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专利名称:光学葡萄糖传感芯片的制作方法
技术领域:
本发明涉及光学葡萄糖传感芯片。
背景技术:
作为光学葡萄糖传感芯片,例如开发了通过提取皮下组织的体液间接地检验血糖值的低侵害型血糖测定用芯片。该传感芯片具有具备下列部件的结构玻璃基板、和在该基板表面上形成的,在该基板内用于入射、放射光的一对光栅、位于该光栅之间的在上述基板表面形成的葡萄糖传感膜。该葡萄糖传感膜含有显色剂(例如3,3’,5,5’-四***联苯***(TMBZ))、氧化或还原葡萄糖的酶(例如葡萄糖氧化酶(GOD))、与由该第1酶形成的产物反应而产生使显色剂显色的物质的第2酶(例如过氧化酶(POD))以及成膜高分子化合物(例如羧基***纤维素(CMC)那样的纤维素衍生物)。
在这种结构的葡萄糖传感芯片中,如果在皮肤和上述传感膜之间设置薄膜状凝胶而施加电场,皮下组织液中的葡萄糖由皮肤透过凝胶到达上述传感膜。此时,上述传感膜中作为显色剂的TMBZ由于葡萄糖和GOD,POD的反应产生而显色。在这种状态下,向上述基板射入光线,通过该基板表面和上述一块光栅使光线折射,该光线就会在上述基板与含显色了的TMBZ的传感膜的界面传播,通过基板和另一块光栅的界面进行折射,例如被光电探测器接收。该接收光后的激光强度通过上述葡萄糖传感膜的显色剂的显色,与非显色时被光电探
测器接收的光强度(初始强度)相比,变得更低,根据该下降率检测上述葡萄糖的浓度。
作为使皮下组织液中的葡萄糖由皮肤到达传感膜的方法,还可以考虑反离子透入法(reverseiontophoresis)。该反离子透入法是如下所述方法使具有通孔(well)的适配器与皮肤连接,在该适配器上安装传感芯片,使得该传感膜位于通孔那一侧,在上述通孔内注满含水的提取介质,从外部施加微电压,由皮肤用提取的介质提取皮下组织液中的葡萄糖,进一步使葡萄糖到达上述传感膜而检测葡萄糖量。这种反离子透入法由于使用含水的提取介质而产生如下问题。
即,上述葡萄糖传感芯片的传感膜含有高分子量的、难溶于水的CMC那样的成膜高分子化合物作为粘合剂,因此,在室温下,即使是含水的提取介质,溶解也被抑制而保持芯片的灵敏度。然而,如果上述提取介质在加热状态下,由于促进了传感膜的溶解,因而显色剂或酶从传感膜溶出,存在芯片灵敏度下降的问题。
发明内容
本发明目的在于提供维持葡萄糖良好扩散,并且至少在40℃的温度下也能够抑制显色剂或酶等从传感膜溶出的光学葡萄糖传感芯片。
根据本发明,提供一种光学葡萄糖传感芯片,其特征在于具备基板、在上述基板的主面形成的,向上述基板内部射入光线,向上述基板外部放射光线的一对光学组件、在位于上述光学组件之间的上述基板主面上形成的,在通过成膜高分子化合物以及交联性高分子化合物形成的薄膜上持有显色剂、氧化或还原葡萄糖的第1酶、通过与上述酶的产物的反应而产生使上述显色剂显色的物质的第2酶的光学葡萄糖传感膜。
根据本发明,提供一种光学葡萄糖传感芯片,其特征在于具备玻璃基板、在上述玻璃基板的主面形成的,向上述玻璃基板内部射入光线,向上述玻璃基板外部放射光线的一对光学组件、在形成了上述光学组件的上述基板的主面上形成的,由高于上述基板折射率的树脂构成的光反射通路层、在上述反射通路层上的上述光学组件之间形成的,在通过成膜高分子化合物以及交联性高分子化合物形成的薄膜上持有显色剂、氧化或还原葡萄糖的第1酶、通过与上述酶的产物的反应而产生使上述显色剂显色的物质的第2酶的葡萄糖传感膜。
通过本发明,能够提供维持葡萄糖良好扩散,并且抑制传感膜的溶解,即使在加热状态下也能定量地检测样品中的葡萄糖量的光学葡萄糖传感芯片。
附图的简要说明
图1表示实施方式1涉及的葡萄糖传感芯片的剖面图。
图2表示实施方式2涉及的葡萄糖传感芯片的剖面图。
图3表示实施例1的葡萄糖传感芯片在25℃、37℃的不同葡萄糖量的测定灵敏度的曲线图。
图4表示实施例2的各葡萄糖传感芯片在相对于NaCl浓度变化的葡萄糖量的测定灵敏度的曲线图。
符号说明1,11...玻璃基板2...SiO2表层,3,12...光栅、4,14...葡萄糖传感膜、5,15...激光源(激光二极管)、6,16...光电检测器(发光二极管)。
具体实施例方式
下面参照附图详细地描述本发明涉及的光学葡萄糖传感芯片。
(实施方式1)图1是表示实施方式1涉及的光学葡萄糖传感芯片的剖面图。
玻璃基板1在主面上具有例如大于等于3nm。厚度的SiO2表层2。光学组件是为了在上述SiO2表层2的两边缘附近表面上向该基板1***入光线或者使基板1内的光线射出而分别形成的,使用一对光栅3。另外,光学组件还可以用棱镜替代。这些光栅3是由具有高于上述SiO2表层2的折射率的例如氧化钛构成。形成与上述光栅3相比具有较低折射率的保护膜以覆盖上述光栅3。保护膜的材料是由不与所用药液、样品反应的例如***类树脂构成。
在位于上述光栅3之间的上述基板1的SiO2表层2上形成葡萄糖传感膜4。该葡萄糖传感膜4是由成膜高分子化合物以及交联性高分子化合物形成的薄膜体构成,该薄膜持有显色剂、氧化或还原葡萄糖的第1酶、与由该酶生成的产物反应而产生使显色剂显色的物质的第2酶,均保有活性。
上述葡萄糖传感膜4中的酶以及显色剂例如可以根据下表1所示组合进行使用。
表1
作为用于上述葡萄糖传感膜4的成膜高分子化合物,例如,可以列举纤维素类高分子化合物。作为纤维素类高分子化合物,可以使用离子性纤维素衍生物或者非离子性纤维素衍生物。
离子性纤维素衍生物可以列举例如羧***纤维素、硫酸纤维素或其盐化合物等阴离子纤维素衍生物及其盐化合物、壳多糖、壳聚糖等阳离子性纤维素衍生物或它们的盐酸盐等盐化合物等,这些物质可以单独或以混合物形式使用。其中,作为盐化合物,可以列举钠盐、钾盐等。
非离子性纤维素衍生物,例如可以列举***纤维素、乙基纤维素那样的烷基纤维素;羟乙基纤维素、羟丙基纤维素那样的羟烷基纤维素;羟丙基***纤维素、羟丙基乙基纤维素、羟二乙基纤维素、羟乙基***纤维素那样的羟烷基烷基纤维素;以及微纤维化纤维素等,这些物质可以单独使用,或者以混合物形式使用。
作为用于上述葡萄糖传感膜4的交联性高分子化合物,例如,可以列举具有选自羟基、羧基、氨基、离子官能基的至少一个基团的亲水性单体和疏水性单体的共聚物。通过实验确认该亲水性单体与疏水性单体的共聚物特别优选为2-***丙烯酰氧乙基磷酰胆碱与***丙烯酸丁酯的共聚物。
在上述葡萄糖传感膜中,以相对该葡萄糖传感膜的全体组合物的重量比计,优选含有10-4~10重量%的上述交联性高分子化合物。如果以相对全体组合物的重量比计,交联性高分子化合物的含量不足10-4重量%,难以防止在加热状态下薄膜的膜结构溶解而破裂,或难以防止保留于膜结构中的空隙的显色剂或酶等溢出至外部介质。另一方面,如果交联性高分子化合物的含量超过10重量%,葡萄糖传感膜中的显色剂或酶的量可能会相对降低,从而芯片灵敏度有可能降低。
上述葡萄糖传感膜4允许进一步含有在膜结构的空隙中赋予透水性的聚乙二醇或乙二醇。通过这样,亲水性提高,当把水作为导入葡萄糖用的介质时,反应灵敏度提高。
接着,说明上述图1所示光学葡萄糖传感芯片的作用。
在样品,例如人体的皮肤上连接具有通孔的适配器(没有图示),在该适配器上安装上述传感芯片,使得该葡萄糖传感膜4位于通孔一侧。适配器规避葡萄糖传感膜4直接与样品接触,有助于提高传感器的重现性。在这样形成的空隙、上述通孔内注
满提取介质(例如水、生理盐水等液体、不直接与样品或传感膜反应,熟知),通过从外部向样品施加微电压,使皮下组织液中的葡萄糖由皮肤提取至提取介质,并进一步由提取介质渗入上述传感膜4。当构成葡萄糖传感膜4的酶(氧化或还原酶)、以及显色剂的组合是例如上述表1所示的葡萄糖氧化酶(GOD)、过氧化酶(POD)以及3,3’,5,5’-四***联苯***(TMBZ)的情况下,渗入传感膜4的葡萄糖被GOD分解而产生过氧化氢,通过POD分解该过氧化氢而释放活性氧,利用该活性氧使TMBZ显色。也就是说,根据葡萄糖量,TMBZ的显色度发生变化。
在这样的状态下,通过没有图示的偏振滤光器,由上述激光源5(例如激光二极管),向上述基板1背面射入激光,该激光通过基板1的SiO2表层2与左侧光栅3的界面折射,进一步通过SiO2表层2与含显色了的显色剂的葡萄糖传感膜4的界面折射,并在含SiO2表层2的基板1上传播。此时,传播光的隐逝波(エバネツヤント)按照基于上述葡萄糖传感膜4中的葡萄糖量的显色程度而被吸收。在上述基板1上传播的光由右侧的光栅12发出,被光电探测器(例如光电二极管)6接收。该接收的激光强度与上述传感膜4非显色时接收的光强度(初始强度)相比,变得更低,根据该下降率可以检测上述葡萄糖量。
在利用实施方式1的光学葡萄糖传感芯片检测葡萄糖量的过程中,葡萄糖传感膜4含有交联性高分子化合物,具有高的抗膜溶解性,因而使皮下组织液中的葡萄糖由皮肤提取至含水的提取介质,在进一步渗入葡萄糖传感膜4时,即使加热(例如36℃左右)的水与葡萄糖一起渗入传感膜4,也不会溶解,并能够抑制该膜中的酶等的溶出。
尤其作为交联性高分子化合物,通过使用例如具有选自羟基、羧基、氨基、离子性官能基的至少一个基团的亲水性单体和疏水性单体的共聚物,利用上述亲水性单体能够提高葡萄糖传感膜中的水的保持性能以及维持高的透水性,并且能够通过疏水性单体赋予高的抗膜溶解性。因此,在上述传感膜中,通过存在上述葡萄糖,能够充分地显色以及维持良好的灵敏度,同时能够更切实地抑制膜结构的溶解或加热状态下的支持物的溶解、酶等的溶出。
因而,根据实施方式1,能够提供即使在加热状态下经过长时间也能够以高灵敏度检测样品中的葡萄糖量的光学葡萄糖传感芯片。
(实施方式2)图2是表示实施方式2涉及的光学葡萄糖传感芯片的剖面图。
为了在玻璃基板11上射入、发出光线,在玻璃基板11主面的两边缘附近分别形成作为光学组件的一对光栅12。这些光栅12由具有高于上述基板11的折射率的例如氧化钛制成。在含有上述光栅
12的上述基板11的主面上形成由折射率高于上述基板11的热固性或光固性树脂构成的光反射通路层13。形成光反射通路层13,使其主面平行于含上述光栅12的上述基板11的主面。在对应于上述光栅12间的部分上述光反射通路层13上形成葡萄糖传感膜14。该葡萄糖传感膜14含有氧化或还原葡萄糖的酶、与由酶生成的产物反应而产生使显色剂显色的物质的酶、显色剂、成膜高分子化合物以及交联性高分子化合物。
上述光反射通路层13表面平滑,优选具有大于等于10μm、更优选具有10~200μm的厚度。具有大于等于10μm厚度的光反射通路层能够抑制光传播时的光强度的衰减,例如,除了激光源之外,还可以使用LED光源。
对于上述葡萄糖传感膜14中的酶以及显色剂,例如可以根据上述表1所示的的组合进行使用。
作为上述葡萄糖传感膜14中的成膜高分化合物,例如,可以列举羧基***纤维素、羟基纤维素等纤维素类高分子化合物。可以通过实验确认该亲水性单体和疏水性单体的共聚物特别优选为2-***丙烯酰氧乙基磷酰胆碱与***丙烯酸丁酯的共聚物。
作为上述葡萄糖传感膜14中的交联性高分子化合物,可以列举在实施方式1中描述的具有选自羟基、羧基、氨基、离子性官能基的至少一个基团的亲水性单体和疏水性单体的共聚物。
根据实施方式1描述的理由,在上述葡萄糖传感膜中,优选含有10-4~10重量%的上述交联性高分子化合物。
上述葡萄糖传感膜4还允许进一步含有用于赋予透水性的聚乙二醇。
接着,描述上述图2所示的光学式葡萄糖传感芯片的作用。
在样品,例如人体的皮肤上连接具有通孔的适配器(没有图示),在该适配器上安装上述传感芯片,使得该葡萄糖传感膜14位于通孔一侧。上述通孔内注满含水的提取介质,通过从外部施加微电压,使皮下组织液中的葡萄糖由皮肤提取至介质,并进一步渗入上述传感膜14。当构成葡萄糖传感膜14的酶(氧化或还原酶)以及显色剂的组合是例如上述表1所示的葡萄糖氧化酶(GOD)、过氧化酶(POD)以及3,3’,5,5’-四***联苯***(TMBZ)的情况下,渗入传感膜14的葡萄糖被GOD分解而产生过氧化氢,通过POD分解该过氧化氢而释放活性氧,利用该活性氧使TMBZ显色。也就是说,根据葡萄糖量TMBZ的显色程度变化。
在这样的状态下,通过没有图示的偏振滤光器,由上述激光源15(例如激光二极管),向上述基板11背面射入激光,该激光通过基板11,被其主面与左侧光栅12的界面折射,射入光导层13,进一步在该光导层13与含显色了的显色剂的葡萄糖传感膜14的界面折射,并在该光导层13上传播。此时,传播光的隐逝波按照基于上述葡萄糖传感膜