电化学血糖传感器原理及发展

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1、电化学血糖传感器原理及发展前言葡萄糖是一种在全世界范围内被分析测试最频繁的物质之一。电化学法血糖检测系统已经成功开发了3O余年，目前全世界每年约消耗60亿片电化学血糖测试试纸，是糖尿病人实施血糖自我检测、有效控制病情的重要手段。血糖试纸实质是在一些塑料基片上印刷了导电碳墨和银墨后再复合印刷含酶涂层的生物电化学酶传感器。我国现有糖尿病人4000万，每年还以1．5％的速度在增加，对葡萄糖分析检测的研究也曰渐增多，因此，近年来有关葡萄糖氧化酶电极的研究论文每年都有上千篇，国内也有上百家研究单位、lO多家企业

2、在从事血糖仪和血糖试纸的研发和生产。 1 电化学葡萄糖传感器的研究基础电化学酶法测定葡萄糖可追溯到上世纪的30年代末，当时通过测定铂金电极上过氧化氢的氧化分解而产生的电流变化测算出溶液中因氧的消耗导致的氧分压下降值，进而测得葡萄糖的浓度。其反应过程如下：葡萄糖+FAD–葡萄糖氧化酶→葡萄糖酸内酯+FADH2–葡萄糖氧化酶 ①FADH2–葡萄糖氧化酶+02→FAD–葡萄糖氧化酶+H2O2 ②H202→2H++O2+2e- ③25年后，美国的Updike和Hicks成功简化了葡萄糖的电化学测定方法，他们将

3、葡萄糖氧化酶固定在某种胶体基质中实现了酶的固定和稳定化，使葡萄糖氧化酶催化剂可以被反复使用。此后他们将固定后的葡萄糖氧化酶制成膜片同Clark极谱式氧电极结合，制成了世界上第一个酶电极。 2 导电介质葡萄糖酶传感器的发展随着葡萄糖电化学分析系统的成功商业化，1970年Williams等试图采用分子导电介质取代氧分子进行氧化还原电子传递的尝试。他们使用铁氰化钾－亚铁氰化钾导电介质系统成功实施了血液葡萄糖的电化学测定，同时还用同一电化学系统测定了血乳酸。尽管日后这一开创性的电化学测试原理被广泛使用在公司血

4、糖仪的开发和生产实践中，但遗憾的是当时并未被直接应用于家用血糖仪测试系统的商业化开发。世界上第一个便携式家用电化学血糖测试系统是1987年由美国Medisense公司推出的ExacTech，该系统采用二茂铁及其衍生物作为氧化还原导电介质，通过丝网印刷导电碳墨在PVC塑料基片上，制成外观尺寸如同pH试纸大小的血糖试纸，可以大规模制作生产。 3 血糖测试电化学试纸的产业化开发由于潜力巨大的全球糖尿病测试消耗品市场的增长，糖尿病人每天测试血糖的实际需要，实施商品化血糖试纸的开发设计和生产有着极大的商业价值。

5、任何生产厂家或者技术开发商为了提高产品质量，降低生产成本必将对每一款待开发的测试系统进行全面综合考虑和评估，需要评估考虑的主要内容包括：系统的准确度和精密度要求、血糖测定的速度、所使用氧化还原酶的种类和稳定化方式、采样量、进样方式、试纸的外观尺寸，原材料的选择包括导电介质、试纸基片材料和导电油墨，在仪器的外观考虑用户友好界面的设计、使用方便性、元气件器件的价格成本、芯片的综合性能因数等。3.1 现行血糖试纸的总体设计考虑(1)试纸基片的材料选择血糖试纸的基片目前都趋向于使用PET聚酯材料，这种材料本身

6、具有一定的折弯机械强度，容易实施机械切割，有利于规模化生产。材料的耐热温度达到120℃，比较适合导电油墨印刷完之后的高温固化。为了便于用户使用和操作，基片材料的厚度可控制在0.35～0.5mm，试纸的实际长宽尺寸一般控制在6mm×30mm左右。(2)试纸电极的工作电极和参比电极的油墨绝大多数血糖试纸的工作电极仍然使用碳墨材料，目前可考虑选择的碳墨有多种，较常用的有美国的艾奇森，厄康、杜邦以及英国的格温特。商业化试纸无论使用上述哪种碳墨均有良好表现。参比电极传统上使用银/氯化银材料，近年来从成本上考虑也

7、有大量改用碳材料的趋势。金属材料近年来也开始批量使用在血糖试纸的制作中，这类材料包括金、钯、铂金等，通常采用电化学真空溅射方法均匀涂布在试纸基板表面。(3)试纸吸血槽的设计随着对血糖试纸的精度要求不断提高，过去建立在光电比色的基础上实施的滴血加样法逐步被虹吸式自动进样方式取代。由于虹吸式自动进样方式具有控制采样量大小的优点，因此虹吸式吸血槽的设计及其空间大小必须被严格限定而由下例公式计算设定：t=3μl2/(σcosφ)h      ①式中，t——样品吸入所需时间；μ——血液黏度；l——吸血槽长度；σ

8、——溶液表面张力；φ——吸血膜湿润角度；h——吸血槽高度。式①表明，试纸端口吸血槽吸血时间长短同吸血槽长度的平方正相关，同吸血槽的高度和吸血膜的湿润角度呈负相关，因此通过精心设计吸血槽可以控制和影响血糖测试系统的反应时间和测试精度。(4)血糖试纸上的试剂配合血糖试纸作为一种“干试剂”试纸，对试纸上的试剂配合有严格要求。这种含生物酶的试剂可以混合在印制工作电极的碳墨中直接印刷在塑料片表面，也可以另行配制成水性油墨单独印刷在工作电极碳表面。使用喷涂设备生产试