CN1241014C - 葡萄糖条形传感器和采用该葡萄糖条形传感器检测葡萄糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自由使用的、用于快速、方便地测量血样中的葡萄糖浓度的葡萄糖条形传感器，以及一种采用该葡萄糖条形传感器测量葡萄糖浓度的方法。在所述的葡萄糖条形传感器中，包含工作电极(31)和反电极(32)的电极区(30)还另外包括至少一个校验电极(33)。该校验电极(33)在测量传感器中的血样的葡萄糖浓度时用于检测其是否与反电极(32)电连接。如果提供有两个校验电极，则可以检测这些校验电极之间是否存在电连接。根据检测结果，可以确定是否有足够量的血液样品充入传感器。因此，可以精确地实现葡萄糖浓度的测量。

Description

葡萄糖条形传感器和采用该葡萄糖条形传感器检测葡萄糖的方法

技术领域

本发明涉及一种可自由使用的，用于快速、方便地检测血糖浓度的葡萄糖条形传感器以及采用该葡萄糖条形传感器检测葡萄糖的方法。

技术背景

无论是对于那些需要控制其糖分摄入量的糖尿病患者，还是对于糖尿病的早期检测和诊断，血糖浓度的测量都是十分重要的。基于这个目的，提出了许多简易、方便的测量血糖浓度的方法。

目前的葡萄糖测量方法主要是依据葡萄糖氧化酶和过氧化物酶氧化葡萄糖的原理进行的。这些方法也采用邻联甲苯胺或基于联苯胺的混合物作为指示剂即发色体。根据这些方法，观察因葡萄糖氧化引起的指示剂的颜色变化，以测量血糖的浓度。

例如，这些技术在美国专利USP 3,061,523和日本公开特许公报特开昭50-39558中都有公开。在这些参考文献中公开了一种葡萄糖测试条。为了制备该葡萄糖测试条，首先制备一种溶液，其成分包括：葡萄糖氧化酶和过氧化物酶作为反应酶；柠檬酸缓冲液维持6.0的pH；明胶，海藻酸，聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇作为稳定剂；以及邻联甲苯胺，联苯胺，3-氨基丙基对脲苯基胂酸，和2，7-二胺基荧光素作为发色体。用该溶液浸渗作为载体的具有所需厚度和尺寸的纤维素纸，然后干燥，即获得测试条。同样，韩国专利公开文本No.85-1297也公开了一种制备葡萄糖测试条的方法，该测试方法利用了使用葡萄糖氧化酶和过氧化物酶的酶测量基本原理。当采用上述的葡萄糖测试条来测量血糖浓度时，由于测量值是基于测试条颜色的变化，因此很难精确地测量血糖浓度。

为了解决上述问题，提出了各种采用电化学方法来测量葡萄糖浓度的技术。这类电化学方法使得测量血糖浓度的精确度提高成为可能，而缩短测量时间，并实现方便测量。由于上述优点，采用电化学方法测量葡萄糖浓度的方法有了较大的发展。

现在，将描述基于电化学方法的葡萄糖测量传感器的工作原理。当将血样置于葡萄糖测量传感器的反应层时，血样中所含的葡萄糖将被反应层中含有的葡萄糖氧化酶氧化。这时，葡萄糖氧化酶被还原。然后，被还原的葡萄糖氧化酶进一步被电子受体氧化，由此，电子受体被还原。被还原的电子受体在施有所需电压的电极表面提供电子。结果，电子受体将由于电化学作用而再次被氧化。因此，血样中的葡萄糖浓度将与电子受体氧化过程中产生的电流量成比例。因此，可以通过测量电流量来测量葡萄糖的浓度。

上述葡萄糖测量传感器的例子公开在日本公开特许公报61-294351中。该传感器描述于图1中。如图1所示，由碳或类似材料制成的工作电极和反电极采用筛网印花技术形成于基底111上。同时，绝缘体115也形成于基底111上，并允许电极被部分暴露。含有反应物质例如葡萄糖氧化酶和电子受体的多孔反应层117也被置于绝缘体115之上。为了牢固地固定多孔反应层117，绝缘体115上还安排有固定架116和盖118。在图1中，附图标记112，113，和114表示工作电极和反电极，附图标记112’，113’，和114’则表示工作电极和反电极的暴露部分。这些电极和电极部分组成了电极系统。当血样滴于多孔反应层117上时，上述结构的葡萄糖测量传感器即可测量血样中的葡萄糖浓度。

然而，上述葡萄糖测量传感器中反应层117吸收的血样量会根据滴于反应层117上的血样量的变化而改变。因此，由于反应层117吸收的血样量的变化，会造成测量误差。

为了解决这个问题，又开发出一种生物传感器。美国专利USP5,120,420公开了这种生物传感器的例子，并示于图2。如图2所示，这种生物传感器包括一由聚乙烯对苯二酸酯制成的非导电性基底211。银采用筛网印花技术印于非导电性基底211上从而制成导线212，213。包含树脂粘结剂的导电性碳糊被印刷在导线212和213上，从而形成工作电极214和反电极215。然后印刷绝缘体216以允许电极214和215被部分暴露。将0.5％的羧甲基纤维素(CMC)水溶液铺敷于电极214和215上，干燥后形成CMC层。将含有葡萄糖氧化酶(GOD)作为酶成分的磷酸缓冲液混合溶液铺敷于CMC层上，干燥后形成由CMC-GOD层组成的主反应层。然后将树脂板217和盖219附于上述结构上而形成腔(space)218。在图2中，附图标记220表示样品加样口，标记221则表示流出口。

在上述结构的生物传感器中，当样品溶液接触样品加样口220时，由于毛细现象，样品溶液被引入腔218中，从而充满腔218。同时，存在于腔218中的空气通过与加样口220相对形成或在盖219上形成的流出口221从腔218中排出。

当流出口221位于生物传感器的上表面时，由于操作者无意的接触流出口221，会出现实验误差。由于这一原因，操作此生物传感器存在着不便。此外，操作者仅凭肉眼来检验是否有足够的样品溶液加入生物传感器。因此，即使在生物传感器中充入的样品量不足的情况下，测量也可以进行。然而，在这种情况下，检测的葡萄糖水平将会错误地低于实际的葡萄糖浓度。

发明内容

本发明充分考虑了传统葡萄糖测量传感器中存在的上述问题；同时，本发明的目的是提供一种葡萄糖条形传感器，其包括位于传感器前部的样品加样口，和分别位于传感器的相对的二个侧部的流出口，从而可以实现方便地操作该传感器，同时，该传感器中还包括一校验电极，该校验电极单独或与反电极一起用于测定传感器中引入的血液样品量是否足够，从而能够实现葡萄糖的精确测量；还提供一种采用该葡萄糖条形传感器测量葡萄糖的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种葡萄糖条形传感器，其包括：非导电性的基底；形成在所述基底上的电极区，该电极区包括分别通过导线与导线末端电连接的工作电极和反电极；分别涂覆在电极区的上述电极上并用于与血液样品反应的反应层；用于在所述电极区上方形成用于接收血液样品的腔的树脂板；和形成在所述树脂板上的盖；其中：在树脂板的前部形成用于将血液样品加入到样品容纳腔的样品加样口，同时在树脂板的相对的二个侧部形成用于将所述样品容纳腔中的空气排出的流出口，从而使所述样品容纳腔呈T型。

优选的是，所述电极区进一步包括至少一个校验电极，用于检测血液样品是否完全引入到所述样品容纳腔中，所述校验电极设置于所述样品加样口附近或其中一个流出口附近。

根据本发明的另一方面，提供一种检测葡萄糖的方法，该方法包括：将血液样品引入权利要求1或2所述的葡萄糖条形传感器；检测葡萄糖条形传感器中所包含的反电极和校验电极之间是否建立了电连接，由此确定引入所述腔的血样量是否足够；如果确定有足够量的血样引入到所述腔中，则采用已知的方法测量血样中的葡萄糖浓度。

附图说明

通过下列结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1为分解透视图，展示了传统的样品滴入式葡萄糖测试条；

图2为分解透视图，展示了利用毛细现象的传统葡萄糖测试生物传感器；

图3为分解透视图，展示了根据本发明的一种实施方式的葡萄糖条形传感器；

图4为图3所示的葡萄糖条形传感器的剖视图；

图5为图3所示的葡萄糖条形传感器的组装透视图；

图6为透视图，展示了根据本发明的葡萄糖条形传感器的一种电极排列方式；

图7为透视图，展示了根据本发明的葡萄糖条形传感器的另一种电极排列方式；和

图8为曲线图，描绘了根据本发明的葡萄糖条形传感器产生的信号与葡萄糖浓度的关系。

具体实施方式

图3为一分解透视图，展示了根据本发明的一种实施方式的葡萄糖条形传感器。图4为图3所示的葡萄糖条形传感器的剖视图。图5为图3所示的葡萄糖条形传感器的组装透视图。

如图3至5所示，所述葡萄糖条形传感器包括：非导电性基底10，形成于所述基底10上的由银墨或银和氯化银混合墨形成的导线区20，以及形成于所述导线区20上的电极区30。导线区20包括导线21和导线末端22，而电极区30则包括工作电极31，反电极32，和校验电极33。该葡萄糖条形传感器还包括：涂覆于导线区20和电极区30上的绝缘层40，该绝缘层允许导线区20和电极区30部分暴露；形成在电极区30的暴露部分上的反应层50；形成在形成反应层50之后所得的结构上并限定出样品容纳腔63的树脂板60；和形成在所述树脂板60上的盖70。树脂板60具有与样品容纳腔63相连通的样品加样口61和流出口62。样品加样口61位于所述树脂板60的前部，而流出口62分别位于树脂板60的相对的二个侧部。

本发明的葡萄糖条形传感器其特征在于，除了工作电极31和反电极32之外，它还包括用于检测样品是否被完全引入传感器的校验电极33。本发明的葡萄糖条形传感器其特征还在于，其样品加样口61位于所述树脂板60的前部，而流出口62则分别位于树脂板60的相对的二个侧部，从而使由树脂板60限定的样品容纳腔63呈T型。

现在，将详细描述具有上述结构的葡萄糖条形传感器的制造。

首先，制备基底10。对于基底10，可采用聚合物基底，其由非导电性材料例如聚乙烯对苯二酸酯、聚氯乙烯树脂、或聚碳酸酯树脂制成。该基底10优选由聚乙烯对苯二酸酯制成。

然后，在基底10上形成导线区20。正如上文所述，导线区20包括导线21和导线末端22。导线区20可以采用公知的筛网印花方法制成。根据本发明，导线区20是采用筛网印花方法将银墨或银和氯化银混合墨印于基底10上而形成的。

在形成导线区20之后，在该导线区20上形成电极区30。根据本发明，该电极区30除了包括工作电极31和反电极32之外，还包括校验电极33。虽然只图示了一个校验电极33，但电极区30还可以包括两个或更多的校验电极。其中校验电极33用于检验其与反电极32之间是否存在电连接。根据该检验结果，可以确定传感器中是否充满了足够数量的血样。因此，血样中的葡萄糖浓度可以被精确地测量。

在校验电极33a显示有足够量的血液引入传感器的情况下，校验电极33也可以行使和反电极32相同的功能，因为校验电极33与反电极32间存在电连接。在这种情况下，获得了增大的反电极面积。由于反电极面积的增大，当测量工作电极和反电极间的电流量时，可以提高葡萄糖测量信号的灵敏度。组成电极区30的工作电极31和反电极32，可以采用公知方法制备。可采用与制备反电极32相同的方法制备校验电极33。如上文所述，电极区30优选利用导电性碳墨，按照筛网印花技术制备。

在形成了电极区30后所获得的结构的上表面，采用筛网印花技术使绝缘材料在其表面形成绝缘层40，以使导线区20绝缘，并部分地暴露电极区30。对于绝缘材料来说，可以采用非导电性的筛网印花墨或绝缘墨。根据本发明，优选采用绝缘性的筛网印花墨。其后，则进行反应层50的制备，并使反应层50覆盖于电极区30暴露的部分上。反应层50是由一种包括水凝胶和葡萄糖氧化酶(GOD)作为主要成分的材料制成的。具体地，反应层50的形成是通过分别按所需比例将水凝胶、GOD和稳定剂在缓冲液中混合制备混合溶液，将该混合溶液分散于电极区30的表面，然后将其置于保温箱中使分散的溶液干燥而获得。

在形成包括水凝胶和GOD作为主要成分的反应层50后获得的结构上，安置树脂板60，以限定样品容纳腔63。而且，树脂板60在其前部限定样品加样口61，并分别在其侧部限定流出口62。因此，由树脂板60限定的样品容纳腔63具有T型的形状。由于样品加样口61和流出口62分别位于树脂板60的前部和侧部，因此与传统的样品加样口位于上表面的传感器相比，本发明的传感器更容易操作。

最后采用公知技术将盖70安置于树脂板60上。这样，就完成了本发明的葡萄糖条形传感器的制备。

由于具有上述结构的葡萄糖条形传感器包括校验电极33，它可以用于检测校验电极33和反电极32间是否存在电连接，由此可以确定传感器中是否存在足够数量的血液样品。因此，本发明的优点在于测量葡萄糖浓度的精确度得到了提高。此外，当在反电极32和校验电极33间存在电连接的情况下，利用电导方法测量该二电极间的电流量时，其优点在于获得的葡萄糖测定信号的灵敏度提高。由于样品加样口61和流出口62分别位于传感器的前部和侧部，因此，可以方便地操作传感器。

在图3的例子中，工作电极31、反电极32和校验电极33是按如下方式排列的：反电极32和校验电极33分别排列于工作电极31的前后两边。但是，也可以采用其他的排列方式。

例如，反电极32可位于样品加样口61附近，而校验电极33可位于流出口62附近，如图6所示。在此情况下，在传感器的样品容纳腔63完全充满血液样品的情况下，校验电极33与反电极32电连接。因此，即使是在腔体积增大的情况下，也可以精确地检验传感器中的腔是否完全被血液样品充满。

还可以采用如图7所示的排列方式，使校验电极33靠近样品加样口61，而反电极32则排列于工作电极31后部。

采用如图6或7中所示的校验电极排列方式，可以精确地测量传感器中引入的血液样品量是否足够。因此，能减少测量误差。

现在，将详细描述具有本发明结构的葡萄糖条形传感器的操作。当血液样品接触到传感器的样品加样口61时，由于毛细现象的作用，血液样品进入传感器的T形的样品容纳腔63，并充满样品容纳腔63。同时，存在于样品容纳腔63中的空气也通过分别位于传感器的相对的二个侧部的流出口62而从样品容纳腔63中排出。其后，在希望测量葡萄糖浓度之前，检验是否有足够的血液样品进入样品容纳腔63。也就是，检验反电极32与校验电极33间是否建立了电连接。

填充于传感器的样品容纳腔63中的血液样品浸渗入反应层50。浸渗的血样中的葡萄糖与反应层50中所含的GOD进行酶促反应，从而使葡萄糖被氧化。同时，GOD被还原。被还原的GOD进一步与反应层50中所含的电子受体反应，从而被氧化；而被氧化了的GOD则与剩下的还未被氧化的葡萄糖发生反应。被还原的电子受体迁移至施有约0.6伏电压的工作电极31的表面，从而将电子供给至其表面。同时，该电子受体被再次氧化，从而能再次参与上述反应。在电子受体氧化过程中产生的电流量与血样中的葡萄糖浓度成比例。因此，可以通过测量工作电极31和反电极32间的电流量来定量得出血样中的葡萄糖浓度。

进行实验，以便鉴定在由本发明的葡萄糖条形传感器测量的葡萄糖浓度与通过自动葡萄糖分析仪测定的葡萄糖浓度间建立的对应关系，该实验如下进行：

首先，通过将所需量的葡萄糖溶于缓冲溶液中制备血液样品。然后，采用自动葡萄糖分析仪测量血样中的葡萄糖浓度，该葡萄糖自动分析仪由YSIInc.公司制造，型号为YSI 2300 STAT PLUS。接着，采用本发明中的葡萄糖条形传感器测量与所测的葡萄糖浓度对应的信号强度。测量的葡萄糖浓度和测量的信号强度间的对应关系如图8所示。对于每一种葡萄糖浓度，均重复6次测量。

参考图8，可以看出测量的葡萄糖浓度与测量的信号强度之间的关系在临床显著的葡萄糖浓度范围内，也就是葡萄糖浓度为50到600mg/dL的范围内建立了很好的对应关系。

从上述描述可明显看出，本发明提供的葡萄糖条形传感器在包括工作电极和反电极的电极区中还另外包括一校验电极。在测量传感器中引入的血样的葡萄糖浓度时，该校验电极起着检验其是否与反电极间存在电连接的作用。根据该检测结果，可以确定是否有足够量的血样充入传感器。因此，可以准确地实现葡萄糖浓度的测量。此外，当在校验电极与反电极间存在电连接的情况下，利用电导方法测量校验电极与反电极间的电流量，其优点在于可以获得提高的葡萄糖测量信号的灵敏度。

根据本发明，葡萄糖条形传感器还包括一位于传感器前部的样品加样口，和分别位于传感器相应侧部的流出口。因此，可方便地操作该传感器。

虽然，为了说明的目的而公开了本发明的优选实施方式，本领域的熟练技术人员应该理解的是，在不偏离权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下可以有各种改进、添加和替换。

Claims (2)

1.一种葡萄糖条形传感器，其包括：非导电性的基底；形成在所述基底上的电极区，该电极区包括分别通过导线与导线末端电连接的工作电极和反电极；分别涂覆在电极区的上述电极上并用于与血液样品反应的反应层；树脂板，该树脂板用于在所述电极区上方形成用于接收血液样品的腔；和形成在所述树脂板上的盖；其中：

在树脂板的前部形成用于将血液样品加入到样品容纳腔的样品加样口，同时在树脂板的相对的二个侧部形成用于将所述样品容纳腔中的空气排出的流出口，从而使所述样品容纳腔呈T型；

所述电极区进一步包括至少一个校验电极，用于检测血液样品是否完全引入到所述样品容纳腔中，所述校验电极设置于所述样品加样口附近或其中一个流出口附近。

2.一种检测葡萄糖的方法，其包括下列步骤：

将血液样品引入权利要求1所述的葡萄糖条形传感器；

检验葡萄糖条形传感器的反电极和校验电极之间是否建立了电连接，从而确定是否有足够量的血液样品被引入到所述腔中；

如果确定有足够量的血液样品被引入所述腔，则根据已知方法检测血液样品中的葡萄糖浓度。

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