БИОДАТЧИК, УСТОЙЧИВЫЙ К ЭФФЕКТУ КОФЕЙНОГО ПЯТНА Российский патент 2020 года по МПК G01N27/327 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[1] Настоящая заявка испрашивает приоритет по Корейской патентной заявке № 10-2017-0137669, поданной 23 октября 2017 г. в Республике Корея, раскрытие которой включено сюда по ссылке.

[2] Настоящее раскрытие относится к электрохимическому биодатчику, а точнее, к биодатчику, устойчивому к эффекту кофейного пятна, который возникает, когда реагент, вызывающий электрохимическую реакцию с целевым биоматериалом, покрывает электрод биодатчика.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[3] Как правило, электрохимический биодатчик представляет собой устройство, которое выдает электрический сигнал в соответствии с электрохимической реакцией между используемым биоматериалом и реагентом, путем использования электрода, покрытого обладающим биологической специфичностью реагентом, таким как фермент, антиген, антитело, гормон или т.п. То есть, электрохимический биодатчик дает специфическую информацию о биоматериале, такую как значение тока или значение напряжения. Поскольку в последнее время биодатчик применяется в системах измерения глюкозы в крови или в различных системах точной медицинской диагностики, возрастает интерес и спрос на методы повышения точности и воспроизводимости значений, измеренных биодатчиком.

[4] Однако, как раскрыто в Корейской нерассмотренной патентной публикации № 10-2004-0028437 и Корейской нерассмотренной патентной публикации № 10-2014-0005156, существующий метод фиксации реагента для электрохимической реакции с целевым биоматериалом к электроду биодатчика требует процесса нанесения жидкого реагента на электрод и высушивания жидкого реагента в ходе реального процесса изготовления. По этой причине, из-за эффекта кофейного пятна, возникающего в ходе сушки, частицы реагента неравномерно смещаются по краю области нанесения реагента, а количество и плотность смещенных частиц также различаются для каждого биодатчика. Это ухудшает точность и воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика значений и не позволяет гарантировать надежность измеренных значений.

РАСКРЫТИЕ

Техническая проблема

[5] Настоящее раскрытие направлено на обеспечение биодатчика, который может улучшить точность и воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика значений и обеспечить надежность измеренных значений, несмотря на эффект кофейного пятна и производственные допуски, вызванные в ходе реального процесса изготовления биодатчика.

Техническое решение

[6] В одном аспекте настоящего раскрытия предложен устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик, содержащий: подложку; по меньшей мере один рабочий электрод и по меньшей мере один электрод сравнения, соответственно структурированные на одной поверхности подложки проводящим материалом; слой реагента, имеющий материал, вызывающий электрохимическую реакцию с целевым биоматериалом и нанесенный на заданную площадь одной поверхности подложки, на которой структурированы рабочий электрод и электрод сравнения, так что часть слоя реагента расположена на части рабочего электрода, а другая часть слоя реагента расположена на части электрода сравнения; и слой пленки, расположенный на одной поверхности подложки, на которой структурированы рабочий электрод и электрод сравнения, причем слой пленки имеет щель, простирающуюся с заданной шириной так, что слой реагента обнажен через нее, при этом каждый из рабочего электрода и электрода сравнения включает в себя: выводную часть, расположенную во внешней области щели; реакционную часть, расположенную во внутренней области щели и простирающуюся с заданной шириной в направлении по ширине щели на заданную длину так, что оба продольных вывода реакционной части отделены заданным интервалом от боковых стенок щели, которые обращены друг к другу в направлении по ширине щели; и соединительную часть, имеющую меньшую ширину, чем реакционная часть, и простирающуюся от реакционной части до соединения с выводной частью.

[7] В варианте воплощения, предполагая, что ширина щели составляет Ws, а интервал между продольным выводом реакционной части, который обращен к боковой стенке щели, и боковой стенкой составляет d, биодатчик может быть выполнен удовлетворяющим нижеприведенному Уравнению 1.

[8] [Уравнение 1]

[9] 0,075Ws ≤ d ≤ 0,2Ws

[10] В варианте воплощения, предполагая, что ширина реакционной части составляет Wr, а ширина соединительной части составляет Wc, и боковая стенка составляет d, биодатчик может быть выполнен удовлетворяющим нижеприведенному Уравнению 2.

[11] [Уравнение 2]

[12] 0,2Wr ≤ Wc ≤ 0,5Wr

[13] В варианте воплощения каждый из рабочего электрода и электрода сравнения может дополнительно включать в себя выступающую часть, которая имеет ту же ширину, что и соединительная часть, и простирается от реакционной части так, что вывод выступающей части расположен во внешней области щели, а соединительная часть и выступающая часть могут простираться от реакционной части вдоль направления по ширине щели в противоположных направлениях соответственно.

[14] В варианте воплощения, предполагая, что ширина щели составляет Ws, а длина выступающей части составляет Le, биодатчик может быть выполнен удовлетворяющим нижеприведенному Уравнению 3.

[15] [Уравнение 3]

[16] 0,2Ws < Le ≤ 0,4Ws

[17] В варианте воплощения ширина щели может находиться в диапазоне от 1,5 мм до 3 мм.

Выгодные эффекты

[18] Согласно настоящему раскрытию реакционная часть электрода, покрытого реагентом и расположенного в области щели биодатчика, в который введен целевой биоматериал, отделена от боковых стенок щели заданным интервалом, не входя в контакт с кромкой реагента, расположенной вблизи боковых стенок щели. Таким образом, можно повысить точность и воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика значений и обеспечить надежность измеренных значений, несмотря на эффект кофейного пятна, под действием которого частицы реагента неравномерно смещаются вдоль кромки реагента, нанесенного на электрод.

[19] Также, поскольку соединительная часть простирается в направлении по ширине щели от реакционной части электрода и соединена с выводной частью электрода, а также предусмотрена выступающая часть, простирающаяся в противоположном соединительной части направлении от реакционной части электрода, вследствие чего его вывод располагается во внешней области щели, можно поддерживать зону электрода постоянно находящейся во внутренней области щели, даже когда в направлении по ширине щели возникает допуск в то время, как имеющий щель слой пленки помещают на подложку, с дополнительным повышением тем самым точности и воспроизводимости измеренных с использованием биодатчика значений.

[20] В дополнение, что касается конструктивного соотношения между щелью и электродом биодатчика и конструктивного соотношения между реакционной частью, соединительной частью и выступающей частью электрода, предусмотрен оптимизированный диапазон числовых значений, пригодный для сохранения воспроизводимости измеренных с использованием биодатчика значений на высоком уровне, без применения нового материала или вещества, способствуя тем самым конструированию биодатчика и снижая время и затраты, требуемые на изготовление биодатчика.

[21] Далее, специалистам в данной области техники должно быть с очевидностью понятно, что различные технические проблемы, не упомянутые здесь, могут быть решены с помощью различных вариантов воплощения согласно настоящему раскрытию.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[22] ФИГ. 1 представляет собой перспективное изображение, показывающее устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик согласно варианту воплощения настоящего раскрытия.

[23] ФИГ. 2 представляет собой перспективное изображение в разобранном виде, показывающее биодатчик по ФИГ. 1.

[24] ФИГ. 3 представляет собой схематичное изображение, показывающее структуру электрода биодатчика согласно варианту воплощения настоящего раскрытия.

[25] ФИГ. 4 представляет собой схематичное изображение, показывающее слой реагента, нанесенный на электрод, имеющий общую структуру.

[26] ФИГ. 5 представляет собой схематичное изображение, показывающее слой реагента, нанесенный на электрод биодатчика согласно варианту воплощения настоящего раскрытия.

[27] ФИГ. 6 представляет собой схематичное изображение, показывающее пример, где слой пленки расположен на подложке, на которой структурирован электрод, не имеющий выступающей части.

[28] ФИГ. 7 представляет собой схематичное изображение, показывающее другой пример, где слой пленки расположен на подложке, на которой структурирован электрод, не имеющий выступающей части.

[29] ФИГ. 8 представляет собой схематичное изображение, показывающее пример, где слой пленки расположен на подложке, на которой структурирован электрод, имеющий выступающую часть.

[30] ФИГ. 9 представляет собой схематичное изображение, показывающее другой пример, где слой пленки расположен на подложке, на которой структурирован электрод, имеющий выступающую часть.

[31] ФИГ. 10 представляет собой график, показывающий коэффициент изменчивости биодатчика согласно интервалу между боковой стенкой щели и реакционной частью электрода.

[32] ФИГ. 11 представляет собой график, показывающий коэффициент изменчивости биодатчика согласно ширине соединительной части электрода.

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[33] Здесь и далее варианты воплощения настоящего раскрытия будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи для прояснения решения технической проблемы настоящего раскрытия. Однако, при разъяснении настоящего раскрытия, пояснения о соответствующих технологиях будут опущены, если из-за таких пояснений суть настоящего раскрытия становится неясной. В дополнение, термины, используемые в данной заявке, определяются с учетом функций в настоящем раскрытии, и их можно заменить, в зависимости от намерения или заказа конструктора, изготовителя и т.п. Поэтому определения описанных ниже терминов могут быть даны исходя из содержания всей данной заявки.

[34] ФИГ. 1 представляет собой перспективное изображение, показывающее устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик 100 согласно варианту воплощения настоящего раскрытия.

[35] Как показано на ФИГ. 1, биодатчик 100 согласно варианту воплощения настоящего раскрытия включает в себя подложку 110, электроды 120, 130, слой 140 реагента, слой 150 пленки и т.д., а в некоторых вариантах воплощения может дополнительно включать в себя внешний слой 160 пленки. Биодатчик 100 может иметь ламинированную структуру, в которой электроды 120, 130, слой 140 реагента, слой 150 пленки, внешний слой 160 пленки и т.д. расположены на одной поверхности подложки 110.

[36] Расположенный на подложке 110 слой 150 пленки имеет щель 152, в которую вводят анализируемый целевой биоматериал. В дополнение, во внешнем слое 160 пленки, расположенном на слое 150 пленки, может быть образовано выпускное отверстие 162 для выпуска воздуха изнутри щели 152 по мере введения целевого биоматериала в щель 152. Слой 140 реагента, содержащий материал, осуществляющий электрохимическую реакцию с целевым биоматериалом, расположен на части подложки, соответствующей внутренней области щели 152, среди всей подложки 110.

[37] При этом термин «биоматериал», используемый в этой заявке, включает все виды биоматериалов, свойства которых могут быть количественно измерены путем применения амперометрии среди электрохимических методов. Например, целевым биоматериалом может быть биологический материал, такой как кровь, слюна, клетка и ген, биохимический материал или материал, полученный из биоматериала или биохимического материала.

[38] ФИГ. 2 представляет собой перспективное изображение в разобранном виде, показывающее биодатчик 100 по ФИГ. 1.

[39] Как показано на ФИГ. 2, подложка 110 соответствует основному слою биодатчика 100 и может быть изготовлена из изоляционного материала. По меньшей мере один рабочий электрод 120 и по меньшей мере один электрод 130 сравнения структурированы на одной поверхности подложки 110 проводящим материалом. Например, рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения могут быть образованы на одной поверхности подложки 110 с помощью процесса трафаретной печати, с использованием углеродных чернил.

[40] Слой 140 реагента включает в себя материал, который вызывает электрохимическую реакцию с целевым биоматериалом и нанесен на заданную площадь на одной поверхности структурированной подложки 110, на которой структурированы рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения, так что часть слоя 140 реагента расположена на части рабочего электрода 120, а другая его часть расположена на части электрода 130 сравнения.

[41] Слой 150 пленки расположен на одной поверхности подложки 110, на которой структурированы рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения, и имеет щель 152, простирающуюся с заданной шириной так, что слой 140 реагента обнажен через нее. В этом случае щель 152 может представлять собой U-образный паз, имеющий отверстие на кромке слоя 150 пленки и углубленный к центру слоя 150 пленки с заданной шириной, исходя из горизонтального сечения слоя 150 пленки. Порядок ламинирования слоя 140 реагента и слоя 150 пленки может быть подходящим образом изменен в зависимости от вариантов воплощения.

[42] Внешний слой 160 пленки расположен на слое 150 пленки для защиты внутреннего пространства щели 152, где расположен слой 140 реагента. Образованное во внешнем слое 160 пленки выпускное отверстие 162 может быть образовано в положении, сообщающемся с выводом щели 152, так чтобы воздух изнутри щели 152 выходил наружу при введении целевого биоматериала во внутреннее пространство щели 152 за счет капиллярного явления или т.п. Внешний слой 160 пленки может быть изготовлен из гидрофильного материала. Если внешний слой 160 пленки изготовлен из гидрофильного материала, можно легче ввести целевой биоматериал, содержащий влагу.

[43] Измерительная система для измерения характеристик целевого биоматериала путем использования описанного выше биодатчика 100 может количественно измерять характеристики целевого биоматериала за счет применения амперометрии, среди различных электрохимических методов. То есть, измерительная система может давать количественные значения измерений целевого биоматериала за счет приложения заданного напряжения к рабочему электроду 120 биодатчика 100 и измерения величины окислительно-восстановительного тока, генерируемого в биодатчике 100, в зависимости от концентрации или содержания целевого биоматериала, введенного в биодатчик 100.

[44] Например, если биодатчик 100 выполнен как датчик глюкозы, используемый в системе измерения глюкозы в крови, то слой 140 реагента может быть изготовлен из реагента, в котором смешаны фермент, такой как GOx (глюкозооксидаза) или GDH (глюкозодегидрогеназа), который реагирует с содержащейся в крови глюкозой, и медиатор переноса электронов, восстанавливаемый за счет приема электрона, когда фермент вступает в реакцию. В этом случае реагент может включать в себя фермент, такой как GOx или GDH, который выполняет функцию подачи электронов к медиатору при реакции с глюкозой, при концентрации 1000-5000 U/мл, и может включать в себя феррицианидное, рутениевое или осмиевое соединение, которое действует как медиатор передачи электронов между ферментом и рабочим электродом 120, в диапазоне 100-500 мМ. В дополнение, реагент может включать в себя 0,1-10 мас.% BSA (бычий сывороточный альбумин), который поддерживает активность фермента, 0,1-2 мас.% поверхностно-активного вещества (ПАВ), такого как Triton X-100 или Tween-20, которое способствует хорошему растеканию жидкого реагента по электродам 120, 130, и 0,1-1 мас.% фиксирующего агента, такого как ПЭГ (полиэтиленгликоль), ПВП (поливинилпирролидон) или агароза, который способствует фиксации реагента.

[45] Система измерения глюкозы в крови с использованием описанного выше биодатчика 100 измеряет содержание глюкозы в крови не путем непосредственного измерения электронов, генерируемых в ходе реакции глюкозы и фермента в биодатчике 100, а путем измерения величины окислительно-восстановительного тока, возникающего тогда, когда медиатор переноса электронов, восстановленный за счет приема соответствующих электронов, окисляется снова, а именно, величины тока, выходящего через рабочий электрод 120 биодатчика 100.

[46] При этом значение тока i(t) с течением времени у биодатчика, в котором применяется амперометрия, может быть рассчитано по следующему уравнению Коттрелла.

[47] [Уравнение Коттрелла]

[48] i(t)=(nFAD^1/2C₀)/(πt)^1/2

[49] В уравнении Коттрелла n - число электронов, задействованных в электрохимической реакции, F - постоянная Фарадея, A - площадь электрода, D - коэффициент диффузии, C₀ - исходная концентрация материала (восстановленного медиатора), π - круговая постоянная, а t - время.

[50] Как показано в уравнении Коттрелла, значение тока биодатчика определяют, взяв как сомножители, соответственно, число (n) задействованных в реакции электронов и площадь (A) электрода. Таким образом, для повышения точности и воспроизводимости измеренных с использованием биодатчика значений требуется предотвратить участие в электрохимической реакции кромки слоя 140 реагента, где частицы реагента непредсказуемо смещаются из-за эффекта кофейного пятна, а также поддерживать постоянной площадь электрода, используемого для электрохимической реакции.

[51] Для этой цели рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения биодатчика 100 согласно варианту воплощения настоящего раскрытия могут включать в себя, соответственно, выводные части 122, 132, реакционные части 124, 134 и соединительные части 126, 136, и могут дополнительно включать в себя выступающие части 128, 138, в зависимости от вариантов воплощения.

[52] Выводные части 122, 132 расположены во внешней области щели 152, образованной в слое 150 пленки, расположенном на подложке 110, и выполнены с возможностью их электрического соединения с внешней цепью. Формы выводных частей 122, 132 можно изменять различным образом.

[53] Реакционные части 124, 134 расположены во внутренней области щели 152 и простираются с заданной шириной на заданную длину в направлении по ширине щели 152 так, что оба продольных вывода реакционных частей 124, 134 разнесены на заданный интервал от боковых стенок щели 152, которые обращены друг к другу в направлении по ширине щели 152.

[54] Соединительные части 126, 136 имеют меньшую ширину, чем реакционные части 124, 134, и простираются от реакционных частей 124, 134 до соединения с выводными частями 122, 132. В этом случае один конец соединительных частей 126, 136 расположен во внутренней области щели 152, а другой конец соединительных частей 126, 136 расположен во внешней области щели 152.

[55] Если рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения дополнительно включают в себя выступающие части 128, 138 соответственно, эти выступающие части 128, 138 имеют ту же ширину, что и соединительные части 126, 136, и простираются от реакционных частей 124 так, что их выводы расположены во внешней области щели 152. В этом случае соединительные части 126, 136 и выступающие части 128, 138 выполнены простирающимися вдоль направления по ширине щели 152 от реакционных частей 124, 134, соответственно, в противоположных направлениях.

[56] ФИГ. 3 представляет собой схематичное изображение, показывающее структуру электрода биодатчика 100 согласно варианту воплощения настоящего раскрытия.

[57] Как показано на ФИГ. 3, реакционные части 124, 134 электродов 120, 130 расположены во внутренней области щели 152 и простираются с заданной шириной на заданную длину в направлении по ширине щели 152 так, что оба продольных вывода реакционных частей 124, 134 отделены от боковых стенок щели 152, которые обращены друг к другу в направлении по ширине щели 152, на регулярные интервалы d1, d2.

[58] В этом случае интервалы d1, d2 между реакционными частями 124, 134 и боковыми стенками щели 152 установлены в пределах диапазона, в котором кромки слоя 140 реагента, который наносят на внутреннюю область щели 152 и высушивают, не находятся в непосредственном контакте с реакционными частями 124, 134, но площади реакционных частей 124, 134 серьезно не снижены. Для этой цели интервал между продольными выводами реакционных частей 124, 134, которые обращены к боковым стенкам щели 152, и соответствующими боковыми стенками может быть определен в диапазоне, удовлетворяющем нижеприведенному Уравнению 1.

[59] [Уравнение 1]

[60] 0,075Ws ≤ d ≤ 0,2Ws [мм]

[61] В уравнении 1 Ws - ширина щели 152, а d - интервал между продольными выводами реакционных частей 124, 134, обращенных к боковым стенкам щели 152, и соответствующими боковыми стенками. В этом случае ширина (Ws) щели 152 может составлять в диапазоне от 1,5 мм до 3 мм.

[62] На ФИГ. 3, d1 и d2 соответственно находятся в диапазоне от 0,075Ws до 0,2Ws. Если d1 и d2 составляют менее 0,075Ws, кромки слоя 140 реагента, неравномерно смещенные из-за эффекта кофейного пятна, могут входить в контакт с реакционными частями 124, 134, участвуя в окислительно-восстановительной реакции с целевым биоматериалом, тем самым ухудшая воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика 100 значений. Также, если d1 и d2 составляют более 0,2Ws, площади реакционных частей 124, 134 сильно снижаются, уменьшая выходной ток биодатчика 100, что также ухудшает точность измеренных с использованием биодатчика 100 значений.

[63] Как было упомянуто выше, соединительные части 126, 136 электродов 120, 130 выполнены простирающимися от реакционных частей 124, 134 с меньшей шириной, чем реакционные части 124, 134, соединяемые соответственно с выводными частями 122, 132.

[64] В этом случае ширину (Wc) соединительных частей 126, 136 следует определять в диапазоне, в котором площадь контакта с кромкой слоя 140 реагента минимизирована, и это обеспечивает легкую реализацию, не вызывая отсоединение. Для этого ширину (Wc) соединительных частей 126, 136 можно определить в диапазоне, удовлетворяющем нижеприведенному Уравнению 2.

[65] [Уравнение 2]

[66] 0,2Wr ≤ Wc ≤ 0,5Wr [mm]

[67] В уравнении 2 Wr - ширина реакционных частей 124, 134, а Wc - ширина соединительных частей 126, 136. В этом случае ширина реакционной части 124 рабочего электрода 120 может составлять от 0,2 мм до 3 мм, а ширина реакционной части 134 электрода 130 сравнения может составлять от 0,2 мм до 4,5 мм.

[68] На ФИГ. 3 ширина (Wc) соединительной части 126 имеет размер в диапазоне от 0,2Wr до 0,5Wr. Если ширина (Wc) соединительной части 126 составляет менее 0,2Wr, фактическая реализация затруднена, и возможен дефект изготовления или отсоединение. Также, если ширина (Wc) соединительной части 126 составляет более 0,5Wr, площадь контакта между кромкой слоя 140 реагента и соединительной частью 126 повышается, тем самым ухудшая воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика 100 значений.

[69] При этом, если рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения дополнительно включают в себя выступающие части 128, 138, простирающиеся в противоположных направлениях до соединительных частей 126, 136 соответственно от реакционных частей 124, 134, эти выступающие части 128, 138 могут иметь ту же ширину, что и соединительные части 126, 136.

[70] ФИГ. 4 представляет собой схематичное изображение, показывающее слой реагента 16, нанесенный на электроды 12, 14, имеющий общую структуру.

[71] Как показано на ФИГ. 4, если раствор реагента, нанесенный на электроды 12, 14, имеющие общую структуру, образованную на подложке 10, высушивают с образованием слоя 16 реагента, частицы реагента неравномерно смещаются вдоль кромки слоя 16 реагента из-за эффекта кофейного пятна, и количество и плотность смещенных частиц различно для каждого биодатчика. Поскольку области (x1-x4) электродов 12, 14, имеющих общую структуру, в контакте с кромками слоя 16 реагента имеют большую площадь, кромки слоя 16 реагента участвуют в электрохимической реакции и окислительно-восстановительной реакции с целевым биоматериалом при значительной процентной доле, что ухудшает точность и воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика значений, тем самым не гарантируя надежности измеренных значений.

[72] ФИГ. 5 представляет собой схематичное изображение, показывающее нанесенный на электроды 120, 130 слой 140 реагента биодатчика согласно варианту воплощения настоящего раскрытия.

[73] Как показано на ФИГ. 5, в настоящем раскрытии, хотя частицы реагента, нанесенного на подложку 110, неравномерно смещаются вдоль кромок слоя 140 реагента из-за эффекта кофейного пятна, поскольку области (y1-y4) соединительных частей 126, 136 и выступающих частей 128, 138 в контакте с кромками слоя 140 реагента имеют небольшую площадь, в основном в окислительно-восстановительной реакции с целевым биоматериалом участвует центр слоя 140 реагента в контакте с реакционными частями 124, 134 электродов 120, 130, а кромки слоя 140 реагента участвуют в очень низкой степени, которая не влияет на измеренные значения. Таким образом, согласно настоящему раскрытию можно повысить точность и воспроизводимость значений, измеренных с использованием биодатчиков, и гарантировать надежность измеренных значений.

[74] Обращаясь снова к ФИГ. 3, рабочий электрод 120 и электрод 130 сравнения, структурированные на подложке 110 биодатчика согласно варианту воплощения настоящего раскрытия, могут дополнительно включать в себя выступающие части 128, 138, которые соответственно имеют ту же ширину, что и соединительные части 126, 136, и простираются от реакционных частей 124, 134 так, что их выводы располагаются во внешней области щели 152. В этом случае соединительные части 126, 136 и выступающие части 128, 138 могут простираться от реакционных частей 124, 134 вдоль направления по ширине щели 152 соответственно в противоположных направлениях.

[75] Выступающие части 128, 138 приданы электродам 120, 130 биодатчика 100 для того, чтобы поддерживать постоянной площадь электрода, расположенную во внутренней области щели 152, даже когда в направлении по ширине (Ws) щели 152 возникает допуск в то время, как имеющий щель 152 слой 150 пленки помещают на подложку 110, с дополнительным повышением тем самым точности и воспроизводимости измеренных с использованием биодатчика значений.

[76] Для этого длина (Le) выступающих частей 128, 138 может быть определена удовлетворяющей диапазону согласно нижеприведенному Уравнению 3.

[77] [Уравнение 3]

[78] 0,2Ws < Le ≤ 0,4Ws [mm]

[79] В уравнении 3 Ws - ширина щели 152, а Le - длина выступающих частей 128, 138.

[80] Для поддержания постоянной площади электрода, расположенной во внутренней области щели 152, выступающие части 128, 138 должны иметь поле заданной длины (l₀) во внешней области щели 152, даже если в направлении по ширине щели 152 (Ws) образуется допуск в то время, как слой 150 пленки помещают на подложку 110. Таким образом, длина (Le) выступающих частей 128, 138 должна быть по меньшей мере большей, чем 0,2Ws, т.е. максимальное значение d1 или d2. Также, поскольку допуск при ламинировании слоя 150 пленки допустим лишь тогда, когда реакционные части 124, 134 электродов 120, 130 расположены во внутренней области щели 152, длина (Le) выступающих частей 128, 138 не должна быть больше 0,4Ws, т.е. максимального значения d1+d2.

[81] Между тем, на ФИГ. 3, соединительная часть 126 рабочего электрода 120 должна быть короче, чем его выступающая часть 128, и должна быть длиннее, чем выступающая часть 138 электрода 130 сравнения. Также, соединительная часть 136 электрода 130 сравнения также должна быть образована не короче его выступающей части 138.

[82] ФИГ. 6 представляет собой схематичное изображение, показывающее пример, где слой 150a пленки расположен на подложке 110a, на которой структурирован электрод 120a, не имеющий выступающей части.

[83] ФИГ. 7 представляет собой схематичное изображение, показывающее другой пример, где слой 150a пленки расположен на подложке 110a, на которой структурирован электрод 120, не имеющий выступающей части.

[84] Если допуск образуется слева в то время, как слой 150a пленки помещают на подложку 110a, на которой структурирован электрод 120a, имеющий лишь выводную часть 122a, реакционную часть 124a и соединительную часть 126a, как показано на ФИГ. 6, площадь (Sa) соединительной части 126a, расположенной во внутренней области щели слоя 150 пленки, сужена, тем самым снижая площадь электрода, используемую для электрохимической реакции.

[85] Между тем, если допуск образуется справа в то время, как слой 150a пленки помещают на подложку 110a, на которой структурирован электрод 120a, имеющий лишь выводную часть 122a, реакционную часть 124a и соединительную часть 126a, как показано на ФИГ. 7, площадь (Sa') соединительной части 126a, расположенной во внутренней области щели слоя 150 пленки, расширена, тем самым повышая площадь электрода, используемую для электрохимической реакции.

[86] Как описано выше, если электрод биодатчика не включают в себя описанную выше выступающую часть, используемая в электрохимической реакции площадь электрода изменяется в зависимости от биодатчиков из-за допуска, образующегося при изготовлении биодатчика.

[87] ФИГ. 8 представляет собой схематичное изображение, показывающее пример, где слой 150 пленки расположен на подложке 110, на которой структурирован электрод 120, имеющий выступающую часть.

[88] ФИГ. 9 представляет собой схематичное изображение, показывающее другой пример, где слой 150 пленки расположен на подложке 110, на которой структурирован электрод 120, имеющий выступающую часть.

[89] Если допуск образуется слева в то время, как слой 150 пленки помещают на подложку 110, на которой структурирован электрод 120, имеющий выводную часть 122, реакционную часть 124, соединительную часть 126 и выступающую часть 128, как показано на ФИГ. 8, площадь (S2) соединительной части 126, расположенной во внутренней области щели слоя 150 пленки, сужена, но площадь (S1) выступающей части 128, расположенной во внутренней области щели слоя 150 пленки, расширена. Поскольку соединительная часть 126 и выступающая часть 128 имеют одинаковую ширину, используемая в электрохимической реакции площадь электрода поддерживается постоянной, несмотря на допуски.

[90] В дополнение, если допуск образуется справа в то время, как слой 150 пленки помещают на подложку 110, на которой структурирован электрод 120, имеющий выводную часть 122, реакционную часть 124, соединительную часть 126 и выступающую часть 128, как показано на ФИГ. 9, площадь (S2') соединительной части 126, расположенной во внутренней области щели слоя 150 пленки, расширена, но площадь (S1') выступающей части 128, расположенной во внутренней области щели слоя 150 пленки, сужена. Поскольку соединительная часть 126 и выступающая часть 128 имеют одинаковую ширину, используемая в электрохимической реакции площадь электрода поддерживается постоянной, несмотря на допуски.

[91] Как описано выше, если электрод биодатчика включает в себя описанную выше выступающую часть, используемая в электрохимической реакции площадь электрода поддерживается постоянной для всех биодатчиков, несмотря на допуск, образующийся при изготовлении биодатчика, тем самым гарантируя высокий уровень воспроизводимости значений, измеренных с использованием биодатчиков.

[92] Далее эффект повышения воспроизводимости биодатчика согласно варианту воплощения настоящего раскрытия будет проверен со ссылкой на экспериментальные результаты измерений коэффициента изменчивости.

[93] Коэффициент изменчивости указывает на стандартное отклонение у совокупности, состоящей из измеренных биодатчиком значений содержания глюкозы в крови, в виде процента от среднего значения у этой совокупности. Чем меньше отклонение, тем выше воспроизводимость.

[94] В эксперименте по измерению коэффициента изменчивости были использованы биодатчики, имеющие в целом структуру по ФИГ. 2 и выполненные с использованием датчиков глюкозы в крови, а в качестве целевых биоматериалов была использована гипогликемическая кровь с содержанием глюкозы в крови 119 мг/дл и гипергликемическая кровь с содержанием глюкозы в крови 299 мг/дл.

[95] ФИГ. 10 представляет собой график, показывающий коэффициент изменчивости биодатчика в зависимости от интервала между боковой стенкой щели и реакционной частью электрода. В эксперименте применительно к ФИГ. 10 содержание глюкозы в крови было измерено 30 раз для гипогликемической крови с содержанием глюкозы в крови 119 мг/дл и 20 раз для гипергликемической крови с содержанием глюкозы в крови 299 мг/дл, при поддержании постоянной ширины (Ws) реакционной части и изменении длины реакционной части электрода для каждого биодатчика.

[96] Как показано на ФИГ. 10, если интервалы d1, d2 между боковыми стенками щели и реакционной частью электрода увеличиваются более 0,05Ws относительно ширины (Ws) щели, коэффициент изменчивости (CV) измеренных значений может иметь значение менее 4% не только для гипергликемической крови, но и для гипогликемической крови, таким образом демонстрируя высокий уровень воспроизводимости. В частности, если интервалы d1, d2 попадают в пределы диапазона от 0,075Ws до 0,2Ws относительно ширины (Ws) щели 152, то коэффициент изменчивости имеет значение менее 3%, и должно быть понятно, что при этом проявляется относительно более высокий уровень воспроизводимости. Однако, если интервалы d1, d2 увеличиваются более 0,2Ws, площадь реакционной части электрода избыточно понижена, что скорее ухудшает воспроизводимость.

[97] ФИГ. 11 представляет собой график, показывающий коэффициент изменчивости биодатчика в зависимости от ширины соединительной части электрода. В эксперименте применительно к ФИГ. 11 содержание глюкозы в крови было измерено 30 раз для гипогликемической крови с содержанием глюкозы в крови 119 мг/дл и 20 раз для гипергликемической крови с содержанием глюкозы в крови 299 мг/дл, при поддержании постоянной ширины (Wr) реакционной части и изменении ширины (Wc) соединительной части и выступающей части электрода для каждого биодатчика.

[98] Как показано на ФИГ. 11, если ширина (Wc) соединительной части и выступающей части уменьшается менее 0,5Wr относительно ширины (Wr) реакционной части, то коэффициент изменчивости измеренных значений имеет значение менее 4% не только для гипергликемической крови, но и для гипогликемической крови, таким образом демонстрируя воспроизводимость на высоком уровне. Однако, если ширина (Wc) соединительной части и выступающей части уменьшается ниже 0,2Wr, фактическая реализация затруднена, и это может вызвать плохое изготовление и отсоединение.

[99] Как описано выше, согласно настоящему раскрытию реакционная часть электрода, покрытого реагентом и расположенного в области щели биодатчика, в которую введен целевой биоматериал, отделена от боковых стенок щели заданным интервалом, чтобы не входить в контакт с кромкой реагента, расположенного вблизи боковых стенок щели. Таким образом, можно повысить точность и воспроизводимость измеренных с использованием биодатчика значений, а также обеспечить надежность измеренных значений, несмотря на эффект кофейного пятна, при котором частицы реагента неравномерно смещаются вдоль кромки реагента, нанесенного на электрод.

[100] Также, поскольку соединительная часть простирается в направлении по ширине щели от реакционной части электрода и соединена с выводной частью электрода, а также предусмотрена выступающая часть, простирающаяся в противоположном соединительной части направлении от реакционной части электрода, так что его вывод расположен во внешней области щели, можно поддерживать постоянной площадь электрода, расположенную во внутренней области щели, даже когда в направлении по ширине щели возникает допуск в то время, как имеющий щель слой пленки размещают на подложке, с дополнительным повышением тем самым точности и воспроизводимости измеренных с использованием биодатчика значений.

[101] В дополнение, что касается конструктивного соотношения между щелью и электродом биодатчика и конструктивного соотношения между реакционной частью, соединительной частью и выступающей частью электрода, предложен оптимизированный диапазон числовых значений, пригодный для поддержания воспроизводимости измеренных с использованием биодатчика значений на высоком уровне, без применения нового материала или вещества, способствуя таким образом конструированию биодатчика и снижая время и затраты, требуемые для изготовления биодатчика.

[102] Далее, специалистам в данной области техники должно быть с очевидностью понятно, что различные технические проблемы, не упомянутые здесь, могут быть решены с помощью различных вариантов воплощения согласно настоящему раскрытию.

[103] До этого настоящее раскрытие было описано со ссылкой на конкретные варианты воплощения. Однако специалистам в данной области техники должно быть с очевидностью понятно, что в рамках технического объема настоящего раскрытия могут быть реализованы различные модификации. Поэтому вышеприведенные варианты воплощения следует рассматривать не ограничительно, а иллюстративно. То есть, объем настоящего раскрытия определен в прилагаемой формуле изобретения, и все различия в рамках объема его эквивалентов следует считать включенными в настоящее раскрытие.

Раскрыт биодатчик, устойчивый к эффекту кофейного пятна. Биодатчик включает в себя подложку; по меньшей мере один рабочий электрод и по меньшей мере один электрод сравнения, соответственно структурированные на одной поверхности подложки проводящим материалом; слой реагента, имеющий материал, вызывающий электрохимическую реакцию с целевым биоматериалом и нанесенный на заданную площадь одной поверхности подложки, на которой структурированы рабочий электрод и электрод сравнения, так что часть слоя реагента расположена на части рабочего электрода, а другая часть слоя реагента расположена на части электрода сравнения; и слой пленки, расположенный на одной поверхности подложки, на которой структурированы рабочий электрод и электрод сравнения, причем слой пленки имеет щель, простирающуюся с заданной шириной так, что слой реагента обнажен через нее. Каждый из рабочего электрода и электрода сравнения включает в себя выводную часть, расположенную во внешней области щели; реакционную часть, расположенную во внутренней области щели и простирающуюся с заданной шириной в направлении по ширине щели на заданную длину так, что оба продольных вывода реакционной части отделены заданным интервалом от боковых стенок щели, которые обращены друг к другу в направлении по ширине щели; и соединительную часть, имеющую меньшую ширину, чем реакционная часть, и простирающуюся от реакционной части до соединения с выводной частью. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик, содержащий:

подложку;

по меньшей мере один рабочий электрод и по меньшей мере один электрод сравнения, соответственно структурированные на одной поверхности подложки проводящим материалом;

слой реагента, имеющий материал, вызывающий электрохимическую реакцию с целевым биоматериалом и нанесенный на заданную площадь упомянутой одной поверхности подложки, на которой структурированы рабочий электрод и электрод сравнения, так что часть слоя реагента расположена на части рабочего электрода, а другая часть слоя реагента расположена на части электрода сравнения; и

слой пленки, расположенный на упомянутой одной поверхности подложки, на которой структурированы рабочий электрод и электрод сравнения, причем слой пленки имеет щель, простирающуюся с заданной шириной так, что слой реагента обнажен через нее,

при этом каждый из рабочего электрода и электрода сравнения включает в себя:

выводную часть, расположенную во внешней области щели;

реакционную часть, расположенную во внутренней области щели и простирающуюся с заданной шириной в направлении по ширине щели на заданную длину так, что оба продольных вывода реакционной части отделены заданным интервалом от боковых стенок щели, которые обращены друг к другу в направлении по ширине щели; и

соединительную часть, имеющую меньшую ширину, чем реакционная часть, и простирающуюся от реакционной части до соединения с выводной частью.

2. Устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик по п. 1,

в котором, предполагая, что ширина щели составляет Ws, а интервал между продольным выводом реакционной части, который обращен к боковой стенке щели, и боковой стенкой составляет d, удовлетворяется следующее Уравнение 1.

[Уравнение 1]

0,075Ws ≤ d ≤ 0,2Ws

3. Устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик по п. 1,

в котором, предполагая, что ширина реакционной части составляет Wr, а ширина соединительной части составляет Wc, удовлетворяется следующее Уравнение 2.

[Уравнение 2]

0,2Wr ≤ Wc ≤ 0,5Wr

4. Устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик по п. 1,

в котором каждый из рабочего электрода и электрода сравнения дополнительно включает в себя выступающую часть, которая имеет ту же ширину, что и соединительная часть, и простирается от реакционной части так, что вывод выступающей части расположен во внешней области щели, и

при этом соединительная часть и выступающая часть простираются от реакционной части вдоль направления по ширине щели в противоположных направлениях соответственно.

5. Устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик по п. 4,

в котором, предполагая, что ширина щели составляет Ws, а длина выступающей части составляет Le, удовлетворяется следующее Уравнение 3.

[Уравнение 3]

0,2Ws < Le ≤ 0,4Ws

6. Устойчивый к эффекту кофейного пятна биодатчик по п. 1,

в котором ширина щели составляет в диапазоне от 1,5 мм до 3 мм.