CN114280126A - 一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器及检测方法，本发明包含：工作电极，银氯化银参比电极，铂对电极，其中所述工作电极以金为基底，表面覆盖复合纳米材料；所述的复合纳米材料结构：由表面活性剂和金纳米颗粒组成壳，铂镶嵌在金壳表面，制得Au@Pt介孔型纳米颗粒，与亲水性聚氨酯混合滴加到金基底制成电极。本发明灵敏度高、准确度高、响应速度快、检出限低、生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种葡萄糖无酶微传感器及基于此微传感器的单体电化学检测方法，主要是一种可装配在隐形眼镜盒中测定泪液葡萄糖浓度测定的无酶传感器及检测方法。
技术背景
葡萄糖是生物系统中一种重要的中间体，为生命活动提供基本能量，但血液中葡萄糖的浓度过高会导致糖尿病，这是一种危害人类健康的严重慢性疾病。如果治疗不当，可能会导致严重的并发症，例如肾衰竭、失明、心脏病、中风和肢体截肢。到目前为止，医学界尚未找到可以彻底治愈糖尿病的方法，临床上主要采取控制和预防的方法，实时、准确、连续监测血糖浓度，并根据患者的血糖浓度决定胰岛素的注射量，从而有效降低糖尿病患者并发症的发生。因此，开发一种快速、准确、稳定的葡萄糖传感器具有重要意义。
葡萄糖检测设备可以分为两大类：侵入式和非侵入式；其中侵入式酶基葡萄糖检测设备直接检测血液中的葡萄糖是目前最准确的方式，并被广泛的应用；但是，这种方法有以下缺陷：酶易受到氧气浓度、pH值、温度等环境因素的影响而失活；无法连续监测血糖，伴有不适和伤口感染的风险；因此非侵入式无酶葡萄糖传感器设备以其无疼痛、无不适、无风险等优点成为人们关注的焦点。其主要应用在检测泪液(葡萄糖含量：0.05-5X10-3M)、唾液(葡萄糖含量：0.008-1.77X10-3M)、汗液(葡萄糖含量：0.01-1.11X10-3M)等与血液中的葡萄糖浓度直接相关的液体。
检测葡萄糖的方法有分光光度法、色谱法、比色法、旋光度法等，这些方法存在着检测时间长、操作步骤繁琐、设备昂贵等问题。相比于上述这些方法，单体电化学分析方法因其灵敏度高、准确度高、响应速度快、检出限低、生产成本低等优点受到广泛关注。
发明内容
本发明针对现有技术中关于体液中低浓度葡萄糖检测的不足，提出了一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器及检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可装配在隐形眼镜盒中测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器及方法，包括自设计的无酶葡萄糖传感器以及检测方法；其中隐形眼镜盒外观主体呈现圆角矩形，内部有两个隐形眼镜片清洗室，其中隐形眼镜片清洗室底部带有凹槽，此凹槽用于装配无酶葡萄糖传感器，从传感器下方引出三条数据线连接到数据传输接口，此接口为传感器提供电压以及接收信号。隐形眼镜片从眼部摘下后，放入眼镜片清洗室中，碱性清洗液在稀释泪液葡萄糖浓度的同时，为葡萄糖检测提供稳定的电化学环境。在上述的电压控制下通过单体电化学的方法对葡萄糖进行检测。
一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器，包含：工作电极，银氯化银参比电极，铂对电极，其中所述工作电极以金为基底直径为1um，表面覆盖复合纳米材料；所述的复合纳米材料结构：由表面活性剂和金纳米颗粒组成壳，铂镶嵌在金壳表面，制得Au@Pt介孔型纳米颗粒，将制得的Au@Pt介孔型纳米颗粒与亲水性聚氨酯(Hydrophilic Polyurethane)混合滴加到金基底制成电极。
作为优选，所述工作电极的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)制备Au@Pt介孔型纳米颗粒
①将Briji58加入到去离子水中，Briji58与去离子水的质量体积比为1-10:25，在磁力转子500-600rpm搅拌10-20min，待完全溶解即观察到溶液中没有固体颗粒，最终得到溶液a。
②以20mMK2PtCl4溶液和20mMH2AuCl4溶液作为制备纳米颗粒的原液，两种溶液的体积比为2:8～8:2之间，在磁力转子500-600rpm搅拌2-3min充分混合，最终得到混合溶液b。
③将抗坏血酸AA加入到去离子水中，抗坏血酸与去离子水的质量体积比为1-2:5，设定磁力转子500-600rpm搅拌2-3min，待完全溶解即烧杯底部没有白色颗粒，得到的溶液c。
④将上述①②③中的溶液混合，设定磁力转子500-600rpm搅拌5-10min，得到混合溶液d，将得到的混合溶液d放入超声仪器中恒温超声2-4小时，超声仪器的频率为45-80Hz；所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为：(1-2):(1-2):1；
⑤将超声处理后的溶液d通过离心收集沉淀物，并用去离子水和乙醇洗涤多次，去除纳米颗粒表面活性剂和多余的反应物，得到Au@Pt介孔型纳米颗粒；
(2)制作Au@Pt-Hydrophilic Polyurethane的电极
将固体Au@Pt介孔纳米颗粒溶于去离子水中，Au@Pt介孔纳米颗粒与去离子水质量比为0.001-0.005:1；将聚氨酯溶于去离子水中，聚氨酯与去离子水体积比为1-2：20；取上述Au@Pt介孔纳米颗粒水溶液和聚氨酯水溶液混合，两种溶液的体积比为1-4:1；取混合溶液用等离子喷涂方法修饰到金电极上面；将电极放到干燥箱中干燥3～4小时，温度为30℃～40℃。
作为优选，所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为1:2:1。
一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)建立葡萄糖标准样品溶液浓度与瞬态响应峰频率的标准曲线：
配制不同浓度的葡萄糖标准样品溶液；将无酶传感器放入不同浓度的葡萄糖标准样品溶液中，外加电压使无酶传感器工作，通过外接接收信号装置接收测得的电流信号，记录一定时间内每个浓度下瞬态响应峰的频率。
至少重复三次上述步骤的测量过程，得到葡萄糖标准样品溶液浓度与无酶传感器催化氧化葡萄糖产生瞬态响应峰频率的关系曲线，该关系曲线用于通过测得的碰撞峰的频率来计算真实泪液中的葡萄糖浓度；
(2)在泪液中的葡萄糖浓度：
将无酶葡萄糖电极装配在隐形眼镜盒中，外接检测装置；将佩戴过待清洗的隐形眼镜片放进装有碱性清洗液的隐形眼镜片清洗室中，静置1min；打开检测装置，使得无酶传感器电极工作，葡萄糖分子在电极上被催化氧化产生瞬态响应峰，计算瞬态响应峰的频率，与标准曲线对比，得出溶液中葡萄糖的浓度，并通过稀释比例反推出眼泪中的葡萄糖浓度。本发明的优点：
该检测方法通过工作电极上的纳米材料催化葡萄糖产生瞬态响应峰，通过瞬态响应峰频率来判断葡萄糖浓度，该方法灵敏度高、准确度高、响应速度快、检出限低、生产成本低。与传统的酶基葡萄糖传感器测血糖相比，无酶葡萄糖传感器的电极表面活性材料对葡萄糖进行直接的电催化氧化，具有更好的重现性和稳定性，不易受到环境因素的影响，而且制备过程较为简单境地了成本，并且不需要像传统抽血测血糖产生不适感以及产生感染的风险。其中无酶传感器所用材料有金，铂，亲水性聚氨酯；铂是催化氧化葡萄糖最优异的贵金属材料，但易被葡萄糖催化氧化的中间产物(葡萄糖内脂)毒害。金催化性能没有铂优异，但是在抗葡萄糖催化氧化的中间产物(葡萄糖内脂)毒害方面表现优异。含有磺酰基的聚氨酯既可以起到固定纳米颗粒的作用，也可以防止体液中干扰物质对测量的影响。
附图说明
图1是本发明中装配在隐形眼镜盒中测定泪液葡萄糖浓度的装置的整体框图；
图2是本发明中测试得到的葡萄糖标准溶液浓度和瞬态响应峰的频率的关系图；
图3是本发明中测试得到的眼泪中葡萄糖溶液的结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明，并结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。除非本申请上下文中另有其他说明，本申请中所用技术术语及缩写均具有本领域技术人员所知的常规含义除非另有说明，下述实施例中所用原料化合物均为商购获得。
如图1所示，一种可装配在隐形眼镜盒中测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器装置。包括眼镜盒顶盖1，眼镜片清洗室2，碱性清洗液3，隐形眼镜片4，无酶葡萄糖传感器5，数据传输接口6，电极外接导线7。其中无酶葡萄糖传感器5由金工作电极51，铂对电极52，陶瓷外壳53，银氯化银电极54，电极引脚55组成。
下面通过实施例再进一步描述本发明。
实施例1：
所述覆盖复合纳米材料金工作电极51的制作，包括如下步骤：
(1)制备Au@Pt介孔型纳米颗粒
步骤一：将Briji58加入到去离子水中，Briji58与去离子水的质量体积比为2:25，在磁力转子500rpm搅拌10min，待完全溶解即观察到溶液中没有固体颗粒，最终得到溶液a。
步骤二：以20mMK2PtCl4溶液和20mMH2AuCl4溶液作为制备纳米颗粒的原液，两种溶液的体积比为2:8之间，在磁力转子500rpm搅拌2min充分混合，最终得到混合溶液b。
步骤三：将抗坏血酸AA加入到去离子水中，抗坏血酸与去离子水的质量体积比为1:5，设定磁力转子500rpm搅拌2min，待完全溶解即烧杯底部没有白色颗粒，得到的溶液c。
步骤四：将上述①②③中的溶液混合，设定磁力转子500rpm搅拌5min，得到混合溶液d，将得到的混合溶液d放入超声仪器中恒温超声2小时，超声仪器的频率为50Hz；所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为：1:2:1；
步骤五：将超声处理后的溶液d通过离心收集沉淀物，并用去离子水和乙醇洗涤多次，去除纳米颗粒表面活性剂和多余的反应物，得到Au@Pt介孔型纳米颗粒；
(2)制作Au@Pt-Hydrophilic Polyurethane的电极
将固体Au@Pt介孔纳米颗粒溶于去离子水中，Au@Pt介孔纳米颗粒与去离子水质量比为0.001:1；将聚氨酯溶于去离子水中，聚氨酯与去离子水体积比为1：20；取上述Au@Pt介孔纳米颗粒水溶液和聚氨酯水溶液混合，两种溶液的体积比为1:1；取混合溶液用等离子喷涂方法修饰到金电极上面；将电极放到干燥箱中干燥3小时，温度为30℃。
实施例2
所述覆盖复合纳米材料金工作电极51的制作，包括如下步骤：
(1)制备Au@Pt介孔型纳米颗粒
步骤一：将Briji58加入到去离子水中，Briji58与去离子水的质量体积比为5:25，在磁力转子550rpm搅拌15min，待完全溶解即观察到溶液中没有固体颗粒，最终得到溶液a。
步骤二：以20mMK2PtCl4溶液和20mMH2AuCl4溶液作为制备纳米颗粒的原液，两种溶液的体积比为5:5之间，在磁力转子550rpm搅拌2.5min充分混合，最终得到混合溶液b。
步骤三：将抗坏血酸AA加入到去离子水中，抗坏血酸与去离子水的质量体积比为1.5:5，设定磁力转子550rpm搅拌2.5min，待完全溶解即烧杯底部没有白色颗粒，得到的溶液c。
步骤四：将上述①②③中的溶液混合，设定磁力转子550rpm搅拌7min，得到混合溶液d，将得到的混合溶液d放入超声仪器中恒温超声2.5小时，超声仪器的频率为60Hz；所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为：1.5:1.5:1；
步骤五：将超声处理后的溶液d通过离心收集沉淀物，并用去离子水和乙醇洗涤多次，去除纳米颗粒表面活性剂和多余的反应物，得到Au@Pt介孔型纳米颗粒；
(2)制作Au@Pt-Hydrophilic Polyurethane的电极
将固体Au@Pt介孔纳米颗粒溶于去离子水中，Au@Pt介孔纳米颗粒与去离子水质量比为0.003:1；将聚氨酯溶于去离子水中，聚氨酯与去离子水体积比为1.5：20；取上述Au@Pt介孔纳米颗粒水溶液和聚氨酯水溶液混合，两种溶液的体积比为2.5:1；取混合溶液用等离子喷涂方法修饰到金电极上面；将电极放到干燥箱中干燥3.5小时，温度为35℃。
实施例3
所述覆盖复合纳米材料金工作电极51的制作，包括如下步骤：
(1)制备Au@Pt介孔型纳米颗粒
步骤一：将Briji58加入到去离子水中，Briji58与去离子水的质量体积比为10:25，在磁力转子600rpm搅拌20min，待完全溶解即观察到溶液中没有固体颗粒，最终得到溶液a。
步骤二：以20mMK2PtCl4溶液和20mMH2AuCl4溶液作为制备纳米颗粒的原液，两种溶液的体积比为8:2之间，在磁力转子600rpm搅拌3min充分混合，最终得到混合溶液b。
步骤三：将抗坏血酸AA加入到去离子水中，抗坏血酸与去离子水的质量体积比为2:5，设定磁力转子600rpm搅拌3min，待完全溶解即烧杯底部没有白色颗粒，得到的溶液c。
步骤四：将上述①②③中的溶液混合，设定磁力转子600rpm搅拌10min，得到混合溶液d，将得到的混合溶液d放入超声仪器中恒温超声4小时，超声仪器的频率为80Hz；所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为：1:2:1；
步骤五：将超声处理后的溶液d通过离心收集沉淀物，并用去离子水和乙醇洗涤多次，去除纳米颗粒表面活性剂和多余的反应物，得到Au@Pt介孔型纳米颗粒；
(2)制作Au@Pt-Hydrophilic Polyurethane的电极
将固体Au@Pt介孔纳米颗粒溶于去离子水中，Au@Pt介孔纳米颗粒与去离子水质量比为0.005:1；将聚氨酯溶于去离子水中，聚氨酯与去离子水体积比为2：20；取上述Au@Pt介孔纳米颗粒水溶液和聚氨酯水溶液混合，两种溶液的体积比为4:1；取混合溶液用等离子喷涂方法修饰到金电极上面；将电极放到干燥箱中干燥4小时，温度为40℃。
实施例4
本发明的另一目的是提供一种应用上述于隐形眼镜盒中测定泪液葡萄糖浓度的方法，包括以下步骤
(1)建立葡萄糖标准样品溶液浓度与瞬态响应峰频率的标准曲线图2：
利用碱性清洗液配制不同浓度的葡萄糖标准样品溶液，分别为10pM、100pM、300pM、500pM、700pM、900pM、1000pM；将上述不同浓度的葡萄糖标准样品溶液放入眼镜片清洗室2，外加电压使无酶葡萄糖传感器5工作140s，通过数据传输接口6接收测得的电流信号，记录一定时间内每个浓度下瞬态响应峰的频率。
重复三次上述步骤的测量过程，得到葡萄糖标准样品溶液浓度与无酶葡萄糖传感器5催化氧化葡萄糖产生瞬态响应峰频率的关系曲线图2，该关系曲线用于通过测得的碰撞峰的频率来计算真实泪液中的葡萄糖浓度。
(3)在泪液中的葡萄糖浓度
将佩戴过待清洗的隐形眼镜片4(人体眼睛的泪膜厚度为7～10微米，容量大约有7X10-8L，隐形眼镜片上附着的眼泪含量约占泪膜中的3％，因此隐形眼镜片上眼泪大概2.1X10-9L)放进装有5ml碱性清洗液3的隐形眼镜片清洗室2中，静置1min；使无酶传感器电极5工作140秒，葡萄糖分子在无酶传感器电极5上被催化氧化产生瞬态响应峰图3，计数瞬态响应峰为“61”次，碰撞频率为0.435s-1，与标准曲线对比，得出隐形眼镜片清洗室2中葡萄糖的浓度为451pM，即眼泪中的葡萄糖浓度为1.074mM。
Claims (4)
1.一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器，其特征在于：包含：工作电极，银氯化银参比电极，铂对电极，其中所述工作电极以金为基底直径为1um，表面覆盖复合纳米材料；所述的复合纳米材料结构：由表面活性剂和金纳米颗粒组成壳，铂镶嵌在金壳表面，制得Au@Pt介孔型纳米颗粒，将制得的Au@Pt介孔型纳米颗粒与亲水性聚氨酯混合滴加到金基底制成电极。
2.根据权利要求1所述的一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器，其特征在于，所述工作电极的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)制备Au@Pt介孔型纳米颗粒
①将Briji58加入到去离子水中，Briji58与去离子水的质量体积比为1-10:25，在磁力转子500-600rpm搅拌10-20min，待完全溶解即观察到溶液中没有固体颗粒，最终得到溶液a；
②以20mMK2PtCl6溶液和20mMH2AuCl4溶液作为制备纳米颗粒的原液，两种溶液的体积比为2:8～8:2之间，在磁力转子500-600rpm搅拌2-3min充分混合，最终得到混合溶液b；
③将抗坏血酸AA加入到去离子水中，抗坏血酸与去离子水的质量体积比为1-2:5，设定磁力转子500-600rpm搅拌2-3min，待完全溶解即烧杯底部没有白色颗粒，得到的溶液c；
④将上述①②③中的溶液混合，设定磁力转子500-600rpm搅拌5-10min，得到混合溶液d，将得到的混合溶液d放入超声仪器中恒温超声2-4小时，超声仪器的频率为45-80Hz；所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为：(1-2):(1-2):1
⑤将超声处理后的溶液d通过离心收集沉淀物，并用去离子水和乙醇洗涤多次，去除纳米颗粒表面活性剂和多余的反应物，得到Au@Pt介孔型纳米颗粒；
(2)制作Au@Pt-Hydrophilic Polyurethane的电极
将固体Au@Pt介孔纳米颗粒溶于去离子水中，Au@Pt介孔纳米颗粒与去离子水质量比为0.001-0.005:1；将聚氨酯溶于去离子水中，聚氨酯与去离子水体积比为1-2：20；取上述Au@Pt介孔纳米颗粒水溶液和聚氨酯水溶液混合，两种溶液的体积比为1-4:1；取混合溶液用等离子喷涂方法修饰到金电极上面；将电极放到干燥箱中干燥3～4小时，温度为30℃～40℃。
3.根据权利要求2所述的一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器制备方法，其特征在于：所述的溶液a、溶液b、溶液c的体积比为1:2:1。
4.根据权力要求1所述的一种测定泪液葡萄糖浓度的无酶传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)建立葡萄糖标准样品溶液浓度与瞬态响应峰频率的标准曲线：
配制不同浓度的葡萄糖标准样品溶液；将无酶传感器放入不同浓度的葡萄糖标准样品溶液中，外加电压使无酶传感器工作，通过外接接收信号装置接收测得的电流信号，记录一定时间内每个浓度下瞬态响应峰的频率；
至少重复三次上述步骤的测量过程，得到葡萄糖标准样品溶液浓度与无酶传感器催化氧化葡萄糖产生瞬态响应峰频率的关系曲线，该关系曲线用于通过测得的碰撞峰的频率来计算真实泪液中的葡萄糖浓度；
(2)在泪液中的葡萄糖浓度：
将无酶葡萄糖电极装配在隐形眼镜盒中，外接检测装置；将佩戴过待清洗的隐形眼镜片放进装有碱性清洗液的隐形眼镜片清洗室中，静置1min；打开检测装置，使得无酶传感器电极工作，葡萄糖分子在电极上被催化氧化产生瞬态响应峰，计算瞬态响应峰的频率，与标准曲线对比，得出溶液中葡萄糖的浓度，并通过稀释比例反推出眼泪中的葡萄糖浓度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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