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CN106104264B - 唾液生物传感器以及生物燃料电池 - Google Patents

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CN106104264B
CN106104264B CN201580013394.7A CN201580013394A CN106104264B CN 106104264 B CN106104264 B CN 106104264B CN 201580013394 A CN201580013394 A CN 201580013394A CN 106104264 B CN106104264 B CN 106104264B
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University of California San Diego UCSD
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Abstract

公开了基于口的生物传感器和生物燃料电池相关的方法、系统和装置。一方面，检测唾液中的分析物的电化学传感器装置包括含有电绝缘材料的基片；置于基片上第一位置的第一电极，其中第一电极包含含有与唾液中的分析物相对应的化学剂(例如催化剂或反应物)的表面；以及置于基片上第二位置的第二电极，所述第二电极通过间隔区域与第一电极分开，第一电极和第二电极能够维持涉及所述化学剂和分析物的氧化还原反应以产生电信号，从而当装置存在于使用者的口中并与电路电耦合时，所述装置可用于检测使用者唾液中的分析物。

Description

唾液生物传感器以及生物燃料电池
相关申请的交叉引用
本专利文件要求于2014年1月21日提交的名称为“基于口的生物传感器以及生物燃料电池”的美国临时专利申请第61/929,946号的权益和优先权。将前述专利申请的全部内容通过引用作为本申请的公开内容的部分并入。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
本发明是根据国家科学基金会(NSF)授予的资助CBET-1066531在政府的支持下作出的。政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本专利文件涉及用于传感生物物质、化学物质和其他物质的分子传感器技术以及燃料电池技术。
发明背景
通过利用转换元件将检测事件转换为用于处理和/或展示的信号，基于电化学过程的传感器可被用于检测化学物质或生物物质(例如有机体)。生物传感器可以利用生物材料作为生物敏感组件，例如诸如包括酶、抗体、核酸等的生物分子以及活细胞。例如，分子生物传感器可被配置为利用特定的化学特性或分子识别机制来鉴定靶标物质。生物传感器可以利用换能器(transducer)元件将通过生物敏感组件对分析物进行检测所产生的信号转换为可被光学工具、电子工具或其他工具处理的不同的信号。例如，转换机制可以包括物理化学工具、电化学工具、光学工具、压电工具以及其他转换工具。
燃料电池是将来自物质(例如被称作燃料)的化学能转化为电能(例如电)的装置。通常，能量转换包括与氧气或其他氧化剂的化学反应。例如，氢是常用的燃料之一，并且诸如天然气和醇类的碳氢化合物也可被用于燃料电池。例如，燃料电池与电池的区别在于它们需要恒定的燃料和氧气来源来运转，但是如果为燃料电池提供燃料和氧气输入，则其能够持续产生电。
发明概述
公开了作为生物传感器和生物燃料电池(BFC)发挥作用的基于口的装置和系统。在一些实施中，可佩戴的唾液代谢物生物传感器装置包括集成进护口器的可印刷的酶电极，所述酶电极显示出高敏感性、选择性和稳定性，其利用全人唾液样本以提供关于佩戴者的健康、机能及应激水平的非侵入性且实时的信息。在一些实施中，可佩戴的佩戴于口的生物燃料电池装置包括在护口器表面形成的结构以从唾液获得电力。公开的装置和系统的应用包括生物医学和体质监测以及用于向不同的可佩戴的/便携式装置供能的BFC。
一方面，用于检测唾液中的分析物的电化学传感器装置包括含有电绝缘材料的基片；置于基片上第一位置的第一电极，其中所述第一电极包括含有化学物质的表面，所述化学物质包含与唾液中的分析物相对应的催化剂或反应物；以及置于基片上第二位置的第二电极，所述第二电极通过间隔区域与第一电极分开，所述第一电极和第二电极能够维持包括化学物质和分析物的氧化还原反应以产生电信号，从而当所述装置存在于使用者的口中并与电路电耦合时，其可用于检测使用者唾液中的分析物。
一方面，用于检测唾液中的分析物并从唾液向装置供能的方法包括：在与可佩戴于使用者的口中的基于口的装置相连的生物燃料电池的阳极和阴极，通过下述从唾液中存在的生物燃料物质提取电能：在氧化过程中将生物燃料物质转化为第一产物，氧化过程释放在阳极捕获的电子，以及在化学还原过程中将唾液中的化学物质还原为第二产物，在化学还原过程中所述第二产物在阴极处获得电子；将提取的电能提供给与所述基于口的装置相连的电化学传感器的电极，以激活电化学传感器；以及在与使用者口中的唾液接触的激活的电化学传感器的电极处，检测由于涉及唾液中的分析物和与电化学传感器的电极相连的化学试剂的氧化还原反应所产生的电信号。
一方面，用于检测唾液中的分析物并从唾液向装置供能的装置包括：包含电绝缘材料的基片，其中所述基片被构造为与能够与使用者的口配合的佩戴于口的装置相连；电化学传感器，以检测唾液分析物；生物燃料电池，以电化学的方式从唾液提取能量，从而向装置供能，以及电路，其经电互连在生物燃料电池与电化学传感器之间电耦合，以电能从生物燃料电池获得提取的能量，并将所述电能提供给电化学传感器。电化学传感器包括置于基片上第一位置的第一电极，其中所述第一电极包括含有化学物质的表面，所述化学物质包含与唾液分析物相对应的催化剂或反应物；以及置于基片上第二位置的第二电极，所述第二电极通过间隔与第一电极分开，其中所述第一电极和第二电极可用于维持涉及化学物质和唾液分析物的氧化还原反应，从而产生可被第一电极和第二电极检测的电信号。生物燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极置于基片上并包含导电材料，所述阳极包含燃料电池催化剂以在氧化过程中促进唾液中的燃料物质转化为第一产物，氧化过程释放在阳极捕获的电子，从而从燃料物质中提取能量；所述阴极置于基片上与阳极相邻并分开，所述阴极包含导电材料，并能够在化学还原过程中将唾液中的氧化物质还原为第二产物，在所述化学还原过程中所述第二产物获得电子。当装置存在于使用者的口中时，所述装置可用于检测使用者唾液中的唾液分析物。
能够以提供下述特征中的一种或多种的特定方式实施本专利文件中描述的主题。例如，公开的系统和装置能够实时监测唾液中的代谢物和电活性成分，并能够提供连续能量获得以向口内的电子元件供能。
附图简要描述
图1A显示了护口器中采用的公开技术的示例性唾液电化学传感器装置的示意图。
图1B显示了设计以用于唾液乳酸盐监测的图1A中的装置的示例性电极配置的示意图。
图1C显示了本技术的生物燃料电池装置的示例性实施方案的框图。
图1D显示了护口器中采用的公开技术的集成的唾液生物传感器和燃料电池装置的示意图。
图2显示了描绘示例性唾液电化学生物传感器装置在检测乳酸盐中的动态范围的示例性结果的计时电流数据图。
图3显示了显示在生理相关的电活性化合物的存在下，示例性唾液电化学生物传感器装置的选择性的示例性结果的数据图。
图4显示了显示示例性护口器型生物传感器对乳酸盐随时间的电化学应答的稳定性的示例性结果的数据图。
图5显示了显示示例性护口器型生物传感器对人唾液样本中的乳酸盐的应答的示例性结果的计时电流数据图。
图6显示了显示示例性护口器型生物传感器对人唾液样本的应答稳定性的示例性结果的数据图。
图7显示了护口器中采用的示例性唾液电化学传感器装置的示意图，包括设计以用于唾液葡萄糖监测的装置的示例性电极配置的放大图。
图8显示了通过示例性唾液电化学生物传感器装置获得的渐增葡萄糖浓度的示例性结果的计时电流数据图。
图9显示了可在示例性护口器装置如例如图1A和图7A中显示的那些中实施的公开技术的示例性电化学传感器装置的框图。
图10A显示了护口器中采用的示例性的集成的生物传感器、生物燃料电池和电子装置平台的说明和示意图。
图10B显示了集成平台的示例性电子处理和通讯单元的框图。
图11A显示了与护口器集成的公开技术的示例性丝网印刷的电化学传感器的图片。
图11B显示了示例性唾液尿酸生物传感器的示例性电极配置的示意图，包括基片上的工作电极的试剂层。
图12A显示了描绘示例性尿酸生物传感器对渐增尿酸浓度获得的应答的计时电流数据。
图12B显示了在常见的电活性生理干扰物的存在下，示例性生物传感器对尿酸的应答的示例性结果。
图12C显示了示例性生物传感器对在多个时间间隔取样的尿酸随时间的电化学应答的稳定性的示例性结果。
图13A显示了描绘示例性尿酸生物传感器的电化学应答的计时电流数据。
图13B显示了描绘人唾液中的应答数据的稳定性的数据图。
图14A显示了利用示例性生物传感器，通过连续监测获得的健康个体和高尿酸血症患者的唾液尿酸水平的数据图。
图14B显示了在治疗的同时通过示例性生物传感器监测数天的高尿酸血症患者的唾液尿酸水平的数据图。
发明详细描述
由于可佩戴的生物传感器在实时监测佩戴者的健康方面的前景以及在生物医学、运动以及军事情境的广泛范围内的适合度，其已经获得了大量的注意。关于可佩戴的生物传感器装置和系统的前期工作通常集中于根据物理信号如心电描记法和脉搏血氧定量法来监测生命体征。但是，非侵入性的可佩戴的电化学传感器能够产生除单独的物理参数之外的关于个体的整体健康状态和机能的可用见解。
可佩戴的生物传感器可被用于检测可以非侵入性获得的人的液体(例如眼泪、汗或唾液)中的化学生物标志物。在这些示例性的液体中，对于此类非侵入性监测而言，部分由于唾液的连续的和方便的可获得性，其可以极具吸引性。此外，唾液与许多分析物的血液浓度具有良好的相关性。此类相关性反映了多种成分经跨细胞途径或细胞旁途径从血液至唾液的渗透。例如，唾液化学可以是用于监测个体的激素、应激以及代谢状态的血液分析的可用的非侵入性的替代选择。既有的唾液传感器系统如基于托牙的pH和温度传感器或细菌细胞传感器是留置单元，其不能被用作用于监测唾液代谢物的非侵入性的可佩戴的生物传感器，例如尽管唾液代谢物水平与其相应的血液浓度之间的具有已确定的高相关性。
此外，护口器样装置代表可佩戴的装置内的传感和电子元件的3D集成的挑战实例。此类装置提供了实时传感唾液中的生物标志物的独特潜力以及获得关于佩戴者的健康的复杂和连续信息的能力。目前，市场上存在撞击监测型护口器(impact monitoringmouthguard)。然而，这些撞击监测型护口器装置主要关注运动中撞击相关的损伤，并且不涉及化学传感或电力获得。
公开了检测和利用使用者口内唾液中的代谢物的可佩戴的电化学传感器和能量产生技艺、系统以及装置。
公开技术的可佩戴的生物传感器和生物燃料电池(BFC)装置包括集成进护口器的可印刷的酶电极，所述酶电极展示出高敏感性、选择性和稳定性，其利用全人唾液样本，以提供关于佩戴者的健康、机能和应激水平的非侵入性的和实时的信息。公开的佩戴于口的生物传感器和BFC装置可以包括在护口器表面形成的结构以从唾液获得电力。公开的装置和系统的应用包括生物医学和体质监测以及用于向不同的可佩戴/便携式装置供能的BFC。
一方面，公开的技术包括非侵入性电化学生物传感器，其可被用于护口器或其他可佩戴于使用者的口中的用具，从而提供唾液代谢物的连续监测。在本专利文件中描述了公开的电化学传感器装置的示例性实施方案，以及进行了证实口内的生物传感器概念的示例性实施，包括集成至易于移动的护口器平台的示例性的可印刷的电流测量酶生物传感器，以非侵入性监测唾液分析物例如包括乳酸盐。例如，示例性的电化学传感器装置可以在电极上使用一种或多种类型的酶，选择所述酶以与唾液中的靶标分析物(例如相应的酶底物)相互作用。采用公开的电化学生物传感器装置的护口器可以包括基于唾液的生物燃料电池装置，以从唾液中的化学成分提取能量，所述生物燃料电池装置可被用于向并入护口器的电化学生物传感器装置和电路和/或电子装置供能。
护口器被运动员广泛用于竞技性和娱乐性体育活动，因为其提供针对运动相关的牙损伤的相当大的保护。通常护口器为聚合物物品，其被设计与牙齿稳固且紧密地配合，并呈现具有装配小型传感器、控制/获得电子元件和无线发射器的足够容量的有吸引力的平台。不像早期报导的永久留置的唾液传感器，公开的技术包括可被容易地穿戴和替换而无需任何专门的协助的护口器中所采用的电化学传感器装置。重要的是，由于示例性的可佩戴的传感器和执行器装置被配置为总与唾液直接接触，因而可以实时测量生理信息而不中断，从而为动态代谢物改变的连续评估开辟了新的途径。
描述了本技术的基于护口器的电流测量生物传感器和生物燃料电池的示例性装置和系统设计以及操作技艺，其利用天然存在于唾液中的代谢物、电活性物质和生物燃料。
图1A显示了可被佩戴于使用者的口的护口器中采用的公开的技术的唾液电化学传感器装置100的示意图。电化学传感器100包括含有电绝缘材料的基片101。电化学传感器100包括包含置于基片101上的两个或更多个电极的电极组合(electrode contingent)102。例如，电极组合102的电极可以包含导电材料，所述导电材料可以包含电催化物质。在一实施方案中，电极组合102包括工作电极和对电极。工作电极被置于基片101上，以及对电极被置于基片101上处于与工作电极分开的位置(例如，通过间隔)。如图1B中所示，工作电极配置为电极结构102a。电极结构102a包含置于基片101上的导电材料106，其中导电材料106涂覆有含有化学物质的电化学转换器层107以引起可在电极组合102的电极处检测到的电化学反应。例如，在一些实施中，所述化学物质包括选择性催化唾液中相应的分析物以引起或促进在电极102处产生可检测的信号的反应的催化剂。在一些实施中，例如，层107中含有的化学物质包含化学反应物，以与唾液中相应的分析物发生化学反应，从而在电极102处产生可检测的信号。电极102能够维持氧化还原反应，以产生可在电极处被转化为电信号的带电物质，从而当将电化学传感器装置100置于使用者的口中并与电路电耦合时，传感器装置100可用于检测使用者口内唾液中的化学分析物。在图1B所示的实例中，电化学转换器层107所含有的化学物质包含乳酸氧化酶(LOx)，其可以催化与乳酸盐(例如，选择的待检测的唾液中的分析物)的氧化还原反应，所述反应在电极102处产生电信号。
在图1A和1B中所示的唾液生物传感器装置100的示例性实施方案中，电极组合102包括三个电极：包含电极结构102a的工作电极、对电极，以及位于动作电极与对电极之间的包含电极结构102a的参比电极。在一些实施方案中，例如，电化学传感器装置100可以包括电极组合102的阵列，例如诸如工作电极、对电极和/或参比电极的阵列。
在一些方面中，公开的唾液生物传感器装置100可在护口器或其他基于口的平台上与唾液生物燃料电池和电路(例如包括数据处理和通讯电子元件)集成，这产生了电力以递送至电路和生物传感器装置，以使集成的装置能够提供使用者唾液中的物质的自主和连续监测。生物燃料电池是燃料电池装置的一类，其采用酶或微生物作为生物处理组合(bioprocessing contingent)以从可存在于多种生物介质中的不同的燃料物质获得电力，所述燃料物质如有机化合物、生化化合物和/或生物化合物。本技术的生物燃料电池可以提供安全且可持续的能量供应源以向唾液生物传感器和电子元件供能，同时仅最低限度地增加护口器或其他佩戴于口中的装置上采用的整体装置平台的台面空间。本技术的生物燃料电池包含生物相容性材料，以将来自其使用环境的化学能安全转化为向连续监测同一环境的传感器装置供应的电能。公开的生物燃料电池可比电池或其他现场可部署的电力供应有利，因为它们提供更高的能量密度(例如，在电池和光伏电池的情况下)、更长的使用寿命以及更轻的重量(例如在电池的情况下)。例如，通过采用公开的生物燃料电池装置以向基于口的装置中的唾液传感器和电子元件供能，消除了与来自电池单元的化学浸出(leeching)相关的危险风险。公开的技术包括能够从选择的唾液中的生物催化剂直接转移电子的生物燃料电池装置，其中生物燃料电池装置与基于口的平台内的生物传感器装置集成。
图1C显示了本技术的生物燃料电池装置120的示例性实施方案的框图。生物燃料电池装置120包括位于基片上(例如电化学传感器装置100的基片101)的阳极122和阴极123，其中阳极122和阴极123的位置彼此相邻并通过间隔区域分开。阳极电极122包含含有生物燃料物质(例如唾液中存在的)的催化剂的催化层127，其中可以以下述配置中的至少一种将催化层127配置至阳极122：(1)催化层127被集成至阳极电极122内，即催化剂分散在阳极122的阳极材料内；(2)在阳极122的表面涂覆催化剂以形成催化层127，其可静电锚定或共价连接至阳极122的表面；以及(3)催化层127结构为包含在阳极122的表面上形成的电聚合的导电聚合物，以在聚合物膜内捕获催化剂，和/或催化层127结构为包含在阳极122表面上形成的选透性支架结构，例如诸如Nafion或壳聚糖，以在支架内捕获催化剂。生物燃料装置120包括分别电耦合至阳极和阴极122和123的单独的互连线124，以将阳极和阴极电连接至提取的能量供应至的负载，例如电化学传感器装置100。
在操作中，包含燃料物质的唾液电解液与生物燃料电池120的表面接触，以使唾液浸没阳极122与阴极123之间的间隔。选择催化剂以在氧化过程中促进唾液中相应的燃料物质(例如，生物燃料成分)转化为第一产物，氧化过程释放在阳极捕获的电子，从而从燃料物质中提取能量，其中阴极能够在化学还原过程中将生物流体中的氧化物质还原为第二产物，在所述化学还原过程中所述第二产物获得电子，其中生物燃料电池装置120以电能获得提取的能量。电解液可以包含不同的生物燃料成分，例如，诸如葡萄糖、乳酸、尿酸或其他成分。例如，催化层127中含有的催化剂可以包括Lox、GOx或尿酸酶或者与唾液中的生物燃料物质相对应的其他催化剂(例如氧化酶或脱氢酶)。在生物燃料电池装置120的一些实施方案中，生物燃料电池装置可以包括间隔区域中采用的与基片101相连的质子交换膜分离器，以抑制电子通过电解媒介的传导。
图1D显示了可佩戴于使用者的口中的护口器中采用的本技术的集成的唾液生物传感器和燃料电池装置的示意图。集成的传感器-燃料电池装置可以包括与电路150电连接的电化学传感器装置100(例如双电极或三电极配置的)和生物燃料电池装置120。电路150可以包含电路元件(例如阻抗元件、二极管、晶体管等)和/或电子元件(例如处理器、A/D转换器、无线传输器/接收器、电子仪器仪表等)，以提供信号调理、信号和数据处理、储存和/或通讯。例如，电路150可被配置为控制电化学分析技术，以通过传感器100检测唾液分析物或目标分析物，例如包括但不限于：计时电流法、计时电势法、伏安法、循环伏安法、线性扫描电化学技术、极谱法、脉冲电化学分析技术、阻抗谱等。
在图1D所示的实例中，示例性的生物燃料电池装置120包括配置于基片101上的阳极和阴极122和123的交叉阵列。阳极和阴极122和123阵列与管线124相连，所述管线124电连接至电路150。在生物燃料电池装置120的一些实施中，生物燃料电池阵列还可包括导电底层，例如在基片101上以及在阳极和阴极122和123的交叉阵列以及管线124下方由导电材料如银或铜所形成的导电底层。在一些实施中，生物燃料电池装置120在基片101上还可包括储存区域，其被构造为在阳极和阴极122和123的交叉阵列周围的区域内包含生物流体。
示例性乳酸盐生物传感器
在一实施方案中，描述了利用电流测量监测，用于唾液代谢物乳酸(或乳酸盐)的连续唾液监测的非侵入性的基于护口器的生物传感器装置。例如，唾液乳酸盐浓度与血液乳酸盐水平对应良好，并且已在体外被用于监测健康水平。因此，唾液可能适合作为用于体育活动期间乳酸盐水平的连续的非侵入性监测的流体。此处描述的可佩戴的口腔生物传感器系统包括可印刷的普鲁士蓝(PB)转换器和聚邻苯二胺(PPD)/乳酸氧化酶(LOx)试剂层。例如，普鲁士蓝转换器可以作为“人工过氧化物酶”发挥作用，其提供氧化酶生物催化反应的过氧化氢产物的高度选择性检测。PB可被用于例如诸如铊和铯的重金属中毒的口服治疗，并且在生理条件下，它的使用似乎非常安全，即使是在高口服剂量之后。聚邻苯二胺(PPD)被用于氧化酶的电聚合物捕获、潜在干扰的排除以及生物传感器表面的保护。由PB转换器提供的过氧化物产物的极低电位检测与全唾液电活性成分的排除的结合导致高选择性和稳定性。示例性唾液乳酸盐传感器装置的实施方案可以包括图1A和1B中所示的电化学传感器装置100。
下文描述了在乳酸盐的连续口内监测的实施中使用的示例性的基于护口器的生物传感器的示例性设计和体外特征。包括含有固定化乳酸氧化酶的可印刷的酶电极的示例性的护口器型酶生物传感器，利用全人唾液样本，可以检测低电位的过氧化物产物，并展示出高敏感性、选择性和稳定性。示例性装置可被用于提供关于佩戴者的健康、机能和应激水平的有用的实时信息，因此对于不同的生物医学和健康应用具有可观的前景。存在于唾液中的其他生化物质也可被用于公开的生物传感器装置的其他示例性实施中。
示例性的护口器型乳酸盐生物传感器的示例性实施包括下述化学物质和试剂。获得L-乳酸氧化酶(LOx)(活性：101U/mg)。获得1,2-苯二胺(o-Pd)、L-乳酸、L-抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、硫酸钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾以及氯化钠，并在未进一步纯化或修饰的情况下使用。在示例性实施中使用超纯水(18.2MΩ·cm)。
示例性护口器型乳酸盐生物传感器的示例性实施包括下述仪器仪表。将CHInstruments型号440分析仪用于电化学测量。进行计时电流法研究，以评估护口器型传感器的应答。例如，示例性实施中应用的电位是与室温(例如22℃)下的印刷的丝网印刷的伪Ag/AgCl参比电极相比。MPM SPM半自动丝网印刷机被用于印刷电极。利用AutoCAD设计示例性的传感器模式，并将模板在75μm厚的不锈钢模板上形成图案。
可以利用下述制造技艺来制造图1A和1B中显示的示例性的基于口的电化学传感器装置，并将其集成至护口器中。在一实例中，通过在可弯曲的PET基片(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)上丝网印刷三个分离层来制造护口器型生物传感器。在第一层中，首先印刷Ag/AgCl导电油墨(例如来自Creative Materials Inc.,MA USA的医用级124-36)，以提供参比电极以及用于三层电极与电化学分析仪连接的接触物。由普鲁士蓝石墨墨水(例如来自Gwent Inc.,Torfaen,UK的C2070424P2)印刷例如应用于工作电极和辅助电极的第二层。在一些实施中，可以在基片101上印刷作为绝缘层的第三层，其中绝缘层中具有暴露电极的某些区域的开口以促进电化学检测(例如，利用DuPont 5036介质浆料)。例如，绝缘层被用于涂覆暴露的银-环氧树脂和Ag/AgCl接触物。各印刷步骤之后，将印刷的层80℃硬化20min。随后，如图1A中所示，利用双面胶将印刷的电极系统连接至位于护口器内部区域的护口器主体的PET基片。在该示例性实施中，电化学分析仪与穿过护口器主体内部孔的电线相连，所述电线经银环氧树脂连接至Ag/AgCl接触物。
通过在聚邻苯二胺(PPD)膜中电聚合物捕获将乳酸氧化酶(LOx)固定化于工作电极表面。例如利用含有10mM o-Pd、5mM硫酸钠和800U/mL Lox的0.1M磷酸盐缓冲液(pH 7.0)来完成固定化，用氮净化所述磷酸盐缓冲液，持续20分钟。将护口器型可印刷的转换器浸于聚合溶液中。在该实例中，随后使用0.55V(相对于Ag/AgCl)的电位1分钟，以使捕获Lox的PPD膜增长。在电聚合过程之后，将示例性的传感器漂洗，并浸于0.1M磷酸盐缓冲液(pH7.0)中20min，以从电极表面移除单体残余物以及任何未结合的酶。图1B显示了用于唾液乳酸盐监测的护口器平台上的示例性的改进的工作电极转换器的方案。
在缓冲基质中实施利用示例性的唾液电化学传感器装置的示例性电化学表征。例如，在含有20mM NaCl(PBS)(模拟人唾液中的Cl浓度)的0.1M磷酸盐缓冲液(pH 7.0)中对示例性护口器型乳酸盐传感器的电化学性能进行评估。通过在样本溶液中孵育2min之后，在60s内将电位步进至0.042V(相对于Ag/AgCl)，进行示例性PB-PPD-LOx生物传感器装置上的乳酸盐的计时电流法测量。60s之后对电流进行取样。在这些实施中，基于PB碳粉传感器的循环伏安法选择应用的电位，其中过氧化氢的还原产生最大电流。在2h的操作中，以10min的间隔，在0.5mM乳酸盐中检测生物传感器的稳定性。在此类连续测量之间，将示例性传感器保存于0.1M PBS中。
例如，利用‘被动口水法(passive drool method)’，在禁食条件下(例如至少8hr)从健康志愿者收集人唾液样本。将收集的样本室温保存以允许其沉积物沉淀，并将上清液直接用于(未经稀释)电化学测量。由于全唾液样本的高粘度，将50μL未稀释的等份唾液与不同浓度的乳酸盐混合，并涡旋1分钟。通过标准加入法确定唾液样本中的乳酸盐浓度。
利用与缓冲基质中相同的条件(例如EAPP＝0.042V，持续60s)，实施加标唾液样本的电化学测量。通过每10min改变样本以模拟充满口内的唾液流动(未刺激的：1mL/min，刺激的：2mL/min)来实施此类全唾液样本的延长测量。在此类连续测量之间，将示例性传感器保存于唾液中。
描述了这些实施的示例性结果。人唾液的乳酸盐浓度根据个体的新陈代谢和体能而不同，其中在血液乳酸盐水平(高至17.3±1.9mM)与唾液乳酸盐水平(高至1.6±0.4)之间观察到高相关性。因此，宽的线性乳酸盐检测范围和快速应答时间对于实现唾液中乳酸盐的连续口内监测是必要的。为了解决复杂的原始唾液样本中的潜在干扰，例如通过PPD膜内的捕获将常用的LOx酶固定化于可印刷的基于PB的转换器上。首先在磷酸盐缓冲介质中对安装于护口器上的示例性的PB-PPD-LOx生物传感器进行评估。
利用0.042V的低电位(相对于Ag/AgCl)，响应0.1-1.0mM乳酸盐范围的渐增乳酸盐水平，对动态浓度范围进行检测。图2展示了PBS介质中0.1mM增量的乳酸盐的渐增浓度的计时电流图(通过在数据图中的波形200b-200k显示)。这些示例性数据指示，示例性的PB-PPD-LOx护口器型生物传感器显示出针对乳酸盐的极高敏感性，其中明确的计时电流图和电流信号与乳酸盐浓度呈正比。得到的标准曲线(图2的插图中所示)显示高线性度(斜率，0.553μA/mM；相关系数，0.994)。还注意到存在与极低的操作电位相关的极低的背景电流(通过数据图中的波形200a显示)。因此可从针对0.1mM乳酸盐的应答的良好的信噪比特征(例如波形200b)(S/N＝3)来估计约0.050mM的低检测。因此示例性的PB-PPD-LOx护口器型传感器可以在唾液乳酸盐生理范围内有效地检测乳酸盐。对于图2的计时电流图中描绘的示例性数据波形，用EAPP＝0.042V(相对于Ag/AgCl)以及60s的电流取样时间来实施示例性实施。
由于在现实世界的实施中，示例性的护口器型生物传感器将被暴露于复杂的原始唾液介质中，因此在通常干扰乳酸盐的安培检测的电活性成分(例如L-抗坏血酸、尿酸)的存在下应当提供选择性应答。设计示例性的PB-PPD-LOx转换器-试剂层系统，以通过将极低的检测电位(例如由PB表面提供的)与PPD层的有效选择性渗透行为结合而将潜在的电活性干扰最小化。图3显示了在此类生理浓度的抗坏血酸和尿酸存在或不存在的情况下，针对0.5mM乳酸盐的计时电流应答。在生理水平的人唾液相关电活性成分例如100μM尿酸(图3中的波形340)和20μM抗坏血酸(图3中的波形330)的存在下，对乳酸盐的选择性进行评估。在AA和UA(图3中的波形320)不存在的情况下，对乳酸盐的选择性进行评估。波形310仅显示了PBS的应答。这些示例性数据明确指示这些潜在干扰对于乳酸盐应答具有微不足道的影响(对于AA和UA而言，均为约5％)，因此新的护口器型生物传感器系统提供了高选择性。在图3的数据图中，示例性结果显示了在如图2中的示例性条件下，在PBS中以及在常见的电活性生理干扰物AA和UA的存在下，针对0.5mM乳酸盐的示例性应答。
高稳定性是新的护口器型乳酸盐生物传感器连续口内操作的另一重要需求。图4显示了显示针对0.5mM乳酸盐的示例性护口器型生物传感器的电化学应答的稳定性的示例性结果。在这些示例性实施中，最初在2小时连续操作中，用每10min进行的0.5mM的重复测量来评估稳定性。插图显示了基于最初的电流应答(其中将t＝0min处的初始结果标准化为100％)的相关电流的时间-进程特征。对于示例性实施，在此类连续测量之间，将示例性传感器保存于0.1M PBS中。这些示例性数据指示在整个2小时的操作中的高稳定性电流应答。其他实施已经证实了传感器的长期稳定性。
在合成的缓冲基质中对护口器型生物传感器进行评估之后，通过利用人唾液样本进行示例性实施。利用加入0.1-0.5mM乳酸盐的未刺激的人唾液对护口器中采用的示例性生物传感器针对变化的乳酸盐水平的应答进行检测。例如，如图5的明确的计时电流图所指示的，示例性的传感器良好地响应了乳酸盐水平的此类变化(例如通过波形500b-500f所示的)。得到的标准曲线(插图中所示)显示出良好的线性度(斜率，0.202μA/mM；相关系数，0.988)。其他示例性条件如图2。因此，可以估计内源的乳酸盐水平为0.010mM，这在未刺激的静止人唾液的正常范围内。例如，由乳酸盐增加导致的小的电流增量(相对于缓冲介质中观察到的那些)可能是由于导致较慢扩散的唾液样本的粘性。当在37℃(例如，体温；未显示)下对传感器进行测试时，未观察到敏感性或线性范围的明显变化。
示例性实施包括对示例性口腔生物传感器系统连续暴露于复杂的唾液介质的稳定性评估，以及通过共存蛋白对传感器应答的潜在退化。图6显示了显示示例性护口器型生物传感器对添加了0.5mM乳酸盐的人唾液样本随时间的应答稳定性的数据图。在实施中，在2hr的时间内，以10min的间隔实施重复测量，更换每一测量的唾液以模拟动态的口腔环境。图6的插图显示了基于初始电流应答(t＝0)的相对电流。在此类连续测量之间，将示例性的传感器保存于唾液中。其他示例性条件如图2。例如，在此示例性实施中，仅观察到了电流信号的微小变化(例如，介于初始应答的90％与106％之间)。此种良好的稳定性反映了PPD涂覆对共存的污染性成分的保护作用。不论何时需要，在实际的口内操作中可以容易地替换公开的护口器型传感器系统，以解决通过唾液基质的传感器应答的进一步退化。
非侵入性护口器型生物传感器装置(图1A和1B中所示)的示例性实施方案的示例性实施证实了唾液代谢物的连续口内监测。在一此种实施中，利用示例性的PB-PPD-LOx生物传感平台实施乳酸盐的安培计测量。公开的技术可以提供唾液样本中的高度敏感性、选择性以及稳定的乳酸盐应答，例如反映了其低电位信号传导和对共存的电活性和蛋白成分的排斥。例如，基于护口器的生物传感平台在检测未稀释的人唾液样本的乳酸盐中的此种具有吸引力的性能强调了其作为用于个体健康状态的连续非侵入性生理监测的实用的可佩戴装置的潜力。
存在于唾液中的其他生化物质也可被用于公开的生物传感器装置的其他示例性实施。在一些实例中，也可电化学检测葡萄糖，并将其用于印刷的生物燃料电池的应用。
示例性葡萄糖生物传感器
图7显示了护口器中采用的示例性唾液电化学传感器装置100的示意图以及用于唾液葡萄糖监测的生物传感器装置100的示例性电极配置702的放大图。如图7中所示，示例性生物传感器装置100的工作电极和参比电极配置为电极结构702。电极结构702包括置于基片101上的导电材料106，其中导电材料106涂覆有电化学转换器层707，所述电化学转换层707包含与葡萄糖相对应的催化剂以引起在电极102处可检测的电化学反应。例如，在一些实施中，化学物质包含催化剂，以选择性地催化唾液中相应的分析物，从而引起或促进产生在电极102处可检测的信号的反应。在图7中所示的实例中，电化学转换器层707中包含的催化性化学物质包含葡萄糖氧化酶(GOx)，其可以催化在电极102处产生电信号的与葡萄糖(例如待检测的所选择的唾液中的分析物)的氧化还原反应。
图8显示了获得的以增量渐增葡萄糖浓度的示例性结果的计时电流数据图(波形800a-800i所示)。在为获得所述数据所实施的示例性实施中，转换器层702包含通过PPD膜内的捕获固定化于可印刷的基于PB的转换器上的GOx酶。这些示例性实施中的示例性条件类似于与图2相关的那些条件。如图8所示，因而示例性的PB-PPD-GOx护口器型传感器可以在唾液乳酸盐的生理范围内有效地检测葡萄糖。
示例性的集成的电化学传感器、生物燃料电池以及电子元件
图9显示了示例性电化学传感器装置100的框图，所述装置100可被应用于护口器中，例如如图1A和1B以及图7中所示。电化学传感器装置100包括包含电绝缘材料的基片101，并且其可被配置于形状配合的护口器或其他护口器型装置中。在图9所示的实例中，电化学传感器装置100包括置于基片101上的工作电极172和第二电极173，其中工作电极172与第二电极173通过间隔179相互分开。电化学传感器装置100可以包括绝缘层或结构176，例如其可以为装置100提供进一步的结构支撑，并保护通过电极和互连线或管线175的传导的电信号的完整性。例如，可以基于待传感的靶标分析物的类型和待采用的检测技术的类型来设计公开的电化学传感器装置的电极配置，所述检测技术例如电流测定法、伏安法、电位测定法和/或电化学阻抗谱或者其他电化学分析技艺。在一些实例中，电化学传感器装置100可被配置为检测带电分析物，例如利用电位测定法。在一些实例中，电化学传感器装置100可被配置为检测裸露的工作电极172上的自身氧化分析物，其中装置100包括位于工作电极172和第二电极173之间的第三电极；以及第二电极173和第三电极可以分别作为对电极和参比电极。在一些实施方案中，例如，电化学传感器装置包括电极组合阵列，例如诸如工作电极和参比电极和/或对电极的阵列。
在一些实例中，如图9的图中所示，工作电极172包括电化学传感层174以维持氧化还原反应，从而产生可以利用例如电流测定法和/或伏安法检测的可检测的电信号。电化学传感层172提供可以促进与流体中(例如唾液)的靶标分析物(例如，如特定的分子或物质)的氧化还原反应的反应剂(例如催化剂)，所述反应产生被工作电极172传感的电荷载体。电化学传感层172可被构造为包含催化剂和电活性氧化还原介质。在一些实例中，可以通过催化剂将靶标分析物氧化，在该过程中释放电子，这产生可在工作电极172与第二电极173之间被测量的电流。例如，电活性氧化还原介质可以促进电子在工作电极172与催化剂的活性位点之间的转移。可以通过下述将电化学传感层174配置至工作电极172，例如：(i)将催化剂分散于工作电极172的材料内；(ii)将催化剂作为层涂覆于工作电极172的表面，例如其中催化剂共价连接或静电锚定至所述表面；或者(iii)催化剂被工作电极172表面形成的电聚合的导电聚合物和/或被工作电极172表面形成的选透性支架结构如Nafion或壳聚糖捕获。在包含电活性氧化还原介质的示例性实施中，例如可以通过相同的示例性配置将电活性氧化还原介质与催化剂一起被配置于电化学传感层174内。
如图9的图中所示，可经电互连线175将电化学传感器装置与电传感器电路150与电极电耦合。例如，传感器电路150可被配置为应用激励波形和/或传导激励时由电化学传感器装置100的电化学电极所产生的电信号。在一些实例中，传感器电路150可以包括信号调理单元和通讯单元，以将获得的数据传输至外部装置，例如外部装置可以包括显示器或其他接口以向护口器的佩戴者或其他使用者(例如，如教练、训练员或医师)实时展示结果。可将传感器电路150构造为包括但不限于恒压器(例如以实现安培计和伏安法测量)或恒流器(例如以实现电位计测量)。在一些实施方案中，例如电化学传感器装置100可以包括与互连线175相连的导电接触垫，以提供导电表面，从而将外部电路或装置电接合至电化学传感器装置100的电极。
公开的技术可被用于在集成的平台中连续监测口内的唾液分析物，其可以包括用于数据获得、处理和无线传输以及所有潜在的有毒物质和生物相容性事物的危险性评价的电流测量电路和电子元件的小型化和集成。电流测量护口器型传感的概念可以容易地实施于其他临床相关的代谢物和应激标志物的唾液监测，从而提供关于佩戴者的健康和机能的有用见解，以及不同的生物医学和健康应用的重要前景。
例如，公开的集成的传感器-燃料电池电子元件平台可被用于实时监测电化学性能。在一些实施方案中，例如公开的集成平台包括，护口器内的高级可佩戴的生物传感标签，其具有适于人体的形状因数的集成的功能性组件，例如包括支撑功能性元件并传输待传感的项目的结构、传感器自身、微电子电路以处理并传输传感器信号、电源、以及将不同的组件互连的接线。在一些实例中，独立的电子元件和微制造的电极可被用于此类装置中。
图10A显示了能够应用于护口器中的示例性的集成的生物传感器、生物燃料电池和电子元件平台1000的说明和示意图。平台1000包括通过示例性的电路150电连接的电化学生物传感器装置100的示例性实施方案和生物燃料电池装置120的示例性实施方案。在一些实施中，例如电路150可以包括追踪来自生物燃料电池150的电力的DC/DC转换器，例如所述电力与由生物传感器100传感的基础分析物浓度相关，以实现集成的传感器-燃料电池平台1000的自供电操作。例如，可以通过制造一个或多个唾液分析物生物传感器(例如以检测葡萄糖、乳酸盐和/或尿酸或其他物质)和生物燃料电池，以例如如之前所述的从一种或多种唾液化学燃料物质提取能量来将示例性的生物传感器装置100和生物燃料电池装置120集成进护口器。在示例性的集成设计中，可在此种制造过程中将转换器墨水材料和生物电子试剂层最优化。示例性的集成的生物传感器、生物燃料电池和电子装置平台1000可以包括基于独立的组件的装置和接口连接，例如包括结构上小型化的电化学分析仪和相关的电子接口、数字化电路以及通讯元件的电子元件设计。电子元件的整体组装可以产生护口器形状因数。
图10B显示了集成平台1000的示例性电子处理和通讯单元1050的框图。例如，图10B的处理和通讯单元1050可以包含于电路150中或者被用作电路150，例如如图10A中所示的。如图10B所示，处理和通讯单元1050包括模数转换器以及信号调理和处理电路，所述模数转换器可与作为单元1050的电源的生物燃料电池装置120连接。处理和通讯单元1050包括能够信号处理和通讯(例如通讯至外部装置)的数据处理单元以及DC/DC转换器和/或信号调理电路。数据处理和通讯单元1050包括无线传输器/接收器单元，以将数据处理单元处理的数据或信号调理回路调节的数据传输至外部设备。
单元1050的数据处理单元可以包括处理器以处理数据以及与所述处理器通讯的存储器以存储数据。例如，处理器可以包括中央处理器(CPU)或微控制器(MCU)。例如，存储器可以包含并存储处理器可执行的代码，当所述代码被处理器执行时，将数据处理单元配置为实施不同的操作，例如如接收信息、指令和/或数据，处理信息和数据以及向另一实体或向使用者传输或提供信息/数据。在一些实施中，数据处理单元可被经由包括一个或多个远程计算机处理装置(例如云中的服务器)的网络(被称为‘云’)获得的计算机系统或通讯网络应用。为了支持数据处理单元的不同功能，存储器可以存储信息和数据，如指令、软件、数值、图像以及被处理器处理或引用的其他数据。例如，可将不同类型的随机存取存储器(RAM)装置、只读存储器(ROM)装置、闪存装置以及其他合适的存储介质用于实施存储器单元的存储功能。数据处理单元可以包括可连接至外部接口、数据存储源或显示装置的输入/输出单元(I/O)。例如，可将与典型的数据通讯标准兼容的不同类型的有线或无线接口用于经由无线传输器/接收器单元的数据处理单元的通讯中，所述接口例如包括但不限于：通用串行总线(USB)、IEEE 1394(火线)、蓝牙、IEEE 802.111、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)、无线广域网(WWAN)、WiMAX、IEEE 802.16(全球互通微波存取(WiMAX))、3G/4G/LTE蜂窝通信方法以及并行接口。数据处理单元的I/O还可与其他外部接口、数据存储源和/或视觉或声音显示装置等连接，以检索或传输可被处理器处理、储存于存储器单元或展示于外部装置的输出单元的数据和信息。例如，外部显示装置可被配置为与数据处理单元存在数据通讯，例如经I/O，外部显示装置可以包括视觉显示装置、声音显示装置和/或感觉装置，例如可以包括智能手机、平板和/或可佩戴的技术装置等。
在一些实施中，例如数据处理单元可以包括处理和通讯单元1050上的电化学分析仪。例如，电化学分析仪可以包括能够获得并处理来自恒压器装置或恒流器装置的数据的电气元件或电子元件。例如，在处理和通讯单元1050的一些实施中，单元1050可以包括内部或附加电力供应如电池，以向单元1050的模块供能。
表1中提供了集成平台1000的两个示例性实施方案一些示例性说明。集成的生物传感器、生物燃料电池和电子装置平台1000的其他实施方案可被配置为表1中所示的示例性说明的一个或多个，或者被配置为表1中未显示的其他说明。
表1
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可以根据佩戴者和期望的生物传感任务的确切形状和配置，利用公开技术的示例性护口器装置的增量制造方法来制造公开的集成平台。例如，可将增量制造平台应用于根据任意的形状因数和配置按需制造的各种可佩戴的装置。例如，能够数字化增量装配的常规制造平台可以开拓可佩戴系统的范围。此种制造平台可允许从设计快速过渡至多种不同类型的传感器，并能够个性化。
示例性尿酸生物传感器
在一些实施中，公开的可佩戴的基于口的唾液生物传感器可被用于检测唾液的尿酸，以诊断和监测高尿酸血症的治疗。下文描述了用于实施尿酸的连续口内监测的示例性的基于护口器的生物传感器的示例性设计和体外特征。
图11A显示了与护口器集成的示例性丝网印刷电化学传感器的图片。在图11A所示的实例中，电化学传感器100被生产为基片101上的丝网印刷电化学传感器，所述传感器可连接至或集成至护口器内。如图11A所示，生物传感器装置100的工作电极和参比电极被配置为电极结构1102。
图11B显示了示例性电极配置1102的示意图，其可被用作装置100的电极102的工作电极。图11B中所示的实例可包含于公开的技术的唾液尿酸生物传感器的实施方案中。改进的电极1102的结构可以包括置于基片(例如PET基片)上的含有电化学惰性的导电材料(例如普鲁士蓝碳)的电极1105。改进的电极1102可以包括在电极1105上的固定化酶(例如与BSA和Glut混合的尿酸酶)的试剂层1107。改进的电极1102可以包括捕获层1109(例如OPD)，以将固定化酶维持在电极上。
示例性的护口器型尿酸生物传感器的示例性实施包括下述化学物质和试剂。获得尿酸酶、1,2-苯二胺(o-Pd)、L-乳酸、L-抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、硫酸钠、氯化钠、氯化钙、氯化钾、柠檬酸、硫氰酸钾、氯化铵、单碱钾(potassium monobasic)、双碱钾(potassiumdibasic)、牛血清白蛋白(BSA)以及戊二醛(Glut)溶液，并在未进一步纯化或修饰的情况下使用。在示例性实施中使用超纯水(18.2MΩ·cm)。
示例性护口器型乳酸盐生物传感器的示例性实施包括下述仪器仪表。将MPM SPM半自动丝网印刷机用于印刷电极。利用AutoCAD设计传感器模式，并将模板在75μm厚的不锈钢模板上形成图案。将CH Instruments型号621A电化学分析仪用于电化学测量。
可以利用之前描述的制造技艺来制造图11A和11B中所示的示例性的基于护口器的唾液电化学传感器装置，并将其集成至护口器内。例如，对于此实施方案，用酶和抗生物污染膜对工作电极进行化学修饰。例如，将尿酸酶以下述方式固定化。首先，可在磷酸钾缓冲液(例如200μL)中混合尿酸酶(例如3.0mg)与BSA(例如2mg)和戊二醛(例如1μL储备液)。可将混合溶液(例如3μL混合溶液)逐滴浇铸于工作电极上，并干燥(例如持续30min)。接下来，可将邻苯二胺(OPD)电聚合，以消除来自唾液中的生物污染和干扰作用。这可以通过向含有10mM o-Pd、5mM硫酸钠的0.1M磷酸盐缓冲液(pH 7.0)应用0.6V(相对于Ag/AgCl)，持续5min来完成，所述磷酸盐缓冲液可以用氮净化(例如在使用前持续20分钟)。图11B的原理图显示了护口器平台上的示例性的改进的工作电极的化学组成。
在人工唾液中对与护口器集成的示例性唾液尿酸生物传感器的电化学性能进行评估，所述人工唾液具有与人唾液相似的电解质浓度。例如，正常唾液尿酸水平为250μM至350μM。为了覆盖高尿酸血症患者的尿酸水平，对在-0.3V的步进下(相对于Ag/AgCl)测量的0-1mM尿酸的电流应答中的动态浓度范围进行检测。例如，通过将5mM NaCl、1mM CaCl2、15mM KCl、1mM柠檬酸、1.1mM KSCN、4mMNH4Cl溶解于蒸馏水来制备人工唾液。通过在相同的溶液中孵育1min后，将电位在60s内步进至-0.3V(相对于Ag/AgCl)，来实施示例性PB-PPD-尿酸酶生物传感器上尿酸的计时电流法测量。在示例性实施中，根据生物传感器的循环伏安法选择应用的电位，其中尿酸的应答显示出唾液中生理范围内的可区别的电流应答。在2hr的操作中，以10min的间隔，在350μM尿酸中对生物传感器的稳定性进行检测。在此类连续测量之间，将示例性传感器保存于人工唾液中。在相关电活性生理干扰物质的存在下，在含有350μM尿酸的人工唾液中对选择性进行评估。
图12A显示了描绘获得的示例性生物传感器对以50μM的增量增加尿酸浓度至1mM的应答的计时电流数据图(通过波形1200a-1200u显示)。得到的校准曲线显示于图12A的插图中。图12B显示了描绘在常见的电活性生理干扰物质的存在下，针对350μM尿酸的应答的的选择性测试的示例性结果。图12C显示了描绘在以10min为间隔的2h的操作中，对350μM尿酸的电化学应答的稳定性的示例性结果。图12C的插图显示了基于初始电流应答(t＝0s)的相对电流。在此类连续测量之间，将示例性传感器保存于人工唾液中。以Eapp＝-0.3V(相对于Ag/AgCl)和60s的电流采样时间来进行实施。
示例性数据指示，示例性PB-PPD-尿酸酶生物传感器对尿酸非常敏感，并具有宽的线性范围和明确的计时电流图，以及电流应答与尿酸浓度呈正比(如图12A的标准曲线插图所示)。例如，由于唾液基质具有如此多的干扰物质，应当保证在人唾液样本中的实际应用的选择性。在生理水平的人唾液的相关电活性物质(包括葡萄糖、乳酸盐、抗坏血酸和对乙酰氨基酚)的存在下对选择性进行评估。如图12B中所示，示例性生物传感器显示出对0.35mM尿酸的良好应答，而对其他电活性干扰物质的应答可以忽略。对于一些实施而言，例如为了连续监测在急性痛风中的治疗效果，在以10min为间隔的2小时中，在针对0.35mM尿酸的应答中，对生物传感器的稳定性进行检测。图12C展示了2hr的操作之后所保留的应答，稳定的应答是由于BSA和戊二醛的交联反应以及PPD层，这帮助酶完整固定化以甚至用于2hr的测量。
示例性护口器型尿酸生物传感器的示例性实施包括未稀释的人唾液中的测量。由于蛋白(如粘蛋白)和未处理的人唾液的粘性，电化学测量对于消除电极表面的生物污染可能十分具有挑战性。通过利用‘被动口水’技艺从健康志愿者收集样本，以获得未稀释的人唾液中的示例性测量。将收集的样本未经任何处理直接用于电化学测量。通过应用与人工唾液中所使用的相同的条件(例如EAPP＝-0.3V，持续60s)，经由标准加入法确定唾液样本中尿酸的浓度。为了连续测量真正的唾液样本，每20min测量信号，并且考虑到口中唾液的流动速率(例如，未刺激的：1mL/min，刺激的：2mL/min)，在每次测量时替换样本。例如，在此类连续运行之间，将传感器浸入唾液中。通过经由标准加入法添加0.1-0.5mM尿酸获得人唾液中对尿酸的计时电流应答。
图13A显示了描绘以0.2mM的增量添加不同浓度的尿酸的未稀释的人唾液中示例性PB-PPD-尿酸酶生物传感器的电化学应答的计时电流数据(通过波形1300a–1300f所示)。得到的校准曲线显示于图13A的插图中。图13B显示了描绘添加了350μM尿酸的人唾液样本中的应答的稳定性的数据图。在2hr时间中，以20min的间隔，实施重复测量。图13B中的插图为基于初始电流应答(t＝0s)的相对电流。在此类连续测量之间，将示例性的传感器保存于唾液中，以及示例性的条件包括EAPP＝-0.3V(相对于Ag/AgCl)和t＝60s。
如图13A中所阐明的，在未稀释的人唾液中，生物传感器对不同浓度的尿酸应答良好。例如，得到的图13A的插图中标准曲线显示出良好的敏感性和线性度。在无任何刺激的情况下的人唾液中的唾液尿酸水平被评估为处于正常范围内。尽管由于干扰物如唾液中的蛋白，与人工唾液中的敏感性相比，真正的唾液中的敏感性略有降低，但是对生理水平的尿酸的电流应答是明确且可区分的。此外，如图13B中所示，在人唾液中对稳定性进行评估以确认抗来自唾液蛋白的生物污染，其中示例性结果指示例如当前的尿酸生物传感器可被扩展用于监测急性痛风的治疗。例如，急性痛风应当包括实时监测和快速治疗，这可以通过示例性的PB-PPD-尿酸酶生物传感器解决。显著地，唾液尿酸水平比其血液中的水平显示针对药物的更快速的应答。示例性的护口器型唾液尿酸生物传感器在未稀释的人唾液中显示了良好的线性应答和稳定应答，以及这指示在高尿酸血症患者中的实际临床用途。
PB-PPD-尿酸酶生物传感器的示例性实施包括在药物治疗中监测高尿酸血症患者的唾液尿酸水平。通过开发的护口器型生物传感器比较健康个体与高尿酸血症患者(已由医生确诊)之间的唾液尿酸水平。为了证实一天之中唾液尿酸水平的波动，在5小时内每小时从每一对象(正常个体和高尿酸血症患者)收集唾液并在未对唾液样本进行任何处理的情况下进行测量。通过标准加入法测量每一样本，以得知唾液样本中的尿酸的量。
正常的唾液尿酸水平被认为在250μM至350μM之间，并且具有高于350μM的唾液尿酸水平的个体可被视为高尿酸血症。为了检查在临床中的实际用途，测量并比较来自正常个体和已被医生确诊为高尿酸血症的患者的唾液尿酸水平。当高尿酸血症患者具有高于正常水平的唾液尿酸水平时，根据给药方法连续摄取
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药物4天，并测量每日唾液尿酸水平以确认药物(例如
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)的治疗效果。
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是抑制黄嘌呤氧化酶的药物，它可以治疗高尿酸血症及其相关症状，包括痛风。对于这些示例性实施而言，每日收集唾液，一日三次，并实施标准加入法。
图14A显示了通过利用示例性生物传感器连续监测正常个体(‘●’，黑色圆圈)和高尿酸血症患者(‘■’，红色方块)5小时获得的唾液尿酸水平的数据图。图14B显示了在用
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进行高尿酸血症的治疗的同时，利用示例性生物传感器在5天内监测高尿酸血症患者的唾液尿酸水平的数据图。通过三次测量的平均值获得示例性结果。
如图14A的数据图所示，利用示例性的PB-PPD-尿酸酶生物传感器连续监测稳定的唾液尿酸数值。示例性结果指示，不管是健康个体还是患者，唾液尿酸水平不随时间波动。而且，来自患者的高且可重复的唾液尿酸数值证实了示例性护口器型传感器作为高尿酸血症的诊断工具的可行性。
别嘌呤醇药物被用于将尿酸水平带回至正常范围。注意，此药物被用于控制高尿酸血症患者的尿酸水平。如图14B所示，确认了第一天(即第0天)唾液尿酸的高水平，并且对象开始连续摄取别嘌呤醇药物4天。摄取所述药物4天之后，唾液尿酸水平返回至正常水平，所有的唾液尿酸水平均通过示例性的PB-PPD-尿酸酶生物传感器进行监测。
也可检测唾液中存在的其他生化物质，并将其用于通过公开的基于口的生物传感器和生物燃料电池装置平台提取能量。在一个实例中，可以利用公开的唾液生物传感器电化学检测皮质醇(例如在0.05μg/dL至0.5μg/dL的范围内)，来自所述传感器的数据可被用于指示或确定身体或心理应激标志物或病症，例如诸如库欣综合征。在唾液皮质醇的一个示例性实施方案中，生物传感器100的改进的电极结构102a可以包括层(例如层107)，包含捕获至电极106的皮质醇的抗体(例如皮质醇Ag-Ab/AP)。
在另一实例中，可以利用公开的唾液生物传感器电化学检测α-淀粉酶(例如在10U/mL至250U/mL的范围内)，来自所述传感器的数据可被用于指示或确定身体或心理应激标志物或病症。在唾液α-淀粉酶生物传感器的一个示例性实施方案中，生物传感器100的改进的电极结构102a可以包括层(例如层107)，包含捕获至电极106的葡萄糖氧化酶(GOx)和葡糖苷酶(GD)。
在另一实例中，可以利用公开的唾液生物传感器电化学检测唾液磷酸盐(例如在微摩尔的范围内)，来自所述传感器的数据可被用于指示不同的情况，例如诸如高磷酸盐血症或排卵，或者被用于牙科护理过程。在唾液磷酸盐生物传感器的一个示例性实施方案中，生物传感器100的改进的电极结构102a可以包括层(例如层107)，包含捕获至电极106(例如普鲁士蓝碳)的乳酸氧化酶(LOx)或丙酮酸氧化酶(PyOx)。
在另一实例中，可以利用公开的唾液生物传感器电化学检测镉(例如在高至100μg/L或者更高的水平)，来自所述传感器的数据可被用于不同的应用，例如诸如使用者的环境中存在的环境因素或者吸烟的生物监测。在另一实例中，可以利用公开的唾液生物传感器电化学检测唾液氟化物或钙(例如在0.05ppm至0.01ppm的范围内，或者甚至是在低于0.01ppm的范围内)，来自所述传感器的数据可被用于牙科护理(例如诸如鉴定蛀牙的存在)。在另一实例中，可以利用公开的唾液生物传感器检测pH水平，来自所述传感器的数据可被用于指示与口腔健康相关的不同情况，或者用于确定应激指示物的存在。
实施例
下述实施例说明了本技术的一些实施方案。本技术的其他示例性实施方案可以在下文列出的实施例之前或者在下文列出的实施例之后给出。
在本技术的实施例(实施例1)中，用于检测唾液中的分析物的电化学传感器装置包括含有电绝缘材料的基片；置于基片上第一位置的第一电极，其中第一电极包括含有化学物质的表面，所述化学物质包括与唾液中的分析物相对应的催化剂或反应物；以及置于基片上第二位置的第二电极，所述第二电极通过间隔区域与第一电极分开，第一电极与第二电极能够维持包括化学物质和分析物的氧化还原反应以产生电信号，从而当装置存在于使用者的口中并与电路电耦合时，所述装置可用于检测使用者唾液中的分析物。
实施例2包括如实施例1中的装置，其中第一电极的表面被构造为包含通过聚合物膜中的电聚合物捕获或选透性支架而固定化于第一电极表面的化学物质。
实施例3包括如实施例2中的装置，其中聚合物膜包含聚邻苯二胺。
实施例4包括如实施例2中的装置，其中选透性支架包括Nafion或壳聚糖。
实施例5包括如实施例1中的装置，其中第一电极的表面被构造为包含分散于形成第一电极的材料内的化学物质。
实施例6包括如实施例1中的装置，其中第一电极的表面被构造为包括含有化学物质的层，所述层与所述表面静电或共价连接。
实施例7包括如实施例1中的装置，其中化学物质包括乳酸氧化酶(LOx)，以及被所述装置检测的分析物包括乳酸盐。
实施例8包括如实施例1中的装置，其中化学物质包括葡萄糖氧化酶(GOx)，以及被所述装置检测的分析物包括葡萄糖。
实施例9包括如实施例1中的装置，其中化学物质包括尿酸氧化酶(尿酸酶)，以及被所述装置检测的分析物包括尿酸。
实施例10包括如实施例1中的装置，其中第一电极、第二电极或者这两种电极包含含有电催化剂的导电材料。
实施例11包括如实施例10中的装置，其中第一电极、第二电极或者这两种电极包含含有普鲁士蓝碳的导电材料。
实施例12包含如实施例1中的装置，其中基片被包含于适于配合使用者的口的护口器中，其中第一电极和第二电极的第一位置和第二位置位于使用者的舌头近端的护口器的内部区域。
实施例13包括如实施例1中的装置，其还包括置于基片上的第一电极接口组件，并经由导电的第一管线与第一电极电耦合；以及置于基片上的第二电极接口组件，并经由导电的第二管线与第二电极电耦合，其中第一电极接口组件和第二电极接口组件电耦合至电路。
实施例14包括如实施例1中的装置，其中第一电极可用作工作电极，以及第二电极可用作对电极以用于电流测定法测量，并且所述装置还包括参比电极，其位于基片上工作电极和对电极之间并具有包含化学物质的表面。
实施例15包括如实施例1中的装置，其还包括置于基片上的生物燃料电池以从唾液电化学提取能量，从而向装置供能，其中所述生物燃料电池包括阳极、阴极和电路，所述阳极置于基片上的且含有导电材料，阳极包含燃料电池催化剂以在氧化过程中促进唾液中的燃料物质转化为第一产物，氧化过程释放在阳极捕获的电子，从而从燃料物质中提取能量；以及阴极置于基片上，与阳极相邻并分开，阴极包含导电材料并能够在化学还原过程中将唾液中的氧化物质还原为第二产物，在所述化学还原过程中第二产物获得电子；以及电路，其经电互连线在生物燃料电池与第一电极和第二电极之间电耦合，以电能从生物燃料电池获得提取的能量，并将所述电能提供给装置的第一电极和第二电极。
实施例16包括如实施例15中的装置，其中所述燃料电池催化剂包裹在阳极的表面上由导电聚合物形成的多孔支架结构内。
实施例17包括如实施例17中的装置，其中导电聚合物包含下述中的至少一种：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(对苯硫醚)、聚氟、聚苯撑、聚芘、聚薁、聚萘、聚(乙炔)、聚(对苯撑乙烯)或聚苯二胺(polyphenyldiamine)。
实施例18包括如实施例15中的装置，其中燃料电池催化剂被捕获于与阳极表面连接的选透性膜中。
实施例19包括如实施例18的装置，其中选透性膜包含Nafion或壳聚糖的至少一种。
实施例20包括如实施例15的装置，其中燃料电池催化剂静电连接或共价连接至阳极表面。
实施例21包括如实施例15的装，其中阳极被构造为包含电活性介质，以促进电子在燃料电池催化剂的活性位点与阳极表面之间的转移。
实施例22包括如实施例15中的装置，其中燃料电池催化剂包括Lox、GOx或尿酸酶。
实施例23包括如实施例15的装置，其中阴极包含能够在化学还原过程中将唾液中的非氧化物质还原为第二产物的电活性介质，在所述化学还原过程中中第二产物获得电子。
实施例24包括如实施例15中的装置，其中电路包括信号调理电路，以调整通过生物燃料电池提取的电能，或者放大通过第一电极和第二电极检测的信号，或者二者。
实施例25包括如实施例15中的装置，其中电路包括数据处理单元，所述数据处理单元包括基于检测的电信号处理数据的处理器，以及存储或缓冲数据的存储器。
在本技术的实施例(实施例26)中，检测唾液中的分析物并从唾液向装置供能的方法包括：在与可佩戴于使用者的口内的基于口的装置相连的生物燃料电池的阳极和阴极，通过下述从存在于唾液中的生物燃料物质提取电能：在氧化过程中将生物燃料物质转化为第一产物，氧化过程释放在阳极捕获的电子，在化学还原过程中将唾液中的化学物质还原为第二产物，在化学还原过程中第二产物在阴极处获得电子；向与基于口的装置相连的电化学传感器的电极提供提取的电能，以激活电化学传感器；以及在与使用者口内的唾液接触的激活的电化学传感器的电极处，检测作为氧化还原反应的结果而产生的电信号，所述氧化还原反应涉及唾液中的分析物和与电化学传感器的电极连接的化学剂。
实施例27包括如实施例26中的方法，其中利用电流测定法、伏安法或电位测定法检测电信号。
实施例28包括如实施例26中的方法，其还包括处理电信号以确定分析物的参数。
实施例29包括如实施例28中的方法，其中参数包括分析物的浓度水平。
实施例30包括如实施例26中的方法，其还包括向外部装置无线传输检测的电信号。
在本技术的实施例(实施例31)中，检测唾液中的分析物并从唾液向装置供能的装置包括包含电绝缘材料的基片，其中所述基片被构造为与能够与使用者的口配合的佩戴于口的装置相连；电化学传感器，以检测唾液分析物；生物燃料电池，以从唾液电化学提取能量，从而向装置提供电能；以及电路，其经由电互连线在生物燃料电池与电化学传感器之间电耦合，以电能从生物燃料电池获得提取的能量，并将所述电能提供给电化学传感器。电化学传感器包括置于基片上第一位置的第一电极，其中所述第一电极包括含有化学物质的表面，所述化学物质包含与唾液分析物相对应的催化剂或反应物；以及置于基片上第二位置的第二电极，其通过间隔与第一电极分开，其中第一电极和第二电极可用于维持涉及化学物质和唾液分析物的氧化还原反应，从而产生可被第一电极和第二电极检测的电信号。生物燃料电池包括阳极和阴极，阳极置于基片上并含有导电材料，阳极包含燃料电池催化剂以在氧化过程中促进唾液中的燃料物质转化为第一产物，氧化过程释放在阳极捕获的电子，从而从燃料物质中提取能量；以及阴极置于基片上，其与阳极相邻且分开，阴极含有导电材料并能够在化学还原过程中将唾液中的氧化物质还原为第二产物，在所述化学还原过程中所述第二产物获得电子。当装置存在于使用者的口中时，所述装置可用于检测使用者唾液中的唾液分析物。
实施例32包括如实施例31中的装置，其中电路包括信号调理电路，以调整通过生物燃料电池提取的电能，或者放大通过第一电极和第二电极检测的电信号，或者二者。
实施例33包括如实施例31中的装置，其中电路包括数据处理单元，其包括基于检测的电信号处理数据的处理器，和存储或缓冲数据的存储器。
实施例34包括如实施例31中的装置，其中电路包括无线通讯单元，以将检测的电信号无线传输至外部装置。
实施例35包括如实施例31中的装置，其中第一电极的表面被构造为包含化学物质，所述化学物质通过聚合物膜内的电聚合物捕获或选透性支架而固定化于第一电极表面；或者所述化学物质分散于形成第一电极的材料内；或者包含所述化学物质的层与所述表面静电相连或共价相连。
实施例36包括如实施例35中的装置，其中聚合物层包含聚(邻苯二胺)，或者其中选透性支架包含Nafion或壳聚糖。
实施例37包含如实施例31中的装置，其中通过下述中的一种或多种配置电化学传感器：化学物质包括乳酸氧化酶(LOx)，以及通过电化学传感器检测的分析物包括乳酸盐；化学物质包括葡萄糖氧化酶(GOx)，以及通过电化学传感器检测的分析物包括葡萄糖；化学物质包括尿酸氧化酶(尿酸酶)，以及通过电化学传感器检测的分析物包括尿酸；化学物质包括皮质醇抗体，以及通过电化学传感器检测的分析物包括皮质醇；化学物质包括GOx和葡糖苷酶(GD)，以及通过电化学传感器检测的分析物包括α-淀粉酶；和/或化学物质包括LOx或丙酮酸氧化酶(PyOx)，以及通过电化学传感器检测的分析物包括磷酸盐。
实施例38包括如实施例31中的装置，其中基片被包含于适于配合使用者的口的护口器中，其中第一电极和第二电极的第一位置和第二位置位于使用者的舌头近端的护口器的内部区域。
实施例39包括如实施例31中的装置，其中第一电极可用作工作电极，以及第二电极可用作对电极以用于电流测定法测量，并且电化学传感器还包括参比电极，其位于基片上工作电极与对电极之间且具有包含化学物质的表面的。
实施例40包括如实施例31中的装置，其中燃料电池催化剂包裹在阳极的表面上由导电聚合物形成的多孔支架结构内；或者燃料电池催化剂被捕获进与阳极表面连接的选透性膜内；或者燃料电池催化剂与阳极表面静电连接或共价连接。
实施例41包括如实施例40中的装置，其中导电聚合物包含下述中的至少一种：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(对苯硫醚)、聚氟、聚苯撑、聚芘、聚薁、聚萘、聚(乙炔)、聚(对苯撑乙烯)或聚苯二胺(polyphenyldiamine)。
实施例42包括如实施例40中的装置，其中选透性膜包括Nafion或壳聚糖的至少一种。
实施例43包含如实施例31中的装置，其中阳极被构造为包含电活性介质，以促进电子在燃料电池催化剂的活性位点与阳极表面之间的转移。
实施例44包括如实施例31中的装置，其中燃料电池催化剂包含Lox、GOx或尿酸酶。
可以在不同的系统，数字电路或者在计算机软件、固件或硬件，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物中，或者在它们中的一种或多种的组合中实施本专利文件中所述的主题和功能性操作的实施。可以作为一个或多个计算机程序产品来实施本说明书中所述的主题的实施，即作为被数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作的有形的且非暂时的计算机可读介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块来实施。计算机可读介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基片、存储器装置、影响机器可读的传播信号的物质组合或者它们中的一种或多种的组合。术语“数据处理设备”包含用于处理数据的所有设备、装置和机器，以举例说明的方式包括可编程处理器、计算机或多处理器或计算机。除硬件外，设备可以包含创建所讨论的计算机程序的执行环境的代码，例如组成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中的一种或多种的组合的代码。
可以以任何编程语言形式来写计算机程序(也被称作程序、软件、软件应用、脚本或代码)，包括编译型或解释型语言，并且其可以以任何形式配置，包括作为独立程序或者作为模块、组件、子程序或者适合用于计算环境的其他单元。计算机程序不一定与文件系统中的文件对应。程序可以存储于保留其他程序或数据(例如存储于标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中，存储于致力于所讨论的程序的单一文件中，或者存储于多个协调文件(例如存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)中。计算机程序可被配置为在一台计算机或多台计算机上执行，所述多台计算机位于一个站点或者分布于多个站点并通过通讯网络互相连接。
可以通过执行一个或多个计算机程序以通过操作输入数据和产生输出来实施功能的一个或多个可编程处理器来实施本说明书中描述的过程或逻辑流。还可以通过专用逻辑电路例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)来实施过程和逻辑流，以及也可作为专用逻辑电路例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)来实现设备。
通过举例说明的方式，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器这两种以及任何种类的数字计算机的任何一种或多种处理器。通常，处理器将接收来自只读存储器或随机存取存储器或者这两种的指令和数据。计算机的基本元件是执行指令的处理器和存储指令和数据的一个或多个存储器装置。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储装置，或者被可有效地连接以接收来自用于存储数据的一个或多个大容量存储装置的数据或将数据转移至用于存储数据的一个或多个大容量存储装置，或者既接收来自用于存储数据的一个或多个大容量存储装置的数据又将数据转移至用于存储数据的一个或多个大容量存储装置，所述大容量存储装置例如磁盘、磁光盘或光盘。然而，计算机不需要具有此类装置。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失存储器、介质和存储器装置，通过举例说明的方式，包括半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置。处理器和存储器可以补充专用逻辑电路，或者并入专用逻辑电路中。
虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明的范围或可能要求保护的范围的限制，而是特定发明的特定实施方案所特有的特征的描述。在单独的实施方案的背景下的本专利文件中描述的某些特征也可在单一实施方案中组合实施。相对地，在单一实施方案的背景下描述的不同特征也可在多个实施方案中单独实施或者以任何合适的子组合实施。此外，尽管上述可将特征描述为在特定的组合中发挥作用，以及甚至在最初照此要求保护，但是在一些情况下来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中去除，以及要求保护的组合可针对子组合或子组合的变形。
类似地，尽管在附图中以特定的顺序描述了操作，这不应理解为要求以所示的特定顺序或按顺序实施此类操作或者实施阐明的所有操作，以实现可期望的结果。此外，本专利文件中所述的实施方案中的不同系统元件的分离不应被理解为在所有实施方案中均需要此种分离。
仅描述了少数实施和实施例，以及可以基于本专利文件中所描述的和所阐明的作出其他实施、提高和改变。

Claims (42)

1.检测唾液中的分析物的电化学传感器装置，其包括：
含有电绝缘材料的基片，其中所述基片被配置于能够与使用者的口配合的佩戴于口的装置；
置于所述基片的第一侧面上第一位置的第一电极，使得所述基片的所述第一侧面存在于所述佩戴于口的装置的内部侧面以面向所述口的内部，
与所述第一电极的表面连接的层，其中所述层包含化学物质，所述化学物质包括与唾液中的分析物相对应的催化剂或反应物，其中所述层被布置在所述第一电极上以接合唾液；和
置于所述基片的第一侧面上第二位置的第二电极，所述第二电极通过间隔区域与所述第一电极分开并且不被所述层覆盖，所述第一电极和第二电极能够维持包括所述化学物质和所述分析物的氧化还原反应，以产生电信号，
其中所述佩戴于口的装置包括适于配合所述使用者的口的护口器，其中所述第一电极和第二电极的第一位置和第二位置位于所述使用者的舌头近端的护口器的所述内部侧面以接合唾液，
其中，当所述装置存在于使用者的口中并与电路电耦合时，所述装置可用于检测使用者唾液中的分析物。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述层的化学物质通过聚合物膜内的电聚合物捕获或选透性支架而固定化于所述第一电极表面。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述聚合物膜包含聚邻苯二胺。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述选透性支架包括Nafion或壳聚糖。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极被构造为包含分散于形成所述第一电极的材料内的化学物质。
6.如权利要求1所述的装置，其中包含化学物质的所述层与所述表面静电连接或共价连接。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述化学物质包括乳酸氧化酶(LOx)，以及通过所述装置检测的分析物包括乳酸盐。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述化学物质包括葡萄糖氧化酶(GOx)，以及通过所述装置检测的分析物包括葡萄糖。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述化学物质包括尿酸氧化酶(尿酸酶)，以及通过所述装置检测的所述分析物包括尿酸。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极、所述第二电极或者这两者包含含有电催化剂的导电材料。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述第一电极、所述第二电极或者这两者包含含有普鲁士蓝碳的导电材料。
12.如权利要求1所述的装置，其还包括：
第一电极接口组件，其置于所述基片上并经由导电的第一管线与所述第一电极电耦合；和
第二电极接口组件，其置于所述基片上并经由导电的第二管线与所述第二电极电耦合，
其中所述第一电极接口组件和第二电极接口组件电耦合至所述电路。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极可用作工作电极，以及所述第二电极可用作对电极，以用于电流测定法测量，并且所述装置还包括：
参比电极，其位于所述基片上所述工作电极与对电极之间并具有包含化学物质的表面。
14.如权利要求1所述的装置，其还包括：
置于所述基片上的生物燃料电池，以从所述唾液电化学提取能量，从而向所述装置供能，所述生物燃料电池包括：
置于所述基片上并含有导电材料的阳极，所述阳极包含燃料电池催化剂以在氧化过程中促进所述唾液中的燃料物质转化为第一产物，所述氧化过程释放在所述阳极捕获的电子，从而从所述燃料物质提取能量，和
置于所述基片上与所述阳极相邻且分开的阴极，所述阴极包含导电且能够在化学还原过程中将所述唾液中的氧化物质还原为第二产物的材料，在所述化学还原过程中所述第二产物获得电子；和
电路，其经电互连在所述生物燃料电池与所述第一电极和第二电极之间电耦合，以电能形式从所述生物燃料电池获得提取的能量，以及将所述电能提供给所述装置的第一电极和第二电极。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述燃料电池催化剂包裹在所述阳极的表面上由导电聚合物形成的多孔支架结构内。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述导电聚合物包含下述中的至少一种：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(对苯硫醚)、聚氟、聚苯撑、聚芘、聚薁、聚萘、聚(乙炔)、聚(对苯撑乙烯)或聚苯二胺。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述燃料电池催化剂被捕获于与所述阳极的表面连接的选透性膜内。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述选透性膜包括Nafion或壳聚糖的至少一种。
19.如权利要求14所述的装置，其中所述燃料电池催化剂静电连接或共价连接至所述阳极的表面。
20.如权利要求14所述的装置，其中所述阳极被构造为包含电活性介质，以促进电子在所述燃料电池催化剂的活性位点与所述阳极表面之间的转移。
21.如权利要求14所述的装置，其中所述燃料电池催化剂包括Lox、GOx或尿酸酶。
22.如权利要求14所述的装置，其中所述阴极包含电活性介质，所述电活性介质能够在化学还原过程中将所述唾液中的非氧化的物质还原为第二产物，在所述化学还原过程中所述第二产物获得电子。
23.如权利要求14所述的装置，其中所述电路包括信号调理电路，以调整通过所述生物燃料电池提取的电能，或者放大通过所述第一电极和第二电极检测的电信号，或者二者。
24.如权利要求14所述的装置，其中所述电路包括数据处理单元，所述数据处理单元包括基于检测的电信号处理数据的处理器和存储或缓冲所述数据的存储器。
25.检测唾液中的分析物并从唾液向装置供能的方法，其包括：
在与可佩戴于使用者的口内的基于口的装置相连的生物燃料电池的阳极和阴极，通过下述从存在于唾液中的生物燃料物质提取电能：在氧化过程中将所述生物燃料物质转化为第一产物，所述氧化过程释放在所述阳极捕获的电子；以及在化学还原过程中将唾液中的化学物质还原为第二产物，在所述化学还原过程中所述第二产物在所述阴极处获得电子；
将提取的电能提供给与所述基于口的装置相连的权利要求1至13中任一项所述的电化学传感器装置的电极，以激活所述电化学传感器装置；以及
在与所述使用者口中的唾液接触的激活的电化学传感器装置的电极处，检测由涉及所述唾液中的分析物和与所述电化学传感器装置的电极连接的化学试剂的氧化还原反应所产生的电信号。
26.如权利要求25所述的方法，其中利用电流测定法、伏安法或电位测定法检测所述电信号。
27.如权利要求25所述的方法，其还包括：
处理所述电信号，以确定所述分析物的参数。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述参数包括所述分析物的浓度水平。
29.如权利要求25所述的方法，其还包括：
将检测的电信号无线传输至外部装置。
30.检测唾液中的分析物并从唾液向装置供能的装置，包括：
包含电绝缘材料的基片，所述基片与能够与使用者的口配合的佩戴于口的装置相连；
电化学传感器，以检测唾液分析物，所述电化学传感器包括：
置于所述基片的第一侧面上第一位置的第一电极，使得所述基片的所述第一侧面存在于所述佩戴于口的装置的内部侧面以面向所述口的内部，
与所述第一电极的表面连接的层，其中所述层包含化学物质，所述化学物质包括与唾液中的分析物相对应的催化剂或反应物，其中所述层被布置在所述第一电极上并完全覆盖所述第一电极以接合唾液；和
置于所述基片的第一侧面上第二位置的第二电极，所述第二电极通过间隔与所述第一电极分开并且不被所述层覆盖，所述第一电极和第二电极可用于维持涉及所述化学物质和所述唾液分析物的氧化还原反应，从而产生所述第一电极和第二电极可检测的电信号；
生物燃料电池，以从所述唾液中电化学提取能量，从而向所述装置提供电能，所述生物燃料电池包括：
置于所述基片上且包含导电材料的阳极，所述阳极包含燃料电池催化剂，以在氧化过程中促进所述唾液中的燃料物质转化为第一产物，所述氧化过程释放在所述阳极捕获的电子，从而从所述燃料物质提取能量，和
置于所述基片上与所述阳极相邻且分开的阴极，所述阴极包含导电且能够在化学还原过程中将所述唾液中的氧化物质还原为第二产物的材料，在所述化学还原过程中所述第二产物获得电子；以及
电路，其经由电互连在所述生物燃料电池与所述电化学传感器之间电耦合，以电能形式从所述生物燃料电池获得提取的能量，以及将所述电能提供给所述电化学传感器，
其中所述佩戴于口的装置包括适于配合所述使用者的口的护口器，其中所述第一电极和第二电极的第一位置和第二位置位于所述使用者的舌头近端的护口器的内部区域以接合唾液，
其中，当所述装置存在于使用者的口中时，所述装置可用于检测所述使用者唾液中的唾液分析物。
31.如权利要求30所述的装置，其中所述电路包括信号调理电路，以调整通过所述生物燃料电池提取的电能，或者放大通过所述第一电极和第二电极检测的电信号，或者二者。
32.如权利要求30所述的装置，其中所述电路包括数据处理单元，所述数据处理单元包括基于检测的电信号处理数据的处理器和存储或缓冲所述数据的存储器。
33.如权利要求30所述的装置，其中所述电路包括无线通讯单元，以将检测的电信号无线传输至外部装置。
34.如权利要求30所述的装置，其中：
化学物质通过聚合物膜内的电聚合物捕获或选透性支架而固定化于所述第一电极表面；或者
化学物质分散于形成所述第一电极的材料内；或者
含有化学物质的所述层与所述表面静电相连或共价相连。
35.如权利要求34所述的装置，其中所述聚合物膜包括聚邻苯二胺，或者其中所述选透性支架包括Nafion或壳聚糖。
36.如权利要求30所述的装置，其中：
所述化学物质包括乳酸氧化酶(LOx)，以及通过所述电化学传感器检测的所述分析物包括乳酸盐；或者
所述化学物质包括葡萄糖氧化酶(GOx)，以及通过所述电化学传感器检测的所述分析物包括葡萄糖；或者
所述化学物质包括尿酸氧化酶(尿酸酶)，以及通过所述电化学传感器检测的所述分析物包括尿酸；或者
所述化学物质包括皮质醇的抗体，以及通过所述电化学传感器检测的所述分析物包括皮质醇；或者
所述化学物质包括GOx和葡糖苷酶(GD)，以及通过所述电化学传感器检测的所述分析物包括α-淀粉酶；或者
所述化学物质包括LOx或丙酮酸氧化酶(PyOx)，以及通过所述电化学传感器检测的所述分析物包括磷酸盐。
37.如权利要求30所述的装置，其中所述第一电极可用作工作电极，以及所述第二电极可用作对电极，以用于电流测定法测量，并且所述电化学传感器还包括：
参比电极，其处于所述基片上所述工作电极与对电极之间并具有含有化学物质的表面。
38.如权利要求30所述的装置，其中：
所述燃料电池催化剂包裹在阳极的表面上由导电聚合物形成的多孔支架结构内；或者
所述燃料电池催化剂被捕获于与所述阳极的表面连接的选透性膜内；或者
所述燃料电池催化剂静电连接或共价连接至所述阳极的表面。
39.如权利要求38所述的装置，其中所述导电聚合物包含下述中的至少一种：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(对苯硫醚)、聚氟、聚苯撑、聚芘、聚薁、聚萘、聚(乙炔)、聚(对苯撑乙烯)或聚苯二胺。
40.如权利要求38所述的装置，其中所述选透性膜包括Nafion或壳聚糖的至少一种。
41.如权利要求30所述的装置，其中所述阳极被构造为包含电活性介质，以促进电子在所述燃料电池催化剂的活性位点与所述阳极的表面之间的转移。
42.如权利要求30所述的装置，其中所述燃料电池催化剂包括Lox、GOx或尿酸酶。
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