葡萄糖分析

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+FADH

2

–葡萄糖氧化酶①

FADH

2–葡萄糖氧化酶+0

2

→FAD–葡萄糖氧化酶+H

2

O

2

②

H 20

2

→2H++O

2

+2e-③

25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。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——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纸的还应将试剂配成适当浓度的水性溶液涂布在工作电极上。

任何一种试剂配合都少不了以下几个主要成分：氧化还原酶如葡萄糖氧化酶、葡萄糖–NAD–脱氢酶、葡萄糖–PQQ–脱氢酶和葡萄糖–FAD–脱氢酶等，各种导电介质如苯醌、铁氰化钾、二茂铁、钌化合物、锇化合物等。试剂配合中还需要黏合剂，如羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、表面活性剂以及酶和导电剂的稳定剂等。表l列出目前国内外比较常用的试纸制作基本原料。

3.2 血糖试纸的标定

血糖试纸生产完成后的校准和标定是决定试纸在使用中是否长期稳定准确的重要步骤。标定工作包括对每批产品的血糖测定线性范围、批内批间的重复性变异系数(CV)，血细胞压积比(HCT)以及血液中电化学活性物质对测试系统的干扰等进行分析和评估。

(1)血糖试纸线性测定范围的校准

血糖试纸在出厂前应完成严格的校验程序，这些校验程序不仅决定产品批次的测定有效范围，而且还要设置试纸的校验码(Code)。通常校验方法需要配制一组6～8个浓度值的血糖样品，该样品可以由静脉血配得（具体方法可参考

ISO15193—2003）。待测的试纸及其血糖仪同标准仪器，分别对这6～8个浓度进行对照测试，得到一组电流数据值进行相关性分析计算，制作出如图10所示的相关性图谱，相关曲线方程中的斜率和截距可用来决定本批试纸的校正码。一般正常生产的企业每30～50万片一批试纸大约出一个校正码值。

(2)血糖测试系统的精密度和误差接受范围出厂检验中除了控制上述线性范围和设置校验码以外，待定试纸的精密度控制也十分重要，这个直接关系到出厂试纸的分辨率和重复性等质量品质。考察试纸的精密度一般采用CV值来衡量。实验要求在血糖范围1.1～30 mmol/L范围内进行约10个高低不同浓度，总量约300份血糖值的对照测试。目前商品化的血糖试纸其总的变异系数CV应控制在5％以内，高于这个CV值则被判定不合格或直接认定为废品不得出厂销售。ISO 15197－2003标准还对血糖试纸的准确度误差可接受范围做出了限定，一般每批血糖试纸同标准葡萄糖分析仪对照分析测试误差，95％以上需落在±15％范围内，测试数据的100％应落在±20％的范围内。美国FDA更要求所有血糖测试系统其不同批次的血糖试纸在针对同一血糖浓度进行质控测试时，其变异系数CV必须落在5％以内。在控制血糖测试测试系统的准确度方面目前已全面推出使用Clarke Error Grid（CEG）方法，也即克拉克网格误差分析法，使得针对血糖测试系统的准确度误差分析更为客观合理和严格。

(3)血细胞压积对血糖测试的影响

血细胞压积（HCT）对电化学试纸测定的影响已经受到许多大厂家的重视，一般血糖试纸的HCT耐受力在35～55％之问，也就是在这个范围内血糖测试的结果不受干扰。但是很多I型糖尿病患者往往HCT高于这个范围，通常会造成血糖测试假性偏低，而很多婴幼儿的HCT又低于这个范围而照成血糖测试值的假性升高。这两种现象都有可能会误导随后采取的用药措施而造成对病人的伤害。

目前国外的大厂家已经开始采取有效的措施在生产的试纸上采取HCT补偿措施，扩大HCT的耐受范围，比如已经有HCT可测试范围在0～70％的血糖试纸问世。