连续血糖检测对糖尿病的诊断与治疗具有十分重要的意义。本文设计了一种集成化、自动化的微创血糖连续检测仪器, 该仪器通过微流控芯片透皮抽取组织液, 利用单片机精确测量透皮抽取组织液的体积, 并采用酶比色法检测组织液的葡萄糖浓度, 利用组织液与血液的葡萄糖浓度相关性实现连续血糖检测。由于透皮抽取的组织液体积很小且分散在皮肤表面, 为了便于收集, 利用生理盐水对抽取出的组织液进行稀释, 稀释后的组织液中葡萄糖浓度在3~50 mg/dL。为了测量低浓度葡萄糖, 实验选取了1~50 mg/dL中的10个浓度的葡萄糖溶液进行吸光度测量, 根据光谱数据与葡萄糖浓度建立吸光度模型, 结果表明该酶比色检测方法在1~50 mg/dL葡萄糖浓度内具有良好的线性度, 测量相对标准偏差小于0.65%。该仪器能够实现自动化控制, 为糖尿病的诊断提供依据, 在微创血糖连续检测领域具有良好的应用前景。

通过测量组织液中的葡萄糖浓度获得血糖信息是目前实现血糖连续检测的主要方法, 中红外ATR光谱法在分析葡萄糖等生物小分子成分信息方面具有显著优势, 但是如何利用中红外ATR光谱法检测皮下组织液中的葡萄糖信息仍是尚未解决的问题。 在对中红外穿透深度理论分析的基础上开展了自然状态和渗透状态下人体皮下组织液葡萄糖的中红外ATR光谱检测实验。 首先探究将中红外光直接入射到人体皮肤表层上, 采集自然状态下人体手指皮下组织液葡萄糖的ATR光谱数据, 讨论中红外直接穿透皮下组织获得葡萄糖信息的可行性; 在此基础上, 通过采用低频超声和真空负压的方法促进组织液渗透到皮肤表层, 采集其中红外ATR光谱进而分析和判断是否含有葡萄糖特异信息。 由于二维相关光谱技术在红外光谱等光谱研究领域分析分子间反应和物质的吸收峰信息来源时有很高的分辨率和很好的适用性, 利用二维相关光谱技术分别分析皮肤表层在自然状态和渗透状态的实验条件皮下组织体中葡萄糖信息。 实验结果表明: 中红外ATR光谱法无法直接应用于皮下组织液的葡萄糖浓度检测, 利用物理或化学的方法促进组织液渗透到皮肤表层, 是实现中红外ATR光谱法检测皮下组织液中葡萄糖的一个发展方向。

使用表面等离子共振谱(surface plasmon resonance, SPR)检测葡萄糖浓度, 引入D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白(D-galactose/D-glucose binding protein, GGBP), 该蛋白能够选择性吸附葡萄糖分子, 实现特异性、 高分辨率地检测葡萄糖分子的浓度。 研究了在SPR传感器表面利用硫醇耦合绑定蛋白的方法, 成功在SPR传感器表面绑定了GGBP蛋白并对不同浓度的葡萄糖进行了测量实验。 实验结果显示, 当葡萄糖浓度为01~10 mg·dL-1时, 采用硫醇耦合方法修饰蛋白的传感器具有良好的线性, 同时也具有很好的重复性和稳定性, 在SPR传感器表面绑定GGBP蛋白满足了组织液中低浓度葡萄糖检测的需求。

尝试采用脉冲电晕放电作为离子迁移谱仪中的放射性离子源以简化离子迁移谱仪结构。研究了脉冲电晕放电的特性，测量了单次脉冲电晕放电产生的正离子数，以及正离子数与高压脉冲的关系，正离子数与电极间距的关系以及在不同针尖曲率半径下，正离子数随高压脉冲的变化。确定脉冲电晕放电离子源的各电极参数后，设计了脉冲电晕放电离子源及相应的离子迁移谱仪主体结构。最后，利用自行设计的离子迁移谱仪，探测了空气中反应物离子H+(H2O)n的迁移谱。结果显示：离子迁移谱的峰值对应时间为47.5 ms，峰值半高宽为7.5 ms，由此算出离子迁移谱仪的谱分辨率为6.33。实验验证了脉冲电晕放电作为离子迁移谱仪离子源的可行性。由于脉冲电晕放电结构极易采用微机电系统(MEMS)技术实现，其对应的迁移管和传统迁移管相比去除了离子门，简化了离子迁移谱仪的结构。

根据基于微流控芯片的组织液透皮抽取系统设计了一种小型化微创人体血糖检测仪器。该仪器基于微创的方法, 利用真空负压抽取人体组织液, 并采用表面等离子共振(SPR)技术, 通过检测皮肤真皮层组织液中的葡萄糖浓度来预测血液中的葡萄糖浓度。通过绑定对葡萄糖具有特异性吸附的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白(D-GGBP), 对SPR传感器表面进行预处理, 实现对葡萄糖分子的特异性吸附。实验配制了不同浓度的葡萄糖溶液, 检测并得出葡萄糖溶液浓度与折射率的关系曲线。应用课题组设计的微创血糖检测仪, 实验测量了葡萄糖溶液浓度与组织液浓度, 并与血糖仪测量得到的葡萄糖溶液浓度进行了比较。结果表明, 使用GGBP修饰过的表面等离子共振传感器测量葡萄糖水溶液浓度的下限为0.625 mg/dL, 当葡萄糖水溶液浓度在0.625~5 mg/dL时有较好的线性。通过测试实验验证了该仪器的可行性, 显示了结合GGBP蛋白的SPR测量技术在微创血糖检测领域有良好应用前景。

提出一种激光器发射波长和功率控制与稳定的方法, 研制出波长范围在9.19~9.77 μm, 可应用于葡萄糖检测的中红外波长可调谐CO2激光器, 发射光谱半波宽度为4 cm-1, 光谱分辨率达到2.7×104, 最高功率为800 mW, 功率波动性＜0.8%。 根据葡萄糖在中红外指纹谱波段的吸收特性, 选择激光器发射光谱9R和9P带的1 081, 1 076, 1 051, 1 041和1 037 cm-1作为测量波长, 利用ATR传感器测量了PBS溶液中葡萄糖浓度。 结果表明五个测量波长下的吸收度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系(R2＞0.99, SD＜0.000 4, P＜0.000 1), 且该波长可调谐激光光谱测量系统的灵敏度是传统FTIR光谱仪的4倍左右。

在表面等离子共振谱（surface plasmon resonance, SPR）葡萄糖浓度测量中, 引入一种全新的能够特异性吸附葡萄糖分子的硼酸盐聚合物PAA-ran-PAAPBA, 实现了葡萄糖浓度的特异性检测。 采用层层自组装的方法分别在SPR传感器表面绑定6层和12层硼酸盐聚合物, 研究了聚合物层数对葡萄糖浓度测量效果的影响。 分别在浓度范围1~10 mg·dL-1（浓度间隔Δ=1 mg·dL-1）、 10~100 mg·dL-1（浓度间隔Δ=10 mg·dL-1）、 100~1 000 mg·dL-1（浓度间隔Δ=100 mg·dL-1）内进行实验, 实验数据采用二次曲线进行拟合, 得到折射率差值ΔRU和葡萄糖浓度之间的拟合度。 实验结果显示在前两个较小葡萄糖浓度范围内绑定有12层聚合物传感器的测量效果要明显好于6层聚合物, 在第三个较大葡萄糖浓度范围内聚合物层数的影响并不明显, 表明在小浓度范围内增加聚合物绑定层数可以改善葡萄糖测量效果。

针对本课题组早些时候研制的用于微量组织液透皮抽取的微流控芯片, 研究了一种基于偶氮双异丁腈(azobisisobutyronitrile, AIBN)热分解产生气体的微型正压源, 用于为微流控芯片中微量组织液的收集和输运提供驱动力。将AIBN固定到微型加热器上, 微型加热器加热AIBN至70 ℃即可产生一定的正压力。实验结果表明, 设计的微型正压源压力可控、易于制造、体积小, 8.7 mg的AIBN在900 mA加热电流下可产生182 kPa的压力, 满足对微流控芯片中组织液透皮抽取所需的驱动力。

为了在连续血糖监测中实现微量组织液的透皮抽取和收集，采用微流体技术，利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)设计加工了组织液透皮抽取装置。首先，采用模塑法加工得到组成装置的4层PDMS。接着，采用氧等离子体键合方法键合PDMS获得能够产生真空负压的文氏管，用于注入生理盐水、抽取组织液和收集组织液的腔体，控制流体传输的气动阀以及连接各部分的微管路4部分装置。然后，测量文氏管的输出负压和气动阀的关闭压强。最后，检验了装置抽取和收集组织液的功能实现情况。结果显示，将220 kPa(绝对压强)的氮气通入文氏管的输入端口，在文氏管的喉部端口获得了92 kPa(绝对压强)的真空负压。另外，只需低于65 kPa(相对压强)的压强就可以关闭采用PDMS薄膜加工的常开型气动阀。该装置可在气动阀的控制下，利用文氏管产生的真空负压，自动完成生理盐水的注入、组织液的抽取和收集。

为测量MEMS谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数，结合微器件的特征，利用光学的方法对MEMS器件进行了运动分析。提出了基于相位相关与块匹配相结合的运动检测技术，并对MEMS器件的运动图像序列做了分析与处理，得到了其动态特性参量，为MEMS器件的设计提供了重要参考。实验结果表明，该方法具有较好的测量精度和测量速度，测量重复性可达到44nm。