CN1378603A - 生物传感器和其显示产品状态的应用 - Google Patents

Abstract

一种生物传感器,包括一单元和一电路,该单元包括一基板和酶,当酶与基板相接触时适合于影响基板,使基板的导电率作为时间和温度的函数而变化。该单元作为一个组件被包含在所述电路中,并且通过在电路上施加一电场和/或磁场可激励该电路,产生一取决于该电路的总电阻的可测量信号。本发明还涉及这种生物传感器的使用,一种具有该生物传感器的标签以及一种利用这种生物传感器显示产品状态的方法。

Description

生物传感器和其显示产品状态的应用

技术领域

本发明一般涉及一种生物传感器。更准确地说，本发明涉及一种用于显示产品状态的生物传感器。本发明还涉及一种使用所述生物传感器的方法和一种包括这种生物传感器的标签，以及一种利用生物传感器显示产品状态的方法。

所述产品状态可能与其使用期限有关，或者显示产品已经被蒸煮或加热到什么程度。

发明背景

在许多情形下，产品的状态在很大程度上是时间和温度的函数。

例如，状态可能与产品如食品或医药制品的使用期限有关。产品连续地改变其状态，使得剩余的使用期限不断减少。通常，如果保持冷藏，产品具有更长的使用期限。不过，不可能仅通过观察其中包装有产品的包装物来检查产品的使用期限。因而通常在这种产品包装物上提供有所谓的“保质期”(“best before date”)。通常，该“保质期”的先决条件是该产品保存在某个温度下，并且如果超过了该温度，那么该“保质期”自然就靠不住了。为了避免销售其使用期限已经届满的产品，需要指示在产品的使用期限届满之前一段时间就到期的“保质期”。这意味着通常不得不抛弃仍然可用的产品。

该状态还可以表示例如产品已经被蒸煮或加热到什么程度。一般随着时间和温度的增加产品变得越来越热。例如通过将产品和其包装物放在微波炉中可以对食品进行加热。在该情形中，不可能仅通过查看包装物而检查是否该食品已经被加热，而是在给定的效果下将该产品加热一规定时间。

因而，为了以一种更加精确的方法确定产品的状态，已经开发出不同类型的标签，可以将标签应用于产品包装物，监视产品已经陈列的时间和温度，从而显示出在包装物中所保存的产品的状态。

第一种类型的这类标签，所谓的RF标签，包括一具有微处理器的电路。该微处理器适合连续地检测并记录时间和温度。通过提前确定出作为时间和温度函数的产品的状态演变，可以使用该标签显示出产品目前的状态。不过，这种标签的缺点在于所述类型的微处理器相当昂贵，导致该标签相当高的制造成本。实际上，通常从经济观点来看将该标签应用于产品包装物是不现实的，这是因为就每个包装物中产品的价格而言，每个标签的成本太高了。

第二种类型的标签包括一基板，在一定时间和温度之后，该基板适合提供可光学读出的变化，如颜色变化。可以将该光学变化调节成与产品的使用期限期满相一致。当加热一食品时，例如当在微波炉中加热食品或饮料时，当产品被制备好时，这种施加给包装物的标签适合于提供可光学读出的变化。这些标签或指示器的优点在于可以相当廉价地进行制造。另一方面，其缺点在于必须人工地读出标签。如果例如将标签应用于牛奶纸盒上，必须检查每个牛奶纸盒和所施加的标签以确定每个纸盒的状态。当加热食品时，在食品被制备好时就得到一种变化。因而，必须连续地观察标签以便可能当食品准备好时中断加热。因此，这种类型的标签使用起来相当复杂。

可以将上述第二种类型的标签设计成所谓的生物传感器，其中酶导致基板产生所需的颜色改变。通过使用酶，可以调节该生物传感器，由生物传感器显示产品的状态。因此，将可能确保在所需的时间点处发生颜色变化，同时考虑产品和所施加的生物传感器暴露之处温度的变化。不过，对结果的光学读出是尚待解决的问题。

发明概述

本发明的一个目的在于提供一种改进的生物传感器，该生物传感器可以相对廉价地制造并且可以用于显示产品的状态。该生物传感器还应该允许简单并合理地表示所述状态。

本发明的另一个目的在于提供一种使用这种生物传感器的方法，一种包括这种生物传感器的标签以及一种用该生物传感器显示产品状态的方法。

为了实现第一个目的，根据权利要求1提供了一种生物传感器。在权利要求2-7中说明了最佳实施例。

为了实现其他目的，说明了一种根据权利要求8的使用所述生物传感器的方法，根据权利要求9的标签，和根据权利要求10的方法。在权利要求11中说明了该方法的最佳实施例。

更准确地说，根据本发明限定了一种用于显示产品状态的生物传感器，所述生物传感器的特征在于一单元和一电路，该单元包括一基板和酶，当酶与该基板相接触时适合于影响该基板，使基板的导电率作为时间和温度的函数而变化，所述单元作为一个组件被包含在所述电路中，并且通过在电路上施加一电场和/或磁场可激励所述电路，产生一取决于该电路的总电阻的可测量信号。

按照这种方法，提供一种可以以相对较低的成本制造并且非常适合用于显示产品状态的生物传感器。根据该函数，适合于采用酶来影响基板的导电率，而由此在时间和温度的影响下影响该产品的状态。激励电路时所产生的信号取决于该电路的总电阻。基板的电传导性即其作为基板电阻率倒数的导电率，影响该电路的总电阻。因此，激励电路时所产生的信号将取决于该电路的总电阻，而电路的总电阻反过来取决于基板的导电率。因而该信号除了表示基板当前的导电率以外，还间接地表示与生物传感器被暴露在相同的时间和温度条件下的产品的当前状态。当在时间和温度的影响下已知该产品的状态演变时，还可能通过假设未来温度条件而预测该产品的未来状态演变。最后，该生物传感器允许简单并合理的表示所述状态。可以自动执行电路的激励和所产生信号的读出，结果，不必人工地读出各个生物传感器，从而有可能例如以一种有效的方法确定大量产品的状态。

通过在电路上施加电场和/或磁场而激励电路。激励电路时所产生的信号最好是在电路中感应的可测量的电流。电路本身最好是所谓的振荡电路。因而便提供一种生物传感器，通过在电路上施加例如磁场而激励其振荡电路，以便产生一可测量的电流，该电流取决于该电路的总电阻，从而作为传感器的单元已经暴露的时间和温度的函数而改变。结果，可能通过读出实际的磁场而间接地读出电路所产生的信号，磁场依赖于在电路中感应的电流。电流本身取决于电路的总电阻，而电阻反过来依赖于基板的当前导电率。

根据本发明生物传感器的一最佳实施例，采用酶来影响基板，使得基板的导电率作为时间和温度的函数而增加。

包括在生物传感器的单元中的酶最好从下面的酶类中之一选择：转移酶，水解酶和裂合酶。目前最佳的酶是尿素酶，尿素酶属于水解酶类。

生物传感器的单元中所包含的基板包括尿素是比较有利的。根据本发明，还说明了前面所限定的生物传感器用于显示产品状态的应用，该产品状态表现为其受作为时间和温度的预定函数的影响的状态演变；该酶适合于按照相同的时间和温度函数影响该基板的导电率；该产品和该生物传感器关于所述函数是同步的；当将该生物传感器应用于产品时，通过使酶与基板相接触而激励该生物传感器的单元，由此通过在电路上施加电场和/或磁场，结果产生一取决于电路的总电阻从而表示基板的导电率的信号，可以显示出产品的当前状态。

根据本发明，还限定一种应用于产品包装物的标签，所述标签包括一如上所述的生物传感器。

最后，根据本发明限定一种用于显示诸如食品或药品的产品状态的方法，该产品处于一包装物中，该方法包括以下步骤(i)确定产品的作为时间和温度函数的状态，(ii)采用前面所述的生物传感器的酶，根据相同的时间和温度的函数影响基板的导电率，(iii)将该生物传感器设置在所述包装物上，(iv)当将该产品放置在该包装物中时通过使酶与基板相接触而激励该生物传感器的单元，(v)在检查产品状态时将电场和/或磁场施加在电路上，(vi)测量在这种情况下由生物传感器的电路所产生的并且取决于基板的当前导电率的信号，以及(vii)在所述信号的基础上确定该产品的当前状态。

根据一最佳实施例，该方法包括将所测得的信号与识别其上设置有生物传感器的包装物的数据一起存储在存储单元中的步骤。这就可能利用所存储的信息，允许后来通过检查运送链中某个点处产品暴露的时间和温度条件而保证质量。

为了举例说明，下面将参照附图描述本发明。

附图简述

图1示意性地表示根据本发明一最佳实施例的生物传感器。

图2为产品包装物的示意性透视图，其上设置有本发明的生物传感器。

图3为根据本发明的标签的示意性透视图。

实施例的描述

现在参见图1，图1示意性地表示根据本发明一最佳实施例的生物传感器。该生物传感器包括一单元1和一电路2，该单元1包括酶1a和一基板1b，该电路2受所述单元1的影响，并且在被激励时适合于产生一信号。由于单元1影响电路2这个事实，单元1也影响激励电路2时产生的信号。

对本发明的基本理解在于，可以用某种酶影响相关的基板，从而其导电率改变。导电率是基板的电传导性的测量值。所述电传导性的另一种测量值是基板的电阻率，电阻是导电率的倒数。

酶是活着的生物体中催化化学反应的蛋白质。更具体地说，酶由彼此连接成长链的氨基酸组成。这种链折叠并形成了复杂的三维结构，构成了酶特性的基础。酶具有非常具体的反应，能够在无数个不同但相似的物质的混合物中选择正确的物质。利用添加剂可以使酶趋于稳定，从而可以被暴露在高温下。

由酶催化的反应速度取决于时间和温度。

有若干种不同的酶，不过那些与本发明有关的酶是可导致基板的导电率改变的酶。催化反应的酶最好是由尽可能多的离子组成的酶。其原因在于可以将导电率的相对改变最大化。可以在下面的酶种类中找出具有这种特性的酶：转移酶，水解酶和裂合酶。

水解酶是一种目前最优先选用的酶，在这类酶中已经发现尿素酶是最佳的。

尿素酶如下地催化尿素的水解：

尿素+水→二氧化碳+氨水

(通过尿素酶催化的反应)

(自发反应)

大量的微生物和高等植物包含尿素酶。为了商业应用如火箭上的应急通讯装置可分离出尿素酶。酶对于尿素具有极高的专一性。该酶具有480,000g/mole的克分子重量，并且具有作为辅基的镍原子(包含在催化剂中)。

尿素是无色的结晶物质，其熔点为132.7℃，并且知道它还叫做脲(carbamide)。尿素存在于哺乳动物的尿中，在肝脏中产生，作为分解蛋白质时的最终产物。尿素还可以化学合成，与其他物质一起被用做肥料中氮的来源。

有利地是，图1中所示生物传感器的单元1包括处于尿素酶形式的酶1a以及包括尿素的基板1b。为了活化生物传感器单元1，使酶1a与基板1b接触，从而如上所述尿素酶催化尿素的水解，因此基板1b的导电率作为时间和温度的函数而增加。一旦酶1a已经与基板1b接触，后者的导电率作为时间和温度的函数将发生改变，意味着基板1b的电传导性将改变。

基板1b还可以包括一种缓冲溶液以补偿基板1b中pH值改变。用这种方法，可以避免可能使酶失去活性的极端的pH值。

如从图1中清楚地看出，单元1构成了电路2中的一个组件。另外，电路2是所谓的振荡电路2，通过在电路上施加电场和/或磁场M而激励该电路2。从现在开始，描述将针对通过在电路上施加磁场而激励电路。不过，这无意于限制本发明的范围，并且应理解为通过施加能量而激励电路，而且该电路用于产生其幅值和周期取决于电路的总电阻的信号。

所述的振荡电路2包括一线圈3，一电容器4和一电阻5，将它们以串联方式连接成一闭合电路。单元1与其他组件3、4和5串联连接。为了激励该电路2，将磁场M施加在线圈3上以便在电路2中感应出电流。

更具体地说，在振荡电路2上施加磁场M时所感应的电流取决于电路2的总电阻。当将磁场M施加在线圈3上时，在电路2中还产生一种频率。该频率的幅值取决于电流从而也取决于电路2的总电阻。由于酶1a适于作为时间和温度的函数改变基板1b的导电率(从而也改变其电阻率)，故所述电流将依赖于基板1b当前的导电率，并且因而按照相同的时间和温度的函数发生改变。结果，将可能通过将磁场M施加在线圈3上，并且通过检测由此感应的电流而确定该生物传感器已经暴露的时间和温度。还可以通过探测与此同时产生的频率的幅值而得到该生物传感器已经暴露的时间和温度。

探测电路2所产生的信号如电流或频率的幅值的一种最简单的方法，是间接地测量施加在电路2上的磁场M。正如已经提到的那样，最好采用所述的酶1a使得基板1b的导电率作为时间和温度的函数而增加，这意味着基板1b的电阻率减小。结果，在图1所示的电路2中，基板1b的导电率越高，磁场M受电路2的影响就越大。

本发明的生物传感器非常适用于显示产品如食品或药品的状态。该生物传感器的酶1a适合于按照时间和温度的函数改变基板1b的导电率，而产品随时间和温度而改变其状态。可以用多种不同的方法来实现这种调节。如图1所示，单元1通过两个电极2a，2b连接到电路2上。为了使电路2闭合，基板1b必须因此而表现出电流能够在电极2a，2b之间流动的电传导性，电流强度越强，导电率越大。为了调节该生物传感器，可以调节电极2a，2b之间的距离。而且，可能改变基板1b的截面面积。不用说也可以改变酶1a的浓度以及基板1b。最后，还可以使用各种缓冲剂浓度。

因而基板1b的导电率可以用做产品状态的指示符。

在使用时，将本发明的生物传感器应用于包装物6，其中产品设置在该包装物6中，并且在图2中表示出该包装物6。如图3示意性地所示，该生物传感器适合设置在标签7上。例如标签7包括一载体8，在载体8的下侧设置有一粘合层9。该生物传感器形成一设置在载体8上侧的层10。这样，可以以简单的方法将生物传感器应用于包装物6上。

当读出该生物传感器时，如已经叙述的那样，在电路2上施加一磁场M，并且该磁场M将会或多或少地作为基板1b的导电率当前值的函数而受到影响。生物传感器基板1b的导电率，将根据该产品的状态演变所根据的函数而演变。

下面，将描述向前面所述生物传感器施加某种交变场。

生物传感器可以用于监视产品已经被陈列的时间和温度，从而间接地显示出产品的使用期限。通过保证该产品使用期限的届满与该基板1b的某个阈值电阻同时发生，在该阈值电阻下生物传感器上施加的磁场M会被影响到一预定程度，很容易显示出产品的使用期限。

如已经描述的那样，适当地调节生物传感器的单元1，使酶1a影响基板1b，以便作为时间和温度的函数而增加其导电率。从而可以将单元1看作其电阻作为时间和温度函数而减小的电阻器。当刚激活该生物传感器的单元1时，基板1b的电阻率处于其最大值，当在电路2上施加一磁场时感应电流将处于其最小值。因而基板1b的电阻率将作为时间和温度的函数而减小，从而当在电路2上重复施加磁场时，感应电流将增加。

因此电路2所产生的信号将作为时间和温度的函数而改变。有利地是，通过测量磁场M自身受到电路2影响的程度，可以间接地读出该信号。如果基板1b的电阻随时间和温度而减小，电路2对磁场M的影响将增加。从而磁场M的相对变化取决于相对电流改变，而相对电流改变反过来取决于基板1b的电阻变化，而电阻改变取决于该生物传感器已经暴露的时间和温度。

该生物传感器例如可以与食品如牛奶一起使用。当将生物传感器应用于产品包装物，并在该生物传感器上施加磁场M时，生物传感器发出一显示产品目前状态的信号，例如是否已经超过了该产品的使用期限。

也可以涉及诸如胰岛素针剂的药品。胰岛素的使用期限极大地取决于其所保存的温度。即使在室温下胰岛素也迅速地老化。从而，胰岛素用户必须小心保存其胰岛素，并确保仅注射有效的针剂，即包含有没有超过使用期限的胰岛素的针剂。当管理这种胰岛素针剂时为了提高安全度，可以将本发明的生物传感器应用于每个针剂。被用来将针剂中的胰岛素注射到用户的装置具有一用于读出该生物传感器并且用于表示该各个针剂是否被证实可以使用的装置。

当蒸煮食品或饮料产品尤其是在微波炉中进行蒸煮时也可以使用本发明的生物传感器。在这种情形中生物传感器设置在诸如纸板盒或纸板杯的包装物上，在包装物中保存有产品。例如设计生物传感器的单元1，使得当该生物传感器从而该产品已经在一定温度下暴露一定时间时，电路2会将施加在该生物传感器上的磁场M影响到一预定的程度。在使用微波炉的情形中，可以安装同一个装置来施加磁场M和检测所述磁场M。当该磁场M受到电路2充分影响时，可以将该微波炉设计成被关闭，并且发出一声音信号，显示产品已经准备好了。

当然，该产品和生物传感器的单元1必须关于该函数同步，产品状态和基板1b的导电率根据该函数发生变化。

为了形成所述的同步化，确定当产品被放入包装物6中时的基础信号，如生物传感器电路2中的基础电流就足够了。可以通过测量基板1b的导电率的当前状态，或者通过激活生物传感器的电路2来测量所产生的信号可以确定该基础信号。该基础信号相当于产品即新鲜产品的初始状态。

当以后要显示该产品的状态时，激励该生物传感器的电路2并测量所产生的信号。将该信号与所述的基础信号进行比较，从而可以看出变化。在该信号改变的基础上，可以例如确定基板1b的导电率改变，借助于有关酶1a对基板1b的导电率作为时间和温度的函数的影响的信息，可能确定该生物传感器，因此也就是该产品已经暴露的时间和温度，反过来有可能显示出产品的状态。

结果，在任何需要的时候，通过激励生物传感器的电路2并且测量所产生的信号，可以显示出产品的状态。所述信号将作为基板的导电率的函数而改变，从而也作为产品的状态的函数而间接地变化。

当前，可以以较低的成本制造所述类型的酶1a和基板1b。还可能以非常低的成本制造诸如图1中所示振荡电路2的电路。因此，可以以极低的成本制造本发明的生物传感器，从而从经济观点看，这种应用于产品包装物，如牛奶盒或胰岛素针剂的生物传感器的大规模生产是可行的。

将理解到根据本发明的生物传感器可以被用于合理的并且高效地显示大量产品的状态。例如可以设计一装置来激励生物传感器的电路2，测量并记录所产生的信号。通过处理该信号，可以显示出每个产品的状态。而且，有可能通过假设产品的未来温度条件而预测产品剩余的使用期限。

本发明的生物传感器还允许在运送，例如运输敏感性产品时保证质量。在完成运输之后，产品例如通过控制站被搬送到仓库中。在该控制站，激活每个产品中的生物传感器，将测得的信号与表示相关产品的数据一起保存在存储单元中。还可能将生物传感器用于一组，例如一包产品，来自生物传感器的信号与识别所考虑的包裹的数据一起被保存。不用说还可能在产品运送链中不同位置处设置几个这类控制站。通过保存所述信息，以后可能追溯并检查在所述运送链中多个点处某种产品或某种产品组所处的时间和温度条件。换句话说，将可能检查在运送敏感性产品时已经达到了所需的质量。

将理解到本发明不限于所示实施例。有可能在本发明范围内进行多种变型和改变。因而本发明的范围仅由所附权利要求限定。

Claims (11)

1.一种用于显示产品状态的生物传感器，特征在于：

一单元(1)，其包括一基板(1b)和酶(1a)，当酶与基板(1b)相接触时适合于影响基板(1b)，使得基板的导电率作为时间和温度的函数而改变，以及

一电路(2)，

所述单元(1)作为一个组件被包含在所述电路(2)中，并且

通过在电路上施加电场和/或磁场(M)可激励所述电路(2)，产生一取决于该电路(2)的总电阻的可测量信号。

2.如权利要求1所述的生物传感器，其中该酶(1a)适合于影响该基板(1b)，使得基板的导电率作为时间和温度的函数而增加。

3.如权利要求1或2所述的生物传感器，其中从下面的酶类之一中选择该酶(1a)：转移酶，水解酶和裂合酶。

4.如权利要求1或2所述的生物传感器，其中该酶(1a)为尿素酶。

5.如权利要求4所述的生物传感器，其中该基板(1b)包括尿素。

6.如前面任一权利要求所述的生物传感器，其中所述信号是在电路(2)中产生的可测量的电流。

7.如前面任一权利要求所述的生物传感器，其中所述电路(2)为振荡电路(2)。

8.权利要求1-7中任一权利要求所述的生物传感器用于显示产品状态的应用，该产品状态表现为其使用期限演变受到作为时间和温度的预定函数的影响，

该酶适合于根据相同的时间和温度函数影响该基板(1b)的导电率，

该产品和该生物传感器关于所述函数是同步的，

当将该生物传感器应用于产品时，通过使酶(1a)与基板(1b)相接触而激励该生物传感器的单元(1)，

由此通过在电路(2)上施加电场和/或磁场(M)，结果产生取决于电路(2)的总电阻从而表示基板(1b)的导电率的信号，可以显示出产品的当前状态。

9.一种应用于产品包装物(6)的标签(7)，包括如权利要求1-7中任一权利要求所述的生物传感器。

10.一种用于显示诸如食品的产品状态的方法，该产品处于一包装物(6)中，其特征在于以下步骤：

(i)确定产品的作为时间和温度函数的状态，

(ii)采用如权利要求1-7中任一权利要求所述的生物传感器的酶(1a)根据相同的时间和温度的函数影响基板(1b)的导电率，

(iii)将该生物传感器设置在所述包装物(6)上，

(iv)当将该产品放置在该包装物(6)中时通过使酶(1a)与基板(1b)相接触而激励该生物传感器的单元(1)，

(v)在检查产品状态时将电场和/或磁场(M)施加在电路(2)上，

(vi)测量在这种情况下由生物传感器的电路(2)所产生的并且取决于基板(1b)的当前导电率的信号，以及

(vii)在所述信号的基础上显示出产品的当前状态。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括将所测得的信号与识别其上设置有生物传感器的包装物(6)的数据一起存储在存储单元中的步骤。

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