TW201623955A - 一種具備微腔體結構之生物感測器 - Google Patents

Abstract

本創作乃是關於一種具備微腔體結構之生物感測器，該感測器係利用一圍繞感測器反應電極周圍形成局部空間之微腔體結構，並將已固定生物酵素之多孔性材質填充於反應電極上方之微腔體空間中，再以具備排氣孔及液體滴入口結構之上蓋層加以覆蓋，形成一微小之立體空間，於其中可經由滴入口導入液體樣品，並藉由毛細現象迅速將液體樣品充滿擴散於含有生物酵素固定之多孔性結構中，同時可將反應電極表面潤濕，增加生物感測器之反應速度並降低液體待測樣品之需求體積，進而減低因擴散質傳阻力而導致生物感測器準確性之偏差。

Description

一種具備微腔體結構之生物感測器

本創作乃是關於一種具備微腔體結構之生物感測器，尤指當利用生物感測器透過酵素催化反應進行液體樣品內之待測物之濃度量測時，可藉由生物感測器內結構所形成之微腔體構造及填充於微腔體內含有均勻分散酵素之多孔性結構，將待測物液體樣品迅速吸附並擴散於微腔體內，提高酵素與待測物之接觸機會，並減少微腔體內之充填所需體積，同時可以迅速與反應電極接觸，降低電化學反應的擴散質傳阻力，進而提昇生物感測器之偵測精確度與縮短量測時間。

生物感測器廣泛使用於環境衛生與醫療上，例如在醫療照護上的使用，對於病患的各種血液指標，例如血糖、尿酸、膽固醇等都具有相當的便利性。目前除了醫療院所或檢驗機構所常見的重複性使用感測器，在商業應用上的一次性拋棄式生物感測器也十分普及。而在環境或食品檢測上，生物感測器也可針對農藥殘留程度與重金屬廢水濃度加以分析檢測，其用途可謂廣泛。

以往的生物感測器結構多為簡易的印刷電極與多層 基板所組成具備直線型微流道與電化學之生物反應區之結構，雖可迅速便利的獲得受檢體液之相關測量值，一般以血液為主，然而在實際的應用上對於小量血液體積的檢測仍受限於微量有限反應物質(小於3微升，μL)在局部反應區間的微觀流動及質傳阻力，進而導致量測結果的誤差。

從生物感測器習知的實驗與經驗中得知，以血液檢測而言，以往的生物感測器設計上，酵素皆固定於工作電極表面，以特殊的高分子材料配方將生物酵素黏著於導電的材料上方，再透過微流道以及特殊降低血液中血球容積比(Hematocrit effect,Hct)的多孔性薄膜或微結構，提昇血液中膽固醇或血糖的檢測精確度，如中華民國專利(I359948)及中華民國專利(I464396)所揭露對於紅血球過濾排除的試紙結構，其中，主要利用多孔性材料的過濾作用將影響血液中血球容積比的相關物質加以濾除，透過重力過濾或是外加真空抽取方式，以遂行其量測上的要求。

然而上述無論是否進行何種的血液前處理或亦是不進行前處理，其生物感測器結構皆須透過微流道構造將血液進行輸送至電極表面，再將固定於電極表面具備高分子包覆之酵素層先行以血液將其溶解，方能將溶出之酵素與血液中的血糖或膽固醇進行反應，其酵素利用率較差。而這類生物感測器設計之作法必須耗用較多血液，通常需要3.0uL至10.0uL的血液量，在操作上會令使用者較為排斥。此外，為了要利用多孔性材料將影響血液中血球容積比的相關物質排除，則必須克服多孔性材料對血液的 過濾阻力，相對需要較多的整體量測時間，也造成操作生物感測器量測上的不便及操作效率不彰等問題。

為克服傳統生物感測器透過微流道及多孔性材質過濾而降低量測之精確度與耗費之時間，並減少待測液體之需求量，且改善酵素反應之效率，本發明係提供一生物感測器，用以檢測一液體樣品內之待測物質，該生物感測器包含：一生物感測器基材、一生物感測器信號連接線路、一反應電極、一絕緣層、一上蓋層、一酵素固定多孔層、一滴入口、一排氣口及一微腔體。前述反應電極與生物感測器信號連接線路形成於該生物感測器基材上，前述反應電極乃由一工作電極及一輔助電極所組成。前述絕緣層在反應電極之位置周圍形成一具備高度之容器空間，並在生物感測器連接線路之一端將其裸露以利與連接器接觸。前述酵素固定多孔層則固定於前述上蓋層具備滴入口之其中一側，其與前述排氣孔位置堆疊固定，而排氣口則位於滴入口之任兩側，可與酵素固定多孔層重疊，也可不重疊。而將前述酵素固定多孔層固定之前述上蓋層則以固定酵素多孔層之一側與前述之絕緣層相互黏合，進一步形成以前述絕緣層在反應電極之位置周圍形成一具備高度之容器空間及前述上蓋層所包圍而成，內部被酵素固定多孔層部份佔據之前述微腔體空間。前述酵素固定多孔層設置於前述微腔體之上緣，其中透過前述位於上蓋層之滴入口所導入之液體樣品則立即進入緊鄰之前述酵素固定多孔層，並直接開始與 酵素進行催化反應，同時，液體樣品也透過毛細作用迅速穿透前述酵素固定多孔層，再將緊鄰之反應電極表面潤濕並進行電化學感測反應。

為達到上述克服傳統生物感測器透過微流道及多孔性材質過濾而降低量測之精確度與耗費之時間，並減少待測液體之需求量，且改善酵素反應之效率，本發明之另一具體實施例中，該前述具備微腔體結構之生物感測器之微腔體空間內可全被所填充的酵素固定多孔層佔據。

於本發明之實施例中，前述具備微腔體結構之生物感測器之酵素固定多孔層可由兩種以上之孔徑結構以堆疊組成，並分別固定不同類型之生物酵素物質。

於本發明之實施例中，前述具備微腔體結構之生物感測器之酵素固定多孔層可由兩種以上之生物酵素同時固定於多孔結構中。

於本發明之實施例中，前述具備微腔體結構之生物感測器之酵素固定多孔層可在前述反應電極表面獨立形成二個以上之區域，由兩種以上之生物酵素同時或個別固定於多孔結構內，並可配合具備兩個以上面積大小各異的滴入口之上蓋層，進行感測器之構裝。

於本發明之實施例中，前述具備微腔體結構之生物感測器之可用於電化學檢測。

於本發明之實施例中，前述具備微腔體結構之生物 感測器之可用於光學檢測，且前述上蓋層所具備之滴入口可作為光學檢測之信號檢出位置。

10‧‧‧生物感測器基材

11‧‧‧生物感測器信號連接線路

12‧‧‧反應電極

13‧‧‧絕緣層

14‧‧‧上蓋層

15‧‧‧酵素固定多孔層

16‧‧‧液體樣品

17‧‧‧滴入口

18‧‧‧排氣口

19‧‧‧微腔體

第1圖係本發明之具備微腔體結構之生物感測器剖面示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本發明乃是關於一種具備微腔體結構之生物感測器，尤指當利用生物感測器透過酵素催化反應進行液體樣品內之待測物之濃度量測時，可藉由生物感測器內結構所形成之微腔體構造及填充於微腔體內含有均勻分散酵素之多孔性結構，將待測物液體樣品迅速吸附並擴散於微腔體內，提高酵素與待測物之接觸機會，並減少微腔體內之充填所需體積，同時可以迅速與反應電極接觸，降低電化學反應的擴散質傳阻力，進而提昇生物感測器之偵測精確度與縮短量測時間。為獲得有效並準確之說明，以下提出一實施案例進行解說，請參閱第1圖，即為本發明所提出指定代表圖所示。本發明係提供一生物感測器，用以檢測一液體樣品16內之待測物質，該生物感測器包含：生物感測器基材10、生 物感測器信號連接線路11、反應電極12、絕緣層13、上蓋層14、酵素固定多孔層15、滴入口17、排氣口18及一微腔體19。一具備微腔體19結構之生物感測器乃由反應電極12與生物感測器信連接線路11形成於該生物感測器基材10上，反應電極12是由一工作電極及一輔助電極所組成。前述絕緣層13在反應電極12之位置周圍形成一具備高度之容器空間，並在生物感測器信號連接線路11之一端將其裸露以利與連接器接觸。酵素固定多孔層15則固定於上蓋層14具備滴入口17之其中一側，其與前述排氣孔18位置堆疊固定，而排氣口18則位於滴入口17之任兩側，可與酵素固定多孔層15重疊，或亦可不重疊。而將酵素固定多孔層15固著之上蓋層14則以接合酵素多孔層15之一側與生物感測器基材10上之絕緣層13上側相互黏合，進一步形成以絕緣層13在反應電極12之位置周圍形成一具備高度之容器空間及上蓋層14所包圍而成，內部被酵素固定多孔層15部份佔據之微腔體19空間。而酵素固定多孔層15設置於微腔體19之上緣，其中透過位於上蓋層14之滴入口17所導入之液體樣品16則立即進入緊鄰接合之酵素固定多孔層15，並直接開始與酵素進行催化反應，同時，液體樣品16也透過毛細作用迅速穿透位於微腔體19空間內之酵素固定多孔層15，再將緊鄰之反應電極12表面潤濕並進行電化學感測反應。

根據本發明之又一實施方式，在具備微腔體19結構之生物感測器之酵素固定多孔層15，可由兩種以上之孔徑結構以堆疊組成，並分別固定不同類型之生物酵素物質。

根據本發明之又一實施方式，在具備微腔體19結構之生物感測器之酵素固定多孔層15，可由兩種以上之生物酵素同時固定於單一酵素多孔層15結構中。

根據本發明之又一實施方式，在具備微腔體19結構之生物感測器之酵素固定多孔層15可在反應電極12表面獨立形成二個以上之區域，由兩種以上之生物酵素同時或個別固定於酵素固定多孔層15結構內，並可配合具有兩個以上面積大小各異的滴入口17之上蓋層14，進行生物感測器之構裝。。

藉由上述實施案例之說明，期能詳細解說本發明之結構設計與技術特點的精神，而上述所揭露之較佳實施例並非用以限制本創作之含蓋範圍，若有其他變更或均等性之安排，皆屬本創作所欲受保護之範圍。故本創作所申請之專利範圍應根據上述說明作最寬廣之解釋，並含蓋所有可能之變更與均等性之安排。

10‧‧‧生物感測器基材

11‧‧‧生物感測器信號連接線路

12‧‧‧反應電極

13‧‧‧絕緣層

14‧‧‧上蓋層

15‧‧‧酵素固定多孔層

16‧‧‧液體樣品

17‧‧‧滴入口

18‧‧‧排氣口

19‧‧‧微腔體

Claims (10)

1. 一種具備微腔體結構之生物感測器，包含有一生物感測器基材；一生物感測器信號連接線路及相連接導通之一反應電極，其位於生物感測器基材之一側表面上；一絕緣層，其以局部覆蓋之方式固定於被生物感測器信號連接線路與反應電極附著之生物感測器基材之同一側表面，使其表面位於反應電極區域之周圍形成一具備高度之容器空間，同時裸露出生物感測器信號連接線路之部位，以利與外部連接器進行電子信號傳輸；一上蓋層其具備有液體樣品滴入口及排氣口之孔洞構造，以利液體樣品滴入生物感測器時之壓力平衡，而排氣口則位於滴入口之任兩側；一酵素固定多孔層則是為內部孔隙附著生物酵素成份之材料層，位於一上蓋層之一側表面，並固定於上蓋層具備滴入口之相對位置，而酵素固定多孔層的面積可以涵蓋延伸至排氣孔之位置；一微腔體位於反應電極之上方位置，乃由生物感測器基材、絕緣層及上蓋層所堆疊組成之一微小空間，其為把酵素固定多孔層貼合固定之上蓋層之一側與絕緣層相互黏合，進一步形成以絕緣層在反應電極之位置周圍形成一具備高度之容器空間及上蓋層所包圍而成，內部被酵素固定多孔層佔據之微腔體空間；酵素固定多孔層設置於微腔體之上緣，透過位於上蓋層另一側表面之滴入口，將欲量測之液體樣品導入，液體樣品則可立即進入緊鄰上蓋層之酵素固定多孔層，並直接開始與酵素進行催化反應，同時，液體樣品也透過毛細作用迅速穿 透酵素固定多孔層，再將緊鄰之反應電極表面潤濕並進行電化學感測反應。
2. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該反應電極可以包含工作電極、輔助電極及參考電極之組合。
3. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該酵素固定多孔層之組成可以包含具備開放性多孔洞構造之金屬、非金屬、高分子、纖維、複合薄膜等材料。
4. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該酵素固定多孔層所吸附固定之生物酵素種類可以包含一種以上同時存在於其中。
5. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該酵素固定多孔層可以是一層以上之不同孔洞直徑之多孔材質構造加以堆疊或排列，可以分別於不同孔洞直徑條件下固定不同種類之生物酵素。
6. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該酵素固定多孔層可以是親水性材質或疏水性材質之堆疊或排列結構組合。
7. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該上蓋層作為滴入口及排氣口之開口孔洞數量可以是一個或一個以上。
8. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該上蓋層之開口孔洞可同時作為電化學生物感測器之液體樣品滴入口及光學呈色生物感測器之顯色判讀窗口。
9. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該微腔體之構造可以局部體積被酵素固定多孔層填充，或完全被酵素固定多孔層填滿。
10. 如請求項1之一種具備微腔體結構之生物感測器，其中該微腔體在生物感測器上形成數量可以是一個以上的微小空間，各個微小空間可以相互流通液體，也可以是獨立封閉的存在。