基于螺旋型鉑銥合金電極的植入式葡萄糖生物傳感器*

余江淵，朱志剛，陳　誠(chéng)，李嶄虹，陳云霞（.上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海20209；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)33300）

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基于螺旋型鉑銥合金電極的植入式葡萄糖生物傳感器*

余江淵1，2，朱志剛1*，陳誠(chéng)1，李嶄虹1，陳云霞2*
（1.上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海201209；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001）

摘要：采用螺旋型鉑銥合金電極設(shè)計(jì)，旨在提高植入式葡萄糖生物傳感器的葡萄糖氧化酶擔(dān)載量并增大工作電極的電化學(xué)活性面積。以掃描電鏡（SEM）觀察聚氨酯（Polyurethane，PU）半透膜的形貌，采用循環(huán)伏安法（CV）和計(jì)時(shí)電流法（I-T）考察PU涂覆厚度、PU含量以及酶含量等參數(shù)對(duì)傳感器電化學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：所制備的螺旋型傳感器靈敏度在20 nA/(mmol/L)~ 30 nA/(mmol/L)，可在人體生理?xiàng)l件范圍內(nèi)線性檢測(cè)（2 mmol/L~30 mmol/L）葡萄糖濃度，并且具有良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性，符合電極長(zhǎng)期植入式需求，有望作為今后糖尿病患者血糖連續(xù)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵器件。

關(guān)鍵詞：葡萄糖生物傳感器；螺旋線圈電極；聚氨酯半透膜；選擇性

中國(guó)糖尿病患者有逐年上升的趨勢(shì)，其中I型糖尿病患者總數(shù)在700萬~1 000萬之間，占到中國(guó)糖尿病患者總數(shù)的10%［1］。在全世界范圍內(nèi)，糖尿病已經(jīng)成為失明、腎衰竭、手足壞死、心臟并發(fā)癥等病變的主要原因，世界衛(wèi)生組織估計(jì)，到2025年，糖尿病費(fèi)用占全球衛(wèi)生預(yù)算的比例將高達(dá)13%左右［2］。葡萄糖生物傳感器作為檢測(cè)血糖濃度以及診療糖尿病的重要工具，在全球有著巨大市場(chǎng)，其在2010年銷售額超過100億美金，并且逐年增長(zhǎng)［3］。目前，糖尿病患者主要采用第2代手持式血糖儀進(jìn)行個(gè)人檢測(cè)，II型糖尿病人每天至少需要測(cè)2次，I型糖尿病人每天需要檢測(cè)4次來判斷血糖的波動(dòng)趨勢(shì)，這種方式相對(duì)簡(jiǎn)便、廉價(jià)，但無法掌控血糖波動(dòng)變化規(guī)律，特別是不可預(yù)測(cè)由低血糖昏迷導(dǎo)致的患者死亡。因此，對(duì)糖尿病患者血糖濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)被國(guó)際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為是最佳診療方式，特別適合對(duì)胰島素嚴(yán)重依賴的I型糖尿病患者［4-5］。

目前研究以及市場(chǎng)上出售的微創(chuàng)型傳感器主要是針式（Needle type）器型［5-6］，這種器型設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)傷小、可以最大限度地減少器件植入生物體后出現(xiàn)的纖維包膜問題，但缺點(diǎn)也顯而易見：葡萄糖氧化酶（GOD）只能薄薄地沉積在管壁周圍，導(dǎo)致此類傳感器使用周期較短（小于一周）。為了解決GOD擔(dān)載低的現(xiàn)狀，Medtronic公司曾經(jīng)報(bào)道了基于MEMS工藝的硅基多孔道微結(jié)構(gòu)，用于擔(dān)載大量GOD，并且每個(gè)孔道都可以獨(dú)立使用，起到一種緩釋效果來延長(zhǎng)傳感器使用壽命。即使這款傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)沒有公開，但作者認(rèn)為該技術(shù)成本過高，且硅片器件易對(duì)植入創(chuàng)口周圍組織產(chǎn)生損傷。

螺旋型鉑銥合金電極最早由美國(guó)Moussy教授課題組提出，采用螺旋型鉑銥合金電極來擔(dān)載GOD，與上述針式結(jié)構(gòu)相比，該器型螺旋孔道結(jié)構(gòu)可以擔(dān)載更多酶，可以延長(zhǎng)了器件植入后的使用壽命［7-8］。本論文的重點(diǎn)是對(duì)螺旋型鉑金電極進(jìn)行優(yōu)化，通過研究不同酶配方、滴涂厚度以及不同PU含量對(duì)傳感器的穩(wěn)定性、使用重復(fù)性的影響，以期待獲得性能最佳的植入式葡萄糖生物傳感器。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)試劑

葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase，GOD）、牛血清蛋白（Bovine serum protein，BSA）、戊二醛（Glutaral?dehyde，GA）、聚氨酯（PU）、抗壞血酸（Ascorbic acid，AA）、尿酸（Uric acid，UA）、四氫呋喃（Tetrahydrofu?ran，THF）、十二烷基聚四氧乙烯醚（Brij30）、雙組份環(huán)氧膠粘劑（Epoxy）等化學(xué)試劑均從Sigma-aldrich公司購(gòu)得，實(shí)驗(yàn)用水為18 MΩ·cm超純水。

1.2螺旋鉑金電極的制備

采用螺旋型鉑金電極的傳感器示意結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括Pt-Ir線圈型工作電極、GOD、選擇性半透膜等。

圖1　螺旋電極示意圖

1.2.1鉑工作電極的制備

取長(zhǎng)約4 cm~7 cm的醫(yī)用級(jí)鉑銥絲（Φ0.125 mm，Pt∶Ir=9∶1），剝離去除末端1 cm左右的Teflon涂層，在超純水中超聲處理5 mins。用無水乙醇擦拭的鑷子將上述鉑銥絲沿著皮下注射針頭（30 gauge）緊密盤旋纏繞5圈~8圈，獲得外徑約為1 mm，內(nèi)徑約為0.85 mm的Pt-Ir線圈。將一小股纖維材料嵌入線圈內(nèi)，用以提高GOD固定載量。

1.2.2GOD溶液的制備與涂覆

采用經(jīng)典的化學(xué)交聯(lián)的方法，以GA為交聯(lián)劑，將GOD與BSA配制成氧化酶溶液，并在搖床上使其均勻混合。本實(shí)驗(yàn)采用兩種不同GOD配比的酶配方，分別記作GOD-1/Epoxy-PU和GOD-2/Epoxy-PU電極。將前文所述的電極垂直懸掛在可移動(dòng)膠帶上，用10 μL的移液槍移取8 μL酶溶液滴涂到電極上面兩次，其中滴涂前后間隔為30 mins，然后讓修飾電極在室溫環(huán)境下干燥1 h。

1.2.3Epoxy-PU［9-10］半透膜的制備與涂覆

將4 mL THF，26.7 mg的PU，1 mg Brij30及Epoxy按比例配置成Epoxy-PU溶液。將制備好的螺旋線圈型酶電極，垂直懸掛在可移動(dòng)膠帶上，使用10 μL的移液槍分別移取2 μL、4 μL和6 μL和Epoxy-PU溶液，滴涂到不同酶電極上。將修飾Epoxy-PU的酶電極放置在室溫下干燥30 mins，然后放置在80℃恒溫干燥箱中固化20 mins。制備完成的電極，置于0.15 mol/L的PBS緩沖溶液中，并在4℃環(huán)境下冷藏。

1.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用CHI660D電化學(xué)工作站（上海辰華）的三電極體系：其中自制的鉑銥螺旋線圈電極為工作電極，Pt絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。在自制的聚四氟乙烯電化學(xué)反應(yīng)池中，以PBS緩沖溶液作為支持電解質(zhì)，加入適量葡萄糖溶液，用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法的電化學(xué)表征方法對(duì)所制備的電極進(jìn)行測(cè)試。循環(huán)伏安測(cè)試是在靜態(tài)溶液中進(jìn)行，電位范圍是0.2 V~ 0.8 V（vs. SCE），掃描速率為50 mV/s；計(jì)時(shí)電流測(cè)試的控制電位為0.7 V，同時(shí)在磁力攪拌的電解池中進(jìn)行。選用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（日立）觀測(cè)半透膜的形貌，采用1.0 kV的操作電壓、2 kV的加速電壓和1 μA的電子束電流的Schottky輻射源。

2　結(jié)果與討論

2.1PU含量的影響

本文考察不同Epoxy-PU半透膜厚度對(duì)傳感器性能的影響，首先在螺旋電極（配方1）外層分別涂覆2、4和6 μL的Epoxy-PU溶液，然后將電極置于8 mL PBS底液中，工作電位為0.7 V，考察電極對(duì)2 mmol/L~30 mmol/L之間7個(gè)不同葡萄糖濃度的響應(yīng)電流-時(shí)間曲線，如圖2所示。

圖2　GOD-1/Epoxy-PU電極對(duì)不同葡萄糖濃度的計(jì)時(shí)安培電流響應(yīng)曲線

從圖2可以看出，當(dāng)?shù)瓮? μL Epoxy-PU時(shí)，在2 mmol/L~30 mmol/L之間的電極響應(yīng)都呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的飽和曲線臺(tái)階，并在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的線性度。相比于滴涂4 μL Epoxy-PU的修飾電極，當(dāng)溶液中葡萄糖濃度增加到20 mmol/L時(shí)，電流響應(yīng)達(dá)到最高值后便開始逐漸下降。相比于滴涂6 μL Epoxy-PU、葡萄糖濃度達(dá)到15 mmol/L時(shí)，響應(yīng)電流達(dá)到最高值后便出現(xiàn)驟降且下降幅度也較涂覆4 μL Epoxy-PU的電極大。在本研究中，PU作為一種多孔聚合物半透膜，它可以起到篩分作用，能限制外部溶液的葡萄糖分子進(jìn)入傳感器從而提高傳感器的線性響應(yīng)范圍。但是，當(dāng)其厚度達(dá)到一定值時(shí)（如4 μL Epoxy-PU），不僅會(huì)限制外部溶液的葡萄糖分子進(jìn)入，還限制了葡萄糖分子通過半透膜進(jìn)入傳感器的傳遞速度。從而使得檢測(cè)范圍減小，以至于線性響應(yīng)范圍大幅下降。因此，涂覆2 μL Epoxy-PU溶液所得半透膜層性能最佳。

圖3為GOD-1/Epoxy-PU電極在5 mmol/L葡萄糖溶液中不同掃速下的循環(huán)伏安曲線（a）以及電極的峰電流與掃速之間的線性關(guān)系圖（b）。如圖3（a）所示，隨著掃速的增加，GOD-1/Epoxy-PU電極的氧化峰電流逐漸增加。通過對(duì)曲線的峰電流值進(jìn)行擬合，所得方程如下：

Ipa=869.933+19.81v（1）

其中，I表示響應(yīng)電流；v表示掃描速率。由圖3（b）可知，氧化峰電流與掃描速率呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，表明GOD-1/Epoxy-PU電極對(duì)葡萄糖的電催化氧化反應(yīng)是一個(gè)典型的表面控制過程的電化學(xué)行為。

圖3　不同掃速時(shí)循環(huán)伏安圖和電極峰電流與掃速線性關(guān)系圖

我們?cè)谠蠩poxy-PU溶液的配方基礎(chǔ)上，改變PU的含量，通過計(jì)時(shí)安培響應(yīng)曲線來比較PU含量對(duì)電極性能的影響，以確定最優(yōu)配方。如圖4所示，在螺旋電極外層涂覆2 μL Epoxy-PU溶液，考察溶液中不同PU含量對(duì)傳感器性能的影響。以8 mL PBS為底液，工作電位設(shè)置為0.7 V，考察2 mmol/L~30 mmol/L之間7個(gè)不同葡萄糖濃度的響應(yīng)-電流時(shí)間曲線。由圖4可以看出，隨著PU含量的增加，傳感器對(duì)電流的響應(yīng)也在逐漸減小。PU含量為30.7 mg時(shí)，雖然傳感器的響應(yīng)時(shí)間較之前PU含量為26.7 mg的更快（約為100 s），但是，我們可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)渭恿窟_(dá)到15 mmol/L時(shí)，電流的響應(yīng)值已開始顯現(xiàn)出下降的趨勢(shì)且線性擬合度也較之前PU含量為26.7 mg稍遜。當(dāng)PU含量為44.1 mg時(shí)，傳感器對(duì)于不同濃度的葡萄糖所響應(yīng)的電流值，已不呈線性關(guān)系，所響應(yīng)的電流值也較PU含量為26.7 mg時(shí)所響應(yīng)的電流值下降了約7倍（按電流最大值計(jì)算）。當(dāng)PU含量高達(dá)65.2 mg時(shí)，傳感器對(duì)于不同濃度的葡萄糖幾乎無響應(yīng)的電流，這是由于PU濃度過大導(dǎo)致半透膜孔隙率急劇下降，葡萄糖分子透過幾率很低。

圖4　不同PU含量的計(jì)時(shí)安培電流響應(yīng)

Epoxy-PU半透膜的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)葡萄糖分子輸運(yùn)起到至關(guān)重要的作用，該膜層顯微結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖5所示，由圖5可知，Epoxy-PU半透膜是一種多孔聚合物，呈現(xiàn)出一系列細(xì)小的孔洞，孔徑大致為0.5 μm~1 μm。當(dāng)用于傳感器半透膜時(shí)，它可以起到篩分作用，將一些小分子（UA，AA等）過濾掉，從而提高傳感器的線性范圍。而隨著PU含量的增加，孔隙率急劇降低，它不僅能阻擋一些小分子，還會(huì)阻礙葡萄糖分子的通過，這就再次驗(yàn)證前面所述，當(dāng)PU含量為65.2 mg時(shí)，傳感器對(duì)電流幾乎無響應(yīng)。由此可知，在Epoxy-PU半透膜中，PU最優(yōu)配方為26.7 mg。

圖5　Epoxy-PU半透膜的掃描電鏡圖

2.2改變酶配方對(duì)電流的影響

由圖2可以看出：GOD-1/Epoxy-PU電極所獲得的葡萄糖響應(yīng)電流在25 mmol/L時(shí)高達(dá)3 μA，該電流是通過檢測(cè)過氧化氫在固定電勢(shì)下釋放的電子而測(cè)得，可用如下反應(yīng)式表達(dá)［11］：

由上式可知，溶液中葡萄糖被GOD催化氧化的酶促反應(yīng)過程是需要氧氣參與的，因此氧氣在溶液中的含量對(duì)反應(yīng)有重大影響。在人體皮膚下間質(zhì)液中，氧的濃度大約是葡萄糖的濃度的三十分之一，所以電流一旦過大，而體內(nèi)氧氣供給不足，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致響應(yīng)信號(hào)的非線性。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)出另外一組氧化酶配比，GOD-2，采用最佳PU含量為26.7 mg的半透膜Epoxy-PU溶液，構(gòu)建出GOD-2/Epoxy-PU電極。

如圖6是GOD-2/Epoxy-PU電極在8 mL PBS底液中，工作電位為0.7 V條件下，傳感器外層分別涂覆2、4和6 μL Epoxy-PU對(duì)于不同濃度的葡萄糖所獲得電流-時(shí)間響應(yīng)階梯曲線。由圖6可知，在該傳感器外層滴加的2 μL，4 μL和6 μL Epoxy-PU時(shí)，都成功實(shí)現(xiàn)了葡萄糖濃度再2 mmol/L~30 mmol/L生理區(qū)間的線性響應(yīng)。值得關(guān)注的是，該電極獲得的葡萄糖響應(yīng)電流值降到1 μA以內(nèi)，較GOD-1/Epoxy-PU電極大幅下降，這對(duì)于減少氧氣含量的影響，提高電極響應(yīng)電流的線性度有重要意義。此外，隨著Epoxy-PU滴加量的加大，響應(yīng)的時(shí)間也逐漸增長(zhǎng)，滴加2 μL Epoxy-PU時(shí)，能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，而滴加4和6 μL Epoxy-PU時(shí)，響應(yīng)也隨之減慢。

圖6　GOD-2/Epoxy-PU電極對(duì)不同葡萄糖濃度的計(jì)時(shí)安培電流響應(yīng)曲線

根據(jù)圖6的計(jì)時(shí)安培電流檢測(cè)階梯曲線，得到GOD-2/Epoxy-PU電極在不同PU涂層下對(duì)葡萄糖濃度的響應(yīng)電流，其值如表1所示，相應(yīng)的電流響應(yīng)線性擬合圖如圖7所示。從圖表中可以看出，GOD-2/ Epoxy-PU電極在外層分別涂覆2、4和6 μL PU半透膜時(shí)，其電流響應(yīng)的線性擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為98.964%、99.784%、99.938%，表明這三種厚度的PU涂覆都可以獲得良好的響應(yīng)線性度。我們將傳感器的靈敏度S（單位為nA/（mmol/L））設(shè)定為：

其中：I1和I2分別為15 mmol/L和5 mmol/L葡萄糖對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電流值，C1和C2分別為15 mmol/L和5 mmol/L葡萄糖溶液濃度值。從圖7和表1可以得出，GOD-2/Epoxy-PU電極涂覆2、4、6 μL PU半透膜后的靈敏度分別為20.27 nA/(mmol/L)、30.45 nA/(mmol/L)、15.07 nA/(mmol/L)。

表1　GOD-2/Epoxy-PU電極在不同PU涂層下對(duì)葡萄糖濃度的電流響應(yīng)值

圖7　GOD-2/Epoxy-PU電極在不同PU涂層下對(duì)葡萄糖濃度的電流響應(yīng)線性擬合圖

從圖6可以看出，GOD-2/Epoxy-PU電極涂覆2 μL PU、4 μL PU、6 μL PU半透膜后達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的時(shí)間分別是100 s、150 s、200 s。涂覆6 μL PU時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，靈敏度最低。涂覆4 μL PU時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間約150 s，靈敏度最大。而涂覆2 μL PU時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間最少（約100 s）。相比于涂覆4 μL PU和6 μL PU的電極，2 μL PU涂覆后的電極在2 mmol/L~30 mmol/L葡萄糖生理范圍內(nèi)，對(duì)7個(gè)不同葡萄糖濃度的響應(yīng)電流時(shí)間曲線呈現(xiàn)出最為標(biāo)準(zhǔn)的飽和臺(tái)階。綜合比較相關(guān)性能參數(shù)，GOD-2/Epoxy-PU涂覆2 μL PU的電極表現(xiàn)出最佳性能。

2.3傳感器重復(fù)性，穩(wěn)定性和抗干擾性

選用性能最優(yōu)的涂覆2 μL PU的GOD-2/Epoxy-PU電極，先后測(cè)量了三次計(jì)時(shí)安培電流響應(yīng)曲線，如圖8所示。從中可以看出，三次測(cè)試都能獲得良好的安培電流響應(yīng)曲線，雖然每次測(cè)試時(shí)電流響應(yīng)值有所增加，但對(duì)應(yīng)于每個(gè)葡萄糖濃度梯度的電流變化甚小，對(duì)葡萄糖濃度達(dá)到15 mmol/L測(cè)量時(shí)其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.31%，表明基于該電極的傳感器具有良好的重現(xiàn)性。

圖8　GOD-2/Epoxy-PU電極對(duì)不同濃度葡萄糖的三次計(jì)時(shí)電流響應(yīng)圖

對(duì)所制備的GOD-2/Epoxy-PU電極進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，電極存放在4攝氏度冰箱內(nèi)，1周后檢測(cè)電流響應(yīng)信號(hào)為初始信號(hào)的96.1%，6個(gè)月之后，響應(yīng)電流仍可達(dá)到初始信號(hào)的80%以上。這表明GOD可以很好地固定在Pt-Ir合金螺旋線圈內(nèi)的纖維材料上，H2O2對(duì)其產(chǎn)生的副作用較小，該傳感器滿足長(zhǎng)期植入的需求。

Epoxy-PU作為傳感器的高效選擇性半透膜可以規(guī)避生物體內(nèi)某些具有電化學(xué)活性干擾物，如：UA，AA。本傳感器的工作電位為0.7 V，在此電位下，UA 和AA容易被電化學(xué)氧化［12］，產(chǎn)生干擾電流，從而影響結(jié)果。考慮到人體血糖內(nèi)的葡萄糖濃度至少要30倍高于干擾物濃度，我們將抗干擾實(shí)驗(yàn)設(shè)置為分別注入5 mmol/L葡萄糖（glucose，Glu），0.5 mmol/L UA以及0.5 mmol/L AA。如圖9所示，正常生理濃度范圍內(nèi)的UA（0.5 mmol/L）和AA（0.5 mmol/L），與5 mmol/L的葡萄糖相比僅僅產(chǎn)生可以忽略不計(jì)的電流響應(yīng)，表明GOD-2/Epoxy-PU型螺旋電極對(duì)葡萄糖的檢測(cè)具有良好的選擇性。

圖9　GOD-2/Epoxy-PU電極的抗干擾性測(cè)試

3　結(jié)論

本文通過考察PU涂覆厚度、PU含量以及不同酶配方來評(píng)估傳感器的性能。首先通過比較兩種不同PU含量Epoxy-PU溶液以及膜層滴涂厚度得到的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)階梯曲線，研究表明，隨著PU含量的加大，傳感器的響應(yīng)電流值逐漸減小至幾乎無響應(yīng)。當(dāng)?shù)瓮亢穸葹? μL，PU含量為26.7 mg時(shí)，GOD-1/Epoxy-PU型傳感器表現(xiàn)良好的性能。

為了減少溶液中氧含量缺乏的問題，通過比較兩種不同配比的酶配方，發(fā)現(xiàn)GOD-2/Epoxy-PU電極相比于GOD-1/Epoxy-PU電極，響應(yīng)電流值降到1 μA以內(nèi)，靈敏度下降到20 nA/(mmol/L）~30 nA/ (mmol/L)之間。此外，GOD-2/Epoxy-PU電極重復(fù)性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性佳（6個(gè)月后電流響應(yīng)信號(hào)可達(dá)初始信號(hào)的80%），表明所制備的葡萄糖傳感器是滿足長(zhǎng)期植入需求的一款器件?？垢蓴_性物質(zhì)（UA和AA）實(shí)驗(yàn)表明：GOD-2/Epoxy-PU型螺旋電極對(duì)葡萄糖的檢測(cè)具有良好的選擇性。此外，在選擇性半透膜表面涂覆生物相容性水凝膠來進(jìn)一步減小傳感器植入后的產(chǎn)生纖維包膜的工作正在進(jìn)行中。

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余江淵（1990-），男，碩士研究生，主要從事植入式葡萄糖傳感器的研究，yjy19900422@126.com；

陳云霞（1976-），女，副教授，博士，國(guó)家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心副主任、江西省“井崗之星”，主要研究方向?yàn)榧{米光電材料和傳統(tǒng)陶瓷材料。主持國(guó)家青年基金項(xiàng)目、江西省科技支撐計(jì)劃和自然科學(xué)基金項(xiàng)目，yx_clouds@126.com。

朱志剛（1977-），男，教授，博士，環(huán)境與材料工程學(xué)院材料工程系主任、校金橋特聘教授、上海市高校特聘教授“東方學(xué)者”，主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲胁牧吓c器件。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、上?？莆A(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、上海人才發(fā)展基金、教育部留學(xué)歸國(guó)人員啟動(dòng)基金等項(xiàng)目，zgzhu@sspu.edu.cn；

Analysis on Electrostatically Actuated Diaphragm Micropumpwith Energy Equilibrium Method*

HU Yuanlin，LIANG Xin，WANG Wen*，ZHANG Yu
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：The electrostatically actuated flexible diagram pump is analyzed in this paper，it is modeled with the mod?ified energy equilibrium method considering the kinetic energy of the diagram. Energy variation of the pump is also analyzed here. Compared with the results from the minimum energy method，the calculated pressure rise is 87.08 kPa with actuated voltage 300 V，and the pull-in radius of the diagram on the compression chamber is 4.06 mm，the pressure rise is a few higher than the result with the minimum energy method due to the impact of the kinetic energy of the diagram. With the proposed method，some factors，such as diaphragm thickness，dielectric layer thickness and cavity geometric parameters are discussed on the performance of the flexible diagram pump with double-cavity. Moreover，reducing the diagram thickness and its dielectric layer，decreasing the cavity depth and radius is helpful to improve the pressure rise of the micropump.

Key words：electrostatically actuated micropump；energy equilibrium method；large deformation of round diaphragm

doi：EEACC：8300；834010.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.003

收稿日期：2015-04-17修改日期：2015-06-12

中圖分類號(hào)：TQ174

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699(2016)01-0009-06

項(xiàng)目來源：上海高校特聘教授（東方學(xué)者）計(jì)劃項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61471233）；上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（13NM1401300）；上海市曙光計(jì)劃項(xiàng)目（14SG52）；上海市人才基金項(xiàng)目（201346）；上海市科委揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目（14YF1410600）；上海市教委晨光計(jì)劃（13CG62）