第２８卷第３期 ２０１２年５月 齐齐哈尔大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｉｑｉｈａｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｌ０１．２８．Ｎｏ．３ Ｍａｙ，２０１ ２ 基于纳米材料的葡萄糖传感器测试系统设计 苗凤娟’，朱婧 ，陶佰睿 ，班庆超 （１．齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔１６１００６；２．齐齐哈尔大学理学院，黑龙江齐齐哈尔１６１００６） 摘要：研究了一种基于纳米材料的新型电化学非酶葡萄糖传感器测试系统的设计方法。在２ Ｍ的ＫＯＨ溶液中， Ｐｄ—Ｎｉ／ＳｉＮＷｓ（钯一镍，硅纳米线）电极在脉冲扫描电压作用下，对溶液中葡萄糖分子有良好电催化氧化作用，回路 中会产生催化氧化电流，可以通过峰值电流保持器对回路电流进行监控，把回路中与葡萄糖催化氧化过程相对应 的电流峰值记录下来，作为检测葡萄糖浓度的依据。根据上述原理，开发出了一种含可控波形电压输出、电流峰 值采集、显示输出以及键盘控制等功能模块的葡萄糖传感器测试系统。 关键词：葡萄糖传感器；钯一镍／硅纳米线；峰值电流保持器；电化学传感器；电催化氧化 中图分类号：ＴＰ２１２．２；ＴＰ３９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—９８４Ｘ（２０１２）０３－００３１－０４ 葡萄糖是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。葡萄糖在生物学领域具有重要 地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物。植物可通过光合作用产生葡萄糖。它在糖果制造业和医 药领域有着广泛应用。在生物工程、日常生活以及医疗领域，葡萄糖浓度的检测对于生物工程生产、人或 者动物疾病的治疗都有着至关重要的作用。 Ｐａｒｋ等人２００６年在Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈｉｍｉｅａ Ａｃｔａ上介绍了无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展，具体讨论了 无酶葡萄糖电化学传感器的优点及其研制难点，阐述了葡萄糖在铂电极、金电极、铜电极、镍电极等电极 材料上的电催化氧化机理，并根据电化学检测方法的不同将无酶葡萄糖电化学传感器作了简单的分类，主 要分为３类，分别是：电位式、伏安法和电流式葡萄糖电化学传感器”ｌ。 １９６２年，英国学者Ｌ．ｃ．Ｃ．Ｌｌａｒｋ和Ｌｙｏｎｓ开始电流式葡萄糖传感器研究 ，它采用一薄层葡萄糖氧化酶 覆盖在氧化电极表面，通过氧化电极检测溶液中溶解氧的消耗量来间接测量葡萄糖浓度。１９６７年，Ｕｐｄｉｋｅ 和Ｈｉｃｋｓ在此基础上成功研制出第一只葡萄糖生物传感器。１９７５年，Ｙｅｌｌｏｗ Ｓｐｒｉｎｇｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司首次将 葡萄糖酶电极市场化 ～。 在国内，唐芳等采用Ｆｅ，Ｏ 纳米颗粒构建高灵敏度葡萄糖生物传感器，其实验结果显示该传感器的灵 敏度达１１．５４ ・ｃｍ－２．ｍＭ～１３１。山东省科学院生物研究所采用固定化生物活性物质作催化剂研制出ＳＢＡ－－４０Ｃ 型生物传感分析仪，它克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点，相对误差只有约１％， 具有成本低、选择性好、分析速度快和准确度高等优点Ｈ 。 综上所述，基于纳米材料的葡萄糖传感器是未来葡萄糖传感器的 研究热点，而基于电化学和纳米材料的非酶葡萄糖传感器具有潜在优 势。所以本文中设计的基于纳米材料的葡萄糖传感器测试系统将有重 要科学研究和市场应用价值。 基于 ＡＴ８９Ｓ５２ 液品显示电路 １系统设计方案 系统整体设计方案如图１所示。首先是一个可以提供多种电压输 出的系统电源，主要为ＡＴ８９Ｓ５ｌ单片机提供＋５Ｖ工作电压，为峰值采 样电路中运算放大器提供±１５Ｖ工作电压。为ＤＡＣ０８３２芯片提供一个 收稿日期：２０１１－１２—１０ 单片机 波形 电压 发生器 峰电流保持电路 二二 二二 纳米材料 葡萄糖传感器 系统电源 图１系统结构示意图 基金项目：黑龙江省自然科学基金（Ｆ２０１００８）；齐齐哈尔市科学技术计划项目（ＧＹＧＧ２０１０—０３一１）；黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项 目（１２５１Ｇ０６７）；黑龙江省青年科学基金项目资助（ＱＣ２０１ ＩＣ０９２） 作者简介：茁凤娟（１９８２一），女，黑龙江克东人，副教授，博士，现主要从事微传感器、数字信号处理方面的研究。 齐齐哈尔大学学报 自定义２．５６ Ｖ的基准电压，使ＤＡＣ０８３２的输出电压分辨率为：２．５６ Ｖ／２５６＝０．０１ Ｖ，即Ｄ／Ａ输入数据值每增 加１，电压增加０．０ｌ Ｖ。当Ｄ／Ａ的电压输出端所接放大器放大倍数为１０时，能得到０．１ ｖ的输出电压，从 而驱动电化学型葡萄糖传感器工作。 峰值保持电路主要包含峰值提取、峰值保持和电荷泄放功能。它工作时首先对回路电流进行峰值采样， 采样后经过运算放大进行比较。对于不同浓度的葡萄糖溶液，峰值采样电路将会从纳米材料葡萄糖电极回 路中采集到不同的峰值电流，并以该电流值作为标定溶液中葡萄糖浓度的依据。 ２系统软件设计 ２．１软件设计流程图 根据系统的总体设计要求以及硬件电 路原理，按照硬件连接和各个模块芯片的 特性以及功能实现要求，本系统软件设计 流程如图２所示。下面主要阐述其中含葡 萄糖传感器驱动电路、键盘控制、波形选 择、峰电流采样保持功能电路的软件设计。 ２．２系统子程序设计 ２．２．１ 葡萄糖传感器驱动电路的软件设计 基于纳米材料电化学型葡萄糖传感器 驱动电路核心模块是依靠单片机控制的波 形电压发生器电路。该模块的驱动程序设 计流程图如图３所示。 图２系统软件设计流程图 网３驱动电路软件设计流秘图 图４键盘子程序流程网 其主要功能是负责完成输出电压幅值控制和读Ｐ１口的数据。Ｐ１口读出数据通过欧姆定律转换成回路 电流并把结果存在预设地址中，供中断扫描显示用。定时中断时间约１０ｍｓ，任务是完成电流峰值显示，同 时对按键状态进行扫描 ｌ｝断并将结果送显示模块。 ２．２．２键盘子程序 第３期 基于纳米材料的葡萄糖传感器测试系统设计 ‘３３。 键盘子程序的功能主要是对系统功能进行选择和设置。其中设定Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２、Ｐ２．３口分别接开 关ＳＯ、ｓｌ、Ｓ２、ｓ３，它们分别对应数码管ＤＳ１、ＤＳ２、ＤＳ３和ＤＳ４。 基于纳米材料的电化学型葡萄糖传感器正常工作时，波形电压发生器电压输出的量程为一１．０ Ｖ￣Ｉ．０ Ｖ， 步进电压为０．１ Ｖ。键盘子程序软件设计流程图如４所示。 ２．２－３波形选择子程序 系统预设计三角波、矩形波和正弦波３种波形，波形的选择可以通过键盘扫描来实现。波形选择之程 序如图５所示。。 ２．２．４ 电流峰值采样保持软件实现 峰值保持电路主要包含峰值提取、峰值保持和电荷泄放功能。其工作流程图如图６所示。不同浓度的 葡萄糖溶液将有不同的催化电流，峰值采样电路将在回路中采集到不同的峰值电流；经多次扫描后取日路 最大峰电流值最为标定溶液中葡萄糖浓度的依据，经算法转换后送显示输出电路。 图５波形选择程序流程图 图６峰值保持电ＮｔＺ作流程图 ３系统电路的软件仿真 上述程序代码经过Ｋｅｉｌ Ｋｅｉｌ ｇＶｉｓｉｏｎ４编译、调试以及生成ｈｅｘ文件后，进行硬件电路仿真。 系统三角形波形电压产生程序仿真结果如图７所示。基于纳米材料的葡萄糖传感器在工作过程中需要 的电源为一１．０Ｖ ＋１．０Ｖ，系统在仿真开寸可以实现步进为０．１Ｖ的步进可以达到电化学传感器驱动电路的需求， 满足设计预想需求的功能。 图７系统三角波电压与波形仿真结果图 ・３４・ 齐齐哈尔大学学报 ２０１２狂 ４结束语 本文研究了一种基于纳米材料的新型电化学非酶葡萄糖传感器测试系统，给出了设计方案和软件程序 设计过程，仿真结果显示该系统可以驱动电化学型葡萄糖传感器工作，对开发低成本、便携式和高性能麻 糖和葡萄糖生物传感器的研制有重要意义。 参考文献 【ｌ】庄贞静，肖丹，李毅．无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展ｆＪ】－化学研究与应用，２００９，２１（１１）：１４８６—１４８９． 【２］Ｐａｒｋ Ｓ．，Ｂｏｏ Ｈ．，Ｃｈｕｎｇ Ｔ．Ｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｎｏｎ－ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓｈｃｏｓｅ ｓｅｎｓｏｒｓ『Ｊ］＿Ａｎａ１．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ，２００６．５５６：４６—５７． 【３】Ｍｉａｏ Ｆ．Ｊ．，Ｔａｏ Ｂ．Ｒ．，Ｌｉｕ Ｔ．ｅｔ １ａ．Ａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｇｌｕｃｏｓｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｄ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｎｉｃｋｅｌ－Ｐａｌｌａｄｉｕｍ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉｌａ Ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｂｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＣＰ Ａｒｒａｙ『Ｊ１．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，２００９，１４１：３３８—３４２． 『４】Ｔａｏ Ｂ．Ｒ．，Ｍｉａｏ Ｆ．Ｊ．，Ｃｈｕ Ｐａｕｌ Ｋ．，Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｎｉｃｋｅｌ ｐａｌｌａｄｉｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｇｌｕｃｏｓｅ ｉｆｍｌ ｃｅｌｌ ｆＪ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，２０１２，６５：１４９—１５２・ 【５１汪海燕．金磁微粒修饰葡萄糖电化学传感器的探讨【Ｊ】＿科技信息，２０１ １，６：７． Ａ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ＭＩＡＯ Ｆｅｎｇ－ｊＨａｌｌ，ＺＨＵ Ｊｉｎｇ，ＴＡＯ Ｂａｉ－ｒｕｉ，ＢＡＮ Ｑｉｎｇ－ｃｈａｏ （１．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｑｉｈａｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｑｉｑｉｈａｒ １６１００６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｆｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｑｉｑｉｈａｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｑｉｑｉｈａｒｌ６１００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎａｎｏ—ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｉｎ ２ Ｍ ＫＯＨ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，Ｐｄ－Ｎｉ／ＳｉＮＷｓ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｓｈｏｗ ｇｏｏｄ ｅｌｅｃｔｒｏｅａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ ｉｎ ａｌｋａｌｉｎｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｏｐ ｉｓ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｂｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｃｏｒｄ ｐｅａｋ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｄｉｓｐｌａｙ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｋｅｙｂｏａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｌｕｃｏｓｅ ｓｅｎｓｏｒ；Ｐｄ－Ｎｉ／ＳｉＮＷｓ；ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｏｌｄｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ