[发明专利]一种酶生物电化学传感芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测液体中特定溶质含量的酶生物电化学传感芯片， 同时还涉及该生物传感芯片的制备方法，属于分析检测技术领域，包括医疗、 环保、食品安全等等。

背景技术

酶生物电化学传感器是一种新型的分析检测仪器设备，具有精确度高，选 择性强，速度快，体积小，造价低，操作简单和使用便利等特点。因此其在众 多领域都拥有巨大应用潜力和发展前景，例如医疗保健，环境保护和食品安全 等。酶生物电化学传感芯片(简称生物传感芯片)是酶生物电化学传感器的核 心部件。它主要由分子接受元件(receptor)和信号传感元件(transducer)两个部 分组成。前者通常是一种生物酶，通过生物酶对检测溶质氧化还原反应的催化 作用而导致分子电化学性能的改变。信号传感元件再将这种电化学性能的改变 转换成可测量的电信号(如电流或电容)。由于特定生物酶对标靶分子的强选 择性，从而可以避免试样液中其它复杂成份的干扰，实现准确的定量分析。信 号传感元件一般包括电介体(mediator)和导电材料等。通常生物传感芯片由一个 工作电极(working electrode)和一个反电极(counter electrode)，有时也可带有一 个独立的参比电极(reference electrode)组成。

在酶生物电化学传感器的开发和应用方面，用于血液葡萄糖检测的血糖检 测仪(SMBG)已取得了巨大的成功，并有许多专利发表。其产品可帮助患者进 行自我血糖检测，从而为糖尿病的日常病情监测、控制和治疗提供了帮助，取 得了显著的经济和社会效益。然而，迄今所开发的血糖检测生物传感芯片(俗 称“检测试条”)只能一次性使用，从而决定了该类产品的局限性。例如，这 种“单点式”测量不能实现对血糖水平真正的“适时”掌握，因而在血糖水平 波动较大和/或测试频率较低时，很可能遗漏“关键点”，而达不到有效防止 低血糖或高血糖的目的。为此，近年来科技工作者正在努力开发带有可以连续 使用的生物传感芯片的连续式血糖检测产品。其主要优点包括：

随时掌握血糖水平及波动情况，并在必要时(如血糖水平变动过快或接近 设定临界值)自动提示患者或医护人员，以采取措施防止低血糖或高血糖的发 生，成功实现血糖波动范围的有效控制。另外，也特别适合住院病人，儿童和 老人，以及特定情况(如驾驶和睡眠等)的监护。

详细记录不同时间段(如夜晚、每天及每周等)血糖水平及波动数据(可 下载)，为医生掌握患者的病情和制定医疗方案提供可靠依据。

可与胰岛素泵连用，为患者提供“人工胰腺”(artificial pancreas)。

可用作医院血糖的诊断和监控器材，如病人(不限于糖尿病患者)手术和 术后监护等。

虽然连续法生物传感芯片和一次性生物传感芯片都是基于酶生物电化学的 工作原理，但两者使用要求的不同决定了前者必须采用新的设计思路和制备方 法。其中的关键是有效地防止工作电极上主要氧化还原试剂(如生物酶和电介 体等)在测试过程中的流失(leach out)并保持它们的活性。目前所采用的方 法主要分为化学键接和物理截留(entrapment)两种。化学键接方法一般是采 用化学反应将工作电极上的氧化还原试剂自身或与其他辅助试剂一起形成分子 交联网络。这种分子交联网络在与检测液体(如血液或间质体液(interstitial- fluid))接触时形成溶涨而不溶解的水溶胶。因为氧化还原试剂已经成为这种分 子交联网络的一部分，所以不会轻易流失。这种方法的专利例子有US6299757 和US6461496，也有大量的科技文献发表，例如参考文献5-7。但是，化学键接 方法通常会引起生物酶活性的大幅度下降，如果控制不当甚至会导致生物传感 芯片工作不稳定。典型的物理截留法是采用半透析膜(membrane)将附着在导 电材料表面的氧化还原试剂与检测液体隔离开。WO2005048834和US7432069 便是采用这种方法的专利。这里半透析膜性能的控制十分关键，包括表面性 能、膜孔大小和其分布、以及膜的厚度等等。一方面，要防止或减缓氧化还原 试剂的流失；另一方面，又要平衡生物传感芯片的其它重要性能，例如溶质分 子扩散通过膜孔的速度、溶质浓度梯度的形成、以及平衡的建立等等。这类生 物传感芯片的制造工艺复杂、难度较大，不利于大规模量产。