專利名稱：生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物傳感器，更確切地說，涉及一種電化學測定生物樣 品中所含的分析物的生物傳感器。
背景技術(shù)：
生物傳感器由電極系統(tǒng)和酶反應(yīng)物層組成，其中，電極系統(tǒng)具有通過絲 網(wǎng)印刷而在絕緣襯底上形成的多個電極，酶反應(yīng)物層由在電極系統(tǒng)上形成的 親水聚合物、氧化還原酶和電子受體組成。US 5,171,689和5,387,328中公開 了生物傳感器電化學測定樣品中所含的分析物。
一般而言，生物傳感器包括工作電極和參比電極。例如，根據(jù)以下反應(yīng) 方程式，電化學傳感器利用氧化還原酶和電子傳遞介質(zhì)測定分析物
分析物+酶(還原的)+電子傳遞介質(zhì)(氧化的)一產(chǎn)物+酶(氧化的) +電子傳遞介質(zhì)(還原的)
反應(yīng)方程式說明由與樣品所含的分析物反應(yīng)而產(chǎn)生的還原的電子傳遞 介質(zhì)與樣品所含的分析物的濃度成比例。相對于參比電極，將預(yù)定電壓施加
在i:作電極上以氧化所述還原的電子傳遞介質(zhì)。與此同時，產(chǎn)生氧化電流， 由氧化電流的量能夠測定出樣品中所含的分析物的量。
當碳制的工作電極中發(fā)生氧化反應(yīng)時，碳制的參比電極中發(fā)生還原反應(yīng)。然而，當生物樣品注入到酶反應(yīng)物層上時，如果工作電極和參比電極彼 此位置很接近，參比電極上的電子傳遞受體(還原的)能夠擴散到工作電極 上。更確切地說，當電極彼此之間位置接近的時候，由于工作電極上產(chǎn)生的 氧化電流的量不正常，因此在電極中發(fā)生測定誤差。因此，工作電極和參比 電極需要彼此分隔開預(yù)定的距離。
然而，如果工作電極和參比電極彼此間的位置過遠時，工作電極和參比 電極間的襯底暴露區(qū)域變得很大。通常情況下，酶溶液在碳制電極上涂布良 好，但在絕緣襯底上涂布得很差，因為絕緣襯底對水的表面張力大于對碳的 表面張力。此外，由于絕緣襯底與碳制電極的附著能力高于與干燥的酶反應(yīng) 物層的附著能力，干燥的酶反應(yīng)物層從襯底剝離的程度大于從電極剝離的程 度。因此，存在一個問題，目卩，當注入生物樣品時，形成于電極上的酶反應(yīng) 物層可能被沖洗掉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供--種生物傳感器，在生物樣品注入到酶反應(yīng)物層時，該傳感 器能夠使生物樣品迅速地被吸收，同時通過防止生物樣品所含的酶從工作電 極或參比電極上沖洗掉而使測量誤差最小化。
本發(fā)明還提供一種能夠防止酶反應(yīng)物層從下部絕緣襯底或絕緣膜上剝 離的生物傳感器。
本發(fā)明的附加特征將在下面的描述中闡明，部分地從下述描述中顯而易 見，也可從本發(fā)明的實施中了解。
本發(fā)明公開一種用于測定樣品中所含的分析物的生物傳感器，該傳感器
包括下部絕緣襯底(substrate),該下部絕緣襯底具有形成在其上的、通過
引線連接到引線端子的工作電極和參比電極的，以及形成在電極上以與樣品
中所含的分析物反應(yīng)的酶反應(yīng)物層；間隔物，該間隔物位于下部襯底和上部襯底之間并附著于下部襯底和上部襯底，并且具有樣品引入?yún)^(qū)以引導樣品經(jīng)
過酶反應(yīng)物層而到達電極；上部絕緣襯底，該上部絕緣襯底通過間隔物而面 向下部絕緣襯底，其中，下部絕緣襯底上形成有模擬電極(dummy electrode), 該模擬電極與工作電極和參比電極分隔開，同時固定酶反應(yīng)物層并且不與所 述引線相連。
各個電極可以由碳、石墨、鉑-碳、銀、金、鈀或鉑制成。 應(yīng)了解到，上述的一般性描述和下面的詳細描述都是示范性和說明性 的，意為對本發(fā)明的權(quán)利要求做進一步的說明。


附圖加深了對本發(fā)明的理解并且并入說明書中、組成說明書的一部分， 附圖描述了本發(fā)明的實施方式，并且與該說明一起解釋本發(fā)明的原理。 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的分解透視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的局部平面圖3是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的下部絕緣襯底的平面圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的下部絕緣襯底的平面圖；' 圖5是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的分解透視圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的橫截面圖7和8是如圖6所示的根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的 局部放大圖9是描述根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的效果的示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖更全面地描述本發(fā)明，其中附圖中描述了本發(fā)明的示范
性實施方式。然而，本發(fā)明可以以很多不同的方式實施，不應(yīng)該理解為僅限 于在此給出的實施方式。更確切地，提供這些實施方式是為了使公開更加充 分，并且充分地將本發(fā)明的范圍告知于本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了得 到清晰的效果，層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸可能被放大。附圖中相似的附圖 標記表示相似的元件。
可以理解的是，當指出元件或?qū)?在"其它元件或?qū)由匣蚺c其它元件或 層"相連"時，其可以直接在其它元件或?qū)由匣蚺c其它的元件或?qū)酉噙B，或 者可能有中間元件或中間層。相反，當指出元件或?qū)?直接在"其它元件或 層上或者與其它元件或?qū)?直接相連"時，則沒有中間元件或中間層。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的分解透視圖。圖2
是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式的生物傳感器的局部平面圖。
生物傳感器測定生物樣品中所含的分析物。生物傳感器包括下部絕緣襯
底110、間隔物600和上部絕緣襯底700。
下部絕緣襯底包括至少一個在其上形成的電極，和在電極上形成的、與 樣品中所含的分析物反應(yīng)的酶反應(yīng)物層。間隔物600位于下部絕緣襯底110 和上部絕緣襯底700之間，并且附著于下部絕緣襯底110和上部絕緣襯底 700。間隔物600具有樣品引入?yún)^(qū)610，以引導樣品經(jīng)過酶反應(yīng)物層120而到 達電極21、 41和42。上部絕緣襯底700面向下部襯底600，并且具有排氣 區(qū)710以使通過樣品引入?yún)^(qū)610與樣品吸附在一起的氣體排出。排氣區(qū)710 形成于與樣品引入?yún)^(qū)610不同的層上。
排氣區(qū)710優(yōu)選以管道形狀形成在與樣品引入?yún)^(qū)610不同的層上，以增 加樣品的吸收率。排氣區(qū)710優(yōu)選以半圓柱形狀在與樣品吸收方向垂直的方 向上形成。
下部絕緣襯底110可以由絕緣材料制成，厚度為50400微米。下部絕 緣襯底110具有形成于其上的、包括引線31和引線端子32的引線單元30。
與引線31相連的電極21、 41和42通過絲網(wǎng)印刷形成在下部襯底110上。 電極21、 41和42由碳、石墨、鍍鉑碳(platinum-plated carbon)、銀、金、 鈀或鉑制成。例如，電極可以用由碳或鍍鉑碳組成的墨、或含有鈀的墨印刷 在下部絕緣襯底110上。
電極21表示模擬電極，電極41表示參比電極，電極42表示工作電極。 參比電極41和工作電極42用于檢測由酶反應(yīng)層70上的電子受體氧化或還 原反應(yīng)所產(chǎn)生的電流量。模擬電極21與工作電極42和參比電極41分隔開。 模擬電極21固定酶反應(yīng)物層，并且不與引線相連。模擬電極21用于防止注 入到酶反應(yīng)物層70中的生物樣品所含的溶解酶被從工作電極42或參比電極 41上沖洗掉。另外，模擬電極21用于防止酶反應(yīng)物層70在制備生物傳感器 時從下部絕緣襯底110或絕緣膜上脫落。模擬電極21可以形成在工作電極 42和參比電極41之間。
酶反應(yīng)物層120由與樣品中所含的分析物反應(yīng)的酶，與酶反應(yīng)的電子傳 遞介質(zhì)，以及將緩沖液、酶穩(wěn)定劑等固定在電極上的聚合物支撐物質(zhì)組成。 酶反應(yīng)物層120覆蓋并被固定在電極21、 41和42上。
此時，酶的例子包括氧化還原酶，例如葡萄糖氧化酶、乳酸酯氧化酶、 膽固醇氧化酶和醇氧化酶；轉(zhuǎn)移酶，例如葡萄糖脫氫酶、谷氨酸酯草酰乙酸 酯轉(zhuǎn)移酶(glutamate oxaloacetate transaminase, GOT)和谷氨酸酯丙酮酸酯轉(zhuǎn) 移酶(glutamate pyruvate transaminase, GPT );禾Q水解酶。
電子傳遞介質(zhì)的例子包括鐵氰化鉀、氰亞鐵酸鉀、六胺氯化釕 (hexaamineruthenium chloride)、 二茂鐵及其衍生物、奎寧及其衍生物，為 與酶發(fā)生氧化或還原反應(yīng)的物質(zhì)。
當含有分析物的樣品滴在酶反應(yīng)物層120上時，酶反應(yīng)物層120被樣品
溶解，同時樣品中所含的分析物與酶發(fā)生反應(yīng)，因此分析物被氧化同時電子 受體被還原。酶反應(yīng)完成后，所述還原的電子受體的電化學氧化所產(chǎn)生的氧
化電流的量由與電極41和42相連的引線32接觸的測試儀(未示出)測定 出，從而得到樣品中所含的分析物的濃度。
間隔物600通過樣品引入?yún)^(qū)610形成毛細管，所述樣品引入?yún)^(qū)610通過 將匕部絕緣襯底700和下部絕緣襯底110彼此相連而形成。間隔物600的厚 度不小于酶反應(yīng)物層120，從而使樣品能夠容易地注入到酶反應(yīng)物層120。 更確切地說，當間隔物600的厚度大于酶反應(yīng)物層120時，容易注入樣品。 間隔物600可以是厚度為10-300微米的雙面膠帶。更優(yōu)選地，間隔物600 具有厚度為10-150微米的雙面膠帶，以使樣品的注入量最小化。當樣品通 過毛細管作用經(jīng)樣品引入?yún)^(qū)610自動注入時，樣品引入?yún)^(qū)610內(nèi)存在的空氣 通過在上部襯底700上形成的排氣區(qū)710排出。
排氣區(qū)710優(yōu)選形成在與樣品引入?yún)^(qū)不同的層上，更優(yōu)選為管道形狀， 以增加樣品的吸收率。更確切地說，排氣區(qū)710形成在不存在樣品和酶反應(yīng) 物層120的層上，從而僅有空氣通過排氣區(qū)710排出。排氣區(qū)710優(yōu)選以半 圓柱形狀形成在與樣品的吸收方向垂直的方向上。排氣區(qū)710也可以形成為 其它形狀。
當樣品開始注入到酶反應(yīng)物層120時，酶反應(yīng)物層周圍存在的空氣被擠 向樣品引入?yún)^(qū)610，并通過以與樣品注入方向垂直的方向形成在上部襯底700 上的排氣區(qū)710排出。更確切地說，由于只有空氣通過以管道形狀形成在與 樣品引入?yún)^(qū)610不同的層上的排氣區(qū)被排出，因此增加了樣品的吸收率。
更確切地說，由于排氣區(qū)710形成在與酶反應(yīng)物層120不同的層上，因 此樣品的量和排氣區(qū)710的尺寸無關(guān)。因此，樣品的量可以與酶反應(yīng)物層120 的尺寸同等程度地減小。另外，由于可以不考慮酶反應(yīng)物層120的尺寸而增 大排氣區(qū)710，因此可以有效的排出空氣。此外，由于空氣不經(jīng)過酶反應(yīng)物 層120而排出，因此，空氣的排放率與樣品的吸收率無關(guān)。因此，提高了空 氣排放率并提高了樣品的吸收率。此外當生物傳感器從測量儀中取下時，使
用者的手很少被樣品污染。
圖3和圖4是根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式的其上形成有模擬電極的下部 絕緣襯底的平面圖。當該實施方式中使用單一的模擬電極時，可以使用兩個 或兩個以上的電極。另外，當實施方式中使用單一的工作電極和單一的參比 電極時，在具有兩個工作電極的生物傳感器的下部襯底上可以形成有模擬電極。
如圖3所示，模擬電極22靠近工作電極42和參比電極41而形成。如 圖4所示，模擬電極23形成在形成有酶反應(yīng)物層70的下部絕緣襯底的端部 上。由于穩(wěn)定地附著在酶反應(yīng)物層70上的模擬電極23形成在拆開(cut)的 生物傳感器表面，因此可以減少在生物傳感器被拆開時酶反應(yīng)層被破壞的可能性。
圖5是根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式的生物傳感器的分解透視圖。生物傳 感器100包括下部絕緣襯底110、間隔物130和上部絕緣襯底150。
下部絕緣襯底IOO可以由絕緣材料制成，厚度為50-400微米。下部絕 緣襯底100具有形成在其上的、包括引線31和引線端子32的引線單元30。 與引線31相連的電極21、 41和42通過絲網(wǎng)印刷形成在下部襯底110上。 電極21、 41和42可以由碳、石墨、鍍鉑碳、銀、金、鈀或鉑制成。例如， 電極可以用由碳或鍍鉑碳組成的墨、或含有鈀的墨印刷在下部絕緣襯底110 上。
電極21表示模擬電極，電極41表示參比電極，電極42表示工作電極。 參比電極41和工作電極42測定由酶反應(yīng)物層70上的電極受體的氧化或還 原所產(chǎn)生的電流量。模擬電極21與參比電極41和工作電極42分隔開。模 擬電極21固定酶反應(yīng)物層70，并且不與引線相連。模擬電極用于防止注入 到酶反應(yīng)物層70的生物樣品中所含的溶解酶被從工作電極42或參比電極41 上沖洗掉。另外，模擬電極21用于防止酶反應(yīng)物層70在制備生物傳感器時從下部絕緣襯底UO或絕緣膜50上剝落。模擬電極21可以形成在工作電極 42和參比電極41之間。
酶反應(yīng)物層120施用在形成于下部絕緣襯底110上的電極21、 41和42 上。酶反應(yīng)物層由與生物樣品中所含的分析物反應(yīng)的酶，與酶反應(yīng)的電子傳 遞介質(zhì)，以及將緩沖溶液、酶穩(wěn)定劑等固定在電極上的聚合物支撐物質(zhì)組成。
間隔物130位于在下部絕緣襯底IIO和上部絕緣襯底150之間，并且附 著于下部絕緣襯底110和上部絕緣襯底150。間隔物130具有樣品引入?yún)^(qū)， 以引導樣品經(jīng)過酶反應(yīng)物層70而到達電極2K 41和42。
上部絕緣襯底150可以為由PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PVC (聚 氯乙烯)或聚碳酸酯制成的薄板。上部絕緣襯底150具有空氣出口 153，以 排出由間隔物130形成的樣品引入?yún)^(qū)131中的空氣，使樣品(例如，血液) 能夠通過毛細管作用注入到酶反應(yīng)物層70。空氣出口 153從彎曲部分延伸到 電極21、41和42上。該彎曲部分151從上部絕緣襯底150的末端向電極21、 41和42彎曲。
圖6是根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式的生物傳感器的橫截面圖。
電極21、41和42形成在固定有酶反應(yīng)物層120的下部絕緣襯底110上。 下部絕緣襯底110通過具有樣品引入?yún)^(qū)610的間隔物600與上部絕緣襯底 700相連。上部絕緣襯底700具有以管道形狀形成在其上的并與樣品注入時 方向垂直的排氣區(qū)710，以在通過樣品引入?yún)^(qū)610注入樣品時排出空氣。
本發(fā)明提供了一種能夠通過排氣區(qū)710僅僅快速地排出空氣并防止樣品 流出的生物傳感器。圖7、圖8是圖6所示的傳感器的局部放大圖。
作為防止樣品流出的第一種方案，適當?shù)叵拗婆艢鈪^(qū)710的寬度和高度。 如果排氣區(qū)的橫截面過小，樣品可能通過毛細管作用流出。因此，排氣區(qū)710
的橫截面越大，空氣的排氣率和樣品的吸收率越高。然而，不能無限制地增 大排氣區(qū)710。由于排氣區(qū)為管道形狀，因此很難形成橫截面過大的排氣區(qū)，
并且排氣區(qū)形成后也很容易被破壞。
我們的試驗表明，排氣區(qū)710優(yōu)選橫截面寬度約為0.3-3毫米，高度約 為0.1-3毫米。此時，通過樣品引入?yún)^(qū)注入的樣品的量優(yōu)選為小于1微升。
作為防止樣品流出的第二種方案，由于樣品和酶反應(yīng)物層120具有親水 性質(zhì)，因此，排氣區(qū)710的內(nèi)壁涂覆疏水材料。
如圖7和圖8所示，排氣區(qū)的內(nèi)壁優(yōu)選用疏水材料涂布，以防止親水的 樣品流向排氣區(qū)710。間隔物610也優(yōu)選由疏水材料制成。另外，與上部絕 緣襯底和下部絕緣襯底接觸的間隔物610的表面優(yōu)選涂覆有疏水性粘合劑。
更確切地說，酶反應(yīng)物層120由疏水材料制成，使親水性的樣品不能夠 流出酶反應(yīng)物層120。
作為防止樣品流出的第三種方案中，樣品引入?yún)^(qū)610具有逐漸變細至一 點的端部。
圖9是描述根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式的生物傳感器的效果的示意圖。 因為注入的樣品存留在樣品引入?yún)^(qū)610和酶反應(yīng)物層120中，所以樣品 沒有流出。因此，可以使測定所用的樣品的量最小化。同時，只有空氣通過 在與樣品引入?yún)^(qū)610不同的層上形成的排氣區(qū)710排出。因此，可以提供一
種提高樣品吸收率并防止樣品流出的生物傳感器。
從以上說明可以顯然得知，由于樣品引入?yún)^(qū)通過上部襯底的空氣出口而 開口，因此生物樣品可以迅速地進入生物傳感器。
另外，由于固定酶反應(yīng)物層的模擬電極與工作電極和參比電極一起形成 在下部襯底上，因此可以防止注入到酶反應(yīng)物層的生物樣品中所含的溶解酵 從工作電極或參比電極上被沖洗掉。另外，當制造生物傳感器時，可以防止 酶反應(yīng)物層從下部絕緣襯底或絕緣膜上剝離。另外，由于模擬電極由與工作 電極和參比電極相同的材料制成，因此不需要另外的步驟在下部絕緣襯底上 形成模擬電極。
另外，由于在與樣品的注入方向垂直的方向、在與樣品注入?yún)^(qū)不同的層 上、在上部襯底上形成有排氣區(qū)，可以有效地排出空氣及吸收樣品，因此增 加了樣品的吸收率。另外，本發(fā)明提供了不同的解決方案以防止樣品從排氣
區(qū)流出。
在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，對本發(fā)明做出各種修改和變化 對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，本發(fā)明意在涵蓋所附權(quán)利要 求書及其等價物的范圍內(nèi)對本發(fā)明的修改和變化。
權(quán)利要求
1、一種用于測定樣品所含的分析物的生物傳感器，該生物傳感器包括下部絕緣襯底，該下部絕緣襯底具有形成在其上的、通過引線與引線端子相連的工作電極和參比電極，以及形成在所述電極上以與樣品中所含的分析物反應(yīng)的酶反應(yīng)物層；間隔物，該間隔物位于所述下部絕緣襯底和上部絕緣襯底之間并附著于下部絕緣襯底和上部絕緣襯底，并且具有樣品引入?yún)^(qū)以引導樣品經(jīng)過酶反應(yīng)物層而到達電極；和上部絕緣襯底，該上部絕緣襯底通過間隔物而面向所述下部絕緣襯底，其中所述下部絕緣襯底上形成有模擬電極，該模擬電極與所述工作電極和參比電極分隔開，同時固定所述酶反應(yīng)物層并且不與所述引線相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，各個所述電極由碳、石 墨、鉬-碳、銀、金、鈀或鉑制成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述模擬電極在所述工 作電極和參比電極之間形成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述模擬電極靠近所述 工作電極或參比電極而形成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述模擬電極形成在形 成有酶反應(yīng)物層的所述下部絕緣襯底的端部上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述下部絕緣襯底上形 成有絕緣膜，以使所述工作電極、參比電極和模擬電極彼此之間絕緣。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器，其中，所述上部絕緣襯底上形 成有排氣區(qū)，以使通過在所述間隔物上形成的樣品引入?yún)^(qū)而與樣品吸附在一 起的空氣排出。
全文摘要
公開一種用于測定樣品中所含的分析物的生物傳感器，該生物傳感器包括下部絕緣襯底，該下部絕緣襯底具有形成在其上的并通過引線與引線端子相連的工作電極和參比電極，以及形成在電極上以與樣品中所含的分析物反應(yīng)的酶反應(yīng)物層；間隔物，該間隔物所述下部絕緣襯底和上部絕緣襯底之間并附著于下部絕緣襯底和上部絕緣襯底，并且具有樣品引入?yún)^(qū)，以引導樣品經(jīng)過酶反應(yīng)物層而到達電極；和上部絕緣襯底，該上部絕緣襯底通過間隔物而面向下部絕緣襯底，其中，下部絕緣襯底上形成有模擬電極，該模擬電極與工作電極和參比電極分隔開，同時固定酶反應(yīng)物層并且不與引線相連。
文檔編號G01N27/403GK101191783SQ20071000562
公開日2008年6月4日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者劉珍雅, 李星東, 梁丁允, 石洪成, 裵柄宇, 金知秀 申請人:因福皮亞有限公司