一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及电化学生物传感器技术领域，尤其是涉及一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器及其制备方法。

背景技术

近些年一些生活方式的改变造成慢性病病人的快速增加，为了加强对病情的监控管理，患者对居家监测系统，即仪器和电化学传感器的需求逐年提高，通过加强对如血糖、尿酸、血酮等指标的监控，及时了解自身的身体状况，并以此作为参考调整自己的饮食结构或方便医生据此进一步监控数据调整用药剂量。因此，在疾病日常监控中这类一次性传感器的准确性和精密度十分重要，同时必须易于批量生产，价格低廉。目前市场上大多数电化学传感器都是采用丝网印刷工艺生产，即在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）等材质的基板上通过丝网印刷碳、银、金等导电材料形成电极系统，再在电极的反应区滴上一定量的反应试剂，试剂成膜后再在反应区上方由中隔层、覆盖层形成检测通道，最后形成产品。检测时，体液与通道内的反应试剂发生反应并产生可以被检测到的信号，仪器根据信号得出检测结果。

反应试剂能否定量且均匀成膜影响检测通道内参与反应的反应试剂量和在电极上的膜的厚度，从而影响体液进样后试剂的复溶速度和反应速率，进而影响传感器准确性和精确度。在生产过程中我们发现会出现反应区反应试剂不充满或溢出的现象，待反应试剂成膜后，对于反应试剂不充满的情况会导致膜的厚度不均匀的问题，对于反应试剂溢出的情况会导致反应试剂量不足和/或膜的厚度不均匀的问题，若能解决这些问题，则电化学传感器的测试准确性和精密度都会得到进一步的提高。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器及制备方法，可解决反应试剂不充满或溢出导致反应试剂量不足、成膜厚度不均匀，进而导致测试准确性和精密度的问题。

本发明提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器，包括基底、电极系统和保护层，电极系统上设有可与特征物质发生反应的反应试剂，其特征在于，所述保护层部分缺失以形成缺失部，所述缺失部中设有由至少一个箍筋构成的箍，所述箍包括至少一个界面和空腔，所述箍通过界面对反应试剂边缘的作用力使反应试剂在空腔内均匀成膜，所述作用力为拉力和/或推力。

更进一步的，所述箍由亲水性材料构成。

更进一步的，所述箍筋的数量为N，N≥1。

更进一步的，所述箍包括第一界面和第二界面；更进一步的，所述第一界面由亲水性材料构成，第二界面由疏水性材料构成。

更进一步的，所述箍与所述保护层缺失部的边缘之间设有疏水部。

更进一步的，所述界面的厚度为0.1~1mm，所述界面的高度为40～100um。

更进一步的，所述第一界面的高度小于所述第二界面的高度。

本发明提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供一基底；

在基底上设置电极系统；

在电极系统上设置具有缺失部的保护层；

将箍设置在电极系统之上，从所述缺失部可以看到所述箍，在箍的空腔中设置反应试剂。

更进一步的，还包括步骤，在所述缺失部边缘与所述箍之间设置疏水部。

更进一步的，所述箍的设置方式为打印、印刷、喷涂、涂布、溅射等任何之一，或者任意两种，或者两种以上方式相结合。

更进一步的，所述箍设置完成后再向其第一界面喷涂亲水性材料，向其第二界面喷涂疏水性材料。

本发明提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的应用，包括：

提供一种含有所述选定特征物质的体液；

提供前述的一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器或者一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的制备方法制备而成的电化学传感器；

所述体液与所述电化学传感器上的，所述箍的空腔中成膜的反应试剂混合，所述选定特征物质与反应试剂发生反应；所述电化学传感器输出所述选定特征物质的信号。

更进一步的，还包括液体通过在所述电化学传感器的基底之上设置中隔层和覆盖层以形成的进样通道进入传感器内部与反应试剂混合。

本发明的有益效果为：1、通过箍的设置解决反应试剂不充满或溢出的问题，将反应试剂定位限制在的空腔中，使反应试剂能够足量且均匀在空腔中成膜，提高测试的准确性和精密度；2、亲水性第一界面和疏水性第二界面的设置在提供反应试剂拉力的同时提供推力，使反应试剂能够在两个力的共同作用下仅在空腔中均匀成膜；3、箍外侧疏水部的设置阻止反应试剂与保护层缺失部边缘的接触的同时，提供反应试剂推力，防止反应试剂溢出而导致无法定量成膜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的其中两种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的结构示意图。

图2为本发明其中之一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的结构示意图。

图3为现有技术提供的电化学传感器的结构示意图。

图4为本发明箍的具体结构示意图。

图5为本发明箍的其中四种结构示意图。

图6为本发明其中之一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器（以下简称电化学传感器或传感器）。

如图1-6所示，本发明提供的一种电化学传感器，包括基底1、电极系统2和保护层3，所述基底1是电化学传感器的载体，本发明中，基底优选为绝缘的，具有一定硬度的塑料片材，包括但不限于PVC、PET、PC；所述电极系统2设置在基底1上，至少包括对电极和工作电极，电极系统2的材料可以是石墨、金、银等任意导电物质的一种或组合，电极系统2可通过现有技术中的任何电极设置方式得到，特别的，可以通过丝网印刷等工艺设置在基底1上；所述保护层3设置在电极系统2上方，保护层3的部分区域缺失以形成缺失部31，保护层3可通过现有技术中的任何方式得到，特别的，可以通过丝网印刷等工艺构建在电极系统2上方；所述缺失部31设置在保护层3的一端，电极系统2之上，设有一箍33，从缺失部31中可以看到所述箍33，所述箍33包括多种形态，箍33包括至少一个界面和空腔32，当向传感器设置反应试剂时，反应试剂被定位限制在空腔32中，反应试剂包括但不限于葡萄糖反应试剂、酮体反应试剂、乳酸反应试剂、尿酸反应试剂等，其中所述界面由亲水材料构成，反应试剂的边缘被界面的亲水拉力牢牢抓住，从而在空腔32中均匀成膜；更进一步，所述界面包括第一界面35和第二界面36；在一些实施例中，所述第一界面35由亲水性材料构成、第二界面36由疏水性材料构成，从而亲水的第一界面35的边缘能够牢牢抓住反应试剂边缘，于此同时疏水的第二界面36将反应试剂边缘往空腔32中心推动，使反应试剂在拉力和推力的作用下均匀受力并在空腔32中成膜，成膜厚度更加可控。第一界面35与第二界面36间具有一定的厚度，厚度优选为0.1~1mm。第一界面35与第二界面36的高度可以相同也可以不相同，优选的，第二界面36的高度大于第一界面35的高度，从而第二界面36对反应试剂的推力作用更强，第一界面35和第二界面36的高度优选为40～100 um。箍33由至少一个箍筋34构成，箍筋34之间的缝隙越小，反应试剂定量稳定成膜的效果越好，最优为由单个无缝隙圆形箍筋34构成的箍33。

所述箍33的第二界面36与保护层缺失部31的边缘相互重叠或相互分离，如图1（b），缺失部31的边缘与箍33的第二界面36相互重叠。优选的，所述箍33的第二界面36与保护层缺失部31的边缘相互分离，并在之间设有疏水部，所述疏水部给予反应试剂向空腔32的推力与箍33界面提供的亲水拉力相互配合使反应试剂在空腔32中定量均匀成膜。疏水部的设置给予箍33向空腔方向的推力，与箍33的拉力作用配合使反应试剂在空腔中定量均匀成膜。

本发明提供的保护层3上有缺失部31，缺失部31位于电极系统2上方，箍33置于缺失部31所在的位置中。

本发明所述的电化学传感器还包括中隔层4、覆盖层5，覆盖层5设置在中隔层4上方，覆盖层的材料优选为亲水性材料，可以加速体液的均匀扩散。覆盖层5、中隔层4和基底1构成进样通道，所述覆盖层5在进样通道的远端开设了通气孔51，以便形成虹吸作用。

所述中隔层4设置在电极系统2、保护层3的上方，中隔层4中部镂空或形成缺口，镂空或缺口位于保护层缺失部31的上方，体液可在通气孔51的毛细虹吸作用下，通过覆盖层5、中隔层4、基底1形成的通道进入电化学传感器中与空腔32中的反应试剂混合。

在一些实施例中，包含选定特征物质的体液也可以不通过进样通道进入传感器，直接通过滴加的方式滴加在反应试剂上与反应试剂混合，选定特征物质与反应试剂发生反应输出反应信号，所以也可不构建进样通道。

实施例1

本实施例提供了一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器（以下简称电化学传感器或传感器）。

如图1（a）所示，一种电化学传感器包括基底1、电极系统2和保护层3，保护层3的部分镂空形成缺失部31，缺失部31的形状为周长无缝隙的圆形，所述基底1是电化学传感器的载体，本实施例中，基底为PVC材料；所述电极系统2设置在基底1上，包括对电极21和工作电极22，电极系统2由导电材料构成，特别的为碳油墨，电极系统2通过丝网印刷工艺设置在基底1上；所述保护层3设置在电极系统2上方，且从保护层3的镂空部分形成的缺失部31可以看到电极系统2的部分，所述缺失部31在电极系统2上方。电极系统2上设有一箍33，用于容纳反应试剂，所述反应试剂为葡萄糖反应试剂，从缺失部31可以看箍33，所述箍33包括空腔32、第一界面35和第二界面36，所述箍33的形状为封闭的圆环形，所述箍33的第一界面和第二界面的高度均为50um，所述第一界面和第二界面之间的厚度为0.3mm，所述箍33的第一界面由亲水材料构成，对反应试剂作用拉力，第二界面由疏水材料构成，对反应试剂作用推力，反应试剂在第一界面的拉力和第二界面的推力作用下在空腔32中均匀受力成膜，形成厚度均一的反应膜。所述箍33的第二界面与缺失部31的边缘不重叠或者也可以重叠，当所述箍33的第二界面与缺失部31的边缘不重叠时，所述箍33的第二界面与缺失部31的边缘之间的空隙为空白基底或者设置疏水性质的疏水部。

本实施提供的覆盖层5设置在中隔层4上方，覆盖层5的材料为亲水膜，可以加速包含选定特征物质的体液的均匀扩散。所述覆盖层5、中隔层4和基底1构成进样通道，所述覆盖层5在进样通道的远端开设了通气孔51，以便形成虹吸作用。

本实施提供的中隔层4构建在电极系统2、保护层3的上方，中隔层4中部形成缺口，露出电极系统2的部分，选定特征物质的体液可通过覆盖层5、中隔层4、基底1构成的通道，在通气孔51的毛细虹吸作用自动进样。

实施例2

本实施例提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器，如图2所示，除了箍33的第一界面和第二界面为矩形之外，其余均与实施例1相同。

实施例3

本实施例提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器，如图4、图5（b）所示，与实施例1相比，其区别在于，保护层3部分缺失以形成缺失部31，所述缺失部31延伸至端部边缘形成缺口，缺失部31中设置箍33，所述缺失部31边缘与箍33之间设有疏水部，所述箍33由一个一端开口的箍筋34构成，所述箍33具有第一界面和第二界面，所述第一界面由亲水材料构成，高度为50um，所述第二界面由疏水材料构成，高度为70um， 第一界面与第二界面间的厚度为0.2mm，反应试剂在箍33的第一界面亲水拉力作用下，在第二界面和疏水部的疏水推力作用下，在空腔32中均匀受力成膜，形成厚度均一的反应膜。

实施例4

本实施例提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器,如图5（c）所示，与实施例1相比其区别在于，所述箍33包括4个箍筋34；如图5（d）所示，所述箍33包括n个箍筋34,n≥1。所述箍33的第一界面和第二界面的高度不限定，优选的为40～100 um，所述第二界面的高度等于第一界面、或者小于第一界面、或者大于第一界面，所述第一界面和第二界面间的厚度不限定，优选为0.1~1mm。

实施例5

本实施例提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器,与实施例1相比其区别在于，所述箍33的第一界面和第二界面均为亲水材料，所述缺失部31的第二界面与箍33的第二界面不重叠。更进一步的，所述缺失部31边缘与箍33第二界面之间设置有疏水部。

对比例

本对比例提供了一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器，如图2所示，除了不具有箍33、与箍33相关的其他设置、疏水部之外，其余均与实施例1相同。

实施例6

本实施例提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供基底1，在基底1上设置电极系统2，例如通过打印、印刷、涂布、溅射等任何之一的方式或者两种或两种以上方式相结合的方式进行设置，特别的，采用丝网印刷的方式将导电材料以一定的图案设置在基底1上。

在电极系统2上设置保护层3，例如例如通过打印、印刷、涂布、溅射等任何之一的方式或者两种或两种以上方式相结合的方式进行设置，特别的，采用丝网印刷的方式将绝绝缘材料以一定的图案设置在电极系统2上。

当采用丝网印刷的方式将绝缘材料以一定的图案设置在电极系统2上时，所述箍33的图案可以被设置在保护层3的缺失部31中，与保护成一起被印刷到电极系统2上。

或者箍33在保护层3被设置在电极系统2上前或后单独被设置在电极系统2之上，使从所述缺失部31可以看到所述箍33，例如通过打印、印刷、喷涂、涂布、溅射等任何之一的方式，或者任意两种，或者两种以上方式相结合的方式进行设置。

在箍33的空腔32中设置反应试剂，例如采用滴加的方式或涂布的方式将一定量的反应试剂设置在箍33的空腔32中成膜。

在箍33所在一端的上方构建中隔层和中覆盖层，覆盖层位于中隔层上方，从而基底、中隔层、覆盖层一起形成进样通道。

在一些实施例中，无需形成进样通道，则无需设置中隔层和覆盖层。

在一些实施例中，在所述缺失部31的边缘和所述箍33之间设置疏水部。

在一些实施例中，箍33被设置在电极系统2上后，向箍33的第一界面和第二界面分别喷涂或涂布相同性质或不同性质的材料，例如，向第一界面喷涂亲水性材料向第二界面喷涂疏水性材料。

实施例7

本实施例提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的应用，包括以下步骤：

准备如实施例1-5所述的任意一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器、或者由实施例6制备的一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器；

提供一种含有选定特征物质的体液，通过直接施加在箍的空腔中与反应试剂混合，或者通过由基底、中隔层、覆盖层共同形成的进样通道进入传感器内部与反应试剂混合；

体液与设置在进样通道中的反应试剂混合，反应试剂是已经在箍的空腔中成膜的，体液中选定的特征物质与反应试剂发生反应，电化学传感器输出选定特征物质与反应试剂的反应信号给检测仪器，仪器根据收到的信号进行分析计算得出测试结果。

实验例

用各实施例和对比例中所述的电化学传感器去检测分析物，其中被检测分析物为葡萄糖，具体结果如表1、表2、表3、表4、表5所示。其中，可通过电化学传感器的成膜异常率来衡量电化学传感器是否可以将反应试剂限定在箍33的空腔中，被限制在空腔中的反应试剂若不出现异常则电化学传感器测试的准确性越高，那么生产过程中的成膜异常率越低，整个批次的电化学传感器的整体准确性越高，葡萄糖浓度是指配制的待检血液中含有的葡萄糖的浓度；电流是指采集自检测开始第5秒时的电流值，血糖与电流值之间具有线性关系，第5秒时的电流值可以间接反映葡萄糖浓度，第5秒时电流的变异系数反映传感器的精密度。实验中所用实施例1的所述箍33的第二界面与缺失部31的边缘不重叠且空隙为空白基底。

表1 反应试剂成膜异常率

表2实施例1电流测试结果

表3实施例2电流测试结果

表4实施例3电流测试结果

表5对比例1电流测试结果

从表1中数据看出，实施例相比于对比例而言，对比例成膜异常率为3.9%，而采用本发明提供一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的制备方法制备的电化学传感器，成膜异常率小于3.9%，因此本发明提供的电化学传感器检测准确性更高。

从表2~5中数据可以看出，实施例相比于对比例而言，在0-605mg/dL葡萄糖浓度区间，第5秒的电流的变异系数在0.4~5.2%以内，而对照例第5秒的电流的变异系数在1.9-6.9%之间，并且在每个葡萄糖浓度下，实施例的变异系数均优于对比例，可见采用本发明提供的一种测定体液中选定特征物质的电化学传感器的精密度更优，本发明能提高传感器的精密度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。