专利名称：人体组织液成分含量传感器、流体通道单元及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测人体组织液中待测成分含量的传感系统。更具体地说，本发明涉及一种用于检测人体组织液中诸如葡萄糖之类的待测成分的浓度(或含量)的谐振式微悬臂梁传感器、 一种与这种传感器一起使用的流体通道单元、 一种采用这种传感器和流体通道单元检测人体组织液中诸如葡萄糖之类的待测成分的浓度(或含量)的检测方法、以及一种感应人体组织液中诸如葡萄糖之类的待测成分含量的传感器系统。
背景技术：
糖尿病是中老年人的常见和多发病，随着人们生活水平的提高，糖尿病的发病率也日益上升，世界卫生组织将它和肿瘤，心脑血管病一起列为世界范围内的三大难症。据世界卫生组织估计，目前世界上约有糖尿病人
1.7亿而中国就大约有糖尿病人3000万，到2025年将增加到3亿人。糖尿病早已被列为亚洲前十位杀手之一，它的流行程度已超过感染性疾病的威胁，因此积极预防和治疗糖尿病己迫在眉睫，而人体葡萄糖浓度的精确检测是临床上预防和治疗糖尿病的关键环节之一。
人体葡萄糖浓度的检测方法主要包括有创、微创和无创三种。目前的葡萄糖检测方法主要依靠的是有创测量，即通常需要从病人的手指处取血，然后依靠酶电极等化学方法，测定病人血液中葡萄糖的浓度，有创方法在血糖检测过程中需要消耗品，每次对病人进行血糖检测时都会对病人带来一定程度的伤害，给他们带来痛苦并有感染的危险。而且这种方法最大的缺点就是不能实现对于人体血糖浓度的动态检测，无法反映病人体内血糖浓度的实时变化情况，达不到很好的辅助资料的效果，比如定期的取指血试验经常不能探测到所有的低血糖事件和高血糖事件，特别是夜间的低血糖经常是测不到的，因此能动态和实时连续地监测人体葡萄糖浓度，
6将是糖尿病临床预防和治疗领域的巨大发展。
研究中的人体葡萄糖浓度的无创检测技术主要包括近红外光谱法、 中红外光谱法、拉曼光谱法和旋光测定法等一系列光学方法，这些方法在 检测葡萄糖浓度的同时，不会给人体造成任何创伤，属于最有前景的技术， 但由于无创检测技术现阶段检测精度有限和可靠性较低等缺点，无创检测 技术一直未能实现临床应用，目前尚处于研究阶段。
鉴于人体葡萄糖浓度有创检测技术和无创检测技术的缺点与不足，近 年来基于人体组织液微创抽取和精确分析的人体葡萄糖浓度的微创检测 技术倍受关注，这一方法所依据的基本原理是人体组织液中的葡萄糖浓度 与人体血糖浓度有着很高的相关性。所谓微创检测技术，就是首先通过微 创、无痛的方法从人体皮肤表层抽取组织液，然后精确检测人体组织液中 的葡萄糖浓度，最后根据人体组织液中葡萄糖浓度与人体血液中葡萄糖浓 度的相关性，对人体的血糖浓度进行准确的预测。由于采用低频超声透皮 处理和反向离子电渗等一系列方法，可以实现人体皮肤中组织液的连续抽 取，微创方法对于实现人体血糖浓度的动态和连续检测这一临床检测需求 具有重要的现实意义。
但是由于人体组织液中含有多种化学物质和微量成分，如何选择性地 精确检测组织液中的微量葡萄糖是微创检测方法的关键，同时人体葡萄糖 浓度的动态和连续检测要求病人实时携带微创检测装置，因此微创检测装 置必须是小型化的。因此，微小型化的可精确检测组织液中微量葡萄糖的 传感器是微创血糖检测技术的核心。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种用于感应人体组织液中 待测成分含量的传感器，其可以选择性地精确检测人体组织液中的待测成 分的浓度，可满足临床血糖微创检测的要求。
本发明提供一种用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器，所述
传感器包括绑定GGBP (D-Galactose/D-Glucose Binding Protein, D-半 乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质)蛋白质的谐振式微悬臂梁，可选择性地精确 检测人体组织液中的微量葡萄糖。根据本发明的一个方面，提供一种用于感应人体组织液中待测成分含
量的传感器，包括微悬臂梁传感单元，所述微悬臂梁传感单元包括第一
衬底；微悬臂梁，所述微悬臂梁与所述第一衬底基本上平行，并且所述微
悬臂梁的一端支撑在所述第一衬底上；金膜，所述金膜形成在所述微悬臂 梁的至少一个侧面上；蛋白质层，所述蛋白质层形成在所述金膜上，用于
在其表面上吸附人体组织液中的待测成分；驱动电极，所述驱动电极设置 在所述第一衬底上；微悬臂梁电极，所述微悬臂梁电极形成在所述第一衬 底上的用于支撑所述微悬臂梁的位置，用于与所述驱动电极结合以驱动所 述微悬臂梁在垂直于所述第一衬底的方向上谐振；以及检测电极，所述检 测电极设置在所述第一衬底上，用于与所述微悬臂梁电极结合以检测所述 微悬臂梁的谐振频率。
在上述传感器中，所述金膜形成在所述微悬臂梁的与面对所述第一衬 底的一侧相反的另一侧的表面上。
在上述传感器中，利用溅射或蒸发工艺在由硅制成的微悬臂梁的表面 上淀积金膜。
在上述传感器中，所述蛋白质层包括用于选择性地吸附人体组织液中 的葡萄糖分子的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质。
在上述传感器中，所述蛋白质层采用胺耦合或者硫醇耦合方式固定在 金膜表面。
在上述传感器中，所述微悬臂梁的与所述第一衬底相对的一面和所述 检测电极之间构成平行板电容器。
进一步地，本发明还提供一种与上述传感器一起使用的流体通道单 元，以将人体组织液均匀地吸附在上述传感器的金膜表面上。
为解决上述技术问题，本发明提供一种流体通道单元，包括第二衬 底；以及形成在所述第二衬底上的流体通道，被检测的人体组织液可从所 述流体通道中流动，以使上述的用于感应人体组织液中待测成分含量的传 感器中的所述蛋白质层与流动的被检测的人体组织液的表面至少部分地 接触，从而使人体组织液中的人体组织液分子吸附在所述蛋白质层表面 上。
在上述流体通道单元中，所述金膜的表面可用于与在所述流体通道中
8流动的蛋白质溶液至少部分地接触，从而在所述金膜上形成所述蛋白质 层。
根据本发明更进一步的方面，提供一种采用上述传感器和流体通道单 元检测人体组织液中待测成分含量的检测方法，包括如下步骤
固有谐振频率测量步骤，用于测量上述用于感应人体组织液中待测成 分含量的传感器的固有谐振频率，包括；
施加电压步骤，在所述驱动电极与微悬臂梁电极之间施加交流驱 动电压，以使所述微悬臂梁在垂直于所述第一衬底的方向上振动；
电容测量步骤，实时测量所述微悬臂梁振动过程中所述第一衬底
上的检测电极与所述微悬臂梁电极之间的电容变化；以及
谐振频率确定步骤，调节交流驱动电压的驱动频率，重复电容测 量步骤，当所测量的电容值的变化达到最大时，确定此时的交流驱动电压
的驱动频率为微悬臂梁的第一谐振频率/。；
吸附步骤，使包含人体组织液的流体接触所述蛋白质层表面，以将 人体组织液中的人体组织液分子吸附在所述蛋白质层表面上；
第二谐振频率测量步骤，重复所述的施加电压步骤、电容测量步骤和 谐振频率确定步骤，以测量吸附人体组织液分子后微悬臂梁的第二谐振频
率/;;以及
计算步骤，根据第一谐振频率/。和第二谐振频率/;计算人体组织液中
待测人体组织液分子的含量。
在上述人体组织液含量的检测方法的所述吸附步骤中，包含人体组织 液的流体在上述流体通道单元的流体通道中流经所述蛋白质层表面。
上述人体组织液含量的检测方法进一步包括蛋白质层形成步骤，所述 蛋白质层形成步骤包括将用于活化所述金膜表面的第一化学溶液通入所 述流体通道；所述化学溶液流经金膜表面，以对所述金膜表面进行活化， 并通过Au — S形成自组装分子层；将用于表面耦合的第二化学溶液和D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质分别通入微流体通道；在自组装分子层表面， 通过胺耦合方式，将D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质固定于经表面活化处 理的所述金膜的表面。
在上述人体组织液含量的检测方法中，所述D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质为选择性吸附葡萄糖分子的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质。
上述人体组织液含量的检测方法进一步包括形成所述D-半乳糖/D-葡
萄糖结合蛋白质的蛋白质形成步骤，所述蛋白质形成步骤包括
对大肠杆菌D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质编码基因mglB进行定点 突变，突变的位点包括在E149位点单独突变或者E149C+A213S两点突变 或者在E149、 A213、 L238三个位点同时突变；
构建过量表达大肠杆菌野生型D-半乳糖和D-人体组织液结合蛋白质 和突变型D-半乳糖和D-人体组织液结合蛋白质的基因工程菌株；
在摇瓶上对所形成的工程菌株进行发酵，以稳定地表达D-半乳糖和 D-人体组织液结合蛋白质；以及
对发酵产物进行GBP蛋白质的分离纯化。
根据本发明再进一步的方面，提供一种用于感应人体组织液中待测成
分含量的传感器系统，包括
上述用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器；以及上述流体通 道单元。
上述传感器系统进一步包括至少两个第一自对准孔，所述第一自对 准孔形成在所述第一衬底的相对的两端；至少两个第二自对准孔，所述第
二自对准孔形成在所述第二衬底的相对的两端并且分别与所述第一自对
准孔相对应；以及多个支撑柱，所述支撑柱分别设置在自对准孔中，以将 所述微悬臂梁传感器支撑在所述流体通道单元上并保持在所述流体通道 中流动的蛋白质溶液与所述金膜的表面至少部分地接触。
本发明绑定GGBP蛋白质的谐振式微悬臂梁葡萄糖传感器系统，在结 构上包括谐振式微悬臂梁传感器和微流体通道单元两个部分。测量中通过 微流体通道单元，使待人体组织液流经传感器的谐振式微悬臂梁敏感单元 表面，由该敏感单元检测人体组织液中诸如葡萄糖之类的待测成分的含 量。谐振式微悬臂梁敏感单元和微流体通道单元两个部分可通过键合等微 加工工艺集成在一起，构成上下两层的传感器结构。谐振式微悬臂梁敏感 单元包括微悬臂梁和衬底，微悬臂梁加工在衬底上，微悬臂梁是一个三明 治结构，包括硅微悬臂梁、金膜和GGBP蛋白质三层，衬底上集成有微悬 臂梁的驱动电极和检测电极。微流体通道单元包括试样入口、微流体通道和试样出口三个部分，其中试样入口和试样出口提供待测溶液进入和流出 微流体通道的接口。
本发明绑定GGBP蛋白质的谐振式微悬臂梁葡萄糖传感器的工作原理
为
利用绑定在微悬臂梁上表面的GGBP蛋白质，选择性地吸附人体组织 液中的微量葡萄糖；
采用静电致动和电容检测相结合的方法，驱动微悬臂梁在垂直方向上 谐振；
通过测量吸附葡萄糖分子前后微悬臂梁谐振频率的变化，检测吸附在 微悬臂梁表面的葡萄糖分子的质量。
根据本发明的实施例产生了以下技术效果
本发明通过GGBP蛋白质选择性地吸附人体组织液中的葡萄糖分子， 特异性好，能够很好地降低甚至排除人体组织液中其他化学成分和微量元 素对葡萄糖测量的影响和干扰，绑定的GGBP具有较长的使用寿命，克服 了传统酶电极等方式在使用寿命上的不足；
本发明通过谐振方式检测微悬臂梁传感器表面吸附的葡萄糖分子的质 量，具有很高的测量分辨率，理论分析和计算表明，通过合适的传感器结 构设计和驱动电子电路设计，可提高该传感器的质量分辨率到fg量级， 以满足微创葡萄糖检测的要求；
本发明采用微悬臂梁结构，相对传统葡萄糖光学传感器，器件结构简 单，制造工艺简单，体积小，重量轻，容易与微流体通道集成，所需外围 部件少，驱动和检测电路简单，所需待测组织液量小。微悬臂梁传感器单 元和流体通道单元均均可通过微加工技术批量制造，生产成本很低。
本发明将参照附图进行进一步的详细描述，在附图中
图1为根据本发明实施例的绑定GGBP蛋白质前微悬臂梁传感器结构 的剖视示意图2为根据本发明实施例的微流体通道单元结构的剖视示意图3为图1所示的微悬臂梁传感器和图2所示的流体通道单元结合在一起的剖视示意图，用于在传感器的金膜表面绑定GGBP蛋白质；
图4为图1所示的微悬臂梁传感器绑定GGBP蛋白质后的剖视示意图 图5为图4所示的绑定GGBP蛋白质后的微悬臂梁传感器和图2所示
的流体通道单元结合在一起的剖视示意图，用于在金膜的表面上吸附人体
组织液中诸如葡萄糖分子之类的待测成分；
图6为吸附葡萄糖分子后微悬臂梁传感器上表面物质的放大分布示意
图7为根据本发明实施例的微悬臂梁传感器与微流体通道单元结合时 设有自定位装配结构的剖视示意图。
尽管本发明可以修改为多种变体和可选形式，但是其细节已经以示例 的方式在附图中示出并将详细描述。然而，应当理解，本发明不限于所述 的特定实施例的发明，相反，本发明覆盖落入由所附权利要求限定的本发 明的保护范围内的所有变体、等价物和替代物。
具体实施例方式
在对优选实施例的下列描述中，加入了在附图中的附图标记，结合图 解的方式，示出了本发明可以采用的具体的实施例。所示的实施例并不试 图列出根据本发明的所有实施例。应当理解，在不偏离本发明的保护范围 的情况下，可以采用其他的实施例，也可以进行结构或逻辑上的改变。因 此，下列详细的描述并不意味着对实施方式的限制。
下面参照图1说明根据本发明的一种示例性实施例的用于感应人体组 织液中待测成分含量的传感器在绑定GGBP蛋白质前的结构，参见图1，该 传感器包括微悬臂梁传感单元，所述流体微悬臂梁传感单元包括作为基 础的第一衬底6;微悬臂梁4，该微悬臂梁4与第一衬底6基本上平行， 并且微悬臂梁4的一端被支撑在所述第一衬底上，在一种实施例中，整个 微悬臂梁4的形状可呈"L"形，由此使微悬臂梁4通过所述一端悬于单 元衬底6上，这样微悬臂梁4的与第一衬底6相对的一面和检测电极2之 间构成平行板电容器；金膜5形成在微悬臂梁4的至少一个侧面上，在一 种示例性实施例中，金膜5通过形成在微悬臂梁4的与面对第一衬底6的 一侧相反的另一侧的表面上，即形成金膜5的一侧与第一衬底6相反；驱动电极l，所述驱动电极1形成在第一衬底6上；微悬臂梁电极3，所述 微悬臂梁电极3形成在第一衬底6上的用于支撑所述微悬臂梁的位置，即
微悬臂梁4与第一衬底6接触的位置，这样微悬臂梁电极3与驱动电极1 结合以驱动微悬臂梁4在垂直于第一衬底6的方向上谐振；检测电极2， 所述检测电极2设置在第一衬底6上，用于与微悬臂梁电极3结合以检测 微悬臂梁4的谐振频率。在一种实施例中，检测电极2设置在驱动电极1 和微悬臂梁电极3之间。在本发明的示例性实施例中，采用微加工技术可 以制造出包含第一衬底6、驱动电极l、检测电极2、由例如硅材料制成的 微悬臂梁4和金膜5的集成式微传感器，其中金膜用于绑定GGBP蛋白质。 图2为根据本发明实施例的微流体通道单元结构的剖视示意图。该流 体通道单元包括第二衬底15;以及形成在第二衬底15上的流体通道7。 微流体通道7包括试样入口 8和试样出口 9，其中试样入口和试样出口提 供待测溶液进入和流出微流体通道7的接口。在示例性实施例中，可通过 微加工技术直接制造出与该传感器配合使用的微流体通道单元。在本发明 中，该流体通道单元具有两种作用，即用于使传感器单元的金膜5的表面 绑定GGBP蛋白质层和用于GGBP蛋白质层吸附人体组织液中的待测分子， 例如葡萄糖分子，从而在GGBP蛋白质层11上形成葡萄糖分子层13 (参见 图6)。
下面结合附图3说明在传感器单元的金膜5表面绑定GGBP蛋白质的 操作过程。需要说明的是图3所示的结构为图1所示的微悬臂梁传感器和 图2所示的流体通道单元结合在一起的示意图，即把图1所示的微悬臂梁 传感器倒置过来使微悬臂梁4朝下、第一衬底6朝上，然后将倒置的微悬 臂梁传感器和图2所示的流体通道单元上下扣在一起。
在一种示例性实施例中，参见图7，通过在微悬臂梁传感器的第一衬 底6和流体通道单元的第二衬底19上形成的V型自对准孔14，将微悬臂 梁传感器和流体通道单元装配在一起。可在微加工中通过各项异性的自停 止腐蚀技术形成这种V型的自定位孔14。通过第一和第二衬底6和10之 间固定具有预定长度的支撑柱10，使得金膜5的表面与微流体通道7表面 紧密接触。
继续参照图3，将用于活化金膜5的表面的化学溶液通过微泵通入微
13流体通道7，以使化学溶液以稳定的速度流经金膜5的表面，对微悬臂梁
传感器的金膜5的表面进行活化，通过Au—S键12 (参见图6)形成自组 装分子层。通过微泵将用于表面耦合的化学溶液和GGBP蛋白质分别通入 微流体通道7，在自组装分子层表面，通过诸如胺耦合或者硫醇耦合之类 的耦合方式，将GGBP蛋白质固定于表面活化处理后的微悬臂梁传感器的 金膜5的表面，由此形成如图4所示的绑定GGBP蛋白质后的传感器结构。 需要说明的是，本发明中用于特异性地选择性吸附葡萄糖分子的GGBP 蛋白质，需要采用生物技术合成，其合成方法和具体步骤为
1、 对大肠杆菌GGBP蛋白质编码基因mglB进行定点突变，突变的位 点包括在E149位点单独突变或者E149和A213两点突变或者在E149、A213 和L238三个位点同时突变；
2、 构建过量表达大肠杆菌野生型GGBP蛋白质和突变型GGBP蛋白质 的基因工程菌株；
3、 在摇瓶上对工程菌株进行发酵，使GGBP蛋白质能够高水平的稳定 表达；
4、 对发酵产物进行GGBP蛋白质的分离纯化，使目标蛋白质的纯度达 到95%以上。
本发明的另外一个方面，在于提供了一种采用上述传感器和流体通道 单元检测人体组织液中待测成分含量的检测方法，包括如下步骤
固有谐振频率测量步骤，用于测量上述用于感应人体组织液中待测成 分含量的传感器的固有谐振频率，包括；
施加电压步骤，在驱动电极1与微悬臂梁电极4之间施加交流驱 动电压，以使微悬臂梁4在垂直于第一衬底6的方向上振动；
电容测量步骤，实时测量微悬臂梁4振动过程中第一衬底6上的 检测电极2与微悬臂梁电极3之间的电容变化；以及
谐振频率确定步骤，调节交流驱动电压的驱动频率，重复电容测 量步骤，当所测量的电容值的变化达到最大时，确定此时的交流驱动电压 的驱动频率为微悬臂梁4的第一谐振频率&
吸附步骤，使包含人体组织液的流体接触蛋白质层ll表面，以将人 体组织液中的人体组织液分子吸附在蛋白质层11表面上；
14第二谐振频率测量步骤，重复所述的施加电压步骤、电容测量步骤和
谐振频率确定步骤，以测量吸附人体组织液分子后微悬臂梁4的第二谐振 频率A;以及
计算步骤，根据第一谐振频率/。和第二谐振频率A计算人体组织液中 待测人体组织液分子的含量。
本发明绑定GGBP蛋白质的谐振式微悬臂梁葡萄糖传感器所依据的基 本原理是，当微悬臂梁4的表面通过GGBP选择性吸附葡萄糖分子后，微 悬臂梁的谐振频率将发生变化，微悬臂梁4的谐振频率可表达为
1
2;r V w
其中m^为微悬臂梁的有效质: 下式表示
"——(N/m) 4 /3、 ,
(1)
A为微悬臂梁的弹性常数，并可用
(2)
其中^为微悬臂梁4的杨氏模量，w, /和f分别为微悬臂梁4的宽度、 长度和厚度。当微悬臂梁4通过GGBP蛋白质吸附葡萄糖分子后，微悬臂 梁4的有效质量的变化dW将引起传感器谐振频率的变化，Jm对微悬臂 梁4的弹性常数的影响一般认为可以忽略不计，微悬臂梁有效质量的变 化zlw可用下式表述
△m =
A;
4;r'
丄
7
(3)
由上述三式可知，微悬臂梁4有效质量的变化zf/n与微悬臂梁4的杨 氏模量和几何参数有关，
但由于本发明中的微悬臂梁4的结构实际上是包括硅微悬臂梁4、金 膜5和GGBP蛋白质层11等三个主要部分的复合结构，因此在绑定GGBP 蛋白质后，需要利用复合膜结构力学理论对微悬臂梁的总杨氏模量f和有
改质量柳^予以计算，并通过纳米压痕仪等力学测试设备对这些参数在计 享的基础上进行试验标定，从而实现传感器对葡萄糖分子质量的精确检
测'具体而言，在完成谐振式微悬臂梁4与微流体通道单元的设计与制造、
GGBP蛋白质的生物合成与绑定、绑定GGBP蛋白质的谐振式微悬臂梁葡萄 糖传感器参数的标定等工作之后，根据本发明的检测人体组织液中诸如葡
萄糖之类的待测成分含量的检测方法包括如下步骤
步骤SIO、测量绑定GGBP蛋白质后的谐振式微悬臂梁葡萄糖传感器
(如图4所示)的固有谐振频率，具体测量方法和过程为
步骤Sll:在如图4所示的第一衬底6上的驱动电极1与微悬臂梁电极 3之间施加交流驱动电压，使微悬臂梁4在垂直与第一衬底6的方向上开 始振动；
步骤S12:实时测量微悬臂梁振动过程中检测电极2与微悬臂梁电极3 之间的电容变化。
步骤所13:通过扫频方式，在一定范围内以一定频率间隔，扫描调节
交流驱动电压的驱动频率，同时实时检测步骤S12中的电容值。当电容值 的变化达到最大时，微悬臂梁4将处于谐振状态。此时交流驱动电压的第 一频率/。即为微悬臂梁的固有谐振频率；
步骤S20:停止静电驱动，将包含金膜5和GGBP的微悬臂梁4的传感 器倒置过来。利用如图2所示的微流体通道结构，通过微悬臂梁传感器的 第一衬底6和微流体通道单元的第二衬底15上的V型自对准孔14，将传 感器和流体通道单元装配在一起。V型自对准孔14的结构与自定位装配过 程如图7所示。可在微加工中通过各项异性的自停止腐蚀技术形成这种V 型的自定位孔14。通过两个衬底之间固定长度的支撑柱10，使得GGBP表 面与微流体通道表面紧密接触，从而形成如图5所示的结构；
步骤S30:利用图5所示的结构，将包含葡萄糖分子的人体组织液通 过微泵通入微流体通道，并使人体组织液以稳定的速度流经GGBP蛋白质 层11的表面。通过GGBP蛋白质层11将人体组织液中的葡萄糖分子吸附 在GGBP蛋白质层11的表面上。此时微悬臂梁传感器表面的物质成分和结 构如图6所示，；
步骤S40:图5所示的结构中，移去下面的微流体通道结构，从而将 微悬臂梁传感器恢复至如图4所示的状态。需要注意的是，此时GGBP蛋 白质层11表面将形成葡萄糖分子层13 (如图6所示)，重复步骤Sll至步
1骤S13，测量吸附葡萄糖分子后微悬臂4新的谐振频率力；
步骤S50:利用实施例上述公式(3)，计算出GGBP蛋白质层所吸附的
人体组织液中葡萄糖分子的质量。
尽管本发明提出的是一种用以测量人体组织液中葡萄糖浓度的绑定
GGBP蛋白质的谐振式微悬臂梁葡萄糖传感器，但是基于微加工技术，该传 感器可以被扩展成由多个微悬臂梁构成的多传感器阵列结构，本发明中的 微流体通道结构也可以相应地扩展成微流体多通道阵列结构，通过在不同 的微悬臂梁表面绑定对不同物质具有选择性吸附能力的蛋白质(或抗体一 抗原)。进一步地，这种阵列式的微悬臂梁传感器可以对人体组织液中除 葡萄糖外的其他多种微量物质或化学成分进行一次性的快速多参数测量。 本发明公开和揭示的所有组合和方法可通过借鉴本文公幵内容产生， 尽管本发明的组合和方法已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技 术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和装 置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和 改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精 神、范围和内容之中。
权利要求
1、一种用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器，包括微悬臂梁传感单元，所述微悬臂梁传感单元包括第一衬底；微悬臂梁，所述微悬臂梁与所述第一衬底基本上平行，并且所述微悬臂梁的一端支撑在所述第一衬底上；金膜，所述金膜形成在所述微悬臂梁的至少一个侧面上；蛋白质层，所述蛋白质层形成在所述金膜上，用于在其表面上吸附人体组织液中的待测成分；驱动电极，所述驱动电极设置在所述第一衬底上；微悬臂梁电极，所述微悬臂梁电极形成在所述第一衬底上的用于支撑所述微悬臂梁的位置，用于与所述驱动电极结合以驱动所述微悬臂梁在垂直于所述第一衬底的方向上谐振；以及检测电极，所述检测电极设置在所述第一衬底上，用于与所述微悬臂梁电极结合以检测所述微悬臂梁的谐振频率。
2、 如权利要求1所述的传感器，其中所述金膜形成在所述微悬臂梁 的与面对所述第一衬底的一侧相反的另一侧的表面上。
3、 如权利要求2所述的传感器，其中利用溅射或蒸发工艺在由硅制 成的微悬臂梁的表面上淀积金膜。
4、 如权利要求1所述的传感器，其中所述蛋白质层包括用于选择性 地吸附人体组织液中的葡萄糖分子的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质。
5、 如权利要求4所述的传感器，其中所述蛋白质层采用胺耦合或者 硫醇耦合方式固定在金膜表面。
6、 如权利要求1所述的传感器，其中所述微悬臂梁的与所述第一衬 底相对的一面和所述检测电极之间构成平行板电容器。
7、 一种流体通道单元，包括 第二衬底；以及形成在所述第二衬底上的流体通道，被检测的人体组织液可从所述流 体通道中流动，以使如权利要求1 — 5所述的用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器中的所述蛋白质层与流动的被检测的人体组织液的表 面至少部分地接触，从而使人体组织液中的人体组织液分子吸附在所述蛋 白质层表面上。
8、 如权利要求7所述的流体通道单元，其中所述金膜的表面可用于 与在所述流体通道中流动的蛋白质溶液至少部分地接触，从而在所述金膜 上形成所述蛋白质层。
9、 一种人体组织液中待测成分含量的检测方法，包括如下步骤 固有谐振频率测量步骤，用于测量如权利要求l一5所述的用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器的固有谐振频率，包括；施加电压步骤，在所述驱动电极与微悬臂梁电极之间施加交流驱 动电压，以使所述微悬臂梁在垂直于所述第一衬底的方向上振动；电容测量步骤，实时测量所述微悬臂梁振动过程中所述第一衬底上的检测电极与所述微悬臂梁电极之间的电容变化；以及谐振频率确定步骤，调节交流驱动电压的驱动频率，重复电容测 量步骤，当所测量的电容值的变化达到最大时，确定此时的交流驱动电压 的驱动频率为微悬臂梁的第一谐振频率/。；吸附步骤，使包含人体组织液的流体接触所述蛋白质层表面，以将 人体组织液中的人体组织液分子吸附在所述蛋白质层表面上；第二谐振频率测量步骤，重复所述的施加电压步骤、电容测量步骤和 谐振频率确定步骤，以测量吸附人体组织液分子后微悬臂梁的第二谐振频 率力；以及计算步骤，根据第一谐振频率/。和第二谐振频率A计算人体组织液中 待测人体组织液分子的含量。
10、 如权利要求9所述的人体组织液含量的检测方法，其中在所述吸 附步骤中，人体组织液在如权利要求6所述的流体通道单元的流体通道中 流经所述蛋白质层表面。
11、 如权利要求9所述的人体组织液含量的检测方法，进一步包括蛋 白质层形成步骤，所述蛋白质层形成步骤包括将用于活化所述金膜表面的第一化学溶液通入所述流体通道； 所述化学溶液流经金膜表面，以对所述金膜表面进行活化，并通过Au一S形成自组装分子层；将用于表面耦合的第二化学溶液和D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质分 别通入微流体通道；在自组装分子层表面，通过胺耦合或者硫醇耦合方式，将D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质固定于经表面活化处理的所述金膜的表面。
12、 如权利要求11所述的人体组织液含量的检测方法，其中所述D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质为选择性吸附葡萄糖分子的D-半乳糖/D-葡 萄糖结合蛋白质。
13、 如权利要求12所述的人体组织液含量的检测方法，进一步包括 形成所述D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质的蛋白质形成合成步骤，所述蛋 白质合成步骤包括对大肠杆菌D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质编码基因mglB进行定点 突变，突变的位点包括在E149位点单独突变或者E149C+A213S两点突变 或者在E149、 A213、 L238三个位点同时突变;构建过量表达大肠杆菌野生型D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质和突变 型D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质的基因工程菌株；在摇瓶上对所形成的工程菌株进行发酵，以稳定地表达D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白质；以及对发酵产物进行GBP蛋白质的分离纯化。
14、 一种用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器系统，包括 如权利要求l一5所述的用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器；以及如权利要求6所述的流体通道单元。
15、 如权利要求14所述的传感器系统，进一步包括 至少两个第一自对准孔，所述第一自对准孔形成在所述第一衬底的相对的两端；至少两个第二自对准孔，所述第二自对准孔形成在所述第二衬底的相 对的两端并且分别与所述第一自对准孔相对应；以及多个支撑柱，所述支撑柱分别设置在自对准孔中，以将所述微悬臂梁 传感器支撑在所述流体通道单元上并保持在所述流体通道中流动的蛋白质溶液与所述金膜的表面至少部分地接触。
全文摘要
一种用于感应人体组织液中待测成分含量的传感器，包括微悬臂梁传感单元，该微悬臂梁传感单元包括第一衬底；微悬臂梁，与所述第一衬底平行，并且所述微悬臂梁的一端支撑在所述第一衬底上；金膜，形成在所述微悬臂梁的至少一个侧面上；蛋白质层，形成在所述金膜上，用于在其表面上吸附人体组织液中的葡萄糖分子；驱动电极，设置在所述第一衬底上；微悬臂梁电极，形成在所述第一衬底上的用于支撑所述微悬臂梁的位置，用于与所述驱动电极结合以驱动所述微悬臂梁在垂直于所述第一衬底的方向上谐振；以及检测电极，设置在所述第一衬底上，用于与微悬臂梁电极结合以检测所述微悬臂梁的谐振频率。本发明还提供一种流体通道单元、传感器系统、以及人体组织液中待测成分含量的检测方法。
文档编号G01N33/66GK101514990SQ20081005793
公开日2009年8月26日 申请日期2008年2月21日 优先权日2008年2月21日
发明者徐可欣, 栗大超 申请人:天津市先石光学技术有限公司