DE102022000897A1 - Implantable biosensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen implantierbaren Biosensor und ein Verfahren für eine automatisierte kontinuierliche Glukosemessung im Konzentrationsgleichgewicht, umfassend eine Mikroelektrode und einen darauf lokalisierten biokatalytisch aktiven Film beinhaltend ein Redoxpolymer, das mittels eines Vernetzers auf der Oberfläche der Mikroelektrode haftet und ein sauerstoffunempfindliches Enzym als katalytisches Zentrum, sowie die Verwendung eines solchen Sensors für die minimalinvasive Implantation im Bereich der Endokrinologie.The invention relates to an implantable biosensor and a method for automated continuous glucose measurement in concentration equilibrium, comprising a microelectrode and a biocatalytically active film localized thereon containing a redox polymer which adheres to the surface of the microelectrode by means of a crosslinker and an oxygen-insensitive enzyme as a catalytic center, as well the use of such a sensor for minimally invasive implantation in the field of endocrinology.
Description
Die Erfindung betrifft einen implantierbaren Biosensor und ein Verfahren für eine automatisierte kontinuierliche Analytmessung bei minimaler Störung des Konzentrationsgleichgewichts, umfassend eine Mikroelektrode und einen darauf lokalisierten biokatalytisch aktiven Film, der mittels eines Vernetzers auf der Oberfläche der Mikroelektrode haftet, wobei der biokatalytische Film ein Redoxpolymer und ein sauerstoffunempfindliches Enzym umfasst, das ein katalytisches Zentrum aufweist, sowie die Verwendung eines solchen Sensors für die minimalinvasive Implantation im Bereich der Endokrinologie.The invention relates to an implantable biosensor and a method for automated continuous analyte measurement with minimal disruption of the concentration balance, comprising a microelectrode and a biocatalytically active film localized thereon, which adheres to the surface of the microelectrode by means of a crosslinker, the biocatalytic film being a redox polymer and a includes an oxygen-insensitive enzyme that has a catalytic center, as well as the use of such a sensor for minimally invasive implantation in the field of endocrinology.
Diabetes mellitus, ist eine weltweit verbreitete Krankheit, an der weltweit mehr als 420 Millionen Menschen leiden, mit steigender Inzidenz. Sie beruht auf einer Stoffwechselstörung in der Regulierung des Blutzuckerspiegels, die auf einen absoluten oder relativen Mangel an Insulin oder einer Insulinresistenz zurückzuführen ist. Um eine Über- und Unterzuckerung rechtzeitig erkennen und behandeln zu können, sind betroffene Personen auf eine möglichst lückenlose Überwachung ihres Blutzuckerspiegels angewiesen. Obwohl die Glukoseselbstkontrolle (engl. glucose self monitoring - GSM) gut akzeptiert ist und einen großen Gewinn an Lebensqualität für Diabetes-Patienten darstellt, ist sie durch die übliche Anzahl der täglich manuell durchzuführenden Tests deutlich eingeschränkt. Die Entnahme kleiner Blutmengen durch Stechen beispielsweise in den Finger und die Messung des Blutzuckerspiegels mit Einwegteststreifen ist weder in der Nacht möglich, noch liefert sie zuverlässige Daten über Trends, Spitzen oder Muster des Blutzuckerspiegels. Der Bedarf an optimierten Sensortechnologien für die automatisierte kontinuierliche Glukosemessung (engl. continuous glucose monitoring - CGM) ist offensichtlich groß. So wird nicht nur dem Patienten größtmöglicher Komfort und eine Verbesserung der Lebensqualität geboten, sondern auch Folgeerkrankungen von Diabetes mitsamt ihren hohen Behandlungskosten können frühzeitig unterbunden oder reduziert werden.Diabetes mellitus is a disease that is widespread worldwide and affects more than 420 million people worldwide, with an increasing incidence. It is based on a metabolic disorder in the regulation of blood sugar levels, which is due to an absolute or relative lack of insulin or insulin resistance. In order to be able to detect and treat high and low blood sugar levels in a timely manner, those affected depend on their blood sugar levels being monitored as closely as possible. Although glucose self-monitoring (GSM) is well accepted and represents a major improvement in the quality of life for diabetes patients, it is significantly limited by the usual number of tests that have to be carried out manually every day. Taking small amounts of blood by pricking the finger, for example, and measuring blood sugar levels with disposable test strips is neither possible at night nor does it provide reliable data about trends, peaks or patterns in blood sugar levels. The need for optimized sensor technologies for automated continuous glucose monitoring (CGM) is obviously great. This not only offers the patient the greatest possible comfort and an improvement in quality of life, but also secondary diseases of diabetes and their high treatment costs can be prevented or reduced at an early stage.
Eine große Anzahl der aktuell auf dem Markt befindlichen kommerziellen CGM-Systeme verfügt über nadelförmige, minimalinvasive Sensoren, welche in den Arm oder das Abdomen eingeführt werden und die Glukose in der Zwischenzellflüssigkeit (engl. interstitial fluid - ISF) messen. Aufgrund eines konzentrations- und zeitabhängigen Unterschieds zwischen Blutglukose und ISF-Glukose werden die erhaltenen Sensorwerte mit Hilfe von spezifischen Algorithmen korrigiert. Fast alle derzeit verfügbaren CGM-Sensorsysteme basieren auf einer enzymatischen Glukoseumwandlung und elektrochemischer Detektion. Enzymatische Glukosesensoren verfügen über eine sehr hohe Selektivität aufgrund der Spezifität des Enzyms für sein Substrat, was im Allgemeinen zu einer sehr hohen Messgenauigkeit führt. Zudem ist das generelle Messprinzip der elektrochemischen, katalytischen Detektion eine robuste Methode Substrate wie Glukose proportional zu ihrer Konzentration in der jeweiligen Umgebung zu messen. So sind Produkte auf dem Markt, welche nach einer anfänglichen manuellen Kalibrierung des Sensors durch die Fingerstickmethode kontinuierlich und ohne weitere Einstellung für bis zu 14 Tage betrieben werden. Neuere Generationen dieser Sensoren werden sogar werksseitig kalibriert an den Patienten übergeben. Im Gegensatz zu den enzymatischen Sensoren ist bisher ein vollständig implantierbares System zugelassen worden, das auf einem Affinitätswechselwirkungsprinzip an modifizierten Hydrogelen beruht. So genutzte Sensoren dürfen bis zu 90 Tage unter der Haut im Oberarm eines Patienten verbleiben (neuere Studien zeigen auch eine mögliche Verwendbarkeit von bis zu 180 Tagen auf), müssen jedoch täglich manuell kalibriert werden, um die Resultate für etwaige Therapieentscheidungen einsetzen zu können, so wie es bei den zugelassenen enzymatischen Sensoren ohne Kalibration der Fall ist.A large number of commercial CGM systems currently on the market have needle-shaped, minimally invasive sensors that are inserted into the arm or abdomen and measure glucose in the interstitial fluid (ISF). Due to a concentration- and time-dependent difference between blood glucose and ISF glucose, the sensor values obtained are corrected using specific algorithms. Almost all currently available CGM sensor systems are based on enzymatic glucose conversion and electrochemical detection. Enzymatic glucose sensors have very high selectivity due to the specificity of the enzyme for its substrate, which generally results in very high measurement accuracy. In addition, the general measuring principle of electrochemical, catalytic detection is a robust method of measuring substrates such as glucose in proportion to their concentration in the respective environment. There are products on the market that, after an initial manual calibration of the sensor using the finger stick method, are operated continuously and without further adjustment for up to 14 days. Newer generations of these sensors are even handed over to the patient calibrated at the factory. In contrast to enzymatic sensors, a fully implantable system based on an affinity interaction principle on modified hydrogels has so far been approved. Sensors used in this way can remain under the skin in a patient's upper arm for up to 90 days (recent studies also show a possible usability of up to 180 days), but must be calibrated manually every day in order to be able to use the results for any therapy decisions as is the case with approved enzymatic sensors without calibration.
Ein für lange Zeit zu implantierender Biosensor erfordert in erster Linie eine hohe Stabilität aller seiner Komponenten sowie eine hohe Genauigkeit, begleitet von einer sehr einfachen und möglichst seltenen manuellen Kalibrierung des Sensors. Diese Anforderungen werden durch die allgemeine Biokompatibilität des entworfenen Sensors beeinflusst. Zudem verfügt der menschliche Körper über einen komplexen und starken Selbstverteidigungsmechanismus, wenn ein Fremdkörper eingeführt wird. Durch den Implantationsvorgang erleidet das Körpergewebe eine anfängliche Schädigung, die eine Wirtsreaktion auslöst, welche neben der Wundheilung unter anderem die Adsorption von Plasmaproteinen an den Fremdkörper beinhaltet. Gefolgt von einer Zellreaktion und einem Angriff durch Lymphozyten und Makrophagen, führt dies unwiderruflich zu einer fibrösen Einkapselung des Objekts. Diese Fremdkörperreaktion (engl. foreign body response - FBR) persistiert in einer Größenordnung von Tagen bis Wochen und führt zu einer drastischen Veränderung der Bedingungen in der direkten Umgebung des Sensors. Dies führt zu einer zunehmenden Behinderung der Substratdiffusion in Richtung und - im Falle eines katalytisch umwandelnden Sensors - der Produktdiffusion weg von der eigentlichen Sensorschicht. Die FBR wirkt sich somit direkt auf das gemessene Sensorsignal aus. Darüber hinaus schränkt die teilweise Verhinderung der Produktdiffusion weg von der Sensorschicht die Gesamtstabilität des Sensors ein, da bei der Substratumwandlung potentiell Nebenprodukte wie, im Falle von Glukosesensoren, Gluconsäure oder reaktive Peroxidspezies entstehen, die zu lokalen pH-Änderungen oder Radikalreaktionen führen können. Um dem Prozess der fibrösen Einkapselung entgegenzuwirken, wurden Beschichtungen mit verschiedensten Materialien (z.B. mit funktionellen Gruppen dekorierten Polymeren) untersucht, mit dem Ergebnis, dass der Prozess teilweise verlangsamt werden konnte. Da die Einkapselung jedoch über die Zeit der Implantation nicht vollständig verhindert werden kann, ist es von großer Bedeutung, neue Sensorarchitekturen und Messstrategien zu entwickeln, bei denen die Sensorantwort durch Veränderungen im umliegenden Gewebe nicht oder nur in geringem Maße beeinträchtigt wird.A biosensor to be implanted for a long time primarily requires a high level of stability of all its components as well as a high level of accuracy, accompanied by a very simple and, if possible, infrequent manual calibration of the sensor. These requirements are influenced by the overall biocompatibility of the designed sensor. In addition, the human body has a complex and strong self-defense mechanism when a foreign body is introduced. As a result of the implantation process, the body tissue suffers initial damage, which triggers a host reaction, which, in addition to wound healing, includes, among other things, the adsorption of plasma proteins to the foreign body. Followed by a cellular reaction and attack by lymphocytes and macrophages, this irreversibly leads to fibrous encapsulation of the object. This foreign body response (FBR) persists for days to weeks and leads to a drastic change in the conditions in the immediate vicinity of the sensor. This leads to an increasing hindrance of substrate diffusion towards and - in the case of a catalytically converting sensor - product diffusion away from the actual sensor layer. The FBR therefore has a direct effect on the measured sensor signal. Furthermore, the partial prevention of product diffusion away from the sensor layer limits the overall stability of the sensor, as substrate conversion potentially produces by-products such as, in the case of glucose sensors, gluconic acid or reactive peroxide species, which lead to local pH changes or can lead to radical reactions. In order to counteract the process of fibrous encapsulation, coatings with a wide variety of materials (e.g. polymers decorated with functional groups) were investigated, with the result that the process could be partially slowed down. However, since encapsulation cannot be completely prevented over the time of implantation, it is of great importance to develop new sensor architectures and measurement strategies in which the sensor response is not or only slightly affected by changes in the surrounding tissue.
Die momentan auf dem Markt zugelassenen CGM Systeme bedienen sich zweier verschiedener genereller Messmethoden, den auf ein Enzym basierenden, katalytischen Sensoren und solchen, die auf Affinitätswechselwirkungen an Hydrogelen beruhen. Beide Typen weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile bei der (Langzeit)Bestimmung von Glukose auf, die im Folgenden kurz erläutert werden.The CGM systems currently approved for use on the market use two different general measurement methods, enzyme-based catalytic sensors and those based on affinity interactions on hydrogels. Both types have different advantages and disadvantages for the (long-term) determination of glucose, which are briefly explained below.
Für Glukosesensoren, die auf Affinitätswechselwirkungen zwischen Substrat und Sensorfilm basieren, werden beispielsweise mit Boronsäuren modifizierte Hydrogele als Erkennungsmatrix genutzt. Glukose bindet reversibel an die Boronate und moduliert die Fluoreszenz der Oberflächenmatrix. Mithilfe einer LED-Quelle kann diese Modulierung über vergleichende Messungen durch bandgefilterte Photodioden erfasst und elektronisch kodiert ausgewertet werden.For glucose sensors that are based on affinity interactions between substrate and sensor film, for example, hydrogels modified with boronic acids are used as a detection matrix. Glucose binds reversibly to the boronates and modulates the fluorescence of the surface matrix. Using an LED source, this modulation can be recorded via comparative measurements using band-filtered photodiodes and evaluated electronically in code.
Die reversible Bindung mit ausbleibender Veränderung des Glukosemoleküls hat den großen Vorteil, dass sich die Konzentration im Inneren der Sensormatrix im Gleichgewicht mit der äußeren Substratkonzentration befindet. Änderungen der Konzentration in der Umgebung des Sensors werden nach kurzer Zeit durch Diffusion ausgeglichen. Unter der Voraussetzung der allgemein ausreichenden Stabilität aller im Sensor verbauten Komponenten, wird das glukoseabhängige Sensorsignal auch nach einer fortgeschrittenen Verkapselung des Sensors nach längerer Implantation nur geringfügig beeinflusst. Das führt dazu, dass ein solcher Sensor prinzipiell robust und für lange Zeit zur verlässlichen Glukosebestimmung eingesetzt werden kann.The reversible binding with no change in the glucose molecule has the great advantage that the concentration inside the sensor matrix is in equilibrium with the external substrate concentration. Changes in the concentration in the area surrounding the sensor are compensated for by diffusion after a short time. Assuming that all components built into the sensor are generally sufficiently stable, the glucose-dependent sensor signal is only slightly influenced even after the sensor has been encapsulated for a long period of time. This means that such a sensor is in principle robust and can be used for reliable glucose determination for a long time.
Die reversible Art der Glukosemessung kann aber auch nicht vernachlässigbare Nachteile mit sich bringen. Die Glukosebindungskonstante der Erkennungsmatrix muss genau auf die vorherrschenden Bedingungen abgestimmt sein. Ist sie zu stark, löst sich das Substratmolekül nur sehr langsam von der Erkennungsmatrix und Änderungen der Glukosekonzentration in der Sensorumgebung können nur sehr langsam vom Sensor erkannt werden. Ist die Bindungskonstante allerdings zu schwach, ist die Genauigkeit der Detektion beeinträchtigt. Des Weiteren können Moleküle, die der Glukose strukturell sehr ähnlich sind, beispielsweise andere Zuckermoleküle oder vizinale Dialkohole, auch an die Boronsäuren binden, da diese - im Gegensatz zu Enzymen - über keine spezifischen Substraterkennungsmerkmale verfügen. Das führt dazu, dass der Sensor, beispielsweise bei bestimmter Medikamentengabe, verfälschte Ergebnisse liefern kann. Auch Nahrungsmittelzusatzstoffe wie Mannitol oder Sorbitol können, wenn sie ins Blut gelangen, das gemessene Sensorsignal aufgrund der unspezifischen Substraterkennung beeinflussen.However, the reversible type of glucose measurement can also have significant disadvantages. The glucose binding constant of the detection matrix must be precisely tailored to the prevailing conditions. If it is too strong, the substrate molecule only detaches very slowly from the detection matrix and changes in the glucose concentration in the sensor environment can only be detected very slowly by the sensor. However, if the binding constant is too weak, the accuracy of the detection is impaired. Furthermore, molecules that are structurally very similar to glucose, such as other sugar molecules or vicinal dialcohols, can also bind to the boronic acids because, unlike enzymes, they do not have any specific substrate recognition features. This means that the sensor can deliver distorted results, for example when certain medications are administered. Food additives such as mannitol or sorbitol, if they enter the blood, can also influence the measured sensor signal due to non-specific substrate recognition.
Im Gegensatz zu den voranstehend beschriebenen Sensoren, die rein auf Affinitätswechselwirkungen beruhen, wandeln katalytische Sensoren die in die Sensorschicht diffundierenden Substratmoleküle chemisch in Produkte um. Bei elektrochemischen Glukosesensoren geschieht dies beispielsweise durch Oxidation der Glukose durch das entsprechende Enzym und anschließender Regenerierung dessen, mit Hilfe eines an der Sensorelektrode angelegten elektrischen Potentials. Während der enzymkatalytischen Umwandlung bindet das Substrat passgenau an das aktive Zentrum eines Enzyms und bildet einen Enzym-Substrat-Komplex. Aus diesem erfolgt die Reaktion unter Bildung des Produktes, das dann die Bindungstasche des Enzyms verlässt, da die Bindungsstärke zum Substrat deutlich höher ist als zum Produkt der Reaktion. Somit steht das Enzymmolekül unverändert für eine weitere katalytische Reaktion zur Verfügung. Durch die chemische Umwandlung und Freisetzung des Produkts reinigt das Enzym die Sensormatrix quasi selbst und steht damit schnell wieder für weitere Umwandlungsreaktionen bereit. Änderungen der Glukosekonzentrationen in der Umgebung eines solchen Sensors können so deutlich schneller erfasst werden als bei Sensoren, die auf Affinitätswechselwirkungen beruhen.In contrast to the sensors described above, which are based purely on affinity interactions, catalytic sensors chemically convert the substrate molecules that diffuse into the sensor layer into products. In the case of electrochemical glucose sensors, this happens, for example, by oxidizing the glucose by the corresponding enzyme and then regenerating it with the help of an electrical potential applied to the sensor electrode. During the enzyme-catalytic conversion, the substrate binds precisely to the active site of an enzyme and forms an enzyme-substrate complex. From this, the reaction takes place with the formation of the product, which then leaves the binding pocket of the enzyme, since the binding strength to the substrate is significantly higher than to the product of the reaction. The enzyme molecule is therefore available unchanged for a further catalytic reaction. Through the chemical conversion and release of the product, the enzyme essentially cleans the sensor matrix itself and is therefore quickly ready for further conversion reactions. Changes in glucose concentrations in the area surrounding such a sensor can be recorded much more quickly than with sensors based on affinity interactions.
Ein weiterer Vorteil von enzymbasierten Sensoren gegenüber solchen mit Boronsäuren ist die unübertroffene Substratspezifität der Enzyme. Durch geeignete Modifikation der Enzyme können die Spezifität und Reaktivität für bestimmte Substrate noch weiter angepasst werden und auch unerwünschte Nebenreaktionspfade, wie beispielsweise mit im Blut gelösten Sauerstoff, unterbunden werden. Enzymatische Sensoren sind also im Vergleich schneller, präziser und sensitiver als die meisten konkurrierenden Technologien. Der Vorteil der katalytischen Umwandlung und der damit verbundenen Selbstreinigung der Sensormatrix stellt aber zugleich den bedeutendsten Nachteil der konventionellen elektrochemischen Biosensoren dar, wenn diese in implantierbaren Systemen eingesetzt werden sollen. Aufgrund der Tatsache, dass im aktiven Sensorfilm dauernd Substrat umgewandelt und damit „verbraucht“ wird, befindet sich das System nicht im Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Durch die großen Konzentrationsunterschiede zwischen Sensor und Umgebung bildet sich ein steiler Diffusionsgradient aus. Die Stromantwort eines elektrochemischen Sensors ist unter anderem limitiert durch die Diffusion des Substrats zur Elektrode. Wenn im Falle einer fortlaufenden fibrösen Einkapselung eine wachsende Diffusionsbarriere um den Sensor ausgebildet wird, kann sich dadurch das Signal des Sensors bei gleicher äußerer Substratkonzentration deutlich verändern. Dies führt dazu, dass ein solcher Sensor ständig auf die sich ändernde Situation kalibriert werden müsste. Weiterhin kann das Ausbilden einer hohen Diffusionsbarriere eine Erniedrigung der Langzeitstabilität des Sensors zur Folge haben, da sich die Produkte und Nebenprodukte der enzymatischen Umwandlung im Sensorfilm anreichern und beispielsweise lokale pH-Wert Änderungen hervorrufen können.Another advantage of enzyme-based sensors over those using boronic acids is the enzymes' unsurpassed substrate specificity. By appropriately modifying the enzymes, the specificity and reactivity for certain substrates can be further adjusted and undesirable side reaction pathways, such as with oxygen dissolved in the blood, can also be prevented. Enzymatic sensors are therefore faster, more precise and more sensitive than most competing technologies. However, the advantage of catalytic conversion and the associated self-cleaning of the sensor matrix is also the most significant disadvantage of conventional electrochemical biosensors when they are to be used in implantable systems. Due to the fact that substrate is constantly being converted and thus “consumed” in the active sensor film, the system is not in the Balance with its surroundings. The large differences in concentration between the sensor and the environment create a steep diffusion gradient. The current response of an electrochemical sensor is limited, among other things, by the diffusion of the substrate to the electrode. If, in the case of continuous fibrous encapsulation, a growing diffusion barrier is formed around the sensor, the signal from the sensor can change significantly at the same external substrate concentration. This means that such a sensor would have to be constantly calibrated to the changing situation. Furthermore, the formation of a high diffusion barrier can result in a reduction in the long-term stability of the sensor, since the products and by-products of the enzymatic conversion accumulate in the sensor film and, for example, can cause local pH value changes.
Im Stand der Technik sind einige der vorangegangen Sensortypen bereits beschrieben.Some of the previous sensor types have already been described in the prior art.
So ist in der
Ferner wird die Abschaltung der Enzymaktivität in der
Die Abhängigkeit der Messgenauigkeit der Biosensoren von der Diffusionsgeschwindigkeit ist in den Druckschriften
Schließlich wird in dem Artikel, Advances in organic transistor-based biosensors: From organic electrochemical transistors to electrolyte-gated organic field-effect transistors, September 2011 in Analytical and Bioanalytical Chemistry 402(5):1813-26 beschrieben, wie eine spannungsinduzierte Abschaltung eines Enzyms durch so genannte „enzyme transistors“ erfolgt. Zwar gibt es mehrere Wege ein auf einer Elektrode immobilisiertes Enzym vom Umsatz seines Substrats zu hindern. Die Messzeiten sind jedoch relativ lang und es ist nicht möglich den Sensor quasi im Konzentrationsgleichgewicht mit seiner Umgebung (und damit unabhängig von Diffusionsbarrieren) zu halten.Finally, the article, Advances in organic transistor-based biosensors: From organic electrochemical transistors to electrolyte-gated organic field-effect transistors, September 2011 in Analytical and Bioanalytical Chemistry 402(5):1813-26, describes how a voltage-induced shutdown of a Enzyme is carried out by so-called “enzyme transistors”. There are several ways to prevent an enzyme immobilized on an electrode from converting its substrate. However, the measurement times are relatively long and it is not possible to keep the sensor in quasi-concentration equilibrium with its surroundings (and therefore independent of diffusion barriers).
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen katalytischen Biosensor für Analytmessungen mit minimaler Störung des Konzentrationsgleichgewichts des Analyten zu entwickeln, um damit die hauptsächlichen Vorteile (sensitive, sowie akkurate, von der Substratdiffusion unabhängige und schnelle Analytmessungen über einen langen Zeitraum) der auf dem Markt befindlichen Technologien zu nutzen und gleichzeitig die Nachteile des Standes der Technik auf ein Minimum zu reduzieren.The object of the invention is therefore to develop a catalytic biosensor for analyte measurements with minimal disruption of the concentration balance of the analyte in order to achieve the main advantages (sensitive, accurate, substrate diffusion-independent and rapid analyte measurements over a long period of time) of the technologies on the market to use and at the same time reduce the disadvantages of the state of the art to a minimum.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst.The object is achieved according to the invention by the features of
Die (Wieder)Einstellung eines Substratkonzentrationsgleichgewichts zwischen Sensor und Umgebung kann ausschließlich erfolgen, wenn die enzymatische Reaktion am Sensor schnell, vollständig und reversibel unterbunden werden kann. Nur dann wird sich kein dauerhafter Diffusionsgradient zwischen den Kompartimenten einstellen. Dieser An- und Abschaltprozess wird mit der Wahl einer geeigneten Sensorarchitektur erreicht, in der das Enzymensemble effizient elektrisch über ein Redoxpolymer mit der Elektrode verbunden ist.The (re)adjustment of a substrate concentration balance between the sensor and the environment can only take place if the enzymatic reaction on the sensor can be stopped quickly, completely and reversibly. Only then will there be no permanent diffusion gradient between the compartments. This on and off process is achieved by choosing a suitable sensor architecture in which the enzyme ensemble is efficiently electrically connected to the electrode via a redox polymer.
Das Redoxpolymer übernimmt einerseits die Funktion einer geeigneten, stabilen Immobilisierungsmatrix für die Enzyme und ist andererseits verantwortlich für den Elektronentransfer zwischen Enzym und Elektrode, welcher über die am Redoxpolymer gebundenen Mediatoren stattfindet. Durch die räumliche Nähe zwischen den Mediatorkomplexen und den Enzymen im immobilisierten Film ist es möglich, die Prozesse, die innerhalb der katalytisch aktiven Schicht ablaufen, schnell zu kontrollieren. Dies bedeutet, dass der enzymatische Umwandlungsprozess schnell und zuverlässig zwischen „An“- und „Aus“-Zuständen umgeschaltet werden kann.On the one hand, the redox polymer takes on the function of a suitable, stable immobilization matrix for the enzymes and, on the other hand, it is responsible for the electron transfer between the enzyme and the electrode, which takes place via the mediators bound to the redox polymer. The spatial proximity between the mediator complexes and the enzymes in the immobilized film makes it possible to quickly control the processes that occur within the catalytically active layer. This means that the enzymatic conversion process can be switched between “on” and “off” states quickly and reliably.
Das führt zu zwei Grenzzuständen eines mit einem Redoxenzym modifizierten Biosensors, bei dem das Enzym in ein Os-Komplex-modifiziertes Redoxpolymer eingebettet ist und durch Anlegen unterschiedlicher Potentiale an der Elektrode zwischen Umwandlungs- und Nichtumwandlungszustand umgeschaltet wird. Die enzymatische Reaktion kann nur fortwähren, wenn an der Elektrode ein ausreichendes Überpotential angelegt wird, welches die Reoxidation des elektronenvermittelnden Os-Komplexes ermöglicht. Bei einem angelegten Potential, das ausreichend negativer ist als das Mittelpunktspotential des Os2+/Os3+-Paares, wird der Mediator und damit final auch das Enzym selbst in einen reduzierten Zustand gezwungen, so dass kein (weiterer) Substratumsatz stattfindet; dies verhindert die Etablierung eines Substratgradienten. Um eine ausreichend kleine Anzahl oxidierter Os-Komplexe im Film zu erreichen, z.B. ein Os2+/Os3+-Verhältnis von 10000:1, muss das angelegte Potential gemäß Nernst-Gleichung 236 mV negativer sein als das Potential des verwendeten Komplexes unter Standardbedingungen.This leads to two limit states of a biosensor modified with a redox enzyme, in which the enzyme is modified into an Os complex Redox polymer is embedded and is switched between conversion and non-conversion states by applying different potentials to the electrode. The enzymatic reaction can only continue if a sufficient overpotential is applied to the electrode, which enables the reoxidation of the electron-transferring Os complex. With an applied potential that is sufficiently more negative than the midpoint potential of the Os 2+ /Os 3+ pair, the mediator and ultimately also the enzyme itself is forced into a reduced state so that no (further) substrate turnover takes place; this prevents the establishment of a substrate gradient. In order to achieve a sufficiently small number of oxidized Os complexes in the film, for example an Os 2+ /Os 3+ ratio of 10000:1, the applied potential according to the Nernst equation must be 236 mV more negative than the potential of the complex used under standard conditions .
Um die Enzymreaktion verlässlich auszuschalten, müssen alle Nebenreaktionen verhindert werden, die zu einer Reoxidation des Os-Komplexes oder des Enzyms selbst führen, da das wiederum einen Substratverbrauch und somit Nachdiffusion von Substrat in den Film zur Folge haben würde, was die Einstellung einer Gleichgewichtskonzentration behindern würde. In einer vergleichenden Untersuchung von acht Redoxpolymeren mit unterschiedlichen Standardpotentialen wurde gezeigt, dass molekularer Sauerstoff durch Osmiumkomplexe mit einem Redoxpotential negativer als +0.07 V gegen Ag/AgCI/3 M KCI (pH 7) unter Bildung von Wasserstoffperoxid reduziert werden kann, von dem ein Teil durch dieselben Os-Komplexe weiter zu Wasser reduziert wurde. Die direkte Reaktion von Sauerstoff mit Os-Komplexen führt zu zwei Effekten, die unterdrückt werden müssen: Während des Glukoseumsatzes würde das erzeugte Stromsignal verringert, da die Reaktion des Sauerstoffs mit den Metallkomplexen einen effizienten mediierten Elektronentransfer zwischen Enzym und Elektrode teilweise verhindert. Darüber hinaus führt die Anwesenheit von Sauerstoff im Ruhezustand zur Oxidation von Os2+, das anschließend mit den umgebenden Enzymen reagieren kann und dadurch einen unerwünschten Substratumsatz ermöglichen kann. Daher sollte das Redoxpotential des verwendeten Polymers positiver sein als der zuvor genannte Wert, aber gleichzeitig niedrig genug, um Cooxidation interferierender Verbindungen, wie Ascorbinsäure oder Harnsäure, die im Analyten vorhanden sein können, zu vermeiden. Außerdem muss das Enzym selbst unempfindlich gegenüber Sauerstoff sein. Da native Glukoseoxidase aus Aspergillus Niger Sauerstoff als natürlichen Elektronenakzeptor verwendet, kann es nur dann für solche Messungen eingesetzt werden, wenn Sauerstoff zuverlässig ausgeschlossen wird. Das ist aber für den Einsatz als Implantat im menschlichen Körper praktisch nicht umsetzbar. Enzyme wie PQQ-GDH, CDH und FAD-GDH weisen nur eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff auf und sind daher geeignete Kandidaten. Weiterhin können die Sauerstoffempfindlichkeit sowie die Glukoseaffinität und auch die generelle enzymatische Stabilität durch genetische Mutation in gewünschte Regionen moduliert werden.In order to reliably switch off the enzyme reaction, all side reactions that lead to reoxidation of the Os complex or the enzyme itself must be prevented, as this would in turn result in substrate consumption and thus post-diffusion of substrate into the film, which would hinder the establishment of an equilibrium concentration would. In a comparative study of eight redox polymers with different standard potentials, it was shown that molecular oxygen can be reduced by osmium complexes with a redox potential more negative than +0.07 V against Ag/AgCl/3 M KCl (pH 7) to form hydrogen peroxide, part of which was further reduced to water by the same Os complexes. The direct reaction of oxygen with Os complexes leads to two effects that must be suppressed: During glucose turnover, the generated current signal would be reduced because the reaction of oxygen with the metal complexes partially prevents efficient mediated electron transfer between enzyme and electrode. Furthermore, the presence of oxygen in the resting state leads to the oxidation of Os 2+ , which can then react with the surrounding enzymes and thereby enable undesirable substrate turnover. Therefore, the redox potential of the polymer used should be more positive than the aforementioned value, but at the same time low enough to avoid co-oxidation of interfering compounds, such as ascorbic acid or uric acid, which may be present in the analyte. In addition, the enzyme itself must be insensitive to oxygen. Since native glucose oxidase from Aspergillus Niger uses oxygen as a natural electron acceptor, it can only be used for such measurements if oxygen is reliably excluded. However, this is practically impossible to implement for use as an implant in the human body. Enzymes such as PQQ-GDH, CDH and FAD-GDH have low sensitivity to oxygen and are therefore suitable candidates. Furthermore, oxygen sensitivity and glucose affinity as well as general enzymatic stability can be modulated by genetic mutation in desired regions.
Die eigentliche Analytmessung, also die Zeit, in der der Sensor das Substrat katalytisch umsetzt, bevor er wieder in den „Aus“-Zustand geschaltet wird, muss extrem kurz sein, um dabei möglichst wenig Substrat zu verbrauchen und damit das Konzentrationsgleichgewicht geringstmöglich zu stören. Im Vergleich zu makroskopischen Elektroden mit Radien von mehreren Millimetern und mehr, bieten elektrochemische Sonden im Mikrometer- und Nanometerbereich aufgrund ihrer geringen Größe mehrere Vorteile, wie z.B. eine geringere Kapazität, eine schnelle sphärische Diffusion und vernachlässigbare ohmsche Verlusteffekte. Diese Eigenschaften sind für elektrochemische Messungen auf sehr kurzen Zeitskalen von großer Bedeutung. Neben der Wahl von Elektroden mit geringen Dimensionen muss auch die auf der Elektrodenoberfläche immobilisierte Redoxhydrogelschicht hinreichend dünn sein, da der Elektronentransport in solchen Filmen nur über kurze Distanzen effizient und störungsfrei erfolgen kann. Zu dicke Polymerfilme mit ineffizientem Elektronentransport können zu Inhomogenität von Ladungen, sprich Gradienten zwischen reduzierten und oxidierten Mediatorkomplexen, innerhalb des Films führen und würden die Messung damit beeinträchtigen oder verlangsamen.The actual analyte measurement, i.e. the time in which the sensor catalytically converts the substrate before it is switched back to the “off” state, must be extremely short in order to use as little substrate as possible and thus disturb the concentration balance as little as possible. Compared to macroscopic electrodes with radii of several millimeters and more, electrochemical probes in the micrometer and nanometer range offer several advantages due to their small size, such as lower capacitance, fast spherical diffusion and negligible ohmic loss effects. These properties are of great importance for electrochemical measurements on very short time scales. In addition to choosing electrodes with small dimensions, the redox hydrogel layer immobilized on the electrode surface must also be sufficiently thin, since electron transport in such films can only take place efficiently and without interference over short distances. Polymer films that are too thick and have inefficient electron transport can lead to inhomogeneity of charges, i.e. gradients between reduced and oxidized mediator complexes, within the film and would therefore impair or slow down the measurement.
Die nachfolgende Beschreibung eines enzymatischen Glukosesensors zeigt die Umsetzbarkeit des entwickelten Sensorkonzepts. Dabei handelt es sich um eine kombinierte, in Zyklen wiederholbare Messreihenfolge bestehend aus einer potentiostatischen Kontrolle des Sensorzustands zwischen „An“ und „Aus“ und einer Datenerfassung während einer kurzen potentiometrischen Analytmessung. Die hier vorgestellte universelle Messstrategie kann durch Austauschen der im Hydrogelfilm immobilisierten redoxaktiven Enzyme auch für andere Substrate als Glukose eingesetzt werden (z.B. zur Glutamat- oder Lactatbestimmung).The following description of an enzymatic glucose sensor shows the feasibility of the developed sensor concept. This is a combined measurement sequence that can be repeated in cycles and consists of a potentiostatic control of the sensor state between “on” and “off” and data acquisition during a short potentiometric analyte measurement. The universal measurement strategy presented here can also be used for substrates other than glucose (e.g. for determining glutamate or lactate) by replacing the redox-active enzymes immobilized in the hydrogel film.
Alle hier vorgestellten Messergebnisse wurden mit Sensoren erhalten, welche auf Kohlenstoffmikroelektroden mit einer scheibenförmigen Elektrodenoberfläche basieren. Die Herstellung von Kohlenstofffasermikroelektroden mit einem Durchmesser von 6-8 µm erfolgte nach einem etablierten Prozess. Für die dynamische Langzeitmessung des Analyten wurden Kohlenstoffmikroelektroden mit einem vergrößerten Durchmesser von 18-20 µm verwendet. Die hergestellten Elektroden wurden unabhängig von ihrer Größe wie folgt modifiziert: Zunächst wurde die Kohlenstoffoberfläche elektrochemisch mit 1,7-Diaminoheptan (DAH) mittels zyklischer Voltammetrie kovalent dekoriert. Dazu wurden 2 voltammetrische Zyklen mit einer Spannungsvorschubgeschwindigkeit von 25 mV/s in einem Potentialbereich von 0.2 bis 1.6 V vs. Ag/AgCI/3M KCl in einer Lösung mit 4.7 mM DAH in 0.1 M LiCLO4/EtOHabs gefahren. Anschließend wurden die Elektroden jeweils abwechselnd durch zweimaliges Tauchen in Ethanol und destilliertes Wasser von Resten der DAH Lösung befreit. Dieser Vorgang ermöglicht kovalente Bindungen zwischen dem zu immobilisierenden Polymerrückgrat und der modifizierten Elektrodenoberfläche und führt damit zu einer erhöhten Stabilität des Hydrogelfilms auf der Elektrodenoberfläche. Die aminomodifizierten Elektroden wurden anschließend für 10 min in eine wässrige Lösung des bifunktionellen Diepoxyvernetzers Poly(ethylenglykol)diglycidylether (PEGDGE) (5 mg/mL) getaucht, um eine epoxyterminierte Oberfläche zu bilden, an der die freien Aminogruppen des Redoxpolymerrückgrats (Struktur siehe
Nachfolgend wurden die Elektroden abwechselnd durch Eintauchen in Redoxpolymer und einer Mischung desselben Polymers und dem sauerstoffunempfindlichen Enzym GcFAD-GDH, exprimiert in Pichia Pastoris, im Verhältnis 1:1 (alle Lösungen 2.5 mg/mL in Wasser) beschichtet. Hierfür wurden die Elektroden für 20 s in die reine Polymerlösung eingetaucht, dann für 30 s an Luft mit der modifizierten Spitze nach unten zeigend getrocknet und danach für 60 s in die Polymer/Enzymlösung getaucht und abermals für 30 s an der Luft getrocknet. Je nach gewünschter Gesamtfilmdicke wurden die Eintauchvorgänge mehrmals wiederholt, und die Elektrode wurde zum Schluss für 20 s mit einer Schicht reinem Polymer überzogen. Zur weiteren Unterstützung der Stabilität der biokatalytisch aktiven Filme können die Elektroden optional mit einer weiteren Schutzschicht, z.B. bestehend aus dem Polymer P-(SS-BA-GMA) (Struktur
Das erarbeitete Sensorkonzept basiert auf einer potentiostatischen Kontrolle des Potentials, um den Sensor durch Ausschalten und Verhindern der enzymatischen Glukoseumwandlung im Substratkonzentrationsgleichgewicht zu halten. Dazu wird ein ausreichend negatives Potential von -250 mV gegenüber dem Redoxpotential des Os2+/Os3+-Übergangs des verwendeten Mediators angelegt. Damit liegt das Ladungsgleichgewicht stark auf der Seite des reduzierten Os2+-Komplexes, welcher so keine Elektronen vom reduzierten Enzym aufnehmen kann.The developed sensor concept is based on potentiostatic control of the potential in order to keep the sensor in substrate concentration equilibrium by switching off and preventing enzymatic glucose conversion. For this purpose, a sufficiently negative potential of -250 mV is applied compared to the redox potential of the Os 2+ /Os3 + transition of the mediator used. This means that the charge balance is strongly on the side of the reduced Os 2+ complex, which cannot accept electrons from the reduced enzyme.
Ein kurzer potentiostatischer Aufladepuls führt durch Anlegen eines gegenüber dem Os2+/Os3+ -Übergang um 250 mV höheren Potentials zu einem Überschuss von Os3+-Komplexen im Hydrogelfilm. Das ermöglicht die Elektronenübertragung vom Enzym auf die Mediatoren und damit die enzymatische Umwandlung der Glukose, die sich innerhalb des Films in unmittelbarer Nähe der Enzyme befindet. Dieser Puls muss lang genug andauern, um den Film ausreichend aufzuladen. Gleichzeitig muss der Ladevorgang kurz genug sein, um nicht zu viel Glukose im Film zu verbrauchen. Ansonsten diffundiert das Substrat von außerhalb des Films in diesen hinein und es würde sich der unerwünschte Diffusionsgradient ausbilden.A short potentiostatic charging pulse leads to an excess of Os 3+ complexes in the hydrogel film by applying a potential that is 250 mV higher than the Os 2+ /Os 3+ transition. This enables the transfer of electrons from the enzyme to the mediators and thus the enzymatic conversion of the glucose, which is located within the film in the immediate vicinity of the enzymes. This pulse must last long enough to sufficiently charge the film. At the same time, the charging process must be short enough so as not to use up too much glucose in the film. Otherwise, the substrate would diffuse from outside the film into it and the undesirable diffusion gradient would form.
Die eigentliche Messung des Analyten und Datenerfassung erfolgt direkt nach dem potentiostatischen Puls, wobei der Stromkreis zur Arbeitselektrode geöffnet wird und der Elektronenfluss damit unterbunden wird. Ein parallel geschaltetes Potentiometer mit hochohmigem Widerstand dient der Messung einer Potentialänderung an der Arbeitselektrode (
Im Anschluss an die Datenerfassung wird der Stromkreis wieder geschlossen und gleichzeitig wird das Ausgangspotential von 250 mV negativ vom Os2+/Os3+-Halbzellenpotential angelegt, um die enzymatische Reaktion schnell und reversibel zu deaktivieren und somit die Wiederausbildung des Substratkonzentrationsgleichgewichts zu erlauben. Dieser Messzyklus dargestellt in
Das erarbeitete Messkonzept wurde mit zuvor hergestellten Mikrobiosensoren verschiedener Größen experimentell umgesetzt und überprüft. Dabei wurden die Sensoren jeweils in eine Messzelle mit angeschlossener Zu- und Abflussregelung platziert und in einem Dreielektrodensystem mit einer Ag/AgCI/3M KCI Referenz und einer Platingegenelektrode an einem digitalen Potentiostaten verschaltet. Als Messelektrolyt diente PBS mit einem pH-Wert von 7.4. Die zu untersuchenden Glukosekonzentrationen wurden manuell über die Zu- und Ablauföffnungen an der Messzelle durch Ein- und Ausleiten verschieden konzentrierter Glukoselösungen in PBS eingestellt. Eine isolierte Messung beinhaltet eine potentiostatische Aufladung des Redoxpolymerfilms für eine Sekunde, gefolgt von einer Messwertdatenerfassung für 2.5 s, währenddessen kein Potential an die Arbeitselektrode angelegt wurde.The measurement concept developed was experimentally implemented and tested using previously manufactured microbiosensors of various sizes. The sensors were each placed in a measuring cell with a connected inflow and outflow control and in a three-electrode system with a Ag/AgCI/3M KCI reference and a platinum counter electrode connected to a digital potentiostat. PBS with a pH of 7.4 was used as the measuring electrolyte. The glucose concentrations to be examined were adjusted manually via the inlet and outlet openings on the measuring cell by introducing and removing glucose solutions of different concentrations in PBS. An isolated measurement involves potentiostatic charging of the redox polymer film for one second, followed by measurement data acquisition for 2.5 s, during which no potential was applied to the working electrode.
Zwischen den Messungen wurde der Sensor über eine Zeit von 90 s durch Anlegen eines Potentials von -50 mV in den „Aus“-Zustand versetzt (
Einer der zentralen Aspekte für einen für eine lange Zeit verlässlich funktionierenden „substratverbrauchenden“ implantierbaren Sensor ist sein Verhalten bei vergrößerter Diffusionsbarriere. Wie zuvor beschrieben, darf das Sensorsignal möglichst nicht von einer sich im menschlichen Körper kontinuierlich ausbildenden fibrösen Proteinkapsel um das Sensorkompartiment abhängig sein. In einem Kontrollexperiment wurde ein Sensor mit einer zusätzlichen verdickten Polymerschicht aus P(SS-GMA-BA) so modifiziert, dass die Diffusion von Glukose in den redoxaktiven Hydrogelfilm, ähnlich zum FBR-Effekt, stark eingeschränkt war.One of the central aspects for a “substrate-consuming” implantable sensor that functions reliably over a long period of time is its behavior when the diffusion barrier is increased. As described above, the sensor signal should, if possible, not be dependent on a fibrous protein capsule that continuously forms around the sensor compartment in the human body. In a control experiment, a sensor was modified with an additional thickened polymer layer made of P(SS-GMA-BA) so that the diffusion of glucose into the redox-active hydrogel film was severely restricted, similar to the FBR effect.
Mit diesem Sensor wurden vergleichende Messungen mit kurzen Regenerationszeiten (t) zwischen den Aufladepulsen (Sensor für 2 s ausgeschaltet
Das übergeordnete Ziel war, eine katalytische Messung von Substrat (Glukose) unter quasi Gleichgewichtsbedingungen zwischen dem Sensorfilm und der dem Sensor umgebenden Lösung zu etablieren. Die Ausbildung eines ausgedehnten linearen Bereichs ab einer Zeit von 0.5 s der Datenerfassung im zuvor gezeigten Sensor legt nahe, dass das Sensorsignal spätestens zu diesem Zeitpunkt der Messung hauptsächlich durch die Substratdiffusion zum Sensor kontrolliert wird. Damit wäre also kein Vorteil gegenüber einer amperometrischen, diffusionslimitierten Glukosemessung mit demselben Sensor geschaffen worden. Das bedeutet, dass die Zeit zur Datenerfassung in unseren Experimenten noch deutlich verkürzt werden musste. Um weitestgehend ohne Einfluss von Substratdiffusion in den Redoxpolymerfilm hinein messen zu können, befasst sich unser Lösungsansatz daher mit der Bestimmung der unterschiedlichen Steigungen der Messkurven innerhalb der ersten maximal 75 ms direkt nach dem Aufladepuls. Zur Rauschunterdrückung wurden die jeweiligen Messdaten mit einem digitalen schnellen Fourier Transformation (FFT) Tiefpassfilter (Grenzfrequenz ~ 50 Hz) aufbereitet und der Potentialverlauf im Vergleich zum Anfangswert nach der potentiostatischen Aufladung gegenüber der Zeit aufgetragen (
Nach Nahrungsaufnahme kann der Glukosespiegel bei einem Diabetespatienten schnell stark ansteigen bzw. nach Insulingabe zu sehr niedrigen Werten absinken. Ein potentiell, implantierbarer Glukosesensor sollte während dieser Änderungen schnelle und zuverlässige Ergebnisse liefern, die helfen, solche Trends früh erkennen zu können. Um solche Glukoseänderungen zu simulieren und graphisch darzustellen, wurde mit einem Sensor ein dynamisches Glukoseprofil über einen Zeitraum von ca. 4 Stunden gemessen und die Beträge der Steigungen für jede Messung bei sich ständig ändernder Glukosekonzentration (
Die Auswertung der Steigungen der Potentialtransienten bei unterschiedlichen Glukosekonzentrationen zeigte eine sehr gute Korrelation zwischen diesen Messungen und vergleichenden Kontrollen mit denselben Sensoren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die hergestellten Sensoren auch bei künstlich vergrößerter Diffusionsbarriere (Simulation des FBR Effekts) nach einer kurzen Regenerationszeit die gleiche Messdatenqualität liefern wie nicht veränderte Sensoren. Durch die erhaltenen experimentellen Ergebnisse wurde erstmals die Möglichkeit geschaffen, die Vorteile der zurzeit den Markt beherrschenden konkurrierenden Glukosesensortechnologien (Affinitätssensoren und elektrochemische Sensoren) zu vereinen und die bisherigen Nachteile (langsames Einstellen des Gleichgewichts, Beeinflussung durch Interferenzen, Substratdiffusionslimitierung nach fibröser Einkapselung) auf ein Minimum zu reduzieren.The evaluation of the slopes of the potential transients at different glucose concentrations showed a very good correlation between these measurements and comparative controls with the same sensors. It was also shown that the manufactured sensors deliver the same measurement data quality as unmodified sensors after a short regeneration time, even with an artificially enlarged diffusion barrier (simulation of the FBR effect). The experimental results obtained made it possible for the first time to combine the advantages of the competing glucose sensor technologies currently dominating the market (affinity sensors and electrochemical sensors) and to minimize the previous disadvantages (slow adjustment of equilibrium, influence by interference, substrate diffusion limitation after fibrous encapsulation). to reduce.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Erläuterungen für die
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1 zeigt chemische Strukturen der Redoxpolymere (4) P(VI-AH)-Os und P(SS-GMA-BA). Nominelle Zusammensetzung (in mol %) der funktionellen Gruppen im Polymerrückgrat für P(VI-AH)-Os: k = 79, I = 20, m-I < 1 und für P(SS-GMA-BA): k = 50, I = 30, m = 20. -
2 zeigt den schematischen Messaufbau für ein analoges System bestehend aus einem separatem Potentiostaten und einem Potentiometer. Der Stromkreis wird extern über ein computergesteuertes digitales in-/out Interface zwischen Potentiometer und Potentiostat geschaltet. -
3 offenbart die graphische Darstellung des entwickelten Messprinzips. Das An- bzw. Ausschalten des Sensors (1) erfolgt über das Anlegen eines um 250 mV positives oder negatives Potential gegenüber des E1/2 des verwendeten Os-Komplexes am Redoxpolymer (4). Ein übergeordneter Stromkreis zur Mikroelektrode (2) des Sensors (1) ermöglicht das Schalten zwischen potentiostatischer Kontrolle und potentiometrischer Messung. -
4 zeigt Links: Isolierte Potentialtransienten eines Sensors (1) unter sich änderndenGlukosekonzentrationen von 0 mM (PBS, pH 7.4), 1 mM, 3 mM, 5 mM und 7.5 mM (von oben nach unten). Rechts:Je gemessene Konzentration 0 mM bzw. 3mM wurden 4 individuelle Potentialtransienten aufgetragen, welche sich nahezu vollständig überlagern. -
5 zeigt vergleichende Messungen eines Sensors (1), der mit einer hohen Diffusionsbarriere für die Eindiffusion des Analyten (8), hier Glukose, in den aktiven Polymerfilm (3) ausgestattet wurde. Während kurzer Regenerationszeiten von 2 s zwischen den individuellen gepulsten Messungen des Analyten (1. - 4.) a) ist eine Verarmung des Analyten (8), hier Glukose im Film (3), sukzessiv zwischen der ersten Messung (1. - unterste Kurve mit stärkstem Potentialabfall) und der letzten Messung (4. - oberste Kurve mit geringstem Potentialabfall) erkennbar - durch eine schwächere Veränderung des Potentials während der Messung. b) Je länger die Regenerationszeit, desto geringer ist die Verarmung des Analyten (8) im Film (3). c) Ab einer Regenerationszeit von 30 s ist kein Unterschied zwischen den individuellen Messungen mehr erkennbar. -
6 zeigt Links: Auftragung der Steigungen individueller Potentialtransienten gegenüber ihres Anfangspotentials bei steigender Glukosekonzentration (0 mM, 1 mM, 3 mM, 5 mM und 7.5 mM - von oben nach unten) mit Bestimmung der jeweiligen Geradensteigung im Bereich zwischen 20 und 45 ms. Rechts: Kalibrierkurve bestehend aus korrelierten Werten des Stroms (■), Potentials (Δ) und der Steigung der Potentialtransienten (•) für denselben Sensor (1) abhängig von der Glukosekonzentration. -
7 beschreibt die dynamische Messreihe bei sich ständig ändernder Glukosekonzentration zwischen 1 und 7.5 mM. Die einzelnen Messpunkte (x) wurden aus der Steigung ihrer Potentialtransienten zwischen 10 und 20 ms nach dem Aufladepuls ermittelt. Die Quadrate (■) zeigen unabhängig durchgeführte amperometrische Messungen in Korrelation mit den Pulspotentialtransienten. Die eingezeichnete Spur wurde aus demlaufenden Durchschnitt von 4 individuellen Pulsmessungen ermittelt.
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1 shows chemical structures of the redox polymers (4) P(VI-AH)-Os and P(SS-GMA-BA). Nominal composition (in mol%) of the functional groups in the polymer backbone for P(VI-AH)-Os: k = 79, I = 20, mI < 1 and for P(SS-GMA-BA): k = 50, I = 30, m = 20. -
2 shows the schematic measurement setup for an analog system consisting of a separate potentiostat and a potentiometer. The circuit is switched externally via a computer-controlled digital in/out interface between potentiometer and potentiostat. -
3 reveals the graphical representation of the developed measuring principle. The sensor (1) is switched on or off by applying a potential of 250 mV positive or negative compared to the E 1/2 of the Os complex used on the redox polymer (4). A higher-level circuit to the microelectrode (2) of the sensor (1) enables switching between potentiostatic control and potentiometric measurement. -
4 shows Left: Isolated potential transients of a sensor (1) under changing glucose concentrations of 0 mM (PBS, pH 7.4), 1 mM, 3 mM, 5 mM and 7.5 mM (from top to bottom). Right: For each measured concentration of 0 mM or 3 mM, 4 individual potential transients were applied, which almost completely overlap each other. -
5 shows comparative measurements of a sensor (1) that was equipped with a high diffusion barrier for the diffusion of the analyte (8), here glucose, into the active polymer film (3). During short regeneration times of 2 s between the individual pulsed measurements of the analyte (1st - 4th) a) a depletion of the analyte (8), here glucose in the film (3), can be seen successively between the first measurement (1st - lowest curve with the greatest drop in potential) and the last measurement (4th - top curve with the lowest drop in potential) - by a weaker change in potential during measurement. b) The longer the regeneration time, the lower the depletion of the analyte (8) in the film (3). c) From a regeneration time of 30 s, there is no longer any difference between the individual measurements. -
6 shows left: Plot of the slopes of individual potential transients compared to their initial potential with increasing glucose concentration (0 mM, 1 mM, 3 mM, 5 mM and 7.5 mM - from top to bottom) with determination of the respective straight line slope in the range between 20 and 45 ms. Right: Calibration curve consisting of correlated values of the current (■), potential (Δ) and the slope of the potential transients (•) for the same sensor (1) depending on the glucose concentration. -
7 describes the dynamic series of measurements with constantly changing glucose concentrations between 1 and 7.5 mM. The individual measuring points (x) were determined from the slope of their potential transients between 10 and 20 ms after the charging pulse. The squares (■) show independently performed amperometric measurements in correlation with the pulse potential transients. The trace drawn was determined from the running average of 4 individual pulse measurements.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- BiosensorBiosensor
- 22
- Mikroelektrodemicroelectrode
- 33
- Biokalytischer FilmBiocalytic film
- 44
- RedoxpolymerRedox polymer
- 55
- EpoxyvernetzerEpoxy crosslinker
- 66
- Enzymenzyme
- 77
- Katalytisches ZentrumCatalytic center
- 88th
- AnalytAnalyt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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