CN1220006A - 用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极,包括:有至少一个贵金属电极的基膜,所述贵金属电极在所述基膜的一侧;一个质子优先的离子渗透膜,在所述基膜及所述贵金属电极上;和一个在所述离子渗透膜上的双层膜,其中在一种合适的介质中含有葡萄糖氧化酶。本发明并涉及一种用来操控所述薄膜电极的电子电路,它包括:一个稳定极化电源;两个高阻抗放大器;一个并联电阻;一个用来处理和存储被测参数的装置;以及一个输出设备。

Description

用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极

本发明涉及一种用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极。

本发明还涉及到用来操控所述薄膜电极的一种电子电路。

专利文献EP-A0141178公开了一种用来测量物质浓度的装置，用这种装置可测定H₂O₂的浓度。其中公开了一种包括贵金属的测量电极，所述贵金属由一亲脂薄膜与电解液相隔离。在这种情况下，所述薄膜含有亲脂离子，尤其是阴离子，和/或载体键合(carrier-bonded)离子，并且质子不能透过。在一特定实施例中，在由亲脂薄膜与电极隔开的电解液腔或电解液室中装有一种酶，用来将尤其是可扩散的物质转换为H₂O₂，后者的浓度由所述装置测量，从而就可以测定所述物质的浓度。

在现有技术已知的用来测量物质浓度的装置中，存在这样的缺点：在测量过程中，被测参数存在相对较大的变化，也就是说，被测参数存在一定量的漂移。

因此，本发明的一个目的就是提供一种电极，用这种电极可以避免现有技术中的所述问题，生产起来也经济。

本发明的另一个目的是提供一种操控所述类型电极的电子电路。

所述目的是用一种用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极达到的。这种电极包括：具有至少一个贵金属电极的基膜或主膜，所述贵金属电极在所述基膜或主膜的一侧；一个质子优先的(Proton-selective)离子渗透膜，在所述基膜或主膜及所述贵金属电极上；和一个在所述离子渗透膜上的双层膜，其中在一种合适的介质中含有葡萄糖氧化酶。

本发明的所述目的的实现还要借助于一种用来操控所述薄膜电极的电子电路，该电路包括：一个稳定极化电源或者偏压电源；两个高阻抗放大器；一个并联电阻；一个用来处理和存储被测参数的装置；以及一个输出设备。

通常的具有大的贵金属表面的电极表现出对电对流的高敏感度。这意味着，导致电极扩散区内的电对流变化的毛细管流的变化将导致电极信号的极大变化。考虑到这种事实，使用了低对流敏感度的直径低于50μm的微电极。这样的微电极的缺点是具有较高的漂移度。通常，偏移范围在每小时2-3％之间。因此，要用微电极进行足够精度的测量操作，只有对偏移进行合适地校正之后才有可能。这就要求用至少两种溶液或者标准气体进行频繁的标定校正操作。在本发明的电极中，所述贵金属表面覆盖有保护性的亲脂薄膜，只允许憎水的气态物质到达电极。根据本发明，在所述离子渗透膜上还有一个双层膜，其中含有合适的介质，葡萄糖在其中被氧化。

电势-极谱法H₂O₂测量的原理，是两种不同的电化学方法，即电流分析法和电势分析法的综合。将所述两种测量方法综合到一个电极中，系基于这样的观察结果：离子渗透膜与例如铂相接触的电极对氢有反应。对这种意料之外的现象的研究显示，铂表面的氢按照下述电化学反应被氧化了：

所形成的质子由离子载体分子送过离子渗透膜。由所述离子载体分子形成的透过离子渗透膜的质子流产生一个薄膜电势，该电势能够用电势分析法测定。对结果的精确分析表明，其中含有质子载体的亲脂的聚氯乙烯薄膜具有多功能特性，如果使其与一种贵金属表面，而不是内电解液例如3或4克分子浓度的KCL接触的话。

应当注意，对于所述类型的电势-极谱法贵金属电极的活化，一项关键的先决条件是其充分水化，这是由水蒸气透过所述亲脂离子渗透膜的扩散实现的。到达所述金属表面的水分子在所述表面上形成一个电偶极子层。随后，如果电极被用作阳极的话，就形成以OH^-离子为带电层的亥姆霍兹极化层。由于不存在OH^-和H⁺之外的其它离子，所述亥姆霍兹层只含有水及其分解产物，即OH^-离子和H⁺离子。

在所述贵金属表面和所述离子渗透膜之间由水化作用而形成一个约在250到300nm之间的中间层的事实，导致了在普通电极系统中不存在的有用的电化学交互作用。

如果H₂O₂扩散通过所述离子渗透膜，它就在所述极化的贵金属表面被氧化，该氧化还原反应中产生的质子由于离子渗透膜的抗扩散性而在所述由水化作用在电极表面和离子渗透膜间形成的中间层空间中累积。另一方面，存在一个通过渗透膜的质子流。该质子流依赖于渗透膜的厚度、所述亲脂薄膜中的H⁺载体的浓度和游动性、位于所述贵金属电极和离子渗透膜之间的中间层空间中的质子的活动性，以及所述贵金属表面和外部酶空间间的电场强度。借助于本发明在薄膜厚度、施加的电场和其它特定参数方面的电极设计，这些参数可以根据所涉及的要求而进行合适的调整，以使得所述通过离子渗透膜的质子流形成两个质子梯度和相应的电势梯度。其中第一个梯度在所述贵金属电极和离子渗透膜问的充满水的中间层空间中形成，而第二个梯度则在离子渗透膜内部形成。

极谱电极可以用作还原或氧化电化学系统。它们包括一个可极化金属电极、一个不可极化基准电极(例如Ag/AgCl)和一个极化电源。产生的具体信号就是被分析化学物质的氧化还原反应所产生的电流。一般，所有扩散到达金属表面的分子都完全被氧化或还原。

因此，被分析物质的浓度就从其试样中的原始浓度或初始浓度值降到极化电极表面的零值。扩散到所述表面的分子数取决于分子流量，后者与其浓度成正比，但与其活动性无关。因此，被分析物质的浓度和测量的氧化还原电流间的关系是线性的。

离子的活动性是用电势测定电极测量的。化学物质的活动性定义为离子或者分子的自由迁移度。能斯特方程给出了阳离子或阴离子活动性测量的理论基础。该方程表明，离子浓度的对数值增大，则离子的活动性减小。用玻璃电极或现代的离子电极进行离子测量的原理是，根据离子活动性的不同，离子可逆地结合于一种水化玻璃薄膜中或一种合适的离子载体中。在离子电极的情况下，离子结合的机制类似于电容器的充电和放电。根据穆迪和托马斯的《选择性离子敏感电极》(Moody and Thomas,SelectiveIon-sensitive Electrodes,Marrow Watford,England 1971)，用在离子导电电极中的薄膜可以视为一种液体薄膜。

与普通H₂O₂、H₂和PO₂电极的在700mV范围内的极化电压相比，已经得到有益的证实，表明，对于本发明的葡萄糖电极，200mV到300mV之间的电压就足够了。为了获得较为稳定的氧化还原电流，普通电极需要一到十小时的极化时间，在这种情况下仍然存在每小时3％的漂移。相反，本发明的电极的极化时间在秒级，在这方面，本发明尤其有利的是，尽管极化时间非常短，所述漂移仍显著减小了。原因之一，可能是只由OH^-和H⁺离子组成的亥姆霍兹极化层的非常特殊的特性。电化学副反应也被有益地排除了，因为所述贵金属表面被一亲脂薄膜围住，因而具有非常高的洁净度。因此，就不可能因为溶解度低的金属、金属化合物和盐以及类似物质的淀积而染污电极表面。

根据本发明，各种薄膜的设计特别有益，因为，尤其是另外设置了一个双层膜，在该双层膜中，于所述离子渗透膜上的合适的介质中含有葡萄糖氧化酶，这种设计意味着可以将可还原物质(O₂)或可氧化物质(H₂O₂、H₂)的消耗量减少到这样的低水平，使得本发明的电极没有任何对流敏感性，即使使用大型的贵金属阴极或阳极也是如此。另外，也可以对非常小的H₂O₂氧化流进行电势法测定，以便提供一种选择，可以以板长时间的稳定性、以极低的葡萄糖消耗量进行葡萄糖浓度的测量。

在本发明的一种特定实施例中，所述基膜设置在一层隔离膜或者一个载体箔或载体片上。在这点上，最好所述隔离膜或载体箔从侧面和下部将整个电极结构围住，从而使得电极只能用一个表面与环境接触。在避免流体泄漏方面，这提供了高度的可靠性，物质交换只能通过所述双层膜所限定的表面进行，该表面朝向含葡萄糖的溶液。

这样，就非常有效地避免了流体泄漏。电极结构中的相邻薄膜层可以焊接在一起。

在本发明的薄膜电极的另一个实施例中，以一层外膜围住所述载体箔或隔离膜、带电极的基膜和质子优先的离子渗透膜，在其中的合适介质中含有葡萄糖氧化酶的双层膜则设置在外膜上，位于所述离子渗透膜的上方。在这方面，所述载体箔或隔离膜、带电极的基膜、质子优先的离子渗透膜和外膜两两间的中间空间最好充满一种电解质凝胶。对于电极，最好从电极结构中伸出一个置于软管中的电缆，将之连接到合适的电子测量装置。所述软管最好焊接或粘结到所述外膜上。在此类结构中，所述电缆和软管间的空间最好也充以电解质凝胶。在这种情况下，所述电解质凝胶用来接触所述基准电极或者基准电极系统。这可以有益地防止基准电极对电缆液体可能产生的染污。

根据本发明，最好使用贵金属电极，所用材料最好是金或者铂。

离子渗透膜通常含有一个液相，其中，尤其在离子渗透膜的液相中含有配位体分子，后者在渗透膜内是可运移的。所述配位体分子最好是三十二烷基胺(tridodecylamine)。

由于电化学反应通常都是与温度有关的，在本发明的电极整体结构中最好设置一个温度传感器。这样，就可以通过在测量过程中持续地监控温度而修正测量值因温度而导致的变化。在此情况下，通常即可得到的用于活体上或活体内温度测量的温差电偶装置可以用作所述温度传感器。

本发明的电极结构也可以有益地予以微型化，在此情况下，最好使用薄膜技术来生产所述类型的微型化电极。这样可以提供易于处理的廉价的电极。在一个微型化电极中，也可以提供多个测量点，例如两个、三个或者四个。这使得可以合乎需要地在面颊粘膜或者牙龈粘膜上的合适数目的测量点同时进行测量。当把各测量值加以比较时，测定值的可靠性程度就提高了，或者说，局部差异的测定也变为可能了。为了进行合适的使用，本发明的电极结构最好安装在一个固定装置上。这样的固定装置例如最好可以固定到一个或多个牙齿上，或者可以是夹子的形式。这使得可以测量粘膜中的葡萄糖浓度。

当把电极结构置于一个垫片，例如硅橡胶中时，就可以用来测量例如工作中的器官表面的葡萄糖浓度。

在所述薄膜电极的另一个最佳实施例中，所述基膜是由塑料纤维形成的，而所述电极、质子优先的离子渗透膜和含葡萄糖氧化酶的双层膜将所述塑料纤维围住。这样的结构中的一根电极用作插入件或者穿刺电极，或者侵入性干扰微弱或极弱的阴极电极。

但是，本发明的薄膜电极也可以用在自动分析仪器中进行血液和液体试样中的葡萄糖测定。为此，将本发明的电极结构设置在一根毛细管中，或者与一毛细管相连，使得含葡萄糖氧化酶的双层膜的表面与所述毛细管的内部空间相连。这样，本发明的电极结构就也可以在诊所和/或一般而言在实验室中使用的自动分析操作中使用，在所述自动分析操作中，要对葡萄糖含量进行研究。又如，在研究食物时可以是同样的情况。

到此为止所提出的本发明的薄膜的最佳实施例中，出于各种目的，最好与所述薄膜电极一起在一部件中或在一固定装置上安装一个基准电极。

用来操控所述薄膜电极的，具有一个稳定极化电源、两个高阻抗放大器、一个并联电阻、一个被测参数的处理和存储装置以及一个输出设备的电子电路的线路最好如此设计，使其分为空间上相互隔离的两个单元，其中，在一最佳实施例中，所述两个单元通过电缆而连接到一起。在本发明的电子电路的另一个最佳实施例中，所述单元是用光电设备连接起来的，或者是借助于光电设备相互联络的。

所述电子电路的所述并联电阻通常约在10⁷到10¹¹Ω之间，尤其最好为10⁹Ω。该并联电阻决定H₂O₂氧化的数量级，从而决定在电路中产生的氧化电流的数量级。由于高氧化率使得葡萄糖传感器对对流电流敏感，并且，为了生成大量的H₂O₂，葡萄糖氧化酶将不得不具有高的转化率，因此，最好避免过高的电流。因此，使用阻值在约10¹⁰到10¹¹Ω之间的电阻仍可以进行葡萄糖测量，但只有非常有限的精确度，但这种精确度对于特定用途来说当然也是足够的。如果用低于10⁹Ω的电阻，也就是说用约10⁷到10⁸Ω范围内的电阻，标定曲线的梯度和形状就有所改变，这对于测量精确度也有不良影响。

因此，所述并联电阻阻值最好为10⁹Ω，这样，利用整个装置可以得到最佳的测量结果。

下面通过实施例参照附图对本发明进行描述。附图中：

图1图示了本发明的薄膜电极，

图2图示了本发明又一个实施例的薄膜电极，

图3示出了本发明的薄膜电极的一个具有四个测量点的实施例，

图4示出了本发明的薄膜电极的一个实施例，其中，薄膜电极安装在一个固定装置上，该固定装置可以装到三颗牙齿上，

图5示出了本发明的薄膜电极的一个实施例，其中，薄膜电极安装在一个夹子或者夹钳上，

图6示出了本发明的薄膜电极的一个实施例，其中，薄膜电极设置在一个垫片中，该垫片最好是硅橡胶的，

图7和图8示出了本发明的薄膜电极的一个实施例，其中，薄膜电极设置在一个毛细管中，或与一毛细管相连，

图9示出了本发明的薄膜电极的一个实施例，其中，薄膜电极是插入件和/或导管电极形式，

图10是本发明的用来操控所述薄膜电极的电子测量电路的一个简要图示，

图11和图12图示了示于图10中的电子测量电路的两个实施例，和

图13是一个测量值记录曲线，该曲线是用五个本发明的薄膜电极进行长期测量得到的。

参图1，其中简要图示了一个本发明的用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极。它包括一个基膜或主膜1、一个质子优先的离子渗透膜3和一个双层膜4。所述主膜具有一个贵金属电极2，该电极设置在所述主膜1的一个侧面上，所述离子渗透膜3设置在所述基膜1和所述贵金属电极2上，所述双层膜设置在离子渗透膜3上，其中在合适的介质中含有葡萄糖氧化酶。在图1所示的实施例中，所示基膜1设置在一个隔离膜或载体箔或载体片5上，其中，所示隔离膜或载体箔或载体片5从侧面和底部将电极结构围住。

图2示出了本发明的薄膜电极的一最佳实施例，其中，以一层外膜6围住所述载体箔或隔离膜5、带电极2的基膜1和质子优先的离子渗透膜3，在其中的合适介质中含有葡萄糖氧化酶的双层膜4则设置在该外膜6上。在示于图1和图2的实施例中，相互叠加在一起的各层薄膜最好相互焊接在一起，以避免流体泄漏。在示于图2的实施例中，最好，所述载体箔或隔离膜5、带电极2的基膜1、质子优先的离子渗透膜3和外膜6两两间的中间空间7最好充满一种电解质凝胶，在这种情况下，所述电解质凝胶用来分别接触所述基准电极或者基准电极系统。这样的好处是可以防止基准电极对被分析液体可能产生的染污。

电极2由一电缆8连接到一电子测量装置。所述电缆从电极结构中伸出，置于一管子或软管9之中。所述软管9与所述外膜6相连，最好是粘结，或者更好地是焊接在所述外膜上。所述电缆8和软管9间的空间10最好也充以电解质凝胶。对于贵金属电极，所用材料最好是金或者铂。最好使用薄膜技术来生产本发明的电极，这样可以廉价而大量地生产。在此，尤其可以使用化学汽相淀积工艺或者PVD工艺。

基膜1最好用不可渗透的聚氯乙烯制造，而离子渗透膜3最好用液相的含有增塑剂，并在增塑剂中含有能够络合H⁺离子的配位体分子的聚氯乙烯材料制造。本质上，所有的可溶于所使用的各增塑剂的，或可与之溶混的，并能够络合H⁺离子的分子都视为配位体分子，它最好是三十二烷基胺。所使用的薄膜的厚度分别在100-300μm量级，双层膜4中的葡萄糖氧化酶的单位总活性浓度最好约为1mMol/min。

在示于图3的实施例中，电极结构具有四个测量点，也就是说，在该电极结构中设置有四个贵金属电极2，其中，每个贵金属电极2分别被一个质子优先的离子渗透膜3和一个双层膜4所覆盖，所述双层膜4在合适的介质中含有葡萄糖氧化酶。

参图4和图5，其中示出了各个固定装置11、12。在所述固定装置上装有薄膜电极，后者在此总括地以标号13指示。图4中的固定装置11用来固定到三颗牙齿上，可以装到三颗牙齿上。图5中的固定装置则是一个夹子或夹钳12。

示于图6中的实施例包括一个设置在一个硅橡胶垫片14中的薄膜电极13，最好用来测量器官表面的葡萄糖浓度。重量在垫片14上的分布防止了因为施加于器官表面的压强过高而对器官的功能有不利影响。

在图7和图8所示的实施例中，电极装置与一毛细管15相连。在此情况下，该毛细管15最好安装在一个底板16上，然后在该底板中集成具有双层膜4、外膜6、离子渗透膜3、带电缆8的贵金属电极2、基膜1和隔离膜5的电极结构。

在示于图9的实施例中，根据本发明在电极结构中配备有一个插入件或者导管电极。在此情况下，所述基膜是由塑料纤维17形成的，所述电极2、质子优先的离子渗透膜3和含葡萄糖氧化酶的双层膜4将所述塑料纤维17围住。

图10简要地示出了所使用的电子测量电路的示意结构，但没有表示出用来处理和存储测量值的元件。图中简要示出的电路包括一个稳定极化电源18、两个高阻抗放大器19和20、一个并联电阻21、一个显示装置22，以及本发明中的薄膜电极23和一个基准电极24。所述显示装置最简单的形式可以是一个伏特表。

图11和图12图示了所述电子测量电路的两个最佳实施例，其中，电子测量电路被分成两个单元即25、26和27、28，它们在空间上相互隔离。在图11所示的实施例中，单元25通过电缆8与薄膜电极相连，通过电缆29与单元26相连。在该实施例中，在作为放大单元的单元25中集成有一个阻抗转换器、一个差分放大器、电池和稳压器、所述并联电阻、所述基准电极或基准系统，以及一个变流器/变压器，而在单元26即带存储器的微处理单元中集成有数字显示器30、也可以集成于单元25中的电池和稳压器，以及一个输出到调制解调器或打印机的输出设备。示于图12中的实施例提供了通过光电设备与单元28相连的单元27。所述单元27中含有单元25中的元件和一个红外激光二极管或发光二极管31，而单元28则包括单元26中的元件和一个光电二极管30。

图13示出了用五个不同的电极在60天中进行的长期测量的结果。在这些测量中被研究的溶液含有1mMol/l的H₂O₂，并使用了阻值为10⁹Ω的并联电阻。以记录的测量结果为基础，计算出的电极漂移仅为0.003mV/h或7.2mV每100天。由此可以清楚地看到，本发明的电极尤其适于长期测量。

Claims (24)

1、一种用来测量液体中的葡萄糖浓度的薄膜电极，包括：

——具有至少一个贵金属电极(2)的基膜(1)，所述贵金属电极在所述基膜(1)的一侧，

——个质子优先的离子渗透膜(3)，在所述基膜(1)及所述贵金属电极(2)上，和

——个在所述离子渗透膜(3)上的双层膜(4)，其中在一种合适的介质中含有葡萄糖氧化酶。

2、如权利要求1所述的薄膜电极，其特征在于，所述基膜(1)设置在一层隔离膜(5)或一个载体箔(5)上。

3、如权利要求1或2所述的薄膜电极，其特征在于，隔离膜(5)或载体箔(5)从侧面围住所述电极结构。

4、如权利要求1到3之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，以一层外膜(6)围住所述载体箔或隔离膜(5)、带电极(2)的基膜(1)和质子优先的离子渗透膜(3)，在其中的合适介质中含有葡萄糖氧化酶的双层膜(4)设置在该外膜(6)上。

5、如权利要求4所述的薄膜电极，其特征在于，所述载体箔或隔离膜(5)、带电极(2)的基膜(1)、质子优先的离子渗透膜(3)和外膜(6)两两间的中间空间(7)中充有一种电解质凝胶。

6、如权利要求4或5所述的薄膜电极，其特征在于，所述电极(2)具有一个电缆(8)，将之连接到合适的电子测量装置，该电缆(8)从所述电极结构中伸出，置于一软管(9)中。

7、如权利要求6所述的薄膜电极，其特征在于，所述软管(9)焊接或粘结到所述外膜(6)上。

8、如权利要求6或7所述的薄膜电极，其特征在于，所述电缆(8)和软管(9)间的空间(10)也充以一种电解质凝胶。

9、如前述权利要求之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述电极包括金或者铂。

10、如前述权利要求之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述离子渗透膜含有一个液相，其中，在所述液相中含有配位体分子。

11、如权利要求10所述的薄膜电极，其特征在于，所述配位体分子是三十二烷基胺。

12、如前述权利要求之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，在所述电极结构中设置有一个温度传感器。

13、如前述权利要求之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述电极结构具有多个测量点，也就是说多个贵金属电极(2)。

14、如前述权利要求之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述电极结构安装在一个固定装置上(11、12)。

15、如权利要求14所述的薄膜电极，其特征在于，所述固定装置可以装到一颗或多颗牙齿上。

16、如权利要求14所述的薄膜电极，其特征在于，所述固定装置是由一个夹子(12)构成的。

17、如权利要求1到13之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述电极结构置于一个硅橡胶垫片(14)中，其中确保了含葡萄糖氧化酶的双层膜(4)与其周围介质的直接接触。

18、如权利要求1到13之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述电极结构设置在一根毛细管(15)中，或者与一毛细管(15)相连。

19、如权利要求1到13之任何一项所述的薄膜电极，其特征在于，所述基膜是由一根塑料纤维(17)形成的，其中，所述电极(2)、质子优先的离子渗透膜(3)和含葡萄糖氧化酶的双层膜(4)将所述塑料纤维(17)围住。

20、一种用来操控如前述权利要求之任何一项所述的薄膜电极的电子电路，包括：

——一个稳定极化电源(18)，

——两个高阻抗放大器(19、20)，

——一个并联电阻(21)，

——一个用来处理和存储被测参数的装置，以及

——一个输出设备。

21、如权利要求20所述的电子电路，其特征在于，所述电子电路被分为空间上相互隔离的两个单元(25、26；27、28)。

22、如权利要求21所述的电子电路，其特征在于，所述各单元(25、26；27、28)通过一电缆(29)而连接起来。

23、如权利要求21所述的电子电路，其特征在于，所述各单元(25、26；27、28)用光电设备连接起来，或借助于光电设备相互联络。

24、如权利要求20到23之任何一项所述的电子电路，其特征在于，所述并联电阻(21)的阻值在10⁷到10¹¹Ω之间，最好为10⁹Ω。

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