用于血糖无创检测的葡萄糖传感器研究*

王 洪，刘洋洋，姚小静，李 燕，崔建国，吴基玉

（1．重庆理工大学药学与生物工程学院，重庆 400054;2．重庆华伦医疗仪器有限公司，重庆 400039）

0 引言

据WHO统计，2008年全世界共有1．8亿糖尿病患者，到2030年，这一数字将增加1倍以上［1］。2007年，中国糖尿病患者人数3980万，仅次于印度成为全球糖尿病患者人数第二大国，20岁以上的成年人中糖尿病发病率高达9．6%［2］;在美国，现已有2000万以上的糖尿病患者;在日本，据1999年的统计，糖尿病患者和潜在患者已达690万。血糖检测是现阶段糖尿病患者必须面临的一个重要问题，传统的检测方法是静脉抽血，这种方法虽然检测数据准确，精度高，但单次抽血量大，检测周期长，成本高。近年来，出现了指尖血糖采血的血糖仪，如，罗氏安稳型血糖仪、欧姆龙血糖仪、三诺安稳血糖仪等，均通过采集指尖的血液，滴加到血糖仪试纸上，25 s后自动显示数据，实现了仪器的便携式、家庭化，病人可自主检测。但主要的问题是频繁的指尖采血对手指的伤害严重，患者普遍感觉手指指尖疼痛等。另外，采血笔单次采血量不足，有时需要用手去挤压采血部位来增加采血量也是在实际操作中遇到的一个问题。

鉴于以上的问题，研究一种无创的血糖检测具有十分重要的意义。目前，血糖无创检测的研究方法主要集中在光学的方法和电化学的方法。本文针对电化学中的反离子电渗透技术的检测［3～6］，研制了一个可进行葡萄糖浓度检测的传感器，初步实现葡萄糖溶液的浓度测量，为后续无创血糖检测仪的研究做准备。

1 实验方法

1．1 检测原理

本文利用丝网印刷工艺［7］，在耐高温聚酯薄膜（PET薄膜）上印制基础电极，包含工作电极、对电极、参比电极。在工作电极上固定含有葡萄糖氧化酶的凝胶，并利用铁氰化钾作为电子媒介体，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亚铁氰化钾，而亚铁氰化钾又可以失去电子变成铁氰化钾［8］。该反应为氧化还原反应，反应的发生伴随着电子的得失，会形成氧化还原反应电流。本文利用电化学工作站的计时电流法检测该反应的响应电流，根据电流的大小推出参加反应的葡萄糖浓度。主要的化学方程式见化学方程式（1），（2）

1．2 传感器制备方法

1．2．1 基础电极制备

采用三电极工作体系，即工作电极（W）、对电极（C）和参比电极（R），采用丝网印刷工艺，利用CorelDRAW9绘图软件画出电极形状，制作网板后在PET塑料基膜上印制导电碳浆，干燥箱（60℃）烘干备用。电极形状如图1。

图1 电极形状Fig 1 Shape of electrode

1．2．2 凝胶制备

称取150 mg聚环氧乙烷（PEO）粉末溶于1 mL磷酸盐缓冲液（PBS，0．01 mol/L，pH=7．4）中，均匀搅拌 5 min 待形成胶状物时加入4 mg葡萄糖氧化酶（GOD）和10 mg的铁氰化钾（K4Fe（CN）6）粉末，再次均匀搅拌10 min，待所有物都溶解完后，放入4℃冰箱保存待用。

1．2．3 传感器制作

取基础电极，在工作电极上固定上述制备的凝胶，均匀涂抹后室温晾干成膜，放置4℃冰箱保存待用。

2 测试与实验结果

2．1 氧化还原性测试

配置1 mmol/L的K4Fe（CN）6溶液，支持电解质为NaCl（1 mol/L），取出基础电极，与连接器连接后接通电化学工作站的连接线，采用循环伏安（CV）法测电极的氧化还原性，初始电位1V，最高电位1V，最低电位－1V，扫描速率0．05V/s，扫描精度10－3。实验结果如图2所示。从图中可以看出:氧化峰电流（ipa）与还原峰电流（ipc）之比为ipa/ipc≈1，且峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，另外，氧化峰电位为0．75 V，还原峰电位为－0．75 V，峰电位差等于1．5 V。

图2 电极的氧化还原曲线Fig 2 REDOX curve of electrode

2．2 不同浓度的葡萄糖的响应曲线测试

分别配置4，6，…，22 mmol/L葡萄糖溶液，利用制作的传感器来检测不同浓度葡萄糖的电流响应，与电化学工作站接通后实验技术选用计时电流（CA）法，实验参数选为初始电位 0．5 V，最高电位 0．5 V，最低电位 0．48 V，脉冲宽度为0．5 s，阶跃次数为1次。结果显示:葡萄糖浓度每增加2 mmol/L，葡萄糖溶液的响应电流大约增加0．85 μA（如图3），图3显示10种不同浓度的葡萄糖曲线呈现一定的梯度，可以很好地区分。图4为利用Excell拟合直线图的结果，说明制作的新型传感器线性度较好，本传感器初步实现了mmol/L级葡萄糖浓度的检测。

图3 不同浓度葡萄糖的电流响应曲线Fig 3 Current response curve of glucose with different concentrations

图4 葡萄糖浓度与电流关系图Fig 4 Diagram of relationship between glucose concentration and current

2．3 传感器的重复性和一致性测试

为了验证制作的葡萄糖传感器的重复性和一致性，取同一批制作的传感器，分别对5，10，15 mmol/L葡萄糖溶液进行测试，每个传感器测10次，最后记录测量的平均值，比较传感器的重复性。结果如表1所示。结果表明:每个传感器连续10次实验值均接近实际值，10次测量的平均测量偏差分别为0．4%，1．8%，1．2%。传感器的重复性较好。

取不同批次制作的传感器共10只，分别测试5 mmol/L和10 mmol/L葡萄糖溶液，检测其一致性。检测结果如表2所示，平均值偏差分别为1．2%和0．5%，不同批次传感器的一致性较好。

表1 批内传感器的重复性测试Tab 1 Repeatability test of sensors in batch

表2 批间传感器的一致性测试Tab 2 Consistency test of sensors in different batch

3 结论

用丝网印刷工艺将导电碳浆印制到PET膜上制作得到基础电极，选用铁氰化钾作为电子媒介体，在实验室条件下制得葡萄糖酶传感器，传感器在2～22 mmol/L的范围内具有较好的氧化还原性、线性度和一致性，符合临床正常血液浓度4～11 mmol/L的检测范围，可以检测血液中葡萄糖浓度。该传感器的响应时间较快，可在1 s内响应出反应电流的大小，与其他的检测方法［8，9］的响应时间10 s相比有很大的优势。不足之处是检测下限相对反离子电渗透技术提取出的葡萄糖浓度仍然偏高，要想实现μmol/L级的葡萄糖浓度检测在传感器的制备方法上仍需改进。

［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］ 代庆红，王忠东．中国糖尿病现状调查［J］．中国医药指南，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 飞，唐正宁．丝网印刷工艺与参数研究［D］．无锡:江南大学，2009．

［8］ 陈真诚，李凌云，邓振生，等．一种葡萄糖氧化酶安培传感器研究［J］．传感技术学报，2007，20（4）:743 －746．

［9］ 刘红敏，刘春秀，姜利英，等．锇聚合物修饰的低浓度葡萄糖传感器制备与响应特性研究［J］．传感技术研究，2008，21（2）:215－218．