用于血糖無創檢測的葡萄糖傳感器研究*

王 洪，劉洋洋，姚小靜，李 燕，崔建國，吳基玉

（1．重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶 400054;2．重慶華倫醫療儀器有限公司，重慶 400039）

0 引言

據WHO統計，2008年全世界共有1．8億糖尿病患者，到2030年，這一數字將增加1倍以上［1］。2007年，中國糖尿病患者人數3980萬，僅次于印度成為全球糖尿病患者人數第二大國，20歲以上的成年人中糖尿病發病率高達9．6%［2］;在美國，現已有2000萬以上的糖尿病患者;在日本，據1999年的統計，糖尿病患者和潛在患者已達690萬。血糖檢測是現階段糖尿病患者必須面臨的一個重要問題，傳統的檢測方法是靜脈抽血，這種方法雖然檢測數據準確，精度高，但單次抽血量大，檢測周期長，成本高。近年來，出現了指尖血糖采血的血糖儀，如，羅氏安穩型血糖儀、歐姆龍血糖儀、三諾安穩血糖儀等，均通過采集指尖的血液，滴加到血糖儀試紙上，25 s后自動顯示數據，實現了儀器的便攜式、家庭化，病人可自主檢測。但主要的問題是頻繁的指尖采血對手指的傷害嚴重，患者普遍感覺手指指尖疼痛等。另外，采血筆單次采血量不足，有時需要用手去擠壓采血部位來增加采血量也是在實際操作中遇到的一個問題。

鑒于以上的問題，研究一種無創的血糖檢測具有十分重要的意義。目前，血糖無創檢測的研究方法主要集中在光學的方法和電化學的方法。本文針對電化學中的反離子電滲透技術的檢測［3～6］，研制了一個可進行葡萄糖濃度檢測的傳感器，初步實現葡萄糖溶液的濃度測量，為后續無創血糖檢測儀的研究做準備。

1 實驗方法

1．1 檢測原理

本文利用絲網印刷工藝［7］，在耐高溫聚酯薄膜（PET薄膜）上印制基礎電極，包含工作電極、對電極、參比電極。在工作電極上固定含有葡萄糖氧化酶的凝膠，并利用鐵氰化鉀作為電子媒介體，利用葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOD）的催化作用下生成葡萄糖酸和亞鐵氰化鉀，而亞鐵氰化鉀又可以失去電子變成鐵氰化鉀［8］。該反應為氧化還原反應，反應的發生伴隨著電子的得失，會形成氧化還原反應電流。本文利用電化學工作站的計時電流法檢測該反應的響應電流，根據電流的大小推出參加反應的葡萄糖濃度。主要的化學方程式見化學方程式（1），（2）

1．2 傳感器制備方法

1．2．1 基礎電極制備

采用三電極工作體系，即工作電極（W）、對電極（C）和參比電極（R），采用絲網印刷工藝，利用CorelDRAW9繪圖軟件畫出電極形狀，制作網板后在PET塑料基膜上印制導電碳漿，干燥箱（60℃）烘干備用。電極形狀如圖1。

圖1 電極形狀Fig 1 Shape of electrode

1．2．2 凝膠制備

稱取150 mg聚環氧乙烷（PEO）粉末溶于1 mL磷酸鹽緩沖液（PBS，0．01 mol/L，pH=7．4）中，均勻攪拌 5 min 待形成膠狀物時加入4 mg葡萄糖氧化酶（GOD）和10 mg的鐵氰化鉀（K4Fe（CN）6）粉末，再次均勻攪拌10 min，待所有物都溶解完后，放入4℃冰箱保存待用。

1．2．3 傳感器制作

取基礎電極，在工作電極上固定上述制備的凝膠，均勻涂抹后室溫晾干成膜，放置4℃冰箱保存待用。

2 測試與實驗結果

2．1 氧化還原性測試

配置1 mmol/L的K4Fe（CN）6溶液，支持電解質為NaCl（1 mol/L），取出基礎電極，與連接器連接后接通電化學工作站的連接線，采用循環伏安（CV）法測電極的氧化還原性，初始電位1V，最高電位1V，最低電位－1V，掃描速率0．05V/s，掃描精度10－3。實驗結果如圖2所示。從圖中可以看出:氧化峰電流（ipa）與還原峰電流（ipc）之比為ipa/ipc≈1，且峰電流與掃描速率的平方根呈線性關系，另外，氧化峰電位為0．75 V，還原峰電位為－0．75 V，峰電位差等于1．5 V。

圖2 電極的氧化還原曲線Fig 2 REDOX curve of electrode

2．2 不同濃度的葡萄糖的響應曲線測試

分別配置4，6，…，22 mmol/L葡萄糖溶液，利用制作的傳感器來檢測不同濃度葡萄糖的電流響應，與電化學工作站接通后實驗技術選用計時電流（CA）法，實驗參數選為初始電位 0．5 V，最高電位 0．5 V，最低電位 0．48 V，脈沖寬度為0．5 s，階躍次數為1次。結果顯示:葡萄糖濃度每增加2 mmol/L，葡萄糖溶液的響應電流大約增加0．85 μA（如圖3），圖3顯示10種不同濃度的葡萄糖曲線呈現一定的梯度，可以很好地區分。圖4為利用Excell擬合直線圖的結果，說明制作的新型傳感器線性度較好，本傳感器初步實現了mmol/L級葡萄糖濃度的檢測。

圖3 不同濃度葡萄糖的電流響應曲線Fig 3 Current response curve of glucose with different concentrations

圖4 葡萄糖濃度與電流關系圖Fig 4 Diagram of relationship between glucose concentration and current

2．3 傳感器的重復性和一致性測試

為了驗證制作的葡萄糖傳感器的重復性和一致性，取同一批制作的傳感器，分別對5，10，15 mmol/L葡萄糖溶液進行測試，每個傳感器測10次，最后記錄測量的平均值，比較傳感器的重復性。結果如表1所示。結果表明:每個傳感器連續10次實驗值均接近實際值，10次測量的平均測量偏差分別為0．4%，1．8%，1．2%。傳感器的重復性較好。

取不同批次制作的傳感器共10只，分別測試5 mmol/L和10 mmol/L葡萄糖溶液，檢測其一致性。檢測結果如表2所示，平均值偏差分別為1．2%和0．5%，不同批次傳感器的一致性較好。

表1 批內傳感器的重復性測試Tab 1 Repeatability test of sensors in batch

表2 批間傳感器的一致性測試Tab 2 Consistency test of sensors in different batch

3 結論

用絲網印刷工藝將導電碳漿印制到PET膜上制作得到基礎電極，選用鐵氰化鉀作為電子媒介體，在實驗室條件下制得葡萄糖酶傳感器，傳感器在2～22 mmol/L的范圍內具有較好的氧化還原性、線性度和一致性，符合臨床正常血液濃度4～11 mmol/L的檢測范圍，可以檢測血液中葡萄糖濃度。該傳感器的響應時間較快，可在1 s內響應出反應電流的大小，與其他的檢測方法［8，9］的響應時間10 s相比有很大的優勢。不足之處是檢測下限相對反離子電滲透技術提取出的葡萄糖濃度仍然偏高，要想實現μmol/L級的葡萄糖濃度檢測在傳感器的制備方法上仍需改進。

［1］ Wild S，Rogilic G，Green A，et al．Global prevalence of diabetes:Estimates for the year 2000 and projections for 2030［J］．Diabetes Care，2004，27（5）:1047 －1053．

［2］ 代慶紅，王忠東．中國糖尿病現狀調查［J］．中國醫藥指南，2011，9（13）:206 －208．

［3］ Kurnik R，Oliver J，Waterhouse S，et al．Application of the mixtures of experts algorithm for signal processing in a noninvasive glucose monitoring system［J］．Sensors and Actuators B—Chem，1999，60:19 －26

［4］ Kim D W，Kim H S，Lee D H，et al．Importance of skin resistance in the reverse iontophoresis based noninvasive glucose monitoring system［C］∥Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS，San Francisco，CA，USA，2004:2434－2437．

［5］ Potts R，Tamada J，Tierney M．Glucose monitoring by reverse iontophoresis［J］．Diabetes Metabolism Research and Reviews，2002，18（1）:4953－4955．

［6］ Liu Yangyang，Wang Hong，Cui Jianguo，et al．Research progress on non-invasive glucose monitoring based on reverse iontophoresis［C］∥Advanced Materials Research，2012:361 －365．

［7］ 李 飛，唐正寧．絲網印刷工藝與參數研究［D］．無錫:江南大學，2009．

［8］ 陳真誠，李凌云，鄧振生，等．一種葡萄糖氧化酶安培傳感器研究［J］．傳感技術學報，2007，20（4）:743 －746．

［9］ 劉紅敏，劉春秀，姜利英，等．鋨聚合物修飾的低濃度葡萄糖傳感器制備與響應特性研究［J］．傳感技術研究，2008，21（2）:215－218．