专利名称：用于在活体内条件下测量分析物浓度的电极系统的制作方法
技术领域：
本发明有关具有权利要求1前言中所具体说明的特征的用于在活体内条件下测 量分析物浓度的电极系统。这种类型的电极系统从WO 2007/147475得知。
背景技术：
具有可植入或可插入电极系统的传感器有助于对具有生理学意义的分析物所进 行的测量，这些分析物诸如，举例而言，患者体组织中的乳酸盐或葡萄糖。这种类型系统的 工作电极具有导电性酶层，在导电性酶层中结合有酶分子，其通过分析物分子的催化转化 而释放电荷载体。在该过程中，产生电流作为测量信号，测量信号的振幅与分析物浓度相关。良好酶层的导电性应尽可能地高以使得被释放的电荷载体尽可能作为测量信号 被完全地检测；这些酶层应具有充分的透水性以使得分析物分子从含水体液扩散至酶层， 含水体液通常为间隙液或血液；以及，最后这些酶层应尽可能完全黏合其中所含的酶分子 以使得这些酶分子不会泄漏至周围体组织。适用的酶层可由例如钼黑(由于它的海绵状结构，钼黑可以由酶溶液加以浸渍并 且显示良好的透水性)或从导电性粒子(例如碳或金属粒子)与黏合剂制成。这种类型的 酶层通常易碎。因此，已知传感器的工作电极的酶层仅覆盖非常小的区域，通常仅平方毫米 的一部分。这种实例是从US 4，655，880已知的电极系统，在其中，工作电极的导体仅延伸 约200 μ m。为了增加局部电流密度，该导体备有电绝缘涂层，在以含酶糊剂涂覆该导体整体 长度以便形成酶层之前在该电绝缘层中蚀刻直径约10 μ m的小开口。不过，尽管有广泛的研究与发展，已知电极系统容易受干扰并且伴随缺点，这是因 为它们仅能被用于以低于使用常规的活体外分析可达的精确度与可靠度测定分析物浓度。为了提高测量精确度，US 2005/0059871A1提出同时使用多个工作电极以测量关 注的分析物浓度，以及统计分析如此获得的测量结果。至于额外测量，提出使用其它传感器 以测定其它分析物浓度或生理参数，以及根据如此获得的不同分析物的浓度测试个别结果 的似真性。不过，使用大量工作电极不仅会增加设备资源的使用，如果个别工作电极的不一 致的测量信号使得不清楚不同的测量值的哪个精确地反应患者体内的分析物浓度的话，还 会导致问题。
发明内容
因此本发明目的是发明一种更可靠并且更精确地测量人体或动物体内分析物浓 度的方法。本目的是通过具有权利要求1具体说明的特征的用于活体内测量关于分析物的 浓度的电极系统而达成。本发明的有利发展是从属权利要求的主题。本发明提供在工作电极的导体上以彼此相距一段距离而配置的多个域(multiplefields)形式的工作电极的酶层。优选地，这些域的至少二者被间隔成彼此相距至少3毫 米，较佳为至少5毫米。例如，可提供一系列多个域(multiple fields)，由此该系列的第一 与最后域之间的距离大于5毫米。根据本发明的工作电极的个别域基本形成依序配置的一 系列工作电极。在这些域之间，可以用绝缘层覆盖工作电极的导体。通过将酶层的域配置 在电绝缘层开口顶部，可改善信号噪声比。本发明允许进行患者体组织中的分析物浓度的明显更可靠的测量。通过提供呈个 别域形式(例如距离为至少3毫米，较佳为至少5毫米)的工作电极的酶层，可以在相对大 体积中测量分析物浓度。使用根据本发明的电极系统，仅影响具有直径约0. Imm的小体积 单元的干扰影响因而变得无关重要。令人意外的是，使用已知传感器的在活体内测量期间 所观察到的大部分问题似乎仅基于以下事实由于酶层的小尺寸，分析物浓度在太小以致 因瞬间局部效果而经常无法代表患者身体其余部分的体积单元中被测量。因酶层的数毫米或更长的长距离膨胀，工作电极必须具有挠性以便它能够根据身 体的动作而调整它的形状。不过，已知传导性酶层材料的相对易碎性质似乎不可能制造具 挠性的工作电极。然而，根据本发明的测量，即，设计在工作电极的导体上以彼此相距一段 距离而配置的多个域(multiple fields)形式的酶层，使得工作电极可弯曲而酶层不会剥 落，尽管该酶层材料具有易碎性质。利用有效范围(即，酶层)延伸小于0.2平方毫米的传统工作电极测量不正确的 原因据推测是患者的动作会瞬间妨碍小体积单元中的流体交换，例如细胞被压在该工作电 极上并且间隙液被替换，或毛细血管被压缩并因而阻塞。推测上，此可导致紧邻工作电极周 围的对应体积单元中的分析物浓度无法代表患者身体其余部分。这些在其中流体交换瞬间 受阻的体积单元显得非常小，但是，并且通常具有小于Imm的直径。可能是体组织的弹性与 柔软一致性使得力在非常短距离内松弛，并且因而只有尺寸这么小的体积单元中的体液交 换受到负面影响。让形成在根据本发明的电极系统中的酶层的至少某些域以相当的距离分 布，例如彼此相距至少5mm，较佳是彼此相距至少1cm，因而提供了，即使在最不利情况下， 只有小并且通常可忽视的工作电极的部分会受到负面影响。这种情况中，根据本发明电极系统的酶层的两个域之间的距离是从一个域的边缘 至面对它的另一域的边缘测得。这种情况中，相邻域之间的距离较佳是至少0. 3毫米，特别是至少0. 5毫米。个别 域的每一个优选地在彼此垂直的两个方向上延伸小于2毫米，较佳是小于1毫米，特别是小 于0.6毫米。这些域可为例如直径小于1毫米的圆形，或边长小于1毫米的矩形。优选地， 这些域以行配置在工作电极的导体上。不过，也可行的是，例如将这些域以数行与列配置在 圆形或矩形导体上。这些域的数量实质上可自由选择。不过，工作电极优选地具有至少5 个域。根据本发明的电极系统的工作电极配备有扩散障壁，其减缓从环绕电极系统的体 液到经固定于酶层中的酶分子的分析物的扩散。该扩散障壁可为例如覆盖该酶层的覆盖 层。不过，也可行的是，抑制扩散粒子被结合至酶层以作为扩散障壁。例如，酶层的孔可填 充以聚合物，分析物分子仅能缓慢地扩散通过该聚合物。这种聚合物应为亲水性并且具有 迅速吸水性。扩散障壁可有利地被用于减少工作电极处的分析物分子消耗。若患者的动作 瞬间妨碍工作电极的酶层域周围的体液交换，具有较低的分析物分子转化率有助于降低这种妨碍的影响。分析物的消耗愈低，耗尽效应发生(即，由于进行测量而导致对应区中分析 物浓度下降)所需时间较长。本发明的有利发展提出工作电极应具有从该导体来看的配置在酶层上的间隔物， 并提供酶层与环绕细胞的体组织之间的最小距离。间隔物形成分析物分子的贮存器。通过 该措施，可进一步减少工作电极周围的流体交换的瞬间干扰的影响。间隔物可为例如由促 进分析物渗透的生物兼容性聚合物所制成的层。间隔物可被用于产生供应工作电极的酶域 的分析物缓冲体积。以这种方式可以有利地实现即使在为时半小时期间酶层域周围中的流 体交换存在显著干扰情况下也不会发生对于测量信号的明显负面影响。该间隔物也可以作 为例如孔状膜片(例如，透析膜片)或筛网提供。间隔物较佳为3微米至30微米厚。间隔 物可配置在抑制扩散覆盖层上。不过，也可行的是，将间隔物直接配置在酶层上。这种情况 下，该间隔物也可作为扩散障壁并且减缓至酶层的分析物分子的扩散。间隔物优选地以连续层形式覆盖工作电极与相对电极以及参考电极，如果存在参 考电极的话。该间隔物优选地覆盖基板的整个植入表面。若间隔物是由生物相容材料制成， 则可减少对于植入的组织反应。与此独立的是，也优选的是，间隔物被配置在抑制扩散覆盖 层上，并且比该覆盖层更具亲水性。类似根据本发明的电极系统的相对电极的导电体，工作电极的导电体优选地被设 计成在基板上的导体路径，例如由在塑料板上的金属或石墨所制成的导体路径。不过，也可 以将该导体设计成导线形式。酶层域可配置在被设计成导线形式(例如，环形段形式)的 导体上。在导线上的环形段实例中，应了解前文所解释的对象(即，每一个别域均在彼此垂 直的两个方向上延伸小于2毫米，优选地小于1毫米，特别是小于0. 6毫米)意指该环的宽 度与其直径是彼此垂直的两个方向。使用在基板上的金属导线与导体路径使得可以设计能在患者体内弯曲90度或更 大角度并且不断裂的挠性传感器。导体路径仅在基板单侧上延伸是常见的。不过，原则上也可行的是，单一导体在基 板两侧上延伸，例如通过钻孔或在围绕侧边延伸。本发明另一有利发展是提供酶以在酶层中与催化性氧化还原媒介物相互反应，其 中该催化性氧化还原媒介物减少或防止分析物的催化转化的氧依赖性。这种类型的催化性 氧化还原媒介物有时也称为电触媒，这是因其偏好将电子转移至工作电极的传导性组件， 例如酶层中的石墨粒子。例如呈软锰矿形式的二氧化锰，或催化性氧化过氧化氢，并在该过 程中将电子转移至工作电极的传导性组件的其它金属氧化物也可作为催化性氧化还原媒 介物。呈金属氧化物形式的催化性氧化还原媒介物可有利地将工作电极电位降低100毫伏 以上，从而显著地减少干扰物质(例如抗坏血酸盐或尿酸)对该测量信号的影响。在氧化 分析物分子并且该过程中产生过氧化氢的酶实例中，使用这种类型的催化性氧化还原媒介 物使得可以抵消工作电极周围的氧损耗，并且因此使得在广泛浓度范围内转化速率仅取决 于分析物浓度而非氧浓度。有机金属化合物(例如钴-酞青素)也适于作为降解过氧化氢的催化性氧化还原 媒介物。该催化性氧化还原媒介物可共价结合于该酶分子或埋在该酶层内，例如以分离的 粒子形式埋入。不过，该催化性氧化还原媒介物也可以产生直接电子转移。藉此方法，与该酶共价结合的催化性氧化还原媒介物可以被用于进行分析物分子的氧化作用与电子转移至工作 电极而无需产生过氧化氢的中间步骤。在直接电子转移中，来自该酶的辅基的电子被直接 转移至该催化性氧化还原媒介物，并且从该处转移至工作电极的传导性组件，例如该酶层 中的石墨或金属粒子。直接电子转移可例如以酶产生，诸如具有吡咯并喹啉醌(PQQ)作为辅基的脱水 酶。在来自乙酸钙不动杆菌(AcinetcAacter calcoaceticus)的葡萄糖脱水酶(GlucDH)实 例中，PQQ在葡萄糖氧化期间通过该酶而转变成还原状态(reduced state)。该辅基可利用 金奈米粒子而直接共价结合于导体，以便促进从还原的PQQ至该导体的直接电子转移。很 明显地，氧不会与还原的PQQ反应，此意指其不会与该电子转移竞争。从还原的PQQ转移这 些电子的另一方式是基于这样的认识，即PQQ本身可以在多氧化阶段中存在
权利要求
1.一种用于在活体内条件下测量分析物浓度的电极系统，包含 具有导电体Oa)的反电极0)，具有导电体(Ia)的工作电极(1)，该导电体(Ia)上配置有含有用于催化转化该分析物 的经固定的酶分子的酶层(5)，以及减缓该分析物从环绕该电极系统的体液扩散至该酶分 子的扩散障壁(8)， 其特征在于，该酶层( 被设计成在该工作电极(1)的导体(Ia)上以彼此相距一段距离而配置的 多个域(multiple fields)形式。
2.如权利要求1所述的电极系统，其特征在于，在该酶层(5)的域之间，工作电极(1) 的导体(Ia)由绝缘层(7)覆盖。
3.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该酶层(5)的域的至少两 者为彼此相距至少3mm，优选地为至少5mm。
4.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该酶层(5)的相邻域之间 存在有至少0. 3mm的距离。
5.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该酶层(5)的每一个域在 彼此垂直的两个方向延伸小于2mm。
6.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该扩散障壁(8)被设计成 覆盖该酶层(5)的层的形式。
7.如权利要求6所述的电极系统，其特征在于，该扩散障壁(8)是由至少两种不同丙烯 酸酯所成的混合物所制成。
8.如权利要求7所述的电极系统，其特征在于，丙烯酸酯的至少一者为共聚物。
9.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该酶与该酶层(5)中所含 并且减少或防止该分析物催化转化的氧依赖性的催化性氧化还原媒介物相互作用。
10.如权利要求9所述的电极系统，其特征在于，该催化性氧化还原媒介物转化过氧化氢。
11.如权利要求第9或10的电极系统，其特征在于，该催化性氧化还原媒介物产生直接 电子转移。
12.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该酶层(5)由间隔物(9)覆盖。
13.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该间隔物(9)以连续层形 式覆盖所述工作电极(1)与所述反电极O)。
14.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，该工作电极(1)的导电体 (Ia)与该反电极O)的导电体Oa)被配置在基板(4)上。
15.如前述任意一项权利要求所述的电极系统，其特征在于，在酶层域(5)之间的工作 电极(1)的导体(Ia)变窄，并且该反电极O)的导体Oa)具有顺着该工作电极(1)的导 体(Ia)的路线的轮廓。
16.一种传感器，其包含如前述任意一项权利要求所述的电极系统、连接至该电极系统 的电位自调器，及用于放大该电极系统的测量信号的放大器。
17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，该电极系统的电极(1，2，3)被配置在基板(4)上，该基板载有所述电位自调器(10)或是附接至载有所述电位自调器(10)的电路 板上。
全文摘要
本发明有关一种用于在活体内条件下测量分析物浓度的电极系统，其包含具有导电体(2a)的相对电极(2)；具有导电体(1a)的工作电极(1)，该导电体(1a)上配置有含有用于催化转化该分析物的经固定化酶分子的酶层(5)；及减缓该分析物从环绕该电极系统的体液扩散至酶分子的扩散障壁。本发明提供在该工作电极(1)的导体(1a)上以彼此相距一定距离而配置的多个域(multiple fields)形式的酶层(5)。
文档编号A61B5/00GK102149315SQ200980135917
公开日2011年8月10日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年9月11日
发明者A·斯泰布, E·里格, O·奎德, R·吉伦, R·米施勒, U·卡梅克 申请人:霍夫曼-拉罗奇有限公司