使用短寿命酶进行酶电化学流体分析的装置

1.本发明涉及一种用于连续电化学测定流体中目标分析物浓度的装置，其中使用短寿命酶。
2.特别地，本发明涉及一种具有容纳微生物培养物的微流体腔的耗材，其产生用于流体的连续电化学分析必需的酶。


背景技术：

3.为了确保液体的安全性和质量，经常需要进行化学分析以测定相关分析物的浓度。这可以通过采集液体样品来完成，随后在实验室中使用先进的方法如色谱法、质谱法或免疫测定法进行分析。在不必以极高的特异性和灵敏度分析液体的情况下，可以使用电化学法进行连续分析。这允许连续读取分析物浓度值，而不是通过将合适的传感器头浸入液体中来重复测量来自样品的分析物浓度。
4.连续测定分析物分子浓度的典型电化学方法是酶电化学法。它包括通过将氧化还原酶偶联到电极表面而使电极官能化。这样，分析物的存在引起电极和酶的辅因子之间的电子转移，这是酶作为催化剂的活性所需的。因此，转移电荷的测定是通过酶的催化性能进行还原或氧化的分析物的数量的直接测量，因此该分析物的浓度可以直接和连续地测量。
5.大多数酶主要由蛋白质组成，通常掺入一些称为辅因子的非蛋白质组分。这些蛋白酶中的一些在室温下不是非常稳定，并且它们可能在数月、数周、数天或甚至数小时内迅速降解。因此，利用这种短寿命酶的酶电化学传感器系统只能用于由相应酶蛋白的寿命给定的短时间段，该短时间段比电化学流体分析系统的预期寿命短。


技术实现要素：

6.为了克服目前使用短寿命酶的酶电化学法的局限性，本发明提出了一种用于流体中分析物浓度的连续酶电化学测量的装置，利用短寿命酶，其特征在于：
7.所述装置包括基底，所述基底上包括膜，所述膜将一定体积封闭在所述基底上，所述膜被浸入被测流体中；所述膜容纳微型生物反应器和电化学传感器，微型生物反应器包含微生物培养物和电化学传感器寿命必需的营养物；微生物培养物由通过适当的dna插入制备的微生物组成，所述微型生物反应器连续地原位产生短寿命酶；
8.所述短寿命酶扩散到所述电化学传感器的电极表面的受体分子，使得所述短寿命酶紧密结合到电极表面；所述短寿命酶的特异性催化反应导致到达结合所述短寿命酶的目标分析物的氧化或还原，从而在所述短寿命酶和电极之间产生电子转移；测量电极的电流，所述电流与被测流体中分析物浓度线性相关。
9.优选地，所述电化学传感器放置在所述微型生物反应器内；
10.优选地，通过允许流体从所述微型生物反应器流向所述电化学传感器的半渗透膜或导管，使所述微型生物反应器与所述电化学传感器分离；
11.优选地，所述测量电极的电流包括使用电荷敏感放大器或电流传感器来测量；
12.优选地，所述基底上部具有盖，使所述装置成为所述被测流体流动方向上的微流体系统。
13.优选地，所述微流体系统中的所述微型生物反应器和所述电化学传感器各自包含在其自身的流体隔室中，由半渗透膜或流体流动控制器分开。
14.本发明由其上产生膜的基底组成，将所述基底浸入被测流体中。该膜含有能够原位产生所需的蛋白酶的微生物培养物。因此，所述膜容纳微型生物反应器。产生的蛋白酶离开微型生物反应器，向附近电极扩散。对蛋白酶具有特异性的受体分子被固定在电极表面，使得酶紧密结合到电极表面。当目标分析物到达结合酶时，电子在电极和酶的辅因子之间转移。用已知的电子电路感测电极上的电荷以测量电流或电荷。总电荷与到达酶的分析物分子的数量线性相关，因此也与被测流体的分析物浓度线性相关。本发明有效解决了酶蛋白寿命时间比电化学流体分析系统的预期寿命时间短的技术问题。
附图说明
15.当考虑下面的详细描述时，将更好地理解本发明，并且除上述目的之外的目的将变得显而易见。这样的描述参考附图，其中：
16.图1示出了根据本发明的酶电化学流体分析系统的示意性横截面。
17.图2示出了酶电化学流体分析系统的优选实施方案的示意性横截面，其中含有微生物培养物的生物反应器通过膜与电化学传感器分离。
具体实施方式
18.本发明的主要目的是提供一种酶电化学流体分析系统，用于连续测量被测流体中所含分析物的浓度。
19.本发明的另一个目的是提供一种酶电化学流体分析系统，其使用寿命短于典型系统使用时间的短寿命酶。
20.考虑到上述目的，本发明通过图1中示意性示出的酶电化学流体分析系统来实现。该系统在基底1上实现。可选地，基底1具有盖2，其实现了其中测试流体3在方向4上流动的微流体系统。可选地，基底1刚好被浸入测试流体3中，无需微流体流动引导。测试流体3包含分析物分子5加上若干附加分子6。测量任务是测定仅分析物分子5的浓度。特异性通过用半渗透膜7将一定体积封闭在基底1上而获得。测试流体3和分析物5可自由地移动通过膜7，而膜7阻断较大实体如微生物8及其营养物9的通过。微生物8是能够通过供给营养物9产生短寿命酶10同时产生废物11的细胞。微生物8的优选实施方案是细菌大肠杆菌，其可以提供有修饰的dna，使得可以产生所需的蛋白质，特别是电化学感测分析物5所需的短寿命酶。
21.可由细菌表达的酶分子的复杂性是有限的，因为细菌是原核细胞，即它们的细胞器和它们的细胞核不包含在膜内。因此，微生物8的另一个优选实施方案是真核细胞，其dna已被修饰以表达所需的短寿命酶。真菌，特别是酵母如酿酒酵母非常适合于此目的，并且用于它们的dna修饰流程是众所周知的。
22.为了更好地容纳微生物培养物，微生物8及其营养物9可以被另一个半渗透膜或在微流体系统的单独部分中封闭。目的是保持微生物培养物及其原料，同时使废物产物11和酶蛋白10自由进入膜7所包含的体积中。
23.短寿命酶10从微生物培养物中扩散到膜7所包含的体积中，其放置在导电电极12附近。电极12用特异于酶10的表面固定受体16官能化。一旦酶10接近结合受体16，酶蛋白也结合到电极12，接近其表面。结合酶蛋白17现在准备用于电化学转导任务：一旦分析物分子5到达固定化酶17，酶17的催化性能引起反应物分析物19氧化或还原成产物20。该催化反应伴随着电极和酶的辅因子之间的电子转移。电子转移21改变电极12的电荷状态。这可以用通过导电引线13电连接到电极12的电子电路14来感测。电子电路14被实现为已知的电荷敏感放大器或电流传感器，在其输出端15产生相应的读出信号。
24.根据本发明的酶电化学测量系统的第一优选实施方案是这样一种系统，利用该系统可以连续地确定饮用水、工业用水、污水或净化水中的潜在有毒分析物。为此目的，可能有利的是产生被测水的小侧支，电化学测量系统放置在其中。
25.微生物培养物的最佳生长条件(例如温度、ph值)可能不同于流体中或电化学感测位点处用于酶的有效催化操作的条件。对于这种情况，根据本发明的酶电化学测量系统的另一个优选实施方案由微流体系统组成，其中生物反应器和电化学传感器各自包含在其自身的流体隔室中，由半渗透膜或流体流动控制器分开。该微流体系统在图2的截面中被示出。被测液体从方向30进入系统。液体流入入口腔室31，液体从入口腔室31输送到微流体通道32中。这种输送可以主动发生，例如通过泵或压差，或者被动发生，例如通过毛细管效应。微流体通道包含由半渗透膜33、34和35分开的至少两个隔室。第一隔室36包含微型生物反应器，第二隔室37包含电化学传感器。一旦实现了电化学传感器隔室37中的感测过程，流体就流过膜35进入输出贮存器38，流体从输出贮存器38输送到流体废物处理点39。微型生物反应器36包含由微生物40组成的微生物培养物，微生物40经遗传工程化，使得它们利用周围营养物41产生所需的短寿命酶42，同时产生废物43。产生的酶42离开微生物并扩散到微型生物反应器36中，在那里它们可以在流体中自由移动。游离酶分子44可以通过膜34扩散到传感器隔室37中。传感器隔室中的游离酶分子45扩散到导电电极46附近，其表面用受体分子47官能化。这些受体分子为酶分子45提供特异性结合位点。靠近受体46的酶分子作为结合酶48容纳靠近电极表面46。如上所述，酶48介导分析物分子的催化反应49，在电极46和酶的辅因子之间转移电子。酶的催化反应49改变电极46的电荷状态。这可以用通过导电引线50电连接到电极46的电子电路51来感测。电子电路51被实现为已知的电荷敏感放大器或电流传感器，在其输出端52产生相应的读出信号。该信号是对被测流体中所求分析物浓度的直接测量。通过将生物反应器36和电化学传感器37通过微流体系统中的膜分开，可以调节每个隔室中的化学和物理条件以获得各自的最佳性能。膜允许所有分子输送通过微流体系统，为了电化学检测系统的正确操作，其需要流过该系统。
26.根据本发明的酶电化学测量系统的另一优选实施方案是用于连续分析生物，特别是人的汗液中的生物标记的小型化、可佩带的传感器系统。为此目的，该可佩戴系统包含微流体系统，该微流体系统具有以下任务：收集在使用者的皮肤上的汗液，将汗液输送到该微流体系统的测量通道中，并且然后将汗液传递到废物贮存器中或将其蒸发到环境中。测量通道包含根据本发明的酶电化学传感器系统，用于连续测定汗液中的分析物浓度。
27.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍
属于本发明的保护范围之内。