CN114981648A - 用于分析物感测的环氧乙烷吸收层和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有分析物生物感测层和环氧乙烷吸收层的分析物生物传感器。所述环氧乙烷吸收层设置在所述分析物生物感测层上方。还提供了一种方法。

Description

用于分析物感测的环氧乙烷吸收层和方法
技术领域
本申请的主题涉及哺乳动物中分析物的检测和浓缩。更具体地说，本主题涉及用于哺乳动物体内的分析物传感器的灭菌。
背景技术
已知哺乳动物具有细胞传感器，这些细胞传感器自我检测身体，特别是组织或血液的化学成分，使得身体可以控制成分浓度的变化。然而，疾病和病理生理状态可能会导致偏离身体组织和血液中成分的正常浓度。用于检测与糖尿病相关联的血糖水平的技术是已知的。还希望检测其他类似的身体功能障碍，以便可以为患者实施治疗和诊断。然而，当测量成分和物理膜层压和渗透性问题可能会对性能产生负面影响时，需要进一步改进以增加插入的传感器的准确性和寿命。
已知环氧乙烷(ETO)是一种低温灭菌剂。然而，需要改进以进一步保护细胞传感器或生物传感器的灭菌和操作。
发明内容
提供了传感器灭菌吸收层以在测量哺乳动物体内的分析物(如葡萄糖)时增加感测性能，与先前前已知的技术相比，它改进了可靠性和使用寿命。灭菌吸收层设置在含有能够结合环氧乙烷的高密度官能团的感测元件上。
在一方面，提供了一种分析物生物传感器，其具有分析物生物感测层和环氧乙烷吸收层。环氧乙烷吸收层设置在分析物生物感测层上方。
在另一方面，提供了一种分析物生物感测组件，其具有分析物生物感测层和灭菌吸收层。灭菌吸收层设置在分析物生物感测层上方。
在又一方面，提供了一种用于对生物传感器进行灭菌的方法。所述方法包含：提供分析物生物感测层和在分析物生物感测层上方的灭菌吸收层；将灭菌吸收层暴露于包括酶和蛋白质中的一种的有机化合物；和将环氧乙烷与灭菌吸收层结合。
在又一方面，提供一种测试带有灭菌化合物(例如环氧乙烷)吸收层的生物传感器的灭菌水平的方法，其包括制造生物传感器，将生物传感器暴露于灭菌化合物，例如环氧乙烷，以及测量传感器到灭菌吸收层的电容。使用灭菌到给定可接受水平的测试传感器结构；将每个测试的传感器的测量电容与阈值进行比较，并丢弃其中电容指示灭菌水平低于给定可接受水平的传感器来确定阈值电容或EIS响应。
本文考虑并描述了这些和其他方面。应当理解，前述概述阐述了用于检测帽与胰岛素递送装置的可释放联接的系统和方法的代表性方面，并帮助熟练的读者理解以下详细描述。
附图说明
图1是在分析物生物感测层上方具有灭菌吸收层的分析物生物传感器的图解横截面视图。
图2是在分析物生物感测层上方具有非环氧乙烷结合层的分析物生物传感器的图解横截面视图。
图3是用于生物传感器的环氧乙烷(ETO)与葡萄糖氧化酶的结合机制的简化图解表示。
图4是具有和不具有灭菌吸收层的薄和厚葡萄糖氧化酶(GOx)层的葡萄糖浓度与传感器信号的中值校准比率的图解绘图。
图5是没有暴露于环氧乙烷(ETO)的生物传感器的电化学阻抗(电容)对比频率的低、中等和高吸收层机制的绘图。
图6是暴露于环氧乙烷(ETO)的生物传感器的电化学阻抗(电容)对比频率的低、中等和高吸收层机制的绘图。
图7是生物传感器的环氧乙烷(ETO)灭菌的简化图解表示，所述生物传感器具有吸收层与葡萄糖氧化酶的结合机制。
具体实施方式
图1是根据一个实施方案的在分析物生物感测层14上方具有灭菌吸收层12的分析物生物传感器10的图解横截面视图。更具体地说，根据一个实施方案，灭菌吸收层12包括具有层厚度X1的环氧乙烷(ETO)结合层13和非环氧乙烷结合层24。分析物生物感测层14包括葡萄糖氧化酶(GOx)层15，其包括失活葡萄糖氧化酶(GOx)层18和活性葡萄糖氧化酶(GOx)层20。灭菌吸收层12使得包括葡萄糖和氧气(O2)混合物26的间质液能够穿过环氧乙烷(ETO)结合层13，从体内暴露于组织和/或血液成分，在所述组织和/或血液成分中环氧乙烷22与灭菌吸收层12内的环氧乙烷(ETO)结合层13结合。葡萄糖和氧气混合物26穿过相对薄的失活葡萄糖氧化酶(GOx)层18并进入活性葡萄糖氧化酶(GOx)层20，在所述活性葡萄糖氧化酶层中传感器10检测到与活性葡萄糖氧化酶的量成正比的电流。下面参考图6和7更详细地提供这类检测到的电容变化，其能够检测这类组织和/或血液中的具体生物感测状态或状况。
如图1所示，分析物生物感测层14包含葡萄糖氧化酶(GOx)层15，其包括靠近层12的相对薄的失活葡萄糖氧化酶(GOx)层18和在失活层18下方的相对厚的葡萄糖氧化酶(GOx)层20。层20沉积在铂层或表面16顶上。任选地，可以利用任何其他合适的材料或金属层，如金，来代替铂层。
如图1所详述的，灭菌层12和分析物生物感测层14可以与用于灭菌层的其他任选组分一起构建，并且分析物生物感测层包含基于酶的分析物感测层，所述基于酶的分析物感测层被配置成检测以下中的一种：葡萄糖、酮和乳酸。
图1所示的这类基于酶的分析物感测层可以被配置成实现葡萄糖测定生物感测，并且包括以下中的一种：葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖氧化酶的修饰和葡萄糖脱氢酶的修饰。这类基于酶的分析物感测层可以被配置成实现包括3-羟基丁酸脱氢酶的酮测定生物感测。此外，这类基于酶的分析物感测层可以被配置成实现包括乳酸脱氢酶的乳酸测定生物感测。
图1的这类分析物生物感测层可以包括被配置成检测葡萄糖的非基于酶的分析物感测层。这类非基于酶的分析物感测层可以被配置成实现包括硼酸水凝胶的葡萄糖测定生物感测。
图1的这类环氧乙烷吸收层可以包括在分析物生物感测层上方的灭菌吸收层，其被配置成保存位于下面的环氧乙烷吸收层的分析物感测性能。这类环氧乙烷吸收层还可以包括带有以下中的一种的聚合物：重复胺；和羧酸基团中的一种。这类环氧乙烷吸收层还可以进一步包括以下中的一种：聚-l-赖氨酸；壳聚糖、聚乙烯亚胺和蛋白质(HSA)。
另外，粘合剂层可以至少部分地由环氧乙烷吸收层或(图1的)结合层13提供。如图2所示，环氧乙烷吸收层本身也可以为层114和124提供粘合作用。
图1的分析物生物传感器10提供了分析物生物感测组件，其包含分析物生物感测层14和在分析物生物感测层14上方的灭菌层12。图1的这类分析物生物感测层可以包括被配置成检测以下中的一种的基于酶的分析物感测层：葡萄糖、酮和乳酸。这类灭菌吸收层可以包括环氧乙烷吸收层，其包括被配置成与环氧乙烷结合的高密度官能团。在这种情况下，官能团可以包括带有以下中的一种的聚合物：重复胺；和羧酸基团中的一种。这类灭菌吸收层可以包括以下中的一种：聚-l-赖氨酸；壳聚糖、聚乙烯亚胺和蛋白质(HSA)。这类灭菌吸收层可以包括以下中的一种：线性分子、支化分子和树状体分子。这类灭菌吸收层可以进一步包括粘合剂层。这类灭菌吸收层可以包括具有第一厚度的第一区域和具有不同于第一厚度的第二厚度的第二区域。最后，这类灭菌吸收层可以设置有厚度，所述厚度提供计量层，所述计量层被配置成控制分析物传输到分析物生物感测层的速率。
同样根据图1，提供了一种用于对生物传感器进行灭菌的方法。所述方法包含：提供分析物生物感测层和在分析物生物感测层上方的灭菌吸收层；将灭菌吸收层暴露于包括酶和蛋白质中的一种的有机化合物；和将环氧乙烷与灭菌吸收层结合。在一种情况下，分析物生物感测层包括基于酶的分析物感测层，并且进一步包括在分析物生物感测层处检测以下中的一种：葡萄糖、酮和乳酸。在一种情况下，灭菌吸收层包括环氧乙烷吸收层，所述环氧乙烷吸收层包括被配置成与环氧乙烷结合的高密度官能团，并且进一步包括将环氧乙烷与所述官能团结合。在这种情况下，官能团可以包括带有以下中的一种的聚合物：重复胺；和羧酸基团中的一种。
图2是根据非优选实施方案的在分析物生物感测层114上具有非环氧乙烷结合层124的分析物生物传感器110的图解横截面视图。更具体地说，非环氧乙烷结合层124层叠在包括葡萄糖氧化酶(GOx)层115的分析物生物感测层114上方，所述葡萄糖氧化酶(GOx)层115具有相当厚的失活葡萄糖氧化酶(GOx)层118并进入活性葡萄糖氧化酶(GOx)层120。由于缺少环氧乙烷结合层(如图1的层12)，环氧乙烷122与葡萄糖氧化酶层118结合，这导致这类失活并降低传感器110中检测到的电流变化的准确性，因为相比于图1的实施方案中所示的厚度，活化的葡萄糖氧化酶层120的厚度减小了。非环氧乙烷结合层124具有层厚度X2，其中由于添加了ETO结合层，所以X1大于X2。
由于活化的葡萄糖氧化酶层120的厚度减小，所以传感器120不太能够通过击穿由层120产生的产物而准确地检测电流。下面的图6和7，一种用于测量环氧乙烷对保护/吸收层的影响的不同技术，所述技术能够检测这类组织和/或血液中的具体生物感测状态或状况。层124使得葡萄糖和氧气(O2)混合物126能够穿过非环氧乙烷结合层124，从体内暴露于组织和/或血液成分，在所述组织和/或血液成分中环氧乙烷122与层114中的葡萄糖氧化酶118结合，从而造成失活。在操作中，传感器110通过击穿由层120产生的产物来检测电流。因此，如果层120较薄或受损，则电流不能实现对具体生物感测状态的准确检测。葡萄糖和氧气混合物126进入较薄的活性葡萄糖氧化酶(GOx)层120，其中传感器120检测阻抗或电容，如下文参考图6和7更详细提供的，不能准确地检测这类组织和/或血液中的具体生物感测状态或状况。层120沉积在铂层或表面116顶上，但可以任选地设置在金层或一些其他合适的金属层顶上。
图3是用于图2的不具有吸收层的生物传感器的用于与葡萄糖氧化酶层结合的环氧乙烷(ETO)结合机制30的简化图解表示。更具体地说，第一阶段或步骤涉及环氧乙烷(ETO)灭菌步骤32。其次，在步骤34中环氧乙烷(ETO)与吸收层结合。随后，发生酶失活步骤36，其导致包括被失活的层118的层114的减少。层118的这种失活导致葡萄糖的信号减少38，如步骤38所示。最后，在步骤40中示出了由层114提供的感测层的部分118的酶失活引起的校准定量增加。
图4是具有和不具有灭菌吸收的薄和厚葡萄糖氧化酶(GOx)层的葡萄糖浓度与传感器信号的中值校准比率的图解绘图。A列示出了高氧气浓度、中等氧气浓度和低氧气浓度的中值校准比率的单个值绘图，其中在传感器上方有薄GOx层且没有保护层。B列示出了相同的情况，其中在传感器上方有薄的GOx层和保护层。C列示出了相同的情况，其中在传感器上方有厚GOx层且没有保护层。最后，D列示出了相同的情况，其中在传感器上方有厚GOx层和保护层。中值校准比率表示“葡萄糖浓度”与检测到的“传感器信号”的比率，如图4所示。
图5和6示出了实验结果，表明所提出的环氧乙烷结合层实际上可以吸收环氧乙烷(ETO)。对于实验，使用了简化的结构。这种简化的结构具有沉积到金属表面(相当于图1中的层16，但材料实际是金)上的ETO结合层(相当于图1中的层12，高度为X1)。用这种结构制造样品，其中沉积到层16上的层12具有三个不同水平的高度/厚度X1，下面称为高、中等和低。估计的大致厚度为：高厚度为700-800纳米，中等厚度为200-300纳米，低厚度为100-200纳米。然后，图5和6比较了已暴露于ETO的样品与未暴露于ETO的样品的频率扫描的电阻抗(EIS)。图5和6中的每一个都示出了三条线。最上面的线，即最接近Zimag＝零轴线的线，是高厚度的结果，下面的线是中等厚度的结果，而底部的线是低厚度的结果。每组内读数的扩展由线上的竖直条表示。本质上，这种“电阻抗”技术通过大幅改变所得电阻抗特征，提供了与层12结合的ETO的实际测量。本质上，图5和6提供了基于这种简化结构的数据。结果可以很容易地外推到图1的排列中，因为它们本质上是测量ETO结合层的行为，所述ETO结合层存在于简化结构和完整结构中(图1)。
图5是电化学阻抗(电容)对比频率的低、中等、高吸收层机制(不同厚度X1的吸收层)的绘图。可以看出，阻抗在低频下具有特征性的“钟形”曲线。预期，在没有环氧乙烷的情况下，图1的生物传感器也会出现这类响应。图2的生物传感器在暴露于或不暴露于环氧乙烷的情况下也可以显示这种响应，因为图2的结构没有灭菌吸收层。
图6是在环氧乙烷存在下电化学阻抗(电容)对比频率的低、中等、高吸收层机制的绘图。预期，在暴露于环氧乙烷(ETO)的情况下，图1的生物传感器会出现这类响应。在图1结构中，环氧乙烷(ETO)结合层不仅为有源感测层提供保护层，而且可以检测层内灭菌化合物(例如ETO)的存在。包括ETO结合层的灭菌吸收层因此执行双重功能，即在生物传感器上方提供保护层，以及提供检测传感器是否出于灭菌目的已充分暴露于环氧乙烷的方式。
图7是生物传感器的环氧乙烷(ETO)灭菌过程40的简化图解表示，所述生物传感器具有与葡萄糖氧化酶的吸收层的结合机制。更具体地说，环氧乙烷(ETO)灭菌步骤42在步骤44之前，在步骤44中ETO与吸收层12结合(见图1)。步骤44描绘了与灭菌吸收层22结合的ETO22(见图1)。随后，在步骤46中灭菌吸收层22(见图1)的所得电容减小。随后，阻抗(或电容)Zimag由于层变化而变化。如图5和6所示，随着ETO吸收到ETO吸收层中，吸收层显著改变了电容。
根据图7中总结的过程，环氧乙烷吸收层保护位于下面的分析物生物感测层，同时通过阻抗的变化对ETO暴露做出可测量的响应。这提供了一种评估传感器是否已充分灭菌的即用方式。基于简单的电容测量，可以丢弃或验收传感器。EIS是一种在频率扫描范围内测量电容的合适技术。对于任何给定批次的传感器，可以凭经验，例如通过测量批次中的传感器或与批次同时形成的简化结构的受控暴露之前和之后的电容，容易地确定丢弃或验收的阈值。此位于下面的分析物生物感测层可以是基于酶的和/或非基于酶的。分析物包含葡萄糖、酮和乳酸。酶生物感测层包含实例，如针对第1代、第2代和第3代生物感测的用于葡萄糖测定生物感测的葡萄糖氧化酶和/或葡萄糖脱氢酶和/或其修饰物。其他酶生物感测层包含实例，如用于酮测定和乳酸测定感测的3-羟基丁酸脱氢酶和乳酸脱氢酶。非酶生物感测层包含实例，如用于葡萄糖测定的硼酸水凝胶。
环氧乙烷(ETO)与如酶和其他蛋白质的有机化合物发生烷基化反应。这些反应使具有巯基的酶失活，从而为热敏和湿敏材料提供了有效的灭菌剂。
如图4所示，灭菌吸收层的提供被配置成保存分析物感测性能，免于受环氧乙烷影响。分析物感测可以是基于葡萄糖和/或其他基于酶的感测平台。灭菌吸收层被配置成含有能够结合环氧乙烷的高密度官能团，如图5所示。由具有重复胺和/或羧酸基团的聚合物构成的灭菌吸收层的提供示于图5中，对于每个层厚度范围，电容值显著减小。灭菌吸收层可以是聚-l-赖氨酸、壳聚糖、聚乙烯亚胺或蛋白质，如HSA。灭菌吸收层可以是线性的、支化的、树状体。所述材料既可以充当粘合剂层，也可以充当灭菌吸收层。最后，灭菌吸收层可以做成不同的厚度。
如本文权利要求中使用的术语“一个/一种(a)”、“一个/一种(an)”和“所述(the)”是根据长期存在的权利要求起草实践使用的，而不是以限制性的方式使用。除非本文具体说明，否则术语“一个/一种(a)”、“一个/一种(an)”和“所述(the)”不限于这类要素之一，而是意指“至少一个”。
虽然本申请致力于解决葡萄糖生物传感器包装，但它绝不限于此。本公开仅受所附权利要求的字面措辞限制，对说明书没有解释性或其他限制性参考，并且符合等效原则。考虑了其他生物传感器外壳的其他方面和实施方案。
根据规定，已就结构和方法特征而言以更具体或更不具体的语言描述了各种实施例。然而，应当理解，各种实施例不限于所示和描述的特定特征，因为本文公开的手段包括使各种实施例生效的公开内容。因此，在根据等效原则适当解释的所附权利要求的适当范围内，要求保护各种实施例的其任何形式或修改。

Claims (15)

1.一种分析物生物传感器，其包括：
分析物生物感测层；和
在所述分析物生物感测层上方的灭菌吸收层；
其中所述灭菌吸收层至少部分地包括环氧乙烷吸收层。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述分析物生物感测层包括基于酶的分析物感测层，所述基于酶的分析物感测层被配置成检测以下中的一种或多种：葡萄糖、酮和乳酸。
3.根据权利要求2所述的生物传感器，其中所述基于酶的分析物感测层被配置成实现以下中的一种或多种
a.葡萄糖测定生物感测，并包括以下中的一种：葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖氧化酶的修饰和葡萄糖脱氢酶的修饰；
b.酮测定生物感测，其包括3-羟基丁酸脱氢酶；和
c.乳酸测定生物感测，其包括乳酸脱氢酶。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述分析物生物感测层包括非基于酶的分析物感测层，所述非基于酶的分析物感测层被配置成检测葡萄糖。
5.根据权利要求4所述的生物传感器，其中所述非基于酶的分析物感测层被配置成实现包括硼酸水凝胶的葡萄糖测定生物感测。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生物传感器，其中所述环氧乙烷吸收层包括带有以下中的一种的聚合物：重复胺；和羧酸基团中的一种。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的生物传感器，其中所述环氧乙烷吸收层包括以下中的一种：聚-l-赖氨酸；壳聚糖、聚乙烯亚胺和蛋白质(HSA)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的生物传感器，其进一步包括至少部分地由所述环氧乙烷吸收层提供的粘合剂层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的生物传感器，其中所述灭菌吸收层包括以下中的一种：线性分子、支化分子和树状体分子。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的生物传感器，其中所述灭菌吸收层包括具有第一厚度的第一区域和具有不同于所述第一厚度的第二厚度的第二区域。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的生物传感器，其中所述灭菌吸收层的厚度提供计量层，所述计量层被配置成控制分析物传输到所述分析物生物感测层的速率。
12.一种测试根据权利要求1至11中任一项所述的生物传感器的灭菌水平的方法，所述方法包括制造所述生物传感器，将所述生物传感器暴露于灭菌化合物，例如环氧乙烷，以及测量所述生物传感器到所述灭菌吸收层的电容。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使用灭菌到给定可接受水平的测试传感器结构；将每个测试的传感器的测量电容与阈值进行比较，并丢弃其中所述电容指示灭菌水平低于所述给定可接受水平的传感器来确定阈值电容或EIS响应。
14.一种用于对生物传感器进行灭菌的方法，其包括：
提供分析物生物感测层和在所述分析物生物感测层上方的灭菌吸收层；
将所述灭菌吸收层暴露于包括酶和蛋白质中的一种的有机化合物；和
将环氧乙烷与所述灭菌吸收层结合。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述分析物生物感测层包括基于酶的分析物感测层，并且其进一步包括在所述分析物生物感测层处检测以下中的一种：葡萄糖、酮和乳酸，并且任选地所述灭菌吸收层包括环氧乙烷吸收层，所述环氧乙烷吸收层包括被配置成与环氧乙烷结合的高密度官能团，并且其进一步包括将环氧乙烷与所述官能团结合，优选地所述官能团包括带有以下中的一种的聚合物：重复胺；和羧酸基团中的一种。
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