專利名稱：金屬分散碳氧化酶傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改良的金屬分散碳氧化酶傳感器，以及使用該裝置在基本上排除了氧化還原性干擾物質(zhì)干擾的條件下檢測分析物的方法。所說的方法是利用氧化酶催化樣品中的分析物產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)，在金屬分散碳電極電位約為零伏的條件下對這些活性物質(zhì)進行電化學(xué)檢測，并依據(jù)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電信號測得樣品中分析物的水平。該方法基本上排除了易氧化還原物質(zhì)對樣品中待測物質(zhì)的干擾和影響，從而提高了檢測的選擇性和可再現(xiàn)性。
背景技術(shù)：
電化學(xué)生物傳感器，特別是氧化酶電流計量(安培)傳感器由于具有靈敏度高，響應(yīng)迅速，以及小型化和成本低等優(yōu)點，目前已在臨床診斷、食物質(zhì)量控制、環(huán)境監(jiān)測和工藝控制等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。
一般說來，生物傳感器的信號反映是基于酶催化反應(yīng)所產(chǎn)生的可氧化還原物質(zhì)，并且依據(jù)這些物質(zhì)在傳感器上引起的氧化還原電流信號得以連續(xù)檢測樣品的中分析物。例如，在分析血中葡萄糖含量的檢測系統(tǒng)中，葡萄糖氧化酶在氧的存在下將葡萄糖轉(zhuǎn)化成葡糖酸和過氧化氫。過氧化氫可在電極上氧化，并產(chǎn)生與其濃度成正比的電流，固可借以直接反映樣品中的葡萄糖濃度。由于酶所固有的高度選擇性質(zhì)，所以因酶的活性中心和電極表面的電子改變所獲得的電流信號具有極高的敏感性和選擇性。
目前基本上有四種氧化酶安培傳感器，它們分別是基于測定氧的消耗、測定酶促反應(yīng)的產(chǎn)物、利用多酶反應(yīng)，和使用介質(zhì)分子。
其中基于測定酶促反應(yīng)產(chǎn)物的方法克服了因環(huán)境中氧含量波動對檢測結(jié)果的影響。然而，該方法一般需在較高電極電位下進行，因而常常受到溶液中易氧化物質(zhì)的干擾。例如使用該方法檢測葡萄糖含量時，常常因血液中抗壞血酸等易氧化物質(zhì)的存在而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
目前，較為常用的氧化酶安培傳感器是使用介質(zhì)分子。介質(zhì)分子是一種具有電化學(xué)可逆反應(yīng)和低氧化還原電位的小分子。介質(zhì)分子能夠在電極和酶之間穿梭發(fā)揮電子轉(zhuǎn)移作用，因而有益于降低氧化還原電位，減少樣品中電活性物質(zhì)的干擾。然而，由于環(huán)境中氧和介質(zhì)分子間的競爭反應(yīng)、介質(zhì)分子的流失，以及介質(zhì)分子在其氧化還原電位下仍不足以排除某些干擾物質(zhì)的影響等問題，所以仍有必要對傳感器本身特別是其電極系統(tǒng)和相應(yīng)的檢測方法作進一步的改進。
發(fā)明目的本發(fā)明的一個目的是提供一種可在低電極電位下工作的氧化酶安培傳感器，其基本上由以下部分組成(1)一個具有對電活性物質(zhì)發(fā)揮強的電催化作用，并且足以消除樣品中混雜的易氧化還原物質(zhì)的干擾的金屬分散碳催化系統(tǒng)；(2)一個有氧化酶參與生物識別反應(yīng)的生物識別系統(tǒng)；以及(3)一個將生物識別反應(yīng)產(chǎn)生的電流活性物質(zhì)傳遞給金屬分散碳催化系統(tǒng)，并將金屬分散碳催化系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號傳遞到信號接受裝置的傳遞系統(tǒng)；(4)一個將由信號識別系統(tǒng)獲得的電信號轉(zhuǎn)化成分析物濃度或含量數(shù)據(jù)的信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所說的金屬分散碳催化系統(tǒng)由金屬顆粒或粉末與適當(dāng)比例的導(dǎo)電材料混合而成。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的金屬選自元素周期表中的過渡元素。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的金屬選自釕、釔和銠。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的導(dǎo)電材料選自碳和石墨。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的低電極電位是-0.2V至0.1V。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的低電極電位是-0.2V至0.3V。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所說的生物識別系統(tǒng)由選自下列一組中的能夠催化被檢測底物產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)的酶組成葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、氨氧化酶、氨基酸氧化酶、乙醇氧化酶、黃嘌呤氧化酶、膽固醇氧化酶、肌酸氧化酶。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所說的電化學(xué)活性物質(zhì)選自過氧化氫和過氧化物。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的分析物是能夠在氧化酶的催化下產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)的化合物。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的分析物選自葡萄糖、乳酸、氨基酸、乙醇、膽固醇和肌醇。
附圖簡要說明

圖1顯示本發(fā)明的以金屬分散碳糊為電極材料的氧化酶傳感器的基本工作原理。
圖2顯示在使用不同的電極的情況下記錄的氧化酶酶促反應(yīng)中所產(chǎn)生的過氧化氫的流體動力學(xué)伏安曲線。(A)釕(Ru)分散碳糊電極；(B)常規(guī)碳糊電極。
圖3顯示在0.05M磷酸鹽溶液(pH7.4)中和300轉(zhuǎn)/分鐘攪拌條件下，使用不同電極在0.05V電極電位下測得的過氧化氫(2.5mM)電流階梯響應(yīng)曲線。(A)釕(Ru)分散碳糊電極；(B)常規(guī)碳糊電極。
圖4顯示在0.05M磷酸鹽溶液(pH7.4)中和300轉(zhuǎn)/分鐘攪拌條件下，使用不同電極(電極電位-0.15伏)測得的葡萄糖電流階梯響應(yīng)曲線。(A)釕(Ru)分散碳糊電極；(B)常規(guī)碳糊電極。
圖5顯示使用本發(fā)明的以金屬分散碳糊電極作為工作電極的葡萄糖傳感器檢測樣品中的葡萄糖濃度時，在不同電極電位下易氧化還原物質(zhì)對檢測結(jié)果的影響。(A)工作電極電位+0.2伏；(B)工作電極電位-0.1伏。分析物中含有葡萄糖(G)5×10-3M、抗壞血酸(AA)1×10-4M、Acetaminopher(AC)1×10-4M和尿酸(UA)1×10-4M。
圖6是本發(fā)明氧化酶傳感器的金屬分散碳印刷電極示意圖。(A)和(B)為俯視圖；(C)為側(cè)視圖。
圖7是顯示本發(fā)明氧化酶傳感器的金屬分散碳印刷電極各部分組成的示意圖。
圖8顯示過氧化氫在金屬分散碳印刷電極上的電流-時間關(guān)系曲線。(A)為磷酸鹽緩沖溶液(0.05M，pH7.4)空白對照；(B)為過氧化氫溶液(3mg/mL)。
圖9顯示過氧化氫在銅(Cu)分散碳印刷電極上的電流-時間曲線。(A)為磷酸鹽緩沖溶液(0.05M，pH7.4)空白對照；(B)為過氧化氫溶液(3mg/mL)。
圖10顯示葡萄糖溶液在金屬分散碳印刷電極上的電流-時間曲線。(A)是磷酸鹽緩沖溶液(50mM，pH7.4)對照；(B)是較低濃度葡萄糖溶液(0.1mM)；(C)是較高濃度葡萄糖溶液(10mM)。
發(fā)明的詳細(xì)描述一般說來，被檢測的樣品中除含有一定量的分析物外，還常常含有許多與分析物伴隨的其他物質(zhì)。在基于氧化還原反應(yīng)的檢測方法中，這些物質(zhì)特別是其中的某些易被氧化還原的化合物，常常也會發(fā)生與分析物相似的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，干擾針對特定分析物的檢測，從而致使檢測結(jié)果準(zhǔn)確性降低。為了解決這些問題，研究者們試圖以在碳糊或石墨電極中摻入或表面涂布電催化介質(zhì)(例如鉑等金屬或有機金屬鹽)、改變電極的排布方式等(例如參見Zhao at et.，Biosensors &Bioelectronics 8583-491，1993；Atanasov et al.，Biosensors &Bioelectronics 7361-365，1992；美國專利5,227,042)手段加速電子流動，以期減低電極間氧化還原電位差。然而由于前面提到原因，這些方法均不能獲得令人滿意的效果。
本發(fā)明人在長期的研究和生產(chǎn)實踐中令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，某些金屬特別是元素周期表中過渡周期的某些金屬元素或他們的化合物，可作為一種良好的電催化劑強有力地加速氧化還原反應(yīng)中的電子流動，使反應(yīng)能夠在很低的電極電位例如零電位下進行，從而可基本上排除易氧化還原物質(zhì)對檢測的影響，提高檢測的選擇性和敏感性。
因此，本發(fā)明的一個首要目的是提供對溶于液體溶液中的底物進行電流計量檢測的生物傳感系統(tǒng)和使用所說的傳感系統(tǒng)檢測分析物的方法。所說的傳感系統(tǒng)或傳感器基本上包括以下幾個部分一個具有對電化學(xué)活性物質(zhì)發(fā)揮強的電催化作用并且足以消除樣品中混雜的易氧化還原物質(zhì)的干擾的金屬分散碳催化系統(tǒng)；一個有氧化酶參與生物識別反應(yīng)的生物識別系統(tǒng)；以及一個將生物識別反應(yīng)產(chǎn)生的電流活性物質(zhì)傳遞給金屬分散碳催化系統(tǒng)，并將金屬分散碳催化系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號傳遞到信號接受裝置的傳遞系統(tǒng)；一個將由信號識別系統(tǒng)獲得的電信號轉(zhuǎn)化成分析物的濃度或含量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。
本發(fā)明生物傳感器的特征在于，在工作(檢測)電極的碳糊材料中和/或電極表面分散有選自元素周期表第五周期的金屬元素，特別是選自釕、釔和銠的金屬元素，或這些金屬的有機或無機化合物。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所說的金屬分散碳催化系統(tǒng)基本上是由表面涂布或內(nèi)部分散有選自元素周期表第五周期的金屬元素或其有機或無機化合物的碳材料電極組成的。
根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案，所說的金屬分散碳催化系統(tǒng)基本上是由表面涂布或內(nèi)部分散有選自釕、釔和銠的金屬元素，或這些金屬的有機或無機化合物的碳材料電極組成的。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所說的生物識別系統(tǒng)基本上是涂敷于碳電極上的氧化酶和相關(guān)試劑。其中氧化酶催化分析物的氧化反應(yīng)并釋放出作為氧化產(chǎn)物的過氧化氫。然后，散布于碳電極中的電催化金屬在很低的電極電位例如零電位下將過氧化氫轉(zhuǎn)化(還原)成水，并釋放出自由電子，從而在電極之間形成有固定電位差的電流。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施中，傳感系統(tǒng)中電極電位一般是在-0.2和+0.3伏之間。在這樣一個電極電位范圍內(nèi)即在電極電位約為零時進行檢測，基本上可以消除與分析物共存的各種易氧化還原物質(zhì)和環(huán)境中的氧的相似電化學(xué)行為對檢測結(jié)果的干擾，從而提高傳感器的選擇性。其中所說的氧化酶包括但不只限于葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、氨氧化酶、氨基酸氧化酶、乙醇氧化酶、黃嘌呤氧化酶、膽固醇氧化酶、肌酸氧化酶。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所說的電化學(xué)活性物質(zhì)選自過氧化氫和過氧化物。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的分析物是能夠在氧化酶的催化下產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)的化合物。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的分析物選自葡萄糖、乳酸、氨基酸、乙醇、膽固醇和肌醇。
根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案，其中所說的分析物是葡萄糖。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所說的檢測系統(tǒng)包括一個由其中分散有電催化金屬并且能特異地還原過氧化氫的碳電極構(gòu)成的工作(檢測)電極，和對分析物特異的氧化酶。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，工作電極包括摻入了電催化金屬釕顆粒的碳材料和葡萄糖氧化酶。
因此，本發(fā)明的傳感裝置可以是雙電極體系或多電極體系的。其中優(yōu)選的是由一個工作電極和一個參比電極組成雙電極體系。但在有些情況下，也可加入第三個對(輔助)電極。工作電極由其中分散有電催化金屬和氧化酶的碳材料構(gòu)成，并且所說的金屬可以是選自釕、釔、銠的過渡金屬。所說的氧化酶包括但不只限于葡萄糖氧化酶，乳酸氧化酶、單氨氧化酶、L-氨基氧化酶、乙醇氧化酶、黃嘌呤氧化酶、膽固醇氧化酶和肌酸氧化酶。對電極一般由碳、金屬或電導(dǎo)體材料構(gòu)成。參比電極是具有恒定電極電位的常規(guī)銀/氫化銀電極。本發(fā)明的金屬分散氧化酶安培傳感裝置可以是試劑條式，微碳針式或矩陣式的。
可使用電路印刷技術(shù)制作本發(fā)明的基于所謂金屬分散碳電極和氧化酶的傳感器。例如可以首先使用絲網(wǎng)印刷方法將導(dǎo)電油墨印在絕緣的載體(電極基片)上制成導(dǎo)電電極。用于生產(chǎn)工作電極的導(dǎo)電油墨配方中包括平均直徑小于約1微米的碳微粒。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，油墨配方中混有足夠量對過氧化氫有高還原活性的金屬催化劑，并可在混合過程中適當(dāng)?shù)丶尤胙趸?，或者將上述金屬分散碳材?油墨)印刷在電極基片上之后，可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的物理或化學(xué)方法將氧化酶固定在電極上，從而得到所需的工作電極。本發(fā)明制得的工作電極的本底電流極低、電信號響應(yīng)迅速、對電化學(xué)活性物質(zhì)(樣品中固有的或酶促反應(yīng)中產(chǎn)生的)具有強電催化能力。另外，由于生產(chǎn)成本很低，所以本發(fā)明的電極系統(tǒng)可以作為一次性消耗材料使用。
本發(fā)明涉及改良的金屬分散氧化酶傳感器，以及使用該裝置在排除了氧化還原性干擾物質(zhì)干擾的條件下檢測分析物。如上所述，在工作電極上直接涂敷過氧化物特異性金屬催化劑和分析物(作為酶放應(yīng)底物)特異性酶，可有效地改善檢測系統(tǒng)的選擇性和敏感性。我們的研究發(fā)現(xiàn)，在使用本發(fā)明的系統(tǒng)進行的檢測中，電極表面電化學(xué)反應(yīng)的本底信號明顯降低，而且對電極環(huán)境中電化學(xué)改變的電極反應(yīng)明顯提高。雖然不拘泥于理論，但據(jù)信這些改善可能是由于金屬催化劑對釋放過氧化氫的酶促反應(yīng)的電催化活性所致。
以下，以用于選擇性電化學(xué)定量檢測葡萄糖含量的模式系統(tǒng)為例，結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明氧化酶傳感器的結(jié)構(gòu)特征、制作方法及其優(yōu)點。
圖1顯示本發(fā)明的系統(tǒng)或方法中所涉及的生物化學(xué)和電化學(xué)級聯(lián)反應(yīng)。其中包括分析物特異性酶與實驗樣品接觸后，酶對分析物的起始酶促氧化反應(yīng)和過氧化氫的釋放。依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，樣品中的分析物在氧化酶的作用下氧化分解產(chǎn)生過氧化氫，后者可在-0.2至+0.2伏的極低電極電位下還原，所以即使有抗壞血酸等易氧化還原物質(zhì)的存在，也不會干擾對分析物的準(zhǔn)確檢測。
圖2顯示上述酶促電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物過氧化氫的流體動力學(xué)伏安曲線。在不同的電極電位下，記錄過氧化氫在金屬分散碳糊(A)和常規(guī)碳糊(B)電極下的氧化還原電流。使用常規(guī)碳糊(B)電極時，當(dāng)電極電位在-0.2至0.3伏之間時，過氧化氫不會在電極上產(chǎn)生任何氧化還原反應(yīng)。相反，在使用本發(fā)明的金屬分散碳糊電極的情況下，如果電極電位大于約0.3伏(相對于銀/氫化銀電極)，過氧化氫即在電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；當(dāng)電極電位低于約0.3伏時，過氧化氫則在電極上發(fā)生還原反應(yīng)。相對的，某些易氧化還原物質(zhì)在電極電位大于-0.2伏(相對于銀/氫化銀電極)時即可發(fā)生氧化還原反應(yīng)。因此，就金屬分散碳糊電極而言，檢測過氧化氫的最佳電極電位是在-0.2至+0.1伏之間。正是在這個由本發(fā)明的金屬分散碳糊電極提供的電極電位范圍內(nèi)，樣品中易氧化還原物質(zhì)的存在才不會對過氧化氫檢測造成明顯影響。
圖3給出了在-0.05V電極電位下，分別使用金屬分散碳糊電極(A)和常規(guī)碳糊電極(B)檢測時，過氧化氫的階梯電流響應(yīng)曲線(每階間過氧化氫濃度相差2.5mM)。B顯示為一條直線，說明在此條件下，過氧化氫在常規(guī)碳糊電極上不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。相反，在金屬分散碳糊電極下過氧化氫則被還原。并且隨著過氧化氫濃度的增加，還原電流信號也相應(yīng)增強。
從上述的檢測結(jié)果得知，當(dāng)金屬分散碳糊電極電位約為零伏時，過氧化氫即可被還原。由于在氧化酶催化下的反應(yīng)產(chǎn)物之一是過氧化氫，所以這一令人驚奇的發(fā)現(xiàn)促使我們設(shè)計一種當(dāng)電極電位約為零時，即可在幾乎排除了外來或伴生的易氧化還原物質(zhì)干擾的情況下，以高選擇性和敏感性檢測任何可被氧化酶分解同時釋放出過氧化氫的分析物。本發(fā)明的金屬分散碳糊電極和相應(yīng)的檢測系統(tǒng)就是基于這一發(fā)現(xiàn)設(shè)計的。
圖4顯示在-0.15伏電極電位條件下，葡萄糖(5mM)氧化產(chǎn)物H2O2在金屬Ru分散碳糊葡萄糖電極(A)和常規(guī)碳糊葡萄糖電極(B)上還原所發(fā)生的階梯響應(yīng)電流。由圖中可以看出，在給定的電位下，常規(guī)碳糊葡萄糖電極上幾乎沒有葡萄糖的電流響應(yīng)，而在金屬分散碳糊葡萄糖電極上則隨著葡萄糖濃度的增加而產(chǎn)生漸增的響應(yīng)電流。其線性范圍可達到30mM葡萄糖濃度水平。另外，可見葡萄糖在電極上的電流響應(yīng)很快，電流信號于20～30秒內(nèi)即達到穩(wěn)態(tài)。理想的工作電極電位為響應(yīng)電流提供了好的信號/噪音比。
安培生物傳感器應(yīng)用中一個急待解決的問題是如何消除溶液中易氧化還原物質(zhì)的干擾，為此人們曾使用介質(zhì)分子、多酶體系等方法，但這些方法都存在著一定的局限性，難以完全排除所說的干擾和影響。金屬分散碳氧化酶電極提供了理想的解決方法。從這些易氧化還原干擾物質(zhì)在金屬分散碳電極上的循環(huán)伏安圖(未示出)可以看出，抗壞血酸、Acetoninopher和尿酸等常見易氧化還原物質(zhì)的起始氧化電極電位約為+0.2V至+0.3V(相對于As/AsCL電極)。所以選擇電極電位在+0.20伏以下，特別是在+0.10伏至-0.20伏之間的金屬分散碳電極，就有可能避免這些易氧化干擾物質(zhì)對檢測的干擾。在用于制作電極的碳材料確定后，如何選擇金屬催化劑將是十分關(guān)鍵的。本發(fā)明人在長期實踐中發(fā)現(xiàn)，包括釕、釔、銠在內(nèi)的元素周期表第五周期過渡元素金屬具有極好的氧化還原催化活性。
圖5顯示在給定的工作電極電位條件下，幾種干擾物質(zhì)對使用金屬Ru分散碳糊葡萄糖傳感器和常規(guī)碳糊葡萄糖傳感器進行的檢測的干擾。符號G、AA、AC和UA分別代表葡萄糖(5X10-3M)、抗壞血酸(1X10-4M)、Acetominopher(1X10-4M)和尿酸(1X10-4M)溶液。從圖5A所示曲線可見，在+0.2伏電極電位下，葡萄糖溶液的加入產(chǎn)生了一個還原電流，而抗壞血酸的加入產(chǎn)生了一個氧化電流。Acetominopher和尿酸的加入對電流響應(yīng)無影響。因此，在這一電極電位條件下，Acetominopher和尿酸不干擾樣品中葡萄糖的測定，而維生素C將降低葡萄糖的檢測電流信號。如選擇工作電極電位為-0.10伏，由圖5B中可見，抗壞血酸、Acetominopher和尿酸在此電位下均不在電極上產(chǎn)生電化學(xué)行為，而只表現(xiàn)有葡萄糖的響應(yīng)電流。這些結(jié)果清楚地表明，金屬分散碳氧化酶傳感器可在電極電位零伏附近即可測出酶反應(yīng)產(chǎn)生的電化學(xué)活性物質(zhì)，從而避免了溶液中易氧化還原物質(zhì)和溶解氧的干擾。
圖6A和6B分別是本發(fā)明金屬分散碳氧化酶安培傳感器的雙電極體系和三電極體系的俯視圖。圖C是所說的傳感器的側(cè)視圖。為了制作本發(fā)明的傳感器，首先在不導(dǎo)電、不吸水的支持介質(zhì)(10)上印刷工作電極(30)和參比電極(40)，并且有或沒有對(輔助)電極(70)。電極間的距離要盡可能地短，以便消除溶液電阻降及其他因素導(dǎo)致的干擾。在電化學(xué)檢測區(qū)(50)內(nèi)，電極通過印刷在支持介質(zhì)上的導(dǎo)電材料(可以是與電極相同的或不同的導(dǎo)電材料)與儀器的主體聯(lián)接(見圖中的標(biāo)記符(35)，(45)和(75))。除了暴露電化學(xué)檢測區(qū)(50)和與儀器主體聯(lián)接的部分外，電極的其他部分則被噴涂一層電絕緣并且不透水的絕緣材料(60)。然后，在檢測區(qū)(50)覆蓋一層過濾材料(80)，以阻止干擾物質(zhì)及分子達到電極表面影響檢測結(jié)果。檢測區(qū)(50)的電絕緣材料上留有一個樣品收集口(95)，分析物樣品溶液可由該樣品收集口加入。
圖7顯示本發(fā)明金屬分散碳氧化酶安培傳感器的各個組成部件。支持介質(zhì)(10)是由不吸水并且有一定厚度及硬度的絕緣材料例如高聚物材料構(gòu)成的。工作電極(30)由其中按一定組成比例分散有金屬(例如釕)顆粒和氧化酶的碳糊制成。參比電極(40)通常是標(biāo)準(zhǔn)的銀/氯化銀(Ag/AgCl)或甘汞電極。對電極(70)通常也是由金屬、碳等電導(dǎo)體所制成的。絕緣層(60)材料可以是塑料、高分子聚合物、防水紙或油漆等。過濾膜(80)材料可以是尼龍、纖維素等不與樣品中的分析物相互作用并且能夠過濾干擾物質(zhì)的材料。樣品收集區(qū)(90)可以由高分子材料、聚合物、防水紙類或油漆等材料構(gòu)成。
由其中分散有金屬粉末或顆粒的碳材料(例如碳糊)制成的印刷電極對過氧化氫具有很強的電催化能力，它可使過氧化氫在電極電位約為零伏時被還原。圖8顯示金屬Ru分散碳印刷電極在不同溶液中的電流-時間曲線。曲線A顯示的是對照樣品磷酸鹽緩沖溶液(0.05M，pH7.4)。曲線B顯示的是被檢樣品過氧化氫溶液(3.0mg/ml)。
圖9是使用金屬銅(Cu)分散碳電極，在電極電位零伏條件下測得的電流響應(yīng)曲線(A)。實驗樣品為過氧化氫溶液(濃度為3.0mg/ml)(A)；對照樣品為磷酸鹽緩沖溶液(0.05M，PH7.4)(B)。由圖9所示的結(jié)果同樣可以看出，在電極電位約為零的條件下，金屬分散碳電極材料催化過氧化氫還原，從而記錄到相應(yīng)的電流曲線。
由以上結(jié)合附圖和所列數(shù)據(jù)對本發(fā)明所作的詳細(xì)描述可以看出，本發(fā)明的金屬分散碳氧化酶安培傳感器，例如金屬分散碳葡萄糖傳感器，可在基本上消除了易氧化還原物質(zhì)干擾的情況下，以提高了的選擇性和敏感性用于溶液中相應(yīng)分析物的檢測。
下文是使用本發(fā)明的金屬釕分散碳葡萄糖傳感器檢測樣品中葡萄糖含量的實施例。該實施例只是舉例說明而不是限制本發(fā)明。
實施例按“詳細(xì)描述”部分所述的方法制作印刷電極并按常規(guī)方法裝配葡萄糖傳感器。使用磷酸鹽緩沖溶液(50mM，pH7.4)配制不同濃度(0.1mM和10mM)的葡萄糖溶液，并以其作為分析樣品。使用不含葡萄糖的磷酸鹽緩沖溶液作為空白對照。后在金屬分散碳葡萄糖電極電位0.15mV下測定溶液中葡萄糖的濃度。所測得的電流-時間曲線(電流響應(yīng)曲線)如圖10所示。圖10中，曲線(A)是空白對照溶液，(B)是0.1mM葡萄糖溶液，(C)是10mM葡萄糖溶液。從圖10所示上午結(jié)果可以看出，本發(fā)明的金屬分散碳葡萄糖電極(傳感器)對葡萄糖有很快的電流響應(yīng)速度(＜30秒)，并且很快達到穩(wěn)態(tài)。特別是，由于本發(fā)明的金屬分散碳葡萄糖電極可在約0.15mV的低電極電位下工作，所以也避免了分析物溶液中易氧化還原物質(zhì)對檢測的干擾和影響。
權(quán)利要求
1，一種可在低電極電位下工作的氧化酶安培傳感器，其基本上由以下部分組成(1)一個具有對電流活性物質(zhì)發(fā)揮強的電催化作用并且足以消除樣品中混雜的易氧化還原物質(zhì)的干擾的催化系統(tǒng)；(2)一個有氧化酶參與生物識別反應(yīng)的生物識別系統(tǒng)；以及(3)一個將生物識別反應(yīng)產(chǎn)生的電流活性物質(zhì)傳遞給催化系統(tǒng)，并將催化系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號傳遞到信號接受裝置的傳遞系統(tǒng)；(4)一個將由信號識別系統(tǒng)獲得的電信號轉(zhuǎn)化成分析物濃度或含量數(shù)據(jù)的信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。
2，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的催化系統(tǒng)由金屬顆?；蚍勰┡c適當(dāng)比例的導(dǎo)電材料混合而成的金屬分散碳。
3，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的催化系統(tǒng)是由合金顆?；蚍勰┡c適當(dāng)比例的導(dǎo)電材料混合而成的合金分散碳。
4，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的金屬選自元素周期表的過渡元素。
5，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的金屬選自元素周期表第五周期過渡元素。
6，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的金屬選自釕、釔和銠。
7，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的導(dǎo)電材料選自碳和石墨。
8，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所說的低電極電位是-0.2V至0.2V。
9，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，所說的生物識別系統(tǒng)由選自下列一組中的能夠催化被檢測底物產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)的酶組成葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、氨氧化酶、氨基酸氧化酶、乙醇氧化酶、黃嘌呤氧化酶、膽固醇氧化酶、肌酸氧化酶。
10，根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，所說的電化學(xué)活性物質(zhì)選自過氧化氫和過氧化物。
11，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的分析物是能夠在氧化酶的催化下產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)的化合物。
12，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中所說的分析物選自葡萄糖、乳酸、氨基酸、乙醇、膽固醇和肌醇。
全文摘要
本發(fā)明涉及改良的金屬分散碳氧化酶傳感器，以及使用該裝置在基本上排除了氧化還原性干擾物質(zhì)干擾的條件下檢測分析物的方法。所說的方法是利用氧化酶催化樣品中的分析物產(chǎn)生電化學(xué)活性物質(zhì)，在金屬分散碳電極電位約為零伏的條件下對這些活性物質(zhì)進行電化學(xué)檢測，并依據(jù)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電信號測得樣品中分析物的水平。該方法基本上排除了易氧化還原物質(zhì)對樣品中待測物質(zhì)的干擾和影響，從而提高了檢測的選擇性和可再現(xiàn)性。
文檔編號G01N33/66GK1540332SQ0312201
公開日2004年10月27日 申請日期2003年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月22日
發(fā)明者盧方, 陸農(nóng), 王凱華, 盧 方 申請人:英科新創(chuàng)(廈門)科技有限公司