组织液透皮抽取式微创血糖检测仪的研究

组织液透皮抽取式血糖连续检测技术是当前国际上的-个研究热点 ，通过检测透皮抽取出的组织液中的葡萄糖浓度来实现连续血糖检测具有重要 的现实意义 。利用低频超声和真空负压透皮抽取出的组织液体积量非常小，且在皮肤表面呈散点状分布 ，导致对微量组织液的收集和输运存在很大难度。为了实现对微量组织液的有效抽娶收集、输运、体积定量和对葡萄糖浓度的检测 ，本文设计了-种能够实现血糖连续检测的组织液透皮抽取式微创血糖检测仪，为该技术的临床应用奠定了基础收稿 日期：2012-08 Received Date：2012-08基金项目：国家自然科学基金项目(61176107)、天津市科技支撑计划重点项目(11ZKFSY01500)资助第 3期 栗大超 等：组织液透皮抽取式微创血糖检测仪的研究 679的阻抗较小，液体流出电极后 2个极之间的阻抗会恢复到- 个比较大的状态。所以通过检测生理盐水和组织液流经各微电极对时微电极对的电阻跳变时间，就可以确定液体在微管路中的位置，从而实现生理盐水定量注入的控制和微量组织液体积的测量。图5(a)为四电极对微流量计定量注入生理盐水的原理图。图5(b)为四电极对型微流量计测量样品溶液体积的原理图。

阀3：开-关 E4 E3(a)四电极对微流量计控制生理盐水定量注入原理图(a)Schematic diagram ofthe 4 electrode pair volume sensoF forcontrolling the input volume ofnormal saline for easy collection oflSF(b)四电极对型微流量计测量样品溶液体积的原理图(b)Schematic dia7am ofthe 4 electrode pair volume sensorfor measuring the volume of ISF图5 四电极对微流量计控制生理盐水定量注入和测量样品溶液体积的原理图A：收集腔；B：大气压 ；C：生理盐水腔 ；D：组织液抽取腔；E1，E2，E3，E4：微电极对；H：样品溶液前端；T：样品溶液尾端Fig.5 Schematic diagrmn of the 4 electrode pair volume sensorfor controling the inlaut volume of normal saline for easycollection of ISF.and measuring the volume of ISFA：Couection chamber；B：Atmosphere；C：Normal saline chamber；D：ISFextraction chamber；El， 2，E3，E4：Four pairs of micro-electrodes；H：Front of the sample solution；T：End of the sample solution四电极对微流量计的接口框图如图6所示。信号源是峰峰值为2 V，频率为100 Hz的交流电压信号。采用-级电压跟随电路对四电极对微流量计进行阻抗匹配，为了滤除5O Hz工频干扰，采用 T型陷波器滤除 5o Hz信号，最后采用MSP430F149单片机内部自带 AD采集电路输入信号 。

照 50Hz陷波器1 H 阻抗匹配电路1片 / 四 电机 / 50 rul 2 阻抗匹配电路2 k 极 信 》 对号 0 微 - 采源 集 、 50 Hz陷波器3 阻抗匹配电路3 / 流电 / 量 计路、1 50 Hz陷波器4 叫 阻抗匹配电路4图6 四电极对微流量计的接口框图Fig.6 Interface block diagram of the 4 electrodepair volume sensor3.3 薄膜型气动微流体阀及其接口设计对于解决生理盐水的定量注入、组织液的定时抽娶样品溶液的无损收集和精确定量的自动化问题 ，传统流体阀不能满足实验需求 。采用微流控芯片 PDMS设计了-种微型阀 。这种微型阀弹性高、容易加工、反应速度快并且便于与其他功能拈集成化。

薄膜型气动微流体阀的结构示意图如图7所示。气阀的直径为2rz，厚度为 h，当外部压强加载到微流体阀上时，薄膜发生弯曲变形，距离阀的圆心 r处的薄膜向内变形量达到W时，气动微流体阀的薄膜层与下层管道紧密结合，使阀层微管道与下层连接管道完全闭合，气动微流体阀形成关闭的状态；停止加载外部压强，气动微流体阀的薄膜层形变量恢复到常态 ，此时气动微流体阀恢复到打开状态，下层微管路恢复连通。

y 八l、/ - 顶层阀层f下层图 7 薄膜型气动微流体阀的结构示意图Fig.7 Structure diagram of the thin filmpneumatic micro-fluid valve680 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷薄膜型气动微流体阀是气控微阀，与其进行连接的是气体正压源，为了控制薄膜型气动微流体阀的开关状态，选用两位三通电磁气体阀门(X.Valve，Parker)，通过控制电路控制电磁阀的选通状态，达到控制薄膜型气动微流体阀的目的。薄膜型气动微流体阀的外围接口框图如8所示。

图 8 薄膜型气动微流体阀外围接口框图Fig.8 Interface block diagram of the thin fihnpneumatic micro-fluid valve3.4 微葡萄糖传感器及其接口设计微葡萄糖传感器采用差分结构输入结构 。 ，T作电极上绑定的是具有疏水性的聚合物 PAA-ran.PAAPBA，参考电极上绑定的是具有亲水性的聚合物PAA。葡萄糖可以与 PAA-ran-PAAPBA进行可逆结合，工作电极之间的电介质常数根据形成硼酸键的多少发生变化，从而改变电极输入的电容值。

微葡萄糖传感器输出的是皮法级电容信号，仪器采用微分电路把对微电容的测量转变为对电压的测量，并在后续电路里采用了锁相放大电路，从而在高噪声的情况下提取出微弱的有用信号u 。为了实现锁相，需要为微葡萄糖传感器设计频率(30 knz)相同的输入信号源和参考信号源，以方便锁相电路正常工作。低通滤波电路滤除干扰信号后由MSP430F149单片机的自带 AD进行信号采集。微葡萄糖传感器的外围接口框图如图9所示。

图9 微葡萄糖传感器的外围接 口框图Fig.9 Interface block diagram of themieor-glucose sensor4 微创血糖检测仪的软硬件系统设计4.1 硬件 系统设计组织液透皮抽取式微创血糖仪硬件系统分为以下功能拈：微处理器拈、显示拈、键盘拈、数据存储模块、USB通信拈、微泵微阀控制拈 、AD采集拈、微葡萄糖传感器采集拈和电源拈。整个硬件系统的原理框图如图 10所示。

I2C接口AD转换MCU键盘输I I数据存入拈I l储拈泵 I制 l壶滤波电路力传感器1 徽流控芯1 渊压闽力传感器2jH堂皇丝 ]--面 液晶显示拈低通滤波电路USB通信拈锁相电路拈.1 墨竺l匦 网 微葡萄糖浓度传感器r---------------1 1 r-- I皇塑竖竺 苎竺堡 堡 里l 坌皇些图 10 硬件系统原理框图4.2软件系统设计微创血糖检测仪的软件系统主要包括系统初始化程序、显示程序、键盘程序、AD采集程序 、微阀微泵控制程序、数据存储程序、USB通信程序等。仪器开机后首先要完成系统整体功能的初始化，然后由菜单和键盘来确认开始测量。

仪器初始化流程序图如图 l1所示。仪器正式]作前要先向微流控芯片的生理盐腔内注满生理盐水。仪器自动进行测量流程。利用微流控芯片对生理盐水进行定量注入、对组织液进行透皮抽韧对样品溶液进行收集，并利用微机械葡萄糖浓度传感器对葡萄糖浓度进行测量的工程流程如表 1所示。表 1中分别用c”和O”表示5个薄膜型气动微流体阀的开关状态 ，其中C”代表关，O”代表开，通过5个不同薄膜型气动微液体阀的不同组合状态，使微液体在微流控芯片内按预先设定好的状态流动图 11 仪器初始化流程图Fig.1 1 Initialization flowchart第 3期 栗大超 等：组织液透皮抽取式微创血糖检测仪的研究 681表1 微创血糖检测仪测量工作流程表 织液。

Table 1 W orking procedures of the minimalyinvasive blood glucose monitoring detector步骤 功能5 微创血糖仪的性能评价5.1 离体猪皮模拟实验系统的搭建与实验方法为了检验微流控芯片对组织液进行透皮抽娶收集和定量的性能，采用离体猪皮和模拟组织液(含糖生理盐水)，进行了组织液透皮抽娶收集和定量的模拟实验 。

1)实验前首先对猪皮进行预处理，并测量猪皮的皮肤阻抗。这里仅选择皮肤电阻系数大于 10 kn-cm 的猪皮进行实验，这是为了保证所选用的猪皮的完整性。

2)向玻璃培养皿内加入不同葡萄糖浓度的生理盐水溶液，用该溶液模拟皮下组织液，然后将 PDMS、猪皮和微流控芯片按图12所示的试验系统放置到-起，按照表1的T作流程进行生理盐水的定量注入、模拟组织液(含糖生理盐水)的透皮抽娶样品溶液的收集和体积测量实验过程。由于仪器使用的微葡萄糖浓度传感器性能有待改进，试验中使用商业化血糖仪(FreeStyle Freedom，Ab-bott)对样品溶液的葡萄糖浓度进行精确测量。

， 1 I I I V图12 猪皮离体实验示意图Fig.12 Schematic diagram of the pigskin in vitro experiment图 13是猪皮离体实验的实物图。实验中微流控芯片的文氏管输出负压为 95 kPa，采用此负压对猪皮进行模拟组织液(糖生理盐水)的透皮抽取并为微流控芯片中液体的输送提供驱动力。模拟组织液的透皮抽取时间设定为 10 min。所选用的血糖仪的测量测范围有限，为了使稀释后(定量注入的生理盐水约为 10 ，根据微流控芯片的结构参数确： 这个值，抽取出的组织液量约为1 txL，这个是经验值，所以稀释的倍数约为 10倍)的组织液浓度，处于血糖仪的测量范围内，实验中选择了 1 000、1 500和 2 000 m dL高浓度 的生理盐水模 拟人体组图 13 猪皮离体实验实物图Fig.1 3 Photo of the pigskin in vitro experiment5.2 离体猪皮模拟实验结果及分析在猪皮模拟实验中微流控芯片成功的完成了生理盐水的定量注入、含糖生理盐水的透皮抽韧样品溶液(生理盐水稀释后的组织液)的收集，并且通过四电极对微流量计测量了模拟组织液的体积。整个工作过程 自动完成。实验中所用的模拟组织液(含糖生理盐水)的葡萄糖 浓 度 值 分 别 为 1 000 mg/dL、1 500 mg/dL 和2 000 mg/dL，所使用的真空负压为 95 kPa，对超声处理过的猪皮进行抽取的时间为 10 min。用血糖仪测量收集到的稀释后的模拟组织液的葡萄糖浓度为 C ，设定量注入的生理盐水体积为 ，培养皿中模拟组织液中的葡萄糖浓度为 c ，由四电极对微流量计测量 来的抽取出组织液的体积为 。

透皮抽取出组织液中的葡萄糖绝对含量在定量注入生理盐水后前后不会发生变化，发生变化的只是总体积和浓度。所以有下式：C ( )C (1)实验中所使用的模拟组织液是用葡萄糖和生理盐水配置出来的，其浓度 c 已知。微流控芯片的结构参数决定了微管路的结构和四电极对微流量计定量注入的生理盐水的体积为定值 ，且该值可以测量出来。 是由四电极对微流量计测出来的，被稀释后的模拟组织液的葡萄糖浓度 c 由血糖仪可以测量得到～ c 、 和 代入式(1)，可以计算得到培养皿中的模拟组织的葡萄糖浓度，计算公式如下：c ： (2) -猪皮模拟组织 液透皮抽取模拟实验 的实验结果如表 2所示。第 1列为模拟组织液的真实浓度，第 2列和第 3列为被稀释后的组织浓度 和抽取出的组织液的体积，是测量出来 的中间结果 ，将 以上 2个结果代入式(2)即可计算出模拟组织液的葡萄糖浓度(第4列 )，第 5列是模拟组织液浓度的测量值与真实值之 间的相对误差 。

682 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷表 2 猪皮模拟组织液透皮抽取模拟实验结果表Table 2 Experiment results of the pigskin in vitro experiment对离体猪皮进行的组织液透皮抽娶收集和定量的模拟实验结果表明，本血糖仪能够实现连续、自动、无损、精确的组织液透皮抽娶收集和定量功能。利用系统中的微流量计精确测量得到的含糖生理盐水体积和样品溶液的葡萄糖浓度计算得到的糖水浓度，与采用传统的组织液葡萄糖浓度预测模型计算得到的糖水浓度相比，大大提高了糖水浓度的预测精度。

6 结 论在组织液透皮抽取式血糖连续检测技术研究中，透皮抽取出的组织液量非常微小，在皮肤表面呈散点状分布，导致对微量组织液的有效抽娶收集、输运、体积定量和对葡萄糖浓度的检测存在很大难度。本文将组织液透皮抽娶收集和定量方法的研究与微流控芯片技术进行有机结合，基于组织液透皮抽取式微流控芯片和微机械葡萄糖浓度传感器，研制了-套小型化、集成化和自动化的组织液透皮抽取式微创血糖检测仪。通过搭建的离体猪皮模拟组织液透皮抽取实验系统，验证了其内部文氏管输出 95 kPa负压的驱动下，能够连续、自动的完成生理盐水的定量注入功能、透过低频超声预处理的猪皮抽痊糖生理盐水的功能和无损收集样品溶液的功能。