一种小型无创血糖传感器及其制备方法

本发明属于连续动态血糖监测，具体涉及一种小型无创血糖传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着社会科技的发展，人们的生活和饮食习惯越来越丰富，许多人养成了不良的生活方式，在遗传和环境的共同影响下，糖尿病患者的数量持续上涨。糖尿病会引起失明、心血管疾病、肾衰等后果，是危害人类健康的主要疾病之一，并且没有治愈的方法，因此连续检测患者的血糖值对控制病情尤为重要。

2、目前主要的血糖检测方法为有创型和无创型。无创血糖检测的研究方向主要是基于光学的检测和反离子电渗分析法的检测，研究虽已略有成效，但仍有许多难以攻克的问题。基于光学的血糖检测安全性大，但是由于人体干扰导致监测信号微弱，重叠光谱中难以提取微弱化学信息，并且涉及的学科较多且复杂，研究较为困难，同时光学检测所需的仪器设备体积大，价格昂贵，检测耗时长，不便于连续动态监测血糖。相较于光学检测方法，反离子电渗法具有成本低、操作简单、灵敏度高、特异选择性好等优势。反离子电渗法能快速便捷地进行连续血糖监测，对人体无创，安全系数高，具有非常广泛的发展前景。

3、目前基于反离子电渗法的无创电化学葡萄糖检测装置为三电极体系，由参比电极、对电极和工作电极三个电极组成。对电极与工作电极形成回路，为系统提供一定的电位差，以驱动电子从工作电极迁移到对电极；参比电极用于设定测量系统的电位参考点；工作电极经过特殊的物理或化学修饰达到氧化葡萄糖的效果，其性能取决于材料的电导性和对葡萄糖的敏感度。各电极之间经过绝缘化处理后，在表面制备一层水凝胶作为化学反应室，形成血糖检测的基本结构。目前反离子电渗研究中存在的主要问题之一是使用大电流会刺激人体皮肤，使用小电流则会导致抽取样本量较少，器件检测灵敏度和精确度下降。

4、目前的一种现有无创电渗血糖传感器如图1所示，采用传统的三电极体系，ag/agcl电极作为参比电极，金作为工作电极和对电极，工作电极用葡萄糖氧化酶和辣根过氧化酶修饰，各电极之间进行绝缘化处理。通过交联的方法在电极表面覆盖一层水凝胶，利用壳聚糖作为聚合物基质，将酶固定在传感器表面。传感器中电极表面上均匀覆盖的一层生物相容性水凝胶，可以使得传感器在进行反向离子导入时，确保皮肤与传感器之间有适当接触，这一结构降低了葡萄糖检测难度，电渗提取的物质将分散到水凝胶中，水凝胶为反向离子电渗提取和葡萄糖检测提供了微反应室，是电渗血糖传感器中的重要结构。

5、传统的无创电渗血糖传感器设计中，电极直接平铺于皮肤表面，水凝胶则直接覆盖在电极之上，其表面积广泛且边界模糊。这种设计使得葡萄糖在通过电渗作用析出并分散至水凝胶时，能够在大面积的水凝胶内自由扩散。然而，由于通过微电流反离子电渗法抽取的葡萄糖量本就微小，部分葡萄糖还会在远离电极的水凝胶区域自由扩散，使得能够迅速被工作电极捕捉并检测的葡萄糖含量进一步减少，从而显著影响了传感器的检测速度和精确度。

6、此外，由于水凝胶位于传感器与皮肤的交接处，这就导致部分水凝胶会与空气接触，长时间使用后容易因蒸发，并由此引发一系列问题。

7、(1)随着水分的流失，凝胶逐渐变得黏稠，导致葡萄糖进入水凝胶后的扩散效果减弱，进而削弱了传感器的葡萄糖检测性能，这可能导致使用者对自身的血糖水平做出错误的判断，从而带来潜在风险。

8、(2)从用户体验的角度来看，水凝胶的挥发会导致传感器与皮肤之间的接触度显著下降，这不仅影响了传感器的检测效率，还大大降低了佩戴的舒适度。

9、(3)传统的葡萄糖检测电极，包括市面上常见的可穿戴血糖传感器，大多数采用有酶传感技术。然而，从长期使用的角度来看，水凝胶的挥发速度往往远快于酶的使用周期。因此，为了保证检测的正常进行，用户需要频繁地重新涂抹凝胶，这一过程不仅操作繁琐，还可能对检测电极上的酶涂层造成损害。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种小型无创血糖传感器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明的一个方面提供了一种小型无创血糖传感器，包括柔性检测电极模块、检测腔体和多个弹性电渗电极模块，其中，

3、所述检测腔体下表面开口，所述柔性检测电极模块的下端和所述多个弹性电渗电极模块的下端均通过所述检测腔体的上表面插入所述检测腔体的内腔中，所述检测腔体的内腔用于填充水凝胶；

4、所述多个弹性电渗电极模块的上端均连接至电源的阴极或阳极，用于通过所述检测腔体内的水凝胶在皮下组织中形成电场，使皮下组织中的葡萄糖在电渗作用集中在阴极区域；

5、所述柔性检测电极模块包括柔性衬底以及设置在所述柔性衬底表面的对电极、参比电极和工作电极；所述对电极、参比电极和工作电极的表面涂覆有葡萄糖氧化酶层；

6、所述对电极、所述参比电极和所述工作电极的上端用于外接血糖检测装置，下端均伸入所述水凝胶中，用于产生反应葡萄糖浓度的电信号。

7、在本发明的一个实施例中，所述对电极设置在所述柔性衬底的第一表面，所述参比电极和所述工作电极设置在所述柔性衬底的第二表面；

8、所述对电极、所述参比电极和所述工作电极的边缘均包覆有绝缘保护层。

9、在本发明的一个实施例中，所述检测腔体的上表面开设有多个安装通孔，所述柔性检测电极模块的下端和所述多个弹性电渗电极模块的下端分别穿过对应的安装通孔伸入所述检测腔体内部。

10、在本发明的一个实施例中，所述柔性检测电极模块还包括安装块，所述柔性衬底的上端固定在所述安装块内部，并且所述安装块的上表面设置有第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口、第二接口和第三接口分别用于将所述对电极、所述参比电极和所述工作电极连接至所述血糖检测装置的对电极模块、参比电极模块和工作电极模块。

11、在本发明的一个实施例中，所述柔性衬底包括相互连接的上端部和下端部，其中，所述上端部设置在所述安装块内部，所述下端部延伸至所述检测腔体内内部。

12、在本发明的一个实施例中，所述对电极、所述参比电极和所述工作电极均包括位于所述上端部的电极第一部分以及位于所述下端部的电极第二部分，且各自的电极第一部分与电极第二部分分别通过导线连接；

13、所述对电极、所述参比电极和所述工作电极的电极第一部分分别通过导线连接至所述第一接口、所述第二接口和所述第三接口。

14、在本发明的一个实施例中，所述检测腔体为聚丙烯材质，内腔的高度为0.5～1.5cm，内腔直径为1～2cm。

15、本发明的另一方面提供了一种小型无创血糖传感器的制备方法，用于制备上述实施例中任一项所述的小型无创血糖传感器，所述制备方法包括：

16、s1：在柔性衬底上分别制备对电极、参比电极和工作电极；

17、s2：对所述参比电极进行氯化处理；

18、s3：对所述对电极、所述参比电极和所述工作电极的表面进行电极修饰，形成柔性检测电极模块；

19、s4：制备检测腔体，所述检测腔体下表面开口，上表面开设有多个安装通孔；

20、s5：将所述柔性检测电极模块和多个弹性电渗电极模块安装在所述检测腔体上，形成所述小型无创血糖传感器。

21、在本发明的一个实施例中，所述s1包括：

22、s1.1：选取预定厚度的pi膜作为柔性衬底；

23、s1.2：在柔性衬底的第一表面的参比电极和工作电极所在位置依次沉积铬和铂金；

24、s1.3：在柔性衬底的第二表面的对电极所在位置依次沉积铬和铂金；

25、s1.4：在所述柔性衬底的第一表面和第二表面分别形成包覆参比电极、工作电极和对电极边缘的绝缘保护层；

26、s1.5：在所述参比电极的位置处喷印导电银浆，形成银金属层。

27、在本发明的一个实施例中，所述s3包括：

28、s3.1：将葡萄糖氧化酶和去离子水按照预定比例混合，形成葡萄糖氧化酶溶液，储存在-80摄氏度以下留待备用；

29、s3.2：将预定配比的去离子水、牛血清蛋白和戊二醛混合均匀，形成交联剂；

30、s3.3：将所述葡萄糖氧化酶溶液进行解冻，取适量解冻后的葡萄糖氧化酶溶液加入所述交联剂中进行离心混合，形成混合溶液；

31、s3.4：通过微注射器在所述柔性衬底的第一表面滴加混合溶液使其均匀覆盖，待自然晾干后再在所述柔性衬底的第二表面滴加混合溶液使其均匀覆盖，待自然晾干，通过夹取固定器将所制备的柔性检测电极模块的上端部固定，下端部没入所述混合溶液中静置预定时间后取出晾干，重复多次操作，从而在所述柔性检测电极模块的下端部表面形成葡萄糖氧化酶层。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

33、1、本发明提供的小型无创血糖传感器，将传统置于外层的水凝膜包裹在检测腔体内部，缩小反离子电渗析出葡萄糖的自由扩散范围，增大工作电极附近的葡萄糖含量，大大提高了葡萄糖被氧化的效率，提升传感器的灵敏度。水凝膜不接触空气，不会随着传感器的使用而逐渐蒸发，有效地延长了传感器的使用寿命，提高葡萄糖的检测精度。

34、2、本发明的电渗电极采用弹簧结构，利用弹簧弹力和卡扣固定电极，使传感器与人体皮肤紧密接触，防止电极随人体活动而发生脱落，同时测量精度和灵敏度也得到提升，并且制备工艺简单，成本较低，便于工业生产，更适合糖尿病患者日常使用。

35、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。