CN1997884B - 采用全息传感器检测分析物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种检测流体中的分析物的方法，该方法包括：将流体与全息元件接触，所述全息元件包含介质和遍及介质体积而布置的全息图，其中由于遍及介质体积出现的物理性能变化而因此该元件的光学特性改变，并且其中由于介质与分析物之间的相互作用而出现了该变化；和检测该元件的任何光学特性改变；其中(a)该介质包含能够与分析物反应的基团，其中该分析物或该基团能够以多种形式存在，并且在能够催化分析物或基团的相对更小活性形式转化成相对更大活性形式的第一催化剂的存在下进行检测；或者(b)除了分析物之外，该流体包含能够与介质相互作用的组分，并且在能够催化所述组分的除去的第二催化剂的存在下进行检测。
Description
发明领域
本发明涉及一种采用全息传感器检测分析物的方法。
发明背景
WO9526499披露了一种用于检测分析物的全息传感器。该传感器包括包含载体介质和遍及介质体积而布置的全息图的全息元件。由于遍及介质体积出现的物理性能变化而因此该元件的光学特性改变，由于介质与分析物之间的反应而出现了该变化。通过监控光学特性的任何改变，可以检测到分析物的存在。WO03/087789描述了一种采用全息传感器连续传感分析物的方法。
一种重要的特殊分析物是葡萄糖。需要最少侵入的、容易使用的葡萄糖传感器，特别是眼科葡萄糖传感器。葡萄糖在血液中的浓度通常为20mM的数量级，而在眼睛中约为0.1mM。公知的是眼睛中葡萄糖的含量与血液中的葡萄糖的含量相关。因此，可以通过测量眼睛流体例如眼泪中的含量而间接地监控葡萄糖的血液含量。
葡萄糖(也公知为D-葡萄糖)以5种不同的形式出现。通过被称为“复合物变旋”的过程，4种环状形式的葡萄糖即α-D-吡喃葡萄糖、β-D-吡喃葡萄糖、α-D-呋喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖与无环形式的D-葡萄糖醛平衡共存。一般而言，α-D-吡喃葡萄糖、β-D-吡喃葡萄糖、α-D-呋喃葡萄糖、β-D-吡喃葡萄糖和D-葡萄糖醛的比例分别约为39.4、60.2、0.2、0.2和0.001％(Shoji等，J.Am.Chem.Soc.，124(42)，12486-93)。
一种被文献广泛报导的反应是葡萄糖与硼酸化合物的反应。已经提出仅仅当葡萄糖处于α-D-呋喃葡萄糖形式时才出现葡萄糖与硼酸RB(OH)2的结合(Shoji等)。然而，其他的研究(Shiomi等，J.Chem.Soc.Perkin Trans.，1，2111-2117)假定α-D-吡喃糖也可以结合，前提是正确地指定NMR耦合常数。此外，已经提出与三角形构型相反，硼酸必须为四面体(即RB(OH)3 -)构型。已经提出硼酸优选与顺式构型的二醇结合(Liu等，J.Organomet.Chem.，493(1-2)，91-94)。该反应完全可逆，在其下出现结构变化的pH强烈地受到R的结构的影响。R优选是苯基或其衍生物。一般而言，仅仅存在少量的α-D-呋喃葡萄糖形式，并且因此通常在低的速率下发生了极少的反应。
可以通过改变复合物变旋的程度来提高葡萄糖与硼酸之间的反应程度。变旋酶催化了β-形式(通过线性形式)至α-D-呋喃葡萄糖的转化。作为选择，可以通过首先使用酶例如葡萄糖异构酶将葡萄糖转化成果糖或核糖而提高反应程度。果糖和核糖以与葡萄糖类似的方式与硼酸反应。
发明概述
本发明基于以下内容的实现：可以通过在试剂，更特别地是增强相互作用的催化剂的存在下检测全息载体介质与分析物之间的任何相互作用而提高全息传感器的响应。例如，可以将包含悬垂的硼酸基团的全息传感器用于检测葡萄糖。然而，由于α-D-呋喃葡萄糖形式的含量通常非常低，因此该传感器的响应时间和程度可能差。可以通过在酶例如变旋酶或葡萄糖异构酶的存在下进行检测而显著地增强该响应。
本发明的第一个方面是一种检测流体中的分析物的方法，该方法包括：将流体与全息元件接触，所述全息元件包含介质和遍及介质体积而布置的全息图，其中由于遍及介质体积出现的物理性能变化而因此该元件的光学特性改变，并且其中由于介质与分析物之间的相互作用而出现了该变化；和检测该元件的任何光学特性改变；其中
(a)该介质包含能够与分析物反应的基团，其中该分析物或该基团能够以多种形式存在，并且在能够催化分析物或基团的相对更小活性形式转化成相对更大活性形式的第一催化剂的存在下进行检测；或者
(b)除了分析物之外，该流体包含能够与介质相互作用的组分，并且在能够催化所述组分的除去的第二催化剂的存在下进行检测。
在葡萄糖的情形中，优选在催化α-D-吡喃葡萄糖、β-D-呋喃葡萄糖和/或D-葡萄糖醛转化为α-D-呋喃葡萄糖的转化的催化剂存在下进行检测。更优选地，在变旋酶和/或葡萄糖异构酶的存在下进行检测。
本发明的另一个方面是包括如上定义的全息元件和催化剂的眼科器件。该插入物(insert)可以是角膜接触镜或可植入的器件的形式。
发明描述
本文中使用的术语“葡萄糖”是指公知的环状和线性形式的葡萄糖。
本文中使用的术语“眼科器件”是指角膜接触镜(硬的和软的)、角膜高嵌体、可植入的眼科器件等。
本文中使用的术语“角膜接触镜”是指在眼睛或眼睛附近用于视力矫正、诊断、试样收集、药物输送、伤口愈合、美容外观或其他眼科应用的任何硬的和软的镜片。这些镜片可以是日抛弃的、日常佩戴的或者长期佩戴的镜片。
本文中使用的术语“可植入的眼科器件”是指在眼睛中、眼睛上或周围或者眼睛附近使用的眼科器件。这些器件包括眼内的镜片、结膜下植入物、角膜内的镜片和可以搁置在眼睛死角中的分流器(shunt)/植入物(例如支架或青光眼分流器)。
介质与分析物之间的相互作用可以是物理的和/或化学的。该传感器使得能够连续检测分析物。
分析物能够以多种形式存在。在该情况下，可以使用催化分析物转化为更加活性形式的催化剂。该分析物的一个例子是葡萄糖，其通过变旋而能够以5种不同的形式存在。因此，在葡萄糖的情形中，催化剂可以是酶例如变旋酶或葡萄糖异构酶，其使得转化为α-D-呋喃葡萄糖的速率提高。当使用包含苯基硼酸或类似基团的介质时，葡萄糖与介质之间的反应程度将得到增强。
公知的是乳酸盐(乳酸)干扰了葡萄糖的传感性。这在其中乳酸盐以相对高的浓度存在的眼睛中是一个特殊的问题。催化剂因此可以促进乳酸盐的除去。例如可以使用乳酸氧化酶。该酶催化乳酸盐(经过丙酮酸盐中间体)分解为过氧化氢。过氧化氢可与银反应，因此如果传感器是基于银的，则优选的是存在酶例如过氧化氢酶以除去所生成的任何不需要的过氧化氢。乳酸氧化酶的一种替代物是乳酸脱氢酶，其将乳酸转化成丙酮酸盐而不会生成过氧化氢。
相反，要是乳酸盐是感兴趣的分析物，则可能需要将葡萄糖从系统中除去。在该情况下，可以使用酶例如葡萄糖氧化酶。
可以采用非电离辐射而远程检测介质与分析物之间的相互作用。该相互作用的程度反映在物理性能的改变程度中，其作为光学特性，优选非电离辐射的波长位移的变化而被检测。
变化的全息元件性能可以是它的电荷密度、体积、形状、密度、粘度、强度、硬度、电荷、憎水性、溶胀性、完整性、交联密度或任何其他的物理性能。反过来，这些物理性能或者每一个物理性能的变化造成了该全息元件的光学特性例如极化性、反射率、折射率或吸光度的变化。
可以部分地或全部地将全息图布置在整个载体介质的体积上或者该体积中。可以将非电离辐射的光源例如可见光用于观察全息元件的这些或每一个光学特性的变化。
全息效应可以通过照明(例如在白光、UV或红外辐射下)，特定的温度、磁性或压力条件下，或者特殊的化学、生物化学或生物刺激而展现。全息图可以是物体或者2-或3-维效应的图像，并且可以是仅在放大下是可见的图案的形式。
可以通过光的衍射生成全息图。该全息元件可以进一步包括当用激光照射时产生干扰效应的装置，并且该装置可以包括消偏振层。
可以将超过一个的全息图承载在全息元件上或者全息元件中。可以提供装置以检测由这些或每一个全息图发出的辐射的这些或每一个变化，该变化作为这些或每一个光学特性改变的结果而出现。可以这样的方式将全息元件定尺寸并且排列：使得传感两个或多个独立的情况/物类并且同时，或者另外以两种或多种不同的方式进行辐射。可以阵列的形式提供全息元件。
全息载体介质可以通过单体例如(甲基)丙烯酰胺和/或(甲基)丙烯酸酯衍生的共聚单体的聚合而获得。特别地，单体HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)是容易聚合并且交联的。聚HEMA是一种通用的载体材料，因为其可溶胀、亲水并且广泛地生物相容。
可被改性成包含硼酸基团的其他全息载体介质的例子是：明胶、K-角叉菜明胶、琼脂、琼脂糖、聚乙烯醇(PVA)、溶胶-凝胶(正如被广泛分类的那样)、水凝胶(正如被广泛分类的那样)，和丙烯酸酯。
确定全息元件的响应性的参数是交联度。由单体聚合引起的交联点的数目不应该大，以使得聚合物与分析物结合基团之间的复合物形成相对少，因为聚合物膜可能变得太硬。这可能抑制载体介质的溶胀。
在一个优选实施方案中，本发明的插入物是角膜接触镜的形式。可以采用本领域公知的任何合适的材料来制造该镜片。可以通过一种或多种单体和任选的一种或多种预聚物的聚合来形成镜片材料。该材料可以包含光引发剂、能见度着色剂、UV-阻滞剂和/或光敏剂。
一类优选的镜片材料是可水溶和/或可熔化的预聚物。优选的是该材料包含一种或多种基本为纯的形式(例如通过超滤而精制)的预聚物。优选的预聚物包括：水溶性可交联的聚(乙烯醇)预聚物(描述于US5583163和US6303687中)；可通过将异氰酸酯封端的聚氨酯与烯属不饱和胺(伯或仲胺)或烯属不饱和单羟基化合物反应获得的水溶性乙烯基封端的聚氨酯，其中该异氰酸酯封端的聚氨酯可以是至少一种聚亚烷基二醇、含有至少2个羟基的化合物和至少一种带有两个或多个异氰酸酯基团的化合物的共聚产物；聚乙烯醇、聚乙烯亚胺或聚乙烯胺的衍生物(参见例如US5849841)；描述于US6479587中的水溶性可交联的聚脲预聚物；可交联的聚丙烯酰胺；披露于EP0655470和US5712356中的乙烯基内酰胺、MMA和共聚单体的可交联的统计共聚物；披露于EP0712867和US5665840中的乙烯基内酰胺、乙酸乙烯酯和乙烯醇的可交联的共聚物；披露于EP0932635中的带有可交联的侧链的聚醚-聚酯共聚物；披露于EP0958315和US6165408中的支化的聚亚烷基二醇-氨基甲酸酯预聚物；披露于EP0961941和US6221303中的聚亚烷基二醇-四(甲基)丙烯酸酯预聚物；和披露于WO00/31150中的可交联的聚烯丙胺葡糖酸内酯预聚物。
镜片可以包含水凝胶材料。一般而言，水凝胶材料是当完全水合时能够吸收至少10wt％的水的聚合物材料。水凝胶材料包括：聚乙烯醇(PVA)、改性的PVA(例如nelfilcon A)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)、聚(乙烯吡咯烷酮)、PVA与聚(羧酸)(例如carbopol)、聚(乙二醇)、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、含硅的水凝胶、聚氨酯、聚脲等。
作为选择，眼科器件可以是可植入的眼科器件。眼泪中的葡萄糖含量可以比血液的葡萄糖含量低得多。借助于可植入的眼科传感器，我们可以监控含水的体液或间质液中的葡萄糖含量，其中葡萄糖含量可以比眼泪中的葡萄糖含量高得多。优选地，该器件是以结膜下的植入物、角膜内的镜片、支架或青光眼分流器的形式。
特别地，当分析物是葡萄糖或乳酸盐时，优选的是该镜片外部包含本发明的催化剂。以这种方式，可以阻挡除了分析物之外的与介质相互作用的组分的干扰。
本发明的方法可用于鉴别制品。在全息元件是传感器的情况下，可以采用例如提供在热冲压带上的可转印的全息胶片将传感器施加在制品上。该制品可以是：交易卡、纸币、护照、身份证、智能卡、驾驶执照、股票、债券、支票、支票卡、税票(tax banderole)、礼券、邮票、火车或飞机票、电话卡、彩券(lottery card)、活动门票(eventticket)、信用卡或签帐卡、名片，或者出于将真正的产品与伪造产品区分和识别出被盗产品的目的而用于消费者、商标和产品保护的物品。该传感器可用于提供用于智能包装应用的产品和包装信息。“智能包装”是指包括容器、包装材料或外壳的部件或附属物以监控、指示或测试将影响产品质量、使用寿命或安全性和典型应用的产品信息或质量或环境条件的系统，例如显示时间-温度、新鲜度、水分、醇、气体、物理损坏等的指示器。
作为选择，可以将该传感器用于具有装饰元件或应用的产品例如任何的工业或手工艺物品，这些物品包括，但不限于，珠宝物品、服装物品(包括鞋类)、织物、家具、玩具、礼物、家庭物品(包括陶器(crockery)和玻璃器具)、建筑物(包括玻璃、瓷砖、涂料、金属、砖块、陶瓷、木材、塑料以及其他内部和外部的装置)、艺术品(包括图片、雕塑、陶器(pottery)和照明装置)、文具(包括贺卡、专用信纸和宣传材料)和运动物品。
本发明特别与诊断器件例如试片、芯片、套盒(cartridge)、药签、管子、移液管或者任何形式的流体取样或测试器件以及涉及到人或牲畜的预后性症状、治疗诊断(theranostics)、诊断或药物的产品或方法相关。该传感器可用于角膜接触镜、结膜下植入物、皮下植入物、试片、芯片、套盒、药签、管子、呼吸分析器、导尿管，任何形式的血液、尿液或体液取样或分析器件。该传感器还可用于涉及到石化和化学分析及测试的产品或方法，例如用于测试装置如试片、芯片、套盒、药签、管子、移液管或者任何形式的流体取样或分析器件。
本发明还延伸到适用于本发明方法的包括全息元件的产品，其中该产品能够由全息元件生成数据，并且延伸到将该数据用于数据存储、控制、传送、报告和/或模拟的系统。
以下实施例阐述了本发明，除了阐述本发明特征的实施例1之外。
在这些实施例中，全息传感器包含含有12mol％3-丙烯酰氨基苯基硼酸(它的合成描述于WO2004/081624中)的聚合物载体介质。葡萄糖的α-和β-D-吡喃葡萄糖形式以固态形式从Sigma获得。变旋酶从Biozyme购得并且来源于猪的肾脏。葡萄糖异构酶从Hampton Research获得并且来源于Streptomyces rubiginosus。乳酸氧化酶从Sigma购得并且来源于Pediococcus sp。在30℃下在pH 7.4的PBS中进行检测。
实施例1
采用全息传感器检测新鲜溶解的α-吡喃葡萄糖并且记录结合速率。同样，将α-吡喃葡萄糖溶液保持过夜以使其平衡，然后测定结合速率。使用β-吡喃葡萄糖重复实验。通过使用2mM该溶液测量全息传感器到达它的最终平衡峰值衍射波长的50％(即半衰期)所用的时间而计算反应速率。
结果示于图1中。明显的是，与新鲜溶解的β-吡喃葡萄糖相比，新鲜溶解的α-吡喃葡萄糖形式以更快的速度结合在垂悬的苯基硼酸基团上。在将两种溶液保持过夜的情况下，该速率几乎相同。这些结果表明该传感器结合α-吡喃葡萄糖形式比结合β-吡喃葡萄糖形式更容易。对于被保持过夜的溶液观察到的类似速率表明了平衡效应，即β-形式转化成α-形式。这两种形式之间的相互转化非常缓慢，并且可能解释所观察到的缓慢的结合动力学。
实施例2
制备2mM葡萄糖溶液并且保持过夜以使其平衡。然后在变化数量的变旋酶的存在下用全息传感器检测葡萄糖。测定初始响应速率，即当加入葡萄糖溶液时峰值衍射波长的初始增加。
结果示于图2中，并且表明在相对更小的变旋酶浓度下，初始结合速率比不存在变旋酶时更快。发现变旋酶的最佳数量为0.25mg/ml，其将反应速率相对于对照标准而言提高了54％。
实施例3
测定葡萄糖异构酶对葡萄糖与全息传感器的结合的影响。进行葡萄糖异构酶的渗析以除去其悬浮于其中的缓冲液。用1mM MgSO4使全息传感器平衡，Mg2+是葡萄糖异构酶的辅助因子。然后在变化数量的葡萄糖异构酶的存在下将0.5mM葡萄糖溶液加入传感器。
结果示于图3中。可以看出葡萄糖异构酶的加入增强了传感器的传感性。还可以看出加入的葡萄糖异构酶的量越大，体系达到平衡的时间越久。初始反应速率同样比对照标准快得多。
实施例4
将全息传感器置于装有PBS的小玻璃管中，并且加入12.5单位的乳酸氧化酶。一旦体系平衡，则加入2mM乳酸盐溶液并且随着时间检测峰值衍射波长的位移。
结果示于图4中。最初，传感器的载体介质由于其结合了乳酸盐而溶胀，但然后当乳酸盐开始被乳酸氧化酶消耗时收缩。峰值波长最终返回到它的初始值，这表明所有的乳酸盐被转化成丙酮酸盐。
Claims (12)
1.一种检测流体中的分析物的方法，该方法包括：将流体与全息元件接触，所述全息元件包含介质和遍及介质体积而布置的全息图，其中由于遍及介质体积出现的物理性能变化而因此该元件的光学特性改变，并且其中由于介质与分析物之间的相互作用而出现了该变化；和检测该元件的任何光学特性改变；其中
(a)该介质包含能够与分析物反应的基团，其中该分析物或该基团能够以多种形式存在，并且在能够催化分析物或基团的相对更小活性形式转化成相对更大活性形式的第一催化剂的存在下进行检测；
其中分析物是葡萄糖，第一催化剂是变旋酶或葡萄糖异构酶，并且所述基团是苯基硼酸基团或其衍生物。
2.根据权利要求1的方法，其中接触包括使流体连续通过元件。
3.根据权利要求1的方法，其中通过光的衍射而产生全息图。
4.根据权利要求1-3任一项的方法，其中全息图仅在放大下是可见的。
5.根据权利要求1-3任一项的方法，其中全息图像属于物体或者是2-或3-维效应。
6.根据权利要求1-3任一项的方法，其中全息元件进一步包括当用激光照射时产生干扰效应的装置。
7.根据权利要求6的方法，其中所述装置包括消偏振层。
8.根据权利要求1-3任一项的方法，其中全息图在白光、UV光或红外辐射下是可见的。
9.根据权利要求1-3任一项的方法，其中全息图在特定的温度、磁性或压力条件下是可见的。
10.一种适用于根据任一项前述权利要求的方法的眼科器件，该器件包括如任一项前述权利要求中定义的全息元件和第一催化剂。
11.根据权利要求10的器件，该器件是角膜接触镜。
12.根据权利要求11的器件，其中镜片外部包含催化剂。
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