電化學(xué)血糖傳感器原理及發(fā)展

1、電化學(xué)血糖傳感器原理及發(fā)展電化學(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)電碳墨和銀墨后再復(fù)合印刷含酶涂層的生物電化學(xué)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(xué)葡萄糖傳感器的研究基礎(chǔ)電化學(xué)葡萄糖傳感器的研究基礎(chǔ)電化學(xué)酶法測定葡萄糖可追溯到上世紀的30年代末，當(dāng)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(dǎo)致的氧分壓下降值，進而測得葡萄糖的濃度。其反應(yīng)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(xué)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(fù)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(dǎo)電介質(zhì)葡萄糖酶傳感器的發(fā)展導(dǎo)電介質(zhì)葡萄糖酶傳感器的發(fā)展隨著葡萄糖電化學(xué)分析系統(tǒng)的成功商業(yè)

4、化，1970年Williams等試圖采用分子導(dǎo)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(dǎo)電介質(zhì)系統(tǒng)成功實施了血液葡萄糖的電化學(xué)測定，同時還用同一電化學(xué)系統(tǒng)測定了血乳酸。盡管日后這一開創(chuàng)性的電化學(xué)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(dāng)時并未被直接應(yīng)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(xué)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(dǎo)電介質(zhì)，通過絲網(wǎng)印刷導(dǎo)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(yīng)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(yīng)將試劑配成適當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)試劑配合血糖試紙制作的基本化學(xué)試劑配合試紙基材黏合劑導(dǎo)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(dǎo)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(fù)性變異系數(shù)(CV)，血細胞壓積比(HCT)以及血液中電化學(xué)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(yīng)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）