CN109893140A - 一种针形酶传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针形酶传感器，包括金属针体、绝缘层、第一电极、第二电极和酶层；在所述金属针体的表面上设置有绝缘层，所述第一电极和第二电极沿所述金属针体的纵向延伸，且所述第一电极和第二电极沿所述金属针体的周向在所述绝缘层的表面上间隔设置，彼此绝缘，所述第一电极和第二电极靠近所述金属针体的针尖的一端到所述针尖的距离相等，所述第一电极或第二电极上设置有酶层。本发明的针形酶传感器中的第一电极和第二电极刺入皮下深度相同，测量的是相同深度的组织间液的葡萄糖浓度，因而测量误差更小，测量结果更精确。

Description

一种针形酶传感器

技术领域

本发明涉及血糖测试技术领域，特别是指一种针形酶传感器。

背景技术

人们对血糖的监测主要是有指血测试的血糖仪，但指血测试的血糖仪不能连续监测。为了对糖尿病人实现连续的监护和依据连续监测的数据实现健康管理，需要有一种连续监测血糖的血糖仪。由于它的诸多优势，连续血糖仪是糖尿病人的血糖监测的必然趋势。现有技术中有一种连续监测血糖的血糖仪通过植入皮下的传感器就可以连续监测了，具体为：通过把葡萄糖传感器植入皮下，来监测组织间液中的葡萄糖浓度，并通过组织间液中的葡萄糖浓度和血糖浓度的对应关系来得到血糖的浓度。

专利US8828201B2公开了一种针形传感器，如图1a所示，包括第一电极112，第一绝缘层104，第二绝缘层122，第二电极124，参比电极114，针体110。其特点是三电极和他们中间的绝缘层是从核心为圆形的针体110向外一层接一层全周覆盖上去的，每个电极露出部分是沿针的纵向梯次排布露出的。如图1b所示，现有的针形传感器的3D图。这个针形传感器就有3个问题：1)不同电极刺入皮下深度不同，所测的组织间液的待测物在皮下不同深度的浓度有很大差别，使得测量结果不准确；2)多层膜沿针纵向阶梯排列，电极之间需要留有足够的绝缘隔离宽度，因此就增加针的长度，产生更深的创伤；3)很多层的结构，制造复杂，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种针形酶传感器，该针形酶传感器测量误差更小，测量结果更精确。

基于上述目的，本发明提供的一种针形酶传感器，包括金属针体、绝缘层、第一电极、第二电极和酶层；在所述金属针体的表面上设置有绝缘层，所述第一电极和第二电极沿所述金属针体的纵向延伸，且所述第一电极和第二电极沿所述金属针体的周向在所述绝缘层的表面上间隔设置，彼此绝缘，所述第一电极和第二电极靠近所述金属针体的针尖的一端到所述针尖的距离相等，所述第一电极或第二电极上设置有酶层。

在本发明的一些实施例中，所述针形传感器还包括信号读取电路，用于读取被测物电化学反应所产生的电信号；所述金属针体的针尖暴露，所述第一电极、第二电极和金属针体分别连接到所述信号读取电路。

在本发明的一些实施例中，所述金属针体在纵向上部分暴露。

在本发明的一些实施例中，所述绝缘层包括第一子绝缘层和第二子绝缘层，所述第一子绝缘层设置在所述第一电极和所述金属针体之间，所述第二子绝缘层设置在所述第二电极和所述金属针体之间；所述绝缘层选自聚酰亚胺膜、聚氨酯膜、聚酰胺膜、聚酯亚胺膜或者它们的复合膜。

在本发明的一些实施例中，所述金属针体的剖面为圆形、椭圆形、圆缺形或多边形。

在本发明的一些实施例中，所述金属针体包括绝缘针体和设置在所述绝缘针体表面的金属涂层，所述金属涂层为铂、铱、钛、银、不锈钢、石墨烯或金属合金。

在本发明的一些实施例中，所述绝缘针体为玻璃丝针体、玻碳丝针体、纤维丝针体、聚酰亚胺针体或聚对苯二甲酸乙二醇酯针体。

在本发明的一些实施例中，所述针形传感器还包括保护层，所述保护层设置在所述酶层上，所述保护层选自聚氨酯膜、聚乙烯醇膜、聚丙烯酸膜、聚甲基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、聚乙二醇膜、聚乙内酯膜或它们的复合膜。

在本发明的一些实施例中，所述酶层为葡萄糖氧化酶层。

在本发明的一些实施例中，所述第一电极和第二电极均为金属电极，金属电极为铂电极、铱电极、钛电极、银电极、不锈钢电极、石墨烯电极或金属合金电极。

从上面所述可以看出，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的针形酶传感器中的第一电极和第二电极刺入皮下深度相同，测量的是相同深度的组织间液的葡萄糖浓度，因而测量误差更小，测量结果更精确。

附图说明

图1a为现有的针形传感器的主视图；

图1b为现有的针形传感器的3D图；

图2a为本发明实施例提供的第一种针形酶传感器的主视图；

图2b为本发明实施例提供的第一种针形酶传感器的侧视图；

图2c为本发明实施例提供的第一种针形酶传感器的剖面图；

图3a为本发明实施例提供的第二种针形酶传感器的主视图；

图3b为本发明实施例提供的第二针形酶传感器的侧视图；

图3c为本发明实施例提供的第二种针形酶传感器的剖面图；

图4a为本发明实施例提供的第三种针形酶传感器的主视图；

图4b为本发明实施例提供的第三种针形酶传感器的侧视图；

图4c为本发明实施例提供的第三种针形酶传感器的剖面图；

图5为本发明实施例提供的第四种针形酶传感器的主视图；

图6为本发明实施例提供的第五种针形酶传感器的剖面图；

图7为本发明实施例提供的第六种针形酶传感器的剖面图；

图8为本发明实施例提供的第七种针形酶传感器的剖面图；

图9a为本发明实施例提供的金属针体的主视图；

图9b为本发明实施例提供的金属针体的剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

以下实施例中，金属针体1的纵向指的是金属针体1的长度方向；部分暴露指的是除完全暴露之外的情况。

本实施例提供的一种针形酶传感器，包括金属针体1、绝缘层2、第一电极3、第二电极4和酶层5；在金属针体1的表面上设置有绝缘层2，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相等，第一电极3或第二电极4上设置有酶层5。

在本实施例中，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相等，这样能够保证第一电极3和第二电极4刺入皮肤的深度相同，测量的是相同深度的组织间液的葡萄糖浓度，因而测量误差更小，测量结果更精确。

在本实施例中，针形酶传感器的结构包括以下情况：(1)绝缘层2完全覆盖金属针体1的外表面，在绝缘层2的外表面上设置第一电极3和第二电极4，,在其中一个电极上设置有酶层5，形成两电极的针形酶传感器。

(2)绝缘层2完全覆盖金属针体1的纵向，同时绝缘层2不覆盖金属针体1的针尖6，金属针体1的针尖6暴露，此时暴露的针尖6作为第三电极，在其中一个电极上设置有酶层5，第三电极和第一电极3、第二电极4形成三电极的针形酶传感器。

(3)绝缘层2将金属针体1的针尖6完全覆盖，同时绝缘层2在金属针体1的纵向上部分覆盖，此时金属针体1在纵向上有部分暴露(部分未被绝缘层2覆盖)，所述的暴露部分作为第三电极，在其中一个电极上设置有酶层5，第三电极和第一电极3、第二电极4形成三电极的针形酶传感器。

(4)绝缘层2不覆盖金属针体1的针尖6，金属针体1的针尖6暴露，同时绝缘层2在金属针体1的纵向上部分覆盖，此时针尖6暴露的部分和金属针体1在纵向上部分暴露的部分均作为第三电极，在其中一个电极上设置有酶层5，第三电极和第一电极3、第二电极4形成三电极的针形酶传感器。

(5)绝缘层2包括第一子绝缘层21和第二子绝缘层22，第一子绝缘层21设置在第一电极3和金属针体1之间，第二子绝缘层22设置在第二电极4和金属针体1之间，此时，第一子绝缘层21和第二子绝缘层22未覆盖的部分(包括在金属针体侧面未覆盖的部分)，金属针体1暴露的部分均作为第三电极，在其中一个电极上设置有酶层，第三电极和第一电极3、第二电极4形成三电极的针形酶传感器。

需要另外说明的是，金属针体1的针尾部分可以暴露，也可以被绝缘层2覆盖，金属针体1的针尾是否被绝缘层2覆盖并不影响本实施例中的针形酶传感器的测量效果。

下面结合附图和实施例，对针形酶传感器的结构进行示例性描述。

如图2a、2b和2c所示，在金属针体1的表面设置一周绝缘层2，金属针体1的针尖6暴露，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上有间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相等，在第二电极4上设置有酶层5；第一电极3和第二电极4之间有两个缝，此时这两个缝中均有绝缘层2。

如图3a、3b和3c所示，在金属针体1的表面设置绝缘层2，但绝缘层2未完全覆盖金属针体1的表面，例如可设置1/4周，1/2周，3/4周的绝缘层2等，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相等，在第二电极4上设置有酶层5；第一电极3和第二电极4之间形成两个缝，分别为第一缝71和第二缝72，此时第一缝71中有绝缘层2，第二个缝72中完全没有绝缘层2或有部分绝缘层2，露出底下的金属针体1的部分侧表面。

如图4a、4b和4c所示，所述绝缘层2包括第一子绝缘层21和第二子绝缘层22，第一子绝缘层21设置在第一电极3和金属针体1之间，第二子绝缘层22设置在第二电极4和金属针体1之间。第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相等，在第二电极4上设置有酶层5；第一电极3和第二电极4之间形成两个缝，分别为第一缝71和第二缝72，此时第一缝71和第二缝72中完全没有绝缘层2或有部分绝缘层2，露出底下的金属针体1的部分侧表面。

在本实施例中，所述绝缘层2选自聚酰亚胺膜、聚氨酯膜、聚酰胺膜、聚酯亚胺膜或者它们的复合膜。

在实际应用中，可以沿金属针体1的表面设置一周绝缘层2，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和所述第二电极4靠近所述针尖6的一端到所述针尖6的距离相等；可选的，采用激光烧蚀或离子刻蚀等方法将第一电极3和第二电极4之间的第一缝71和第二缝72中的绝缘层2去掉，或者只去掉第二缝72中的绝缘层2，保留第一缝71中的绝缘层2。

在本实施例中，所述针形酶传感器还包括信号读取电路，用于读取被测物电化学反应所产生的电信号，例如可为电流信号；所述金属针体1的针尖6暴露，所述第一电极3、第二电极4和金属针体分别连接到所述信号读取电路，构成了三电极单针的酶传感器；所述被测物指的是组织间液中的葡萄糖。

可选的，所述金属针体1在纵向上部分暴露，即金属针体1在纵向上未被绝缘层2完全覆盖，此时金属针体1的针尖6被绝缘层2覆盖或者未被绝缘层2覆盖。

当所述金属针体1、第一电极3和第二电极4刺入皮肤时，三电极体系将反应过程中化学物质的变化转变为电信号输出，利用信号读取电路识别该信号，从而获得葡萄糖在组织间液中的浓度。

所述信号读取电路为现有技术，任何能够读取组织间液中葡萄糖的电信号的电路均可，在此不再赘述。

可选的，对信号读取电路读取的电流信号作一系列处理，最终得到组织间液中葡萄糖的浓度，具体的处理为：将电流信号转变成电压信号，电压信号经滤波放大后送到A/D转换芯片进行模数转换，然后再将检测得到的模拟信号变换成的数字信号送到单片机进行处理、运算，再把测得的结果送到液晶显示器上显示出来。

当绝缘层2没有完全覆盖金属针体1的外表面时，露出的金属针体1的表面可作为第三电极，例如图2a、2b和2c所示，绝缘层2没有覆盖金属针体1的针尖6端面露出形成第三电极，但是针尖6端面露出的面积有限，为了进一步使金属针体1露出的面积更多，可以去掉第一电极3和第二电极4之间的第一缝71和第二缝72中的绝缘层2，使露出面积增加。可通过的电流信号大小会受到金属针体1露出的面积制约的，而且电流的方向从针尖6端面和从金属针体1的纵向是不同的。

如图2a和图5所示，在图2a中，绝缘层2没有覆盖金属针体1的针尖6和针尾，露出的针尖6端面可作为第三电极，露出的针尾端面可连接到外部电路；在图5中，绝缘层2没有覆盖金属针体1的针尖，金属针体1的针尾被覆盖，露出的针尖6端面可作为第三电极。金属针体1的针尾是否被绝缘层2覆盖并不影响本实施例中的针形酶传感器的测量效果。

当金属针体1的针尖6暴露或金属针体1在纵向上部分暴露时，金属针体1暴露的部分作为第三电极，此时形成三电极体系，可在第一电极3或第二电极4上设置酶层5，例如可在第二电极4上设置酶层5，此时第二电极4为工作电极，第一电极3为参比电极，金属针体1为辅助电极，第一电极3用来定点位零点，电流经第二电极4和第一电极3构成一个不通或基本少通电的体系，利用第一电极3电位的稳定性来测量第二电极4的电极电势。第二电极4和金属针体1构成一个通电的体系，用来测量第二电极4通过的电流。

与专利US8828201B2公开了一种针形传感器比较，本实施例中的针形酶传感器只有一层绝缘层2，不存在沿金属针体1的纵向留有绝缘涂层隔离的情况，因此，本实施例的金属针体1可以更短，减少创伤的深度。

在本实施例中，所述金属针体1的剖面为圆形、椭圆形、圆缺形或多边形，在剖面为圆形、椭圆形、圆缺形或多边形的金属针体1的外表面上设置绝缘层2，然后按照上述方式设置第一电极3和第二电极4，能够使针形酶传感器中的第一电极和第二电极刺入皮下深度相同，测量的是相同深度的组织间液中的葡萄糖浓度，因而测量误差更小，测量结果更精确。

下面结合附图和实施例，对金属针体1的剖面为圆形、椭圆形、圆缺形或多边形的针形酶传感器进行示例性描述。

如图2a、2b和2c所示，所述金属针体1的剖面为四边形，在金属针体1的表面设置一周绝缘层2，即绝缘层2有四个外表面，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的其中两个外表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4可平行相对设置，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相同，在第一电极3或第二电极4上设置有酶层5。

如图6所示，所述金属针体1的剖面为圆形，在金属针体1的表面上设置一周绝缘层2，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4之间有缝隙，形成的两个缝中均有绝缘层2，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相同，在第一电极3或第二电极4上设置有酶层5。

如图7所示，所述金属针体1的剖面为圆缺形，在金属针体1的表面上设置绝缘层2，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4之间有缝隙，形成的两个缝中第一缝71中有绝缘层2，由于金属针体1圆缺形的限制，第二缝72中并没有绝缘层，露出底下的金属针体1的部分表面，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相同，在第一电极3或第二电极4上设置有酶层5。

如图8所示，所述金属针体1的剖面为五边形，在金属针体1相邻的三个面上设置绝缘层2，其余两个面上不设置绝缘层2，第一电极3和第二电极4沿金属针体1的纵向延伸，且第一电极3和第二电极4沿金属针体1的周向在绝缘层2的表面上间隔设置，彼此绝缘，第一电极3和第二电极4可平行相对设置，第一电极3和第二电极4之间有缝隙，形成的两个缝中第一缝71中有绝缘层2，第二缝72中有部分绝缘层2或没有绝缘层2(露出底下的金属针体1的部分表面)，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相同，在第一电极3或第二电极4上设置有酶层5。

如图9a和9b所示，所述金属针体1包括绝缘针体11和设置在所述绝缘针体11表面的金属涂层12，所述金属涂层12为铂、铱、钛、银、不锈钢、石墨烯或金属合金，金属涂层12可以采用化学溶液喷涂的方法喷涂到绝缘针体11上，所述绝缘针体11为玻璃丝针体、玻碳丝针体、纤维丝针体、聚酰亚胺针体、聚对苯二甲酸乙二醇酯针体。本实施例的针形酶传感器只有一层绝缘层2，结构简单，制造成本低。

在本实施例中，所述酶层5为葡萄糖氧化酶层，酶层5可以用喷涂或涂抹的方法喷涂或涂抹到第一电极3或第二电极4上。葡萄糖氧化酶层中，葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下与组织间液中的氧发生反应，产生葡萄糖内酯和过氧化氢。工作电极(例如第二电极4)上，在一定电压下，过氧化氢分解为氢离子、氧和电子，工作电极得到电子。辅助电极(例如金属针体1)上发生还原反应，失去电子。这样电子在工作电极和辅助电极之间流动从而产生电流。通过测定反应电极间电流的大小就能得到组织间液中葡萄糖浓度。

在本实施例中，所述针形酶传感器还包括保护层8，所述保护层8设置在所述酶层5上，所述保护层8选自聚氨酯膜、聚乙烯醇膜、聚丙烯酸膜、聚甲基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、聚乙二醇膜、聚乙内酯膜或它们的复合膜。所述保护层8的作用为：(1)保护葡萄糖氧化酶不被擦伤；(2)好的生物相容性，对组织无毒；(3)限制血液中的葡萄糖扩散到葡萄糖氧化酶层表面的量。

在本实施例中，所述第一电极3和第二电极4均为金属电极，金属电极为铂电极、铱电极、钛电极、银电极、不锈钢电极、石墨烯电极或金属合金电极，金属电极可以用物理蒸发镀膜或化学镀膜的方法镀到绝缘层2的外表面上。

将针形传感器长期刺入皮下，信号读取电路可以连续读取血液中葡萄糖的电信号，就可以实现随时监测也即连续监测的功能。

需要另外说明的是，第一电极3和第二电极4靠近金属针体1的针尖6的一端到针尖6的距离相等并不是绝对的。只要这两个距离相差不大，比方说相差小与2mm，还是在本发明的思路范围内。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针形酶传感器，其特征在于，包括金属针体、绝缘层、第一电极、第二电极和酶层；在所述金属针体的表面上设置有绝缘层，所述第一电极和第二电极沿所述金属针体的纵向延伸，且所述第一电极和第二电极沿所述金属针体的周向在所述绝缘层的表面上间隔设置，彼此绝缘，所述第一电极和第二电极靠近所述金属针体的针尖的一端到所述针尖的距离相等，所述第一电极或第二电极上设置有酶层。

2.根据权利要求1所述的针形酶传感器，其特征在于，还包括信号读取电路，用于读取被测物电化学反应所产生的电信号；所述金属针体的针尖暴露，所述第一电极、第二电极和金属针体分别连接到所述信号读取电路。

3.根据权利要求1或2所述的针形酶传感器，其特征在于，所述金属针体在纵向上部分暴露。

4.根据权利要求1所述的针形酶传感器，其特征在于，所述绝缘层包括第一子绝缘层和第二子绝缘层，所述第一子绝缘层设置在所述第一电极和所述金属针体之间，所述第二子绝缘层设置在所述第二电极和所述金属针体之间；所述绝缘层选自聚酰亚胺膜、聚氨酯膜、聚酰胺膜、聚酯亚胺膜或者它们的复合膜。

5.根据权利要求1所述的针形酶传感器，其特征在于，所述金属针体的剖面为圆形、椭圆形、圆缺形或多边形。

6.根据权利要求1所述的针形酶传感器，其特征在于，所述金属针体包括绝缘针体和设置在所述绝缘针体表面的金属涂层，所述金属涂层为铂、铱、钛、银、不锈钢、石墨烯或金属合金。

7.根据权利要求6所述的针形传感器，其特征在于，所述绝缘针体为玻璃丝针体、玻碳丝针体、纤维丝针体、聚酰亚胺针体或聚对苯二甲酸乙二醇酯针体。

8.根据权利要求1所述的针形酶传感器，其特征在于，还包括保护层，所述保护层设置在所述酶层上，所述保护层选自聚氨酯膜、聚乙烯醇膜、聚丙烯酸膜、聚甲基丙烯酸膜、聚丙烯酰胺膜、聚乙二醇膜、聚乙内酯膜或它们的复合膜。

9.根据权利要求1所述的针形酶传感器，其特征在于，所述酶层为葡萄糖氧化酶层。

10.根据权利要求1所述的针形传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极均为金属电极，金属电极为铂电极、铱电极、钛电极、银电极、不锈钢电极、石墨烯电极或金属合金电极。