生物传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物传感器及其制备方法，所述制备方法的步骤包括：1)以PCB原材料板作为基质板材，通过PCB制造工艺制作出生物传感器的绝缘基质和导电部件，导电部件包括各种连线和电极；2)用电镀法或化学法在导电部件的不同电极上覆盖上不同电极材料，制成生物传感器所需的各种特殊电极，得到生物传感器底板；3)利用步骤2)制得的底板制备本发明的生物传感器。与现有技术相比，本发明生物传感器的底板是利用PCB工艺制作而成，具有工艺简单、价格低廉的优点，因此可以做到高性能、低成本，特别适合各种生物信号如各种血液参数(凝血、血糖、心肌肌钙蛋白等)、传染病毒(结核、乙肝、HIV等)等的即时检测。
【专利说明】生物传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物传感器领域，更具体地说，本发明涉及一种利用印刷电路板⑴⑶)工艺制作的高性能低成本的生物传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着各种技术的发展，生物传感器及相应的检测仪器可以变得越来越小，从而使得临床医学中的即时检测$0(:1)已成为可能并得到迅速发展。
[0003]？001的主要优点是能在几分钟之内得到检验结果，因此医务人员能对身边的病人进行直接检测并根据检测结果进行疾病的诊断和治疗，而不需要像传统检测方法那样将试样送到中心实验室，再等待结果以进行后续工作；对于“时间就是生命”的医疗领域来说，这显然是非常有用的。例如:在急诊科接收了胸口不舒服的病人时，若能快速检测到病人血液中的心肌肌钙蛋白1(01111)浓度，医生就可以快速诊断病人是否已患心肌梗死，从而对病人做出相应的处理；而在大型的外科手术室中，大夫也希望能随时知道病人的一些关键血液参数，以便决定是否需要给病人输血。以上情况如果用传统检测方法，都需要将病人的血样送到中心实验室，测试完后再将结果送回到相应的科室，因为整个流程牵涉到好几步手续，所以从抽血到出结果，最快也得一个小时左右，这无疑耽误了很多救治病人的宝贵时间，甚至有可能因此而危及病人的生命。
[0004]另一方面，深静脉栓塞和心脏瓣膜置换等病人需要长期服用抗凝药物，以防止血栓形成，但抗凝药物又不能服用得太多，否则将有失去止血功能的危险。因此，病人需要定期检测凝血指标如凝血酶原时间⑴”。近年来，的自检已在主要发达国家逐渐兴起，但在发展中国家却还未开展起来，主要的原因就是自检仪器和试条的价格太高。
[0005]糖尿病人的自检是？0(^1'最典型最成功的一个例子。这是因为相对其它生理参数而言，血糖浓度是比较高的，在血糖传感器中可以产生较强的反应信号，比如在电化学血糖传感器中可产生微安级的氧化还原电流。因此，血糖传感器的生产工艺相对来说比较简单，例如，其电极用丝网印刷技术制作即可；由于这种工艺可以非常快速地大批量生产，所以成本可以很低，而且使用也非常简单。这使得大部分糖尿病人都能够进行自检，而且经济上也负担得起。
[0006]但相比之下，有些生理参数如01111和？1，其被检测物质的浓度非常低，在相应的传感器上产生的信号很弱，因而对传感器的电极要求非常高，以致低成本的丝网印刷技术无法满足检测要求。为了达到更高的精度，这些传感器的电极必须采用别的生产工艺来制作，比如:雅培1-3111系列的传感器是以硅晶片作基质，将金属材料涂上，再用化学方法把不需要的部分腐蚀掉，剩下的就形成了电极(113 ？社6111:5，837，454)。上述方法制备的传感器精度很好，但由于硅晶片较贵，加上生产过程中浪费的贵重金属如金、钼等较多，所以传感器的总体成本较高，传感器也就难以推广使用。
[0007]有鉴于此，确有必要提供一种高性能低成本的生物传感器及其制备方法，以推广？001的临床应用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于:提供一种高性能低成本、适合于？0口的生物传感器及其制备方法，以推广？001的临床应用。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明提供了一种生物传感器，其包括利用？⑶板工艺制作的底板，底板包括绝缘基质和附着在绝缘基质一面或两面上的导电部件，其中，绝缘基质的材质与原材料板的绝缘基质相同，导电部件包括与原材料板的导电层材质相同的普通导电部件和在普通导电部件上覆盖不同电极材料制成的特殊电极。
[0010]作为本发明生物传感器的一种改进，所述特殊电极包括在普通导电部件上用电镀法或化学法覆盖惰性金属制成的电极、在普通导电部件上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银制成的电极中的一种或两种；所述惰性金属优选为金或钼。
[0011]作为本发明生物传感器的一种改进，所述普通导电部件包括用于连接传感器和分析仪的导电板、导线和用于监测样品加入的电极中的一种或多种。
[0012]作为本发明生物传感器的一种改进，所述生物传感器的底板还包括附着在绝缘基质正面或反面的各种形状的加热电阻，加热电阻用于给传感器加热。
[0013]作为本发明生物传感器的一种改进，所述生物传感器的底板上可以有各种形状的收容或承载部件以用来放置传感器所需的试剂、抗原、抗体、磁珠等各种材料，例如置放试剂的护圈；根据实际需要，这些收容或承载部件的形状可以是圆块、圆圈、多个同心圆、方块、方格等不同形状。
[0014]作为本发明生物传感器的一种改进，所述生物传感器为电流型电化学传感器、电压型电化学传感器或阻抗型生物传感器。
[0015]作为本发明生物传感器的一种改进，所述电流型电化学传感器的底板上设有连接传感器和分析仪的导电板、导线、用于监测样品加入的电极、工作电极、对电极、置放试剂的护圈和加热电阻；其中，工作电极是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖金或钼形成的，对电极是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银、或是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖纯银后再与氯盐反应形成的。
[0016]作为本发明生物传感器的一种改进，所述电压型电化学传感器的底板上设有连接传感器和分析仪的导电板、导线、用于监测样品加入的电极、工作电极、对电极、参比电极、置放试剂的护圈和加热电阻；其中，工作电极、对电极、参比电极都是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银、或是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖纯银后再与氯盐反应形成的。
[0017]作为本发明生物传感器的一种改进，所述阻抗型生物传感器的底板上设有连接传感器和分析仪的导电板、导线、加热电阻、两个用于施加电流的电极和两个用于检测电压的电极；其中，用于施加电流的电极和用于检测电压的电极都是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银、或是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖纯银后再与氯盐反应形成的，且两个用于检测电压的电极位于两个用于施加电流的电极之间。
[0018]为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种生物传感器的制备方法，其包括以下步骤:
[0019]1)以原材料板作为基质板材，通过制造工艺制作出生物传感器的绝缘基质和导电部件，导电部件包括各种连线和电极；
[0020]2)用电镀法或化学法在导电部件的不同电极上覆盖不同电极材料，制成生物传感器所需的各种特殊电极，得到生物传感器底板；
[0021]3)利用步骤2)制得的底板制备生物传感器。
[0022]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述原材料板包括绝缘基质和导电层。
[0023]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述原材料板的绝缘基质为电木板、纸质树脂板、玻璃树脂板、陶瓷材料板等介电材料；导电层一般为铜箔，但根据需要也可以是别的金属导电材料，比如，其中一面可以是电阻材料，以便制作加热电阻。
[0024]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述加热电阻可以通过将板背面的铜箔腐蚀成非常细长的导电丝来制成，由于导电丝的横切面积相对于其长度非常小，因此将具有一定的电阻而可作加热用；另外，还可以将原材料板做成一面是通用的铜箔，另一面是普通的电阻材料，然后用类似的化学腐蚀法将电阻材料制作成适当的形状。
[0025]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述导电部件是通过标准的？⑶化学腐蚀工艺将原材料板导电层中不需要的导电材料如铜箔去掉后留下来的。
[0026]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述生物传感器所需的各种特殊电极包括以惰性金属如金或钼为电极材料的电极、以银/氯化银为电极材料的电极中的一种或两种。
[0027]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述以金或钼为电极材料的电极是用标准电镀法或化学法将金或钼覆盖到导电部件相应电极的基底铜上得到的；所述以银/氯化银为电极材料的电极是用标准电镀法或化学法将银/氯化银覆盖到导电部件相应电极的基底铜上得到的，或是先将纯银用电镀法或化学法覆盖到相应电极的基底铜上，再用氯盐和银发生化学反应生成氯化银而制成的。
[0028]作为本发明生物传感器的制备方法的一种改进，所述导电部件的电极以及最终制得的生物传感器所需的各种特殊电极都分别可以是各种形状如圆块、圆圈、多个同心圆、方块、方格等。
[0029]与现有技术相比，本发明生物传感器的底板是利用工艺制作而成，具有工艺简单、价格低廉的优点，因此可以做到高性能、低成本，特别适合各种生物信号如各种血液参数(凝血、血糖、心肌肌钙蛋白等〉、传染病毒(结核、乙肝、!^乂等)等的即时检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明生物传感器、制备方法及其有益效果进行进一步详细说明。
[0031〕 图1为本发明实施例1所使用的原材料板的层间结构示意图。
[0032]图2为本发明实施例1制得的电流型电化学传感器的底板的正面结构示意图。
[0033]图3为本发明实施例1制得的电流型电化学传感器的底板的反面结构示意图。
[0034]图4为本发明实施例2制得的电位型电化学传感器的底板的正面结构示意图。
[0035]图5为本发明实施例3制得的阻抗型生物传感器的底板的正面结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例和附图进一步详细描述本发明，但是，应当理解的是，本发明的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限制本发明，且本发明的实施例并不局限于说明书中给出的实施例。
[0037]需要说明的是，以下实施例只描述了各种生物传感器的底板部分(包括绝缘基质和导电部件)；但事实上，一个完整的生物传感器试条至少还需要设置一个盖板和一个密封胶片，盖板上应该有一些便于样品从入口处流到反应区的液流通道，密封胶片则将底板和盖板粘接在一起，同时将液流通道和反应区密封起来，以防止样品漏出。由于上述两个部件都是非常通用的部件，并非本发明的重点，因此实施例中不再赘述。
[0038]实施例1
[0039]请参阅图1至图3，利用本发明生物传感器的制备方法制作电流型电化学传感器底板的步骤为:
[0040]1)选择通用的原材料板作为基质板材，？⑶原材料板的绝缘基质12可以是电木板、纸质树脂板、玻璃树脂板、陶瓷材料板等，而导电层13—般为铜箔；
[0041]2)通过标准的？⑶化学腐蚀工艺，将多余的铜箔去掉，剩下的便是所需的导电部件，包括普通导电部件、用于电化学反应的反应电极基质、置放试剂的护圈19和加热电阻20 ；其中，普通导电部件包括用于连接传感器和分析仪的导电板14、导线15和用于监测样品加入的电极16 ；除两个反应电极17、18外，其它导电部件通过这一步即已制成；
[0042]3)用标准电镀法或化学法将金或钼覆盖到工作电极17的基底铜上，将银/氯化银覆盖到对电极18的基底铜上，完成电流型电化学传感器底板的制作；当然，对电极18的制作也可以是先将纯银覆盖到基底铜上，再用氯盐和银产生化学反应而生成所需的氯化银。
[0043]利用上述步骤制得的电流型电化学传感器底板，包括绝缘基质和分别附着在绝缘基质两面的导电部件。其中，正面的导电部件包括连接传感器和分析仪的导电板14、导线15、用于监测样品加入的电极16、工作电极17、对电极18和置放试剂的护圈19 ；反面的导电部件仅包括加热电阻20。工作电极17是在基底铜上覆盖金或钼形成的；对电极18是在基底铜上覆盖银/氯化银形成的。
[0044]根据不同的需要:试剂护圈19可以做成不同的形状如圆形或方形等，也可以放在不同的地方如电极周围或液流通道里，还可以是一个或多个。在试剂护圈19里放置不同的试剂，即可用作测量不同生物参数的生物传感器，比如，放上促凝血酶原激酶(1:111-01111301)1881:111)和凝血酶底物，便可用作凝血酶原时间(^了)传感器；放上合适的抗原抗体便可用作免疫电化学传感器，以测量各种生理标记物如01111、18? ^等。上述试剂或抗原抗体可以用常用的方法放置到试剂护圈19里，比如接触式打印、非接触式喷雾等。
[0045]加热电阻20可以通过将铜箔做成蛇形的电阻丝来实现，其电阻值通过改变电阻丝的宽度和长度来调整；如果需要的话，可以使用电阻率较高的金属或合金代替铜，以便得到合适的电阻值。
[0046]实施例2
[0047]请参阅图4，利用本发明生物传感器的制备方法制作电压型电化学传感器底板的步骤为:
[0048]1)选择与实施例1相同的通用？08原材料板作为基质板材；
[0049]2)通过标准的？⑶化学腐蚀工艺，将多余的铜箔去掉，剩下的便是所需的导电部件，包括普通导电部件、用于电化学反应的反应电极基质、置放试剂的护圈19和加热电阻(与实施例1相同，图未示)；其中，普通导电部件包括用于连接传感器和分析仪的导电板
14、导线15和用于监测样品加入的电极34；除三个反应电极31、32、33外，其它导电部件通过这一步即已制成；
[0050]3)用标准电镀法或化学法将银/氯化银覆盖到三个反应电极31、32、33的基底铜上，得到对电极31、工作电极32和参比电极33 ；当然，对电极31、工作电极32和参比电极33的制作也可以是先将纯银用电镀法或化学法覆盖到基底铜上，再用氯盐和银产生化学反应而生成所需的氯化银；
[0051]4)在工作电极32上放上不同的离子选择膜(132)，在参比电极33上加上一层高浓度盐如氯化钾￠(:1)，即可用作测量不同生物参数的传感器，如血液中的钠、钾、钙等各种电解质的离子浓度；由于上述电极32、33的工作原理是为业内人士所熟知的，因此本发明不再赘述。
[0052]利用上述步骤制得的电压型电化学传感器底板，包括绝缘基质和分别附着在绝缘基质两面的导电部件。其中，正面的导电部件包括连接传感器和分析仪的导电板14、导线
15、用于监测样品加入的电极34、对电极31、工作电极32、参比电极33和置放试剂的护圈19 ；反面的导电部件仅包括加热电阻。对电极31、工作电极32和参比电极33都是在基底铜上覆盖银/氯化银形成的。
[0053]实施例3
[0054]请参阅图5，利用本发明生物传感器的制备方法制作阻抗型生物传感器底板的步骤为:
[0055]1)选择与实施例1相同的通用原材料板作为基质板材；
[0056]2)通过标准的？⑶化学腐蚀工艺，将多余的铜箔去掉，剩下的便是所需的导电部件，包括普通导电部件、用于电化学反应的反应电极基质和加热电阻(与实施例1相同，图未示)；其中，普通导电部件包括用于连接传感器和分析仪的导电板14和导线15；除四个电极41、42、43、44外，其它导电部件通过这一步即已制成；
[0057]3)用标准电镀法或化学法将银/氯化银覆盖到四个电极41、42、43、44的基底铜上，得到两个用于施加电流的电极41、44和两个用于检测电压的电极42、43，完成阻抗型生物传感器底板的制作；当然，四个电极41、42、43、44的制作也可以是先将纯银用电镀法或化学法覆盖到基底铜上，再用氯盐和银产生化学反应而生成所需的氯化银。
[0058]利用上述步骤制得的阻抗型生物传感器底板，包括绝缘基质和分别附着在绝缘基质两面的导电部件。其中，正面的导电部件包括连接传感器和分析仪的导电板14、导线15、两个用于施加电流的电极41、44和两个用于检测电压的电极42、43 ；反面的导电部件仅包括加热电阻。用于施加电流的电极41、44和用于检测电压的电极42、43都是在基底铜上覆盖银/氯化银形成的，且两个用于检测电压的电极42、43位于两个用于施加电流的电极41、44之间。
[0059]生物传感器的制备
[0060]利用实施例1-3制得的各种底板制备生物传感器时，只需用标准的切割工艺将加工好的底板切割成单个的试条，再根据实际需要，用各种方法如接触试打印或非接触式喷雾法将试剂、抗原、抗体或磁珠等材料打印到试条上，然后用双面胶片将盖板和底板粘在一起即可。
[0061]通过以上描述可知，本发明利用？⑶工艺制作的生物传感器，具有工艺简单、价格低廉的优点，因此可以做到高性能、低成本，特别适合各种生物信号如各种血液参数(凝血、血糖、心肌肌钙蛋白等〉、传染病毒(结核、乙肝、!IV等)等的即时检测。
[0062]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【权利要求】
1.一种生物传感器，其特征在于，所述生物传感器包括利用PCB板工艺制作的底板；所述底板包括绝缘基质和附着在绝缘基质一面或两面上的导电部件，其中，绝缘基质的材质与PCB原材料板的绝缘基质相同，导电部件包括与PCB原材料板的导电层材质相同的普通导电部件和在普通导电部件上覆盖不同电极材料而制成的特殊电极。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述特殊电极包括在普通导电部件上用电镀法或化学法覆盖惰性金属制成的电极、在普通导电部件上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银制成的电极中的一种或两种；所述惰性金属优选为金或钼。
3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述普通导电部件包括用于连接生物传感器和分析仪的导电板、导线、用于监测样品加入的电极中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述生物传感器的底板上还选择性地设有用于给传感器加热的加热电阻、用来放置传感器所需材料的收容或承载部件中的一种，此处所说的传感器所需材料包括但不限于传感器所需的试剂、抗原、抗体、磁珠。
5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述生物传感器为电流型电化学传感器、电压型电化学传感器或阻抗型生物传感器。
6.根据权利要求5所述的生物传感器，其特征在于， 所述电流型电化学传感器的底板上设有连接传感器和分析仪的导电板、导线、用于监测样品加入的电极、工作电极、对电极、置放试剂的护圈和加热电阻；其中，工作电极是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖金或钼形成的，对电极是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银、或是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖纯银后再与氯盐反应形成的； 所述电压型电化学传感器的底板上设有连接传感器和分析仪的导电板、导线、用于监测样品加入的电极、工作电极、对电极、参比电极、置放试剂的护圈和加热电阻；其中，工作电极、对电极、参比电极都是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银、或是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖纯银后再与氯盐反应形成的； 所述阻抗型生物传感器的底板上设有连接传感器和分析仪的导电板、导线、加热电阻、两个用于施加电流的电极和两个用于检测电压的电极；其中，用于施加电流的电极和用于检测电压的电极都是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖银/氯化银、或是在基底铜上用电镀法或化学法覆盖纯银后再与氯盐反应形成的，且两个用于检测电压的电极位于两个用于施加电流的电极之间。
7.—种生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)以PCB原材料板作为基质板材，通过PCB制造工艺制作出生物传感器的绝缘基质和导电部件，导电部件包括各种连线和电极； 2)用电镀法或化学法在导电部件的不同电极上覆盖不同电极材料，制成生物传感器所需的各种特殊电极，得到生物传感器底板； 3)利用步骤2)制得的底板制备生物传感器。
8.根据权利要求7所述的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述PCB原材料板包括绝缘基质和导电层；其中，PCB原材料板的绝缘基质选自电木板、纸质树脂板、玻璃树脂板、陶瓷材料板，导电层为铜箔或合金材料。
9.根据权利要求7所述的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述导电部件是通过标准的PCB化学腐蚀工艺将PCB原材料板导电层中不需要的导电材料去掉后留下来的。
10.根据权利要求7所述的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述生物传感器所需的各种特殊电极包括以金或钼为电极材料的电极、以银/氯化银为电极材料的电极中的一种或两种；其中，以金或钼为电极材料的电极是用标准电镀法或化学法将金或钼覆盖到导电部件相应电极的基底铜上得到的；以银/氯化银为电极材料的电极是用标准电镀法或化学法将银/氯化银覆盖到导电部件相应电极的基底铜上得到的，或是先将纯银用电镀法或化学法覆盖到相应电极的基底铜上，再用氯盐和银发生化学反应生成氯化银而制成的。
【文档编号】G01N33/50GK104407123SQ201410345231
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】赵天贤 申请人:赵天贤