CN211179623U - 植入式生物传感器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种植入式生物传感器，其包括基底、设于基底的第一工作电极和第二工作电极，第一工作电极具有第一传感层和第一导电层，第一传感层具有葡萄糖氧化酶，第二工作电极具有第二导电层和第二传感层，第二传感层具有第一传感层的除葡萄糖氧化酶以外的全部物质；单位时间穿过单位面积的所述第二传感层的所述干扰物质的量与单位时间穿过单位面积的所述第一传感层的所述干扰物质的量相同；第二工作电极用于参加反应并产生电流的面积S2小于第一工作电极用于参加反应并产生电流的面积S1。干扰物质反应时产生的副产物对周围组织产生的影响小，生物传感器的精准度较高。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物传感技术领域，且特别涉及一种植入式生物传感器。
背景技术
生物传感器是一种以生物活性物质(如酶、抗体)作为功能性的敏感基元固定在信号转换设备上的元件，当遇到目标分析物时，信号转换设备将分析物的浓度转换为信号强度(如光学信号强度、电学信号强度)。目前，市场上应用最广泛的生物传感器为安培型酶葡萄糖传感器，如血糖试纸条、持续血糖监测探头。
准确、连续监测糖尿病患者的血糖水平是治疗糖尿病的关键。目前市场上持续血糖监测产品的原理是，通过将生物传感器植入腹部或上臂皮下来监测组织液中的葡萄糖变化从而反应血糖水平。植入皮下的生物传感器处于复杂的环境，组织液中的一些有电化学活性的干扰物质会对生物传感器的电流响应产生干扰从而造成假阳性检测结果。
CN105411607B公开了一种传感器结构，其具有工作电极和空白电极，工作电极具有酶层并用于与葡萄糖发生反应，空白电极不具有酶层从而仅检测干扰信号，可以大致地在检测结果中剔除扰动信息。但是，该传感器结构无法精确地剔除干扰物质对检测结果的影响，导致检测精度依然不足。
因此，如何使植入式生物传感器能够更精准地检测目标分析物，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本实用新型。本实用新型的目的在于提供一种植入式生物传感器，其能够准确地检测葡萄糖浓度。
提供一种植入式生物传感器，其用于检测组织液的葡萄糖浓度并包括基底和设于所述基底的第一工作电极，所述第一工作电极具有第一传感层和第一导电层，所述第一传感层覆盖所述第一导电层并具有葡萄糖氧化酶，所述组织液的葡萄糖能够与所述葡萄糖氧化酶反应，反应的产物和所述组织液的干扰物质与所述第一导电层反应并产生第一工作电流，
所述植入式生物传感器还包括设于所述基底的第二工作电极，所述第二工作电极具有第二导电层和第二传感层，所述第二传感层覆盖所述第二导电层，所述第二传感层具有所述第一传感层的除所述葡萄糖氧化酶以外的全部物质，所述干扰物质与所述第二导电层反应并产生第二工作电流；
单位时间穿过单位面积的所述第二传感层的所述干扰物质的量与单位时间穿过单位面积的所述第一传感层的所述干扰物质的量相同；
所述第二工作电极用于参加反应并产生电流的面积S2小于所述第一工作电极用于参加反应并产生电流的面积S1。
优选地，所述面积S2是所述面积S1的20％至50％。
优选地，所述第一导电层和所述第二导电层的面积相同，所述第一导电层的局部覆盖第一绝缘层，所述第二导电层的局部覆盖第二绝缘层，所述第二绝缘层的面积大于所述第一绝缘层的面积，所述第二绝缘层以外的所述第二导电层具有所述面积S2，所述第一绝缘层以外的所述第一导电层具有所述面积S1。
优选地，所述第一工作电极设于所述基底的一侧，所述第二工作电极设于与所述第一工作电极相反的、所述基底的另一侧。
优选地，在所述第一工作电极上叠加设有对电极和参比电极中的一者，在所述第二工作电极上叠加设有所述对电极和所述参比电极中的另一者，在所述对电极和所述参比电极中的所述一者与所述第一工作电极之间，以及在所述对电极和所述参比电极中的所述另一者与所述第二工作电极之间设有绝缘层。
优选地，所述第一工作电极和所述第二工作电极的表面分别覆盖第一生物相容层和第二生物相容层，所述第一生物相容层伸出所述第一导电层的外部并覆盖所述对电极和所述参比电极中的所述一者的表面，所述第二生物相容层伸出所述第二导电层的外部并覆盖所述对电极和所述参比电极中的所述另一者的表面。
优选地，通过溅射或者印刷工艺在所述第一工作电极的表面的所述绝缘层上形成所述对电极，和/或在所述第二工作电极的表面的所述绝缘层上形成所述参比电极。
优选地，所述第一工作电极和所述第二工作电极包括半透膜层，所述半透膜层能够限制所述组织液中的所述葡萄糖和氧气扩散的数量，并能够阻止预定量的所述干扰物质向所述第一导电层和所述第二导电层扩散。
优选地，所述干扰物质包括尿酸和对乙酰氨基酚。
本公开提供的技术方案至少具有以下有益效果：
第一工作电极在一定电压下产生第一工作电流I1，第一工作电流I1为由葡萄糖和干扰物质，以及可能的扰动产生的电流之和，第二工作电极在上述一定电压下产生第二工作电流I2，第二工作电流I2为干扰物质和可能的扰动产生的电流之和，通过对第一工作电流I1和第二工作电流I2做计算即可得到仅由葡萄糖产生的电流I0，从而精确地检测葡萄糖的浓度。
第二工作电极的工作面积S2越小，检测到的电流信号越小，干扰物质反应时产生的副产物对周围组织产生的影响越小。第一工作电极的工作面积S1越大，检测到的电流信号越强，从而生物传感器的精确度越高。
附图说明
图1是本公开提供的一种植入式生物传感器的局部剖视图。
图2是图1中的第一工作电极的剖视图。
图3是图1中的第二工作电极的剖视图。
附图标记说明：
1植入式生物传感器、S基底、10第一工作电极、20第二工作电极、30绝缘层、40对电极、50参比电极、110第一导电层、120第一传感层、130第一半透膜层、140第一生物相容层、210第二导电层、220第二传感层、230第二半透膜层、240第二生物相容层。
具体实施方式
下面参照附图描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本实用新型，而不用于穷举本实用新型的所有可行的方式，也不用于限制本实用新型的范围。
如图1至图3所示，本公开提供一种植入式生物传感器1，其用于检测组织液中的葡萄糖浓度，其包括基底S、第一工作电极10、第二工作电极20、对电极40和参比电极50，第一工作电极10和第二工作电极20设于基底S上。第一工作电极10包含第一传感层120和第一导电层110，第一传感层120覆盖第一导电层110并具有葡萄糖氧化酶。葡萄糖氧化酶能够将扩散至第一传感层120表面的葡萄糖催化为过氧化氢，过氧化氢和组织液中的干扰物质与第一导电层110反应，第一工作电极10产生第一工作电流I1。
第二工作电极20包括第二导电层210和第二传感层220，第二传感层220覆盖第二导电层210，第二传感层220具有第一导电层110的除上述葡萄糖氧化酶以外的所有物质(例如包括白蛋白)以模拟第一导电层110对干扰物质所起的作用。从而，穿过第二传感层220的干扰物质的种类和穿过第一传感层120的干扰物质的种类相同，且单位时间穿过单位面积的第二传感层220的干扰物质的量与单位时间穿过单位面积的第一传感层120的干扰物质的量相同。干扰物质穿过第二传感层220与第二导电层210反应，第二工作电极20产生第二工作电流I2。
第一导电层110可以全部由第一传感层120覆盖，或者第一导电层110的一部分可以由第一传感层120覆盖，其他部分由第一绝缘层(下文详述)覆盖，由第一传感层120覆盖的第一导电层110的面积为第一工作电极10的工作面积S1(第一工作电极10用于参加反应并产生电流的面积)。
第二导电层210可以全部由第二传感层220覆盖，或者第二导电层210的一部分可以由第二传感层220覆盖，其他部分由第二绝缘层(下文详述)覆盖，由第二传感层220覆盖的第二导电层210的面积为第二工作电极20的工作面积S2(第二工作电极20用于参加反应并产生电流的面积)。
第一工作电流I1和第二工作电流I2的大小与第一工作电极10的工作面积S1和第二工作电极20的工作面积S2有关。
应当理解，当第一导电层110被第一绝缘层覆盖时，第一绝缘层使得第一导电层110被覆盖的部分不能产生电流，当第二导电层210被第二绝缘层覆盖时，第二绝缘层使得第二导电层210倍覆盖的部分不能产生电流。
第一绝缘层和第二绝缘层例如可以为丙烯酸树脂类材料等介电材料(也可以与绝缘层30材料相同)。
从而，当第一导电层110和第二导电层210的面积相等时，能够通过调整第一绝缘层和第二绝缘层的面积而调整第一工作电极10的工作面积S1和第二工作电极20的工作面积S2，这提供了一种简单的调整第一工作电极10的工作面积S1和第二工作电极20的工作面积S2的方法。
第一工作电流I1为由葡萄糖和干扰物质，以及可能的扰动产生的电流之和，第二工作电流I2为干扰物质和可能的扰动产生的电流之和，通过对第一工作电流I1和第二工作电流I2做计算即可得到仅由葡萄糖发生电化学反应产生的电流I0，从而精确地检测葡萄糖的浓度。
计算方法如下：
I0＝I1-aI2，其中，a为第一工作电极10的工作面积S1与第二工作电极20的工作面积S2的比例。第二工作电极20的工作面积S2小于第一工作电极10的工作面积S1。
第二工作电极20的工作面积S2越小，第二工作电极20检测到的电流信号越小，干扰物质反应时产生的副产物对周围组织产生的影响越小。第一工作电极10的工作面积S1越大，第一工作电极10检测到的电流信号越强，从而生物传感器的精确度越高。
优选地，第二工作电极20的工作面积S2是第一工作电极10的工作面积S1的20％至50％。
干扰物质主要包括尿酸(UA)和对乙酰氨基酚(AP)，还可以包括现有技术中常见的其他干扰物质。
第一工作电极10可以设于基底S的一侧，第二工作电极20可以设于与第一工作电极10相反的、基底S的另一侧，例如第一工作电极10设于基底S的正面，第二工作电极20设于基底S的背面。生物传感器一般尺寸较小，充分利用基底S的相反的两侧从而在尽量大的空间内设置第一工作电极10和第二工作电极20，这简化了工艺难度，也提高了基底S的利用率。
在其他实施方式中，第一工作电极10和第二工作电极20可以在基底S的同一侧间隔布置。
在第一工作电极10上可以叠加设有对电极40，在第二工作电极20上可以叠加设有参比电极50，在对电极40与第一工作电极10之间，以及参比电极50与第二工作电极20之间设有绝缘层30。
应当理解，第一工作电极10的被对电极40叠加的部分不产生检测电流，第二工作电极20的被参比电极50叠加的部分不产生检测电流。
需要说明的是，绝缘层30设于两电极之间用于防止两电极短路，而第一绝缘层不设于第一工作电极10和其他电极之间，第二绝缘层20不设于第二工作电极20和其他电极之间。对于第一工作电极10来说，第一绝缘层和绝缘层30位于第一工作电极10的不同的部分；对于第二工作电极20来说，第二绝缘层和绝缘层30位于第二工作电极20的不同部分。
堆叠设置第一工作电极10和对电极40，以及第二工作电极20和参比电极50，能够方便地在尺寸较小的生物传感器上操作，降低了工艺难度。
在其他实施方式中，还可以在第一工作电极10上叠加设有参比电极50，在第二工作电极20上叠加设有对电极40，在参比电极50与第一工作电极10之间，以及对电极40与第二工作电极20之间设有绝缘层30。
第一工作电极10还可以包括第一半透膜层130和第一生物相容层140，第一导电层110、第一传感层120、第一半透膜层130和第一生物相容层140依次层叠，第一传感层120和第一半透膜层130的大小和形状相等。第二工作电极20还可以包括第二半透膜层230和第二生物相容层240，第二导电层210、第二传感层220、第二半透膜层230和第二生物相容层240依次层叠，第二传感层220和第二半透膜层230的大小和形状相等。第一生物相容层140位于第一工作电极10的表面，第二生物相容层240位于第二工作电极20的表面。
半透膜层(第一半透膜层130和第二半透膜层230)能够限制被植入生物体内的葡萄糖和氧气向传感层(第一传感层120和第二传感层220)扩散的数量，并能够阻止预定量的干扰物质扩散到传感层。这使葡萄糖、氧气和干扰物质以合适的比例参加反应，到达传感层的葡萄糖能够被迅速催化，提高了传感器的检测灵敏度，该第一半透膜层130和第二半透膜层230由相同材料组成或为同一半透膜层，且利用涂覆或印刷工艺可以同时将第一半透膜层130和第二半透膜层230分别覆盖在该第一传感层120与第二传感层130上。
第一生物相容层140可以伸出第一导电层110的外部并覆盖对电极40的表面，第二生物相容层240可以伸出第二导电层210的外部并覆盖参比电极50的表面。生物相容层(第一生物相容层140和第二生物相容层240)能够提高生物传感器的生物相容性，两个电极共用生物相容层，例如对电极40和第一工作电极10共用第一生物相容层140，参比电极50和第二工作电极20共用第二生物相容层240，简化了设置生物相容层的工艺步骤，第一生物相容层140和第二生物相容层240由同种材料组成或者两者为同一生物相容层，且利用涂覆或印刷工艺可以同时将第一生物相容层140与第二生物相容层240分别覆盖在第一半透膜层130与对电极40和第二半透膜层230与参比电极50的表面。
应当理解，第一导电层110的外部指第一导电层110之外的其他部分，第二导电层210的外部指第二导电层210之外的其他部分，例如：基底S上被该第一导电层110或第二导电层210覆盖之外的其他部分。
如图1所示，箭头方向为植入方向，第一工作电极10的具有工作面积S1的部分和第二工作电极20的具有工作面积S2的部分位于生物传感器的植入端从而最先被植入，在将该生物传感器植入生物体内时，例如将上述生物传感器植入至皮下大约5毫米处。
在上述生物传感器中，基底S可以为柔性基底S，可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等一些生物相容性较好的材料中的一种或几种组成。
第一导电层110和第二导电层210可以通过物理气相沉积、化学气相沉积、真空镀、喷墨打印、丝网印刷等工艺设置在基底S上，优选通过溅射、丝网印刷等工艺设置。第一导电层110和第二导电层210可以由金属铂、铂-铱合金、铂-碳材料等制成，优选由纳米尺寸的金属材料制成。
绝缘层30由具有绝缘效果的聚合物(例如派瑞林)制成，可以通过喷涂等方式设置，以用于隔绝叠加的两电极之间的直接接触，例如第一工作电极10与对电极40，以及第二工作电极20与参比电极50之间的直接接触，防止电极间短路。
对电极40的导电层可以由碳、玻璃碳、氯化银或金属铂、金等材料制成，可以通过溅射、印刷等工艺设置，优选地通过印刷工艺设置。
参比电极50的导电层可以由氯化银等材料制成，可以在绝缘层30溅射金属银，然后将溅射有金属银的绝缘层30置于氯化钠溶液中以使其氧化成氯化银；也可通过直接在绝缘层30上印刷氯化银材料设置。优选地，采用印刷工艺直接将氯化银施加在绝缘层30上。
可以采用交联剂将葡萄糖氧化酶交联在第一导电层110上，以及采用交联剂将白蛋白交联在第二导电层210上。
可以通过在传感层上喷涂一定浓度的聚合物溶液来设置半透膜层。干燥后，半透膜层的厚度可以为10微米至100微米。
可以通过在半透膜层上喷涂或浸涂一定浓度的聚合物溶液(例如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氨酯、硅胶)，来设置生物相容层。
上述印刷工艺可以包括以下步骤：
S1：采用激光雕刻机于一网版上刻图案；
S2：将刻有图案的网版覆盖在基底上，并在该基底上正面与背面分别印刷导电层以及在该导电层成型后于该导电层上分别印刷含葡萄糖氧化酶的传感层或不含葡萄糖氧化酶的传感层；
S3：待传感层成型后，取出网版；
S4：于传感层上依次涂覆半透膜层与生物相容层。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本实用新型。本领域技术人员可以在本实用新型的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本实用新型的范围。
Claims (9)
1.一种植入式生物传感器，其用于检测组织液的葡萄糖浓度并包括基底(S)和设于所述基底(S)的第一工作电极(10)，所述第一工作电极(10)具有第一传感层(120)和第一导电层(110)，所述第一传感层(120)覆盖所述第一导电层(110)并具有葡萄糖氧化酶，所述组织液的葡萄糖能够与所述葡萄糖氧化酶反应，反应的产物和所述组织液的干扰物质与所述第一导电层(110)反应并产生第一工作电流，其特征在于，
所述植入式生物传感器还包括设于所述基底(S)的第二工作电极(20)，所述第二工作电极(20)具有第二导电层(210)和第二传感层(220)，所述第二传感层(220)覆盖所述第二导电层(210)，所述第二传感层(220)具有所述第一传感层(120)的除所述葡萄糖氧化酶以外的全部物质，所述干扰物质与所述第二导电层(210)反应并产生第二工作电流；
单位时间穿过单位面积的所述第二传感层(220)的所述干扰物质的量与单位时间穿过单位面积的所述第一传感层(120)的所述干扰物质的量相同；
所述第二工作电极(20)用于参加反应并产生电流的面积S2小于所述第一工作电极(10)用于参加反应并产生电流的面积S1。
2.根据权利要求1所述的植入式生物传感器，其特征在于，所述面积S2是所述面积S1的20％至50％。
3.根据权利要求1所述的植入式生物传感器，其特征在于，所述第一导电层(110)和所述第二导电层(210)的面积相同，所述第一导电层(110)的局部覆盖第一绝缘层，所述第二导电层(210)的局部覆盖第二绝缘层，所述第二绝缘层的面积大于所述第一绝缘层的面积，所述第二绝缘层以外的所述第二导电层(210)具有所述面积S2，所述第一绝缘层以外的所述第一导电层(110)具有所述面积S1。
4.根据权利要求1所述的植入式生物传感器，其特征在于，所述第一工作电极(10)设于所述基底(S)的一侧，所述第二工作电极(20)设于与所述第一工作电极(10)相反的、所述基底(S)的另一侧。
5.根据权利要求1所述的植入式生物传感器，其特征在于，在所述第一工作电极(10)上叠加设有对电极(40)和参比电极(50)中的一者，在所述第二工作电极(20)上叠加设有所述对电极(40)和所述参比电极(50)中的另一者，在所述对电极(40)和所述参比电极(50)中的所述一者与所述第一工作电极(10)之间，以及在所述对电极(40)和所述参比电极(50)中的所述另一者与所述第二工作电极(20)之间设有绝缘层(30)。
6.根据权利要求5所述的植入式生物传感器，其特征在于，所述第一工作电极(10)和所述第二工作电极(20)的表面分别覆盖第一生物相容层(140)和第二生物相容层(240)，所述第一生物相容层(140)伸出所述第一导电层(110)的外部并覆盖所述对电极(40)和所述参比电极(50)中的所述一者的表面，所述第二生物相容层(240)伸出所述第二导电层(210)的外部并覆盖所述对电极(40)和所述参比电极(50)中的所述另一者的表面。
7.根据权利要求5所述的植入式生物传感器，其特征在于，通过溅射或者印刷工艺在所述第一工作电极(10)的表面的所述绝缘层(30)上形成所述对电极(40)，和/或在所述第二工作电极(20)的表面的所述绝缘层(30)上形成所述参比电极(50)。
8.根据权利要求1所述的植入式生物传感器，其特征在于，所述第一工作电极(10)和所述第二工作电极(20)包括半透膜层(130、230)，所述半透膜层(130、230)能够限制所述组织液中的所述葡萄糖和氧气扩散的数量，并能够阻止预定量的所述干扰物质向所述第一导电层(110)和所述第二导电层(210)扩散。
9.根据权利要求1所述的植入式生物传感器，其特征在于，所述干扰物质包括尿酸和对乙酰氨基酚。
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