基于電化學(xué)方法設(shè)計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀

1、中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù) 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天津醫(yī) 科 大學(xué)生 物醫(yī)學(xué)工程系, 天 津市 30

3、0070朱永麗 ,女, 1984年生,內(nèi)蒙 古烏蘭察布市人, 漢族, 天津醫(yī)科大 學(xué)在讀碩士, 主要 從事醫(yī) 療 儀器方 面的研究。 zhu_198407 通訊作 者 :趙秋 生, 副教授, 碩士 生導(dǎo)師, 天津醫(yī)科 大學(xué)生 物 醫(yī)學(xué)工 程 系 , 天 津 市 300070 qiusheng.zhao中圖分類號(hào) :R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B文章編號(hào) :1673-8225(200930-05915-04收稿日期:2009-04-14 修回日期:2009-05-15(20090324030/G·A基于電化學(xué)方法設(shè)計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀 朱永麗,趙秋生,邵珠光,景志偉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:旨在設(shè)計(jì)一種基于電化學(xué)方法的唾液葡萄糖檢測(cè)儀,根據(jù)糖尿病患者的唾液葡萄糖含量與血糖含量的相關(guān)性,通過(guò) 檢測(cè)糖尿病患者的唾液葡萄糖含量,實(shí)現(xiàn)糖尿病患者的無(wú)創(chuàng)病情監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)制備普魯士藍(lán)修飾電極作為三電極系統(tǒng)的工作 電極,提高電極對(duì) H 2O 2的電催化還原反應(yīng)的靈敏度,降低工作電壓。利用三電極檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)在葡萄糖氧化酶催化作用 下葡萄糖氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流。采用屏蔽層驅(qū)動(dòng)技術(shù),避免檢測(cè)到的微弱信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減,從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè) 量

10、。采用單片機(jī) C8051F020對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制,并且為電極提供掃描電壓,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換等處理,最后將 結(jié)果顯示在液晶屏上。該檢測(cè)儀工作電壓為 0.496 V,檢測(cè)靈敏度為 0.1 mmol/L;由該儀器檢測(cè)的唾液葡萄糖濃度與精密 分析儀藍(lán)標(biāo) LK98B 型測(cè)得的結(jié)果只差一個(gè)比例常數(shù)。結(jié)果提示,該唾液葡萄糖檢測(cè)儀具有工作電壓低、靈敏度高、總體性 能良好的特點(diǎn),可以達(dá)到檢測(cè)要求。關(guān)鍵詞:唾液葡萄糖;普魯士藍(lán);酶電極;單片機(jī) doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2009.30.025朱永麗,趙秋生,邵珠光,景志偉 . 基于電化學(xué)方法設(shè)計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀 J.中

11、國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù), 2009, 13(30:5915-5918. 0 引言隨著人們生活習(xí)慣和生活節(jié)奏的改變,糖 尿病已經(jīng)成為一種嚴(yán)重威脅人們健康的常見(jiàn)的 內(nèi)分泌疾病 1。 目前, 世界糖尿病患者已構(gòu)成一 個(gè)龐大的群體, 并且仍在不斷增加 2。 而中國(guó)已 經(jīng)成為糖尿病患者大國(guó),但目前尚沒(méi)有有效的 治療糖尿病的方法,只能不斷地對(duì)患者血糖水 平進(jìn)行監(jiān)控, 用藥物等手段控制血糖升高 3。 目 前普遍采用的血糖檢測(cè)方法是針刺式手指取 血。該方法檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確,操作簡(jiǎn)便,但 由于血糖檢測(cè)次數(shù)頻繁,再加上糖尿病患者自 身免疫力和身體狀況問(wèn)題,多次針刺造成的傷

12、 口愈合緩慢,極易造成感染,導(dǎo)致感染性急性 并發(fā)癥 4。 所以, 探索一種間接的、 無(wú)創(chuàng)的血糖 檢測(cè)方法,可以減輕患者在血糖測(cè)量中由于頻 繁針刺造成的身體和心理上的痛苦 5。本文探討一種基于電化學(xué)方法的唾液葡萄 糖檢測(cè)儀,目的是得出一種無(wú)創(chuàng)的、操作簡(jiǎn)便 的、普查型的唾液葡萄糖檢測(cè)儀,從而達(dá)到間 接測(cè)量血糖。已有研究結(jié)果表明,唾液葡萄糖含量約為 血液葡萄糖含量的 1/1001/506; Yamaguchi 等 6通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出兩者的相關(guān)系數(shù)為 0.65,存 在 顯 著 相 關(guān) 性 , 但 有 20 min時(shí) 間 延 遲 ; Ginsberg 等 7在經(jīng)過(guò)時(shí)間校驗(yàn)得出兩者的相關(guān) 系數(shù)為 0.76以上

13、。所以,唾液葡萄糖含量與血 糖水平存在相關(guān)性,而且唾液采集屬無(wú)創(chuàng)性采 集 8,通過(guò)測(cè)量唾液葡萄糖濃度取代血糖測(cè)量 來(lái)監(jiān)測(cè)糖尿病具有一定的可行性和十分積極 的意義。1 檢測(cè)原理1.1 唾液標(biāo)本采集 提取受試者清晨狀態(tài)下基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)朱永麗,等 . 基于電化學(xué)方法設(shè)計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 5916www. CRTER .org 自然分泌的混合全唾液。受試者為 4例 1型糖尿病患者、 4例 2型糖尿病患者、 2名無(wú)糖尿病及其他免疫代謝性疾 病的正常人。受試者對(duì)試驗(yàn)方案均知情同意,且得到醫(yī) 院倫理道德委員會(huì)批準(zhǔn)。具體方法:經(jīng)過(guò)夜間 814 h的禁

14、食后,用清水漱口 3次后取坐位,在舌下放一小塊潔凈、滅菌、干燥的脫脂 棉球, 完全浸透唾液后取出, 擠出唾液, 取 3.04.0 mL, 在 -40 環(huán)境下冷藏,以備實(shí)驗(yàn)用。檢測(cè)時(shí)經(jīng)離心機(jī)以 轉(zhuǎn)速 3 000 r/min離心 5 min,取上清液 2 mL9。 1.2 電極制備 本實(shí)驗(yàn)采用普魯士藍(lán) (PB修飾電極, 因?yàn)槠蒸斒克{(lán)修飾電極對(duì) H 2O 2在較低電位下產(chǎn)生電化 學(xué)還原反應(yīng),可提高電極的選擇性 10。先配制 SiO 2溶 膠 -凝膠溶液, 所需溶液為: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,將上述溶液與 0.3 mL二次水混合,制得 SiO 2溶 膠 -凝膠溶液。使用前現(xiàn)配置11­12。將玻碳電極拋光后依次經(jīng) 2 mol/L NaOH、乙醇、 2 mol/L HCl及二次水超 聲洗滌,再將處理干凈的玻碳電極插入新配置的含 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恒電 位下電沉積 20 s13,即制得普魯士藍(lán)膜修飾電極。將 制得的電極置于含 0.1 mol/L HCl和 0.1 mol/L KCl的溶 液中,

16、在 0.4-0.05 V之間掃描至穩(wěn)定,取出電極,再 置于 100 環(huán)境下烘干 1 h備用 14。將 2 mg葡萄糖氧化酶 (GOD溶于 200 µL水中,取 2 µL滴于普魯士藍(lán)膜修飾電極上,晾干 30 min。取新配 置的二氧化硅溶膠-凝膠 6 µL滴于修飾電極上,放置 10 min,制得酶電極。然后置于潮濕環(huán)境下 1 冰箱中 密閉保存, 24 h后使用15。為了提高檢測(cè)精度,使用來(lái)自霉菌的葡萄糖氧化酶,因?yàn)閬?lái)自霉菌的葡萄糖氧化酶 對(duì)葡萄糖具有高度特異性,不能氧化其他糖類,由此可 測(cè)出真實(shí)值 16。1.3 電化學(xué)原理 葡萄糖氧化酶在有氧條件下催化 -D -葡萄

17、糖 (葡萄糖水溶液狀態(tài) 氧化,生成 D -葡萄糖 酸 -內(nèi)酯和過(guò)氧化氫。過(guò)氧化氫與過(guò)氧化氫型電極接 觸產(chǎn)生電流,該電流值與 -D -葡萄糖的濃度呈線性比 例 17­18, 據(jù)此可測(cè)出溶液中葡萄糖的濃度。 反應(yīng)過(guò)程如 式和式所示。2 系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì)思想 該系統(tǒng)采用 C8051F020作為核心處理器。 整體設(shè)計(jì) 思想:開始檢測(cè)時(shí),由 C8051F020的 12位 DAC 電壓輸 出為電極提供掃描電壓。同時(shí)啟動(dòng)超聲發(fā)生器,開始對(duì) 被測(cè)溶液進(jìn)行攪拌。當(dāng)掃描電壓達(dá)到被測(cè)成分的特征電位時(shí),電極上開始進(jìn)行式和式所示的氧化還原反 應(yīng),在恒定電壓的作用下,產(chǎn)生的電子在工作電極和輔 助電極構(gòu)成的回路

18、中形成電流。將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓 信號(hào), 通過(guò)放大器放大后送入 C8051F020的 12位 ADC0口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,根據(jù)電壓大小與溶液中的葡萄糖濃度 的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 通過(guò)軟件控制換算出被測(cè)溶液中葡萄糖濃 度,將其顯示在液晶屏上。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖 1。 2.1 三電極系統(tǒng) 本檢測(cè)電極采用三電極系統(tǒng) 19,電 極示意圖見(jiàn)圖 2。工作電極為制備好的普魯士藍(lán)修飾電極; 參比電極 采用 Ag-AgCl 電極 20;輔助電極采用玻碳電極。參比電 極在測(cè)量過(guò)程中提供一個(gè)已知的穩(wěn)定的電極電位, 作為 測(cè)量的參考電位。輔助電極的作用是在整個(gè)測(cè)試中形成 一個(gè)可以讓電流通過(guò)的回路。本設(shè)備中工作電極為陰 極,對(duì)電

19、極為陽(yáng)極,參比電極與工作電極間的電位差可 通過(guò)電位儀測(cè)得。由于參比電極的電位恒定不變,又基 本上無(wú)電流通過(guò),因此工作電極上的電位不受工作電極 與對(duì)電極間的 IR 降影響,這就使稀水溶液中進(jìn)行伏安研 究成為可能 21­22。2.2 放大電路 由于唾液中葡萄糖濃度很小,檢測(cè)到 的電信號(hào)非常微弱,為了避免因信號(hào)傳輸過(guò)程中衰減產(chǎn) 生的誤差,本設(shè)備采用屏蔽層驅(qū)動(dòng)技術(shù)。將傳輸后有微 弱衰減的信號(hào)反饋到屏蔽線,降低傳輸線與屏蔽線之間 的電壓差, 使線間的衰減電流減小, 從而降低衰減電壓。 經(jīng)過(guò)多次循環(huán),最終達(dá)到?jīng)]有衰減 23­24。放大電路示意 圖見(jiàn)圖 3。同時(shí)通過(guò)電路提高輸出阻抗和共模

20、抑制比。Figure 2 Scheme of three electrode system圖 2 三電極系統(tǒng)工作線路示意圖 朱永麗,等 . 基于電化學(xué)方法設(shè)計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH5917www. CRTER .org2.3 電源電路 本設(shè)備有兩處需要供電,第一需對(duì)單片 機(jī)提供 5 V電壓,第二超聲波發(fā)生器需 12 V工作電壓。本 設(shè)備采用環(huán)保型雙端輸出型開關(guān)電源 25。該電源工作電壓 范圍為 90275 V, 輸出電壓為 +5 V/800 mA和 +12 V/2 A。 2.4 超聲攪拌設(shè)計(jì)思路 為了使溶液中葡萄糖

21、反應(yīng)速 度加快、反應(yīng)進(jìn)行徹底,本設(shè)計(jì)利用超聲波對(duì)被測(cè)液進(jìn) 行攪拌,既達(dá)到攪拌的目的,又避免轉(zhuǎn)動(dòng)電極式攪拌或 旋轉(zhuǎn)杯式攪拌帶來(lái)的不便。超聲在傳播過(guò)程中會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與 伸張,構(gòu)成了壓力的變化,從而引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。超聲波攪拌裝置主要由超聲波發(fā)生器和超聲波換能 系統(tǒng)等組成。 為了避免超聲波使溶液產(chǎn)生霧化和破壞物 質(zhì)結(jié)構(gòu),超聲波的功率和頻率不宜過(guò)大。首先,超聲波 發(fā)生器將功率密度為 0.2 W/cm2,頻率為 20 kHz的電信 號(hào)加到壓電換能器上,使其產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng),此 振動(dòng)通過(guò)變頻桿將振幅放大,通過(guò)導(dǎo)入桿將起傳入被測(cè) 液體,實(shí)現(xiàn)攪拌 26。超聲波發(fā)生器模塊的電源采用 12

22、V直流電源。3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件部分是根據(jù)硬件電路的功能實(shí)現(xiàn)的, 采用單片機(jī) C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫。軟件流程圖見(jiàn)圖 4。單片機(jī)對(duì)開始檢測(cè)鍵進(jìn)行中斷響應(yīng), 開始為檢測(cè)電 極提供掃描電壓,同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器開始對(duì)溶液進(jìn) 行攪拌。當(dāng)反應(yīng)完成后,按下檢測(cè)結(jié)束鍵,單片機(jī)對(duì)該 信號(hào)進(jìn)行中斷響應(yīng),接收經(jīng)過(guò)放大的電壓信號(hào),對(duì)其進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并根據(jù)電壓和葡萄糖濃度之間的比例關(guān) 系,將電壓值換算成葡萄糖溶液濃度,并將結(jié)果顯示在 LCD 上。4 結(jié)果和結(jié)論工作電壓由單片機(jī) C8051F020的 12位數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 DAC 口提供。輸出范圍為 00.819 2 V,上升幅度為 0.2 mV。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到工作電

23、壓為 0.496 V。掃描電壓與 溶出電流關(guān)系示意圖見(jiàn)圖 5。4.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量 配置標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖底物溶 液, 濃度范圍為 1.512.5 mmol/L, 分別為 1.5, 2.6, 4.3, 5.5, 6.8, 8.0, 9.2, 10.1, 11.3, 12.5 mmol/L。每個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試 20個(gè)樣本,共 200個(gè)樣本 27,測(cè)量時(shí)間為 30 s。分析 30 s內(nèi)不同濃度的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液與所得對(duì)應(yīng) 電壓值的相關(guān)系數(shù),結(jié)果表明在 14 s左右的相關(guān)系數(shù)最 大,為 0.986。圖 6為 14 s時(shí)不同濃度的平均值擬合曲線 圖,相關(guān)系數(shù)為 0.995 3。4.2 唾液標(biāo)本測(cè)定 將已采集

24、好的 10個(gè)唾液標(biāo)本取 出。 將每一個(gè)標(biāo)本平均分成 2份, 每份 1 mL, 構(gòu)成 2組完朱永麗,等 . 基于電化學(xué)方法設(shè)計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 5918www. CRTER .org 全相同的 2個(gè)標(biāo)本組,其中 1組用自制儀器進(jìn)行測(cè)定,在 工作電壓下,用超聲攪拌儀進(jìn)行攪拌,將檢測(cè)出的電壓 值根據(jù)校正曲線計(jì)算出對(duì)應(yīng)的葡萄糖濃度。另一組用藍(lán) 標(biāo) LK98B 型電化學(xué)分析儀進(jìn)行測(cè)量。將兩種不同方法的 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,通過(guò)兩組測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性可知設(shè) 計(jì)的唾液葡萄糖檢測(cè)儀的性能總體上較好,與大型分析 儀測(cè)得的結(jié)果只差一個(gè)比例常數(shù),可以達(dá)到

25、檢測(cè)應(yīng)用的 要求。4.3 結(jié)論 本儀器通過(guò)對(duì)檢測(cè)電極、放大電路、攪拌 方式等的優(yōu)化,提高了測(cè)試范圍,降低工作電壓。其檢 測(cè)靈敏度為 0.1 mmol/L,達(dá)到了檢測(cè)精度要求。5 討論本儀器只是初步探索階段, 目前對(duì)血糖濃度與唾液 葡萄糖濃度的確切對(duì)應(yīng)關(guān)系還無(wú)定論,無(wú)法確定糖尿病 的唾液葡萄糖濃度診斷標(biāo)準(zhǔn),而且,唾液葡萄糖濃度隨 血糖濃度變化具有時(shí)間延遲,在檢測(cè)中應(yīng)加以修正。另 外,唾液的分泌和成分受口腔內(nèi)的理化刺激、機(jī)體水分 攝入量、情緒變化及唾液采集方法和時(shí)間影響,而且, 唾液中存在許多干擾因素,所以,唾液葡萄糖檢測(cè)的實(shí) 際應(yīng)用中還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。6 參考文獻(xiàn) 1Legro RS,

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