CN105829545A - 两层分析物传感器 - Google Patents

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CN105829545A CN201480070169.2A CN201480070169A CN105829545A CN 105829545 A CN105829545 A CN 105829545A CN 201480070169 A CN201480070169 A CN 201480070169A CN 105829545 A CN105829545 A CN 105829545A
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Abstract

公开了分析物传感器和用于制备分析物传感器的方法。在一个方面中，分析物传感器包括具有经交联的网络的感测膜，所述经交联的网络具有包埋的分析物感测组分。在另一个方面中，分析物传感器包含与感测膜的表面邻近的保护膜。保护膜可以是交联的亲水性共聚物，其具有第一甲基丙烯酸酯衍生的单元、第二甲基丙烯酸酯衍生的单元和第三甲基丙烯酸酯衍生的单元的甲基丙烯酸酯衍生的主链。第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元具有亲水性侧链，并且不同主链中的第三甲基丙烯酸酯衍生的单元通过亲水性交联连接。还公开了用于制备分析物传感器的方法。

Description

两层分析物传感器
对相关申请的交叉引用
本申请要求2013年12月23日提交的美国专利申请No.14/138,368的优先权，其在此通过提及完整并入。
发明背景
除非本文中另有指示，本部分中描述的材料不是本申请中的权利要求书的现有技术，并且不承认通过纳入本部分中而成为现有技术。
生理学参数的连续或半连续监测在现代医学的许多领域中具有应用。认为基于电化学的传感器特别适合于监测和量化体液样品(例如血液、泪膜、尿液或间隙液样品)中的分析物(例如葡萄糖)。使用基于电化学的传感器容许通过检测从分析物感测组分和分析物的反应产生的产物量化液体样品中的分析物，所述基于电化学的传感器采用与电极结合的分析物感测组分(例如酶)。
发明概述
在一个方面中，公开了分析物传感器。分析物传感器包含具有经交联的网络的感测膜，所述经交联的网络具有包埋的分析物感测组分。经交联的网络可以包含一种或多种蛋白质，其以蛋白质上的胺基团的氮原子和交联基团中的碳原子之间的碳-氮双键交联。感测膜可以与电极的表面邻近。
在另一个方面中，分析物传感器包含与感测膜的表面邻近的保护膜。保护膜可以是经交联的亲水性共聚物，其具有第一甲基丙烯酸酯衍生的单元、第二甲基丙烯酸酯衍生的单元和第三甲基丙烯酸酯衍生的单元的甲基丙烯酸酯衍生的主链。第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元具有可以相同或不同的亲水性侧链，并且不同主链中的第三甲基丙烯酸酯衍生的单元通过亲水性交联连接。
在另一个方面中，公开了用于形成分析物传感器的方法。感测膜的形成可以牵涉形成一种或多种蛋白质、交联剂、和分析物感测组分的感测性混合物，将感测性混合物沉积到电极的表面上，并且固化沉积的感测性混合物以提供感测膜。可以如下形成保护膜：形成引发剂、第一甲基丙烯酸酯单体、二甲基丙烯酸酯单体和第二甲基丙烯酸酯单体的共聚物混合物，在感测膜的表面上沉积共聚物混合物，并且固化沉积的共聚物混合物。第一和第二甲基丙烯酸酯单体可以具有适合于分别提供保护膜的第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链。
通过阅读以下详细描述，在适当的情况下参考附图，这些以及其它方面、优点和备选对于本领域普通技术人员会变得明显的。
附图简述
图1是在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中的50μM、200μM、400μM、700μM和1,000μM的葡萄糖浓度由6种示例葡萄糖传感器产生的电流的图。
图2是在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中的50μM、200μM、400μM、700μM和1,000μM的葡萄糖浓度时在图1的6种示例葡萄糖传感器中观察到的电流和葡萄糖浓度之间的关系的图。
图3是根据一个示例实施方案的经交联的亲水性共聚物的代表图。该图显示了共聚物的两骨架部分，并且每个1SC(“第一侧链”)代表与第一甲基丙烯酸酯衍生的单元连接的亲水性侧链，并且每个2SC(“第二侧链”)代表与第二甲基丙烯酸酯衍生的单元连接的亲水性侧链。每个交联代表不同主链中的第三甲基丙烯酸酯衍生的单元间的亲水性交联。
发明详述
以下发明详述参考附图描述了公开的系统和方法的各个特征和功能。在图中，相似的符号通常标识相似的组分，除非上下文另有规定。本文中描述的例示性的方法和系统实施方案不意图为限制性的。应当容易理解，公开的方法和系统的某些方面可以以极其多种不同构造安排和组合，它们都是本文中涵盖的。
在一个方面中，公开了分析物传感器。分析物传感器包含：感测膜，其中感测膜可以包含：
经交联的网络，所述经交联的网络包含一种或多种蛋白质和交联，其中所述蛋白质经由所述蛋白质上的胺基团氮原子和所述交联上的碳原子之间的碳-氮双键交联；和
包埋于所述经交联的网络中的分析物感测组分。
在一些实施方案中，分析物传感器是基于酶的生物传感器。生物传感器可以将由分析物浓度依赖性生物化学反应产生的信号转化成可测量的物理信号，诸如光学或电学信号。可以在临床、环境、农业和生物技术应用中的分析物检测中使用分析物传感器。可以在人体的流体的临床测定法中测量的分析物包括例如葡萄糖、乳酸盐、胆固醇、胆红素、蛋白质、脂质和电解质。生物流体，如血液、泪膜或肠液中的分析物的检测在许多疾病的诊断和监测中可以是重要的。
在一些实施方案中，分析物传感器可以是身体可安装的装置，如眼可安装的、牙可安装的、或皮肤可安装的装置的组分。眼可安装的装置可以配置为基于携带眼可安装的装置的使用者的泪膜(术语“泪膜”在本文中可与“泪”和“泪液”互换使用)中检测的一种或多种分析物监测健康相关信息。例如，眼可安装的装置可以为接触镜的形式，所述接触镜包含配置为检测一种或多种分析物(例如葡萄糖)的传感器。眼可安装的装置也可以配置为监测各种其它类型的健康相关信息。
在一些实施方案中，身体可安装的装置可以包括牙可安装的装置。牙可安装的装置可以采取眼可安装的装置的形式或形式上类似于眼可安装的装置，并且配置为检测携带牙可安装的装置的使用者的流体(例如唾液)中的至少一种分析物。
在一些实施方案中，身体可安装的装置可以包括皮肤可安装的装置。皮肤可安装的装置可以采取眼可安装的装置的形式或形式上类似于眼可安装的装置，并且配置为检测携带皮肤可安装的装置的使用者的流体(例如出汗、血液等)中的至少一种分析物。
如本文中描述的传感器可以包含一种或多个导电电极，电流可以经由所述导电电极流动。在一些实施方案中，感测膜可以与电极的表面邻近。根据应用，可以出于不同目的配置电极。例如，传感器可以包含工作电极、参照电极、和对电极。还可能的是两电极系统，其中参照电极充当对电极。工作电极可以经由电路，诸如恒电位仪与参照电极连接。
电极可以由任何类型的导电材料形成，并且可以通过用于将此类材料形成图案的任何方法，诸如例如沉积或光刻术形成图案。例如，导电材料可以是金、铂、钯、钛、碳、铜、银/氯化银、由贵重材料形成的导体、金属、或这些材料的任何组合。也可以涵盖其它材料。
感测膜可以具有一种蛋白质或一种或多种不同蛋白质的混合物的经交联的网络。感测膜的蛋白质在生物化学反应中可以是基本上不起反应的，这会限制对分析物感测组分的干扰。在一些实施方案中，蛋白质是牛血清清蛋白。
蛋白质可以是感测膜的约15％(按重量计)至约50％(按重量计)。在一些实施方案中，蛋白质是膜的约15％(按重量计)至约20％(按重量计)、约20％(按重量计)至约25％(按重量计)、约25％(按重量计)至约30％(按重量计)、约30％(按重量计)至约35％(按重量计)、约35％(按重量计)至约40％(按重量计)、约40％(按重量计)至约45％(按重量计)或约45％(按重量计)至约50％(按重量计)。
感测膜的蛋白质经由交联共价结合，形成经交联的网络。交联可以在感测膜中的一种或多种蛋白质之间，但是也可以在分析物感测组分，和/或一种或多种蛋白质和/或另一种分析物感测组分之间。在一些实施方案中，可以经由蛋白质和/或分析物感测组分上的胺基团的氮原子和交联中的碳原子之间的碳-氮双键形成交联。这些交联可以自二醛化合物衍生。例如，感测膜的交联可以具有式(I)的结构：
其中A独立是蛋白质或分析物感测组分，Ra是C0-C4烃基或亲水基团，并且R’独立是氢或-C1-C12烃基。亲水基团是水或者水易混合的溶剂，诸如醇中可溶的，并且具有一个或多个杂原子(例如氮、氧或硫)。在一些实施方案中，交联具有一个或多个羟基基团。自式(I)应当理解，在Ra基团外，交联具有两个碳。如此，本文中称为具有某个数目的碳原子(例如C4)的交联会具有有少两个的碳原子的Ra基团(例如C2)。例如，“C4烃基交联”具有作为C2烃基的Ra基团。
在一些实施方案中，可以经由蛋白质和/或分析物感测组分上的胺基团的氮原子和交联中的羰基基团之间的酰胺键形成交联。这些交联可以自二羰基化合物衍生。例如，感测膜的交联可以具有式(Ia)的结构：
其中A和Ra如式(I)中描述。
在一些实施方案中，感测膜的交联包含一个或多个氧化烯单元。氧化烯单元可以为聚合物形式，诸如聚(乙二醇)、聚(丙二醇)、聚(环氧丁烷)或其混合物，并且可以是包含两种或三种不同氧化烯单元的组合的共聚物。在一些实施方案中，交联中的聚(氧化烯)是嵌段共聚物，其包含两种或三种不同聚(氧化烯)聚合物的嵌段。在某些实施方案中，聚(氧化烯)是聚(乙二醇)和聚(丙二醇)的嵌段共聚物。在其它实施方案中，交联和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元包含聚(乙二醇)。
在一些实施方案中，感测膜的交联包含一个或多个环氧乙烷单元。例如，交联(例如上述式(I)中的Ra)可以具有式(Ib)的结构：
其中w是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在某些实施方案中，w是约2至约250的平均值。
在其它实施方案中，式(Ib)的交联中的w使得交联的PEG部分(在式(Ib)中的括号内)的数量平均分子量(Mn)是约100至约10,000。例如，w可以选择为使得交联的PEG部分的Mn落入表1中的范围内：
表1：感测膜中的交联的PEG部分的Mn范围
(数值是近似的)。
在一些实施方案中，感测膜的交联是C2-C6烃基。交联可以自乙二醛、丙二醛、琥珀醛、戊二醛或己二醛衍生。
在一些实施方案中，交联自交联剂衍生，所述交联剂具有两个能够与蛋白质上的胺的氮原子起反应以形成碳-氮双键的基团。交联剂可以是二羰基，诸如二醛、二酰基氯、活化的二酯或其组合。活化的酯包括但不限于N-琥珀酰亚胺基酯。
分析物感测组分由感测膜的经交联的网络包埋，即围绕。包埋的分析物感测组分是固定的，并且可以与感兴趣的相应分析物相互作用。在一些实施方案中，分析物感测组分包括酶。
可以选择分析物传感器的分析物感测组分以监测特定的分析物的生理学水平。例如，葡萄糖、乳酸盐、胆固醇和各种蛋白质和脂质可以在体液，包括例如泪膜中找到，并且可以指示可以受益于连续或半连续监测的医学状况。
分析物感测组分可以是选择为监测一种或多种分析物的酶。例如，可以用胆固醇氧化酶监测生理学胆固醇水平，用乳酸氧化酶监测乳酸盐水平，并且用葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶(GDH)监测葡萄糖水平。
在一些实施方案中，分析物感测组分可以是经受与分析物的化学反应以产生可检测的反应产物的酶。例如，包含葡萄糖氧化酶(“GOx”)的共聚物可以位于工作电极周围以催化与葡萄糖的反应，从而产生过氧化氢(H2O2)。如下文显示，然后，可以在工作电极氧化过氧化氢以释放电子到工作电极，这产生电流。
H2O2→2H++O2+2e-
通过还原或氧化反应产生的电流可以与反应速率大致成比例。此外，反应速率可以依赖于分析物分子达到电化学传感器电极以对还原或氧化反应加燃料(直接或经由试剂催化)的速率。在稳态中，其中分析物分子以与其它分析物分子从周围区域扩散到取样区域的大致相同速率从取样区域扩散到电化学传感器电极，反应速率可以与分析物分子的浓度大致成比例。如此，电流可以提供分析物浓度的指标。
在其它实施方案中，分析物感测组分是葡萄糖脱氢酶(GDH)。在某些情况中，GDH的使用可以包括添加辅因子，诸如黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)、黄素单核苷酸、吡咯并喹啉醌(PQQ)或辅酶。
分析物感测组分可以以约40％至约80％(按重量计)存在于感测膜中。在一些实施方案中，分析物感测组分以约40％(按重量计)至约50％(按重量计)、约50％(按重量计)至约60％(按重量计)、约60％(按重量计)至约70％(按重量计)或约70％(按重量计)至约80％(按重量计)存在于感测膜中。
感测膜的厚度可以是小于约1μm至约10μm。在一些情况中，感测膜是小于约2μm的厚度，而在其它应用中，共聚物是约2μm至约3μm的厚度。在某些应用中，共聚物是约2μm至约5μm的厚度，而在其它应用中，共聚物是约1μm至约3μmor约4μm至约5μm的厚度。在一些实施方案中，共聚物是约1μm至约5μm的厚度。
在另一个方面中，分析物传感器可以进一步包含与感测膜的表面邻近的保护膜。保护膜具有主链，所述主链包含：
第一甲基丙烯酸酯衍生的单元，每个具有亲水性侧链；
第二甲基丙烯酸酯衍生的单元，每个具有亲水性侧链；
第三甲基丙烯酸酯衍生的单元；和
不同主链中的第三甲基丙烯酸酯衍生的单元之间的亲水性交联。
主链的第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元中的每个可以独立与亲水性侧链共价结合。第三甲基丙烯酸酯衍生的单元的每个经由接头与不同主链中的另一个第三甲基丙烯酸酯衍生的单元共价结合。在下文更为详细讨论亲水性交联，或藉此连接第三甲基丙烯酸酯衍生的单元的基团。可以使用第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链，和第三甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性交联的各种构象和组成调节经交联的亲水性共聚物的特性，其包括但不限于亲水性和通透性。
第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链可以是亲水的，并且可以是水溶的或在水易混合的溶剂，诸如醇中可溶的。侧链可以具有一种或多种杂原子，例如氮、氧或硫原子。在一些实施方案中，侧链具有一个或多个羟基基团。在一些实施方案中，第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的侧链可以是相同或基本上相同的。在其它实施方案中，它们是不同的。
在一些实施方案中，第一和第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链包含一个或多个氧化烯单元。氧化烯单元可以为聚合物的形式，诸如聚(乙二醇)、聚(丙二醇)、聚(环氧丁烷)或其混合物，并且可以是包含两种或三种不同氧化烯单元的组合的共聚物。在一些实施方案中，侧链的聚(氧化烯)是嵌段共聚物，其包含两种或三种不同聚(氧化烯)聚合物的嵌段。在某些实施方案中，聚(氧化烯)是聚(乙二醇)和聚(丙二醇)的嵌段共聚物。在其它实施方案中，第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链和交联两者都包含聚(乙二醇)。
在一些实施方案中，保护膜的第一甲基丙烯酸酯衍生的单元可以具有式(II)的结构：
其中R是亲水基团。在某些实施方案中，亲水基团包含一个或多个羟基基团，诸如醇。
在一些实施方案中，第一甲基丙烯酸酯衍生的单元可以具有式(IIa)的结构：
其中X是-O-、-NR”-或-S-，y是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10，并且R1是氢、-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-OH、-SiR”3、-C(O)-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-C(O)OR”，其中R”是氢或-C1-C12烃基。
在某些实施方案中，第一甲基丙烯酸酯衍生的单元具有结构：
在一些实施方案中，保护膜的第二甲基丙烯酸酯衍生的单元可以具有式(III)的结构：
其中Y是-O-、-NR”-或-S-，x是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10，并且R2是氢、-C1-C12烃基、-SiR”3、-C(O)-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-C(O)OR”，其中R”是氢或-C1-C12烃基。
在某些实施方案中，第二甲基丙烯酸酯衍生的单元可以具有式(III)的结构，其中x是约2至约250的平均值。
在一些实施方案中，第二甲基丙烯酸酯衍生的单元可以具有式(III)的结构，其中x使得聚(乙二醇)具有约100至约10,000的数量平均分子量(Mn)。在某些实施方案中，x选择为使得聚(乙二醇)的Mn落入表2中的范围内。
表2：第二甲基丙烯酸酯衍生的单元中的聚(乙二醇)的Mn范围
(数值是近似的)。
低 高
100 200
200 300
300 400
400 500
500 600
600 700
700 800
800 900
900 1,000
1,000 2,000
2,000 3,000
3,000 4,000
4,000 5,000
5,000 6,0007 -->
7,000 8,000
8,000 9,000
9,000 10,000
在某些实施方案中，第二甲基丙烯酸酯衍生的单元可以具有式(III)的结构，其中Y是-O-，R2是甲基，并且x使得聚(乙二醇)具有约500的数量平均分子量(Mn)。
在一些实施方案中，分析物传感器的经交联的亲水性共聚物中存在具有亲水性侧链的第二甲基丙烯酸酯衍生的单元可以形成多孔网络。多孔网络的结构包含共聚物内部未被聚合物占据的区域，这些区域在本文中称为“孔”。经交联的亲水性共聚物的多孔网络可以促进样品溶液中的分析物(例如葡萄糖)浓度和分析物传感器电极表面附近的分析物浓度之间的平衡的控制。当达到分析物传感器的所有分析物被消耗时，测量的输出信号可以与分析物的流动以及如此与分析物的浓度成线性比例。然而，当分析物消耗受限于分析物传感器中的化学或电化学活性的动力学时，测量的输出信号可以不再受分析物流动控制，并且不再与分析物的流动或浓度成线性比例。在此情况中，仅达到分析物感测组分的分析物的部分在传感器变为饱和前被消耗，此后测量的信号停止随分析物浓度的增加而增加，或者仅略微增加。多孔网络可以降低分析物到分析物感测组分的流动，因此传感器不变得饱和，并且因此有效使较宽范围的分析物浓度能够得到测量。
可以改变第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链的亲水特性以产生多孔网络的期望特性，诸如分析物的通透性。例如，分析物流入或流过传感器可以依赖于所监测的特定分析物，并且如此，可以改变多孔网络以获得用于监测特定分析物的特性。在一些应用中，可以通过改变第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链中的氧化烯单元数目调节多孔网络的亲水性。类似地，可以通过修改第二甲基丙烯酸酯衍生的单元中的碳原子(即-C-、-CH-、-CH2-或-CH3)与氧化烯单元的比率调节多孔网络的亲水性。
保护膜的经交联的亲水性共聚物的交联连接不同主链中的第三甲基丙烯酸酯衍生的单元，并且以式(IV)的Rb表示：
其中X’独立是-O-、-NR”-或-S-，并且Rb是交联，其中R”是氢或-C1-C12烃基。
在一些实施方案中，保护膜的交联可以是在水或水易混合的溶剂(如醇)中可溶的。交联可以具有一种或多种杂原子，例如，氮、氧或硫原子。在一些实施方案中，交联具有一个或多个羟基基团。
在一些实施方案中，保护膜的交联可以包含一个或多个氧化烯单元。氧化烯单元可以为聚合物形式，诸如聚(乙二醇)、聚(丙二醇)、聚(环氧丁烷)或其混合物，并且可以是包含两种或三种不同氧化烯单元的组合的共聚物。在一些实施方案中，交联中的聚(氧化烯)是嵌段共聚物，其包含两种或三种不同聚(氧化烯)聚合物的嵌段。在某些实施方案中，聚(氧化烯)是聚(乙二醇)和聚(丙二醇)的嵌段共聚物。在其它实施方案中，交联包含聚(乙二醇)。
在一些实施方案中，保护膜的交联可以包含一个或多个环氧乙烷单元。例如，交联(例如上述式IV中的Rb)可以具有式(IVa)的结构：
其中z是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。在某些实施方案中，保护膜的交联具有式(IVa)的结构，其中z是约2至约250的平均值。
在其它实施方案中，式(IVa)的交联中的z使得交联的PEG部分(在式(IVa)中的括号内)的数量平均分子量(Mn)是约100至约10,000。例如，z可以选择为使得交联的PEG部分的Mn落入表3中的范围内：
表3：保护膜中的交联的PEG部分的Mn范围
(数值是近似的)。
在一些实施方案中，保护膜的交联自二(乙二醇)丙烯酸二甲酯衍生，即式(IV)的交联，其中X’是-O-，并且Rb是-CH2CH2OCH2CH2-，或式(IVa)的交联，其中z是1。
在一些实施方案中，保护膜的经交联的共聚物可以形成多孔网络。多孔网络的结构包括共聚物内不被共聚物占据，并且在本文中称为“孔”的区域或空间。经交联的共聚物的多孔网络可以促进样品中的分析物(例如葡萄糖)浓度和分析物传感器电极表面附近的分析物浓度之间的平衡的控制。当达到分析物传感器的所有分析物被消耗时，测量的输出信号可以与分析物的流动以及如此与分析物的浓度成线性比例。然而，当分析物消耗受限于分析物传感器中的化学或电化学活性的动力学时，测量的输出信号可以不再受分析物流动控制，并且不再与分析物的流动或浓度成线性比例。在此情况中，仅达到分析物感测组分的分析物的部分在传感器变为饱和前被消耗，此后测量的信号停止随分析物浓度的增加而增加，或者仅略微增加。多孔网络可以降低分析物到分析物感测组分的流动，因此传感器不变得饱和，并且因此有效使较宽范围的分析物浓度能够得到测量。
可以改变多孔网络的特性以产生期望的特性，诸如分析物的通透性。例如，分析物流入感测膜可以依赖于所监测的特定分析物，并且如此，可以改变多孔网络以获得用于监测特定分析物的特性。第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的变化可以提高或降低保护膜的通透性。
保护膜的经交联的亲水性共聚物的厚度可以随分析物传感器的期望特性而变化。共聚物的厚度(如从感测膜的面朝外的表面到共聚物的面朝内的表面测量)可以在调节分析物至分析物感测组分的流动中发挥重要的作用。根据共聚物中的甲基丙烯酸酯衍生的单元的特征、使用的分析物感测组分的类型、和要监测的分析物，共聚物的厚度可以是小于约10μm至约30μm。在一些情况中，共聚物的厚度小于20μm，而在其它应用中，共聚物的厚度是约20μm至约25μm。在某些应用中，共聚物的厚度是约10μm至约15μm，而在其它应用中，共聚物的厚度是约15μm至约20μm或约25μm至约30μm。在一些实施方案中，共聚物的厚度是约20μm。
在一些实施方案中，感测膜可以完全或基本上覆盖与其邻近的电极的一个或多个表面。在缺乏经交联的亲水性共聚物的分析物传感器中，感测膜可以完全或基本上覆盖电极的一个或多个表面，从而在电极和当存在时所监测或测量的分析物样品之间创建屏障或膜。在此类实施方案中，感测膜在电极和分析物样品之间。感测膜可以完全覆盖电极以限制电极与样品的直接接触。
在具有经交联的亲水性共聚物的分析物传感器中，感测膜可以起电极和经交联的亲水性共聚物之间的屏障或膜作用。感测膜可以完全或基本上覆盖与其邻近的电极的一个或多个表面。共聚物可以邻近感测膜，并且完全或基本上覆盖感测膜，从而在感测膜和当存在时所监测或测量的分析物样品之间创建屏障或膜。在此类实施方案中，感测膜在电极和共聚物之间，并且共聚物在感测膜和分析物样品之间。感测膜可以完全覆盖电极以限制电极与共聚物和/或分析物样品的直接接触，并且共聚物可以完全覆盖感测膜以限制分析物样品与感测膜的直接接触，而不首先通过共聚物。
在一些实施方案中，电极可以具有面朝内的表面和面朝外的表面，其中面朝外的表面完全或基本上以感测膜覆盖。感测膜也可以具有面朝内的表面和面朝外的表面。电极的面朝外的表面可以邻近和/或接触面朝内的感测膜的表面，并且面朝外的感测膜的表面可以邻近和/或接触当存在时所监测或测量的分析物样品。
当分析物传感器包含经交联的亲水性共聚物时，电极可以具有面朝内的表面和面朝外的表面，其中面朝外的表面完全或基本上以感测膜覆盖。感测膜也可以具有面朝内的表面和面朝外的表面。电极的面朝外的表面可以邻近和/或接触面朝内的感测膜的表面，并且面朝外的感测膜的表面可以完全或基本上以经交联的亲水性共聚物覆盖。共聚物可以具有面朝内的表面和面朝外的表面。共聚物的面朝内的表面可以邻近和/或接触面朝外的感测膜的表面，并且共聚物的面朝外的表面可以邻近和/或接触当存在时所监测或测量的分析物样品。
如本文中使用的，可以“完全覆盖”的材料或者被“完全覆盖”的表面指大于约95％覆盖。在一些实施方案中，这可以指大于约99％覆盖。如本文中使用的，可以“基本上覆盖”的材料或者被“基本上覆盖”的表面指大于约75％覆盖。在一些实施方案中，这可以指大于约85％覆盖，直至约95％覆盖。
在另一个方面中，公开了用于制备分析物传感器的方法。方法可以牵涉形成感测膜，其包括：
a)形成感测性混合物，所述感测性混合物包含一种或多种蛋白质、交联剂、和分析物感测组分，其中所述蛋白质具有一个或多个胺官能团；
b)将所述感测性混合物沉积到电极的表面上；并
c)固化沉积的感测性混合物以提供感测膜。
在用于形成感测膜的方法的一些实施方案中，通过组合三种分开的溶液形成混合物。方法可以牵涉：
a)形成第一混合物，其包含一种或多种具有一个或多个胺官能团的蛋白质；
b)形成包含交联剂的第二混合物；
c)形成包含分析物感测组分的第三混合物；
d)组合三种混合物以提供感测性混合物。
在一些实施方案中，可以在电极的表面上形成感测膜。例如，可以在电极的表面上单独沉积每种组分，或一种或多种组分的组合以形成沉积的感测性混合物。类似地，当通过组合三种分开的溶液形成混合物时，可以在电极的表面上组合溶液以形成感测性混合物。
感测性混合物的蛋白质可以选择为提供如本文中讨论的感测膜的蛋白质。在一些实施方案中，感测性混合物的蛋白质都是相同的，或基本上相同的蛋白质。也可以使用两种或更多种蛋白质形成经交联的感测膜。在一些实施方案中，蛋白质是牛血清清蛋白。
感测性混合物的交联剂是能够在感测膜的蛋白质之间形成共价键，和/或在感测膜中的分析物感测组分和一种或多种蛋白质和/或另一种分析物感测组分之间形成共价键的的化学反应性种类。在一些实施方案中，交联剂可以形成蛋白质和/或分析物感测组分上的胺基团的氮原子和交联剂中的碳原子之间的碳-氮双键。在一些实施方案中，交联剂可以是二羰基化合物。例如，交联剂可以具有式(V)的结构：
其中Rc和R’选择为提供本文中描述的感测膜的交联。在一些实施方案中，Rc是C0-C4烃基或亲水基团，并且R’独立是氢、氯、-C1-C12烃基或N-羟基琥珀酰亚胺。在一些实施方案中，交联剂可以是乙二醛、丙二醛、琥珀醛、戊二醛或己二醛。在其它实施方案中，可以选择亲水基团以提供本文中描述的感测膜的交联。
可以基于期望被监测的分析物选择分析物感测组分。例如，为了监测生理学胆固醇水平，可以使用胆固醇氧化酶，并且为了监测乳酸水平，可以使用乳酸氧化酶。为了监测葡萄糖水平，分析物感测组分可以包含葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶(GDH)。
可以在沉积的感测膜混合物中的蛋白质被交联时存在分析物感测组分，使得交联导致包埋有分析物感测组分的经交联的网络的形成。包埋的分析物感测组分是固定的，并且可以用于监测感兴趣的相应的分析物。
在一些实施方案中，方法进一步包括形成保护膜，其包括：
a)形成共聚物混合物，其包含引发剂、具有亲水性侧链的第一甲基丙烯酸酯单体、二甲基丙烯酸酯单体、和具有亲水性侧链的第二甲基丙烯酸酯单体；
b)将所述共聚物混合物沉积到所述感测膜的表面上；并
c)将沉积的共聚物混合物经受足以启动聚合(即固化)的条件。
在方法的一些实施方案中，通过组合共聚物前体的不同溶液形成共聚物混合物。方法可以牵涉：
a)形成第一混合物，其包含二甲基丙烯酸酯单体、引发剂和具有亲水性侧链的第一甲基丙烯酸酯单体；
b)形成第二混合物，其包含二甲基丙烯酸酯单体、引发剂和具有亲水性侧链的第二甲基丙烯酸酯单体；并
d)组合混合物以提供共聚物混合物。
在用于形成保护膜的方法的一些实施方案中，引发剂和/或二甲基丙烯酸酯单体可以存在于任何混合物中。例如，第一或第二混合物可以包含引发剂和/或二甲基丙烯酸酯单体。在用于形成保护膜的方法的其它实施方案中，第三混合物是不存在的，并且二甲基丙烯酸酯单体存在于第一和/或第二混合物中。
共聚物混合物的第一和第二甲基丙烯酸酯单体包含亲水性侧链，其可以具有一个或多个杂原子。亲水性侧链可以包含一个或多个氧化烯单元以形成如本文中描述的分析物传感器的经交联的亲水性共聚物。
可以选择共聚物混合物的第一甲基丙烯酸酯单体以提供如本文中描述的经交联的亲水性共聚物的第一甲基丙烯酸酯衍生的单元。在方法的一些实施方案中，第一甲基丙烯酸酯单体具有式(VI)的结构：
其中R是亲水基团。在方法的某些实施方案中，亲水基团包含一个或多个羟基基团，诸如醇。
在方法的一些实施方案中，第一甲基丙烯酸酯单体具有式(VIa)的结构：
其中X、y、R1和R”选择为提供本文中描述的经交联的亲水性共聚物的第一甲基丙烯酸酯衍生的单体单元。
在方法的某些实施方案中，第一甲基丙烯酸酯单体具有结构：
共聚物混合物的第二甲基丙烯酸酯单体可以选择为提供如本文中描述的经交联的亲水性共聚物的第二甲基丙烯酸酯衍生的单元。在方法的一些实施方案中，第二甲基丙烯酸酯单体具有式(VII)的结构：
其中Y、x、R2和R”选择为提供本文中描述的经交联的亲水性共聚物的第二甲基丙烯酸酯衍生的单体单元。
在方法的一些实施方案中，第二甲基丙烯酸酯单体具有式(VII)的结构，其中x选择为提供本文中描述的经交联的亲水性共聚物的第二甲基丙烯酸酯衍生的单体单元，其中聚(乙二醇)具有约100至约10,000的数量平均分子量(Mn)。在某些实施方案中，x选择为提供第二甲基丙烯酸酯衍生的单体单元，其中聚(乙二醇)的Mn落入表2中的范围内。
在方法的某些实施方案中，第二甲基丙烯酸酯单体具有式(VII)的结构，其中Y是-O-，R2是甲基，并且x使得聚(乙二醇)具有约500的数量平均分子量(Mn)。
共聚物混合物的二甲基丙烯酸酯单体是具有通过亲水性接头栓系的两个末端甲基丙烯酸酯基团的分子。亲水性接头选择为提供本文中描述的经交联的亲水性共聚物的不同主链中的第三甲基丙烯酸酯衍生的单元间的交联。在从各具有二甲基丙烯酸酯单体的两种或更多种溶液的组合形成混合物的实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体可以是相同的或者在一些情况中，可以是不同的。
可以通过调节混合物中的二甲基丙烯酸酯单体量控制保护膜的经交联的亲水性共聚物中的交联程度。在一些实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体可以是混合物的约1％至约15％。在其它例子中，量是约1％至约5％，或约5％至约10％或约10％至约15％。在一些实施方案中，量是约1％。在一些情况中，第一和第二混合物两者包含约1％的二甲基丙烯酸酯单体。
可以选择共聚物混合物的二甲基丙烯酸酯单体以提供如本文中描述的经交联的亲水性共聚物的交联。在方法的一些实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体包含一个或多个氧化烯单元以提供如本文中描述的经交联的亲水性共聚物的交联。在一些实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体包含聚(乙二醇)(PEG)。例如，二甲基丙烯酸酯单体可以具有式(VIII)的结构：
其中z是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在方法的某些实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体可以具有式(VIII)的结构，其中z是约2至约250的平均值。
在方法的某些实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体可以具有式(VIII)的结构，其中z使得二甲基丙烯酸酯单体的PEG部分的数量平均分子量(Mn)是约100至约10,000。例如，w可以选择为使得二甲基丙烯酸酯单体的PEG部分的Mn落入表3中的范围内。在一些实施方案中，二甲基丙烯酸酯单体是二(乙二醇)丙烯酸二甲酯。
方法的感测和共聚物混合物可以在水性介质、醇性介质、或其混合物中形成。水性介质可以包含缓冲水性溶液，诸如例如含有柠檬酸、乙酸、硼酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、4-2-羟基乙基-1-哌嗪乙磺酸(HEPES)、3-{[三(羟基甲基)甲基]氨基}丙磺酸(TAPS)、N,N-二(2-羟基乙基)甘氨酸(Bicine)、三(羟基甲基)甲胺(Tris)、N-三(羟基甲基)甲基甘氨酸(Tricine)、3-[N-三(羟基甲基)甲基氨基]-2-羟基丙磺酸(TAPSO)、2-{[三(羟基甲基)甲基]氨基}乙磺酸(TES)、3-(N-吗啉代)丙磺酸(MOPS)、哌嗪-N,N′-二(2-乙磺酸)(PIPES)、二甲基次胂酸(Cacodylate)、盐水柠檬酸钠(SSC)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、2(R)-2-(甲基氨基)琥珀酸或磷酸盐缓冲盐水(PBS)的溶液。在一些实施方案中，可以在缓冲水性溶液和乙醇的混合物中形成混合物。
在方法的一些实施方案中，可以用大致相同浓度的组分(例如蛋白质、分析物感测组分、第一甲基丙烯酸酯单体等)形成方法的混合物和溶液。然后，可以通过调节用于形成混合物的每种单独的混合物的量改变每种组分的百分比，所述混合物用于形成感测或保护膜。在一些情况中，感测膜混合物中的分析物感测组分的百分比可以是约40％(按重量计)至约80％(按重量计)，蛋白质可以是约15％(按重量计)至约50％，并且交联剂可以是约1％(按重量计)至约10％(按重量计)。在某些例子中，感测膜混合物中的分析物感测组分的百分比可以是约60％(按重量计)至约70％(按重量计)，蛋白质可以是约25％(按重量计)至约35％(按重量计)，并且交联剂可以是约1％(按重量计)至约5％(按重量计)。在保护膜混合物中，第一甲基丙烯酸酯单体的百分比可以是约20％(按重量计)至约60％(按重量计)，第二甲基丙烯酸酯单体的百分比可以是约10％(按重量计)至约40％(按重量计)，并且二甲基丙烯酸酯单体的百分比可以是约0.1％(按重量计)至约5％(按重量计)。所有百分比以分析物感测组分、第一甲基丙烯酸酯单体和第二甲基丙烯酸酯单体的累积量的百分比给出。在某些例子中，分析物感测组分的百分比是约40％(按重量计)，第一甲基丙烯酸酯单体的量是约35％(按重量计)至约40％(按重量计)，并且第二甲基丙烯酸酯单体的量是约20％(按重量计)至约25％(按重量计)。在方法的某些实施方案中，可以在沉积前彻底混合混合物，任选用搅拌器或摇动器。
每种混合物中的组分的比率可以随所得的分析物传感器的期望的特性而变化。例如，调节具有亲水性侧链的第二甲基丙烯酸酯单体的量可以改变保护膜的多孔网络。控制多孔网络的特性可以容许微调(tuning)分析物传感器的通透性。也可以通过调节电极上沉积的感测性混合物量，和/或调节与第一甲基丙烯酸酯单体组合的第二甲基丙烯酸酯单体量实现相似的可调性(tenability)。
可以通过多种方法实现将感测性混合物沉积到电极的表面上，或将共聚物混合物沉积到感测膜的表面上。例如，可以用微注射器手动，或者通过用纳米喷射分布设备的自动制作方法实施沉积。
在方法的一些实施方案中，选择沉积的感测或共聚物混合物的量以分别提供分析物传感器的感测或保护膜的期望厚度。在一些实施方案中，沉积于电极上的量是约50nL/mm2至约500nL/mm2。在其它例子中，厚度的量是约50μm至约150μm，或约150μm至约300μm或约300μm至约500μm。在一些实施方案中，量是约100nL/mm2。在一些情况中，沉积约100nL/mm2的感测或共聚物混合物分别提供厚度为约20μm的感测膜或保护膜。
适合于启动聚合(即固化)的条件可以基于聚合的组分的特征选择，并且从而不降解分析物感测组分。在分析物感测组分是酶的实施方案中，可以选择方法的温度和pH以保留酶的活性。在某些实施方案中，用紫外(UV)光活化引发剂。例如，当使用2,2-二甲氧基(diemthoxy)-2-苯基乙酰苯作为引发剂时，可以用UV光实施固化。在其它例子中，通过在周围或升高的温度风干实施固化。在从两种或更多种各具有引发剂的溶液的组合形成混合物的实施方案中，引发剂可以是相同的，或者在一些情况中，可以是不同的。
虽然上述例子中的经交联的亲水性共聚物包含甲基丙烯酸酯基团，但是存在有本领域中已知能够经受聚合的许多烯类不饱和的基团(ethylenicallyunsaturatedgroup)。烯类不饱和的单体和大分子单体(macromere)可以是含有丙烯酸或乙烯基的。含有乙烯基的单体含有乙烯基分组(vinylgrouping)(CH2═CH-)，并且一般是高度反应性的。含有丙烯酸的单体以下式表示：
合适的可聚合基团的例子可以包括含有丙烯酸、ethacrylic-、衣康酸(itaconic-)、苯乙烯基(styryl-)、丙烯酰胺(acrylamido-)、甲基丙烯酰胺(methacrylamido-)和乙烯基的基团，诸如烯丙基基团。
除了通过聚合烯类不饱和的基团和大分子单体形成经交联的亲水性共聚物的上文公开的方法外，本领域普通技术人员会知道别的化学品形成此类共聚物。作为一个例子，可以使用环氧化学(其中将多官能性胺和多官能性环氧化合物混合在一起并固化)形成经交联的亲水性共聚物。另外，可以使用氨基甲酸乙酯(urethane)化学，其中将多官能性异氰酸盐与多官能性醇混合，并且固化以提供经交联的亲水性共聚物。存在用于形成经交联的亲水性共聚物的其它化学品，并且对于本领域普通技术人员会是公知的。
应当理解，本文中描述的排列仅为了实例的目的。因而，本领域技术人员会理解，其它排列和其它要素(例如仪器、界面、功能、次序和功能分组等)可以替代使用，并且根据期望的结果，一些要素可以一起省略。此外，描述的要素中的许多是功能性实体，其可以以离散或分布的组分或者与其它组分以任何合适的组合和位置执行。
虽然在本文中已经公开了各个方面和实施方案，但是其它方面和实施方案对于本领域技术人员会是明显的。本文中公开的各个方面和实施方案是为了例示的目的，而并不意图为限制性的，真正的范围和精神以所附权利要求要以及享有此权利要求书的权利的等同方案的完整范围指示。还应当理解，本文中使用的术语是仅为了描述具体的实施方案，而并不意图是限制性的。
此外，系统的一些实施方案可以包括保密控制，其可以由装置的佩带者自动执行或控制。例如，当佩带者的收集的生理学参数数据和健康状态数据上载到云计算网络以供内科医生进行趋势分析的情况下，可以以一种或多种方式处理数据，之后存储或使用它，从而除去个人验证信息(personallyidentifiableinformation)。例如，可以处理用户的身份，从而不能对用户确定个人验证信息，或者可以概括获得位置信息(诸如以城市、邮政区码、或国家水平)的用户的地理位置，从而不能确定用户的具体位置。
另外/或者，可以给装置的佩带者提供控制装置是否或如何收集关于佩带者的信息(例如关于用户的医学史、社会行为或活动、职业、用户的嗜好、或用户的目前位置的信息)，或者控制可以如何使用此类信息的机会。如此，佩带者可以具有对如何收集关于他/她的信息及临床医生或内科医生或其它数据用户如何使用信息的控制。例如，佩带者可以选择从他/她的装置收集的数据，诸如健康状态和生理学参数仅能用于产生个体基线和相应他/她的自身数据的收集和比较的推荐，并且不能用于产生群体基线或用于群体关联研究。
实施例
实施例1：形成两层分析物传感器。
形成感测膜：
形成200uLPBS缓冲液中的葡萄糖氧化酶(10.0mg)和BSA(来自牛血清的清蛋白，4.0mg)的溶液。对此混合物添加12.0uL戊二醛(水中的50％溶液)，并且混合所得的混合物。将混合物沉积(120nL)到1x3mm的传感器区，并且在周围温度和压力风干过夜。
保护膜的形成：
制备两种溶液(A和B)：
A)甲基丙烯酸2-羟基乙酯单体溶液，其含有1％(按重量计)二(乙二醇)丙烯酸二甲酯和1％(按重量计)2,2-二甲氧基-2-苯基乙酰苯。
B)聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯(poly(ethyleneglycol)methylethermethacrylate)(平均Mn500，Aldrich产品号447943)单体溶液，其含有1％(按重量计)二(乙二醇)丙烯酸二甲酯和1％(按重量计)2,2-二甲氧基-2-苯基乙酰苯。
以0.225:0.175:0.200A:B:PBS的比率组合两种溶液与PBS缓冲液，并且用涡旋振荡器彻底混合。将所得的混合物沉积(100nL/mm2)到感测膜的表面上，并且以365nm在氮气下用EC-500光保护室(Electro-LiteCorp)用UV固化沉积的混合物5分钟。所得的固化的经交联的共聚物保护膜具有约20μm的厚度。
实施例2：在葡萄糖溶液中的分析物传感器性能。
在范围为50μM至1000μm的磷酸盐缓冲盐水(PBS)中的葡萄糖浓度测试根据实施例1制备的6个分析物传感器。将传感器在PBS中浸没，并且每10-15分钟提高葡萄糖浓度。使用恒电位仪测量每个传感器的电极处生成的电流(图1)。观察到电流和葡萄糖浓度之间的线性关系(图2)。

Claims (20)

1.一种分析物传感器，其包含：
感测膜，所述感测膜包含：
经交联的网络，所述经交联的网络包含一种或多种蛋白质和交联，其中
所述蛋白质经由所述蛋白质上的胺基团氮原子和所述交联上的碳原子之间的碳-氮双键交联；和
包埋于所述经交联的网络中的分析物感测组分。
2.权利要求1的分析物传感器，其中所述交联是C2-C6烃基。
3.权利要求1的分析物传感器，其中所述交联包含一个或多个氧化烯单元。
4.权利要求1的分析物传感器，其中所述蛋白质是牛血清清蛋白。
5.权利要求1的分析物传感器，其中所述分析物感测组分包含葡萄糖氧化酶。
6.权利要求1的分析物传感器，其中所述感测膜与电极的表面邻近。
7.权利要求1的分析物传感器，其进一步包含保护膜，其中所述保护膜与所述感测膜的表面邻近。
8.权利要求7的分析物传感器，其中所述保护膜包含交联的亲水性共聚物，其包含：
主链，所述主链包含：
第一甲基丙烯酸酯衍生的单元，每个具有亲水性侧链；
第二甲基丙烯酸酯衍生的单元，每个具有亲水性侧链；
第三甲基丙烯酸酯衍生的单元；和
不同主链中的所述第三甲基丙烯酸酯衍生的单元之间的亲水性交联。
9.权利要求3的分析物传感器，其中
所述感测膜在所述电极和所述交联的亲水性共聚物之间。
10.权利要求8的分析物传感器，其中所述第一甲基丙烯酸酯衍生的单元具有式(IIa)的结构：
其中
X是-O-、-NR”-或-S-；
y是0-10；并且
R1是氢、-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-OH、-SiR”3、-C(O)-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-C(O)OR”，其中R”是-C1-C12烃基。
11.权利要求8的分析物传感器，其中所述第一甲基丙烯酸酯衍生的单元具有结构：
12.权利要求8的分析物传感器，其中所述第二甲基丙烯酸酯衍生的单元的亲水性侧链包含一个或多个氧化烯单元。
13.权利要求12的分析物传感器，其中所述第二甲基丙烯酸酯衍生的单元具有式(III)的结构：
其中
Y是-O-、-NR”-或-S-；
R2是氢、-C1-C12烃基、-SiR”3、-C(O)-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-C(O)OR”，其中R”是氢或-C1-C12烃基；并且
x是1-10。
14.权利要求12的分析物传感器，其中所述第二甲基丙烯酸酯衍生的单元具有式(III)的结构：
其中
Y是-O-、-NR”-或-S-；
R2是氢、-C1-C12烃基、-SiR”3、-C(O)-C1-C12烃基、-C1-C12烃基-C(O)OR”，其中R”是氢或-C1-C12烃基；并且
x是2至约250的平均值。
15.权利要求7的分析物传感器，其中所述保护膜具有约20μm的厚度。
16.权利要求1的分析物传感器，其中
所述蛋白质是BSA；
所述交联是C2-C6烃基；
所述分析物感测组分包含葡萄糖氧化酶。
17.权利要求8的分析物传感器，其中
所述第一甲基丙烯酸酯衍生的单元自甲基丙烯酸2-羟基乙酯衍生；
所述第二甲基丙烯酸酯衍生的单元具有式(III)的结构：
其中x是约10至约15的平均值；并且
所述亲水性交联具有式(IVa)的结构：
其中z是1。
18.权利要求8的分析物传感器，其中
所述蛋白质是BSA；
所述交联是C5烃基；
所述分析物感测组分包含葡萄糖氧化酶；
所述第一甲基丙烯酸酯衍生的单元自甲基丙烯酸2-羟基乙酯衍生；
所述第二甲基丙烯酸酯衍生的单元具有式(III)的结构：
其中x是约10至约15的平均值；并且
所述亲水性交联具有式(IVa)的结构：
其中z是1。
19.一种用于制备分析物传感器的方法，所述方法包括：
形成感测性混合物，所述感测性混合物包含一种或多种蛋白质、交联剂、和分析物感测组分，其中所述蛋白质具有一个或多个胺官能团；
将所述感测性混合物沉积到电极的表面上；
固化沉积的感测性混合物以提供感测膜。
20.权利要求19的方法，其进一步包括：
形成共聚物混合物，其包含引发剂、具有亲水性侧链的第一甲基丙烯酸酯单体、二甲基丙烯酸酯单体、和具有亲水性侧链的第二甲基丙烯酸酯单体；
将所述共聚物混合物沉积到所述感测膜的表面上；并
固化沉积的共聚物混合物以提供保护膜。
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