酶生物电化学传感芯片及其制备和使用方法技术

一种酶生物电化学传感芯片及其制备和使用方法，属于分析检测技术领域。包括：由导电绝缘材料制成的一绝缘底片；一主电极，该主电极附着在绝缘底片上；一辅助电极，附着在绝缘底片上，并且与主电极相对应；用于将主电极以及辅助电极与电子装置电连接的并且带有接点的导电线路，该导电线路附着在绝缘底片上；一试剂层，该试剂层全部或者部分覆盖在主电极和辅助电极的表面；一个带有一开口的并且由导电绝缘材料制成的中间层，该中间层覆盖在主电极和辅助电极上；一同样由导电绝缘材料制成的表面覆盖层，该表面覆盖层覆盖在所述的中间层上。优点：酶生物电化学传感芯片设计合理，可以有效提高生物芯片及其产品使用的可靠性和测量准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于鉴定和定量检测液体中特定溶质的一种酶生物电化学传感芯 片，同时还涉及该生物电化学传感芯片的制备和使用方法。更具体地说，本专利技术涉及一种 通过电化学的方法测量酶催化的氧化还原反应产物，进而实现对诸如血液、血清和组织液 (interstitials fluid)之类的液体试样中的溶质成分进行鉴定和定量检测的生物芯片， 同时本专利技术还涉及该酶生物电化学芯片的制备和使用方法。属于分析检测
，分析 检测
包括但不限于医疗保健、环境保护和食品生产与安全等等。
技术介绍
酶生物电化学传感器(英文名称为enzymatic electrochemical biosensor〈也 称enzymatic bioelectrochemical sensor 是一种新型的分析检测仪器设备，其核心部 件是酶生物电化学传感芯片(以下简称生物芯片)。生物芯片的基本工作原理是通过与一 个电子装置联用，测量一个工作电极(也称为主电极)和一个反电极或者一个工作电极和 一个参比电极(反电极及参比电极也统称为辅助电极)之间的由被检测成分所参与的氧化 还原反应所产生的电信号(例如电流、电容或者电位差等)，然后利用被检测成分与所测量 的电信号之间的关联性(例如标定方程式)进而完成对被检测成分的定量检测。工作电极 表面一般附有包含一种或一种以上的生物酶的试剂层，该试剂层可以与被检测成分发生酶 催化的氧化还原反应。由于酶通常具有强选择性，可以避免试样液体中其它组分的干扰，从 而实现检测的准确性和高精确度。通常，这种酶催化的氧化还原反应还需要一种电子受体 分子(electron receptor)的介入以促进酶的反应活性中心(reactive centre)与工作电 极的导电表面之间的电子转移。第一代生物芯片使用分子氧作为电子受体分子，通过测量 氧分子的减少或过氧化氢的产生来实现对被检测成分的定量分析，通常稳定性差和/或易 受其它成分干扰(文献I生物芯片在心血管手术过程中的监护〈N. Y. Ann, Acad. Sci，1962， 102，P29-45〉文献II 一种用于电流法测量葡萄糖含量的酶生物芯片〈Anal. Chim. Acta, 1973,64, P439-455〉；文献III 电流法酶生物芯片的电子转移机理<J Anal. Cgem. 2000， 366，P560-568>)。如今，电介体(mediator)作为一种电子受体分子已经在生物芯片中得到 广泛应用，并且可以与酶一起加入到工作电极表面的试剂层中。反电极或参比电极可以同 工作电极一样带有相同的试剂层；也可以是由其它材料制成，例如Ag和AgCl的混合物等 等。这类生物芯片具有精确度高，选择性强，速度快，体积小，造价低，操作简单和使用便利 等特点。因此在众多领域都拥有巨大应用潜力和发展前景。在酶生物电化学传感器的开发和应用方面，用于血液葡萄糖检测的血糖检 测仪(SMBG)已取得了巨大的成功，并有许多专利发表，例如美国专利旧4，999，582、 US5, 128，015、US5，670，03UUS5, 698，083、US5，582，697、US5，628，890、US2008/0011059A1、 US5, 628，890和US6，475，372等等。以前述的血糖检测仪为例，由于其可帮助患者进行自我 血糖检测，从而为糖尿病的日常病情监测，控制和治疗提供了帮助，取得了显著的经济和社 会效益。用于血糖水平测量的生物芯片必须能提供精确可靠的测试结果，以便用户(糖尿4病患者、医生或者护士等)能根据测试结果采取正确的措施(例如食谱、胰岛素或其它用药 剂量等)。所以，不精确的测试结果有可能导致对患者的伤害。为此，酶生物电化学传感器 产品研究与开发的主要挑战之一是如何确保生物芯片的可靠性和测量准确性。在生物芯片的使用过程中，有时由于各种各样的原因工作电极不能由液体试样所 充分覆盖，例如液体试样加样不足、加样时的人为错误或者产品制造过程中造成的工作电 极表面瑕疵或污染等。由于生物芯片被测量的电子信号直接与其工作电极的表面大小有 关，因而导致不准确的测试结果。为应对这一问题，人们在生物芯片的设计中采取了各种各 样的方法和措施以提高生物芯片使用的可靠性，例如前面提及的美国专利US5，582，697，美 国专利US5，628，890和美国专利US2008/0011059A1都提出在一个工作电极和一个参比电 极之外，再增加一个额外的电极，以测定生物芯片的加样状态，并防止加样不足时给出错误 结果。然而这些方法增加了与生物芯片共用的电子装置的复杂程度，也不利于降低生物芯 片的制造成本。另一个导致酶生物电化学传感器产生不准确测试结果的可能原因是生物芯片的 产品缺陷。这可能是在生物芯片的制备过程中所产生的，或者是由偶然的损伤所造成的， 等等。据本专利技术人所知，到目前为止许多已商业化的生物芯片，特别是用于血糖检测的生 物芯片，除了加强产品(生物芯片)的生产质量管理外并无有效的应对措施。美国专利 US2008/0011059A1描述了一种带有两个工作电极的生物芯片设计，并提出利用两个工作电 极的电信号之间的差别来进行自动验错。如前所述，这个方法要求使用额外的工作电极，并 且有增加产品成本的缺点。另一个利用生物芯片测量体液(例如血液)中的成分(例如葡萄糖)遇到的问 题是检测结果通常受体液中其它成分的干扰，特别是血球比率效应(hematocrit effect) 0 血球比率的影响主要是由于生物芯片的电信号直接与电化学氧化还原反应中反应试剂和/ 或产物(包括被检测成分、电介体和生物酶等等)的扩散速率有关，而血球则会阻挡它们的 扩散。结果，生物芯片的电信号通常随着血球比率的增高而显著减小，从而影响测量结果的 准确性。为此，人们提出了各种各样的方法来纠正或减小血球比率的干扰。一个例子是美 国专利US5，628，890描述了一种在工作电极之上附有多层滤网的生物芯片，并申称这种结 构可以减小血球比率效应。然而，使用多层滤网结构生物芯片的制造工艺复杂，并且增加了 材料费用。另一个例子是美国专利US6，475，372描述了一种工作电极和参比电极表面相向 而配置的生物芯片，并且提出了测试过程中快速切换电流方向，进而计算扩散速率和校正 血球比率。然而，这个方法不能用于工作电极和参比电极配置在同一平面之上的生物芯片， 并且要求开发和使用带有非常复杂的数据处理和算法(algorithm)的电子装置。在生物芯片领域，有时电极被制成相互交错排列的微电极列阵(interdigitated micro-electrode arrays)，主要用于监测细胞、DNA的变化和状态(参见参考文献 13-16)，或提高生物芯片检测低浓度试样时的灵敏度(参见参考文献17-21)。美国专利 US7, 276，146描述了一种用于血糖检测的微电极列阵，以缩短检测时间，并提高信号与噪音 比。这种电极的尺寸(如宽度)一般都要求在100微米以下，以利于在两个电极之间快速 实现电化学氧化还原反应的稳态(steady state)。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种酶生物电化学传感芯片及其制备方法，可与电子装 置联用而对诸如血液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种酶生物电化学传感芯片，其特征在于包括：由导电绝缘材料制成的一绝缘底片（１０１）；一主电极（１０２），该主电极（１０２）附着在所述绝缘底片（１０１）上；一辅助电极（１０３），附着在所述的绝缘底片（１０１）上，并且与所述的主电极（１０２）相对应；用于将所述主电极（１０２）以及所述辅助电极（１０３）与电子装置电连接的并且带有接点的导电线路（１０４），该导电线路（１０４）附着在所述的绝缘底片（１０１）上；一试剂层（１０５），该试剂层（１０５）全部或者部分覆盖在所述的主电极（１０２）和所述的辅助电极（１０３）的表面；一个带有一开口的并且由导电绝缘材料制成的中间层（１０６），该中间层（１０６）覆盖在所述的主电极（１０２）和辅助电极（１０３）上；一同样由导电绝缘材料制成的表面覆盖层（１０７），该表面覆盖层（１０７）覆盖在所述的中间层（１０６）上。

【技术特征摘要】
一种酶生物电化学传感芯片，其特征在于包括由导电绝缘材料制成的一绝缘底片(101)；一主电极(102)，该主电极(102)附着在所述绝缘底片(101)上；一辅助电极(103)，附着在所述的绝缘底片(101)上，并且与所述的主电极(102)相对应；用于将所述主电极(102)以及所述辅助电极(103)与电子装置电连接的并且带有接点的导电线路(104)，该导电线路(104)附着在所述的绝缘底片(101)上；一试剂层(105)，该试剂层(105)全部或者部分覆盖在所述的主电极(102)和所述的辅助电极(103)的表面；一个带有一开口的并且由导电绝缘材料制成的中间层(106)，该中间层(106)覆盖在所述的主电极(102)和辅助电极(103)上；一同样由导电绝缘材料制成的表面覆盖层(107)，该表面覆盖层(107)覆盖在所述的中间层(106)上。2.根据权利要求1所述的酶生物电化学传感芯片，其特征在于所述的试剂层(105)与 所述的主电极(102)以及辅助电极(103)所在的平面之间增设有一个具有开口的用于控制 所述主电极(102)以及辅助电极(103)的电极表面与试剂层(105)相接触的接触面积的绝 缘层(108)。3.—种如权利要求1所述的酶生物电化学传感芯片的制备方法，其特征在于包括以下 步骤1)准备绝缘底片(101)、中间层(106)的材料和表面覆盖层(107)的材料；2)在绝缘底片(101)上制备由导电材料形成的主电极(102)、辅助电极(103)以及具 有接点的导电线路(104)；3)配制用作试剂层(105)的溶液、分散液、浆料或油墨；4)用配制的溶液、分散液、浆料或油墨计量附着在位于绝缘底片(101)上的主电极 (102)以及辅助电极(103)的电极表面并且在电极表面形成试剂层(105)；5)由绝缘底片(101)携表面附有试剂层(105)的主电极(102)和辅助电极(103)与中 间层(106)和表面覆盖层(107)复合，得到带有毛细管或微型通道的进样流道和检测区间 的酶生物电化学传感芯片。4.根据权利要求3所述的酶生物电化学传感芯片的制备方法，其特征在于所述的绝缘 底片(101)选用由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、 聚氨酯或聚氯乙烯中的任意一种或者一种以上的混合物所制成的片材或薄膜，所述附着在 绝缘底片上的主电极(102)、辅助电极(103)和具有接点的导电线路(104)由相同材料或不 同材料制成，所述试剂层(105)的主要化学成分为生物酶和电介体，所述生物酶为葡萄糖 脱氢酶、葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶或胆固醇脱氢酶、β-羟(基)丁酸脱氢酶、乳酸脱氢 酶或酒精脱氢酶，所述电介体为铁氰化钾、钌或锇的化合物、苯醌或者有机颜料，所述中间 层(106)为绝缘双面胶，所述表面覆盖层(107)为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁 二醇酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丹，
申请(专利权)人：刘丹，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]