本實(shí)用新型涉及一種用于感測在流體中的分析物的生物傳感器，特別地，可以使用所述生物傳感器用于檢測在汗液中的葡萄糖和乳酸鹽。

背景技術(shù)：

在醫(yī)療診斷中，可穿戴的生物傳感器對(duì)于提供與患者的當(dāng)前健康狀態(tài)相關(guān)的信息是相當(dāng)重要的。

生物傳感器是一種用于感測分析物的裝置。生物傳感器包括生物識(shí)別元件(敏感的生物元件)和感測元件，所述感測元件將由分析物與該生物元件的相互作用得到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以容易地測量和量化的進(jìn)一步的信號(hào)。

特別地，與基于血液樣品的分析不同，汗液的分析不需要用于采集待分析的樣品的侵入性過程，迄今汗液的分析在用于葡萄糖和乳酸鹽的分析中受到了特別的關(guān)注。

電解質(zhì)是汗液的最容易被分析的組分。類似諸如乳酸和葡萄糖的代謝物則更難測量。但是，因?yàn)檫@些代謝物的基本診斷作用，人們對(duì)于監(jiān)測這些代謝物有極大的興趣。例如，乳酸是缺氧的指標(biāo)；乳酸的過度增加是缺血的癥狀，而且是某些類型的癌癥的指標(biāo)。另外，葡萄糖的監(jiān)測是在糖尿病管理中的重要基礎(chǔ)。在血液中的葡萄糖和乳酸鹽的濃度和在汗液中存在的濃度之間存在直接的關(guān)系。

目前用于通過汗液的分析監(jiān)測代謝物的方法設(shè)想訴諸于已知的技術(shù)，如反向離子電滲?；诜聪螂x子電滲的裝置設(shè)置有布置于與患者的皮膚接觸的電端子(陰極和陽極)，電流可在它們之間流動(dòng)。通過患者的皮膚在該裝置的陰極和陽極之間提供的低電流使得用于運(yùn)輸在汗液中存在的葡萄糖和乳酸鹽分子的鈉和氯離子分別向陰極和陽極滲透遷移。在其中一個(gè)上布置的是對(duì)于分析物特異的酶，從而有可能從酶-分析物的相互作用測量分析物濃度。然而，由于存在流經(jīng)皮膚本身的電流，根據(jù)此技術(shù)的裝置可能引起敏感患者的皮膚不適或刺激。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本實(shí)用新型的目的是提供一種克服已知方案的缺點(diǎn)的生物傳感器，使得既可以對(duì)患者的汗液進(jìn)行檢測，又不會(huì)引起敏感患者皮膚上的不適或刺激。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，公開了一種用于感測在流體中的分析物的生物傳感器，包括：可光定義的水凝膠的第一結(jié)構(gòu)層；可光定義的水凝膠的第二結(jié)構(gòu)層；生物活性區(qū)域，所述生物活性區(qū)域在所述第一結(jié)構(gòu)層和所述第二結(jié)構(gòu)層之間延伸，并由包括生物識(shí)別元件和還原-氧化介體的可光定義的水凝膠制成；工作電極，所述工作電極延伸以與所述生物活性區(qū)域直接接觸；以及對(duì)電極，所述對(duì)電極延伸以在與所述生物活性區(qū)域相隔一距離處與所述第一結(jié)構(gòu)層直接接觸，其中，所述第二結(jié)構(gòu)層在所述生物活性區(qū)域中具有貫通開口，使得所述生物活性區(qū)域與所述生物傳感器的外部的環(huán)境直接流體連接以用于接收包含所述分析物的所述流體，所述分析物將與所述生物識(shí)別元件和與所述還原-氧化介體發(fā)生反應(yīng)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述生物活性區(qū)域延伸以與所述第一結(jié)構(gòu)層并與所述第二結(jié)構(gòu)層直接接觸。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述第一結(jié)構(gòu)層在所述生物活性區(qū)域的底部界定范圍，以及所述第二結(jié)構(gòu)層側(cè)向地圍繞所述生物活性區(qū)域。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述生物識(shí)別元件是酶。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述酶選自葡萄糖氧化酶和乳酸鹽氧化酶。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述生物活性區(qū)域、所述第一結(jié)構(gòu)層、以及所述第二結(jié)構(gòu)層各自包括至少一種單體或預(yù)聚物。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述生物活性區(qū)域、所述第一結(jié)構(gòu)層、以及所述第二結(jié)構(gòu)層各自包括低聚物和預(yù)聚物的至少一種。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述低聚物和預(yù)聚物的所述至少一種選自包含以下物質(zhì)的組：

聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)，

聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，

聚丙二醇富馬酸酯-共-乙二醇，

甲基丙烯酸酯改性的葡聚糖，

MEEP

換向的透明質(zhì)酸，

丙烯酸酯改性的PVA，

PVA

聚磷腈

PHEMA。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括參考電極，所述參考電極延伸以在與所述生物活性區(qū)域相隔一距離處與所述第一結(jié)構(gòu)層直接接觸。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括恒電勢儀，所述恒電勢儀操作地耦合至所述工作電極、至所述對(duì)電極以及至所述參考電極，且被配置為使所述工作電極相對(duì)于所述參考電極保持在恒定的電勢處，使得電流在所述工作電極和所述對(duì)電極之間循環(huán)，所述電流表明在所述分析物中存在的電活性物質(zhì)的濃度。

通過本實(shí)用新型的生物傳感器，使得既可以對(duì)患者的汗液進(jìn)行檢測，又不會(huì)引起敏感患者皮膚上的不適或刺激。

附圖說明

現(xiàn)僅通過非限制性實(shí)施例的方式，參考所附的附圖描述本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式以理解本實(shí)用新型，其中：

圖1示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式的生物傳感器；

圖2-11示出制造圖1的生物傳感器的步驟；

圖12-18示出代替圖2-11的制造步驟的制造步驟；以及

圖19示出根據(jù)圖12-18的步驟制造的根據(jù)本公開的又一個(gè)實(shí)施方式的生物傳感器。

具體實(shí)施方式

圖1示出在三軸參照系X，Y，Z中，根據(jù)本公開的一個(gè)方面的生物傳感器1。該生物傳感器1包括：光敏水凝膠的第一結(jié)構(gòu)層2；光敏水凝膠的第二結(jié)構(gòu)層4，其在該第一結(jié)構(gòu)層2上延伸；感測區(qū)域6，其包括其中分散有生物識(shí)別元件，特別是如GOx(葡萄糖氧化酶)和LOx(乳酸鹽氧化酶)的酶的光敏水凝膠的基質(zhì)。該第二結(jié)構(gòu)層4在該感測區(qū)域6具有貫通開口8，從而使該感測區(qū)域6通過貫通開口8至少部分地暴露于外部環(huán)境。

工作電端子10被布置為與感測區(qū)域6電接觸，而對(duì)電極電端子被布置在感測區(qū)域6旁邊的第一層2(或者在第一層2的部分)上，且不與感測區(qū)域6直接電接觸。參考電端子14在感測區(qū)域6旁邊在第一層2(或者在第一層2的部分)上延伸，且不與感測區(qū)域6直接電接觸。特別地，在XY平面俯視圖中，感測區(qū)域6在對(duì)電極電端子12和參考電端子14之間延伸。

工作電端子10、對(duì)電極電端子12和參考電端子14由類似諸如選自金、銀、鉑的惰性金屬、導(dǎo)電聚合物和碳制成的導(dǎo)電材料。參考電極14還可由氯化銀AgCl制成。

在實(shí)踐中，生物傳感器1提供了具有三個(gè)電極的電化學(xué)電池。

本領(lǐng)域中已知的水凝膠對(duì)于制造生物化學(xué)傳感器是特別有吸引力的，這是由于它們是由形成了用于包封功能的酶、細(xì)胞和其他生物材料的優(yōu)異基質(zhì)的親水性分子的聚合物鏈構(gòu)成的。特別地，在水凝膠內(nèi)的環(huán)境條件對(duì)于使在其中分散的生物分子的變性最小化，有利于其功能性而言是理想的。

用于形成第一結(jié)構(gòu)層2、第二結(jié)構(gòu)層4和感測區(qū)域6的光敏水凝膠包括，包含以共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵彼此交聯(lián)聚合物鏈的親水性聚合物。在生理溫度、pH值和離子力下，它們的單體或預(yù)聚物可溶于水，而聚合物不溶于水。水含量(％H₂O)被定義為，％H₂O＝100·(溶脹的聚合物重量/干燥的聚合物重量)/(溶脹聚合物的重量)。聚合物可具有500-200000道爾頓的范圍內(nèi)的分子量，并根據(jù)特定的應(yīng)用優(yōu)化它們的性質(zhì)，包括粘度、軟化點(diǎn)、和降解溫度。

第一結(jié)構(gòu)層2、第二結(jié)構(gòu)層4和感測區(qū)域6可包括：單體、低聚物或預(yù)聚物(預(yù)聚物的分子量控制機(jī)械性質(zhì)和粘度)，或者調(diào)節(jié)混合物的機(jī)械性質(zhì)(粘合性等)的粘合劑；進(jìn)一步控制類似諸如混合物的粘度的機(jī)械性質(zhì)的一種或多種溶劑；以及光活性化合物(PACs)或光抑制劑(PhIs)。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式，第一結(jié)構(gòu)層2、第二結(jié)構(gòu)層4、和感測區(qū)域6的水凝膠的作用類似于在光刻工藝中使用的負(fù)光致抗蝕劑，因此，第二結(jié)構(gòu)層4和感光區(qū)域6的一部分的受控的UV輻照導(dǎo)致僅輻照區(qū)域的聚合，使得未輻照區(qū)域通過在水中顯影而去除。因此，在這種情況下，該水凝膠含有單體或低聚物或前體預(yù)聚物，并例如，通過暴露于入射的UV照射而經(jīng)受光聚合和/或光交聯(lián)的反應(yīng)。所涉及層的光交聯(lián)確定它們分子量的增加，這導(dǎo)致了層在水中溶解度的有利的降低。

可根據(jù)本公開使用的，由簡單單體或不同的單體混合物制成的水凝膠的實(shí)例是：

聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)，

聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，

聚丙二醇富馬酸酯-共-乙二醇，

甲基丙烯酸酯改性的葡聚糖，

換向的透明質(zhì)酸(Commutated hyaluronic acid)，

聚乙烯醇(PVA)

丙烯酸酯改性的PVA，

聚[雙(甲氧基乙氧基乙氧基)磷腈](MEEP)，

聚磷腈

聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)

在本說明書的下文中將明確提及PEG-DA，這并不表示失去任何一般性。

圖2-11示出，在平面XZ的側(cè)視圖中，根據(jù)本公開的一個(gè)方面的圖1的生物傳感器1的連續(xù)制造步驟。

首先制備基板20(圖2)，例如，玻璃、硅、或塑料材料(例如，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET、聚萘二甲酸乙二酯PEN、聚醚醚酮PEEK)。

然后(圖3)，如在下文所述，在基板20上形成第一可光定義(photo-definible)水凝膠層22。通過以2-3％v/v的百分比添加PEG-DA光引發(fā)劑而制備預(yù)聚混合物。任何具有吸收UV照射和進(jìn)行光反應(yīng)，產(chǎn)生聚合并構(gòu)成預(yù)聚混合物的反應(yīng)性物質(zhì)和自由基的能力的光引發(fā)劑都適用于所述目的。特別地，使用商業(yè)上也被稱為Darocur^TM的2-羥基-2-甲基-1-苯基丙烷-1-酮作為光引發(fā)劑。使用旋涂技術(shù)在基板20上(在700-1000rpm，持續(xù)8-15秒，特別是在800rpm，持續(xù)10秒)沉積這樣形成的預(yù)聚溶液。

第一可光定義水凝膠層22具有包含在100nm和1000nm之間的，例如200nm的厚度?？梢愿鶕?jù)用于得到具有所需厚度的層22的基于水凝膠的溶液的粘度調(diào)整沉積參數(shù)。

下一步驟(圖4)是形成工作電端子10、對(duì)電極電端子12和參考電端子14的導(dǎo)電纖維的布置(商業(yè)上可得到的)。上述纖維具有，例如，包含在50nm和200nm之間的直徑，并由選自金、銀、鉑、導(dǎo)電聚合物和碳的材料制成。

該纖維在交聯(lián)步驟之前布置在層22上。該纖維僅部分透過進(jìn)層22。以這種方式，可以由以上電性接入它們(特別是工作電端子10)。

然后(圖5)，使用產(chǎn)生UV照射25的UV燈23在第一可光定義水凝膠層22的選擇的部分上進(jìn)行交聯(lián)步驟。特別地，為了得到第一可光定義水凝膠層22的選擇性聚合，使用具有不透明區(qū)域24a(其設(shè)計(jì)為阻擋入射的UV照射25)和透明區(qū)域24b(其對(duì)于入射的UV照射25是透明的)的掩模24。以這種方式，由于水凝膠的行為類似于負(fù)光致抗蝕劑，僅第一可光定義水凝膠層22的在透明區(qū)域24b中延伸的部分受到交聯(lián)處理。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，形成工作電端子10、對(duì)電極電端子12和參考電端子14的纖維部分在聚合的第一可光定義水凝膠層22的區(qū)域內(nèi)側(cè)，且部分在外側(cè)地延伸，從而，如圖6中所示，在聚合步驟之后，纖維由形成的第一結(jié)構(gòu)層2的外側(cè)電性接入。

使用以下曝光參數(shù)進(jìn)行聚合步驟：根據(jù)使用的光引發(fā)劑選擇UV照射的波長，例如(在使用Darocur^TM的情況下)365nm；曝光功率包括在12mW/cm²和20mW/cm²之間的范圍內(nèi)，特別是18mW/cm²；曝光時(shí)間包括在5秒和20秒之間，特別是7秒。

如圖6中所示，在去離子水中水浴的后續(xù)步驟使得第一未聚合的可光定義的水凝膠層22去除了一小部分，從而形成了第一結(jié)構(gòu)層2。

然后(圖7)，在基板20和第一結(jié)構(gòu)層2上形成第二可光定義的水凝膠層26(設(shè)置有生物識(shí)別元件，例如酶)。第二可光定義的水凝膠層26在隨后的制造步驟中形成感測區(qū)域6。

具體而言，由水凝膠(例如，PEG-DA)的預(yù)聚溶液、3％v/v的光引發(fā)劑(例如，Darocur^TM)和1％v/v的還原-氧化(氧化還原)介體起始形成第二可光定義的水凝膠層26。氧化還原介體是能夠介導(dǎo)還原-氧化反應(yīng)，或者，換言之，能夠促進(jìn)由還原-氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過水凝膠基質(zhì)流動(dòng)的分子。例如，氧化還原介體為，二茂鐵衍生物，如乙烯基二茂鐵。

通過在pH為6和6.5之間范圍內(nèi)的磷酸鹽緩沖液(PBS)中溶解適當(dāng)?shù)拿?，以及作為用于改善酶在基質(zhì)中的保留的試劑的戊二醛而制備酶溶液。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，從葡萄糖氧化酶(GOx)和乳酸鹽氧化酶(LOx)之間選擇酶。酶在PBS中的濃度為，例如，20mg/mL。

在包含在4℃和5℃之間的溫度下一起混合由此制備的預(yù)聚溶液和酶溶液持續(xù)4h和5h之間的時(shí)間。預(yù)聚溶液和酶溶液之間的比例為10:1v/v，但可以根據(jù)需要而變化。由此得到的混合物(稱為“感測基質(zhì)”)形成第二可光定義的水凝膠層26，它被以與參考第一可光定義的水凝膠層22的已描述的相似的方式，使用旋涂技術(shù)沉積在基板20上和第一結(jié)構(gòu)層2上。第二可光定義的水凝膠層26具有包括在100nm和1000nm之間，例如200nm的厚度。此外，在這種情況下，可以根據(jù)用于得到具有所需厚度的層26(以及由此的感測區(qū)域6)的第二可光定義的水凝膠層26的溶液的粘度調(diào)整沉積參數(shù)。

然后(圖8)，使用適當(dāng)?shù)难谀?8進(jìn)行暴露于UV照射的步驟，以利于第二可光定義的水凝膠層26的選擇部分的交聯(lián)。例如，使用與之前使用的產(chǎn)生UV照射25的相同的UV燈23得到曝光。為了得到第二可光定義水凝膠層26的選擇性聚合，使用具有不透明區(qū)域28a(其設(shè)計(jì)為阻擋入射的UV照射25)和透明區(qū)域28b(其對(duì)于入射的UV照射25是透明的)的掩模28。以這種方式，僅第二可光定義的水凝膠層26的在透明區(qū)域28b中延伸的部分受到交聯(lián)處理。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，形成工作電端子10的金屬纖維部分在聚合的第二可光定義水凝膠層26的區(qū)域內(nèi)側(cè)，且部分在外側(cè)地延伸，從而，在聚合步驟之后，纖維從由此形成的感測區(qū)域62的外側(cè)電性接入。

使用以下曝光參數(shù)進(jìn)行聚合步驟：根據(jù)使用的光引發(fā)劑選擇UV照射的波長，例如(在使用Darocur^TM的情況下)365nm；曝光功率包括在12mW/cm²和20mW/cm²之間的范圍內(nèi)，特別是18mW/cm²；曝光時(shí)間包括在5秒和20秒之間，特別是7秒。

之后(圖9)，進(jìn)行在去離子水中水浴的步驟，使得未聚合的第二可光定義的水凝膠層26去除了一小部分，從而在對(duì)應(yīng)于工作電極10的區(qū)域形成了感測區(qū)域6，并與之電接觸。

之后(圖10)，形成第二結(jié)構(gòu)層4。為此目的，在基板20上、第一結(jié)構(gòu)層2上和在感測區(qū)域6上形成第三可光定義水凝膠層34。

為此目的，如參考第一可光定義水凝膠層22的，通過向聚乙二醇二丙烯酸酯(以下稱PEG-DA)以2-3％v/v的百分比添加光引發(fā)劑而制備預(yù)聚混合物。特別地，使用商業(yè)上也被稱為Darocur^TM的2-羥基-2-甲基-1-苯基丙烷-1-酮作為光引發(fā)劑。在基板20上、第一結(jié)構(gòu)層2上和在感測區(qū)域6上使用旋涂技術(shù)沉積由此形成的預(yù)聚溶液。在700rpm和1000rpm之間進(jìn)行旋涂8至15秒，特別是在800rpm下進(jìn)行10秒。

由此形成的第三可光定義的水凝膠層34具有包括在100nm和1000nm之間，例如200nm的厚度?？梢愿鶕?jù)用于得到具有所需厚度的層34的基于水凝膠的溶液的粘度調(diào)整沉積參數(shù)。

然后再次參照?qǐng)D10，使用適當(dāng)?shù)难谀?6進(jìn)行暴露于UV照射的步驟，以利于第三可光定義的水凝膠層34的選擇部分的交聯(lián)。例如，使用與之前使用的產(chǎn)生UV照射25的相同的UV燈23得到曝光。為了得到第三可光定義水凝膠層34的選擇性聚合，設(shè)置具有不透明區(qū)域36a(其設(shè)計(jì)為阻擋入射的UV照射25)和透明區(qū)域36b(其對(duì)于入射的UV照射25是透明的)的掩模36。以這種方式，僅第三可光定義的水凝膠層34的在透明區(qū)域36b中延伸的部分受到交聯(lián)處理。

使用以下曝光參數(shù)進(jìn)行第三可光定義的水凝膠層34的聚合步驟：根據(jù)使用的光引發(fā)劑選擇UV照射的波長，例如(在使用Darocur^TM的情況下)365nm；曝光功率包括在12mW/cm²和20mW/cm²之間的范圍內(nèi)，特別是18mW/cm²；曝光時(shí)間包括在5秒和20秒之間，特別是7秒。

如圖11中所示，在去離子水中顯影的后續(xù)步驟使得第三未聚合的可光定義的水凝膠層34去除了一部分，從而形成了第二結(jié)構(gòu)層4。

根據(jù)本公開，設(shè)置了具有在使用時(shí)(即，當(dāng)掩模36布置成與第三可光定義的水凝膠層34對(duì)齊時(shí))覆蓋了在感測區(qū)域6上延伸的第三可光定義的水凝膠層34的一部分的不透明區(qū)域的掩模36。以此方式，在感測區(qū)域6上的第三可光定義的水凝膠層34的部分不經(jīng)過交聯(lián)過程，并在去離子水中顯影的步驟期間被去除。因此形成了貫通開口8，通過貫通開口8感測區(qū)域6至少部分地暴露。如此形成圖1的生物傳感器1。

最后，通過剝離步驟去除基板20以得到圖1的生物傳感器1。剝離基板20的步驟是可選的。

圖12-19示出用于制造根據(jù)另一實(shí)施方式的生物傳感器1'的步驟。

參考圖12，首先制備基板40，例如，玻璃、或硅、或塑料材料(例如，PET、PEN、PEEK)。

然后，參考與圖3中的層22所述的相似的方式，在基板40上形成第一可光定義的水凝膠層42，且在此不再進(jìn)一步描述。

然后(圖13)，使用產(chǎn)生UV照射25的UV燈23在第一可光定義的水凝膠層42的選擇的部分上進(jìn)行交聯(lián)步驟。特別地，為了得到第一可光定義水凝膠層42的選擇性聚合，使用具有不透明區(qū)域44a(其設(shè)計(jì)為阻擋入射的UV照射25)和透明區(qū)域44b(其對(duì)于入射的UV照射25是透明的)的掩模44。以這種方式，僅第一可光定義的水凝膠層42的在透明區(qū)域44b中延伸的部分受到交聯(lián)處理。

特別地，在隨后的制造步驟中將容納工作電端子10'、對(duì)電極電端子12'、和參考電端子14'的基板40的部分40'上延伸的區(qū)域中的第一可光定義的水凝膠層42未被輻照?？梢愿鶕?jù)在第一結(jié)構(gòu)層2(聚合步驟之后)上預(yù)期賦予的幾何形狀自由地選擇基板40的部分40'；例如，基板40的部分40'沿基板40的周圍延伸。

然后(圖14)，在去離子水中進(jìn)行水浴，使得第一未聚合的可光定義的水凝膠層42去除了一小部分，從而形成了第一結(jié)構(gòu)層2'。

之后(圖15A)，通過設(shè)計(jì)為允許在基板40和第一結(jié)構(gòu)層2'的特定區(qū)域中的金屬材料的沉積的掩模(未示出)的協(xié)助，進(jìn)行通過濺射的金屬材料的沉積步驟，類似諸如通過濺射的金沉積。由此形成由第一結(jié)構(gòu)層2'的表面向基板40的部分40'延伸的金屬帶。

在XY平面俯視圖中，圖15B示出了由此形成的具有第一結(jié)構(gòu)層2'，并具有工作電端子10'、對(duì)電極電端子12'、和參考電端子14'的基板40。它們也可以由如銀、鉑的金屬，或?qū)щ娋酆衔?，或碳制成?/p>

然后(圖16)，與生物傳感器1的感測區(qū)域6類似地，獲得感測區(qū)域6'。

為此目的，在基板40、第一結(jié)構(gòu)層2'，以及工作電端子10'、對(duì)電極電端子12'、和參考電端子14'上形成第二可光定義的水凝膠層46(設(shè)置有生物識(shí)別元件，例如酶)。在后續(xù)的制造步驟中第二可光定義的水凝膠層46形成感測區(qū)域6'。

參考前述的第二可光定義的水凝膠層26，由水凝膠(例如，PEG-DA)的預(yù)聚溶液、3％v/v的光引發(fā)劑(例如，2-羥基-2-甲基-1-苯基丙烷-1-酮)和1％v/v的氧化還原介體(例如，二茂鐵的衍生物，如乙烯基二茂鐵)起始形成第二可光定義的水凝膠層46。通過在pH水平為6和6.5之間范圍內(nèi)的PBS磷酸鹽緩沖液中溶解適當(dāng)?shù)拿?，以及作為用于改善酶在基質(zhì)中的保留的試劑的戊二醛而制備酶溶液。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在葡萄糖氧化酶(GOx)和乳酸鹽氧化酶(LOx)之間選擇酶。酶在PBS中的濃度為，例如，20mg/mL。

在包含在4℃和5℃之間的溫度下一起混合由此制備的預(yù)聚溶液和酶溶液持續(xù)4h和5h之間的時(shí)間。預(yù)聚溶液和酶溶液之間的比例為10:1v/v，但可以根據(jù)需要而變化。以與參考第二可光定義的水凝膠層26的已描述的相似的方式，由此得到的混合物(稱為“感測基質(zhì)”)被使用旋涂技術(shù)沉積，并形成第二可光定義的水凝膠層46。第二可光定義的水凝膠層46具有包括在100nm和1000nm之間，例如200nm的厚度。此外，在這種情況下，可以根據(jù)用于得到具有所需厚度的層46(以及由此的感測區(qū)域6)的第二可光定義的水凝膠層46的溶液的粘度調(diào)整沉積參數(shù)。

然后(圖17)，使用適當(dāng)?shù)难谀?未示出)進(jìn)行暴露于UV照射的步驟，以利于第二可光定義的水凝膠層46的選擇部分的交聯(lián)。例如，使用與之前使用的產(chǎn)生UV照射25的相同的UV燈23得到曝光。為了得到第二可光定義的水凝膠層46的選擇性聚合，使用設(shè)置有設(shè)計(jì)為阻擋入射的UV照射25的不透明區(qū)域和對(duì)于入射的UV照射25是透明的區(qū)域的掩模。以這種方式，由于水凝膠的行為類似于負(fù)光致抗蝕劑，僅沿Z與透明區(qū)域?qū)R的第二可光定義水凝膠層46的部分受到交聯(lián)處理。

使用之前已在用于第二可光定義的水凝膠層26中指示的曝光參數(shù)進(jìn)行聚合步驟。如圖17中所示，在去離子水中水浴步驟使得未聚合的第二可光定義的水凝膠層46去除了一小部分，從而形成了感測區(qū)域6'。

在去除未聚合的水凝膠的步驟之后，僅形成了工作電端子10'的金屬路徑延伸與感測區(qū)域6'直接接觸。形成對(duì)電極電端子12'和參考電端子14'的金屬路徑不與感測區(qū)域6'直接接觸，而是沿著它延伸。

然后(圖18)，與生物傳感器1的第二結(jié)構(gòu)層4類似地，形成第二結(jié)構(gòu)層4'。用于生產(chǎn)第二結(jié)構(gòu)層4'的步驟與之前用于第二結(jié)構(gòu)層4所述的類似(參見圖10和11的描述)，且在此不再進(jìn)一步提及。

特別地，用于生產(chǎn)第二結(jié)構(gòu)層4'的過程中設(shè)想在感測區(qū)域6'形成貫通開口8'。感測區(qū)域6'通過貫通開口8'至少部分地暴露。

圖19示出在立體圖中的根據(jù)圖12-18的步驟生產(chǎn)的生物傳感器1'。

如從圖19可以看出，在本實(shí)施方式中，未去除基板40，只要其功能為用于支撐工作電端子10'、對(duì)電極電端子12'、和參考電端子14'即可。為了有利于基板40對(duì)第一結(jié)構(gòu)層2'的粘合，可以在圖12的第一水凝膠層42的沉積步驟之前，在基板40和第一結(jié)構(gòu)層2'之間插入粘合層，如基于有機(jī)硅烷的粘合層。

基板40與硅烷分子的官能化可根據(jù)已知的，例如，在US 2014/0017772中所述的工藝得到。特別地，通過氧-等離子體處理(對(duì)于此目的使用的常見的等離子體蝕刻系統(tǒng))來處理基板。硅烷溶液(2％v/v)同樣以在異丙醇中的甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯制備，以醋酸校正pH值至4.5-5的值。然后，該溶液經(jīng)過溫和攪拌，然后在其使用之前需要等待幾分鐘(即，至少30分鐘)。這使得硅氧烷基團(tuán)水解。

然后將基板40浸漬在硅烷溶液中，以異丙醇清洗，且然后加熱至120℃60分鐘。由此基板40被以硅烷分子官能化以暴露甲基丙烯酸基團(tuán)，隨后水凝膠42將在其聚合期間與甲基丙烯酸基團(tuán)結(jié)合，以形成狀態(tài)2'。根據(jù)在基板上沉積的水凝膠的類型選擇硅烷。在基于PEG-DA的水凝膠的情況下，硅烷可以選自丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯硅烷、環(huán)狀偶氮硅烷(cyclic azosilanes)，具有胺端部的硅烷，雙臂硅烷(dipodal silanes)和羧酸鹽硅烷。

可以通過將生物傳感器1，1'直接放置在待監(jiān)測的患者的皮膚上，從而使感測區(qū)域6，6'通過貫通開口8，8'面對(duì)皮膚而使用該生物傳感器1，1'。通過第二結(jié)構(gòu)水凝膠層4，4'形成的貫通開口8，8'在使用中提供了不妨礙皮膚的自然蒸發(fā)，但顯著地限制了與外部環(huán)境的空氣交換的封閉腔室，導(dǎo)致了皮膚的局部溫度迅速增加至約35-40℃的值。在貫通開口8，8'內(nèi)所產(chǎn)生的蒸汽使環(huán)境飽和，且有利于汗液的形成，汗液與感測區(qū)域6，6'接觸，使得能夠進(jìn)行生物分析。借助于在感測基質(zhì)中存在的酶GOx或LOx，可以從產(chǎn)生的汗液中實(shí)際監(jiān)測葡萄糖或乳酸鹽。

監(jiān)測在工作電端子10，10'和對(duì)電極電端子12，12'之間存在的電流可以使以已知的方式得到的信息用于檢測的分析物濃度。

本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本公開所使用的水凝膠基質(zhì)以建立感測區(qū)域6,6'提供了對(duì)于葡萄糖的10μM至4mM，以及對(duì)于乳酸鹽1μM至4mM的濃度范圍內(nèi)，即，與在人體汗液中通常存在的濃度相容的范圍內(nèi)的線性響應(yīng)。

在使用中，生物傳感器1用作電流式傳感器。如已知的，電流式傳感器是基于在工作電端子10和對(duì)電極電端子12之間的電流，即由在工作電端子10上得到的在分析物和酶之間的氧化還原反應(yīng)誘導(dǎo)的電流的測量。電流與待監(jiān)測的分析物的濃度成比例。為了這個(gè)目的，對(duì)電化學(xué)電池施加恒定電勢(通過介體的氧化還原電勢確定，通過循環(huán)伏安測量預(yù)先評(píng)估)，并監(jiān)測電流的響應(yīng)。此電勢使得在用于監(jiān)測電流的最優(yōu)條件下操作。特別是，相對(duì)于參考電端子14，工作電極10固定在一個(gè)電勢，例如，0.25V。0.25V的值是本申請(qǐng)人測定的在水凝膠基質(zhì)中固定的乙烯基二茂鐵中的介體的陽極電勢峰值。對(duì)電極端子是輔助電極，并用作在工作電端子10上的氧化還原反應(yīng)期間產(chǎn)生的電流的漏極(對(duì)電極12“收集”通過酶-分析物反應(yīng)產(chǎn)生的電子)。

三電極結(jié)構(gòu)保證了在工作電端子10和參考電端子14之間的穩(wěn)定電勢的存在。然而，根據(jù)本公開的進(jìn)一步的方式，也可能類似的使用其他配置，特別是具有兩個(gè)電極的配置(其中參考電極與對(duì)電極相同)。

恒電勢儀(圖中未示出)可被可操作地耦合至工作電端子10、對(duì)電極電端子12、和參考電端子14，且可以被配置以通過工作端子/對(duì)電極端子對(duì)控制電壓，以及調(diào)整它以保持在工作端子10和參考端子14之間施加的電勢差。參考電端子測量并控制工作電端子10的電勢，同時(shí)對(duì)電極電端子12允許所有其他用于平衡仍可在工作電端子10上觀察到的電流的通路。以此配置，可以使通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流經(jīng)過工作端子10和對(duì)電極端子12之間。可以被測量的此電流表明了在分析物中存在的電活性物質(zhì)的濃度。

根據(jù)已在上文的描述，生物傳感器1'以與生物傳感器1類似的方式起作用。

從上述說明中可知，本實(shí)用新型可得到的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。

特別地，第一結(jié)構(gòu)層2和第二結(jié)構(gòu)層4操作成為支撐、保護(hù)、并包含感測區(qū)域6的微倉，且同時(shí)，用作電極之間的絕緣層。因此，無需進(jìn)一步的支撐和圍護(hù)層，使得生物傳感器1簡單且廉價(jià)的生產(chǎn)。

制造過程設(shè)想使用在微機(jī)電裝置的微加工領(lǐng)域中廣泛采用的裝置和技術(shù)，且特別是通過簡單的光刻步驟限定了層2、2'、4、4'的形狀。由此，可以利用相同的制造技術(shù)使生物傳感器1，1'集成在更復(fù)雜的電子裝置或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中。

水凝膠的使用使得獲得的生物傳感器在使用期間不會(huì)引起不適(為柔性材料)，并具有，例如，小藥膏狀的外觀。因此其簡單易用，自足完備，且美觀隱蔽。所討論的生物傳感器還進(jìn)一步的在低電勢下工作。它可以進(jìn)一步地以隱蔽的方式集成在醫(yī)療裝置或者其他可穿戴裝置，如手環(huán)中。

由于該分析是基于患者的汗液進(jìn)行的，因而生物傳感器1，1'的使用不會(huì)引起任何疼痛。

最后，顯然地，可以對(duì)本文所描述和說明的內(nèi)容作出許多修改和變型，這些都落入在所附的權(quán)利要求書中所限定的本實(shí)用新型的觀點(diǎn)的范圍內(nèi)。

例如，可以使用其他技術(shù)，如通過噴墨沉積得到電端子10，10'，12，12'，14，14'。

此外，圈閉于生物活性區(qū)域6中的生物識(shí)別元件可以與酶GOx和Lox不同；例如，它們可以選自其他類型的酶，或者另選自抗體、核酸、和細(xì)胞受體。