[发明专利]用于基于酶的传感器应用的扩散和酶层

说明书

发明背景

本发明涉及用于基于酶的传感器应用的组合的扩散和酶层，以及包含其的传感器。

基于酶的传感器广泛用于以定性和定量的方式测定血液和其他体液中的目的物质。基于酶的传感器尤其用于测定酶底物。在基于酶的传感器中，发生所称作的化学转换器反应，其中待测定的物质在至少一种酶的参与下转变成另一种物质。许多基于酶的传感器需要共底物的参与。直接或者间接检测共底物的消耗或者其他物质的产生。

基于酶的传感器通常包含几层，其中有酶层和扩散层(盖膜，外层)。该扩散层直接与样品接触并限制传感反应必需的物质、特别是酶底物或共底物的扩散。

基于酶的传感器可以作为电化学传感器或者作为光学传感器(光极)提供。例如在美国专利号6,107,083中描述了葡萄糖光极的构造和功能。

具体地，用于测定葡萄糖、乳酸或者肌酸酐的基于酶的传感器优选用氧化还原酶构造并且检测是基于氧消耗的。在该情况中，传感器必需多孔的盖膜或者至少可渗透的聚合物膜，其控制酶底物和氧的渗透。

使用酶的葡萄糖传感器是用于检测糖类的最熟知的实际措施。该技术包括将样品与传感器接触，使葡萄糖扩散到传感器中，酶层内的酶(葡糖氧化酶)分解葡萄糖，并通过合适的工具如化学发光染料测量消耗的氧的量，或者通过合适的工具如电流分析电极测量产生的过氧化氢的量。

因此，基于酶的传感器可以作为电化学传感器(电极)或者作为光学传感器(光极)提供。葡萄糖光极的构造和功能例如在美国专利号6,107,083(Collins等人)中描述。葡萄糖电极的构造和功能例如在美国专利号6,214,185(Offenbacher等人)中描述。

具体地，用于测定葡萄糖、乳酸或者肌酸酐的基于酶的光极优选用氧化还原酶构造并且检测主要基于氧消耗。基于发光的光极的基本设计概念按顺序包括

a)光可透射的支持体，

b)氧传感层，其在光可透射的、氧可渗透的基质中含有发光染料，

c)酶层，其含有固定在亲水的水和氧可渗透的基质中的氧化还原酶或者酶级联，

d)扩散层，其限制酶底物和/或共底物扩散到酶层中，和任选地

e)光学隔离层，其不透光。

备选地，可以从不透光材料构造酶层或者扩散层以发挥光隔离层的功能。

在样品测量前，将传感器用水或者合适的盐溶液和一定水平的O2(即，150mmHg)平衡。为了测量，将传感器与样品接触。葡萄糖从样品扩散到酶层中。酶层内的葡萄糖和氧消耗导致相邻染料层中氧的耗尽。在发光染料的情况中，染料层内O2-耗尽的速率转化成对应的增强的发光强度(即，表达为ΔI/Δt)。后者的值，即样品接触后某个时间间隔内测定的发光强度的值通过合适的相关函数与葡萄糖浓度关联。在所有O2都在染料层中被消耗的情况中，ΔI/Δt将变为0，因为发光强度将不进一步增加。为了解释染料加载的变动(即，传感器到传感器)或者光源的强度的变动(仪器到仪器)，优选将强度改变表达为ΔI/(IΔt)，其中I是在已知的pO2下的强度(即，样品接触前测量的强度)。我们将后者的量称作斜率，其中在样品测量后给定的时间窗口中测定斜率。实际上，已知许多测定斜率的方法。除了发光强度外，也可以使用发光衰减时间(即，Δτ/Δt)，其通过本领域中已知的脉冲或者相方法测定。

形成酶层的聚合物的选择取决于它的a)在水或者水性样品中的不溶性，b)在不破坏酶的活性的溶剂中的溶解性和c)它对相邻染料层的聚合物的粘附性质。许多非交联的亲水聚合物是潜在的候选材料。某些低水吸收聚醚-聚氨基甲酸酯(湿润状态水含量2.5％)在低级醇(如乙醇)或者醇水混合物中可溶，是对从某些硅氧烷生产的染料层提供良好粘附的优选材料。

使用非常亲水的聚合物(水含量50％或者更高)的一个缺点是高水溶性底物如葡萄糖和乳酸太快地渗透到酶层，从而使得转换反应运行太快，从而导致染料层中O2耗尽太快(几秒或者更短)。除了许多其他缺点外，快速率的测定变得不切实际。扩散层控制酶底物的渗透。

根据本领域中一种已知的方法，由聚合物如聚碳酸酯、聚丙烯和聚酯预先形成的由非水合的微孔结构组成的盖膜用于控制酶底物的渗透。此类膜的孔隙率由物理手段，例如，通过中子或者氩径迹蚀刻提供。葡萄糖主要通过装满液体的这些孔渗透这些膜。在与样品接触前，将共底物O2装满入传感器层。共底物(即O2)渗透过孔和聚合物二者。渗透过聚合物的程度取决于它对O2的渗透性。