CN109655513A - 一种自校准葡萄糖连续监测系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自校准葡萄糖连续监测系统，包括薄膜基底，还包括设置于所述薄膜基底上的以下部件：用于抽取皮肤内细胞间液的细胞间液抽取电极和细胞间液抽取辅助电极；用于测量抽取出的细胞间液中葡萄糖浓度的葡萄糖传感器工作电极和葡萄糖传感器参比电极/对电极；用于测量抽取出的细胞间液中钠离子浓度的细胞间液钠离子传感器工作电极和差分钠离子传感器参比电极；用于测量汗液中钠离子浓度的汗液钠离子传感器工作电极和差分钠离子传感器参比电极；用于增强系统与皮肤的亲和性的Nafion半透膜层。本发明还公开了监测系统的制备方法。该系统采用了差分的结构，该结构能消除自然流汗对测量结果的影响，从而是测量结果更为准确可靠。

Description

一种自校准葡萄糖连续监测系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及葡萄糖监测技术领域，特别是涉及一种自校准葡萄糖连续监测系统及其制备方法。

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。

现已有人提出通过微创血糖浓度检测技术实现血糖浓度的连续监测。该技术是通过将传感器植入皮下或通过细胞间液透皮抽取的方法来测量人体细胞间液中葡萄糖浓度，再根据细胞间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液的透皮抽取，然后利用各种方法来实现对抽取的细胞间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。

本研究小组先前提出通过柔性表皮微流体采集系统来实现对皮下细胞间液的透皮抽取和原位测量，进而预测血糖浓度。该方法虽然能够实现对皮下细胞间液的透皮抽取和葡萄糖浓度的连续监测，但是由于个体差异的原因，不同的人及同一个人不同位置的皮肤都具有不同的特性，且皮肤的性质会随着时间逐渐发生变化，这会导致抽取出的细胞间液的体积不同进而影响测量精度。而且自然出汗等因素也会影响测量精度。只有解决这两个问题，才能正在实现准确的连续血糖监测。

发明内容

本发明为解决背景技术中的技术问题，提供一种自校准葡萄糖连续监测系统及其制备方法，以实现精确的连续血糖监测。

本发明所采用的技术方案是：一种自校准葡萄糖连续监测系统，包括薄膜基底，还包括设置于所述薄膜基底上的以下部件：

用于抽取皮肤内细胞间液的细胞间液抽取电极和细胞间液抽取辅助电极；

用于测量抽取出的细胞间液中葡萄糖浓度的葡萄糖传感器工作电极和葡萄糖传感器参比电极/对电极；

用于测量抽取出的细胞间液中钠离子浓度的细胞间液钠离子传感器工作电极和差分钠离子传感器参比电极；

用于测量汗液中钠离子浓度的汗液钠离子传感器工作电极和差分钠离子传感器参比电极；

用于增强系统与皮肤的亲和性的Nafion半透膜层；

其中，所述细胞间液抽取电极、细胞间液抽取辅助电极、葡萄糖传感器工作电极、葡萄糖传感器参比电极/对电极、细胞间液钠离子传感器工作电极、汗液钠离子传感器工作电极和差分钠离子传感器参比电极分别通过电极引线连接外部设备。

所述葡萄糖传感器工作电极自下而上由薄膜基底、基底电极金层、石墨烯层、铂纳米颗粒层、葡萄糖氧化酶层以及Nafion半透膜层构成。

所述钠离子传感器工作电极、汗液钠离子传感器工作电极均由自下而上的薄膜基底、基底电极金层、聚3,4-乙烯二氧噻吩层、钠离子选择膜和Nafion半透膜层构成。

所述差分钠离子传感器参比电极由自下而上的薄膜基底、基底电极金层、钠离子参比膜和Nafion半透膜层构成。

所述薄膜基底为柔性薄膜，由聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任一种材质构成。

所述电极引线采用金、银、铜中的任一种导电材料。

本发明的第二个技术方案是一种自校准葡萄糖连续监测系统的制备方法，包括如下步骤：

1)首先利用喷墨打印的方式在薄膜基底上打印一层金属银；

2)利用三氯化铁溶液对银电极进行氯化处理，得到参比电极/对电极：

3)用喷墨打印的方式在薄膜基底上打印一层金属金作为葡萄糖传感器工作电极、差分钠离子传感器工作电极、参比电极、辅助电极的基底电极；

4)在葡萄糖传感器工作电极的基底电极金层上用喷墨打印的方式依次修饰一层石墨烯层、一层铂纳米颗粒层和一层葡萄糖氧化酶层；

5)然后利用电镀的方式在钠离子工作电极的基底电极金层上修饰一层聚3,4-乙烯二氧噻吩层；

6)将钠离子选择膜滴到钠离子工作电极的电极表面，待自然干透后利用Nafion溶液涂覆到电极表面，即完成系统的制作。

有益效果

本发明具有如下优点：

1、该系统是加工在聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性基底上的，能够贴附于人体皮肤表面并随皮肤变形而变形，能对皮下细胞间液进行透皮抽取和原位测量，实现连续血糖监测。

2、该系统能同时实现对细胞间液的透皮提取和对提取出的钠离子、葡萄糖的量进行原位测量，原位测量能避免漏液等情况，使测量结果更加准确。

3、该系统能利用抽取出的钠离子的量计算获得抽取出的细胞间液的体积，从而校正测量获得的葡萄糖的浓度，能避免因个体差异、皮肤特性变化而导致的每次细胞间液抽取体积变化的问题，使测量结果更为准确可靠。

4、该系统采用了差分的结构，该结构能消除自然流汗对测量结果的影响，从而是测量结果更为准确可靠。

附图说明

图1是本发明基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统的结构示意图；

图2是本发明中葡萄糖传感器工作电极的结构示意图；

图3是本发明中差分钠离子传感器工作电极的结构示意图；

图4是本发明中差分钠离子传感器参比电极的结构示意图。

附图标记：1-薄膜基底，2-葡萄糖传感器工作电极，3-葡萄糖传感器参比电极/对电极、细胞间液抽取电极，4a-细胞间液钠离子传感器工作电极，4b-汗液钠离子传感器工作电极，5-差分钠离子传感器参比电极，6-细胞间液抽取辅助电极，7-Nafion半透膜层，8-基底电极金层，9-石墨烯层，10-铂纳米颗粒层，11-葡萄糖氧化酶层，12-聚3,4-乙烯二氧噻吩层，13-钠离子选择膜，14-钠离子参比膜，15-电极引线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种自校准葡萄糖连续监测系统及其实施方法做出详细说明。

如图1所示，本发明为一种自校准葡萄糖连续监测系统，包括有能够粘合在人体皮肤上的薄膜基底1，以及分别设置在所述薄膜基底1上的用于抽取皮肤内细胞间液的细胞间液抽取电极3和细胞间液抽取辅助电极6、用于测量抽取出的细胞间液中葡萄糖浓度的葡萄糖传感器工作电极2和参比电极/对电极3、用于测量抽取出的细胞间液中钠离子浓度的细胞间液钠离子传感器工作电极4a和差分钠离子传感器参比电极5、用于测量汗液钠离子浓度的汗液钠离子传感器工作电极4b和差分钠离子传感器参比电极5、用于增强系统与皮肤的亲和性的Nafion半透膜层7，所述细胞间液抽取电极3、细胞间液抽取辅助电极6、葡萄糖传感器工作电极2、葡萄糖传感器参比电极/对电极3、细胞间液钠离子传感器工作电极4a、汗液钠离子传感器工作电极4b和差分钠离子传感器参比电极5分别通过电极引线15连接外部设备。

如图2所示，本发明的葡萄糖传感器工作电极2由自下而上的薄膜基底1、基底电极金层8、石墨烯层9、铂纳米颗粒层10、葡萄糖氧化酶层11以及Nafion半透膜层7构成。如图3所示，本发明的差分钠离子传感器工作电，即钠离子传感器工作电极4a和汗液钠离子传感器工作电极4b，均由自下而上的聚酰亚胺薄膜基底1、基底电极金层8、聚3,4-乙烯二氧噻吩层12、钠离子选择膜13和Nafion半透膜层7构成。如图4所示，本发明的差分钠离子传感器参比电极5，由自下而上的聚酰亚胺薄膜基底1、基底电极金层8、钠离子参比膜14和Nafion半透膜层7构成。

所述薄膜基底1为能够使所述的细胞间液抽取电极3、细胞间液抽取辅助电极6、葡萄糖传感器工作电极2、参比电极/对电极3、钠离子传感器工作电极4a、4b和参比电极5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。该薄膜基底为聚酰亚胺薄膜基底，也可以是聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性薄膜。

基本原理

抽取电极3和辅助电极6共同构成对皮肤内细胞间液透皮抽取的抽取电极对，抽取电极对在外部设备的控制下实现细胞间液的透皮抽取。工作电极2和参比电极/对电极3共同构成对细胞间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液中葡萄糖浓度的原位、实时测量。工作电极4a和参比电极5共同构成对细胞间液中钠离子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液中钠离子浓度的原位、实时测量。工作电极4b和参比电极5共同构成对自然排出的汗液中的钠离子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自然排出的汗液中钠离子浓度的原位、实时测量。

本发明自校准葡萄糖连续监测系统，实现了细胞间液透皮抽取和原位、实时测量抽取的细胞间液中葡萄糖浓度、钠离子浓度的一体化，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。发明利用聚酰亚胺基底具有柔性的性质使器件与皮肤很好的粘合，从而提升细胞间液的抽取效果和测量的准确性。

本发明利用差分钠离子传感器测量抽取出细胞间液部位的钠离子增量，计算得到增加液体体积，同时在相邻部位测量得到自然流汗产生的钠离子增量，计算得到自然流汗的汗液体积，于是计算得出抽取出的细胞间液的体积，以此来校正测量得到的葡萄糖的浓度，使得测量结果更为准确。

本发明中的基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统具体制作是：首先利用喷墨打印的方式在薄膜基底1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/对电极3。接着用喷墨打印的方式在薄膜基底1上打印一层金属金作为葡萄糖传感器工作电极2、差分钠离子传感器工作电极4a和4b、参比电极5、辅助电极6的基底电极8，再在葡萄糖传感器工作电极2的基底电极金层8上用喷墨打印的方式依次修饰一层石墨烯层9、一层铂纳米颗粒层10和一层葡萄糖氧化酶层11。然后利用电镀的方式在钠离子传感器工作电极4a和4b的基底电极金层8上修饰一层聚3,4-乙烯二氧噻吩层12。之后将钠离子选择膜13滴到钠离子工作电极4a和4b的电极表面，待自然干透后利用Nafion溶液涂覆到电极表面，即完成系统的制作。

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 (7)

1.一种自校准葡萄糖连续监测系统，包括薄膜基底(1)，其特征在于，还包括设置于所述薄膜基底(1)上的以下部件：

用于抽取皮肤内细胞间液的细胞间液抽取电极(3)和细胞间液抽取辅助电极(6)；

用于测量抽取出的细胞间液中葡萄糖浓度的葡萄糖传感器工作电极(2)和葡萄糖传感器参比电极/对电极(3)；

用于测量抽取出的细胞间液中钠离子浓度的细胞间液钠离子传感器工作电极(4a)和差分钠离子传感器参比电极(5)；

用于测量汗液中钠离子浓度的汗液钠离子传感器工作电极(4b)和差分钠离子传感器参比电极(5)；

用于增强系统与皮肤的亲和性的Nafion半透膜层(7)；

其中，所述细胞间液抽取电极(3)、细胞间液抽取辅助电极(6)、葡萄糖传感器工作电极(2)、葡萄糖传感器参比电极/对电极(3)、细胞间液钠离子传感器工作电极(4a)、汗液钠离子传感器工作电极(4b)和差分钠离子传感器参比电极(5)分别通过电极引线(15)连接外部设备。

2.根据权利要求1所述的基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统，其特征在于，所述葡萄糖传感器工作电极(2)自下而上由薄膜基底(1)、基底电极金层(8)、石墨烯层(9)、铂纳米颗粒层(10)、葡萄糖氧化酶层(11)以及Nafion半透膜层(7)构成。

3.根据权利要求1所述的基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统，其特征在于，所述钠离子传感器工作电极(4a)、汗液钠离子传感器工作电极(4b)均由自下而上的薄膜基底(1)、基底电极金层(8)、聚3,4-乙烯二氧噻吩层(12)、钠离子选择膜(13)和Nafion半透膜层(7)构成。

4.根据权利要求1所述的基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统，其特征在于，所述差分钠离子传感器参比电极(5)由自下而上的薄膜基底(1)、基底电极金层(8)、钠离子参比膜(14)和Nafion半透膜层(7)构成。

5.根据权利要求1所述的基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统，其特征在于，所述薄膜基底(1)为柔性薄膜，由聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任一钟材质构成。

6.根据权利要求1所述的基于差分钠离子传感器的自校准葡萄糖连续监测系统，其特征在于，所述电极引线(8)采用金、银、铜中的任一种导电材料。

7.根据权利要求1至7中任一项所述的一种自校准葡萄糖连续监测系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先利用喷墨打印的方式在薄膜基底上打印一层金属银；

2)利用三氯化铁溶液对银电极进行氯化处理，得到参比电极/对电极：

3)用喷墨打印的方式在薄膜基底上打印一层金属金作为葡萄糖传感器工作电极、差分钠离子传感器工作电极、参比电极、辅助电极的基底电极；

4)在葡萄糖传感器工作电极的基底电极金层上用喷墨打印的方式依次修饰一层石墨烯层、一层铂纳米颗粒层和一层葡萄糖氧化酶层；

5)然后利用电镀的方式在钠离子工作电极的基底电极金层上修饰一层聚3,4-乙烯二氧噻吩层；

6)将钠离子选择膜滴到钠离子工作电极的电极表面，待自然干透后利用Nafion溶液涂覆到电极表面，即完成系统的制作。