一種聲表面波葡萄糖傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聲表面波葡萄糖傳感器及其制作方法，所述聲表面波葡萄糖傳感器由單基片雙路聲表面波傳感器和外圍差分電路組成；其中所述單基片雙路聲表面波傳感器是在一個基片上同時制作兩對輸入和輸出換能器，構(gòu)成檢測和參比傳感器，檢測傳感器的輸入和輸出換能器之間固定對葡萄糖具有高度特異性的葡萄糖氧化酶，參比傳感器的主要用于減少外界環(huán)境引起的誤差。聲表面波葡萄糖傳感器采用壓電材料作為基片，基片上聲表面波傳感器包括延遲線型和諧振型。外圍差分電路用于獲得檢測傳感器和參比傳感器之間的比較差分信號，通過定量分析差分信號就可以檢測出葡萄糖含量。聲表面波葡萄糖傳感器具有體積小、制作工藝簡單、成本低、易集成等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種聲表面波葡萄糖傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葡萄糖傳感器，特別涉及一種聲表面波葡萄糖傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]葡萄糖是有機(jī)體的主要能量來源，也是構(gòu)成動植物有機(jī)體最基本的化學(xué)物質(zhì)之一。因此，構(gòu)建葡萄糖傳感器實(shí)現(xiàn)對葡萄糖的定量檢測在食品工業(yè)、生物醫(yī)藥和臨床醫(yī)學(xué)中具有非常重要的意義。葡萄糖傳感器是研究最為廣泛且商業(yè)化應(yīng)用最早的傳感器之一，不僅廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，還在臨床檢驗(yàn)中對血糖進(jìn)行高靈敏地監(jiān)測具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是對糖尿病人的血糖監(jiān)測發(fā)揮著重要作用。糖尿病是世界性的多發(fā)病，世界衛(wèi)生組織調(diào)查報告顯示，全世界糖尿病患者已超過3.47億，嚴(yán)重威脅人類的健康。糖尿病治療和臨床試驗(yàn)表明，進(jìn)行頻繁的血糖測試和及時的胰島素管理是防止低血糖和糖尿病并發(fā)癥的有效方法。因此，糖尿病人需通過每天多次測量血糖濃度來調(diào)節(jié)飲食，以達(dá)到控制血糖的目的。目前采用較多的血糖測試方法是基于光學(xué)和電化學(xué)血糖傳感器。光學(xué)血糖傳感器一般是利用近紅外光測定葡萄糖含量的一種傳感器，其準(zhǔn)確性和靈敏度較低，目前尚無作為精確定量檢測血糖的商業(yè)化應(yīng)用實(shí)例。電化學(xué)血糖傳感器是通過檢測化學(xué)反應(yīng)過程中的電信號來實(shí)現(xiàn)血糖的檢測，其特異性比較低，容易受到干擾。另外，多數(shù)血糖傳感器都需要采用血糖試紙，血糖試紙是一次性耗材，價格較貴。
[0003]聲表面波生物傳感器是近年來發(fā)展起來的一類新型生物傳感器，其工作原理為:在聲表面波諧振器或延遲線的傳播路徑上涂一層有選擇性識別生物物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、DNA、病原體、細(xì)胞、病毒等)的敏感膜，構(gòu)成敏感區(qū)，當(dāng)待測物質(zhì)在敏感區(qū)發(fā)生物理吸附或化學(xué)反應(yīng)時，敏感區(qū)的質(zhì)量負(fù)載或粘度等物理量就會發(fā)生變化，器件的聲表面波參數(shù)(如聲表面波速度、頻率、相位、延遲時間等)也隨之變化，通過檢測頻率漂移、相位變化或時間延遲就可以檢測出待測物質(zhì)及其含量。聲表面波生物傳感器與其他傳統(tǒng)的生物檢測技術(shù)相比較具有檢測方便、速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對聲表面波生物傳感器的研究主要集中在對以下生物物質(zhì)的檢測，包括檢測蛋白質(zhì)、細(xì)菌、DNA、細(xì)胞、肝炎表面抗體(HBsAb)，目前尚無采用聲表面波生物傳感技術(shù)來檢測血糖的報道。
[0004]目前調(diào)研的結(jié)果還沒有發(fā)現(xiàn)聲表面波葡萄糖傳感器的專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種聲表面波葡萄糖傳感器及其制作方法，能夠?yàn)槭称贰⑨t(yī)藥工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測中葡萄糖含量檢測以及糖尿病人的血糖測試提供一種新型的檢測技術(shù)。
[0006]本發(fā)明涉及一種聲表面波葡萄糖傳感器，包括單基片雙路聲表面波傳感器和外圍差分電路；單基片雙路聲表面波傳感器是在一個基片上同時制作檢測傳感器和參比傳感器，檢測傳感器的輸入和輸出換能器之間涂覆對葡萄糖具有特異性的葡萄糖氧化酶，參比傳感器是為了減小非特異性吸附、溫度變化、濕度變化、粘度變化，以及其他生物成分造成的相位或頻率漂移的影響，檢測數(shù)據(jù)的記錄可以采用相位或頻率兩種檢測方案；聲表面波葡萄糖傳感器采用壓電材料作為基片，壓電材料為壓電塊體和壓電薄膜。壓電塊體可以選擇鈮酸鋰、鉭酸鋰和石英晶體，以及PZT等壓電陶瓷，壓電薄膜可以選擇ZnO、AIN和PVDF薄膜?；现谱鲀蓪斎牒洼敵鰮Q能器，構(gòu)成檢測和參比傳感器；所述聲表面波傳感器包括延遲線型和諧振型聲表面波傳感器；所述外圍差分電路用于獲得檢測傳感器和參比傳感器之間的比較差分信號，通過定量分析差分信號就可以檢測出葡萄糖含量。
[0007]聲表面波葡萄糖傳感器的檢測原理是:在聲表面波諧振器或延遲線的傳播路徑上涂覆一層選擇性識別葡萄糖分子的葡萄糖氧化酶，構(gòu)成聲表面波葡萄糖傳感器，當(dāng)在敏感區(qū)存在葡萄液時，葡萄糖氧化酶識別葡萄糖分子并與之反應(yīng)，導(dǎo)致敏感區(qū)的質(zhì)量負(fù)載、粘度等物理量發(fā)生變化，器件的聲表面波參數(shù)也隨之變化，通過定量檢測頻率漂移、相位變化或時間延遲量就可以檢測出葡萄糖含量。
[0008]聲表面波葡萄糖傳感器具有如下幾個優(yōu)點(diǎn):1、高靈敏度和高精度:由于聲表面波器件的叉指換能器的指條寬度可以采用半導(dǎo)體平面工藝加工到300nm左右，因此聲表面波葡萄糖傳感器的檢測基頻可以高達(dá)幾百甚至上千MHz，這對于質(zhì)量小的葡萄糖分子的檢測是非常重要的。另外采用聲表面波技術(shù)制作的葡萄糖傳感器在工作時以頻率或相位信號輸出，不需要經(jīng)過模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，可以直接與計(jì)算機(jī)連接，因而精度更高。2、特異性好，抗干擾能力強(qiáng):聲表面波葡萄糖傳感器采用特異性極好的葡萄糖氧化酶來識別葡萄糖分子，通過在一個基片上同時制作檢測傳感器和參比傳感器，外圍差分電路獲得檢測傳感器和參比傳感器之間的比較差分信號，通過定量分析差分信號就可以檢測出葡萄糖含量，因此外界環(huán)境引起的誤差基本可以消除。3、重復(fù)性和可靠性高:聲表面波葡萄糖傳感器的關(guān)鍵部位一聲表面波諧振器和延遲線，制作時采用半導(dǎo)體平面工藝，重復(fù)性極好。而且易集成化、一體化，結(jié)構(gòu)牢固，可靠性好。4、制作和使用成本低:聲表面波葡萄糖傳感器采用半導(dǎo)體平面工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，并且其體積小，采用的原材料少，因此其制作成本低；聲表面波葡萄糖傳感器是通過檢測頻率漂移、相位變化或時間延遲量來檢測出葡萄糖含量，因此不需要使用價格昂貴的一次性葡萄糖試紙，因此其使用成本低。
[0009]下面通過附圖和實(shí)例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的一種聲表面波葡萄糖傳感器與外圍差分電路連接的示意圖。
[0011]圖2為分別米用2mM、4mM、6mM、8mM、12mM和16mM六種不同濃度的葡萄糖溶液檢測
實(shí)施例1中提出的聲表面波葡萄糖傳感器的響應(yīng)。
[0012]圖3為分別采用相同濃度(4mM)的葡萄糖、抗壞血酸、乳酸和尿酸檢測實(shí)施例1提出的聲表面波葡萄糖傳感器的抗干擾性能。
[0013]圖4為分別采用4mM和12mM兩種不同濃度的葡萄糖溶液對實(shí)施例1提出的聲表面波葡萄糖傳感器進(jìn)行重復(fù)性測試。
[0014]在圖1中，1-Si基片，2-諧振器的反射柵，3-輸入叉指換能器，4-輸出叉指換能器【具體實(shí)施方式】[0015]本發(fā)明提出的聲表面波葡萄糖傳感器可利用許多適當(dāng)?shù)牟牧现谱?，下面是通過具體的實(shí)施例來加以說明，當(dāng)然本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所熟知的一般的替換無疑都涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0016]實(shí)施例1
[0017]如圖1所示，在同一個Si基片上先沉積SiO2薄膜，然后再沉積ZnO壓電薄膜作為壓電基底，在所述壓電基底的上表面采用光刻工藝加工兩路聲表面波諧振器，在其中一路諧振器的輸入和輸出換能器之間通過化學(xué)交聯(lián)的方法固定葡萄糖氧化酶，做成檢測傳感器；在另一路諧振器上無需固定葡萄糖氧化酶作為參比傳感器，將兩路傳感器與外圍差分電路相連接，外圍差分電路包括放大器、混頻器、濾波器、比較器、頻率計(jì)數(shù)器，最后通過接口直接與計(jì)算機(jī)相連接。當(dāng)檢測傳感器和參比傳感器的敏感區(qū)都存在一定含量的葡萄溶液時，檢測傳感器的葡萄糖氧化酶識別葡萄糖分子并與之反應(yīng)，導(dǎo)致敏感區(qū)的質(zhì)量負(fù)載發(fā)生變化，相應(yīng)諧振器的頻率出現(xiàn)漂移，而檢測傳感器因非特異性吸附、溫度變化、濕度變化、粘度變化，以及其他生物成分造成的頻率漂移量和參比傳感器的頻率漂移量相同，通過外圍差分電路有效地消除了外界因素引起的頻率漂移量，最后在計(jì)算機(jī)輸出只剩下由于葡萄糖引起的頻率漂移，通過分析頻率漂移量就可以定量分析葡萄糖含量。
[0018]實(shí)施例2
[0019]圖2顯不了米用2mM、4mM、6mM、8mM、12mM和16mM六種不同濃度的葡萄糖溶液檢測聲表面波葡萄糖傳感器的響應(yīng)。聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移量隨葡萄糖
的滴入而迅速增加，而且六種葡萄糖含量檢測傳感器的響應(yīng)時，聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移量均在IOOs內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值；隨著葡萄糖濃度增加，聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移量的穩(wěn)定值增加，說明通過差分頻率漂移量確實(shí)可以反映葡萄糖濃度。
[0020]實(shí)施例3
[0021]圖3顯示了分別滴入相同濃度(4mM)的葡萄糖、抗壞血酸、乳酸和尿酸時，聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移量。剛開始加入時，所有溶液均能夠稍微出現(xiàn)差分頻率漂移，隨著時間延續(xù)，加入抗壞血酸、乳酸和尿酸時聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移逐漸變小，最后和沒有加入時幾乎差不多；而加入葡萄糖時聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移量逐漸增加，最后穩(wěn)定在7.5MHz左右。因此可以看出實(shí)施例1中提出的聲表面波葡萄糖傳感器具有較好的抗干擾性能。
[0022]實(shí)施例4
[0023]圖4顯示了分別采用4mM和12mM兩種不同濃度的葡萄糖溶液對實(shí)施例1中提出的聲表面波葡萄糖傳感器進(jìn)行重復(fù)性測試。在10小時內(nèi)進(jìn)行12次循環(huán)交替地將4mM和12mM兩種不同濃度的葡萄糖溶液滴入聲表面波傳感器的敏感區(qū)，對應(yīng)4mM和12mM兩種濃度的葡萄糖溶液，聲表面波葡萄糖傳感器的差分頻率漂移量均非常穩(wěn)定，分別是7.5MHz和21.SMHz左右。因此可以看出實(shí)施例1中提出的聲表面波葡萄糖傳感器具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。
[0024]另外，在實(shí)際使用過程中，需要將聲表面波葡萄糖傳感器進(jìn)行封裝，保護(hù)好輸入和輸出叉指換能器及相關(guān)部件，從而可以進(jìn)一步提高聲表面波葡萄糖傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性等性能。
[0025]綜上所述，本發(fā)明采用聲表面波生物傳感器的原理制成一種新型聲表面波葡萄糖傳感器，這種葡萄糖傳感器具有體積小、制作成本低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于血糖測試時無需使用血糖試紙就能測量出血糖含量，將在食品、醫(yī)藥工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，還在臨床檢驗(yàn)中對血糖進(jìn)行高靈敏地監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是對糖尿病人的血糖監(jiān)測可以發(fā)揮重要作用。
【權(quán)利要求】
1.一種聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，包括單基片雙路聲表面波傳感器和外圍差分電路；其中，所述單基片雙路聲表面波傳感器是在一個基片上同時制作檢測傳感器和參比傳感器，檢測傳感器的輸入和輸出換能器之間涂覆對葡萄糖具有高度特異性的葡萄糖氧化酶，形成敏感區(qū)，參比傳感器的輸入和輸出換能器之間不涂覆葡萄糖氧化酶，其主要作用是減少外界環(huán)境引起的誤差；所述聲表面波葡萄糖傳感器采用壓電材料作為基片，基片上制作兩對輸入和輸出換能器，構(gòu)成檢測和參比傳感器；所述聲表面波傳感器包括延遲線型和諧振型聲表面波傳感器；所述外圍差分電路用于獲得檢測傳感器和參比傳感器之間的比較差分信號，通過定量分析差分信號就可以檢測出葡萄糖含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，所述聲表面波葡萄糖傳感器采用壓電材料作為基片，所述壓電材料為壓電塊體和壓電薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，所述壓電塊體為鈮酸鋰、鉭酸鋰、PZT、石英等壓電塊體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，所述壓電薄膜為ZnO、AIN、PZT、PVDF、鈮酸鋰、鉭酸鋰等壓電薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，所述聲表面波傳感器包括延遲線型和諧振型聲表面波傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，在一個基片上同時制作檢測傳感器和參比傳感器，檢測傳感器上涂覆對葡萄糖具有特異性的葡萄糖氧化酶。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波葡萄糖傳感器，其特征在于，所述差分信號包括頻率、相位、延遲時間等。
8.—種聲表面波葡萄糖傳感器的制造方法,其特征在于,包括:制作壓電材料；在所述的壓電材料上制作聲表面波檢測傳感器和參比傳感器；在所述的檢測傳感器的輸入和輸出換能器之間涂覆葡萄糖氧化酶，形成敏感區(qū)，將所述聲表面波葡萄糖傳感器連接外圍差分電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聲表面波葡萄糖傳感器的制造方法，其特征在于，所述壓電材料為壓電塊體(鈮酸鋰、鉭酸鋰、PZT、石英等壓電塊體材料)和壓電薄膜(ZnO、AIN、PZT、PVDF、鈮酸鋰、鉭酸鋰等壓電薄膜)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聲表面波葡萄糖傳感器的制造方法，其特征在于，在所述的檢測傳感器的輸入和輸出換能器之間涂覆對葡萄糖具有特異性的葡萄糖氧化酶，通過物理吸附或化學(xué)交聯(lián)的方法固定葡萄糖氧化酶，形成敏感區(qū)。
【文檔編號】G01N29/036GK103995050SQ201410254858
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】羅景庭, 范平, 張東平, 鄭壯豪, 梁廣興 申請人:深圳大學(xué)