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CN117942073A - 与分析物传感器一起使用的酶介体官能化聚合物 - Google Patents

与分析物传感器一起使用的酶介体官能化聚合物 Download PDF

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CN117942073A
CN117942073A CN202311408048.1A CN202311408048A CN117942073A CN 117942073 A CN117942073 A CN 117942073A CN 202311408048 A CN202311408048 A CN 202311408048A CN 117942073 A CN117942073 A CN 117942073A
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Q·杨
A·K·拉奥
H·加迪米
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Medtronic Minimed Inc
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Abstract

本发明的实施方案提供具有被选择以优化与此类传感器相关的酶活性的元件、包括用酶介体官能化的聚合物的电流型分析物传感器以及用于制造和使用此类传感器的方法。虽然本发明的实施方案可用于多种情况，但是本发明的典型实施方案包括用于管理糖尿病的葡萄糖或酮传感器。

Description

与分析物传感器一起使用的酶介体官能化聚合物
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.第119(e)节要求2023年10月28日提交的名称为“与分析物传感器一起使用的酶介体官能化聚合物(ENZYME MEDIATOR FUNCTIONALIZED POLYMERS FORUSE WITH ANALYTE SENSORS)”的共同未决和美国临时专利申请序列63/420,207号的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
分析物传感器(例如用于管理糖尿病的葡萄糖传感器)以及用于制造和使用此类传感器的方法和材料。
背景技术
诸如生物传感器等分析物传感器包括使用生物元素将基质中的化学分析物转化为可检测信号的装置。存在许多种类型的用于各种各样的分析物的生物传感器。研究最多的生物传感器类型是电流型葡萄糖传感器，其对于成功控制糖尿病的葡萄糖水平至关重要。
电化学传感器的一个常见问题是它们不仅可与待测量分析物(或与分析物的酶促反应的副产物)发生电化学反应，而且还可与并非有意测量的其他电活性化学物种发生反应，这导致信号强度因这些“干扰物种”而增加。通常，这种干扰物种是具有与待测量分析物重叠的氧化或还原电势的化合物(或与分析物的酶促反应的副产物)。例如，在其中传感器测量过氧化氢的常规的电流型的基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖传感器中，已知干扰物种(诸如对乙酰氨基酚、抗坏血酸盐、间甲酚、苯酚、甘油和尿酸盐)会混淆真正的分析物信号。
出于上述原因，期望被设计成改善传感器功能并解决由这种干扰物种引起的困难的方法和材料。
发明内容
如本文所公开的，可通过使用具有材料群集的电化学分析物传感器来克服由于体内环境中存在的干扰物种而在电化学分析物传感器中可能发生的虚假电子信号的问题，该材料群集允许它们感测真正的分析物信号，同时避免可由干扰物种引起的混杂信号。如下文所讨论的，我们显示可将试剂(诸如酶介体)掺入分析物传感器材料中以允许这些传感器使用在存在干扰物的情况下不引起混杂信号的范围内的电操作电势起作用。在本发明的一个说明性实施方案中，介体胺反应性吩嗪乙基硫酸盐(Ar-PES)(IUPAC名称1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)用于此类传感器设计中。在该实施方案中，AR-PES可与胺官能聚合物(诸如聚赖氨酸)偶联，该聚合物可与各种试剂诸如介体以及辅酶(包括黄素腺嘌呤二核苷酸“FAD”(例如，与葡萄糖脱氢酶一起使用)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸“NAD”(例如，与3-羟基丁酸脱氢酶一起使用)操作地偶联(例如，交联)。这种聚合物介体和辅酶元件的群集可用于产生电化学酶系统，该电化学酶系统促进电子从酶/分析物反应转移至传感器电极，从而避免在干扰物存在下发生的混杂传感器信号的问题。
某些常规电流型葡萄糖传感器通过使用相对高的施加电势(例如约535mV的施加电势)起作用。通过使用试剂/介体(诸如本文所公开的那些试剂/介体)，电化学分析物传感器的操作电势可降至低于300mV。例如，在本发明的典型实施方案中，操作电势可以在-200mV至+100mV的范围内(例如，0mV)，该操作电势范围适于观察来自感兴趣分析物的电信号，但来自干扰物种的信号不混淆真正的分析物信号。本文公开的包括介体等的传感器设计起到常规传感器的作用，并且例如对的葡萄糖的生理浓度的显示线性响应。尽管基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖传感器用于展示本发明的工作实施方案，但介体/聚合物元件也可用于其它酶系统，诸如那些利用乳酸氧化酶或各种脱氢酶(诸如3-羟基丁酸脱氢酶)的酶系统。令人惊讶的是，已经发现本文公开的介体/酶系统在使用环氧乙烷的灭菌过程之后很好地起作用，环氧乙烷是可以损害某些传感器设计的可操作性的灭菌试剂。
本发明提供了被设计用于改善传感器灵敏度并解决由存在于体内环境中的干扰物种引起的困难的方法和材料。本发明的实施方案包括例如制造分析物传感器设备的方法。此类方法通常包括以下步骤：提供一个基底层；在基底层上形成导电层，其中导电层包括工作电极。这些方法进一步包括在工作电极上形成分析物感测层，其中该分析物感测层包含被选择用于与分析物反应的酶；并且这种酶与用被选择来介导酶与分析物的反应性的试剂官能化的聚合物操作地偶联。在本发明的实施方案中，可以在工作电极上，例如在分析物感测层与工作电极之间形成一个或多个介入层(例如，包括干扰抑制膜的介入层)。该方法进一步包括在分析物感测层上形成分析物调节层，其中分析物调节层包括调节分析物穿过其中的扩散的组合物。在本发明的实施方案中，可在分析物调节层上，例如在分析物感测层与分析物调节层之间形成一个或多个介入层。
在本发明的各种实施方案中可以使用多种材料。在本发明的某些实施方案中，酶包括葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。在某些实施方案中，试剂包括介体，诸如胺反应性吩嗪乙基硫酸盐“AR-PES”(IUPAC名称1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)。在本发明的实施方案中，聚合物可包括聚赖氨酸聚合物；聚烯丙基胺聚合物；聚乙二醇聚合物；聚乙烯亚胺聚合物等。在本发明的某些实施方案中，分析物感测层与黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸操作地偶联。任选地，介体与胺官能化的聚合物偶联，其中该聚合物以促进电子从酶-分析物反应转移至工作电极的方式进一步与酶交联。在本发明的某些实施方案中，工作电极由碳组合物形成。此外，这些方法可进一步包括使用灭菌过程对分析传感器设备进行灭菌，该灭菌过程包括将分析物传感器设备暴露于环氧乙烷气体。
本发明的实施方案包括分析物传感器设备，该分析物传感器设备包括本文公开的元件群集。通常，这种分析物传感器设备包括基底层；导电层，该导电层设置在基底层上，其中导电层包括工作电极；分析物感测层，该分析物感测层设置在工作电极上，其中分析物感测层包含被选择为与分析物反应的酶；并且与用被选择来介导酶的反应性的试剂(例如“AR-PES”1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)官能化的聚合物操作地偶联；和分析物调节层，该分析物调节层设置在分析物感测层上，其中分析物调节层包括调节分析物穿过其中的扩散的组合物。在这种分析物传感器设备中，酶可以包括葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶、葡萄糖氧化酶等。在这种分析物传感器设备中，聚合物可包括聚赖氨酸聚合物；聚烯丙基胺聚合物；聚乙二醇聚合物；聚乙烯亚胺聚合物等。在此类传感器的某些实施方案中，分析物感测层与黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸操作地偶联。在此类传感器的某些实施方案中，AR-PES与聚赖氨酸偶联，该聚赖氨酸以促进电子从分析物酶反应转移至工作电极(例如由碳组合物形成的电极)的方式进一步与酶交联。
本文公开的本发明的实施方案包括所选的元件群集。例如，在本发明的某些实施方案中，聚赖氨酸聚合物与介体(例如AR-PES)偶联，并且该聚合物进一步与酶(诸如葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶)(例如经由戊二醛交联))和辅因子(诸如NAD)偶联。在本发明的其它实施方案中，聚乙烯亚胺(PEI)聚合物与介体(例如AR-PES)偶联，并且该聚合物进一步与酶(诸如3-羟基丁酸脱氢酶)和辅因子(例如NAD)偶联(例如使用聚(乙二醇)二缩水甘油醚(PEGDGE)作为交联剂)。
本发明的实施方案还包括估计体内分析物(例如葡萄糖、乳酸盐、3-羟基丁酸盐等)的浓度的方法。通常，此类方法包括将本文公开的电流型分析物传感器设置于受试者的体内环境中，其中环境包括分析物；然后估计分析物的浓度；使得估计体内分析物的浓度。在这些方法的典型实施方案中，分析物传感器设备使用从-200毫伏至+100毫伏(例如0毫伏)的操作电势来感测分析物。
对于本领域技术人员而言，本发明的其他目标、特征和优点将根据以下详细描述而变得显而易见。然而，应当理解，详细描述和具体示例虽然指示本发明的一些实施方案，但是它们是以例示而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。
附图说明
图1提供了显示与本发明的实施方案一起使用的说明性元件的示意图，该说明性元件例如作为介体的胺反应性PES；作为聚合物的聚乙烯亚胺(PEI)、PEG、聚烯丙基胺、聚乙烯基胺或聚赖氨酸，以及作为酶的葡萄糖脱氢酶或葡萄糖氧化酶。
图2A提供了电流型分析物传感器的一个实施方案的图解视图，其中可以利用本文公开的元件，诸如用被选择来介导酶与分析物的反应性的试剂官能化的聚合物。图2B提供了具有高密度胺层的电流型分析物传感器的一个实施方案的图解视图。图2C提供了具有多个层状元件的电流型分析物传感器的一个实施方案的图解视图，该层状元件包括其上设置有碳电极的衬底，然后用包括酶(例如3-羟基丁酸脱氢酶“HBDH”)和辅因子(例如NAD)、介体(例如Ar-PES)和与这些反应物偶联的聚合物(例如聚乙烯亚胺)的材料涂覆该电极。然后用分析物(例如酮或葡萄糖)限制膜(KLM或GLM)涂覆该材料。
图3提供了说明体现本发明特征的皮下传感器插入套件、遥测特性监测器发射器装置和数据接收装置的透视图。
图4示出了在本发明的实施方案中可用于测量电流的稳压器的示意图。如图4所示，稳压器300可包括运算放大器310，其连接在电路中以具有两个输入：V设定和V测量。如所示出，V测量是参比电极与工作电极之间的电压的测量值。另一方面，V设定是工作电极与参比电极之间的最佳期望电压。测量反电极与参比电极之间的电流，产生从稳压器输出的电流测量结果(isig)。
图5提供了显示不同代(G)的基于葡萄糖氧化酶的电化学葡萄糖传感器的机械细节的示意图。
图6提供了显示在制备PES改性聚合物期间通过胺反应性吩嗪乙基硫酸盐(Ar-PES)的琥珀酰亚胺基团对Lys残基上的伯胺进行改性的示意图。
图7显示了暴露于干扰物间甲酚和苯酚的葡萄糖传感器中近似间质葡萄糖读数(Isig)的信号变化的图示数据。
图8提供了显示两个传感器实施方案(第一实施方案(左图)和第二实施方案(右图))的示意图，在该第一实施方案中介体束缚于聚合物(聚赖氨酸)，在该第二实施方案中介体直接束缚于酶。在该图中，传感器层架构显示在图示出在每个传感器实施方案中如何束缚/设置介体的卡通上方。
具体实施方式
除非另外定义，否则本文使用的所有的专门术语、符号和其他科学术语旨在具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。在一些情况下，为了清楚和/或便于参考起见，本文对具有通常理解的含义的术语进行了定义，并且本文中包括这些定义不应被必然解释为代表与本领域通常理解的含义有实质性差异。本文描述或引用的许多技术和程序是很好理解的，并且常常由本领域的技术人员使用常规方法来采用。在适当时，除非另外指明，否则涉及可商购的试剂盒和试剂的使用的程序一般根据制造商定义的方案和/或参数进行。另外，本文再现了来自相关技术的某些文本以更清楚地描绘本发明的各种实施方案。下面定义了多个术语。
本文所提及的所有出版物通过引用明确并入本文，以公开和描述与所引用的出版物相关的方法和/或材料。本文所引用的出版物针对其在本申请的提交日期之前的公开内容而被引用。这里的任何内容都不应被解释为承认发明人无权凭借本发明的较早优先权日或在前的日期而早于该出版物。此外，实际公开日可能与显示的不同，并且需要独立验证。
必须注意的是，除非上下文另外明确指示，否则如本文和所附权利要求中所使用，单数形式“一个/种(a/an)”和“该”包含复数指代物。因此，例如，对“一种氧化还原酶”的提及包含本领域的技术人员已知的多种此类氧化还原酶和其等效物等等。说明书和相关权利要求书中所述的所有数字，指的是可以用整数以外的值进行数值表征的值(例如溶液中化合物的浓度)，应理解为由术语“约”修饰。
本文所使用的术语“分析物”是广义的术语并且以其普通意义使用，包括但不限于是指在诸如生物流体(例如，血液、间质液、脑脊液、淋巴液或尿液)等可以被分析的流体中的物质或化学成分。分析物可以包括天然存在的物质、人造物质、代谢物和/或反应产物。在一些实施方案中，用于由感测区域、装置和方法测量的分析物是葡萄糖。然而，也设想了其它分析物，包含但不限于乳酸。在某些实施方案中，血液或间质液中天然存在的盐、糖、蛋白质、脂肪、维生素和激素可以构成分析物。分析物可以天然存在于生物流体或是内生的；例如，代谢产物、激素、抗原、抗体等。替代地，分析物可以被引入人体或是外源的，例如，用于成像的造影剂、放射性同位素、化学试剂、基于碳氟化合物的合成血液或药物或药物组合物，包括但不限于胰岛素。药物和药物组合物的代谢产物也是考虑的分析物。
术语“干扰物”和“干扰物种/化合物”以其普通意义使用，包括但不限于干扰传感器中感兴趣分析物的测量结果以产生不准确地表示分析物测量结果的信号的效应和/或化学物种/化合物。在电化学传感器的一个示例中，干扰物种是具有氧化电势的化合物，其与待测量的分析物重叠从而产生虚假信号。
本文所使用的术语“传感器”是广义的术语并且以其普通意义使用，包括但不限于分析物监测装置的检测分析物的一个或多个部分。在一个实施方案中，传感器包含电化学电池，该电化学电池具有工作电极、参比电极和任选地反电极，该反电极穿过传感器体并且固定在传感器主体内，从而在主体上的一个位置处形成电化学反应性表面，在主体的另一个位置处形成电连接，并且形成粘附到主体并且覆盖电化学反应性表面的膜系统。在传感器的一般操作期间，生物样品(例如，血液或间质液)或其一部分接触(直接或在通过一个或多个膜或结构域之后)酶(例如，葡萄糖氧化酶)；生物样品(或其部分)的反应导致形成允许确定生物样品中的分析物水平的反应产物。
如下文详细讨论的，本发明的实施方案涉及电化学传感器的用途，该电化学传感器表现出具有独特的一组技术上期望的材料性质的新元件群集，例如用被选择来介导酶与分析物的反应性的试剂(例如Ar-PES)官能化的聚合物(例如聚赖氨酸聚合物)。本发明的电化学传感器被设计成测量感兴趣分析物(例如葡萄糖)或指示流体中分析物的浓度或存在的物质的浓度。在一些实施方案中，传感器是连续装置，例如皮下、经皮或血管内装置。在一些实施方案中，该装置可分析多个间歇血液样本。本文公开的传感器实施方案可使用任何已知的方法，包括侵入式、微创式和非侵入式感测技术，来提供指示感兴趣分析物的浓度的输出信号。通常，传感器的类型是在氧气存在下感测分析物与酶之间的酶反应的产物或反应物，作为体内或体外的分析物的测量。这种传感器通常包括围绕酶的膜，分析物通过该膜迁移。然后使用电化学方法测量产物，并且因此电极系统的输出充当分析物的量度。
如下文详细讨论的，本文公开的本发明的实施方案提供了具有增强的材料性质和/或架构配置的传感器元件和被构造成包括此类元件的传感器系统(例如，包括传感器和诸如监测器、处理器等相关联电子部件的传感器系统)。本公开进一步提供用于制造和使用此类传感器和/或架构配置的方法。虽然本发明的一些实施方案涉及葡萄糖传感器和/或乳酸盐传感器，但是本文公开的各种元件(例如用被选择来介导酶与分析物的反应性的试剂官能化/与该试剂偶联的聚合物)可以适用于与本领域已知的各种各样的传感器中的任何传感器一起使用。分析物传感器元件、架构以及用于制造和使用本文所公开的这些元件的方法可以用于建立各种分层的传感器结构。本发明的此类传感器展现出令人惊讶的灵活度和多功能度、允许各种各样的传感器配置被设计成检查各种各样的分析物物种的特性。
在以下部分中详细讨论本发明的实施方案的具体方面。
I.本发明的典型元件、配置和分析物传感器实施方案
本领域中已知包含用于检测和/或测量诸如葡萄糖等生物分析物的电流型传感器的各种各样的传感器和传感器元件。许多葡萄糖传感器基于氧(克拉克型)电流型换能器(参见例如Yang等人，Electroanalysis 1997,9,第16期:1252-1256；Clark等人，Ann.N.Y.Acad.Sci.1962,102,29；Updike等人，Nature 1967,214,986；和Wilkins等人，Med.Engin.Physics,1996,18,273.3-51)。许多体内葡萄糖传感器利用基于过氧化氢的电流型换能器，因为换能器相对容易制造并且可以使用常规技术容易地进行小型化。然而，与使用基于过氧化氢的电流型换能器相关的问题是由于分析物环境中存在的电活性物质引起的信号干扰。本领域中的当前传感器通常缺乏对其它电化学反应性物质(诸如对乙酰氨基酚和其它药物)的选择性，这些电化学反应性物质如果不消除，将导致显著的假信号。
多种电化学分析物传感器通过向一个或多个传感器电极施加电势来起作用，该传感器电极被设计成在感兴趣分析物的存在下提供不同的电子信号(例如，由糖尿病个体使用的电化学葡萄糖传感器)。在这种电化学分析物传感器中，当施加到电极的电操作电势产生不仅与分析物的存在相关的信号，而且响应于感测分析物的环境中存在的非分析物试剂的存在而产生信号时，可能出现问题。例如，在被设计成向传感器电极施加相对高的电极电势(例如，535mV的施加电势)的电化学葡萄糖传感器中，针对诸如患者可能正在服用的某些药物(例如，对乙酰氨基酚)和/或通常与胰岛素配制剂组合的向糖尿病患者施用的添加试剂(例如，间甲酚、苯酚和甘油)的干扰物观察到虚假非分析物信号。
某些常规电流型葡萄糖传感器通过使用相对高的施加电势(例如约535mV的施加电势)起作用(图4显示了在本发明的实施方案中有用的类型的恒电势仪的示意图)。不幸的是，在这种相对高的电势(例如高于200mV)下，这样的传感器不仅可以响应于感测到的分析物(诸如葡萄糖)而产生信号，而且可以响应于被取样的流体中存在的干扰物而产生信号。这样的干扰物包括某些药物(例如，对乙酰氨基酚)以及在胰岛素配制剂中发现的化合物(例如，间甲酚、苯酚和甘油)。通过在本文公开的传感器的分层分析物材料中使用本文公开的介体，此类传感器的操作电势可降至低于300mV或低于200mV，从而避免由干扰物产生的虚假信号。
本发明的实施方案包括例如制造分析物传感器设备的方法。此类方法通常包括以下步骤：提供一个基底层；在基底层上形成导电层，其中导电层包括工作电极。这些方法进一步包括在工作电极上形成分析物感测层，其中该分析物感测层包含被选择用于与分析物反应的酶；并且这种酶与用被选择来介导酶与分析物的反应性的试剂官能化的聚合物操作地偶联。该方法进一步包括在分析物感测层上形成分析物调节层，其中分析物调节层包括调节分析物穿过其中的扩散的组合物。
在本发明的各种实施方案中可以使用多种材料。在本发明的某些实施方案中，酶包括葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。在某些实施方案中，试剂包括介体，诸如胺反应性吩嗪乙基硫酸盐“AR-PES”(IUPAC名称1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)。例如，在本发明的某些实施方案中，AR-PES介体可以附着到胺官能聚合物。在介体聚合物附着反应之后的分离和纯化之后，介体/聚合物可以与酶系统诸如GDH(葡萄糖脱氢酶)交联，以便促进电子从葡萄糖转移到电极。在某些实施方案中，碳电极可用作主要工作电极(例如商业丝网印刷碳电极)。传感器工作电极操作电势可设定为0.0mV。在该操作电势下，观察到精确的葡萄糖校准。
本发明的说明性工作实施方案使用介体胺反应性吩嗪乙基硫酸盐(Ar-PES)，IUPAC名称1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐。通常，在本发明的传感器中，AR-PES与胺官能聚合物诸如聚赖氨酸聚合物偶联，该聚合物还可与酶诸如FAD依赖性GDH(或NAD依赖性3-羟基丁酸脱氢酶)进一步交联以形成介体/酶系统，该介体/酶系统可将电子从分析物酶反应转移至传感器中的电极，该电极被设计成以较低的工作电势起作用。在本发明的实施方案中，介体/酶系统通常沉积在包括由碳(或其它材料)制成的工作电极的衬底上。然后用外扩散控制膜(GLM)涂覆修饰的酶层。在这种传感器中使用的操作电势则可以在约-200mV至+100mV的范围内(例如，0mV)，在该范围内观察不到由干扰物种产生的信号。这种传感器进一步显示对葡萄糖攻击的线性响应。本文公开的介体/聚合物系统也可用于其它酶系统，诸如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶或其它脱氢酶系统。重要的是，本文所公开的介体/酶系统可耐受ETO灭菌而不显著损害传感器的可操作性。
在传感器的实施方案中有用的其它介体包括：二茂铁甲醛、1,1′-二茂铁二甲醛、Ru(bpy)2(mcbpy-O-Su-酯)(PF6)2[双(2,2′-联吡啶)-4′-甲基-4-羧基联吡啶-钌N-琥珀酰亚胺酯-双(六氟磷酸盐)]：
在本发明的实施方案中，聚合物可包括聚赖氨酸聚合物；聚烯丙基胺聚合物；聚乙二醇聚合物；聚乙烯亚胺聚合物等。本发明的说明性实施方案包括具有3kd与300kd之间的分子量的聚-l-赖氨酸(具有150kd至300kd的分子量的聚赖氨酸聚合物，Sigma P1399)。
在本发明的某些实施方案中，分析物感测层与黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸操作地偶联。任选地，介体与胺官能化的聚合物偶联，其中该聚合物以促进电子从酶-分析物反应转移至工作电极的方式进一步与酶交联。在本发明的某些实施方案中，工作电极由碳组合物形成。此外，本发明的这些方法可进一步包括使用灭菌过程对分析传感器设备进行灭菌，该灭菌过程包括将分析物传感器设备暴露于环氧乙烷气体。
介体可以根据常规方法附着到不同的聚合物载体。在本发明的典型实施方案中，聚合物是水溶性的，并且可以将溶液的pH选择为具有pH＝7.4至8.3，以便确保胺基团处于其用于进一步反应的适当形式。介体(诸如AR-PES)最初可以溶解在pH＝8.3的tricine缓冲液中。然后混合和反应能够以其合适的比率在振荡器上的振荡下进行(例如，在环境条件处2小时)。在这样的反应之后除去未反应的PES可以使用mw截止值为10kd的MilliporeUFC501024离心过滤器在低温离心机内以12000rpm进行5分钟至10分钟。当底部溶液变澄清而没有紫色时，可以收集顶部部分溶液。可以将最终介体溶液调整至pH7.0-7.4范围。对于介体/酶膜化学，制备程序遵循常规过程。例如，可以将介体溶液与pH＝7.0的酶溶液FAD-GDH以所需的浓度比混合，然后设置在测试条WE位置上。可以将干燥的基质放入戊二醛蒸汽室中20分钟至40分钟，用于进一步CVD交联以固定酶/介体基质。葡萄糖扩散限制膜能够用旋涂机以500rpm进一步涂覆在这些基质的顶部上。在一个说明性实施方案中，该溶液可以是在硝基甲烷中的4％乙酸纤维素。
通过伯胺基团与琥珀酰亚胺基团反应以将介体结合到酶GDH中来进行用于附着介体胺反应性吩嗪乙基硫酸盐(Ar-PES)的一个说明性过程。在该实施方案中，选择图1中所示的几种胺官能聚合物以将PES介体结合至载体聚合物，并且评价葡萄糖传感器的电化学响应，并且还监测信号稳定性。选择具有最高响应信号和最佳信号稳定性的聚合物作为用于体外和体内实验的进一步介体研究。
本发明的实施方案包括分析物传感器设备，该分析物传感器设备包括本文公开的元件群集。通常，这种分析物传感器设备包括基底层；导电层，该导电层设置在基底层上，其中导电层包括工作电极；分析物感测层，该分析物感测层设置在工作电极上，其中分析物感测层包含被选择为与分析物反应的酶；并且与用被选择来介导酶的反应性的试剂(例如“AR-PES”1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)官能化的聚合物操作地偶联；和分析物调节层，该分析物调节层设置在分析物感测层上，其中分析物调节层包括调节分析物穿过其中的扩散的组合物。在此类分析物传感器设备中，酶可以包括葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶、葡萄糖氧化酶等。在这种分析物传感器设备中，聚合物可包括多肽聚合物、聚赖氨酸聚合物；聚烯丙基胺聚合物；聚乙二醇聚合物；聚乙烯亚胺聚合物等。在此类传感器的某些实施方案中，分析物感测层与黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸操作地偶联。在此类传感器的某些实施方案中，AR-PES与聚赖氨酸偶联，该聚赖氨酸以促进电子从分析物酶反应转移至工作电极(例如由碳组合物形成的电极)的方式进一步与酶交联。在本发明的某些实施方案中，此类传感器与输注设备(例如，包括输注胰岛素的针或导管的输注设备)组合以便解决与由胰岛素配制剂中存在的添加剂(诸如间甲酚、苯酚和甘油)引起的干扰相关联的问题。
本发明的实施方案还包括估计体内分析物(例如葡萄糖、乳酸盐、3-羟基丁酸盐等)的浓度的方法。通常，此类方法包括将本文公开的电流型分析物传感器设置于受试者的体内环境中，其中环境包括分析物；然后估计分析物的浓度；使得估计体内分析物的浓度。在这些方法的典型实施方案中，分析物传感器设备使用从-200毫伏至+100毫伏(例如0毫伏)的操作电势来感测分析物。
在本发明的某些实施方案中，分析物感测层包含在暴露于氧化还原酶的底物(例如葡萄糖)时产生过氧化氢的氧化还原酶(例如葡萄糖氧化酶)，其中由氧化还原酶产生的过氧化氢的量与暴露于氧化还原酶的底物的量成正比。任选地，本发明的此类实施方案进一步包括：蛋白质层，该蛋白质层设置在分析物感测层上；分析物调节层，该分析物调节层设置在分析物感测层或蛋白质层上，其中分析物调节层包含调节诸如葡萄糖的分析物扩散通过分析物调节层的扩散的组合物；粘合促进层，该粘合促进层设置在分析物感测层上，其中粘合促进层促进分析物感测层与分析物调节层之间的粘合；或覆盖层，该覆盖层设置在分析物传感器设备上，其中覆盖层包括孔口，该孔口定位在覆盖层上，以便促进哺乳动物中存在的分析物接近并扩散穿过分析物调节层；以及接近分析物感测层。
在本发明的一些实施方案中，导电层包括多个电极，该多个电极包括工作电极、反电极和参比电极。任选地，导电层包括多个工作电极、反电极和参比电极；并且该多个工作电极、反电极和参比电极作为单元组合在一起并且以重复的单元模式在位置上分布在导电层上。在本发明的一些实施方案中，传感器操作地耦合到传感器输入，该传感器输入能够从传感器接收基于哺乳动物中感测到的生理特性值的信号；和处理器，该处理器耦合到传感器输入，其中处理器能够表征从传感器接收的一个或多个信号。在本发明的某些实施方案中，脉冲电压用于从电极获得信号。
A.在本发明的实施方案中发现的典型传感器架构
图2A图示出本发明的典型传感器实施方案400的横截面。此传感器实施方案由多个部件形成，该多个部件通常呈根据本文所公开的本领域公认的方法和/或本发明的具体方法设置在彼此上的各种导电和非导电成分的层的形式。传感器的部件在本文中通常被表征为层，因为例如其允许轻松地表征图2中所示出的传感器结构。然而，技术人员将理解，在本发明的某些实施方案中，传感器成分被组合成使得多个成分形成一个或多个异质层。在这种情况下，本领域技术人员理解，在本发明的各种实施方案中，分层成分的顺序可改变。
图2A中所示出的实施方案包括用于支撑传感器400的基底层402。基底层402可由诸如金属和/或陶瓷和/或聚合物衬底等材料制成，该基底层可以是自支撑的或可由本领域已知的另一种材料进一步支撑。本发明的实施方案包括设置在基底层402上和/或与该基底层组合的导电层404。通常，导电层404包括一个或多个电极。操作传感器400通常包括多个电极，诸如工作电极、反电极和参比电极。其他实施方案还可包括多个工作电极和/或反电极和/或参比电极和/或执行多种功能的一个或多个电极，例如既用作参比电极又用作反电极的电极。
如下文详细讨论的，可以使用许多已知的技术和材料来产生基底层402和/或导电层404。在本发明的某些实施方案中，通过将设置的导电层404蚀刻成期望导电路径图案来限定传感器的电路。用于传感器400的典型电路包括两个或更多个相邻的导电路径，该导电路径具有在近侧端部处的区域以形成接触垫以及在远侧端部处的区域以形成传感器电极。诸如聚合物涂层等电绝缘覆盖层406可以设置在传感器400的部分上。用作绝缘保护覆盖层406的可接受聚合物涂层可以包括但不限于无毒生物相容性聚合物，诸如硅氧烷化合物、聚酰亚胺、生物相容性阻焊膜、环氧丙烯酸酯共聚物等。在本发明的传感器中，可以形成一个或多个穿过覆盖层406的暴露区域或孔口408，以将导电层向外部环境敞开，并且例如允许分析物(诸如葡萄糖)透过传感器的层并被感测元件感测。孔口408可以通过多种技术形成，该技术包括激光烧蚀、带掩蔽、化学研磨或蚀刻或光刻显影等。在本发明的某些实施方案中，在制造期间，还可以将第二光刻胶施加至保护层406，以限定待移除保护层的区域以形成一个或多个孔口408。暴露的电极和/或接触垫还可以经受诸如附加的电镀处理等二次处理(例如，穿过孔口408)以制备表面和/或加强导电区域。
在图2A所示的传感器配置中，分析物感测层410(其通常是传感器化学层，意指此层中的材料经历化学反应以产生可以由导电层感测到的信号)设置在导电层404的暴露电极中的一个或多个暴露电极上。通常，分析物感测层410是酶层。最通常，分析物感测层410包括能够产生和/或利用氧和/或过氧化氢的酶，例如葡萄糖氧化酶。任选地，分析物感测层中的酶与第二载体蛋白(诸如人血清白蛋白、牛血清白蛋白等)组合。在说明性实施方案中，分析物感测层410中的氧化还原酶(诸如葡萄糖氧化酶)与葡萄糖反应以产生过氧化氢，该过氧化氢是之后调节电极处的电流的化合物。由于电流的这种调节取决于过氧化氢的浓度，并且过氧化氢的浓度与葡萄糖的浓度相关，所以可通过监测电流的这种调节来确定葡萄糖的浓度。在本发明的具体实施方案中，过氧化氢在作为阳极的工作电极(本文也称为阳极工作电极)处被氧化，产生的电流与过氧化氢浓度成正比。由过氧化氢浓度变化引起的电流的此调节可以通过多种传感器检测器设备中的任一种传感器检测器设备来监测，诸如通用传感器电流型生物传感器检测器或本领域已知的其它各种类似装置之一，诸如由美敦力迷你美(MedtronicTMMiniMedTM)生产的葡萄糖监测装置。
在本发明的实施方案中，分析物感测层410可以施加在导电层的部分上方或导电层的整个区域上方。通常，分析物感测层410设置在可以是阳极或阴极的工作电极上。任选地，分析物感测层410也设置在反电极和/或参比电极上。虽然分析物感测层410的厚度可以高达约1000微米(μm)，但是与本领域先前描述的传感器中发现的厚度相比，分析物感测层通常相对薄，并且厚度通常为例如小于1微米、0.5微米、0.25微米或0.1微米。如下文详细讨论的，用于产生薄分析物感测层410的一些方法包括：将该层刷涂到衬底(例如铂黑电极的反应性表面)上，以及旋涂工艺、浸涂和干燥工艺、低剪切喷涂工艺、喷墨印刷工艺、丝印工艺等。
通常，分析物感测层410被涂覆和或设置在一个或多个附加层附近。任选地，一个或多个附加层包括设置在分析物感测层410上的蛋白质层416。通常，蛋白质层416包括蛋白质，诸如人血清白蛋白、牛血清白蛋白等。通常，蛋白质层416包括人血清白蛋白。在本发明的一些实施方案中，附加层包括分析物调节层412，该分析物调节层设置在分析物感测层410上方以调控分析物与分析物感测层410的接近。例如，分析物调节膜层412可包括葡萄糖限制膜，该葡萄糖限制膜调控与分析物感测层中存在的酶(诸如葡萄糖氧化酶)接触的葡萄糖的量。此类葡萄糖限制膜可以由多种已知适合于此类目的的材料制成，例如，诸如聚二甲基硅氧烷等硅氧烷化合物、聚氨酯、聚脲乙酸纤维素、NAFION、聚酯磺酸(例如，Kodak AQ)、水凝胶或本领域技术人员已知的任何其他适合的亲水性膜。
如图2所示，在本发明的典型实施方案中，粘合促进剂层414设置在分析物调节层412与分析物感测层410之间，以促进它们的接触和/或粘合。在本发明的具体实施方案中，如图2中所示出的，粘合促进剂层414设置在分析物调节层412与蛋白质层416之间，以促进其接触和/或粘合。粘合促进剂层414可由本领域已知的多种材料中的任一种材料制成，以促进此类层之间的粘结。通常，粘合促进剂层414包括硅烷化合物。在替代实施方案中，分析物感测层410中的蛋白质或类似分子可被充分地交联或以其他方式制备，以允许在不存在粘合促进剂层414的情况下将分析物调节膜层412设置成与分析物感测层410直接接触。
下文讨论了用于制造本文公开的传感器的典型元件的实施方案。
B.在本发明的实施方案中使用的典型分析物传感器成分
以下公开提供了在本发明的传感器实施方案中使用的典型元件/成分的示例。虽然这些元件可以描述为离散单元(例如，层)，但是本领域技术人员要理解，传感器可以被设计成含有具有下文所讨论的元件/成分(例如，充当支撑基底成分和/或导电成分的元件和/或用于分析物感测成分两者并且进一步用作传感器中的电极的基质)的材料性质和/或功能的某些或全部的组合的元件。本领域技术人员要理解，这些薄膜分析物传感器可以适用于许多传感器系统，诸如本文所描述的传感器系统。
基底成分
本发明的传感器通常包括基底成分(参见例如图2A中的元件402)。术语“基底成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指设备中的成分，该成分通常为堆叠在彼此之上并且包括功能传感器的多个成分提供支撑基质。在一种形式中，基底成分包括绝缘(例如，电绝缘和/或不透水)材料的薄膜片。此基底成分可由具有所需质量(诸如介电性质、不透水性和气密性)的多种材料制成。一些材料包括金属和/或陶瓷和/或聚合物衬底等。
基底成分可以是自支撑的或可以由本领域已知的另一种材料进一步支撑。在图2A所示的传感器配置的一个实施方案中，基底成分402包括陶瓷。替代地，基底成分包括聚合物材料，诸如聚酰胺。在一个说明性实施方案中，陶瓷基底包括主要为Al2O3(例如96％)的组合物。在美国专利4,940,858号、4,678,868号和6,472,122号中公开了作为绝缘基底成分的用于与可植入装置一起使用的氧化铝的用途，这些美国专利以引用方式并入本文。本发明的基底成分可以进一步包含本领域已知的其它元件，例如密封通孔(参见例如WO 03/023388)。根据特定传感器设计，基底成分可以是相对厚的成分(例如，比50微米、100微米、200微米、300微米、400微米、500微米或1000微米厚)。替代地，可以利用薄成分中的非导电陶瓷，诸如氧化铝，例如小于约30微米。
导电成分
本发明的电化学传感器通常包括设置在基底成分上的包括至少一个电极的导电成分，该至少一个电极用于测量待测定的分析物或其副产物(例如，氧和/或过氧化氢)(参见例如图2A中的元件404)。术语“导电成分”根据本领域公认的术语在本文中使用，并且是指能够测量可检测信号并且将该信号传导到检测设备的导电传感器元件，诸如电极。导电成分的说明性示例是一种导电成分，与不经历分析物(当分析物与分析物感测成分410中存在的组合物(例如，酶葡萄糖氧化酶)相互作用时使用的共反应物(例如，氧)，或此相互作用的反应产物(例如，过氧化氢))的浓度变化的参比电极相比，导电成分可以测量响应于暴露于刺激(诸如分析物或其副产物的浓度变化)的电流的增加或减少。此类元件的说明性示例包括能够在可变浓度的分子(诸如过氧化氢或氧)的存在下产生可变的可检测信号的电极。通常，导电成分中的这些电极之一是工作电极，该工作电极可以由非腐蚀性金属或碳制成。碳工作电极可以是玻璃质的或石墨质的并且可以由固体或糊剂制成。金属工作电极可以由铂族金属制成，该铂族金属包含钯或金，或者由非腐蚀性金属导电氧化物制成，诸如二氧化钌。替代地，电极可以包括银/氯化银电极组合物。工作电极可以是例如通过涂覆或印刷应用于衬底上的导线或薄导电膜。通常，只有金属或碳导体表面的一部分与含分析物的溶液电解接触。此部分被称为电极的工作表面。电极的剩余表面通常通过电绝缘覆盖成分406与溶液隔离。用于产生此保护性覆盖物成分406的有用材料的示例包括聚合物，诸如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯和诸如聚硅氧烷等硅氧烷。
除了工作电极之外，本发明的分析物传感器通常还包括参比电极或组合的参比电极和反电极(也称为准参比电极或反电极/参比电极)。如果传感器没有反电极/参比电极，则其可包括单独的反电极，该反电极可由与工作电极相同或不同的材料制成。本发明的典型传感器具有一个或多个工作电极和一个或多个反电极、参比电极和/或反电极/参比电极。本发明的传感器的一个实施方案具有两个、三个或四个或更多个工作电极。传感器中的这些工作电极可整体连接，也可保持分离。
通常，为了体内使用，本发明的实施方案皮下植入哺乳动物的皮肤中，以与哺乳动物的体液(诸如血液)直接接触。替代地，可以将传感器植入到哺乳动物体内的其它区域，诸如腹膜内的空间中。当使用多个工作电极时，该多个工作电极可以一起植入或植入体内的不同位置处。反电极、参比电极和/或反电极/参比电极还可以植入一个或多个工作电极附近或哺乳动物体内的其它位置处。本发明的实施方案包括包括由纳米结构材料构成的电极的传感器。如本文所使用，“纳米结构材料”是制造成具有至少一个小于100nm的尺寸的物体。示例包含但不限于单壁纳米管、双壁纳米管、多壁纳米管、纳米管束、富勒烯、茧、纳米线、纳米纤维、洋葱等。
干扰抑制成分
本发明的电化学传感器通常包括设置在电极表面与待测定环境之间的干扰抑制成分。具体地，某些传感器实施方案依赖于在恒定的施加电势下通过在工作电极的表面上的酶促反应产生的过氧化氢的氧化和/或还原。因为基于直接氧化过氧化氢的电流型检测要求相对高氧化电势，因此采用此检测方案的传感器可经历存在于生物流体的可氧化物种(诸如抗坏血酸、尿酸和对乙酰氨基酚)的干扰。在这种情况下，术语“干扰抑制成分”在本文中根据本领域公认的术语使用，并且指的是传感器中的涂层或膜，其用于抑制由这种可氧化物种产生的虚假信号，该虚假信号干扰由待感测的分析物产生的信号的检测。某些干扰抑制成分经由尺寸排阻(例如通过排除特定尺寸的干扰物种)起作用。
通常，干扰抑制成分包括交联的聚(乙烯醇)(PVA)聚合物。干扰抑制成分的其它示例包括一个或多个化合物层或涂层，诸如亲水性交联pHEMA聚合物、聚赖氨酸聚合物、乙酸纤维素(包括掺入以下试剂的乙酸纤维素：诸如聚(乙二醇)、聚醚砜、聚四氟乙烯、全氟离聚物AFIONTM、聚苯二胺、环氧树脂等)。对此类干扰抑制成分的说明性讨论存在于例如Ward等人,《生物传感器和生物电子学(Biosensors and Bioelectronics)》17(2002)181-189和Choi等人,《分析化学学报(Analytical Chimica Acta)》461(2002)251-260中，该文献通过引用并入本文。其它干扰抑制成分包括例如观察到基于分子量范围限制化合物移动的干扰抑制成分，例如如例如美国专利5,755,939号中公开的醋酸纤维素，该美国专利的内容通过引用并入。
通常，交联剂是二羧酸类单体或包含羧酸基团的聚合物。在某些情况下，交联剂是磺基琥珀酸(SSA)，该基琥珀酸已被展示是适合与PVA一起使用的非常有效的交联剂。在另一种情况下，交联剂是聚(甲基乙烯基醚-交替-马来酸)，也已发现其适合与PVA一起使用。其它合适的交联剂包括马来酸、柠檬酸、草酸、富马酸、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸-共-马来酸)(PAM)、琥珀酸和丙二酸。
在本发明的某些实施方案中，干扰抑制膜元件相对于其它传感器元件的特定布置用于实现其功能。例如，在所公开的交联聚合物组合物直接设置在电极的电活性表面上的传感器实施方案中，它们起到提供基于尺寸排阻的干扰抑制膜的作用，该干扰抑制膜抑制干扰物种的扩散，同时允许由分析物酶反应产生的H2O2接近电极并产生适当的信号。此外，如上所述，通过酸交联剂交联的聚(乙烯醇)(PVA)聚合物还提供优化的亲水性环境，以便加快传感器的初始水合速度。此类聚合物还为待粘合的后续层(诸如酶层(例如包含葡萄糖氧化酶的酶层))提供相容基质。因此，本文所公开的交联的聚合物组合物表现出令人惊讶的材料性质群集，使得它们理想地用于某些传感器设计(例如，包括其上设置有多个功能涂层的铂背电极表面的可植入电流型葡萄糖传感器)。这种出乎意料的材料性质群集包括例如促进传感器水合的能力(从而减少启动时间)、促进传感器层的粘合以便提供稳定的传感器(和输出信号)的能力以及抑制在传感器操作期间由干扰物种引起的虚假传感器信号的能力。
分析物感测成分
本发明的电化学传感器包括设置在传感器的电极上的分析物感测成分(参见例如图2A中的元件410)。术语“分析物感测成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指包括能够识别待由分析物传感器设备检测其存在的分析物或与之反应的材料的成分。通常，分析物感测成分中的此材料在与待感测分析物相互作用后通常经由导电成分的电极产生可检测信号。就这一点而言，分析物感测成分和导电成分的电极以组合方式工作以产生通过与分析物传感器相关联的设备读取的电信号。通常，分析物感测成分包括能够与分子反应和/或产生分子的氧化还原酶(例如，葡萄糖氧化酶)，该分子的浓度变化可以通过测量导电成分(例如，氧和/或过氧化氢)的电极处的电流变化来测量。能够产生分子(诸如过氧化氢)的酶可根据本领域已知的许多方法设置在电极上。分析物感测成分可涂覆传感器的所有或部分不同电极。在这种情况下，分析物感测成分可同等程度地涂覆电极。替代地，分析物感测成分可不同程度地涂覆不同的电极，例如工作电极的涂覆表面大于反电极和/或参比电极的涂覆表面。
本发明的此元件的典型传感器实施方案利用酶(例如葡萄糖氧化酶)，该酶已经与第二种蛋白质(例如白蛋白)以固定比率组合(例如通常针对葡萄糖氧化酶稳定性质优化的酶)，并且然后施加到电极的表面以形成薄的酶成分。在典型实施方案中，分析物感测成分包括GOx和HSA混合物。在具有GOx的分析物感测成分的典型实施方案中，GOx与存在于感测环境(例如哺乳动物的身体)中的葡萄糖反应并且根据图1中所示出的反应产生过氧化氢，其中如此产生的过氧化氢在导电成分中的工作电极处在阳极检测到。
如上所述，通常对酶和第二蛋白质(例如白蛋白)进行处理以(例如通过向蛋白质混合物中添加交联剂)形成交联基质。如本领域已知的，交联条件可被操纵以调节诸如酶的保持生物活性、其机械和/或操作稳定性的因素。说明性交联程序描述于美国专利申请序列10/335,506号和PCT公开WO 03/035891中，该文献通过引用并入本文。例如，可以向蛋白质混合物中添加胺交联剂(诸如但不限于戊二醛)。
蛋白质成分
本发明的电化学传感器任选地包括设置在分析物感测成分与分析物调节成分之间的蛋白质成分(参见例如图2A中的元件416)。术语“蛋白质成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指含有载体蛋白等的成分，该成分被选择为与分析物感测成分和/或分析物调节成分相容。在典型实施方案中，蛋白质成分包括白蛋白，诸如人血清白蛋白。HSA浓度可在约0.5％-30％(w/v)之间变化。通常地，HSA浓度为约1w/v-10％w/v，并且最通常地为约5％w/v。在本发明的替代实施方案中，在这些情况下使用的胶原蛋白或BSA或其它结构蛋白可代替HSA或除了HSA之外使用。根据本领域公认的协议，此成分通常在分析物感测成分上交联。
粘合促进成分
本发明的电化学传感器可以包括一种或多种粘合促进(AP)成分(参见例如图2A中的元件414)。术语“粘合促进成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指包括被选择为能够促进传感器中邻接成分之间的粘合的材料的成分。通常，粘合促进成分设置在分析物感测成分与分析物调节成分之间。通常，粘合促进成分设置在任选的蛋白质成分与分析物调节成分之间。粘合促进剂成分可由本领域已知的多种材料中的任何一种制成，以促进这些成分之间的粘结，并且可通过本领域已知的多种方法中的任何一种来施加。粘合促进剂成分通常包括硅烷化合物，诸如γ-氨基丙基三甲氧基硅烷。
使用硅烷偶联剂，特别是式R'Si(OR)3的硅烷偶联剂，其中R'通常是具有末端胺的脂肪族基团并且R是低级烷基，来促进粘合是本领域已知的(参见例如美国专利5,212,050号，该美国专利通过引用并入本文)。例如，其中在逐步方法中使用诸如γ-氨基丙基三乙氧基硅烷和戊二醛等硅烷以使牛血清白蛋白(BSA)和葡萄糖氧化酶(GOX)粘附到电极表面并与电极表面共交联的经化学修饰的电极在本领域是已知的(参见例如Yao,T.《分析化学学报》1983,148,27-33)。
在本发明的某些实施方案中，粘合促进成分进一步包括一种或多种还可以存在于用于限制诸如葡萄糖等分析物穿过分析物调制成分的扩散的相邻成分中的化合物，该相邻成分诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)化合物。在说明性实施方案中，配制剂包括0.5％-20％PDMS，通常地5％-15％ PDMS，并且最通常地10％ PDMS。在本发明的某些实施方案中，粘合促进成分在分层传感器系统内交联，并且对应地包括被选择为能够使存在于诸如分析物调制成分等近端成分中的部分交联的试剂。在本发明的说明性实施方案中，粘合促进成分包括如下试剂：被选择为能够使存在于诸如分析物感测成分和/或蛋白质成分等近端成分中的蛋白质的胺或羧基部分交联和/或使存在于设置在诸如分析物调节层等近侧层中的化合物中的硅氧烷部分交联。
高密度胺成分
本发明的电化学传感器可以包含为传感器提供多种有益功能的一个或多个高密度胺成分层。此类层可以优化传感器功能，例如，通过充当邻近HDA层的层的粘合促进成分，通过减少葡萄糖传感器中可能出现的波动，通过改善传感器初始化配置等。通常，高密度胺成分设置在分析物感测成分与分析物调节成分之间，并与分析物感测成分和分析物调节成分直接接触。在典型实施方案中，高密度胺层包括分子量在30KDa与300KDa之间(例如150KDa与300KDa之间)的聚-l-赖氨酸。这样的高密度胺层中的聚-l-赖氨酸的浓度通常为0.1重量对重量％至0.5重量对重量％，而高密度胺层500的厚度为0.1微米至0.4微米。
分析物调节成分
本发明的电化学传感器包括设置在传感器上的分析物调节成分(参见例如图2A中的元件412)。术语“分析物调节成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指通常在传感器上形成膜的成分，该膜操作以调节一种或多种分析物(诸如葡萄糖)穿过该成分的扩散。在本发明的某些实施方案中，分析物调制成分是分析物限制膜(例如葡萄糖限制膜)，该分析物限制膜操作以阻止或限制一种或多种分析物(诸如葡萄糖)穿过该成分的扩散。在本发明的其他实施方案中，分析物调节成分用于促进一种或多种分析物通过该成分的扩散。任选地，可以形成此类分析物调节成分以阻止或限制一种类型的分子(例如，葡萄糖)扩散穿过该成分，而同时允许或甚至促进其它类型的分子(例如，O2)扩散穿过该成分。
关于葡萄糖传感器，在已知的酶电极中，来自血液的葡萄糖和氧以及一些干扰物(诸如抗坏血酸和尿酸)扩散穿过传感器的初级膜。当葡萄糖、氧和干扰物到达分析物检测成分时，酶(诸如葡萄糖氧化酶)催化葡萄糖转化为过氧化氢和葡萄糖酸内酯。过氧化氢可以穿过分析物调节成分扩散回去，或者其可以扩散到电极，在该电极处，过氧化氢可以反应形成氧气和质子以产生与葡萄糖浓度成正比的电流。传感器膜组件具有多种功能，包括选择性地允许葡萄糖在其中穿过。在这种情况下，说明性分析物调制成分是半渗透膜，该半渗透膜允许水、氧和至少一种选择性分析物通过并且具有吸水能力，该膜具有可溶于水的亲水性聚合物。
各种说明性分析物调制组合物是本领域已知的并且描述于例如美国专利6,319,540号、5,882,494号、5,786,439号、5,777,060号、5,771,868号和5,391,250号中，每个美国专利的公开内容通过引用并入本文。其中描述的水凝胶特别适用于与各种可植入装置一起使用，对于该可植入装置，有利的是提供周围的水成分。在本发明的一些实施方案中，分析物调节组合物包括PDMS。在本发明的某些实施方案中，分析物调节成分包括被选择为能够使存在于近端成分中的硅氧烷部分交联的试剂。在本发明的密切相关的实施方案中，粘合促进成分包括被选择为能够使存在于近端成分中的蛋白质的胺或羧基部分交联的试剂。
覆盖成分
如图3所示，本发明的电化学传感器包括通常为电绝缘保护性成分的一种或多种覆盖成分(参见例如图2A中的元件406)。通常，此类覆盖成分可以呈涂层、鞘或管的形式并且被设置在分析物调节成分的至少一部分上。用作绝缘保护覆盖成分的可接受的聚合物涂层可包括但不限于无毒的生物相容性聚合物，诸如硅氧烷化合物、聚酰亚胺、生物相容性阻焊膜、环氧丙烯酸酯共聚物等。进一步，这些涂层可为可光成像的，以便于光刻形成通过导电成分的孔。典型的覆盖成分包括在硅氧烷上的纺丝。如本领域已知的，此成分可以是可商购的RTV(室温硫化)硅氧烷组合物。在这种情况下，典型化学物质是聚二甲基硅氧烷(乙酰氧基)。
C.本发明的典型分析物传感器系统实施方案
本文公开的传感器元件和传感器的实施方案可以操作地耦合到通常与分析物传感器一起使用的多种其他系统元件(例如，结构元件诸如穿刺构件、插入套件等，以及电子部件诸如处理器、监测器、药物输注泵等)，例如使它们适于在各种情境下使用(例如，植入哺乳动物体内)。本发明的一种实施方案包括使用本发明的实施方案监测用户的生理特征的方法，该实施方案包括输入元件，该输入元件能够从传感器接收基于用户的所感测生理特征值的信号；和处理器，该处理器用于分析接收到的信号。在本发明的典型实施方案中，处理器确定生理特征值的动态行为，并且基于如此确定的生理特征值的动态行为提供可观察的指标。在一些实施方案中，生理特征值是用户的血糖浓度的量度。在其他实施方案中，分析所接收信号并且确定动态行为的过程包括重复测量生理特征值以获得一系列生理特征值，以便例如以设计成提供关于传感器功能、分析物浓度测量、干扰的存在等的确认信息的方式将比较冗余结合到传感器设备中。
本发明的实施方案包括以以下方式和形式显示来自所感测的生理学特性(例如，血糖浓度)的测量结果的数据的装置：该方式和形式被定制成允许装置的用户容易地监测并且(在必要时)调节该特性的生理学状态(例如，经由胰岛素施用调节血糖浓度)。本发明的说明性实施方案是一种装置，该装置包括传感器输入，该传感器输入能够接收来自传感器的信号，该信号基于用户的所感测生理特性值；存储器，该存储器用于存储从来自传感器的所接收信号中用户的所感测生理特征值的多个测量结果；和显示器，该显示器用于呈现所感测生理特性值的多个测量结果的文本和/或图形表示(例如，文本、线图等、条形图等、网格图案等或其组合)。通常，图形表示显示所感测生理特征值的实时测量结果。此类装置可用于多种情况下，例如与其他医疗设备组合使用。在本发明的一些实施方案中，装置与至少一个其它医疗装置(例如，葡萄糖传感器)组合使用。
II.本发明的说明性分析物传感器系统
许多文章、美国专利和专利申请描述了具有本文公开的常用方法和材料的现有技术，并且进一步描述了可以用于本文公开的传感器设计的各种元件(和其制造方法)。这些包括例如美国专利6,413,393号；6,368,274号；5,786,439号；5,777,060号；5,391,250号；5,390,671号；5,165,407号、4,890,620号、5,390,671号、5,390,691号、5,391,250号、5,482,473号、5,299,571号、5,568,806号；美国专利申请20020090738；以及PCT国际出版物WO01/58348号、WO 03/034902号、WO 03/035117号、WO 03/035891号、WO 03/023388号、WO 03/022128号、WO 03/022352号、WO 03/023708号、WO 03/036255号、WO 03/036310号和WO 03/074107号，该文献中的每个文献的内容通过引用并入本文。
用于监测糖尿病患者的葡萄糖浓度的典型传感器进一步描述于Shichiri等人的“人类志愿者的皮下葡萄糖浓度的针型葡萄糖传感器测量结果的体内特性(In VivoCharacteristics of Needle-Type Glucose Sensor-Measurements of SubcutaneousGlucose Concentrations in Human Volunteers)”,《激素与代谢研究(Horm.Metab.Res.)》，增刊系列20:17-20(1988)；Bruckel等人,:“利用酶葡萄糖传感器和维克方法对皮下葡萄糖浓度的体内测量(In Vivo Measurement of SubcutaneousGlucose Concentrations with an Enzymatic Glucose Sensor and a Wick Method)”,《临床周刊(Klin.Wochenschr.)》.67:491-495(1989)；和Pickup等人,:“糖尿病的体内分子感测：利用直接电子传递的可植入葡萄糖传感器(In Vivo Molecular Sensing inDiabetes Mellitus:An Implantable Glucose Sensor with Direct ElectronTransfer)”,《糖尿病学(Diabetologia)》32:213-217(1989)。其它传感器描述于例如Reach等人的《可植入装置的进展(ADVANCES IN IMPLANTABLE DEVICES)》,A.Turner(编辑),伦敦JAI出版社，第1章,(1993)，该文献通过引用并入本文。
图3提供了根据本发明的一个说明性实施方案的皮下传感器插入系统的一个广义实施方案的透视图和传感器电子器件装置的框图。与此类传感器系统实施方案通常一起使用的附加元件例如公开于美国专利申请20070163894号中，该美国专利申请的内容以引用方式并入本文。图3提供了遥测特性监测系统1的透视图，该系统包括皮下传感器套件10，其被提供用于将柔性传感器12等的活性部分经皮下放置在用户身体内的选定部位处。传感器套件10的皮下或经皮部分包括具有尖锐尖端44的中空开槽插入针14和套管16。套管16内部是传感器12的感测部分18，以通过套管16中形成的窗口22将一个或多个传感器电极20暴露给用户的体液。感测部分18接合到终止于导电接触垫等的连接部分24，该导电接触垫等也通过绝缘层中的一个绝缘层暴露。连接部分24和接触垫通常适于直接有线电连接到合适的监测器200，该监测器耦合到显示器214，以响应于源自传感器电极20的信号以监测用户的状况。连接部分24可以通过连接器块28(或类似物)方便地电连接到监测器200或特征监测器发射器100。
如图3所示，根据本发明的实施方案，皮下传感器套件10可以被配置或形成为与有线或无线特征监测系统一起工作。传感器12的近侧部分安装在适用于放置到用户的皮肤上的安装基底30中。安装基底30可为具有下表面的垫，该下表面涂覆有合适的压敏粘合剂层32，剥离纸带34通常用于覆盖和保护粘合剂层32，直到传感器套件10准备好使用。安装基底30包括上层36和下层38，柔性传感器12的连接部分24夹在层36与层38之间。连接部分24具有结合到传感器12的有源感测部分18的前部，该前部被成角度地折叠以向下延伸穿过形成在下基底层38中的孔40。任选地，粘合剂层32(或与体内组织接触的设备的另一部分)包括抗炎剂以减少炎性反应和/或抗细菌剂以减少感染机会。插入针14适于通过形成在上部基底层36中的针口42以及通过下部基底层38中的下孔40滑动配合接收。插入后，拔出插入针14，使套管16和感测部分18以及传感器电极20留在选定的插入部位处的位置。在此实施方案中，遥测特性监测器发射器100通过连接器104经电缆102耦合到传感器套件10，该连接器电耦合到传感器套件10的连接器部分24的连接器块28。
在图3所示的实施方案中，遥测特性监测器100包括外壳106，其支撑印刷电路板108、电池110、天线112以及具有连接器104的电缆102。在一些实施方案中，外壳106由上部壳体114和下部壳体116形成，该上部壳体和下部壳体用超声波焊接进行密封以形成防水(或抗性)密封以允许通过用水、清洁剂、酒精等进行浸入(或擦拭)来清洁。在一些实施方案中，上部壳体114和下部壳体116由医疗级塑料形成。然而，在替代实施方案中，上部壳体114和下部壳体116可通过其他方法(诸如卡扣配合、密封环、RTV(硅氧烷密封剂))连接在一起并且粘结在一起等，或由诸如金属、复合材料、陶瓷等其他材料形成。在其他实施方案中，可以省去单独的壳体，并且将组件简单地封装在环氧树脂或其它可模塑材料中，该环氧树脂或其它可模塑材料与电子器件兼容并且合理地防潮。如所示出，下部壳体116可具有涂覆有适合的压敏粘合剂层118的下侧表面，其中通常提供剥离纸带120以覆盖并保护粘合剂层118，直到传感器套件遥测特性监测器发射器100准备使用为止。
在图3示出的说明性实施方案中，皮下传感器套件10有助于精确放置用于监测表示用户状况的特定血液参数的一类柔性薄膜电化学传感器12。传感器12监测身体内的葡萄糖水平并且可以与如美国专利4,562,751号、4,678,408号、4,685,903号或4,573,994号中所述的外部或可植入类型的自动或半自动药物输注泵结合使用，来控制对糖尿病患者的胰岛素递送。
在图3中示出的说明性实施方案中，传感器电极10可用于多种感测应用并且可通过多种方式来配置。例如，传感器电极10可用于其中某一类型的生物分子用作催化剂的生理学参数感测应用。例如，传感器电极10可用在葡萄糖和氧传感器中，该传感器具有催化与传感器电极20反应的葡萄糖氧化酶。传感器电极10连同生物分子或某种其他催化剂可放置于人体内的血管或非血管环境中。例如，传感器电极20和生物分子可以放置在静脉中并且经受血流，或可以放置在人体的皮下或腹膜区。
在图3示出的本发明的实施方案中，传感器信号的监测器200也可以称为传感器电子器件装置200。监测器200可包括电源、传感器接口、处理电子器件(即，处理器)和数据格式化电子器件。监测器200可经由连接器通过电缆102耦合到传感器套件10，该连接器电耦合到连接部分24的连接器块28。在替代实施方案中，可省略电缆。在本发明的此实施方案中，监测器200可以包括用于直接连接至传感器套件10的连接部分104的适当的连接器。传感器套件10可以被修改成使连接器部分104定位在不同的位置，例如，定位在传感器套件的顶部以有助于监测器200在传感器套件上方的放置。
A.用于制造分析物传感器的一般方法
本文公开的本发明的典型实施方案是一种制造用于植入哺乳动物内的传感器设备的方法，该方法包括以下步骤：提供基底层；在该基底层上形成导电层，其中该导电层包括电极(并且通常是工作电极、参比电极和反电极)；在导电层上方形成分析物感测层，其中该分析物感测层包括能在分析物存在的情况下改变该导电层中的该电极处的电流的介体等；形成分析物调节层，其中该分析物调节层包括调节分析物穿过其中的扩散的组合物。在本发明的某些实施方案中，分析物调节层包括亲水性梳型共聚物，其具有中心链和偶联至中心链的多个侧链，其中至少一个侧链包括硅氧烷部分。在这些方法的一些实施方案中，分析物传感器设备以平面几何配置形成。
如本文所公开的，传感器的各个层可以被制造成展现出各种不同的特性，该特性可以根据传感器的特定设计来操纵。例如，粘合促进层包括被选择为能够使整个传感器结构稳定的化合物，通常是硅烷组合物。在本发明的一些实施方案中，分析物感测层是通过旋涂工艺形成的并且厚度选自由以下组成的组：高度小于1微米、0.5微米、0.25微米和0.1微米。
制造传感器的方法通常包括在分析物感测层上形成蛋白质层的步骤，其中蛋白质层内的蛋白质是选自由以下组成的组的白蛋白：牛血清白蛋白和人血清白蛋白。通常，制造传感器的方法包括形成分析物感测层的步骤，该分析物感测层包括选自由以下组成的组的酶组合物：葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶、葡萄糖氧化酶、己糖激酶和乳酸脱氢酶。在此类方法中，分析物感测层通常包括与酶具有基本上固定比率的载体蛋白组合物，并且酶和载体蛋白以基本上均匀的方式分布在整个分析物感测层中。
本文提供的公开内容包括可以使用各种众所周知的技术的组合产生的传感器和传感器设计。本公开进一步提供了将非常薄的酶涂层施加到这些类型的传感器以及通过这些方法产生的传感器的方法。在这种情况下，本发明的一些实施方案包含用于根据本领域公认的方法在衬底上制造此类传感器的方法。在某些实施例中，衬底包括适用于光刻掩模和蚀刻方法的刚性和平坦结构。在这方面，衬底通常限定具有高度均匀的平坦度的上表面。可以使用抛光的玻璃板来限定光滑的上表面。替代衬底材料包括例如不锈钢、铝、和塑料材料，诸如迭尔林(delrin)等。在其它实施方案中，衬底是非刚性的并且可以是用作衬底的另一层薄膜或绝缘物，例如诸如聚酰亚胺等塑料。
本发明的方法中的初始步骤通常包含形成传感器的基底层。可以通过任何期望方式将基底层安置在衬底上，例如通过受控旋转涂覆。另外，如果在衬底层与基底层之间没有足够的粘合力，则可以使用粘合剂。在衬底上形成绝缘材料的基底层，这通常是通过将基底层材料以液体形式施加到衬底上，之后旋转衬底以得到薄的、基本均匀厚度的基底层进行的。重复这些步骤以建立足够厚度的基底层，之后进行一系列光刻和/或化学掩模和蚀刻步骤以形成下面讨论的导体。在说明性形式中，基底层包括绝缘材料的薄膜片，诸如陶瓷或聚酰亚胺衬底。基底层可以包括氧化铝衬底、聚酰亚胺衬底、玻璃片、可控孔玻璃或平面化塑料液晶聚合物。基底层可以由含有各种元素中的一种或多种元素的任何材料得到，该元素包含但不限于碳、氮、氧、硅、蓝宝石、金刚石、铝、铜、镓、砷、镧、钕、锶、钛、钇或其组合。另外，可以通过本领域众所周知的多种方法将衬底涂覆到固体支持物上，该方法包括物理蒸汽沉积或用诸如旋转玻璃、硫属化物、石墨、二氧化硅、有机合成聚合物等材料旋涂。
本发明的方法进一步包含产生具有一个或多个感测元件的导电层。通常，这些感测元件是通过诸如光刻、蚀刻和冲洗等用于限定有源电极的几何形状的本领域已知的各种方法之一形成的电极。然后可以使电极具有电化学活性，例如通过对工作电极和反电极电沉积Pt黑，然后在参比电极上电沉积银之后电沉积氯化银。然后，可以通过电化学沉积或除了电化学沉积之外的其它方法(诸如旋涂)，然后例如用二醛(戊二醛)或碳二酰亚胺进行蒸汽交联来将传感器层(诸如分析物感测酶层)设置在感测层上。
本发明的电极可以由本领域已知的各种各样的材料形成。例如，电极可以由后过渡贵金属(noble late transition metal)制成。诸如金、铂、银、铑、铱、钌、钯或锇等金属可以适合于本发明的各个实施方案。在某些传感器实施方案中，诸如碳或汞等其它组合物也是有用的。在这些金属中，银、金或铂通常用作参比电极金属。随后氯化的银电极通常用作参比电极。这些金属可以通过本领域已知的任何方式沉积，包括上文引用的等离子体沉积方法，或者通过无电方法沉积，该无电方法可能涉及当衬底浸入含有金属盐和还原剂的溶液中时将金属沉积到先前金属化的区域上。在还原剂向导电(金属化)表面贡献电子、伴随有导电表面处的金属盐还原时，无电方法继续进行。结果是产生吸附的金属层。(关于对无电方法的额外讨论，参见：Wise,E.M.钯：回收、特性和用途(Palladium:Recovery,Properties,and Uses)，纽约学术出版社(Academic Press,New York)，纽约(1988)；Wong,K.等人电镀和表面精整(Plating and Surface Finishing)，1988,75,70-76；Matsuoka,M等人同上，1988,75,102-106；以及Pearlstein,F.的“无电电镀(Electroless Plating)”,《现代电镀(Modern Electroplating)》,Lowenheim,F.A.编,纽约州纽约市约翰威立(Wiley,New York,N.Y.)(1974),第31章)。然而，此类金属沉积工艺必须产生具有优良的金属与金属粘合和最小表面污染的结构，以向催化金属电极表面提供高密度的活性位点。此类高密度活性位点是对于诸如过氧化氢等电活性物种的有效氧化还原转化所必须的性质。
在本发明的示例性实施方案中，首先通过电极沉积、表面溅射或其它合适的方法步骤来用薄膜导电层涂覆基底层。在一个实施方案中，此导电层可以设置为多个薄膜导电层，诸如适合于化学粘合到聚酰亚胺基底层上的初始的基于铬的层、随后按顺序形成的基于金的薄膜层和基于铬的薄膜层。在替代实施方案中，可以使用其它电极层构造或材料。然后根据常规的光刻技术，用选定的光刻胶涂层覆盖导电层，并且可以在光刻胶涂层上方应用接触掩模以进行合适的光成像。接触掩模通常包含用于适当地曝光光刻胶涂层的一个或多个导体迹线图案，随后进行蚀刻步骤以在基底层上保留多个导电传感器迹线。在被设计用作皮下葡萄糖传感器的说明性传感器构造中，每个传感器迹线可以包括与三个单独的电极(诸如工作电极、反电极和参比电极)相对应的三个平行的传感器元件。
传感器导电层的部分通常由绝缘覆盖层覆盖，该绝缘覆盖层通常是诸如硅聚合物和/或聚酰亚胺等材料。绝缘覆盖层可以任何期望的方式应用。在示例性程序中，绝缘覆盖层以液体层的方式应用在传感器迹线上方，之后旋转衬底以将液体材料作为薄膜分布覆盖在传感器迹线上并且使液体材料作为薄膜延伸超出传感器迹线的与基底层密封接触的边缘余量之外。然后这种液体材料可以经历一次或多次如本领域已知的合适的辐射和/或化学和/或热固化步骤。在替代实施方案中，液体材料可以使用喷洒技术或任何其它期望的应用方式来应用。可以使用各种绝缘层材料，诸如光可成像环氧丙烯酸酯，其中说明性材料包括可从新泽西州西帕特森OCG公司(OCG,Inc.of West Paterson,N.J.)以产品编号7020获得的光可成像聚酰亚胺。
在本发明的某些实施方案中，选择用于形成传感器堆叠的一层或多层的材料以控制它们对于一种或多种化合物(诸如O2或葡萄糖)的扩散系数。通常，例如，选择形成干扰抑制膜的材料和/或形成分析物调节层的材料，使得穿过该层的O2扩散系数的扩散率在磷酸盐缓冲盐水中在37℃处为至少1.0×10-5cm2/s(例如在37℃处为1.0×10-5cm2/s与3.0×10- 5cm2/s之间)。类似地，在本发明的说明性实施方案中，选择形成干扰抑制膜的材料和/或形成分析物调节层的材料以便在37℃处在磷酸盐缓冲盐水中表现出至少1×10-8cm2/s的葡萄糖渗透率。
在用作葡萄糖传感器的说明性传感器实施方案中，酶(通常为葡萄糖氧化酶)涂覆有酶以便限定工作电极。可以向其它电极中的一个或两个电极提供与工作电极相同的涂层。替代地，可以向其它两个电极提供诸如其它酶等未涂覆的其它合适的化学物质，或者提供有化学物质以限定电化学传感器的参比电极和反电极。用于产生酶涂层的方法包括旋涂工艺、浸泡和干燥工艺、低剪切喷涂工艺、喷墨印刷工艺、丝网工艺等。通常，此类涂层在其施涂之后被蒸汽交联。令人惊讶的是，通过这些工艺产生的传感器的材料性质超过具有通过电沉积产生的涂层的传感器的材料性质，该材料性质包括提高的寿命、线性、规律性以及改善的信噪比。另外，利用通过此类工艺形成的葡萄糖氧化酶涂层的本发明的实施方案被设计成回收利用过氧化氢并且改善此类传感器的生物相容性概况。
通过诸如旋涂工艺等工艺产生的传感器还避免了与电沉积相关联的其它问题，诸如与在电沉积工艺期间放置在传感器上的材料应力相关的问题。具体地，观察到电沉积工艺在传感器上产生机械应力，例如，由张力和/或压缩力产生的机械应力。在某些情况下，此类机械应力可以产生具有在一定程度上趋于开裂或分层的涂层的传感器。这未在经由旋涂或其它低应力工艺设置在传感器上的涂层中观察到。
在本发明的一些实施方案中，传感器是通过施加包括亲水性膜涂层的分析物调节层的方法来制造的，该亲水性膜涂层可以调控可以接近传感器层的酶的分析物的量。例如，添加到本发明的葡萄糖感测器的覆盖层可以包括葡萄糖限制膜，该葡萄糖限制膜调控接近电极上的葡萄糖氧化酶层的葡萄糖的量。此类葡萄糖限制膜可以由多种已知适合于此类目的的材料制成，例如，诸如聚二甲基硅氧烷等硅氧烷、聚氨酯、乙酸纤维素、NAFION、聚酯磺酸(例如Kodak AQ)、水凝胶或适合于此类目的的本领域技术人员已知的任何其它的膜。在本发明的某些实施方案中，分析物调节层包括亲水性梳型共聚物，其具有中心链和偶联至中心链的多个侧链，其中至少一个侧链包括硅氧烷部分。在涉及具有过氧化氢再循环能力的传感器的本发明的一些实施方案中，设置在葡萄糖氧化酶层上的膜层起到抑制过氧化氢释放到放置传感器的环境中并且促进过氧化氢分子接近电极传感元件的作用。

Claims (20)

1.一种制造分析物传感器设备的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基底层；
在所述基底层上形成导电层，其中所述导电层包括工作电极；
形成分析物感测层，其中所述分析物感测层：
包含被选择用于与分析物反应的酶；以及
与用被选择来介导所述酶与所述分析物的反应性的试剂官能化的聚合物操作地偶联；以及
形成分析物调节层，其中所述分析物调节层包括调节所述分析物穿过其中的扩散的组合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶包括葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述聚合物包括：
聚赖氨酸聚合物；
聚烯丙基胺聚合物；
聚乙二醇聚合物；
聚乙烯亚胺聚合物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述分析物感测层与黄素腺嘌呤二核苷酸辅因子或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅因子操作地偶联。
5.根据权利要求5所述的方法，其中所述试剂与胺官能化聚合物偶联，其中所述聚合物进一步与所述酶以促进电子从酶-分析物反应转移至所述工作电极的方式交联。
6.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述工作电极由碳组合物形成；
所述试剂包括胺反应性吩嗪乙基硫酸盐(IUPAC名称1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)；并且/或者
所述试剂、所述酶和/或辅因子经由作为交联剂的聚(乙二醇)二缩水甘油醚(PEGDGE)与所述聚合物偶联。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括利用包括将所述分析物传感器设备暴露于环氧乙烷气体的过程来对所述分析物传感器设备进行灭菌。
8.一种分析物传感器设备，所述分析物传感器设备包括：
基底层；
导电层，所述导电层设置在所述基底层上，其中所述导电层包括工作电极；
分析物感测层，所述分析物感测层设置在所述工作电极上，其中所述分析物感测层：
包含被选择与分析物反应的酶；和
与用被选择来介导所述酶的反应性的试剂官能化的聚合物操作地偶联；和
分析物调节层，所述分析物调节层设置在所述分析物感测层上，其中所述分析物调节层包括调节所述分析物穿过其中的扩散的组合物。
9.根据权利要求8所述的分析物传感器设备，其中所述酶包括葡萄糖脱氢酶、3-羟基丁酸脱氢酶、乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
10.根据权利要求9所述的分析物传感器设备，其中所述聚合物包括：
聚赖氨酸聚合物；
聚烯丙基胺聚合物；
聚乙二醇聚合物；
聚乙烯亚胺聚合物。
11.根据权利要求10所述的分析物传感器设备，其中所述分析感测层与黄素腺嘌呤二核苷酸或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸操作地偶联。
12.根据权利要求11所述的分析物传感器设备，其中所述试剂包括：
胺反应性吩嗪乙基硫酸盐(IUPAC名称1-[3-(琥珀酰亚胺基氧基羰基)丙氧基]-5-乙基吩嗪鎓三氟甲磺酸盐)。
13.根据权利要求12所述的分析物传感器设备，其中AR-PES与聚赖氨酸偶联，所述聚赖氨酸以促进电子从分析物转移到所述工作电极的方式进一步与所述酶交联。
14.根据权利要求13所述的分析物传感器设备，其中所述工作电极由碳组合物形成。
15.一种估计体内分析物的浓度的方法，所述方法包括：
将根据权利要求8至14中任一项所述的电流型分析物传感器设置到受试者的体内环境中，其中所述环境包含分析物；以及
估计所述分析物的所述浓度；
使得估计体内所述分析物的所述浓度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述分析物传感器设备使用从-200毫伏至+100毫伏的操作电势来感测所述分析物。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述分析物是葡萄糖。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述分析物是3-羟基丁酸盐。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述分析物是乳酸盐。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述电流型分析物传感器包含与聚赖氨酸聚合物偶联的胺反应性吩嗪乙基硫酸盐。
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