專利名稱：電極、電化學傳感器和設備以及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及利用電極、傳感裝置和傳感設備的過程、用途和方法以及傳感系統(tǒng)。本發(fā)明特別地，但不完全是，涉及收集生物醫(yī)學數(shù)據(jù)和/或信息。
背景技術：
一些胃腸道(GI)病癥難于檢測，當前的檢測系統(tǒng)將攝像傳感器裝入可吞咽的丸劑中，但其通常不足以精確地在早期檢測問題。胃腸道出血是一些疾病例如克羅恩氏病、潰瘍性結腸炎、潰瘍和癌癥的常見癥狀。除非其達到出現(xiàn)其它癥狀(例如貧血)的程度或者如果糞便中帶有鮮血，胃腸道中的出血不會引起注意。到此時，疾病通常已經(jīng)達到了晚期。 在腸癌的情況下，息肉在癌變之前通常會出血。因此，如果可在早期檢測出息肉，就可安全地除去息肉并且成功地治療癌癥?，F(xiàn)有一些已知的糞便潛血(FOB)測試用于測試糞便中存在的血。這些試驗通?；谘t蛋白的類似過氧化物酶的行為或基于免疫測定。一種已知的FOB測試使用愈創(chuàng)木樹脂浸漬的卡片。愈創(chuàng)木樹脂(提取自樹木)會在存在氧化劑時變色。該測試利用了這樣的事實血紅蛋白通過過氧化氫催化愈創(chuàng)木樹脂中的酚類化合物(α-愈創(chuàng)木酯酸)的氧化，從而形成高度共軛的藍色苯醌類化合物。在基于愈創(chuàng)木樹脂的FOB測試中，由患者將糞便樣品涂抹在浸漬了愈創(chuàng)木樹脂的卡片上。在將卡片送往分析之前，通常需要對三份糞便中的每一份收集兩個樣品。在分析實驗室中，將過氧化氫顯色溶液應用于該卡片上，如果樣品中存在血液，結果會出現(xiàn)藍綠色。上述FOB測試可用于篩選測試，其中患者通過郵件或者本地醫(yī)生接受測試，患者采集自己的糞便樣品并將其涂敷在卡片上，然后將卡片送回實驗室進行分析。對這些測試的接受因人而異，尤其是在老年人和不同種族或社會背景的人中，其原因可能是由于采集樣品并將其涂于卡片上的令人不快的性質。作為上述篩選卡片的替代，W02006/0805087公開了一種傳感設備，該設備包括具有傳感器元件陣列的可吞咽丸，其中每個元件都是用于檢測將傳感器陣列設置在其中的環(huán)境中相同分析物的存在的生物傳感器。陣列中的傳感器元件的活化使得存在于傳感器元件的環(huán)境中的分析物，例如血紅蛋白，催化第一試劑例如α -愈創(chuàng)木酯酸與第二試劑間的化學反應，并通過傳感器元件檢測化學反應，從而確定傳感器元件的輸出。第一試劑一般包含在傳感器的試劑空間內，傳感器的試劑空間是加蓋的，并且如果需要的話，可以通過移除蓋子將試劑暴露到局部環(huán)境中以提供第一試劑。提供包括帶有可移動蓋子的試劑空間的傳感器使得可吞咽的丸劑的設計變得復雜。需要一種替代的傳感器，其具有易于操作和易于制造的設計。本發(fā)明特別適用于這樣的系統(tǒng)，在其中帶有傳感器的可吞咽的膠囊被病人吞咽并且通過無線電或其它通信連接將從體內收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到體外的基站。然而，本發(fā)明不僅限于這種應用，其也可用于為植入人體所設計的傳感裝置。本發(fā)明還可用于局部應用，例如，在傷口敷料中。本發(fā)明還可用于動物，特別是但不限于農(nóng)業(yè)家畜，例如牛羊和豬。不僅是針對哺乳動物的應用，針對非哺乳動物的應用，例如養(yǎng)魚場的魚，也是可以的。本發(fā)明還可以用于受試者取樣的分析。具有傳感器的分析裝置可用于樣品的快速、定性測定，特別是用于一種確定蛋白質例如血紅蛋白處于生理水平或臨床水平。雖然本發(fā)明的一些方面涉及設備例如可吞咽的丸子，其它方面提供了用于分析生物樣品的改進的傳感器。這些傳感器可用于作為市場上的例如上面討論的卡片的那些傳感器的替換物。本發(fā)明的傳感器提供了更快的結果而且不需要適當經(jīng)驗的分析技術人員。發(fā)明概述本發(fā)明采取了三種相關開發(fā)的形式，即電極、電化學傳感器和傳感設備，其將在下文中說明。每個開發(fā)都具有數(shù)個方面。應該理解，除非上下文另有要求，可以將任意開發(fā)的方面相互結合。與此類似，除非上下文另有要求，優(yōu)選和/或任選的特征可單獨或一起與任何開發(fā)的任何方面相結合。本發(fā)明第一個方面提供了用于檢測蛋白質的電極，該電極包括具有含有碳或石墨的導電基質的工作電極，所述導電基質含有第一試劑和第二試劑，所述第二試劑是第一試劑的氧化劑或其前體，其中所述第一試劑與所述氧化劑的反應是可由蛋白質催化的，以在所述工作電極提供可檢測信號。本發(fā)明第二個方面提供了用于檢測蛋白質的電極，該電極包括具有導電多孔基質的工作電極，所述導電多孔基質含有第一試劑和第二試劑，所述第二試劑是第一試劑的氧化劑或其前體；其中所述第一試劑與氧化劑的反應是可由蛋白質催化的，以在所述工作電極提供可檢測信號。本發(fā)明第三方面提供了電化學傳感器，該電化學傳感器包括本發(fā)明的電極，還包括對電極和可選的參比電極。本發(fā)明第四個方面提供了傳感設備，該傳感設備包括至少一個本發(fā)明的電化學傳感器，其中該設備(i)用于來自受試者的樣品；(ii)可被吞咽以通過人體或動物體；(iii)可被植入人體或動物體；或(iv)可被置于人體或動物體表面。本發(fā)明第五個方面提供了檢測蛋白質的方法，該方法包括如下步驟(i)提供電化學傳感器，所述電化學傳感器包括具有導電基質的工作電極，所述導電基質含有第一試劑和/或第二試劑，所述第二試劑是第一試劑的氧化劑或其前體；對電極和可選的參比電極；其中所述第一試劑與氧化劑的反應是可由蛋白質催化的，以在所述工作電極提供可檢測信號；以及
所述導電基質是含有碳或石墨的導電基質或多孔導電基質；(ii)在待分析蛋白質的環(huán)境下提供所述電化學傳感器；(iii)提供用于反應的所述第一試劑和所述第二試劑；(iv)維持工作電極和對電極和/或如果存在的參比電極之間的電勢；以及(ν)測量通過所述工作電極和對電極和/或如果存在的參比電極間的電流。本發(fā)明另一方面提供了本發(fā)明電極、電化學傳感器或傳感設備的制備方法。本發(fā)明還提供了上述電極在用于檢測蛋白質的傳感器中的用途。發(fā)明概述

圖1是本發(fā)明傳感裝置的實施方式的立體圖，該傳感裝置具有兩個用于以差動模式(differential mode)或復制模式(duplicate mode)運行的工作電極，以及對電極和參比電極，其中所有的電極均在電極帽中。圖2是圖1的傳感裝置的電極帽的接觸端的俯視圖。這些工作電極顯示為空腔， 并且在底部具有電接觸點。圖3顯示了在含有TMB和URP碳糊的兩個工作電極所記錄的響應曲線，其中該工作電極用于對0. IX緩沖液A中包含Hb(濃度為ang/mL)的樣品進行電化學分析。圖4顯示了在含有TMB和URP碳糊的兩個工作電極所記錄的響應曲線，其中該工作電極用于對一系列Hb濃度增加的樣品進行電化學分析。樣品是pH值為5的0. IX緩沖的A溶液，該樣品在緩沖液中添加了逐漸增加的Hb的量。上部曲線對應于具有較高Hb濃度的樣品的記錄響應曲線。每個曲線都是三次獨立實驗的平均值。圖5顯示了相對于每個樣品中已知的Hb濃度，由圖4的每個響應曲線所計算的平均電流強度。每個數(shù)據(jù)點表示三次獨立測量的平均值。誤差棒對應于三次獨立測量的標準偏差。圖6顯示了在含有TMB和URP碳糊的工作電極所記錄的響應曲線計算的平均電流強度，其中該工作電極用于對一系列血液濃度降低的樣品進行電化學分析。樣品來自于PH 值為5. 0的0. IX緩沖的A溶液所溶解的全血，該樣品被逐次稀釋以得到一系列血液濃度降低的樣品。各數(shù)據(jù)點表示三個獨立測量的平均值。誤差棒對應于三次獨立測量的標準偏差。圖7顯示了在含有TMB和URP碳糊的工作電極所記錄的響應曲線，其中該工作電極用于對一系列含有Hb的糞便樣品進行電化學分析。該樣品是加入了 Hb的pH值為7. 4 的0.1X緩沖的C溶液。上部的三個曲線對應于其中存在Hb的樣品的響應曲線。下部曲線對應于不含有Hb的對照樣品的響應曲線。圖8顯示了不含有Hb的空白濃縮的回腸造口流出樣品(blank condensed illeal effluent sample)的三個分別進行的試驗的記錄響應曲線。該曲線在0. 00-0. IOV的電勢范圍內記錄。圖9顯示了在含有TMB和URP碳糊的工作電極所記錄的響應曲線，其中該工作電極用于對一系列包含Hb的糞便樣品(濃縮的回腸造口流出物)進行電化學分析。上部曲線對應于Hb含量為3. 6mg/mL的樣品。圖10顯示了在含有TMB和URP碳糊的工作電極所記錄的響應曲線計算的平均電流強度，其中該工作電極用于對含有Hb的樣品進行電化學分析。該響應曲線在對工作電極進行設定時間段的保溫后獲得。較低的平均電流強度值對應于不含有Hb的樣品所得的測量值。圖11顯示了在含有TMB和URP碳糊的工作電極所記錄的響應曲線，其中該工作電極用于對在0. IX緩沖的A溶液中的含有Hb的樣品進行電化學分析。上部曲線(以WKG2 標記)對應于由另外地包含甘露醇的工作電極所記錄的數(shù)據(jù)。下部曲線(以WKGl標記) 對應于不包含甘露醇的工作電極所記錄的數(shù)據(jù)。圖12顯示了在含有TMB、URP和檸檬酸的碳糊的工作電極所記錄的響應曲線，該工作電極用于對PH值為7. 4的含有0. 1 X緩沖C的在14分鐘添加了 Hb的樣品進行電化學分析。圖13a顯示了在含有TMB、URP、甘露醇和檸檬酸的碳糊的一對工作電極所記錄的響應曲線，該工作電極用于對PH值為7. 4的含有0. IX緩沖的C的樣品進行電化學分析， 其中Hb是在第14分鐘添加到該樣品中的。在分析之前，這些電極已經(jīng)在37°C下(干燥狀態(tài))保溫了 20小時。圖1 顯示了在含有TMB、URP、甘露醇和檸檬酸的碳糊的一對工作電極所記錄的響應曲線，該工作電極用于對PH值為7. 4的含有0. IX緩沖的C的樣品進行電化學分析， 其中Hb是在第14分鐘添加到該樣品中的。在分析之前，這些電極已經(jīng)在37°C下(干燥狀態(tài))保溫了 43小時。圖14顯示了在含有TMB的碳糊的一系列工作電極所記錄的響應曲線，其中該工作電極用于對一系列含有0.1 X緩沖的A、URP和Hb的樣品進行電化學分析。基線曲線是與不含有Hb的對照樣品相關的響應曲線。圖15顯示了在含有TMB和高硼酸鈉的碳糊電極針對模擬的糞便樣品隨時間所記錄的電流，該模擬的糞便樣品包含不同量的被添加到濃縮的回腸造口流出物的血液。從上到下的響應曲線對應于包含質量分數(shù)為2.0%、1.0%血液的樣品以及三個各包含質量分數(shù)為0.4%血液的樣品?；€曲線是與不含有血液的對照樣品相關的響應曲線。圖16是顯示了平均電流密度的圖表，該平均電流密度表示為任意單位，并且由在含有TMB和高硼酸鈉的碳糊電極針對各種含血量增加的模擬糞便樣品所記錄的測量值計算得到。平均電流密度值是由每個樣品的響應曲線所計算的。圖17顯示了凈信號水平隨時間的平均變化，其表示為任意單位，通過含有TMB和高硼酸鈉的碳糊電極針對在IX緩沖的A中包含0. 3mg/mLHb的樣品所測試。發(fā)明詳述本發(fā)明提供了用于檢測環(huán)境中的蛋白質的電極。該蛋白質催化第一試劑和第二試劑之間的反應以在電極提供可檢測的信號。在優(yōu)選的實施方式中，第一試劑和第二試劑包含在電極的導電基質中。在可替代的實施方式中，第一試劑和第二試劑其中之一包含在導電基質中，并且在使用時提供其余的那種試劑用于進行反應，從而在電極提供可檢測的信號。蛋白質催化導電基質中第二試劑對第一試劑的氧化作用。然后第一試劑的氧化形式可以被在電極還原以在電極提供可檢測的信號。電極可按照本文的說明裝入電化學傳感器中或傳感設備中。在下文中將詳細說明電極、傳感器和設備的特征。
電極在總的方面，本發(fā)明提供了具有導電基質的電極。在本發(fā)明另一方面，提供了含有碳或石墨的導電的基質，并且該基質含有第一試劑和/或第二試劑。優(yōu)選地，存在有第一試劑和第二試劑?？商娲?，存在有第一試劑和第二試劑其中之一。在本發(fā)明另一方面，提供了導電的多孔基質，并且該基質含有第一試劑和/或第二試劑。優(yōu)選地，存在第一試劑和第二試劑。可替代地，存在第一試劑和第二試劑其中之一。該電極可以被稱為工作電極。本發(fā)明的電極是穩(wěn)定的。其基本不會隨著時間降解或者當持續(xù)暴露于規(guī)定的待用的環(huán)境中時基本不會降解。該工作電極可裝入傳感設備例如測試卡和其它設備例如診斷試劑盒中。另外，電極在用于體內時，可使用無毒的組分，從而將對人或動物測試受試者的產(chǎn)生傷害的風險降至最低。因此，在某些實施方式中，本發(fā)明的工作電極尤其適用于可吞咽丸的傳感設備，以便于通過胃腸道。本發(fā)明的電極可保存至少14天、至少觀天、或至少6個月并且電極活性不會顯著降低。優(yōu)選地，將電極在干燥狀態(tài)下保存這些時間以最小化降解。優(yōu)選地，將工作電極以及傳感器的可選的其他組分保存在惰性氣體例如氮氣或氬氣的氣氛中。電極的活性可通過包含蛋白質的標準樣品溶液的電化學分析來校正。電極活性的降低對應于在工作電極所記錄的平均記錄電流相比于對照工作電極所記錄的電流的降低。 優(yōu)選地，平均記錄電流降低約50%或更低，約30%或更低，約10%或更低，或者約5%或更低。測試工作電極穩(wěn)定性的環(huán)境可包括本文所述的生物樣品。工作電極也可在與其規(guī)定的暴露條件相似的條件下測試樣品。樣品可以是例如模擬的腸液或模擬的糞便樣品。導電基質工作電極通常具有含有第一試劑和/或第二試劑的導電基質。該基質可以是多孔基質。電極可以是含碳或石墨的導電的基質。導電基質適用于電連接至電壓源。優(yōu)選地，導電基質電連接至導電基底。優(yōu)選地，導電基底是金屬。金屬可以是例如鋼或鉬，并且可以是任何形狀，盡管最優(yōu)選的是線形(包括線圈)。在使用時，導電基底可以形成工作電極的導電基質與電壓源之間的電連接。在優(yōu)選的實施方式中，導電基質是，或得自于，或可得自于石墨或碳糊。在可選的實施方式中，導電基質是，或得自于，或可得自于含碳或石墨的油墨。碳糊在本領域中是熟知的。碳糊可由石墨或碳顆粒與油來制備。油可以是包括但不限于鏈烷烴(paraffin)、礦物油或硅油。合適的油包括可得自 Sigma-Aldrich的礦物油(見例如目錄號M3516)。合適的石墨或碳顆粒包括平均粒徑< 20 μ m的合成石墨粉末，其可得自 Sigma-Aldrich (見例如目錄號沘沘63)。碳糊通過將石墨或碳顆粒與油混合在一起制備，例如使用研缽及研杵。石墨或碳糊也可通過在石墨或碳存在下熔融鏈烷烴(paraffin)，例如石蠟來制備。典型地，將鏈烷烴加熱至40-50°C。該技術見Petit等人的說明。
或者，可使用市售的碳糊。合適的碳糊包括可購自Bioanalytical Systems, Inc 的碳糊(見例如目錄號CF-1010)。碳糊的典型組成為質量分數(shù)為55-75%的石墨或碳以及質量分數(shù)為25_45%的油。優(yōu)選地，其組成為質量分數(shù)為60-70%的石墨或碳以及質量分數(shù)30-40%的油。導電基質可以是碳油墨。碳或石墨油墨固體含量通常在質量分數(shù)為30-50%的范圍內，優(yōu)選在質量分數(shù)為 33-45%的范圍內。碳或石墨油墨通常包含碳或石墨以及溶劑和粘結劑，該粘結劑例如基于乙烯基或環(huán)氧基的高分子粘結劑。碳和石墨油墨是市售的，適合用于本發(fā)明的油墨包括來自Acheson Colloids(見例如 Electrodag Standard Carbon Ink PF-407A)、Dupont Electronic Materials (見例如產(chǎn)品號 BQ242)、Gwent Electronic Materials Ltd(見例如產(chǎn)品號 C10903P14)和 Ercon 的油墨。導電基質可以是多層的。多層導電基質使得第一試劑和/或第二試劑，以及如果存在的另外的添加劑，物理地分隔在基質中。與第一試劑和/或第二試劑以及如果存在的另外的添加劑位于單層中的基質相比，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種基質的穩(wěn)定性提高。多層導電基質將基質組分的交叉反應性降至最低。例如，在多層導電基質中，降低了在不存在蛋白質時第一試劑和第二試劑的交叉反應。多層導電基質可具有不含有第一或第二試劑的碳糊或碳油墨層。優(yōu)選地，該層由碳糊或碳油墨組成。當導電基底存在時，優(yōu)選地，該碳糊或碳油墨層連接至導電基底。優(yōu)選地，基質具有含有第一試劑的第一層和含有第二試劑的第二層，這些試劑中的每個都存在于其中。在最優(yōu)選的實施方式中，導電基質包括碳糊或碳油墨的第一層，該層含有第一試劑或第二試劑其中一種。與第一層相鄰的是碳糊或碳油墨第二層，該層含有第一試劑或第二試劑中的另外一種。與第二層相鄰并且在第一層的相對側的是碳糊或碳油墨第三層。該第三層可以不含有第一試劑或第二試劑，并且優(yōu)選地由碳糊或碳油墨組成。可選地，導電基底可以與第三層相鄰，并且在第二層的相對側。優(yōu)選地，第一層暴露于本文所述的電解液空間。因此，第一層可暴露于使用環(huán)境。優(yōu)選地，第一層含有第二試劑，第二層含有第一試劑。優(yōu)選地，碳油墨用于多層導電基質中。導電基質是多孔的。多孔網(wǎng)狀結構使得在使用時蛋白質能穿過基質，從而能催化第一試劑與第二試劑之間的反應。當這些試劑中的其中一種存在于導電基質中時，孔使得在使用時這些試劑的其它試劑能穿過基質，通過蛋白質的催化使其能與這一種試劑反應。優(yōu)選地，孔的平均直徑為至少8 μ m、至少10 μ m、至少15 μ m或至少20 μ m。優(yōu)選地，孔的平均直徑為最多8 μ m、最多20 μ m、最多25 μ m或最多30 μ m。優(yōu)選地，孔的平均直徑在約8至約30 μ m的范圍內。導電基質中的孔的大小通過SEM實驗確定。第一試劑在存在蛋白質的情況下第一試劑可與第二試劑反應。優(yōu)選地，第二試劑為過氧化氫。因此，在存在蛋白質的情況下第一試劑優(yōu)選為與過氧化氫反應的化合物。
優(yōu)選地，第一試劑是，或者包含，選自如下的化合物四甲基聯(lián)苯胺、α-愈創(chuàng)木酯酸，2，2'-連氮基-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)、對苯二酚、苯二胺、鄰聯(lián)茴香胺、鄰聯(lián)甲苯胺(二甲基聯(lián)苯胺)、6_甲氧基喹啉和3，3’- 二氨基聯(lián)苯胺、3-氨基-9-乙基咔唑。優(yōu)選地，第一試劑是，或者包括，四甲基聯(lián)苯胺。優(yōu)選地，第一試劑是，或者包括，3，3’，5，5’ -四甲基聯(lián)苯胺。在本發(fā)明的某些實施方式中，傳感器為適于可吞咽的傳感設備的一部分，以便于通過人體或者動物體，或可植入人體或動物體，或置于人體或動物體表面(例如，傷口)。因此，優(yōu)選地，設備所放置位置的內部或外部的傳感器的構件對受試者無害。對于電極的體內應用，優(yōu)選地，第一試劑為對受試者無毒的化合物。另外地或可替代地，第一試劑是被氧化劑氧化后不會轉化成有毒產(chǎn)物的化合物。在最優(yōu)選的實施方式中，第一試劑為，或含有，四甲基聯(lián)苯胺。由于確信對人類受試者無害，這種第一試劑特別適合在本發(fā)明中使用。在工作電極中第一試劑的量被選取為以使得該電極具有最佳性能。在存在蛋白質的情況下，第一試劑的量足以使得第一試劑與第二試劑的反應產(chǎn)生可檢測的信號，其中所存在的蛋白質水平處于生理或臨床水平。所存在的試劑的量達到允許足夠的電子穿過基質的濃度。試劑的量被選取為以在使用中提供最優(yōu)靈敏度和響應時間。另外地或可替代地，存在的第一試劑的量為對導電基質給出最佳結構完整性的量。第一試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為1 %，質量分數(shù)至少為2 %，或質量分數(shù)至少為5%。第一試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為4%。第一試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為15%，質量分數(shù)至多為9%，或質量分數(shù)至多為5%。第一試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為15 %，質量分數(shù)至多為9 %，或質量分數(shù)至多為6%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的第一試劑質量分數(shù)為1_15%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的第一試劑質量分數(shù)為2_9%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的第一試劑質量分數(shù)為5%。第二試劑第二試劑為氧化劑或其前體。在存在蛋白質的情況下其可與第一試劑反應。優(yōu)選地，第二試劑含有過氧化氫或其前體。優(yōu)選地，在第二試劑與水接觸時過氧化氫可從第二試劑釋放。在存在蛋白質的情況下，過氧化氫可與第一試劑反應。優(yōu)選地，第二試劑是，或含有，選自過氧化脲、過硼酸鹽化合物和高碘酸鹽化合物的化合物。在一個實施方式中，第二試劑是，或含有，過氧化脲。在另一實施方式中，第二試劑是，或者含有，過硼酸鹽化合物，優(yōu)選為過硼酸鈉。對于體外應用，由于過硼酸鹽所得的電極比含有其他試劑的電極，例如含有過氧化脲的其他電極，具有更好的穩(wěn)定性，優(yōu)選地選取過硼酸鹽。特別地，這些含有過硼酸鈉的電極被發(fā)現(xiàn)具有更長的儲存期。對于電極的體內應用，優(yōu)選地，第二試劑為對受試者無毒的化合物。另外地或可選地，第二試劑是與第一試劑反應后不會轉化成有毒產(chǎn)物的化合物。因此，對于體內應用，由于其低毒性，過氧化脲為優(yōu)選的第二試劑。對于電極的體外應用，較少考慮第二試劑的毒性?？梢酝ㄟ^適當?shù)拿芊鈦碜钚』褂谜弑┞兜皆噭?。在工作電極中第二試劑的量被選取為以使得該電極具有最佳性能。在存在蛋白質的情況下，第二試劑的量足以使得第一試劑與第二試劑的反應產(chǎn)生可檢測的信號，其中所存在的蛋白質水平處于生理或臨床水平。所存在的試劑的量達到允許足夠的電子穿過基質的濃度。試劑的量被選取為以在使用中提供最優(yōu)靈敏度和響應時間。另外地或可替代地，存在的第二試劑的量為對導電基質給出最佳結構完整性的量。第二試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為2%或7%。第二試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為6%。第二試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為15%，重量分數(shù)至多為11%，或質量分數(shù)至多為7%。第二試劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為8%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的第二試劑的質量分數(shù)為2_15%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的第二試劑的質量分數(shù)為7_11%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的第二試劑的質量分數(shù)為 %。電極添加劑工作電極包括第一試劑和/或第二試劑。電極可選地再包括一種或多種的添加劑。在多層的基質中，添加劑可與第一和/或第二試劑在同一層中，或在不含有第一或第二試劑的單獨的層中?？梢詢群姌O添加劑來改變導電基質的結構?？梢詢群砑觿﹣砀淖兎胖秒姌O的局部環(huán)境。例如，可提供添加劑來改變工作電極表面和周圍的局部PH值。在某些實施方式中，添加劑可在與水接觸時從電極釋放，而水通常會存在于所要分析的樣品中。在該實施方式中，電極保持干燥直至使用。對于電極為多層的基質，優(yōu)選地， 添加劑被包含在將要與電解質接觸的層中。ρΗ值控制添加劑在一個實施方式中，工作電極含有ρΗ值控制添加劑。該添加劑可包含在基質中。 在使用中，PH值控制添加劑可從電極釋放到電解質空間，從而改變局部環(huán)境的ρΗ值，特別是電極反應表面周圍環(huán)境的PH值。已確定的是，在ρΗ值約為5的環(huán)境中，可以在電極獲得由蛋白質催化TMB和URP 的反應所產(chǎn)生的最強的可檢測信號。相應地，在環(huán)境ρΗ值預期大于5的情況下，可以向電極提供ρΗ值改變添加劑來改變使用中環(huán)境的PH值。該ρΗ值控制添加劑可為酸或緩沖液。一旦與環(huán)境中的液體接觸，例如腸液，該ρΗ值改變添加劑可從電極釋放到環(huán)境。 PH值控制添加劑在水合作用下可釋放。在一次性使用的電極系統(tǒng)，酸適合作為ρΗ值控制添加劑。ρΗ值控制添加劑可為緩沖液。在優(yōu)選的實施方式中，PH值控制添加劑為檸檬酸緩沖液(檸檬酸和檸檬酸鈉)。原則上可使用任何有機酸的共軛堿。例如包括醋酸鹽和磷酸鹽緩沖液及其組合。其它適于使用的緩沖液包括MOPS、CHAPS、TRIS和HEPES緩沖液。優(yōu)選地，緩沖液對受試者無毒。在工作電極中第一試劑的量被選取為以使得該電極具有最佳性能。所存在的緩沖液的量達到允許足夠的電子穿過基質的濃度。pH值添加劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為1%，質量分數(shù)至少為2%，或質量分數(shù)至少為5%。pH值添加劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為15 %，質量分數(shù)至多為9 %，或質量分數(shù)至多5%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的pH值添加劑質量分數(shù)為1-15%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的pH值添加劑質量分數(shù)為2-9%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的pH值添加劑質量分數(shù)為5%。在一優(yōu)選實施方式中，工作電極含有第一試劑和/或第二試劑、甘露醇和檸檬酸緩沖液。擴孔劑在一實施方式中工作電極含有擴孔劑。該添加劑可包含在基質中。該添加劑可增加電極基質中的孔的大小和/或數(shù)量。已確定的是，在具有大小和/或數(shù)量增加的孔的基質中，可以在電極獲得由蛋白質催化第一試劑和第二試劑的反應所產(chǎn)生的最強的可檢測信號。擴孔劑也可用于更均勻地分開基質中的孔，從而允許在使用時蛋白質能夠更遠地或更迅速地進入基質。優(yōu)選地，擴孔劑為多元醇。優(yōu)選地，擴孔劑單獨選自硫酸鈉、甘露醇、山梨醇和木糖醇。優(yōu)選地，擴孔劑單獨選自甘露醇、山梨醇和木糖醇。更優(yōu)選地該擴孔劑單獨為甘露可替代地，該擴孔劑為硫酸鈉。當電極含有PH值控制添加劑例如檸檬酸時，硫酸鈉為特別優(yōu)選。在另一實施方式中，該擴孔劑為硫酸氫鈉。當樣品需要進行PH值控制時，硫酸氫鈉可以比甘露醇優(yōu)先使用，特別是在電化學分析時樣品為酸性PH值的情況下。硫酸氫鈉比甘露醇優(yōu)選是由于其較低的PKa值(pKa值約為2，相比較而言甘露醇pKa值為13. 1-13. 8)。擴孔劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為1%，質量分數(shù)至少為10%，或質量分數(shù)至少為20%，或質量分數(shù)至少為30%。擴孔劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為55 %，或質量分數(shù)至多為45 %。優(yōu)選地，存在于導電基質中的擴孔劑質量分數(shù)為1_50%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的擴孔劑質量分數(shù)為35-45%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的擴孔劑質量分數(shù)為40%。潤濕劑在一實施方式中工作電極含有潤濕劑。該潤濕劑可存在于基質中。
該潤濕劑可用于加速基質的水合，從而在使用中提供增加的響應時間。
該潤濕劑優(yōu)選為非離子的。優(yōu)選的潤濕劑包括聚乙烯吡咯烷酮、曲通X和吐溫。該潤濕劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至少為0.005 %，質量分數(shù)至少為 0.01%，或質量分數(shù)至少為0.05%。該潤濕劑可存在于導電基質中，質量分數(shù)至多為0.50%，質量分數(shù)至多為 0. 25%，或質量分數(shù)至多為0. 1%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的潤濕劑質量分數(shù)為0. 005-0. 25%。優(yōu)選地，存在于導電基質中的潤濕劑質量分數(shù)為0. 01-0. 1%。電極修飾在一個實施方式中，電極的至少部分表面上具有涂層。電極涂覆物質優(yōu)選地溶于待測樣品中。因此，當與樣品接觸時，涂層通過溶解作用從電極上除去。涂層優(yōu)選為可通過水合作用除去。涂層可以是基質的形式，以使得樣品溶液滲透遍布涂層，從而有助于從電極表面溶解。提供了涂層以容納一種或多種添加劑，例如上述的那些電極添加劑。涂層可用作上述電極的替代或補充，而添加劑即包含在電極的電極基質中。由于涂層在進行電化學分析之前至少部分地被除去，從而確保電極表面的一部分能與樣品接觸，因此涂層不必要是導電的。在優(yōu)選的實施方式中，電極涂層含有例如上述的PH值控制添加劑。在該實施方式中，優(yōu)選地，電極不含有pH值控制添加劑。優(yōu)選地，涂層材料是，或包含，水溶性聚合物。合適的水溶性聚合物包括用于藥學領域中藥物釋放系統(tǒng)中的那些聚合物。用于本發(fā)明的水溶性聚合物包括一種或多種以下聚合物或其衍生物聚亞烷基二醇，例如聚乙二醇；纖維素類聚合物，例如羥烷基纖維素，包括羥乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素；蔗糖或其它多糖，例如殼聚糖；和乙烯基聚合物，例如聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚 (乙烯基吡咯烷酮)_(乙酸乙烯酯)共聚物。工作電極的制備本發(fā)明還提供了工作電極的制備方法。因此，在一方面提供了工作電極的制備方法，該方法包括混合包含碳或石墨基質與第一試劑、第二試劑或這兩種試劑的步驟。包含碳或石墨的基質優(yōu)選是碳糊或石墨糊，或碳油墨或石墨油墨。優(yōu)選地，在與含碳或石墨的基質混合之前，獨立地研磨第一試劑、第二試劑或這兩種試劑。優(yōu)選地，在與含碳或石墨的基質混合之前，獨立地研磨第一試劑、第二試劑或這兩種試劑再通過攪動(vortex)混合。所得的混合物可在研缽中均質化，然后再攪動?？梢灾貜驮撨^程直到獲得了期望的均勻度的糊狀物。在本發(fā)明一些實施方式中，該電極至少一部分表面上具有可除去的涂層。涂層可從涂層材料在有機溶劑中的溶液沉積到電極的外表面上。將溶劑蒸發(fā)，從而在電極表面上形成涂層材料的膜?？商娲?，涂層可通過將涂層材料溶于或分散于有機溶劑中再將所得的混合物噴涂在電極上來涂覆。這種工藝與制藥工業(yè)中用以涂覆例如水溶性聚合物的藥物組合物的膜涂覆工藝相似。在一些實施方式中，電極可保持在例如傳感設備的腔室內。在該實施方式中，涂層材料可包裝在腔室中，從而至少部分地覆蓋腔室中的電極。通過水合作用，涂層材料將之前覆蓋的電極部分暴露于樣品。本發(fā)明還提供了通過或可通過本文所述方法獲得的工作電極。電化學傳感器本發(fā)明的電化學傳感器包括本發(fā)明的電極和對電極以及可選的參比電極。工作電極、對電極以及可選的參比電極確定了電解質空間。在使用時，電極與電解質空間中的電解液電性接觸。對于定性測量，可以不需要參比電極。優(yōu)選地，傳感器的激活使得存在于傳感器元件的環(huán)境中的被分析物(即蛋白質)， 特別是工作電極中的被分析物，催化第一試劑和第二試劑間的化學反應，通過所述傳感器元件檢測所述化學反應而確定傳感器輸出。電極適于與電壓源電性連接。電化學傳感器可以僅被激活一次，以嘗試檢測傳感器所在環(huán)境中被分析物的存在。電化學傳感器的激活使得存在于電化學傳感器環(huán)境中的被分析物催化第一試劑和第二試劑間的化學反應，通過電化學傳感器檢測該化學反應而確定傳感器輸出。工作電極電化學傳感器包括具有本文所述導電基質的工作電極。將工作電極暴露于待分析的蛋白質的環(huán)境下。優(yōu)選地，工作電極通過激活電化學傳感器暴露。對電極電化學傳感器包括對電極。對電極可與電源連接。優(yōu)選地，當對電極用作參比電極時，其與電源連接。對于可用于本發(fā)明電化學傳感器的對電極的類型，沒有特殊的限制。優(yōu)選地，電極材料包括鋼和鉬。鋼由于相對成本較低，是即拋型和一次性傳感器和設備的最優(yōu)選的電極材料。參比電極參比電極可包括在本發(fā)明的電極裝置中。工作電極和對電極以及如果存在的參比電極和另外的工作電極確定了電解質空間。在使用時，電極與所述電解質空間中的電解液電性接觸。電解液可以是本文所述的樣品或傳感器所應用的環(huán)境下的流體。參比電極可以是標準銀/氯化銀電極。參比電極可以是準參比電極，在包含合適離子的合適的緩沖液存在的情況下，其可用作參比電極。在一個實施方式中，準參比電極可以是從銀電極或可從銀電極獲得的基于銀的電極，該銀電極以約的!^Cl3水溶液處理。 電極可在處理前和/或后洗滌。
另外的工作電極電化學傳感器可包括第二電極。另外的工作電極可與第一工作電極相同或不同。第二工作電極可被提供來允許在電化學傳感器中使用差動電化學測量。第二工作電極可用于允許復制電化學測量以證明精度并增加可信度。本發(fā)明的傳感器可以以一式三份或一式四份的結構提供。因此，傳感器可包括兩個或三個另外的工作電極。電極的增加可以通過允許蛋白質更高的特異性來提高電化學傳感器的總體性能。 因此，電極更加能夠區(qū)分不同類型的蛋白質，例如區(qū)分血紅蛋白與辣根過氧化物酶。在一個實施方式中，第二工作電極被提供用來測量第一和第二試劑間未催化的反應。在該實施方式中，電化學傳感器配備有減少或防止第二工作電極在使用時暴露于蛋白質的裝置。該裝置可以是膜。該膜是蛋白質不能透過的。由于該膜被準備為在使用時允許樣品中的其它組分通過該膜，因此該膜可被稱為半滲透性膜。所以這些其它組分可以到達第二工作電極。在一個實施方式中，其它組分是過氧化物清除劑，過氧化物清除劑是已知與過氧化物反應的化合物。這些化合物包括但不限于抗壞血酸酯(或抗壞血酸)和尿酸酯(或尿酸)。所述化合物可被允許通過膜并與電極基質接觸和進入電極基質。其它組分可以在電極例如與第一或第二試劑反應，以在第二工作電極產(chǎn)生可檢測的信號。由該反應(非特異的)產(chǎn)生的信號可以用于校準或校正由在第一工作電極蛋白質催化的反應(特異的)所獲得的信號。該膜的穿透孔的大小足以防止蛋白質通過膜。這可被稱為尺寸排阻。優(yōu)選地，孔具有5μπι或更低、4μπι或更低、Ιμπι或更低、或0. 5μπι或更低的平均
橫截面。膜是可購得的，并且用于本發(fā)明的合適的膜包括來自如下的膜=Millipore (例如 Millipore Immobilon-P Membrane、Millipore Fluoropore PTFE> Millipore Durapore PVDF 和 Millipore Isopore 軌跡浸蝕聚碳酸酯)、Merlitech (例如 Merlitech Corp 聚酯膜和軌跡浸蝕聚碳酸酯濾膜)和Whatman (例如Whatman軌跡浸蝕聚碳酸酯濾膜)。電化學電化學傳感器還可包含電壓源(或電源)。電壓源優(yōu)選地適于在工作電極和對電極或如果存在的參比電極之間提供恒定的電勢差。優(yōu)選地，電壓源給工作電極和參比電極或對電極間提供范圍為-0. 05至+0. 25V的恒定電壓。優(yōu)選地，電壓源給工作電極和參比電極或對電極間提供約+0. IOV的恒定電壓。電化學傳感器還可包括用于監(jiān)測電流的檢測器。電化學傳感器還可包括用于控制電壓源并計時的控制器?；蛘?，電壓源和/或控制器可在外部提供。在一個實施方式中，電壓源和/或控制器可以是設備的組件，例如本文所述的那些設備，特別是本文所述設備的第一模塊的組件。特別優(yōu)選地，設備或設備的第一模塊包括一列本發(fā)明的電化學傳感器。該列電化學傳感器中的一個或多個、或每一個可由公共的電壓源提供電壓和/或可由公共的控制器控制。電化學傳感器可以配備有提高在工作電極信號的檢測的試劑。該試劑可釋放進入電解質空間。該試劑可通過電化學傳感器的激活釋放。試劑可包含在儲存器中(可包括凝膠)，與工作電極相鄰或靠近工作電極。試劑可選自上述電極添加劑。因此，可以使用存儲器來補充或替代那些包括所述添加劑的電極和/或具有包括所述添加劑的涂層的電極。儲存器可通過與樣品接觸釋放試劑。儲存器材料可以是至少部分可溶性的，并且優(yōu)選地通過水合作用可溶解，從而釋放試劑進入樣品中。儲存器優(yōu)選地由水溶性聚合物組成。合適的水溶性聚合物是本文所述的用作電極涂層材料的那些聚合物。儲存器優(yōu)選地緊靠于工作電極(或是提供了另外的電極時的工作電極)。儲存器可以與電解質空間相鄰。因此包含在儲存器中的試劑可在電化學分析之前和之間提供至工作電極表面。在一個實施方式中，儲存器含有例如上述的pH值控制添加劑。在該實施方式中， 優(yōu)選地，工作電極不含有pH值控制添加劑。在優(yōu)選的實施方式中，試劑是例如上述的pH值控制添加劑。在另外的實施方式中，試劑是例如上述的潤濕添加劑。傳感設備本發(fā)明提供了具有至少一個本發(fā)明電化學傳感器的傳感設備。本發(fā)明電化學傳感器的組件適于小型化。具有傳感器的設備也可以是緊湊的。因此，傳感設備可以是適于通過胃腸道的裝置，或其可以是測試卡或其它這種適用于家庭測試試劑盒的測試系統(tǒng)。在一個實施方式中，提供了適用于分析受試者樣品的傳感設備。該傳感設備可以是手持式裝置，并且適于非臨床醫(yī)生或合格的技術人員的使用者使用。該設備可被提供來由私人個體用作家庭測試試劑盒的一部分。在優(yōu)選的實施方式中，傳感設備作為試劑盒的一部分提供，該試劑盒包括適于存儲和/或從受試者采樣生物標本的采樣設備。試劑盒可選地包括說明，該說明涉及傳感設備的使用、存儲和/或采樣設備的使用以及傳感設備結果的解釋。采樣設備可以與傳感設備集成，并且可從其中除去。因此，在該實施方式中，提供了一件用于采樣和分析樣品的儀
ο在優(yōu)選的實施方式中，采樣設備用于從糞便中分離糞便樣品。在一個實施方式中，傳感設備包括電化學傳感器，并且傳感器適于與樣品接觸并且對樣品進行電化學分析。傳感器可制備成例如測試卡的形式，或可選地傳感器可具有更加復雜結構并且可制備成采樣頭。 在本發(fā)明另一實施方式中，本發(fā)明的設備包括測試卡形式的電化學傳感器。在這些實施方式中，特別優(yōu)選地，本發(fā)明的電極適于在卡上或卡中使用。因此，每個電極的厚度相對較小，優(yōu)選為IOmm或更小、5mm或更小或Imm或更小。在這些實施方式中，特別優(yōu)選地，工作電極包括導電性碳-油墨基質。電化學傳感器可用于測試樣品中蛋白質的存在。所述蛋白質優(yōu)選是血紅蛋白。因此電化學傳感器可用于測試樣品中血液或血液降解產(chǎn)物的存在。在一些實施方式中，傳感設備中的電化學傳感器包括第一和第二試劑。試劑可包含在工作電極內，或者試劑中的一種可包含在工作電極內，另一種可在工作電極的試劑空間中提供，并且可通過傳感器的激活來提供以與另一種試劑反應。在其它的實施方式中，傳感設備中的電化學傳感器包括第一和第二試劑中的一種。第一和第二試劑中的另一種被單獨提供，例如被加入待分析樣品溶液中。傳感設備可以是可在用完后丟棄。在一個實施方式中，傳感設備是一次性設備。在其它實施方式中，傳感設備適于多次使用。在該實施方式中，電極配備有足以多次使用的第一和/或第二試劑的量，或者分析單位可以配備有多于一個工作電極，如下文所述。傳感設備的外形、大小或結構不限。優(yōu)選地，傳感設備適用于生物樣品，并且適用于對所述樣品進行電化學分析。在一個實施方式中，傳感設備的形狀適用于手持。在完成電化學分析后，傳感設備可以適于向使用者提供可視化或可聽見的信號。 該信號可向使用者表明不存在蛋白質、蛋白質存在的生理水平或蛋白質存在的臨床水平。 信號可以是可變化的顏色標記形式，或者在卡片上特定的標記位置出現(xiàn)標記以指示某種結^ ο在優(yōu)選的實施方式中，設備配備有能夠提供關于分析結果的可視化指示的電子顯示器。指示可以是單詞和/或符號。對于顯示的結果，電子顯示器提供了更高的確定性，并且該顯示不易受到主觀解釋的影響。在陽性結果指示為顏色變化時，這種解釋對測試特別不利的。該變化可能難以目測，并且可能不統(tǒng)一，因此給使用者提供了非結論性的或不確定的結果。傳感設備可以用于通過一系列測試來指示蛋白質的存在。重復試驗將假陽性結果出現(xiàn)幾率降至最低。傳感設備適于進行一系列重復試驗。因此傳感設備可以具有可使用兩次或更多次的傳感器。或者，該設備可配備兩個或更多個傳感器，其中各傳感器用于一系列試驗中的一個。傳感設備還可配備報警器，該報警器指示使用者何時應該對新樣品進行另外的測試。報警器可以是可視化或可聽化警報器或者這兩者。傳感設備也可配備計數(shù)器來指示已經(jīng)進行的測試數(shù)和/或還剩下的測試數(shù)。傳感設備可以作為試劑盒的一部分提供，其中試劑盒還可以包括測試溶液。測試溶液可被提供用于與樣品混合以得到更加適合分析的電解液。測試溶液可以是緩沖液。當電化學傳感器沒有第一和第二試劑其中之一時，試劑可以作為試劑盒的一部分提供。試劑可以在測試溶液中提供，或在單獨的試劑溶液中提供以加入測試溶液。在其它實施方式中，與本發(fā)明所述的電極添加劑相同的某些添加劑可在測試溶液中提供，或在單獨的試劑溶液中提供以加入測試溶液。在這些實施方式中，試劑盒可被稱為具有干和濕化學成分。試劑盒的干化學成分是指電極基質中含有的組分，包括第一和/或第二試劑。試劑盒的濕成分是指作為測試溶液提供的組分，例如第一和第二試劑其中一種和/或稀釋劑，用以在電化學分析之前加入樣品。濕化學成分也可指將要構成測試溶液(例如通過加入水)的設備的組分。因此，濕化學組分可以以固體或凝膠形式提供以構成測試溶液。濕和干成分可分開提供，例如在不同的試劑盒中。在優(yōu)選的實施方式中，傳感設備作為試劑盒的一部分提供，其中試劑盒也包括濕化學成分。濕化學成分可以是本文所述的稀釋劑，或是適于產(chǎn)生稀釋劑的混合物，例如通過加入水。在這些實施方式中，傳感設備優(yōu)選地包括具有第一和第二試劑的工作電極。試劑盒可包括一組使用說明書。使用說明書可以是紙質形式、在電子載體上或從提供了網(wǎng)址的網(wǎng)站上可得或可下載。在本發(fā)明另一實施方式中，提供了具有可拆卸工作電極的設備。在使用后，工作電極中的第一和/或第二試劑可能耗盡，或者水平過低使得在工作電極不能記錄可檢測的信號。因此本發(fā)明提供了其中可以用新工作電極替換使用過的工作電極的設備。所述裝置特別適于與一次性工作電極一同使用。工作電極可以視需要被替換，而其它更加昂貴和復雜的傳感器組件，例如電源、控制電子儀器和可視顯示器(若存在時)，可以保留在設備中與替換的工作電極一起使用。在一個實施方式中，工作電極，可選地與對電極、參比電極和其它如果存在的工作電極的一起，可以與樣品一起從設備中除去。樣品可以用樣品存儲器除去。在除去后，新的工作電極，可選地與對電極、參比電極和其它如果存在的工作電極，可以隨后加入到該設備。也可加入新的樣品儲存器。工作電極，可選地連同對電極、參比電極和其它如果存在的工作電極的一個或者多個，可以采用適于安裝和從設備中除去的筒的形式。樣品儲存器可以是筒的組件。本發(fā)明的設備可配備另外的傳感器。傳感器可以是另外的生物傳感器，其意圖提供有關于環(huán)境中的某些被分析物的存在或不存在的另外的信息。這些傳感器有助于受試者的分析，并且最終有助于受試者的診斷。還提供了用于控制本發(fā)明的電化學傳感器的另外的傳感器。例如，可提供與本發(fā)明傳感器并排的溫度或PH值傳感器。一旦局部環(huán)境溫度或PH值達到閾值水平(分別由溫度或PH值傳感器檢測)，這些傳感器可激活電化學傳感器。用于本發(fā)明的設備的合適的傳感器在WO 2006/085087中說明。在一個實施方式中，傳感設備包括第一模塊和第二模塊，所述第一模塊具有控制器、發(fā)送器和一個或多個電化學傳感器，所述控制器能激活一個或多個電化學傳感器，所述發(fā)送器被配置成將來自所述電化學傳感器輸出的電化學傳感器數(shù)據(jù)，從所述第一模塊發(fā)送至所述第二模塊的接收器，其中每個電化學傳感器是用于檢測電化學傳感器所設置的環(huán)境中蛋白質的存在的生物傳感器。當有兩個或更多個電化學傳感器存在于第一模塊中的情況下，控制器能激活所述陣列中的一個或多個電化學傳感器(獨立于陣列中的其它傳感器)，從而通過使用所述陣列中的不同電化學傳感器來在不同時刻獲得來自所述陣列的傳感器輸出。在一個實施方式中，第一模塊適于(i)可被吞咽以通過人體或動物體；(ii)可被植入人體或動物體；或(iii)置于人體或動物體表面(例如創(chuàng)傷處)。第一模塊可以采用膠囊形式，其適于經(jīng)胃腸道運送。對于應用(i)，其設置了對第一模塊的物理大小和外形的限制。對于外形，第一模塊通常是長方形的，長寬比為2. 5 1或更高，優(yōu)選地3 1或4 1或更高。當然，具體的大小取決于第一模塊將通過的胃腸道。對于應用(ii)，對于第一模塊的大小和外形限制相對較少。但是，對于⑴和(ii)，第一模塊應該以生物相容的和/或無毒的材料形成。對于應用(iii)，第一模塊優(yōu)選是扁平形，可選是可彎曲形式。例如，第一模塊可以在身體創(chuàng)傷處提供，優(yōu)選地在創(chuàng)傷敷料上或敷料中提供。第一模塊包括一列電化學傳感器。每個傳感器可以獨立運行。每個傳感器可以在與陣列中其它傳感器不同的時間處激活。因此，設備可以用于獲得其通過胃腸道的讀數(shù)。激活時間可以根據(jù)設備預計通過胃腸道特定部分的輸送來設定。優(yōu)選地，每個傳感器僅在試圖檢測所述環(huán)境中的分析物的存在時可激活一次。通過此方式，優(yōu)選地，每個傳感器僅能使用一次。這通常是因為傳感器依賴于使用至少一種試劑的化學反應，在傳感器元件中使用試劑來進行測量意味著傳感器元件不能進行另外的測量。優(yōu)選地，傳感器輸出對應于以下至少一種的分析條件存在的被分析物、不存在的被分析物、對所檢測的被分析物的濃度的定量測量。因此，每個傳感器能提供對被分析物濃度的測量。但是，在某些實施方式中，各傳感器元件僅能確定被分析物濃度在某閾值之上 (存在被分析物)或在某閾值之下(不存在被分析物)，就已經(jīng)足夠了。優(yōu)選地，所述被分析物是血液、或血紅蛋白或血液的另外組分或血液的降解產(chǎn)物。或者，被分析物可以是其它體液或其組分，例如腔液、消化酶、食物或食物消化產(chǎn)物或創(chuàng)傷液。第一模塊可以包括用于將電化學傳感器記錄的數(shù)據(jù)從體內經(jīng)無線電或其它通信連接傳送至體外的基站的裝置。電化學傳感器的電極空間通過傳感器的激活可暴露于樣品或環(huán)境中。每個傳感器可包括用于覆蓋電極空間的覆蓋部件，該覆蓋部件至少是部分可除去的，以允許暴露電極空間。優(yōu)選地，覆蓋部件可通過對其加載電壓而至少部分除去。電壓可以觸發(fā)覆蓋部件的腐蝕、溶解、融化、升華和斷裂的至少一種。覆蓋部件能防止體液與生理性體液反應。所述體液可降解電極基質材料，或可以與第一或第二試劑反應從而消耗這些電極材料。因此，覆蓋部件防止體液與電極表面接觸直至需要時。優(yōu)選地，在設備的外表面提供電化學傳感器，以提供與其中布置了設備的環(huán)境接觸。通過此方式，每個傳感器元件可以直接暴露于環(huán)境(至少在激活時)，而不需要環(huán)境中的液體沿著裝置中的通道或管道流動。由于一些胃腸道(例如結腸)區(qū)域的內容物基本是固體或緊實的，因而難以流動，因此這種方式是特別優(yōu)選的。優(yōu)選地，第一模塊是無線電發(fā)射器，第二模塊的接收器是無線電接收器。在一個實施方式中，第一模塊是可吞咽的膠囊或用于插入大腸的植入裝置，該植入裝置具有允許體液通過的孔。在一個實施方式中，第一模塊的外部套管具有一個或多個槽以引導液體朝外部套管中的一個或多個開口流動。在一個實施方式中，第一模塊是可吞咽的膠囊并且包括具有至少一個螺旋槽、突出或凹陷以使得膠囊在通過胃腸道時旋轉的外部套管。電極的使用、電化學傳感器和傳感設備環(huán)境電化學傳感器和傳感設備可以用于定量地或者半定量地檢測存在于傳感器或設備所放置的環(huán)境中的被分析物例如蛋白質的量。
環(huán)境可為生物樣品，例如來自受試者的提取物。例如，樣品可為糞便樣品，或者其它體液樣品，例如管腔、消化酶或者傷口液體。在一個優(yōu)選實施方式中，該樣品為糞便樣品。 在另一優(yōu)選實施例中，樣品為腸液樣品。電化學傳感器可用于檢測樣品中蛋白質水平是否處于生理水平，也即健康受試者的期望水平，或臨床水平，也即非正常水平，或者與疾病狀態(tài)相關的水平。在一個實施方式中，與生理水平相比較，臨床水平可與過量的蛋白質相關。在一個實施方式中，與生理水平相比較，臨床水平可與缺少或減少的蛋白質水平相關。從受試者取出后樣品可不被改變而被分析?？商娲?，樣品可被處理，例如用以提高其作為本發(fā)明的電化學傳感器的電解質的性質。樣品可被用水、酸或者緩沖液來稀釋。水、酸或者緩沖液可用于改變PH值和/或樣品的離子強度。在樣品為糞便樣品的情況下，稀釋劑用于將樣品轉換為更適于做電化學分析的狀態(tài)。因此，稀釋劑可用作增溶部分糞便。稀釋劑可用于提取糞便基質中的組分，包括，例如血。在細胞組分存在于樣品諸如血細胞中的情況下，可加入稀釋劑以溶解細胞并釋放細胞內含物。在糞便樣品含有血的情況下，這些細胞可被溶解以釋放Hb到溶液中。如以上所述， 可加入稀釋劑以提供合適的PH值和離子強度控制。因此，稀釋劑在樣品的后期電化學分析中具有作為緩沖電解質的作用。在一特別優(yōu)選的實施例中，稀釋劑為含有0. 皂草苷的緩沖液A。1.0X緩沖液A 為IOOmM檸檬酸-磷酸鹽，pH 5. 0+100mM KCl。緩沖液A可作為糞便樣品的稀釋劑在0. IX 至1.0X濃度下使用。如此處所描述該稀釋劑與另外的組分一起使用。稀釋液可提供具有更適于分析的pH值和離子強度的樣品。優(yōu)選地，糞便樣品用至少2X、至少5X、至少IOX或至少20X體積的稀釋劑稀釋。糞便樣品可用至少5-10X體積的稀釋劑稀釋，最優(yōu)選的是大約5X體積的稀釋劑。在典型的制備中，200mg收集的糞便樣品在2mL稀釋劑，例如緩沖液中溶解。在電化學傳感器用于檢測血液中的Hb或其它蛋白質組分的情況下，該樣品優(yōu)選地采用細胞溶解劑處理。該溶解劑適于溶解樣品中的紅血細胞(紅細胞)以提供用于催化第一和第二試劑之間的反應的Hb。優(yōu)選地，該試劑在用于分析樣品的條件下無電化學活性。該溶解劑可選自由以下物質組成的組皂角苷、EDTA、去氧膽酸鈉、非離子表面活性劑和其它相關的聚乙炔、Triton X-100、吐溫20、十二烷基硫酸鈉和洋地黃皂苷。可替代地或另外地，可以使用可購得的細胞溶解產(chǎn)品。一個例子是可從Sigma-Aldrich獲得的紅血細胞溶解緩沖液Hybri-Max (例如產(chǎn)品號R7757)。優(yōu)選地，樣品用皂角苷處理。已發(fā)現(xiàn)這種試劑不會干擾包括含有Hb樣品的生物樣品的電化學分析。樣品可處于約37°C的溫度下?？商娲?，該樣品在室溫下。例如，樣品可在10至 30°C的溫度范圍內，優(yōu)選地，15-25°C的溫度范圍內。可調節(jié)該樣品溫度到優(yōu)選溫度。例如， 樣品可被冷卻或使其從生理溫度冷卻至室溫。在一些實施方式中，樣品優(yōu)選地處于約為室溫，在該溫度下可獲得最佳的傳感器性能。
優(yōu)選地，樣品pH值為3-8，優(yōu)選為4-5，優(yōu)選約為5?？烧{節(jié)樣品的pH值至優(yōu)選的 PH值。優(yōu)選地，通過工作電極中包含的緩沖液或酸來調節(jié)樣品的pH值?？梢詫櫇駝┘尤氲綐悠分幸蕴岣吖ぷ麟姌O的濕潤度。優(yōu)選地，潤濕劑與緩沖液聯(lián)合使用，緩沖液被提供用以調節(jié)環(huán)境中的PH值。潤濕劑可選自上述與可選的電極添加劑相關的潤濕劑。優(yōu)選地，樣品來自處于飲食控制方式中的受試者，例如下述飲食。優(yōu)選地，樣品來自處于飲食控制方式中的受試者，其中所述飲食在從受試者取樣前被控制至少M小時以至于食物種類中1-5種食品不存在在該飲食中，或這些食品的消耗受限。優(yōu)選地，樣品為來自處于飲食控制方式中的受試者的樣品例如腸液樣品，其中飲食中的例如維生素C、對乙酰氨基酚、水楊酸鹽和尿酸被控制，并且這些物質不存在于飲食中，或在從受試者取樣前至少M小時這些物質的消耗受限。優(yōu)選地，樣品來自禁食的受試者，其中在禁食開始后至少12小時從受試者取樣。樣品可為受試者胃腸道中的液體。傳感器或設備放置的環(huán)境可為受試者的胃腸道區(qū)。該區(qū)可為上或下胃腸道或這兩者。上胃腸道可為小腸，其包括十二指腸、空腸和回腸。下胃腸道可為大腸，其包括盲腸、結腸和直腸。結腸可為結腸的上升、橫向或下降部分。蛋白質本發(fā)明的電化學傳感器可用于檢測特定環(huán)境中的蛋白質(其可稱為被分析物)。蛋白質能催化第一試劑和氧化劑之間的反應。第一試劑和氧化劑可與期望的目標蛋白質(或被分析物)一起選擇。優(yōu)選地，該蛋白質為過氧化氫與第一試劑反應的催化劑。該蛋白質可為金屬蛋白質。優(yōu)選地，該蛋白質為辣根過氧化物酶或血紅蛋白。最優(yōu)選的蛋白質為血紅蛋白。在這個最優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明的電化學傳感器和傳感設備適于用來檢測在特定的環(huán)境中的血。該蛋白質本身可與感興趣的被分析物相關。該被分析物可為生物分子，例如這些生物分子為，或包含，聚核酸、多肽或多糖。該蛋白質可被認為是被分析物的標簽，其允許在樣品中檢測被分析物，并且可選地對被分析物進行量化。該檢測和分析基于蛋白質標簽的催化活性。典型地，如本領域技術人員所知，該蛋白質與被分析物共價鍵合，例如通過二硫化物、酰胺和酯鍵合。在其它實施方式中，蛋白質和被分析物可被其它非共價鍵相互作用連接，例如氫鍵結合。在存在蛋白質的情況下，第一和第二試劑以比第一和第二試劑在沒有蛋白質存在的情況下的100倍或更高、500倍或更高、或1000倍或更高的速率反應。在存在蛋白質和不存在蛋白質的情況下第一和第二試劑的反應速率可用電化學的方法檢測。受試者該電化學傳感器可用于檢測來自受試者的樣品中蛋白質的存在?？商娲?，該傳感器可用于檢測受試者體內或體外特定位置的蛋白質的存在。
受試者可為動物、哺乳動物、有胎盤哺乳動物、嚙齒目動物(例如，豚鼠、倉鼠、大鼠、小鼠)、鼠類(例如，小鼠)、兔形目動物(例如，兔子)、鳥禽(例如，鳥)、犬(例如，狗)、 貓(例如，貓)、馬(例如，馬)、豬(例如，豬)、羊(例如，綿羊)、牛(例如，奶牛)、靈長類動物、猿猴(例如，猴子或猿)、猴子(例如，狨猴、狒狒)、猿(例如，大猩猩、猩猩、紅毛猩猩、 長臂猿)、或人類。進一步地，受試者可處于任何進化形式，例如，胎兒。在一優(yōu)選實施方式中，受試者為人類。使用和方法在本發(fā)明的一方面，提供了電化學傳感器在蛋白質檢測的用途。該電化學傳感器可用于在傳感器所放置的環(huán)境中的血液的檢測。本發(fā)明另一方面提供了檢測蛋白質的方法，該方法包括步驟(i)提供電化學傳感器，所述電化學傳感器包括具有導電基質的工作電極，所述導電基質含有第一試劑和/或第二試劑，所述第二試劑是第一試劑的氧化劑或其前體；對電極和可選的參比電極；其中所述第一試劑與氧化劑的反應是可由蛋白質催化的，以在所述工作電極提供可檢測信號；以及所述導電基質是含有碳或石墨的導電的基質或多孔導電基質；(ii)在蛋白質的待分析的環(huán)境下提供所述電化學傳感器；(iii)提供用于反應的所述第一試劑和所述第二試劑；(iv)維持所述工作電極和對電極和/或如果存在的參比電極之間的電勢；以及(ν)測量通過所述工作電極和對電極和/或如果存在的參比電極間的電流。在一實施方式中，電化學傳感器包括工作電極，該工作電極包括含有第一試劑和第二試劑的導電基質。在一實施方式中，電化學傳感器包括工作電極，該工作電極包括含有第一試劑或第二試劑之一的導電基質。在電化學傳感器的活化下提供用于與第一試劑或第二試劑之一的反應的第一試劑或第二試劑的另一個。其它試劑可存在于傳感器所放置的環(huán)境中。例如，其它試劑可加入到取自受試者的樣品中?？商娲?，其它試劑可包含在電化學傳感器的試劑空間中。該試劑空間與電解質空間分離。在電化學傳感器活化后該試劑空間可暴露于所述的環(huán)境和電解質空間中。該電化學傳感器可在設備中，優(yōu)選在丸劑中，該設備被放置于待分析的環(huán)境中。該丸劑適于可吞咽，或者可植入到人體或動物體內，或其適于放置在人類或動物體的表面位置。待檢測的環(huán)境可以是從人體或動物體取樣的生物樣品。因此該電化學傳感器可用于該樣品的分析。該設備可配備樣品室，該樣品室被暴露于電化學傳感器。生物樣品可被加入到樣品室以用于分析。第一和第二試劑為反應可用。該反應可由蛋白質催化以在工作電極提供可檢測的信號。在僅有一種試劑是工作電極組分的情況下，另一試劑被使得可與工作電極接觸。該另一試劑被允許穿透基質，在該基質，該另一試劑被使得在存在蛋白質的情況下可以與一種試劑發(fā)生反應。在兩種試劑都被提供在工作電極的情況下，其可以被認為為反應可用。在不存在蛋白質的情況下，如果不是實質上不發(fā)生反應的話，第一試劑和第二試劑間的反應速率很低。檢測在傳感器或設備可用的環(huán)境中過氧化物酶的水平可影響所獲得的讀數(shù)，并且可能產(chǎn)生假陽性。血液中過氧化物酶活性水平的增加與受試者飲食中某些食物相關。這種增加在包括水果和蔬菜的飲食中特別明顯。本發(fā)明的裝置和設備可用于受試者血液存在的測試，該受試者正進行控制過氧化物酶的飲食，特別是減少過氧化物酶的飲食。受試者可在攝入過氧化物酶控制的飲食M小時或48小時或更長時間后被測試。飲食可以被控制，以使得飲食中引起血液中高水平的過氧化物酶活性的食物(例如上述1-5組食物)被除去或限制。或者，受試者在測試之前先進行至少12小時、至少M 小時或至少36小時的禁食。表1顯示了與多種常見食物相關的過氧化物酶活性(改編自Caligiore等人， Am. J. Clin. Nutr. 1982，35，1487)。表1-根據(jù)1. OmL血液中過氧化物酶活性當量的食品量對某些食品中過氧化物酶
水平進行分組。除非指明，所有的食品為原材料。
權利要求
1.一種用于檢測蛋白質的方法，所述方法包括以下步驟 (i)提供電化學傳感器，所述電化學傳感器包括具有導電基質的工作電極，所述導電基質含有第一試劑和/或第二試劑，所述第二試劑是所述第一試劑的氧化劑或其前體； 對電極和可選的參比電極；其中所述第一試劑與所述氧化劑的反應是可由蛋白質催化的，以在所述工作電極提供可檢測信號；以及所述導電基質是含有碳或石墨的導電基質或多孔導電基質； ( )在待分析蛋白質的環(huán)境下提供所述電化學傳感器；(iii)提供用于反應的所述第一試劑和所述第二試劑；(iv)維持所述工作電極與所述對電極和/或如果存在的所述參比電極之間的電勢；以及(ν)測量通過所述工作電極與所述對電極和/或如果存在的參比電極間的電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述導電基質是含有碳或石墨的導電基質。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述含有碳或石墨的導電基質是碳糊。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述蛋白質是血紅蛋白。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第二試劑包含過氧化氫或其前體。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述第二試劑是，或者包含，過氧化脲或過硼酸鈉。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述第二試劑是過硼酸鈉。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第一試劑是，或者包含，選自如下的化合物四甲基聯(lián)苯胺、α-愈創(chuàng)木酯酸、2，2'-連氮基-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)、對苯二酚、苯二胺、鄰聯(lián)茴香胺、鄰聯(lián)甲苯胺(二甲基聯(lián)苯胺)、6_甲氧基喹啉和3， 3’ - 二氨基聯(lián)苯胺、3-氨基-9-乙基咔唑。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述第一試劑是，或者包含，四甲基聯(lián)苯胺。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，所述電極還帶有潤濕劑。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中所述潤濕劑選自聚乙烯吡咯烷酮、TritonX和吐溫。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的方法，其中所述潤濕劑在所述導電基質中的質量分數(shù)為 0. 005-0. 25%。
13.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中所述導電基質是含有碳或石墨的多孔導電基質。
14.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述導電基質含有所述第一試劑。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第一試劑在所述導電基質中的質量分數(shù)為1-15%。
16.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述導電基質含有所述第二試劑。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述第二試劑在所述導電基質中的質量分數(shù)為2-15%。
18.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述待分析的環(huán)境是來自受試者的生物樣品。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述生物樣品是糞便樣品。
20.根據(jù)權利要求18或19所述的方法，其中所述生物樣品以細胞裂解試劑處理。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中所述細胞裂解試劑是皂苷。
22.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述樣品的pH值為4-5。
23.根據(jù)權利要求18-22中任一項所述的方法，其中所述受試者正在接受控制過氧化物酶的飲食。
24.一種用于檢測蛋白質的工作電極，其中所述工作電極根據(jù)權利要求1至17中任一項所限定，并且所述工作電極包含所述第一和第二試劑。
25.一種用于檢測蛋白質的電化學傳感器，其中所述電化學傳感器包括根據(jù)權利要求 M所述的工作電極。
26.根據(jù)權利要求25所述的電化學傳感器，其還包括用于在所述工作電極和所述對電極或如果存在的所述參比電極間提供恒定偏置的電壓源、用于監(jiān)測電流的檢測器以及用于控制所述電壓源和所述電壓源計時的控制器。
27.根據(jù)權利要求25或沈所述的電化學傳感器，其還包括第二工作電極，其中所述第二工作電極根據(jù)權利要求1-17中任一項所限定。
28.根據(jù)權利要求27所述的電化學傳感器，其中所述第二工作電極配備有用于減少或防止在使用中所述第二工作電極暴露于所述蛋白質的裝置。
29.根據(jù)權利要求觀所述的電化學傳感器，其中所述裝置為膜。
30.根據(jù)權利要求四所述的電化學傳感器，其中所述膜具有平均橫截面為5μ m或更小的孔。
31.一種傳感設備，包括至少一個根據(jù)權利要求25-30中任一項所述的電化學傳感器， 其中所述設備適于(i)用于來自受試者的樣品；( )可被吞咽以通過人體或動物體；(iii)可被植入人體或動物體；或(iv)可被置于人體或動物體表面。
32.—種試劑盒，包括適于用于來自受試者樣品的傳感設備，還包括用于從糞便中分離樣品的采樣設備。
33.一種根據(jù)權利要求M所限定的工作電極的制備方法，所述方法包括混合導電基質與所述第一和第二試劑的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用電化學傳感器(1)的蛋白質的電流檢測，特別是糞便中的血紅蛋白。該電化學傳感器包括具有導電基質的工作電極(2a，2b)，所述導電基質含有第一試劑和/或第二試劑，所述第二試劑是第一試劑的氧化劑或其前體；對電極(4)和可選的參比電極(3)；其中所述第一試劑與氧化劑的反應是可通過蛋白質催化的，以在所述工作電極提供可檢測信號。所述導電基質是含有導電的碳或石墨的基質或多孔導電基質；第一試劑優(yōu)選為3，3’，5，5’-四甲基聯(lián)苯胺(CAS RN＝54827-17-7)，而第二試劑是過氧化氫，或者是諸如過氧化脲(CAS RN＝124-43-6)，過硼酸鈉的前體。還要求了用于測試糞便的試劑盒，包括傳感器，以及制備工作電極的方法。
文檔編號G01N33/487GK102282468SQ200980154941
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權日2008年11月13日
發(fā)明者文森特·伯努瓦 申請人:模式診斷有限公司