CN110974251A - 一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器 - Google Patents

一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医学工程领域，公开了一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器，包括：具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件和与手机进行蓝牙数据交换的硬件接口电路，所述硬件接口电路和所述传感器件电路连接。本发明可通过微针穿刺皮肤后反电渗提取生物标志物提高检测灵敏度，又能够防止生物识别分子的流失，以实现在体检测中对生物识别分子的最大利用率，同时智能化检测过程。本发明还提供了一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器的检测系统。

Description

一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，具体地说是涉及一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器。
背景技术
人体间质液中的一些生物标记物已经被证明可以反映人体健康状况，因此对这些标记物进行可靠和方便的无创或微创监测，会对各种医疗保健和健康应用产生重大影响。目前，已有的检测方法包括光学测量（如红外光谱、拉曼光谱、光学相干断层扫描和荧光），间接测量（代谢热、阻抗和极化变化），以及电化学检测等。其中，光学测量易受混杂因素的干扰，间接测量缺乏对标记物的特异性，而电化学检测技术具有灵敏度高、预处理简单、可靠性好和检测下限低等优势。
检测血液中的生物标记物以判断疾病，通常需要指尖或留置针采血，这使患者感到疼痛并容易造成感染，而微针穿刺具有对人体皮肤伤害小、无痛或微痛、皮肤在短时间内即可恢复原状、微针阵列插入到人体真皮层不会造成生物淤积等优势。近来出现微针阵列在体电化学检测间质液中的生物标记物，主要是通过在微针表面用化学交联方法修饰生物识别因子来实现的。然而，修饰的生物识别分子在微针刺入皮肤屏障的过程中容易因摩擦力而脱落，造成进入到体内的微针阵列不能达到在体电化学检测的目的。
并且，对生物标志物的检测通常需要使用台式仪器和专业人员操作，不利于家庭医疗与个人健康监测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器。
本发明采取的技术方案是：
一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器，包括：具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件和与手机进行蓝牙数据交换的硬件接口电路，所述硬件接口电路和所述传感器件电路连接。
具体的，所述具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件，包括微针阵列、弹性体、柔性电路板、含生物识别分子的水凝胶、围在所述水凝胶四周的防渗圈；在所述传感器件背面施加按压力，通过按压使所述弹性体压缩，与所述弹性体相连的所述微针阵列依次穿过所述柔性电路板和所述水凝胶，刺入皮肤；去除按压力后，所述微针阵列随所述弹性体回弹离开皮肤，在皮肤上形成微孔洞；所述柔性电路板包括正、负反电渗电极和三个传感检测电极，在恒定微电流作用下，间质液中的正离子携带生物标记物通过所述微孔洞到达负反电渗电极下方的所述水凝胶中，所述水凝胶中的生物识别分子与生物标记物进行特异性结合，所述三个传感检测电极与所述水凝胶接触，所述三个传感检测电极分别为电化学检测的工作电极、参比电极和对电极，在所述三个传感检测电极的作用下产生响应电流。
具体的，所述与手机进行蓝牙数据交换的硬件接口电路包括：微控制器、电渗模块、检测模块和电源，其中所述微控制器中包含蓝牙模块，所述电源供电，所述蓝牙模块接收手机通过蓝牙发出的检测指令，所述微控制器按照所述检测指令控制所述电渗模块向所述柔性电路板提供恒定微电流，进行反电渗驱动；反电渗后，检测模块的恒电位仪将电化学生物传感器激励电压驱动至0.4V，读取所述按压式微针传感器件产生的电信号，所述微控制器将所述电信号通过所述蓝牙模块发送至手机。
进一步的，所述微针阵列优选由微铣削加工而成的金属微针，有较好的机械性能，从穿过水凝胶到刺入皮肤的穿刺过程中不易断裂，并且可在金属微针表面涂覆涂层，增加该微针阵列的生物相容性。优选的，由于弹性体高度为1mm，柔性电路板厚度为0.2mm，防渗圈和水凝胶高度为1mm，微针针长制备为2.2mm，在非压缩状态下，微针针尖在水凝胶中，贴合皮肤并按压时，微针可随弹性体的压缩刺入皮肤约400~600μm，达到刺破皮肤屏障留下微孔洞又不致流血的目的。
进一步的，所述柔性电路板包括的正、负反电渗电极，均为Ag/AgCl电极；所述三个传感检测电极分别为作为工作电极的Au电极、作为参比电极的Ag/AgCl电极，以及作为对电极的Pt电极。其中，Ag/AgCl电极由Ag/AgCl导电油墨在覆铜柔性基底上印刷固化得到；Au电极由等离子磁控溅射镀膜仪在覆铜部分磁控溅镀200nm Au膜得到，溅射电流为30mA，溅射20次；Pt电极由等离子磁控溅射镀膜仪在覆铜部分磁控溅镀200nm Pt膜得到，溅射电流为30mA，溅射20次。
进一步的，采用物理吸附的方法将生物识别分子吸附到水凝胶中。
本发明还提供一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器的检测系统，包括上述基于手机平台的微针按压式电化学传感器以及手机，所述电化学传感器通过所述电化学传感器的硬件接口电路与所述手机蓝牙连接，通过蓝牙实现所述电化学传感器与所述手机的数据交换。
所述手机用于接收、处理、显示、存储和共享检测结果，用户通过手机设定参数，发出检测命令，待所述集成硬件接口电路的电化学传感器产生响应电流后，将电信号蓝牙传输至手机，手机对所述电信号进行处理，得到生物标记物在间质液中的浓度，进行显示并存储。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
微针阵列穿刺皮肤留下微通道，可提高反向离子电渗生物分子的效率，从而提高检测的灵敏度。在微针阵列表面修饰的生物识别分子，在穿刺过程中会因为摩擦力的作用而大面积脱落，而采用反电渗将生物分子提取至含有生物识别分子的水凝胶中可避免这种情况。对标志物的检测通常需要使用台式仪器和专业人员操作，不利于家庭医疗与个人健康监测，而将电化学传感器集成到手机平台更加智能便捷，可实现个性化医疗，实时监测用户身体健康状况。
因此，本发明可通过微针穿刺皮肤后反电渗提取生物标志物提高检测灵敏度，又能够防止生物识别分子的流失，以实现在体检测中对生物识别分子的最大利用率，同时智能化检测过程。
附图说明
图1为本发明实施例中基于手机平台的微针按压式电化学传感器的结构示意图；
图2为图1中电化学传感器所包括的具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件结构示意图；
图3为图2按压式微针传感器件所包括的柔性电路板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，基于手机平台的微针按压式电化学传感器包括具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件1和与手机进行蓝牙数据交换的硬件接口电路2，硬件接口电路2和所述传感器件1电路连接，硬件接口电路2包括微控制器21、电渗模块22、检测模块23和电源24。
所述按压式微针传感器件1具体结构如图2所示，包括微针阵列11、弹性体12、柔性电路板13、含生物识别分子的水凝胶14、围在水凝胶14四周的防渗圈15；具体制备方法如下：
a.制备微针阵列11：由微铣削加工而成，并且可在金属微针表面涂覆涂层，增加该微针阵列的生物相容性；本实施例中所使用的微针阵列材料为不锈钢。
b. 制备弹性体12：将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与固化剂以10:1的质量比混合均匀，取PDMS混合液与葡萄糖以4:6的质量比混合均匀，将该粘稠状混合液倾倒在3D打印而成的模具中，置于80℃烘箱中固化，固化后超声30分钟得到具有优良弹性的弹性体。
c.柔性电路板13的示意图参见图3，Ag/AgCl电极131和Ag/AgCl电极132分别作为反向离子电渗的正反电渗电极和负反电渗电极，三个传感检测电极为Au电极133、Ag/AgCl电极134、Pt电极135，Au电极133、Ag/AgCl电极134、Pt电极135分别作为电化学检测的工作电极、参比电极和对电极。Ag/AgCl电极131、132、134均由Ag/AgCl导电油墨在覆铜柔性基底上印刷固化得到；Au电极133由等离子磁控溅射镀膜仪在覆铜部分磁控溅镀200nm Au膜得到，溅射电流为30mA，溅射20次；Pt电极135由等离子磁控溅射镀膜仪在覆铜部分磁控溅镀200nm Pt膜得到，溅射电流为30mA，溅射20次。柔性电路板13上的穿孔136让柔性电路板13上方的微针阵列11穿过，焊盘137用于焊接导线至硬件接口电路2。
d.图2中的水凝胶14含有生物识别分子。在本实施例中，生物识别分子具体为酶分子，采用物理吸附的方法将生物识别分子吸附到水凝胶14中。具体步骤为：将琼脂糖与去离子水以质量比为2:100混合后，加热至80℃溶解，将澄清溶液倒在柔性电路板13上，覆盖负反电渗电极和三个传感检测电极，冷却后成胶。在水凝胶14表面滴注酶溶液，放在4℃的环境中直至干燥。本实施例中所选用的酶分子为24mg/ml 的葡萄糖氧化酶150uL。
在监测过程中，在按压式微针传感器件1背面施加按压力，通过按压使按压式微针传感器件1的弹性体12压缩，与弹性体12相连的微针阵列11依次穿过柔性电路板13和水凝胶14，刺入皮肤；去除按压力后，微针阵列11随弹性体12回弹离开皮肤，在皮肤上形成微孔洞；在恒定微电流作用下，间质液中的正离子携带生物标记物通过微孔洞到达负反电渗电极下方的水凝胶14中，水凝胶14中的生物识别分子与生物标记物进行特异性结合，在电化学检测的工作电极、参比电极和对电极的作用下产生响应电流。
硬件接口电路2的电源24供电，微控制器21中的蓝牙模块211接收手机通过蓝牙发出的检测指令，微控制器21按照所述检测指令控制电渗模块22向柔性电路板13提供恒定微电流，进行反电渗驱动；反电渗后，检测模块23的恒电位仪将电化学生物传感器驱动至0.4V，读取按压式微针传感器件1产生的电信号，微控制器21将所述电信号通过蓝牙模块发送至手机。
手机用于接收、处理、显示、存储和共享检测结果，用户通过手机设定参数，发出检测命令，待所述集成硬件接口电路的电化学传感器产生响应电流后，将电信号蓝牙传输至手机，手机对所述电信号进行处理，得到生物标记物在间质液中的浓度，进行显示并存储。
显然，本发明的上述实施例仅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 (5)

1.一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器，其特征在于，包括：
具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件和与手机进行蓝牙数据交换的硬件接口电路，所述硬件接口电路和所述传感器件电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于手机平台的微针按压式电化学传感器，其特征在于，所述具有反向离子电渗功能和三电极电化学检测功能的按压式微针传感器件，包括微针阵列、弹性体、柔性电路板、含生物识别分子的水凝胶、围在所述水凝胶四周的防渗圈；
在所述传感器件背面施加按压力，通过按压使所述弹性体压缩，与所述弹性体相连的所述微针阵列依次穿过所述柔性电路板和所述水凝胶，刺入皮肤；去除按压力后，所述微针阵列随所述弹性体回弹离开皮肤，在皮肤上形成微孔洞；所述柔性电路板包括正、负反电渗电极和三个传感检测电极，在恒定微电流作用下，间质液中的正离子携带生物标记物通过所述微孔洞到达负反电渗电极下方的所述水凝胶中，所述水凝胶中的生物识别分子与生物标记物进行特异性结合，所述三个传感检测电极与所述水凝胶接触，所述三个传感检测电极分别为电化学检测的工作电极、参比电极和对电极，在所述三个传感检测电极的作用下产生响应电流。
3.根据权利要求2所述的基于手机平台的微针按压式电化学传感器，其特征在于，
所述与手机进行蓝牙数据交换的硬件接口电路包括：微控制器、电渗模块、检测模块和电源，其中所述微控制器中包含蓝牙模块，所述电源供电，所述蓝牙模块接收手机通过蓝牙发出的检测指令，所述微控制器按照所述检测指令控制所述电渗模块向所述柔性电路板提供恒定微电流，进行反电渗驱动；反电渗后，检测模块的恒电位仪将电化学生物传感器激励电压驱动至0.4V，读取所述按压式微针传感器件产生的电信号，所述微控制器将所述电信号通过所述蓝牙模块发送至手机。
4.根据权利要求3所述的基于手机平台的微针按压式电化学传感器，其特征在于，所述柔性电路板包括正、负反电渗电极和三个传感检测电极，具体为：
正、负反电渗电极均为Ag/AgCl电极；所述三个传感检测电极分别为作为工作电极的Au电极、作为参比电极的Ag/AgCl电极，以及作为对电极的Pt电极。
5.一种基于手机平台的微针按压式电化学传感器的检测系统，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的基于手机平台的微针按压式电化学传感器以及手机，所述电化学传感器通过所述电化学传感器的硬件接口电路与所述手机蓝牙连接，
所述手机通过蓝牙接收所述电化学传感器发送的电信号，对所述电信号进行处理，得到生物标记物在间质液中的浓度。
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