CN116269363A - 一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，所述传感器包括传感器基座以及与所述传感器基座连接的可皮下植入式单针探头；所述单针探头包括绝缘的电极基底，所述电极基底上设置有三个反应腔，三个反应腔分别用于装载工作电极、参比电极和辅助电极；所述工作电极包括依次设置的基底层、导电层、酶层以及半透膜层，所述参比电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；所述辅助电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层。可准确估计血糖浓度，单针结构极大地减少了刺入人体时造成的创伤，且针上反应腔的设计极大地提高了葡萄糖氧化酶的携带量，大大提升了灵敏度，降低了响应时间。
Description
技术领域
本发明涉及葡萄糖传感器技术领域，具体涉及一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器。
背景技术
当前电化学传感器葡萄糖监测电极多为三针三电极硬针结构或单针片状结构，酶载量低，使用寿命短，电流传输精度不足，监测精度不足，植入后感受明显。所以简洁快速、高效准确、无创可穿戴的微小单针电化学血糖传感器对临床控制和治疗糖尿病具有非常重要的应用价值。基于此，本发明提供了一种单针三电极结构的血糖传感器电极来解决上述提出的问题，以准确估计血糖浓度，并帮助精确递送相应药物进行稳态调节，单针结构极大地减少了刺入人体时造成的创伤，且针上反应腔的设计极大地提高了葡萄糖氧化酶的携带量，大大提升了灵敏度，降低了响应时间。
发明内容
为此，本发明提供一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，以解决现有电化学葡萄糖传感器存在的酶载量低，使用寿命短，电流传输精度不足，监测精度不足，植入后感受明显等的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，所述传感器包括传感器基座以及与所述传感器基座连接的可皮下植入式单针探头；
所述单针探头包括绝缘的电极基底，所述电极基底上设置有三个反应腔，三个反应腔分别用于装载工作电极、参比电极和辅助电极；
所述工作电极包括依次设置的基底层、导电层、酶层以及半透膜层，所述参比电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；所述辅助电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；
所述酶层中包含的葡萄糖氧化酶或脱氢酶能与组织液或血液中的葡萄糖进行氧化还原反应产生电子，所述工作电极与辅助电极形成电回路产生电流信号；所述参比电极用于电压的测量。
进一步地，
所述工作电极的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
所述工作电极的导电层采用金、铂、石墨、银、氯化银中的至少一种制成，导电层采用沉积或镀覆方法制备在基底层上；
所述工作电极的酶层包含多孔微观纳米结构材料、交联剂中的至少一种，所述交联剂用于固定酶在涂层上的稳定性，所述交联剂包括硅烷交联剂或其他；所述多孔微观纳米结构材料包括碳纳米管、纳米铂、石墨烯，具有更大的表面积，能够承载更多的酶在其中。
进一步地，
所述工作电极的半透膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成，用于控制葡萄糖分子、氧气以及过氧化氢透过，同时阻挡水杨酸、抗坏血酸、对乙酰基酚、尿酸、抗坏血酸、醋氨酚等电化学活性干扰物透过，同时提高传感器生物相容性，降低植入后的排异反应所导致的不适感及传感器灵敏度的降低。
进一步地，
所述辅助电极的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
所述辅助电极的导电层采用金、铂、石墨、银、氯化银中的至少一种制成，导电层采用沉积或镀覆方法制备在基底层上；
所述辅助电极的生物相容膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成。
进一步地，所述参比电极的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
所述参比电极的导电层采用银、氯化银中的至少一种制成；
所述参比电极的生物相容膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成。
进一步地，所述电极基底采用3D打印技术制备得到。
进一步地，所述电极基底为上下均匀粗细的柱状体，或者是上粗下细的结构。
进一步地，所述电极基底的直径为100-500μm。
本发明具有如下优点：
本发明提出的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，所述传感器包括传感器基座以及与所述传感器基座连接的可皮下植入式单针探头；所述单针探头包括绝缘的电极基底，所述电极基底上设置有三个反应腔，三个反应腔分别用于装载工作电极、参比电极和辅助电极；所述工作电极包括依次设置的基底层、导电层、酶层以及半透膜层，所述参比电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；所述辅助电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；所述酶层中包含的葡萄糖氧化酶或脱氢酶能与组织液或血液中的葡萄糖进行氧化还原反应产生电子，所述工作电极与辅助电极形成电回路产生电流信号；所述参比电极用于电压的测量。
本发明将三针三电极传感器改为单针结构，其中电极基底为3D打印制备，且具备一定的柔韧性，极大的减少使用时的身体感受，优化佩戴体验；相比于三针结构，减少了皮下植入后的不适感、提升佩戴体验；相比于片状结构，提升酶的负载量，延长使用时间；
传感器的反应腔结构相较于传统电极结构增加了葡糖糖氧化酶的负载量，同时减小反应面积，达到传感器所产生微电流精度、稳定性与使用寿命的提升，优化反应效率；
三电极距离更近，电子传输效率更高，扰乱因素更少，降低因传感器各电极距离做导致的微电流误差，提升反应稳定性及灵敏度；
半透膜层阻止各类干扰葡萄糖氧化酶与体内葡萄糖等进行反应的物质，提高灵敏度，同时避免葡萄糖氧化酶的溶解损耗，半透膜也起到控制葡萄糖进入速率的作用，避免反应过快，延长使用时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器的单针探头剖面结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器的单针探头另一种剖面结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器的单针探头正视图；
图4为本发明实施例1提供的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器的使用状态示意图。
图中：1-绝缘的电极基底，2-工作电极，3-辅助电极3，4-参比电极，5-单针探头，6-植入装置，7-传感器底座，8-皮肤。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实施例提出了一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，该传感器包括传感器基座以及与传感器基座连接的可皮下植入式单针探头；
单针探头包括绝缘的电极基底1，电极基底1上设置有三个反应腔，分别用于装载工作电极2、辅助电极3和参比电极4；
工作电极2包括依次设置的基底层、导电层、酶层以及半透膜层，参比电极3包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；辅助电极3包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；
酶层中包含的葡萄糖氧化酶或脱氢酶能与组织液或血液中的葡萄糖进行氧化还原反应产生电子，工作电极2与辅助电极3形成电回路产生电流信号；参比电极3仅用于电压的测量。
本实施例中，电极基底1采用3D打印技术制备得到，为绝缘性质，直径为100-500μm，上设有三个反应腔，用来装载电极。可以按照工作电极2、辅助电极3、参比电极3顺时针排列；也可以按照工作电极2、参比电极3、辅助电极3顺时针排列。
本实施例中，工作电极2的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
工作电极2的导电层采用金、铂、石墨、银、氯化银中的至少一种制成，导电层采用沉积或镀覆方法制备在基底层上；沉积方法如物理气相沉积、化学气相沉积等；镀覆方法如电镀、化学镀、真空镀等。
工作电极2的酶层包含多孔微观纳米结构材料、交联剂中的至少一种，交联剂用于固定酶在涂层上的稳定性，交联剂包括硅烷交联剂或其他；多孔微观纳米结构材料包括碳纳米管、纳米铂、石墨烯，具有更大的表面积，能够承载更多的酶在其中。
葡萄糖氧化酶（GOx）将葡萄糖氧化为葡萄糖酸并生成过氧化氢，反应式如（1）：
葡萄糖 + O2 → 葡萄糖酸 + H2O2 （1）
过氧化氢会发生氧化分解反应，反应式如（2）：
酶层为葡萄糖氧化酶层或葡萄糖脱氢酶，厚度为0.5-20μm，与组织液中葡萄糖发生酶促反应。
酶层存在于工作电极2表面，反应并与辅助电极3形成电回路，电流从工作电极2和辅助电极3通过，参考电极仅对电压进行测量。
工作电极2的半透膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成，用于控制葡萄糖分子、氧气以及过氧化氢透过，同时阻挡水杨酸、抗坏血酸、对乙酰基酚、尿酸、抗坏血酸、醋氨酚等电化学活性干扰物透过，同时提高传感器生物相容性，降低植入后的排异反应所导致的不适感及传感器灵敏度的降低。
辅助电极3的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
辅助电极3的导电层采用金、铂、石墨、银、氯化银中的至少一种制成，导电层采用沉积或镀覆方法制备在基底层上；
辅助电极3的生物相容膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成。
参比电极3的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
参比电极3的导电层采用银、氯化银中的至少一种制成；
参比电极3的生物相容膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成。
进一步地，电极基底1形状并不唯一，但其特征为具有三个反应腔的结构，其反应腔结构可以是三棱柱、圆柱等形状。如电极基底1与电极之间的连接部位可以是弧形或不规则形状。特殊的，电极基底1可以是两个角的结构（类似长方体），去除一根电极，只在基底上保留两根电极，如去掉参考电极。
单针探头并不一定为上下均匀粗细的柱状体，也可以是上粗下细的形状。其上也可以设置一定凹陷用于与其他器械的固定，如在一段设置卡槽结构；也可以在一段设置一定延展结构用于电流向外传输。
工作电极2、辅助电极3、参比电极3的截面形状并不唯一固定，其可以是扇形、三角形、或其他形状；三个电极在电极基底1上的排列顺序不唯一。
本实施例的葡萄糖传感器在使用时如图4所示，将单针探头5通过植入装置6按下植入至皮下，传感器底座7置于皮肤8外侧，酶促反应所产生电子会在工作电极2与辅助电极3之间产生回路，并出现微弱电流，检测到的电流通过处理端将电信号处理为血糖值。
本发明将三针三电极传感器改为单针结构，其中电极基底1为3D打印制备，且具备一定的柔韧性，极大的减少使用时的身体感受，优化佩戴体验；相比于三针结构，减少了皮下植入后的不适感、提升佩戴体验；相比于片状结构，提升酶的负载量，延长使用时间；
传感器的反应腔结构相较于传统电极结构增加了葡糖糖氧化酶的负载量，同时减小反应面积，达到传感器所产生微电流精度、稳定性与使用寿命的提升，优化反应效率；
三电极距离更近，电子传输效率更高，扰乱因素更少，降低因传感器各电极距离做导致的微电流误差，提升反应稳定性及灵敏度；
半透膜层阻止各类干扰葡萄糖氧化酶与体内葡萄糖等进行反应的物质，提高灵敏度，同时避免葡萄糖氧化酶的溶解损耗，半透膜也起到控制葡萄糖进入速率的作用，避免反应过快，延长使用时间。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，所述传感器包括传感器基座以及与所述传感器基座连接的可皮下植入式单针探头；
所述单针探头包括绝缘的电极基底，所述电极基底上设置有三个反应腔，三个反应腔分别用于装载工作电极、参比电极和辅助电极；
所述工作电极包括依次设置的基底层、导电层、酶层以及半透膜层，所述参比电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；所述辅助电极包括依次设置的基底层、导电层以及生物相容膜层；
所述酶层中包含的葡萄糖氧化酶或脱氢酶能与组织液或血液中的葡萄糖进行氧化还原反应产生电子，所述工作电极与辅助电极形成电回路产生电流信号；所述参比电极用于电压的测量。
2.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，
所述工作电极的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
所述工作电极的导电层采用金、铂、石墨、银、氯化银中的至少一种制成，导电层采用沉积或镀覆方法制备在基底层上；
所述工作电极的酶层包含多孔微观纳米结构材料、交联剂中的至少一种，所述交联剂用于固定酶在涂层上的稳定性，所述交联剂包括硅烷交联剂或其他；所述多孔微观纳米结构材料包括碳纳米管、纳米铂、石墨烯。
3.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，
所述工作电极的半透膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成，所述工作电极的半透膜层用于控制葡萄糖分子、氧气以及过氧化氢透过，同时阻挡包括水杨酸、抗坏血酸、对乙酰基酚、尿酸、抗坏血酸、醋氨酚的电化学活性干扰物透过，同时提高传感器生物相容性，降低植入后的排异反应所导致的不适感及传感器灵敏度的降低。
4.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，
所述辅助电极的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
所述辅助电极的导电层采用金、铂、石墨、银、氯化银中的至少一种制成，导电层采用沉积或镀覆方法制备在基底层上；
所述辅助电极的生物相容膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，所述参比电极的基底层采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不锈钢、金、铂、石墨、银、氯化银、二氧化硅、玻璃碳中的至少一种制成；
所述参比电极的导电层采用银、氯化银中的至少一种制成；
所述参比电极的生物相容膜层采用壳聚糖、纤维素衍生物、聚氨酯、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇、海藻酸钠中的至少一种制成。
6.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，所述电极基底采用3D打印技术制备得到。
7.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，所述电极基底为上下均匀粗细的柱状体，或者是上粗下细的结构。
8.根据权利要求1所述的一种具有反应腔结构的可用于皮下检测的葡萄糖传感器，其特征在于，所述电极基底的直径为100-500μm。
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