TW201626933A - 非侵入式代謝產物偵測裝置 - Google Patents

非侵入式代謝產物偵測裝置 Download PDF

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黃素華
程德勝
張清濠
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亞洲大學
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

本發明係揭露一種非侵入式代謝產物偵測裝置，其可包含取樣模組以及偵測模組。取樣模組係為水凝膠電極貼片，並電性連接供電單元，可由供電單元控制凝膠電極貼片之電流。因而取樣模組可透過在水凝膠電極貼片上使用反向透入法，以使其貼附於皮膚下的代謝產物反向透入通過皮膚表面，並停留於水凝膠貼片中。偵測模組設置於凝膠電極貼片的周圍，並使用酵素與代謝產物作用，產生對應之生理數值。

Description

非侵入式代謝產物偵測裝置 【0001】
本發明是有關於一種非侵入式代謝產物偵測裝置，特別是有關於以電極貼片產生的電位差，使代謝產物反向透入並抽出皮膚表面，再進行代謝產物的後續檢測，以達到非侵入式偵測之目的。

 【0002】
生化檢驗是在臨床的疾病防治中，以及在醫學科學研究中都占有重要地位。隨著醫學科學的發展，生化檢驗的指標日益增多，其品質和費用問題越來越受到人們的關注。在生技產業的市場中，體外檢驗試劑的市場產值僅低於製藥業，但卻沒有製藥業的高風險與需要長時間投入，目前全球每年約維持著三百億美元的檢驗試劑市場，由此可知研發體外檢驗是值得開發。
【0003】
為了要精確的檢測出人體代謝產物，常以侵入式的方式進行採血，之後將血液導入並與酵素反應，以取得對應之代謝產物的訊號，再以電化學或光學偵測之。但是侵入式(扎針)的過程中造成疼痛問題，常使病人產生恐懼，進而產生抗拒的心理，產生的傷口亦有可能造成感染。
【0004】
目前，市面上亦有他種非侵入式的偵測方式，例如採用代謝熱整合法、光子晶體技術和GlucoWatch® G2 Biographer，然而非侵入式偵測意味並非直接為欲偵測的代寫產物，因此需同時考量檢測方式是否具有代表性。因此，有必要提出一種發展他種非侵入式代謝產物偵測裝置，以解決侵入性因採血方式造成的問題、並提升檢測方式的精準度。
 【0005】
有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供一種非侵入式代謝產物偵測裝置，並改善偵測的精準度之問題。
【0006】
基於上述目的，本發明係提供一種非侵入式代謝產物偵測裝置，其可包含取樣模組以及偵測模組。取樣模組可包含水凝膠貼片、電極組以及供電單元。水凝膠貼片，可貼附於受測者的皮膚上。電極組之一端可分別接觸水凝膠貼片以傳遞電流。供電單元可電性連接電極組之另一端並控制流經電極組之電流波型，以使貼附於皮膚部位之皮下組織液中的代謝產物被電極組吸引，進而自皮下組織液抽取代謝產物，並停留於水凝膠貼片中。偵測模組可包含至少一反應單元以及至少一反應單元，至少一反應單元設置於水凝膠貼片的周圍，並與代謝產物作用產生反應結果。感測單元係對應設置於至少一反應單元的周圍，以感測反應結果並產生對應的生理數值。
【0007】
較佳地，至少一反應單元可為固定化酵素反應單元。
【0008】
較佳地，至少一感測單元可為光學感測單元或電化學感測單元。
【0009】
較佳地，代謝產物包含葡萄糖、乳糖、尿素或其組合。
【0010】
較佳地，供電單元提供給電極組之電流密度係介於0.1mA/cm2 至0.5mA/cm2 。
【0011】
較佳地，電流波型包含直流電流、脈衝電流、兩極電流、脈衝兩極電流或其組合。
【0012】
較佳地，偵測模組包含無線傳輸元件電性連接至少一感測單元，以傳送生理數值至監控模組，以監控生理數值。
【0013】
較佳地，本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置更包含攜帶式配戴模組以使水凝膠貼片貼附皮膚上。
【0014】
承上所述，本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置，係有以下好處：
【0015】
(一) 本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置，雖為非侵入式取樣，但仍可抽取代謝產物(組織液)，進而提升檢驗的準確度。
【0016】
(二) 使用本發明之非侵入式抽取代謝產物之檢測晶片，能可靠性的偵測低血糖和高血糖的生理數值。
【0017】
為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。
100‧‧‧非侵入式代謝產物偵測裝置
10‧‧‧取樣模組
11‧‧‧水凝膠貼片
12‧‧‧電極組
121‧‧‧金屬導體
122‧‧‧絕緣體
123‧‧‧反向透入供電電極
124‧‧‧參考電極
125‧‧‧工作電極
126‧‧‧輔助電極
13‧‧‧供電單元
20‧‧‧偵測模組
21‧‧‧反應單元
25‧‧‧感測單元
50‧‧‧無線傳輸元件
60‧‧‧監控模組
100‧‧‧皮膚
110‧‧‧皮下組織液
120‧‧‧代謝產物
【0018】
第1圖係為本發明之非侵入式代謝產物之反向透入法取樣示意圖。
【0019】
第2圖係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之方塊圖。
【0020】
第3圖係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之檢測晶片示意圖。
【0021】
第4圖係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之偵測葡萄糖訊號的時間對電流之曲線圖。
【0022】
第5圖係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之偵測葡萄糖濃度的電流響應圖。
【0023】
第6圖係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之偵測滲透器內的葡萄糖濃度的電流響應圖。
 【0024】
為利 貴審查員瞭解本發明之發明特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。
【0025】
本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。
【0026】
請參閱第1圖，其係為本發明之非侵入式代謝產物之反向透入法取樣示意圖。反向透入法是透過水凝膠貼片11與電極組12形成的電極貼片，並由供電單元13產生低電流通過皮膚100，將皮膚100下代謝產物120導向正或負極，其原理是根據同電相斥、異電相吸。當代謝產物120是負電時(例如尿素)，會被帶正電的電極貼片所吸引，而不帶電(例如葡萄糖)則會被電滲流帶到負電的電極貼片，進而從皮膚100底下抽取皮下組織液110中的代謝產物120，再以與酵素反應之後，取得對應的生理數值。
【0027】
請參閱同時參閱第1圖及第2圖，其係為本發明之非侵入式代謝產物之反向透入法取樣示意圖及非侵入式代謝產物偵測裝置之方塊圖。圖中，一種非侵入式代謝產物偵測裝置100，係包含取樣模組10以及偵測模組20。取樣模組10可包含水凝膠貼片11、電極組12以及供電單元13，偵測模組20可包含反應單元21以及感測單元25。
【0028】
上述的水凝膠貼片11與電極組12可組合形成電極貼片，由水凝膠貼片11盛載電極組12並貼附於受測者的皮膚100，並使電極組12之兩端接觸水凝膠貼片11與供電單元13形成電通路。供電單元13用於控制流經電極貼片之電流波型，並於貼附皮膚100部位之皮下組織中的代謝產物120被電極組12吸引，進而自皮膚100下抽取代謝產物120並停留於水凝膠貼片11中。
【0029】
進而，供電單元13提供之電流波型可包含直流電流、脈衝電流、兩極電流、脈衝兩極電流，並使用對應之電化學分析方法。
【0030】
偵測模組20中的反應單元21係設置於水凝膠貼片11的周圍，並與停留於水凝膠貼片11中的代謝產物120作用產生反應結果，感測單元25係對應設置於反應單元21的周圍，以感測反應結果並產生對應的生理數值數值。
【0031】
實施上，反應單元21可為固定化酵素反應單元，增加其穩定性及其使用壽命。可在電極貼片周圍設置多種反應單元21及對應之感測單元25，以同時偵測不同種類之代謝產物120。且感測單元25可使用光學感測單元或電化學感測單元以對應反應單元21，以檢測呈色法或檢測電子轉移取得生理數值。
【0032】
實施上，本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置100更可包含導液單元，並由導液單元接觸水凝膠貼片11與反應單元21，以使水凝膠貼片11中停留的代謝產物120，以毛細現象輸送至反應單元21中進行作用，以使電極貼片成為拋棄式的耗材，使其具有方便、衛生且可防止交叉感染。
【0033】
實施上，偵測模組20可包含無線傳輸元件50電性連接感測單元25，以傳送生理數值至監控模組60，監控模組60可為個人電腦、攜帶型電子裝置或醫療器材，以監控生理數值。
【0034】
實施上，本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置100，可以將取樣模組10製作成晶片的形式，並由攜帶式配戴載體，使水凝膠貼片11固定於皮膚100上，以形成隨身攜帶型的生理檢測裝置。
【0035】
請同時參閱第3圖、第4圖以及第5圖，係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之檢測晶片示意圖、偵測葡萄糖訊號的時間對電流之曲線圖以及偵測葡萄糖濃度的電流響應圖。於本實施例中，是以反向透入的原理抽取葡萄糖，並以葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOD)及二茂鐵(Ferrocene)，依序傳遞氧化葡萄糖產生的電子流，並以電化學的方式偵測以取得生理數值。所有的電化學檢測方式是以變異數分析(ANOVA)，所有數據是以SPSS (v.11.5 software SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA)統計軟體進行分析，並設定以0.05作為顯著性的水平標準。
【0036】
請同時參見閱的第1圖及第3圖，為使用印刷塗佈的方式製程本發明之檢測晶片的過程，第3圖之(a)部分為提供盛載電極的水凝膠貼片11，第3圖之(b)部分為在電極上塗佈四條金屬導體121以形成電通路，四條金屬導體121之一端連接供電單元13或電化學感測單元，以提供反向透入抽取之電位差或進行電化學檢測分析，其中一條為中央圓點，另外三條則以中央圓點為圓心圍繞的圓周線，且四條金屬導體121皆不接觸。
【0037】
第3圖之(c)部分是在金屬導體121上再塗佈一層絕緣體122並裸露出部分的金屬導體121，第3圖之(d)部分中係於中央的金屬導線上塗佈銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極作為反向透入供電電極123，並於其中一條金屬導體121末端之圓周線 塗佈銀/氯化銀電極作為參考電極124，第3圖之(d)部分是則是在最後兩條金屬導體121末端之圓周使用石墨作為工作電極125 及 輔助電極126，並將反應單元21設置於工作電極125。
【0038】
請參見第3圖及第4圖，圖中係以12.5 mg/mL 葡萄糖氧化酶和 0.1 M 二茂鐵作為反應單元21，且流經反向透入供電電極123，當將4mM的葡萄糖溶液混入0.01M 的磷酸鹽緩衝液(pH7.4)中時，其還原電流增加並於10秒時到達穩定電流。能達到如此短的檢測時間之關鍵因素在於，葡萄糖氧化酶、二茂鐵和反向透入供電電極123的位置非常接近，因此降低了擴散的能量障礙，測得還原電流時可較快到達穩定電流。
【0039】
請參見第3圖及第5圖，圖中係以8.5 mg/mL 葡萄糖氧化酶和 0.05 M 二茂鐵作為反應單元21，並做三重複實驗，實驗結果以橫坐標為葡萄糖濃度(mM)，縱坐標為檢測晶片測得響應電流(μA)之量值，檢測晶片對葡萄糖濃度的靈敏度是由電流響應與葡萄糖濃度曲線圖的回歸線的斜率來確定。如圖所示，葡萄糖濃度由0.5 mM至4mM時，偵測之響應電流(μA)量值的回歸線斜率為0.9913，顯示本發明之檢測晶片對葡萄糖具有良好的準確度。
【0040】
請同時參閱第1圖、第3圖及第6圖，其係為本發明之非侵入式代謝產物偵測裝置之檢測晶片示意圖及偵測滲透器內的葡萄糖的電流響應圖。圖中，係將檢測晶片設於滲透器(diffusion cell)上，並於滲透器之內測放置磷酸鹽緩衝液(pH 7.4, 0.1M)及不同濃度之葡萄糖溶液，葡萄糖濃度為3 mM、5mM、15mM係模擬低血糖、正常、高血糖的情況，並做五重複實驗，供電單元13於電極組12上提供30分鐘為一週期兩極電流(bipolar current)，於常溫(22~24℃)下進行90分鐘的反向透入，且流經電極的電流密度為0.3 mA/cm2 ，以抽出滲透器內的葡萄糖，檢測晶片上的反應單元21為12.5 mg/mL 葡萄糖氧化酶和 0.1 M 二茂鐵。
【0041】
如圖所示，葡萄糖濃度在3 mM至15mM之範圍內時，偵測之響應電流(μA)量值的回歸線斜率為0.99，顯示本發明之檢測晶片對葡萄糖具有良好的準確度。和目前商品化的GlucoWatch相比，本發明之檢測晶片能可靠的偵測到低血糖和高血糖。
【0042】
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

國內寄存資訊【請依寄存機構、日期、號碼順序註記】
無
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無
無
100‧‧‧非侵入式代謝產物偵測裝置
10‧‧‧取樣模組
11‧‧‧水凝膠貼片
12‧‧‧電極組
13‧‧‧供電單元
20‧‧‧偵測模組
21‧‧‧反應單元
25‧‧‧感測單元
50‧‧‧無線傳輸元件
60‧‧‧監控模組

Claims (8)

  1. 【第1項】
    一種非侵入式代謝產物偵測裝置，係包含：
    一取樣模組，係包含：
    一水凝膠貼片，係貼附於受測者的一皮膚上；
    一電極組，該電極組之一端分別係接觸該水凝膠貼片以傳遞電流；以及
    一供電單元，係電性連接該電極組之另一端並控制流經該電極組之一電流波型，以使貼附於該皮膚部位之一皮下組織液中的一代謝產物被該電極組吸引，進而自該皮下組織液抽取該代謝產物並停留於該水凝膠貼片中；以及
    一偵測模組，係包含：
    至少一反應單元，係設置於該水凝膠貼片的周圍，並與該代謝產物作用產生一反應結果；以及
    至少一感測單元，係對應設置於該至少一反應單元的周圍，以感測該反應結果並產生一生理數值。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，其中該至少一反應單元係為固定化酵素反應單元。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，其中該至少一感測單元係為光學感測單元或電化學感測單元。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，其中該代謝產物包含葡萄糖、乳糖、尿素或其組合。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，其中該供電單元提供給該電極組之電流密度係介於0.1mA/cm2 至0.5mA/cm2 。
  6. 【第6項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，其中該電流波型包含直流電流、脈衝電流、兩極電流、脈衝兩極電流或其組合。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，其中該偵測模組包含一無線傳輸元件電性連接該至少一感測單元，以傳送該生理數值至一監控模組，以監控該生理數值。
  8. 【第8項】
    如申請專利範圍第1項所述之非侵入式代謝產物偵測裝置，更包含一攜帶式配戴模組以使該水凝膠貼片貼附該皮膚上。
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