葡萄糖生物傳感器和方法
2023-05-15 12:19:56
專利名稱:葡萄糖生物傳感器和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於檢測生物流體如血液中葡萄糖的生物傳感器，特別涉及一種用於檢測生物流體葡萄糖的電流式生物傳感器，更特別的涉及一種高精度的用於檢測生物流體中葡萄糖的電流式生物傳感器。
背景技術：
眾所周知，糖尿病是一種主要的健康問題。根據一般規律，美國糖尿病協會(ADA)建議I型(胰島素依賴)的多數患者每天進行三次或更多次的糖尿病葡萄糖測試。胰島素能控制血液中葡萄糖或糖的利用，並且防止高血糖，而血糖過高能導致酮症。但是不合適的胰島素治療可能導致低血糖，而低血糖可能導致昏迷甚至致命。
糖尿病患者的長期高血糖症可能導致心臟病、動脈硬化、失明、卒中、高血壓和腎衰竭等疾病。胰島素的注射量與血糖水平相關。因此，準確測定血糖含量對於糖尿病合理治療來說至關重要。II型糖尿病病人(非胰島素依賴)也能通過準確監測血糖水平而受益，這些可以通過飲食和鍛鍊進行控制。
70年代末期，自從家用葡萄糖小條(glucose strips)和手提式檢測裝置或儀器的推廣後，糖尿病治療大大改進。然而，先前葡萄糖測量系統固有的測試結果精度不高的缺陷，有時可能導致糖尿病的不當治療。其中不精確的測試結果的一個主要原因與葡萄糖小條採用的化學試劑有關。市售的多數葡萄糖小條是基於使用一種介質和葡糖氧化酶(GOD)或吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone)依賴的葡萄糖脫氫酶(PQQ-GDH)的生物傳感器。
相對於非介質型的生物傳感器(涉及過氧化氫測量法)，這種基於介質/GOD的生物傳感器擴大了葡萄糖線性響應的範圍。然而與氧氣相關的缺點仍然存在。介質在與酶穿梭電子方面不如氧分子有效。事實上，所有樣品溶液中的氧氣比酶位的介質更有效。隨著液體樣品中氧氣分壓的增加，採用基於介質/GOD的生物傳感器的測量法得到的結果顯著降低。多個研究小組研究了由於氧氣濃度的變化而導致的測試結果不精確的問題(T.Y.Chun，M.Hirose，T.Sawa，M.Harada，T.Hosokawa，Y.Tanaka and M.Miyazaki，Anesth Analg.，75，993-7，1994；J.H.Lee，H.Vu，G.J Kost，Clinical Chemistry，42，S163，1996；K.Kurahashi，H.Maryta，Y.Usuda and M.Ohtsuka，Crit.Care Med.，25，231-235，1997；Z.Tang，R.F.Louie，M.Payes，K.Chang and G.J.Kost，Diabetes Technology Therapeutics，2，349-362，2000)，在使用葡萄糖小條為危急病人或者血液中氧分壓水平不可預知的病人進行床旁(point-of-care)葡萄糖測試，應特別小心。
另外，生物樣品中氧氣水平變化範圍比較寬。一個靜脈血樣的典型的氧氣分壓約為32±7mmHg。在某些情況下，它可以低至20mmHg。就動脈血樣而言，人們可能期望更高的氧氣水平。對於一個正在接受氧氣療法的患者，動脈氧分壓水平可能高至700mmHg。因此，由於氧氣濃度的不同，基於介質/GOD的生物傳感器不能給出一個精確的測試結果。當血糖濃度處於一個低水平時(如葡萄糖含量少於70mg/dL)，這種問題將變得更加嚴重。
為了消除氧濃度改變對結果產生的幹擾或者說是與使用葡萄糖氧化酶有關所謂的「氧氣影響」，最近葡萄糖脫氫酶(GDH)被用來替代氧敏感的葡萄糖氧化酶。葡萄糖脫氫酶，它的輔酶是吡咯喹啉醌(PQQ)，與氧氣互不影響。因此，葡萄糖傳感器的結果不會受樣品中氧濃度變化的影響。一些使用這種酶的產品已經被開發並投放了市場，例如，Accu-ChekTM Comfort
Roche Diagnostics，IN，USA，
TheraSense，Alameda，CA，USA and
Bayer Health Care，Mishawaka，IN，USA.
葡萄糖脫氫酶的使用克服了氧氣影響的問題。然而，葡萄糖脫氫酶選擇性不如葡萄糖氧化酶那麼好。它不僅與葡萄糖起反應，而且還與其它糖如半乳糖和麥芽糖起反應。半乳糖和麥芽糖與葡萄糖具有相似的結構。麥芽糖由二個葡萄糖單位組成，半乳糖與葡萄糖在結構上的不同僅在於碳4上羥基位置不同。嚴重的幹涉可以被期望。實際上，GDH基的生物傳感器對麥芽糖更敏感並且不能將葡萄糖和半乳糖辨別開(J.D.Newman，C.A.Ramsden，N.D.H.Balazs，Clinical Chemistry，48，2071，2002)。
如果測試小條使用葡萄糖脫氫酶吡咯喹啉醌作為酶的方式，那麼從病人身上可能得到一個虛假的較高的葡萄糖讀數。為此。在2003年4月18日藥物管理局(FDA)提醒醫療保障及醫療補助服務中心和終末期腎臟疾病(ESRD)網絡，注意對腹膜透析病人的以含艾考糊精(Icodextrin)的腹膜透析液Extraneal測試而得的葡萄糖讀數及因麥芽糖的影響而得的虛假的被提高了的葡萄糖讀數的影響。虛假的高血糖讀數可能導致病人胰島素實際注射量比其需求量更多。這樣一來，患者的血糖可能降低至不必要的水平，並能導致嚴重的反應，如失去知覺。
因此，需要找到一種能提供更加精確的血糖讀數的葡萄糖測量系統；還需要這種葡萄糖測量系統能減少因流動樣品中氧分壓改變而造成的不精確結果，提供一種更為精確的血糖讀數；更進一步，需要這種葡萄糖測試系統能通過減少因其它糖類而造成的不精確結果，提供一種更為精確的血糖讀數；更進一步，需要一種能提供更精確血糖讀數的一次性葡萄糖傳感器。
發明內容本發明的一個目的是提供一種能提供葡萄糖糖讀數的葡萄糖傳感器系統，它減小了流動樣品中溶解的氧及麥芽糖和半乳糖對葡萄糖讀數的幹擾。本發明的另一個目的是提供一種一次性葡萄糖傳感器，它能被用於在手指或其它可選擇的部位如膀臂、前臂、拇指和大腿的根部的毛細血管血液測試。本發明的另一個目的是提供一種用於靜脈血測試和動脈及靜脈血測試的葡萄糖傳感器。本發明的另一個目的是提供一種僅需少量血樣仍能得到精確結果的一次性葡萄糖傳感器。
為了達到這些和其它目的，本發明組合二個葡萄糖電極，每一個電極組合了一種不同的用於測量葡萄糖的酶，並選擇合適的確定流動樣品中葡萄糖含量的電極響應。這兩種酶是葡糖氧化酶(GOD)和醌蛋白葡萄糖脫氫酶(GDH)，更具體的是PQQ依賴的葡萄糖脫氫酶(PQQ-GDH)。兩個葡萄糖(即工作態)電極對葡萄糖濃度的響應在整個範圍呈線性關係。如果樣品中氧氣分壓較低，GOD基工作電極將提供一個較高的響應值，而GDH基工作電極提供一個精確的結果。因此，更優選的響應值應該是由GDH基工作電極得到。在樣品中包含麥芽糖或半乳糖的情況下，GDH基工作電極將顯示更高的響應值，而GOD工作電極提供一個精確的結果。更優選的響應值來源於GOD工作電極。在葡萄糖電極讀數被自動地反饋給預編程序的儀表後選擇過程自動完成。
本發明的葡萄糖傳感器結合了數項在先發明包含的具體實施例，但不被它們所限制，4層結構和3層結構在美國專利6,767,441、美國專利6,287,451、美國專利6,258,229、美國專利6,837,976和美國專利6,942,770中公開過，在這裡均作為參考文獻。
在本發明的第一個實施方案中，葡萄糖傳感器採用4層碾壓結構。
在第一實施方案的一個方面，葡萄糖傳感器具有一個板狀瘦長本體，它包含一個形成充分平坦的樣品室的樣品流動通道，連接著板層本體一端的開口和位於另一端的排氣孔之間。在流動通道內放著至少兩個工作電極和一個參比/計算電極。二個或更多工作電極和參比電極之間的排列對於從傳感器得到結果的目的來說不重要。工作電極和參比電極通過彼此分離的導電線路進行電連接。彼此隔離的導電線路在板層本體上與樣品入口端的對立端終止且為與數據讀取設備建立電連接而暴露出來。
在第一個實施方案的另一方面，板層本體包含一種由塑料材料做成的基質層。在基質層上刻有幾個導電線路。導電線路可以通過絲網印刷、蒸鍍，或者其它提供一個附於基質層之上的導電層的方式設置在絕緣層上。導電線路可以單獨布置在絕緣層之上，也可以先在絕緣層上布置一導電層，然後在導電層上雕刻/刻劃成所需數量的導電線路。導電線路的雕刻過程可以通過化學方法完成，也可以採用在導電層上機械上劃線方式刻劃，或是採用雷射將導電層光刻成隔離的導電道路，或採用可以引起彼此隔離的導電線路之間或其中的開裂的任何方式。採用的導電性塗層或層可以是銅、金、氧化錫/金、鈀、其它貴金屬或其氧化物，或碳薄膜組分。更優選的導電塗層是金薄膜或者氧化錫/金薄膜組分。
在本發明的第一個實施方案更進一步的方面，在基質層和導電線路頂部，板層本體包含一個第一個中間絕緣層，也稱試劑容納或電極區域確定層。試劑容納層，包含至少兩個為兩個或者更多的工作電極及一個參比電極準備的開口。每個開口對應和暴露了單條導電線路的一小部分。為工作電極準備的開口大小完全相同。為參比電極準備的開口大小可以與為工作電極準備的開口相同，也可以不同。所有這些開口的設置是為了它們在如上所述的樣品流動通道內的位置確定。試劑容納層也是由絕緣的絕緣體材料加工成的，優選為塑料，它可以通過用衝模機械切割或者用雷射切割然後被固定於基質層上。一種膠粘劑，如壓敏膠，可以被用來將第一中間絕緣層牢固地粘接在基質層上。也可以通過超聲壓焊將試劑容納層粘接在基質層上。試劑容納層也可以通過經絲網印刷一種絕緣材料或者嫁接一種光感樹脂在基質層上而製得。
在第一實施方案的另一方面，在試劑容納層頂部，板層本體還具有第二絕緣層，也稱通道形成層。通道形成層也由塑料絕緣材料加工而成，並且形成了板層本體的樣品通道。它在覆蓋了試劑容納層上開口的那一端具有一個U形開口，試劑容納層的開口端與如上描述的板層本體樣品入口相連。一種雙塗層的壓敏膠帶可以被用作通道形成層。
仍然在第一實施方案的另一方面，本發明的板層本體具有一個開有一個排氣孔和一個入口凹槽的覆蓋層。設置這個排氣孔，以便至少排氣孔的一部分覆蓋了通道形成層U型缺口的根部。當樣品流體進入樣品入口或者板層本體入口時排氣孔允許樣品流體通道內的空氣排出。凹槽位於樣品入口端。樣品流體一般通過毛細管作用填裝到樣品室。在容量很小時，毛細管作用的程度取決於與流體發生毛細管作用的表面的疏水或親水性。通過使用由一種親水性的絕緣材料形成覆蓋層或者在板層本體的開口端與排氣孔之間的朝向樣品室的那個覆蓋層上，採用親水性物質塗覆親水性材料一面上的至少一部分。應該明白，覆蓋層的整個一面先塗覆親水性物質，然後粘接到通道形成層上。
仍然在第一實施方案的另一方面，一個孔裝填了用於裝載有GOD、介質和其它組分的第一工作電極(W1)的電極材料，一個孔裝填了用於裝載有PQQ-GDH、介質和其它組分的第二工作電極(W2)的電極材料，以及一個孔裝填了用於參比電極(R)的電極材料。工作電極與參比電極在通道中的位置排列方式對於從電化學的傳感器得到有價值的結果來說並不是關鍵。電極在樣品流體通道內可能的排列順序是W1-W2-R，W1-R-W2，R-W1-W2，W2-W1-R，W2-R-W1或R-W2-W1，電極的排列順序列於板層本體的樣品入口到排氣孔之間。優選的排列順序被發現是W1-W2-R；即，樣品流體進入板層本體的開口端後，流體將首先覆蓋W1，然後W2，然後R。優選的位置消除了由於樣品流動性大小不足而導致的穩定性及精確性問題。工作電極和參比電極均各自與隔離的導電線路進行電接觸。隔離的導電線路因在板層本體樣品入口相對的另一端設置一個的與數據讀取設備的電接觸而終止、暴露出來。
仍然在第一實施方案的另一方面，工作電極裝載有至少一種氧化還原介質和一種酶(GOD或PQQ-GDH)的混合物，也可以有一種或多種表面活性劑，聚合物粘合劑和緩衝劑。參比電極可以裝載與工作電極同樣的混合物。應該指出的是，參比電極孔中能裝載一種氧化還原介質(還原態或氧化態或混合態)，有或者沒有至少一種表面活性劑，一種聚合物粘合劑和一種緩衝劑。作為選擇，參比電極孔中也可以裝載一個Ag/AgCl層(即通過應用Ag/AgCl墨水或噴塗Ag/AgCl層)或其它參比電極材料。
本發明的第二個實施方案，葡萄糖傳感器與第一個實施方案具有類似的結構，但它還有一個空白電極，這個空白電極裝載一種介質和其它成分，但是沒有裝載葡萄糖敏感酶。這樣的四電極系統不僅擁有第一實施方案的特點，而且還具有消除樣品中可氧化物質的幹涉的能力，可氧化物質例如維生素C、醋胺酚和尿酸等。
在第二實施方案的一個方面，在基質層有至少四條道路被描述。試劑容納層包含為三個工作電極和一個參比電極設置的四個孔。
在第二實施方案的一個方面，一個孔裝填了用於裝載有GOD，一種介質和其它缺乏物的第一工作電極(W1)的電極材料，一個孔裝填了用於裝載有PQQ-GDH，一種介質和其它缺乏物的第二工作電極(W2)的電極材料，一個孔裝填了用於裝載有一種介質和其它缺乏物的空白電極(B)的電極材料和一個孔裝填了用於參比電極(R)的電極材料。工作電極、空白電極與參比電極在通道中的位置排列方式對於從電化學的傳感器得到有價值的結果來說並不是關鍵。優選的排列順序被發現是W1-W2-R-B，即，樣品流體進入板層本體的開口端後，流體將首先覆蓋W1，然後W2，然後R，然後B。
在本發明另一個實施方案中，葡萄糖傳感器與第一個實施方案具有類似的結構，但是沒有採用試劑容納層，其餘三層與實施方案一中的相同。這種結構的細節在US6,258,229中揭示過。在傳感器末端(樣品入口端)設置了這個U形通道保險裝置。U形通道的長度、厚度和寬度決定了毛細管通道的尺寸或容量。U形通道保險裝置在導電層基部延伸的長度和寬度限定了工作電極、參比電極和樣品室的面積大小，但是正如上面揭示的，可以具有一個可供選擇的化學製品的結構。
在前述施方案的一個方面，工作電極(W1和W2)裝載有至少一種酶(GOD或PQQ-GDH)，一種氧化還原介質，一種聚合物粘合劑、一種表面活化劑和一種緩衝劑。參比電極(R)最好被與其中一個工作電極相同的試劑混合物覆蓋。
在本發明的第四個實施方案中，葡萄糖傳感器基於絲網印刷技術。將導電墨水(即用於工作電極的碳墨水；用於參比電極的Ag/AgCl墨水)印在基質層上，烘乾後作為電極。採用一個U形墊片和如前所述的覆蓋層加工得到毛細管通道。U形通道保險裝置位於傳感器末端(樣品入口末端)。渠道保險開關設置在傳感器末端。U形通道的長度、厚度和寬度決定了毛細管通道的尺寸或容量。
在第四個實施方案的一個方面，工作電極(W1和W2)裝載有至少一種酶(GOD或PQQ-GDH)，一種氧化還原介質，一種聚合物粘合劑、一種表面活化劑和一種緩衝劑。參比電極(R)可以或者不被與其中一個工作電極相同的試劑混合物覆蓋。
在第四個實施方案的另一個方面，酶、氧化還原介質及其它成份可以與墨水混合，並通過絲網印刷印在基質絕緣層之上。
在本發明的第五個實施方案中，在同一個葡萄糖傳感器的小條上有二個通道(通道1和通道2)；每一個通道與上面提及的實施方案中的結構相似。通道1和通道2並排設置或這一前一後設置。二個通道的樣品入口彼此不相通；或者這二個通道僅共用同一個樣品入口。
在第五個實施方案的一個方面，通道1具有至少一個工作電極和一個參比電極。至少一個的工作電極裝載有GOD，介質和其它成份。通道1作為一個葡萄糖傳感器獨立運行。
在第五個實施方案的另一個方面，通道2具有至少一個工作電極和一個參比電極。至少一個的工作電極裝載有PQQ-GDH，介質和其它成份。通道2作為另一個葡萄糖傳感器獨立運行。
仍然在本發明的另一個實施方案中，一次性小條具有一個傳感器本體，該傳感器本體具有一個形成測試室的開孔，在測試室內的至少二個工作電極和一個參比電極，和將這至少兩個的工作電極和參比電極電連接到儀表設備的電插頭。測試室包含至少二種試劑，其中的一種試劑在至少兩個工作電極上都裝載了，其中一種試劑含有GOD，另一種含有GDH。這種儀表設備必須能提供通過工作電極和參比電極的偏置電壓，能檢測到因進入一次性小條的開孔中的流動樣品存在葡萄糖而產生的電流。
本發明所有的優點將在詳細描述、附圖和權利要求
中更清晰的敘述。
圖1顯示了測試小條的一個本發明實施方案的透視圖。
圖2為圖1實施例的分解圖，顯示了測試小條的四個構成層。
圖3顯示了測試小條的另一個本發明實施方案的透視圖。
圖4為圖3實施例的分解圖，顯示了測試小條的三個構成層。
圖5為本發明另一個實施方案的透視圖，顯示了四層結構的GOD基傳感器小條和一個四層結構的GDH基傳感器小條的組合。
圖6是在圖5中顯示的由GOD基傳感器小條和GDH基傳感器小條構成的複合層的排列的實施方案的分解圖。
圖7是顯示了組合了一個三層結構的GOD基傳感器小條和一個三層結構的GDH基傳感器小條的本發明實施方案的透視圖。
圖8是在圖7中顯示的由GOD基傳感器小條和GDH基傳感器小條構成的複合層的排列順序的實施方案的分解圖。
圖9是顯示了組合了一個四層結構的GOD基傳感器小條和一個四層結構的GDH基傳感器小條，而基質層作為二者共有的傳感器的本發明實施方案的透視圖。
圖10是在圖9中顯示的由GOD基傳感器和GDH基傳感器構成的複合層的排列的實施方案的分解圖。
圖11是顯示了組合了一個三層結構的GOD基感應器傳感器小條和一個三層結構的GDH基感應器小條，而基質層作為二者共有的傳感器的本發明實施方案的透視圖。
圖12是在圖9中顯示的由GOD基感應器和GDH基傳感器構成的複合層的排列的實施方案的分解圖。
圖13是顯示了具有兩個工作電極和一個空白電極的四層結構的組合傳感器小條的本發明另一實施方案的透視圖，其中所述三個電極名為GOD基電極、GDH基電極和幹擾-補償電極。
圖14是在圖13中顯示的包括一個GOD基電極、一個GDH基電極和一個參比電極的複合層的排列順序的實施方案的分解圖。
圖15是顯示了具有一個GOD基傳感器系統和緊挨著的一個GDH基電極的四層結構的組合傳感器小條的本發明實施方案的透視圖。
圖16是在圖15中顯示的包括一個GOD基電極系統和一個GDH基電極系統的複合層的排列的實施方案的分解圖。
圖17是顯示了具有一個GOD基傳感器系統和緊挨著的一個GDH基電極的三層結構的組合傳感器小條的本發明實施方案的透視圖。
圖18是在圖17中顯示的包括一個GOD基電極系統和一個GDH基電極系統的組合層的排列的實施方案的分解圖。
圖19說明本發明另一個實施方案的透視圖。
圖20和21說明了在不同氧氣水平下GOD基電極的電流響應值之間的相關性。
圖22和23說明了在不同氧氣水平下GDH基電極的電流響應值之間的相關性。
圖24說明了在氧氣水平為90mmHg的樣品中由GOD基電極確定的葡萄糖濃度與由參比儀器測得的葡萄糖濃度之間的相關性。
圖25說明了在氧氣水平為90mmHg的樣品中由GOD基電極確定的葡萄糖濃度與由參比儀器測得的葡萄糖濃度之間的相關性。
具體實施方式本發明優選的實施方案如圖1-25。本發明的葡萄糖傳感器可以採用四層結構(圖1)也可以採用三層結構(圖3)。四層結構具有與三層結構相同的三層和一個在基質層/底層與通道形成層之間附加的試劑容納層。
現在轉到圖1，葡萄糖小條10有一個板層本體12，一個流體取樣端14，一個電插頭端16和排氣孔52。流體取樣端14包括一個位於樣品進口和排氣孔52之間的樣品室。電接觸端16具有三個分離的導電接頭16a、16b和16c。
現在轉到圖2，板層本體12由一個基質層20，一個試劑容納層30，一個通道形成層40和一個覆蓋層50組成。板層本體12各層都是由電絕緣材料做成的，優選的是塑料。作為舉例，優選的的電絕緣材料是聚氯乙烯，聚碳酸酯，聚碸，尼龍，聚氨酯，硝酸纖維，丙酸纖維，醋酸纖維，醋酸-丁酸纖維，聚酯，聚醯亞胺，聚丙烯，聚乙烯和聚苯乙烯。
基質層20具有一個導電層21，導電層21上有三條導電線路22，24和26。導電線路22，24，26可以通過在導電層21上雕刻或刻劃者通過絲網印刷把線路22，24和26印到導電層21上而形成。對導電層21的雕刻或刻劃可以是對導電層21進行充分的機械雕刻，以製造這三個彼此獨立的導電線路22，24和26。本發明優選的雕刻或刻劃方式是採用二氧化碳雷射、YAG雷射或準分子雷射。導電層21可以採用任何電導材料做成，例如金子、氧化錫/金子、鈀或其它貴金屬及其氧化物，或者碳薄膜組分。優選的電導材料是金子或氧化錫/金子。基質層20可用的材料是鍍氧化錫/金子的聚酯薄片(Cat.No.FM-1)或鍍金子的聚酯薄片(Cat.No.FM-2)，這種材料在Courtaulds Performance Films，Canoga Park，Calif有售。
在採用試劑容納層30(4層結構)的實施方案中，試劑容納層30具有三個試劑容納開口32，34和36。試劑容納開口32暴露了導電線路22的一部分，試劑容納開口34暴露了導電線路24的一部分，試劑容納開口36暴露了導電線路26的一部分，形成了試劑容納孔。試劑容納層30由塑料材料做成，優選的是Inc.，ofGlen Rock，PA公司在進行膠粘劑研究時得到的一種醫用等級的單面膠帶。在本發明中使用，該膠帶可接受的厚度在0.001英寸(0.025毫米)到0.005英寸(0.13毫米)之間。有這樣一種膠帶，名為
(大約0.0025英寸(0.063毫米))，因為它操作簡易，與在耐足夠數量的化學試劑的能力及促進通過傳感器樣品室的毛細管作用的能力相關的性能優良，而更為優選。應該明白的是，膠帶的使用不是必需的。溶劑容納層330可以通過塑料片做成，並可以塗覆壓敏膠、感光性樹脂，採用超聲波粘合到基質層20上，或者採用絲網印刷法粘合到基質層20上已達到與使用上述的聚酯帶同樣的結果。
三個試劑容納開口32，34，36決定了各自的電極區域W1、W2和R，並且容納化學試劑而形成兩個工作電極(一個GOD基葡萄糖電極和一個GDH基葡萄糖電極)和一個參比電極。通常，電極區域裝載有試劑混合物。工作電極區域32，34，36裝載的試劑混合物為酶和帶有可選的聚合物，表面活化劑和緩衝劑的氧化還原介質的混合物。在電極區域R裝載的參比試劑混合物與工作電極裝載的試劑混合物相似。
典型地，電極區域R必須裝載一種氧化還原試劑或者介質，以使參比電極在使用優選的傳導塗覆材料時運行。參比試劑混合物優選的包含氧化態的氧化還原介質或者氧化態和還原態混合的氧化還原介質，至少一種粘合劑，一種表面活化劑和一種抗氧化劑(如果使用氧化還原介質的一種還原態)和一種填充劑。可選的，參比電極(電極區域R)可以裝載Ag/AgCl層(即運用Ag/AgCl墨水或噴塗一層Ag或Ag/AgCl的層)或其它不需要氧化還原介質而正常運行的參比電極材料。
試劑容納開口的尺寸最好儘可能小，以便使葡萄糖傳感器的樣品室儘可能短，而仍能容納足量的化學試劑以運行正常。優選的試劑容納開口的形狀是圓形，優選的直徑為大約0.03英寸(0.76毫米)。三個試劑容納開口32，34，36並排排列且彼此之間的間隔為大約0.025英寸(0.625毫米)。圓形的試劑容納開口僅僅是為例證目的，應該明白試劑容納開口的形狀是沒有嚴格要求的。
工作電極與參比電極在通道內的位置排列是對於從葡萄糖傳感器得到有用的結果來說是不嚴格的。在樣品流動室內可能的電極排列方式可以是W1-W2-R，W1-R-W2，R-W1-W2，W2-W1-R，W2-R-W1或R-W2-W1，被列作電極的排列會出現在板層本體12的樣品入口18到排氣孔52之間。優選的位置排列被發現是W1-W2-R； 即流動樣品進入板層本體12的取樣端14，然後流動樣品將首先覆蓋W1，然後是W2，然後是R。這樣一種排列對於當樣品量不足或者部分不足時取得有用的結果是有益的。
工作電極和參比電極都與彼此隔離的導電線路進行電接觸。為與位於板層本體12的樣品進口18的相反端的數據讀取設備產生一個電連接，彼此隔離的導電線路終止且暴露出來。
在採用試劑容納層30(4層結構)的實施方案中，通道形成層40具有一個位於流體取樣端14的U形保險裝置42。保險裝置42的長度滿足當通道形成層40被碾壓到試劑容納層上時，電極區域W和R在由保險裝置42確定的空間內。U形保險裝置42的長度、寬度和厚度確定了毛細管通道的容積。通道形成層40的厚度能影響樣品流體流進被具有樣品流體毛細管作用的流動樣品室的速度。通道形成層40由塑料材料做成，優選的是Inc.，ofGlen Rock，PA公司在進行膠粘劑研究時得到的一種醫用等級的雙面膠膠帶。本發明中使用的膠帶可以接受的厚度為大約0.001英寸(0.025毫米)到大約0.010寸(0.25毫米)之間。一種這樣的膠帶是Arcareo7840(大約0.0035英寸(0.089毫米))。U形保險裝置42可以通過雷射或模切制的。更優選的U形保險裝置的尺寸為大約0.05英寸寬(1.27毫米)和大約0.0035英寸厚(0.089毫米)。長度是取決於在層2上開口的數量。
被碾壓在通道形成層40上的覆蓋層50，具有與葡萄糖傳感器10的流體取樣端14隔離開了的排氣孔，以確保在樣品室17中流動樣品將完全覆蓋電極區域W1，W2和R。排氣孔52設置在覆蓋層50上，以便它與U形保險裝置42大致排成一行。優選地，排氣孔52將會暴露U形保險裝置42的一部分並且部分覆蓋了U形保險裝置42的根部。排氣孔優選的形狀是尺寸為大約0.08英寸(2毫米)×大約0.035英寸(0.9毫米)的長方形。優選的，在流體取樣端14處，頂層也具有一個凹槽54，以促進流動樣品載入樣品室17。其優選的形狀為半圓形，大約位於通道入口的中間。優選的半徑大小為0.028英寸(0.71毫米)。覆蓋層50採用的材料優選為聚酯薄片。為了促進毛細管作用，期望聚酯薄片具有面向毛細管通道的高親水性表面。3M的透明薄片(Cat.No.PP2200或PP2500)是用作本發明中覆蓋層的優選材料。
圖3說明了一個3層結構的實施方案，與4層結構的實施方案一樣，葡萄糖傳感器10具有一個板層本體12，一個流體取樣端14，一個電接觸端16和一個排氣孔52。流體取樣端14在樣品入口18和排氣孔52之間包括一個樣品室17。電接觸端16具有三個彼此隔離的導電接頭16a，16b和16c。
由圖4可知，板層本體12由一個基質層20，一個通道形成層40和一個覆蓋層50組成。如前面所註解的，板層本體12各層均由絕緣材料做成，優選為塑料。與4層結構的實施方案不同，在三層結構的實施方案中沒有隔離的試劑容納層。通道形成層40也描述了這樣的區域，以工作電極和參比電極上三種獨特的滴劑或小滴的方式，在這個區域內將預定數量的試劑混合物各自放置在導電線路上。
圖5顯示了一個GOD基葡萄糖傳感器10和一個GDH基葡萄糖傳感器300的組合體。GOD基葡萄糖傳感器10和一個GDH基葡萄糖傳感器300均由四層結構組成，兩個傳感器的基質層被碾壓在一起形成一個完整的葡萄糖傳感器組合體。每個傳感器包括一個板層本體12，312，流體取樣端14，314，一個電接觸端16，316和一個排氣孔52，352(沒有被顯示)。流體取樣端14，314在樣品進口18，318和排氣孔52，352之間包括各自的樣品室(沒有被顯示)。
現在轉到圖6，每個傳感器10，300具有一個基極層20，320，一個試劑容納層30，330，一個通道形成層40，340和一個覆蓋層50，350。試劑容納層30，330各自包含試劑容納開口32，34和332，334。通道形成層40，340各自包含U形保險裝置42，342。典型的，用一種膠粘劑把傳感器10和300粘結在一起。優選的，採用一個雙面塗有膠粘劑的附加層(未示)以利於傳感器10和傳感器300的裝配。
圖7顯示了一個GOD基葡萄糖傳感器10』和一個GDH基葡萄糖傳感器300』的另一個組合體實施方案。GOD基葡萄糖傳感器10和一個GDH基葡萄糖傳感器300均由三層結構組成，兩個傳感器的基質層被碾壓在一起形成一個完整的葡萄糖傳感器組合體。每個傳感器包括一個板層本體12，312，流體取樣端14，314，一個電接觸端16，316和一個排氣孔52，352(沒有被顯示)。流體取樣端14，314在樣品進口18，318和排氣孔52，352之間包含各自的樣品室(沒有被顯示)。
現在參閱圖8，每個傳感器10』，300』具有一個基質層20，320，一個試劑容納層30，330，一個通道形成層40，340和一個覆蓋層50，350。通道形成層40，340各自包含U形保險裝置42，342。
圖9圖示了一個GOD基葡萄糖傳感器和一個GDH基葡萄糖傳感器的組合體200，這個組合體200具有一個7層結構的板層本體212。這個組合體包括一個GOD基葡萄糖傳感器210和一個GDH基葡萄糖傳感器210』。板層本體212包括一個流體取樣端214，一個電接觸末端216和排氣孔252，252』(沒被顯示)。流體取樣端14包括二個樣品流動通道(沒被顯示)；一個位於樣品進口218和排氣孔252之間，另一個位於樣品進口218』和排氣孔252』之間(沒被顯示)。
圖10顯示了一個圖9中實施方案板層本體212的分解圖。板層本體212包括一個居中的具有導電塗層221，221』的基質層220，在基質層的兩面上具有用於每個傳感器的工作電極和參比電極的導電線路。居中的基質層220包括一個試劑容納層230，230』，通道形成層240，240』和覆蓋層250，250』。試劑容納層230，230』分別包括試劑容納開口232，234和232』，234』。通道形成層240，240』各自包含U形保險裝置242，242』。
圖11說明了一個GOD基葡萄糖傳感器和GDH基葡萄糖傳感器的組合體400，組合體400包含一個5層結構板層本體412。組合體400包括一個GOD基葡萄糖傳感器410和一個GDH基葡萄糖傳感器410』。板層本體412包括一個流體取樣端414，一個電接觸端416和排氣孔452，452』(沒被顯示)。流體取樣端414包括二個樣品室(沒被顯示)；一個位於樣品進口418和排氣孔452之間，另一個位於樣品進口418之間和排氣孔452』之間(沒被顯示)。
圖12顯示了一個圖11中實施方案板層本體412的分解圖。板層本體412包括一個居中的具有導電塗層421，421』的基質層420，在基質層的兩面上刻有用於每個傳感器的工作電極和參比電極的導電線路。居中的基質層420包括通道形成層440，440』和覆蓋層450，450』。通道形成層440，440』分別包含U形保險裝置442，442』。
值得注意的是，在任何組合傳感器系統中，進口凹槽可以被合併到基極層和試劑藏品裡，以利於流動樣品的一部分在GOD基的和GDH基的葡萄糖傳感器的樣品室中的裝載。
圖13也說明了本發明的另一種實施方案，顯示了帶有幹擾物校正的GOD基和GDH基組合式葡萄糖傳感器圖13顯示的GOD基和GDH基組合式葡萄糖傳感器600包含一個板層本體612，一個流體取樣端614，一個電接觸端616和排氣孔652。傳感器600也可以一個可選的進口凹槽654。流體取樣端614包括位於樣品進口618和排氣孔652之間的流動樣品室617。
圖14顯示了一個圖13中實施方案板層本體612的分解圖。板層本體612包括一個基質層620，一個試劑容納層630，一個具有一個U形保險裝置642通道形成層640，和一個具有可選的進口凹槽654的覆蓋層650。基質層620具有一個導電層626，在導電層626上至少具有四個導電線路622，624，626和628。試劑容納層630至少具有四個試劑容納開口632，634，636和638。試劑容納開口632暴露了導電道路622的一部分試劑容納開口634暴露了導電道路624的一部分試劑容納開口636暴露了導電道路626的一部分，試劑容納開口638暴露了導電道路628的一部分；所有的試劑容納開口均各自形成電極孔。
這四個試劑容納開口632，634，636和638分別確定了電極區域W1、W2、R和B，填充有形成一個第一工作電極，一個第二個工作電極，一個參比電極和一個空白電極的化學試劑。通常，電極區域W1裝載有包含一種葡萄糖氧化酶和一種氧化還原介質(優選為氧化態的氧化還原介質)GOD基試劑。電極區域W2裝載有包含一種PQQ-GDH和一種氧化還原介質(優選為氧化態的氧化還原介質的GDH基試劑。可以在電極區域B和電極區域R中裝載一種與GOD基試劑混合物或GDH基試劑混合物類似但不含基於葡萄糖的酶的參比試劑基質。
典型地，電極區域R必須裝載一種如氧化還原耦/氧化還原試劑的參比試劑。可選的，電極地區R可以裝載Ag/AgCl層(即通過應用Ag/AgCl墨水或噴塗一層Ag或Ag/AgCl)或其它參比電極材料。電極地區B可以裝載任何不含基於葡萄糖的酶的試劑混合物。
除了測量在電極區域B和參比電極之間的流動樣品電阻以補償血液血球密度的傳感器讀數之外，可氧化的幹擾物如維生素C，尿酸和醋胺酚，命名了一些，(也能導致在電化學生物傳感器輸出中不精確讀數的物質)，也可以被測量以補償傳感器顯示的幹擾物的讀數。幹擾物的影響可以通過把由W2(第二工作電極)和W1(第一工作電極)上的電流響應值分別減去在B(空白電極)上的電流響應，計算得到在血樣中幹擾物的濃度而被消除。這個通過維持從B到W2和B到W1的表面面積分率不變而得到。
現在轉到圖15，說明了本發明另一個實施方案，實施方案為一個GOD基的傳感器系統和一個GDH基的傳感器系統並行組合體的4層結構。圖15顯示一個GOD基和GDH基的組合式葡萄糖傳感器700，其包含一個板層本體712，一個流體取樣端714，電接觸端716和排氣孔752。傳感器700也可以包括一個可選的入口凹槽754。流體取樣端714包括位於樣品進口718和排氣孔752之間的第一樣品室717a和第二樣品室717b。應該說明的是，樣品入口718可以是可選的彼此接近的兩個進口(每個對應一個流體樣品通道)，並且排氣孔752也可以是對應著每一個流體樣品通道的隔離的排氣孔的組合。在敘述的實施方案中，樣品室的一個結合了GOD基的傳感器系統，另一個樣品室結合了GDH基的傳感器系統。
圖16顯示了一個圖15中實施方案的板層本體712的分解圖。本層本體712包括一個基質層720，一個試劑容納層730，一個具有形成樣品室717a的第一條分叉742a和形成樣品室717b的第二條分叉742b的叉形保險裝置742的通道形成層和具有可選的進凹槽754的覆蓋層750。基質層720包含一個在其上刻有至少四條導電線路722，724，728和729的導電層721。導電層721也可以包括附加的導電線路726，727以提供給幹擾物和/或血流比容計的補償電極。
試劑容納層730包含至少四個試劑容納開口732，734，738和739。試劑容納開口732暴露了導電線路722的一部分，試劑容納開口734暴露了導電線路724的一部分，試劑容納開口738暴露了導電線路728的一部分，試劑容納開口739暴露了導電線路729的一部分；所有各自形成電極試劑孔。
為了包括幹擾物和/或血流比容計補償，試劑容納層730將包括另外的將暴露其它導電線路一部分的試劑容納開口，導電線路例如導電性道路726和727，作為舉例。
圖17說明本發明另一實施方案，說明了本發明另一個實施方案，實施方案為一個GOD基的傳感器系統和一個GDH基的傳感器系統並行組合體的3層結構。圖17顯示一個GOD基和GDH基的組合式葡萄糖傳感器800，其包含一個板層本體812，一個流體取樣端814，電接觸端816和排氣孔852。傳感器800也可以包括一個可選的入口凹槽854。流體取樣端814包括位於樣品進口18和排氣孔852之間的第一樣品室817a和第二樣品室817b。如前所述的4層結構的實施方案，應該說明的是，樣品入口818可以是可選的彼此接近的兩個進口(每個對應一個流體樣品通道)，並且排氣孔852也可以是對應著每一個流體樣品通道的隔離的排氣孔的組合。在說明的實施方案中，樣品室中的一個結合了GOD基的傳感器系統，另一個樣品室結合了GDH基的傳感器系統。
圖18顯示了一個圖17中實施方案的板層本體812的分解圖。本層本體812包括一個基質層820，一個具有形成樣品通道817a的第一條分叉842a和形成樣品通道817b的第二條分叉842b的叉形保險裝置842的通道形成層840和具有可選的進凹槽854的覆蓋層850。基質層820包含一個在其上被刻有了至少四條導電線路822，824，828和829的導電層821。導電層821也可以包括附加的導電線路826，827以提供附加的電極系統。
現在轉到圖19，說明了顯示了一個基本的一次性葡萄糖傳感器900的本發明另一個實施方案。一次性傳感器900包括一個板層本體912，一個樣品接受孔914和電接觸端916。本層本體912包括一個基質層920和覆蓋層950。，當覆蓋層950與基質層920結合在一起時，它包含一個形成樣品接收孔914的樣品開口952。基質層920包含至少三條電子線路922，924和926，電子線路的第一部份暴露於用於連接儀表設備的導電連接端916，導電線路的第二部分被樣品接收孔914暴露。
被樣品接收孔914暴露的電子道路922，924和926形成了至少一個第一工作電極W1，一個第二工作電極W2和至少一個參比/計算電極R1。優選的，設置一個隔離物以隔離W1和W2。一種第一試劑混合物960包含至少葡萄糖氧化酶並被布置在第一工作電極W1上。一種第二試劑混合物962包含至少葡萄糖脫氫酶並被布置在第二工作電極W2。參比/計算電極R1可以包含任何早先揭示的參比電極材料。在本發明的發明實施中，樣品接收孔914用作樣品進口和接收一種流動樣品如血液以確定葡萄糖的樣品室。
應該明白的是，這裡所揭示的任何發明方案中的導電線路可以由任何非腐蝕性的金屬做成。碳積例如，作為舉例，碳漿糊或碳墨水也可以被用作導電線路，所有的這些都是本領域內一般技術人員所了解的。
酶本發明的葡萄糖小條包括至少二種能氧化葡萄糖的葡萄糖敏感酶。一種是不能與其它糖如麥芽糖和半乳糖反應的葡萄糖氧化酶。第二種是氧氣不敏感的葡萄糖脫氫酶。在本發明中，葡萄糖氧化酶被添加到試劑混合物1中(下面揭示的)，用於第一工作電極。在本發明中，PQQ依賴的葡萄糖脫氫酶(PQQ-GDH)被添加到試劑混合物2中(下面揭示的)，用於第二個工作電極。
氧化還原介質本發明的葡萄糖傳感器包含氧化還原介質。優選的氧化還原介質包括那些能使能選擇性氧化葡萄糖的酶的還原態氧化的物質。期望介質的還原態能在工作電極上以所提供的電勢條件下以電化學方式被氧化。進一步期望介質在基體中是穩定的。仍然期望介質能適當地產生參比作用。介質可以選自，但不限定於，各種金屬絡合物和有機氧化還原化合物。可接受的氧化還原介質的例子是鐵氰酸鉀(K3Fe(CN)6)，二茂鐵(ferrocene)及其衍生物，10-(3-二甲氨基丙)吩嗪(promazine)，四硫富瓦烯(tetrathiafulvalene)，甲基藍(methyl blue)，1，4-苯醌(1，4-benzoquinone)，1，4-二(二甲氨基)苯(1，4-bis(N，N-dimethylamino)benzene)，4，4』-dihydrobiphenyl。本發明中優選的介質是鐵氰酸鉀(K3Fe(CN)6)。鐵氰酸鉀在試劑混合物中的濃度優選為1％到15％(W/W)。
聚合物被用作可選膠粘劑的聚合物應該具有足夠的耐水性、穩定性，應能將電極區域(工作電極，空白電極和參比電極)(參比電極是一個基於氧化還原介質的參比電極時)中試劑中的任何化學藥品粘結導電錶面層上。優選的，將兩種聚合物添加到本發明的試劑混合物中。優選聚合物中的一種是聚氧化乙烯(PEO)。它的分子量範圍是從數千到數百萬。優選的，分子量大於1百萬。更優選的，分子量是大約4百萬。這樣產品可以從Scientific Polymer Products，NY，USA(MW4,000,000，Cat No.344)購得。PEO在試劑混合物的重量含量優選為0.04％到2％(W/W)。第二種聚合物優選為甲基纖維素，它的商品名為Methocel 60 HG(Cat.No.64655，Fluka Chemicals，Milwaukee，WI，USA)。Methocel 60 HG在試劑混合物中的重量含量優選為0.05％到5％(W/W)。
表面活化劑表面活化劑必須使用，只不過是為了促進試劑混合物在工作電極、空白電極和參比電極開口處的分布，還有當樣品進入樣品室時迅速溶解幹的化學試劑。選擇適當數量和類型的表面活性劑，以確保先前提及的性能和避免對酶造成變質影響。表面活化劑可以選自，但不限制於，各種陰離子型，陽離子型，非離子型和兩性離子型表面活性劑，如聚氧乙烯醚，非離子活性劑20，膽酸鈉，氯化十六烷基吡啶，CHAPs。優選的表面活化劑是聚氧乙烯醚。更優選的是t-辛基苯氧基聚乙氧基乙醇，其商品名為Triton X-100。Triton X-100在試劑混合物中的重量含量優選為0.01％到2％(W/W)。
緩衝劑隨意地，一種緩衝劑可以與氧化還原介質一起存在於本發明的傳感器小條乾燥形態物中。提供的緩衝劑的量要足夠，以便充分維持試劑混合物的PH值合適的緩衝劑的例子包括檸檬酸，磷酸鹽，碳酸鹽和類似物。在本發明中，20mM的檸檬酸鹽緩衝劑PH值大約為6，被用於配製試劑混合物。
相應地試劑混合物1包含0.75％(W/W)的Methocel60 HG，0.4％(W/W)的聚氧化乙烯，0.4％(W/W)的Triton X-100，8％(W/W)的鐵氰酸鉀，1.5％(W/W)的葡萄糖糖氧化酶和20mM的檸檬酸鹽緩衝劑(PH6)。試劑混合物2包含0.75％(W/W)的Methocel 60 HG，0.4％(W/W)的聚氧化乙烯，0.4％(W/W)的Triton X-100，8％(W/W)的鐵氰酸鉀，0.2％(W/W)的葡萄糖脫氫酶-PQQ和20mM的檸檬酸鹽緩衝劑(PH6)。
試劑混合物1被用作第一工作電極(W1)，且試劑混合物2被用作第二電極。簡單起見，試劑混合物2被用作參比電極(例如，在本發明第一實施方案中所討論的3電極系統)。對於包括一個空白電極的4電極系統來說，還需要一種附加的試劑混合物。這種附加的試劑混合物具有與試劑混合物1和試劑混合物2相似的組分，但是沒有添加任何葡萄糖敏感酶。
為了說明怎樣製作和測試本發明葡萄糖小條的過程，如果沒被陳述否定，3-電極系統(第一實施方案)用作示例。
試劑混合物的準備試劑混合物1的準備分二步步驟1往100ml的20mM的檸檬酸鹽緩衝劑(PH6)中添加0.75g Methocel 60 HG，0.4g聚氧化乙烯，0.4g Triton X-100。攪拌溶液直至溶解。
步驟2往上述溶液中添加8g鐵氰酸鉀，1.5g GOD(葡糖氧化酶)。攪拌溶液直至溶解。得到的溶液準備分配。
試劑混合物2的準備也分二步步驟1往100ml的20mM的檸檬酸鹽緩衝劑(PH6)中添加0.75g Methocel 60 HG，0.4g聚氧化乙烯，0.4g Triton X-100。攪拌溶液直至溶解。
步驟2往上述溶液中添加8g鐵氰酸鉀，0.2g GDH-PQQ(葡萄糖脫氫酶-PQQ)。攪拌溶液直至溶解。得到的溶液準備分配。
製作葡萄糖傳感器本發明的各種實施方案的裝配相對簡單易懂。通常地，對於4層構造來說，基質層和試劑容納層被碾壓在一起，接著將合適的試劑混合物分配進每個試劑容納開口。在烘乾試劑混合物後，將通道形成層碾壓到試劑容納層上，然後將覆蓋層碾壓到通道形成層上。對於3層結構來說，基質層和通道形成層被碾壓在一起，接著以獨特的滴劑/小滴形式分配合適的試劑混合物進各自的導電錶面區域上的U形通道內(或在叉形保險裝置的並行的兩個分叉小腿內)。在烘乾試劑混合物後，然後將覆蓋層碾壓到通道形成層上。
更特別地，將鍍金聚酯薄片的切成圖2中圖示的形狀，形成傳感器10的基質層20。採用雷射(先前揭示的)在鍍金聚脂薄片上刻痕。如圖2圖示的，薄片採用雷射刻痕以在樣品流動端14形成3個電極，在電接觸端16形成三個接觸點22，24和26。刻線非常薄，但足以製造三條彼此隔離的電子線路。可選地，沿著基質層20的外沿加工一條電子線路28以避免能導致源於完工的傳感器10的噪聲信號的潛在的靜電問題，但這不是必需的。
然後將一片單面膠帶按所需尺寸和形狀剪切，形成試劑容納層30，以便覆蓋基質層20的導電層21的主要部分，僅暴露在圖1中所示的一小塊電接觸區域。
在將試劑容納層30附到基質層20上之前，通過雷射或者諸如衝模-衝壓機裝配的機械方法在試劑容納層30上打孔得到三個尺寸完全相等的圓形孔32，34和36，以製得電極孔32，34和36。電極孔32，34和36優選的孔尺寸為具有一個大約0.030英寸(0.76毫米)的典型直徑值。如圖2所描述的，電極孔32，34和36互相併行排列且間距為大約0.025英寸(0.63毫米)。圓形孔僅僅是為了說明目的。應該明白的是，對孔的形狀沒有嚴格要求，假如孔的尺寸大到足以容納足夠的化學試劑而能確保電極正常運行，而不是小到只能考慮一個相當小的樣品室。如前面上面所陳述的，形成在孔32，34和36中的電極的優選的排列是W1(工作電極1)，W2(作電極2)和R(參比電極)。試劑容納層30)然後被附到基質層20上，以這樣一種方式限定電極孔W1、W2和R的範圍。將大約0.05到0.09μL的試劑混合物1分配進入電極區域W1。如上所述，優選的，試劑混合物1是酶、穩定劑、膠粘劑、表面活化劑和緩衝劑的混合物。同樣地，將大約0.05到0.09μL的試劑混合物2分配進入電極區域W2和電極區域R.
在添加試劑後，接著進行烘乾。試劑烘乾操作可以在從室溫到大約80℃之間的溫度範圍內進行。烘乾試劑所需時間取決於烘乾過程在什麼溫度下進行。
烘乾以後，將一片從「膠粘劑研究所(Adhesive Research)」購得的雙面的膠帶加工成包含U形通道42的通道形成層40。然後將通道形成層40層壓到試劑容納層30上。如前面所提及的，通道形成層40當作隔板並由此確定了樣品室的尺寸。它的寬度和長度被優化以使流動樣品相對快速移動。
使用透明薄片(Cat.No.PP2200 or PP2500，從3M公司可購得)做成頂層或覆蓋層50。採用先前提到的雷射或衝模衝壓機的方式加工一個長方形排氣孔52。排氣孔52位於離樣品進口18大約0.180英寸(4.57mm)處。將覆蓋層50排好且層壓到通道形成層40上，完成了圖1中圖示的傳感器10的組裝。
對葡萄糖傳感器進行測試當一個流動樣品被應用於本發明的單一小條時，流動樣品通過取樣端開口進入通道，流經W1、W2和R和終止於排氣孔開口。
使用電化學分析儀(Mode1812，CH Instruments，Austin，TX，USA)採用計時電流法(i-t曲線)測量葡萄糖小條的電流響應。氧濃度(pO2)採用氣壓計(Precision Gas Mixer，PGM-3，Medicor，Inc.，SaltLake City，UT，USA)調節。一旦血樣進入小條，在工作電極和參比電極之間施加一個0.3-0.5伏特的電勢。採用YSI葡萄糖分析儀(Model 2300 Stat Plus，YSI Inc.，Yellow Spring，OH，USA).測量同一個血樣中的葡萄糖濃度。
上面描述的實施方案是建立在電流分析基礎之上的。但是那些在本技術領域：
掌握熟練技術的工作者，將會認識到本發明的傳感器也可以採用庫侖法，電勢測量法，伏安法和其它電化學技術確定樣品中分析組分的濃度。
下面的實例用於說明本發明獨特的特徵。
實例1示範在不同氧分壓水平下的電流響應。
用連接有一臺電化學分析儀(Mode1812，CH Instruments，Austin，TX，USA)的根據本發明的葡萄糖小條對具有不同氧分壓水平和葡萄糖含量的血樣進行測試，發現第一個工作電極(即GOD基電極)的電流響應值隨著血樣中氧氣濃度的降低而升高或者隨血樣中氧氣濃的升高而降低。為了說明氧氣因素的影響，測試的血樣分別具有三種氧氣水平，即30，90，220mmHg。
圖20顯示了在氧分壓水平分別為30和90mmHg下不同葡萄糖濃度時，第一工作電極(即GOD基電極)的電流響應的測量值。兩種氧氣水平下在葡萄糖濃度測試範圍內，電流響應值與葡萄糖濃度呈線性相關。但是，正如所預期的，氧氣分壓水平為30mmHg時的電流響應值明顯高於氧氣分壓水平為90mmHg時的電流響應值。通過換算電流響應值對葡萄糖濃度的變化。得出氧氣分壓水平從30變化到90mmHg，以GOD基工作電極測得的葡萄糖濃度的差異平均為24.3mg/dL。
圖21顯示了在氧分壓水平分別為90和220mmHg下不同葡萄糖濃度時，GOD基電極的電流響應的測量值。氧氣水平為220mmHg時在葡萄糖濃度測試範圍內，電流響應值與葡萄糖濃度呈線性相關。但是，正如所預期的，氧氣分壓水平為220mmHg時的電流響應值明顯低於氧氣分壓水平為90mmHg時的電流響應值。通過轉換電流響應值對葡萄糖濃度的變化，得出氧氣分壓水平從30變化到90mmHg，以GOD基工作電極測得的葡萄糖濃度的變化量大約為15.0mg/dL。
圖22顯示了在氧分壓水平分別為30和90mmHg下不同葡萄糖濃度時，第二工作電極(即GDH基電極)的電流響應的測量值。兩種氧氣水平下在葡萄糖濃度測試範圍內，電流響應值與葡萄糖濃度也呈線性相關。正如所預期的，因為GDH基電極固有的特性，在葡萄糖濃度測試範圍內，氧氣分壓水平為30mmHg與氧氣分壓水平為90mmHg時的電流響應值沒有明顯的差異。
圖23顯示了在氧分壓水平分別為90和220mmHg下不同葡萄糖濃度時，第二工作電極(即GDH基電極)的電流響應的測量值。氧氣水平為220mmHg時在葡萄糖濃度測試範圍內，電流響應值與葡萄糖濃度呈線性相關。正如所預期的，因為GDH基電極固有的特性，在葡萄糖濃度測試範圍內，氧氣分壓水平為90mmHg與氧氣分壓水平為220mmHg時的電流響應值沒有明顯的差異。
實例2使用葡萄糖小條的葡萄糖濃度與參比分析儀的葡萄糖讀數之間的相關性。
葡萄糖小條的二個工作電極(W1和W2)使用參考分析儀(YSI葡萄糖分析儀)在氧氣分壓水平為90mmHg時進行校準。以由兩個工作電極得到的葡萄糖濃度(C1和C2)對由YSI葡萄糖分析儀得到的相應讀數繪圖。圖24和圖25分別顯示了相互關係圖。關係式及回歸常數如下GOD基電極C1＝0.9426 CYSI+8.6829，R2＝0.9981 (1)GDH基電極C2＝1.0351 CYSI+1.1208，R2＝0.9977 (2)顯然，有兩個工作電極得到的濃度結果與參考分析儀具有很好的相關性。作為結果，另一個也能被用作在平均氧氣分壓90mmHg水平上的葡萄糖傳感器。
實例3效果選擇電極響應-氧氣影響的示範因為一個真實的血樣的氧氣水平是未知的，應該利用GDH，因為它實際上不受氧氣的影響，可以更好的用於確定葡萄糖濃度。然而，如上所述，GDH基工作電極能受到其它糖的幹涉，例如，半乳糖和麥芽糖，明顯地提高了響應值而造成葡萄糖讀數不精確(見下述)。在這種情況下，GOD基工作電極具有它的優勢。因此，需要一個預設值或者邊界值以確定選擇那個工作電極。
如上所述，氧氣分壓從30變化到90mmHg時，採用GOD基工作電極測得的葡萄糖濃度平均改變值為大約24.3mg/dL。這個值被選擇為預設值或者邊界值，根據這個值來確定選擇那個電極響應值來確定樣品中葡萄糖濃度。例如，如果C1與C2的絕對差或者|C1-C2|等於24.3mg/dL，那麼優選的葡萄糖濃度為C2，即濃度依據GDH基的工作電極確定。否則，優選的葡萄糖濃度等於C1，即濃度依據GOD基工作電極確定。那意味著如果沒有其它糖如半乳糖和麥芽糖明顯的幹擾，本發明優選的傳感器葡萄糖讀數總是依據GDH基工作電極確定。應該指出預設值或者邊界值「24.3」不是一個固定的值。它僅被用作例證目的。這個值取決於電極的構造和試劑混合物的組成。它也取決於測量方法必然的測試誤差。
當葡萄糖小條與預編程序的測試設備連接時，在依據兩種工作電極確定的響應值之間選擇的過程自動進行。
為了示範本發明葡萄糖小條具有的能消除溶解的氧氣的影響的識別特性，採用本發明的葡萄糖小條對氧氣分壓水平為30mmHg葡萄糖濃度在69到565mg/dL之間的七個不同濃度水平的血樣進行測試。依據兩個工作電極(W1和W2)確定的葡萄糖濃度結果(C1和C2)列於表1中。對照參比分析儀器(YSI葡萄糖分析儀)的平均百分比誤差(MPE)也列於表中。優選的葡萄糖濃度(C)是根據預設值或者邊界值(24.3)確定的，它和結果值的優選的MPEs一起列於表中。注意濃度(C1和C2)是使用在氧氣水平為時的校準關係式計算得到的。
表1氧氣分壓為30mmHg時的測試結果
如表1所示，優選平均值MPE(3.9％)相對於依據於GOD基工作電極的平均值MPE(13.3％)具有明顯地提高且與依據於GDH基工作電極的平均值MPE(2.9％)相當。在整個葡萄糖濃度範圍內，依據於GDH基工作電極的MPEs是可以接受的，表明沒有了氧氣的影向。但是，由於氧氣的影響，依據於GOD基工作電極的MPEs更高，尤其在葡萄糖濃度較低時。本發明的傳感器通過在兩個工作電極中進行選擇，極大地減少了氧氣的幹擾。
實例4選擇電極響應-麥芽糖、乳糖幹擾的示範應為了說明本發明的葡萄糖測量方法具有的消除乳糖、麥芽糖幹擾的有識別能力的的特點，兩個葡萄糖濃度水平的氧分壓水平為90mmHg的血樣被各自添加多種濃度的乳糖、麥芽糖。得到的血樣採用本發明的葡萄糖小條進行測試。結果歸納於表2和表3中。
表2三乳糖樣品的測試結果
列表2列舉了絕對濃度差|C1-C2|，還有優選葡萄糖濃度C和結果的MPEs.優選的葡萄糖濃度是依據預設值或者邊界值(24.3)得到的。優選的平均值MPE(1.8％)比依據於GDH基工作電極的平均值MPE(43.5％)小很多且與依據於GOD基工作電極的平均值MPE(2.1％)相當。
表3添加了麥芽糖的樣品的測試結果
列表3列舉了絕對濃度差|C1-C2|，還有優選葡萄糖濃度C和結果的MPEs.優選的葡萄糖濃度是依據預設值或者邊界值(24.3)得到的。優選的平均值MPE(2.4％)比依據於GDH基工作電極的平均值MPE(59.2％)小很多且與依據於基GOD工作電極的平均值MPE(2.1％)相當。
如所預期的，GDH基工作電極受到了來自於乳糖、麥芽糖的嚴重幹擾，而這些化合物對GOD基工作電極沒有影響。當樣品中含有乳糖或/和麥芽糖時，使用依據GOD基工作電極的響應值時更優選的。通過在兩個工作電極中進行選擇，本發明的傳感器的這個獨特的特性極大地減少了這些幹擾糖的影響。
上述例子說明了與本發明葡萄糖小條的使用有關聯的氧氣及幹擾糖的幹涉效應。一份真實的樣品可能同時存在氧氣和乳糖/麥芽糖問題。這些問題也可以通過使用這個選擇特性和本發明葡萄糖傳感器的兩個工作電極解決。
儘管在這裡描述了本發明優選的實施方案，但是上述的描述僅僅是說明性的。在這裡揭示的發明將會被那些在各自技術領域：
訓練有素的人進一步改進，但是所有的這些改進被認為處於定義於權利要求
中的本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種葡萄糖生物傳感器，其包括設有流動樣品進口及一個電接觸端的板層本體；流動樣品進口；連接在所述的流動樣品入口及排氣孔之間的基本平坦的樣品室，所述的測試室適合通過所述的流動樣品進口收集流動樣品；GOD基葡萄糖電極；GDH基葡萄糖電極；和參比電極，其中所述的GOD基葡萄糖電極、所述的GDH基葡萄糖電極和所述的參比電極都置於所述的樣品室內。
2.如權利要求
1所述的葡萄糖生物傳感器，其中所述的GOD基葡萄糖電極進一步包含氧化還原介質。
3.如權利要求
2所述的葡萄糖生物傳感器，其中所述的GOD基葡萄糖電極進一步包含一種或多種選自粘結劑、緩衝劑和表面活性劑的材料。
4.如權利要求
1所述的葡萄糖生物傳感器，其中所述的GDH基葡萄糖電極進一步包含氧化還原介質。
5.如權利要求
4所述的葡萄糖生物傳感器，其中所述的GDH基葡萄糖電極進一步包含一種或多種選自粘結劑、緩衝劑和表面活性劑的材料。
6.一種更精確的測定樣品中葡萄糖的系統，包括加入了一定量的葡萄糖氧化酶的第一葡萄糖感應電極；加入了一定量的PQQ葡萄糖脫氫酶的第二葡萄糖感應電極；參比電極；和在採用所述的第一葡萄糖感應電極的第一種葡萄糖測量和採用所述的第二葡萄糖感應電極的第二種葡萄糖測量之間進行選擇的方法。
7.如權利要求
6所述的系統，其中所述的第一種葡萄糖感應電極進一步包含氧化還原介質。
8.如權利要求
7所述的系統，其中所述的第一種葡萄糖感應電極進一步包含一種或多種選自粘結劑、緩衝劑和表面活性劑的材料。
9.如權利要求
6所述的系統，其中所述的第二種葡萄糖感應電極進一步包含氧化還原介質。
10.如權利要求
9所述的系統，其中所述的第二種葡萄糖感應電極進一步包含一種或多種選自粘結劑、緩衝劑和表面活性劑的材料。
11.如權利要求
6所述的系統，其中所述的選擇方法包括一種能確定所述的第一種葡萄糖測量和第二種葡萄糖測量之間差值的系統，並在將所述的差值與預定值比較後根據所述的差值從所述的第一種葡萄糖測量結果和第二種葡萄糖測量結果之間選擇其一。
12.一種更精確的確定血樣中葡萄糖濃度的方法，所述的方法包括採用加入了葡萄糖氧化酶的葡萄糖電極對所述的血樣進行第一次所述的葡萄糖濃度測量；採用加入了PQQ葡萄糖脫氫酶葡萄糖電極對所述的血樣進行第二次所述的葡萄糖濃度測量；計算所述的第一次測量結果及所述的第二次測量結果之間的差值；並且根據所述的計算得到的差值從所述的第一次測量結果及所述的第二次測量結果之間選擇其一。
13.如權利要求
12所述的方法，其中所述的選擇步驟進一步包含在將所述的差值與預定值比較後根據所述的差值從所述的第一次葡萄糖測量結果和第二次葡萄糖測量結果之間選擇其一。
14.如權利要求
13所述的方法，其中所述的選擇步驟進一步包括如果所述的計算的差值大於大約24mg/dL則選擇所述的第一次測量結果。
15.如權利要求
13所述的方法，其中所述的選擇步驟進一步包括如果所述的計算的差值小於或等於大約24mg/dL則選擇所述的第二次測量結果。
16.一種一次性使用的葡萄糖傳感器，其包括一個具有一個形成測試室的開放孔的傳感器本體；布置在所述的開放孔內的一個GOD基葡萄糖電極，一個GDH基葡萄糖電極和參比/計算電極；和在所述的感應器本體一端的電接觸端。
專利摘要
本發明公開了一種包含一個加入了一定數量的葡萄糖氧化酶的第一種葡萄糖感應電極、一個加入了一定數量的PQQ－葡萄糖脫氫酶的第二種葡萄糖感應電極、參比電極和在用第一種葡萄糖感應電極測定的第一種測量值與用第二種葡萄糖感應電極測定的第二種測量值之間選擇其一的選擇方法的更精確地測量樣品中葡萄糖濃度的系統。
文檔編號G01N27/49GK1991368SQ200610165876
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月14日
發明者小華·蔡, 傳暢·楊, 裴建宏, 安迪·沃 申請人:諾爾生物醫藥有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan