第31卷第12期2010年12月仪器仪表学报Ch i nese Journa l o f Sc ientific Instru m entV o l 131N o 112D ec . 2010一种透皮无创血糖检测系统的设计*与实验验证肖宏辉1, 2, 常凌乾1, 2, 杨庆德1, 2, 贺银增1, 2, 蔡新霞1, 2(1 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地北京 100190;2 中国科学院研究生院北京 100049摘要:介绍了一种基于反离子电渗方法的非侵入式血糖监测系统。
该系统通过集成恒电流源和双恒电势仪电路, 配合高灵敏度介体酶传感器, 实现了反离子电渗抽取和抽取至体表葡萄糖的检测。
并且通过良好的降噪和提升采样精度的设计, 有效提高了测量的准确性。
根据所检测的葡萄糖浓度与组织液葡萄糖浓度以及血糖浓度间相对稳定的对应关系, 本系统可以自动计算出血糖浓度。
经过动物实验验证:该无创血糖监测系统经过一次有创校准后能够实现血糖监测。
对比常规的有创测量方法, 在动物血糖自然变化状态下, 该系统的监测结果能够很好地反映出血糖的平均浓度值; 在人为干预动物血糖浓度的情况下, 该系统的监测结果能够较好地反映出血糖的变化趋势。
关键词:血糖; 无创测量; 反离子电渗; 中国实验用小型猪中图分类号:TH 77 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510. 8040D evel op m ent and experim ent of a gl ucose m onitor usi ngnoninvasi ve transdermal extractionX iao H onghu i , Chang Lingqian , Yang Q ingde , H e Y i n zeng , Ca iX i n x i a 2Graduate Universit y of Chinese A cade my of Sciences , B eij i ng 100049, China 1, 21, 21, 21, 21, 2(1S tate K e y Laboratory of T ransducer T echnology, Instit u te of E lectronics , Chinese A cad e m y of Science , B eij i ng 100190, China;Abst ract :A non-i n vasi v e g l u cose monitor based on reverse iontophoresis is described . The reverse i o ntophoresi sm ethod is realized w ith a constant current source , and the glucose obta i n ed usi n g reverse iontophoresis m ethod i s detected w it h a high -sensiti v ity enzy m e b iosensor and a double constant voltage source c ircu i. t The accuracy of the m on ito r is i m pr oved by good no ise depressi o n desi g n and h i g h sa m ple prec i s ion desi g n. The m on ito r can fi g ure out blood g lucose through the re lationsh i p a m ong the g l u cose detected by the b iosensor , the g lucose in tissues and blood glucose . A ni m a l experi m entsw ere carried ou t to verify the m onitor . The resu lts show t h at the m on itor can detect the var i a ti o n of the experi m enta l an i m a l . s blood g l u cose after an invasive i n str um en t calibration . W hen the ani m a l . s blood glucose varies in nor m al status , the result of the m onitor sho w s good corre lation w ith the i n vasi v e i n stru m ent resu lt . W hen the ani m al i s i n jected w ith a m ount of high concen trati o n g lucose , the m on itor can detect the variati o n trend of blood glucose . K ey words :blood g l u cose ; non-i n vasi v e m on itor ; reverse i o ntophoresis ; Ch i n ese exper i m enta lm i n i p i g收稿日期:2010-05 R ece i ved D ate :2010-05*基金项目:国家重点基础研究发展计划(2011CB933202 、国家高技术研究发展计划(2007AA042105, 2007AA04Z326 、中科院知识创新项目(KGCX2-Y W-916 资助选择性、高灵敏度, 可以有效地排除其他电渗至体表的物1 引言糖尿病已成为严重危害人体健康的慢性非传染性疾病。
糖尿病在中国的严峻形势更是发人深省。
截止2003年, 中国已经成为糖尿病第二大国, 拥有2380万糖尿病患者, 仅次于印度。
血糖监测是对前驱糖尿病患者和糖尿病患者诊断和治疗的重要依据, 同时连续的血糖监测有助于改善自身膳食结构, 预防糖尿病。
[2]无创检测技术应用于临床测量成为了近年来研究的重点, 常见的无创测量方法有很多种, 例如能量代谢守恒法、光声光谱法、近红外光谱法、反离子电渗[6-7]法等。
其中, 反离子电渗法配合高灵敏度介体酶传感器, 能够有效地排除其他生物物质的干扰, 同时具有极高的检测灵敏度。
基于上述技术背景, 本课题组前期研发了一款无创血糖仪, 并进行了一系列模拟实验和动物实验。
在之前的无创血糖仪及其实验数据的基础上, 本文设计了一种新的的无创血糖监测系统, 该系统采用一种新的血糖浓度计算方法, 并对反离子电渗电路和检测电路进行了改进, 以提高本系统的测量稳定性和可靠性。
本文还设计了相关的动物实验, 通过实验验证了本系统对于测量动物血糖的可行性和可靠性。
[8][7][3][4][5][1]质的影响, 能够测量出微量的葡萄糖(检出限为1L M , 同时在工作电极表面修饰了凝胶层, 可以形成相对稳定的溶液环境, 有助于葡萄糖的检测。
为了配合反离子电渗抽取, 在上述传感器的对电极上修饰A g |AgCl浆, 从而将对电极复用作反离子电渗的抽取电极, 这样就形成了集反离子电渗和葡萄糖检测功能为一体的传感器与抽取[13]电极复合体(以下简称复合体 , 如图1所示。
1A g |Ag C l 参比电极; 2电极引线; 3抽取电极/对电极;4修饰了酶膜的工作电极图1 传感器与抽取电极复合体示意图F ig . 1The co m plex of senso r and ex trac ti ng electrode从图1可以看出, 该复合体由2个完全一样的传感器以对称的形式构成, 这2个传感器的抽取电极在抽取过程中分别作为施加电场的正负极, 实施反离子电渗抽取。
2 检测原理动物皮肤起着隔绝动物体内组织与外界环境的作用, 目前已有多种方法能经过皮肤传输各种物质。
基于反离子电渗抽取(以下简称为抽取的经皮无创血糖检测就是其中的一种方法, 其目的是为了突破皮肤的隔绝作用, 建立皮下组织至体表传感器的葡萄糖传输通路。
通过在体表施加一个电场, 皮下组织中的带电离子在电场的作用下迁移至体表, 其中正离子朝着阴极移动, 负离+子朝着阳极移动。
Na 离子将作为中性分子迁移的载体[9]3 系统设计本监测系统包括多路切换开关、反离子电渗抽取电路、传感器后端电路、中央处理与控制模块、电源模块。
系统框图如图2所示。
因此中性分子, 如葡萄糖分子, 将迁移至阴极。
随着皮下组织中葡萄糖浓度的不同, 迁移至体表的葡萄糖的量也不一样。
最后根据抽取出的葡萄糖的量、皮下葡萄糖浓度和血糖浓度三者之间的相对固定的关系, 计算出[10]血糖浓度。
动物皮肤能够存储葡萄糖等生物物质[11], 这部分葡图2 系统总体设计结构框图F i g . 2Struct ure diag ra m of the system萄糖的量是未知的, 因此为了使得测量结果稳定, 在抽取前, 需要先进行预抽取, 将皮肤内原有的葡萄糖清理。
预抽取之后, 皮下组织至体表的葡萄糖传输通道已经建立, 可以在同一部位进行连续抽取和测量。
本监测系统利用以锇离子聚合物为介体的高灵敏度[12]传感器具有3. 1 多路切换开关本系统采用多路切换开关实现上述复合体的抽取和检测功能。
当进行抽取时, 将复合体连接至反离子电渗; , 将传感器电路。
3. 2 反离子电渗抽取电路鉴于本课题组的前一款仪表无法对抽取有效性进行判断[8], 本文设计的仪表添加了反离子电渗抽取电路, 如图3所示。
图中I 为恒流源, 通过电流基准源芯片REF200实现, 该恒流源输出100L A 电流。
R 是一个小电阻, 阻值为18。
恒流源输出的微电流通过抽取电极, 流经皮肤,达到反离子电渗抽取的目的。
C 1、R 1、W 1、i 1分别表示传感器1的对电极、参比电极、工作电极、响应电流;C 2、R 2、W 2、i 2分别表示传感器2的对电极、参比电极、工作电极、响应电流图4 传感器后端电路原理图F i g . 4B l ock d i agra m o f the sensor si gna l processi ng c ircuit图3 反离子电渗抽取电路原理图F ig . 3B l o ck diag ram of reverse i ontophoresis c ircuit本课题组的前一款仪表对于无创检测时的背景电流无法有效的去除。