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人体组织液中葡萄糖浓度的精密检测技术研究

作　者: 黄福祥
导　师: 徐可欣
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 葡萄糖组织液表面等离子共振 D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白
分类号: R446.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

人体血糖浓度的准确检测是糖尿病预防和治疗的前提和基础。传统的单点血糖检测,不能反映人体24小时内实际发生的血糖波动。所以,人体血糖检测正在朝着动态检测、连续检测的方向发展。在现有的检测方法中,有创方法不适合于连续血糖检测,而无创光学方法目前还有许多关键问题有待突破。因此,近些年来,微创血糖检测技术已经成为科技发达国家研究开发的热点领域。利用微创血糖检测技术开发连续血糖监测系统对糖尿病患者的病情控制和治疗有重要意义,有重要的研究价值和广阔的市场应用前景。本课题旨在开发一种新型的基于组织液测量的微创血糖连续监测系统。对低浓度的葡萄糖溶液及组织液中的葡萄糖的测量需要考虑到测量分辨率以及针对组织液中葡萄糖的特异性检测这两个要求。论文研究的微创血糖监测系统利用表面等离子共振技术,并研究使用对葡萄糖有特异性吸附的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白,通过检测人体表皮组织液中的葡萄糖浓度,来预测人体血糖浓度,可实现血糖连续监测。论文完成的主要工作包括:1.研究了表面等离子共振理论。分析了金属表面等离子波的产生及其在金属内部和金属表面的传播。分析了光全反射激发金属表面等离子共振原理。比较分析了各种类型表面等离子共振系统的调制方式,选用了固定光源的角度调制方式。分析了各种类型的表面等离子共振系统的结构形式,选用了Kretschmann棱镜型表面等离子结构形式。通过对表面等离子共振结构模型进行理论分析和计算,研究了影响表面等离子共振光谱的因素,确定Kretschmann棱镜型系统结构参数。2.研究了生物分子作用原理在表面等离子共振传感器中的应用。研究了对于葡萄糖有特异性吸附能力的D-半乳糖绑定蛋白在表面等离子共振葡萄糖检测中应用,研究了经过不同突变位点改造后的D-半乳糖绑定蛋白对葡萄糖的吸附特性。研究了将蛋白质固定在金膜表面的方法,使用胺耦合的方法实现蛋白质的绑定。研究了蛋白质与传感器金膜表面结合的模型,和蛋白质活性及保护方法。3.构建了一套自动化的表面等离子共振葡萄糖浓度检测系统。设计了机械结构、控制软件以及算法软件等。围绕该系统开展了葡萄糖溶液以及人体组织液的直接和间接的测量,改进了实验的流程,研究了影响实验结果的一些因素并提出了改进的办法。4.开展了表面等离子共振信号处理方法的研究。根据表面等离子共振检测葡萄糖系统的信号和噪声的特点,研究了不同的算法在表面等离子共振数据分析和处理中的应用。采用加权质心法精确地捕获到了表面等离子共振曲线的最低点,采用固定计算点数的动态基线法调整基线位置,消除了基线附近点值的波动对测量结果的影响。5.开展了葡萄糖溶液以及人体组织液的直接和间接的测量。通过对葡萄糖溶液和组织液的测量实验表明:(1)表面等离子共振实验系统直接测量葡萄糖溶液时,测量小浓度葡萄糖溶液时,获得的折射率与葡萄糖溶液浓度成线性的正比关系,直接测量时能够测量葡萄糖溶液的浓度范围为5mg/dL-20g/dL。其中折射率和葡萄糖溶液的浓度线性关系好的浓度部分为10mg/dL-400g/dL。使用直接法测量组织液中葡萄糖的浓度时,葡萄糖浓度的改变并不是组织液折射率变化的唯一影响因数,所以测量所得到的折射率变化不能反映组织液中葡萄糖的真实浓度。(2)表面等离子共振实验系统绑定蛋白测量葡萄糖溶液时,测量的灵敏度和检测的特异性有所提高,测量下限0.05 mg/dL。使用不同突变的蛋白有不同的工作范围。绑定蛋白测量组织液中葡萄糖的浓度时,能实现对葡萄糖的特异性检测。实验表明了表面等离子共振测量方法在人体葡萄糖连续检测领域有良好应用前景。论文的创新点为:1.论文将GGBP蛋白质引入基于表面等离子共振传感器的人体组织液中葡萄糖浓度的精密测量,利用GGBP蛋白质对葡萄糖分子的特异性吸附特性,实现了对微量、多组分人体组织液中葡萄糖浓度的排他性高精度检测。2.论文采用加权质心法精确地捕获到了表面等离子共振曲线的最低点,采用固定计算点数的动态基线法调整基线位置,消除了基线附近点值的波动对测量结果的影响,用改进后的算法对人体组织液中的葡萄糖浓度进行测量,提高了表面等离子共振的检测分辨率。3.论文构建了基于微型表面等离子共振传感器的检测系统,为人体组织液中葡萄糖浓度检测仪器的小型化和临床应用奠定了基础。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-19
  1.1 糖尿病的危害  10-11
  1.2 连续血糖监测技术  11-13
    1.2.1 连续血糖监测的意义  11-12
    1.2.2 连续血糖监测的方法  12-13
  1.3 微创血糖检测技术  13-14
  1.4 基于组织液分析的微创血糖检测技术  14-15
  1.5 基于表面等离子共振的葡萄糖浓度检测技术  15-17
    1.5.1 表面等离子共振技术  15-16
    1.5.2 表面等离子共振测量葡萄糖浓度  16-17
  1.6 论文完成的主要工作  17-19
第二章表面等离子共振技术  19-44
  2.1 表面等离子共振技术理论  19-23
    2.1.1 表面等离子共振技术的发展  19-20
    2.1.2 表面等离子共振技术的应用  20-21
    2.1.3 表面等离子共振技术的检测仪器  21-23
  2.2 表面等离子共振理论  23-32
    2.2.1 表面等离子波的产生  23-24
    2.2.2 表面等离子波的传播  24-26
    2.2.3 光激发表面等离子共振  26-28
    2.2.4 Kretschmann 棱镜结构的表面等离子共振理论  28-30
    2.2.5 表面等离子共振调制方法  30-32
  2.3 表面等离子共振系统的结构  32-38
    2.3.1 Otto 棱镜耦合型结构  32-33
    2.3.2 Kretschmann 棱镜耦合型结构  33-34
    2.3.3 其它棱镜形式结构  34-35
    2.3.4 光栅型结构  35-36
    2.3.5 光纤型结构  36-38
  2.4 表面等离子共振系统的结构分析  38-43
    2.4.1 不同金属的介电常数  38-39
    2.4.2 不同金属中等离子波的传播  39-41
    2.4.3 金膜厚度的影响  41-43
  2.5 小结  43-44
第三章基于GGBP 蛋白质的表面等离子共振葡萄糖浓度检测技术  44-58
  3.1 基于生物分子作用分析的SPR 检测  44-47
    3.1.1 生物分子作用分析  44-45
    3.1.2 基于生物分子作用分析的SPR 检测方法  45-46
    3.1.3 基于生物分子作用分析的SPR 检测流程  46-47
  3.2 GGBP 蛋白质及其制备方法  47-49
    3.2.1 GGBP 蛋白质  47-48
    3.2.2 GGBP 蛋白质的制备  48-49
  3.3 GGBP 蛋白质在SPR 传感器表面的绑定  49-55
    3.3.1 GGBP 蛋白质在SPR 传感器表面的绑定过程  49-50
    3.3.2 SPR 传感器金膜表面的自组装分子层  50-51
    3.3.3 GGBP 蛋白质在SPR 传感器金膜表面基于胺耦合的绑定方法  51-54
    3.3.4 SPR 传感器绑定GGBP 蛋白质后的保护  54-55
    3.3.5 SPR 传感器的再生  55
  3.4 SPR 动力学分析  55-57
    3.4.1 SPR 动力学模型  55-57
    3.4.2 绑定蛋白的浓度分析  57
  3.5 小结  57-58
第四章表面等离子共振检测葡萄糖浓度的数据处理方法  58-74
  4.1 表面等离子共振检测的数据处理方法  58-60
  4.2 表面等离子共振检测系统的噪声分析  60-62
  4.3 表面等离子共振检测的数据预处理  62-63
  4.4 寻找最低点算法  63-68
    4.4.1 寻找曲线最低点的算法  63-64
    4.4.2 寻找曲线最低点算法的模拟  64-68
  4.5 基线选择算法  68-72
    4.5.1 动态基线法  68-69
    4.5.2 固定计算点数动态基线法  69-70
    4.5.3 动态基线法的模拟  70-72
  4.6 数据处理方法的实验验证  72-73
  4.7 小结  73-74
第五章表面等离子共振检测葡萄糖浓度的实验系统与实验结果  74-95
  5.1 表面等离子共振实验系统  74-79
    5.1.1 表面等离子共振实验系统的结构  74-75
    5.1.2 Spreeta 表面等离子共振传感器  75-77
    5.1.3 液体传输和控制系统  77-79
  5.2 实验结果与讨论  79-89
    5.2.1 测量去离子水  79
    5.2.2 直接测量葡萄糖水溶液  79-84
    5.2.3 直接测量人体组织液  84-85
    5.2.4 间接测量葡萄糖水溶液  85-88
    5.2.5 间接测量人体组织液  88-89
  5.3 影响测量结果的因素  89-93
    5.3.1 流速对测量的影响  89-90
    5.3.2 传质效应对测量的影响  90-91
    5.3.3 温度对测量的影响  91-92
    5.3.4 蛋白质活性对测量的影响  92-93
    5.3.5 提高测量精度的实验细节  93
  5.4 小结  93-95
第六章总结与展望  95-98
  6.1 论文完成的工作  95-96
  6.2 课题的展望  96-98
参考文献  98-106
发表论文和科研情况说明  106-108
致谢  108

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