测电流工业仪

[b]序言：[/b]近几年，POCT仪器（Pointof care testing，即时检验，又称床边检验）雨后春笋般涌现。其中，人群量很大的糖尿病患者使用的血糖仪，市场竞争十分激烈，销售模式基本上是买血糖试纸送血糖仪。一些学者将血糖仪用于含葡萄糖产品的检验。例如：使用血糖仪测定酱油中的葡萄糖［1］；血糖仪法快速测定禽蛋中的葡萄糖［2］；血糖仪快速测定豆类中葡萄糖含量［3］等。在国外，也有学者研究将血糖仪用于其他方面的检测。下面，从血糖仪及试纸的结构进行分析，看看家用血糖仪用于工业检测的原理及要注意的事项。[b]一、血糖仪类型[/b] 目前，市售血糖仪按照测糖技术可以分为两大类：电化学式、光化学式。 （1）电化学式：通过酶与葡萄糖反应产生电子，经过微电流检测IC，读取电子的数量，再转化成葡萄糖浓度读数。这类血糖仪需血量少,测试结果快(数秒)，是目前的主流。 （2）光化学式：通过酶与葡萄糖的反应，产生有色中间物质，运用硅光电池传感器检测试纸表面的反射光强度，将反射光的强度转化成葡萄糖浓度。光化学法血糖仪稳定性,准确性较好。但成本高、采血量稍多，现在销量不如电化学式。本文序言中［1］［2］［3］用于工业检测的例子，均采用电化学式血糖仪，不受样品颜色的干扰。[b]二、电化学式血糖仪结构原理[/b]1、检测原理 根据电化学法血糖测试条中所采用的酶不同，又分为葡萄糖氧化酶(GOD)法和葡萄糖脱氢酶（GDH）法两种类型。葡萄糖脱氢酶（GDH）在反应中还需联用不同辅酶，分别为吡咯喹啉醌葡萄糖脱氢酶（PQQ-GDH）、黄素腺嘌呤二核苷酸葡萄糖脱氢酶（FAD-GDH）及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸葡萄糖脱氢酶（NAD-GDH）三种。本文仅讨论常见的GOD法。 在检测试纸电极表面的试剂涂层中，固化有葡萄糖氧化酶(GOD)。GOD在有氧条件下能专一性地催化β-D-葡萄糖生成葡萄糖酸和过氧化氢。当血液被吸入到电极上时，血液中的葡萄糖会在GOD的作用下发生氧化还原反应。氧化还原反应所产生的电子被导电介质转移给电极，在一定电压(一般为0.4-0.5伏特左右)的作用下，流过电极的电流（微安级）将发生变化，通过检测电流变化与葡萄糖浓度的关系达到检测血糖浓度的目的。GOD对葡萄糖有高度特异性，不能氧化其它糖类，故可测定血液中葡萄糖真实值。GOD氧化血液中β-D-葡萄糖产生葡萄糖内酯和H2O2，同时释放出电子，具体的反应方程式如下： 葡萄糖+FAD-葡萄糖氧化酶→葡萄糖酸内酯+FADH2-葡萄糖氧化酶 ⑴ FADH2-葡萄糖氧化酶+02→FAD-葡萄糖氧化酶+H2O2（过氧化氢） ⑵ H202（过氧化氢）→2H++O2+2e- ⑶2、血糖仪结构 不同品牌电化学式血糖仪，其电路结构都差不多，电路框图见下图，由酶生物传感器（血糖试纸）、信号检测单元（I/V转换，调理电路）、MCU、存储器、显示器、电源、按键等组成。有的血糖仪有USB、红外、WIFI等通迅接口。[img=,650,454]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142302_01_1807987_3.jpg[/img][b]血糖仪工作原理：[/b]指尖毛细血管血（全血）被吸入施加有电压的试纸酶电极（酶生物传感器）后，产生微电流，该电流经集成电路I/V转换器转换为电压信号，再通过放大滤波、输入主控MCU进行A/D转换、内部程序进行分析计算，结果由液晶显示器显示。血糖仪内部有存储器，可以储存一定量的数据，有通迅接口的血糖仪，可以与家庭计算机或云连接，进行数据管理。以市售国产XX牌血糖仪为例，拆机并分析内部电路结构。[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142117_03_1807987_3.jpg[/img][img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142143_01_1807987_3.jpg[/img]仪器使用一枚3V一次性锂电池CR2032，大约可检测1000次，十分省电：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142117_05_1807987_3.jpg[/img]插入血糖试纸后，等待血液检验：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142117_06_1807987_3.jpg[/img]机器拆开的情况，一块主电路板，一块液晶显示板：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142117_01_1807987_3.jpg[/img]主电路板上电子元件分布，有前级I/V转换IC、晶振、主控MCU、蜂鸣器、校正芯片插口、电池座等元件：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142118_02_1807987_3.jpg[/img]主电路板背面，有试纸条插口、液晶显示器接点、微动按钮：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142118_03_1807987_3.jpg[/img]这是校正芯片插口，旁边的U4是1.2V稳压器，为仪器提供比较基准电压：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142118_04_1807987_3.jpg[/img]下图中U1是前级电路I/V转换IC，型号MCP6002I，是Microchip Technology公司的1MHz带宽低功耗双运放，构成血糖信号变换及放大电路（将检测试纸微安级的电流信号转换为电压信号）：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142118_05_1807987_3.jpg[/img]MCP6002I构成的血糖仪前级电路，示意图如下，酶电极（试纸条）采用三电极结构，由WE（工作电极）、CE（辅助电极）、RE（参比电极）组成：[img=,690,540]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142118_06_1807987_3.jpg[/img]下图中RT1是负温度系数热敏电阻，作为检测环境温度的传感器。由于环境温度对试纸条上的葡萄糖氧化酶(GOD)的活性有影响，需要进行温度补偿。一般情况下，酶在20度以上活性变化不大，在20度以下，温度越低活性越差。活性变差就会在与葡萄糖反应时产生的电流变小，从而使测量结果变低，为了在不同的温度都能测出准确的血糖值，通过热敏电阻根据实时的温度情况来进行补偿，从而尽可能使酶和血液在不同的温度下都能产生和血糖值相匹配的电流，计算出正确的血糖值。[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142118_01_1807987_3.jpg[/img]仪器主控MCU[b] [/b]，采用ST公司(意法半导体)的超低功耗型8位单片机，型号ESTM8L052C6T6，内部集成了A/D、32K Flash，2K RAM，256bytes EEPROM,4X28 LCD显示驱动等功能，它的左下方Y1是晶振，为MCU提供时钟基准：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142119_02_1807987_3.jpg[/img]3、血糖试纸为了防潮，平时装在密封塑料瓶内，开封后，应在3个月内使用：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142119_03_1807987_3.jpg[/img]试纸条的结构：由PET基板、电信号接插端、碳电极、保护膜、反应区及酶试剂涂层（天蓝色）组成。[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142119_04_1807987_3.jpg[/img]低倍显微镜下观看，反应区内的酶涂层不均匀，说明生产工艺还有待提高：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142119_05_1807987_3.jpg[/img]电信号接插端采用银浆涂层，比起采用碳膜涂层的成本高一些，导电性能更好[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142119_06_1807987_3.jpg[/img]试纸条背面，是PET材质的基板：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142119_01_1807987_3.jpg[/img]将试纸反应区剥开，看见电极采用碳膜电极，虹吸口处的酶涂层也不均匀：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142120_02_1807987_3.jpg[/img]碳电极是三线制，与插口端触点的关系：[img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142120_03_1807987_3.jpg[/img] 通过拆解，可以看出电化学型血糖仪的电路结构不复杂，其准确性关键在于生化酶试纸的稳定性能和生产工艺水平，以及血糖仪主机MCU软件算法的先进性，适当的使用环境及方法。家用血糖仪为了降低成本，电路比较简化，使得测量值只能作为监控使用，要准确的诊断，还得到医院用大型生化仪器鉴别。[b]三、家用血糖仪用于工业测量常见的方法[/b]根据一些学者发布的实验文章，家用血糖仪用于工业测量常见的方法是：1、选择血糖仪类型。采用电化学式血糖仪，避免了试样颜色对检测的干扰；注意选择数据存储量大、有通迅端口血糖仪，便于与将数据传输，进行分析和管理。2、样前处理。根据血糖仪试纸的测量范围1.1mmol/L～33.3mmol/L，换算为0.02g/100ml～0.6g/100ml。首先估计样品的葡萄糖（类型为β-D-葡萄糖）含量，确定样品处理方案，使其稀释后，葡萄糖含量在试纸的检测范围内。3、实验并进行数据统计分析、验证。4、制定SOP，规范检验人员的操作。[b]四、家用血糖仪用于工业测量应注意问题[/b]1、家用血糖仪是在人体大数据基础上设计的，各个厂家对自己研制的内置程序列为核心商业机密，不会示人。要用于人体外项目，必须全面分析被测对象的性质，以便正确运用。2、各个牌号的血糖仪，因为试纸电极材质不同,化学反应涂层的生化酶及配方不同，内置矫正系统（软件系统）的差异,其准确性、稳定性有较大差异。用作其他项目测量时，必须单个进行验证。3、由于血糖试纸测量范围的限制，通常为1.1mmol/L～33.3mmol/L。被测物质必须进行样前处理，需要事先通过实验确定试样稀释倍数，其测量结果需要人为折算，不能直接显示被测物质的葡萄糖浓度。4、不同配方的血糖试纸，受干扰物质的影响不同。被测量样品中糖类干扰物质［4］的影响见下表：[img=,690,755]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709142316_01_1807987_3.jpg[/img] 氧气是血糖仪（GOD法）检测时的干扰物质，高原空气中的氧气比起平原要稀薄，因此血糖试纸的使用环境要注意海拔问题。大气的质量愈近海平面愈密集，大气压及氧分压愈大；海拔越高，大气压及氧分压相应降低。海拔高度为0时，氧分压为159.22毫米汞柱，一个毫米汞柱的氧分压相当于0.13%含氧量。海拔升高100米，大气压下降5.9毫米汞柱，氧分压下降约1.2毫米汞柱，氧含量下降0.16%，与海拔为0米时的氧含量相比，下降0.76%。海拔高度1000米，空气含氧量下降1.6%，空气含氧量19.35%,为零海拔含氧量的92.4%；海拔高度5000米，空气含氧量下降8%，空气含氧量为12.95%。在高海拔地区首次使用时，应用校正液进行标定。5、当被测物质成分比较复杂时（有些化学药品亦有干扰），应选择适当的血糖仪方案（主要是试纸酶的类型，说明书未标明的，可以询问厂家），避开干扰物质。经过比对试验，确定准确度在可以接受范围内，才能将血糖仪用于检测。当更换血糖仪厂家、品牌时，要特别注意，经过验证后，才投入使用。6、血糖试纸的保存。血糖试纸是一种生化酶试纸，要求放置在15-30℃的干燥环境保存。开启后的试纸条要在3个月内用完。不要用过期的试纸条。 [b]五、结束语[/b] 家用血糖仪用于一些工业项目检测，取材方便，成本极低，时间快。尽管测试结果比较粗糙，但作为车间中间体的检验还是不错的。由于影响检测结果因素较多，必须选择适当方案的血糖仪，经过验证，建立SOP，才能投入使用。如果要精确检验，还必须在血糖仪硬件、软件、试纸三个方面进行针对性优化设计，当然，成本会大幅度提高。由于工业项目检测用量远不及糖尿病人群的用量，若要进行专门设计制造，生产厂家不一定会有积极性。参考文献：［1］使用血糖仪测定酱油中的葡萄糖 胡嘉鹏《中国酿造》2007年第5期［2］血糖仪法快速测定禽蛋中的葡萄糖 陈佛兰 《科技风》2013年6月刊（下）［3］血糖仪快速测定豆类中葡萄糖含量方法 朱冠琳等 《安徽农学通报》2014年13期［4］血糖仪注册技术审查指导原则