一种能检测样本不足的生物传感器、方法与流程

本发明涉及生物检测仪器领域，具体涉及一种能检测样本不足的生物传感器及利用该生物传感器检测和判断样本不足的方法。

背景技术：

生物传感器(biosensor)，是一种利用生物活性物质选择性识别目标物质并将其浓度或含量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。

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。

对于生物传感器，特别是对于家用型的生物传感器，如血糖仪，由于终端用户文化程度、理解能力、操作熟练程度不同，加样的过程可能存在各种问题，而这些问题极有可能严重影响仪器的检测结果，导致因此产生的用药及治疗风险。样本不足是其中非常常见的一个问题，样本不足会导致检测结果的偏差变大，导致用药及治疗风险。根据andreaspfützner等2013年对市场上便携式血糖监测系统的评估结果，当加样不足时，很大部分的监测系统会一定程度出现错误的结果而不是样本不足的信息，说明目前技术还是存在一定程度的缺陷。

如公告日为1996年12月10日、专利号为us05582697a1的美国发明披露了一种检测进样不足的生物传感器，其核心内容是至少包括工作电极、对电极、和检测试样不足的第三电极，第三电极比工作电极及对电极更加远离进样口，这样第三电极检测到信号后能保证进样足够。该方案不能完全避免样本不足的偏差问题，样本进样液面前端可能出现凹或凸液面的情况，导致存在部分覆盖工作电极和第三电极的状态，所以依然会存在给出错误结果的风险。

又如公告日为2004年5月11日、专利号为us6733655b1的美国专利披露了另一种确认进样是否足够的生物传感器，其核心内容是包括对电极、第一工作电极、第二工作电极，对电极共用，从进样口到里依次是对电极、第一工作电极、第二工作电极，测试时同时测试第一工作电极、第二工作电极的信号，比较两个信号的差值，确认差值是否超过实验建立的阈值，如没超过，说明加样足够；若第二工作电极没有加满，两个信号差值会比较大超过阈值，会给出错信息，保证结果的准确。该方案需要同时检测两路工作电极的信号，增加仪器成本。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的缺陷，通过对检测电极的配置、以及检测流程和判断逻辑的研究，本发明的目的旨在提供一种能识别样本不足、保证测试结果准确性的高性能生物传感器。

为实现本发明的目的，发明人提供如下的技术方案：

本发明首先提供了一种能检测样本不足的生物传感器（用于检测样本中特定物质的含量），其组成包括绝缘基板，构建在绝缘基板上的电极系统，所述的电极系统至少包括对电极和工作电极，至少覆盖工作电极且固定在电极系统上的检测试剂，构建在电极系统上方的中隔层，构建在中隔层上方的覆盖层，所述的覆盖层、中隔层和绝缘基板构建成反应室（即进样通道），所述的中隔层在反应室区域镂空（以便通过虹吸作用自动进样），其中，所述的电极系统包括对电极1、工作电极和对电极2，且所述的对电极1、工作电极和对电极2从进样口到反应室远端依次排列（即对电极1最靠近进样口，工作电极居中，对电极2离进样口最远）。

作为优选，本发明的生物传感器中，针对不同的检测指标和检测浓度范围，所述的对电极1相对工作电极的宽度比例范围为0.1~1.5；所述的对电极2相对工作电极的宽度比例范围为0.2~1.5。

作为更优选，本发明的生物传感器中，所述的对电极1相对工作电极的宽度比例范围为0.4~0.6。

作为更优选，本发明的生物传感器中，所述的对电极2相对工作电极的宽度比例范围为0.4~1.0。

作为优选，本发明的生物传感器中，所述的反应室应有透气孔，以便形成虹吸作用，透气孔设置于进样通道离进样口远端位置，如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。

作为优选，本发明的生物传感器中，所述的绝缘基板的材质包括但不限于pet、pp、pvc、亚克力中的一种。

作为优选，本发明的生物传感器中，所述的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。

检测试剂是检测目标物质的反应试剂，作为优选，本发明的生物传感器中，所述的检测试剂包括但不限于葡萄糖反应试剂、胆固醇反应试剂、尿酸反应试剂、酮体反应试剂、乳酸反应试剂、血红蛋白反应试剂等。反应试剂可以通过喷点、丝网印刷、夹缝挤出、喷墨打印等工艺固定到电极系统上。

作为优选，本发明的生物传感器中，所述的中隔层的厚度为0.025mm~0.5mm，更优选的是，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。

作为优选，本发明的生物传感器中，所述的覆盖层可使用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，可用的材料如3m公司的9971亲水膜。

本发明还提供了一种利用上述的生物传感器检测和判断样本不足的方法，至少包括以下步骤：

（1）当生物传感器加入样本进行检测时，测试对电极1和对电极2同时接通的工作电极电流信号i1；

（2）测试完成后马上断开对电极1，测试工作电极对对电极2的电流信号i2，检测完i1切换到检测i2的时间间隔不大于1秒，

（3）对比i2和i1的偏差率是否超过预设值，如在预设值范围内，则样本充足结果有效，i1用来计算给出结果，如超出预设值范围，则给出样本不足报错信息。

注：计算结果可以采用i1的终点电流，也可以采用i1终点前面时间的电流。

本发明检测和判断样本不足的方法，其原理是：

当血量充足时，样本充分覆盖三个电极。对电极1和对电极2同时接通的工作电极电流信号i1，以及工作电极对对电极2的电流信号i2，主要由工作电极的反应速率决定，因此i2和i1的偏差不会很大。

当样本不足时，特别是样本进样前端面呈凸状或凹状时，样本可能覆盖部分工作电极和对电极2时，该情况下对电极2的样本覆盖会更少。当检测对电极1和对电极2同时接通的工作电极电流信号i1时，因为对电极1样本已经充分覆盖，电流信号主要由工作电极的反应决定；而断开对电极1，检测工作电极对对电极2的电流信号i2时，因为该情况下对电极2的样本覆盖会很少，检测在对电极2上形成回路困难，造成i2会降低。因此通过判断i2和i1的偏差，很容易识别样本不足影响结果的测试。

作为优选，本发明利用上述的生物传感器检测和判断样本不足的方法中，所述的检测完i1切换到检测i2的时间间隔在0.2秒内。

作为优选，本发明利用上述的生物传感器检测和判断样本不足的方法中，所述的i2和i1的偏差率判断的预设值，通过特定产品实验测试预先确定。

作为优选，本发明利用上述的生物传感器检测和判断样本不足的方法中，所述的测试对电极1和对电极2同时接通的工作电极电流信号i1，该步骤之前有电极断开的孵育过程。孵育过程时间也可以为0，即不孵育。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能有效识别样本不足影响结果的测试。用对电极1和对电极2同时接通的工作电极电流信号i进行结果计算，保证对电极面积及样本覆盖充足，确保结果准确，同时节省测试样本量，对需采血的测试能微量采血，减少病人痛苦；不同检测浓度或检测样本，工作电极的反应速率不一样，因此对形成回路的对电极2样本覆盖面积要求也不一样，本发明通过i2和i1的判断，对结果影响不大的测试能够灵活识别，避免如额外增加电极进行固定判断方案的浪费。

附图说明

图1a和1b是本发明生物传感器的结构完整示意图和结构分解示意图，图中：

800是完整测试片，801是进样口，802是连接触脚；100是绝缘基板，200是电极系统，300是检测试剂，400是中隔层，500是反应室，600是覆盖层，700是透气孔。

图2是本发明生物传感器的电极系统的结构示意图，图中：201是对电极1，202是工作电极，203是对电极2。

图3是本发明样本测试以及样本不足检测方法的流程示意图。

图4是样本不足检测测试实例i1及i2曲线图（40mg/dl）。

图5是样本不足检测测试实例i1及i2曲线图（120mg/dl）。

图6是样本不足检测测试实例i1及i2曲线图（350mg/dl）。

具体实施方式

下面结合实施例，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。

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。

本发明实施例中的生物传感器测试片构成（如图1a、图1b和图2所示），包括：

绝缘基板100，材质包括但不限于pet、pp、pvc、亚克力中的一种。

构建在绝缘基板上的电极系统200。电极系统至少包括进样对电极1-201、工作电极202和对电极2-203，对电极1、工作电极、对电极2从进样口801到进样通道远端依次排列，即对电极1最靠近进样口801，工作电极居中，对电极2离进样口最远。

针对不同的检测指标和检测浓度范围，对电极1相对工作电极的宽度比例范围为0.1~1.5，优选0.4~0.6；对电极2相对工作电极的宽度比例范围为0.2~1.5，优选0.4~1.0。以测试血样中葡萄糖含量的生物传感器产品为例，一个实施例是对电极1、工作电极、对电极2的宽度比例为0.4：1：0.6。

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。

至少覆盖工作电极202且固定在电极系统上的检测试剂300。检测试剂是检测目标物质的反应试剂，包括但不限于葡萄糖反应试剂、胆固醇反应试剂、尿酸反应试剂、酮体反应试剂、乳酸反应试剂、血红蛋白反应试剂等。反应试剂可以通过喷点、丝网印刷、夹缝挤出、喷墨打印等工艺固定到电极系统上。

构建在电极系统上方的中隔层400，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。

构建在中隔层上方的覆盖层600，覆盖层、中隔层和绝缘基板构建成反应室500（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，可用的材料如3m公司的9971亲水膜。

反应室有透气孔700，以便形成虹吸作用，如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。

实施例1

如图1a、图1b和图2所示，一种能检测样本不足的生物传感器，其组成包括绝缘基板，构建在绝缘基板上的电极系统，所述的电极系统至少包括对电极1、工作电极和对电极2，至少覆盖工作电极且固定在电极系统上的检测试剂，构建在电极系统上方的中隔层，构建在中隔层上方的覆盖层，所述的覆盖层、中隔层和绝缘基板构建成反应室（即进样通道），所述的反应室区域镂空，其中，所述的对电极1、工作电极和对电极2从进样口到反应室远端依次排列。以测试血样中葡萄糖含量的生物传感器产品为例，所述的对电极1、工作电极、对电极2的宽度比例为0.4：1：0.6。

如图3所示，本发明样本测试以及样本不足检测和判断的方法，包括如下步骤：

（1）插入生物传感器测试片连接触脚端到仪器，仪器开机自检。

（2）自检完成后，仪器通过连接触脚在对电极1和工作电极间加dc（直流）或ac（交流）电压，检测进样信号f1。作为优选，ac(交流)电压检测阻抗信号是首选。因为当温度较低、样本目标物质浓度很低或为0时，dc（直流）电压下，电流信号很低，和背景噪音差别很小，容易误判；通过ac(交流)电压检测阻抗信号，即使在温度较低、样本目标物质浓度很低或为0时，检测电极间试剂覆盖可能没有或很少时，检测出的阻抗信号也能很好的和背景噪音区别开来，避免误判。

（3）判断对电极1和工作电极间的进样信号f1是否超过阈值，阈值通过在不同环境下测试不同的样品总结确定。若没超过阈值，则继续检测进样信号f1；若超过阈值，进入下一步。

（4）在工作电极和对电极2间加dc（直流）电压或振幅较小的ac(交流)电压，并检测信号f2。

（5）判断工作电极和对电极2间的检测信号f2是否超过阈值，如没超过阈值，则继续检测f2；如超过阈值，则进入下一步。

（6）关闭工作电极和对电极间的电位差，进行孵育；孵育时间根据不同产品要求设置，孵育时间可以为0。

（7）对电极1和对电极2同时接地，并在工作电极上加上工作电压，检测电流信号i1；

（8）在第（7）步完成后，马上断开对电极1，检测工作电极和对电极2的电流信号i2，检测完i1切换到检测i2的时间间隔不大于1秒，优选在0.2秒内；

（9）比较i2和i1的偏差（率），偏差（率）大于阈值，给出样本不足的出错警告；

（10）比较i2和i1的偏差（率），偏差（率）在阈值范围内，则样本充足结果有效，用i1计算结果。

使用上述的生物传感器测试片、葡萄糖检测的反应试剂，以及样本不足检测流程和判断逻辑：

第（2）步和第（4）步采用ac检测；第（3）步和第（5）步的阈值设置为100；第（6）步孵育时间为0；第（7）步对电极1（c1）和对电极2（c2）同时接通的工作电极（w）电流信号检测5秒，i1取5秒结果；第（8）步在第（7）步完成后马上进行检测，间隔不大于0.1秒，采集一个值即i2；第（9）步的i2和i1偏差比较采用偏差率，阈值设置为20%。

进行样本不足和样本充足的比对测试，共测试三个浓度：40mg/dl、120mg/dl和350mg/dl三个葡萄糖浓度。仪器记录并导出全部测试数据。i2和i1结果及比对分析如下述表格和图4、图5、图6所示。

从实施例的结果可见，加样充足时，i2和i1的偏差很小，都在10%以内；当加样不足时，i2和i1的偏差很大，大部分大于20%。以阈值设置为20%判断，加样不足测试i1结果和加样充足测试的i1均值偏差在10%以外的测试能全部排除，确保结果准确。

i1和i2测试数据曲线图如图4（40mg/dl），图5（120mg/dl），图6（350mg/dl）所示，曲线图也可以清晰看到，样本不足的测试i2（5.1秒）较i1（5秒）明显下降。

由此可见，本发明的技术方案能有效识别样本不足、影响测试结果的测试，保证结果的准确性。