专利名称：一种用于超微量样品检测的生物传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型提供了一种新颖的传感器，特别是提供了一种可用于定量分析或检测微量液体样品中特殊生物化学成分的电化学传感器。
技术背景众所周知，保持血糖水平稳定对人体健康具有十分重要的作用。血糖浓度过高或过低都会给人的健康造成危害。特别是对于糖尿病患者，每天需要进行1～4次血糖水平检测。因此，家用便携式血糖检测仪器或装置成为市场或产品研究与开发的热点。随着对血糖检测系统研究的不断深入，用于检测血糖水平的生物传器在检测的准确度和灵敏度上均有很大的改善。
在各种不同类型用于血糖检测的生物传感器中，目前使用最为普遍的是一种在电极上复合有反应酶和传递介质的电化学传感装置。使用该装置检验血糖时，需要将一定量的待检血液样品滴加在传感器的反应区内，以使血液在传感器的感应部分充分发生电化学反应，最后在电极上产生可测量的电流信号并通过信号转化作为血糖浓度数据显示出来。
然而，现有的血糖检测装置所需要的血液样品一般均不少于3微升。这些血液样品大多是从被检者的肢体末梢部分如指尖或耳垂皮下通过针刺采集的。为了获得足量的血液样品，常常需要挤压皮肤穿刺部位，而这些部位又是神经末梢分布较多的痛觉敏感部位。一般说来，需要的血液量越多，被采血者的痛感也越明显。因此，为了减轻被检者的痛苦，应尽可能地减少采血量。另一方面，由于检测传感器要求将采集到的血液样品均匀地涂布在传感器的反应区内，因此也增加了操作难度和样品的需要量。
此外，现有的传感器的反应区一般是依靠重力，以平面扩散的方式使血液覆盖到传感器的反应区内。因此，由于操作不当，某些使用者往往不是没有使血液扩散到特定的反应区内，就是因滴加过量的血液致使溢出反应区，导致检测结果不准确，或者造成操作者的手或传感器上或其他器具的血液污染。
因此，为了克服上述缺点和弊病，有必要对现有的家庭用血糖检测传感器作进一步的改进，以减少装置的血液样品需要量和使用者的痛苦，同时提高检测的准确性。
本实用新型的内容本实用新型的一个目的是提供一种能够微量定量并快速吸取样品的传感器，其特征在于传感器的顶部和两侧边缘处各留有一条缝隙。所说的缝隙为液体(血液)和气体(空气)进入传感器内部提供了多方向通道。当极少量(≤5微升)的液体(血液)样品接触缝隙时，这些样品即可通过传感器顶部和两侧边缘缝隙的毛细吸收作用快速均匀地扩散到感应区。
根据本实用新型的优选实施方案，特征在于所说的缝隙长度不小于0.5毫米，并且其宽度在不大于0.5毫米。
根据本实用新型的优选实施方案，特征在于通过所说的缝隙进入传感器感应区的血液样品体积小于3微升，并且血液样品在传感器感应区的扩散面积小于30平方毫米。
由于缝隙的长度、宽度和扩展面积都是特定的，因此其所能够吸纳的样品的体积也是一定的。这样，既达到了快速并且基本上定量地吸取样品，又可大大减少样品的使用量和因为多量采血给被检者带来的痛苦。另外，由于所说的缝隙可以存在于传感器的顶部或侧面边缘，所以即使使用(操作)者滴加样品的方向和角度不够准确，也可使样品从不同的方向和角度通过缝隙吸入到感应区，从而保证了检测结果的准确性，以及重复检测的可再现性。
本实用新型的生物传感器特别适用于微量定量样品的检测与分析，并且特别适合于老年人或儿童使用。


图1显示用于血糖检测的电化学传感器的基本结构。其中三个基本层自下至上依次是电极层11、绝缘层12和覆盖层13。
图2显示图1所示电化学传感器之电极系统的基本结构。
图3是图1所示电化学传感器之电极系统的矢状断面图(侧面观)。
图4显示以葡萄糖生理盐水溶液(5mmol/L)作为被检样品时，不同的样品体积对所产生的响应信号的影响。
图5显示使用本实用新型的传感器检测葡萄糖生理盐水溶液中葡萄糖浓度的结果，与使用贝克曼全自动生化分析仪检测结果间的相符性。
具体实施方式
本实用新型提供了一种具有快速吸取样品和微量定量功能的传感器，特征在于所说的传感器的顶部和两侧边缘处各留有一条缝隙。基于其这一特殊结构，采自被检者的血液样品可以通过所说的缝隙并借助其所造成的毛细现象，在较宽范围内将待检血液样品快速而均匀地“吸入”传感器内部的感(反)应区。
一般说来，开设于传感器的顶部和两侧边缘处的缝隙的长度不小于0.5毫米，宽度在不大于0.5毫米，并且所需要的样品量(体积)仅为0.5-3微升。因此，本实用新型的传感装置在很大程度上减少了血液样品用量和由此给使用(被检)者带来的痛苦。同时，本实用新型对检测传感器的上述改进也简化了加样操作并提高了检测的可重复性和准确性。
本实用新型改进的检测传感器特别适用于微量和超微量样品的检测与定量分析。例如可用于检测血糖、血脂、血型、尿酸等人体生化指标的检测与定量分析。
以下以检测血糖的电化学传感器为例，结合附图详细描述本实用新型传感装置的结构特征、工作原理及使用。
如图1所示，检测血糖的电化学传感器主要是由电极层11、绝缘层12和覆盖层13三部分相互叠加复合而成的多层结构。
电极层主要是由导体连接的检测电极组成。其中检测电极位于传感器的生物电化学反应区，是用来与被检样品起化学或电化学反应的检测体系。检测电极通过导体将检测到的信号传递到信号分析与转化系统，并将信号作为被检物浓度输出或记录下来。
图2显示了图1所示电化学传感器之电极系统的基本结构。该电极系统可以由工作电极211、参比电极212、对电极213三部分构成(如图2中21所示)。或者，也可以由工作电极221和具有参比电极作用的对电极222两部分构成(如图2中22所示)。
检测电极一般是由不同性质的电化学电极材料制作，参比电极最常用的为银/氯化银材料，工作电极和对电极常用导电碳材料；或者有的情况下，工作电极和对电极采用同样的金属膜材料，如镍、金或铂等。导体则一般是具有导电性高的金属膜或导电碳黑制成。
电极层11可以通过印刷或蒸镀或其他物理沉积的方法形成所需要的结构或图形。由于不同的电极之间需要绝缘，所以电极层通常是涂覆或沉积在绝缘并且耐腐蚀的基质材料上。通常根据电极层的制作工艺选择基质材料，所说的基质材料例如可以是含PVC、PVP等的各种塑料或聚酯板等。
绝缘层12一般由不导电的黏合剂或粘性涂料或双面具有粘合性的材料构成，其作用在于将电极层与覆盖层结合起来，并保证覆盖层盖上去后在电极反应区形成0.5mm以下厚度的缝隙(也参见图3)。
由图3可以看出，所说的绝缘层可覆盖住一部分导体，同时留出电极反应区31，以便与样品接触并在该区域发生电化学反应。另外，由于绝缘层的存在，可使电极层和覆盖层在反应区形成一条空隙通道(参见图2之23、24、25)。一般说来，空隙的高度主要是由绝缘层的厚度决定的。
覆盖层13一般是由非蔬水、绝缘、耐腐蚀材料如PVC、PVP等塑料或聚酯板材料制成的。该层用于覆盖整个电极条，其中有部分导线突出于覆盖层13之外，以便与检测装置形成电接触。电极条反应端的三个侧面(参见图2之23、24、25)均可作为加样位置，因此可从多方向汲取样品。
用于血糖检测的电化学传感器是基于酶学检测原理，使用一次性干试剂电极条制作的。作为构成传感器的必要元件，检测电极条预包被了一定量的葡萄糖氧化酶。当血液滴加到反应目标区时，电极条上含有的葡萄糖氧化酶将血液中的葡萄糖转化成葡萄糖酸，同时通过电化学反应介质(详见下述)将氧化反应中产生的电子传递到电极表面。这一电化学过程中所产生的电流的大小与血液中含有的葡萄糖量成严格的正比例关系，因此，可根据反应系统中产生的电流的大小直接推算出血中葡萄糖的准确含量。
为了促成电化学反应的发生，或必须有各种反应介质的参与。涂敷于电极层反应区的电极反应液主要包括具有电子传递功能的电化学反应介质、反应底液以及少量添加剂。电化学反应介质通常选用铁氰化钾、氯化亚铁、二茂铁及其衍生物，或其他有机或无机氧化还原物质。反应底液一般是缓冲溶液，其酸碱度或离子强度应为酶促反应提供最佳条件。添加剂一般是起稳定或固定化氧化酶并具有表面活化作用的适当溶液。
下列实施例旨在进一步举例说明本实用新型改进的检测传感器的技术特征、制作和使用方法及其优点。
实施例实施例1用于血糖检测的电化学传感器的制作本实施例简要描述血糖检测传感器的制作方法。首先使用丝网印刷的方法将含导电碳材料的油墨印制在PVC硬纸板上。然后，以套印方法将银/氯化银油墨和碳油墨连接起来。以底部的导电碳条作为工作电极，并与起参比电极作用的对电极银/氯化银条并列形成反应电极区。其余部分的导电碳条主要起导电作用，顶部的导电碳条则是用来与检测电流信号的电流发生装置形成电连接的接触区。碳线和银/氯化银线的宽度约1.5mm，总长约20mm。
将特定形状的双面胶带作为绝缘层覆盖在电极层上，在电极条的底部形成约30平方毫米的反应区(如图2中的31所示)。然后将与电极条形状匹配的覆盖层粘在绝缘层上，并留出一段导线做与仪器相连的接触线。最后将含有酶和电化学反应介质的反应液(1微升)通过电极底部的通道涂覆在反应区内。于40℃下将使反应液烘干(3分钟)，从而完成了可一次性使用的干试剂电极条的制作。
其中，以含有1.6％(W/V)葡萄糖氧化酶，0.8％(W/V)二茂铁乙酸，0.05％(W/V)聚乙二醇和0.02％(W/V)Triton X-100的50mM磷酸钠缓冲盐溶液(pH＝6.9)作为反应溶液。
实施例2样品体积对血糖检测传感器的响应信号的影响本实施例以葡萄糖生理盐水溶液(5mmol/L)作为被检样品，比较说明不同体积样品对测试响应信号的影响(参见图4)。从图4可见，在2.0～0.5微升待检溶液存在下，响应信号几乎没有随样品体积的变化而变化。如果待检溶液的体积小于0.5微升，信号强度则有所下降。据此，可将电极所能吸收的最小样品体积定为约0.5微升。实验结果表明，当样品体积超过0.5微升时，同一样品的测试结果不会出现统计学上有意义的显著差异。这说明在一定的样本体积范围内的测试结果上没有显著偏差，而最小的体积即是能够全部覆盖电极表面的体积。所以，只要能保证电极表面完全均匀地覆盖，形成一个足够薄的反应层，即可保证检测结果的一致性，同时也可减少样本用量并且便于取样。
另外，我们用依据本实用新型的传感器检测不同浓度葡萄糖生理盐水溶液中的葡萄糖浓度，并与使用贝克曼全自动生化分析仪进行同样检测的结果相比较。线性分析结果证实，在0-40mmol/L的葡萄糖浓度范围内，同一份样本在本实用新型的血糖电化学传感器上的检测结果与在生化仪上的检测结果间的线性相关系数为0.994(参见图5)。
该实验清楚地表明，本实用新型的电化学传感器完全可以在减少待检样品使用量并因此而减轻使用者痛苦的前提下，快速而准确地检测和定量分析包括血糖在内的多种生化物质。
权利要求1.一种能够快速吸取样品微量定量检测的传感器，其特征在于传感器的边缘处留有一条构成液体和气体进入传感器内部的多方向通道的缝隙。
2.根据权利要求1的传感器，特征在于所说的边缘是传感器顶部和两侧边缘。
3.根据权利要求1的传感器，特征在于所说的液体是血液。
4.根据权利要求1的传感器，特征在于所说的气体是空气。
5.根据权利要求1的传感器，特征在于所说的缝隙长度不小于0.5毫米，并且其宽度在不大于0.5毫米。
6.根据权利要求1的传感器，特征在于通过所说的缝隙进入传感器感应区的血液样品体积小于3微升，并且血液样品在传感器感应区的扩散面积小于30平方毫米。
专利摘要本实用新型提供了一种新颖的传感器，特别是提供了一种用于定量分析或检测微量液体样品中特殊生物化学成分的电化学传感器，特征在于所说的传感器的顶部和两侧边缘处各留有一条构成液体和气体进入传感器内部的多方向通道的缝隙。本实用新型的电化学传感器可以在减少待检样品使用量并因此而减轻使用者痛苦的前提下，快速而准确地检测和定量分析包括血糖在内的多种生化物质。
文档编号G01N27/327GK2641649SQ03206939
公开日2004年9月15日 申请日期2003年7月31日 优先权日2003年7月31日
发明者周旻, 郑清中, 张济岳, 卢方 申请人:英科新创(厦门)科技有限公司