原标题：血糖仪方案

　　血糖仪从工作原理上主要分为光化学法和电化学法。光化学法的血糖仪通过检测反应过程中，试纸的颜色变化来测定血糖值，检测器检测酶与葡萄糖反应的中间物，在试纸反射面的反射光强度，再将其转换为葡萄糖浓度从而测定。光化学法虽然成熟，但易受污染，容易出现检测结果偏差较大的情况，所以已基本不再使用。电化学法的血糖仪，通过测定试纸中反应区中，酶与葡萄糖反应产生的电子数量来测定葡萄糖浓度，酶的种类会影响检测的准确度。电化学法比光化学法使用的血液更少，且不会受到污染，故而大部分血糖仪都采用电化学检测方法。

　　图1、罗氏血糖仪及其试纸

　　中国血糖监测临床应用指南要求指尖血糖仪95%监测结果的误差范围满足以下标准：1、当血糖浓度<5.5mmol/L，误差范围是±0.83mmol/L之内;2、当血糖浓度≥5.5mmol/L，误差范围是检测值的±15%之内。

　　血糖仪可分为三种不同的类型：侵入性，非侵入性和连续性。

　　1、侵入性：使用采血装置，采血针和试纸采集的血液样本进行测量。这些元件通常在首次购买时以血糖仪套件形式出售。然后必须在药店更换新的试纸条和采血针。虽然对用户有约束力，但这种类型的血糖仪是最准确的测量方法。

　　图2、血糖仪及其套件(图源：visualhunt.com)

　　这些血糖仪采用电化学试纸进行测量。将一小滴待测溶液置于一次性试纸上，血糖仪将利用该试纸来测量葡萄糖。在葡萄糖的电化学测量中，最常用的两种方法是比色法和电流法。

　　在比色法中，LED或光传感器等构成模拟接口。跨阻放大器用于测量葡萄糖浓度。利用颜色反射率原理，根据光度测定法来确定试纸反应层的色彩强度，以色彩强度对比生成葡萄糖浓度的测量值。

　　在电流法中，使用毛细管吸取试纸一端的溶液。此试纸还包含一个酶电极，其中含有葡萄糖氧化酶等试剂。葡萄糖在酶的作用下发生化学反应并在化学反应期间生成电子。随后测量流经电极的电荷，电荷量与溶液中的葡萄糖浓度成正比。此外，还会测量环境温度以补偿温度对反应速率的影响。大多数血糖仪采用此方法。

　　图3、血糖仪试纸工作原理(图源：微芯)

　　试纸构成主生化传感器(溶液试样置于其中)，它具有三个电极。化学反应期间，工作电极中会产生电子。此电极与电流-电压放大器相连。参考电极的电压相对于工作电极保持恒定，以便推动所需的化学反应。第三个电极是计数器电极，作用是为工作电极提供电流。大多数血糖仪设计仅采用参考电极和工作电极。

　　应向参考电极施加精确的参考电压(VREF)，向OPA施加精确的偏置电压(VBIAS)。通过这种方法，工作电极和参考电极之间将保持精确的电位差。此电压是用于驱动试纸输出电流的激励，其幅值随后用于计算产生的电子数量。

　　将溶液试样置于试纸上，葡萄糖在酶的作用下发生化学反应。化学反应期间会产生电子。电子的流动对应于流经工作电极和参考电极的电流。此电流将随葡萄糖浓度的变化而变化。电流可通过跨阻放大器(电流-电压转换器)和模数转换器(ADC)进行测量。跨阻放大器的输出电压将随溶液中葡萄糖浓度的变化而变化。

　　2、非侵入性(或微创无创)：近年来，市场上已经出现了各种测量系统，其形式是物理化学传感器与测量区域(通常是手臂)接触。使用测量仪扫描该区域几乎可以立即为您提供血糖水平。对于糖尿病患者来说，这代表了一场真正的革命，他们不再需要每天注射六次或更换试纸和采血针。然而，市场上可用的选择有限，到目前为止的结果表明，所提供的系统很难像入侵系统一样准确。另一个缺点是传感器不能保持在原位的问题。

　　图4、无创血糖仪(图源：GlucoRx BioXensor)

　　3、连续血糖监测(CGM)：在这种情况下，血糖仪提供了连续测量的可能性。患者佩戴该装置，通常戴在他或她的手臂上，并将其带到任何地方。这种类型的模型通常具有带有远程传输系统的植入式传感器。它测量间质液中的血糖水平。它还可以更准确地评估长期血糖水平的变化。连续系统减轻了不再需要每天刺破指尖的患者的压力。

　　图5、CGM(图源：硅基动感)

　　主流CGM采用电化学原理，利用微型酶电极技术，通过监测葡萄糖氧化酶催化下的葡萄糖氧化反应产生的电信号来测量葡萄糖浓度。传感器是CGM里壁垒最高、最核心的部件，直接决定CGM测量结果的准确性。

　　图6、葡萄糖传感器(图源：芯宿科技)

　　微型酶电极技术主要经历了三个发展阶段：第一代传感器以德康、美敦力为代表，以氧气直接作为电子传递剂，通过测量酶促反应生成的过氧化氢浓度来间接得出葡萄糖浓度。

　　图7、第一代传感器

　　第二代传感器以雅培为代表，采用人工氧化还原试剂作为电子传递剂，大幅降低了生产成本。第二代葡萄糖酶生物传感器是利用电子传递介质代替氧气作为电子受体，克服了第一代葡萄糖氧化酶传感器受氧气限制的缺点。电子介体是体积很小的可溶性氧化还原活性分子(如二茂铁衍生物、亚铁氰化物、导电有机盐和醌类)，可进行快速可逆的氧化还原反应，从而加快电子在酶的活性位点和电极表面穿梭，提高酶促反应的速率。但电子介体容易从酶层扩散出来进入底物溶液中，影响传感器的稳定性。

　　图8、第二代传感器

　　第三代传感器暂无商业化产品，三诺生物i3/h3产品处于注册申请阶段。通过改造葡萄糖氧化酶让其具备电化学性质，从而直接实现电子转移。第三代葡萄糖酶生物传感器和前两代相比, 无需氧分子或电子传递介体作为电子受体，而是将酶直接固定于修饰电极上，使酶的活性位点与电极相近，直接进行电子传递从而提高葡萄糖传感器的灵敏度和选择性。固定酶的材料常用有有机导电复合物膜、金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒等。然而第三代葡萄糖传感器的电子传递速率仍然有限。

　　图9、第三代传感器

　　除了生物传感器是CGM的核心技术，血氧仪还得通过美国FDA或欧洲CE或中国NMPA审批后方可在对应市场销售，所以研发和设计CGM存在一定技术门槛。

　　图10、国内外CGM产品对比(图源：申万宏源)

　　血氧仪由酶电极生物传感器(试纸)、采血针、信号调理模块(DAC/ADC/OPA等)、主控芯片、电源芯片、温度传感器、存储芯片、电池、LED和显示屏等部分组成。使用采血针采血后，滴在在酶电极生物传感器(试纸)上后会产生微弱电流(微安级)，将其转换为电压信号后进行放大，电路里还要设计一些噪声滤波电路等。最后再将信号送给ADC(模拟数字转换)进行采样，最终经过MCU分析和处理数据后在显示屏展现出来。

　　图11、血氧仪硬件组成(图源：晶华微)

　　常见的血糖仪主控方案除了晶华微的SD93F115，还有松翰的SN8P5939、微芯的PIC16LF1786、德州仪器的MSP430F5529、意法半导体的STM8L152M8T6、英迪芯微的IND86202、澎湃微的PT32L033R8R6、合泰的BH66F2470/BH67F2470、杰理的AC6321A4、伦茨的ST17H66、复微的FM33LG0 ;运放有微芯的MCP60021、亚德诺的AD8619、德州仪器的LMV612/OPA2317IDR、艾为的AWS90001、思瑞浦的TP5534、瑞盟的MS8619/MS9912N、润石的RS8512XK等。

　　图12、血糖仪参考方案(图源：微芯)

　　智能血糖仪是一款较为成熟的医疗级电子产品，通过微型酶电极技术测定血糖浓度，国内外众多芯片原厂都有参考设计方案。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的医疗芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

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