Электрохимический способ определения глюкозы в крови

Содержание

Моделирование электрохимических методов контроля диабета

Диабет во всем мире является неизлечимым смертельно опасным заболеванием — согласно оценкам Всемирной организации здравоохранения, в мире насчитывается 350 миллионов больных диабетом с годовой летальностью в среднем около 1%. К счастью, достижения современной медицины позволяют диабетикам контролировать уровень глюкозы и ее поступление, что значительно снизило опасность заболевания во многих странах. Большинство больных диабетом должны контролировать уровень сахара в течение дня, и для этого необходим точный метод измерения концентрации глюкозы в крови. В конструкции современных датчиков используется электрохимический метод измерения.

Принцип измерения уровня глюкозы

Контроль диабета, заключающийся во взятии проб крови пациента несколько раз в день, мягко говоря, является инвазивным и неудобным. Продолжающиеся исследования в области электрохимии позволяют создавать все более быстрые и точные методики измерения уровня глюкозы, которые к тому же требуют сбора гораздо меньшего количества крови. Кроме того, с помощью электрохимических методов можно значительно снизить существующие неудобства, связанные с контролем диабета.

«Проверка уровня глюкозы» (David-i98) — собственная работа. Из Википедии.

Электрохимические методы определения уровня глюкозы основаны на обнаружении оксидаз глюкозы (GOx), которые являются биологическими ферментами, окисляющими молекулы глюкозы до глюконовой кислоты. В природе окисление достигается за счет биологического окислителя, например, кофермента FAD + (этот кофермент фактически является катализатором, поскольку он может окислиться обратно до исходного состояния при участии растворенного кислорода).

В электрохимической ячейке такой процесс окисления может протекать на поверхности электрода, при этом электроны попадают в электрическую цепь и создают в ней ток, величина которого может быть измерена. В хорошо спроектированном датчике сила тока будет пропорциональна количеству глюкозы, вступившей в реакцию с ферментом, а значит, и текущей концентрации глюкозы. Данная концепция следует из новаторских исследований американского ученого-медика Леланда Кларка (Leland Clark).

Благодаря специфичности биологического фермента GOx датчик позволяет однозначно определять уровень глюкозы даже в такой смеси, как кровь, содержащей большое количество химических соединений. Наконец, указанная методика была дополнена использованием окислительно-восстановительных медиаторов, которые являются более эффективными реагентами, чем кислород, что способствует более точным измерениям без влияния внешних воздействий.

Зачем моделировать измерение уровня глюкозы программными средствами?

Многие компании в мире производят датчики глюкозы для использования пациентами. В настоящее время процесс разработки миновал стадию проверки концепции. Оптимальные датчики глюкозы, выпускаемые в настоящее время, должны соответствовать новейшим технологическим требованиям с учетом экономических и производственных ограничений.

Хотя принцип работы электрохимического датчика уровня глюкозы весьма прост, его реализация может оказаться сложной. Поскольку датчик должен работать в разных условиях, необходимо продуманное решение, обеспечивающее прямую корреляцию измеряемого тока и концентрации глюкозы в образце. На практике затруднения могут заключаться в изменении концентрации кислорода в крови, а также в присутствии других химических веществ, которые вступают в аналогичные реакции с глюкозой. Помимо этого, возможно изменение температуры датчика под воздействием крови, имеющей температуру тела. Все вышеперечисленные факторы могут оказывать влияние на измеряемый электрический ток в датчике.

Программная среда COMSOL Multiphysics является идеальным средством для решения прикладных двумерных и трехмерных задач электроанализа. Почему? В этой среде можно с легкостью объединить моделирование электрохимических процессов с другими физическими явлениями, например, тепломассообменом. Более того, возможность добавлять определяемые пользователем переменные и уравнения позволяет включать в модель нестандартные или сложные явления типа ферментативной кинетики. Нередко теоретическая модель разрабатывается на основе экспериментальных данных о поведении электрохимической системы. Поэтому от методов численного моделирования требуется высокая гибкость.

Пример датчика, измеряющего уровень глюкозы

Простую модель датчика уровня глюкозы можно найти в Библиотеке моделей COMSOL Multiphysics. Датчик в этом модели использует «встречно-штыревой электрод», в котором анод и катод ячейки датчика разделены на большое количество «штырьков», расположенных параллельно друг другу, что позволяет достичь максимальной плотности тока и чувствительности системы. Поскольку длина «штырьков» обычно значительно превышает их ширину, ею можно пренебречь и упростить задачу до двухмерной элементарной ячейки.

Модель учитывает массообмен глюкозы и окислительно-восстановительных медиаторов за счет диффузии и потоков данных веществ в систему и из нее. Кроме того, катализируемая ферментом реакция между окислительно-восстановительными медиаторами и глюкозой вводится в модель посредством заданного пользователем закона Михаэлиса-Ментен для скорости кинетической реакции (он подробно описан в предыдущей заметке моего коллеги Эяла Спира (Eyal Spier) Enzyme Kinetics, Michaelis-Menten Mechanism (Ферментативная кинетика, механизм Михаэлиса — Ментен)).

На нижнем рисунке показана концентрация ферроцианидного окислительно-восстановительного медиатора при протекании установившегося тока в датчике.

На аноде (рабочем электроде) снизу в центре данное вещество окисляется с восстановлением другого окислительно-восстановительного соединения, феррицианида, что приводит к уменьшению концентрации. На катоде (противоположный электрод) в нижних левом и правом углах элементарной ячейки ферроцианид регенерируется и диффундирует обратно к рабочему электроду в «окислительно-восстановительном цикле», что обеспечивает высокую плотность тока.

На следующем графике показана зависимость силы тока от концентрации глюкозы для рабочего датчика ( синяя линия), на которой видно, что отклик идеализированного датчика является линейным в исследуемом диапазоне концентраций глюкозы.

Тем не менее, нарушить работу датчика нетрудно ( зеленая линия). Для этого представим, что скорость окисления ферментом самой глюкозы в 10 раз ниже. Это условие можно задать, уменьшив коэффициент ферментативной кинетики v_\mathrm . В этом случае линейность отклика при тех же концентрациях не обеспечивается. Это показывает, что для того, чтобы измеряемый ток в датчике глюкозы действительно отражал уровень ее концентрации, необходимо тщательное проектирование. Вы можете попробовать самостоятельно варьировать параметры модели, чтобы выяснить влияние других эффектов.

Совет: ознакомьтесь с моделью Glucose Sensor (Датчик глюкозы) в Галерее моделей.

источник

Типы глюкометров и принципы их работы.

Главная страница » Полезное » Типы глюкометров и принципы их работы.

Принципы работы глюкометров

Глюкометр это аппарат для определения уровня глюкозы в крови. Сегодня широко распространены глюкометры, предназначенные для домашнего использования. Это компактные приборы, помогающие поддерживать хорошую компенсацию людям с сахарным диабетом.

На фармацевтическом рынке представлены сотни различных глюкометров, произведенных разными компаниями. Все эти глюкометр схожи друг с другом в том, что:

Они компактны, имеют небольшие размеры и вес. Эти глюкометры удобно использовать для измерения уровня сахара не только дома, но и на улице, в школе, на работе;
За короткое время (от 5 до 20-30 секунд) глюкометр делает замер и показывает результат измерений;
Основной масс глюкометров для проведения анализа требуются тест-полоски, которые являются расходным материалом;
Практически все глюкометры имеют встроенную память и позволяют просматривать прошлые результаты измерений. Часто указывается точное время и дата замера;
Многие глюкометры дают возможность передачи сохраненных данных на компьютер или смартфон. Это помогает более наглядно увидеть уровень компенсации, оценить проводимую терапию и устранить ошибки.

Но есть и некоторые моменты, которые отличают глюкометры друг от друга. Так, например, одним из основных моментов, отличающим глюкометры, является принцип работы или принцип измерений.

Различают два основных принципа работы инвазивных глюкометров. Инвазивный глюкометр это прибор, для проведения анализа которому требуется капля крови. Неивазивный глюкометр проводит измерения без проколов.

Почти 99% используемых глюкометров приходится на инвазивные. Так как они отличаются более точными измерениями.
Точных и коммерческих неинвазивных глюкометров на рынке еще нет, хотя в последнее время было объявлено о разработках неинвазивных глюкометров, но до вывода на рынок продаж еще дело не дошло, т.к. глюкометры не прошли клинические тестирования, либо их стоимость очень велика, а качество и принцип измерения не совсем неинвазивный.

Итак, инвазивные глюкометры работают по двум принципам:

Фотометрический или фотоэлектрический принцип.
Электрохимический принцип.

Фотометрический принцип

Фотометрический принцип работы глюкометра заключается в том, что в зависимости от уровня глюкозы происходит изменение цвета реагента, который нанесен на чувствительную зону тест-полоски. Из-за смены интенсивности окраски этого реагента, которую определяет оптическая система глюкометра, определяется уровень глюкозы крови.

Фотометрический принцип измерения не совсем точен. На проведение анализов оказывают влияния многочисленные факторы, которые искажают получаемые результаты. Глюкометры, работающие по фотометрическому принципу, имеют большие погрешности в измерениях.

Фотометрический принцип измерения имеют в основном глюкометры «старого поколения».

Электрохимический принцип

Электрохимический принцип измерения основан на том, что на чувствительное поле тест-полоски нанесен специальный реагент. При взаимодействии глюкозы, содержащейся в капле крови, с этим реагентом, происходит реакция, приводящая к накоплению электрического потенциала. Глюкометр по силе этого потенциала и определяет уровень глюкозы, содержащейся в крови на данный момент.

Электрохимический способ более точен, погрешность у таких глюкометров минимальна. Большинство современных глюкометров работают по электрохимическому принципу.

Кулонометрия

Кулонометрию можно назвать подвидом электромеханического принципа действия глюкометра. Такой метод работы основан на измерении общего заряда, который выделяется во время проведения теста. По этому принципу работает большая часть глюкометров для домашнего использования.

Глюкометры, работающие по принципу кулонометрии, требуют для проведения анализа минимальное количество крови.

Спектрометрический принцип

По спектрометрическому принципу работают неивазивные глюкометры, то есть те, которым для проведения анализа не требуется капля крови.

Суть работы таких глюкометров заключается в том, что работая на основе лазера, неивазивные глюкометры выделяют спектр глюкозы среди других спектров и замеряют ее уровень.

На сегодняшний день существует несколько неивазивных глюкометров, но широкого распространения они не получили. Эти глюкометры имеют низкую точность, допускают многочисленные ошибки, которые могут привести к большим проблемам.

Спектрометрический принцип измерения уровня глюкозы находится еще в стадии разработки.
Неинвазивных глюкометров не существует!

источник

Анализ на глюкозу: лабораторные и домашние экспресс-методы определения уровня GLU

Определить уровень глюкозы в плазме крови по общему анализу крови невозможно. Для этого необходимо выполнить специальный анализ на глюкозу крови. Существуют несколько разновидностей исследований сыворотки (плазмы) крови, а также анализ суточной мочи на сахар.

Они назначаются для уточнения и дифференцировки сахарного диабета, других эндокринных нарушений, заболеваний почек, печени и поджелудочной железы, патологий и состояний сердечно-сосудистой, пищеварительной и центральной нервной системы.

Главные методы выявления нарушения обмена углеводов – анализы крови и мочи на сахар

Информация, фото и видео в этой статье помогут составить представление о том, какие анализы на глюкозу предстоит делать периодически людям, находящимся в преддиабетическом состоянии, и как часто исследуется кровь и моча при постановке диагноза Сахарный диабет 1 и 2 типа.

Виды анализов на глюкозу и её соединений

В настоящее время, концентрацию сахара в крови и моче можно определить, как в лабораторных, так и в домашних условиях. Первые исследования являются более достоверными, зато вторые позволяют диабетикам ежедневно контролировать уровень сахара в крови (гликемию) и в моче (глюкозурию), а инсулинозависимым больным и людям, принимающим сахароснижающие препараты, регулировать необходимые дозы лекарств.

Как часто следует сдавать анализы в лаборатории? Это определяет лечащий врач, и зависит от индивидуального течения патологии.

Совет. Врачи рекомендуют выполнять биохимический анализ крови на глюкозу и анализ суточной мочи на сахар в лаборатории, регулярно и всем, 2-3 раза в год. Однако после 45 лет такие исследования лучше делать 1 раз в год. Вовремя выявленные отклонения легче поддаются лечению и помогают сохранить здоровье.

Лабораторные исследования

Профессиональный автоматический анализатор глюкозы в крови и моче Энзискан Ультра

Не секрет, что результаты выполненных исследований зависят от дисциплинированности персонала и класса оборудования.

Помимо российского прибора Энзискан Ультра, на фото сверху, среди руководителей медицинских лабораторий и врачей-диагностов, отличной репутацией пользуются:

немецкий автоматический анализатор глюкозы и лактата EcoMatic,
немецкий сенсорный автоматический анализатор глюкозы Biosen c_line, модель clinic, комплектация gp, позволяющая выполнять тест на гликированный гемоглобин HBA1C, автоматический анализатор глюкозы и лактата Biosen s_line и Biosen 5030,
южнокорейский автоматический анализатор глюкозы со встроенным принтером «Эко Твенти» от производителя Care Diagnostica,
литовский экспресс-анализатор глюкозы «Эксан-Gm»,
казахский автоматический биохимический анализатор глюкозы и лактата SensoStar GLone/GLH one,
американский фотометрический полуавтомат открытого типа, универсальный биохимический анализатор плазмы крови, мочи и спинномозговой жидкости Stat Fax 1904 Plus,
немецкие анализаторы – электрохимические автоматы и биохимические полуавтоматы для одновременного определения (из одной пробирки) глюкозы и лактата в цельной крови Super GL, Super GL easy и Super LG и Super GL Ambulance,
украинский анализатор глюкозы и лактата крови АГКМ-01, оснащённый зарубежными сенсорами,
российские портативные анализаторы-микрофотометры МикроБиАн АБФП-КТ-01 с возможностью комплектации разными нм-фильтрами.

Внимание! При смене жительства или при других обстоятельствах, вынуждающих сменить постоянную лабораторию, диабетикам, по возможности, следует выбрать такую, в которой есть аналогичный диагностический анализатор.

Биохимический анализатор Stat Fax® 1904+R

Таблица: Исследования при диабете:

Название анализа крови, цена (2018 год)	Норма глюкозы в ммоль/л и другие нормы значений	Прогностическая значимость или краткая расшифровка анализа
Биохимический анализ крови. От 180 до 1600 рублей (зависит от количества показателей, заявленных врачом).	средние значения: 3,50-6,10	Прогностический интерес для диагностики патологий сердца, почек, печени, кровеносной и эндокринной систем, новообразований, травмирования и некоторых заболеваний мозга, контроля состояний после полосных операций в области желудочно-кишечного тракта.
Глюкоза (сыворотка).	груднички: 2,7-4,4 дети: 3,3-5,5 до 60: 4,1-5,9 после 60: 4,6-6,4 после 90: 4,2-6,7	При повышении референсных значений возможны – сахарный диабет, инфаркт, инсульт, панкреатит, муковисцидоз, тиреотоксикоз, опухоли поджелудочной, хронические патологии печени или почек, антитела к инсулиновым рецепторам. При снижении показателей – подозрение на: патологии желудка и кишечника, гипотиреоз, заболевания печени, диабет 2 типа в лёгкой степени, ферментопатии, саркоидоз, инсулинома.	норма глюкозы через 2 часа после нагрузки – до 11,1	Случаи, когда значения равны или превышают показатель 11,1 ммоль/л, указывают на наличие сахарного диабета.
ПГТТ с с-пептидом.	0,9-7,10 нг/мл	Тест проводится для окончательного дифференцирования сахарного диабета 1 и 2 типов, составления схемы и контроля эффективности их лечения, а также для подтверждения синдрома поликистоза яичников или оценки продукции инсулина при патологиях печени.
Гликированный гемоглобин (HbA1c).	4,8-5,9%	Анализ оценки уровня гликированного гемоглобина в крови – формы гемоглобина, образующейся в результате его взаимодействия с глюкозой, – позволяет оценивать степень компенсации диабетической болезни. Он также является прогностическим для определения степени риска развития сосудистых осложнений.
Фруктозамин.	от 20-до 60 лет: 205-285 мкмоль/л	Анализ концентрации фруктозаминов – соединений глюкозы с белками плазмы крови, позволяет не только уточнить тип сахарного диабета, но и контролировать ход его лечения

Кроме анализов крови, пациентам с диагнозом сахарный диабет периодически надо сдавать лабораторный анализ суточной мочи на содержание в ней сахара. Его референтное значение (норма) – до 2,78 ммоль/сутки.

Наличие глюкозурии (глюкозы в моче) не может быть единственным показателем для диагностики сахарного диабета, но вместе с результатами обследования крови позволяет уточнить тип диабета – сахарный, несахарный, стероидный, почечный, а периодический контроль этих показателей позволяет врачу оценить правильность выбранной тактики лечения диабетической болезни.

Снижение суточной глюкозурии у диабетиков – свидетельство правильно выбранной тактики лечения

Кроме этого повышение уровня глюкозы в суточной моче может указывать на наличие:

гипертиреоза,
синдрома Ищенко-Кушинга,
снижения реабсорбции из-за беременности,
острого панкреатита,
инфаркта сердца,
отравления морфином.

К сведению. Как обозначается глюкоза в анализе крови и моче? В бланке исследования для её обозначения применяется термины «глюкоза» или латинская аббревиатура «GLU». Кстати, устойчивое повышение концентрации глюкозы в крови наблюдается у заядлых курильщиков, а снижение уровня сахара в сыворотке может быть клиническим симптомом лейкемии.

Экспресс-диагностика

Существуют также специальные приборы – анализаторы (глюкометры и тест-полоски), позволяющие самостоятельно, в домашних условиях, измерять уровень глюкозы в крови и в моче. Благодаря таким новшествам возможен ежедневный контроль диабета и ведение специального дневника, который позволяет эндокринологу быстрее подобрать правильную комбинацию лечебных мероприятий, разновидностей и доз препаратов.

И хотя ряд федеральных законов гарантирует диабетикам бесплатный глюкометр, и ежемесячные бесплатные тест-полоски и ланцеты к нему, эти отечественные анализаторы и расходные материалы далеки от совершенства. Если есть финансовая возможность, то лучше пользоваться их заграничными аналогами, не забыв при покупке обезопасить себя от подделок, проверив наличие патента и сертификата.

Глюкометры нового поколения умеют взаимодействовать с компьютером или смартфоном

Вот список сравнительно новых, но уже заслуживших отличную репутацию среди диабетиков и эндокринологов, приборов (фото сверху, под соответствующим номером):

Портативный анализатор глюкозы «SmartScan». Прибор «помнит» 150 последних измерений, умеет подсчитать среднюю концентрацию сахара за последние 2 недели. Время работы о 2-х батареек составляет 1000 рабочих часов, а гарантийный срок от производителя (компания Лайф-Скэн, корпорация Джонсон и Джонсон) – 7 лет, в течение которых его показатели отличаются от лабораторных на допустимые 10%, если уровень мочевой кислоты находится в переделах нормы.
Венгерский ультрапортативный глюкометр SensoCard. Прибор может быть подключён к компьютеру или смартфону. Умеет рассчитывать средние показатели глюкозы за 7, 14 и 28 дней. «Помнит 150 последних измерений, с указанием их даты и времени. Снабжён функцией голосового оповещения. Гарантия от производителя, фирмы 77 Elektronika – 3 года.
Швейцарский домашний анализатор Стат Стрип Экспресс StatStrip Xpress Glucose от международной корпорации NOVA Biomedical. Прибор уникален тем, что на показатели глюкозы не сказывается наличие в капле крови гематокрита, мочевой и аскорбиновой кислоты, парацетамола, билирубина, а при наличии специальных полосок может измерять уровень кетоновых тел. Большие цифры на дисплее видны даже глубоким старикам, а возможность связи прибора через USB-порт с NOVA Microsoft-Excel станет удобным дополнением, как более молодому поколению, так и лечащих их врачам-эндокринологам.

Некоторые из современных глюкометров, например, Изи Тач (Easy Touch GCHb), могут замерять не только уровень глюкозы (G). С помощью дополнительных специальных тест-полосок, для удобства отличающиеся от «сахарных» по цвету, можно контролировать холестерин (CH) и гемоглобин (Hb).

Ну а дорогостоящий немецкий портативный прибор Аккутренд Плюс (Аccutrend plus) умеет анализировать концентрации глюкозы, лактата, холестерина, молочной кислоты и триглицеридов.

Важно. Для больных сахарным диабетом экспресс диагностика концентрации глюкозы в плазме крови до и после занятий ЛФК, выполняющаяся с помощью домашних портативных анализаторов, поможет правильно подобрать эффективные, предельно допустимые степени физической нагрузки.

Тем, кто нуждается в частом контроле уровня глюкозы в моче, рекомендовано приобрести специальный домашний анализатор или визуальные тест-полоски. Как ими пользоваться, детально разъясняется в инструкциях.

Персональный (домашний) анализатор мочи АМП-01 и визуальные тест-полоски Риполиан XN-11U

Тем не менее диабетикам стоить понимать, что какими бы супернавороченными не были домашние анализаторы, они всё-рано не смогут заменить лабораторные анализы крови и мочи на глюкозу.

Подготовка к лабораторной сдаче крови

Все анализы крови на глюкозу относятся к категории «голодного» тестирования и сдаются натощак. Исключение составляет лишь исследования крови на гликированный гемоглобин, к которому готовиться не надо.

Во всех остальных случаях следует знать о том, как выполняется подготовка к анализу крови на глюкозу, ведь нарушение её процедуры обязательно приведёт к искажению результатов и установлению ложного диагноза, со всеми вытекающими, негативными для здоровья, последствиями.

Стресс и некоторые лекарства существенно искажают результаты анализа крови натощак

Основные правила подготовки к «голодным» тестам на глюкозу в крови:

уточнить у врача, какие лекарства могут повысить или понизить уровень сахара,
за 24 часа – избегать больших физических нагрузок и психоэмоциональных стрессовых ситуаций, не есть много жирной и сладкой пищи, не пить алкоголь, не потреблять сахарсодержащие (или с заменителями) напитки и энергетики,
за 12-8 часов – ничего не есть и не пить, кроме чистой питьевой воды,
за 1 час – быть возле кабинета, не курить, сохранять физическое и эмоциональное спокойствие.

Во время проведения Глюкозотолерантного теста с нагрузкой (ПГТТ), в 2-х часовой паузе-ожидании второго забора крови, нужно спокойно сидеть, ничего не есть и не пить, не курить, и даже не играть в игры на смартфоне, которые могут вывести вас из эмоционального равновесия.

На заметку. Если в день сдачи анализа запланированы ещё какие-нибудь медицинские диагностические мероприятия, то их лучше выполнить после забора крови.