RU197895U1 - ELECTROCHEMICAL BIOSENSOR FOR DETERMINING BLOOD Glucose Concentration - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технике исследования и анализа материалов путем определения электрохимических параметров и может быть использована для определения концентрации глюкозы в биологических растворах, например, в крови.Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является увеличение точности измерения количества глюкозы биосенсором в исследуемом материале за счет увеличения выработки электрического тока биосенсором глюкозы.Технический результат достигается тем, что предлагается электрохимический биосенсор для определения концентрации глюкозы в крови с областью для размещения исследуемого материала, выполненный в виде подложки с нанесенными на нее измерительным, опорным и контрольным электродами, причем область для размещения исследуемого материала выполнена в виде камеры, сформированной между указанной подложкой и расположенной с зазором над ней, гидрофильной покрывающей пленкой, зазор между подложкой и покрывающей пленкой сформирован за счет приклеиваемой гидрофобным клеем к ним гидрофобной прокладки, выполненной с вырезом над зоной измерений, при этом прокладка выполнена в виде плоской пластины, при этом измерительный электрод, опорный электрод и контрольный электрод состоят из двух слоев: нижний слой выполнен из меди, верхний слой - из карбона, а сверху карбонового слоя измерительного и опорного электродов локально над зоной измерений расположен электробиохимический реагент, выполненный в виде гомогенной пленки, состоящей на 10% из флавин-аденин-динуклеотидзависимой глюкозодегидрогеназы, на 70% из феррицианида калия и на 20% из связующего органического вещества, полученной высушиванием в конвекционной камере при 50°С, и верхние слои измерительного и опорного электродов находятся в контакте с областью размещения исследуемого материала.The utility model relates to the technique of research and analysis of materials by determining electrochemical parameters and can be used to determine the concentration of glucose in biological solutions, for example, in blood. The technical result aimed at obtaining the utility model is to increase the accuracy of measuring the amount of glucose by a biosensor in the test material by increasing the production of electric current by a glucose biosensor. The technical result is achieved by the fact that an electrochemical biosensor is proposed for determining the concentration of glucose in the blood with an area for placement of the test material, made in the form of a substrate with measuring, reference and control electrodes applied on it, and the area for placement the test material is made in the form of a chamber formed between the specified substrate and located with a gap above it, a hydrophilic coating film, the gap between the substrate and the coating film is formed by adhesives hydrophobic gasket to them, made with a cutout above the measurement zone, the gasket being made in the form of a flat plate, while the measuring electrode, reference electrode and control electrode consist of two layers: the lower layer is made of copper, the upper layer is made of carbon and on top of the carbon layer of the measuring and reference electrodes locally above the measurement zone there is an electrobiochemical reagent made in the form of a homogeneous film consisting of 10% flavin-adenine dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase, 70% potassium ferricyanide and 20% organic binder, obtained by drying in a convection chamber at 50 ° C, and the upper layers of the measuring and reference electrodes are in contact with the area of placement of the test material.

Description

Полезная модель относится к технике исследования и анализа материалов путем определения электрохимических параметров и может быть использована для определения концентрации глюкозы в биологических растворах, например, в крови.The utility model relates to techniques for research and analysis of materials by determining electrochemical parameters and can be used to determine the concentration of glucose in biological solutions, for example, in blood.

Известен измеритель концентрации глюкозы с электрохимической полоской (патент РФ на полезную модель №163382), содержащий блок аналитический, в который при измерении вставляется электрохимическая полоска с областью для размещения исследуемого материала, выполненная в виде подложки с нанесенными на нее электродами, выполненными из серебра, графита и глюкозооксидазы, причем область для размещения исследуемого материала выполнена в виде камеры, сформированной между указанной подложкой и, расположенной с зазором над ней, гидрофильной покрывающей пленкой, отличающийся тем, что зазор между подложкой и покрывающей пленкой сформирован за счет приклеиваемой гидрофобным клеем к ним гидрофобной прокладки, выполненной с вырезом над зоной измерений, и этот зазор выполнен с каналами, соединяющими область размещения исследуемого материала и внешнее пространство. Измеритель, отличающийся тем, что подложка выполнена из электроизолирующего влагонепроницаемого материала, а на ней расположены: трехслойный измерительный электрод, нижний слой которого выполнен из серебра, средний слой выполнен из графита, а верхний слой выполнен из гомогенной пасты, содержащей порошок графита, 2%-ный раствор ферроцианида калия и 5%-ный раствор глюкозооксидазы в смеси диметилсульфоксида с водой, взятых в соотношении 1:4, и связующее органическое вещество; а также опорный электрод и контрольный электрод, содержащие по три слоя, при этом в этих электродах нижний слой выполнен из серебра, средний слой выполнен из графита, а верхний слой выполнен из гомогенной пасты, содержащей порошок графита и 2%-ный раствор ферроцианида калия и 5%-ный раствор глюкозооксидазы в смеси диметилсульфоксида с водой, взятых в соотношении 1:4 и связующее вещество, при этом верхние слои всех электродов находятся в контакте с областью размещения исследуемого материала.A known glucose concentration meter with an electrochemical strip (RF patent for utility model No. 163382) containing an analytical unit, into which, when measuring, an electrochemical strip with a region for placing the test material is inserted, made in the form of a substrate with electrodes made of silver and graphite applied to it and glucose oxidase, moreover, the region for placement of the test material is made in the form of a chamber formed between the specified substrate and, located with a gap above it, a hydrophilic coating film, characterized in that the gap between the substrate and the covering film is formed by a hydrophobic gasket glued to them with hydrophobic adhesive made with a cutout above the measurement zone, and this gap is made with channels connecting the area of placement of the investigated material and the outer space. A meter, characterized in that the substrate is made of electrically insulating moisture-proof material, and on it are located: a three-layer measuring electrode, the lower layer of which is made of silver, the middle layer is made of graphite, and the upper layer is made of homogeneous paste containing graphite powder, 2% - a potassium ferrocyanide solution and a 5% glucose oxidase solution in a mixture of dimethyl sulfoxide and water, taken in a ratio of 1: 4, and a binder organic substance; as well as a reference electrode and a control electrode, each containing three layers, while in these electrodes the lower layer is made of silver, the middle layer is made of graphite, and the upper layer is made of a homogeneous paste containing graphite powder and a 2% solution of potassium ferrocyanide and A 5% solution of glucose oxidase in a mixture of dimethyl sulfoxide with water, taken in a ratio of 1: 4 and a binder, while the upper layers of all electrodes are in contact with the area of placement of the test material.

Недостатками известного устройства является:The disadvantages of the known device is:

- дороговизна электрода, в состав которого входит серебро;- the high cost of the electrode, which includes silver;

- на используемый фермент глюкозооксидазу оказывает воздействие парциальное давление кислорода. Это может повлиять на точность измерения глюкозы в крови такими тест-полосками, что может привести к нежелательным медицинским последствиям;- the glucose oxidase enzyme used is affected by the partial pressure of oxygen. This may affect the accuracy of blood glucose measurements with such test strips, which can lead to undesirable medical consequences;

- на используемый фермент глюкозооксидазу оказывает воздействие присутствие в крови влияющих веществ: мочевая кислота, парацетамол, салицилаты, аскорбиновая кислота. Это может повлиять на точность измерения глюкозы крови такими тест-полосками, что может также привести к нежелательным медицинским последствиям (Quality of Glucose Measurement with Blood Glucose Metersatthe Point-of-Care: Relevance of Interfering Factors - Scientific Figureon Research Gate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Enzymes-and-Coenzymes-in-Test-Strips-of-Different-Blood-Glucose-Meters_tbl1_46819286 [accessed 10 Jan, 2020]);- the glucose oxidase enzyme used is affected by the presence of influencing substances in the blood: uric acid, paracetamol, salicylates, ascorbic acid. This can affect the accuracy of blood glucose measurements with such test strips, which can also lead to undesirable medical consequences (Quality of Glucose Measurement with Blood Glucose Metersatthe Point-of-Care: Relevance of Interfering Factors - Scientific Figureon Research Gate. Available from: https : //www.researchgate.net/figure/Enzymes-and-Coenzymes-in-Test-Strips-of-Different-Blood-Glucose-Meters_tbl1_46819286 [accessed 10 Jan, 2020]);

- сниженная продукция электрического тока при контакте с глюкозой в связи с использованием графита, который обладает невысокой электропроводностью;- reduced production of electric current upon contact with glucose due to the use of graphite, which has a low electrical conductivity;

- многослойная структура электродов известного устройства также понижает продукцию электрического тока, в связи с большим удельным сопротивлением;- the multilayer structure of the electrodes of the known device also reduces the production of electric current, due to the large resistivity;

- фермент, нанесенный на весь верхний слой электродов, а не только в области размещения исследуемого материала, в реакции не участвует и снижает электропроводность верхнего слоя электрода, а значит и электродов в целом.- an enzyme deposited on the entire upper layer of electrodes, and not just in the area of placement of the test material, does not participate in the reaction and reduces the electrical conductivity of the upper layer of the electrode, and hence the electrodes as a whole.

Вышеперечисленные недостатки приводят к снижению выработки электрического тока биосенсором при контакте с глюкозой, что ведет к неточности измерения количества глюкозы в крови и увеличению времени получения ответа (до 5 раз), что может привести к негативным медицинским последствиям, вплоть до летального исхода.The above disadvantages lead to a decrease in the production of an electric current by a biosensor in contact with glucose, which leads to inaccuracy in measuring the amount of glucose in the blood and an increase in the time for receiving a response (up to 5 times), which can lead to negative medical consequences, even death.

Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является увеличение точности измерения количества глюкозы биосенсором в исследуемом материале за счет увеличения выработки электрического тока биосенсором глюкозы.The technical result, which the utility model is aimed at, is to increase the accuracy of measuring the amount of glucose by the biosensor in the test material by increasing the generation of electric current by the glucose biosensor.

Технический результат достигается тем, что электрохимический биосенсор для определения концентрации глюкозы в крови с областью для размещения исследуемого материала, выполненный в виде подложки с нанесенными на нее измерительным, опорным и контрольным электродами, причем область для размещения исследуемого материала выполнена в виде камеры, сформированной между указанной подложкой и, расположенной с зазором над ней, гидрофильной покрывающей пленкой, зазор между подложкой и покрывающей пленкой сформирован за счет приклеиваемой гидрофобным клеем к ним гидрофобной прокладки, выполненной с вырезом над зоной измерений, при этом прокладка выполнена в виде плоской пластины, отличающийся тем, что измерительный электрод, опорный электрод и контрольный электрод состоят из двух слоев: нижний слой выполнен из меди, верхний слой - из карбона, а сверху карбонового слоя измерительного и опорного электродов локально над зоной измерений расположен электробиохимический реагент, выполненный в виде гомогенной пленки, состоящей на 10% из флавин-аденин-динуклеотидзависимой глюкозодегидрогеназы, на 70% из феррицианида калия и на 20% из связующего органического вещества, полученной высушиванием в конвекционной камере при 50°С, и верхние слои измерительного и опорного электродов находятся в контакте с областью размещения исследуемого материала.The technical result is achieved by the fact that the electrochemical biosensor for determining the concentration of glucose in the blood with the region for placing the test material, made in the form of a substrate with measuring, supporting and control electrodes applied to it, and the region for placing the test material is made in the form of a chamber formed between the specified the substrate and, with a gap above it, a hydrophilic coating film, the gap between the substrate and the coating film is formed by a hydrophobic adhesive glued to them by a hydrophobic gasket made with a cutout over the measurement zone, the gasket being made in the form of a flat plate, characterized in that The measuring electrode, the reference electrode, and the control electrode consist of two layers: the lower layer is made of copper, the upper layer is made of carbon, and the electrobiochemical reagent, made in the form of a homogenous layer, is located locally above the measurement zone on top of the carbon layer film consisting of 10% flavin-adenine-dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase, 70% potassium ferricyanide and 20% organic binder obtained by drying in a convection chamber at 50 ° C, and the upper layers of the measuring and supporting electrodes are in contact with the area of placement of the investigated material.

На фиг. 1 представлена схема электрохимического биосенсора для определения концентрации глюкозы в крови с выделением отдельных слоев.In FIG. 1 shows a diagram of an electrochemical biosensor for determining the concentration of glucose in the blood with the release of individual layers.

Устройство может быть реализовано в следующем виде. На подложке 1 электрохимического биосенсора глюкозы, вставляемого при измерении в аналитический блок измерителя концентрации глюкозы, выполненного из изолирующего материала, расположен измерительный электрод 2, нижний слой 3 которого выполненный из меди, а верхний слой 4 выполнен из карбона, опорный электрод 5, нижний слой 6 которого выполнен из меди, а верхний слой 7 выполнен из карбона и контрольный электрод 8, нижний слой 9 которого выполнен из меди, а верхний слой 10 выполнен из карбона. Над зоной измерений 11 локально помещается электробиохимический реагент 12, выполненный в виде гомогенной пленки, состоящей на 10% из флавин-аденин-динуклеотидзависимой глюкозодегидрогеназы, на 70% из феррицианида калия и на 20% из связующего органического вещества; полученной высушиванием в конвекционной камере при 50°С. При этом верхние слои 4, 7 измерительного 2 и опорного 5 электродов находятся в контакте в зоне измерений 11 с электробиохимическим реагентом 12. Область 13 для размещения исследуемого материала выполнена в виде камеры, сформированной между подложкой 1, с нанесенными на нее электродами 2, 5, 8, гидрофобной прокладкой 14 с вырезом 15 и гидрофильной покрывающей пленкой 16, обеспечивающей за счет капиллярного эффекта втягивание исследуемого материала. Прокладка 14 соединена с покрывающей пленкой 16 и подложкой 1, с нанесенными на нее электродами 2, 5, 8, с помощью гидрофобного клея. Для беспрепятственного удаления воздуха из области для размещения исследуемого материала 13 при втягивании за счет капиллярного эффекта в нее исследуемого материала в покрывающей пленке 16 выполнено технологическое отверстие 17.The device can be implemented as follows. On the substrate 1 of the electrochemical glucose biosensor, inserted when measuring into the analytical unit of the glucose concentration meter made of insulating material, there is a measuring electrode 2, the lower layer 3 of which is made of copper, and the upper layer 4 is made of carbon, the supporting electrode 5, the lower layer 6 which is made of copper, and the upper layer 7 is made of carbon and a control electrode 8, the lower layer 9 of which is made of copper, and the upper layer 10 is made of carbon. An electrobiochemical reagent 12 is locally placed above the measurement zone 11, made in the form of a homogeneous film consisting of 10% flavin-adenine dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase, 70% potassium ferricyanide and 20% organic binder; obtained by drying in a convection chamber at 50 ° C. In this case, the upper layers 4, 7 of the measuring 2 and reference 5 electrodes are in contact in the measurement zone 11 with the electrobiochemical reagent 12. The region 13 for accommodating the test material is made in the form of a chamber formed between the substrate 1, with electrodes 2, 5 deposited on it, 8, a hydrophobic gasket 14 with a notch 15 and a hydrophilic coating film 16, which, due to the capillary effect, ensures the retraction of the test material. The gasket 14 is connected to the covering film 16 and the substrate 1, with electrodes 2, 5, 8 deposited on it, using hydrophobic glue. For unhindered removal of air from the area for placement of the test material 13 when retracting due to the capillary effect into it of the test material in the coating film 16, a technological hole 17 is made.

Электрохимический биосенсор для определения концентрации глюкозы в исследуемом материале с электрохимической полоской работает следующим образом.The electrochemical biosensor for determining the concentration of glucose in the test material with an electrochemical strip works as follows.

В блок аналитический измерителя концентрации глюкозы вставляют электрохимический биосенсор глюкозы, выполненный в виде электрохимической тест-полоски, между электродами 2 и 5 устанавливается опорное напряжение, которое формирует разность потенциалов в зоне измерений 11, при этом наличие потенциала на электроде 5, совпадающего с потенциалом электрода 8 свидетельствует о правильности подключения электрохимической полоски к блоку аналитическому. Область для размещения исследуемого материала 13 приводят в контакт с каплей исследуемого материала, содержащего глюкозу, например крови, при этом за счет капиллярного эффекта обеспечивается втягивание исследуемого материала в область 13, где он взаимодействует с электробиохимическим реагентом 12, который покрывает зону измерений 11, и приводит к протеканию реакции восстановления феррицианида калия до ферроцианида калия электронами из молекулы глюкозы флавин-аденин-динуклеотидзависимой глюкозодегидрогеназой и появлению между измерительным 2 и опорным 5 электродами напряжения, свидетельствующего о покрытии зоны измерений 11, а через время, определяемое объемом области 13, появлению на измерительном электроде 2 напряжения, пропорционального концентрации глюкозы в исследуемом материале.An electrochemical glucose biosensor made in the form of an electrochemical test strip is inserted into the analytical unit of the glucose concentration meter, a reference voltage is established between the electrodes 2 and 5, which forms the potential difference in the measurement zone 11, while the potential on the electrode 5 coincides with the potential of the electrode 8 indicates the correct connection of the electrochemical strip to the analytical unit. The area for placement of the test material 13 is brought into contact with a drop of the test material containing glucose, such as blood, while the capillary effect ensures the retraction of the test material in the area 13, where it interacts with the electrobiochemical reagent 12, which covers the measurement zone 11, and leads to the reaction of the reduction of potassium ferricyanide to potassium ferrocyanide by electrons from the glucose molecule flavin-adenine-dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase and the appearance of voltage between measurement 2 and 5 reference electrodes, indicating the coverage of measurement zone 11, and after a time determined by the volume of region 13, the appearance on the measuring electrode 2 voltage proportional to the concentration of glucose in the test material.

Claims (1)

Электрохимический биосенсор для определения концентрации глюкозы в крови с областью для размещения исследуемого материала, выполненный в виде подложки с нанесенными на нее измерительным, опорным и контрольным электродами, причем область для размещения исследуемого материала выполнена в виде камеры, сформированной между указанной подложкой и расположенной с зазором над ней, гидрофильной покрывающей пленкой, зазор между подложкой и покрывающей пленкой сформирован за счет приклеиваемой гидрофобным клеем к ним гидрофобной прокладки, выполненной с вырезом над зоной измерений, при этом прокладка выполнена в виде плоской пластины, отличающийся тем, что измерительный электрод, опорный электрод и контрольный электрод состоят из двух слоев: нижний слой выполнен из меди, верхний слой - из карбона, а сверху карбонового слоя измерительного и опорного электродов локально над зоной измерений расположен электробиохимический реагент, выполненный в виде гомогенной пленки, состоящей на 10% из флавин-аденин-динуклеотидзависимой глюкозодегидрогеназы, на 70% из феррицианида калия и на 20% из связующего органического вещества, полученной высушиванием в конвекционной камере при 50°С, и верхние слои измерительного и опорного электродов находятся в контакте с областью размещения исследуемого материала.An electrochemical biosensor for determining the concentration of glucose in the blood with a region for placing the test material, made in the form of a substrate with measuring, reference and control electrodes applied to it, and the region for placing the test material is made in the form of a chamber formed between the specified substrate and located with a gap above hydrophilic coating film, the gap between the substrate and the coating film is formed by a hydrophobic adhesive glued to them by a hydrophobic gasket made with a cutout above the measurement zone, while the gasket is made in the form of a flat plate, characterized in that the measuring electrode, reference electrode and control the electrode consists of two layers: the lower layer is made of copper, the upper layer is made of carbon, and an electrobiochemical reagent located in the form of a homogeneous film consisting of 10% flavin adene is located locally above the measurement zone on top of the carbon layer of the measuring and reference electrodes indinucleotide-dependent glucose dehydrogenase, 70% from potassium ferricyanide and 20% from organic binder obtained by drying in a convection chamber at 50 ° C, and the upper layers of the measuring and reference electrodes are in contact with the area of placement of the investigated material.

Images