[发明专利]生物传感器

说明书

本发明涉及电极组件，所述电极组件具有结合了模拟生物膜的磷脂层的电极，涉及结合了这种组件的电化学生物传感器，并且涉及所述生物传感器的用途。该传感器可以用于例如电化学分析样品以确定具有生物膜活性的物种(例如毒素)的存在(或其它)，或用于研究物种(例如潜在药物)是否具有生物膜活性。

电极上的表面层作为用于电化学询问(electrochemical interrogation)的膜模型¹已被研究了一些时间。一种方法利用了如下事实，即长链烷烃硫醇可以使用硫醇键结合到金属表面如金或银上以形成自组装层(SAM)²。该体系被用作生物传感器，例如通过查看在膜表面上的分析物特定结合反应³或通过研究与溶液中的感应电流物种(faradaic species)的偶联酶反应⁴。此途径用于传感应用的优点在于体系的稳定性。缺点在于结合层不是流体并且不完全类似细胞膜。因为此缺点，该体系精心设计通过在束缚层上非共价地沉积磷脂层而制备不对称的双层⁵。然而，所得到的模型膜体系的复杂性导致远离了对于耐用的分析器件所需要的简单性。用于研究电极上的似表面膜的层的备选策略是表面活性剂/磷脂膜在电极表面上的非共价沉积^6-19。此途径的优点在于层是可移动的，发生作为施加电势的函数的可逆相转变并且在极值电势(＞1V)下脱附^10，17，18。这些方法成为在双层和生物膜的电穿孔¹⁹中涉及的机理的基础。

在此方面相关的是GB-A-2 193 326(自然环境研究学会(NaturalEnvironment Research Council))，其公开了一种基于悬汞滴电极(HDME)的使用的生物传感器，其中为了用电极进行测量的目的，每一个连续的汞滴形成有磷脂层。更具体地，HMDE(其在还包含辅助电极和参比电极的电化学池中起到工作电极的作用)具有毛细管尖端(在这里可以形成连续的汞滴)，它可相反地移入电解质液体中和从电解质液体中移出，所述电解质液体在其表面上具有磷脂(例如，二油酰卵磷脂或蛋黄卵磷脂(egg lecithin))的膜。要通过生物传感器研究的物种包含在电解质液体中。在一个操作循环中，当尖端在液体中并且在脂质膜下方时，在尖端处形成汞滴。然后尖端向上通过膜取出，然后向下回到液体中。以此方式，在汞滴的表面上形成脂质膜，其具有与一半的生物膜非常类似的结构和性质。然后可以通过快速循环伏安法使用处于快速变化速率(ramp rate)(例如40V s^-1)的锯齿波形，通过监测浸入电解质液体中的汞电极上的磷脂层进行研究溶液中物种的测量。在低的电压，所得到的电流与电极表面的电容成比例，在高的电压，电容显示尖峰，表示对应于其流动性的磷脂层的相变，并且(考虑到电解质液体不含有任何生物膜活性组分)非常体现纯磷脂的特征。对于二油酰磷脂酰胆碱(DOPC)在伴随的图6a(参见以下)中显示这些峰。然而，具有生物膜活性的物种的存在改变流动性并且影响相变，因而影响峰的形式。因而生物传感器可以用于检测样品中生物膜活性组分的存在。检测极限取决于样品中特定化合物的本性，但是对于一些聚芳族化合物为在水中1ppb左右。

非共价地沉积在液态汞上的磷脂单层的体系由于流体磷脂与液态汞的相容性因而代表独特且生物相关的情况。由此性质显现三种特征：

(i)代表水的进入和随后取向变化的相转变是尖锐的并且由循环伏安法和交流伏安法曲线中的不同电容峰表现⁹。

(ii)汞上的磷脂层对于与以选择性方式改变层的结构和流动性或组织的生物膜活性物种的相互作用敏感。相互作用影响相转变的本性和层的阻抗性质¹⁴。这些相互作用不同于通常用于膜基生物传感器中的那些，它们依赖于分析物物种和连接到膜或单层/双层上的部分之间的结合反应¹⁶。

最近我们显示了磷脂-Hg体系还可以用于筛选溶液中的肽，并且其选择性地响应短肽的官能性¹⁴。最初研究了层与短杆菌肽衍生物之间的相互作用^11，12，随后的研究着眼于通过抗微生物肽改变单层体系^21，22，最后研究了短链十一残基β-折叠自组装肽的结构和单层活性之间的关系¹⁴。就一切情况而论，相互作用非常接近地反映肽的生物膜活性。