CN107898467A - 用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，包括有并排连接的2个以上结构相同的四电极模块单元，每一个四电极模块单元均包括有能够粘合在皮肤上的PI/PDMS基底，以及分别设置在PI/PDMS基底上的用于抽取皮肤内细胞间质液和用于采集细胞间质液中葡萄糖浓度的参比电极、工作电极、抽取电极和辅助电极，参比电极、工作电极、抽取电极和辅助电极分别通过信号线连接外部设备。本发明具有体积小、精度高的优点，本发明可以在微弱电场的条件下使皮肤表层形成离子传输微流体通道以实现对细胞间质液的透皮抽取，同时还可以原位、实时测量抽取出的细胞间质液中葡萄糖的浓度，实现细胞间质液透皮抽取和测量的一体化。

Description

用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统
技术领域
本发明涉及一种柔性表皮微流体采集系统。特别是涉及一种用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，饮食结构的变化以及生活方式的改变，人口老龄化以及肥胖发生率的增加，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。连续血糖监测对糖尿病诊治的重要意义越来越被人们所认识。如果能对患者进行无痛而又不间断的连续血糖监测，提供更为密切的血糖浓度连续变化的数据，就能够反映患者的血糖“全貌”，测量出那些被忽略的血糖信息，揭示出隐藏的血糖状态，发现那些无自觉症状的反复低血糖发作、黎明现象和高血糖的峰值等，为拟定更加合理﹑个体化的降糖治疗方案，提供有价值的临床依据，从而更好地指导糖尿病的治疗。
目前的血糖监测多采用快速指尖采血来检测血糖。由于检测方法的限制，血糖监测只能在孤立的时间点完成，其结果反映的是一天中某几个时刻的瞬间血糖。然而，瞬间血糖浓度容易受运动、饮食、药物、情绪波动等诸多因素的影响，存在着一定的片面性和不准确性。为了更全面地反映人体血糖浓度的变化，就必须实现血糖浓度的连续检测。无创和微创检测技术使得血糖浓度的连续检测成为可能。无创血糖检测技术不需要提取血液等体内物质，不需要将传感器植入皮下，依靠光与人体特定部位组织的相互作用来检测病人体内血糖浓度的变化，是最理想的人体血糖检测方法。微创血糖浓度检测技术是通过将传感器植入皮下或通过细胞间质液透皮抽取的方法来测量人体细胞间质液中葡萄糖浓度，再根据细胞间质液中葡萄糖浓度与血液中葡萄糖浓度的关系得到血液中葡萄糖浓度。微创血糖检测技术在最大限度地减少创伤的基础上，可实现人体血糖浓度的动态、连续监测，技术原理相对简单，具有可实现性强、使用方便、测量速度快等特点。
近年来有人发明制作了植入式的血糖连续监测设备，通过将葡萄糖传感器植入皮下，在皮下组织实现对细胞间质液中葡萄糖浓度的检测，来计算得到血糖的浓度。但是这种设备的使用有一系列的问题，例如，植入式传感器不可避免的给人体带来创伤，使人体产生不舒服的感觉；而植入的传感器由于是在复杂的生物环境中使用，随着时间的推移，在传感器表面会不断的吸附蛋白质等物质，这些物质会阻碍传感器对葡萄糖的检测，使得检测得到的结果发生漂移，这就需要不断的采用采血校准的方法来矫正传感器的检测结果，加深了被检测者的痛苦，而蛋白质的吸附会不断进行，直至传感器完全不能工作，而这个过程最多也就几天，这大大限制了传感器的使用寿命，影响了传感器的检测精度。
现在还有人利用微流控芯片来实现对细胞间质液的透皮抽取，然后利用各种方法来实现对抽取的细胞间质液的葡萄糖浓度的测量。这种方法虽然也能够得到血糖浓度，但是存在很多问题。首先其抽取得到的细胞间质液是以液滴的形式存在于皮肤表面，很难收集，通常需要用缓冲液对其进行稀释，然后再进行测量，这就需要知道所抽取的细胞间质液的体积，才能计算得到相应的葡萄糖浓度，增加了测量的复杂程度和误差；其次用微流控芯片抽取细胞间质液，需要将液体转移后才能完成测量，在液体的转移过程中，不可避免的会损失一些，这就会造成测量结果出现较大的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现细胞间质液透皮抽取和原位、实时测量抽取出的细胞间质液中的葡萄糖的柔性表皮微流体采集系统.
本发明所采用的技术方案是：一种用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，包括有并排连接的2个以上结构相同的四电极模块单元，每一个四电极模块单元均包括有能够粘合在皮肤上的PI/PDMS基底，以及分别设置在所述的PI/PDMS基底上的用于抽取皮肤内细胞间质液和用于采集细胞间质液中葡萄糖浓度的参比电极、工作电极、抽取电极和辅助电极，所述的参比电极、工作电极、抽取电极和辅助电极分别通过信号线连接外部设备。
所述的抽取电极和辅助电极共同构成对皮肤内细胞间质液的透皮抽取的抽取电极对，所述抽取电极对在外部设备的控制下使皮肤形成离子传输微流体通道，从而形成表皮微流体系统，实现细胞间质液的透皮抽取；所述的参比电极、工作电极和抽取电极共同构成对细胞间质液中葡萄糖浓度进行检测的电化学传感器，在外部设备的控制下实现对抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的原位、实时采集。
2个以上结构相同的四电极模块单元之间的连接是通过相邻的2个PI/PDMS基底相连，是采用能够将2个相连的四电极模块单元撕分开的连接结构。
所述的PI/PDMS基底为能够使所述的参比电极、工作电极、抽取电极和辅助电极与皮肤紧密相连并随着皮肤的形变而形变的柔性基底。
用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统并排设置有7个四电极模块单元。
本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，具有体积小、精度高的优点，其中两个电极可以在微弱电场的条件下使皮肤表层形成离子传输微流体通道以实现对细胞间质液的透皮抽取，同时其中三个电极构成传感器可以原位、实时测量抽取出的细胞间质液中葡萄糖的浓度，实现细胞间质液透皮抽取和测量的一体化，并解决抽取过程中电极与皮肤的粘合问题以及长时间抽取造成的皮肤过敏等问题。本发明具有如下优点：
1、将表皮微流体采集系统的四电极模块制作在柔性衬底上，利用柔性衬底的性质，让电极随着皮肤的形变而形变，使电极与皮肤紧密相连，从而避免由于相对运动使电极与皮肤脱离而导致的抽取不连续，提升细胞间质液的透皮抽取效果，同时避免由于人体运动而导致的皮肤与传感器相对位移，提升葡萄糖测量的准确性。
2、柔性表皮微流体采集系统利用四电极模块单元中的两个电极构成细胞间质液抽取电极对，在微弱电场的条件下使皮肤表层形成离子传输微流体通道以实现对细胞间质液的透皮抽取，又通过三个电极构成传感器实现对抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的原位、实时测量，实现了细胞间质液透皮抽取和测量抽取的细胞间质液中葡萄糖浓度的一体化，原位测量能够避免由于输运产生液体流失而导致的测量结果不准确。
3、柔性表皮微流体采集系统是由七个四电极模块单元形成的阵列式系统，每天使用1个四电极模块单元，第二天撕下第一天已使用过的单元，利用新的四电极模块单元工作，能实现7天的连续测量。这相当于每天的测试位置有细微的差别，这种细微的差别即可形容为利用换位测量的方式，这种方式可以有效的降低由于长时间抽取细胞间质液而导致的皮肤过敏现象。
附图说明
图1是本发明用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统的整体结构示意图；
图2是本发明中四电极模块单元的整体结构示意图；
图3是本发明使用时的部分结构示意图。
1：四电极模块单元 2：PI/PDMS基底
3.1：参比电极 3.2：工作电极
3.3：抽取电极 3.4：辅助电极
4：信号线 5：皮肤
6：离子传输微流体通道
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统做出详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，包括有并排连接的2个以上结构相同的四电极模块单元1。每一个四电极模块单元1均包括有能够粘合在皮肤5上的PI/PDMS基底2，以及分别设置在所述的PI/PDMS基底2上的用于抽取皮肤5)内细胞间质液和用于采集细胞间质液中葡萄糖浓度的参比电极3.1、工作电极3.2、抽取电极3.3和辅助电极3.4，所述的参比电极3.1、工作电极3.2、抽取电极3.3和辅助电极 3.4分别通过信号线4连接外部设备。2个以上结构相同的四电极模块单元1之间的连接是通过相邻的2个PI/PDMS基底2相连，是采用能够将2个相连的四电极模块单元1撕分开的连接结构。
所述的PI/PDMS基底2为能够使所述的参比电极3.1、工作电极3.2、抽取电极3.3和辅助电极3.4与皮肤紧密相连并随着皮肤的形变而形变的柔性基底。柔性基底避免了由于相对运动使电极与皮肤脱离而导致的抽取不连续，从而提升细胞间质液的透皮抽取效果，也避免了由于人体运动而导致的皮肤与传感器相对位移，提升葡萄糖测量的准确性。
所述的抽取电极3.3和辅助电极3.4共同构成对皮肤5内细胞间质液的透皮抽取的抽取电极对，所述抽取电极对在外部设备的控制下使皮肤5形成离子传输微流体通道6，从而形成表皮微流体系统，实现细胞间质液的透皮抽取；所述的参比电极3.1、工作电极3.2和抽取电极3.3共同构成对细胞间质液中葡萄糖浓度进行检测的电化学传感器，在外部设备的控制下实现对抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的原位、实时采集。
本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，通过四电极结构实现了细胞间质液透皮抽取和原位、实时测量抽取的细胞间质液中葡萄糖浓度的一体化，原位测量避免了由于输运产生液体流失而导致的测量结果不准确。三个发明利用PI/PDMS基底具有柔性的性质使四电极模块单元与皮肤很好的粘合，从而提升细胞间质液的抽取效果和葡萄糖测量的准确性。本发明实施例中的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统并排设置有7个四电极模块单元1。每天使用1个四电极模块单元，第二天撕下第一天已使用过的单元，利用新撕下的四电极模块单元进行测量，能实现7天的连续测量，通过利用每天换位测量的方式，降低由于长时间抽取细胞间质液而导致的皮肤过敏。
本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，所述的参比电极3.1、抽取电极3.3和辅助电极3.4的结构相同，均为在PI/PDMS基底2上设置的一层Ag/AgCl电极，所述的工作电极3.2的结构是在PI/PDMS基底2上由下至上依次设置的一层基底电极金、一层石墨烯修饰层、一层铂纳米颗粒修饰层和固定的葡萄糖氧化酶。
本发明中的四电极模块单元具体制作是：首先利用喷墨打印的方式在PI/PDMS基底2上打印一层金属银，然后利用三氯化铁溶液对银电极进行氯化处理，得到参比电极3.1、抽取电极3.3和辅助电极3.4。接着用喷墨打印的方式在PI/PDMS基底上打印一层金属金作为工作电极3.2的基底电极，然后再在金属金上用喷墨打印的方式修饰一层石墨烯和一层铂纳米颗粒，然后固定葡萄糖氧化酶构成工作电极3.2，即完成整个四电极模块单元的制作。
本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统的工作过程是：第一天使用第一个四电极模块单元，首先利用四电极模块单元中的抽取电极3.3和辅助电极3.4与皮肤构成的离子传输微流体通道6对细胞间质液进行透皮抽取，再利用四电极模块单元中由参比电极 3.1、工作电极3.2和抽取电极3.3构成的电化学传感器对抽取出的细胞间质液中的葡萄糖进行采集；第二天撕掉前一天用过的四电极模块单元，用新撕下的四电极模块单元实现对细胞间质液的抽取和对抽取的细胞间质液中的葡萄糖浓度的采集；以次类推直到完成7天的连续检测。
通过四电极模块单元中的抽取电极3.3和辅助电极3.4与皮肤构成离子传输微流体通道6 对细胞间质液进行透皮抽取：如图3所示，将四电极模块单元与皮肤粘合好后，给四电极模块单元中的抽取电极3.3和辅助电极3.4加上0.3mA的电流，在电场的作用下，在皮肤5中形成离子传输微流体通道6，细胞间质液即可通过该离子传输微流体通道6从皮下被抽取出来，使得葡萄糖随细胞间质液聚集到抽取电极3.3表面，每次抽取时间为3分钟。
对抽取细胞间质液中的葡萄糖浓度的检测：这里的检测体系是四电极模块单元中的参比电极3.1、工作电极3.2和抽取电极3.3共同形成的电化学传感器，如图2所示，抽取过程完成之后，给工作电极3.2加上相对于参比电极3.1为-0.2V的电压，并使得工作电极3.2与抽取电极3.3之间形成测量回路，葡萄糖氧化酶特异性催化葡萄糖的分解，在恒电势下电化学反应中电子的转移速率即电化学反应中的电流与待测液中葡萄糖的浓度成正比，通过检测该电流(即3.2与3.3之间的电流)的大小就可以获得待测液中葡萄糖的浓度。
本发明的本发明的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，提出了一种新的微流体系统，即在电场的作用下，通过抽取电极3.3和辅助电极3.4使皮肤5形成离子传输微流体通道6，从而构成表皮微流体系统。同时该系统提出了一种新的电极模块即四电极模块单元，该四电极模块单元将抽取电极和传感器电极集成在一块，利用两个电极构成细胞间质液抽取电极对(即抽取电极3.3和辅助电极3.4)，在微弱电场的条件下使皮肤表层形成离子传输微流体通道6以实现对细胞间质液的透皮抽取，又通过三个电极(即参比电极3.1、工作电极3.2和抽取电极3.3)构成电化学传感器实现对抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的原位、实时测量，实现了细胞间质液透皮抽取和原位、实时测量抽取的细胞间质液中葡萄糖浓度的一体化，原位测量能够避免由于输运产生液体流失而导致的测量结果不准确。该系统将电极制作在柔性衬底上，通过柔性衬底的性质，使得电极与皮肤紧密相连，随着皮肤的形变而形变，从而避免由于相对运动使电极与皮肤脱离而导致的抽取不连续，提升细胞间质液的透皮抽取效果，同时避免由于人体运动而导致的皮肤与传感器相对位移，提升葡萄糖测量的准确性。每天使用1个四电极模块单元，相当于每天的测试位置有细微的差别，这种细微的差别即可形容为利用换位测量的方式，这种方式可以有效的降低由于长时间抽取细胞间质液而导致的皮肤过敏现象。
本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本发明所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (5)

1.一种用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，其特征在于，包括有并排连接的2个以上结构相同的四电极模块单元(1)，每一个四电极模块单元(1)均包括有能够粘合在皮肤(5)上的PI/PDMS基底(2)，以及分别设置在所述的PI/PDMS基底(2)上的用于抽取皮肤(5)内细胞间质液和用于采集细胞间质液中葡萄糖浓度的参比电极(3.1)、工作电极(3.2)、抽取电极(3.3)和辅助电极(3.4)，所述的参比电极(3.1)、工作电极(3.2)、抽取电极(3.3)和辅助电极(3.4)分别通过信号线(4)连接外部设备。
2.根据权利要求1所述的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，其特征在于，所述的抽取电极(3.3)和辅助电极(3.4)共同构成对皮肤(5)内细胞间质液的透皮抽取的抽取电极对，所述抽取电极对在外部设备的控制下使皮肤(5)形成离子传输微流体通道(6)，从而形成表皮微流体系统，实现细胞间质液的透皮抽取；所述的参比电极(3.1)、工作电极(3.2)和抽取电极(3.3)共同构成对细胞间质液中葡萄糖浓度进行检测的电化学传感器，在外部设备的控制下实现对抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的原位、实时采集。
3.根据权利要求1所述的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，其特征在于，2个以上结构相同的四电极模块单元(1)之间的连接是通过相邻的2个PI/PDMS基底(2)相连，是采用能够将2个相连的四电极模块单元(1)撕分开的连接结构。
4.根据权利要求1或3所述的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，其特征在于，所述的PI/PDMS基底(2)为能够使所述的参比电极(3.1)、工作电极(3.2)、抽取电极(3.3)和辅助电极(3.4)与皮肤紧密相连并随着皮肤的形变而形变的柔性基底。
5.根据权利要求1所述的用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统，其特征在于，用于葡萄糖连续检测的柔性表皮微流体采集系统并排设置有7个四电极模块单元(1)。
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