CN109199400B - 基于微针阵列的血糖电化学传感器 - Google Patents
基于微针阵列的血糖电化学传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，包括：微针阵列电极、参比电极一、参比电极二以及储存有生物识别分子的导电电化学检测区。微针阵列电极刺入皮肤，继而回弹、退出皮肤，在皮肤上形成微孔阵列，随后以参比电极一和微针阵列电极为血糖电渗的正负极通电，人体组织液中血糖分子通过微孔阵列渗出皮肤，储存在电化学检测区内，接着以微针阵列电极为工作电极，参比电极二为对电极，在电化学检测区发生生化反应，产生响应电流，提供血糖分析所需的电流信号，该血糖电化学传感器无需指尖采血，可避免因采血操作不当造成的检测误差，减轻患者的痛感，提高顺从感，实现微针穿刺、血糖电渗提取与电化学检测的器件一体化。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，具体涉及一种基于微针阵列的血糖电化学传感器。
背景技术
随着生活水平的提高，人们对健康问题越来越重视。糖尿病是一种常见的临床疾病，其能引起多种并发症如视网膜病变、肾病、病足等的发生。血糖是诊断糖尿病的唯一标准，在糖尿病的治疗当中，也需要对血糖进行实时监测。
所以，为了方便糖尿病患者的自我血糖检测，随着医疗技术的发展，出现了便携式家庭血糖仪，这类血糖仪采用基于试纸条的血糖电化学传感器，该血糖仪的检测原理是依据血糖仪在插入仪器的血糖试纸电极两端施加一定的恒定电压，该恒定电压可以通过恒电位仪实现。当被测血样吸入电极工作区后，试纸电极表面工作区内的葡萄糖氧化酶与血样中的葡萄糖发生氧化还原反应，经过快速的生化反应后，酶电极试纸产生响应电流，在单片机的控制下采集响应电流信号，从而计算出血糖浓度，并在仪器显示屏上显示结果。
使用上述血糖仪，在检测血糖时需要进行指尖静脉取血，通过试纸条进行检测，对于老年糖尿病患者来说，其过程繁琐，容易操作不当；且对于需要长期监测血糖的患者而言，需要忍受长期的采血痛苦。虽然无损伤血糖仪已经问世，但其价格昂贵。
发明内容
本发明提供了一种基于微针阵列的血糖电化学传感器。
其技术方案如下：
一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，包括：微针阵列电极、参比电极一、参比电极二以及储存有生物识别分子的导电电化学检测区，所述生物识别分子用于识别人体组织液中的血糖分子；
所述微针阵列电极刺入皮肤，继而回弹、退出皮肤，在皮肤上形成微孔阵列，随后所述微针阵列电极作为血糖电渗所需的负极，所述参比电极一作为血糖电渗所需的正极，所述微针阵列电极和所述参比电极一通电，所述血糖分子通过所述微孔阵列渗出皮肤，所述血糖分子接触到所述电化学检测区，进而储存在所述电化学检测区中；
所述电化学检测区含有葡萄糖氧化酶，所述微针阵列电极与所述参比电极二均与所述电化学检测区接触，所述微针阵列电极作为电化学检测所需的工作电极，所述参比电极二作为电化学检测所需的对电极，所述微针阵列电极和所述参比电极二通电，在所述电化学检测区发生生化反应，产生响应电流。
在上述技术方案中，微针阵列以参比电极一和微针阵列电极为血糖电渗的正负极通电，人体组织液中血糖分子通过微针阵列形成的微孔阵列渗出皮肤，储存在电化学检测区内，接着以微针阵列电极为工作电极，参比电极二为对电极，在所述电化学检测区发生生化反应，产生响应电流，提供血糖分析所需的电流信号，该血糖电化学传感器无需指尖采血，可避免因采血操作不当造成的检测误差，减轻患者的痛感，提高顺从感，而且还实现了微针穿刺、血糖电渗提取与电化学检测的器件一体化。
需要说明的是，在本文中，为了便于区分，将所述血糖电化学传感器中的两个参比电极分别称之为参比电极一和参比电极二。
为了能够使得所述血糖电化学传感器贴合皮肤，进一步的，所述血糖电化学传感器还包括柔性基底，所述微针阵列电极、所述参比电极一和所述参比电极二均位于所述柔性基底上。
出于简化所述血糖电化学传感器结构，便于制作的目的，所述微针阵列电极、所述参比电极一以及所述参比电极二的所述通电的具体实现过程为：所述柔性基底上有三个导电层，所述微针阵列电极、所述参比电极一以及所述参比电极二分别与一个所述导电层的一端连接，每个所述导电层的另一端各通过连接导线进而外接恒电位仪。
进一步的，由于水凝胶具有性质柔软，存储量大，与皮肤的相容性好等特性，进一步的，所述储存有生物识别分子的导电电化学检测区具体为：储存有生物识别分子的导电弹性水凝胶；
为了减小所述血糖电化学传感器的体积，所述参比电极二围绕在所述微针阵列电极外围；所述参比电极一围绕在所述参比电极二外围；
所述微针阵列电极与所述参比电极二均与所述电化学检测区接触，具体为：所述导电弹性水凝胶覆盖于所述微针阵列电极和所述参比电极二之上，所述微针阵列电极的针尖位于所述导电弹性水凝胶内部，当所述微针阵列电极受到按压，所述针尖伸出所述导电弹性水凝胶。导电弹性水凝胶与所述微针阵列电极和所述参比电极二的这种结构设计，也能达到简化所述血糖电化学传感器结构，便于制作的目的。
更进一步的，所述血糖电化学传感器还包括位于所述柔性基底上的弹性防渗圈，所述弹性防渗圈位于所述导电弹性水凝胶外围，包围住所述导电弹性水凝胶，且位于所述参比电极一和所述参比电极二之间。
具体的，所述参比电极一和所述参比电极二均为Ag/AgCl电极。需要说明的是，在本文中，Ag/AgCl电极是氯化银电极的英文简称。
具体的，血糖电化学传感器中的微针阵列电极的导电性可以通过如下方式实现：所述微针阵列电极表面镀有导电层或者所述微针阵列电极由微针阵列导电材料制成。
前述所述柔性基底上有三个导电层，所述微针阵列电极、所述参比电极一以及所述参比电极二分别与一个所述导电层的一端连接，每个所述导电层的另一端各通过连接导线进而外接恒电位仪，具体为：
所述柔性基底上有三个导电层，所述三个导电层分别为一个Au导电层和两个Ag导电层；
所述Au导电层一端连接所述微针阵列电极，另一端通过连接导线进而外接恒电位仪；所述两个Ag导电层各自的一端分别连接所述参比电极一和所述参比电极二，所述两个Ag导电层的另一端都分别各自通过连接导线进而外接恒电位仪。
需要说明的是，在本文中英文简称，Ag：银；Au：金。
进一步的，所述血糖电化学传感器有粘贴层，所述粘贴层位于所述柔性基底的背面，用于将所述血糖电化学传感器粘贴在皮肤上；
更进一步的，所述血糖电化学传感器还包括保护层，覆盖于所述导电弹性水凝胶之上，并与所述粘贴层的粘合面贴合，用于保护所述血糖电化学传感器在未使用时不被污染。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于微针阵列的血糖电化学传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例将详细阐述一种基于微针阵列的血糖电化学传感器。
如图1所示，基于微针阵列的血糖电化学传感器，包括：微针阵列电极1、参比电极二2、导电弹性水凝胶3、弹性防渗圈4、参比电极一5、柔性基底6、粘贴层7、Ag导电层8、Au导电层9。在本实施例中，参比电极一5和参比电极二2都是采用Ag/AgCl电极。微针阵列电极1表面镀有与柔性基底6上Au导电层9相同导电材料的导电层。
微针阵列电极1、参比电极一5和参比电极二2均位于柔性基底6上；参比电极二2围绕在微针阵列电极1外围；参比电极一5围绕在参比电极二2外围；导电弹性水凝胶3覆盖于微针阵列电极1和参比电极二2之上，微针阵列电极1的针尖位于导电弹性水凝胶3内部，当微针阵列电极1受到按压，所述针尖伸出导电弹性水凝胶3；
弹性防渗圈4位于导电弹性水凝胶3外围，包围住导电弹性水凝胶3，且位于参比电极一5和参比电极二2之间；
柔性基底6上有三个导电层，所述三个导电层分别为一个Au导电层9和两个Ag导电层8，Au导电层9一端连接微针阵列电极1，另一端通过连接导线进而外接恒电位仪10；两个Ag导电层8分别一端连接参比电极一5、一端连接参比电极二2，两个Ag导电层8的另一端都通过连接导线进而外接恒电位仪10。
血糖电化学传感器还包括保护层，该保护层未在图1中示出，保护层覆盖于导电弹性水凝胶3之上，并与粘贴层7的粘合面贴合。
下面将阐述图1所示基于微针阵列的血糖电化学传感器的制作方法，步骤如下：
(1)使用生物相容性良好的材料在柔性基底6上制作微针阵列电极1；
(2)柔性基底6的特定区域镀上Au导电层9，在步骤(1)制作的微针阵列电极1表面同样镀上与Au导电层9相同导电材料的导电层；
(3)在柔性基底6上制作参比电极一5和参比电极二2；
(4)在柔性基底6的特定区域上镀上两个Ag导电层8；
(5)将包含有葡萄糖氧化酶的导电弹性水凝胶3覆盖到微针阵列电极1和参比电极二2表面，微针阵列电极1的针尖位于导电弹性水凝胶3内部；
(6)使用弹性防渗圈4包围住导电弹性水凝胶3；
(7)未使用时，柔性基底6背面的粘贴层7与柔性基底6正面的保护层粘贴在一起，防止传感器受到污染。
如图1所示的基于微针阵列的血糖电化学传感器制作之后，其使用方法阐述如下：
首先撕下保护层，血糖电化学传感器通过粘贴层7贴紧到皮肤上。通过按压，微针阵列电极1的针尖伸出导电弹性水凝胶3，微针阵列电极1的针尖刺入皮肤，停止按压，微针阵列电极1回弹、退出皮肤，针尖回到导电弹性水凝胶3内部，在皮肤上形成微孔阵列。传感器的Au导电层9和两个Ag导电层8通过导线外接恒电位仪10。以参比电极一5和微针阵列电极1为血糖电渗的正负极，恒电位仪10通过Au导电层9向微针阵列电极1通负电，通过Ag导电层8向参比电极一5通正电，启动血糖电渗，人体组织液中血糖分子通过微针阵列形成的微孔阵列渗出皮肤，储存在导电弹性水凝胶3内，通电一定时间后，断开微针阵列电极1和参比电极一5的电连接，再以微针阵列电极1和参比电极二2分别作为工作电极和对电极，恒电位仪10通过Au导电层9和Ag导电层8向微针阵列电极1和参比电极二2通电，在导电弹性水凝胶3发生生化反应，导电弹性水凝胶3的葡萄糖氧化酶与血糖分子中的葡萄糖发生氧化还原反应，经过快速的生化反应后，产生响应电流，提供血糖分析所需的响应电流信号。
血糖仪可以在单片机的控制下采集本实施例中血糖电化学传感器提供的响应电流信号，从而计算出血糖浓度，并在血糖仪显示屏上显示结果。
本发明实施例中，基于微针阵列的血糖电化学传感器无需指尖采血，可避免因采血操作不当造成的检测误差，减轻患者的痛感，提高顺从感，而且还实现了微针穿刺、血糖电渗提取与电化学检测的器件一体化。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
包括：微针阵列电极、参比电极一、参比电极二以及储存有生物识别分子的导电电化学检测区，所述生物识别分子用于识别人体组织液中的血糖分子；
所述微针阵列电极刺入皮肤，继而回弹、退出皮肤，在皮肤上形成微孔阵列，随后所述微针阵列电极作为血糖电渗所需的负极，所述参比电极一作为血糖电渗所需的正极，所述微针阵列电极和所述参比电极一通电，所述血糖分子通过所述微孔阵列渗出皮肤，所述血糖分子接触到所述电化学检测区，进而储存在所述电化学检测区中；
所述电化学检测区含有葡萄糖氧化酶，所述微针阵列电极与所述参比电极二均与所述电化学检测区接触，所述微针阵列电极作为电化学检测所需的工作电极，所述参比电极二作为电化学检测所需的对电极，所述微针阵列电极和所述参比电极二通电，在所述电化学检测区发生生化反应，产生响应电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述血糖电化学传感器还包括柔性基底，所述微针阵列电极、所述参比电极一和所述参比电极二均位于所述柔性基底上；
所述微针阵列电极、所述参比电极一以及所述参比电极二的所述通电的具体实现过程为：所述柔性基底上有三个导电层，所述微针阵列电极、所述参比电极一以及所述参比电极二分别与一个所述导电层的一端连接，每个所述导电层的另一端各通过连接导线进而外接恒电位仪。
3.根据权利要求2所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述储存有生物识别分子的导电电化学检测区具体为：储存有生物识别分子的导电弹性水凝胶；
所述参比电极二围绕在所述微针阵列电极外围；
所述参比电极一围绕在所述参比电极二外围；
所述微针阵列电极与所述参比电极二均与所述电化学检测区接触，具体为：所述导电弹性水凝胶覆盖于所述微针阵列电极和所述参比电极二之上，所述微针阵列电极的针尖位于所述导电弹性水凝胶内部，当所述微针阵列电极受到按压，所述针尖伸出所述导电弹性水凝胶。
4.根据权利要求3所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述血糖电化学传感器还包括位于所述柔性基底上的弹性防渗圈，所述弹性防渗圈位于所述导电弹性水凝胶外围，包围住所述导电弹性水凝胶，且位于所述参比电极一和所述参比电极二之间。
5.根据权利要求4所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述参比电极一和所述参比电极二均为Ag/AgCl电极。
6.根据权利要求5所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述微针阵列电极表面镀有导电层或者所述微针阵列电极由微针阵列导电材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述柔性基底上有三个导电层，所述微针阵列电极、所述参比电极一以及所述参比电极二分别与一个所述导电层的一端连接，每个所述导电层的另一端各通过连接导线进而外接恒电位仪，具体为：
所述柔性基底上有三个导电层，所述三个导电层分别为一个Au导电层和两个Ag导电层；
所述Au导电层一端连接所述微针阵列电极，另一端通过连接导线进而外接恒电位仪；所述两个Ag导电层分别一端连接所述参比电极一、一端连接所述参比电极二，所述两个Ag导电层的另一端都分别通过连接导线进而外接恒电位仪。
8.根据权利要求7所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述血糖电化学传感器有粘贴层，所述粘贴层位于所述柔性基底的背面，用于将所述血糖电化学传感器粘贴在皮肤上。
9.根据权利要求8所述的一种基于微针阵列的血糖电化学传感器，其特征在于，
所述血糖电化学传感器还包括保护层，覆盖于所述导电弹性水凝胶之上，并与所述粘贴层的粘合面贴合，用于保护所述血糖电化学传感器在未使用时不被污染。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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