CN101162213A

CN101162213A - 生物传感器

Info

Publication number: CN101162213A
Application number: CNA2006101496476A
Authority: CN
Inventors: 裵柄宇; 李星东; 石洪成; 刘珍雅; 金玟先; 柳宰现; 李起元
Original assignee: Infopia Co Ltd
Current assignee: Infopia Co Ltd
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: CN101162213B

Abstract

一种测量样品中所含分析物的生物传感器，该生物传感器包括：具有至少一个电极的绝缘下基材，在该电极上形成有与分析物反应的酶反应层；面向下基材由导电材料制成的上基材；以及在酶反应层上具有预定高度的样品入口的粘合层，该粘合层将上基材和下基材相互粘合，其中，上基材的一端作为电极，在该电极上，酶反应层中所含的电子传递媒介被氧化或还原，该上基材的另一端作为与测量单元电接触的电接触部件。

Description

生物传感器

技术领域

本发明是关于一种生物传感器，尤其是关于一种电化学检测生物样品中所含分析物的生物传感器。

背景技术

在临床诊断中，定量或定性分析生物样品中所含的分析物是很重要的。例如，测量患有糖尿病患者血样中的血糖水平，或者测量胆固醇水平以检测成人疾病。患有糖尿病的患者应该定期测量他们的血糖水平。许多公司已经将血糖测量产品投放市场。

通常，大多数血糖测量产品使用生物传感器测量从患者身上抽取的血液的血糖水平。然而，由于从患者身上抽取血液会使得患者疼痛，所以应该从患者身上抽取最少量的血液以便减轻患者的疼痛。

根据US 6156173、6616819和5437999，将电极相互面向设置以抽取测量所需的最少量的血液。在传统的生物传感器中，工作电极、参比电极和/或对电极在单一的基材上形成。然而，在上述的美国专利中，电极在上基材和下基材上形成以相互面向，从而使测量所需的血液量最小。

然而，在上述美国专利中，附加电极应该在由绝缘材料制成的上基材和下基材上形成，以便电极可以相互面向。此外，在上基材和下基材上形成的电极应该由导电材料制成以相互连接。结果，出现制造过程变得复杂、相对于电极在单一基材上形成的传统方法而言生产成本增加的问题。

发明内容

本发明提供了一种使用最少量血液、用简单制造方法制造的生物传感器。

本发明的其它特点将在下面的描述中提出，并且描述中一部分是明显的，或者可以通过本发明的实践来了解。

本发明公开了一种测量样品中所含分析物的生物传感器，该生物传感器包括：具有至少一个电极的绝缘下基材，在该电极上形成有与分析物反应的酶反应层；面向下基材的由导电材料制成的上基材；以及在酶反应层上具有预定高度的样品入口的粘合层，该粘合层将上基材和下基材相互粘合，其中，上基材的一端作为电极，在该电极中，酶反应层中所含的电子传递媒介(electron-transfer mediator)被氧化或还原，该上基材的另一端作为与测量单元电接触的电接触部件。

作为电极的上基材的一端可以面向在下基材上形成的电极。

本发明也公开了一种测量样品中所含分析物的生物传感器，该生物传感器包括：具有至少一个电极的绝缘下基材，在该电极上形成有与分析物反应的酶反应层；面向下基材由导电材料制成的上基材；以及在酶反应层上具有预定高度的样品入口的粘合层，该粘合层将上基材和下基材相互粘合，其中，在上基材一端的下侧上形成电极，在该电极中，酶反应层中所含的电子传递媒介被氧化或还原，该上基材的另一端作为与测量单元电接触的电接触部件。

应该理解上述一般描述和下述详细描述是示例性的和解释性的，意欲提供对权利要求所述发明的更进一步解释。

附图说明

附图被包括在内是为了提供对本发明的进一步理解，并且附图与本说明书结合并构成说明书的一部分，用于阐明本发明的实施方式，与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1A示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器上基材的平面图；

图1B示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器粘合层的平面图；

图1C示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器下基材的平面图；

图2示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器的平面图；

图3示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器的分解透视图(exploded perspective view)；

图4示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器的横截面图；

图5示出了图4中从“A”方向所视的生物传感器的横截面图；

图6A和图6B示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器上基材的横截面图；

图7A和图7B是根据本发明示例性实施方式的具有上基材的生物传感器的透视图；

图8示出了使用根据本发明示例性实施方式的生物传感器测量血糖时，血糖浓度与信号之间相互关系的图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更充分地描述，其中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，不应该理解为仅限于此处提出的实施方式。更确切地说，提供这些实施方式是为了彻底公开本发明，完整地向本领域的技术人员传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，层和区的尺寸和相对尺寸可能夸大了。附图中相同的附图标记表示相同的部件。

应该理解，当提到一个部件或层在另一个部件或层“上”或“连接”时，该部件或层可以直接在另一个部件或层“上”或直接与另一个部件或层“连接”，或者可以存在介入部件或层。相反，当提到一个部件直接在另一个部件或层“上”或与另一个部件或层“直接连接”时，不存在插入部件或层。

不像上述传统的方法所提到的上基材由绝缘材料制成且附加电极在上基材上形成，本发明的特点在于：由于上基材由导电材料制成且被用作电极，因此不需要附加电极，而且制造方法简单。也就是说，上基材由导电材料制成，这样，通过与样品中所含分析物反应产生的电子传递媒介易于被氧化或还原。

通常，生物传感器是一种将生物元件与物理化学检测元件结合起来用于检测分析物的装置，包括工作电极、参比电极和/或对电极。例如，电化学传感器根据下述反应式使用氧化还原酶和电子传递媒介进行测量。

反应式：

分析物+酶(被氧化的)+电子传递媒介(被氧化的)→生成物+酶(被氧化的)+电子传递媒介(被还原的)

在上述反应式中，被还原的电子传递媒介与样品中所含的分析物浓度成比例。在这种情况下，被还原的电子传递媒介通过将预定的电压施加到相对于参比电极或对电极的工作电极上而被氧化。此时，通过测量氧化电流，可以对样品中所含的分析物进行定量分析。

酶的例子包括氧化还原酶如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、胆固醇氧化酶或酒精氧化酶，转移酶如谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)或谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)、或水解酶。

电子传递媒介的例子包括铁氰化钾、亚铁氰化钾、氯化六氨合钌(hexaamineruthenium chloride)、二茂铁及其衍生物、或奎宁及其衍生物。

构成工作电极的材料由碳、石墨、镀铂碳、银、金、钯或铂组成。例如，由碳或镀铂碳组成的墨或含钯的墨可以用于打印下基材上的工作电极。工作电极可以通过真空沉积方法使用金在下电极上形成。

详细描述生物传感器。

图1A示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器上基材的平面图。

空气出口11在上基材10上形成以便样品可以通过毛细作用注入。上基材10由导电材料制成以便通过与样品中所含分析物反应产生的氧化或还原电子传递媒介易于氧化或还原。因此，由于构成上基材的材料被用作电极，所以不需要附加电极，这样传感器的制作方法被简化了。

图1B示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器粘合层的平面图。

上基材10和下基材30通过粘合层20相互粘合，这样通过样品入口21形成一个毛细管。粘合层20可以是厚度为10-300微米的双面涂敷带(doublecoated tape)。优选情况下，粘合层20的厚度为10-150微米，以便注入最少量的样品。样品通过毛细作用通过样品入口21自动注入，样品入口21中存在的空气通过上基材10的空气出口11排出。

图1C示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器下基材的平面图。

下基材30可以是由诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)或聚碳酸酯的绝缘材料制成的薄板。下基材30可以由厚度为50-400微米更优选为100-300微米的绝缘材料制成。

至少一个电极和至少一个连接线在下基材20上形成。参照图1C，工作电极31和工作电极连接线32在下基材20上形成。连接线32可以是由与工作电极31相同的材料或其它的诸如导电材料制成。下基材30包括酶反应层33以测量样品中所含的分析物。酶反应层33包括酶、与酶反应的电子传递媒介和用于将缓冲溶液、酶稳定剂和其它物质固定到工作电极或下基材30上的聚合物支架(polymeric scaffold)。酶反应层33被设置在工作电极31上以覆盖工作电极31。

图2示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器的平面图。图3示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器的分解透视图。

例如，当血液通过样品入口21注入时，血液中所含的血糖被酶反应层33中所含的葡萄糖氧化酶氧化，并且葡萄糖氧化酶被还原。在氧化葡萄糖氧化酶时，酶反应层33中所含的电子传递媒介被还原。酶反应层33中所含的电子传递媒介被还原被还原而氧化了葡萄糖氧化酶。被还原的电子传递媒介通过在施加了预定电压的工作电极31表面上失去电子而再一次被电化学氧化。由于血液样品中血糖的浓度与电子传递媒介被氧化时产生的电流成比例，血糖的浓度可以通过连接线32测量电流的量来进行测量。此时，上基材的左端作为参比电极或对电极，而其右端作为电接触部件与测量单元连接。

图4示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器的横截面图。图5示出了图4中从“A”方向所视的生物传感器的横截面图。

工作电极31和工作电极连接线32在绝缘的下基材30上形成，并且酶反应层33被固定在工作电极31上。下基材30通过具有样品入口21的粘合层20与上基材10连接。空气出口11在由导电材料制成的上基材10上形成以排出当注入样品时通过样品入口21的空气。优选情况下，上基材10具有小于3千欧/毫米的线性电阻。此时，上基材10的一端作为用于氧化或还原的电极，而另一端作为电接触部件。因此，当酶反应层33的酶与分析物即样品中所含的血糖反应时，与血糖浓度成比例的氧化或还原电流在下基材30的工作电极31和上基材10的一端即电极41之间产生。因此，血糖的浓度可以通过与电接触部件40连接的测量单元测量氧化电流或还原电流来进行测量。

上基材可以以不同的形状提供。图6A和图6B示出了根据本发明示例性实施方式的生物传感器上基材的横截面图。

参照图6A，上基材10的下部作为参比电极和/或对电极41来测量与样品中所含的分析物反应产生的电子传递媒介的氧化或还原电流，而在其相对侧上的上部作为电接触部件40与测量单元电连接(未示出)。

参照图6B，附加电极41a通过将不同于上基材的材料打印或沉积在由导电材料制成的上基材10的一端上形成。电极41a可以用作参比电极、对电极或工作电极。构成电极41a的材料可以与在下基材30上形成的工作电极31的材料相同。所述材料的例子包括碳、镀铂碳、银、氯化银、钯和金。电极40或41a由形成于将上基材和下基材相互固定的粘合层20上的样品入口21限定。

图7示出了根据本发明示例性实施方式的具有不同上基材的生物传感器的透视图。

图7A示出了上基材的具有狭长切口形状的空气出口11a。图7B示出了上基材的具有突出形状的空气出口11b。空气出口的形状可以与上述的不同。

在本实施方式中，上基材10由厚度为0.2毫米的铝板形成，下基材30通过具有用碳/石墨的墨(由Ercon Inc.制造)打印在厚度为0.17毫米的PET板上的工作电极31形成。粘合层20通过将厚度为0.01毫米的粘合剂施用于厚度为0.03毫米的透明PET的两面制成。酶反应层33通过在pH值为7.3的磷酸盐缓冲溶液中溶解0.5％的羧甲基纤维素(CMC)形成。作为电子传递媒介的100毫摩尔的铁氰化钾(K₃Fe(CN)₆)溶解在100毫升的所得溶液中，并且加入和溶解1000单位/毫升(U/ml)的葡萄糖脱氢酶(GDH)。粘合层与下基材粘合，并且使用溶液分配器将0.001毫升的所得溶液注入样品入口21。在35℃的烘箱中干燥30分钟后将上基材与粘合层固定。由此制得用于测量血糖的生物传感器。

图8示出了使用根据本发明上述示例性实施方式的生物传感器测量血糖时，血糖浓度与信号之间相互关系的图。该图显示信号与血糖浓度几乎成比例。

从以上描述可以明显地看出，所提供的生物传感器通过设计使工作电极和参比电极或对电极相互面向而使用最少量的血液，并且通过使用电化学检测样品中所含分析物的生物传感器的电极材料作为上基材使得制造方法简化。因此，以较低生产成本制造生物传感器是可能的。

在不背离本发明精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化，这对于本领域的技术人员是明显的。因此，本发明包括属于本发明所附权利要求和它们的等同物的范围内的修改和变化。

Claims

1.一种测量样品中所含分析物的生物传感器，该生物传感器包括：

具有至少一个电极的绝缘下基材，在该电极上形成有与分析物反应的酶反应层；

面向下基材且由导电材料制成的上基材；以及

在酶反应层上具有预定高度的样品入口的粘合层，该粘合层将上基材和下基材相互粘合，

其中，上基材的一端作为电极，在该电极上，酶反应层中所含的电子传递媒介被氧化或还原，该上基材的另一端作为与测量单元电接触的电接触部件。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，作为电极的上基材的一端面向在下基材上形成的电极。

3.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，酶反应层包括至少一种酶和至少一种电子传递媒介。

4.根据权利要求3所述的生物传感器，其中，酶是氧化还原酶、脱氢酶、转移酶或水解酶。

5.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，上基材的线性电阻小于3千欧/毫米。

6.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，在下基材上形成的电极由碳、石墨、铂-碳、银、金、钯或铂组成。

7.一种测量样品中所含分析物的生物传感器，该生物传感器包括：

具有至少一个电极的绝缘下基材，在该电极上形成的与分析物反应的酶反应层；

面向下基材且由导电材料制成的上基材；以及

在酶反应层上具有预定高度上的样品入口的粘合层，该粘合层将上基材和下基材相互粘合，

其中，在上基材一端的下侧上形成电极，在该电极上，酶反应层中所含的电子传递媒介被氧化或还原，该上基材的另一端作为与测量单元电接触的电接触部件。

8.根据权利要求7所述的生物传感器，其中，形成于上基材一端的下侧上的电极面向在下基材上形成的电极。

9.根据权利要求7所述的生物传感器，其中，酶反应层包括至少一种酶和至少一种电子传递媒介。

10.根据权利要求9所述的生物传感器，其中，酶是氧化还原酶、脱氢酶、转移酶或水解酶。

11.根据权利要求7所述的生物传感器，其中，上基材的线性电阻小于3千欧/毫米。

12.根据权利要求7所述的生物传感器，其中，在下基材和上基材上形成的电极由碳、石墨、铂-碳、银、金、钯或铂组成。