胆甾醇传感器及其制造方法 本发明涉及胆甾醇传感器(cholesterol sensor)及其制造方法，该胆甾醇传感器能方便简单快速且准确地对样品中所含的胆甾醇和胆甾醇酯的浓度进行定量分析。
已经提出的简化对样品中所含的特定组分进行的定量分析，而无需稀释或搅拌样品溶液的常规体系包括日本公开专利公开号平2-062952中所揭示的生物传感器。
这种生物传感器通过如下步骤制备：在电绝缘的底板上通过丝网漏印或类似方法形成由测量电极、反电极和参考电极组成的电极装置，再在其上安置酶反应层，该层含有亲水聚合物、氧化还原酶和电子介体(electron mediator)，如果需要，还可以含有缓冲剂。
一旦将含有酶底物的样品溶液的等分试样滴加在这种生物传感器的酶反应层上时，酶反应层就溶解，产生酶和酶底物之间的反应，导致电极介体(electrodemediator)的还原。酶反应一完成，就对被还原的电子介体进行电化氧化。通过测量此时的氧化电流值就可以得到样品溶液中的酶底物的浓度。
理论上而言，如果针对作为测量目标的酶底物选择合适的酶，那么这种生物传感器可以用于测量各种物质。例如，使用胆甾醇氧化酶作为氧化还原酶，易于制得用于测量血清胆甾醇含量的生物传感器。
然而，用作诊断指数的血清胆甾醇含量是胆甾醇和胆甾醇酯浓度的总和。胆甾醇酯本身不能作为酶底物，与胆甾醇氧化酶发生氧化反应。因此，为了测量作为诊断指数的血清胆甾醇含量，必须用一些方法将胆甾醇酯转化为胆甾醇。胆甾醇酯酶是已知的用于该转化的催化酶。
然而，使用胆甾醇酯酶作为将胆甾醇酯转化为胆甾醇的催化剂，必然会导致反应进行得很慢这一问题。
鉴于上述问题，本发明地目的是提供胆甾醇传感器，它通过提高胆甾醇酯酶的活性来快速方便地测量胆甾醇的含量。
本发明提供的胆甾醇传感器包括：电绝缘底板；在底板上形成的电极装置，该电极装置具有至少一个测量电极和一个反电极；以及在电极装置上或在其附近形成的反应层，该反应层含有胆甾醇氧化酶、胆甾醇酯酶和表面活性剂。
在本发明较好的实施方案中，胆甾醇传感器还包括盖板部件，它能通过与底板的结合，形成将样品溶液传送至盖板部件和底板之间的电极装置上的样品溶液供料通道。
一般来说，较好的反应层具有以下所列三种结构的一种：
1.反应层有一层，该层含有各种组分的混合物。
2.反应层有两层；一层含有胆甾醇氧化酶，另一层含有胆甾醇酯酶和表面活性剂。
3.反应层有两层；一层含有胆甾醇氧化酶和胆甾醇酯酶，另一层含有表面活性剂，并覆盖在前一层上。
在上述第三种结构中，含有胆甾醇氧化酶和胆甾醇酯酶的层最好不含表面活性剂。
在较好的本发明胆甾醇传感器中，电极装置包括银和用于包覆银的碳。在这种结构中，电极装置表面最好用亲水聚合物涂覆。
制备本发明的胆甾醇传感器的方法包括以下步骤：
在形成于电绝缘底板上的由银和包覆银的碳组成的电极装置上形成亲水聚合物层，
在先前形成的亲水聚合物层上加入等分试样的溶液，接着干燥，形成酶层，该溶液仅含有胆甾醇氧化酶和胆甾醇酯酶，不含表面活性剂，以及
在酶层上加入等分试样的溶液，形成含表面活性剂的层，该溶液是通过将表面活性剂溶解于一种不能溶解胆甾醇氧化酶和胆甾醇酯酶的层的溶剂中而制得的。
本发明的新颖性特点将列于所附的权利要求中，而本发明的构成和内容以及其它目的和特点将从以下结合附图所作的详细说明中得到更好的理解。
图1是本发明一个实施例的胆甾醇传感器的斜视的分解透视图，其中省略了反应层。
图2是同一胆甾醇传感器的作为盖板和隔板的盖板部件的斜视的透视图，其中盖板和隔板的排列顺序与图1的顺序相反。
图3是同一胆甾醇传感器的主要部件的纵剖面图。
图4是本发明另一个实施例的胆甾醇传感器的主要部件的纵剖面图。
图5是本发明又一个实施例的胆甾醇传感器的主要部件的纵剖面图。
图6是本发明再一个实施例的胆甾醇传感器的主要部件的纵剖面图。
图7是在本发明一个实施例的胆甾醇传感器中观察到的对于标准胆甾醇样品溶液的典型响应的图。
如上所述，本发明的胆甾醇传感器包括反应层，该层含有胆甾醇氧化酶、胆甾醇酯酶，还含有表面活性剂。
一旦将样品溶液加在反应层上，反应层中的表面活性剂会激活胆甾醇酯酶，通过胆甾醇酯酶的催化作用使得样品溶液中所含的胆甾醇酯转化为胆甾醇。
由样品溶液中的胆甾醇酯产生的胆甾醇以及样品溶液中原本就含有的胆甾醇被酶(即胆甾醇氧化酶)所氧化。所发生的氧化反应导致了电子的移动，从而还原了电子介体。为了将该被还原的电子介体氧化至原来的氧化型所需的电流值表征了样品溶液中胆甾醇酯和胆甾醇的浓度。
当将电压施加于测量电极用来氧化电子介体时，有时会在胆甾醇传感器电极上发生氧化-还原反应，从而在所测得的氧化电流值中产生误差。
鉴于以上所述，电极装置最好是由电化学稳定的金属(如铂)形成，但是铂很昂贵。因此，在制备可一次性使用的传感器时，通常使用银膏来形成银电极，接着包覆上碳膏，如此装备电极装置。然而，碳膏的碳层是由碳粒和粘合剂组成的，这一结构有时会允许含有表面活性剂的溶液渗透入碳粒间。因此，一旦将样品溶液加入反应层，含有表面活性剂的反应层就会溶解，溶解的溶液会进入碳粒间，可能接触到银电极。这时，如果在测量电极上施加电压，银电极就会被氧化并产生电流，造成测得的电流值的正误差。
在用于抑制该不利现象的方法中，一些方法是在电极装置上涂覆亲水聚合物层，而另一些方法是形成与电极装置分开的含表面活性剂层。
如果亲水聚合物的浓度是非常理想的话，前一类方法是相当有效的。然而，由于用这一类方法来彻底堵住表面活性剂的渗透是不可能的，所以后一类方法更理想。特别是考虑到酶反应和电极反应的高度有效性，较好的是形成含表面活性剂层，该层覆盖在胆甾醇氧化酶和胆甾醇酯酶的酶层上，该酶层中省去了表面活性剂。
在形成这些反应层的过程中，较好的是将表面活性剂溶解于一种不能溶解酶层的溶剂中，接着将该所得溶液滴加在酶层上并干燥，以形成表面活性剂层。
在本发明中，来自诺卡菌属的酶被用作胆甾醇氧化酶，来自假单胞杆菌属或来自哺乳动物胰脏的酶被用作胆甾醇酯酶。
亲水聚合物的例子有：羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、水溶的纤维素衍生物等。特别地，乙基纤维素、羟丙基纤维素、明胶、聚丙烯酸及其盐、淀粉及其衍生物、马来酸酐及其盐、聚丙烯酰胺、甲基丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯等可以被用于本发明。
铁氰化钾、对苯醌、吩嗪甲基硫酸盐(phenazine methosulfate)、二茂铁等均可以用作电子介体。电子介体并不是必需的，因为如果与电极相关的部件是由铂通过喷镀或类似方法形成的话，那么溶解在样品溶液中的氧可以用作电子介体。在这种情况下，酶底物溶液中所含的氧通过酶反应被还原，产生过氧化氢，因此样品溶液中胆甾醇的浓度可以通过检测由铂电极产生的过氧化氢来进行定量分析。
较好的表面活性剂的例子包括：正辛基-β-D-硫葡糖苷、聚乙二醇单十二烷基醚、胆酸钠、十二烷基-β-麦芽糖苷、蔗糖单月桂酸酯、脱氧胆酸钠、牛磺脱氧胆酸钠、聚氧乙烯对叔辛基苯基醚、N，N-二(3-D-葡糖酰氨基丙基)胆酰胺(N，N-bis(3-D-gluconamidopropyl)cholamide)、N，N-二(3-D-葡糖酰氨基丙基)脱氧胆酰胺等。
可以通过加入表面活性剂来提高胆甾醇酯酶的催化活性。较好的是来自假单胞杆菌属的胆甾醇酯酶与选自以下的至少一种表面活性剂的结合：正辛基-β-D-硫葡糖苷、聚乙二醇单十二烷基醚、胆酸钠、十二烷基-β-麦芽糖苷、蔗糖单月桂酸酯、聚氧乙烯对叔辛基苯基醚和N，N-二(3-D-葡糖酰氨基丙基)胆酰胺。
来自哺乳动物(如小牛或猪)胰脏的胆甾醇酯酶与选自以下的至少一种表面活性剂相结合也可以得到相同的效果，表面活性剂选自：胆酸钠、脱氧胆酸钠、牛磺脱氧胆酸钠、N，N-二(3-D-葡糖酰氨基丙基)胆酰胺、N，N-二(3-D-葡糖酰氨基丙基)脱氧胆酰胺、聚氧乙烯对叔辛基苯基醚、聚乙二醇单十二烷基醚和蔗糖单月桂酸酯。
本发明的胆甾醇传感器的反应层最好包括在反应层上形成的含类脂质层，它有助于将样品溶液引入反应层。然而，含类脂质层对本发明酶反应的发生并不必要。较好的的类脂质是磷脂，包括卵磷脂、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺等。更好的类脂质是具有两亲性质的类脂质。
氧化电流可以通过只包括测量电极和反电极的双电极装置来测量，也可以通过三电极装置来测量，该装置除了上述两电极以外，还包括一个参考电极。后者可以更精确地测量。
反应层可以有多种排布。换句话说，反应层可以形成在电极装置上，或者形成在暴露于通过盖板形成的样品溶液供料通道的表面上。或者，可以将反应层分为两部分，一部分位于电极装置上，另一部分位于盖板上。
以下将结合附图更具体地描述本发明胆甾醇传感器的较好的结构。
图1是本发明的胆甾醇传感器的斜视的分解透视图，其中省略了反应层。数字1表示由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的电绝缘的底板。在底板1上，通过丝网漏印银膏形成导线2和3。然后在底板1上，通过印刷含树脂粘合剂的导电的碳膏来进一步安装包括测量电极4和反电极5的电极装置，以及通过印刷电绝缘胶来安置电绝缘层6。测量电极4与导线2相连，反电极5与导线3相连。电绝缘层6的作用是在测量电极4和反电极5的外露部分间保持恒定的面积，同时覆盖一部分导线。然后，将电绝缘层1(电极装置形成于该层上，在电极装置上通过以下将会描述的方式施涂反应层)、具有气孔16的盖板14和隔板13按图1中虚线所示的位置关系互相粘结起来。这样，胆甾醇传感器就制成了。
在如此制得的胆甾醇传感器中，在底板1和盖板14间可以形成隔板13的狭长切口15中的空腔，用来构成样品溶液的供料通道。只要简单地使样品溶液加入作为开口的狭长切口15的末端18，样品溶液就能容易地通过样品溶液供料通道流向反应层上。由于样品供料量由盖板和隔板间形成的空腔体积所决定，所以对于样品溶液进行预定量就不必要了。此外，因为该结构有助于使测量期间样品溶液的蒸发最小化，所以测量可以做到高度准确。如果将透明的聚合物材料用作盖板和隔板，那么从外面就可以容易地观察到反应层的状况和样品溶液流动的过程。
图2是同一胆甾醇传感器的盖板部件的斜视的透视图，其中隔板13和盖板14重叠，但它们的排列顺序与图1的顺序相反。将盖板部件与底板结合，就能形成构成样品溶液供料通道的空腔。数字17表示暴露于该空腔的在盖板一侧的表面。
图3表示本发明第1和第2个实施例的胆甾醇传感器的结构。
第1个实施例的胆甾醇传感器包括形成在电极装置上的亲水聚合物层7，以及通过将等分试样的溶液(通过将酶溶解于其中制得)滴加在先前形成的亲水聚合物层7上，然后干燥而形成的含酶层8。含酶层8含有酶(胆甾醇氧化酶和胆甾醇酯酶)还含有表面活性剂。如果情况需要，该层还可以含有电子介体。
在酶层8上滴加含类脂质溶液并干燥，形成含类脂质层9，它能使得样品溶液更平滑地流入反应层。
形成酶层8的过程无需搅拌，所以含亲水聚合物的层7绝对不会与酶层8混合。因此，电极装置表面只被亲水聚合物所覆盖，没有任何可能接触到酶、表面活性剂和电子介体的危险。这消除了由于蛋白质吸附在电极装置表面或者由于电极和氧化物质(如电子介体)之间的化学反应而导致的电极装置效能的不利变化，因此传感器可以得到更高的准确度。
在第2个实施例的胆甾醇传感器中，由第1个实施例的胆甾醇传感器中的含酶和表面活性剂的层组成的反应层8，在本实施例中是由层8a和层9a组成的：层8a含有胆甾醇氧化酶、胆甾醇酯酶，如果情况需要，还加入电子介体；层9a含有表面活性剂，覆盖在层8a上。
将含表面活性剂的溶液滴加在层8a上，然后干燥，形成层9a，在该过程中无需搅拌，所以层8a和层9a不会互相混合。
为了彻底消除这两层互相混合的可能性，用于溶解表面活性剂的溶剂应该是不能溶解酶层的溶剂，如2-丙醇。将酶层与表面活性剂层隔离开，可以抑制表面活性剂在电极装置上的作用。这一结构允许在表面活性剂层中引入更多的表面活性剂。
然而，在本实施例结构中，由于样品溶液与反应层接触时，酶(胆甾醇酯酶)与表面活性剂的均匀混合比较困难，因此本实施例的胆甾醇传感器的响应较第1个实施例稍差一些。然而，使用表面活性剂(如胆酸钠，它有助于平滑地引入样品溶液)就变得更方便了，因为省去了在酶层上涂覆类脂质层的步骤。
图4是本发明第3个实施例的胆甾醇传感器的结构。
同图3，在电绝缘底板1上安置导线2和3、测量电极4、反电极5、电绝缘层6和亲水聚合物层7。将含胆甾醇氧化酶的溶液滴加在亲水聚合物层7上，然后干燥，形成另一含胆甾醇氧化酶的层10。然后，将含胆甾醇酯酶和表面活性剂的溶液滴加在层10上，接着干燥，形成含胆甾醇酯酶和表面活性剂的层11。如图3中一样，10和11这两层被类脂质层9所覆盖。
在本实施例的结构中，酶层由两层不同的层组成，即胆甾醇氧化酶层10和胆甾醇酯酶与表面活性剂的层11。这样，在胆甾醇酶酯的附近区域，表面活性剂可以分布得更密，从而增加了胆甾醇酯酶的催化活性。这使得当样品溶液到达反应层并与其接触时，胆甾醇酯能够迅速地转化成胆甾醇。
图5表示本发明第4个实施例的胆甾醇传感器的结构。
同图3，在电绝缘底板1上安置导线2和3、测量电极4、反电极5、电绝缘层6以及与电极装置紧密接触的亲水聚合物层7。在外露于构成样品溶液供料通道的空腔的盖板表面17上形成另一亲水聚合物层12。在该亲水聚合物层12上形成胆甾醇氧化酶层10和胆甾醇酯酶与表面活性剂的层11。
将反应层安置在盖板表面17上，使得有可能在电极装置的表面上覆盖过滤器，如多孔聚碳酸酯膜、聚合物凝胶等。过滤器能有效地阻止血细胞干扰电极装置。该结构还使得表面活性剂层与电极装置分离，因此可以抑制表面活性剂对于电极装置的不利影响。
在盖板表面安置亲水聚合物层，抑制了反应层的脱落。形成于电极装置上的亲水聚合物层抑制了酶在电极上的吸附，它有效地防止了测量上的振动影响。
图6是本发明第5个实施例的胆甾醇传感器的结构。
同图3，在电绝缘底板1上安置导线2和3、测量电极4、反电极5、电绝缘层6以及与电极装置紧密接触的亲水聚合物层7。在外露于构成样品溶液供料通道的空腔的盖板表面17上形成另一亲水聚合物层12。按图4中相同的方式，在亲水聚合物层7和12上，分别形成胆甾醇氧化酶层10和胆甾醇酯酶与表面活性剂的层11。如图3那样，在形成于电极装置上的反应层上覆盖类脂质层9。
本实施例将两个反应层安置于不同的地方，一个在电极装置近侧，另一个与电极装置分开。这样增加了支载的试剂量，从而进一步加速了酶反应。
以下将通过实施例对本发明作更具体的描述。
实施例1
在本实施例中，如图3所示的胆甾醇传感器用如下方式制备：
首先，将5μl的亲水聚合物羧甲基纤维素的钠盐的水溶液(以下缩写为“CMC”，浓度为0.5％(重量))滴加在安置于底板1上的电极装置上，然后在热干燥器中于50℃干燥10分钟，形成CMC层7。接着，将来自诺卡菌属的酶，即胆甾醇氧化酶(以下缩写成“ChOD”)、来自假单胞杆菌属的胆甾醇酯酶(以下缩写成“ChE”)、电子介体铁氰化钾和表面活性剂正辛基-β-D-硫葡糖苷溶解在水中。将所得的水溶液滴加在先前形成的CMC层7上，于50℃下干燥15分钟，形成酶层8。然后，将5μl的含卵磷脂的甲苯溶液(浓度为0.5％(重量))滴加在酶层8上，干燥，形成覆盖在酶层8表面上的类脂质层9。
最后，将盖板14和隔板13按图1中虚线所示的位置关系与底板1粘合起来，得到本实施例的胆甾醇传感器。
将3μl的含有胆甾醇和一种胆甾醇酯(胆甾醇亚油酸酯)的胆甾醇标准溶液从样品溶液供料通道的开口18中加入胆甾醇传感器中，9分钟以后，对测量电极的阳极向传感器施加相对于反电极为+0.5V的脉冲电压，5秒钟后测量通过测量电极和反电极的电流值。由此评估了该胆甾醇传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。
实施例2
在本实施例中，如图3所示的胆甾醇传感器以如下方式制备：
首先，按实施例1相同的方式在电极装置上形成CMC层7。然后，将含有来自诺卡菌属的ChOD、来自小牛胰脏的ChE和铁氰化钾的混合溶液滴加在先前形成的CMC层7上，在热干燥器中于50℃干燥15分钟，形成酶层8a。然后，在层8a上滴加含胆酸钠的2-丙醇溶液(浓度为0.5％(重量))，干燥，形成覆盖在层8a上的表面活性剂层9a。
这样就制得了实施例2的胆甾醇传感器，按实施例1相同的方式评估该传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。结果见图7。
实施例3
在本实施例中，如图3所示的胆甾醇传感器如下制备：
首先，按实施例1相同的方式在电极装置上形成CMC层7。然后，将含有来自诺卡菌属的ChOD、来自假单胞杆菌属的ChE和铁氰化钾的混合溶液滴加在先前形成的CMC层7上，在热干燥器中于50℃干燥15分钟，形成酶层8a。然后，在层8a上滴加正辛基-β-D-硫葡糖苷的水溶液，干燥，形成覆盖在层8a上的表面活性剂层9a。
这样就制得了实施例3的胆甾醇传感器，按实施例1相同的方式评估该传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。结果见图7。
实施例4
在本实施例中，如图4所示的胆甾醇传感器如下制备：
首先，按实施例1相同的方式在安置于底板1上的电极装置上形成CMC层7。然后，将含有来自诺卡菌属的ChOD和铁氰化钾的混合溶液滴加在先前形成的CMC层7上，干燥，形成ChOD和铁氰化钾的层10。接着，将含有来自假单胞杆菌属的ChE和正辛基-β-D-硫葡糖苷的混合溶液滴加在层10上，于50℃干燥15分钟，形成ChE和正辛基-β-D-硫葡糖苷的层11。然后，将含卵磷脂的甲苯溶液(浓度为0.5％(重量))进一步滴加在层11上，干燥，形成类脂质层9。
这样就制得了实施例4的胆甾醇传感器，按实施例1相同的方式评估该传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。
实施例5
在本实施例中，如图5所示的胆甾醇传感器如下制备：
首先，按实施例1相同的方式在安置于底板1上的电极装置上形成CMC层7。同时，还将5μl含CMC的水溶液(浓度为0.5％(重量))滴加在外露于构成样品溶液供料通道的空腔的盖板表面17上，干燥，形成另一CMC层12。然后，将含有来自诺卡菌属的ChOD和铁氰化钾的混合溶液滴加在CMC层12上，干燥，形成ChOD和铁氰化钾的层10。接着，将含有来自假单胞杆菌属的ChE和正辛基-β-D-硫葡糖苷的混合溶液滴加在层10上，于50℃干燥15分钟，形成ChE和正辛基-β-D-硫葡糖苷的层11。
这样就制得了实施例5的胆甾醇传感器，按实施例1相同的方式评估该传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。
实施例6
在本实施例中，将含有来自诺卡菌属的ChOD、铁氰化钾、来自假单胞杆菌属的ChE和正辛基-β-D-硫葡糖苷的混合溶液滴加在CMC层12上，接着干燥，形成酶层，用来代替实施例5中形成的层10和层11。
这样就制得了实施例6的胆甾醇传感器，按实施例1相同的方式评估该传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。
实施例7
在本实施例中，如图6所示的胆甾醇传感器如下制备：
首先，按实施例4相同的方式在安置于底板1上的电极装置上形成CMC层7、层10和层11。然后，按实施例5相同的方式在外露于构成样品溶液供料通道的空腔的盖板表面17上也形成另一层CMC层12、层10和层11。
这样就制得了实施例7的胆甾醇传感器，按实施例1相同的方式评估该传感器对于胆甾醇标准溶液的响应。
在所有的本发明胆甾醇传感器中，传感器对于胆甾醇标准溶液的响应均显示了与胆甾醇和胆甾醇酯的摩尔浓度总和(即胆甾醇总浓度)的满意的线性关系。
从图7可见，与使用能溶解酶层的水作为表面活性剂的溶剂的实施例3的胆甾醇传感器相比，实施例2的胆甾醇传感器响应于浓度为0mg/dl的胆甾醇样品溶液的电流值更接近0mV，实施例2的传感器所用的表面活性剂的溶剂为2-丙醇，它不能溶解酶层。这可能是因为在实施例2的胆甾醇传感器中，酶层和表面活性剂层被更好地分隔开了，从而有效地抑制了表面活性剂对电极装置的不利影响。
如上所述，根据本发明，在表面活性剂的媒介作用下能够显示酶活性的酶可以在胆甾醇传感器中有效地进行反应。因此，可以得到允许短时间测量的胆甾醇传感器。
虽然本发明通过较佳实施例的方式进行说明，但是应该理解，本说明书并不能被解释成限制。对于本发明所涉及的技术领域的熟练技术人员而言，在阅读完上述说明书后，各种变化和改动毫无疑问将是显而易见的。因此，所附的权利要求书的意义就是覆盖了所有落在本发明实质精神和范围内的变化和改动。