皮下葡萄糖的無創抽取裝置及檢測方法
2023-04-27 08:31:51 3
專利名稱:皮下葡萄糖的無創抽取裝置及檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種體內某種被分析物(如人體組織液內的生物物質)的無創抽取和檢測方法，特別是皮下葡萄糖的無創抽取裝置及檢測方法。
背景技術：
糖尿病是一種常見的內分泌代謝病，發病率較高。我國在最近15年內患者總數增加近3倍，已達3000多萬，每年還以1％的速度增長；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。而且糖尿病患者易引起糖尿病酮症、心腦血管病變、腎衰竭、失明等併發症，嚴重威脅人類健康。
從上世紀70年代起，西德的Kaiser，美國的Jobsis等人就開始應用光學的方法進行人體內化學成分測量的嘗試。而對於血糖的研究較為流行的是近、中紅外光譜檢測方法。但是由於技術、可靠性等方面的原因，目前還沒有任何一種光學無創血糖儀通過美國FDA認證，也可以說世界上還沒有成功的光學血糖無創傷檢測商品，或者可實現臨床精度意義下的成功的方法論。
反離子電滲(reverse iontophoresis)由Girish Rao等提出(ReverseIontophoresisDevelopment of a Noninvasive Approach for GlucoseMonitoring；Pharmaceutical Research，Vol.10，No.12，1993)，與離子電滲將皮膚外側的帶電/極性離子導入體內不同的是，反離子電滲將體內的生化物質(如葡萄糖)抽取至體外。其基本原理是，在表皮皮膚的不同位置施加合適的電勢，在電場作用下，皮膚下層組織液中的陽離子(如Na+)向陰極遷移，陰離子(如Cl-)向陽極遷移；在生理條件(pH＝7.4)下，皮膚(pI＝4)帶負電荷，使皮膚下層一些中性物質(如葡萄糖)靠近皮膚側感應出正電荷，更傾向於隨陽離子(如Na+)流一起向陰極遷移，並可透過皮膚，被抽取至體外。相對於目前仍無重大突破、止步不前的光學檢測方法，反離子電滲法另闢新徑，實現了體內生化物質的無創抽取。
雖然目前有很成熟的小型化家用血糖儀，但需要刺破皮膚，抽取少量的血液進行檢測，會使患者在忍受病痛的同時，還要忍受額外的傷痛，而且每次都需要人工操作，且不能實時跟蹤體內血糖變化，對於疾病的預防不利。
發明內容本發明目的是提供一種皮下葡萄糖的無創抽取及檢測方法，該方法克服了現有技術的缺點，在不對皮膚造成創傷的情況下，自動抽取皮下組織液中的葡萄糖，實時檢測，及時反映出血液葡萄糖的濃度變化。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種皮下葡萄糖的無創抽取裝置，包含三個部分殼體，電極系列，用於存儲抽取出的葡萄糖分子的皮膚上表面接觸溶液；利用反離子電滲法進行抽取，採用電化學方法檢測抽取出葡萄糖信號；其中，殼體內含有兩個彼此獨立的容腔，兩容腔沿殼體的軸向設置，下、上端敞口，兩容腔內各設有一組電極，每組電極各包括一抽取電極和一檢測電極；抽取電極的引線由上端伸出，與恆流源兩端電連接，檢測電極的引線由上端伸出，與檢測儀器電連接；開始試驗時，先將殼體下端與皮膚密封式緊密接觸，從上端敞口處向兩容腔內分別注入皮膚上表面接觸溶液後，將電極系列插入溶液中，與儀器電連接，開啟電源，進行抽取或檢測。
所述的無創抽取裝置，其所述抽取電極，是表面修飾銀/氯化銀的導電電極，由在導電電極表面絲印銀/氯化銀或在銀電極上電鍍一層氯化銀製成；在導電電極未修飾到銀/氯化銀的電極表面，用絕緣膠覆蓋，防止電極插入溶液中後，導電材料與溶液接觸造成電極電位的擾動。
所述的無創抽取裝置，其所述導電電極，是金或鉑或銅或碳導電電極。
所述的無創抽取裝置，其所述檢測電極，包括反應區和絕緣區，反應區覆蓋一層含有固定化酶的凝膠，絕緣區覆蓋一層絕緣膠，為電化學酶電極，是兩電極體系或三電極體系。
所述的無創抽取裝置，其所述凝膠，其組成成分的重量比為環氧乙烷(PEO)1％~20％；牛血清白蛋白(BSA)0.01％~10％；甘油1％~20％；葡萄糖氧化酶(GOD)0.1~10U/μl；戊二醛0.01％~5％；磷酸緩衝液(PBS)適量。
所述的無創抽取裝置，其所述皮膚上表面接觸溶液，為含有絡合劑或促滲劑的混合物溶液。
所述的無創抽取裝置，其所述絡合劑，是乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二鈉鹽、氨三乙酸、乙二醇二乙醚二胺四乙酸、乙二胺四丙酸、環己二胺四乙酸、鈣黃綠素、肝磷脂其中一種或幾種物質的混合物，濃度為1~500mM。
所述的無創抽取裝置，其所述促滲劑，是氮酮、1，2-丙二醇、油酸、冰片、萜類其中一種或幾種物質的混合物，濃度為0.1％~20％。
所述的無創抽取裝置，其所述皮膚上表面接觸溶液，是一種含氯離子的緩衝液。
所述的無創抽取裝置，其所述含氯離子的緩衝液，氯離子的濃度為1~500mM。
所述的無創抽取裝置，其所述抽取電極和檢測電極集成在一個電極系統，使電極既具有抽取功能，又具有檢測功能，在不同的時間段行使不同的功能。
所述的無創抽取裝置的抽取方法，其抽取電極兩端電壓的極性交替變換。
所述的無創抽取裝置的檢測方法，包括，a)檢測電極浸在皮膚上表面接觸溶液中實時檢測葡萄糖濃度信號變化；或b)每次通電2~150分鐘，通電結束後，轉移微量皮膚上表面接觸溶液用於檢測。
所述的無創抽取裝置的抽取方法，該方法也適用於人體組織液內其他活性生物物質的抽取。
所述的無創抽取裝置的檢測方法，該方法也適用於人體組織液內其他活性生物物質的檢測。
本發明裝置的檢測方法克服了現有技術的缺點，在不對皮膚造成創傷的情況下，自動抽取皮下組織液中的葡萄糖，實時檢測，及時反映出血液葡萄糖的濃度變化。
圖1是本發明皮下葡萄糖的無創抽取裝置的剖視圖；圖2是銀/氯化銀修飾電極示意圖；圖3是表面覆蓋凝膠的電化學酶電極示意圖。
具體實施方式圖1表示本發明皮下葡萄糖的無創抽取裝置的剖視圖，該裝置基本包含三個部分殼體，電極系列，用於存儲抽取出的葡萄糖分子的皮膚上表面接觸溶液。圖中，皮下葡萄糖的無創抽取裝置1在上部，下部為容器10，容器10是模擬被分析物組織液的存在環境，在本實施例中，容器10內是盛有模擬鼠體組織液的生理鹽水配製的含有葡萄糖分子的皮膚下表面接觸溶液9。
如圖1所示，本發明皮下葡萄糖的無創抽取裝置，其中，殼體1a內含有兩個彼此獨立的容腔14A、14B，兩容腔14A、14B沿殼體1a的軸向設置，下端敞口，上端敞口，兩容腔14A、14B內各設有一組電極，每組電極各包括一抽取電極和一檢測電極，容腔14A內為抽取電極5A和檢測電極6A，容腔14B內為抽取電極5B和檢測電極6B。抽取電極5A、5B的引線由上端伸出，與恆流源兩端電連接(圖中沒示出)，檢測電極6A、6B的引線由上端伸出，與檢測儀器電連接(圖中沒示出)。
開始試驗時，先將殼體1a下端與皮膚密封式緊密接觸，由上端敞口處向兩容腔14A、14B內分別注入皮膚上表面接觸溶液15A、15B後，將電極系列插入溶液中，並與儀器電連接，開啟電源，進行抽取或檢測。
在表皮皮膚不同位置通一恆定電流，產生進行反離子電滲所需的電場。電流強度一方面對皮膚的刺激要儘可能的小，另一方面又要使得抽取出的葡萄糖量儘可能多，範圍從0.1mA/cm2到5mA/cm2。通恆流電所需的抽取電極系列由若干表面修飾銀/氯化銀的導電電極構成。銀/氯化銀可以絲印在導電電極表面，其中導電材料可以是金、鉑、銅、碳等；也可以由在銀電極上電鍍一層氯化銀製成。用絕緣膠覆蓋銀/氯化銀周圍未修飾到的導電電極，防止電極插入溶液中導電材料與溶液接觸造成電極電位的擾動。電極的形狀可以是方形、圓形等任意形狀。抽取電極接恆流源的兩端，通以範圍從0.1mA/cm2到5mA/cm2的直流電，在含有一定濃度Cl-的緩衝液中，抽取電極表面的銀或氯化銀髮生氧化還原反應陰極AgCl(s)+e-→Ag(s)+Cl-(a-)陽極Ag(s)+Cl-(a-)→AgCl(s)+e-能夠防止水的電解和溶液pH值的較大變化。進行反離子電滲的通電時間從2分鐘到150分鐘變化。交替變換抽取電極兩端電壓的極性，使葡萄糖分子在上層兩個容器中富集，且循環使用銀/氯化銀修飾電極，更穩定的保持溶液的pH值，延長電極的使用壽命。
用於存儲抽取出的葡萄糖分子的皮膚上表面接觸溶液是一種含氯離子的緩衝液，氯離子的濃度從1~500mM，要能支持銀、氯化銀所發生的反應。
溶液中加入絡合劑，能夠與多數金屬離子形成穩定的可溶性絡合物，從而增加皮膚所帶的負電荷，進而增強電滲流，增加皮下葡萄糖的抽取量。本發明所述的絡合劑，可以是以下任意一種或幾種的混合物乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二鈉鹽、氨三乙酸、乙二醇二乙醚二胺四乙酸、乙二胺四丙酸、環己二胺四乙酸、鈣黃綠素、肝磷脂等，濃度為1~500mM。
加入促滲劑，這種促滲劑選取對人體無害、無刺激性且促滲效果良好的。本發明所述的促滲劑，可以是以下任意一種或幾種的混合物氮酮、1，2-丙二醇、油酸、冰片、萜類等，濃度為0.1％~20％。
模擬人體組織液的含有葡萄糖分子的皮膚下表面接觸溶液是由向生理鹽水中加入一定量的固體葡萄糖顆粒配製而成。使用生理鹽水模擬人體組織液的環境。
用於檢測抽取出葡萄糖濃度信號的電化學酶電極可以採用不同的體系，如兩電極體系、三電極體系等。反應區域由絕緣膠帶在電極上隔離出。在整個反應區域覆蓋一層含有固定化葡萄糖氧化酶的凝膠。凝膠的成分包括環氧乙烷(PEO)1％~20％；牛血清白蛋白(BSA)0.01％~8％；甘油1％~20％；葡萄糖氧化酶(GOD)0.1~10U/μl；戊二醛0.01％~5％；磷酸緩衝液(PBS)適量。反應區域覆蓋凝膠的電極從實驗開始到實驗結束，一直浸在皮膚上表面接觸溶液中，在交換電壓極性的無直流間隔期，時間從0.5分鐘到150分鐘，利用電化學的方法檢測抽取出的葡萄糖電流信號，進行實時檢測。也可以在每次通電結束後，抽取出一部分皮膚上表面接觸溶液，使用未採用固定化技術的酶電極進行檢測。
用於存儲抽取出的葡萄糖分子的皮膚上表面接觸溶液可以改換為凝膠，存儲抽取出的葡萄糖分子等物質。
在三電極體系中，將對電極表面修飾銀/氯化銀，抽取時利用對電極作為抽取電極，檢測時使用完整的三電極體系進行檢測，從而將抽取電極和電化學酶檢測電極集成在一個電極系統上，使電極既具有抽取功能，又具有檢測功能，在不同的時間段行使不同的功能。
該方法的抽取電極系統可以不局限為銀/氯化銀修飾電極，可以是金、鉑、碳等材料製備的電極。
該方法不局限於葡萄糖的無創抽取和檢測，也適用於人體組織液內其他活性生物物質的無創抽取與檢測。
實施例1將含有10mM葡萄糖的生理鹽水溶液9注入容器10中，將剛切除的裸鼠的一塊全厚度皮膚平鋪在容器10上表面，鼠皮上表面7朝上；皮膚下表面8與溶液9接觸且完全覆蓋孔13A和13B。使裝置1上的孔14A和14B與孔13A和13B對準，用螺絲11和螺母12將上下兩部分裝置和鼠皮固定緊。向孔14A中注入400μl PBS(PBS中含有41.1mM的NaCl)配製的含絡合劑的皮膚上表面接觸溶液15A，絡合劑可以是乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二鈉鹽、氨三乙酸、乙二醇二乙醚二胺四乙酸、乙二胺四丙酸、環己二胺四乙酸、鈣黃綠素、肝磷脂中的一種或幾種，濃度1~500mM。本優選實施例選用20mM的乙二胺四乙酸二鈉鹽，向孔14B中注入400μl PBS(PBS中含有41.1mM的NaCl)溶液15B。通恆流電所需的抽取電極系列由若干銀/氯化銀修飾電極構成，本優選實施例選用銀/氯化銀修飾電極對。圖2是銀/氯化銀修飾電極示意圖。電化學酶電極表面凝膠成分包括環氧乙烷(PEO)1％~20％；牛血清白蛋白(BSA)0.01％~8％；甘油1％~20％；葡萄糖氧化酶(GOD)0.1~10U/μl；戊二醛(GA)0.01％~5％；磷酸緩衝液(PBS)適量。本優選實施例選用PEO4％；BSA3％；甘油10％；GOD2U/μl；GA0.5％；PBS8.5μl。圖3是表面覆蓋凝膠的電化學酶電極示意圖。將抽取電極5A和5B和電化學酶電極6A和6B浸入溶液15A和15B中，保證銀/氯化銀2與凝膠3完全浸在溶液中；為避免裸露的導電材料與溶液15A或15B接觸，要使一部分絕緣膠4露出液面。將抽取電極接輸出為0.1mA的恆流源兩端，反離子電滲即開始。每次通電15分鐘，通電結束後將檢測電極接檢測儀，進行葡萄糖濃度檢測；之後將抽取電極接恆流源，並交換抽取電極兩端電壓極性，繼續通電抽取；通電結束後進行檢測。重複抽取與檢測過程。共通電抽取120分鐘。每次檢測100秒，取60秒時的電流值示於下表1、表2表1溶液15A實時檢測時間60秒時電流值
表2溶液15B實時檢測時間60秒時電流值
實施例2將含有5mM葡萄糖的生理鹽水溶液9注入容器10中，將剛切除的裸鼠的一塊全厚度皮膚平鋪在容器10上表面，鼠皮上表面7朝上；使裝置1上的孔14A和14B與13A和13B對準，用螺絲11和螺母12將上下兩部分容器和鼠皮固定緊。向孔14A中注入500μl PBS配製的含絡合劑的溶液15A，本優選實施例選用10mM乙二胺四乙酸二鈉鹽溶液，向孔14B中注入500μl PBS配製的含促滲劑和絡合劑的溶液15B，促滲劑可以是氮酮、1，2-丙二醇、油酸、冰片、萜類中的一種或幾種。本優選實施例選用含0.5％氮酮、5％1，2-丙二醇的混合物，絡合劑選用10mM的乙二胺四乙酸二鈉鹽。將抽取電極5A和5B(與優選實施例1相同)浸入溶液15A和15B中。將電極接輸出為0.1mA的恆流源兩端，反離子電滲即開始。通電20分鐘，通電結束後，轉移25μl上層溶液至離心管中，用於檢測。之後交換抽取電極兩端電壓極性，繼續通電抽取20分鐘，轉移25μl上層溶液。重複上述抽取、轉移過程。共通電抽取160分鐘。之後檢測每次轉移出的溶液，每次檢測100秒，取60秒時的電流值示於下表3、表4表3溶液15A檢測時間60秒時電流值
表4溶液15B檢測時間60秒時電流值
說明1)葡萄糖隨電滲被逐漸抽取出；2)通過表1與表2電流值的比較，可以得出絡合劑有明顯的促滲效果。
3)通過上述各表電流值的比較，可以得出相對於只加入緩衝溶液，加入絡合劑、促滲劑有明顯的促滲效果。
權利要求
1. 一種皮下葡萄糖的無創抽取裝置，包含三個部分殼體，電極系列，用於存儲抽取出的葡萄糖分子的皮膚上表面接觸溶液；利用反離子電滲法進行抽取，採用電化學方法檢測抽取出葡萄糖信號；其特徵在於，其中，殼體內含有兩個彼此獨立的容腔，兩容腔沿殼體的軸向設置，下、上端敞口；兩容腔內各設有一組電極，每組電極各包括一抽取電極和一檢測電極；抽取電極的引線由上端伸出，與恆流源兩端電連接，檢測電極的引線由上端伸出，與檢測儀器電連接；開始試驗時，先將殼體下端與皮膚密封式緊密接觸，從上端敞口處向兩容腔內分別注入皮膚上表面接觸溶液後，將電極系列插入溶液中，與儀器電連接，開啟電源，進行抽取或檢測。
2.如權利要求
1所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述抽取電極，是表面修飾銀/氯化銀的導電電極，由在導電電極表面絲印銀/氯化銀或在銀電極上電鍍一層氯化銀製成；在銀/氯化銀未修飾到的導電電極表面，用絕緣膠覆蓋，防止電極插入溶液中後，導電材料與溶液接觸造成電極電位的擾動。
3.如權利要求
2所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述導電電極，是金或鉑或銅或碳導電電極。
4.如權利要求
1所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述檢測電極，包括反應區和絕緣區，反應區覆蓋一層含有固定化酶的凝膠，絕緣區覆蓋一層絕緣膠，為電化學酶電極，是兩電極體系或三電極體系。
5.如權利要求
4所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述凝膠，其組成成分的重量比為環氧乙烷(PEO)1％~20％；牛血清白蛋白(BSA)0.01％~10％；甘油1％~20％；葡萄糖氧化酶(GOD)0.1~10U/μl；戊二醛0.01％~5％；磷酸緩衝液(PBS)適量。
6.如權利要求
1所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述皮膚上表面接觸溶液，為含有絡合劑或促滲劑的混合物溶液。
7.如權利要求
6所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述絡合劑，是乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二鈉鹽、氨三乙酸、乙二醇二乙醚二胺四乙酸、乙二胺四丙酸、環己二胺四乙酸、鈣黃綠素、肝磷脂其中一種或幾種物質的混合物，濃度為1~500mM。
8.如權利要求
6所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述促滲劑，是氮酮、1，2-丙二醇、油酸、冰片、萜類其中一種或幾種物質的混合物，濃度為0.1％~20％。
9.如權利要求
1所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述皮膚上表面接觸溶液，是一種含氯離子的緩衝液。
10.如權利要求
9所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述含氯離子的緩衝液，氯離子的濃度為1~500mM。
11.如權利要求
1所述的無創抽取裝置，其特徵在於，所述抽取電極和檢測電極集成在一個電極系統，使電極既具有抽取功能，又具有檢測功能，在不同的時間段行使不同的功能。
12.如權利要求
1所述的無創抽取裝置的抽取方法，其特徵在於，抽取電極兩端電壓的極性交替變換。
13.如權利要求
1所述的無創抽取裝置的檢測方法，其特徵在於，a)檢測電極浸在皮膚上表面接觸溶液中實時檢測葡萄糖濃度信號變化；或b)每次通電2~150分鐘，通電結束後，轉移部分皮膚上表面接觸溶液用於檢測。
14.如權利要求
12所述的無創抽取裝置的抽取方法，其特徵在於，該方法也適用於人體組織液內其他活性生物物質的抽取。
15.如權利要求
13所述的無創抽取裝置的檢測方法，其特徵在於，該方法也適用於人體組織液內其他活性生物物質的檢測。
專利摘要
本發明涉及皮下葡萄糖的無創抽取裝置及檢測方法，是利用反離子電滲原理，將兩個銀/氯化銀電極分別插入被固定皮膚上側兩個裝有溶液的彼此獨立的容器中，溶液與皮膚上表面接觸，通以一定電流，使葡萄糖分子從與皮膚下表面接觸的溶液中經皮膚抽取到與皮膚上表面接觸的溶液中，利用電化學酶電極檢測抽取出的葡萄糖電流信號，最終能夠確定其在血液中對應的量。本發明無創的抽取出皮下葡萄糖，克服了傳統檢測血糖需要刺破皮膚的缺點，能夠在很大程度上減輕患者的痛苦，並可應用於實時檢測。
文檔編號G01N33/48GK1994223SQ200510130762
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月28日
發明者劉紅敏, 蔡新霞, 劉春秀, 劉劍, 姜利英, 楊慶德, 郭宗慧, 李華清 申請人:中國科學院電子學研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan