CN112525959A - 一种积分电极结构、生物传感器及积分式电极生物传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种积分电极结构，包括第一电极和第二电极，第一电极由积分电极一和传输电极一组成；第二电极由积分电极二和传输电极二组成；积分电极一和积分电极二以蛇形迹线分隔形成；传输电极一设置在积分电极一所在一侧，传输电极二设置在积分电极二所在一侧。本发明还公开了一种生物传感器及其制造方法。本发明反应试剂和待分析物反应时各电极可获得均匀的信号；试剂区被迹线分隔成第一电极和第二电极，被充分利用，反应时各电极可获得最大量的信号，信号强度高；同一个反应区域可以有两个反应试剂体系，可同时检测待测样本中的两种反应物，相同的面积平均可获得更多信号，检测结果更准确；制作方法简单，加工精度高，不同批次之间的差异小。

Description

一种积分电极结构、生物传感器及积分式电极生物传感器的 制造方法

技术领域

本发明属于生物传感器领域，尤其是涉及一种积分电极结构、生物传感器及积分式电极生物传感器的制造方法。

背景技术

丝网印刷是加工生产生物传感器的常用方法，该方法因其成本低，且制作方法简单被广泛使用。但是该方法存在固有的缺陷，加工精度低，使得印刷后的电极边缘容易出现毛刺、波纹等问题，对测试精度会有一定的影响。

另一方面，在没有酶层丝印技术的支持下，加工生产生物传感器时，一般使用点液的方式将反应试剂设置到电极上，点液区溶液的扩散及分布的情况是否均匀会影响到生物传感器的性能，而点液的过程以及烘干溶液的过程都容易导致溶液扩散不均匀。

当使用丝网印刷加工电极和使用点液的方式设置反应试剂同时应用时，相应的问题还会加重，表现出一定的批内差和批间差。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种可以充分利用反应区域，反应试剂和待分析物反应时各电极可以获得均匀且最大量的信号，信号强度高的积分电极结构，带有该积分电极结构的生物传感器，及积分式电极生物传感器的制造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种积分电极结构，包括第一电极和第二电极，

所述的第一电极由积分电极一和传输电极一组成；

所述的第二电极由积分电极二和传输电极二组成；

所述的积分电极一和积分电极二以蛇形迹线分隔形成；

所述的传输电极一设置在积分电极一所在一侧，传输电极二设置在积分电极二所在一侧。

作为优选，所述迹线为由激光烧灼或轰击形成的空白分隔线。

本发明还公开了一种生物传感器，包括基板层、电极层和绝缘层，

所述的绝缘层设置有试剂区，该试剂区用于设置反应试剂；

所述的电极层，设置有积分电极结构，该积分电极结构包括第一电极和第二电极，所述的第一电极由积分电极一和传输电极一组成，所述的第二电极由积分电极二和传输电极二组成，所述的积分电极一和积分电极二以蛇形迹线分隔形成，所述的传输电极一设置在积分电极一所在一侧，传输电极二设置在积分电极二所在一侧；

所述的传输电极一设置有可与检测仪器电性连接的第一触点，传输电极二设置有可与检测仪器电性连接的第二触点。

进一步的，所述积分电极一上设有第一辅助迹线；或所述积分电极二上设有第一辅助迹线；或所述积分电极一上设有第一辅助迹线，所述积分电极二上设有第二辅助迹线。

进一步的，所述电极层还包括由积分电极三和传输电极三组成的第三电极，由积分电极四和传输电极四组成的第四电极，所述传输电极三设置有可与检测仪器电性连接的第三触点，传输电极四设置有可与检测仪器电性连接的第四触点。

进一步的，所述电极层内设有多条蛇形迹线，相邻迹线所在区域之间设有水平分割线，该分割线由激光烧灼或轰击形成。

本发明又公开了一种积分式电极生物传感器的制造方法，包括有以下步骤：

1)选取基板层；

2)将导电材料印刷并固化至基板层，以形成积分电极基础层；

3)将导电材料印刷并固化至基板层，以形成传输电极和触点；

4)用激光烧灼或轰击积分电极基础层，使得烧灼或轰击部位的导电材料脱离基板层，形成蛇形弯曲延伸的蛇形迹线，完成积分电极的制作；

5)在完成电极层制作的基板层上印刷并固化绝缘层，该绝缘层上具有镂空的用于设置反应试剂的试剂区；

6)将反应试剂设置在试剂区，并在反应区域铺设样本通道。

进一步的，所述步骤2)中的导电材料为导电碳浆，导电碳浆通过丝网印刷方式印刷至反应区域的基板层上，形成具有厚度的积分电极基础层，并用高温将积分电极基础层固化至基板层。

进一步的，所述步骤3)中的导电材料为导电银浆，导电银浆通过丝网印刷方式印刷至基板层上的特定位置，形成传输电极和触点，并用高温将传输电极和触点固化至基板层。

进一步的，所述步骤5)中的绝缘层由绝缘油墨通过丝网印刷方式获得，并形成了镂空的试剂区，用紫外固化灯照射使之固化。

进一步的，所述基板层为表面致密且无孔的均匀塑料基材，厚度为0.1-5mm。

本发明参照微积分原理求圆或椭圆面积的方法，将圆或椭圆平行切割成若干份，计算每一等份不同长度矩形的面积之和即为圆的面积，将一个类圆形的电极区域也进行多次平行切割，且被切割后每相邻两部分分别被连接至正负极两端，即为微积分式的电极区设计，如图1所示。

本发明提供了一种积分式的电极，用积分的方式将电极分解并均匀分布于整个试剂区内，增加了电极的数量，用激光烧灼或轰击的方式分解电极，在不彻底改变工艺的情况下，使电极间距减小，提高了电极在整个反应区域面积的占比。

本发明克服了丝网印刷加工精度低的问题，激光切割的边缘精度优于碳油墨印刷的边缘，不会有毛刺、波纹等问题；克服了反应试剂扩散不均匀导致反应后产生信号差异的问题，充分利用反应区域面积，提高电极覆盖率，有助于提高试剂扩散的均一性，从而在有限的区域内实现更大面积电极的覆盖，提高信号强度，并能够实现在同一个反应区域设置多个试剂区用于检测样本中的不同物质。

本发明的有益效果是：1)当积分电极结构的第一电极和第二电极的面积相等时，反应试剂和待分析物反应时各个电极可以获得均匀的信号；2)试剂区被迹线分隔成第一电极和第二电极，试剂区被充分利用，使得反应试剂和待分析物反应时各电极可以获得最大量的信号，信号强度高；3)积分电极结构的第一电极和第二电极的面积也可以不相等，从而提高电子传递的可通过面积，增加信号强度；4)同一个反应区域可以有两个反应试剂体系，可同时检测待测样本中的两种反应物，相对于普通的电极，相同的面积平均可获得更多信号，得到的检测结果更为准确；5)积分式电极生物传感器的制作方法简单，加工精度高，不同批次之间的差异小。

附图说明

图1为本发明积分电极结构的示意图。

图2为本发明生物传感器待测样本反应区域的分解结构示意图。

图3为本发明积分电极结构的另一种示意图。

图4为本发明生物传感器的结构示意图。

图5为本发明生物传感器(两个反应试剂体系)的结构示意图。

图6为本发明生物传感器(带有辅助迹线)的结构示意图。

图7为本发明生物传感器的制造流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种积分电极结构，包括第一电极401和第二电极402，第一电极401由积分电极一4011和传输电极一4012组成，传输电极一4012设置在积分电极一4011所在一侧，第二电极402由积分电极二4021和传输电极二4022组成，传输电极二4022设置在积分电极二4021所在一侧；积分电极一4011和积分电极二4021通过蛇形迹线4001分隔形成，积分电极一4011和积分电极二4021可以无缝拼合，积分电极一4011和积分电极二4021的结构相同，只不过设置方向不同，积分电极一4011逆时针旋转180°后移动位置可以与积分电极二4021重合，迹线4001为积分电极一4011和积分电极二4021之间的导电碳浆被激光烧灼或轰击，导电碳浆被轰击并气化脱离形成的空白分隔线。

如图1、2所示，生物传感器的待测样本反应区域400，该区域自下而上依次包括基板层403、电极层405和绝缘层404，绝缘层404框定的镂空的椭圆形区域为试剂区2，该试剂区2为用于设置反应试剂的区域，电极层405包括第一电极401和第二电极402，第一电极401由积分电极一4011和传输电极一4012组成，传输电极一4012设置在积分电极一4011所在一侧，第二电极402由积分电极二4021和传输电极二4022组成，传输电极二4022设置在积分电极二4021所在一侧；积分电极一4011和积分电极二4021通过蛇形迹线4001分隔形成，积分电极一4011和积分电极二4021可以无缝拼合，积分电极一4011和积分电极二4021的结构相同，只不过设置方向不同，积分电极一4011逆时针旋转180°后移动位置可以与积分电极二4021重合，迹线4001为积分电极一4011和积分电极二4021之间的导电碳浆被激光烧灼或轰击，导电碳浆被轰击并气化脱离形成的空白分隔线。

迹线4001以积分的方式将电极层405分成至少两个电极，使反应试剂设置在第一电极401和第二电极402上时，被均匀地分配给各电极，也就是说，各电极能够得到体积相同的反应试剂，反应区域被充分利用，从而在反应试剂与待分析物反应时各电极可以获得均匀且最大量的信号，提高信号的强度。

上述结构中，第一电极401和第二电极402的结构是相同的，如图3所示，第一电极和第二电极的结构也可以不相同，即蛇形迹线分割成的两个梳状结构的电极面积也可以是不对称的，每个梳齿的宽度可以不同，蛇形弯曲延伸的蛇形迹线可以是垂直弯折，也可以是有弧度的弯折，或其它任何的弯折方式，例如，扩大工作电极对应的梳状区域，减少对电极/参比电极对应的梳状区域，可进一步提高电子传递的可通过面积，增加信号强度。

如图4所示，一种生物传感器500，其具有如图2所示的待测样本反应区域，待测样本反应区域内设置有样本通道(图中未示出)，电极层501包括第一电极和第二电极，第一电极由积分电极一5011、传输电极一5012及位于传输电极一5012端部的第一触点507组成，传输电极一5012设置在积分电极一5011所在一侧；第二电极由积分电极二5021、传输电极二5022及位于传输电极二5022端部的第二触点506组成，传输电极二5022设置在积分电极二5021所在一侧；

积分电极一5011和积分电极二5021通过蛇形迹线5001分隔形成，积分电极一5011和积分电极二5021可以无缝拼合，迹线5001为积分电极一4011和积分电极二4021之间的导电碳浆被激光烧灼或轰击，导电碳浆被轰击并气化脱离形成的空白分隔线。

生物传感器500通过第一触点506和第二触点507与检测仪器电性连接。

如图5所示，一种生物传感器600，其具有如图2所示的待测样本反应区域，待测样本反应区域内设置有样本通道(图中未示出)，该反应区域具有两个反应试剂体系，可以同时检测待测样本中的两种反应物。具体的，该生物传感器600包括第一电极601、第二电极602、第三电极608和第四电极609，第一电极601由积分电极一、传输电极一和第一触点607组成，第二电极602由积分电极二、传输电极二和第二触点606组成，第三电极608由积分电极三、传输电极三和第三触点611组成，第四电极609由积分电极四、传输电极四和第四触点610组成。两个反应试剂体系之间通过水平分割线6002分隔形成，水平分割线6002由激光烧灼或轰击形成，水平分割线6002两侧对应的反应体系分别对应蛇形迹线6001和蛇形迹线6005，蛇形迹线6001、蛇形迹线6005和分割线6002组合，从而形成第一电极601、第二电极602、第三电极608和第四电极609。生物传感器通过第一触点607、第二触点606、第三触点611和第四触点610与检测仪器电性连接。当然也可以设置多个反应试剂体系，相邻的反应试剂体系之间通过水平分割线分隔，每个反应试剂体系内具有激光烧灼或轰击得到的蛇形迹线。在生物传感器的反应区域设置积分电极，使区域面积被充分利用，当同时检测待测样本中的多种反应物时，相对于普通的电极，相同的面积平均可获得更多信号，得到的检测结果更为准确。

如图6所示，一种生物传感器700，包括第一电极701、第二电极702、第三电极708和第四电极709，第一电极701由积分电极一、传输电极一和第一触点707组成，第二电极702由积分电极二、传输电极二和第二触点706组成，第三电极708由积分电极三、传输电极三和第三触点711组成，第四电极709由积分电极四、传输电极四和第四触点710组成。水平分割线7002由激光烧灼或轰击形成，水平分割线7002两侧对应的反应体系分别对应蛇形迹线7001和蛇形迹线7005，蛇形迹线7001、蛇形迹线7005和分割线7002组合，从而形成第一电极701、第二电极702、第三电极708和第四电极709。生物传感器通过第一触点707、第二触点706、第三触点711和第四触点710与检测仪器电性连接。

与图5的不同在于，图6中积分电极三上还带有第一辅助迹线7003，其由激光烧灼或轰击形成，积分电极四上还带有第二辅助迹线7004，其由激光烧灼或轰击形成；由于印刷时，得到的镂空的试剂区会与设定区域有一定的偏差，第一辅助迹线7003的设置可以将积分电极三和试剂区对应的有效面积进行调整，将试剂区上端被第一辅助迹线7003和迹线7001框定的区域去除，同样的，第二辅助迹线7004的设置可以将积分电极四和试剂区对应的有效面积进行调整，将试剂区下端被第二辅助迹线7004和迹线7001框定的区域去除，达到增加容纳偏差空间的目的，即增加印刷的容错率。当然，也可以只在积分电极三上设置第一辅助迹线，或只在积分电极四上设置第一辅助迹线。或者，在积分电极一上设置辅助迹线，或在积分电极二上设置辅助迹线，以达到增加印刷容错率的目的。

如图7所示，一种积分式电极生物传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)在激光设备中预设蛇形迹线；

2)选取表面致密且无孔的塑料基材，如聚丙烯、聚乙烯或聚苯乙烯等，切割成0.1-5mm厚度的均匀薄层片材作为基板层；

3)通过丝网印刷方式将导电碳浆印刷至反应区域的基板层上，形成一定厚度的积分电极基础层，并用高温使之固化在基板层上；

4)通过丝网印刷方式将导电银浆印刷至基板层上特定位置，形成传输电极和触点，同样用高温使之固化在基板层上；

5)激光设备根据预设好的蛇形迹线对积分电极基础层进行激光烧灼或轰击，使迹线路径上的导电碳浆被轰击并气化脱离基板层表面，形成空白的迹线；

6)通过丝网印刷方式将绝缘油墨印刷至基材上特定位置，形成绝缘层，绝缘层上具有镂空的用于设置反应试剂的试剂区，可通过试剂区观察到部分电极层，并用紫外固化灯照射使之固化在基板层上；

7)将预先制造好的亲水层与间隔层铺设到反应区域上，形成一个内置的毛细样本通道。

电极层包括上述的积分电极基础层、迹线和传输电极、触点。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种积分电极结构，包括第一电极和第二电极，其特征在于：

所述的第一电极由积分电极一和传输电极一组成；

所述的第二电极由积分电极二和传输电极二组成；

所述的积分电极一和积分电极二以蛇形迹线分隔形成；

所述的传输电极一设置在积分电极一所在一侧，传输电极二设置在积分电极二所在一侧。

2.根据权利要求1所述的积分电极结构，其特征在于：所述迹线为由激光烧灼或轰击形成的空白分隔线。

3.一种生物传感器，包括基板层、电极层和绝缘层，其特征在于：

所述的绝缘层设置有试剂区，该试剂区用于设置反应试剂；

所述的电极层，设置有积分电极结构，该积分电极结构包括第一电极和第二电极，所述的第一电极由积分电极一和传输电极一组成，所述的第二电极由积分电极二和传输电极二组成，所述的积分电极一和积分电极二以蛇形迹线分隔形成，所述的传输电极一设置在积分电极一所在一侧，传输电极二设置在积分电极二所在一侧；

所述的传输电极一设置有可与检测仪器电性连接的第一触点，传输电极二设置有可与检测仪器电性连接的第二触点。

4.根据权利要求3所述的生物传感器，其特征在于：所述积分电极一上设有第一辅助迹线；或所述积分电极二上设有第一辅助迹线；或所述积分电极一上设有第一辅助迹线，所述积分电极二上设有第二辅助迹线。

5.根据权利要求3或4所述的生物传感器，其特征在于：所述电极层还包括由积分电极三和传输电极三组成的第三电极，由积分电极四和传输电极四组成的第四电极，所述传输电极三设置有可与检测仪器电性连接的第三触点，传输电极四设置有可与检测仪器电性连接的第四触点。

6.权利要求3所述的生物传感器，其特征在于：所述电极层内设有多条蛇形迹线，相邻迹线所在区域之间设有水平分割线，所述分割线由激光烧灼或轰击形成。

7.一种积分式电极生物传感器的制造方法，其特征在于包括有以下步骤：

1)选取基板层；

2)将导电材料印刷并固化至基板层，以形成积分电极基础层；

3)将导电材料印刷并固化至基板层，以形成传输电极和触点；

4)用激光烧灼或轰击积分电极基础层，使得烧灼或轰击部位的导电材料脱离基板层，形成蛇形弯曲延伸的蛇形迹线，完成积分电极的制作；

5)在完成电极层制作的基板层上印刷并固化绝缘层，该绝缘层上具有镂空的用于设置反应试剂的试剂区；

6)将反应试剂设置在试剂区，并在反应区域铺设样本通道。

8.根据权利要求7所述的积分式电极生物传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤2)中的导电材料为导电碳浆，导电碳浆通过丝网印刷方式印刷至反应区域的基板层上的，形成具有厚度的积分电极基础层，并用高温将积分电极基础层固化至基板层。

9.根据权利要求7所述的积分式电极生物传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤3)中的导电材料为导电银浆，导电银浆通过丝网印刷方式印刷至基板层上的特定位置，形成传输电极和触点，并用高温将传输电极和触点固化至基板层。

10.根据权利要求7所述的积分式电极生物传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤5)中的绝缘层由绝缘油墨通过丝网印刷方式获得，并形成了镂空的试剂区，用紫外固化灯照射使之固化；所述基板层为表面致密且无孔的均匀塑料基材，厚度为0.1-5mm。

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