CN1193229C - 生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物传感器，备有绝缘性基片，设在该基片上的电极系统，含有氧化还原酶和电子介体的反应层，包含前述电极系统和前述反应层、在其终端侧有气孔的试样液供给路，试样供给部，以及设在该试样液供给路与该试样供给部之间的、滤掉血球的过滤器，其中靠过滤器滤掉血球的血浆通过毛细现象吸引到该试样液供给路内，而且过滤器的二次侧部分的中央部比左右两端部向试样液供给路内突出，借此可以使滤掉了血球的血浆迅速到达电极系统并且能够高精度且响应性好地测定全血的胆固醇传感器。

Description

生物传感器

技术领域

本发明涉及能迅速、高灵敏度且简便地定量试样中的特定成分的生物传感器，特别是胆固醇传感器。

背景技术

就葡萄糖传感器来说明现有技术的生物传感器的例子。

在典型的葡萄糖传感器中，在绝缘性基片上通过丝网印刷等方法形成至少包括测定电极和对电极在内的电极系统，在此一电极系统上，形成含有亲水性高分子、氧化还原酶和电子介体的酶反应层。在氧化还原酶中用葡萄糖氧化酶，在电子介体中用铁氰化钾、环铁衍生物、醌衍生物等金属配位化合物或有机化合物等。在酶反应层中，根据需要加入缓冲剂。

如果在此一葡萄糖传感器的酶反应层上滴下含有酶解物的试样液，则酶反应层溶解，酶与酶解物进行反应。随着此一反应，电子介体被还原。酶反应结束后，根据对此一还原了的电子介体进行电化学氧化时产生的氧化电流值可以求出试样液中的酶解物的浓度。

也就是说，在这类葡萄糖传感器中，靠电极来氧化酶反应的结果产生的电子介体的还原体，根据其氧化电流值来求出葡萄糖浓度。

这种生物传感器通过用以测定对象物质为酶解物的酶，原理上说可测定各种各样的物质。例如，如果在氧化还原酶中用胆固醇氧化酶或胆固醇脱氢酶和胆固醇酯酶，则可以测定在各种医疗机构中用作诊断指标的血清中的胆固醇值。

此外，因为胆固醇酯酶的酶反应的进行非常缓慢，故通过添加适当的界面活性剂，使胆固醇酯酶的活性提高，可以缩短总反应所需的时间。

可是，因为反应系统中所含有的界面活性剂对血球有不良影响，故像葡萄糖传感器那样测定全血本身是不可能的。因此，提出了在试样液供给路的开口部附近设置过滤部，仅把滤掉血球的血浆迅速地供给到传感器。

但是，在酶反应层上一般包含容易溶解的部分和难以溶解的部分。沿着试样液供给路的边缘的部分容易溶解，试样液供给路的中央部分难以溶解。

此外，因为通过过滤器的试样液优先流过试样液供给路的边缘，故尽管中央部分尚未完全溶解，试样液却堵住试样液供给路的终端侧的气孔，在中央部分中残留气泡。在这种场合，测定所需数量的试样液未能引入试样液供给路内，存在着酶反应未能充分进行这样的问题。

进而，因气泡覆盖在电极上，电极的实际反应面积缩小，存在着产生测定误差这样的问题。

为了消除上述这种问题，本发明的目的在于提供一种改良成滤掉了血球的血浆迅速到达电极系统的生物传感器。此外，本发明的目的在于提供一种高精度且响应性好，能够测定全血的胆固醇传感器。

发明内容

本发明提供一种生物传感器，包括：绝缘性基片；设在所述基片上的有测定电极和对电极的电极系统；至少含有氧化还原酶和电子介体的反应层；包含所述电极系统和所述反应层、在与终端部连接的位置上设有气孔的试样液供给路；试样供给部；以及设在所述试样液供给路与试样供给部之间的、滤掉血球的过滤器，由所述过滤器滤掉了血球的血浆被吸引到所述试样液供给路内，所述过滤器的一次侧部分向所述试样供给部露出，所述过滤器的二次侧部分与所述试样供给路连接，向试样供给部供给的血液由所述过滤器将血球滤掉之后，向所述试样供给路内供给；其特征在于，所述过滤器的二次侧部分的中央部比左右两端部向所述试样液供给路内突出。

前述过滤器的二次侧部分最好是在向与前述基片的表面同一平面的投影图中为弧形或半圆形。

前述试样液供给路的宽度最好是2.0mm以下，此外，前述试样液供给路的有电极系统的部分的高度最好是0.2mm以下。

此外，前述生物传感器有从上下夹持前述过滤器的一次侧部分的压紧部，这些压紧部间的距离最好是1.5mm以下。

此外，前述生物传感器有从上下夹持前述过滤器的二次侧部分的压紧部，这些压紧部间的距离最好是1.5mm以下。

前述过滤器的一次侧部分的宽度最好是5.0mm以下。

此外，前述生物传感器最好是具有与前述试样液供给路的开口部相接、嵌入前述过滤器的二次侧部分的上部或下部的凹部。

此外，在前述生物传感器中，最好是在垂直于液体流通方向上的前述试样液供给路的断面积小于前述过滤器一次侧部分的断面积。

此外，在前述生物传感器中，最好是在垂直于液体流通方向上的前述过滤器二次侧部分的断面积小于一次侧部分的断面积。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的生物传感器的分解透视图。

图2是图1中所示的生物传感器的纵剖视图。

图3是图1和图2中所示的生物传感器的去掉反应层和上盖构件的俯视图。

图4是图1～图3中所示的生物传感器的局部放大剖视图。

图5是说明血浆流入试样液供给路内的过程的图。

图6是表示本发明的实施例的胆固醇传感器的响应特性的图。

图7是说明现有技术例中血浆流入试样液供给路内的过程的图。

具体实施方式

本发明涉及备有绝缘性基片，有设在前述基片上的测定电极和对电极的电极系统，至少含有氧化还原酶和电子介体的反应层，包含前述电极系统和前述反应层、在终端部侧有气孔的试样液供给路，试样供给部，以及设在前述试样液供给路与试样供给部之间的、滤掉血球的过滤器，靠前述过滤器滤掉了血球的血浆通过毛细现象吸引到前述试样液供给路内的生物传感器，其特征在于，前述过滤器的二次侧部分的中央部比左右两端部向前述试样液供给路内突出。

这里，本发明中所用的过滤器由有三维地连接的空隙部的多孔体组成。此一多孔体通过毛细现象使血液从前述试样供给部向试样液供给路一侧移动，有通过血浆和血球的流通阻力之差来过滤血球的作用。作为这种过滤器，可以用由玻璃纤维、纤维素或纸浆等的纤维组成的无纺布、滤纸或其他多孔质体。此外，前述过滤器最好是具有亲水性。

根据本发明的生物传感器具有上述这种构成，借此可以靠过滤器去除作为妨碍物质的血球，使血浆迅速流入传感器的电极系统。

也就是说，过滤器的二次侧部分的中央部比前述二次侧部分的左右两端部向试样液供给路内突出，借此血浆优先流入试样液供给路的中央部分。而且，由于此一血浆完全溶解位于试样液供给路中央部分的反应层或亲水性高分子层等试剂层，所以在试样液供给路的中央部分不残留气泡，可以使过滤了的血浆迅速流入试样液供给路。

前述反应层通常通过散开试剂的水溶液并干燥之而形成。这种反应层的中央部分变得比其端部要厚也有影响，试样液(血浆)流入试样液供给路内的反应层薄的部分(端部)，在反应层的中央部分溶解之前血浆就堵住气孔。

与此相反，如果用本发明，则过滤器的二次侧部分的中央部分向试样液供给路内突出，借此可以使试样液优先流入试样液供给路的中央部分。

再者，所谓过滤器的一次侧部分是指包括在把试样液向前述生物传感器滴下的场合最初与前述试样液接触并吸收之的部位在内的部分，所谓过滤器的二次侧部分是指包括试样液(血浆)去往试样液供给路内的部位在内的部分。

作为本发明中所用的电子介体，可以从与铁氰化钾、和胆固醇氧化酶等氧化还原酶的具有电子传递能力的氧化还原化合物等中选择。

氧化还原酶是以测定对象物为酶解物的酶。在以葡萄糖为测定对象的传感器中，用葡萄糖氧化酶。为要测定诊断指标中所用的血清中的胆固醇值，用催化胆固醇的氧化反应的酶胆固醇氧化酶或胆固醇脱氢酶和催化使胆固醇酯变化成胆固醇的过程的酶胆固醇酯酶。由于胆固醇酯酶的酶反应的进行非常缓慢，所以通过添加适当的界面活性剂使胆固醇酯酶的活性提高，可以缩短总反应所需的时间。

电子介体和氧化还原酶配置于传感器内的电极系统上或其附近的位置上。此外，与设置电极系统的基片相组合，在与基片之间有形成把试样液供给到电极系统的试样液供给路的盖构件的传感器中，可以把前述电子介体和氧化还原酶设在向前述试样液供给路露出的部分或前述试样液供给路的开口。

无论是哪个位置，最好是反应层容易被所引入的试样液溶解，能够到达电极系统。此外，为了保护电极，抑制所形成的反应层的剥离，最好是接着电极系统上形成亲水性高分子层。也可以不仅电极系统上，而且作为反应层的底子形成亲水性高分子层，或者在最下层的反应层上含有亲水性高分子层。

含有电子介体的反应层为了提高其溶解性最好是与界面活性剂分离。此外，含有电子介体的反应层为了保存稳定性，最好是与催化胆固醇的氧化反应的酶胆固醇氧化酶分离。

在测定血糖值的生物传感器中，为了容易把试样液引入反应层，提出了形成含有脂质的层，以便覆盖在电极系统上所形成的层等(例如，特开平2-062952号公报)。在本发明的测定胆固醇的生物传感器中，最好是通过冻结干燥法来形成反应层的一部分，在盖构件本身上固化界面活性剂。如果采用这种构成，则也可以不设置脂质层。

作为亲水性高分子，可以用例如乙基纤维素、羟基丙烯纤维素或羟甲基纤维素等水溶性纤维素衍生物，聚乙烯吡咯烷，聚乙烯醇，明胶，聚丙烯酸和聚丙烯酸盐，淀粉或其衍生物，无水马来酸的聚合物和无水马来酸盐，聚丙烯酰胺，甲基丙烯酸酯树脂，或者聚-2-甲基丙烯酸羟乙酯等。

作为界面活性剂，可以从n-辛基β-D-硫葡萄糖苷，聚单十二烷基乙二醇醚，胆酸钠，十二烷基-β-麦芽糖苷，蔗糖单月桂酸酯，脱氧胆酸钠，牛磺脱氧胆酸钠，N，N-双(3-D-葡萄糖丙烯酸酰胺)脱氧胆酸酰胺和聚氧化乙烯(10)辛基苯基醚中选择。

在使用脂质的场合，可以适当地用例如卵磷酯、磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺等双亲酶性磷脂质。

作为氧化电流的测定方法，有仅测定电极和对电极的二电极方式，和增加参照电极的三电极方式，三电极方式能够更正确地测定。

接下来参照附图通过具体的实施方式详细说明本发明。

图1是根据优选实施方式的生物传感器的分解透视图。

绝缘性基片1由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯等绝缘性树脂制成。在此一基片1中，在图1中的左侧的上表面上通过丝网印刷来印刷银糊剂而形成引线2和3以及电极系统的底子。在基片1上进而通过印刷含有树脂粘合剂的导电性碳糊剂，形成包括测定电极4和对电极5在内的电极系统。

此外，在特定的区域上通过印刷绝缘性糊剂来形成绝缘层6。绝缘层6把测定电极4和对电极5的露出部分的面积取为恒定，并且部分地覆盖引线2和3。

基片1进而在右侧部分有开口7。此一开口7的电极系统一侧的半圆形部9在向与基片的表面同一平面的投影图中具有大体上半圆形，以便定位后述的过滤器10的二次侧部分的前端。邻接于此一半圆形部9设有方形的凹部8。

组合于前述基片1上的隔离件11在左侧有形成后述的试样液供给路用的狭缝12，在右侧有与基片1的开口7同一形状的开口15。开口15在左侧有半圆形部19，邻接于它有方形的凹部14。

上辅助盖21有连通于隔离件11的狭缝12的终端部侧的气孔22，连通于隔离件11的开口15的右半部分和基片1的开口7的右半部分的开口25，连通于开口15和7的有凹部14和8的部分的开口24，以及隔离两个开口24和25的隔离部26。上盖31有分别连通于上辅助盖21的气孔22和开口25的气孔32和开口35。

辅助下盖41对应于上辅助盖21的开口24有开口44。下盖51由平板构成。

以上的上盖31、上辅助盖21、隔离件11、下辅助盖41和下盖51可以与基片1同样地由聚对苯二甲酸乙二醇酯来制成。

过滤器10由玻璃纤维滤纸制成，在向与基片同一平面的投影图中，如图3中所示，由上边2mm，下边4mm，高度5mm的梯形部10a和连接于其上边的半径1mm的半圆部10b组成。

为要组装此一传感器，如后所述在规定的构件上形成反应层后，在下盖51上放置下辅助盖41，接着把基片1放在下辅助盖41上，使其绝缘层6的左端与下辅助盖41的左端一致。然后，把过滤器10置于下辅助盖41上，使其二次侧部分，也就是左端嵌入基片1的半圆形部9和隔离件11的半圆形部19。接着，在这些之上组合隔离件11、上辅助盖21和上盖31。这样一来，通过把上述基片1、隔离件11、辅助盖21和41以及盖31和51具有如图1的点划线所示的位置关系地粘贴，如图2所示的传感器就组装起来。

在过滤器10中，靠上辅助盖21的隔离部26和下盖41从上下压住梯形部10a的下边一侧，也就是一次侧部分。此外，靠上辅助盖21和下辅助盖41从上下压住二次侧部分的端部。上盖31的开口35、上辅助盖21的开口25、隔离件11的开口15的右侧部分、以及基片1的开口7的右侧部分连通，形成以下辅助盖41为底的凹部。此一凹部成为试样液供给部。

上辅助盖21的开口24、下辅助盖41的开口44、以及与它们相对应的开口15和开口7的凹部14和8的部分形成包围过滤器10一圈的空隙部。因此一空隙部的存在，可以阻止血球未通过过滤器而经保持过滤器的上辅助盖21或下辅助盖41等的表面传递地流入电极系统。

在基片1与上辅助盖21之间，由隔离件11的狭缝12所形成的空隙部形成试样液供给路。此一试样液供给路的终端部靠气孔22和32与外部连通。过滤器10的二次侧前端进入试样液供给路的始端部。试样液供给路断面为长方形，其短边成为高度方向。而且，从图2可以看出，试样液供给路的始端部在基片1的半圆形部9的部分处成为深度按基片厚度。进入此一部分的过滤器10的二次侧部分的前端向与基片1的表面同一平面的投影图为半圆形，从图3可以看出，中央部向试样液供给路内突出。

作为在向与基片1的表面同一平面的投影图中二次侧部分的前端为半圆形的过滤器，也可以使用在向与基片1同一平面的投影图中具有例如三角形或本垒形的过滤器。

虽然在图2中省去了反应层，但是图4示出反应层。在基片1的电极系统上形成亲水性高分子层17和反应层18a。此外，在相当于试样液供给路的顶壁的上辅助盖21的下面侧上形成反应层18b。此一反应层18b可通过把隔离件11粘贴于上辅助盖21，将其倒置，在由狭缝12所形成的凹部中滴下反应层形成用液，并进行干燥来形成。

虽然图1中所示的生物传感器，为了容易理解其结构而由6种构件来制作，但是上盖31和上辅助盖21，此外进而隔离件11也可以由一个构件来构成。此外，下辅助盖41和下盖51，或者进而基片1也可以由一个构件来构成。

为要用此一传感器来测定血液中的胆固醇，把试样的血液从上盖31的开口35供给到成为试样供给部的凹部。供给到这里的血液从过滤器10的一次侧部分的端部向其内浸透。由于在过滤器10内，血球的浸透速度比作为液体成分的血浆要慢，所以血浆从过滤器的二次侧部分的端部渗出。然后，此一渗出的血浆一边溶解覆盖电极系统的位置或者其正上方的盖背面上所携带的反应试剂，一边充满从电极系统附近直到气孔22部分的整个试样液供给路。

如果整个试样液供给路被液体充满，则过滤器10内的液体的流动也停止，在该时刻，血球未到达过滤器10的二次侧部分的端部，滞留在该位置上。从而，过滤器10设计成在血浆和血球的流通阻力上有差别，差别到血浆充满整个试样液供给路而血球尚未到达过滤器的二次侧部分的程度。本发明的过滤器最好是孔径1～7μm的纵深过滤器。

经过这种血球过滤的过程，发生被血浆所溶解的反应层与血浆中的测定成分(如果是胆固醇传感器则是胆固醇)的化学反应，经过一定时间后，通过电极反应来测定电流值，可以定量血浆中的成分。

图4示出试样液供给路的电极系统附近的反应层的配置例。在基片1的电极系统上，形成亲水性高分子的羟甲基纤维素的钠盐的层17，和反应试剂的例如含有电子介体的层18a。此外，在组合上盖31、上辅助盖21、以及隔离件11的盖构件的背面，在暴露于试样液供给路的面上，形成含有氧化还原酶的反应层18b。

如图1～图4中所示，构成试样液供给路的狭缝12的垂直于液体流通方向的断面积总要小于过滤器10的断面积。而且，过滤器10构成为在其整个中具有几乎均一的密度。这样一来，通过使试样液供给路的断面积小于过滤器10一次侧部分的断面积，靠过滤器滤掉了血球的血浆可以通过毛细现象被迅速地吸引到试样液供给路内。

如上所述，在反应层上，一般有容易溶解的部分和难以溶解的部分。试样液供给路的边缘，也就是沿着隔离件11的狭缝12的壁面的部分容易溶解，中央部难以溶解。因为通过过滤器的试样液优先流过狭缝边沿，故有时尽管中央部分尚未完全溶解，试样液就堵住气孔。通过使过滤器的二次侧的中央部比左右两端部向试样液供给路内突出，优先流过试样液供给路内的中央部，借此在试样液供给路的中央部分不残留气泡，使血浆迅速流入传感器内成为可能。

图5是说明过滤了的血浆流入试样液供给路内的过程的图，用俯视图表示试样液供给路12、气孔22(32)和过滤器10。(a)表示初始状态，(b)表示靠过滤器10所过滤的血浆20开始进入试样液供给路12内的状态。从(b)可以看出，过滤器的二次侧部分的中央部比左右两端部向试样液供给路内突出，借此血浆20优先流过试样液供给路的中央部。这样一来，由于血浆到达气孔22，所以不会成为内包气泡的状态。

另一方面，图7表示用前端为平面的现有技术的过滤器10’的场合的血浆的流动。由于沿着试样液供给路12’的边缘部分的试剂层容易溶解，所以血浆优先流过两端的部分，从而，容易形成在中央内包气泡30的状态。

此外，在图示这种结构的生物传感器中，最好是过滤器的一次侧部分的宽度为5mm以下，厚度为1mm以下。最好是试样液供给路的开口部的宽度为2mm以下，高度为200μm以下。此外，在过滤器厚度为例如450μm，试样液供给路的高度为100μm的场合，基片的厚度最好是350μm左右。

下面，说明本发明的实施例。

第1实施例

在本实施例中，在具有图1～4的构成的胆固醇传感器中，制作了在反应层18a中含有电子介体，在反应层18b中含有胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶和界面活性剂的胆固醇传感器。

首先，在基片1的电极系统上，滴下5μl羟甲基纤维素的钠盐(以下简称为CMC)的0.8重量％的水溶液，在50℃的温风干燥机中干燥10分钟，借此形成作为亲水性高分子的CMC层17。

接着，在CMC层17上滴下铁氰化钾水溶液4μl(相当于铁氰化钾70mM)，在50℃的温风干燥机中干燥10分钟，借此形成含有铁氰化钾的层18a。

在溶解得自诺卡氏(ノカルジア)的胆固醇氧化酶(EC1.1.3.6)和得自假单胞细菌(シユドモナス)的胆固醇酯酶(EC.3.1.1.13)的水溶液中添加作为界面活性剂的聚氧化乙烯(10)辛基苯基醚(TritonX-100)。在组合上盖31、上辅助盖21、和隔离件11的盖构件的狭缝12的部分上所形成的凹部中滴下所得到的混合液1.3μl，用-196℃的液体氮冻结后，收容在烧瓶中用冻结干燥机干燥一晚，形成含有1单位(U)/传感器的胆固醇氧化酶、2.5U/传感器的胆固醇酯酶和2重量％的界面活性剂的反应层18b。

这里用的隔离件11的厚度为100mm，从而试样液供给路中的有电极系统的部分的高度为100mm。此一试样液供给路的开口部相当于基片1的开口7的半圆形部9的部分，深度成为按基片1的厚度350mm。试样液供给路的宽度为2mm。

作为过滤器10，用厚度大约450μm的玻璃纤维滤纸来制作。把此一滤纸冲裁成由上边2mm、下边4mm、高度5mm的梯形部10a，和连接于梯形部的上边的半径1mm的半圆部10b组成的形状。把所得到的过滤器10如图3中所示设置成使其前端部分嵌入基片的凹部7中。

然后，粘接前述由三个构件组成的盖构件，和把基片1、下辅助盖41和下盖51一体化的构件，借此来制作胆固醇传感器。

在此一传感器上，作为试样液把全血20μ1从开口35引入试样供给部，3分钟后以对电极为基准在测定电极上向阳极方向施加+0.5V的脉冲电压，5秒钟后测定流过作用极与对电极之间的电流值。其结果示于图6和表1。

                             表1

总胆固醇浓度(mg/dl)	0	85	155	295
					平均响应值(μA)	0.7	1.4	2.5	4.4
变动系数(％)	3.0	5.3	5.9	4.5

从图6可以看出，如果用本发明的传感器，则在胆固醇浓度与响应值之间可以得到良好的直线性。

工业上的应用性

如果用根据本发明的生物传感器，则靠过滤器去除作为妨碍物质的血球，不会产生气泡，即使产生气泡也容易消除是可能的，可以把血球去除后的血浆迅速向电极系统供给。从而，如果用本发明，则可以提供一种响应特性优良的电化学生物传感器。

Claims (7)

1.一种生物传感器，包括：绝缘性基片；设在所述基片上的有测定电极和对电极的电极系统；至少含有氧化还原酶和电子介体的反应层；包含所述电极系统和所述反应层、在与终端部连接的位置上设有气孔的试样液供给路；试样供给部；以及设在所述试样液供给路与试样供给部之间的、滤掉血球的过滤器，由所述过滤器滤掉了血球的血浆被吸引到所述试样液供给路内，所述过滤器的一次侧部分向所述试样供给部露出，所述过滤器的二次侧部分与所述试样供给路连接，向试样供给部供给的血液由所述过滤器将血球滤掉之后，向所述试样供给路内供给；

其特征在于，

所述过滤器的二次侧部分的中央部比左右两端部向所述试样液供给路内突出。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述过滤器的二次侧部分在向与所述基片的表面同一平面的投影图中为弧形或半圆形。

3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，具有与所述试样液供给路的开口部相接、嵌入所述过滤器的二次侧部分的上部或下部的凹部。

4.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，具有与所述试样液供给路的开口部相接、嵌入所述过滤器的二次侧部分的上部或下部的凹部。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的生物传感器，其特征在于，在垂直于液体流通方向上的所述试样液供给路的断面积小于所述过滤器一次侧部分的断面积。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的生物传感器，其特征在于，在垂直于液体流通方向上的所述过滤器二次侧部分的断面积小于一次侧部分的断面积。

7.根据权利要求5所述的生物传感器，其特征在于，在垂直于液体流通方向上的所述过滤器二次侧部分的断面积小于一次侧部分的断面积。

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