[发明专利]酶生物电化学传感芯片及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于鉴定和定量检测液体中特定溶质的一种酶生物电化学传感芯片，同时还涉及该生物电化学传感芯片的制备和使用方法。更具体地说，本发明涉及一种通过电化学的方法测量酶催化的氧化还原反应产物，进而实现对诸如血液、血清和组织液(interstitials fluid)之类的液体试样中的溶质成分进行鉴定和定量检测的生物芯片，同时本发明还涉及该酶生物电化学芯片的制备和使用方法。属于分析检测技术领域，分析检测技术领域包括但不限于医疗保健、环境保护和食品生产与安全等等。

背景技术

酶生物电化学传感器(英文名称为enzymatic electrochemical biosensor <也称enzymatic bioelectrochemical sensor>)是一种新型的分析检测仪器设备，其核心部件是酶生物电化学传感芯片(以下简称生物芯片)。生物芯片的基本工作原理是通过与一个电子装置联用，测量一个工作电极(也称为主电极)和一个反电极或者一个工作电极和一个参比电极(反电极及参比电极也统称为辅助电极)之间的由被检测成分所参与的氧化还原反应所产生的电信号(例如电流、电容或者电位差等)，然后利用被检测成分与所测量的电信号之间的关联性(例如标定方程式)进而完成对被检测成分的定量检测。工作电极表面一般附有包含一种或一种以上的生物酶的试剂层，该试剂层可以与被检测成分发生酶催化的氧化还原反应。由于酶通常具有强选择性，可以避免试样液体中其它组分的干扰，从而实现检测的准确性和高精确度。通常，这种酶催化的氧化还原反应还需要一种电子受体分子(electron receptor)的介入以促进酶的反应活性中心(reactive centre)与工作电极的导电表面之间的电子转移。第一代生物芯片使用分子氧作为电子受体分子，通过测量氧分子的减少或过氧化氢的产生来实现对被检测成分的定量分析，通常稳定性差和/或易受其它成分干扰(文献I生物芯片在心血管手术过程中的监护<N.Y.Ann，Acad.Sci，1962，102，P29-45>文献II：一种用于电流法测量葡萄糖含量的酶生物芯片<Anal.Chim.Acta，1973，64，P439-455>；文献III：电流法酶生物芯片的电子转移机理<J Anal.Cgem.2000，366，P560-568>)。如今，电介体(mediator)作为一种电子受体分子已经在生物芯片中得到广泛应用，并且可以与酶一起加入到工作电极表面的试剂层中。反电极或参比电极可以同工作电极一样带有相同的试剂层；也可以是由其它材料制成，例如Ag和AgCl的混合物等等。这类生物芯片具有精确度高，选择性强，速度快，体积小，造价低，操作简单和使用便利等特点。因此在众多领域都拥有巨大应用潜力和发展前景。

在酶生物电化学传感器的开发和应用方面，用于血液葡萄糖检测的血糖检测仪(SMBG)已取得了巨大的成功，并有许多专利发表，例如美国专利US4,999,582、US5,128,015、US5,670,031、US5,698,083、US5,582,697、US5,628,890、US2008/0011059A1、US5,628,890和US6,475,372等等。以前述的血糖检测仪为例，由于其可帮助患者进行自我血糖检测，从而为糖尿病的日常病情监测，控制和治疗提供了帮助，取得了显著的经济和社会效益。用于血糖水平测量的生物芯片必须能提供精确可靠的测试结果，以便用户(糖尿病患者、医生或者护士等)能根据测试结果采取正确的措施(例如食谱、胰岛素或其它用药剂量等)。所以，不精确的测试结果有可能导致对患者的伤害。为此，酶生物电化学传感器产品研究与开发的主要挑战之一是如何确保生物芯片的可靠性和测量准确性。

在生物芯片的使用过程中，有时由于各种各样的原因工作电极不能由液体试样所充分覆盖，例如液体试样加样不足、加样时的人为错误或者产品制造过程中造成的工作电极表面瑕疵或污染等。由于生物芯片被测量的电子信号直接与其工作电极的表面大小有关，因而导致不准确的测试结果。为应对这一问题，人们在生物芯片的设计中采取了各种各样的方法和措施以提高生物芯片使用的可靠性，例如前面提及的美国专利US5,582,697，美国专利US5,628,890和美国专利US2008/0011059A1都提出在一个工作电极和一个参比电极之外，再增加一个额外的电极，以测定生物芯片的加样状态，并防止加样不足时给出错误结果。然而这些方法增加了与生物芯片共用的电子装置的复杂程度，也不利于降低生物芯片的制造成本。