TW201905457A - 生物感測器及其製備方法、葡萄糖含量檢測方法 - Google Patents

生物感測器及其製備方法、葡萄糖含量檢測方法

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Abstract

一種生物感測器，用於檢測葡萄糖含量，其包括一凝膠基體，所述凝膠基體中分散有葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及顯色劑，所述凝膠基體中形成有多個孔洞，所述孔洞的尺寸為50 nm-550 nm。本發明還提供一種上述生物感測器的製備方法和葡萄糖含量檢測方法。

Description

生物感測器及其製備方法、葡萄糖含量檢測方法
本發明涉及一種生物感測器，尤其涉及一種用於檢測葡萄糖含量的生物感測器、該生物感測器的製備方法以及葡萄糖含量檢測方法。
目前，全球擁有大約3億糖尿病患者，而同時在我國的糖尿病患者的數量就接近1億，故對糖尿病患者血液中的葡萄糖濃度的檢測具有極其重要的實際意義。同時，研究表明眼淚中葡萄糖含量和人體血液中葡萄糖的含量有確定的相關性，故，不僅可以對血糖做直接測量，還可通過測量眼淚中的葡萄糖含量間接推算出血糖值，從而達到無損檢測的目的。然而，現有的用於檢測眼淚或血液中葡萄糖含量的生物監測器靈敏度較低。
有鑑於此，有必要提供一種用於檢測葡萄糖含量的生物感測器，能夠解決以上問題。
另，還有必要提供一種用於上述生物感測器的製備方法。
另，還有必要提供一種葡萄糖含量檢測方法。
本發明提供一種生物感測器的製備方法，包括：混合凝膠前驅體、葡萄糖氧化酶、過氧化物酶、顯色劑以及光降解型納米粒子以得到一混合物，其中，所述光降解型納米顆粒具有鄰硝基苄基基團，所述光降解型納米粒子的粒徑為35 nm-250 nm；將上述混合物置於模具中反應，其中，所述凝膠前驅體發生聚合反應形成一凝膠基體，而所述葡萄糖氧化酶、所述過氧化物酶、所述顯色劑以及所述光降解型納米粒子分散於所述凝膠基體；清洗所述凝膠基體；以及對清洗後的所述凝膠基體進行紫外光照射，使所述光降解型納米粒子在所述紫外光照射下分解而在所述凝膠基體中形成多個孔洞，從而制得所述生物感測器。
本發明還提供一種生物感測器，用於檢測葡萄糖含量，該生物感測器包括一凝膠基體，所述凝膠基體中分散有葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及顯色劑，所述凝膠基體中形成有多個孔洞，所述孔洞的尺寸為50 nm-550 nm。
本發明還提供一種葡萄糖含量檢測方法，包括：提供一用於檢測葡萄糖含量的生物感測器，包括一凝膠基體，所述凝膠基體中分散有葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及顯色劑，所述凝膠基體中形成有多個孔洞，所述孔洞的尺寸為50 nm-550 nm；將所述生物感測器與待測樣品接觸，從而引發所述待測樣品中的葡萄糖與周圍的氧氣在葡萄糖氧化酶的作用下反應產生過氧化氫，然後，過氧化氫在過氧化物酶的作用下氧化所述顯色劑而使所述顯色劑的顏色發生變化，從而使所述生物感測器變色；以及將變色後的所述生物感測器跟預設的比色卡比對，從而確定葡萄糖含量。
本發明的生物感測器與葡萄糖接觸時會變色，故，可通過將變色後的所述生物感測器跟預設的比色卡比對，從而確定葡萄糖含量；再者，所述生物傳感器具有多孔結構，故可增加所述生物感測器與葡萄糖的接觸面積，即，有利於葡萄糖進入所述生物感測器內部與葡萄糖氧化酶充分反應，故，有利於提高所述生物感測器的靈敏度。
請參閱圖1，本發明一較佳實施例提供一種用於檢測葡萄糖含量的生物感測器100的製備方法，該生物感測器100可應用於隱形眼鏡或創傷敷料中，用於檢測眼淚或血液中的葡萄糖含量。所述生物感測器100的製備方法包括如下步驟：
步驟一，混合凝膠前驅體、葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOx)、過氧化物酶(peroxidase)、顯色劑(color developing agent, CDA)以及光降解型納米粒子以得到一混合物。所述光降解型納米顆粒為能夠在紫外光照射下分解的納米顆粒，所述光降解型納米粒子的粒徑為35 nm-250 nm。
在本實施方式中，在所述混合物中，所述凝膠前驅體的質量百分比為58.2%-98%，所述葡萄糖氧化酶的含量為62-158 units/g (國際單位/克)，所述過氧化物酶的含量為18-205 units/g，所述顯色劑的質量百分比為1.86%-42%，所述光降解型納米粒子的質量百分比為0.13%-8.6%。
在本實施方式中，所述凝膠前驅體包括親水性單體、交聯劑及引發劑。所述親水性單體可選自2-甲基丙烯酸羥乙基酯(HEMA)、N,N-二甲基丙烯醯胺(DMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、三(三甲基矽基)矽烷(TRIPS)、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、聚馬來酸乙二醇酯（PEGMA）、丙烯酸羥乙基酯(HEA)、甲基丙烯酸羥丙基酯(HPMA)、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(DMAEMA)以及丙烯酸甲酯(MA)等中的至少一種。所述交聯劑可選自乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)、N,N'-亞甲基二丙烯醯胺(MBAA)等中的至少一種。所述引發劑可以為過硫酸銨(ammonium persulfate, APS)和四甲基乙二胺(N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine, TEMED)的混合物。
更具體的，在所述凝膠前驅體中，所述親水性單體的質量百分比為69.3%-99%，所述交聯劑的質量百分比為0.45%-12.8%，所述引發劑的質量百分比為0.36%-19.5%。
在本實施方式中，所述過氧化物酶可以是辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase，HRP)。
在本實施方式中，所述顯色劑可選自碘化鉀(potassium iodide)、2,4,6-三溴-3-羥基苯甲酸(TBHBA)/4-氨基安替比林(4-AAP)、鄰苯二胺(O-phenylenediamine, OPD)、3,3',5,5'-四甲基聯苯胺(tetramethylbenzidine, TMB)等中的一種。
其中，所述光降解型納米粒子可通過如下方式製備：混合光降解型丙烯酸酯(photodegradable acrylate，PA，化學結構圖為）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(polyethylene glycol dimethacrylate, PEGDMA)以得到一水相溶液；混合過硫酸銨、四甲基乙二胺以及油以得到一油相溶液；攪拌所述油相溶液，並向處於攪拌過程中的所述油相溶液中加入所述水相溶液，以得到一油包水型(W/O型)乳狀液，其中，所述光降解型丙烯酸酯、所述聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、所述過硫酸銨以及四甲基乙二胺在混合後發生聚合反應而生成所述光降解型納米粒子；靜置所述乳狀液，並過濾得到所述光降解型納米粒子。在本實施方式中，所述油可為橄欖油或椰子油。混合所述水相溶液和所述油相溶液的體積比可介於1:16和1:105。所述光降解型丙烯酸酯的製備過程為現有技術，此不贅述。
其中，所述光降解型納米粒子具有鄰硝基苄基（o-nitrobenzylether，化學結構圖為）基團，而鄰硝基苄基基團可在紫外光照射下分解，分解反應如下所示：
步驟二，將上述混合物置於模具中反應，其中，所述凝膠前驅體發生聚合反應形成一凝膠基體10，而所述葡萄糖氧化酶、所述過氧化物酶、所述顯色劑以及所述光降解型納米粒子分散於所述凝膠基體10。
其中，所述引發劑優選為APS/TEMEA，其不屬於光引發劑，也不屬於熱引發劑。即，反應過程不需進行紫外光照射，避免所述光降解型納米粒子在所述聚合反應過程中分解；反應過程也不需進行加熱，避免溫度升高破壞所述葡萄糖氧化酶的活性。
步驟三，清洗所述凝膠基體10。
在本實施方式中，可使用去離子水或緩衝溶液清洗所述凝膠基體10。
步驟四，對所述凝膠基體10進行紫外光照射，使所述光降解型納米粒子在所述紫外光照射下分解而在所述凝膠基體10中形成多個孔洞11，從而制得所述生物感測器100。
其中，所述孔洞11的尺寸為50 nm-550 nm。
使用時，若所述生物感測器100與眼淚或血液中的葡萄糖接觸，則葡萄糖與周圍的氧氣在葡萄糖氧化酶的作用下反應產生過氧化氫(H2 O2 )，H2 O2 在過氧化物酶的作用下氧化所述顯色劑而使所述顯色劑的顏色發生變化，從而使所述生物感測器100變色。而上述顏色的變化可被人眼識別，故，可通過將變色後的所述生物感測器100跟預設的比色卡比對，從而確定葡萄糖含量。由於所述生物感測器100具有多孔結構，故可增加所述生物感測器100與葡萄糖的接觸面積，即，有利於葡萄糖進入所述生物感測器100內部與葡萄糖氧化酶充分反應。故，有利於提高所述生物感測器100的靈敏度。其中，以β-D-葡萄糖(β-D-glucose)為例，上述葡萄糖的檢測過程如下反應式所示：
下面通過實施例來對本發明進行具體說明。
實施例1
混合質量百分比為18%的PA和質量百分比為82%的PEGDMA以得到水相溶液；混合質量百分比為1%的APS、質量百分比為0.5%的TEMED以及質量百分比為98.5%的椰子油以得到油相溶液；以8000 rpm的速率攪拌所述油相溶液，並向處於攪拌過程中的所述油相溶液中加入所述水相溶液（所述水相溶液和所述油相溶液的體積比為1:20）以得到W/O型乳狀液；靜置所述乳狀液，並過濾得到粒徑為120nm的光降解型納米粒子；混合質量百分比為98%的HEMA、質量百分比為1%的APS/TEMEA以及質量百分比為1%的EGDMA制得凝膠前驅體；混合上述凝膠前驅體、GOx、HRP、碘化鉀以及上述光降解型納米粒子以得到一混合物，GOx相較於所述凝膠前驅體的濃度為125 units/mL (國際單位/毫升)，HRP相較於所述凝膠前驅體的濃度為25 units/mL，碘化鉀相較於所述凝膠前驅體的濃度為6 mol/L，所述光降解型納米粒子相較於所述凝膠前驅體的濃度為3mg/mL；將上述混合物置於模具中反應得到凝膠基體10；用去離子水清洗所述凝膠基體10後進行紫外光照射，紫外光照射的波長為365 nm，所述紫外線照射的時間為5分鐘，從而制得所述生物感測器100。將所述生物感測器100浸入濃度為0.5 mol/L的葡萄糖溶液中，所述生物感測器100外觀由無色變為藍色。使用分光計同樣可檢測出相同含量的葡萄糖。
實施例2
混合質量百分比為25%的PA和質量百分比為75%的PEGDMA以得到水相溶液；混合質量百分比為1%的APS、質量百分比為1%的TEMED以及質量百分比為98%的椰子油以得到油相溶液；以20000 rpm的速率攪拌所述油相溶液，並向處於攪拌過程中的所述油相溶液中加入所述水相溶液（所述水相溶液和所述油相溶液的體積比為1:50）以得到W/O型乳狀液；靜置所述乳狀液，並過濾得到粒徑為80nm的光降解型納米粒子；混合質量百分比為27%的HEMA、質量百分比為18%的DMA、質量百分比為52%的TRIPS、質量百分比為1.6%的APS/TEMEA以及質量百分比為1.4%的TMPTMA制得凝膠前驅體；混合上述凝膠前驅體、GOx、HRP、TBHBA/4-AAP以及上述光降解型納米粒子以得到一混合物，GOx相較於所述凝膠前驅體的濃度為70 U/mL，HRP相較於所述凝膠前驅體的濃度為160 U/mL，TBHBA/4-AAP相較於所述凝膠前驅體的濃度分別為5mg/mL和20mg/mL，所述光降解型納米粒子相較於所述凝膠前驅體的濃度為5mg/mL；將上述混合物置於模具中反應得到凝膠基體10；用去離子水清洗所述凝膠基體10後進行紫外光照射，紫外光照射的波長為420 nm，所述紫外線照射的時間為22分鐘，從而制得所述生物感測器100。將所述生物感測器100浸入濃度為0.05 mol/L的葡萄糖溶液中，所述生物感測器100外觀由無色變為粉色。使用分光計同樣可檢測出相同含量的葡萄糖。
本發明一較佳實施例提供一種生物感測器100。該生物感測器100可應用於隱形眼鏡或創傷敷料中，用於檢測眼淚或血液中的葡萄糖含量。該生物感測器100包括凝膠基體10以及分散於該凝膠基體內的葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及顯色劑。所述凝膠基體10中形成有多個孔洞11。所述孔洞11的尺寸為50 nm-550 nm。
在本實施方式中，所述凝膠基體的材質可以是水凝膠或矽水凝膠。
本發明一較佳實施例還提供一種葡萄糖含量檢測方法，其包括如下步驟：
步驟一，提供所述生物感測器100。
步驟二，將所述生物感測器100與待測樣品（即眼淚或血液）接觸，從而引發所述待測樣品中的葡萄糖與周圍的氧氣在葡萄糖氧化酶的作用下反應產生H2 O2 ，H2 O2 在過氧化物酶的作用下氧化所述顯色劑而使所述顯色劑的顏色發生變化，從而使所述生物感測器100變色。
步驟三，將變色後的所述生物感測器100跟預設的比色卡比對，從而確定葡萄糖含量。
最後需要指出，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換都不應脫離本發明技術方案的精神和範圍。
100‧‧‧生物感測器
10‧‧‧凝膠基體
11‧‧‧孔洞
圖1為本發明一較佳實施方式的生物感測器的結構示意圖。
無
無

Claims (14)

  1. 一種生物感測器的製備方法，包括： 混合凝膠前驅體、葡萄糖氧化酶、過氧化物酶、顯色劑以及光降解型納米粒子以得到一混合物，其中，所述光降解型納米顆粒具有鄰硝基苄基基團，所述光降解型納米粒子的粒徑為35 nm-250 nm； 將上述混合物置於模具中反應，其中，所述凝膠前驅體發生聚合反應形成一凝膠基體，而所述葡萄糖氧化酶、所述過氧化物酶、所述顯色劑以及所述光降解型納米粒子分散於所述凝膠基體； 清洗所述凝膠基體；以及 對清洗後的所述凝膠基體進行紫外光照射，使所述光降解型納米粒子在所述紫外光照射下分解而在所述凝膠基體中形成多個孔洞，從而制得所述生物感測器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的生物感測器的製備方法，其中，在所述混合物中，所述凝膠前驅體的質量百分比為58.2%-98%，所述葡萄糖氧化酶的含量為62-158 units/g，所述過氧化物酶的含量為18-205 units/g，所述顯色劑的質量百分比為1.86%-42%，所述光降解型納米粒子的質量百分比為0.13%-8.6%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述凝膠前驅體包括親水性單體、交聯劑及引發劑。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述親水性單體選自2-甲基丙烯酸羥乙基酯、N,N-二甲基丙烯醯胺、甲基丙烯酸甲酯、N-乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇甲基丙烯酸酯、三(三甲基矽基)矽烷、聚二甲基矽氧烷、聚馬來酸乙二醇酯、丙烯酸羥乙基酯、甲基丙烯酸羥丙基酯、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯以及丙烯酸甲酯中的至少一種。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述交聯劑選自乙二醇二甲基丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯以及N,N'-亞甲基二丙烯醯胺中的至少一種。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述引發劑為過硫酸銨和四甲基乙二胺的混合物。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的生物感測器的製備方法，其中，在所述凝膠前驅體中，所述親水性單體的質量百分比為69.3%-99%，所述交聯劑的質量百分比為0.45%-12.8%，所述引發劑的質量百分比為0.36%-19.5%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述過氧化物酶是辣根過氧化物酶。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述顯色劑選自碘化鉀、2,4,6-三溴-3-羥基苯甲酸/4-氨基安替比林、鄰苯二胺以及3,3',5,5'-四甲基聯苯胺中的一種。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的生物感測器的製備方法，其中，所述光降解型納米顆粒通過如下方式製備： 混合光降解型丙烯酸酯和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯以得到一水相溶液； 混合過硫酸銨、四甲基乙二胺以及油以得到一油相溶液； 攪拌所述油相溶液，並向處於攪拌過程中的所述油相溶液中加入所述水相溶液，以得到一油包水型乳狀液；以及 靜置所述乳狀液，並過濾得到所述光降解型納米粒子。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的生物感測器的製備方法，其中，混合所述水相溶液和所述油相溶液的體積比介於1:16和1:105之間。
  12. 一種生物感測器，用於檢測葡萄糖含量，該生物感測器包括一凝膠基體，其改良在於：所述凝膠基體中分散有葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及顯色劑，所述凝膠基體中形成有多個孔洞，所述孔洞的尺寸為50 nm-550 nm。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的生物感測器，其中，所述凝膠基體的材質為水凝膠或矽水凝膠。
  14. 一種葡萄糖含量檢測方法，包括： 提供一用於檢測葡萄糖含量的生物感測器，包括一凝膠基體，所述凝膠基體中分散有葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及顯色劑，所述凝膠基體中形成有多個孔洞，所述孔洞的尺寸為50 nm-550 nm； 將所述生物感測器與待測樣品接觸，從而引發所述待測樣品中的葡萄糖與周圍的氧氣在葡萄糖氧化酶的作用下反應產生過氧化氫，然後，過氧化氫在過氧化物酶的作用下氧化所述顯色劑而使所述顯色劑的顏色發生變化，從而使所述生物感測器變色；以及 將變色後的所述生物感測器跟預設的比色卡比對，從而確定葡萄糖含量。
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