電化學血糖傳感器原理及發(fā)展

1、電化學血糖傳感器原理及發(fā)展電化學血糖傳感器原理及發(fā)展前言前言葡萄糖是一種在全世界范圍內(nèi)被分析測試最頻繁的物質(zhì)之一。電化學法血糖檢測系統(tǒng)已經(jīng)成功開發(fā)了3O余年，目前全世界每年約消耗60億片電化學血糖測試試紙，是糖尿病人實施血糖自我檢測、有效控制病情的重要手段。血糖試紙實質(zhì)是在一些塑料基片上印刷了導電碳墨和銀墨后再復合印刷含酶涂層的生物電化學酶傳感器。我國現(xiàn)有糖尿病人4000萬，每年還以15％的速度在增加，對葡萄糖分析檢測的研究也曰漸增多，

2、因此，近年來有關(guān)葡萄糖氧化酶電極的研究論文每年都有上千篇，國內(nèi)也有上百家研究單位、lO多家企業(yè)在從事血糖儀和血糖試紙的研發(fā)和生產(chǎn)。1電化學葡萄糖傳感器的研究基礎(chǔ)電化學葡萄糖傳感器的研究基礎(chǔ)電化學酶法測定葡萄糖可追溯到上世紀的30年代末，當時通過測定鉑金電極上過氧化氫的氧化分解而產(chǎn)生的電流變化測算出溶液中因氧的消耗導致的氧分壓下降值，進而測得葡萄糖的濃度。其反應過程如下：葡萄糖FAD–葡萄糖氧化酶→葡萄糖酸內(nèi)酯FADH2–葡萄糖氧化酶①F

3、ADH2–葡萄糖氧化酶02→FAD–葡萄糖氧化酶H2O2②H202→2HO22e③25年后，美國的Updike和Hicks成功簡化了葡萄糖的電化學測定方法，他們將葡萄糖氧化酶固定在某種膠體基質(zhì)中實現(xiàn)了酶的固定和穩(wěn)定化，使葡萄糖氧化酶催化劑可以被反復使用。此后他們將固定后的葡萄糖氧化酶制成膜片同Clark極譜式氧電極結(jié)合，制成了世界上第一個酶電極。2導電介質(zhì)葡萄糖酶傳感器的發(fā)展導電介質(zhì)葡萄糖酶傳感器的發(fā)展隨著葡萄糖電化學分析系統(tǒng)的成功商業(yè)

4、化，1970年Williams等試圖采用分子導電介質(zhì)取代氧分子進行氧化還原電子傳遞的嘗試。他們使用鐵氰化鉀－亞鐵氰化鉀導電介質(zhì)系統(tǒng)成功實施了血液葡萄糖的電化學測定，同時還用同一電化學系統(tǒng)測定了血乳酸。盡管日后這一開創(chuàng)性的電化學測試原理被廣泛使用在公司血糖儀的開發(fā)和生產(chǎn)實踐中，但遺憾的是當時并未被直接應用于家用血糖儀測試系統(tǒng)的商業(yè)化開發(fā)。世界上第一個便攜式家用電化學血糖測試系統(tǒng)是1987年由美國Medisense公司推出的ExacTech

5、，該系統(tǒng)采用二茂鐵及其衍生物作為氧化還原導電介質(zhì)，通過絲網(wǎng)印刷導電碳墨在PVC塑料基片上，制成外觀尺寸如同pH試紙大小的血糖試紙，可以大規(guī)模制作生產(chǎn)。h——吸血槽高度。式①表明，試紙端口吸血槽吸血時間長短同吸血槽長度的平方正相關(guān)，同吸血槽的高度和吸血膜的濕潤角度呈負相關(guān)，因此通過精心設(shè)計吸血槽可以控制和影響血糖測試系統(tǒng)的反應時間和測試精度。(4)血糖試紙上的試劑配合血糖試紙作為一種“干試劑”試紙，對試紙上的試劑配合有嚴格要求。這種含生物

6、酶的試劑可以混合在印制工作電極的碳墨中直接印刷在塑料片表面，也可以另行配制成水性油墨單獨印刷在工作電極碳表面。使用噴涂設(shè)備生產(chǎn)試紙的還應將試劑配成適當濃度的水性溶液涂布在工作電極上。任何一種試劑配合都少不了以下幾個主要成分：氧化還原酶如葡萄糖氧化酶、葡萄糖–NAD–脫氫酶、葡萄糖–PQQ–脫氫酶和葡萄糖–FAD–脫氫酶等，各種導電介質(zhì)如苯醌、鐵氰化鉀、二茂鐵、釕化合物、鋨化合物等。試劑配合中還需要黏合劑，如羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、表

7、面活性劑以及酶和導電劑的穩(wěn)定劑等。表l列出目前國內(nèi)外比較常用的試紙制作基本原料。表1血糖試紙制作的基本化學試劑配合血糖試紙制作的基本化學試劑配合試紙基材黏合劑導電劑試劑酶表面活性劑PET羥乙基纖維素對苯醌葡萄糖氧化酶曲拉通PP羧甲基纖維素鐵氰化鉀葡萄糖脫氫酶土溫PC膠原蛋白二茂鐵葡萄糖激酶道康寧消泡劑PVC海藻酸凝膠金屬導電化合物氟類表面活性劑3.2血糖試紙的標定血糖試紙的標定血糖試紙生產(chǎn)完成后的校準和標定是決定試紙在使用中是否長期穩(wěn)定

8、準確的重要步驟。標定工作包括對每批產(chǎn)品的血糖測定線性范圍、批內(nèi)批間的重復性變異系數(shù)(CV)，血細胞壓積比(HCT)以及血液中電化學活性物質(zhì)對測試系統(tǒng)的干擾等進行分析和評估。(1)血糖試紙線性測定范圍的校準血糖試紙在出廠前應完成嚴格的校驗程序，這些校驗程序不僅決定產(chǎn)品批次的測定有效范圍，而且還要設(shè)置試紙的校驗碼(Code)。通常校驗方法需要配制一組6～8個濃度值的血糖樣品，該樣品可以由靜脈血配得（具體方法可參考ISO15193—2003）