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研究生:黃柏豪
研究生(外文):Bo Hao Huang
論文名稱:內建於牙科植體之葡萄糖感測器設計與電極修飾技術
論文名稱(外文):Glucose Sensor Design and Electrode Modification for Dental Implants
指導教授:呂志誠
指導教授(外文):Chih Cheng Lu
口試委員:王富正黃榮堂
口試日期:2016-07-28
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:機電整合研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:生醫感測、石墨烯、牙植體
外文關鍵詞:biomedical sensinggraphenedental implant
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本研究提出將三電極血糖電路結合修飾感測電極並整合無線藍芽傳輸裝置,裝載於設計之牙科鈦金屬植體當中,目的在於取代傳統式扎針採血的方式來判讀生理訊號。本研究在設計感測電路前,先以循環伏安儀驗證最佳控制電位,發現於0.6V時,可得到極為高度線性的葡萄糖濃度與電流變化量的關係曲線,此電位也是葡萄糖氧化酶酵素(GOx)與葡萄糖反應最劇烈的電壓準位,故選用此電位進行感測電路設計。將三電極感測電路與光滑電極、粗糙化修飾電極與石墨烯修飾電極進行一系列感測測試,並使用高分子透析膜包覆感測電極,模擬植入於人體後進行感測時,做為避免血球或雜質黏附於電極之上的隔絕層,並測試其感測情況。石墨烯修飾電極具有理想的感測情況,偵測極限(detection limit)可達0.527 mg/dl;靈敏度(sensitivity)可達400 uV/(mg/dl);連續量測時間可達15小時以上,並持續維持良好的感測情形。最後再整合藍芽無線傳輸,可發現類比訊號經轉換成數位訊號的整體結果呈現非常線性的表現。
The study presents a biosensor based on the dental implant structure including a tri-electrode and circuit design, a modified electrode approach and a wireless bluetooth module that can replace the currently invasive methods for blood glucose sensing. Before the tri-electrode circuit design, the controlled bias should be verified by cyclic voltammetry measurements and the most linear relationship between the glucose concentration and the current variation is 0.6V. In addition, the enzyme and glucose are expected to interact violently at this point; therefore, the tri-electrode circuit was designer according to the controlled bias. In order to enhance the sensor characteristics, some modification techniques were applied to the working electrode, such as the use of a rough electrode and a graphene-added electrode. Additionally, the sensing electrode was protected by a polymer dialysis membrane to avoid impurities or large molecules that may affect the lifetime of the enzyme. In summary, the graphene electrode has the best sensing characteristics such as the optimal sensitivity of 400 uV/(mg/dl), the lowest detection limit of 0.527mg/dl and at least fifteen hours of operation time to work. Finally, the biosensor was integrated to a bluetooth 4.1 module which is able to convert analog-to-digit signals, exhibiting a highly linear translation between the digital signal and glucose concentrations.
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3文獻回顧 3
1.4論文架構 7
第二章背景原理與理論 9
2.1糖尿病概述 9
2.1.1糖尿病類型 9
2.1.2糖尿病併發症 10
2.2牙科植體概述 11
2.2.1牙科植體的發展 12
2.2.2牙科植體材料 13
2.2.3人體口腔環境 14
2.3生化感測器簡介 15
2.3.1化學感測器 16
2.3.2生物感測器 17
2.3.3生物感測器種類 17
2.3.4電化學感測器 20
2.4恆電位儀系統概論 21
2.5循環伏安法 23
2.6石墨烯簡介 24
2.6.1石墨烯的製備方法 26
2.6.2氧化石墨烯與還原石墨稀的特性比較 28
2.6.3石墨烯於生物感測上的應用 29
2.6.4石墨烯植入體內之相關探討 30
第三章實驗材料與電路設計方法 31
3.1相關藥品與儀器 31
3.1.1酵素固定方法 32
3.1.2感測電極材料 33
3.1.3電極修飾技術 34
3.1.4高分子透析膜材料 39
3.1.5石墨烯材料 40
3.2感測系統架構 41
3.3三電極感測電路設計 42
3.3.1電路設計方法 42
3.3.2使用元件介紹 44
3.3.3訊號處理電路設計 45
3.4金屬植體機構設計 47
第四章實驗結果與分析 48
4.1循環伏安法測試 48
4.1.1控制電位驗證 49
4.1.2高分子透析膜材料測試 51
4.2感測電路測試 53
4.2.1校正曲線測試 54
4.2.2最低門檻值測試 56
4.2.3偵測極限值比較 58
4.2.4靈敏度比較 59
4.2.5再現性測試 60
4.3藍芽傳輸驗證 64
第五章結論與未來展望 65
5.1結論 65
5.2未來展望 66
參考文獻 67
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