CN101101273A - 一种碳纳米管修饰的血糖生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纳米管修饰的血糖生物传感器,包括基底、三电极系统、绝缘层,三电极系统周围形成有反应腔体,反应腔体内设有反应层,反应腔体上覆盖有盖板,所述的反应层包含碳纳米管、酶和电子传递剂,所述的酶采用以吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶。本传感器的相应灵敏度显著提高,对血液中葡萄糖浓度的测量不受测量现场的氧气压强、浓度和血液样本中氧含量的影响。本发明具有制作工艺简单、适合于大批量生产、成本低、测量使用的样品量低等优点。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器的研制领域,具体是指一种碳纳米管修饰、以吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶血糖生物传感器及其制备方法。
背景技术
随着我国进入信息化社会,人口结构趋于老龄化,人们对健康的关注日益加强,人民生活水平逐年提高,糖尿病的患病率也随之提高,在中国13个地区总患病率为0.67%,大城市约1%左右,40岁以后患病率显著升高。使用葡萄糖氧化酶作为催化剂的葡萄糖传感器准确度受测量现场的大气氧气压强、浓度和血液样本中氧含量的影响。
1991年日本NEC的Iijima教授研制出同轴管状的纳米级分子碳结构——碳纳米管(CNTs),在全世界引起了广泛的关注.碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管,有单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)之分,前者是由单层石墨片卷积而成,后者是由多层石墨片卷积而成的,两端由碳原子的五边形封顶。碳纳米管优良的电学和机械性能吸引越来越多的研究者将其应用于传感器领域。目前已有报道用碳纳米管修饰玻碳、石墨、金刚石、钽电极等实现对葡萄糖、抗体、氧等物质的检测。使用碳纳米管修饰电极一方面可以增大电极表面积,另一方面可以加速电子传递速率,从而提高传感器的响应和灵敏度。
丝网印刷属于孔版印刷,是将丝织物、合成纤维织物或金属丝网绷在网框上,采用手工刻漆膜或光化学制版的方法制作丝网印版。现代丝网印刷技术,则是利用感光材料通过照相制版的方法制作丝网印版(使丝网印版上图文部分的丝网孔为通孔,而非图文部分的丝网孔被堵住)。印刷时通过刮板的挤压,使油墨通过图文部分的网孔转移到承印物上,形成与原稿一样的图文。丝网印刷设备简单、操作方便,印刷、制版简易且成本低廉,适应性强。薄膜蒸涂技术成膜利用高温蒸发或等离子溅射的原理,使蒸涂材料堆积在基板表面形成薄膜,与丝网印刷相比,成膜均匀,但价格较高。
发明专利申请200510049284.4公开了一种定向碳纳米管修饰的全血葡萄糖生物传感器,其特征是反应层的底层是作为第二电子中介体的定向碳纳米管,其上层是葡萄糖氧化酶以及用作第一电子中介体的试剂、稳定剂、缓冲液组成的混合物。该技术方案就是采用葡萄糖氧化酶作为催化剂的,其准确度受测量现场的大气氧气压强、浓度和血液样本中的氧气含量的影响,测量结果不稳定,适用性不高。
发明内容
本发明提供了一种不受大气和样本中氧含量影响、成本低、灵敏度高的用于测量葡萄糖浓度的碳纳米管修饰的以吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶的血糖生物传感器。
一种碳纳米管修饰的血糖生物传感器,包括基底、三电极系统、绝缘层,三电极系统周围形成有反应腔体,反应腔体内设有反应层,反应腔体上覆盖有盖板,所述的反应层包含碳纳米管、酶和电子传递剂,所述的酶采用以吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶。
所述的三电极系统由参比电极、工作电极、对电极组成,工作电极和对电极与引线接触;所述的参比电极采用银/氯化银、碳、金、铂或钛;所述的对电极和工作电极采用碳、金、铂或钛。
所述的反应层内还包含酶活性添加剂,酶活性添加剂包括增活剂和保活剂,所述的增活剂采用钙离子或柠檬酸、邻苯二甲酸等缓冲液,所述的保活剂采用海藻糖、壳聚糖、牛血清白蛋白的一种。
所述的反应层还包含亲水性高分子,包括羧甲基纤维素、十二烷基苯磺酸钠、Triton X-100、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶及其衍生物、十六烷基三甲基溴化铵的一种或几种。
所述的电子传递剂选用铁氰化钾、二茂铁及其衍生物、亚甲基兰、普鲁士兰、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
采用柠檬酸或邻苯二甲酸等缓冲液、氯化钠溶液以保证稳定的参比电极电位。
所述的反应腔体一侧开有用于进样的毛细孔。
本发明还提供了一种上述生物传感器的制备方法。
一种制备上述血糖生物传感器的方法,包括以下步骤:
第一步,采用丝网印刷方法或薄膜蒸涂技术在聚丙烯或其他高分子材料基底上形成三电极系统,制得传感器电极基底;
第二步,将碳纳米管溶在浓硫酸和浓硝酸混合溶液中超声振荡,过滤洗涤呈中性后,获得碳纳米管的稳定悬浮液;
第三步,将制得的碳纳米管悬浮液滴加于电极基底的反应腔内,进行避光干燥;
第四步,将酶、电子传递剂、酶保活剂和氯化钠按一定浓度溶解在缓冲液中,制得酶溶液;
第五步,将制得的酶溶液滴加在电极基底的反应腔内,避光干燥,在反应腔体上覆盖盖板,即制得生物传感器。
其中,在第二步中,所述的碳纳米管中加入有十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵溶液,进行超声振荡。
在制备得到的生物传感器的反应腔体内滴下一定浓度的葡萄糖试样溶液,反应层会溶解,在液相反应体系中,由葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖,产生一个电子;电子传递剂得到电子被还原;还原态的电子传递剂扩散到电极表面,在工作电极一定的电位下,还原态电子传递剂可以与工作电极发生电子传递,回到初始状态;同时电极得到电子,产生相应电流;该电流值与被测液体中葡萄糖浓度线性相关,由此获得传感器响应电流,推算出试样溶液中的葡萄糖溶液浓度。
本发明生物传感器采用碳纳米管修饰电极,不仅可在物理结构上增大电极接触表面积,而且可以加快电子传递速率,提高电子传递效率,从而提高生物传感器的响应灵敏度。
采用以吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶作为催化剂,测量准确度不受大气中氧气含量的影响,并且不同于NAD+作辅酶测量时需要加入NAD+溶液,其可将吡咯并喹啉醌修饰在葡萄糖脱氢酶中。与使用葡萄糖氧化酶测量葡萄糖的传感器相比,使用吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶的传感器,其对底物葡萄糖的响应与氧无关,从而不受血液中溶解氧或者测量现场大气中氧含量变化的影响,可以更准确的测量葡萄糖的浓度,获得高性能的传感器。
附图说明
图1为本发明生物传感器的俯视图;
图2为本发明生物传感器的纵截面图;
图3为电极的循环伏安曲线图;
图4为生物传感器对葡萄糖溶液的电流响应关系图。
具体实施方式
如图1、2所示,一种碳纳米管修饰的血糖生物传感器,包括聚丙烯和其他高分子材料形成的电绝缘性基底1、通过丝网印刷技术或薄膜蒸涂技术在在基底1上形成参比电极2a、引线2d及与检测仪器的接触部分2e,并且形成工作电极2b和对电极2c,该工作电极2b和对电极2c与引线2d接触。进而,在基底1上印刷绝缘材料,形成绝缘层5。绝缘层5覆盖工作电极2b和对电极2c的外周部分,使工作电极2b、对电极2c和参比电极2a的露出部分面积保持一定。
在形成了电极系统的基底1上形成了包含碳纳米管、酶催化剂和电子传递剂等的反应层4。胶体3和盖板6配合形成反应腔体3a。
检测时,在生物传感器的反应腔体3a内滴下一定浓度的葡萄糖试样溶液,反应层4会溶解,在液相反应体系中,由葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖,产生一个电子;电子传递剂得到电子被还原;还原态的电子传递剂扩散到电极表面,在工作电极一定的电位下,还原态电子传递剂可以与工作电极发生电子传递,回到初始状态;同时电极得到电子,产生相应电流;该电流值与被测液体中葡萄糖浓度线性相关,由此获得传感器响应电流,推算出试样溶液中的葡萄糖溶液浓度。
如图3所示,图中A为本发明生物传感器的循环伏安曲线,B为无碳纳米管修饰的电极的循环伏安曲线,表明加入碳纳米管后,铁氰化钾的反应的可逆性得到改善。
如图4所示,图中A为本发明生物传感器电流响应关系,B为无碳纳米管修饰的电极电流响应关系,表明加入碳纳米管后,传感器的响应灵敏度得到提高。
实施例:
通过丝网印刷技术在聚丙烯基底上涂上银糊状物形成银/氯化银伪参比电极;然后,在基底上印刷导电性碳糊状物,形成工作电极和对电极;印刷绝缘层,使工作电极、对电极和伪参比电极的露出部分面积保持一定。
使用4.8mg/ml的十二烷基苯磺酸钠和体积比为0.5%的Triton X-100混合液配制2.5mg/ml的多壁碳纳米管悬浮液,在超声中震荡2小时,形成稳定的悬浮液。用移液器在每片电极反应腔内滴加3微升该碳纳米管悬浮液,置于干燥箱中避光干燥24小时,制备得有碳纳米管修饰的电极系统。
然后,在碳纳米管层上滴加2微升包含4780U/ml的吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶、0.1M的铁氰化钾、1mM的氯化钙和24mg/ml的海藻糖的柠檬酸缓冲液(pH6.0,含0.2M氯化钠)。避光干燥后形成4敏感层,制得葡萄糖传感器。
测量过程为,准备作为葡萄糖浓度为0.5~35mM的试样溶液。在反应层4上滴下该试样溶液,同时,在工作电极上加0.5V恒电位(相对于银/氯化银伪参比电极),向反应层供给这种包含葡萄糖的试样溶液后,试样溶液中的葡萄糖通过脱氢酶氧化,与此同时,反应层中的铁氰化钾被还原成亚铁氰化钾。施加恒电位20秒时,测定工作电极与对电极之间的电流值。
测定各种不同葡萄糖浓度的试样的电流值,以葡萄糖浓度为横轴、响应电流值为纵轴,绘制传感器的应答特性图,其结果如图4的A所示,其传感器响应梯度明显大于无碳纳米管修饰的电极(如图4的B)。
本发明生物传感器常温下避光保存1个月后,响应衰减不明显。
Claims (9)
1.一种碳纳米管修饰的血糖生物传感器,包括基底(1)、三电极系统(2)、绝缘层(5),三电极系统(2)周围形成有反应腔体(3),反应腔体(3)内设有反应层(4),反应腔体(3)上覆盖有盖板(6),其特征在于:所述的反应层(4)包含碳纳米管、酶和电子传递剂,所述的酶采用以吡咯并喹啉醌为辅酶的葡萄糖脱氢酶。
2.如权利要求1所述的血糖生物传感器,其特征在于:所述的三电极系统(2)由参比电极(2a)、工作电极(2b)、对电极(2c)组成,工作电极(2b)和对电极(2c)与引线(2d)接触;所述的参比电极采用银/氯化银、碳、金、铂或钛;所述的对电极和工作电极采用碳、金、铂或钛。
3.如权利要求1所述的血糖生物传感器,其特征在于:所述的反应层(4)内还包含酶活性添加剂,酶活性添加剂包括增活剂和保活剂,所述的增活剂采用钙离子或柠檬酸、邻苯二甲酸等缓冲液,所述的保活剂采用海藻糖、壳聚糖、牛血清白蛋白的一种。
4.如权利要求1所述的血糖生物传感器,其特征在于:所述的反应层(4)还包含亲水性高分子,包括羧甲基纤维素、十二烷基苯磺酸钠、Triton X-100、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶及其衍生物、十六烷基三甲基溴化铵的一种或几种。
5.如权利要求1所述的血糖生物传感器,其特征在于:所述的电子传递剂选用铁氰化钾、二茂铁及其衍生物、亚甲基兰、普鲁士兰、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
6.如权利要求1所述的血糖生物传感器,其特征在于:采用柠檬酸或邻苯二甲酸等缓冲液、氯化钠溶液以保证稳定的参比电极电位。
7.如权利要求1所述的生物传感器的制备方法,其特征在于:所述的反应腔体一侧开有用于进样的毛细孔。
8.一种制备如权利要求1-7任一所述血糖生物传感器的方法,其特征在于包括以下步骤:
第一步,采用丝网印刷方法或薄膜蒸涂技术在聚丙烯或其他高分子材料基底上形成三电极系统,制得传感器电极基底;
第二步,将碳纳米管溶在浓硫酸和浓硝酸混合溶液中超声振荡,过滤洗涤呈中性后,获得碳纳米管的稳定悬浮液;
第三步,将制得的碳纳米管悬浮液滴加于电极基底的反应腔内,进行避光干燥;
第四步,将酶、电子传递剂、酶保活剂和氯化钠按一定浓度溶解在缓冲液中,制得酶溶液;
第五步,将制得的酶溶液滴加在电极基底的反应腔内,避光干燥,在反应腔体上覆盖盖板,即制得生物传感器。
9、如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:第二步中,所述的碳纳米管中加入有十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵溶液,进行超声振荡。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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