專利名稱：一種超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于血糖檢測領域的傳感器，具體地說是一種可輔助實現組織液超濾提取并對其進行分析檢測的超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器。
背景技術：
據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，糖尿病及其并發(fā)癥已經成為威脅人類健康的重要殺手之一。該病臨床主要表現為血糖偏高。久病可引起多系統(tǒng)損害和多種慢性病變。糖尿病患者的科學診斷與治療需要頻繁對血糖指標進行檢測，從而有效地控制血糖水平。因此，近年來動態(tài)連續(xù)血糖檢測技術研究逐漸成為國內外學者研究的熱點。目前常見的連續(xù)動態(tài)血糖檢測方法是皮下植入微電極式的血糖檢測方法。該方法 將針型葡萄糖氧化酶電極直接植入皮下，通過測量皮下組織液的葡萄糖濃度進行血糖連續(xù)檢測。該技術目前面臨的挑戰(zhàn)在于由于傳感器植入體內后產生的排斥反應，傳感器植入后會存在信號不穩(wěn)定現象，傳感器的信號會降低，并逐漸衰弱直至失效，開發(fā)長期植入的微型酶電極血糖傳感器目前還存在挑戰(zhàn)。此外，傳感器長期植入體內，溫度較高，葡萄糖氧化酶性能不易保持穩(wěn)定；傳感器植入皮下后，信號衰減，在血糖濃度低于50mg/dl情況下的檢測結果相關性降低。對于ICU危重病人非皮下組織的血糖監(jiān)測，以及不同身體位置的血糖檢測方面，植入式酶電極傳感器應用還面臨一定的限制。因此，許多專家學者開始通過在體提取組織液、體外葡萄糖檢測方法來實現血糖濃度的連續(xù)測量，這是從另一個角度解決長時間持續(xù)血糖檢測問題的有效途徑，具有重要的研究價值。在這類研究中，基于超濾方法體內提取組織液、體外葡萄糖檢測是實現長期連續(xù)血糖監(jiān)測的新手段。超濾方法是由Janle等于1987年提出的一種簡單方便的活體取樣技術。它通過施加負壓做驅動力，收集經過半透膜過濾的體液進行后續(xù)分析。該方法不需要額外配置液泵，具有操作簡單、可持續(xù)提取、提取液濃度再現率高，可直接進行后續(xù)分析的特點。1992年Ash等人第一次將超濾技術用于人體進行葡萄糖濃度檢測，隨后又基于此技術進行了組織液中其它化學成分的分析。后來，Tiessena等也利用超濾技術對6名志愿者進行了葡萄糖和乳酸的檢測分析。到目前為止，已有很多研究團體將其直接應用在鼠，貓，狗、馬、豬、雞、羊、牛等動物以及人體進行組織液提取，對包括葡萄糖在內的很多種小分子成分進行分析。并且，近年來關于大分子物質的超濾提取分析，例如細胞因子，肽類激素等物質提取分析的研究也獲得突破。超濾取樣技術具有超濾針可長期植入、不需要機械泵灌注液體、僅需要提供負壓、操作簡單，便于裝置微型化優(yōu)點。但目前基于超濾的血糖持續(xù)檢測技術研究中，超濾提取出的組織液需先存貯在試劑瓶或一段毛細管中，然后利用專用的葡萄糖檢測設備對其進行測量，組織液提取和后續(xù)測量設備是分離的。這導致血糖檢測具有較大的延遲，而且每次檢測所需組織液用量較大、抽吸時間延長，進而存在單次血糖檢測用時較長等現象。因此，特別需要一種能夠同時完成組織液超濾提取并直接對其進行葡萄糖檢測的傳感器裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述超濾組織液提取與后續(xù)檢測操作分離的問題，提供一種組成合理，檢測方便、靈活，適應組織液超濾提取特點、具有組織液收集和排除，并可對提取組織液直接進行葡萄糖檢測的超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器。本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案是一種超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器，其由玻璃下層、閥膜層、玻璃上層、微通道層和MEMS檢測芯片層組成，玻璃下層、玻璃上層與中間的閥膜層構成底座，底座上粘接一層PDMS材料制作的微通道層，MEMS檢測芯片層與微通道層貼合；所述玻璃下層設有三個接口，分別為組織液抽吸接口、壓力接口和殘液排·出口，其中壓力接口與外部壓力源連接；組織液抽吸接口與外部超濾針連接；所述閥膜層是采用負性光刻膠材料SU-8制成的膜狀結構，其上設有兩個單向閥，分別是抽吸單向閥和殘液單向閥；所述微通道層設有微通道和圓形檢測池；所述壓力接口與閥膜層上設有的壓力孔、玻璃上層設有的壓力孔和微通道層上設有的壓力孔處于同軸位置；殘液排出口與殘液單向閥、玻璃上層設有的殘液孔和微通道層上的殘液孔處于同軸位置；組織液抽吸接口與抽吸單向閥、玻璃上層設有的抽吸孔處于同軸位置并與微通道層的微通道連接；在壓力作用下，組織液抽吸接口和殘液排出口通過閥膜層的抽吸單向閥和殘液單向閥實現單向開啟。當壓力接口提供負壓時，殘液排出口的單向閥關閉，組織液抽吸接口單向閥打開。此時組織液由抽吸接口流入微通道匯入檢測區(qū)域中，可以與傳感器的電極接觸，基于電化學原理實現葡萄糖濃度檢測。當壓力接口提供正壓時，殘液排出口開啟，抽吸接口關閉以防止組織液倒流。此時用過的組織液會在壓力下從殘液排出口排出，減小對下一次檢測的影響。所述MEMS檢測芯片層刻蝕有硅杯結構作為微腔，其底部制作有98個直徑為10 μ m的小孔，在微腔底部以及芯片層上表面設有鉬工作電極，在芯片層下表面設有鉬對電極和參比電極；在芯片微腔內的工作電極上，采用瓊脂糖包埋的方法固化有葡萄糖氧化酶。所述閥膜層的抽吸單向閥和殘液單向閥主要由中間的圓盤和周圍四組對稱的懸梁組成，抽吸單向閥和殘液單向閥上的圓盤分別蓋住組織液抽吸接口和殘液排出口。本發(fā)明采用上述組成結構，其具備組織液提取和檢測功能。工作時，傳感器的壓力接口與壓力源連接，組織液抽吸接口與超濾針連接。當提供負壓時，在殘液單向閥的作用下，殘液排出口處于關閉狀態(tài)。此時皮下組織液基于超濾原理，在負壓作用下會從組織液抽吸接口流入微通道并匯集在檢測區(qū)域圓形檢測池中與檢測芯片的電極接觸，這樣基于電化學原理即可以檢測組織液中的葡萄糖濃度。該次檢測結束后，壓力接口處施加正壓，此時組織液抽吸接口的抽吸單向閥關閉，殘液排出口打開。這樣，檢測區(qū)域的組織液在壓力作用下沿著微通道流向殘液排出口排出，從而完成一次檢測。重復上述工作過程，就可以實現組織液反復抽吸和檢測，從而持續(xù)長時間的對組織液中葡萄糖濃度進行監(jiān)測，實現人體血糖狀態(tài)的長時間監(jiān)控。對照現有技術，本發(fā)明可直接且自動化的實現組織液超濾提取并可直接對提取組織液進行在線檢測，從而實現血糖的持續(xù)監(jiān)測。此外，由于傳感器中設計有微通道及單向閥等結構，可以通過壓力的交替變化實現組織液抽吸檢測與殘液排出控制，進而實現靈活可控、持續(xù)的血糖監(jiān)測。本發(fā)明組成合理，檢測方便、靈活，適應組織液超濾提取特點、具有組織液收集和排除，并可對提取組織液直接進行葡萄糖檢測。


下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。圖1是本發(fā)明的組成結構的截面示意圖。圖2本發(fā)明組成結構的分解示意圖。圖3是本發(fā)明MEMS檢測芯片層截面結構的原理示意圖。圖4是本發(fā)明MEMS檢測芯片層背面電極布置示意圖。圖5是本發(fā)明閥膜層的結構示意圖。圖中標號是1. MEMS檢測芯片層，2.微通道層， 3.玻璃上層，4.閥膜層，5.玻璃下層。11.工作電極，12.微腔，13.參比電極，14.對電極。21.壓力孔，22.圓形檢測池，23.微通道，24.殘液孔。31.壓力孔，32.抽吸孔，33.殘液孔。41.壓力孔，42.抽吸單向閥，43.殘液單向閥。51.壓力接口，52.組織液抽吸接口，53.殘液排出口。421.圓盤，422.懸梁。431.圓盤，432.懸梁。
具體實施例方式從圖1、圖2中可以看出，一種超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器，它由多層結構組成，包括有玻璃下層5、閥膜層4、玻璃上層3、微通道層2和MEMS檢測芯片層I。首先由玻璃下層5、玻璃上層3與中間閥膜層4構成底座。底座上粘接一層PDMS材料制作的微通道層2。由于PDMS材料自身的特性，它會很容易與玻璃表面以及硅片表面鍵合在一起。最后MEMS檢測芯片層I與再與其貼合構成整個傳感器。所述玻璃下層設有三個接口，分別為組織液抽吸接口 52、壓力接口 51和殘液排出口 53，其中壓力接口 51與外部壓力源連接；組織液抽吸接口 52與外部超濾針連接。所述微通道層2設有連接各個接口之間的微通道23和圓形檢測池22。本發(fā)明所述閥膜層4是采用負性光刻膠材料SU-8制成的膜狀結構，閥膜層4組裝在玻璃下層5和玻璃上層3之間，起到控制組織液抽吸接口 52和殘液排出口 53開關的作用。如圖5所示，在SU-8制成的閥膜層4上有兩個單向閥，分別是抽吸單向閥42和殘液單向閥43。它們主要由中間的圓盤421、431和周圍四組對稱的懸梁422、432組成。在懸梁422、432結構作用下，圓盤421、431被連接到SU-8閥膜層4上，而且圓盤421、431的運動被限制為僅在閥膜層4垂直的方向上。圓盤421、431偏離閥膜層4表面的位置越遠，受到周圍懸梁422、432的拉力越大。本發(fā)明所述的MEMS檢測芯片層I是采用體硅加工工藝制作的葡萄糖檢測芯片層。圖3是MEMS檢測芯片層結構原理示意圖。如圖1、圖3所示，在MEMS檢測芯片層I的正面刻蝕有硅杯結構形成微腔12，其底部制作有98個直徑為10 μ m的小孔。在微腔12底部以及芯片層正面濺射有鉬工作電極11。葡萄糖氧化酶采用瓊脂糖包埋的方法固化在芯片微腔12內的工作電極11上，被微腔結構保護起來。這在一定程度上避免酶流失以及減少電極干擾，有助于提高傳感器壽命，可反復多次對葡萄糖濃度進行測量。如圖4所示，在檢測芯片層背面濺射有鉬對電極14和參比電極13。當抽取的組織液到達圓形檢測池22與傳感器檢測芯片背面接觸時，組織液中的葡萄糖分子會經微腔12底部硅膜上面的微孔擴散與腔體中固化的葡萄糖氧化酶發(fā)生電化學反應，生成葡萄糖酸內酯和過氧化氫。葡萄糖氧化生成的過氧化氫進一步擴散到陽極電極表面，并在一定的電壓作用下發(fā)生氧化反應。酶發(fā)生反應時氧化電流與H2O2濃度呈線性關系，而H2O2濃度又與葡萄糖濃度對應，反應時氧化電流與葡萄糖濃度對應，所以通過測量電流值即可檢測葡萄糖的濃度。如圖1、圖2所示，所述壓力接口 51與閥膜層上設有的壓力孔41、玻璃上層設有的壓力孔31和微通道層上設有的壓力孔21處于同軸位置；殘液排出口 53與殘液單向閥43的圓盤431、玻璃上層設有的殘液孔33和微通道層上的殘液孔24處于同軸位置；組織液抽吸接口 52與抽吸單向閥42的圓盤421、玻璃上層抽吸孔32處于同軸位置，并且殘液排出口53與組織液抽吸接口 52都最終經由微通道23連接，與壓力接口 51聯通。由于所述玻璃上層和玻璃下層在組織液抽吸接口和殘液排出口處開孔直徑的不同以及限制，組織液抽吸接口 52處的圓盤421會在傳感器內部處于負壓時抬起、正壓時壓緊組織液抽吸接口，實現負壓單向開啟功能。同理，殘液排出口 53處的圓盤431會在傳感器內部處于正壓時抬起、負壓時壓緊玻璃上層設有的殘液口 33，實現正壓單向開啟功能。以組織液抽吸接口 52處為例，玻璃上層抽吸孔32為階梯孔，與閥膜層4接觸的那一側孔徑大于玻璃下層5上組織液抽吸接口 52孔徑。而且，抽吸單向閥42的圓盤421的直徑大于組織液抽吸接口 52的孔徑，且圓盤421在周圍懸梁422作用下與閥膜層4處于同一平面，正好蓋住組織液抽吸接口 52。
在壓力作用下，組織液抽吸接口 52和殘液排出口 53通過閥膜層4的抽吸單向閥42和殘液單向閥43實現單向開啟。具體是，當壓力接口提供負壓時，由于傳感器內部壓力小于外界大氣壓力，組織液在壓力差的作用下會向傳感器內流動，此時蓋住組織液抽吸接口 52處的圓盤421會向上運動，直到圓盤421兩面的壓力差與懸梁422作用的拉力相平衡，這樣圓盤421和玻璃下層組織液抽吸接口 52之間會有一定縫隙，此時，組織液抽吸接接口52處于開啟狀態(tài)。而與此同時，在殘液排出口 53處，如圖2所示，玻璃上層殘液孔33孔徑小于圓盤431直徑，由于外界大氣壓大于傳感器模塊內部壓力，圓盤在壓力作用下蓋住玻璃上層殘液孔33，此時，殘液排出口 53處于關閉狀態(tài)。此時組織液由抽吸接口 52流入微通道匯入圓形檢測池22中，可以與傳感器的電極接觸，基于電化學原理實現葡萄糖濃度檢測。相反地，如果壓力供給模塊提供正壓，此時組織液抽吸接口 52會被圓盤421壓緊，組織液抽吸接口 52關閉；殘液排出口 53處的圓盤431會向下開啟一定縫隙，殘液排出口 53開啟。抽吸接口 52關閉以防止組織液倒流。此時用過的組織液會在壓力下從殘液排出口 53排出，減小對下一次檢測的影響。工作時，當壓力接口 51處施加負壓時，組織液抽吸接口 52會在負壓作用下開啟，殘液排出口 53關閉。這樣，組織液會在負壓作用下，基于超濾原理從組織液抽吸口 52流入微通道匯入圓形檢測池22。當組織液流進圓形檢測池22時，可以與傳感器檢測芯片層I的對電極14，參比電極13及工作電極11接觸，基于電化學原理實現組織液葡萄糖濃度檢測。當本次檢測結束后，壓力接口 51施加正壓時，殘液排出口 53在正壓作用下開啟，組織液抽吸口 52關閉以防止組織液倒流.此時，傳感器中使用過的組織液將從殘液排出口 53排出，減小對下一次檢測的影響，從而完成一次抽吸檢測操作。
權利要求
1.一種超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器，其由玻璃下層、閥膜層、玻璃上層、微通道層和MEMS檢測芯片層組成，玻璃下層、玻璃上層與中間的閥膜層構成底座，底座上粘接一層PDMS材料制作的微通道層，MEMS檢測芯片層與微通道層貼合；所述玻璃下層設有三個接口，分別為組織液抽吸接口、壓力接口和殘液排出口，其中壓力接口與外部壓力源連接；組織液抽吸接口與外部超濾針連接；所述閥膜層是采用負性光刻膠材料SU-8制成的膜狀結構，其上設有兩個單向閥，分別是抽吸單向閥和殘液單向閥；所述微通道層設有微通道和圓形檢測池；所述壓力接口與閥膜層上設有的壓力孔、玻璃上層設有的壓力孔和微通道層上設有的壓力孔處于同軸位置；殘液排出口與殘液單向閥、玻璃上層設有的殘液孔和微通道層上的殘液孔處于同軸位置；組織液抽吸接口與抽吸單向閥、玻璃上層抽吸孔處于同軸位置并與微通道層的微通道連接；在壓力作用下，組織液抽吸接口和殘液排出口通過閥膜層的抽吸單向閥和殘液單向閥實現單向開啟。
2.根據權利要求1所述的超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器，其特征是所述MEMS檢測芯片層刻蝕有硅杯結構作為微腔，其底部制作有98個直徑為10 μ m的小孔，在微腔底部以及芯片層上表面設有鉬工作電極，在芯片層下表面設有鉬對電極和參比電極；在芯片微腔內的工作電極上，采用瓊脂糖包埋的方法固化有葡萄糖氧化酶。
3.根據權利要求1所述的超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器，其特征是所述閥膜層的抽吸單向閥和殘液單向閥主要由中間的圓盤和周圍四組對稱的懸梁組成，抽吸單向閥和殘液單向閥上的圓盤分別蓋住組織液抽吸接口和殘液排出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超濾取樣葡萄糖檢測微型傳感器，其由玻璃下層、閥膜層、玻璃上層、微通道層和MEMS檢測芯片層組成，玻璃下層、玻璃上層與中間的閥膜層構成底座，底座上粘接一層PDMS材料制作的微通道層，MEMS檢測芯片層與微通道層貼合；所述玻璃下層設有三個接口，分別為組織液抽吸接口、壓力接口和殘液排出口；所述閥膜層采用負性光刻膠材料SU-8制成的膜狀結構，其上設有抽吸單向閥和殘液單向閥。在壓力作用下，組織液抽吸接口和殘液排出口通過閥膜層的抽吸單向閥和殘液單向閥實現單向開啟。本發(fā)明組成合理，檢測方便、靈活，適應組織液超濾提取特點、具有組織液收集和排除，并可對提取組織液直接進行葡萄糖檢測。
文檔編號A61B5/1486GK103006239SQ20131000563
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權日2013年1月8日
發(fā)明者劉亞欣, 黃博, 姚玉峰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(威海)