CN101163964A - 生物传感器芯片及其制造方法 - Google Patents

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CN101163964A CNA2006800130846A CN200680013084A CN101163964A CN 101163964 A CN101163964 A CN 101163964A CN A2006800130846 A CNA2006800130846 A CN A2006800130846A CN 200680013084 A CN200680013084 A CN 200680013084A CN 101163964 A CN101163964 A CN 101163964A
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北村贵彦
细谷俊史
改森信吾
市野守保
中村秀明
轻部征夫
后藤正男
石川智子
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

提供一种能够进行快速且正确测量的生物传感器芯片，包括使得能够对很少量的测量样品进行测量且具有小容量的反应室，以及包括在反应室中布置的具有很小晶粒尺寸的铁氰化钾。在生物传感器芯片(1)中，在下衬底(2)上布置电极(3和4)，并且在电极(3和4)上附着下隔片(5(7和8))。上隔片(11(12和13))被附着到上衬底(15)，且下隔片(5)通过粘合剂(10)被粘附到上隔片(11)。在长下隔片(7)和短下隔片(8)之间形成下凹槽(9)，并且在长隔片(12)和短隔片(13)之间形成上凹槽(14)，以便由下凹槽(9)和上凹槽(14)形成反应室(17)。反应室的容量是0.3μl，且以彼此相对、之间限定有间隙的方式将酶(18)和铁氰化钾布置在反应室(17)中。铁氰化钾的晶粒直径是100μm或更小，且当反应室(17)的容量是V时，铁氰化钾的量是V×0.1mg或更多。

Description

生物传感器芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及利用很少量的要测量的样品来执行生化反应的生物传感器芯片。
背景技术
生物传感器芯片是传感器芯片，其在被引入其反应室的很少量的样品上引发诸如酶反应和抗原-抗体反应的生化反应，然后经由电极输出通过生化反应获得的信息。这样的生物传感器芯片利用活体的极好的分子识别功能，并使得能够快速且方便地测量很少量的化学物质。例如，生物传感器芯片被用作血糖水平传感器或被用作尿糖水平传感器，该两种传感器用于在用于自我管理且防止糖尿病的家中医疗检查(自我医疗)中测量血液中的葡萄糖量(血糖水平)或尿糖水平。
作为传统生物传感器芯片的一个实例，已知在专利公开1中公开的一个实例。如图6所示，该生物传感器芯片如酶传感器100配备有形成在电绝缘衬底101上的电极单元102，并且包括两个条状电极。反应层103紧密地固定在电极单元102的一个端部，并且铁氰化钾作为电子媒介体的一个实例被包含在反应层103中。将具有窗口104的掩膜层105布置在电极单元102上；将具有试验流体入口106的隔片107布置在掩膜层105上；以及将保护层108布置在隔片107上。因此，酶传感器100由叠置的电绝缘衬底101、电极单元102、掩膜层105、隔片107以及保护层108组成。
作为传统生物传感器芯片的又一实例，已知在专利公开2中公开的一个实例。在如图7中所示的该生物传感器条板(strip)中，在第一电极绝缘体200上布置支持电极201和标准参考电极202，并且在电极上布置第二电绝缘体203。在该生物传感器条板中，形成槽口部分204，并且将试剂205放置在暴露在槽口部分204中的支持电极201上。试剂205包含酶和铁氰化钾，并且在槽口部分204中的支持电极201的表面上对液体状的制备的试剂进行干燥。为了有利于支持电极201和标准参考电极202以及电位差计之间的电连接，包含另外的槽口部分206。
专利公开1：JP-A-2001-311712
专利公开2：JP-T-9-500727
发明内容
发明要解决的技术问题
最近，需求一种生物传感器芯片，其中缩减用于将酶或电子媒介体与测量样品混合并反应的反应室的容量。例如，在通过利用对象的血液作为测量样品对血糖水平进行测量的情况下，可以通过抽取很少量的血液来实现血糖水平测量，从而减少对象的血液抽取负载。在使用铁氰化钾作为生物传感器芯片的缩减的反应室中的电子媒介体的情况下，铁氰化钾的晶粒尺寸出现问题。当在生物传感器芯片的反应室内涂覆以及干燥包含铁氰化钾的混合液时，因为铁氰化钾容易结晶，所以晶粒尺寸可以是较大的。当将血液引入与容纳具有大晶粒尺寸的铁氰化钾的生物传感器芯片中的反应室时，由于不能快速地溶解这样的铁氰化钾，所以有时不可能执行正确的测量。而且，在生物传感器芯片的反应室放置混合有大尺寸的晶粒与小尺寸的晶粒的铁氰化钾的情况下，由于铁氰化钾的溶解状态中的波动，所以测量值可以波动。进一步地，当在反应室的入口处聚集混合有大尺寸的晶粒与小尺寸的晶粒的铁氰化钾时，认为难以将用作测量试剂的血液引入反应室中。
本发明的一个目标是提供能够进行快速且正确测量的生物传感器芯片，包括：小容量的反应室，该反应室使得能够对很少量的测量样品进行测量；以及包括具有很小晶粒尺寸、且被布置在反应室中的铁氰化钾。
解决技术问题的方式
根据本发明，提供一种生物传感器芯片，包括：上衬底和下衬底，布置在上衬底和下衬底的至少一个上的至少两个电极，以及用来执行化学反应的反应室，其中至少包括酶和铁氰化钾作为要放置在反应室中的试剂；当反应室的容量是VμL时，被放置在反应室中的铁氰化钾的容量是V×0.1mg或更多；以及铁氰化钾的晶粒的最大直径是100μm。
而且，在根据本发明的生物传感器芯片中，优选地，铁氰化钾的晶粒的最大直径是50μm或更少。
而且，在根据本发明的生物传感器芯片中，优选地，将酶和铁氰化钾放置在反应室中，并使得它们之间限定有间隙。
而且，在根据本发明的生物传感器芯片中，优选地，从一个片形成上衬底和下衬底，并且将一个片折叠以形成上衬底和下衬底。
根据本发明，提供一种用于制造生物传感器芯片的生物传感器芯片制造方法，该生物传感器芯片包括上衬底和下衬底、布置在下衬底和上衬底的至少一个上的至少两个电极、以及用来执行化学反应的反应室，该方法包括：在反应室中至少涂覆酶和铁氰化钾的步骤，以及以以下述方式将铁氰化钾冷冻、加热或与不良溶剂混合的步骤：铁氰化钾的晶粒的最大直径变为100μm或更少，且当反应室的容量是VμL时，被放置在反应室中的铁氰化钾的容量变为V×0.1mg或更多。
进一步地，在根据本发明的生物传感器芯片制造方法中，优选地，折叠一个片以形成上衬底和下衬底。
发明效果
依据根据本发明的生物传感器芯片和生物传感器的制造方法，由于在反应室中放置具有细的晶粒的铁氰化钾，所以通过利用很少量的测量样品就快速且均匀地溶解铁氰化钾，从而能够进行正确测量，其中抑制了测量结果的波动。
附图说明
[图1]
图1是表示根据本发明的生物传感器芯片，其中(A)是从横向方向上示出生物传感器芯片的图；(B)是表示下衬底和电极的图；以及(C)是反应室的放大图。
[图2]
图2是表示用来说明生物传感器芯片制造方法的图，其中(A)是用来说明下部分的图；(B)是用来说明上部分的图；以及(C)是用来说明附着到彼此的上部分和下部分的图。
[图3]
图3表示用来说明生物传感器芯片制造方法的图，其中(A)是用来说明下部分的图；(B)是用来说明上部分的图；以及(C)是用来说明附着到彼此的上部分和下部分的图。
[图4]
图4表示用来说明生物传感器芯片制造方法的图，其中(A)是用来说明下部分的图；(B)是用来说明上部分的图；以及(C)是用来说明附着到彼此的上部分和下部分的图。
[图5]
图5表示使用一个绝缘衬底片的生物传感器芯片制造方法，其中(A)是用来说明折叠片之前状态的图，及(B)是用来说明折叠片之后状态的图。
[图6]
图6是表示传统生物传感器芯片的一个实例的透视图。
[图7]
图7是表示传统生物传感器芯片的另一个实例的图。
附图标记和符号的描述
1：生物传感器
2：下衬底
3，4：电极
5：下隔片
6：粘合剂
7：长下隔片
8：短下隔片
9：下凹槽
10：粘合剂
11：上隔片
12：长上隔片
13：短上隔片
14：上凹槽
15：上衬底
16：粘合剂
17：反应室
18：酶
19，19A，19B：铁氰化钾
具体实施方式
在下文中，参考附图，将详细地描述根据本发明的生物传感器芯片和生物传感器芯片制造方法。
图1表示根据本发明的生物传感器芯片的实施例的一个实例。如图1(A)中所示，生物传感器芯片1具有绝缘下衬底2，以及在下衬底2的上表面上彼此平行地布置两个电极3和4，该两个电极之间限定有间隙(见图1(B))。利用粘合剂6将下隔片5固定在电极3和4上隔片5。下隔片5具有与下衬底2的宽度基本上相同的宽度W，以及包括长下隔片7和短下隔片，该长下隔片7和短下隔片8之间限定有间隙并且在长下隔片和短下隔片之间形成下凹槽9。
上隔片11利用粘合剂10被固定在下隔片5上。上隔片11具有与下隔片5相同的尺寸和宽度，并且包括之间限定有间隙的长上隔片12和短上隔片13，以及在长上隔片和短上隔片之间形成上凹槽14。利用粘合剂16，将上衬底15固定在上隔片11上。因此，该生物传感器芯片具有下述结构，即叠置的下衬底2、电极3和4、下隔片5、上隔片11以及上衬底15。虽然下衬底2和上衬底15在该实施例中形成为独立的元件，但是下衬底2和上衬底15可以被一体形成。也就是，可以通过将一个片折叠成横向地相对的U型来形成下衬底和上衬底。
如图1(C)所示，由上衬底15和下衬底2、上长隔片12和下长隔片7、以及上短隔片13和下短隔片8包围的空间用作反应室。上凹槽14和下凹槽9彼此相对以形成反应室17，并且反应室17的容量被设置为0.3μL或更少。例如，当反应室17的容量被设置为0.3μL时，下凹槽9的容量可以被设置为0.15μL，以及上凹槽14的容量可以被设置为0.15μL，以便下凹槽9和上凹槽14的每一个具有反应室17的容量的一半的容量。反应室的容量可以为0.3μL或更少，优选地，为0.2到0.3μL。由于当反应室的容量是0.3μL或更少时，测量试剂的量很少，所以可能可以容易地执行测量试剂的收集。当反应室的容量大于0.3μL时，增加了诸如血糖水平测量情况下的血液抽取负载的测量试剂的收集负载。
将酶18涂覆在反应室17中的上衬底15上，以便当测量试剂流进反应室17中时，引起诸如酶反应和抗原-抗体反应的生化反应。将用作电子媒介体的铁氰化钾19涂覆在反应室17中的下衬底2和电极3和4上，并且铁氰化钾19被布置为在铁氰化钾19和酶18之间限定有间隙。由于酶18与铁氰化钾19不混合，所以可以将酶18的活性保持很长的时间。由于反应室17的容量很小(0.3μL)，所以为了通过利用很少量的测量试剂获得正确的测量，保持高的酶活性十分重要。
为了获得正确的测量结果，铁氰化钾的容量也很重要，且要求在反应室17的容量是V时，将铁氰化钾19的容量保持为V×0.1mg或更多。例如，当反应室的容量是0.3μL时，铁氰化钾所需的量是0.03mg或更多。当铁氰化钾的量是V×0.1mg或更多时，铁氰化钾与很少量的测量试剂满意地反应以给出正确的测量结果。
进一步地，在具有0.3μL或更少的很小容量的反应室中，当引入很少量的测量试剂时，铁氰化钾的溶解状态影响测量结果。在根据本发明的生物传感器芯片中，为了快速且均匀地溶解铁氰化钾，需要铁氰化钾的晶粒的最大直径为100μm或更少。当铁氰化钾的细晶粒的最大直径为100μm或更少时，能够在0.3μL或更少的反应室中快速且均匀地溶解铁氰化钾，从而获得正确的测量。
当铁氰化钾的晶粒的最大直径为100μm或更多时，难以快速地溶解铁氰化钾，从而引起测量结果的波动和很长反应时间。而且，在在铁氰化钾中将大尺寸的晶粒与小尺寸的晶粒进行混合的情况下，引起铁氰化钾的溶解状态中的波动，从而使得难以获得正确的测量结果。因此，由于当铁氰化钾的晶粒的最大直径为50μm或更少时十分快速且均匀地溶解铁氰化钾，所以50μm或更少的最大直径是更优选的。通过在反应室17中涂覆包含铁氰化钾的水溶液，然后执行冷冻、加热或与不良溶剂混合，可以获得具有100μm或更少或50μm或更少的最大直径的铁氰化钾。
在下文中，将描述根据本发明的生物传感器芯片制造方法。图2表示根据本发明的生物传感器芯片制造方法的一个实施例。通过相同的附图标记表示与图1的生物传感器芯片相同的那些组成部分，并且在下列描述中省略这些组成部分的详细描述。图2(A)表示包括生物传感器芯片1的下衬底2的下部分20。通过丝网印刷等等将电极3和4附着到下衬底2，并且利用粘合剂6粘附隔片5。将包括铁氰化钾19的水溶液涂覆到由长隔片7和短隔片8形成的下凹槽9上。之后，将生物传感器芯片1的下部分20布置在冷冻装置21中，以冷冻包含铁氰化钾19的水溶液。冷冻温度可优选地为-20℃或更少。当充分地冷冻铁氰化钾19时，从冷冻装置12中取出下部分20，从而进行空气干燥或真空干燥。如上所述，通过冷冻或干燥包含铁氰化钾19的水溶液，可以沉淀出铁氰化钾的细晶粒。在干燥后测量的铁氰化钾19的晶粒的最大直径为100μm或更少。而且，利用冷冻装置21快速冷冻的铁氰化钾的晶粒有50μm或更少的最大直径。
如图2(B)中所示，形成包括生物传感器芯片1的上衬底15的上部分22。将粘合剂16涂覆到上衬底15上以粘附上隔片11。将包含酶18的水溶液涂覆到由长隔片12和短隔片13形成的上凹槽14上。酶的实例包括葡萄糖氧化酶(GOD)。在干燥包括酶18的溶液之后，如图2(C)所示，利用粘合剂10，将生物传感器芯片1的上部分22和下部分20附着到彼此。由彼此相对的上凹槽14和下凹槽9来形成反应室17。在反应室17中，由于铁氰化钾19和酶18彼此相对并且它们之间限定有间隙，所以酶18不与铁氰化钾19混合，并且保持酶18的活性。反应室17具有0.3μL或更少的容量，且当反应室的容量是V时容纳V×0.1mg或更多量的铁氰化钾19，并且晶粒的最大直径是100μm或更少。
图3表示根据本发明的生物传感器芯片制造方法的另一个实施例。通过相同的附图标记表示与图1的生物传感器芯片相同的那些组成部分，且在下列描述中省略这些组成部分的详细描述。图3(A)表示包括生物传感器芯片1的下衬底2的下部分20。通过丝网印刷等等将电极3和4附着到下衬底2，并且利用粘合剂6粘附隔片5。将包括铁氰化钾19A的水溶液涂覆到由长隔片7和短隔片8形成的下凹槽9上。之后，提供加热装置23，并且将包括下衬底2的生物传感器芯片1的下部分20放置在加热装置23的顶面上。在起动加热装置后，加热包含铁氰化钾19A的水溶液以蒸发水份。在充分地蒸发了水份时，从加热装置23中取出生物传感器芯片1的下部分20以进行冷却。如上所述，通过加热包含铁氰化钾19A的水溶液，可以沉淀出铁氰化钾的细晶粒。在冷却后测量的铁氰化钾19A的晶粒的最大直径为100μm或更少。
如图3(B)中所示，形成包括生物传感器芯片1的上衬底15的上部分22。将粘合剂16涂覆到上衬底15上以粘附隔片11。将包含酶18的溶液涂覆到由长隔片12和短隔片13形成的上凹槽14上。酶的实例包括葡萄糖氧化酶(GOD)。在干燥包含酶18的水溶液之后，如图3(C)所示，利用粘合剂10，将生物传感器芯片1的上部分22和下部分20附着到彼此。通过彼此相对的上凹槽14和下凹槽9形成反应室17。在反应室17中，由于铁氰化钾19A和酶18彼此相对并且它们之间限定有间隙，所以酶18不与铁氰化钾19A混合，并且保持酶18的活性。反应室17具有0.3μL或更少的容量，且当反应室的容量是V时容纳V×0.1mg或更多量的铁氰化钾19A，并且晶粒的最大直径是100μm或更少。
图4表示根据本发明的生物传感器芯片制造方法的又一个实施例。通过相同的附图标记表示与图1的生物传感器芯片相同的那些组成部分，且在下列描述中省略这样的组成部分的详细描述。图4(A)表示包括生物传感器芯片1的下衬底2的下部分20。通过丝网印刷等等将电极3和4附着到下衬底2，并且利用粘合剂6粘附隔片5。将包含铁氰化钾19B的水溶液涂覆到由长隔片7和短隔片8形成的下凹槽9上。之后，将用于铁氰化钾的不良溶剂的乙醇涂覆到水溶液上以便溶液与乙醇混合。由于存在乙醇，所以铁氰化钾以微晶的形式被沉淀。这样的方法是公知的一种用于沉淀微晶的溶剂再沉淀方法。在利用乙醇的情况下，不需要在图3的实施例中使用的加热设备，并且在常温下可以执行水份蒸发。而且，只要不良溶剂很好地在水中溶解，可以使用铁氰化钾的任意不良溶剂，并且这样的不良溶剂的实例包括丙酮。通过与乙醇混合，沉淀出铁氰化钾19B的细晶粒。在溶剂蒸发后测量的铁氰化钾19B的晶粒的最大直径为100μm或更少。并且，当水和乙醇的混合比设置为1∶1或更多时，沉淀出具有50μm或更少的最大直径的细晶粒，通过铁氰化钾19B的晶粒的测量而检测到该细晶粒。
如图4(B)中所示，形成包括生物传感器芯片1的上衬底15的上部分22。将粘合剂16涂覆到上衬底15上以粘附隔片11。将包含酶18的水溶液涂覆到由长隔片12和短隔片13形成的上凹槽14上。酶的实例包括葡萄糖氧化酶(GOD)。在干燥包含酶18的溶液之后，如图4(C)所示，利用粘合剂10，将生物传感器芯片1的上部分22和下部分20附着到彼此。通过彼此相对的上凹槽14和下凹槽9形成反应室17。在反应室17中，由于铁氰化钾19B和酶18彼此相对并且它们之间限定有间隙，所以酶18不与铁氰化钾19B混合，并且保持酶18的活性。反应室17具有0.3μL或更少的容量，且当反应室的容量是V时容纳V×0.1mg或更多量的铁氰化钾19B，并且晶粒的最大直径是100μm或更少。
如上所述，通过使铁氰化钾经受在根据本发明的生物传感器芯片制造方法中的冷冻、加热或与不良溶剂混合，可以沉淀出铁氰化钾的细晶粒。由于可以将用作电子媒介体的铁氰化钾的晶粒的最大直径保持为100μm或更少，优选地为50μm或更少，所以通过利用很少量的测量试剂，可以在具有0.3μL的容量的反应室中快速且均匀地溶解铁氰化钾。
虽然在图2至4中所示的实施例中描述了这些实例，这些实例的每个中，将包括生物传感器芯片的上衬底的上部分和包括下衬底的下部分附着到彼此以制造生物传感器芯片，但是可能通过利用整体的上衬底和下衬底来制造生物传感器芯片，而不需要利用根据本发明的生物传感器芯片制造方法中的分离的上衬底和下衬底。图5表示通过使用一个片衬底来制造生物传感器芯片的一个实例。如图5(A)所示，该生物传感器芯片1A具有一个绝缘片衬底25，并且片衬底25的左部分用作下衬底2A。在下衬底2A上，形成电极3和4，经由粘合剂来布置长下隔片7和短下隔片8。在长下隔片7和短下隔片8之间形成下凹槽9，并且在凹槽9中放置铁氰化钾19(19A，19B)。根据如图2到4中所示的方法，通过使包含铁氰化钾19(19A，19B)的水溶液经受冷冻、加热或与不良溶剂混合，可以沉淀出具有100μm或更少的最大晶粒直径的铁氰化钾19(19A，19B)的细晶粒。
绝缘片衬底25的右部分用作上衬底15A。经由粘合剂，将长上隔片12和短上隔片13布置在衬底15A上。在长上隔片12和短上隔片13之间形成上凹槽14，并且在凹槽14中放置酶。作为放置酶的一个实例，可以应用图2中示出的方法。之后，将一个绝缘片衬底25折叠成如图5(B)中所示的横向相对的U型，以经由粘合剂10将短隔片8和13附着到彼此，以及将长隔片7和12附着到彼此。因此，通过相对的上凹槽14和下凹槽9形成反应室17。在反应室17中，铁氰化钾19(19A，19B)和酶相对并且它们之间限定有间隙，以便保持酶的活性。
虽然详细地且参考前述中的特定实施例描述本发明，但是对于本领域的技术人员是明显的，只要不偏离本发明的精神和范围，可以添加多种修改和改变。本专利申请基于2005年10月17日提交的日本专利申请(专利申请号：2005-302330)，并且在此引入其内容以供参考。

Claims (6)

1.一种生物传感器芯片，包括：
上衬底和下衬底；
至少两个电极，布置在所述上衬底和下衬底的至少一个上，以及
反应室，用于执行化学反应，
其中
至少包括酶和铁氰化钾作为将要被放置在所述反应室中的试剂；
当所述反应室的容量是VμL时，被放置在所述反应室中的铁氰化钾的容量是V×0.1mg或更多；以及
所述铁氰化钾的晶粒的最大直径是100μm。
2.根据权利要求1所述的生物传感器芯片，其中，
所述铁氰化钾的晶粒的最大直径可优选地为50μm或更小。
3.根据权利要求1或2所述的生物传感器芯片，其中，
将所述酶和所述铁氰化钾放置在所述反应室中，并在所述酶和所述铁氰化钾之间限定有间隙。
4.根据权利要求1到3的任一项所述的生物传感器芯片，其中，
从一个片形成所述上衬底和下衬底，以及
将所述一个片折叠以形成所述上衬底和下衬底。
5.一种用于制造生物传感器芯片的生物传感器芯片制造方法，所述生物传感器芯片包括上衬底和下衬底、布置在所述上衬底和下衬底的至少一个上的至少两个电极、以及用来执行化学反应的反应室，所述方法包括：
在所述反应室中至少涂覆酶和铁氰化钾的步骤，以及
以下述方式将所述铁氰化钾冷冻、加热或与不良溶剂混合的步骤：所述铁氰化钾的晶粒的最大直径变为100μm或更小，且当所述反应室的容量是VμL时，放置在所述反应室中的铁氰化钾的容量是V×0.1mg或更多。
6.根据权利要求5所述的生物传感器芯片制造方法，其中，
将一个片折叠以形成所述上衬底和下衬底。
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