CN1912626A - 一次性碳基葡萄糖芯片的制备及电化学检测方法 - Google Patents

Abstract

一次性碳基血糖电化学检测芯片的制备及电化学检测方法涉及一次性碳基血糖检测芯片的制备，并结合电化学分析的优点及酶电极的高选择性、高灵敏度，实现血液中葡萄糖浓度的快速检测。芯片的制备方法为：1)选用PVC材料作为基质，在其上刻出轨道，刷上银浆作导电用；2)将用聚乙烯醇、超细石墨粉、纤维素二醋酸盐制成的石墨墨水印刷在上述的银浆轨道上，形成印刷碳电极；3)将碳电极用硅胶橡皮层覆盖；4)将PVA水溶液与葡萄糖氧化酶或葡萄糖氧化酶和二茂铁酸的混合物共混，并点在上述印刷碳电极表面，制成印刷碳电极；5)采用聚乙烯醇(PVA)作为膜基底材料，通过与酶及电子传递媒介体共混，利用点样技术及紫外光固化技术将酶固定在碳电极表面。

Description

一次性碳基葡萄糖芯片的制备及电化学检测方法

技术领域

本发明涉及一次性碳基葡萄糖检测芯片的制备，并结合电化学分析的优点及酶电极的高选择性、高灵敏度，实现血液中葡萄糖浓度的快速检测。

背景技术

随着人类生活水平的提高，各种代谢综合症的发病率逐年增加，其中高血脂、高血糖和糖尿病的发病率更是呈上升趋势。例如，全世界糖尿病患者人数在1997年为1.43亿，而2005年已达3.0亿，数量翻了一番。我国糖尿病的发病状况同样较为严重，患者数量已超过三千万，占总人口的2.5％。同时还有相当数量的葡萄糖耐量减低患者(糖尿病的前期)，这些患者中每年将有5％-15％转变为糖尿病。如此庞大的糖尿病人群不仅给患者及其家庭带来了痛苦，而且也给国家和社会带来了沉重的负担，因此预防和治疗糖尿病具有十分积极的意义。

糖尿病是一种新陈代谢异常的疾病，就现阶段而言它还是一种只能控制但却难以治愈的“不治之症”，已成为人类第五大死因。血糖是糖尿病患者经常检测的指标，血糖定期检测能够让正常人及时了解自身健康状况，防病于未然，实现糖尿病的早期发现、早期诊断和治疗并由现在的治疗医疗向将来的预防医疗转变。同时糖尿病患者需进行经常性的血糖家庭自检，并依据检测结果随时对饮食和用药进行控制和调整，以便使血糖水平保持正常或接近正常，防止由于血糖的升高引发的失明、肾、神经以及心脑血管并发症。因此运用先进的科学技术发展有效的、高灵敏度、高选择性的分析方法，实现糖尿病的早期诊断及糖尿病患者血糖家庭自检，受到各国科学工作者的广泛关注。

电化学分析技术具有许多优越性，如测试探头可微型化，不受体系浊度和颜色影响，方法灵敏度高、速度快、花费低、危害小等。它还具有检测仪器简单、易于微型化的特点，线性范围宽、灵敏度高，因而可直接将检测信号转换为直观易读的浓度值，便于非专业人士使用。目前，市场上有多种商品化血糖检测便携式仪器可用于糖尿病患者血糖的家庭自检，各种仪器按检测原理可分为两类，一类是基于光学法，另一类是基于电化学方法。光学测试方法由于测量精度较低、容易污染等原因，已逐步被电化学方法所取代。用于血糖检测的电化学方法包括葡萄糖传感器(电化学法试条)和电化学检测仪器，其核心部分是葡萄糖传感器的制备。但由于其生产技术繁杂，因此开发拥有自主知识产权的血糖检测芯片技术，降低检测成本，对高血脂、高血糖和糖尿病的筛查与临床早期诊断、疗效观察和指导治疗具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种灵敏、价廉的一次性碳基血糖电化学检测芯片的制备及电化学检测方法，能实现血液中葡萄糖浓度的快速检测，为高血脂、高血糖和糖尿病的筛查与临床早期诊断与治疗提供新途径。

技术方案：利用聚合物膜的生物兼容性和一次性碳电极的制备重复性好、价廉等优点，制备一种同时包含酶及电子传递媒介体的修饰电极。

本工作首先利用丝网印刷技术在PVC基质表面制备包含工作电极、辅助电极及参比电极的一次性电极芯片。结合聚合物膜技术，将葡萄糖氧化酶或葡萄糖氧化酶与二茂铁酸混合物固定在工作电极表面，利用酶对葡萄糖的催化反应产生的电化学活性物质的安培响应，实现血液中葡萄糖浓度的快速检测。

由于聚合物分子中含有大量的羟基，有利于构造生物兼容性好的聚合物膜仿生界面，在此界面上，固定的酶可稳定地保持其生物活性。同时由于聚合物膜的水溶性，使固定化酶与样品中的葡萄糖充分接触，并催化葡萄糖的氧化产生具有电活性的过氧化氢，根据过氧化氢的氧化电流可测定葡萄糖的含量。

具体制备的方法为：

1).选用PVC材料作为基质，在其上刻出轨道，用NaOH溶液和去离子水彻底地清洗，干燥后刷上银浆作导电用，

2).将用聚乙烯醇、超细石墨粉、纤维素二醋酸盐制成的石墨墨水印刷在上述的银浆轨道上，形成印刷碳电极，

3).将碳电极用硅胶橡皮层覆盖，只暴露导电的终端，其中心圆点为碳糊电极，左侧为Ag/AgCl参比电极，右侧是辅助电极，

4).将PVA水溶液与葡萄糖氧化酶或葡萄糖氧化酶和二茂铁酸的混合物共混，并点在上述印刷碳电极表面，紫外灯下烘干，制成印刷碳电极；

5).酶修饰印刷碳电极芯片的制备：采用聚乙烯醇作为膜基底材料，通过与酶及电子传递媒介体共混，利用点样技术及紫外光固化技术将酶固定在碳电极表面。

酶层修饰的方法为：将平均分子量为4万左右的聚乙烯醇(PVA)用水溶解，配成聚乙烯醇水溶液，室温过液后煮沸得澄清透明溶液；将该溶液与葡萄糖氧化酶溶液、二茂铁酸溶液等体积混和，喷洒该混和液于工作电极表面并使其完全覆盖，紫外灯下烘后取出保存备用。

血液中血糖浓度的电化学检测：

(1)测量电位选择：同一芯片，在其上滴一滴已知浓度的葡萄糖标准溶液，改变不同电位测量氧化电流的变化，寻找测定最佳电位，以获得最优的检测范围和灵敏度。

(2)标准曲线绘制：印刷碳电极上的电流响应信号与基底电极制备及酶修饰过程有关，不同批次得到的电极在同一葡萄糖浓度给出的电流信号并不相同。绘制不同情况下的标准曲线并进行必要的校正，可提高分析的正确性和准确性。

a)用同一芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液的氧化电流，绘制标准曲线，确定最优的线性范围。

b)用同一批次印刷电极，同一批次或不同批次酶-聚合物修饰芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线。

c)用不同批次印刷电极，同一批次或不同批次酶-聚合物修饰芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线。

(3)标准曲线校正：使用不同的芯片(同一批次与不同批次)对血液样品中的血糖浓度进行检测，从相应的标准曲线读出血糖值，通过与临床检测数值及标准方法测定的数值比较，得出相关系数并对相应的标准曲线进行校正，提高检测的正确性与准确性。

有益效果：本发明利用电化学分析简便、易行、价廉的特点，以碳、银桨为导电材料，结合酶反应的高选择性、高灵敏度，制备了一种灵敏、价廉的一次性碳基血糖电化学检测芯片，实现了血液中葡萄糖浓度的快速检测，为高血脂、高血糖和糖尿病的筛查与临床早期诊断与治疗提供新途径。该方法较现有的血糖分析方法，具有以下优点：

(1)利用PVA这种聚合物材料固定酶具有很好的应用前景，该材料价廉易得、低毒性、水溶性，且具有良好的化学稳定性和生物兼容性；

(2)该方法表现出很好的精确性、重复性和稳定性，制备方法简单，检测成本较现有的测定方法，要低得多。

(3)电化学检测芯片的生产成本低，利润和市场空间巨大。如采用本发明生产的检测芯片，生产成本不到0.1元/片，修饰后成本达0.25元/片，而市场销售价格(国外品牌)却在5元/条以上。

(4)电化学仪器操作简便灵活、成本较低、分析速度快，适用于临床快速检测。

本发明通过聚合物膜修饰技术成功地将酶或酶与电子传递媒介体混合物固定在印刷碳电极表面，该材料价廉易得、低毒性、水溶性，且具有良好的化学稳定性和生物兼容性。结合酶反应对底物的特异性识别，通过酶对底物催化产生电活性物质进行安培检测，实现了血糖的定量检测。由于电化学检测操作简单、成本较低、分析速度快，可实现血糖的快速测定，为糖尿病等代谢综合症的诊断与治疗提供了新途径。

附图说明

图1是血糖芯片检测原理示意图。

具体实施方式

1).选用PVC材料作为基质，在其上刻出轨道，用NaOH溶液和去离子水彻底地清洗，干燥后刷上银浆作导电用，

2).将用聚乙烯醇、超细石墨粉、纤维素二醋酸盐制成的石墨墨水印刷在上述的银浆轨道上，形成印刷碳电极，

3).将碳电极用硅胶橡皮层覆盖，只暴露导电的终端，其中心圆点为碳糊电极，左侧为Ag/AgCl参比电极，右侧是辅助电极，

4).将PVA水溶液与葡萄糖氧化酶或葡萄糖氧化酶和二茂铁酸的混合物共混，并点在上述印刷碳电极表面，紫外灯下烘干，制成印刷碳电极；

5).酶修饰印刷碳电极芯片的制备：采用聚乙烯醇作为膜基底材料，通过与酶及电子传递媒介体共混，利用点样技术及紫外光固化技术将酶固定在碳电极表面。

以葡萄糖氧化酶和二茂铁酸修饰印刷碳电极测定血液中血糖为例：

1.酶固定

(1)印刷碳电极制备：选用PVC材料作为基质，在其上刻出1mm×3cm的轨道，用NaOH溶液和去离子水彻底地清洗，干燥后刷上银浆作导电用。将用聚乙烯醇，超细石墨粉，纤维素二醋酸盐制成的石墨墨水印刷在上述的银浆轨道上，将电极用硅胶橡皮层覆盖，只暴露导电的终端(工作表面是9平方毫米)。

(2)酶层修饰：将平均分子量为4万左右的PVA用水溶解，配成2％的水溶液，室温过液后煮沸1分钟得澄清透明溶液。将该溶液与2mg/mL葡萄糖氧化酶溶液、0.4mM二茂铁酸溶液等体积混和，喷洒2微升该混和液于工作电极表面并使其完全覆盖，紫外灯下烘30分钟后取出保存在4℃冰箱中备用。

2.最佳电位选择及干扰研究

对同一芯片，在其上滴一滴已知浓度的葡萄糖标准溶液(0.1M pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液)，改变不同电位测量氧化电流的变化，寻找测定最佳电位。以0.1M pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液为稀释液，加入与葡萄糖体内共存的电活性干扰物质，在最佳电位条件下测定干扰物质的电流响应。实验结果显示，最佳测量电位为0.4伏，尿酸1mM、抗坏血酸1mM无明显干扰。

3.标准曲线绘制

取同一批次制得的10根酶修饰电极，测定同一葡萄糖标准溶液在0.4V的电流，验证电极的重复性。另取同一批次制得的10根酶修饰电极，测定不同葡萄糖浓度在0.4V的电流响应，绘制标准曲线。其检测原理如图2所示。实验结果表明，同一批次制得的酶电极间具有很好的重复性，对同一葡萄糖浓度的测量误差小于5％，且在葡萄糖浓度1.8mg/dL～32.6mg/dL范围内呈线性关系。

4.血糖检测

在优化的实验条件下，测定全血样品的电化学响应，根据电流值从标准曲线上读出葡萄糖浓度，并与标准方法测定值比较校正。利用本发明测量的100个样品的血糖值与标准方法对比，测定的结果具有良好的一致性。

1)测量电位选择：同一芯片，在其上滴一滴已知浓度的葡萄糖标准溶液，改变不同电位测量氧化电流的变化，寻找测定最佳电位，以获得最优的检测范围和灵敏度，

2)标准曲线绘制：印刷碳电极上的电流响应信号与基底电极制备及酶修饰过程有关，绘制不同情况下的标准曲线并进行必要的校正：

a)用同一芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液的氧化电流，绘制标准曲线，确定最优的线性范围，

b)用同一批次印刷电极，同一批次或不同批次酶-聚合物修饰芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线，

c)用不同批次印刷电极，同一批次或不同批次酶-聚合物修饰芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线，

3)标准曲线校正：使用同一批次与不同批次的不同的芯片，对血液样品中的血糖浓度进行检测，从相应的标准曲线读出血糖值，通过与临床检测数值及标准方法测定的数值比较，得出相关系数并对相应的标准曲线进行校正，提高检测的正确性与准确性。

Claims (3)

1、一种一次性碳基血糖电化学检测芯片的制备方法，其特征在于制备的方法为：

1).选用PVC材料作为基质，在其上刻出轨道，用NaOH溶液和去离子水彻底地清洗，干燥后刷上银浆作导电用，

2).将用聚乙烯醇、超细石墨粉、纤维素二醋酸盐制成的石墨墨水印刷在上述的银浆轨道上，形成印刷碳电极，

3).将碳电极用硅胶橡皮层覆盖，只暴露导电的终端，其中心圆点为碳糊电极，左侧为Ag/AgCl参比电极，右侧是辅助电极，

4).将PVA水溶液与葡萄糖氧化酶或葡萄糖氧化酶和二茂铁酸的混合物共混，并点在上述印刷碳电极表面，紫外灯下烘干，制成印刷碳电极；

5).酶修饰印刷碳电极芯片的制备：采用聚乙烯醇作为膜基底材料，通过与酶及电子传递媒介体共混，利用点样技术及紫外光固化技术将酶固定在碳电极表面。

2.根据权利要求1所述的一次性碳基血糖电化学检测芯片的制备方法，其特征在于酶层修饰的方法为：将平均分子量为4万左右的聚乙烯醇用水溶解，配成聚乙烯醇水溶液，室温过液后煮沸得澄清透明溶液；将该溶液与葡萄糖氧化酶溶液、二茂铁酸溶液等体积混和，喷洒该混和液于工作电极表面并使其完全覆盖，紫外灯下烘后取出保存备用。

3.一种如权利要求1所述的一次性碳基血糖电化学检测芯片的电化学检测方法，其特征在于

1)测量电位选择：同一芯片，在其上滴一滴已知浓度的葡萄糖标准溶液，改变不同电位测量氧化电流的变化，寻找测定最佳电位，以获得最优的检测范围和灵敏度，

2)标准曲线绘制：印刷碳电极上的电流响应信号与基底电极制备及酶修饰过程有关，绘制不同情况下的标准曲线并进行必要的校正：

a)用同一芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液的氧化电流，绘制标准曲线，确定最优的线性范围，

b)用同一批次印刷电极，同一批次或不同批次酶-聚合物修饰芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线，

c)用不同批次印刷电极，同一批次或不同批次酶-聚合物修饰芯片测定不同浓度葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线，

3)标准曲线校正：使用同一批次与不同批次的不同的芯片，对血液样品中的血糖浓度进行检测，从相应的标准曲线读出血糖值，通过与临床检测数值及标准方法测定的数值比较，得出相关系数并对相应的标准曲线进行校正，提高检测的正确性与准确性。

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