A bőrön át viselt glükózszenzorok mérési elve

Maga a bőrön át viselt szenzornak nagyon vékony, hajlékony szála van, amely jóval finomabb egy tűnél, és közvetlenül a bőr alá, a zsírszövetbe kerül. Ez a szál nem érben van, hanem annak a szövetnek a sejtjei közötti folyadékban, amelyet szövetközti folyadékból nak neveznek. A szenzor nem közvetlenül a vérből mér, hanem ennek a folyadéknak a glükózkoncentrációját méri fel, amely szorosan követi a vércukrot [1].

A mérés elektrokémiai úton történik. A szenzor egy enzim és egy elektróda (az a vékony szál) segítségével nagyon kis elektromos árammá alakítja a glükózkoncentrációt [2]. Minél több glükóz van a szövetközti folyadékban, annál nagyobb a helyben keletkező áram. Az eredmény kissé elmaradhat a vércukorszinttől, amikor az gyorsan változik. Ennek a folyadéknak a glükóza kis késéssel hangolódik össze a vérbeli értékekkel [3].

A bőr alatti szál végét a felületére rögzített enzim borítja, leggyakrabban glükóz-oxidáz. Ez az enzim biológiai katalizátor, vagyis felgyorsítja a glükóz és az oxigén kémiai reakcióját anélkül, hogy közben elfogyna [4]. Ez az a rész, amely valóban felismeri a glükózt, és a szenzort kifejezetten a glükózra szánt eszközzé teszi, nem pusztán egy általános elektródává.

Az enzim fő szerepe az, hogy fajlagossá tegye a szenzort, vagyis hogy a glükózra válaszoljon, és a többi anyagot nagyrészt figyelmen kívül hagyja [5]. Ez a válogatás azonban nem tökéletes: egyes típusoknál olyan anyagok, mint a paracetamol vagy a C-vitamin, megváltoztathatják a leolvasott értéket [5]. Enzim nélkül a szenzor nem tudná megkülönböztetni a glükózt a szövetközti folyadék többi molekulájától. Néhány régebbi szenzor rokon enzimet, glükóz-dehidrogenázt használ, de a mérés elve ugyanaz marad [5] [6].

Az enzim (a glükóz-oxidáz) reakcióba lépteti a glükózt a szövetközti folyadék oxigénjével. Ez a reakció glükonsavat és hidrogén-peroxidot (H₂O₂) hoz létre. A keletkező hidrogén-peroxid mennyisége egyenesen arányos a glükózkoncentrációval, vagyis több glükóz több hidrogén-peroxidot jelent [4].

A hidrogén-peroxid eljut a szenzor elektródájához, ahol lebomlik, és elektronokat szabadít fel, amelyek nagyon gyenge elektromos áramot alkotnak. Ez az áram lényegében az a jel, amelyet a szenzor fog, és a nagysága a szövetközti folyadék glükózkoncentrációját tükrözi, ahogy az alábbi ábra mutatja [5].

Igen, a reakció nagyon kis mennyiségű glükózt fogyaszt. Minden olyan glükózmolekula, amely a helyi oxigénnel reakcióba lép, glükonsavvá alakul, tehát a helyszínen elhasználódik. A szálhoz rögzített enzimet külön membrán fedi. Ez a membrán csak kis, szabályozott mennyiségű glükózt enged át, így a reakció korlátozott marad: a sebességét a membrán szabja meg, nem a körülötte lévő glükóz mennyisége [7].

Ez az elfogyasztott mennyiség elég kicsi ahhoz, hogy ne csökkentse a vércukrot, és ne merítse ki a szál körüli glükózt, így a későbbi leolvasásokat sem befolyásolja. A szervezet folyamatosan pótolja a szövetközti folyadék glükózát a vér glükózából. Az enzim katalizátor, és nem fogy el, de idővel mind ő, mind a membrán elhasználódhat, ezért korlátozott a szenzor élettartama [8].

Az, amit egyszerű bőr alatti szálként látsz, valójában több elektródát tartalmaz, amelyek nagyon vékony rétegekben, egymástól szigetelve helyezkednek el ugyanazon a hajlékony hordozón. Minden elektródának saját szerepe van:

• a munkaelektródát enzim borítja, és ez állítja elő a jelet;
• a referenciaelektróda stabil feszültséget tart, amely viszonyítási pontként szolgál;
• a segédelektróda zárja az áramkört [6].

Maga az elektronikai egység állandó feszültséget tart a munkaelektróda és a referenciaelektróda között. A kémiai reakció nem ezt a feszültséget változtatja meg, hanem az áram erősségét. Minél magasabb a szövetközti folyadék glükózkoncentrációja, annál nagyobb a munkaelektródán átfolyó áram erőssége.

Egyes rendszerek egy negyedik, enzim nélküli elektródát is beépítenek, amely a háttérzajt méri, vagyis azt a kis jelet, amely glükóz nélkül is jelen van. Ennek az elektródának a jelét kivonják a hasznos jelből, hogy csökkentsék más anyagok hatását.

A mért áramot az elektronikai egység (az adó) folyamatosan olvassa. Egy kalibrációs tényező alakítja ezt az áramot becsült glükózértékké [2]. Sok korszerű szenzort gyárilag kalibrálnak, míg mások időnként ellenőrzést és esetleg vércukormérős újrakalibrálást igényelnek [9]. A rendszer algoritmusai, vagyis az adóban vagy a telefonos alkalmazásban futó programok, kisimítják a kis elektromos ingadozásokat, és részben korrigálják a szövetközti folyadék és a vér közötti késést [3]. Az eredményt mg/dl-ben vagy mmol/l-ben fejezik ki, és vezeték nélkül küldik el a telefonra vagy más vevőre.

Igen, a szenzornak kis áramforrásra van szüksége, rendszerint az adóban elhelyezett elemre. Ez az energia tartja fenn az elektróda állandó elektromos feszültségét, a glükóz-oxidáz által katalizált kémiai reakció pedig a glükózkoncentrációval arányos áramot hoz létre [6]. Ez táplálja a jelfeldolgozást, a belső memóriát és az adatok vezeték nélküli küldését a telefonra vagy a vevőre is [10].

Az áramfogyasztás nagyon kicsi, így egy apró elem elég a szenzor viselésének teljes idejére. A legtöbb folyamatos monitorozó rendszer 7 és 15 nap között működik (újabban akár 21 napig) [11] [12]. Ezen idő után a szenzort újra cserélik, az áramforrásával együtt. A régebbi típusoknál az adót több szenzoron át újra felhasználják [10].