基于电化学方法设计的唾液葡萄糖检测仪

1、中国组织工程研究与临床康复 第 13卷 第 30期 2009 07 23出版Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research July 23, 2009 Vol.13, No.30 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH5915Department of BiomedicalEngineering, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, ChinaZhu Yong-li ,Studying for masters degree

2、, Department of BiomedicalEngineering, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, Chinazhu_198407 Correspondence to: Zhao Qiu-sheng, Department of BiomedicalEngineering, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, Chinaqiusheng.zhao Received: 2009-04-14 Accepted: 2009-05-15天津医 科 大学生 物医学工程系, 天 津市 30

3、0070朱永丽 ,女, 1984年生,内蒙 古乌兰察布市人, 汉族, 天津医科大 学在读硕士, 主要 从事医 疗 仪器方 面的研究。 zhu_198407 通讯作 者 :赵秋 生, 副教授, 硕士 生导师, 天津医科 大学生 物 医学工 程 系 , 天 津 市 300070 qiusheng.zhao中图分类号 :R318 文献标识码 :B文章编号 :1673-8225(200930-05915-04收稿日期:2009-04-14 修回日期:2009-05-15(20090324030/G·A基于电化学方法设计的唾液葡萄糖检测仪 朱永丽,赵秋生,邵珠光,景志伟Electrochemi

4、stry-based design of a detector for saliva glucoseZhu Yong-li, Zhao Qiu-sheng, Shao Zhu-guang, Jing Zhi-weiAbstract: A kind of saliva glucose detector based on electrochemistry is designed to measure the saliva glucose of diabetes mellitus, so as to achieve non-invasive measurement for diabetes mell

5、itus state. A Prussian blue modified glassy carbon electrode was designed as the working electrode of the three-electrode system to improve the electrode sensitivity to H2O 2s electrochemical reaction in a lower voltage. A three-electrode system was employed for measuring the current generated by th

6、e oxidation-reduction reaction of glucose catalyzed by glucose oxidase. Technique of shield-driving was used to avoid the attenuation of the voltage when it was processed, so as to ensure the precision measurement. A single chip microcomputer, C8051F020, was used to control the system and provide sc

7、anning voltage for the electrode, make A/D transition and process the result. Then the outputs were displayed on liquid crystal display. This detectors operating voltage was 0.496 V. The sensitivity was 0.1 mmol/L. There was a constant of proportionality between the measuring results of this detecto

8、r and the preciseanalysator, Lanbiao LK98B. Results of the study show that this detector has low operating voltage, high sensitivity and good function of whole system, and can meet the request of measure.Zhu YL, Zhao QS, Shao ZG, Jing ZW. Electrochemistry-based design of a detector for saliva glucos

9、e.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2009;13(30: 5915-5918. 摘要:旨在设计一种基于电化学方法的唾液葡萄糖检测仪,根据糖尿病患者的唾液葡萄糖含量与血糖含量的相关性,通过 检测糖尿病患者的唾液葡萄糖含量,实现糖尿病患者的无创病情监控。实验制备普鲁士蓝修饰电极作为三电极系统的工作 电极,提高电极对 H 2O 2的电催化还原反应的灵敏度,降低工作电压。利用三电极检测系统,检测在葡萄糖氧化酶催化作用 下葡萄糖氧化还原反应产生的电流。采用屏蔽层驱动技术,避免检测到的微弱信号在传输过程中的衰减,从而达到准确测 量

10、。采用单片机 C8051F020对整个系统进行控制,并且为电极提供扫描电压,对检测结果进行 A/D转换等处理,最后将 结果显示在液晶屏上。该检测仪工作电压为 0.496 V,检测灵敏度为 0.1 mmol/L;由该仪器检测的唾液葡萄糖浓度与精密 分析仪蓝标 LK98B 型测得的结果只差一个比例常数。结果提示,该唾液葡萄糖检测仪具有工作电压低、灵敏度高、总体性 能良好的特点,可以达到检测要求。关键词:唾液葡萄糖;普鲁士蓝;酶电极;单片机 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2009.30.025朱永丽,赵秋生,邵珠光,景志伟 . 基于电化学方法设计的唾液葡萄糖检测仪 J.中

11、国组织工程研究与临床康复, 2009, 13(30:5915-5918. 0 引言随着人们生活习惯和生活节奏的改变,糖 尿病已经成为一种严重威胁人们健康的常见的 内分泌疾病 1。 目前, 世界糖尿病患者已构成一 个庞大的群体, 并且仍在不断增加 2。 而中国已 经成为糖尿病患者大国,但目前尚没有有效的 治疗糖尿病的方法,只能不断地对患者血糖水 平进行监控, 用药物等手段控制血糖升高 3。 目 前普遍采用的血糖检测方法是针刺式手指取 血。该方法检测结果比较准确,操作简便,但 由于血糖检测次数频繁,再加上糖尿病患者自 身免疫力和身体状况问题,多次针刺造成的伤

12、 口愈合缓慢,极易造成感染,导致感染性急性 并发症 4。 所以, 探索一种间接的、 无创的血糖 检测方法,可以减轻患者在血糖测量中由于频 繁针刺造成的身体和心理上的痛苦 5。本文探讨一种基于电化学方法的唾液葡萄 糖检测仪,目的是得出一种无创的、操作简便 的、普查型的唾液葡萄糖检测仪,从而达到间 接测量血糖。已有研究结果表明,唾液葡萄糖含量约为 血液葡萄糖含量的 1/1001/506; Yamaguchi 等 6通过实验得出两者的相关系数为 0.65,存 在 显 著 相 关 性 , 但 有 20 min时 间 延 迟 ; Ginsberg 等 7在经过时间校验得出两者的相关 系数为 0.76以上

13、。所以,唾液葡萄糖含量与血 糖水平存在相关性,而且唾液采集属无创性采 集 8,通过测量唾液葡萄糖浓度取代血糖测量 来监测糖尿病具有一定的可行性和十分积极 的意义。1 检测原理1.1 唾液标本采集 提取受试者清晨状态下基础医学朱永丽,等 . 基于电化学方法设计的唾液葡萄糖检测仪 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 5916www. CRTER .org 自然分泌的混合全唾液。受试者为 4例 1型糖尿病患者、 4例 2型糖尿病患者、 2名无糖尿病及其他免疫代谢性疾 病的正常人。受试者对试验方案均知情同意,且得到医 院伦理道德委员会批准。具体方法:经过夜间 814 h的禁

14、食后,用清水漱口 3次后取坐位,在舌下放一小块洁净、灭菌、干燥的脱脂 棉球, 完全浸透唾液后取出, 挤出唾液, 取 3.04.0 mL, 在 -40 环境下冷藏,以备实验用。检测时经离心机以 转速 3 000 r/min离心 5 min,取上清液 2 mL9。 1.2 电极制备 本实验采用普鲁士蓝 (PB修饰电极, 因为普鲁士蓝修饰电极对 H 2O 2在较低电位下产生电化 学还原反应,可提高电极的选择性 10。先配制 SiO 2溶 胶 -凝胶溶液, 所需溶液为:1 mL甲醇, 0.1 mL TMOS, 0.05 mL 5×10-3 mol/L NaOH, 0.05 mL 3% CTA

15、B甲醇 溶液,将上述溶液与 0.3 mL二次水混合,制得 SiO 2溶 胶 -凝胶溶液。使用前现配置11­12。将玻碳电极抛光后依次经 2 mol/L NaOH、乙醇、 2 mol/L HCl及二次水超 声洗涤,再将处理干净的玻碳电极插入新配置的含 2.5×10-3 mol/L FeCl3, 2.5×10-3 mol/L K3Fe(CN6,0.1 mol/L HCl和 0.1 mol/L KCl的溶液中,用 0.5 V恒电 位下电沉积 20 s13,即制得普鲁士蓝膜修饰电极。将 制得的电极置于含 0.1 mol/L HCl和 0.1 mol/L KCl的溶 液中,

16、在 0.4-0.05 V之间扫描至稳定,取出电极,再 置于 100 环境下烘干 1 h备用 14。将 2 mg葡萄糖氧化酶 (GOD溶于 200 µL水中,取 2 µL滴于普鲁士蓝膜修饰电极上,晾干 30 min。取新配 置的二氧化硅溶胶-凝胶 6 µL滴于修饰电极上,放置 10 min,制得酶电极。然后置于潮湿环境下 1 冰箱中 密闭保存, 24 h后使用15。为了提高检测精度,使用来自霉菌的葡萄糖氧化酶,因为来自霉菌的葡萄糖氧化酶 对葡萄糖具有高度特异性,不能氧化其他糖类,由此可 测出真实值 16。1.3 电化学原理 葡萄糖氧化酶在有氧条件下催化 -D -葡萄

17、糖 (葡萄糖水溶液状态 氧化,生成 D -葡萄糖 酸 -内酯和过氧化氢。过氧化氢与过氧化氢型电极接 触产生电流,该电流值与 -D -葡萄糖的浓度呈线性比 例 17­18, 据此可测出溶液中葡萄糖的浓度。 反应过程如 式和式所示。2 系统硬件组成及设计思想 该系统采用 C8051F020作为核心处理器。 整体设计 思想:开始检测时,由 C8051F020的 12位 DAC 电压输 出为电极提供扫描电压。同时启动超声发生器,开始对 被测溶液进行搅拌。当扫描电压达到被测成分的特征电位时,电极上开始进行式和式所示的氧化还原反 应,在恒定电压的作用下,产生的电子在工作电极和辅 助电极构成的回路

18、中形成电流。将电流信号转化为电压 信号, 通过放大器放大后送入 C8051F020的 12位 ADC0口进行模数转换,根据电压大小与溶液中的葡萄糖浓度 的对应关系, 通过软件控制换算出被测溶液中葡萄糖浓 度,将其显示在液晶屏上。系统整体设计框图见图 1。 2.1 三电极系统 本检测电极采用三电极系统 19,电 极示意图见图 2。工作电极为制备好的普鲁士蓝修饰电极; 参比电极 采用 Ag-AgCl 电极 20;辅助电极采用玻碳电极。参比电 极在测量过程中提供一个已知的稳定的电极电位, 作为 测量的参考电位。辅助电极的作用是在整个测试中形成 一个可以让电流通过的回路。本设备中工作电极为阴 极,对电

19、极为阳极,参比电极与工作电极间的电位差可 通过电位仪测得。由于参比电极的电位恒定不变,又基 本上无电流通过,因此工作电极上的电位不受工作电极 与对电极间的 IR 降影响,这就使稀水溶液中进行伏安研 究成为可能 21­22。2.2 放大电路 由于唾液中葡萄糖浓度很小,检测到 的电信号非常微弱,为了避免因信号传输过程中衰减产 生的误差,本设备采用屏蔽层驱动技术。将传输后有微 弱衰减的信号反馈到屏蔽线,降低传输线与屏蔽线之间 的电压差, 使线间的衰减电流减小, 从而降低衰减电压。 经过多次循环,最终达到没有衰减 23­24。放大电路示意 图见图 3。同时通过电路提高输出阻抗和共模

20、抑制比。Figure 2 Scheme of three electrode system图 2 三电极系统工作线路示意图 朱永丽,等 . 基于电化学方法设计的唾液葡萄糖检测仪 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH5917www. CRTER .org2.3 电源电路 本设备有两处需要供电,第一需对单片 机提供 5 V电压,第二超声波发生器需 12 V工作电压。本 设备采用环保型双端输出型开关电源 25。该电源工作电压 范围为 90275 V, 输出电压为 +5 V/800 mA和 +12 V/2 A。 2.4 超声搅拌设计思路 为了使溶液中葡萄糖

21、反应速 度加快、反应进行彻底,本设计利用超声波对被测液进 行搅拌,既达到搅拌的目的,又避免转动电极式搅拌或 旋转杯式搅拌带来的不便。超声在传播过程中会引起介质质点交替的压缩与 伸张,构成了压力的变化,从而引起介质质点的机械运动。超声波搅拌装置主要由超声波发生器和超声波换能 系统等组成。 为了避免超声波使溶液产生雾化和破坏物 质结构,超声波的功率和频率不宜过大。首先,超声波 发生器将功率密度为 0.2 W/cm2,频率为 20 kHz的电信 号加到压电换能器上,使其产生同频率的机械振动,此 振动通过变频杆将振幅放大,通过导入杆将起传入被测 液体,实现搅拌 26。超声波发生器模块的电源采用 12

22、V直流电源。3 软件系统设计本设计的软件部分是根据硬件电路的功能实现的, 采用单片机 C 语言进行编写。软件流程图见图 4。单片机对开始检测键进行中断响应, 开始为检测电 极提供扫描电压,同时启动超声波发生器开始对溶液进 行搅拌。当反应完成后,按下检测结束键,单片机对该 信号进行中断响应,接收经过放大的电压信号,对其进 行模数转换,并根据电压和葡萄糖浓度之间的比例关 系,将电压值换算成葡萄糖溶液浓度,并将结果显示在 LCD 上。4 结果和结论工作电压由单片机 C8051F020的 12位数 /模转换器 DAC 口提供。输出范围为 00.819 2 V,上升幅度为 0.2 mV。经实验得到工作电

23、压为 0.496 V。扫描电压与 溶出电流关系示意图见图 5。4.1 葡萄糖标准溶液测量 配置标准葡萄糖底物溶 液, 浓度范围为 1.512.5 mmol/L, 分别为 1.5, 2.6, 4.3, 5.5, 6.8, 8.0, 9.2, 10.1, 11.3, 12.5 mmol/L。每个 标准溶液测试 20个样本,共 200个样本 27,测量时间为 30 s。分析 30 s内不同浓度的葡萄糖标准液与所得对应 电压值的相关系数,结果表明在 14 s左右的相关系数最 大,为 0.986。图 6为 14 s时不同浓度的平均值拟合曲线 图,相关系数为 0.995 3。4.2 唾液标本测定 将已采集

24、好的 10个唾液标本取 出。 将每一个标本平均分成 2份, 每份 1 mL, 构成 2组完朱永丽,等 . 基于电化学方法设计的唾液葡萄糖检测仪 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 5918www. CRTER .org 全相同的 2个标本组,其中 1组用自制仪器进行测定,在 工作电压下,用超声搅拌仪进行搅拌,将检测出的电压 值根据校正曲线计算出对应的葡萄糖浓度。另一组用蓝 标 LK98B 型电化学分析仪进行测量。将两种不同方法的 测量结果进行比较,通过两组测量结果的相关性可知设 计的唾液葡萄糖检测仪的性能总体上较好,与大型分析 仪测得的结果只差一个比例常数,可以达到

25、检测应用的 要求。4.3 结论 本仪器通过对检测电极、放大电路、搅拌 方式等的优化,提高了测试范围,降低工作电压。其检 测灵敏度为 0.1 mmol/L,达到了检测精度要求。5 讨论本仪器只是初步探索阶段, 目前对血糖浓度与唾液 葡萄糖浓度的确切对应关系还无定论,无法确定糖尿病 的唾液葡萄糖浓度诊断标准,而且,唾液葡萄糖浓度随 血糖浓度变化具有时间延迟,在检测中应加以修正。另 外,唾液的分泌和成分受口腔内的理化刺激、机体水分 摄入量、情绪变化及唾液采集方法和时间影响,而且, 唾液中存在许多干扰因素,所以,唾液葡萄糖检测的实 际应用中还有很多问题有待进一步解决。6 参考文献 1Legro RS,

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