納米血糖傳感器的研究.pdf

1、糖尿病是世界性的多發(fā)病和常見病，它嚴(yán)重地威脅著人類的健康，是僅次于心血管病和癌癥的第三大危險(xiǎn)疾病。因此，糖尿病的診斷和治療是全世界生物醫(yī)學(xué)工程界面臨的重大課題。糖尿病的發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，作為對(duì)治療有明確指導(dǎo)意義的血糖值的檢測(cè)，對(duì)于糖尿病患者的病情監(jiān)控和治療有重大意義。與醫(yī)院大型生化分析儀相比，便攜式血糖傳感器系統(tǒng)具有減少病患痛苦、方便、快捷、采血量少、無(wú)需專業(yè)人員操作等優(yōu)點(diǎn)。因此，一次性血糖試條的研制有可觀的應(yīng)用前景。 傳感

2、器發(fā)展的方向是微型化、集成化，微型化迫切需要提高傳感器的電流響應(yīng)。目前，市場(chǎng)上已研發(fā)出的一次性血糖試條成本較高，用酶量大，且制作工藝復(fù)雜，基本上通過對(duì)基礎(chǔ)印刷電極的材料優(yōu)化來獲得高靈敏度和穩(wěn)定的響應(yīng)性能。因此，尋找新材料、新方法制備電流響應(yīng)值高且各項(xiàng)性能穩(wěn)定的新型生物傳感器非常必要。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料的各種顯著特性已相繼得到證實(shí)，本研究中，我們將不同納米材料引入到血糖傳感器的制作中來，為制作能夠面向市場(chǎng)的納米血糖傳感器做了較多

3、的嘗試。 首先，我們分別嘗試了將功能化的水分散性碳黑和羧基化的多壁碳納米管修飾葡萄糖傳感器，將其作為載酶層，得到了較好的靈敏度增強(qiáng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與無(wú)修飾傳感器相比，功能碳黑和多壁碳納米管的引入，使葡萄糖傳感器的靈敏度分別提高2倍和4倍，檢測(cè)范圍明顯拓寬，對(duì)不同濃度的葡萄糖樣本，其測(cè)量一致性為10～15％。測(cè)量一致性有待于進(jìn)一步提高。 隨后，我們克服了上述納米材料在應(yīng)用過程中一致性差的局限，以均勻分散和量化的方式處理

4、納米二氧化硅，并首次將親水納米二氧化硅和高分子成膜材料摻雜制作了多孔疏松立體結(jié)構(gòu)膜，該膜作為葡萄糖氧化酶的載體膜，能夠提高酶載量，保持酶活性，并有利于被測(cè)試樣的快速滲透。用其制作的高分子成膜材料一納米二氧化硅增強(qiáng)型葡萄糖傳感器，在發(fā)揮納米材料的增敏機(jī)制和保持傳感器的一致性方面取得了平衡，最終縮短了檢測(cè)時(shí)間，減少了酶用量，提高了響應(yīng)靈敏度，保證了一致性。經(jīng)過臨床實(shí)驗(yàn)表明，其靈敏度與無(wú)修飾傳感器相比，提高了2.6倍，線性范圍增加到1.1～3

5、3.3 mM，對(duì)不同濃度的葡萄糖樣本，其測(cè)量一致性均在3.5％以內(nèi)。經(jīng)過臨床血液實(shí)驗(yàn)和相關(guān)檢測(cè)部門檢測(cè)，已達(dá)到中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《體外診斷檢驗(yàn)系統(tǒng)：自測(cè)用血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通用技術(shù)條件》(GB／T19634-2005)中對(duì)血糖試條的準(zhǔn)確度和一致性的相關(guān)要求，具有較高的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。 不僅如此，本研究通過對(duì)小樣品通道流體動(dòng)力學(xué)及擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的分析，推導(dǎo)了靜止液體非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程平面電極擴(kuò)散層最小厚度；在此基礎(chǔ)上，以本研究的納米血糖

6、傳感器為例，提出了一種安培微反應(yīng)器高度與以擴(kuò)散為主的電極動(dòng)力學(xué)過程匹配的設(shè)計(jì)思路和方案，在高分子成膜材料-納米二氧化硅增強(qiáng)型血糖試條上制作了微反應(yīng)器，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。 最后，我們根據(jù)納米血糖傳感器增敏前后的阻抗譜圖，建立了相應(yīng)的EIS等效電路和數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算了相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)合反應(yīng)穩(wěn)定性與酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，深入分析了本研究中各種納米血糖傳感器的增敏機(jī)理。結(jié)果表明，高分子成膜材料-親水納米二氧化硅的多孔疏松膜