一种开放式扩散控制区生物传感器的制作方法

本实用新型涉及生物检测技术领域，具体涉及一种开放式扩散控制区生物传感器。

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。

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2013101065210 专利中揭示了辅助扩散电极来对施加在功能性电极上的液体试剂进行扩散，但是实际上，效果并不显著，不能改善扩散的实际效果。

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。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决目前存在的不足的问题，提供一种开放式扩散控制区生物传感器。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种开放式扩散控制区生物传感器，包括由下至上依次叠加设置的基板层、扩散控制层、空间制造层和盖板层；基板层上设有电极系统，电极系统包括间隔设置的工作电极、对电极和/或参考电极，对电极和/或参考电极分别位于工作电极的两侧；扩散控制层上位于工作电极的对应处设有开放式的扩散控制区；空间制造层上与扩散控制区上方设有以形成样品添加通道的开放式的样品添加口。

作为优选方案，在参考电极和/或对电极的外侧设有辅助扩散元件。

作为优选方案，所述辅助扩散元件为单个或多段设置。

作为优选方案，所述辅助扩散元件为单层或多层设置。

作为优选方案，试剂扩散控制区的开设尺寸与电极系统的区域相配。

作为优选方案，盖板层上于样品添加口的内侧上方对应处开设有通气孔。

作为优选方案，工作电极、对电极、参考电极和辅助扩散元件并列设置。

作为优选方案，工作电极、对电极、参考电极和辅助扩散元件呈同心圆设置。

当为同心圆设置的时候，辅助扩散元件形成一个类似半椭圆形的试剂控制区域，当液体试剂施加在工作电极上的时候，由于绝缘性底板的疏水性，液体溶液成水滴状，当向四周扩散的时候，可以让液体提前接触弯曲的辅助扩散元件的两端，从而引导液体快速的扩散。另外，当辅助扩散元件的弯曲的程度，例如曲率与试剂扩散控制区的弯曲曲率一样的时候，可以加快液体铺展整个试剂扩散控制区。

作为优选方案，工作电极、对电极、参考电极和辅助扩散元件相互之间的间隔相同。

作为优选方案，辅助扩散元件与对电极和参考电极的间距小于工作电极与对电极和参考电极的间距。

作为优选的技术方案，辅助扩散元件为碳涂层，在绝缘底板上丝网印刷工作电极的碳层的时候，同时丝网印刷辅助扩散元件。即辅助扩散元件的材质与工作电极、对电极的材质可以一样，也可以不一样，为了生产方便，采用一样的材质。

作为优选方案，基板层上位于扩散控制层的扩散控制区开口的一侧设有弧形的辅助扩散元件，辅助扩散元件的弧形开口朝向内侧。

设置于该位置的辅助扩散元件可以起到与封闭的扩散控制区同样的效果，该处的辅助扩散元件可以对位于电机系统上的待测溶液形成包围形式，便于将待测溶液限定于预设的区域内。

作为优选方案，辅助扩散元件的弧形两端延伸至对应扩散控制区在基板层上投影的外侧。

本实用新型与现有技术相比，有益效果是：

本案不仅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。

同时，本案的生物传感器制备工艺简单，并且本方案的生物传感器的电极系统具有辅助扩散元件，该辅助扩散元件不仅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。

另外，本案的扩散控制层上设置了开放式的扩散控制区，且该扩散控制区，不仅覆盖了电极系统，同时该区与扩散控制层的外侧贯通，形成开放式的结构。该结构不仅能满足上述所述的功能，同时，该区能够配合开放式的空间制造层，更加利于试剂的扩散，提高检测速率；

本案的辅助扩散元件设置在对电极或者参考电极的外侧，消除了在对电极和参考电极的外侧同时设置存在的对检验数据造成的影响。

另外，当优选设置辅助扩散元件与对电极和参考电极的间距小于工作电极与对电极或参考电极的间距，使得辅助扩散元件能够消除电磁感应的影响。

附图说明

图1是本实用新型的生物传感器的结构示意图；

图2是本实用新型的基板层的结构示意图；

图3是本实用新型的基板层的另一种结构示意图；

图4是本实用新型的扩散控制层的结构示意图；

图5是本实用新型的空间制造层的结构示意图；

图6是本实用新型的盖板层的结构示意图；

图7是本实用新型的辅助扩散元件的双层设置结构示意图；

图8是本实用新型的辅助扩散元件的一种结构设置示意图；

图9是本实用新型的电极系统一种结构示意图；

图10是本实用新型的辅助扩散元件多段结构示意图。

图中：1基板层，2扩散控制层，3空间制造层，4盖板层，5工作电极，6对电极，7参考电极，8辅助扩散元件，9本体，10扩散控制区，11样品添加口，12通气孔，13电极系统。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述说明。

实施例：

一种开放式扩散控制区生物传感器，如图1和图5所示，包括由下至上依次叠加设置的基板层1、扩散控制层2、空间制造层3和盖板层4；基板层1上设有电极系统，电极系统包括间隔设置的工作电极5、对电极6和参考电极7，对电极6和参考电极7分别位于工作电极5的两侧；扩散控制层2上位于工作电极5的对应处设有开放式的扩散控制区10；空间制造层3上与扩散控制区10上方设有以形成样品添加通道的开放式的样品添加口11。

如图2和图3所示，在参考电极7和/或对电极6的外侧设有辅助扩散元件8。

辅助扩散元件8为单层设置，也可以如图7所示，辅助扩散元件8为多层设置，优选两个。如图4所示，扩散控制区10的开设尺寸与电极系统13的区域相配，试剂扩散控制区10不仅覆盖了电极系统13，并且其一侧与扩散控制层2的侧壁相通，形成开放式的结构；如图6所示，盖板层4上于样品添加口11的内侧上方对应处开设有通气孔12。如图2所示，工作电极5、对电极6、参考电极7和辅助扩散元件8并列设置。或者如图3所示，工作电极5、对电极6、参考电极7和辅助扩散元件8呈同心圆设置。工作电极5、对电极6、参考电极7和辅助扩散元件8相互之间的间隔相同。或者优选辅助扩散元件与对电极和参考电极的间距小于工作电极与对电极和参考电极的间距。

如图8所示，基板层1上位于扩散控制层2的扩散控制区10开口的一侧设有弧形的辅助扩散元件8，辅助扩散元件8的弧形开口朝向内侧，辅助扩散元件8的弧形两端延伸至对应扩散控制区10在基板层1上投影的外侧。这样，辅助扩散元件8可以将位于电极系统13上的待测溶液进行封闭，达到与封闭式的扩散控制区10相同的效果。

如图9所示，这是一种位于基板层1电极系统的一种布局示意图；

如图10所示，辅助扩散元件8为多段设置。

同时，辅助扩散元件8可以为多层的多段设置。