專利名稱：電化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)定載體中分析物濃度的電化學(xué)傳感器。
此處描述的發(fā)明是對(duì)我們共同未決的申請(qǐng)PCT/AU96/00365中所述的發(fā)明的改進(jìn)或修改，其內(nèi)容在此引入以供參考。
此處將特別結(jié)合一種用以測(cè)量血液中葡萄糖濃度的生物傳感器對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于這種特定應(yīng)用，也可以用于其它分析測(cè)量中。
為測(cè)量含水液體樣品中的待分析成分的濃度，公知方法是通過(guò)將樣品置于電化學(xué)池的反應(yīng)區(qū)進(jìn)行測(cè)量，其中電化學(xué)池具有兩個(gè)電極，其間具有使它們適于電流測(cè)量的阻抗。允許待分析成分直接或間接與氧化還原劑反應(yīng)，從而形成一種可氧化的(或可還原的)物質(zhì)，其總量與待分析成分的濃度相對(duì)應(yīng)。然后通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)量存在的可氧化(或可還原的)物質(zhì)的分量。這種方法通常需要使電極充分分離，以使測(cè)量期間一個(gè)電極的電解產(chǎn)物不會(huì)到達(dá)另一電極而影響另一電極的反應(yīng)過(guò)程。
在我們共同未決的申請(qǐng)中，我們描述了一種用于測(cè)定在具有一個(gè)工作電極和一個(gè)與該工作電極隔開(kāi)一定距離的反電極(或反/參考電極)的電化學(xué)池中還原(或氧化)形態(tài)的氧化還原物質(zhì)的濃度的新方法。該方法包括如下步驟，在電極之間施加電位差，選擇工作電極的電位使得還原形態(tài)的物質(zhì)的電解氧化(或氧化形態(tài)物質(zhì)的電解還原)速率受擴(kuò)散控制。工作電極與反電極之間的間距選擇為使得反應(yīng)產(chǎn)物從反電極到達(dá)工作電極。通過(guò)在施加電壓之后并且在達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流之前測(cè)定作為時(shí)間函數(shù)的電流，然后估算穩(wěn)態(tài)電流的強(qiáng)度，前述方法使得能夠測(cè)定還原(或氧化)形態(tài)物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和/或濃度。
在我們共同未決的申請(qǐng)中，結(jié)合使用了采用GOD/氰亞鐵酸鹽系統(tǒng)的“薄層電化學(xué)池”對(duì)該方法進(jìn)行了舉例說(shuō)明。這里所用的術(shù)語(yǔ)“薄層電化學(xué)池”是指具有小間距的電極從而使反應(yīng)產(chǎn)物可由反電極到達(dá)工作電極的池。實(shí)際上，用于測(cè)量血液中葡萄糖濃度的這種池中電極的間隔小于500微米，并且最好小于200微米。
例示的電化學(xué)池中所用的化學(xué)過(guò)程如下反應(yīng)1反應(yīng)2其中GOD為葡萄糖氧化酶，GOD*為‘活化’酶。氰鐵酸鹽([Fe(CN)6]3)為使GOD*返回其催化狀態(tài)的‘介體’。反應(yīng)過(guò)程中只要存在過(guò)量介體，催化酶GOD就不會(huì)消耗。氰亞鐵酸鹽([Fe(CN)6]4)為整個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物。理論上開(kāi)始時(shí)沒(méi)有氰亞鐵酸鹽，但實(shí)際中常有少量。在反應(yīng)完成后，氰亞鐵酸鹽的濃度(以電化學(xué)方法測(cè)量)表示葡萄糖的初始濃度。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是反應(yīng)1和2之和“葡萄糖”具體指β-D-葡萄糖。
已有技術(shù)具有諸多缺點(diǎn)。首先，所需樣品尺寸大于所希望尺寸。通常希望能對(duì)較小體積的樣品進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)檫@反過(guò)來(lái)使得能夠在獲取樣品時(shí)采用較少侵入的方法。
其次，通常希望提高測(cè)量精度并且消除或減少由于例如池不對(duì)稱或者在批量生產(chǎn)微池時(shí)引入的其它因素所導(dǎo)致的偏差。而且，也希望能夠降低電極的“邊緣”效應(yīng)。
再者，由于該池是一次性使用的，所以希望能夠以較低成本大量生產(chǎn)。
根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種制造電化學(xué)池的方法，其包括如下步驟形成一個(gè)穿過(guò)一阻電材料薄板的孔，所述孔限定該池的側(cè)壁；在上述薄板的一側(cè)設(shè)置一第一薄電極層，在所述孔的上方延伸，從而限定池的第一端壁；在上述薄板的另一側(cè)設(shè)置一第二薄電極層，在所述孔的上方延伸，從而限定池的第二端壁，其與第一電極基本重疊對(duì)準(zhǔn)；以及提供使液體進(jìn)入所述側(cè)壁和所述端壁之間限定的池中的裝置。
第一和第二電極層可以是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，并且可以是相同的或不同的。優(yōu)選貴金屬電極層。
在本發(fā)明最佳實(shí)施例中，所述孔具有圓形截面，從而其側(cè)壁是圓柱狀的，而且第一和第二電極覆蓋所述孔。
最佳實(shí)施例的描述下面僅以示例方式并且參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，附圖中

圖1表示制造步驟2制造的產(chǎn)品的平面圖。
圖2表示圖1中產(chǎn)品的側(cè)視圖。
圖3表示圖1中產(chǎn)品的端面圖。
圖4表示制造步驟3制造的產(chǎn)品的平面圖。
圖5表示圖4中產(chǎn)品沿直線5-5的剖視圖。
圖6表示制造步驟5制造的產(chǎn)品的平面圖。
圖7表示圖6中產(chǎn)品的側(cè)視圖。
圖8表示圖6中產(chǎn)品的端面圖。
圖9表示制造步驟7制造的產(chǎn)品的平面圖。
圖10為沿圖9中直線10-10的剖視圖。
圖11表示圖9中產(chǎn)品的端面圖。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明的池的平面圖。
圖13表示圖12中池的側(cè)視圖。
圖14表示圖12中池的端面圖。
圖15表示本發(fā)明第二實(shí)施例的一小部分的放大剖面圖。
下面以改進(jìn)的制造方法作為示例說(shuō)明薄層電化學(xué)池的構(gòu)造。
步驟1將一大約13cm×13cm且100微米厚的Melinex_(化學(xué)惰性的阻電的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯[“PET”])薄板1平放在一張脫模紙2上，并且使用2號(hào)MYAR棒以水基熱活性粘合劑3(采用催化劑粘合劑的ICI Novacoat系統(tǒng))對(duì)其進(jìn)行涂覆，使之潮濕厚度12微米(干燥后大約2-5微米)。然后通過(guò)熱空氣干燥器將水蒸發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)壓合式粘合劑表面。隨后在一脫模紙上將所述薄板翻轉(zhuǎn)，其反面也類似地涂以相同粘合劑4，進(jìn)行干燥，并且向其裸露的粘合劑表面施加一層保護(hù)性脫模紙5。修剪其邊緣以獲得一張薄板，其兩面都均勻涂覆有未干的壓合式粘合劑，并以脫模紙加以保護(hù)。
步驟2將此帶有保護(hù)性脫模紙的薄板切成板條7，每個(gè)大約18mm×210mm(圖1-3)。
步驟3將由步驟2得到的相應(yīng)兩側(cè)帶有脫模紙2、5的涂有粘合劑的PET板條7置于一沖模組件(未畫(huà)出)中加以壓合。該沖模組件用于在板條上每一端打出定位孔10，并且在沿定位孔10之間的直線上打出例如37個(gè)直徑均為3.4mm的圓孔11，其中心間距相等，都為5mm。每個(gè)孔11的面積約為9平方毫米。
步驟4將一張大約21cm見(jiàn)方且135微米厚的Mylar_PET薄板置于濺鍍室中以便鍍覆鈀鍍層13。濺鍍?cè)?至6毫巴的真空和氬氣氛中進(jìn)行。在PET上鍍覆厚100-1000埃的鈀。從而制得具有鈀濺射鍍層13的薄板14。
步驟5然后將從步驟4制成的鈀濺射鍍覆薄板14切成板條14及15，并在每一板條上利用沖模打兩個(gè)定位孔16在每一端(圖6，7和8)。板條14和15的區(qū)別僅在于板條14尺寸為25mm×210mm，板條15為23mm×210mm。
步驟6接著將在步驟3制得的間隔板條7置于一夾具(未畫(huà)出)中，該夾具具有兩個(gè)定位銷(各對(duì)應(yīng)于板條7的定位孔10)，并且去掉上層脫模紙2。接著將步驟5制得的鍍鈀PET板條14置于粘合劑層之上，其鈀表面朝下，利用夾具的定位銷使定位孔16與其下的PET板條7對(duì)準(zhǔn)。隨后使該組合物通過(guò)一個(gè)層合機(jī)，該層合機(jī)具有一組壓輪，其中之一用于對(duì)帶有鍍鈀PET板條14的一側(cè)進(jìn)行加熱。使板條7相反一側(cè)的壓輪冷卻。以此方式，僅激活了鈀板條14和PET板條7之間的粘合劑。
步驟7接著將PET板條7翻轉(zhuǎn)，將其置于夾具中，使其脫模涂層在最上面。揭去其脫模涂層，并使第二鍍鈀板條15鍍鈀側(cè)朝下置于裸露的粘合劑表面上，利用定位銷對(duì)準(zhǔn)板條，該組件現(xiàn)在再次通過(guò)步驟6中的層合機(jī)，這一次使加熱輥接觸在步驟7中加入的鍍鈀Mylar_，以便激活中間粘合劑(圖9、10和11)。
步驟8由步驟7制得的組件返回至沖模組件，并且定位打穿凹口16，以使其延伸于前面在Melinex_PET上打出的圓孔11和板條邊緣17之間。凹口16延伸使得其貫穿每個(gè)圓形腔室的圓周。然后將該板條截?cái)?，產(chǎn)生37個(gè)單個(gè)的“傳感器條”，每條大約5mm寬，各具有一個(gè)薄層腔池(圖12、13和14)。
因而制得了一個(gè)池，如圖12、13和14所示。該池包括一個(gè)由PET層12構(gòu)成的第一電極，一鈀鍍層13，一粘合劑層3，一PET板1，一第二粘合劑層4，一個(gè)由鈀鍍層13構(gòu)成的第二電極，和一PET層12。板1限定一個(gè)柱狀腔室11，其在池縱向的厚度對(duì)應(yīng)于Melinex_PET板層1的厚度加上粘合劑層3和4的厚度。此池具有圓形鈀端壁。在池側(cè)邊的凹口16與腔室11相交處，提供有池的入口。
在本發(fā)明最佳實(shí)施例中，待分析樣品通過(guò)毛細(xì)作用引入池中。使樣品置于與凹口16接觸，通過(guò)毛細(xì)作用自發(fā)吸入池中，池中被取代的空氣由相反凹口16排出。在毛細(xì)縫隙可以加入表面活性劑以助于吸入樣品。
對(duì)這些傳感器配以連接裝置，例如印刷板插頭座，從而將傳感器加入測(cè)量電路中。在一最佳實(shí)施例中，通過(guò)使間隔板1短于鈀支承板14、15，并且使一張板15的長(zhǎng)度短于另一張板14，可以實(shí)現(xiàn)此目的。這就形成了一個(gè)插座區(qū)域20，其接觸表面21、22分別與工作電極和反電極電連接。因而可以采用具有相應(yīng)嚙合導(dǎo)電表面的簡(jiǎn)單舌形插頭用于電連接。也可以采用其它形式的連接器。
池中采用的化學(xué)品可以由池的電極或壁支承，可以由池中含有的獨(dú)立支承物支承，或者可以是自支承的。
在一個(gè)實(shí)施例中，池中采用的化學(xué)品在步驟1之后立刻印刷至電極的鈀表面上，在步驟1中，剛沉積的鈀更加親水。例如，可以將含有0.2摩爾氰鐵酸鉀和1％重量的葡萄糖氧化酶脫氫酶的溶液印刷至鈀表面上。所希望的是，將化學(xué)品僅印刷在將要形成池壁的區(qū)域，最好通過(guò)噴墨打印機(jī)將化學(xué)品印在表面上。以此方式，可以精確控制化學(xué)品的沉積量。如果需要，希望隔離直到需要使用時(shí)的化學(xué)品可以分別印刷至第一和第二電極上。例如，可以將GOD/氰亞鐵酸鹽混合物印刷至一個(gè)電極上和另一電極的緩沖區(qū)上。盡管在組件置于池中之前將化學(xué)品施加至電極上是很理想的，但是也可以在步驟6或步驟8之后用傳統(tǒng)方法以吸液管將化學(xué)品注入池中，隨后通過(guò)蒸發(fā)或干燥將溶劑去除?；瘜W(xué)品不是必須要印刷至池壁或電極上，也可以浸漬在池中含有的或填充的紗布、薄膜、無(wú)紡布等之中(例如在步驟6或7之前置入腔室11中)。在另一實(shí)施例中，化學(xué)品制成多孔物質(zhì)，作為小球丸或小顆粒加入池中?；蛘?，化學(xué)品可以作為凝膠加入。
在本發(fā)明第二實(shí)施例中，首先由步驟5中獲得的板條14制得一層壓件21，粘合在步驟3中獲得的兩個(gè)板條7之間。層壓件20替代步驟5中的薄板1，并且在步驟6和7中與電極組裝在一起。
從而制得一個(gè)池，如圖15所示，它與圖9至11中的池區(qū)別之處在于，該池具有一環(huán)形電極，位于第一和第二電極之間。該電極例如可以用作參考電極。
應(yīng)當(dāng)理解，在批量生產(chǎn)該池時(shí)，其部件可以組裝為連續(xù)線的層壓件。例如，可以首先對(duì)一張連續(xù)的PET薄板1沖孔，然后通過(guò)印刷向保留薄板連續(xù)施加粘合劑?？梢灾苯訉㈦姌O(以化學(xué)溶液預(yù)印刷并干燥)作為層壓件施加于涂有粘合劑的一側(cè)。然后將粘合劑施加于沖孔芯板的另一側(cè)，隨后將電極作為層壓件施加于第二側(cè)。
粘合劑可以作為熱熔交替膜施加?；蛘撸景蹇梢允紫韧扛舱澈蟿?，然后沖孔。
通過(guò)在膠合步驟之前使各電極上的化學(xué)品干燥，可以防止電極表面沾污。
盡管結(jié)合Mylar_和Melinex_PET描述了此池，但是也可以采用其它化學(xué)惰性的阻電材料，并且可以選擇其它尺寸。用作間隔薄板1的材料以及用于支承參考電極和反電極的材料可以是相同的，也可以彼此不同。盡管本發(fā)明是參照鈀電極說(shuō)明的，但是也可以采用其它金屬，如鉑、銀、金、銅等，并且銀可以與氯化物反應(yīng)以形成一個(gè)銀/氯化銀電極，或者與其它鹵化物反應(yīng)。電極不必是相同金屬制成的。
盡管描述了熱活性粘合劑的使用，但是其部件也可以利用熱熔粘合劑、易熔層壓件和其它方法加以組裝。
傳感器尺寸可以根據(jù)需要方便地加以改變。
雖然電極覆蓋池的端部開(kāi)口是極為理想的，但在其它實(shí)施例中(未詳述)，其電極沒(méi)有全部覆蓋池的端部開(kāi)口。在此情況下，需要電極基本重疊對(duì)準(zhǔn)。
電極覆蓋腔室11孔的本發(fā)明優(yōu)選形式，具有電極面積僅由沖孔11精確限定的優(yōu)點(diǎn)。另外，如此設(shè)置的電極相互平行、重疊，具有基本相同的面積，并且基本或全部沒(méi)有“邊緣”效應(yīng)。
盡管所述實(shí)施例中各傳感器具有一個(gè)池腔，但是傳感器可以設(shè)有兩個(gè)或更多的腔。例如，可以設(shè)置一個(gè)具有既定量分析物的第二腔，可用作參考池。
本領(lǐng)域技術(shù)人員由本文所含教導(dǎo)會(huì)很清楚，此處所述一個(gè)實(shí)施例的特征可以與此處所述其它實(shí)施例的特征或者與我們共同未決的申請(qǐng)中所述的其它實(shí)施例進(jìn)行結(jié)合。盡管此傳感器是參照鈀電極和GOD/氰亞鐵酸鹽化學(xué)品加以說(shuō)明的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，可以采用其它的化學(xué)品以及其它材料的結(jié)構(gòu)，而不偏離此處所述的原理。
權(quán)利要求
1.一種利用液體樣品進(jìn)行分析測(cè)量用的電化學(xué)傳感器，其包括一至少具有兩個(gè)橫向邊緣的基本上為平的板條；一在該板條內(nèi)的樣品接收池；與該樣品池連通的至少兩個(gè)電極，以及在兩橫向邊緣至少之一中的凹口，其中該凹口與樣品池連通并讓液體樣品進(jìn)入其中。
2.如權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括一與樣品池連通的排氣孔(vent)，適于讓空氣逸出樣品池以便于液體樣品進(jìn)入樣品池。
3.如權(quán)利要求1的傳感器，其中液體樣品進(jìn)入樣品池通過(guò)毛細(xì)作用發(fā)生。
4.如權(quán)利要求1的傳感器，其中樣品接收池至少包括一種反應(yīng)物。
5.如權(quán)利要求4的傳感器，其中該反應(yīng)物包括催化劑、氧化還原劑或表面活化劑。
6.如權(quán)利要求4的傳感器，其中該反應(yīng)物包括酶。
7.如權(quán)利要求4的傳感器，其中該反應(yīng)物包括葡萄糖氧化酶。
8.如權(quán)利要求4的傳感器，其中該反應(yīng)物包括氰鐵酸鹽。
全文摘要
一種利用液體樣品進(jìn)行分析測(cè)量用的電化學(xué)傳感器,其包括:一至少具有兩個(gè)橫向邊緣的基本上為平的板條;一在該板條內(nèi)的樣品接收池;與該樣品池連通的至少兩個(gè)電極,以及在兩橫向邊緣至少之一中的凹口,其中該凹口與樣品池連通并讓液體樣品進(jìn)入其中。該傳感器進(jìn)一步包括一與樣品池連通的排氣孔(vent),適于讓空氣逸出樣品池以便于液體樣品進(jìn)入樣品池。
文檔編號(hào)G01NGK1254840SQ99123109
公開(kāi)日2000年5月31日 申請(qǐng)日期1996年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月16日
發(fā)明者阿拉思泰·麥金德·霍杰斯, 托馬斯·威廉姆·伯克, 奧德瓦·約翰森, 伊恩·安德魯·馬克思沃爾 申請(qǐng)人:Usf過(guò)濾分離集團(tuán)公司