不适合小型化、集成化，不适合与手机进行移动连接等问题。

因此，需要寻找一种敏感材料或者敏感机制，能够不使用酶作为敏感材料，具有较好的稳定性，但又对葡萄糖具有特异性敏感。同时能找到一种具有低功耗、适合大规模生产而又不涉及氧化还原反应机理的转换器将生化敏感信号转化为电信号。最终将二者结合后构成新型的葡萄糖传感器，并集成测量电路、单片机和通讯电路等模块，实现具备小型化、集成化及智能化且可移动检测的新型葡萄糖检测装置。最终作为附件，与手机结合，构成新型的葡萄糖移动检测设备。

因为现有葡萄糖检测仪作为移动装置与手机结合使用时有着诸多问题，所以目前葡萄糖检测仪作为附件与手机连接的发明也不多。其中，发明CN204536260U基于蓝牙技术，将手机与葡萄糖检测仪连接在一起，实现了移动检测的功能。但缺点是该葡萄糖移动检测装置仍然基于葡萄糖脱氢酶电极测量法，属于有酶的检测方法，检测功耗也相对较高。

同样的，美国的专利US2014/0034494用耳机插孔作为手机与葡萄糖移动检测装置的连接方式。这种连接方式为有线连接，与无线连接相比，有着诸多的不便。同时仍然使用了酶作为葡萄糖的敏感材料。

发明内容

本发明提供了一种新型的低功耗葡萄糖移动检测装置。

本发明使用凝集素中的刀豆球蛋白A(Concanavalin A，简称ConA)及多糖中的葡聚糖(Dextran，简称Dex)包裹的银纳米颗粒(简称ConA/Dex-AgNPs)作为敏感材料，使用ISFET(Insulator Semiconductor Field Effect Transistors)作为转换器，利用集成电路工艺、纳米合成工艺与纳米自组装工艺将ConA/Dex-AgNPs敏感材料与ISFET转换器相结合，来完成传感器件的制作。基于葡聚糖-刀豆球蛋白A-葡萄糖之间的竞争关系作为生化传感机理，利用ISFET的场效应转换机制将生化信息转换为电信号，最终实现葡萄糖的生化传感检测。通过传感器测量电路与低功耗单片机对传感信号进行提取、处理与封装，并通过低功耗蓝牙BLE(Bluetooth Low Energy)通讯电路与手机进行实时通讯。以电源控制电路给各个模块予以供电，并进行整个系统的低功耗控制。

所研制的葡萄糖移动检测装置具有低功耗(葡萄糖传感器、传感器测量电路、单片机以及低功耗蓝牙BLE均为低功耗部件)、尺寸小、可实现快速检测，并可利用集成电路工艺进行大规模生产、样液需求量少、可与手机进行实时通讯等优点。

具体的，本发明提供了一种低功耗葡萄糖移动检测装置，包括刀豆球蛋白A/葡聚糖修饰的银纳米颗粒ConA/Dex-AgNPs敏感膜，ISFET转换器，传感器测量电路，低功耗单片机，低功耗蓝牙BLE通讯电路，电源控制电路；

所述ConA/Dex-AgNPs敏感膜固定在ISFET转换器栅极表面构成低功耗葡萄糖传感器；所述的传感器测量电路与ISFET转换器连接；所述的低功耗单片机与传感器测量电路连接；所述的低功耗单片机与低功耗蓝牙BLE通讯电路连接；所述的电源控制电路与ISFET转换器、传感器测量电路、低功耗单片机及低功耗蓝牙BLE通讯电路进行连接；

其中：刀豆球蛋白A/葡聚糖包裹的银纳米颗粒ConA/Dex-AgNPs敏感膜作为敏感材料，使用ISFET转换器将生化传感信号转换为电信号；利用集成电路工艺、纳米合成工艺与纳米自组装工艺来完成传感器件的制作，最终实现葡萄糖的生化传感检测；通过传感器测量电路与低功耗单片机对传感电信号进行处理，并通过低功耗蓝牙BLE通讯电路与手机进行实时通讯；电源控制电路对所有模块进行供电，并进行低功耗控制。

进一步的，所述的刀豆球蛋白A/葡聚糖修饰的银纳米颗粒ConA/Dex-AgNPs敏感膜用于与葡萄糖产生生化竞争反应，产生敏感信息；所述的ISFET转换器用于将ConA/Dex-AgNPs与葡萄糖反应产生的敏感信息转化为电信号输出。

进一步的，所述的ConA/Dex-AgNPs敏感膜固定在ISFET转换器栅极表面。

进一步的，所述的传感器测量电路对所述的ConA/Dex-AgNPs敏感膜和ISFET转换器构成的葡萄糖传感器的输出电学信号进行提取、放大、滤波，并输送到低功耗单片机。

进一步的，所述的低功耗单片机用于将所述的传感器测量电路采集到的葡萄糖传感模拟信号转化为数字信号，对此传感信号进行BLE协议封装，并控制所述的低功耗蓝牙BLE通讯电路与移动设备BLE模块完成通讯功能。

进一步的，所述的电源控制电路配合低功耗单片机内部集成的算法，用于对所有部件进行电源供给、低电压报警、系统低功耗控制。

进一步的，本发明通过低功耗蓝牙BLE通讯电路与带有BLE功能的移动设备进行无线实时通讯。

ConA/Dex-AgNPs敏感膜与被测溶液中的葡萄糖首先发生生化反应，使敏感膜表面的电学量发生变化，进而引起ISFET转换器阈值电压的改变。通过测量电路读取、放大并滤波ISFET转换器阈值电压的变化，从而实现对葡萄糖浓度的检测。低功耗单片机将传感器测量电路测量得到的阈值电压变化量转化为数字信号后，根据BLE协议进行封装，交给低功耗蓝牙BLE通讯电路进行发射。手机端的BLE模块接受到信号之后，通过APP可以在手机屏幕上进行显示，在手机存储器进行存储，也可以通过手机的单片机进行数据处理，分析血糖的变化情况，提示病人注射药物等功能。进一步可通过手机网络或者Wifi网络上传到云端，由医生进行远程诊断。本发明提供了一个完整的葡萄糖移动检测装置，可作为手机的附件，结合APP完成血糖检测与后续医疗应用。

综上所述，通过整个葡萄糖传感器移动检测装置的发明设计，可实现对葡萄糖快速、绿色、稳定、低功耗、高精度的检测。同时具有小尺寸、集成度高、样液需求量少、可与手机方便连接等优点。

附图说明

图1为本发明的低功耗葡萄糖移动检测装置的结构框图。其中(1)ConA/Dex-AgNPs敏感膜；(2)ISFET转换器；(3)传感器测量电路；(4)低功耗单片机；(5)低功耗蓝牙BLE通讯电路；(6)电源控制电路。

图2为ConA/Dex-AgNPs敏感膜与葡萄糖发生生化反应的传感机理示意图。

图3为ISFET转换器结合ConA/Dex-AgNPs构成的葡萄糖传感器示意图。

图4为基于ISFET转换器的葡萄糖传感器结构版图。

图5为传感器测量电路示意图。

图6为低功耗葡萄糖移动检测装置的实测结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明使用刀豆球蛋白A/葡聚糖包裹的银纳米颗粒(ConA/Dex-AgNPs)(1)作为敏感材料，基于葡聚糖-刀豆球蛋白A-葡萄糖之间的竞争关系作为葡萄糖检测的生化传感机理；使用ISFET转换器(2)将生化传感信号转换为电信号；利用集成电路工艺、纳米合成工艺与纳米自组装工艺来完成传感器件的制作，最终实现葡萄糖的生化传感检测。通过传感器测量电路(3)与低功耗单片机(4)对传感电信号进行处理，并通过低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)与手机进行实时通讯。电源控制电路(6)对所有模块进行供电，并进行低功耗控制。

ConA/Dex-AgNPs作为敏感材料能够引入新的传感机理，如图2所示：将表面修饰有ConA/Dex的银纳米颗粒作为检测探针，利用葡聚糖、刀豆球蛋白A及葡萄糖三者之间的竞争特性与凝集特性作为检测手段以实现葡萄糖的检测。不同于基于氧化还原和电子交换的生化传感机理，银纳米颗粒表面的葡聚糖、葡萄糖以及刀豆球蛋白A三者之间，有着良好的竞争关系。先将Dex-AgNPs固定在ISFET栅极表面。加入刀豆球蛋白A后，银纳米颗粒表面的葡聚糖与之牢固结合，形成ConA/Dex-AgNPs敏感膜。加入葡萄糖之后，由于葡萄糖与刀豆球蛋白A的结合力更强，将刀豆球蛋白A从葡聚糖表面竞争走，进而影响了银纳米颗粒的电学性能，从而引起ISFET栅极表面电学量的变化和阈值电压的变化，根据此时阈值电压的变化量可完成对葡萄糖的浓度检测。

本发明选择ConA/Dex-AgNPs作为敏感材料，起到了敏感葡萄糖的作用。ConA/Dex-AgNPs作为无酶的敏感材料具有较好的稳定性。同时，银纳米颗粒的高表面体积比与高表面活性，也会起到增强传感信号的作用。

较之于传统酶催化葡萄糖的传感机制，本传感机制具有以下优点：1)克服了对酶的依赖性，减弱了外界环境对传感过程的影响，使检测过程的稳定性大幅度提高；2)由于采用ConA/Dex修饰的银纳米颗粒作为敏感物，在测量及生产过程中没有引进重金属离子，可实现完全绿色的测量机制，为今后在人体的应用奠定基础；3)由于本传感检测机制基于生化竞争关系，不涉及电化学的氧化还原反应，避免了传感过程中由于电子转移造成的对待测溶液中葡萄糖的破坏，因此降低了对检测样液含量的要求。所以对样液的需求量较小；4)银纳米颗粒作为纳米材料，高表面体积比可以负载更多的葡聚糖及刀豆球蛋白A，高表面活性也起到了放大传感信号的作用。同时，ConA/Dex-AgNPs纳米材料作为敏感材料的稳定性要好于各种葡萄糖氧化酶，所以器件的使用寿命也较长。

因此，选择ConA/Dex-AgNPs作为敏感材料，基于葡聚糖-刀豆球蛋白A-葡萄糖的竞争关系，可以实现对葡萄糖的特异性敏感，又具有较好的稳定性，需求的样液也较少。

本发明的ISFET转换器，用来将生化信号转化为电信号。ISFET转换器是MIS型有源器件，不仅具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，而且功耗低，尺寸小，响应速度快，并可实现大规模生产等优点。

选择ISFET转换器作为低功耗转换器，可以将ConA/Dex-AgNPs与葡萄糖敏感产生的生物信号转化为电信号输出。如图3所示。不同于光学和电化学的传感转换机理。ISFET作为转换器，是基于半导体场效应原理，将生化敏感信号转换成电信号输出，因此具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。其工作过程是当敏感膜与待测溶液接触时，葡萄糖与敏感膜发生生化反应，会引起ISFET栅极电学性能的变化，从而引起器件阈值电压的变化。基于阈值电压变化量与待测物质浓度间的关系实现对待测溶液的测量。

基于ISFET转换器的生化传感器一般具有功耗低，响应速度快等优势。同时，ISFET可以由MOS工艺完成，适合大规模生产，适合与后端电路集成，可完成集成化、小型化与智能化的功能。最后，ISFET传感器的尺寸较小，适合作为附件与各种移动设备连接。

所研制的基于ConA/Dex-AgNPs敏感材料与ISFET转换器的葡萄糖移动检测装置具有低功耗(传感器、传感器测量电路、单片机以及低功耗蓝牙BLE通讯电路均为低功耗部件)、尺寸小、快速检测、绿色环保、可利用集成电路工艺进行大规模生产、样液需求量少、可与手机进行实时通讯等优点。

为了实现上述的发明内容，为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例,来详细说明本发明的具体实施方法：

1.Dex-AgNPs的合成

本发明的第一步在于合成表面覆盖葡聚糖分子的银纳米颗粒(Dex-AgNPs)稳定溶液，以实现对葡萄糖的检测。其化学合成工艺包括以下步骤：1)配置葡聚糖溶液作为主稳定剂、辅还原剂；2)配置葡萄糖溶液作为主还原剂、辅稳定剂；3)配置土伦试剂作为银源，并用氨水滴定，直至被溶物完全溶解；4)按照一定的比例将上述溶液在圆底烧瓶中混合；在60摄氏度油浴温度下持续旋转搅拌；持续1小时后，放置冷却。之后离心清洗掉多余的试剂。

表面覆盖的葡聚糖使银纳米颗粒在室温下可稳定保存2年，无任何沉淀产生。

2.ISFET转换器的制作

本发明也描述了一种ISFET的结构与制作方法。

ISFET器件的主要设计理念是基于MOSFET的工艺结构。设计参数思路基本与MOSFET的设计参数一致。为了使ISFET能够在外加栅极电压较小的情况下工作从而降低功耗，一般将ISFET元件做成微耗尽型或者是微增强型，用这种方式减小元件工作时的阈值电压(接近于零)。因此，挑选材料时，p型硅衬底材料的电阻率、绝缘膜与敏感膜的厚度都是需要慎重考虑的参数。

ISFET敏感探头的设计采取了U型敏感区，目的是增加敏感区的沟道宽长比，以提升器件的灵敏度、响应速度。但是过度的加大宽长比会使器件的尺寸过大，也同时会增加噪声的干扰。因此需要根据生化传感测量的特点，通过反复的加工测试与参数优化，来选择适当的宽长比及设计结构，以保证器件性能的同时，简化器件的封装与制作工艺。

根据所设计的ISFET转换器结构，优化后的ISFET转换器制作工艺如下所示：

(1)清洗已抛光的p-Si片。

(2)一次氧化：热氧化生长厚SiO₂层形成扩磷阻挡层。

(3)光刻与磷扩散：光刻源区和漏区的扩散窗口。浓磷扩散制作源区和漏区。用HF去除SiO₂,再用干氧加湿氧方法氧化生长硼扩散阻挡层。

(4)硼扩散：除栅区外在漏源区之间进行浓硼扩散形成沟道阻挡层，消除从漏到源的任何泄流通路，从而减小漏源泄漏电流。用HF清洗，生成SiO₂。

(5)光刻栅：刻蚀掉栅区SiO₂层。去除光刻胶，再用干氧氧化生长SiO₂薄层，除了栅和电极部分外其余部分生长了两层SiO₂；在SiO₂上用LPCVD方法淀积Si₃N₄绝缘层。

(6)刻引线孔：分两次，分别刻蚀掉电极处的Si₃N₄层和SiO₂层。

(7)蒸铝与反刻、合金：蒸铝形成铝膜，反刻铝膜与合金。

(8)封装。

制成的ISFET转换器结构版图如图4所示。

3.ConA/Dex-AgNPs敏感膜在ISFET转换器上的自组装固定工艺

本发明的第三步是通过纳米自组装工艺，在ISFET转换器(2)的栅区Si₃N₄层表面逐步固定上化学合成的Dex-AgNPs及刀豆球蛋白A(ConA)，从而完成葡萄糖传感器的制作。

其具体步骤如下：

(1)将ISFET转换器的Si₃N₄栅区表面分别用丙酮、酒精浸泡，超声清洗，之后用去离子水大量冲洗。

(2)将清洗好的ISFET转换器浸泡在20mM的1,4-苯硫醇溶液中4小时。

(3)将ISFET转换器取出，用大量酒精冲洗，氮气吹干待用。

(4)将干燥好的ISFET转换器浸泡在Dex-AgNPs溶液中两小时，之后取出用去离子水冲洗氮气吹干。完成Dex-AgNPs在ISFET栅极表面的固定。

(5)将Dex-AgNPs修饰的ISFET器件浸泡在ConA溶液中两小时，之后取出用去离子水冲洗氮气吹干待用。完成ConA/Dex-AgNPs在ISFET栅极表面的固定。

4.传感测量电路

根据ISFET器件的I-V特性和结构特点及低功耗的需求，所设计的传感测量电路(3)如附图5所示。

根据所设计的电路，参比电极与源极之间电压V_RS的变化量(ΔV_RS)与ISFET阈值电压变化量(ΔV_T)一致。而ΔV_T是由葡萄糖浓度决定。因此，通过测量ΔV_RS能够正确反应葡萄糖浓度的变化。

当溶液中的葡萄糖浓度变化引起传感器的阈值电压V_T增大时，V_RS－V_T将减少，则流过传感器的电流将减少，但流过图5中的①②两个节点电流是不变的，而且流入和流出节点②的电流之和为0，因此，必然有电流从节点③流向节点②，以弥补传感器电流的减少，从节点③流向节点②的电流对电容进行充电，使电容上的压降上升，即Vout＝V_RS上升，随着V_RS－V_T逐渐增大，传感器的电流也逐渐增大，从节点③流向节点②的电流逐渐减少，电容充电的速度放慢，当ΔV_RS和ΔV_T相等时，流经传感器的电流恢复恒定，则从节点③流向节点②的电流大小为零，电容的充电停止。传感器阈值电压V_T减小时的分析和上述分析类似。

因此，通过测量ΔV_RS即可得知阈值电压变化量以及溶液中葡萄糖的浓度。

根据葡萄糖传感检测信号特点，单片机接口需求以及低功耗蓝牙BLE传输信号的特点，对电路的结构和元件参数进行了优化。使得电路在实现检测功能的同时，具有低功耗的优点。

5.低功耗单片机，低功耗蓝牙BLE通讯电路及电源控制电路

其他的控制电路模块包括了低功耗单片机(4)、低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)及电源控制电路(6)三个部分。

低功耗单片机(4)将传感测量电路(3)的阈值电压变化量(模拟输出信号)转换为数字信号，同时通过BLE协议进行封装。之后，单片机将封装的信号交给低功耗蓝牙BLE电路模块，通过低功耗蓝牙BLE电路的2.4GHz滤波器和BLE天线与手机的BLE模块之间进行信号的发射与接收。手机端的BLE模块接收到信号后，通过手机的单片机进行处理，可以在手机屏幕进行显示，并可以存储在手机的存储器。同时，可以通过手机的3G/4G网络或者Wifi上传到云端。完成后续的各种医疗诊断功能。

考虑到单片机和低功耗蓝牙BLE均为低功耗工作状态，因此，可选用Ti公司的SOC产品CC2541芯片。CC2541芯片包括了低功耗单片机和低功耗蓝牙BLE通讯芯片，无论运算速度还是功耗，均可完成上述功能的要求。单片机的配置电路和BLE通讯电路(包括2.4GHz滤波器)均可采用标准模式。板载PCB天线需要与传感测量电路完成阻抗匹配以实现最佳通讯传输状态，并且功耗要低。因此对板载PCB天线的结构与尺寸也进行了优化。

所述的电源控制电路(6)，包括了纽扣电池，电源控制电路以及核心控制算法等内容。电源控制电路(6)首先将纽扣电池的输出电压转换为各个模块所需的电压值；其次监控电池的消耗情况和剩余电量，并在电池容量不足时对单片机发出信号，进行报警；最后，在单片机里集成了核心算法，可通过对低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)中的通讯参数、传感器测量电路(3)中的漏源工作电流及栅极工作电压的动态控制来完成整个系统的低功耗控制，并进行低电压提醒。

由上述可知，本发明整个传感检测装置为低功耗装置。由于ISFET转换器、传感器测量电路、低功耗单片机、低功耗蓝牙BLE通讯电路均为低功耗部件，使得整体系统的低功耗成为可能。电源控制电路给各个模块进行不同的电压值供电。同时通过单片机内部的软件算法，可以对能耗进一步进行控制，降低无效的能耗损失。较之于光学和电化学的测量方法，整个测量系统的功耗控制在相当低的水平，达到微瓦级别。

下面列举本发明的实施例之一作为参考：

选取Vds＝160mV为工作电压，选取Ids＝60uA为工作电流，在此工作条件下连接手机进行实际测量。

我们将实验测量池中的溶液依次换为1、5、10、15、20mM的葡萄糖溶液，其测量结果如图6所示。

可以看到，输出的传感器电压信号跟随葡萄糖浓度变化而变化，可以完成葡萄糖浓度的检测功能。

传感器的峰值功率不足10微瓦。由于测量速度很快(小于1s)，因此传感器的功耗很低。而且血糖的测量并非连续测量，间隔时间较长，因此传感器的总功耗会更低。

由于单片机及低功耗蓝牙BLE通讯电路采用CC2541芯片及其标准配置，平均功耗在几百微瓦。结合低功耗葡萄糖传感器构成的葡萄糖移动检测装置整体功耗也在几百微瓦级别，为低功耗系统。低功耗葡萄糖移动检测装置可在一枚纽扣电池的供电下，工作半年以上，可满足日常的葡萄糖检测需求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，包括刀豆球蛋白A/葡聚糖修饰的银纳米颗粒ConA/Dex-AgNPs敏感膜(1)，ISFET转换器(2)，传感器测量电路(3)，低功耗单片机(4)，低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)，电源控制电路(6)；

所述ConA/Dex-AgNPs敏感膜(1)固定在ISFET转换器(2)栅极表面构成低功耗葡萄糖传感器；所述的传感器测量电路(3)与ISFET转换器(2)连接；所述的低功耗单片机(4)与传感器测量电路(3)连接；所述的低功耗单片机(4)与低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)连接；所述的电源控制电路(6)与ISFET转换器(2)、传感器测量电路(3)、低功耗单片机(4)及低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)进行连接；

其中：刀豆球蛋白A/葡聚糖包裹的银纳米颗粒ConA/Dex-AgNPs敏感膜(1)作为敏感材料，使用ISFET转换器(2)将生化传感信号转换为电信号；利用集成电路工艺、纳米合成工艺与纳米自组装工艺来完成传感器件的制作，最终实现葡萄糖的生化传感检测；通过传感器测量电路(3)与低功耗单片机(4)对传感电信号进行处理，并通过低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)与手机进行实时通讯；电源控制电路(6)对所有模块进行供电，并进行低功耗控制。

2.根据权利要求1所述的低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，所述的刀豆球蛋白A/葡聚糖修饰的银纳米颗粒ConA/Dex-AgNPs敏感膜(1)用于与葡萄糖产生生化竞争反应，产生敏感信息；所述的ISFET转换器(2)用于将ConA/Dex-AgNPs与葡萄糖反应产生的敏感信息转化为电信号输出。

3.根据权利要求1所述的低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，所述的ConA/Dex-AgNPs敏感膜(1)固定在ISFET转换器(2)栅极表面。

4.根据权利要求1所述的低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，所述的传感器测量电路(3)对所述的ConA/Dex-AgNPs敏感膜(1)和ISFET转换器(2)构成的葡萄糖传感器的输出电学信号进行提取、放大、滤波，并输送到低功耗单片机(4)。

5.根据权利要求1所述的低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，所述的低功耗单片机(4)用于将所述的传感器测量电路(3)采集到的葡萄糖传感模拟信号转化为数字信号，对此传感信号进行BLE协议封装，并控制所述的低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)与移动设备BLE模块完成通讯功能。

6.根据权利要求1所述的低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，所述的电源控制电路(6)配合低功耗单片机(4)内部集成的算法，用于对所有部件进行电源供给、低电压报警、系统低功耗控制。

7.根据权利要求1-6任一项所述的低功耗葡萄糖移动检测装置，其特征在于，通过低功耗蓝牙BLE通讯电路(5)与带有BLE功能的移动设备进行无线实时通讯。