TWI486586B - Current - type biological sensor and its making method - Google Patents

Description

電流式生物感測器及其製作方法

本發明是有關於一種生物感測器及其製作方法，特別是指一種電流式生物感測器及其製作方法。

生物感測器是利用生物要素與物理化學檢測要素的組合，對一待測物進行分析與檢測的裝置，主要是由一生物辨識元件及一信號轉換器所組成。其中，生物辨識元件指的是酵素、抗體、核酸、微生物等具有受質專一性的生化物質，生物辨識元件會與相對應的待測物進行生化反應而產生訊號，該些訊號可以是電流訊號、化學螢光、熱、聲波等，而信號轉換器則是將該生化反應過程中所產生的訊號轉換為可進行統計與分析的量測裝置。

目前常見的生物感測器有電流式生物感測器、光纖生物感測器、壓電晶體生物感測器等，其中，電流式生物感測器是利用電訊號的形式進行待測物濃度的定量與分析，主要是觀察偵測待測物與生物辨識元件進行生化反應時所產生的電流變化，電流變化量會與待測物的濃度成正比，由相關的方程式進行計算而進一步得知該待測物的濃度。

由於電化學分析方法具有靈敏度高、選擇性佳，及可進行多元分析與物種鑑定等優點，因此，將生物感測器應用於醫療檢驗的方式已漸為現今發展的趨勢，例如利用生物感測器測量人體血清或尿液中尿素的濃度，可作為人體腎功能的指標，以即時進行藥物的治療或飲食的控制。

然而，現今一般用於醫療體系的生物感測器不但成本昂貴，檢測的步驟也相當繁雜，須熟練此技術的使用者才能進行操作，且機台儀器具有一定的體積不利於移動，無法作為日常居家檢測之用。

基於上述生物感測器的發展與應用，如何以較低的成本製作出攜帶便利、穩定性佳、靈敏度高，且有助於患者進行居家檢測及重點照護檢驗的生物感測器，係為本發明研究改良的重要目標。

因此，本發明之一目的，即在提供一種靈敏度高、體積小且易於檢測的電流式生物感測器。

於是，本發明電流式生物感測器，用以感測一可與酵素進行反應的待測物濃度，包含複數個感測器，及一台偵測器。

該每一個感測器包括一個基材，及一個設置於該基材表面的電極單元，該電極單元具有彼此間隔排列的一工作電極、一參考電極、一輔助電極，該與待測物進行 反應的酵素是形成於該工作電極的表面，且該些感測器是呈矩陣設置並經由該些電極單元彼此電連接。

該偵測器分別與該等電極單元電連接，用以施加電壓並偵測自該些工作電極輸出的電流並進行數據接收。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種製作簡單且成本低廉的電流式生物感測器的製作方法。

於是，本發明電流式生物感測器的製作方法，包含以下步驟：

(i)準備複數個感測器及一台偵測器，該每一個感測器包括一個基材，及一個設置於該基材上的電極單元，該電極單元具有彼此間隔排列的一工作電極、一參考電極、一輔助電極。

(ii)在該工作電極的表面設置一會與待測物進行反應的酵素。

(iii)將該些感測器以矩陣方式設置並令該些電極單元彼此電連接。

(iv)將該偵測器分別與該等電極單元電連接，用以施加電壓並偵測自該些工作電極輸出的電流並進行數據接收。

1‧‧‧感測器

11‧‧‧基材

12‧‧‧電極單元

121‧‧‧工作電極

122‧‧‧參考電極

123‧‧‧輔助電極

13‧‧‧固定件

131‧‧‧第一固定片

132‧‧‧第二固定片

2‧‧‧偵測器

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明電流式生物感測器的一較佳實施例；圖2是一立體分解圖，說明本發明電流式生物感測器的該較佳實施例；圖3是一流程圖，說明本發明該較佳實施例的製作方法；圖4是一X-Y散布圖，說明單一型生物感測器的電流量測結果；圖5是一X-Y散布圖，說明單一型生物感測器的電流變化與待測尿酸濃度的關係；圖6是一X-Y散布圖，說明矩陣型生物感測器的電流量測結果；圖7是一X-Y散布圖，說明矩陣型生物感測器的電流變化與待測尿酸濃度的關係；圖8是一X-Y散布圖，說明單一型生物感測器與矩陣型生物感測器之電流變化與待測尿酸濃度的差異比較；及圖9是一直方圖，說明單一型生物感測器與矩陣型生物感測器的訊雜比差異。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、2，本發明電流式生物感測器的較佳 實施例包含複數個感測器1，及一台偵測器2，而能用以感測一可與酵素進行反應的待測物濃度，為了令本發明電流式生物感測器的構造更加清楚，亦配合參閱圖3說明該較佳實施例的製作方法。

於本較佳實施例中，是以三個感測器1為例來作說明，該每一個感測器1包括一個基材11、一個設置於該基材11上的電極單元12，及一個對應設置於該電極單元12外圍的固定件13。其中，該電極單元12具有彼此間隔排列的一工作電極121、一參考電極122，及一輔助電極123。

該工作電極121為酵素與待測物進行反應的區域，其構成材料可選自鉑、金、碳、汞，而該與待測物進行反應的酵素則是以戊二醛為交聯劑固定形成於該工作電極121的表面，利用戊二醛的醛基與酵素的胺基反應產生的鍵結，令該酵素可穩固地設置於該工作電極121的表面，減少酵素在進行反應的過程中逐漸流失。該待測物與該酵素反應後所得的反應產物於接收一外加電壓時會產生一氧化電流，而該氧化電流則會經由該工作電極121輸出，且該氧化電流會隨著待測物的濃度不同而有變化。

該參考電極122提供一穩定且已知的電位，此電位不會受該待測物的濃度及該工作電極121的電位影響，該參考電極122一般選自汞電極、甘汞電極、銀/氯化銀電極。

該輔助電極123的作用則是當待測物與酵素進行反應所產生的電流過大時，會導致該工作電極121的電位發生偏移，此偏移的誤差即由該輔助電極123進行調整，該輔助電極123的構成材料可選自銀、鎳、鉑、碳。

該固定件13是選自絕緣材料，具有一第一固定片131及一第二固定片132。該第一固定片131為環圍該工作電極121，且該第一固定片131與該基材11共同界定出一個供填置測試用酵素的容置空間，而該第二固定片132則是形成於該三個電極的外圍，該第二固定片132與該基材11共同界定出一個用以填置待測物的容置空間，該第二固定片132的設置亦可增加該待測物的穩固性。

於本較佳實施例中，該工作電極121、參考電極122、輔助電極123是利用網版印刷的方式形成於該基材11的表面，且該工作電極121及該輔助電極123分別選自碳材料，而該參考電極122為銀/氯化銀電極。

該偵測器2是分別與該些感測器1以矩陣的方式進行設置，並令該等電極單元12彼此以並聯的方式電連接，用以偵測自該些工作電極121輸出的反應電流並進行數據接收。該偵測器2主要是透過電化學分析方法定量該待測物的濃度，經由量測該待測物與酵素進行反應後所產生的氧化電流變化，可得到一電流對時間的關係圖(i-t curve)，該氧化電流的變化量會與該待測物的濃度成正比，因此可進一步推算出該待測物的濃度。

本發明利用多個以矩陣的方式設置所得到的電流式生物感測器，由於該些感測器1是彼此電連接，因此可增加訊號的強度並提高訊雜比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)。訊雜比是指電子設備或電子系統中訊號與雜訊的比例，其中訊號指的是儀器設備於量測過程中需要進行處理的電子訊號，而雜訊則為存在於該電子訊號以外的額外訊號，雜訊不會隨著電子訊號的變化而改變，是無規則性也不需要存在的，訊雜比即為電子訊號與雜訊的比值，可經由下式1計算而得，因此可知在一量測的過程中除了電子訊號值的產生以外，雜訊值應越小越好，故訊雜比的值應越高越好。

SNR=Signal/Noise (式1)

本發明該電流式生物感測器的製作方法的較佳實施例包含以下步驟。

準備複數個感測器1及一台偵測器2，該每一個感測器1包括一個基材11，及一個設置於該基材11上的電極單元12，該電極單元12具有彼此間隔排列的一工作電極121、一參考電極122、一輔助電極123。

於該每一個感測器1的工作電極121、參考電極122，及輔助電極123的外圍對應設置一固定件13，該固定件13與該基材11共同界定出一個供填置測試用的酵素及待測物的容置空間。

接著在該工作電極121的表面設置一會與該待 測物進行反應的酵素。具體的說，該酵素的設置方法是先將戊二醛覆蓋於該工作電極121的表面，再將該酵素塗覆於該戊二醛的表面進行交聯反應後，而將該酵素固定於該工作電極121的表面。

然後將該些感測器1以矩陣方式設置並令該些電極單元12彼此電連接。

最後再將該偵測器2分別與該等電極單元12電連接，用以施加電壓並偵測自該些工作電極121輸出的電流並進行數據接收。

為使本發明電流式生物感測器的使用、功效更為清楚，在此以尿酸酶(廠牌為Sigma，純度為5.2 unit/mg)作為酵素用以檢測尿酸(廠牌為Sigma，純度為99%)的濃度，並選用廠牌為Zensor禪譜科技股份有限公司，型號為TE100的網版印刷三電極作為本發明電流式生物感測器的感測器，透過電流式分析儀(廠牌為CH Instrument，USA，型號為CH1627C)量測其電流變化來加以說明本發明電流式生物感測器於實際應用上的優點。

〈尿酸含量檢測試驗〉

首先準備三個通用序列匯流排接頭(Universal Serial Bus，USB，購自今華電子)，並將其固定於一平台上，再利用同軸電纜(Coaxial cable，購自今華電子)以並聯的方式分別連接每一個USB接頭，並與該電流式分析儀進行電連接，以形成一導通電路，於量測時再依所需數量將該等 感測器分別對應插置於該等USB接頭。其中，所使用的同軸電纜是一種電線及訊號傳輸線，一般是由四層物料所組成，最內層是一導電銅線，銅線外圍包覆一層塑膠絕緣材料，在該塑膠絕緣材料的外圍再形成一層網狀導電體，最外層再以絕緣材料進行包覆，因同軸電纜的多層結構特色，可有效地隔絕外在環境的電磁干擾，而得到更為精密及準確的量測結果。

接著，在每一個感測器的工作電極表面設置會與尿酸進行反應的尿酸酶，詳細的說，是先取4 μL濃度2.5%的戊二醛溶液(Glutaraldehyde，廠牌為Sigma)均勻填置於該工作電極的表面，並靜置於4℃的環境下1小時，再取用4 μL濃度為0.5 unit/mg的尿酸酶溶液均勻覆蓋於該戊二醛溶液的表面，接著取4 μL濃度為0.1 mM的胎年血清蛋白溶液(Bovine Serum Albumin，BSA)蓋覆於該尿酸酶溶液的表面，並隔夜靜置於4℃的環境下，即完成尿酸酶酵素的固定。

儀器設備裝設完成後，進行配製本試驗所需測試使用的尿酸溶液，取0.0134488 g的尿酸溶於100 mL、pH值為6.75的磷酸鹽緩衝溶液(Phosphate buffered saline，廠牌為GeneMark)中，即為濃度0.8 mM的尿酸溶液，再分別稀釋配製成濃度為0.1 mM、0.2 mM、0.4 mM的尿酸溶液，保存於4℃的環境下。

接著進行空白試驗，於該等感測器中滴入20 μL的磷酸鹽緩衝溶液，啟動電流式分析儀設定施予電位為0.7 V，偵測靈敏度為0.001 μA/mM，取樣頻率為每秒一筆數據，進行150秒的電流數據量測。

得到基礎電流數據後，移除空白試驗的磷酸鹽緩衝溶液，分別改以200 μL不同濃度的尿酸溶液進行1×1單一型生物感測器、1×2矩陣型生物感測器、1×3矩陣型生物感測器的量測。其中，待測的尿酸濃度是以0.1 mM、0.2 mM、0.4 mM、0.8 Mm分別進行540秒的電流數據量測，以分析比較1×1單一型生物感測器與1×2、1×3矩陣型生物感測器的靈敏度、準確度及訊雜比的差異。

〈試驗結果〉

尿酸酶酵素會與待測濃度的尿酸進行反應，產生尿囊素、二氧化碳及過氧化氫，而過氧化氫在施加適當電位下會產生一氧化電流，該氧化電流的訊號強弱與尿酸的濃度有關，因此藉由量測該氧化電流訊號便可進一步推算出該待測尿酸的濃度。

本試驗是以施加0.7 V的電位進行該氧化電流的量測，正常人體內尿酸的濃度介於0.13 mM至0.46 mM，本試驗選用尿酸濃度為0.1 mM、0.2 mM、0.4 mM、0.8 mM作為測試溶液，濃度範圍已涵蓋人體內尿酸濃度的正常範圍值。

參閱圖4，為1×1單一型生物感測器的量測結果，在給予0.7 V的固定電位下，由時間與電流變化關係 圖可知，當所滴入的待測尿酸溶液濃度增加時，其電流變化量也會隨著增加。配合參閱圖5，於本試驗中，在量測時間為450秒時尿酸酶與尿酸的反應達到平衡，故取樣450秒的量測電流值作為穩態電流值，將不同濃度尿酸溶液的穩態電流值進行分析，顯示穩態電流值與尿酸濃度是呈線性關係，R² 值為0.9076。

參閱圖6，為1×2矩陣型生物感測器的量測結果，1×2矩陣型生物感測器之時間與電流變化關係圖的趨勢與1×1單一型生物感測器相同，即電流變化量會隨著待測尿酸溶液濃度的增加而提升，但1×2矩陣型生物感測器所量測得到的電流訊號相較於1×1單一型生物感測器有明顯增加的趨勢。配合參閱圖7，另再取樣量測時間為450秒時的穩態電流值，分析發現電流變化值與濃度亦是呈線性關係，但R² 值已明顯提升至0.9980。也就是說，矩陣型生物感測器在準確度及在線性的表現結果皆明顯優於單一型生物感測器。

參閱圖8，為更進一步說明本發明生物感測器利用矩陣方式連接的功效，以單一型生物感測器及矩陣型生物感測器分別進行穩態電流值之感測校正曲線的比較，結果顯示矩陣型生物感測器其在線性及斜率的表現，皆大於單一型生物感測器，說明本發明矩陣型生物感測器相較於單一型生物感測器有較佳的準確度及靈敏度。

參閱圖9，另還進行單一型與矩陣型生物感測 器的訊雜比差異比較，以0.8 mM濃度的尿酸溶液進行量測並計算出訊雜比，可看出矩陣型生物感測器的訊雜比明顯大於單一型生物感測器的訊雜比，顯示矩陣型生物感測器大幅提升了電流的訊號強度，亦提高電流式生物感測器的靈敏度。

綜上所述，本發明電流式生物感測器利用矩陣設置且彼此電連接的方式可有效地提高訊雜比，並可在短時間內量測完成而得到一訊號強度強且準確性高的電流變化值，進而換算得知待測物的濃度；再者，本發明亦可利用方便取得且成本低廉的網版印刷三電極配合酵素的固定，而製作得到體積小、準確性高、可快速檢測的電流式生物感測器，有助於患者於家中自行檢測，以即時進行追蹤治療，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧感測器

11‧‧‧基材

12‧‧‧電極單元

121‧‧‧工作電極

122‧‧‧參考電極

123‧‧‧輔助電極

13‧‧‧固定件

131‧‧‧第一固定片

132‧‧‧第二固定片

2‧‧‧偵測器

Claims (10)

1. 一種電流式生物感測器，用以感測一可與酵素進行反應的待測物濃度，包含：複數個感測器，該每一個感測器包括一個基材，及一個設置於該基材表面的電極單元，該電極單元具有彼此間隔排列的一工作電極、一參考電極、一輔助電極，該與待測物進行反應的酵素是形成於該工作電極的表面，且該些感測器是呈矩陣設置並經由該些電極單元彼此電連接；及一台偵測器，分別與該等電極單元電連接，用以施加電壓並偵測自該些工作電極輸出的電流並進行數據接收。
2. 如請求項1所述的電流式生物感測器，其中，該每一個感測器還包括一對應設置於該工作電極、參考電極，及輔助電極外圍的固定件，該固定件與該基材共同界定出一個供填置測試用的酵素與待測物的容置空間。
3. 如請求項2所述的電流式生物感測器，其中，該固定件是選自絕緣材料。
4. 如請求項1所述的電流式生物感測器，其中，該感測器的工作電極及輔助電極分別選自碳材料。
5. 如請求項1所述的電流式生物感測器，其中，該感測器的參考電極為銀/氯化銀電極。
6. 如請求項1所述的電流式生物感測器，其中，該酵素是 以戊二醛為交聯劑，固定於該工作電極的表面。
7. 一種電流式生物感測器的製作方法，包含以下步驟：(i)準備複數個感測器及一台偵測器，該每一個感測器包括一個基材，及一個設置於該基材上的電極單元，該電極單元具有彼此間隔排列的一工作電極、一參考電極、一輔助電極；(ii)在該工作電極的表面設置一會與待測物進行反應的酵素；(iii)將該些感測器以矩陣方式設置並令該些電極單元彼此電連接；及(iv)將該偵測器分別與該等電極單元電連接，用以施加電壓並偵測自該些工作電極輸出的電流並進行數據接收。
8. 如請求項7所述的電流式生物感測器的製作方法，其中，在該步驟(i)中，於該每一個感測器的工作電極、參考電極，及輔助電極的外圍對應設置一固定件，該固定件與該基材共同界定出一個供填置測試用的酵素與待測物的容置空間。
9. 如請求項8所述的電流式生物感測器的製作方法，其中，該固定件是選自絕緣材料。
10. 如請求項7所述的電流式生物感測器的製作方法，其中，在該步驟(ii)中，是先以戊二醛覆蓋於該工作電極的表面，再將該酵素蓋覆於該戊二醛的表面進行交聯反應 後，而將該酵素固定於該工作電極的表面。