CN115236155A - 一种生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物传感器，包括：传感器本体和三个电极，其中，传感器本体的一端作为采集端，另一端作为电接触端；三个电极设置于传感器本体上，其一端位于传感器本体的电接触端，另一端位于传感器本体的采集端，传感器本体上设置有三个试剂窗口，三个电极分别与三个试剂窗口相接触，其中所述两个试剂窗口大小完全相同，其连接方向平行于采集端端面，与采集端端面的距离大于另一试剂窗口与采集端端面的距离。本发明提供的生物传感器具有制造工艺简单、检测准确度高的优点。

Description

一种生物传感器

技术领域

本发明属于医疗检测技术领域，具体涉及一种用于检测体液样本中分析物浓度的生物传感器。

背景技术

生物传感器在医疗保健领域有着广泛应用，例如糖尿病患者利用血糖试纸监测血液葡萄糖浓度，实现对糖尿病的有效管理。由于采集血样会对使用者造成不便和痛苦，导致依从性较差。近年来，利用泪液，汗液，唾液等体液样本进行无创检测替代侵入式的检测成为研究热点。

然而，无创检测的准确性还受很多因素的影响，例如这些体液样本中的葡萄糖浓度远低于血液中的葡萄糖浓度。具体来说，血液中葡萄糖的浓度范围为2-40mM，组织间液中为2-22mM，唾液中为0.008-1.8mM，汗液中为0.01-1.1mM，泪液中为0.05-5mM。从实用的角度考虑，生物传感器需要较长的货架期，并且希望在常温保存，无需冷藏。但是当分析物浓度较低，检测信号较小的情形下，随着货架期的到来，即使电化学生物传感器背景信号的较小漂移，也会对检测结果造成明显的偏差。在这种情形下，仅仅通过调整试剂组合，并非都是经济有效的方法。此外，在电化学检测中，体液中往往存在内源性和外源性的干扰物。例如，抗坏血酸是体液中常见的还原性物质，在泪液中浓度达到20±6.2μM，可能造成分析物在低浓度区域检测结果的显著偏差。以唾液检测而言，样本采集是很容易的，但唾液中的大量杂质对分析物检测造成严重干扰。

在医疗保健和运动健身的监测中，生物传感器的准确度尤为重要，同时需要工艺可行，能够大批量生产，现有技术难以满足便携式精准检测产品的需求。因此，必须开发出针对体液样本分析物的检测系统的优化设计，建立一种简便快速的方法才能有效实现便携式精准检测，满足在医疗保健和运动健身等领域广泛应用。

发明内容

为此，本发明提供了一种生物传感器，其具有制造工艺简单、检测准确度高的优点。

为实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案：

一种生物传感器，包括：传感器本体和三个电极，其中，该传感器本体的一端作为采集端，另一端作为电接触端；三个电极设置于该传感器本体上，其一端位于传感器本体的电接触端，另一端位于传感器本体的采集端，传感器本体上设置有三个试剂窗口，三个电极分别与三个试剂窗口相接触，其中两个试剂窗口，其连接方向平行于采集端端面，二者与采集端端面的距离大于另一试剂窗口与采集端端面的距离。

优选地，上述三个电极为两个工作电极和一个对电极。

优选地，上述两个工作电极采集的信号通过差值法建立校准曲线。

优选地，三个试剂窗口呈三角形排布。

优选地，两个所述试剂窗口大小完全相同。

优选地，其中两个试剂窗口的连接方向与所述采集端端面的距离小于20mm，两个所述试剂窗口之间的距离小于10mm。

优选地，试剂窗口可以为椭圆形、圆形、矩形中的任意一种。

优选地，还包括在采集端的端面上，设置于三个试剂窗口之上的样本室。

优选地，该样本室的长小于20mm，宽小于10mm，高小于为0.5mm。

优选地，该样本室的形状为弧形、矩形、梯形的任意一种。

优选地，该样本室进样口宽度不大于采集端宽度的1/3。

优选地，本发明的传感器本体包括：电极层，绝缘层和中隔层。其中，所述电极层，绝缘层和中隔层由下到上依次设置。

优选地，电极层包括上述的三个电极。

优选地，上述三个试剂窗口设置于绝缘层上。

优选地，中隔层设置于绝缘层上，形成设置于三个试剂窗口上的样本室。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的生物传感器，设置有三个试剂窗口，其中两个试剂窗口，其连接方向平行于采集端端面，二者与采集端端面的距离大于另一试剂窗口与采集端端面的距离，并且两个试剂窗口可以设置大小完全相同，这样的结构排布，可以利用电极采集的信号进行差值计算，可以有效的消除背景信号漂移和干扰物对检测结果造成的偏差，提高检测结果的准确性，实现货架期内的精准检测；其次，本发明的生物传感器，制作工艺简单，反应试剂原料易得，成本低，有利于工业化生产，实用性强；此外本发明的生物传感器，检测时排气通畅，进样快速，可以快速给出检测结果。

附图说明

图1a-1c为本发明的生物传感器结构示意图；

图2为本发明的生物传感器剖面结构示意图；

图3为本发明的生物传感器分解结构示意图；

图4为本发明的泪糖校准曲线。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种生物传感器，图1a-1c为本申请的生物传感器结构示意图，图2为生物传感器剖面结构示意图，如图1a-1b和图2所示，该生物传感器包括传感器本体4和三个电极，三个电极分别为工作电极11、工作电极12和对电极13。

传感器本体4作为该生物传感器的载体，传感器本体4的一端为采集端20，另一端为电接触端10。该传感器本体4可以为在基材上附着导电材料，基材可以为玻璃等刚性材料，也可以为高分子等柔性材料；所述的导电材料可以是金，铂，钯等或者合金等金属材料，也可以是碳材料。导电涂层可通过行业内熟知的各种方法制备，包括但不限于通过丝网印刷，掩膜溅镀，涂覆刻蚀等工艺实现相应的电极图案。

三个电极设置于传感器本体4上，电极的一端位于传感器本体4的电接触端10，另一端位于传感器本体4的采集端20，可与位于采集端20的试剂窗口相接触，工作电极11、工作电极12和对电极13分别和三个试剂窗口21,22和23相接触，工作电极11和工作电极12分别相接触的试剂窗口21,22。两个试剂窗口大小完全相同，其连接方向平行于采集端20端面，其与采集端20端面的距离大于试剂窗口23与采集端20端面的距离，三个试剂窗口可以呈三角形排布。这种结构设计可以有效避免样本不足或者进样不畅等情况下造成的两个工作电极接触样本的时间不一致，可解决因为时间差而导致的工作电极检测信号延迟的问题，从而可以采用工作电极采集信号的差值法达到提高本发明生物传感器准确度的目的。

试剂窗口21,22的连接方向与采集端20端面的距离优选小于20mm，试剂窗口21,22之间的距离优选小于10mm。试剂窗口的形状可以根据需要进行设计，可设计为封闭图形，可以为椭圆形、圆形、矩形等。优选地，试剂窗口21和试剂窗口22的大小完全相同，试剂窗口21和22到试剂窗口23的距离相等。

如图1c和图2所示，本发明的生物传感器还包含在采集端20的端面上，设置于三个试剂窗口21,22和23之上的样本室33，主要作用是收集、容纳样品，以便进行样本测试。在本申请中，对样本室横截面的形状(指将传感器本体4在水平方向切开后样本室的形状)没有要求，样本室横截面的形状可以为弧形、矩形、梯形中的任意一种。样品室的尺寸根据三个试剂窗口之间的距离而设计，具体的，样本室的长小于20mm，宽小于10mm，高小于为0.5mm。例如，设计为长宽高分别为4mm，2mm，0.125mm的样本室，达到提高本发明生物传感器的准确度的效果。本发明的样本室33的进样口宽度不大于采集端宽度的1/3，优选地，靠近采集端20端面的试剂窗口23设于样本室33的进样口。

本发明的传感器本体4可以是一体成型结构，也可以由多层结构组合而成。如图3所示，为本发明的生物传感器分解结构示意图。该生物传感器的传感器本体4由多层结构复合形成，包括：电极层1、绝缘层2、中隔层3，其中，电极层1、绝缘层2、中隔层3由下到上依次设置。

电极层1包括设置在基材上的工作电极11、工作电极12和对电极13，优选地，三个电极可以平行设置，电极的一端位于传感器本体4的电接触端10，另一端位于传感器本体4的采集端20。

绝缘层2设置于电极层1上，绝缘层2与电极层的采集端20相对齐，并使得电接触端10一端的电极暴露在外，进而与检测装置连接。绝缘层2设有工作电极11、工作电极12和对电极13相对应的试剂窗口21，22和23，与所述电极相接触，试剂窗口用以限定反应试剂的区域。工作电极11和工作电极12分别相接触的试剂窗口21,22，两个试剂窗口大小完全相同，其连接方向平行于采集端20端面，与采集端20端面的距离大于试剂窗口23与采集端20端面的距离，三个试剂窗口可以呈三角形排布。

位于试剂窗口上的反应试剂包括酶、酶保护剂、电子介体、表面活性剂、缓冲溶液和高聚物的部分或全部。所述酶为葡萄糖氧化酶，葡萄糖脱氢酶，乳酸氧化酶，乳酸脱氢酶，β羟丁酸脱氢酶，尿酸氧化酶，胆固醇氧化酶，肌酸酐水解酶，抗坏血酸氧化酶等。所述酶保护剂：可以为糖类，比如蔗糖。所述电子介体可以为金属配合物和有机染料。所述反应试剂还包括至少一种表面活性剂，可以是离子型和非离子表面活性剂。优选的，采用

改善干燥的反应试剂的亲水性。所述缓冲溶液采用Good's缓冲溶液、有机酸缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液。所述反应试剂还包括高聚物比如纤维素。

中隔层3设置于绝缘层2上，所述中隔层3包括双面胶层31，双面胶层31为具有一定厚度的压敏胶，使得中隔层3粘贴于绝缘层2之上，形成设置于三个试剂窗口21,22和23之上的样本室33。本发明的中隔层3还包括亲水膜层32，亲水膜层32为经过亲水处理的透明高聚物片材，覆盖于双面胶层31之上，并在样本室33后端留有排气间隙34。

生物传感器在泪液葡萄糖检测中的应用

一种泪液葡萄糖生物传感器的制备方法，具体步骤如下：

在聚对苯二甲酸二乙酯(PET)片材上真空溅镀30nm金层，然后利用激光刻蚀对应的电极图案，得到电极层。然后贴合单面胶绝缘层，绝缘层的厚度为0.1mm，暴露所需的工作电极和对电极部分。工作电极11和工作电极12相对应的试剂窗口21和22均为短轴直径0.6mm，长轴直径1.2mm的椭圆形，其中短轴方向均平行于样本采集端。对电极相对应的试剂窗口23为短轴直径0.5mm，长轴直径1.0mm的椭圆形，其中短轴方向垂直于样本采集端。通过点胶机以点液的方式将液态的反应试剂配置到工作电极11、工作电极12和对电极13相对应的试剂窗口21，22和23凹孔之中，每个凹孔的负载量在0.01mg-0.1mg，优选的，0.03mg。然后放置于烘箱在50℃下干燥30分钟，然后贴合厚度为0.125mm的中隔层，形成长宽高分别为4mm，2mm，0.125mm的样本室。裁切后得到完整的生物传感器，其尺寸宽度为8mm，长度30mm。

本发明的生物传感器在进行样品测定时，可采用工作电极采集信号差值法来建立泪糖校准曲线，提高样品测定的准确度。

模拟泪液样本的制备过程：首先配制磷酸盐缓冲溶液，在超纯水中加入137mMNaCl、2.7mMKCl、10mMNa₂HPO₄和2mMKH₂PO₄，用1M氢氧化钠调节pH为7.4；然后配制两个浓度水平的5mM和100mM的葡萄糖储液(glucose stock solution)；最后用磷酸盐缓冲溶液按照标准加入法计算比例，配置模拟泪液样本，最终得到浓度为0μM、25μM、50μM、75μM、100μM、200μM、400μM，600μM，800μM，1000μM，3000μM，5000μM的一系列葡萄糖浓度的模拟泪液。据报道泪液中抗坏血酸和尿酸的平均水平分别为20±6.2μM和68±46μM。此外，对乙酰氨基酚也是常用药物，考虑到也可能会存在泪液中。因此在干扰物影响实验中，在模拟泪液中加入抗坏血酸，尿酸和对乙酰氨基酚。最终配置含有100μM抗坏血酸，100μM尿酸和10μM对乙酰氨基酚，浓度分别为0μM、25μM、50μM、75μM、100μM、200μM的一系列葡萄糖浓度的模拟泪液，观察干扰物的累积影响。

工作电极11对应的液态反应试剂配比见表1。从表1液态反应试剂组成中去除葡萄糖脱氢酶即为工作电极12和对电极13的反应试剂组成。

表1：液态的葡萄糖反应试剂组成

本领域普通技术人员应当理解，为了测定被分析物的量，需要获得相应的电化学信号；更具体地，计时电流法的葡萄糖电化学生物传感器通过获取未知葡萄糖浓度的泪液样本的相应的电流信号，然后通过校准曲线换算成泪液样本的葡萄糖浓度值。如何建立和使用这种校准曲线对本领域普通技术人员来说是熟知的。

本实施例中，将葡萄糖电化学生物传感器在23℃±2℃的室温条件下放置30分钟以上。每个样本测试3支葡萄糖电化学生物传感器，采用150mV的激励电压，读取5秒时的电流值，得到表2和表3的电流数据。

从表2泪液样本(无干扰物)的检测数据可以看出，工作电极12的电流实质上是空白背景电流，随着糖浓度的变化，波动很小，基本稳定。将表2中工作电极11电流数据均值与工作电极12电流数据均值的差值作为横坐标，样本糖浓度作为纵坐标，进行拟合，建立校准曲线，R²>0.99,如图2所示，可以满足泪糖样本的检测需求。

从表3看出泪液样本在含有干扰物100μM抗坏血酸，100μM尿酸和10μM对乙酰氨基酚时，工作电极12背景电流明显升高。可以看出，表3中样本1的工作电极11的电流均值115nA已经超过表2中样本4的工作电极11的电流水平，而表2中样本4对应的泪糖浓度是75μM，表3中样本1的葡萄糖浓度为零。在泪液中，葡萄糖浓度大致为0.05-5mM，此时干扰物对泪糖极低浓度样本的检测会造成较大误差。因此采用差值法，在干扰物存在的情况下，从表2和表3的电流差值数据可以看出，工作电极11电流和工作电极12电流的差值，从样本3开始，电流差值相当接近，表明本发明的电极结构和差值计算可以有效消除干扰物的影响，实现准确的检测。

表2泪液样本(无干扰物)的电流数据

表3泪液样本(含干扰物)的电流数据

生物传感器在汗液乳酸检测中的应用

本发明还提供了一种汗液乳酸生物传感器的制备方法，具体步骤如下：

通过丝网印刷工艺在聚对苯二甲酸二乙酯(PET)基材上印刷碳电极，然后丝网印刷绝缘油墨，绝缘层的厚度为0.1mm，暴露所需的工作电极和对电极部分。后续制备过程同上。

工作电极11对应的液态反应试剂配比见表4。从表4液态反应试剂组成中去除乳酸氧化酶即为工作电极12和对电极13的反应试剂。裁切后，将乳酸电化学生物传感器成品存放于带有分子筛干燥剂的密闭塑料筒之中。同一批次乳酸电化学生物传感器分别在5℃和55℃条件下保存14天。

表4：液态的乳酸反应试剂组成

本实施例中，通过金泉公司的YSI2500葡萄糖/乳酸分析仪对7组人工汗液乳酸样本赋值。人工汗液(环保型)购自深圳鑫成兆科技有限公司。每个样本测试3支乳酸电化学生物传感器。将在5℃和55℃条件下保存14天的筒装乳酸电化学生物传感器在23℃±2℃的室温条件下放置30分钟以上，将在5℃存放的乳酸电化学生物传感器作为对照组，将在55℃存放的乳酸电化学生物传感器作为实验组。采用300mV的激励电压，读取5秒时的电流值，得到表5和表6的电流数据，电流的相对偏差见表7。

本领域普通技术人员应当理解，为了测定被分析物的量，需要获得相应的电化学信号；更具体地，计时电流法的乳酸电化学生物传感器通过获取未知乳酸浓度的血液样本的相应的电流信号，然后通过校准曲线换算成汗液样本的乳酸浓度值。如何可以建立和使用这种校准曲线对本领域普通技术人员来说是熟知的。

表5中工作电极12的电流实质上是空白背景电流，随着乳酸浓度的变化，基本稳定，但是经过在55℃条件下加速老化14天，表6中工作电极12的空白背景电流明显升高。

可以看出，表6中样本1的工作电极11的电流均值3.5μA已经接近表5中样本3的工作电极11的电流水平，本领域普通技术人员熟知此时如果仅仅以工作电极11的电流均值做校准曲线，检测会造成较大误差。从表7数据可以看出，工作电极11在5℃(对照组)和55℃(实验组)保存条件下，工作电极11在低浓度区域样本检测的电流相差较大。通过工作电极11和工作电极12的差值扣除，从表7可见相对偏差在低浓度区域明显减小，表明本发明的电极结构和差值计算可以有效消除乳酸电化学生物传感器随着货架期到来背景电流漂移的影响，实现准确检测。

表5在5℃存放的乳酸电化学生物传感器的测试电流

表6在55℃存放的乳酸电化学生物传感器的测试电流

表7实验组(55℃)和对照组(5℃)测试电流的相对偏差

生物传感器在肌酐检测中的应用

肌酐是临床检验中最常用的肾功能监测指标之一。电化学法检测肌酐分为电流法和电位法。电位法只需要1种酶，不会受到内源性肌酸的干扰，因而具有一定优势，反应原理如下：

氨可以通过离子选择性电极进行测试。但是由于血液中含有11-32μM的内源性氨，而血液肌酐浓度为74-107μM，因此电位法检测必须要补偿内源性氨的干扰。本发明将对电极13设置为参比电极；工作电极11设置为肌酐电极，检测肌酐反应产物氨和内源性氨的总氨的电位；工作电极12设置为铵根离子电极，检测内源性氨的电位；实际检测时，同时采集两组回路的电位，利用差值法扣除铵根离子电极的电极电位，采用本发明的生物传感器可以最终获得较为准确的肌酐检测数据。

生物传感器在酮体检测中的应用

在血液中，β-羟丁酸的正常生理浓度低于0.6mmol/L(即7.56mg/dL)，超过该浓度即有酮症酸中毒的倾向，因此酮体检测在糖尿病管理中有重要意义。此外，β-羟丁酸在生酮饮食造成的营养性酮症监测中也有广泛应用。实现β-羟丁酸在0.6mmol/L(即7.56mg/dL)这样低浓度临界值的准确检测也面临着挑战，例如体液中常常含有一定浓度的还原性物质比如抗坏血酸，会对电流法检测造成明显干扰。本发明的电极设计和差值计算能够排除干扰电流的影响，实现准确检测。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种生物传感器，其特征在于，包括：传感器本体和三个电极，其中，所述传感器本体的一端作为采集端，另一端作为电接触端；所述三个电极设置于所述传感器本体上，其一端位于所述传感器本体的电接触端，另一端位于所述传感器本体的采集端，所述传感器本体上设有三个试剂窗口，所述三个电极分别与所述三个试剂窗口相接触，其中两个所述试剂窗口，其连接方向平行于所述采集端端面，二者与所述采集端端面的距离大于另一试剂窗口与所述采集端端面的距离。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述三个电极为两个工作电极和一个对电极。

3.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，所述两个工作电极采集的信号通过差值法建立校准曲线。

4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述三个试剂窗口呈三角形排布。

5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，两个所述试剂窗口大小完全相同。

6.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述两个所述试剂窗口的连接方向与所述采集端端面的距离小于20mm，两个所述试剂窗口之间的距离小于10mm。

7.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述试剂窗口为椭圆形、圆形、矩形中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，还包括在所述采集端，设置于所述三个试剂窗口之上的样本室。

9.根据权利要求8所述的生物传感器，其特征在于，所述样本室的长小于20mm，宽小于10mm，高小于为0.5mm。

10.根据权利要求8所述的生物传感器，其特征在于，所述样本室的形状为弧形、矩形、梯形中的任意一种。

11.根据权利要求8所述的生物传感器，其特征在于，所述样本室进样口宽度不大于采集端宽度的1/3。

12.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述传感器本体包括：电极层，绝缘层和中隔层，其中，所述电极层，绝缘层和中隔层由下到上依次设置。

13.根据权利要求12所述的生物传感器，其特征在于，所述电极层包括所述三个电极。

14.根据权利要求12所述的生物传感器，其特征在于，所述三个试剂窗口设置于所述绝缘层上。

15.根据权利要求12所述的生物传感器，其特征在于，所述中隔层设置于所述绝缘层上，形成设置于所述三个试剂窗口上的所述样本室。

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