傳感器的製造方法
2023-10-22 12:47:42 1
傳感器的製造方法
【專利摘要】一種用於檢測和/或定量樣品中的分析物的量的傳感器(1)，所述傳感器包含：感應區域(3)；以及阻擋層(BL)，所述阻擋層(BL)包含活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜，所述活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜具有吸附在其上的ROS淬滅劑；其中，所述傳感器適於使所述樣品穿過所述阻擋層而進入所述傳感器的感應區域。
【專利說明】傳感器
【技術領域】
[0001]本公開涉及傳感器，用於該傳感器的膜，用於製作這種傳感器和膜的方法，以及用於檢測或測定樣品中的葡萄糖的量的方法。
【背景技術】
[0002]分子受體(諸如硼酸鹽)可用在傳感器中，用於檢測和/或測量生物流體中的分析物。例如，傳感器可包括葡萄糖受體(硼酸)和螢光團，其中螢光團用作信號的傳送物質。能夠容易地將這些化學指示劑(indicator chemistry)固定在合適直徑的光學纖維上,該光學纖維隨後能被放置在體液或組織中以測量分析物，諸如葡萄糖。
【發明內容】
[0003]已經發現，活性氧(ROS)(諸如過氧化氫(H2O2))的水平在氧化應激下可能升高。氧化應激可能因缺血或敗血症(例如因多器官衰竭)而產生，而且氧化應激參與到許多疾病(例如動脈粥樣硬化、帕金森氏病、心臟衰竭、心肌梗塞、阿爾茨海默病、精神分裂症、雙相障礙、X染色體脆折症、慢性疲勞綜合症)中，從而使受試者的體液或組織中的ROS水平上升，其中受試者例如在重症監護環境中，可能需要監測他們的葡萄糖水平。因此,血液中的ROS可能會干擾傳感器的指示化學過程。
[0004]已經發現，在傳感器中包含有ROS淬滅劑能夠消除或減輕血液中的ROS對傳感器化學過程的幹擾影響。因此，用於測定和/或定量樣品中分析物的量的傳感器可包含:
[0005]感應區域；以及
[0006]阻擋層，所述阻擋層包含活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜，所述膜具有吸附其上的ROS淬滅劑；
[0007]其中，所述傳感器適於使所述樣品通過所述阻擋層而進入所述傳感器的感應區域。
[0008]在傳感器中存在ROS淬滅劑能夠使分析物發生氧化(或者損耗分析物)，這會對傳感器的運行產生不利的影響。例如，葡萄糖可能被氧化成葡糖酸。因此，傳感器能夠包含一構件，以解決在包含ROS淬滅劑的傳感器中分析物氧化的問題。因此，在一些實施方式中，傳感器的膜能夠選擇性地淬滅分析物中的R0S。
[0009]在一些實施方式中，傳感器包含活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜，該膜適用於檢測和/或定量樣品中的分析物的量的傳感器中，該膜具有的ROS淬滅活性足以淬滅濃度為10ppm或更低的H2O2溶液。
[0010]還描述了一種用於生產ROS淬滅的分析物滲透性膜的方法，該膜適用於檢測和/或定量樣品中的分析物的量的傳感器中。所述方法包含:
[0011](iii)使阻擋層與ROS淬滅前體和還原劑相接觸；
[0012](iv)使所述ROS淬滅前體還原，以在所述阻擋層上或在所述阻擋層中形成ROS淬滅劑；以及
[0013]可選地,重複步驟(iii)和步驟(iv)。
[0014]還描述了通過該方法得到的或能夠得到的膜。
[0015]在一個實施方式中，在步驟(iii)之前，該方法進一步包括:
[0016](i)使阻擋層與ROS淬滅前體和初級還原劑相接觸；
[0017](ii)使所述ROS淬滅前體部分還原，以在所述阻擋層上或在所述阻擋層中形成ROS淬滅劑；以及
[0018]可選地，重複步驟(i)至步驟(iv)。因此，在該實施方式中，該方法包含:
[0019](i)使阻擋層與ROS淬滅前體和第一還原劑相接觸；
[0020](ii)使所述ROS淬滅前體部分還原，以在所述阻擋層上或在所述阻擋層中形成ROS淬滅劑；
[0021](iii)使所述阻擋層與第二還原劑相接觸；
[0022](ii)使剩餘的ROS淬滅前體完全還原，以在所述阻擋層上或在所述阻擋層中形成ROS淬滅劑；以及
[0023]可選地，重複步驟(i)至步驟(iv)。還描述了通過該方法得到的或能夠得到的膜。
[0024]本文所述的方法特別有利的是:實現了在膜的孔內而不是僅僅在膜的表面上沉積ROS淬滅劑。甚至在膜具有高的縱橫比，例如至少100的縱橫比，通常至少150或200的縱橫比時，也能夠實現這種孔內的沉積。穿過膜的流體由於其在孔中移動的所有時間內都將與ROS淬滅劑相接觸，所以ROS淬滅劑在孔內的沉積使得膜淬滅ROS的能力得到提高。
[0025]還描述了一種檢測和/或定量樣品中的分析物的量的方法。該方法可包含將本文所述的傳感器插入樣品中，提供入射光到所述傳感器的感應區域處，以及檢測螢光團的發射圖案。
[0026]在所附說明書和所附權利要求中描述了進一步優選的特徵和實施方式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1和圖1a示出了併入光學纖維的傳感器和用於這種傳感器的監測器。
[0028]圖2、圖3和圖3a示出了傳感器的感應區域的多種實施方式。
[0029]圖4示出了一裝置的示意圖，該裝置可用於測定膜的ROS淬滅能力和/或分析物的損耗。
[0030]圖5示出了實施例2的膜的SEM圖像。
[0031]圖6示出了傳感器和未鍍鉬膜的相應傳感器的體外測試的結果。
[0032]圖7示出了實施例4的結果。
[0033]圖8示出了用於生產ROS淬滅阻擋層的方法的示意圖。
[0034]圖9示出了傳感器的體內測試的結果(圖9b)和未鍍鉬膜的相應傳感器的體內測試的結果(圖9a)。
[0035]圖10示出了實施例9的結果。三種鍍鉬傳感器的結果顯示為IB070-001、IB070-002和IB070-003。未鍍鉬對照的結果顯示為IB066-011。
【具體實施方式】
[0036]如本文所使用的，ROS淬滅的分析物滲透性阻擋層是如下的材料:通常通過催化使ROS分解成不幹擾傳感器化學(如硼酸/螢光團化學)的化學物質，來允許分析物穿過該層，但是該層限制或者優選防止ROS穿過該層。
[0037]ROS淬滅的分析物滲透性阻擋層被設想為與任何傳感器一起使用。在一些實施方式中，傳感器為葡萄糖傳感器，優選為利用硼酸/螢光葡萄糖感應化學的光學葡萄糖傳感器。傳感器也可為是電化學傳感器或PH傳感器。
[0038]ROS淬滅的分析物滲透性阻擋層可以與任何光學傳感器一起使用，其中，該光學傳感器具有將入射光導向傳感器的感應區域上的光波導。例如，光學傳感器可為光學纖維傳感器。能夠在體液諸如間質組織或血液中進行葡萄糖感應，但利用本文所述的傳感器可以在任何水性溶液中進行感應。本文所述的【具體實施方式】被設想用作插入到血管中的侵入性傳感器。然而，ROS淬滅的分析物滲透性阻擋層的用途並不限於這樣的侵入性傳感器。體外使用的非侵入性傳感器，可植入的傳感器以及皮下傳感器也可以包含有ROS淬滅的分析物滲透性阻擋層。
[0039]如本文所使用的，詞語「包含(include) 」和「含有(contain) 」及其變型如「包含(includes) 」、「含有(contains) 」、「包含(including) 」 和「含有(containing) 」 用於指包含的意義，即指定存在陳述的特徵，但並不排除存在或附加進一步的特徵。
[0040]陽擋層
[0041]阻擋層包括ROS淬滅的分析物滲透性膜，該膜具有吸附在其上的ROS淬滅劑。ROS淬滅劑可被吸附到膜的表面上(例如，膜被塗覆有ROS淬滅劑)，或者可被吸附到膜的孔中(例如，膜浸潰有ROS淬滅劑)。
[0042]合適的分析物滲透性膜包含半滲透性膜，例如透析膜和微孔中空纖維膜，其中該分析物滲透性膜可被塗覆或者浸潰有ROS淬滅劑，並且用作傳感器中的阻擋層。
[0043]在一些實施例中，阻擋層是親水性的。
[0044]透析膜是半滲透性膜，憑藉分子的大小、形狀、水合和極性來分離分子。透析膜通常為中空纖維的形式，並且可利用諸如聚芳醚、聚醯胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚碸、聚醚碸、聚偏氟乙烯和纖維素材料，或它們的混合物或改性物。
[0045]微孔中空纖維膜是本領域已知的，並且包含聚丙烯中空纖維膜。例如，聚丙烯中空纖維膜能夠被塗覆或者浸潰有ROS淬滅劑，並且用作傳感器的阻擋層，其中該聚丙烯中空纖維膜的孔徑為0.1至0.2 μ m，約40%的表面具有多孔區，纖維的最小內直徑為416 μ m並且纖維的最大外直徑為510 μ m。
[0046]在該實施方式的一個方面，在膜的孔內存在聚合物，例如親水性和/或帶負電的聚合物。這能夠通過單體混合物在膜孔內的原位聚合來實現，其中該單體混合物例如含有一種或多種親水性單體和/或一種或多種帶負電的單體。在國際專利申請號PCT/GB2011/000209中描述了適用的原位聚合技術，其內容通過引用而併入本文中。
[0047]在其它實施方式中，膜不具有存在於其孔內的親水性聚合物。
[0048]在一些實施方式中，用於形成傳感器中的阻擋層的膜是透析膜或聚丙烯中空纖維膜。
[0049]通常，在阻擋層中使用的半滲透性膜的孔徑大小為Inm到I μ m，例如，Inm至20nm，或0.1 μ m到0.5 μ m。通常，用於形成本發明傳感器的阻擋層的聚丙烯中空纖維膜的孔徑應為0.1 μ m到0.5 μ m,例如0.1 μ m至0.3 μ m,諸如約0.2 μ m。通常,用於形成本發明傳感器的阻擋層的透析膜的孔徑應為10nm或更小。優選的孔徑大小為Inm至20nm，優選Inm至1nm,例如約6nm。
[0050]在一些實施方式中，膜的縱橫比至少為100，優選至少150，例如至少200或至少250。如本文所使用的，縱橫比為每孔的長度(即膜的厚度)除以孔的直徑的比值。有利地，ROS淬滅劑沿孔的長度分布，S卩，不僅是在孔的開口處或孔中鄰近孔開口的部分。用於生產所述ROS淬滅膜的技術在促進ROS淬滅劑沿孔的長度分布中特別有效。膜的厚度通常為至少約20 μ m，例如至少約30 μ m。厚度可高達約50 μ m，例如高達約40 μ m。通常，在該實施方式中，膜是中空纖維聚丙烯膜。
[0051]可獲得具有不同孔徑大小的半滲透性膜，孔徑大小與膜的截留分子量(MWCO)相關。截留分子量表示能夠穿過膜孔的分子的最大分子量。在本發明傳感器中使用的半滲透性膜具有使分析物能夠穿過的MWC0。通常，在本發明傳感器中使用的半滲透性膜是低MWCO材料，該低MWCO材料不允許分子量為6000或更高的材料(例如蛋白質)通過，但允許葡萄糖(MW180)通過。優選的膜具有至少1000且優選不超過5000的MWC0。例如，MWCO可為至少1500或至少2000，例如不超過4000。
[0052]通過原位聚合或ROS淬滅劑的負載，在傳感器中使用的最終阻擋層的有效孔徑大小和MWCO (在本文中指「有效孔徑大小」，「有效MWC0」)可能低於上述孔徑大小和MWC0。在PCT/GB2011/000209(上面引用的)中描述了原位聚合對孔徑大小的影響，其內容通過引用而併入本文中。優選的，最終膜的有效孔徑大小為至少lnm，例如至少2nm或至少4nm並且不超過20nm，例如不超過10nm。優選的，有效MWCO為至少1500或至少2000並且不超過6000，例如不超過5000，優選不超過4000。
[0053]可通過技術人員已知的任何方法來測量孔徑或有效孔徑。通常，孔徑被設定為任何具體的膜的中間孔徑大小。可通過附著有螢光分子的具有已知分子量的單分散性材料的擴散來測定MWCO。使分子量逐漸增加的材料穿過膜，並且利用螢光計作為檢測器來測定擴散臨界點。合適的單分散性材料的實例為購自希格瑪-奧德裡奇(Sigma-Aldrich)公司的具有各種分子量的螢光素標記的葡聚糖。通過製備最終膜以及通過常規方法測量孔徑大小或MWCO，可測量有效的孔徑大小或有效的MWCO。
[0054]為了提供可接受的響應時間(例如用於連續測量葡萄糖的血管內傳感器)，應優選選擇阻擋層，以使得傳感器的90%的響應時間不超過3分鐘，優選不超過兩分鐘半。
[0055]90%的響應時間被測定為如下過程所花費的時間:從將已知量的分析物加入到樣品中至傳感器響應達到分析物濃度的90%。這可以通過以下過程來測定:使傳感器與零分析物水溶液相接觸，在時間h時加入已知量的分析物，並且監測傳感器隨時間而變化的響應。傳感器響應隨著時間而增加，並且在h後，傳感器讀出的響應達到加入的分析物濃度的90 %的時間被當作90 %的響應時間。在該技術中，加入分析物的方式使得水性溶液的濃度變化基本上是瞬時發生的，因此不存在例如由於分析物的溶解而出現的時間延遲。因此，通常在攪拌下以液體或濃縮液體的形式加入分析物。
[0056]ROS淬滅劑
[0057]在阻擋層中使用的ROS淬滅劑可為能夠催化活性氧(諸如H2O2)分解的任何物質。
[0058]H2O2通過歧化反應生成水和氧氣，從而能夠分解成不幹擾傳感器化學(如硼酸/螢光團化學物質)的化學物質:
[0059]2 H2 O2 — 2H20+02
[0060]能夠催化ROS (諸如H2O2)分解的合適物質包含過渡金屬、過渡金屬化合物和酶。
[0061]通常，用作ROS淬滅劑的過渡金屬是周期表第10族或第11族的金屬，例如鎳、鈀、鉬、銅、銀或金。優選地，用作ROS淬滅劑的過渡金屬是鈀、鉬、金或銀。更優選地，用作ROS淬滅劑的過渡金屬是鉬。也可使用兩種或兩種以上金屬的合金，諸如第10族或第11族的過渡金屬與另一種金屬的合金，或兩種或兩種以上第10族或第11族的過渡金屬的合金。尤其設想金和銀的合金。
[0062]通常，用作ROS淬滅劑的過渡金屬化合物是周期表中第7族的金屬的化合物，例如第7族的氧化物，例如二氧化錳。
[0063]通常，用作ROS淬滅劑的酶是過氧化氫酶或超氧化物歧化酶，優選過氧化氫酶。
[0064]在優選的實施方式中，ROS淬滅劑是周期表第10族或第11族的金屬或含有這樣的金屬的合金。在特別優選的實施方式中，ROS淬滅劑是第10族的金屬或含有這樣的金屬的合金，更優選為鉬或金/銀合金，最優選鉬。這些金屬尤其用作ROS淬滅劑，因為它們在裝置中具有非常長的使用壽命並且不需擔心它們被分解。該金屬還可簡單地吸附到膜上(或吸附到表面上，或優選吸附到孔內)。例如，不需要共價連接淬滅劑來進行固定。
[0065]當ROS淬滅劑為過渡金屬或過渡金屬化合物時，它通常以納米顆粒的形式存在於膜中，即為具有納米級平均粒徑的顆粒，通常為I至lOOnm，例如至少為5nm、10nm或至少20nm，並且例如高達90nm，80nm或70nm。納米顆粒的材料是有利的，因為它們被提供在膜的孔內而不是僅被提供在表面上。它們的小尺寸還有助於顆粒通過膜孔均勻分布，從而提高淬滅ROS的效率。
[0066]在納米顆粒的情況下，顆粒可以具有任何適當的形式或晶體結構。例如，
[0067]鉬納米顆粒可以是四面體、立方體、八面體、截頂立方體、十四面體、截頂八面體、三角板、雙錐、三腳架、十面體、棒狀或線狀或二十面體的形式。鉬納米顆粒也可以製備為球形顆粒、中空結構和枝晶(dendrite)。在Zhenmeng Peng, Hong Yang, NanoToday, 2009, 4，143-164和本文所引用的文件中列了多種結構以及製備上述納米顆粒的技術。在下面表I中列出了製備這些不同形式的簡單細節:
[0068]表1:Pt納米顆粒的晶體結構。
[0069]
【權利要求】
1.一種用於檢測和/或定量樣品中的分析物的量的傳感器，所述傳感器包括: 感應區域；以及 阻擋層，所述阻擋層包括活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜，所述活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜具有吸附在其上的ROS淬滅劑； 其中，所述傳感器適於使所述樣品通過所述阻擋層而進入所述傳感器的感應區域。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述膜具有的ROS淬滅活性足以淬滅濃度為1ppm 的 H2O2 溶液。
3.根據權利要求1或2所述的傳感器，其中，所述膜選擇性淬滅R0S。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其中，所述膜基本上不引起分析物的損耗。
5.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，所述傳感器為光學傳感器，該光學傳感器包括用於將入射光導向所述感應區域上的光波導。
6.根據權利要求5所述的傳感器，所述傳感器為光學葡萄糖傳感器，該光學葡萄糖傳感器包括感應區域，該感應區域包括用於結合葡萄糖的硼酸受體和與所述受體相關聯的螢光團。
7.根據前述權利要求中任一項所述的葡萄糖傳感器，其中，所述ROS淬滅劑為過渡金屬、過渡金屬化合物或酶。
8.根據權利要求7所述的葡萄糖傳感器，其中，所述ROS淬滅劑為周期表第10族或第11族的過渡金屬，或者為含有周期表第10族或第11族的過渡金屬的合金，並且優選地，所述ROS淬滅劑為鉬。
9.根據權利要求8所述的葡萄糖傳感器，其中，所述ROS淬滅劑為納米顆粒形式的鉬。
10.一種活性氧(ROS)淬滅的分析物滲透性膜，適用在檢測和/或定量樣品中的分析物的量的傳感器中，所述膜具有的ROS淬滅活性足以淬滅濃度為1ppm的H2O2溶液。
11.根據權利要10所述的膜，其中，ROS淬滅劑為權利要求7至9中任一項所述的ROS淬滅劑。
12.根據權利要10或11所述的膜，所述膜選擇性淬滅R0S。
13.一種用於生產ROS淬滅的分析物滲透性膜的方法，所述ROS淬滅的分析物滲透性膜適用在檢測和/或定量樣品中的分析物的量的傳感器中，所述方法包括: (iii)使阻擋層與ROS淬滅前體和還原劑相接觸； (iv)使所述ROS淬滅前體被還原，以在所述阻擋層上或在所述阻擋層中形成ROS淬滅劑；以及 可選地，重複步驟(iii)和步驟(iv)。
14.根據權利要求13所述的方法，在步驟(iii)之前，所述方法進一步包括: (i)使阻擋層與ROS淬滅前體和初級還原劑相接觸； (?)使所述ROS淬滅前體部分還原，以在所述阻擋層上或在所述阻擋層中形成ROS淬滅劑；以及 可選地，重複步驟(i)至步驟(iv)。
15.根據權利要求13或14所述的方法，其中，所述分析物為葡萄糖。
16.根據權利要求13至15中任一項所述的方法，其中，所述ROS淬滅前體為含第10族或第11族金屬的離子的鹽，並且所述ROS淬滅劑為第10族或第11族的金屬。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述第10族或第11族金屬為鉬。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述ROS淬滅前體為四氯鉬酸鹽。
19.根據權利要求17或18所述的方法，其中，所述鉬為納米顆粒的形式。
20.根據權利要求14至20中任一項所述的方法，其中，所述初級還原劑為抗壞血酸。
21.根據權利要求14至20中任一項所述的方法，其中，所述還原劑為肼。
22.根據權利要求13和15至19中任一項所述的方法，其中，所述還原劑為甲酸。
23.根據權利要求13至22中任一項所述的方法，進一步包括:提供包括感應區域的傳感器，其中，所述傳感器適用於檢測和/或定量樣品中的分析物的量；其中，所述ROS淬滅的分析物滲透性膜在所述感應區域的至少一部分上形成阻擋層，並且其中所述傳感器適於使分析物通過所述阻擋層而進入所述傳感器的感應區域。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述傳感器為權利要求2至9中任一項所限定的傳感器。
25.一種通過權利要求13至22中任一項所述的方法而得到的膜。
26.根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述ROS淬滅的分析物滲透性膜為權利要求25中所限定的膜。
27.一種檢測和/或定量樣品中的分析物的量的方法，包括:將根據權利要求1至9或26中任一項所述的傳感器插入到所述樣品中，提供入射光到所述傳感器的感應區域，以及檢測螢光團的發射圖案。
【文檔編號】A61B5/145GK104168827SQ201380014029
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年2月20日 優先權日:2012年3月15日
【發明者】威廉·帕特森, 尼克·巴威爾, 布魯斯·卡伯特, 巴裡·科林·克蘭 申請人:燈船醫藥有限公司