CN110441366A - 检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器及方法，该生物传感器包括引流管、基底层、导电层、覆盖层、分析物检测层和分析物调节层。引流管透过分析物调节层直接与分析物检测层相通；导电层设置在基底层上并与基底层相结合，导电层包括一个或一个以上工作电极；分析物检测层设置在导电层上；分析物调节层设置在所述分析物检测层上，分析物调节层用于扩散涂覆在分析物检测层的生物标志物；覆盖层设置有多个暴露的区域孔以使导电层的工作电极向外部环境开放，并且由外部环境的检测元件进行检测工作电极的电流信号。本发明能够准确地检测出糖尿病生物标志物的中葡萄糖浓度，避免由于主观误差而导致检测结果偏差。

Description

检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器及方法

技术领域

本发明涉及糖尿病早期检测的技术领域，尤其涉及一种检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器及方法。

背景技术

糖尿病是最严重的慢性微血管并发症之一，并最终引起终末肾衰竭，是糖尿病患者死亡的主要原因。通常当临床确诊糖尿病时，糖尿病错过了最佳的治疗时机，致使疾病急剧恶化，不可逆转。因此，积极寻找糖尿病早期诊断标志物的检测方法，并进行早期干预具有重要的现实意义。蛋白生物标志物(biomarker)是反映疾病存在和状态的一种可测量的指示物。在疾病、应激和康复的过程中，任何的生理变化最终都能在蛋白水平上得到体现，是疾病研究最直观的手段。当前蛋白分子标志物的检测已成为临床疾病早期诊断、疾病分型、药物靶标筛选及药物研发等最有效的方法。尿液是血液在经过肾小球过滤，肾小管及集合管重吸收、排泄及分泌而产生的代谢终产物，尿液中的蛋白种类及含量的高于标准值低直接反映了泌尿系统，尤其是肾脏的健康状态，可以用于预测糖尿病发生、发展及预后的情况。

随着生物传感器之类的分析物传感器包括使用生物元件将基质中的化学分析物转换为可检测信号的装置。存在用于多种分析物的多种类型的生物传感器。研究最多的生物传感器类型为电流型葡萄糖传感器，电流型葡萄糖传感器对于成功控制糖尿病的葡萄糖水平是至关重要的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器及方法，旨在解决不能准确地检测生物标志物中葡萄糖浓度信息的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，包括引流管、基底层、导电层、覆盖层、分析物检测层以及分析物调节层，其中：

所述引流管透过分析物调节层直接与分析物检测层相通，用于将生物标志物液体引流至分析物检测层上；

所述导电层设置在基底层上并与基底层相结合，所述导电层包括一个或一个以上工作电极；

所述分析物检测层设置在所述导电层上，用于涂覆待检测的生物标志物；

所述分析物调节层设置在所述分析物检测层上，所述分析物调节层用于扩散涂覆在所述分析物检测层的生物标志物；

所述覆盖层设置有一个或一个以上暴露的区域孔以使所述导电层的工作电极向外部环境开放，并且由外部环境的检测元件进行检测所述工作电极的电流信号。

优选的，所述基底层由金属、陶瓷和/或聚合衬底之类的材料制成，用于支承所述生物传感器。

优选的，所述分析物调节层包括葡萄糖限制膜，所述葡萄糖限制膜调节接触分析物检测层中存在的葡萄糖氧化酶的数量。

优选的，所述生物传感器还包括促粘剂层，该促粘剂层设置在所述分析物调节层和分析物检测层之间。

优选的，所述促粘剂层包括硅烷化合物。

优选的，所述生物传感器还包括蛋白质层，所述蛋白质层设置在所述分析物检测层与促粘剂层之间。

优选的，所述蛋白质层包括人血清白蛋白、牛血清白蛋白、或人血清白蛋白和牛血清白蛋白的组合。

另一方面，本发明还提供一种利用所述生物传感器检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法，该方法包括步骤：

取生物标志物液体，并通过引流管将生物标志物液体引流至生物传感器的分析物检测层上；

对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极施加第一工作电压并从工作电极监测第一工作电压的第一电流信号；

对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极施加第二工作电压并从工作电极监测第二工作电压的第二电流信号；

比较第一工作电压下的第一电流信号和第二工作电压下的第二电流信号获得用于表征至少一个离散浓度范围内的血糖浓度。

优选的，所述生物标志物氧化酶包括葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、或葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶的组合。

优选的，所述第二工作电压和第二工作电压为斜坡波形电压、阶跃波形电压、正弦波形电压或方波波形电压，第一工作电压在0.5V到0.8V之间，且第二工作电压低于0.5V或高于0.8V。

相较于现有技术，本发明所述检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器及方法采用上述技术方案，达到如下技术效果：在生物传感器中设置导电层与分析物检测层，导电层中设置有一个或多个工作电极，通过引流管将生物标志物液体引流至分析物检测层，通过获取来自处于不同工作电压的工作电极的生物标志物检测电流信号进行比较，能够更加准确地表征特定生物标志物中的葡萄糖浓度信息。

附图说明

图1是本发明检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器优选实施例的截面构造示意图；

图2是本发明检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法优选实施例的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及优选实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1所示，图1是本发明检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器优选实施例的截面构造示意图。在本实施例中，生物传感器1包括引流管10、基底层11、导电层12、覆盖层13、分析物检测层15、蛋白质层16、分析物调节层17以及促粘剂层18。所述引流管10透过分析物调节层17直接与分析物检测层15相通，用于将生物标志物液体引流至分析物检测层15上；所述导电层12设置在基底层11上并与基底层11相结合，所述基底层11用于支承生物传感器1，基底层11可以由诸如金属、陶瓷和/或聚合衬底之类的材料制成，其可以自支承或由本领域已知的其他材料支承。通常，导电层12包括一个或一个以上工作电极120。在本发明的实施方式中，生物传感器1的电路可以通过将所设置的导电层12蚀刻为导电通路的典型电路来限定。生物传感器1的典型电路包括两个或两个以上相邻的导电通路，其中在近端的区域形成接触垫，在远端的区域形成传感器电极。诸如聚合物涂层之类的电绝缘覆盖层13可以设置在生物传感器1的部分上，用作绝缘保护覆盖层13的可接受的聚合物涂层可包括，但不限于，无毒的生物相容聚合物(例如硅氧烷化合物，聚酰亚胺)，生物相容焊接掩模，环氧丙烯酸酯共聚物等。

在本发明的生物传感器1中，覆盖层13设置一个或一个以上暴露的区域孔14以使导电层12的工作电极120向外部环境开放并且以便，例如，允许待测生物标志物透过覆盖层13并且由外部环境的检测元件进行检测。区域孔14可以通过多种技术形成，包括激光烧蚀、带子遮掩、化学铣切或蚀刻或光刻显影等。在本发明的实施方式中，在制造期间，还可对覆盖层13应用二次光阻材料以限定保护层的将被移走从而形成孔14的区域。所述暴露的电极还可通过区域孔14经历二次处理，例如额外的电镀处理，以制备表面和/或加强导电区域。

在本发明的生物传感器1配置中，分析物检测层15(其通常为传感器化学层，意味着该层中的材料经过化学反应以产生可由导电层12检测到的信号)设置在导电层12的工作电极120上。通常，分析物检测层15为氧化酶层。在本实施例中，分析物检测层15包括氧和/或过氧化氢的酶，例如葡萄糖氧化酶。任选地，分析物检测层15中的氧化酶与诸如人血清白蛋白、牛血清白蛋白等之类的另一种载体蛋白结合。在本实施方式中，分析物检测层15中诸如葡萄糖氧化酶之类的氧化还原酶与葡萄糖反应生成过氧化氢，过氧化氢是随后在电极处调节电流的化合物。由于电流的这种调节取决于过氧化氢的浓度，并且过氧化氢的浓度与葡萄糖的浓度相关，葡萄糖的浓度可以通过监测工作电极电流的这种调节进行确定。在本发明的具体实施方式中，过氧化氢作为工作电极120的氧化酶，产生的电流与过氧化氢浓度成比例。

在本发明的实施方式中，分析物检测层15可以涂敷在导电层12的部分之上或导电层12的整个区域之上。通常，分析物检测层15设置在工作电极120上，该工作电极120可以作为阳极或阴极，分析物检测层15的厚度可达到大约1000微米(μm)，通常地，制作所述分析物检测层15的一些方法包括将所述层刷涂在衬底上(例如，铂黑电极的活性表面)以及旋涂工艺、浸渍和干燥工艺、低剪切喷涂工艺、喷墨印刷工艺、丝印工艺等。

通常，分析物检测层15靠近一个或一个以上附加层涂敷和/或设置。任选地，所述一个或一个以上附加层包括设置在分析物检测层15上的蛋白质层16。通常，蛋白质层16包括诸如人血清白蛋白、牛血清白蛋白等之类的蛋白质。在本发明的实施方式中，附加层包括分析物调节层17，该分析物调节层17设置在分析物检测层15之上以调节与分析物检测层15的生物标志物接触。例如，分析物调节层17可包括葡萄糖限制膜，所述葡萄糖限制膜调节接触分析物检测层15中存在的诸如葡萄糖氧化酶之类的酶的葡萄糖的数量。这样的葡萄糖限制膜可以由已知的适于上述目的的多种材料制成，例如，聚二甲基硅氧烷等之类的硅树脂、聚氨酯、醋酸纤维素、聚酯磺酸、水凝胶或本领域技术人员已知的任何其他合适的亲水性膜。

在本发明的典型实施方式中，如图1所示，促粘剂层18设置在分析物调节层17和分析物检测层15之间以促进它们的接触和/或粘附。在本发明的一种具体实施方式中，如图1所示，促粘剂层18设置在分析物调节层17和蛋白质层16之间以促进它们接触和/或粘附。促粘剂层18可以由本领域已知的促进所述层之间的粘接的多种材料中的任意一种制得。通常，促粘剂层18包括硅烷化合物。

在本发明的一些实施方式中，分析物检测成分包括能够产生可由导电元件(例如，检测氧和/或过氧化氢浓度变化的电极)进行检测的信号(例如，氧和/或过氧化氢浓度变化)的成分(例如，葡萄糖氧化酶)。其他有用的分析物检测成分可形成为包括抗体，所述抗体与目标分析物的相互作用能够产生可检测信号，在抗体与目标分析物相互作用之后，可由导电元件检测所述可检测信号，从而检测目标分析物存在的浓度信息。

为实现本发明目的，本发明还提供了一种检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法，利用如图1所示的生物传感器1对糖尿病生物标志物进行检测。如图2所示，图2是本发明检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法优选实施例的流程图。在本实施例中，所述检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法包括如下步骤S21至步骤S24。

步骤S21，取生物标志物液体，并通过引流管10将生物标志物液体引流至生物传感器1的分析物检测层15上；在本实施例中，获取受试者的生物标志物取生物标志物液体，并通过引流管10将生物标志物液体引流至生物传感器1的分析物检测层15上，分析物检测层15包括氧和/或过氧化氢的酶，例如葡萄糖氧化酶。任选地，分析物检测层15中的酶与诸如人血清白蛋白、牛血清白蛋白等之类的另一种载体蛋白结合。在本实施方式中，分析物检测层15中诸如葡萄糖氧化酶之类的氧化还原酶与葡萄糖反应生成过氧化氢，过氧化氢是在电极处调节电流的化合物。由于电流的这种调节取决于过氧化氢的浓度，并且过氧化氢的浓度与葡萄糖的浓度相关，葡萄糖的浓度可以通过监测电流的这种调节进行确定。在本发明的具体实施方式中，过氧化氢在作为阳极的工作电极120氧化剂，产生的电流与过氧化氢浓度成比例。

步骤S22，对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极120施加第一工作电压并从工作电极120监测第一工作电压的第一电流信号；在本实施例中，导电层12的工作电极涂敷有生物标志物氧化酶或生物标志物抗体，所述生物标志物氧化酶包括，但不仅限于，葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶的组合物等。在本实施例中，导电层12的工作电极120涂敷有葡萄糖氧化酶，所述葡萄糖氧化酶与目标生物标志物的相互作用能够产生可检测的电流信号，可由导电元件检测所述导电层中工作电极120处的电流。具体地，测试者可以利用电敏电流器的稳压电源对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极120施加第一工作电压(例如，工作电压在0.4V到0.7V之间)，通过电敏电流器的指针从工作电极120获取第一工作电压的第一电流信号。在本发明的实施方式中，可以施加诸如斜坡波形、阶跃波形、正弦波形和方波波形之类的电压波形作为第一工作电压。

步骤S23，对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极120施加第二工作电压并从工作电极120监测第二工作电压的第二电流信号。在本实施例中，使用两个或两个以上不同的工作电压，电压周期中的各后继电压比该循环中的在先电压至少高或低一定电压(例如，0.1V)。在一些实施方式中，脉冲工作电压包括第一工作电压在0.5V到0.8V之间，且第二工作电压低于0.5V或高于0.8V的重复循环，一个循环周期中各后继电压比在先的电压相差至少0.1V。在本发明的实施方式中，同样可以施加诸如斜坡波形、阶跃波形、正弦波形和方波波形之类的电压波形作为第二工作电压。本实施例通过在持续时间段连续地将两种不同的脉冲工作电压施加至导电层12的工作电极120并且测量所述产生的电流值来得到两种不同的电流信号，所测量的两种不同的电流信号与目标生物标志物的浓度相关，从而检测目标生物标志物的浓度。

步骤S24，比较第一工作电压下的第一电流信号和第二工作电压下的第二电流信号获得用于表征至少一个离散浓度范围内的血糖浓度；在本发明的实施方式中，将从涂敷有葡萄糖氧化酶的工作电极接收到的响应第一工作电压的第一电流信号与从涂敷有葡萄糖氧化酶的工作电极接收到的响应第二工作电压的第二电流信号进行比较，其中在所述第一工作电压下的第一电流信号和在第二工作电压下的第二电流信号的比较用于表征至少一个离散浓度范围内的血糖浓度。在本发明的实施方式中，使用相差至少0.1伏、0.2伏或0.3伏的至少两个工作电压。在所述第一工作电压下的第一电流信号和在第二工作电压下的第二电流信号的比较可用于表征小于50mg/dL或70mg/dL(即，通常与低血糖有关的数值)或高于125mg/dL或150mg/dL(即，通常与高血糖有关的数值)的浓度范围内的血糖浓度。本发明的相关实施方式通过将来自处于不同工作电压的工作电极的分析物信号进行比较，其中不同工作电压选定为能够更加准确地表征特定生物标志物中的葡萄糖浓度范围。

本发明在生物传感器1中设置导电层与分析物检测层15，导电层12中设置有一个或多个工作电极120，通过引流管10将生物标志物液体引流至分析物检测层15，通过获取来自处于不同工作电压的工作电极120的生物标志物检测电流信号进行比较，能够更加准确地表征生物标志物中的葡萄糖浓度。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，包括基底层，其特征在于，所述检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器还包括引流管、导电层、覆盖层、分析物检测层以及分析物调节层，其中：

所述引流管透过分析物调节层直接与分析物检测层相通，用于将生物标志物液体引流至分析物检测层上；

所述导电层设置在基底层上并与基底层相结合，所述导电层包括一个或一个以上工作电极；

所述分析物检测层设置在所述导电层上，用于涂覆待检测的生物标志物；

所述分析物调节层设置在所述分析物检测层上，所述分析物调节层用于扩散涂覆在所述分析物检测层的生物标志物；

所述覆盖层设置有一个或一个以上暴露的区域孔以使所述导电层的工作电极向外部环境开放，并且由外部环境的检测元件进行检测所述工作电极的电流信号。

2.如权利要求1所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，其特征在于，所述基底层由金属、陶瓷和/或聚合衬底之类的材料制成，用于支承所述生物传感器。

3.如权利要求1所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，其特征在于，所述分析物调节层包括葡萄糖限制膜，所述葡萄糖限制膜调节接触分析物检测层中存在的葡萄糖氧化酶的数量。

4.如权利要求1所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，其特征在于，所述生物传感器还包括促粘剂层，该促粘剂层设置在所述分析物调节层和分析物检测层之间。

5.如权利要求4所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，其特征在于，所述促粘剂层包括硅烷化合物。

6.如权利要求5所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，其特征在于，所述生物传感器还包括蛋白质层，所述蛋白质层设置在所述分析物检测层与促粘剂层之间。

7.如权利要求4所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的生物传感器，其特征在于，所述蛋白质层包括人血清白蛋白、牛血清白蛋白、或人血清白蛋白和牛血清白蛋白的组合。

8.一种利用如权利要求1至7任一项所述的生物传感器检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

取生物标志物液体，并通过引流管将生物标志物液体引流至生物传感器的分析物检测层上；

对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极施加第一工作电压并从工作电极监测第一工作电压的第一电流信号；

对涂敷有生物标志物氧化酶的工作电极施加第二工作电压并从工作电极监测第二工作电压的第二电流信号；

比较第一工作电压下的第一电流信号和第二工作电压下的第二电流信号获得用于表征至少一个离散浓度范围内的血糖浓度。

9.如权利要求8所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法，其特征在于，所述生物标志物氧化酶包括葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、或葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶的组合。

10.如权利要求8所述的检测糖尿病生物标志物中葡萄糖浓度的方法，其特征在于，所述第二工作电压和第二工作电压为斜坡波形电压、阶跃波形电压、正弦波形电压或方波波形电压，第一工作电压在0.5V到0.8V之间，且第二工作电压低于0.5V或高于0.8V。