CN107328830A - 一种生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物检测仪器领域，公开了一种生物传感器，其组成包括：绝缘基板、电极系统、检测试剂、绝缘层、中隔层和覆盖层，其中：所述的对电极呈C字形结构，工作电极设置在对电极C字形的开口中间；对电极C字形上下两端边缘由绝缘层界定，且对电极C字形两端的宽度应该大于设定的有效宽度和绝缘层套印或贴合公差之和。本发明技术方案能有效降低最低样本需求量的同时，也保证了良好的测试精密度性能。

Description

一种生物传感器

技术领域

本发明涉及生物检测仪器领域，具体涉及一种生物传感器。

背景技术

生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。

电化学生物传感器已经被广泛应用于体外诊断领域，这些仪器系统能检测体液中的生理物质，方便医生对病人状况分析和诊断，也有一些仪器系统应用到家庭使用，方便病人的自我监控，这些生理指标包括血糖、胆固醇、尿酸、甘油三酸酯、乳酸、酮体、酶类等。目前生物传感器已经被广泛应用于临床检测中，其中最普及的例子是便携式血糖测试系统。

对于检测血液样本的生物传感器，特别是家用型的生物传感器，如血糖仪，病人需要经常采指尖血进行测试，频繁的测试会使病人痛苦，甚至因此厌烦而放弃一些测试，影响指标监控和疾病管理。进一步减少产品的样本需求量，可以让病人使用侵入较少、采血量少一些的规格的采血针，减少采血的痛楚，所谓微创或无痛采血，能显著改善病人采血测试的畏惧感，提高指标监测的依从性，从而改善疾病的管理和控制。

目前的生物传感器测试片通常有以下几个部分组成：绝缘基板，作为产品的载体；构建在绝缘基板上的电极系统，至少包括工作电极和对电极；固定在电极系统上的检测试剂；绝缘层，界定电极的反应区域；中隔层，反应室及进样通道开口，覆在电极系统上，中隔层在有些产品中涵盖了绝缘层的功能从而能省略绝缘层；覆盖层，覆盖在中隔层上，和基板一种构成反应室。

临床使用的生物传感器产品的准确度、精密度性能非常重要，其中工作电极上的检测试剂覆盖是否完全和一致、加样时工作电极的样本覆盖是否均匀和完全是影响产品准确度和精密度性能的关键因素之一。为保证产品的准确度和精密度性能，目前市面上的一些产品在设计上把对电极设计成C字型，工作电极放置放在C字型对电极的中间，这样在加工时检测试剂覆盖工作电极比较一致和完全，加样时也比较能确保工作电极的样本覆盖比较一致，如Ascensia Elite血糖试片和Optimum血糖测试片。但是，绝缘层在反应室的两端需要留出离两侧对电极一定的距离，以保证绝缘层加工时需要的上下偏差，加工工艺如丝网印刷、贴合等，因此一定程度上因为绝缘层的加工公差增加一定量的样本需求量。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种能降低最少样本需求量但同时保证测试结果准确度和精密度的高性能生物传感器。

为实现本发明的目的，发明人提供如下的技术方案：

一种生物传感器，用于检测样本中特定物质浓度或活性，其组成包括：绝缘基板；构建在绝缘基板上的电极系统，电极系统至少包括工作电极和对电极；固定在电极系统上的检测试剂，至少应该全面覆盖工作电极；构建在电极系统的上方的绝缘层，所述的绝缘层用来界定或部分界定电极的反应区域(部分界定是指如上下方向或左右方向)；构建在电极系统、检测试剂、绝缘层上方的中隔层，所述的中隔层在样本通道及反应室区域镂空；构建在中隔层上方的覆盖层(选用亲水材料)，所述的覆盖层和中隔层、绝缘基板构建成反应室及进样毛细通道，样本可通过毛细虹吸作用自动进样；所述的反应室应有透气孔，以便形成虹吸作用，其中：所述的对电极呈C字形结构，工作电极设置在对电极C字形的开口中间；对电极C字形上下两端边缘由绝缘层界定，且对电极C字形两端的宽度应该大于设定的有效宽度和绝缘层套印或贴合公差之和，这样无论绝缘层套印或贴合上偏还是下偏，其总对电极宽度是一样的。测试片分切时，以绝缘为切割基准，那么无论绝缘层套印或贴合上偏还是下偏，反应室的理论切割长度不存在绝缘层贴合的偏差，保证理论的最低样本需求量。

本发明的技术方案一方面以绝缘层界定对电极的边缘，减少现有技术需考虑套印或贴合偏差而增加的反应室长度，达到减少样本需求量的目的；同时该技术方案也能保证无论绝缘层套印或贴合上偏还是下偏，总对电极的有效宽度都是一致的，加上工作电极设置在对电极的中间，使工作电极上的检测试剂容易覆盖完全和一致、加样时工作电极的样本覆盖比较完全均匀，保证产品的准确性和精密度。所以，本发明的技术方案达到了提供一种降低最少样本需求量但同时保证测试结果准确度和精密度的高性能生物传感器的目的。

作为优选方案，本发明中，根据测试逻辑的需要，对电极分成单独的两条(如图2a所示)。

绝缘基板是生物传感器的载体。本发明中，绝缘基板优选的是具有一定挺度的柔性塑料片材，包括但不限于PET、PP、PVC、亚克力等材料。目前有多种商业化的产品可供选择，如Dupont公司ST 504、ST 339等。

电极系统构建在绝缘基板上，至少包括对电极和工作电极。电极的材料包括但不限于石墨、银、金、铂、钯、ITO、IZO中的一种，可以通过丝网印刷、真空溅镀结合激光加工等工艺构建在绝缘基板上。本发明电极系统的对电极呈C字形结构(如图2b)，也可根据测试逻辑的需要分成单独的两条(如图2a)，工作电极设置在对电极C字形的开口中间；对电极C字形上下两端边缘由绝缘层界定，且对电极C字形两端的宽度应该大于设定的有效宽度和绝缘层套印或贴合公差之和，这样无论绝缘层套印或贴合上偏还是下偏，其总对电极宽度是一样的。

检测试剂是生物传感器核心技术之一。检测试剂固定在电极系统的上面，应全面覆盖工作电极。检测试剂可以通过点液、丝网印刷、喷墨打印、夹缝挤出等技术加工固定到电极上。检测试剂包含酶、电子介体、缓冲液、表面活性剂、多聚物等组分。酶的作用是特异性的和被检测物反应；电子介体从酶和被检测物的反应中获取电子，并扩散到电极上释放电子，并形成信号，该信号可以被测试仪捕获；缓冲液保证一个合适的反应环境；表面活性剂能够优化反应条件，并促进样本扩散；多聚物能形成网架结构，并一定程度上固定酶。

绝缘层，构建在电极系统的上方，用来界定对电极C字形的两端边缘。绝缘层可以是绝缘油墨通过丝网印刷套印加工上去，也可以是绝缘胶材或片材通过套贴贴合加工上去。绝缘层的厚度一般在2～50μm之间。

作为优选方案，本发明中，绝缘层界定对电极两端边缘的图案为矩形。

作为优选方案，本发明中，绝缘层界定对电极两端边缘的形状呈弧线状。

作为优选方案，本发明中，绝缘层界定对电极两端边缘的图案为矩形，四个角有倒角。

中隔层，构建在电极系统上方，反应室区域镂空，结合覆盖层形成了反应室即进样通道。所述的中隔层的厚度为0.025mm～0.5mm，作为优选，中隔层的厚度为0.075mm～0.125mm。中隔层材料可以是带基材或不带基材的胶带，加工好后粘合上去；也可以是胶或聚合物浆料，通过丝网印刷上去；如电极上无其他绝缘材料隔开，中隔层的材料必须是良好的绝缘材料。

覆盖层，在中隔层上方，和中隔层、绝缘基板构建成反应室及进样通道，以便通过虹吸作用自动进样。覆盖层可使用PET材料，优选透明的亲水处理过的材料，透明能帮助用户容易确认反应区进样状态，亲水能使进样更为顺畅，非反应室区域可以不透明，印刷进样标志和Logo，可用的商业化材料有Adhesives Research,Inc的92804、Coveme公司Kemafoil HHNW、3M公司的9971等。

透气孔，反应室应有透气孔，以便形成虹吸作用，透气孔通过覆盖层或绝缘基板进样通道尾端区域打孔实现，也可通过中隔层在进样通道尾端区域留出通气口实现。

测试条的分切：测试片的分切以绝缘为切割基准，那么无论绝缘层套印或贴合上偏还是下偏，反应室的理论切割长度不存在绝缘层贴合的偏差，保证理论的最低样本需求量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的技术方案一方面以绝缘层界定对电极的边缘，减少现有技术需考虑套印或贴合偏差而增加的反应室长度，达到减少样本需求量的目的；同时该技术方案也能保证无论绝缘层套印或贴合上偏还是下偏，总对电极的有效宽度都是一致的，加上工作电极设置在对电极的中间，使工作电极上的检测试剂容易覆盖完全和一致、加样时工作电极的样本覆盖比较完全均匀，保证产品的准确性和精密度。

实验测试结果表明，本发明技术方案能有效降低最低样本需求量的同时，也保证了良好的测试精密度性能。

附图说明

图1a和图1b分别是本发明的一种生物传感器的结构分解示意图和结构完整示意图。

图2是本发明的一种生物传感器的电极系统结构示意图，其中图2a是对电极分成单独的两条的电极系统结构示意图；图2b是对电极分列工作电极两侧的电极系统结构示意图。

图3a是现有技术的电极系统和绝缘图案的示意图，图中的反应室长度H＝绝缘偏差+对电极1宽+间隙+工作电极宽+间隙+对电极2宽+绝缘偏差。

图3b是本发明的电极系统和绝缘图案的一种示意图，绝缘层界定对电极两端边缘的图案为矩形，图中反应室长度H＝对电极1宽+间隙+工作电极宽+间隙+对电极2宽。

图3c是本发明的电极系统和绝缘图案的另一种示意图，绝缘层开口处上下端呈圆弧状。

图3d是本发明的电极系统和绝缘图案的另一种示意图，绝缘层开口四角有倒角。

图4是本发明实施例1的反应曲线图。

图5是本发明实施例2的反应曲线图。

图6是本发明实施例3的反应曲线图。

图7是本发明实施例4的反应曲线图。

图8是对照例反应曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1

一种生物传感器，结构如图1A和图1B所示。绝缘基板100上构建电极系统200；所述的电极系统200包含三个电极：对电极1—201、工作电极—202、对电极2—203；构建在电极系统的上方的绝缘层300，所述的绝缘层用来界定或部分界定电极的反应区域；电极系统上方固定检测试剂400，检测试剂至少覆盖工作电极；中隔层500贴合在电极系统上；覆盖层600贴合在中隔层上，覆盖层和中隔层及绝缘基板构建成反应室及进样通道501，可通过虹吸作用自动进样；然后使用机器压紧制成完整的生物传感器测试片700，中隔层500开孔的一端为进样口701，电极系统200的每条电极引线向生物传感器测试片另外一端延伸形成连接触脚702，连接触脚端插入检测仪器端口，每条电极的连接触脚会和端口内对应的触点相连。

首先在0.35μm厚度的PET绝缘基板100上通过丝网印刷加工上电极系统200，所述的电极系统包括对电极和工作电极，对电极呈C字形结构但分成单独的两条—即对电极1-201和对电极2-203(如图2a，图3b)，工作电极-202、对电极1-201和对电极2-203的印刷宽度都是1.0mm；工作电极和两边对电极的间隙距离各为0.3mm。

然后在印上电极系统的片材上继续印刷绝缘层300，如图1a、图1b和图3b所示，绝缘层固化后厚度在6～15um之间。通过绝缘层界定的对电极1-201的理论宽度为0.6mm、对电极2-203的理论宽度为0.6mm，总对电极宽度为1.2mm，绝缘层的套印上下公差控制在±0.3mm。此实施例绝缘层界定对电极的图案为矩形，如图3b所示。

接着，配制检测试剂溶液，这里以葡萄糖检测试剂为例。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.5μL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。

然后贴合上双面胶中隔层500和亲水覆盖层600。中隔层厚度为0.125mm，反应室开口宽度为1.5mm；亲水覆盖贴合前预先加工好透气孔601。贴合好后，通过压合机压紧。然后以绝缘层为基准进行分切，即为成品生物传感器试片700。

实施例2

实施例2的制作基本同实施例1，除了对电极图案不同，如图2b所示，对电极呈C字形结构，没有分成单独的两条，但尺寸设置都同实施例1。

实施例3

实施例3的制作基本同实施例1，除了绝缘层图案略有不同，如图3c所示，绝缘层界定对电极的两端的边缘成弧线状，但以弧线最顶端计，对电极1-201和对电极2-203的理论宽度仍然是0.6mm，总宽度为1.2mm。

实施例4

实施例4的制作基本同实施例1，除了绝缘层图案略有不同，如图3d所示，绝缘层界定对电极的图案为矩形但四个角有倒角，对电极1-201和对电极2-203的理论宽度仍然是0.6mm，总宽度为1.2mm。

对照例1

对照例的制作也基本同实施例1，只是对电极的两端边缘不是由绝缘层界定，如图3a所示，对电极两端到绝缘层边缘需要留出套印偏差±0.3mm。对电极1、对电极2的宽度仍然是0.6mm，共1.2mm，工作电极宽度是1.0mm。

最低样本需求量比对

如图3a，对照例因为需要考虑绝缘层的套印偏差±0.3mm，需要在对电极两端留出各0.3mm的宽度，即反应室长度H＝绝缘偏差+对电极1宽+间隙+工作电极宽+间隙+对电极2宽+绝缘偏差＝0.3+0.6+0.3+1.0+0.3+0.6+0.3＝3.4mm。

通过中隔层宽度为1.5mm，厚度为0.125mm，可计算出对照例的最低样本需求量为：0.64uL。

如图3b、图3c和图3d所示，实施例因为用绝缘层直接界定对电极两端，不需要考虑绝缘层的套印偏差±0.3mm，反应室长度H＝对电极1宽+间隙+工作电极宽+间隙+对电极2宽＝0.6+0.3+1.0+0.3+0.6＝2.8mm。

通过中隔层宽度为1.5mm，厚度为0.125mm，可计算出实施例的最低样本需求量为：0.53uL。

可见通过本发明的技术方案，能有效降低最低样本需求量。

测试例

使用肝素抗凝的静脉全血，调配成贯穿0～700mg/dL区间的7个葡萄糖浓度水平的样本，其中低浓度样本可以通过血样放置糖酵解获取，高浓度样本可通过加入高浓度葡萄糖溶液调制，实际调配的浓度为：0mg/dL、38mg/dL、116mg/dL、170mg/dL、284mg/dL、423mg/dL和626mg/dL。将上述对照例1及实施例1-4的5种生物传感器测试片在测试仪器上进行测试比对，仪器工作电极和对电极的电位差设置为0.30V，每种试片每个浓度样品测试5条，测试结果采用5秒电流。对于对照例1、实施例1、实施例3、实施例4，因为有两个对电极分开，测试时对电极1和对电极2需同时接地。

实施例1-4和比较例1的测试结果见图4～图8和如下表1-5。

表1：实施例1测试结果

表2：实施例2测试结果

表3：实施例3测试结果

表4：实施例4测试结果

表5：对照例测试结果

从表1～表5可以看出，4个实施例的精度(变异系数)良好，除0浓度外变异系数均值(0浓度因数值太低，变异系数相对变化太大，不纳入分析)实施例均值为1.1％～1.4％，对照例均值为1.7％，可见本发明技术方案能有效降低最低样本需求量的同时，也保证了良好的测试精密度性能。

图4～图8为4个实施例及对照例的7个浓度测试反应曲线图。从图可见，4个实施例每个浓度的反应曲线表现一致，离散性小，说明本发明的生物传感器的测试精密度良好。

Claims (6)

1.一种生物传感器，其组成包括：绝缘基板；构建在绝缘基板上的电极系统，电极系统至少包括工作电极和对电极；固定在电极系统上的检测试剂，至少应该全面覆盖工作电极；构建在电极系统的上方的绝缘层，所述的绝缘层用来界定或部分界定电极的反应区域；构建在电极系统、检测试剂、绝缘层上方的中隔层，所述的中隔层在样本通道及反应室区域镂空；构建在中隔层上方的覆盖层，所述的覆盖层和中隔层、绝缘基板构建成反应室及进样毛细通道；所述的反应室应有透气孔，其特征在于：所述的对电极呈C字形结构，工作电极设置在对电极C字形的开口中间；对电极C字形上下两端边缘由绝缘层界定，且对电极C字形两端的宽度应该大于设定的有效宽度和绝缘层套印或贴合公差之和。

2.根据权利要求1所述的一种生物传感器，其特征在于，所述的对电极根据测试逻辑的需要分成单独的两条。

3.根据权利要求1所述的一种生物传感器，其特征在于，所述的绝缘层的厚度一般在2~ 50μm之间；绝缘层是绝缘油墨通过丝网印刷套印加工上去或者是绝缘胶材或片材通过套贴贴合加工上去。

4.根据权利要求1所述的一种生物传感器，其特征在于，所述的绝缘层界定对电极两端边缘的图案为矩形。

5.根据权利要求1所述的一种生物传感器，其特征在于，所述的绝缘层界定对电极两端边缘的形状呈弧线状。

6.根据权利要求1所述的一种生物传感器，其特征在于，所述的绝缘层界定对电极两端边缘的图案为矩形，四个角有倒角。