CN103454321B - 生物传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物传感器和制造生物传感器的方法。生物传感器包括绝缘性底板、电极系统、反应试剂和绝缘层。绝缘层覆盖部分电极系统，并在反应试剂所在的位置处形成一个没有绝缘层的封闭区域，绝缘层围成的封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界，反应试剂覆盖该封闭区域，并不超出该封闭边界。生物传感器还包括辅助扩散电极。由于采用了不具尖角的封闭边界和辅助扩散电极，能减少试剂的边缘效应，能均匀地将试剂分布在电极的相应区域，有效控制反应试剂的用量，降低产品成本。本发明所述的制造方法简单。

Description

生物传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于检测生理指标含量的生物传感器及其制造方法。

背景技术

近年来，从最初利用临床实验室样本检测到只需在医生办公室或患者身边即可实现快速检测，医学保健检测领域发生了巨大变化。带有电极系统的一次性生物传感器经常被用于快速检测当中。以糖尿病患者的日常葡萄糖检测为例，现在患者只需在家中利用一次性生物传感器进行检测，就可获得被测患者当时的葡萄糖水平，帮助患者及时了解自身的身体状况并据此调整自己的饮食结构，或到医院让医生根据日常监控的数据对用药剂量进行调整。因此在疾病日常监控中这类一次性生物传感器的准确性显得尤为重要。

这类带有电极系统的生物传感器可以用于各种物质的检测，根据被分析物的不同，在电极系统上添加的反应试剂也不同。例如测定血液中葡萄糖含量的生物传感器，首先是将葡萄糖氧化酶等反应试剂添加在工作电极上，当血液样品滴加在工作电极时，由于酶反应试剂溶解在血液中，血液中的葡萄糖就会与工作电极上的氧化酶发生反应，电子受体随之还原。酶反应结束后，将还原的电子受体电化学氧化，通过计算氧化电流值得到样品中葡萄糖的含量。

这类生物传感器的基本结构包括：一个绝缘底板；在该绝缘底板上具有电极系统，该电极系统至少包括工作电极和对电极；含有依据样品中被测物质含量而产生可测信号的反应试剂覆盖在至少一个工作电极上；一个由隔离层形成的检测样品通道，该样品通道位于工作电极和对电极之上，检测样品经过该通话时与通道内的反应试剂反应并产生可以被检测到的信号。仪器根据该信号，得出检测结果。

通道内参与和检测样品反应的反应试剂的量对检测结果具有很大的影响。因此，如何精确地控制参与反应的反应试剂的量是本领域的一大技术难题。参与反应的反应试剂的量等于样品通道的面积乘以反应试剂层的厚度，因此，精确地控制同一批次生产的不同产品之间的样品通道的尺寸和控制反应试剂厚度均一性是主要需要解决的问题。

精确地控制样品通道的尺寸可以通过提高模具的精度和选用合适的材料来解决，但控制反应试剂厚度的均一性是一个相对较难解决的技术问题。

如美国专利US7655119的图1所示，在电极上添加一个带有长方形试剂扩散控制区18的绝缘板16，所述长方形试剂扩散控制区暴露出需要添加反应试剂的电极部分即电极的活性区域，反应试剂滴加在此控制区18中并与电极接触，而电极的其他非参与反应的部分由于有盖板16的遮盖，而不会有试剂添加在上面，这样反应试剂就被限定在工作电极所需要的位置。我们发现以这样的方式添加反应试剂时，经常会出现所添加的反应试剂不能完全覆盖整个长方形区域的现象，例如试剂不能到达长方形扩散控制区的四个顶角端。这也就意味着同一批次生产的产品，其反应试剂覆盖的面积不相等。在滴加的反应试剂体积相等的情况下，同一批次生产的产品的反应试剂的厚度就会存在偏差，因此，参与反应的反应试剂量也会不相等。所以，利用这些产品进行检测所得到的检测结果就会不准确。采用这类方法在电极上添加反应试剂时，有时会出现更为严重的不良现象，即反应试剂不仅不能盖满整个长方形区域，甚至有部分试剂溢出了长方形试剂扩散控制区的两侧边。

用生物传感器对样品进行测试时，通常只需要很小的样品量，例如只需要0.5微升到1微升的液体量。生物传感器也被制作成很小的结构，覆盖在电极上的反应试剂就更小了。在提高测试准确性的研究中，人们并没有注意到反应试剂在这么小面积的电极上扩散情况呈现多样性，并且这些多样性对测试结果的影响。人们往往从电极的结构、电极的材料选用、测试方法学以及测试仪上做研究以提高生物传感器的检测准确性。而我们注意到当采用长方形试剂扩散控制区控制反应试剂在电极上的分布时，长方形控制区的面积很细小，试剂会因为表面张力作用在长方形控制区的凹槽中形成一个半球形液滴状，造成电极上的试剂厚度不均匀，形成中间厚周围薄的结果，特别是涂覆区的边缘有不均匀或反应试剂集中在电极活性区域的中心部位的现象。而半球形液滴状边缘表面张力的存在又阻止了试剂进一步向周围扩散，从而出现试剂边缘和四个顶角之间留出试剂空白区现象，即四个顶角处不能被反应试剂填满。以这样的方式生产出来的生物传感器会出现有的传感器上的电极活性区域被反应试剂均匀盖满了，而有的电极活性区域的顶角没有反应试剂或覆盖的厚薄不均一。电极某些部位没有反应试剂会导致部分样品没有参与反应，电极上所覆盖的反应试剂厚薄不均一会使反应速率发生的变化不符合预先设定的方式，这些都会导致检测结果的不准确。

又如中国200480023924.8专利中并不采用绝缘板遮盖添加试剂的方法，而是通过模缝涂布头直接将反应试剂涂布在电极上，创建连续的试剂条。由于涂布的试剂面积很大，甚至包括了并不需要添加反应试剂的部分。这会造成试剂的浪费，增加产品成本。另一方面，由于绝缘性底板的表面张力作用，使得试剂在其上的扩散会受到一定的阻力，这种阻力妨碍了反应试剂在电极系统上的均匀扩散，使反应试剂到达不了预先设定的位置。

由于用于检测人类的血液中葡萄糖浓度的生物传感器尺寸非常小，检测机制非常复杂，而且采用的血液样品量通常介于0.3－1.0微升之间，因此目前的技术水平只能得到相对准确的检测结果。美国食品与药品监督局（FDA）对用于检测人类的血液中葡萄糖浓度的生物传感器的法定要求是：只要95%以上的检测结果与标准葡萄糖浓度的正负偏差在20%以内，产品即被认为合格。由此可见，提升用生物传感器检测人类血液中葡萄糖浓度准确性的技术难度非常高。

国际糖尿病联盟（IDF）的2011年统计数据显示，全球糖尿病患者目前已增至3.66亿人，预计在20年内将达到近6亿人。在中国，糖尿病的患病率在近10年翻了近两倍。在2010年，中国成人糖尿病患病率为9.7%，糖尿病患者已达1亿4千多人。由于基数巨大，即使测试准确率仅提高1%，那么，在全球将会减少360万人次的误诊，全球将有360万人从中获益，这将带来相当大的经济效益和社会效益。

医学专家提醒，糖尿病为非传染性疾病的重要组成部分，如不加以合理监测和治疗，糖尿病患者的长期高血糖状态可致全身多系统的损害，引起各种急慢性并发症，例如心血管疾病、糖尿病肾病、糖尿病神经性病变、糖尿病视网膜病变等。因此，测试的准确性非常重要，它能有效保证患者和医生及早发现病情变化，及时修订用药剂量和饮食习惯，防止患者长期处于高血糖状态，避免可怕并发症的发生。反应试剂在电极上是否正确分布是一个被人们忽视却又是保证整个测试结果准确的关键因素之一。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的目的之一是提供一种具有反应试剂精确定位且用量少的生物传感器，该生物传感器，包括绝缘性底板和位于绝缘性底板上的电极系统，在电极系统上包含有可与检测样品发生反应的反应试剂和绝缘层，该绝缘层覆盖部分电极系统，但在反应试剂所在的位置处形成一个没有绝缘层的封闭区域，反应试剂位于该封闭区域内的电极部分之上，所述由绝缘层围成的封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界，反应试剂覆盖该封闭区域，并且不超出该封闭边界。

作为本发明的进一步改进，所述封闭边界的形状为圆形、椭圆形、两个相对的椭圆形或四个顶角为圆弧形的矩形。

作为本发明的进一步改进，反应试剂恰好填充满所述封闭区域，反应试剂覆盖区域的面积与封闭区域的面积相等。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘层的厚度为1-50微米。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘层的厚度为3-30微米。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘层的材料为疏水性材料。

作为本发明的进一步改进，在电极系统之被检测试剂覆盖的电极部分的二侧还各包括一个辅助扩散电极，所述辅助扩散电极与被检测试剂覆盖的电极部分并排排列。

本发明的目的之二是提供一种制造生物传感器的方法，包括：

1）在绝缘性底板上形成电极系统；

2）在电极系统上形成一个绝缘层，该绝缘层覆盖部分电极系统，并形成一个没有绝缘层的封闭区域，该封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界；

3）向所述封闭区域添加反应试剂，使反应试剂覆盖该封闭区域，但不超出该封闭区域的封闭边界；

4）干燥所述反应试剂。

作为本发明的进一步改进，所述封闭区域的封闭边界是圆形、椭圆形或四个顶角为圆弧形的方形。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘层的厚度为3-30微米。

本发明的目的之三是提供一种生物传感器，包括绝缘性底板和位于绝缘性底板上的电极系统，在电极系统上包含有可与检测样品发生反应的反应试剂，其特征在于，所述的电极系统包括用于检测的功能性电极和用于控制反应试剂扩散的辅助扩散电极，功能性电极位于辅助扩散电极之间。

作为本发明的进一步改进，包括至少两个辅助扩散电极。

作为本发明的进一步改进，所述至少两个辅助扩散电极分别位于功能性电极的外侧。

作为本发明的进一步改进，辅助扩散电极和功能性电极之间的距离，正好使添加在功能性电极上的反应试剂的前端能触碰到该辅助扩散电极。

作为本发明的进一步改进，功能性电极包括工作电极、对电极和参考电极，这些功能性电极与辅助电极并排排列，并且大致相互平行。

作为本发明的进一步改进，所述辅助电极是二个，分别位于功能性电极的外侧。

作为本发明的进一步改进，包括覆盖部分电极系统的绝缘层，该绝缘层在反应试剂所在的位置处形成一个没有绝缘层的封闭区域，反应试剂位于该封闭区域内的电极部分之上，所述由绝缘层围成的封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界，反应试剂覆盖该封闭区域，并且不超出该封闭边界。

作为本发明的进一步改进，所述封闭边界的形状为圆形、椭圆形、两个相对的椭圆形或四个顶角为圆弧形的矩形。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘层的厚度为3-30微米。

本发明的有益效果是：通过大量的实验表明，本发明所述的生物传感器由于采用不具尖角的试剂扩散控制区的加样模式，有效地克服了反应试剂的边缘效应，使反应试剂能均匀地分布到电极的相应区域，从而可以准确地控制相同批次生产的生物传感器的反应试剂厚度的均一性，进而提高了检测结果的准确性。在生物传感器的生产过程中，所添加的反应试剂填充满与其形状相同的反应试剂添加区，避免了反应试剂添加区四个顶角未被反应试剂填满的现象。另一方面本发明所述的制造方法简单，无需经过复杂的步骤来控制反应试剂的用量。再一方面本发明的生物传感器的电极系统具有至少两个辅助扩散电极，该辅助扩散电极能够克服绝缘性底板的表面张力作用，使得试剂能在电极系统上顺畅均匀扩散，并到达预先设定的位置。且反应试剂也不会溢出预先设定的区域。

附图说明

图1是本发明第一种生物传感器；

图2A-2E是图1所示的生物传感器的生产步骤；

图3是图1所示的生物传感器的分解图；

图4是图1所示的生物传感器滴加反应试剂后的电极显微照片；

图5是本发明第二种反应试剂扩散控制层结构图；

图6是利用图5的结构滴加反应试剂后的电极显微照片；

图7是带有辅助扩散电极的生物传感器分解图；

图8是利用图7的结构滴加反应试剂后的电极显微照片；

图9是第三种反应试剂扩散控制层结构图；

图10是利用图9的结构滴加反应试剂后的电极显微照片；

图11是第四种反应试剂扩散控制层结构图；

图12是利用图11的结构滴加反应试剂后的电极显微照片；

图13是现有技术的生物传感器的分解图；

图14是利用图13的结构滴加反应试剂后的电极显微照片；

图15是利用本发明的生物传感器测定葡萄糖标准溶液的线性图；

图16是现有技术的生物传感器测定葡萄糖标准溶液的线性图。

图17是生物传感器与血样检测仪联合使用状态图。

图18是现有技术中检测试剂扩散情况的示意图。

图19是本发明中检测试剂扩散情况的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明进行详细的说明。这些具体的实施例仅仅是在不违背本发明精神下的有限列举，并不排除本领域的一般技术人员把现有技术和本发明结合而产生的其他具体的实施方案。

如图1至3所示的生物传感器100，包括绝缘性底板1，在绝缘性底板上包括有电极系统，电极系统包括工作电极2、对电极3和参考电极4。在电极系统的某些区域上覆盖着反应试剂扩散控制层5，该控制层5上包括具有开口的反应试剂扩散控制区6。反应试剂扩散控制层5是绝缘材料，因此，也称之为绝缘层，即在本专利申请中，反应试剂扩散控制层等同于绝缘层。反应试剂扩散控制区6的开口面积与需要添加在电极上的试剂面积相同并正好位于电极活性区域之上。所述的电极活性区域是指其上附着有反应试剂并能传递电子信号的那部分电极。在如图3所示的实施方式中，在反应试剂扩散控制层5之上具有带凹槽9的空间制造层7，上盖8覆盖在所述空间制造层7上并与空间制造层7的凹槽9形成了一个添加样品的样品通道10。上盖8还带有排气孔11，当样品通过毛细作用在通道内流动时，位于样品前端的气体通过排气孔11被排出通道，这样就保证了样品在通道内的顺利流动。

换一种方式说，本发明的生物传感器包括绝缘性底板1和位于绝缘性底板上的电极系统，在电极系统上包含有可与检测样品发生反应的反应试剂和绝缘层5，该绝缘层5覆盖部分电极系统，但在反应试剂所在的位置处形成一个没有绝缘层的封闭区域6（此封闭区域等同于反应试剂扩散控制区6），反应试剂位于该封闭区域6内的电极部分之上，所述由绝缘层围成的封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界，反应试剂覆盖该封闭区域，并且不超出该封闭边界。封闭边界的形状可以是圆形、椭圆形、两个相对的椭圆形或四个顶角为圆弧形的矩形等。在一个较佳的方案中，反应试剂恰好填充满所述封闭区域，反应试剂覆盖区域的面积与封闭区域的面积相等。绝缘层的厚度为1-50微米。绝缘层的厚度为3-30微米会更好。绝缘层的材料为疏水性材料。作为本发明的进一步改进，在电极系统之被检测试剂覆盖的电极部分的二侧还各包括一个辅助扩散电极，所述辅助扩散电极与被检测试剂覆盖的电极部分并排排列。

以上的方案通常被称为平行毛细加样技术。在另一个实施方式中，也可以采取垂直加样的方案，即，具有加样孔的上盖粘附在控制层5上，上盖的加样孔正好位于试剂扩散控制区上并与该控制区的开口面积相同或略小。也即当样品滴加在加样孔时，样品垂直流动与控制区内的试剂接触发生反应。

反应试剂扩散控制区6是不带有尖角的孔，添加的反应试剂在该控制区内扩散并能到达该控制区设定的所有区域。试剂扩散控制区的形状可以是带有圆弧形边的孔，例如圆形、椭圆形、葫芦形等形状。还可以是未出现尖角的其他形状，例如扩散控制区内四个顶角为圆弧形的四边形。通过大量的试验，我们惊奇地发现利用本发明所述的试剂扩散控制区，反应试剂被添加在电极上时可以形成扩散均匀、厚度一致的试剂层，并且试剂层盖满了电极的整个活性区域。

根据实际需要的试剂量来确定反应试剂扩散控制区6的深度和面积大小。在一个实施例中试剂扩散控制区的深度为1-50微米，较佳的深度是3-30微米，优选的深度为5-20微米。

当上盖8覆盖在所述空间制造层7上，与空间制造层7的凹槽形成了一个添加样品的通道10。为了能使样品顺利的流入通道并到达电极系统上，上盖8还带有加样通道10的排气孔11。

图2是制造本发明图3所示实施例的生物传感器的方法。但本发明所述的制造方法不限于图2所示步骤。

如图2A所示，提供一个绝缘底板1，并在绝缘性底板上添加电极系统，本实施例所述的电极系统包括工作电极2、对电极3和参考电极4。在另一个实施方式中，电极系统包括工作电极2、对电极3和参考电极4，还包括如图7所示的辅助扩散电极12。

绝缘底板1可以选用但不限于以下各种材料：碳、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯树脂和聚酯等绝缘性材料。在一个具体实施方式中，底板可用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成。所述底板厚度为3-10密耳，例如5 密耳（mil，密耳，长度单位，1密耳等于千分之一英寸，即0.0254毫米）的PET条带可以提供适宜的支撑，14密耳的PET白膜同样适用。当然，许多不同的厚度在本发明中也可起到很好的作用。绝缘底板为电极和电极导线提供支持。

换一种方式说，本发明的制造生物传感器的方法，包括下列步骤：

1）在绝缘性底板上形成电极系统；

2）在电极系统上形成一个绝缘层，该绝缘层覆盖部分电极系统，并形成一个没有绝缘层的封闭区域，该封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界；

3）向所述封闭区域添加反应试剂，使反应试剂覆盖该封闭区域，但不超出该封闭区域的封闭边界；

4）干燥所述反应试剂。

可以采用各种方式将电极放置在绝缘底板1上。这些方式包括但不限于丝网印刷、喷墨印刷、粘合剂粘合、平版印刷和激光雕琢法等。银或氯化银、石墨、钯、金、铂、铱不锈钢和其他合适的导电材料都可以作为电极的材料。电极也可以由这些材料组合而成，而并非单一的成分。例如，与反应试剂接触端的电极采用石墨，该电极的后端与检测仪器接触端采用银材料。

如图2B所示，当电极系统在绝缘底板1上干燥成形后，将反应试剂扩散控制层5放置在电极系统上，并且该控制层上的试剂扩散控制区6正好位于电极系统的活性区域上。反应试剂200被添加在试剂扩散控制区6内，并在电极活性区域上均匀扩散，并且实际覆盖在电极上的试剂面积与预选设定面积相同。

反应试剂扩散控制层5通过粘合、热封、超声焊接或碾压等方式被放置在电极系统上。反应试剂扩散控制层5选自疏水性的材料，例如选自绝缘的聚苯乙烯、绝缘的疏水性油墨或胶。所述的胶可以是双面胶、单面胶或转移胶等。在一个实施方案中，反应试剂扩散控制层5为一个双面胶材料，其一面可以将控制层粘附在带有电极系统的底板上，另一面与上盖8粘合或与空间制造层7粘合。

反应试剂中含有一种或多种用于检测液体样品中被分析物存在与否或其含量的化学成分。例如，电化学生物传感器的反应试剂包括氧化还原酶和电子接受体，二者用来检测样品并产生一种电子检测系统可测的反应产物。在检测血液中葡萄糖含量的实施方式中，反应试剂含有葡糖氧化酶、氯化六氨合钌（III）、 BSA、CaSO4 、TritonX-100和PVP等。通过丝网印刷、液体滴加、刮刀涂布和槽喷嘴的喷涂等工艺将反应试剂添加在电极上。

如图2C所示，当添加在电极上的反应试剂干燥后，将带有凹槽9的空间制造层7放置在具有电极系统和反应试剂的底板上。在带有反应试剂层的这一端，空间制造层覆盖住不与样品接触的电极部分，并将反应试剂层暴露在凹槽9中。空间制造层并没有覆盖住与带有反应试剂层的相对另一端的电极，使得这部分裸露的电极可以与检测仪器300上的接脚接触，如图17所示连接方式。空间制造层通过粘合、热封、超声焊接或碾压等方式被放置在电极系统上。其材料为绝缘疏水材料，例如粘合剂的材料。当空间制造层采用绝缘的聚苯乙烯时，可以在该层的两面均涂上粘合剂以粘附在试剂扩散控制层5和上盖8。在一个实施方式中，为使样品在凹槽中顺利流动，可以对凹槽9进行亲水处理，例如对凹槽的表面涂覆表面活性剂或等离子处理，赋予与样品接触的凹槽表面具有亲水性。

如图2D所示，将上盖8放置在空间制造层7之上，制得生物传感器。如图2E所示，上盖8覆盖在带有凹槽的空间制造层上后，使得凹槽9成为了样品进入生物传感器的通道10。样品从通道入口中进入生物传感器，并利用凹槽所形成的毛细管作用顺利进入并与反应试剂接触。上盖材料可以是绝缘的疏水材料或其他性质的材料。上盖8具有排气孔11，所述排气孔11位于凹槽9上方并远离样品通道入口端。

图7是本发明所述的另一种生物传感器100，包括绝缘性底板1，在绝缘性底板上包括有电极系统。所述的电极系统包括工作电极2、对电极3或参考电极4等功能性电极。在绝缘性底板上还包括辅助扩散电极12，该辅助扩散电极能协助滴加在功能性电极上的反应试剂在电极上迅速均匀地扩散。在需要添加反应试剂的电极系统的两侧具有辅助扩散电极。例如，功能电极位于辅助扩散电极之间，辅助扩散电极位于功能性电极外侧。辅助扩散电极与功能性电极之间的距离适中，该距离使滴加在功能性电极上的反应试剂的前端能触碰到该辅助扩散电极。

优先的方案中辅助扩散电极由多孔性材料制成，例如碳电极。本专利申请的发明人经过研究发现，电极材料的多孔结构会形成毛细管效应，使到达该电极的溶液在毛细管作用下在该辅助电极上迅速扩散，这种在辅助扩散电极上的扩散所产生的动力大于液体的表面张力作用，促使溶液在电极上的快速扩散达到预先设定的范围。因此，当反应试剂扩散后呈椭圆形状、近似椭圆形状、矩形、近似矩形或者其它的在某个方面的尺寸大于另一个方面的尺寸的形状时，在距离反应试剂扩散后的形状的中心点较远的位置处（比如椭圆长轴的二端点的外侧、矩形较短边的外侧）设置扩散性电极时，试剂在这个方向的扩散速度会比不设置扩散性电极的那个方向要快，因此，有利于使试剂在各个方向同时到达形状的轮廓边界，从而有利于提高试剂扩散的均匀性。为达到此目的，可以在试剂扩散速度相对较慢的任何位置处设置一个或者多个增加试剂扩散速度的辅助扩散电极。在另一个优选方案中，辅助扩散电极根据滴加溶液的性质，预先对辅助扩散电极做亲水处理。

如图7所述的实施方案中，生物传感器还包括在电极系统上覆盖有反应试剂扩散控制层5，该控制层5上包括具有开口的反应试剂扩散控制区6。试剂扩散控制区6的开口面积与需要添加在电极上的试剂面积相同并正好位于电极活性区域之上。在反应试剂扩散控制层5之上具有带凹槽9的空间制造层7，上盖8覆盖在所述空间制造层7上并与空间制造层7的凹槽9形成了一个添加样品的通道10。上盖8还带有排气孔11，当样品通过毛细作用在通道内流动时，位于样品前端的气体通过排气孔11被排出通道，保证了样品在通道内的顺利流动。

反应试剂扩散控制区6是不带有尖角的孔，添加的反应试剂在该控制区内扩散并能到达该控制区设定的所有区域。试剂扩散控制区的形状可以是带有圆弧形边的孔，例如圆形、椭圆形、葫芦形等形状。还可以是未出现尖角的其他形状，例如扩散控制区内四个顶角为圆弧形的四边形。

可以采用图2所示方法制造图7所示的生物传感器。在制造过程中，在图2A这一步添加电极系统的同时或之后或之前，辅助扩散电极12被添加在绝缘底板上。图7所示的生物传感器也可以用其他方法制造。

换一种方式说，本发明的生物传感器包括绝缘性底板1和位于绝缘性底板上的电极系统，在电极系统上包含有可与检测样品发生反应的反应试剂，所述的电极系统包括用于检测的功能性电极（2、3、4）和用于控制反应试剂扩散的辅助扩散电极（10、12），功能性电极位于辅助扩散电极之间。本发明包括至少两个辅助扩散电极。所述至少两个辅助扩散电极分别位于功能性电极的外侧。辅助扩散电极和功能性电极之间的距离，正好使添加在功能性电极上的反应试剂的前端能触碰到该辅助扩散电极。功能性电极包括工作电极、对电极和参考电极，这些功能性电极与辅助电极并排排列，并且大致相互平行。所述辅助电极是二个，分别位于功能性电极的外侧。包括覆盖部分电极系统的绝缘层，该绝缘层在反应试剂所在的位置处形成一个没有绝缘层的封闭区域，反应试剂位于该封闭区域内的电极部分之上，所述由绝缘层围成的封闭区域具有一个不具尖角的封闭边界，反应试剂覆盖该封闭区域，并且不超出该封闭边界。所述封闭边界的形状为圆形、椭圆形、两个相对的椭圆形或四个顶角为圆弧形的矩形。所述绝缘层的厚度为3-30微米。

下面再解释一下本发明的工作原理。

请参考图18。图18是现有技术中反应试剂扩散的一种情况。其中，标号200是扩散后的反应试剂，标号6是由绝缘材料围成的封闭区域（在本申请中又称之为反应试剂扩散控制区），标号7是空间制造层，标号9是空间制造层7所形成的凹槽，空间制造层7用于形成此凹槽9的侧壁与绝缘底板1和上盖8共同形成了样品通道10。经过研究和实验，我们发现，那些位于通道10之外的反应试剂（比如被空间制造层所覆盖的那部分试剂）基本上不参与和检测样品的反应，只有那些位于通道10内的反应试剂才参与和检测样品的反应，通道10内的反应试剂的量是影响检测结果的重要因素。因此，有效地减少同一批次生产的不同产品之间通道内的反应试剂的量的偏差将有利于提高这些产品的检测结果的准确性。

在现有技术中，由于由绝缘层形成的封闭区域6（在本申请中又称之为反应试剂扩散控制区）是方形、矩形等带尖角的形状，同一批次生产的不同产品在添加反应试剂时，反应试剂在封闭区域6内扩散后的形状差异性较大（因为反应试剂不容易覆盖所有的尖角区域），不同产品之间反应试剂扩散后的面积的差异性也较大，而添加的反应试剂总量基本上是相等的，因此，不同产品之间反应试剂扩散后的厚度存在较大的差异，从而导致通道10内的反应试剂的量存在较大的差异。即，不同产品之间，通道10内的反应试剂的量的一致性较差。这将导致用同一批次生产的不同的产品检测相同的样品，得到的检测结果偏差较大，从而导致检测结果不准确。

请参考图19。在本发明中，由于由绝缘层形成的封闭区域6（在本申请中又称之为反应试剂扩散控制区）是圆形、椭圆形或者其它不带尖角的形状，在添加液态的反应试剂时，反应试剂比现有技术更容易填充满整个封闭区域6，而不容易留下一些没有被反应试剂覆盖的“死角”。因此，同一批次生产的不同产品在添加反应试剂时，反应试剂在封闭区域6内扩散后的形状差异性较小（基本上与封闭区域的形状一致），不同产品之间反应试剂扩散后的面积的差异性也较小（基本上等于封闭区域的面积），而添加的反应试剂总量基本上是相等的，因此，不同产品之间反应试剂扩散后的厚度基本上是相等的，从而通道10内的反应试剂的量基本上是相等的。即，不同产品之间，通道10内的反应试剂的量的一致性较好。这将使得用同一批次生产的不同的产品检测相同的样品，得到的检测结果偏差较小，从而提高了检测结果的准确性。

在本发明之采用增加辅助电极的技术方案中，研究和实验结果表明：在反应试剂扩散时不容易到达（包括在预定的时间内经常不能到达和偶尔不能到达）或者比其它区域明显较晚到达的区域（该区域是应该被反应试剂覆盖的）增加辅助电极的技术方案将提高反应试剂在这些的区域的扩散能力，因此该方案有利于促进反应试剂在封闭区域内均匀扩散并且覆盖整个封闭区域，但不超出封闭区域的边界，从而达到使反应试剂扩散后的厚度均匀的目的。在本专利申请中（包括但不限于说明书和权利要求），反应试剂填充、填充满、恰好填充、恰好填充满、覆盖、恰好覆盖（或者其它类似术语）封闭区域6是指反应试剂基本上完全覆盖了封闭区域6的全部面积，但是又基本上不超出或者溢出该封闭区域6的边界。根据上面的分析，该技术方案提高了检测结果的准确性。

实施例1 采用椭圆形试剂扩散控制区在电极上添加反应试剂

如图3所示的生物传感器包括绝缘性底板1，工作电极2、对电极3和参考电极4。在电极系统上覆盖有反应试剂扩散控制层5，该控制层5上包括一个具有椭圆形的反应试剂扩散控制区6，该试剂扩散控制区6的开口面积与电极所需要添加的试剂面积相同并正好位于电极活性区域之上。本实施例所述的生物传感器还包括空间制造层7和带有排气孔的上盖8。

在生物传感器制造过程中通过点液的方法将反应试剂通过椭圆形的试剂扩散控制区添加到电极上。在反应试剂添加到电极系统上后，用数码体式显微镜（显微镜型号 MOTICAM 2306,制造商麦克迪奥实业集团有限公司）对试剂在电极上的分布情况进行拍照，以观察反应试剂在电极上的分布情况图。如图4显示，添加在电极上的反应试剂扩散均匀，也没有试剂溢出试剂扩散控制区限定的边线6-1。并且反应试剂200铺满由边线6-1设定的整个试剂区，整个控制区都显示了反应试剂的颜色。因此本实施例所述的生物传感器中反应试剂在电极上分布的一致性良好。

实施例2 采用圆形试剂扩散控制区在电极上添加反应试剂

如图5所示是反应试剂扩散控制区6的形状为圆形的反应试剂扩散控制层5。在生物传感器制造过程中通过点液的方法将反应试剂通过圆形的试剂扩散控制区添加到电极上。在反应试剂添加到电极系统上后，用数码体式显微镜（显微镜型号 MOTICAM 2306,制造商麦克迪奥实业集团有限公司）对试剂在电极上的分布情况进行拍照，以观察反应试剂在电极上的分布情况图。如图6显示，添加的反应试剂在工作电极2、对电极3和参考电极上均匀扩散，也没有试剂溢出试剂扩散控制区限定的边线6-1。并且反应试剂200铺满整个试剂区,即整个控制区都显示了反应试剂的颜色。因此本实施例所述的生物传感器中反应试剂在电极上分布的一致性良好。

实施例3 在带有辅助扩散电极的电极系统上添加反应试剂

如图7所示的生物传感器的电极系统包括功能电极2、3、4和辅助电极12。该生物传感器还包括带有椭圆形6的反应试剂扩散控制层5。在生物传感器制造过程中通过点液的方法将反应试剂通过椭圆形的试剂扩散控制区添加到电极上。在反应试剂添加到电极系统上后，用数码体式显微镜（显微镜型号 MOTICAM 2306,制造商麦克迪奥实业集团有限公司）对试剂在电极上的分布情况进行拍照，以观察反应试剂在电极上的分布情况图。如图8显示，添加的反应试剂在电极上均匀扩散，也没有试剂溢出试剂扩散控制区限定的边线6-1。并且反应试剂200铺满整个试剂区,即整个控制区都显示了反应试剂的颜色。因此本实施例所述的生物传感器中反应试剂在电极上分布的一致性良好。

实施例4 采用双圆型试剂扩散控制区结合辅助扩散电极的设计

如图9所示是带有双圆形6的反应试剂扩散控制层5。头对头的双圆形试剂扩散控制层可用于同时制造两个生物传感器。在制造生物传感器的过程中，在绝缘底板上头对头的放置两套电极系统，包括工作电极2、对电极3和参考电极4，并且包括辅助扩散电极12。如图9中包括三个辅助扩散电极12，其中两个在两套功能性电极（工作电极2、对电极3和参考电极4）的最外端，另一个在两套功能性电极的中间作为共用的辅助扩散电极。将图9所示的反应试剂扩散层放置在该电极系统之上后，往电极系统上滴加反应试剂。

在生物传感器制造过程中通过点液的方法将反应试剂通过椭圆形的试剂扩散控制区添加到电极上。在反应试剂添加到电极系统上后，用数码体式显微镜（显微镜型号 MOTICAM 2306,制造商麦克迪奥实业集团有限公司）对试剂在电极上的分布情况进行拍照，以观察反应试剂在电极上的分布情况图。如图10显示，添加的反应试剂扩散均匀，也没有试剂溢出试剂扩散控制区限定的边线6-1。并且反应试剂200铺满整个试剂区,即整个控制区都显示了反应试剂的颜色。因此本实施例所述的生物传感器中反应试剂在电极上分布的一致性良好。

实施例5 采用顶角为弧形的双矩形试剂扩散控制区结合辅助扩散电极的设计

如图11所示是顶角为弧形的双矩形试剂扩散控制区6的反应试剂扩散控制层5。这种双矩形试剂扩散控制层可用于同时制造两个生物传感器。在制造生物传感器的过程中，在绝缘底板上头对头的放置两套电极系统包括工作电极2、对电极3和参考电极4。还包括辅助扩散电极12。如图11中包括三个辅助扩散电极12，其中两个在两套功能性电极的最外端，另一个在两套功能性电极的中间为共用的辅助扩散电极。将图11所示的反应试剂扩散层放置在该电极系统之上后，往电极系统上滴加反应试剂。

在生物传感器制造过程中通过点液的方法将反应试剂通过具有圆弧形顶角的矩形的试剂扩散控制区添加到电极上。在反应试剂添加到电极系统上后，用数码体式显微镜（显微镜型号 MOTICAM 2306,制造商麦克迪奥实业集团有限公司）对试剂在电极上的分布情况进行拍照，以观察反应试剂在电极上的分布情况图。如图12显示，添加的反应试剂扩散均匀，也没有试剂溢出。并且反应试剂铺满整个试剂区,即整个控制区都显示了反应试剂的颜色。因此本实施例所述的生物传感器中反应试剂在电极上分布的一致性良好。

实施例6 采用直角长方形试剂扩散控制区在电极上添加反应试剂

如图13所示是依据现有技术的方法制造生物传感器。在绝缘性底板1上添加电极系统，将带有矩形试剂扩散控制区6的扩散控制层5覆盖在电极上，并且矩形试剂扩散控制区正好位于电极的活性区域，即电极需要添加反应试剂的区域。通过点液的方法将反应试剂通过试剂扩散控制区这个槽孔添加到电极上，然后盖上空间制造层7和上盖8。

在反应试剂添加到电极系统上后，用数码体式显微镜（显微镜型号 MOTICAM 2306,制造商麦克迪奥实业集团有限公司）对试剂在电极上的分布情况进行拍照，以观察反应试剂在电极上的分布情况图。如图14显示，添加的反应试剂不能覆盖整个矩形区，在矩形扩散控制区的四个顶端50处，都没有试剂到达，而在矩形区两侧又有添加的试剂溢出，这就造成了在电极上的试剂厚度不均匀。

实施例 7生物传感器对标准品中葡萄糖含量测定的准确性分析

配置葡萄糖标准品溶液，并用实施例3和实施例6中的生物传感器测定该标准溶液中的葡萄糖含量。

表1和图15是利用本发明所述实施例3的生物传感器测定标准品中的葡萄糖含量。实施例3中的生物传感器其电极系统包括辅助扩散电极，并且还包括具有椭圆形扩散控制区的反应试剂扩散控制层。测定结果表明，其测定的相关系数R²值达到了0.9993。表2和图16是利用现有技术中实施例6的生物传感器测定标准品中的葡萄糖含量。实施例6中的生物传感器不包括辅助扩散电极，并且反应试剂扩散控制区是一个顶角为直角的矩形。测定结果表明，其测定的相关系数R²值仅为0.9941。

表1 利用实施例3中的生物传感器测定标准品中葡萄糖含量的测定结果

葡萄糖配置浓度(mg/dL)	55.7	84.0	117.9	177.9	223.5	298.0	448.7	575.0
									测定结果 (mg/dL)
测试 1	57	82	116	177	223	298	449	565
									测试 2	55	84	118	178	226	294	454	582
测试 3	55	81	120	177	223	293	441	582
									测试 4	56	80	122	180	218	293	448	566
测试 5	56	82	119	175	222	295	439	577
									测试 6	56	83	119	183	229	295	449	563
测试 7	57	82	122	179	224	303	458	566
									测试 8	56	82	119	178	224	294	459	565
测试 9	57	84	121	175	223	309	455	581
									测试 10	57	84	120	174	226	296	449	585
平均值	56.2	82.4	119.6	177.6	223.8	297.0	450.1	573.2
									SD	0.8	1.3	1.8	2.7	2.9	5.2	6.6	8.9
CV	1.4%	1.6%	1.5%	1.5%	1.3%	1.7%	1.5%	1.6%

表2 利用实施例7中的生物传感器测定标准品中葡萄糖含量的测定结果

葡萄糖配置浓度(mg/dL)	51.5	86.0	105.4	170.6	215.2	283.2	444.4	560.9
									测定浓度 (mg/dL)
测试 1	57	74	122	173	195	276	470	543
									测试 2	57	73	112	188	204	272	472	540
测试 3	58	74	109	183	197	279	462	560
									测试 4	57	77	121	183	196	302	435	537
测试 5	55	73	115	170	214	280	485	531
									测试 6	54	75	122	180	215	279	440	577
测试 7	54	75	117	172	203	305	433	551
									测试 8	54	76	111	184	203	294	436	576
测试 9	56	77	119	169	214	274	439	569
									测试 10	55	77	110	173	196	274	449	571
平均值	55.7	75.1	115.8	177.5	203.7	283.5	452.1	555.5
									SD	1.5	1.6	5.1	6.8	8.0	12.2	18.7	17.3
CV	2.7%	2.1%	4.4%	3.8%	3.9%	4.3%	4.1%	3.1%

从实验结果可以看出，实施例3中采用了辅助扩散电极，并且还包括具有椭圆形扩散控制区的反应试剂扩散控制层的生物传感器，其测试结果的变异系数(CV)和标准方差(SD)均比现有技术中的生物传感器（即未采用辅助扩散电极，并且试剂扩散控制区为长方形设计）所测定的结果的变异系数(CV)和标准方差(SD)值低。因此利用本发明的生物传感器测定样品中葡萄糖含量，其含量测试的重现性好（即，用同一批次生产的多个生物传感器检测同一批次的样品，所得到的检测结果之间的差异性比现有技术要小），测试结果更准确。

Claims (7)

1.生物传感器，其特征在于，包括绝缘性底板和位于绝缘性底板上的电极系统，在电极系统上包含有可与检测样品发生反应的反应试剂和绝缘层，该绝缘层覆盖部分电极系统，但在反应试剂所在的位置处形成一个没有绝缘层的封闭区域，反应试剂位于该封闭区域内的电极部分之上，所述由绝缘层围成的封闭区域具有一个没有尖角的封闭边界，反应试剂覆盖该封闭区域，并且不超出该封闭边界, 在电极系统之被检测试剂覆盖的电极部分的二侧还各包括一个辅助扩散电极，所述辅助扩散电极与被检测试剂覆盖的电极部分并排排列,所述辅助扩散电极由多孔性材料制成，辅助扩散电极和被检测试剂覆盖的电极之间的距离，正好使添加在电极上的检测试剂的前端能触碰到该辅助扩散电极。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述封闭边界的形状为圆形、椭圆形、两个相对的椭圆形或四个顶角为圆弧形的矩形。

3.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，反应试剂恰好填充满所述封闭区域，反应试剂覆盖区域的面积与封闭区域的面积相等。

4.根据权利要求3所述的生物传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1-50微米。

5.根据权利要求4所述的生物传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为3-30微米。

6.根据权利要求5所述的生物传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为疏水性材料。

7.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述辅助扩散电极是碳电极。