一種用於超微量樣品檢測的生物傳感器的製作方法

2023-10-09 20:23:59

專利名稱：一種用於超微量樣品檢測的生物傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型提供了一種新穎的傳感器，特別是提供了一種可用於定量分析或檢測微量液體樣品中特殊生物化學成分的電化學傳感器。
技術背景眾所周知，保持血糖水平穩定對人體健康具有十分重要的作用。血糖濃度過高或過低都會給人的健康造成危害。特別是對於糖尿病患者，每天需要進行1～4次血糖水平檢測。因此，家用可攜式血糖檢測儀器或裝置成為市場或產品研究與開發的熱點。隨著對血糖檢測系統研究的不斷深入，用於檢測血糖水平的生物傳器在檢測的準確度和靈敏度上均有很大的改善。
在各種不同類型用於血糖檢測的生物傳感器中，目前使用最為普遍的是一種在電極上複合有反應酶和傳遞介質的電化學傳感裝置。使用該裝置檢驗血糖時，需要將一定量的待檢血液樣品滴加在傳感器的反應區內，以使血液在傳感器的感應部分充分發生電化學反應，最後在電極上產生可測量的電流信號並通過信號轉化作為血糖濃度數據顯示出來。
然而，現有的血糖檢測裝置所需要的血液樣品一般均不少於3微升。這些血液樣品大多是從被檢者的肢體末梢部分如指尖或耳垂皮下通過針刺採集的。為了獲得足量的血液樣品，常常需要擠壓皮膚穿刺部位，而這些部位又是神經末梢分布較多的痛覺敏感部位。一般說來，需要的血液量越多，被採血者的痛感也越明顯。因此，為了減輕被檢者的痛苦，應儘可能地減少採血量。另一方面，由於檢測傳感器要求將採集到的血液樣品均勻地塗布在傳感器的反應區內，因此也增加了操作難度和樣品的需要量。
此外，現有的傳感器的反應區一般是依靠重力，以平面擴散的方式使血液覆蓋到傳感器的反應區內。因此，由於操作不當，某些使用者往往不是沒有使血液擴散到特定的反應區內，就是因滴加過量的血液致使溢出反應區，導致檢測結果不準確，或者造成操作者的手或傳感器上或其他器具的血液汙染。
因此，為了克服上述缺點和弊病，有必要對現有的家庭用血糖檢測傳感器作進一步的改進，以減少裝置的血液樣品需要量和使用者的痛苦，同時提高檢測的準確性。
本實用新型的內容本實用新型的一個目的是提供一種能夠微量定量並快速吸取樣品的傳感器，其特徵在於傳感器的頂部和兩側邊緣處各留有一條縫隙。所說的縫隙為液體(血液)和氣體(空氣)進入傳感器內部提供了多方向通道。當極少量(≤5微升)的液體(血液)樣品接觸縫隙時，這些樣品即可通過傳感器頂部和兩側邊緣縫隙的毛細吸收作用快速均勻地擴散到感應區。
根據本實用新型的優選實施方案，特徵在於所說的縫隙長度不小於0.5毫米，並且其寬度在不大於0.5毫米。
根據本實用新型的優選實施方案，特徵在於通過所說的縫隙進入傳感器感應區的血液樣品體積小於3微升，並且血液樣品在傳感器感應區的擴散面積小於30平方毫米。
由於縫隙的長度、寬度和擴展面積都是特定的，因此其所能夠吸納的樣品的體積也是一定的。這樣，既達到了快速並且基本上定量地吸取樣品，又可大大減少樣品的使用量和因為多量採血給被檢者帶來的痛苦。另外，由於所說的縫隙可以存在於傳感器的頂部或側面邊緣，所以即使使用(操作)者滴加樣品的方向和角度不夠準確，也可使樣品從不同的方向和角度通過縫隙吸入到感應區，從而保證了檢測結果的準確性，以及重複檢測的可再現性。
本實用新型的生物傳感器特別適用於微量定量樣品的檢測與分析，並且特別適合於老年人或兒童使用。


圖1顯示用於血糖檢測的電化學傳感器的基本結構。其中三個基本層自下至上依次是電極層11、絕緣層12和覆蓋層13。
圖2顯示圖1所示電化學傳感器之電極系統的基本結構。
圖3是圖1所示電化學傳感器之電極系統的矢狀斷面圖(側面觀)。
圖4顯示以葡萄糖生理鹽水溶液(5mmol/L)作為被檢樣品時，不同的樣品體積對所產生的響應信號的影響。
圖5顯示使用本實用新型的傳感器檢測葡萄糖生理鹽水溶液中葡萄糖濃度的結果，與使用貝克曼全自動生化分析儀檢測結果間的相符性。
具體實施方式
本實用新型提供了一種具有快速吸取樣品和微量定量功能的傳感器，特徵在於所說的傳感器的頂部和兩側邊緣處各留有一條縫隙。基於其這一特殊結構，採自被檢者的血液樣品可以通過所說的縫隙並藉助其所造成的毛細現象，在較寬範圍內將待檢血液樣品快速而均勻地「吸入」傳感器內部的感(反)應區。
一般說來，開設於傳感器的頂部和兩側邊緣處的縫隙的長度不小於0.5毫米，寬度在不大於0.5毫米，並且所需要的樣品量(體積)僅為0.5-3微升。因此，本實用新型的傳感裝置在很大程度上減少了血液樣品用量和由此給使用(被檢)者帶來的痛苦。同時，本實用新型對檢測傳感器的上述改進也簡化了加樣操作並提高了檢測的可重複性和準確性。
本實用新型改進的檢測傳感器特別適用於微量和超微量樣品的檢測與定量分析。例如可用於檢測血糖、血脂、血型、尿酸等人體生化指標的檢測與定量分析。
以下以檢測血糖的電化學傳感器為例，結合附圖詳細描述本實用新型傳感裝置的結構特徵、工作原理及使用。
如圖1所示，檢測血糖的電化學傳感器主要是由電極層11、絕緣層12和覆蓋層13三部分相互疊加複合而成的多層結構。
電極層主要是由導體連接的檢測電極組成。其中檢測電極位於傳感器的生物電化學反應區，是用來與被檢樣品起化學或電化學反應的檢測體系。檢測電極通過導體將檢測到的信號傳遞到信號分析與轉化系統，並將信號作為被檢物濃度輸出或記錄下來。
圖2顯示了圖1所示電化學傳感器之電極系統的基本結構。該電極系統可以由工作電極211、參比電極212、對電極213三部分構成(如圖2中21所示)。或者，也可以由工作電極221和具有參比電極作用的對電極222兩部分構成(如圖2中22所示)。
檢測電極一般是由不同性質的電化學電極材料製作，參比電極最常用的為銀/氯化銀材料，工作電極和對電極常用導電碳材料；或者有的情況下，工作電極和對電極採用同樣的金屬膜材料，如鎳、金或鉑等。導體則一般是具有導電性高的金屬膜或導電碳黑製成。
電極層11可以通過印刷或蒸鍍或其他物理沉積的方法形成所需要的結構或圖形。由於不同的電極之間需要絕緣，所以電極層通常是塗覆或沉積在絕緣並且耐腐蝕的基質材料上。通常根據電極層的製作工藝選擇基質材料，所說的基質材料例如可以是含PVC、PVP等的各種塑料或聚酯板等。
絕緣層12一般由不導電的黏合劑或粘性塗料或雙面具有粘合性的材料構成，其作用在於將電極層與覆蓋層結合起來，並保證覆蓋層蓋上去後在電極反應區形成0.5mm以下厚度的縫隙(也參見圖3)。
由圖3可以看出，所說的絕緣層可覆蓋住一部分導體，同時留出電極反應區31，以便與樣品接觸並在該區域發生電化學反應。另外，由於絕緣層的存在，可使電極層和覆蓋層在反應區形成一條空隙通道(參見圖2之23、24、25)。一般說來，空隙的高度主要是由絕緣層的厚度決定的。
覆蓋層13一般是由非蔬水、絕緣、耐腐蝕材料如PVC、PVP等塑料或聚酯板材料製成的。該層用於覆蓋整個電極條，其中有部分導線突出於覆蓋層13之外，以便與檢測裝置形成電接觸。電極條反應端的三個側面(參見圖2之23、24、25)均可作為加樣位置，因此可從多方向汲取樣品。
用於血糖檢測的電化學傳感器是基於酶學檢測原理，使用一次性幹試劑電極條製作的。作為構成傳感器的必要元件，檢測電極條預包被了一定量的葡萄糖氧化酶。當血液滴加到反應目標區時，電極條上含有的葡萄糖氧化酶將血液中的葡萄糖轉化成葡萄糖酸，同時通過電化學反應介質(詳見下述)將氧化反應中產生的電子傳遞到電極表面。這一電化學過程中所產生的電流的大小與血液中含有的葡萄糖量成嚴格的正比例關係，因此，可根據反應系統中產生的電流的大小直接推算出血中葡萄糖的準確含量。
為了促成電化學反應的發生，或必須有各種反應介質的參與。塗敷於電極層反應區的電極反應液主要包括具有電子傳遞功能的電化學反應介質、反應底液以及少量添加劑。電化學反應介質通常選用鐵氰化鉀、氯化亞鐵、二茂鐵及其衍生物，或其他有機或無機氧化還原物質。反應底液一般是緩衝溶液，其酸鹼度或離子強度應為酶促反應提供最佳條件。添加劑一般是起穩定或固定化氧化酶並具有表面活化作用的適當溶液。
下列實施例旨在進一步舉例說明本實用新型改進的檢測傳感器的技術特徵、製作和使用方法及其優點。
實施例實施例1用於血糖檢測的電化學傳感器的製作本實施例簡要描述血糖檢測傳感器的製作方法。首先使用絲網印刷的方法將含導電碳材料的油墨印製在PVC硬紙板上。然後，以套印方法將銀/氯化銀油墨和碳油墨連接起來。以底部的導電碳條作為工作電極，並與起參比電極作用的對電極銀/氯化銀條並列形成反應電極區。其餘部分的導電碳條主要起導電作用，頂部的導電碳條則是用來與檢測電流信號的電流發生裝置形成電連接的接觸區。碳線和銀/氯化銀線的寬度約1.5mm，總長約20mm。
將特定形狀的雙面膠帶作為絕緣層覆蓋在電極層上，在電極條的底部形成約30平方毫米的反應區(如圖2中的31所示)。然後將與電極條形狀匹配的覆蓋層粘在絕緣層上，並留出一段導線做與儀器相連的接觸線。最後將含有酶和電化學反應介質的反應液(1微升)通過電極底部的通道塗覆在反應區內。於40℃下將使反應液烘乾(3分鐘)，從而完成了可一次性使用的幹試劑電極條的製作。
其中，以含有1.6％(W/V)葡萄糖氧化酶，0.8％(W/V)二茂鐵乙酸，0.05％(W/V)聚乙二醇和0.02％(W/V)Triton X-100的50mM磷酸鈉緩衝鹽溶液(pH＝6.9)作為反應溶液。
實施例2樣品體積對血糖檢測傳感器的響應信號的影響本實施例以葡萄糖生理鹽水溶液(5mmol/L)作為被檢樣品，比較說明不同體積樣品對測試響應信號的影響(參見圖4)。從圖4可見，在2.0～0.5微升待檢溶液存在下，響應信號幾乎沒有隨樣品體積的變化而變化。如果待檢溶液的體積小於0.5微升，信號強度則有所下降。據此，可將電極所能吸收的最小樣品體積定為約0.5微升。實驗結果表明，當樣品體積超過0.5微升時，同一樣品的測試結果不會出現統計學上有意義的顯著差異。這說明在一定的樣本體積範圍內的測試結果上沒有顯著偏差，而最小的體積即是能夠全部覆蓋電極表面的體積。所以，只要能保證電極表面完全均勻地覆蓋，形成一個足夠薄的反應層，即可保證檢測結果的一致性，同時也可減少樣本用量並且便於取樣。
另外，我們用依據本實用新型的傳感器檢測不同濃度葡萄糖生理鹽水溶液中的葡萄糖濃度，並與使用貝克曼全自動生化分析儀進行同樣檢測的結果相比較。線性分析結果證實，在0-40mmol/L的葡萄糖濃度範圍內，同一份樣本在本實用新型的血糖電化學傳感器上的檢測結果與在生化儀上的檢測結果間的線性相關係數為0.994(參見圖5)。
該實驗清楚地表明，本實用新型的電化學傳感器完全可以在減少待檢樣品使用量並因此而減輕使用者痛苦的前提下，快速而準確地檢測和定量分析包括血糖在內的多種生化物質。
權利要求1.一種能夠快速吸取樣品微量定量檢測的傳感器，其特徵在於傳感器的邊緣處留有一條構成液體和氣體進入傳感器內部的多方向通道的縫隙。
2.根據權利要求1的傳感器，特徵在於所說的邊緣是傳感器頂部和兩側邊緣。
3.根據權利要求1的傳感器，特徵在於所說的液體是血液。
4.根據權利要求1的傳感器，特徵在於所說的氣體是空氣。
5.根據權利要求1的傳感器，特徵在於所說的縫隙長度不小於0.5毫米，並且其寬度在不大於0.5毫米。
6.根據權利要求1的傳感器，特徵在於通過所說的縫隙進入傳感器感應區的血液樣品體積小於3微升，並且血液樣品在傳感器感應區的擴散面積小於30平方毫米。
專利摘要本實用新型提供了一種新穎的傳感器，特別是提供了一種用於定量分析或檢測微量液體樣品中特殊生物化學成分的電化學傳感器，特徵在於所說的傳感器的頂部和兩側邊緣處各留有一條構成液體和氣體進入傳感器內部的多方向通道的縫隙。本實用新型的電化學傳感器可以在減少待檢樣品使用量並因此而減輕使用者痛苦的前提下，快速而準確地檢測和定量分析包括血糖在內的多種生化物質。
文檔編號G01N27/327GK2641649SQ03206939
公開日2004年9月15日 申請日期2003年7月31日 優先權日2003年7月31日
發明者周旻, 鄭清中, 張濟嶽, 盧方 申請人:英科新創(廈門)科技有限公司