一种改进试剂结晶形态的生物传感器
阅读：3发布：2022-01-10
专利汇可以提供一种改进试剂结晶形态的生物传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种改进 试剂 结晶形态的 生物 传感器 ，从下至上依次包括绝缘 基板 、 电极 系统、中隔层和 覆盖 层 ；所述电极系统至少包括 工作电极 和 对电极 ；所述电极系统上固定至少覆盖工作电极的检测试剂；所述中隔层在样本通道及反应室区域镂空；所述覆盖层和中隔层及绝缘基板构建成反应室及进样毛细通道；所述反应室具有透气孔；所述检测试剂的组成包含具有 氨 基的化学物质。本发明在检测试剂组分中加入具有氨基的化学物质后，能有效消除或降低检测试剂 固化 后的“咖啡圈”现象，使检测试剂在电极系统上的形态更加均匀、细致和一致，显著提升了 生物传感器 产品测试精 密度 性能。特别是以六氨三氯化钌为 电子 介体的检测试剂，本发明的效果非常显著。，下面是一种改进试剂结晶形态的生物传感器专利的具体信息内容。
1.一种改进试剂结晶形态的生物传感器，从下至上依次包括：绝缘基板、电极系统、中隔层和覆盖层；所述电极系统至少包括工作电极和对电极；所述电极系统上固定至少覆盖工作电极的检测试剂；所述中隔层在样本通道及反应室区域镂空；所述覆盖层和中隔层及绝缘基板构建成反应室及进样毛细通道；所述反应室具有透气孔；其特征在于，所述检测试剂的组成包含具有氨基的化学物质。
2.根据权利要求1所述的一种改进试剂结晶形态的生物传感器，其特征在于，所述的具有氨基的化学物质的化学通式如下：
上述化学通式的R1、R2、R3可变基团包括H、烃基、酰基以及烃基的衍生物、酰基的衍生物。
3.根据权利要求2所述的一种改进试剂结晶形态的生物传感器，其特征在于，所述的R1、R2、R3可变基团的两个或全部三个基团形成环状。
4.根据权利要求2所述的一种改进试剂结晶形态的生物传感器，其特征在于，所述的具有氨基的化学物质包括氨基酸、咪唑及咪唑衍生物。
5.根据权利要求1所述的一种改进试剂结晶形态的生物传感器，其特征在于，所述的具有氨基的化学物质在检测试剂配制溶液中的浓度为1mM～500mM。
6.根据权利要求1或5所述的一种改进试剂结晶形态的生物传感器，其特征在于，所述的具有氨基的化学物质在检测试剂配制溶液中的浓度为10mM～100mM。
一种改进试剂结晶形态的生物传感器
技术领域
背景技术
[0002] 生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。
[0003] 电化学生物传感器已经被广泛应用于体外诊断领域，这些仪器系统能检测体液中的生理物质，方便医生对病人状况分析和诊断，也有一些仪器系统应用到家庭使用，方便病人的自我监控，这些生理指标包括血糖、胆固醇、尿酸、甘油三酸酯、乳酸、酮体、酶类等。目前生物传感器已经被广泛应用于临床检测中，其中最普及的例子是便携式血糖测试系统。
[0004] 目前的生物传感器测试片通常有以下几个部分组成：绝缘基板，作为产品的载体；构建在绝缘基板上的电极系统，至少包括工作电极和对电极；固定在电极系统上的检测试剂；中隔层，反应室及进样通道处开口，覆在电极系统上；覆盖层，覆盖在中隔层上，和基板、中隔层一起构成反应室。
[0005] 临床使用的生物传感器产品的精密度性能非常重要，其中工作电极上的检测试剂结晶形态是否一致直接影响了产品的精密度性能。但是，目前检测试剂结晶形态技术上普遍存在的难题是“咖啡圈”现象，特别是采用六铵三氯化钌为电子介体的检测试剂，具体表现是试剂固化后边缘高中间低、或者形态呈花斑状、颗粒粗不均匀，直接导致试剂在电极上分布厚薄不均、反应不一致，是产品进一步提升精密度性能的主要障碍之一。
发明内容
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种改进试剂结晶形态的生物传感器，可用于检测样本中特定物质浓度或活性，其组成包含：绝缘基板；构建在绝缘基板上的电极系统，所述的电极系统至少包括工作电极和对电极；固定在电极系统上且至少应该覆盖工作电极的检测试剂；构建在电极系统上方的中隔层，所述的中隔层在样本通道及反应室区域镂空；设在中隔层上方的覆盖层，所述的覆盖层和中隔层及绝缘基板构建成反应室及进样毛细通道，样本可通过毛细虹吸作用自动进样；所述的反应室应有透气孔，以便形成虹吸作用；其中，所述的检测试剂的组成包含具有氨基的化学物质。
[0008] 绝缘基板是生物传感器的载体。本发明中，绝缘基板优选的是具有一定挺度的柔性塑料片材，包括但不限于PET、PP、PVC、亚克力等材料。目前有多种商业化的产品可供选择，如Dupont公司 ST 504、ST 339等。
[0010] 中隔层，构建在电极系统上方，反应室区域镂空，结合覆盖层形成了反应室即进样通道。所述的中隔层的厚度为0.025mm～0.5mm，作为优选，中隔层的厚度为0.075mm～0.125mm。中隔层材料可以是带基材或不带基材的胶带，加工好后粘合上去；也可以是胶或聚合物浆料，通过丝网印刷上去；如电极上无其他绝缘材料隔开，中隔层的材料必须是良好的绝缘材料。
[0011] 覆盖层，在中隔层上方，和中隔层、绝缘基板构建成反应室及进样通道，以便通过虹吸作用自动进样。覆盖层可使用PET材料，优选透明的亲水处理过的材料，透明能帮助用户容易确认反应区进样状态，亲水能使进样更为顺畅，非反应室区域可以不透明，印刷进样标志和Logo，可用的商业化材料有Adhesives Research,Inc的 92804、Coveme公司Kemafoil HHNW、3M公司的9971等。
[0012] 透气孔，反应室应有透气孔，以便形成虹吸作用，透气孔通过覆盖层或绝缘基板进样通道尾端区域打孔实现，也可通过中隔层在进样通道尾端区域留出通气口实现。
[0013] 检测试剂是生物传感器核心技术之一。检测试剂固定在电极系统的上面，应至少覆盖工作电极。检测试剂可以通过点液、丝网印刷、喷墨打印、夹缝挤出等技术加工固定到电极上。检测试剂包含酶、电子介体、缓冲液、表面活性剂、多聚物等组分。酶的作用是特异性的和被检测物反应；电子介体从酶和被检测物的反应中获取电子，并扩散到电极上释放电子，并形成信号，该信号可以被测试仪捕获；缓冲液保证一个合适的反应环境；表面活性剂能够优化反应条件，并促进样本扩散；多聚物能形成网架结构，并一定程度上固定酶。
[0014] 本发明的主要特征是检测试剂中包含具有氨基的化学物质，该物质具有的化学通式如下：
[0015]
[0016] 上述化学通式的R1、R2、R3可变基团包括不限于H、烃基、酰基以及烃基的衍生物、酰基的衍生物，R1、R2、R3基团的两个或全部三个基团可以形成环状。该化学通式中典型的物质包括氨基酸(如丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、赖氨酸等)、咪唑及咪唑衍生物。
[0017] 发明人研究发现，检测试剂中加入具有氨基的化学物质后，能有效消除或降低检测试剂固化后的“咖啡圈”现象，使检测试剂在电极系统上的形态更加均匀、细致和一致，显著提升了生物传感器产品测试精密度性能。特别是以六氨三氯化钌为电子介体的检测试剂，本发明的效果非常显著。
[0018] 本发明中，具有氨基的化学物质在检测试剂配制溶液中的浓度可以为1mM～500mM，优选10mM～100mM。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0020] 本发明在检测试剂组分中加入具有氨基的化学物质后，能有效消除或降低检测试剂固化后的“咖啡圈”现象，使检测试剂在电极系统上的形态更加均匀、细致和一致，显著提升了生物传感器产品测试精密度性能。特别是以六氨三氯化钌为电子介体的检测试剂，本发明的效果非常显著。
[0022] 图1A和图1B分别是本发明的一种改进试剂结晶形态的生物传感器的结构分解示意图和结构完整示意图。
[0023] 图2是本发明的一种改进试剂结晶形态的生物传感器的电极系统结构示意图。
[0024] 图3是对照例1的检测试剂结晶形态图。
[0025] 图4是本发明实施例1的检测试剂结晶形态图。
[0026] 图5是本发明实施例2的检测试剂结晶形态图。
[0027] 图6是本发明实施例3的检测试剂结晶形态图。
[0028] 图7是本发明实施例4的检测试剂结晶形态图。
[0029] 图8是本发明实施例5的检测试剂结晶形态图。
[0030] 图9是本发明实施例6的检测试剂结晶形态图。
[0031] 图10对照例1的反应曲线图。
[0032] 图11本发明实施例1的反应曲线图。
[0033] 图12本发明实施例2的反应曲线图。
[0034] 图13本发明实施例3的反应曲线图。
[0035] 图14本发明实施例4的反应曲线图。
[0036] 图15本发明实施例5的反应曲线图。
[0037] 图16本发明实施例6的反应曲线图。
具体实施方式
[0038] 下面结合实施例和附图，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
[0039] 在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
[0040] 实施例中的生物传感器测试片构成说明：
[0041] 绝缘基板，材质包括但不限于PET、PP、PVC、亚克力中的一种。
[0042] 电极系统，构建在绝缘基板上。电极系统包括第一对电极、工作电极、第二对电极，第一对电极、工作电极、第二对电极从进样口到反应通道远端依次排列。电极的材料包括但不限于石墨、银、金、铂、钯、ITO、IZO中的一种，可以通过丝网印刷、真空溅镀结合激光加工等工艺构建在绝缘基板上。
[0044] 中隔层构建在电极系统上方，反应室区域镂空，结合覆盖层形成了反应室即进样通道。所述的中隔层的厚度为0.025mm～0.5mm，作为优选，中隔层的厚度为0.075mm～0.125mm。中隔层的材料可以是带基材或不带基材的胶带，加工好后粘合上去；也可以是胶或聚合物浆料，通过丝网印刷上去；如电极上无其他绝缘材料隔开，中隔层的材料必须是良好的绝缘材料。
[0045] 覆盖层，在中隔层上方，和中隔层、绝缘基板构建成反应室即进样通道，以便通过虹吸作用自动进样。覆盖层可使用PET材料，优选透明的亲水处理过的材料，透明能帮助用户容易确认反应区进样状态，亲水能使进样更为顺畅，非反应室区域可以不透明，印刷进样标志和Logo，可用的商业化材料有Adhesives Research,Inc的 92804、Coveme公司Kemafoil HHNW、3M公司的9971亲水膜等。
[0046] 反应室应有透气孔，以便形成虹吸作用，本发明实施例的透气孔通过覆盖层进样通道尾端区域打孔实现。
[0047] 对照例1
[0048] 生物传感器的结构如图1A、图1B和图2所示。绝缘基板100上构建电极系统200；所述的电极系统200包含三个电极：第一对电极201、工作电极202、第二对电极203，电极采用碳电极，通过在绝缘基板100上丝网印刷碳浆固化形成；电极系统上方固定检测试剂300，检测试剂至少覆盖工作电极，通过点胶机分配检测试剂溶液到电极上干燥制作；中隔层400采用双面胶材料，厚度选用0.1mm，中隔层通过激光雕刻或模具切割镂空制作出进样通道及反应室开孔，中隔层贴合在电极系统上；覆盖层500采用透明亲水片材，通过激光雕刻或模具切割在对应反应室末端为主制作出透气孔501，覆盖层500贴合在中隔层上，覆盖层和中隔层及绝缘基板构建成反应室及进样通道401，可通过虹吸作用自动进样；然后使用机器压紧制成完整的生物传感器测试片600，中隔层400开孔的一端为进样口601，电极系统200的每条电极引线向生物传感器测试片另外一端延伸形成连接触脚602，连接触脚端插入检测仪器端口，每条电极的连接触脚会和端口内对应的触点相连。
[0049] 其中检测试剂300先配制成水溶液，其成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0050] 实施例1
[0051] 实施例1的生物传感器结构同对照例1，只是检测试剂组分不同。
[0052] 检测试剂水溶液成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，50mM咪唑(阿拉丁试剂I108707)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0053] 实施例2
[0054] 实施例2的生物传感器结构同对照例1，只是检测试剂组分不同。
[0055] 检测试剂水溶液成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，50mM L-苏氨酸(阿拉丁试剂T108221)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0056] 实施例3
[0057] 实施例3的生物传感器结构同对照例1，只是检测试剂组分不同。
[0058] 检测试剂水溶液成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，50mM L-脯氨酸(阿拉丁试剂P108709)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0059] 实施例4
[0060] 实施例4的生物传感器结构同对照例1，只是检测试剂组分不同。
[0061] 检测试剂水溶液成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，50mM L-丝氨酸(阿拉丁试剂S103483)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0062] 实施例5
[0063] 实施例5的生物传感器结构同对照例1，只是检测试剂组分不同.
[0064] 检测试剂水溶液成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，10mM L-丝氨酸(阿拉丁试剂S103483)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0065] 实施例6
[0066] 实施例6的生物传感器结构同对照例1，只是检测试剂组分不同.
[0067] 检测试剂水溶液成分如下：100mM磷酸钠缓冲液(pH为7.0)，1.2％(w/v)甲基纤维素(Sigma M6385)，0.5％(w/v)聚乙二醇4000(Sigma 95904)，0.5％(w/v)Triton X-100(Aladdin T109026)，100mM L-丝氨酸(阿拉丁试剂S103483)，1.86％(w/v)六氨合三氯化钌(CMI 8015)，2000U/mL葡萄糖氧化酶(BBI Solutions GO3A)。检测试剂水溶液使用点胶机分配固定到生物传感器测试片的电极系统上，每条生物传感器测试片分配1.0uL检测试剂水溶液，然后置于60摄氏度烘箱中10分钟干燥。
[0068] 测试例
[0069] 使用肝素抗凝的静脉全血，调配成贯穿0～700mg/dL区间的7个葡萄糖浓度水平的样本，其中低浓度样本可以通过血样放置糖酵解获取，高浓度样本可通过加入高浓度葡萄糖溶液调制，实际调配的浓度为：0mg/dL、58.4mg/dL、115.7mg/dL、174.2mg/dL、291.5mg/dL、432.6mg/dL、645.6mg/dL。将上述对照例1及实施例1-6的7种生物传感器测试片在测试仪器上进行测试比对，仪器工作电极和对电极的电位差设置为0.30V，每种试片每个浓度样品测试5条，测试结果采用5秒电流。
[0070] 实施例1-6和比较例1的测试结果见图3～图16和如下表1-7。
[0071] 表1：对照例1测试结果
[0072]
[0073] 表2：实施例1测试结果
[0074]
[0075] 表3：实施例2测试结果
[0076]
[0077] 表4：实施例3测试结果
[0078]
[0079] 表5：实施例4测试结果
[0080]
[0081] 表6：实施例5测试结果
[0082]
[0083] 表7：实施例6测试结果
[0084]
[0085] 从表1～表7可以看出，实施例1-6的除0浓度外，变异系数均值比对照例1显著降低(0浓度因数值太低，变异系数相对变化太大，不纳入比对)，对照例1变异系数均值为3.1％，实施例变异系数均值为1.0％～2.0％，可见本发明能有效改善生物传感器试片的测试精密度。
[0086] 图3～图9为对照例1及实施例1-6的检测试剂结晶形态图。可见对照例1的“咖啡圈”现象显著，检测试剂形态非常不均一；而六个实施例的检测试剂结晶形态良好、均一一致，无显著“咖啡圈”现象。
[0087] 图10～图16为对照例1及实施例1-6的7个浓度测试反应曲线图。可见对照例同一浓度反应曲线离散性较大，说明对照例的生物传感器的精密度不是非常理想；而六个实施例的同一浓度反应曲线非常一致，说明本发明的生物传感器的精密度得到了显著改善。
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