专利名称：基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人体葡萄糖浓度连续监测装置。特别是涉及一种包括有光源、光 纤耦合器、光纤sra探头、光谱仪以及计算机的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓 度连续监测装置。
背景技术：
随着人们生活水平的提高，饮食结构的变化以及生活方式的改变，人口老龄化以 及肥胖发生率的增加，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。连续血糖监测对糖尿病诊治的重 要意义越来越被人们所认识。如果能对患者进行无痛而又不间断的连续血糖监测，提供更 为密切的血糖漂移变化的数据，就能够反映患者的血糖“全貌”，测量出那些被忽略的血糖 信息，揭示出隐藏的血糖状态 ，发现那些无自觉症状的反复低血糖发作、黎明现象和高血糖 的峰值等，为拟定更加合理、个体化的降糖治疗方案，提供有价值的临床依据，从而更好地 指导糖尿病的治疗。血糖监测过程中所使用的血糖检测技术，按其对机体的创伤程度可分为有创、无 创和微创检测。有创是指检测过程中触及血管与神经造成伤口并引发痛感；无创是指对机 体没有任何损伤；微创是指虽有小的创伤，但未触及血管与神经，患者无痛苦。有创血糖监测多采用静脉抽血和快速指尖末梢血来检测血糖。由于检测方法的限 制，血糖监测只能在孤立的时间点完成，其结果反映的是一天中某几个时刻的瞬间血糖，瞬 间血糖值受运动、饮食、药物、情绪波动等诸多因素的影响，存在着一定的片面性和不准确 性。而且多次抽血不仅消耗大量试纸，也给患者带来一定的心理负担。随着激光及其检测技术的不断发展，人们探索研究了多种基于光学技术的无创血 糖检测方法。由于除葡萄糖外，体内的水、脂肪和其他中间代谢产物对光谱的吸收；体内多 变的光散射情况；以及水合作用、血流量、温度和其他因素的变化等，无创血糖检测技术存 在着信噪比低以及数据重现性、灵敏度、选择性、对个体的适应性等较差的问题。要真正实 现临床上的实际应用，还有很长的路要走。微创血糖检测技术既能够最大限度地避免有创血糖检测的局限，其方法较之无创 血糖检测又更为直接，实现起来也更为容易，因此受到了人们的持续关注。微创血糖检测 技术仍然从直接测量的角度出发，只是将测量对象由有创检测的血液换成了与血液高度相 关的组织液，通过微创伤的方法，在体或采集至体外检测其中的葡萄糖浓度。将组织液抽取 至体外检测，需要组织液的量较大，并需要精确地知道抽取量，增加了抽取的难度；体外测 量还受到外界与体内环境差异的影响，测量误差较大；由于仪器的限制，体外测量很难做到 24小时实时监测。在体测量是将检测装置植入到人体体内直接测量组织液葡萄糖浓度，弥 补以上体外检测的不足，具有非常高的应用价值。表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自 由电子相互作用而产生。入射光线从光密介质照射到光疏介质，当在入射角大于某个特定 的角度(临界角)时，会发生全反射现象。如果在两种介质界面之间存在厚度几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波的P偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的 自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波(SPW)。当入射光的角度 或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成SPW的能量，从而使全反射的反射光的 能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或波长，称为SPR的共振角 或共振波长。sra的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜 表面附着被测物质(一般为溶液或者生物分子)，会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而 引起SH 光学信号发生改变。根据这个信号，就可以获得组织液中葡萄糖的折射率或浓度 等信息。光纤作为一种光的传输介质，其结构的特殊性决定了它适合被用于表面等离子共 振传感器的制作。全内反射传输光的纤芯可以用作sra测量时金属薄膜的支持体，在纤芯 的表面镀上一层金属膜，光纤就可以作为sra测量的敏感器件。近十几年来，许多基于光纤 的SPR传感器被研究使用。光纤SPR探头体积小巧、便携性强，容易实现小型化和植入式测 量。但现阶段光纤SI^R测量装置有的精度不高，无法达到测量组织液中葡萄糖浓度要求；有 的稳定性较差，不能长时间连续测量；有的由于生物兼容性等问题不能植入到人体体内进 行测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量精度高、稳定性好、具有生物兼容性 的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置。本发明所采用的技术方案是一种基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连 续监测装置，由光源、光纤耦合器、光纤sra探头、光谱仪以及计算机组成，通过测量人体组 织液中葡萄糖浓度实现人体葡萄糖浓度连续监测，所述的光源经过光纤耦合器到达植入人 体体内的光纤Sra探头，从光纤sra探头反射的光又通过光纤耦合器到达光谱仪，所述的光 谱仪输出数据到计算机，所述的计算机计算机对光谱仪输出的数据进行分析处理并显示测 量结果。所述的光源为白光光源，要求波长在400nm 900nm波长范围内连续变化，波谱平
滑稳定无突变。所述的光纤耦合器为一分二多模光纤。所述的光谱仪波长检测范围覆盖400 900歷，检测灵敏度达到0. 5nm。所述的光纤sra探头的光纤为多模光纤，包括有光纤纤芯，镀在光纤纤芯端部外 周面上的金属膜，镀在光纤纤芯端头的反射镜，由内至外包裹在光纤纤芯除镀有金属膜以 外的外周面上的光纤涂覆层和包层。所述的金膜厚度为45 55nm。所述的反射镜采用金或银材料，厚度为295 305nm。所述的光纤纤芯在镀有金属膜部分的外周固定套有一个微型腔体，所述的微型腔 体的端面设置有仅有小分子能通过的半透膜。所述的金膜外表面固定有一层对葡萄糖分子具有特异性吸附特性，即极易吸附结 合葡萄糖分子而与其他物质无作用的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白或硼酸盐聚合物。所 述的GGBP蛋白和硼酸盐聚合物采用共价键结合或层层自组装的方式固定于金膜表面。本发明的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置，具有如下特点。1.本发明传感探头由光纤构成，结构简单、体积小巧，能够植入到人体皮下进行葡 萄糖浓度24小时连续监测。从而能够提供全面的葡萄糖浓度变化的数据，为拟定更加合 理、个体化的降糖治疗方案提供有价值的临床依据。2.本发明将微型腔体固定在光纤探头外，能够有效的保护探头，提高了测量的稳 定性；腔体一面为半透膜只有葡萄糖等小分子能够进入到腔体，减小了皮下组织内其他物 质对测量的影响，也起到了选择性测量的效果。3.本发明利用共价键结合或层层自组装技术将GGBP蛋白或硼酸盐聚合物固定在 传感器金膜表面。由于GGBP蛋白、硼酸盐聚合物对葡萄糖分子具有特异性吸附特性，使得 本发明装置相比其他葡萄糖测量装置具有更高的测量灵敏度。4.本发明光纤探头、微型腔体、半透膜均由生物兼容性材料制成，安全可靠，对人 体不会产生�：�。
图1是基于光纤SPR的人体葡萄糖浓度连续监测装置的结构示意图；图2是本发明涉及的光纤sra探头结构示意图；图3是共价键固定GGBP蛋白或硼酸盐聚合物后的探头表面结构示意图；图4是层层自组装的处理过程及探头表面结构变化过程示意图。其中1 光源2 光纤耦合器3 光纤SI3R探头4 计算机5 光谱仪6 皮肤及皮下组织7:光谱仪计算机连接线8:光纤涂覆层和包层9 光纤纤芯10 金膜11 微反射镜12 =GGBP蛋白或硼酸盐聚合物层13 微型腔体14 半透膜15 葡萄糖分子16 :自组装分子层
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度 连续监测装置做出详细说明。如图1所示，本发明的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装 置，由光源1、光纤耦合器2、光纤Sra探头3、光谱仪5以及计算机4组成，通过测量人体组 织液中葡萄糖浓度实现人体葡萄糖浓度连续监测。所述的光纤SI^R探头3采用外科手术或 注射器引导的方式植入人体体内。所述的光源1经过光纤耦合器2到达植入人体体内的光 纤SPR探头3，发生表面等离子共振衰减后，从光纤SPR探头3反射的光又通过光纤耦合器 2到达光谱仪5，所述的光谱仪5输出数据到计算机4，所述的计算机4计算机对光谱仪输出 的数据进行分析处理并显示测量结果。计算机能够由输入数据拟合SPR曲线，通过SPR曲 线计算出被测物质折射率及浓度，并能显示计算结果。
所述的光源1为白光光源，要求波长在400nm 900nm波长范围内连续变化，波谱 平滑稳定无突变。所述的光纤耦合器2为一分二多模光纤。所述的光谱仪5波长检测范围 覆盖400 900nm，检测灵敏度达到0. 5nm。如图2所示，所述的光纤Sra探头3的光纤为多模光纤，包括有光纤纤芯9，镀在光 纤纤芯9端部外周面上的金属膜10，所述的金膜10厚度为45 55nm。镀在光纤纤芯9端 头的反射镜11，所述的反射镜11采用金或银材料，厚度为295 305nm。由内至外包裹在 光纤纤芯9除镀有金属膜10以外的外周面上的光纤涂覆层和包层8。所述的金膜10外表 面固定有一层D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白GGBP或硼酸盐聚合物，D-半乳糖/D-葡萄糖 结合蛋白GGBP或硼酸盐聚合物对葡萄糖分子具有特异性吸附特性，即极易吸附结合葡萄 糖分子而与其他物质无作用。所述的GGBP蛋白和硼酸盐聚合物采用共价键结合或层层自 组装的方式固定于金膜表面。所述的光纤纤芯9在镀有金属膜10部分的外周固定套有一 个微型腔体13，所述的微型腔体13的端面设置有仅有葡萄糖小分子能通过的半透膜14。本发明的光纤Sra探头3的制作方法是(1)将一根芯径600um为多模光纤(NA 0. 36，折射率1. 458)的光纤纤芯9，用硫酸腐蚀涂覆层和包层8，多模光纤的端部留的部分 裸露的光纤纤芯，然后磨平该端端面并进行抛光；(2)用真空镀膜机对光纤端面镀上厚度 达295 305nm的金属膜(金或银)形成微反射镜，然后在裸露的光纤纤芯的外周面镀上 厚度为45 55nm的金膜；(3)在传感部分外围固定一个微型腔体，腔体的一面为仅葡萄糖 等小分子能通过的半透膜。对葡萄糖具有特异性吸附特性的GGBP蛋白或硼酸盐聚合物固定在光纤Sra探头 3金膜10表面的方式分为两种1)共价键结合；2)层层自组装。共价键结合是指采用化学键结合的方式在光纤sra探头金膜表面形成自组装分 子层，使GGBP蛋白或硼酸盐聚合物与之反应形成强共价键(如酰胺键)固定在金膜表面。 固定后光纤Sra探头表面结构如图3所示16为自组装分子层，一端与金膜生成Au-S键的 连接，另一端与GGBP蛋白或硼酸盐聚合物形成强共价键结合。共价键结合方式主要有胺耦 合和硫醇耦合两种。胺耦合的流程是将光纤Sra探头置于体积为85nL的流通池中，各种溶 液通入流通池的流速为5ul/min。1)通lOmmol/L NAC溶液约3小时，在光纤SI3R探头表面 生成自组装分子层，构建Au-S键层；2)通PBS缓冲液(PH7. 4) 2分钟，洗去残留的NAC ；3)按 1 1的体积比混合0. 4M的EDC和0. IM的NHS，得到EDC/NHS混合液。将EDC/NHS混合液 通入7分钟，与光纤Sra探头表面固定的自组装分子层反应生成活性酯；4)通PBS缓冲液2 分钟，清除残留的EDC/NHS的混合液；5)将GGBP蛋白质或硼酸盐聚合物溶液通入20分钟， 与EDC/NHS生成的活性酯反应形成共价键结合。6)通去离子水2分钟，清除残留的GGBP蛋 白或硼酸盐聚合物；7)将IM的乙醇胺-盐酸溶液通入5分钟，封闭多余的固定位点；8)通 PBS缓冲液5分钟，清除残余的乙醇胺-盐酸溶液。硫醇耦合原理和流程与胺耦合相似通 完EDC/NHS混合液后，通入PDEA (80mM聚N，N- 二乙基丙烯酰胺的与0. IM的PH值为8. 5的 磷酸盐缓冲液混合)约4分钟，形成二硫键，然后通入GGBP蛋白质或硼酸盐聚合物溶液20 分钟与之反应形成共价键，最后用50mM的半胱氨酸、IM的Nacl、0. IM的醋酸钠混合液(PH 值为4)封闭多余的位点。层层自组装是以弱相互作用(离子间静电作用、氢键等)作为推动力在光纤SPR探头金膜表面交替沉积构筑多层膜结构，并将GGBP蛋白或硼酸盐聚合物引入其中固定在金膜表面。参照图4，层层自组装处理过程如下(a)将光纤SI^R探头浸入聚阳离子溶液中， 静置一段时间后取出，光纤sra探头上吸附一层聚阳离子。此时，光纤sra探头上所带的电 荷由于聚阳离子的吸附而变为正；(b)用水冲洗光纤SI^R探头表面，去掉过量吸附的聚阳离 子，并将光纤Sra探头进行干燥；(C)将上述光纤sra探头转移至带负电的GGBP蛋白或硼 酸盐聚合物溶液中，光纤sra探头表面电荷恢复为负；(d)水洗，干燥。重复(a)-(d)的操 作便可得到多层的聚阳离子/聚阴离子超薄膜。本发明的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置测量过程如 下1)将光纤SI^R探头采用外科手术或注射器引导的方式植入人体皮下组织；2)光源 发出的光经过光纤耦合器到达光纤sra探头，在探头处发生表面等离子共振衰减；3)光在 微反射镜处发生反射；4)反射光又通过光纤耦合器到达光谱仪；5)光谱仪的数据传入到计 算机，计算机对数据进行分析处理并显示测量结果。由于光纤sra探头对溶液折射率极为 敏感，葡萄糖溶液浓度不同时反射光谱将不同，因此人体组织液变化时会得到相应的数据 结果。在植入光纤SI^R探头前，应用葡萄糖溶液对测量装置进行标定。本实例中，光源为波 长范围400nm-900nm的卤钨灯光源，光源外部有散热和稳压装置，能够保证光源发出的光 连续稳定。光纤耦合器是一个一分二的Y型光纤，光纤直径为600um，接口为SMA905。光谱 仪的波长分辨率达0. 5nm。本发明的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置的数据处理 方式如下一般情况下，使用sra技术对液体浓度的测量是通过实验得到sra角与液体浓度 的对应关系，然后通过插值、拟合等方法得到浓度值。但SI^R方法用于浓度的测量还是具有 一定的理论依据，这些理论所应用的计算公式，根据溶液成分的复杂程度的不同而不同。设 介质的折射率为n，膜厚度为d，吸收系数为k，在k = 0的条件下，sra信号(共振波长或共 振角度的变化)与介质的η和d有关，而η和d与被测物质的量(浓度)有关。介质的η 直接与介质的质量密度P及物质的性质有关，这些参数之间有下述的基本关系ρ = MN = Μ/Α [ (n2-1) / (η2+2) ](1)式中，M代表分子量，N代表单位体积物质的摩尔数，A代表物质的摩尔折射率，P 反映了所研究物质的量，A实际上反映了物质的性质，它是物质本身的属性，在一般情况下 随条件的变化较小。由两种或者两种以上物质组成的混合物，其单位体积的物质摩尔数之 和为N = Ν1+Ν2+Ν3+—(2)而混合物单位体积摩尔折射率A等于各物质单位摩尔折射率的平均值，即A = (Α1Ν1+Α2Ν2+Α3Ν3+—) / (Ν1+Ν2+Ν3+—)(3)同样，混合物的分子量M等于各物质分子量的平均值，即M = (M1NJM2NJM3N3+...)/(MJM2+]^+...)(4)将公式⑵、(3)、(4)式代入公式(1)式可得(η2-1)/(η2+2) = Α1Ν1+Α2Ν2+Α3Ν3+—(5)对于多原子分子，分子的Am由各原子的摩尔折射率An组成Am = Ii1AaAn2AaJn3Aa3+...(6)
式中η分别代表分子中所含原子的个数。对于吸附在光纤SI^R探头表面膜厚为d(单位nm)的纯物质，其吸附的质量m( μ g/ cm2)可用下式计算 <formula>formula see original document page 8</formula>(7)若吸附的介质为混合物(在实际应用中SI^R研究的对象基本都是混合物)，则上式将变成较为复杂的形式。此时，可将所有介质的折射率集合为一个体系的折射率，如式(5) 所示。例如，假定混合物是一个理想状态，即由两种物质构成。一种为折射率为η的葡萄糖， 另一种为折射率为％的缓冲液，则在厚度为d的混合膜层中，吸附的葡萄糖质量为
<formula>formula see original document page 8</formula>(8)式中，<formula>formula see original document page 8</formula>Αρ、Μρ分别为葡萄糖的摩尔折射率和摩尔质量，Vp为葡萄糖的微分比容。本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组 合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精 神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似 的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范 围和内容之中。
权利要求
一种基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置，由光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤SPR探头(3)、光谱仪(5)以及计算机(4)组成，通过测量人体组织液中葡萄糖浓度实现人体葡萄糖浓度连续监测，其特征在于所述的光源(1)经过光纤耦合器(2)到达植入人体体内的光纤SPR探头(3)，从光纤SPR探头(3)反射的光又通过光纤耦合器(2)到达光谱仪(5)，所述的光谱仪(5)输出数据到计算机(4)，所述的计算机(4)计算机对光谱仪输出的数据进行分析处理并显示测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的光源(1)为白光光源，要求波长在400nm 900nm波长范围内连续变 化，波谱平滑稳定无突变。
3.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的光纤耦合器(2)为一分二多模光纤。
4.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的光谱仪(5)波长检测范围覆盖400 900nm，检测灵敏度达到0. 5nm。
5.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的光纤SH 探头(3)的光纤为多模光纤，包括有光纤纤芯(9)，镀在光纤纤 芯(9)端部外周面上的金属膜(10)，镀在光纤纤芯(9)端头的反射镜(11)，由内至外包裹 在光纤纤芯(9)除镀有金属膜(10)以外的外周面上的光纤涂覆层和包层(8)。
6.根据权利要求5所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的金膜(10)厚度为45 55nm。
7.根据权利要求5所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的反射镜(11)采用金或银材料，厚度为295 305nm。
8.根据权利要求5所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的光纤纤芯(9)在镀有金属膜(10)部分的外周固定套有一个微型腔体 (13)，所述的微型腔体(13)的端面设置有仅有小分子能通过的半透膜(14)。
9.根据权利要求5所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置， 其特征在于，所述的金膜(10)外表面固定有一层对葡萄糖分子具有特异性吸附特性，即极 易吸附结合葡萄糖分子而与其他物质无作用的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白(GGBP)或硼 酸盐聚合物。
10.根据权利要求5所述的基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装 置，其特征在于，所述的GGBP蛋白和硼酸盐聚合物采用共价键结合或层层自组装的方式固 定于金膜表面。
全文摘要
一种基于光纤表面等离子共振的人体葡萄糖浓度连续监测装置，光纤SPR探头植入人体体内，光源发出的光经过光纤耦合器到达光纤SPR探头，发生表面等离子共振衰减后，反射光又通过光纤耦合器到达光谱仪，计算机对光谱仪输出的数据进行分析处理并显示测量结果。光纤SPR探头外部固定有一微型腔体；腔体一面为半透膜，只有葡萄糖等小分子能够进入到腔体。光纤SPR探头金膜表面固定有GGBP蛋白或硼酸盐聚合物，对葡萄糖分子能够特异性吸附，提高了测量灵敏度。本发明可通过测量人体组织液中葡萄糖浓度实现人体葡萄糖浓度连续监测，测量精度高、稳定性好，能够实现人体葡萄糖浓度24小时连续监测，提供全面的葡萄糖浓度变化的数据，从而更好地指导糖尿病的治疗。
文档编号G01N21/01GK101819136SQ201010153400
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者伍鹏, 刘同坤, 徐可欣, 栗大超 申请人:天津大学
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