本發(fā)明涉及生物檢測儀器領(lǐng)域，具體涉及一種能檢測樣本不足的生物傳感器及利用該生物傳感器檢測和判斷樣本不足的方法。

背景技術(shù)：

生物傳感器(biosensor)，是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性識別目標(biāo)物質(zhì)并將其濃度或含量轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。

電化學(xué)生物傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于體外診斷領(lǐng)域，這些儀器系統(tǒng)能檢測體液中的生理物質(zhì)，方便醫(yī)生對病人狀況分析和診斷，也有一些儀器系統(tǒng)應(yīng)用到家庭使用，方便病人的自我監(jiān)控，這些生理指標(biāo)包括血糖、膽固醇、尿酸、甘油三酸酯、乳酸、酮體、酶類等。目前生物傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床檢測中，其中最普及的例子是便攜式血糖測試系統(tǒng)。

對于生物傳感器，特別是對于家用型的生物傳感器，如血糖儀，由于終端用戶文化程度、理解能力、操作熟練程度不同，加樣的過程可能存在各種問題，而這些問題極有可能嚴(yán)重影響儀器的檢測結(jié)果，導(dǎo)致因此產(chǎn)生的用藥及治療風(fēng)險。樣本不足是其中非常常見的一個問題，樣本不足會導(dǎo)致檢測結(jié)果的偏差變大，導(dǎo)致用藥及治療風(fēng)險。根據(jù)andreaspfützner等2013年對市場上便攜式血糖監(jiān)測系統(tǒng)的評估結(jié)果，當(dāng)加樣不足時，很大部分的監(jiān)測系統(tǒng)會一定程度出現(xiàn)錯誤的結(jié)果而不是樣本不足的信息，說明目前技術(shù)還是存在一定程度的缺陷。

如公告日為1996年12月10日、專利號為us05582697a1的美國發(fā)明披露了一種檢測進(jìn)樣不足的生物傳感器，其核心內(nèi)容是至少包括工作電極、對電極、和檢測試樣不足的第三電極，第三電極比工作電極及對電極更加遠(yuǎn)離進(jìn)樣口，這樣第三電極檢測到信號后能保證進(jìn)樣足夠。該方案不能完全避免樣本不足的偏差問題，樣本進(jìn)樣液面前端可能出現(xiàn)凹或凸液面的情況，導(dǎo)致存在部分覆蓋工作電極和第三電極的狀態(tài)，所以依然會存在給出錯誤結(jié)果的風(fēng)險。

又如公告日為2004年5月11日、專利號為us6733655b1的美國專利披露了另一種確認(rèn)進(jìn)樣是否足夠的生物傳感器，其核心內(nèi)容是包括對電極、第一工作電極、第二工作電極，對電極共用，從進(jìn)樣口到里依次是對電極、第一工作電極、第二工作電極，測試時同時測試第一工作電極、第二工作電極的信號，比較兩個信號的差值，確認(rèn)差值是否超過實(shí)驗(yàn)建立的閾值，如沒超過，說明加樣足夠；若第二工作電極沒有加滿，兩個信號差值會比較大超過閾值，會給出錯信息，保證結(jié)果的準(zhǔn)確。該方案需要同時檢測兩路工作電極的信號，增加儀器成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，通過對檢測電極的配置、以及檢測流程和判斷邏輯的研究，本發(fā)明的目的旨在提供一種能識別樣本不足、保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性的高性能生物傳感器。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人提供如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明首先提供了一種能檢測樣本不足的生物傳感器（用于檢測樣本中特定物質(zhì)的含量），其組成包括絕緣基板，構(gòu)建在絕緣基板上的電極系統(tǒng)，所述的電極系統(tǒng)至少包括對電極和工作電極，至少覆蓋工作電極且固定在電極系統(tǒng)上的檢測試劑，構(gòu)建在電極系統(tǒng)上方的中隔層，構(gòu)建在中隔層上方的覆蓋層，所述的覆蓋層、中隔層和絕緣基板構(gòu)建成反應(yīng)室（即進(jìn)樣通道），所述的中隔層在反應(yīng)室區(qū)域鏤空（以便通過虹吸作用自動進(jìn)樣），其中，所述的電極系統(tǒng)包括對電極1、工作電極和對電極2，且所述的對電極1、工作電極和對電極2從進(jìn)樣口到反應(yīng)室遠(yuǎn)端依次排列（即對電極1最靠近進(jìn)樣口，工作電極居中，對電極2離進(jìn)樣口最遠(yuǎn)）。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，針對不同的檢測指標(biāo)和檢測濃度范圍，所述的對電極1相對工作電極的寬度比例范圍為0.1~1.5；所述的對電極2相對工作電極的寬度比例范圍為0.2~1.5。

作為更優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的對電極1相對工作電極的寬度比例范圍為0.4~0.6。

作為更優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的對電極2相對工作電極的寬度比例范圍為0.4~1.0。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的反應(yīng)室應(yīng)有透氣孔，以便形成虹吸作用，透氣孔設(shè)置于進(jìn)樣通道離進(jìn)樣口遠(yuǎn)端位置，如本發(fā)明實(shí)施例的透氣孔通過覆蓋層進(jìn)樣通道尾端區(qū)域打孔實(shí)現(xiàn)。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的絕緣基板的材質(zhì)包括但不限于pet、pp、pvc、亞克力中的一種。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的電極的材料包括但不限于石墨、銀、金、鉑、鈀、ito、izo中的一種，可以通過絲網(wǎng)印刷、真空濺鍍結(jié)合激光加工等工藝構(gòu)建在絕緣基板上。

檢測試劑是檢測目標(biāo)物質(zhì)的反應(yīng)試劑，作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的檢測試劑包括但不限于葡萄糖反應(yīng)試劑、膽固醇反應(yīng)試劑、尿酸反應(yīng)試劑、酮體反應(yīng)試劑、乳酸反應(yīng)試劑、血紅蛋白反應(yīng)試劑等。反應(yīng)試劑可以通過噴點(diǎn)、絲網(wǎng)印刷、夾縫擠出、噴墨打印等工藝固定到電極系統(tǒng)上。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的中隔層的厚度為0.025mm~0.5mm，更優(yōu)選的是，中隔層的厚度為0.075mm~0.125mm。中隔層的材料可以是帶基材或不帶基材的膠帶，加工好后粘合上去；也可以是膠或聚合物漿料，通過絲網(wǎng)印刷上去；如電極上無其他絕緣材料隔開，中隔層的材料必須是良好的絕緣材料。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的生物傳感器中，所述的覆蓋層可使用pet材料，優(yōu)選透明的親水處理過的材料，透明能幫助用戶容易確認(rèn)反應(yīng)區(qū)進(jìn)樣狀態(tài)，親水能使進(jìn)樣更為順暢，非反應(yīng)室區(qū)域可以不透明，印刷進(jìn)樣標(biāo)志和logo，可用的材料如3m公司的9971親水膜。

本發(fā)明還提供了一種利用上述的生物傳感器檢測和判斷樣本不足的方法，至少包括以下步驟：

（1）當(dāng)生物傳感器加入樣本進(jìn)行檢測時，測試對電極1和對電極2同時接通的工作電極電流信號i1；

（2）測試完成后馬上斷開對電極1，測試工作電極對對電極2的電流信號i2，檢測完i1切換到檢測i2的時間間隔不大于1秒，

（3）對比i2和i1的偏差率是否超過預(yù)設(shè)值，如在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，則樣本充足結(jié)果有效，i1用來計算給出結(jié)果，如超出預(yù)設(shè)值范圍，則給出樣本不足報錯信息。

注：計算結(jié)果可以采用i1的終點(diǎn)電流，也可以采用i1終點(diǎn)前面時間的電流。

本發(fā)明檢測和判斷樣本不足的方法，其原理是：

當(dāng)血量充足時，樣本充分覆蓋三個電極。對電極1和對電極2同時接通的工作電極電流信號i1，以及工作電極對對電極2的電流信號i2，主要由工作電極的反應(yīng)速率決定，因此i2和i1的偏差不會很大。

當(dāng)樣本不足時，特別是樣本進(jìn)樣前端面呈凸?fàn)罨虬紶顣r，樣本可能覆蓋部分工作電極和對電極2時，該情況下對電極2的樣本覆蓋會更少。當(dāng)檢測對電極1和對電極2同時接通的工作電極電流信號i1時，因?yàn)閷﹄姌O1樣本已經(jīng)充分覆蓋，電流信號主要由工作電極的反應(yīng)決定；而斷開對電極1，檢測工作電極對對電極2的電流信號i2時，因?yàn)樵撉闆r下對電極2的樣本覆蓋會很少，檢測在對電極2上形成回路困難，造成i2會降低。因此通過判斷i2和i1的偏差，很容易識別樣本不足影響結(jié)果的測試。

作為優(yōu)選，本發(fā)明利用上述的生物傳感器檢測和判斷樣本不足的方法中，所述的檢測完i1切換到檢測i2的時間間隔在0.2秒內(nèi)。

作為優(yōu)選，本發(fā)明利用上述的生物傳感器檢測和判斷樣本不足的方法中，所述的i2和i1的偏差率判斷的預(yù)設(shè)值，通過特定產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)測試預(yù)先確定。

作為優(yōu)選，本發(fā)明利用上述的生物傳感器檢測和判斷樣本不足的方法中，所述的測試對電極1和對電極2同時接通的工作電極電流信號i1，該步驟之前有電極斷開的孵育過程。孵育過程時間也可以為0，即不孵育。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明能有效識別樣本不足影響結(jié)果的測試。用對電極1和對電極2同時接通的工作電極電流信號i進(jìn)行結(jié)果計算，保證對電極面積及樣本覆蓋充足，確保結(jié)果準(zhǔn)確，同時節(jié)省測試樣本量，對需采血的測試能微量采血，減少病人痛苦；不同檢測濃度或檢測樣本，工作電極的反應(yīng)速率不一樣，因此對形成回路的對電極2樣本覆蓋面積要求也不一樣，本發(fā)明通過i2和i1的判斷，對結(jié)果影響不大的測試能夠靈活識別，避免如額外增加電極進(jìn)行固定判斷方案的浪費(fèi)。

附圖說明

圖1a和1b是本發(fā)明生物傳感器的結(jié)構(gòu)完整示意圖和結(jié)構(gòu)分解示意圖，圖中：

800是完整測試片，801是進(jìn)樣口，802是連接觸腳；100是絕緣基板，200是電極系統(tǒng)，300是檢測試劑，400是中隔層，500是反應(yīng)室，600是覆蓋層，700是透氣孔。

圖2是本發(fā)明生物傳感器的電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：201是對電極1，202是工作電極，203是對電極2。

圖3是本發(fā)明樣本測試以及樣本不足檢測方法的流程示意圖。

圖4是樣本不足檢測測試實(shí)例i1及i2曲線圖（40mg/dl）。

圖5是樣本不足檢測測試實(shí)例i1及i2曲線圖（120mg/dl）。

圖6是樣本不足檢測測試實(shí)例i1及i2曲線圖（350mg/dl）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，更具體地說明本發(fā)明的內(nèi)容。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施并不局限于下面的實(shí)施例，對本發(fā)明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發(fā)明保護(hù)范圍。

在本發(fā)明中，若非特指，所有的設(shè)備和原料等均可從市場購得或是本行業(yè)常用的。下述實(shí)施例中的方法，如無特別說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。

本發(fā)明實(shí)施例中的生物傳感器測試片構(gòu)成（如圖1a、圖1b和圖2所示），包括：

絕緣基板100，材質(zhì)包括但不限于pet、pp、pvc、亞克力中的一種。

構(gòu)建在絕緣基板上的電極系統(tǒng)200。電極系統(tǒng)至少包括進(jìn)樣對電極1-201、工作電極202和對電極2-203，對電極1、工作電極、對電極2從進(jìn)樣口801到進(jìn)樣通道遠(yuǎn)端依次排列，即對電極1最靠近進(jìn)樣口801，工作電極居中，對電極2離進(jìn)樣口最遠(yuǎn)。

針對不同的檢測指標(biāo)和檢測濃度范圍，對電極1相對工作電極的寬度比例范圍為0.1~1.5，優(yōu)選0.4~0.6；對電極2相對工作電極的寬度比例范圍為0.2~1.5，優(yōu)選0.4~1.0。以測試血樣中葡萄糖含量的生物傳感器產(chǎn)品為例，一個實(shí)施例是對電極1、工作電極、對電極2的寬度比例為0.4：1：0.6。

電極的材料包括但不限于石墨、銀、金、鉑、鈀、ito、izo中的一種，可以通過絲網(wǎng)印刷、真空濺鍍結(jié)合激光加工等工藝構(gòu)建在絕緣基板上。

至少覆蓋工作電極202且固定在電極系統(tǒng)上的檢測試劑300。檢測試劑是檢測目標(biāo)物質(zhì)的反應(yīng)試劑，包括但不限于葡萄糖反應(yīng)試劑、膽固醇反應(yīng)試劑、尿酸反應(yīng)試劑、酮體反應(yīng)試劑、乳酸反應(yīng)試劑、血紅蛋白反應(yīng)試劑等。反應(yīng)試劑可以通過噴點(diǎn)、絲網(wǎng)印刷、夾縫擠出、噴墨打印等工藝固定到電極系統(tǒng)上。

構(gòu)建在電極系統(tǒng)上方的中隔層400，所述的中隔層的厚度為0.025mm~0.5mm，作為優(yōu)選，中隔層的厚度為0.075mm~0.125mm。中隔層材料可以是帶基材或不帶基材的膠帶，加工好后粘合上去；也可以是膠或聚合物漿料，通過絲網(wǎng)印刷上去；如電極上無其他絕緣材料隔開，中隔層的材料必須是良好的絕緣材料。

構(gòu)建在中隔層上方的覆蓋層600，覆蓋層、中隔層和絕緣基板構(gòu)建成反應(yīng)室500（即進(jìn)樣通道），以便通過虹吸作用自動進(jìn)樣。覆蓋層可使用pet材料，優(yōu)選透明的親水處理過的材料，透明能幫助用戶容易確認(rèn)反應(yīng)區(qū)進(jìn)樣狀態(tài)，親水能使進(jìn)樣更為順暢，非反應(yīng)室區(qū)域可以不透明，印刷進(jìn)樣標(biāo)志和logo，可用的材料如3m公司的9971親水膜。

反應(yīng)室有透氣孔700，以便形成虹吸作用，如本發(fā)明實(shí)施例的透氣孔通過覆蓋層進(jìn)樣通道尾端區(qū)域打孔實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例1

如圖1a、圖1b和圖2所示，一種能檢測樣本不足的生物傳感器，其組成包括絕緣基板，構(gòu)建在絕緣基板上的電極系統(tǒng)，所述的電極系統(tǒng)至少包括對電極1、工作電極和對電極2，至少覆蓋工作電極且固定在電極系統(tǒng)上的檢測試劑，構(gòu)建在電極系統(tǒng)上方的中隔層，構(gòu)建在中隔層上方的覆蓋層，所述的覆蓋層、中隔層和絕緣基板構(gòu)建成反應(yīng)室（即進(jìn)樣通道），所述的反應(yīng)室區(qū)域鏤空，其中，所述的對電極1、工作電極和對電極2從進(jìn)樣口到反應(yīng)室遠(yuǎn)端依次排列。以測試血樣中葡萄糖含量的生物傳感器產(chǎn)品為例，所述的對電極1、工作電極、對電極2的寬度比例為0.4：1：0.6。

如圖3所示，本發(fā)明樣本測試以及樣本不足檢測和判斷的方法，包括如下步驟：

（1）插入生物傳感器測試片連接觸腳端到儀器，儀器開機(jī)自檢。

（2）自檢完成后，儀器通過連接觸腳在對電極1和工作電極間加dc（直流）或ac（交流）電壓，檢測進(jìn)樣信號f1。作為優(yōu)選，ac(交流)電壓檢測阻抗信號是首選。因?yàn)楫?dāng)溫度較低、樣本目標(biāo)物質(zhì)濃度很低或?yàn)?時，dc（直流）電壓下，電流信號很低，和背景噪音差別很小，容易誤判；通過ac(交流)電壓檢測阻抗信號，即使在溫度較低、樣本目標(biāo)物質(zhì)濃度很低或?yàn)?時，檢測電極間試劑覆蓋可能沒有或很少時，檢測出的阻抗信號也能很好的和背景噪音區(qū)別開來，避免誤判。

（3）判斷對電極1和工作電極間的進(jìn)樣信號f1是否超過閾值，閾值通過在不同環(huán)境下測試不同的樣品總結(jié)確定。若沒超過閾值，則繼續(xù)檢測進(jìn)樣信號f1；若超過閾值，進(jìn)入下一步。

（4）在工作電極和對電極2間加dc（直流）電壓或振幅較小的ac(交流)電壓，并檢測信號f2。

（5）判斷工作電極和對電極2間的檢測信號f2是否超過閾值，如沒超過閾值，則繼續(xù)檢測f2；如超過閾值，則進(jìn)入下一步。

（6）關(guān)閉工作電極和對電極間的電位差，進(jìn)行孵育；孵育時間根據(jù)不同產(chǎn)品要求設(shè)置，孵育時間可以為0。

（7）對電極1和對電極2同時接地，并在工作電極上加上工作電壓，檢測電流信號i1；

（8）在第（7）步完成后，馬上斷開對電極1，檢測工作電極和對電極2的電流信號i2，檢測完i1切換到檢測i2的時間間隔不大于1秒，優(yōu)選在0.2秒內(nèi)；

（9）比較i2和i1的偏差（率），偏差（率）大于閾值，給出樣本不足的出錯警告；

（10）比較i2和i1的偏差（率），偏差（率）在閾值范圍內(nèi)，則樣本充足結(jié)果有效，用i1計算結(jié)果。

使用上述的生物傳感器測試片、葡萄糖檢測的反應(yīng)試劑，以及樣本不足檢測流程和判斷邏輯：

第（2）步和第（4）步采用ac檢測；第（3）步和第（5）步的閾值設(shè)置為100；第（6）步孵育時間為0；第（7）步對電極1（c1）和對電極2（c2）同時接通的工作電極（w）電流信號檢測5秒，i1取5秒結(jié)果；第（8）步在第（7）步完成后馬上進(jìn)行檢測，間隔不大于0.1秒，采集一個值即i2；第（9）步的i2和i1偏差比較采用偏差率，閾值設(shè)置為20%。

進(jìn)行樣本不足和樣本充足的比對測試，共測試三個濃度：40mg/dl、120mg/dl和350mg/dl三個葡萄糖濃度。儀器記錄并導(dǎo)出全部測試數(shù)據(jù)。i2和i1結(jié)果及比對分析如下述表格和圖4、圖5、圖6所示。

從實(shí)施例的結(jié)果可見，加樣充足時，i2和i1的偏差很小，都在10%以內(nèi)；當(dāng)加樣不足時，i2和i1的偏差很大，大部分大于20%。以閾值設(shè)置為20%判斷，加樣不足測試i1結(jié)果和加樣充足測試的i1均值偏差在10%以外的測試能全部排除，確保結(jié)果準(zhǔn)確。

i1和i2測試數(shù)據(jù)曲線圖如圖4（40mg/dl），圖5（120mg/dl），圖6（350mg/dl）所示，曲線圖也可以清晰看到，樣本不足的測試i2（5.1秒）較i1（5秒）明顯下降。

由此可見，本發(fā)明的技術(shù)方案能有效識別樣本不足、影響測試結(jié)果的測試，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。