基于组织液的微型血糖浓度检测系统设计

摘要

糖尿病是威胁人类健康的三大疾病之一，患者数量接近人口总数的10％。患者血糖浓度的检测是科学诊断与治疗的重要手段，而传统的检测设备存在采血痛苦程度高、检测实时性不好等缺点，开发一种痛苦程度低、可持续或连续检测、准确可靠的血糖浓度检测系统具有很高的社会意义和经济价值。本文针对患者的具体需求，开展了连续血糖检测系统的研究工作。对检测系统的检测原理、组成进行了比较深入的研究。继而，研究并完成了传感器芯片的设计、抽吸装置的设计、微通道结构的数字模拟、传感器检测电路的设计等工作。最后，进行相关实验，提取最佳工作负压、抽吸间隔、抽吸时间等参数，以指导控制系统的设计。
　　首先，根据糖尿病患者的具体需求确定了血糖检测系统的具体参数指标。并通过对比分析国内外血糖检测传感器，选取基于过氧化氢检测的方法。同时，分析了两种电化学体系，选取三电极体系作为检测原理。在此基础上，对检测系统进行功能剖分，具体分析了两大模块的功能及其设计要求，指导后续具体设计。
　　为解决传统血糖检测设备采血量大、无法提供一整天血糖值等问题，设计了葡萄糖传感器芯片，实现了微量试剂的快速检测。继而，研究了传感器芯片的加工并给出了具体的加工版图以及制备流程。并分析了常见的四种酶固化方法，确定采用共价键法作为本课题的固化方法。
　　为改善微通道的结构尺寸，利用Fluent软件对现有微通道进行数字模拟，观察组织液在微通道内的流动状态。并解决了传感器芯片嵌入外围结构的方式及其与其他部件连接的问题。继而，在初步设计、方案选择的基础上完成抽吸装置的设计工作。为解决传感器芯片输出的信号微弱，无法传输的问题，设计了传感器检测电路，将信号进行放大、AD转换处理。
　　最后，搭建实验平台，获取家兔的组织液与血液并进行两者葡萄糖浓度相关性实验，得到两者葡萄糖浓度具有变化趋势相同、高度相关性但有一定滞后性的特点。在此基础上，完成组织液抽吸实验，提出了 UF-3-2超滤针的最佳的工作负压、抽吸间隔、抽吸时间等参数，指导后续控制装置的设计。

目录

基于组织液的微型血糖浓度 检测系统设计

A BLOOD GLUCOSE CONCENTRATION MONITOR MICRO-SYSTEM BASED ON TISSUE FLUID

摘要

Abstract

绪论

课题的研究背景

血糖浓度检测方式国内外研究现状

有创式血糖检测

微创式血糖检测

无创式血糖检测

基于组织液检测血糖浓度的研究现状

课题主要研究内容

检测系统功能分析与方案设计

功能需求分析

检测系统的方案设计

传感器的检测方法选择

传感器的检测原理

检测系统的组成设计

本章小结

葡萄糖浓度传感芯片的设计

电极的设计

电极的设计要求及其材料的选取

电极的尺寸设计

传感芯片结构设计

传感芯片结构及其部分尺寸

传感芯片微孔的设计

传感芯片的制备

传感芯片版图设计

传感芯片制备工艺设计

酶的固化

本章小结

检测系统详细设计

引言

微通道与传感器集成模块

通道层尺寸设计与数字模拟

芯片的嵌入及与其他部件的连接

压力产生装置

负压产生能力设计

负压产生装置设计

传感器检测电路设计

基于三电极检测电路原理

微弱传感信号放大电路设计

处理电路设计

本章小结

实验研究

实验平台的搭建

组织液葡萄糖与血糖的相关性实验

组织液抽吸实验

间隔时间对抽取量的影响

上同负压对抽取速度的影响

最佳工作负压的确定

本章小结

结论

参考文献

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致谢