[发明专利]用于体内分析物浓度的电化学测量的方法以及用于该方法的燃料电池

说明书

技术领域

本发明基于一种具有在权利要求1的前序部分中说明的特征的方法。

背景技术

由US3837339已知，使用燃料电池作为电化学传感器来对分析物浓度、例如葡萄糖浓度进行体内测量。在此，待测量的分析物催化地被转换为燃料电池的燃料。在US3837339中描述的燃料电池在阳极对葡萄糖氧化并在此产生葡萄糖酸。在阴极处对氧还原。

为了改进这些反应的效率，已知为阴极配备酶层，所述酶层包含用于催化地转换分析物的酶，并且在阳极上施加具有用于催化地还原氧的酶的酶层。这种燃料电池例如由US2005/0118494 A1已知。在这些燃料电池情况下，阳极被包含葡萄糖氧化酶的酶层覆盖，并且阴极被包含漆酶的酶层覆盖。通过这种方式可以加速阳极反应，也就是葡萄糖的氧化以及加速阴极反应，也就是氧的还原。

在利用这种传感器对分析物浓度进行体内测量时的问题是，测量信号的强度可能受阴极的环境中的氧缺乏影响。尤其是在较长的运行的情况下，在阴极的环境中可能发生氧浓度的贫化，该氧浓度在皮下脂肪组织中总归经历大的波动并且因此可能使测量信号失真。另一个问题是，在催化地转换分析物时经常产生有损健康的或者甚至有毒的中间产品，例如过氧化氢。如果这种中间产品从传感器逸出，则这可能导致着火并且使得需要过早去除传感器。

发明内容

本发明的任务是指出如何可以成本低地在较长的时间上精确地测量分析物浓度的途径。

该任务通过具有在权利要求1中说明的特征的方法和通过根据权利要求4的燃料电池解决。本发明的有利改进是从属权利要求的主题。

根据本发明，在酶层中通过催化地转换待测量的分析物产生产品，该产品然后在阳极处被氧化并且在阴极处被还原。通过这种方式可以实现，测量信号与局部的氧浓度无关，因为在现有技术中常见的氧在阴极处的还原反应不再需要。因此利用本发明的方法也可以在较长的时间上以改善的精度测量体内的分析物浓度。

在本发明的方法中，可以通过催化地转换待测量的分析物例如产生过氧化氢作为产品，该产品接着可以在阳极处被氧化并且在阴极处被还原。通过既在阳极处又在阴极处消除对健康有问题的过氧化氢，该过氧化氢的浓度典型地大约只是在常规传感器情况下的一半，在常规传感器的情况下过氧化氢仅在电极处被转换。因此过氧化氢的有害的作用可以远比在常规传感器情况下更好地得以避免。作为过氧化氢的替换，还可以使用其它氧化还原两性元素，如亚硫酸盐和醛。作为氧化还原两性醛的示例可以列举可以由血清素在使用单胺氧化酶的条件下产生并且既可以氧化为5-烃吲哚乙酸也可以还原为5-烃基色醇的5-烃吲哚乙醛。

对于本发明的方法使用用于对分析物浓度进行体内测量的电化学传感器，该传感器具有阳极和阴极，该阴极的表面由不同于阳极的材料制成，其中该阳极和阴极与包含用于催化地转换待测量的分析物的酶的酶层一起形成燃料电池。本发明传感器的酶层形成用于通过催化地转换分析物而产生的产品的扩散路径，从而该传感器在阳极处氧化该产品并且在阴极处对该产品还原。

作为用于还原通过催化地转换分析物而产生的产品的竞争反应，在阴极处当然可以考虑氧的还原。但是该竞争反应实际上是可忽略的。通过催化地转换分析物而产生的产品的还原占主要部分。在过氧化氢作为产品的情况下，氧还原的反应速率按照典型的方式小于过氧化氢还原的反应速率的十分之一，一般甚至小于百分之一。因此对于1个氧分子，多于10个，一般甚至多于100个过氧化氢分子被还原。因此在本发明的传感器情况下，该产品作为确定信号的反应在阳极处被氧化并且在阴极处被还原。这意味着，可能的竞争反应的信号量值小于信号强度的10%。

氧还原的可忽略性一方面基于在氧化还原系统中始终或多或少强烈出现的氧的过压。氧的还原反应通过该过压而被阻碍并且因此明显比通过分析物的催化转换而产生的产品的还原更缓慢地进行。另一方面，氧的仅为1.22V的正常电势是相对小的，尤其是与过氧化氢的1.77V的正常电势相比，从而氧的还原也在这方面在热动力学上处于劣势。

本发明的燃料电池不仅能用作用于测量分析物浓度的传感器，而且可以在患者体内用作植入设备的能源，例如用于心脏起搏器。