在，并且如果不存在，則包括分析物傳感化學(xué) 物質(zhì)的材料）具有用于施加電流的電接觸點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的工作電極如圖7中所示。
[0109] 反電極
[0110] 反電極提供電流以使樣品與裝置之間的電路完整并且必須導(dǎo)電。
[0111] 微銦化分析物傳感器的電極配詈
[0112] 利用關(guān)于伏安傳感器的電極的以上背景內(nèi)容以及本發(fā)明提供的對(duì)它們的改進(jìn)，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可更好地了解如何構(gòu)造本發(fā)明的微型化分析物傳感器的多個(gè)不同的實(shí)施方 案。簡(jiǎn)單地講，工作電極、參考電極、及反電極的空間布置可以以任何方式進(jìn)行設(shè)計(jì)以提供 這些部件與樣品的同時(shí)接觸，并且不需要浸入該樣品中。具體地講，通過(guò)毛細(xì)作用適宜地固 持并鋪展成薄膜的微升-級(jí)分析物樣品足以遍及傳感元件的活性表面。此特征繼而提供多 種新機(jī)會(huì)從而在環(huán)境和測(cè)試條件中測(cè)量分析物濃度，尤其pH，而利用目前玻璃電極不可接 觸到樣品。
[0113] 因此，本發(fā)明的伏安傳感器技術(shù)用于多種應(yīng)用中，其中玻璃電極只提供有限的應(yīng) 用或簡(jiǎn)直不能使用。例如，本發(fā)明提供用于樣品的高通量PH(或其它分析物濃度）測(cè)量的 方法，該樣品包括生物樣品例如血清、尿、血漿、細(xì)胞溶解物、以及類似液體。在這些方法的 一些實(shí)施方案中，利用本發(fā)明提供及如下所述的用后即可丟棄的或可重復(fù)使用的多孔形式 的傳感器裝置，應(yīng)用機(jī)器人。
[0114] 此外，本發(fā)明的實(shí)施允許利用極小傳感器在線監(jiān)測(cè)pH(或其它分析物濃度）。檢 測(cè)微升級(jí)等分液變化的能力直接改善測(cè)量的分辨率。此非常有益于在例如并不限于HPLC、 LCMS、及其它色譜系統(tǒng)中使用。利用玻璃電極在線pH監(jiān)測(cè)因尺寸限制、再校準(zhǔn)要求、以及漂 移相關(guān)的誤差而具有有限的應(yīng)用。此外，玻璃電極需要更大的樣品體積以利用同一分析物 組成同時(shí)包圍傳感膜和參考結(jié)。即使流徑的其余部分已被設(shè)計(jì)成能夠高分辨率分離，分辨 率因電極附近不確定的混合模式而本質(zhì)上不佳。本發(fā)明的伏安傳感器，尤其完全固態(tài)的那 些，不受限于這些限制。
[0115] 本發(fā)明的微型化傳感器也明顯有益于診斷應(yīng)用。本發(fā)明提供可用于以高流動(dòng)性和 可靠性在護(hù)理點(diǎn)測(cè)量pH(或其它分析物濃度）的裝置。本發(fā)明也提供用后即可丟棄的一次 性使用的傳感器，其可以可靠地以最低的維護(hù)提供準(zhǔn)確的結(jié)果。
[0116] 例如，對(duì)可商業(yè)獲得的無(wú)菌培養(yǎng)袋或其它容器中的細(xì)胞培養(yǎng)物或電解質(zhì)的pH的 監(jiān)測(cè)可通過(guò)將本發(fā)明的一次性伏安傳感器裝置安裝于此類容器中來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同于玻璃探 針，本發(fā)明的裝置不易破裂，它們也不需要因參考電極的污垢或污染導(dǎo)致的漂移而必要的 周期性再校準(zhǔn)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于這些裝置可為平的和/或柔性并因此易于固定到袋子或其 它容器的內(nèi)壁?？纱┻^(guò)袋子或其它容器的壁達(dá)到電連接，維持壁完整性，所以該裝置可連接 到所需電器。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供多-位置微升級(jí)伏安傳感器裝置，其能夠?qū)ι?于10微升的樣品體積提供PH、電解質(zhì)、或其它樣品成分的準(zhǔn)確結(jié)果。在各種實(shí)施方案中，在 容器不存在下，施用于該裝置的樣品通過(guò)毛細(xì)作用、疏水容置、或微孔在空間上得以容置。
[0117] 本發(fā)明的傳感器裝置利用事實(shí)：只需要傳感器部件與分析物樣品的表品接觸就可 得到測(cè)量值。分析物樣品體積主要受制于包括傳感元件的兩個(gè)平面之間的空間。為此，提 供裝置，其中平面之間的空隙由機(jī)械或電機(jī)械器件精確地并可再現(xiàn)地調(diào)節(jié)，利用多種機(jī)理， 包括但不限于齒條和齒輪、螺桿驅(qū)動(dòng)的定位器、以及伺服電動(dòng)機(jī)和相關(guān)電路，任選地利用光 學(xué)或機(jī)械監(jiān)測(cè)和反饋控制。毛細(xì)管力將液體樣品固持在適當(dāng)位置而不需要樣品容器。一般 來(lái)說(shuō)，空隙越小，液體保持在兩個(gè)潤(rùn)濕表面之間就越容易；這尤其有利于微升級(jí)分析物樣品 的保留及測(cè)量。
[0118] 在一些實(shí)施方案中，樣品在空間上受制于伏安傳感器裝置的兩個(gè)以鐵砧形式的相 對(duì)件。在此實(shí)施方案中，受毛細(xì)管捕獲的樣品量取決于相對(duì)于相對(duì)的平面的樣品表面張力。 在所有情況中，假設(shè)分析物潤(rùn)濕所有傳感元件：工作電極、參考電極、及反電極。分析物潤(rùn)濕 的區(qū)域任選地由沒(méi)有被分析物潤(rùn)濕的表面繞傳感元件來(lái)限定。在各種實(shí)施方案中，分析物 樣品受限于相對(duì)的鐵砧表面的疏水和親水部分的面積、形狀、以及布置。
[0119] 在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供疏水性材料增加與水性分析物樣品的表面張力的 用途，例如聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚四氟乙烯（PTFE)、其它氟化聚合物、聚砜、聚醚砜、聚苯 硫醚、以及表現(xiàn)出良好化學(xué)耐受性且本身疏水的其它聚合物或共聚物。或者，可將疏水性涂 層施用于電極表面以限定水性分析物樣品潤(rùn)濕的區(qū)域。
[0120] 在一個(gè)實(shí)施方案中，疏水性聚合物材料在形成用于分析物保留的毛細(xì)管空間的鐵 砧樣結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中也用作一個(gè)或多個(gè)傳感元件的支撐。圖8示意地圖示了本發(fā)明的pH-傳 感電極。在此實(shí)例中，傳感元件包括嵌于由先前列表中的疏水性聚合物材料形成的絕緣體 中的圓柱形或環(huán)形電極。每個(gè)電極連有信號(hào)引線以捕獲產(chǎn)生的信號(hào)。為捕獲及在所有傳感 元件之間均勻地鋪展液滴，優(yōu)選此傳感器總成的整體圓柱形。
[0121] 在操作中，使傳感器總成相對(duì)于類似尺寸的圓柱形放置以形成兩個(gè)相對(duì)的平行表 面，如圖9所示。在圖9的部分（a)中，使傳感器總成置于開放位置。將分析物樣品液滴放 于下方的圓柱體上，如部分（b)中所示。然后，將傳感器總成降到距離下方的圓柱體精確 調(diào)整的距離以使分析物樣品接觸平面并填充因此形成的空隙，如圖（c)所示?？障洞笮Q 定填充空間并確保傳感元件潤(rùn)濕所需的液體體積。利用直徑約Icm的圓柱形傳感器總成， 不超過(guò)10微升的分析物足以可靠地產(chǎn)生PH測(cè)量值。更典型地，可使用5微升的樣品尺寸。 分析物體積的下限不僅由控制毛細(xì)管空間的機(jī)械精確度確定，也由分析物樣品的性質(zhì)和傳 感元件尤其工作電極的特征確定。例如，分析物中的水合氫離子量應(yīng)高于某水平從而在伏 安測(cè)量的過(guò)程中，該離子的濃度不應(yīng)由于與分析物傳感分子的氧化還原反應(yīng)而受到明顯影 響。這種變化在典型的PH測(cè)量中最小，其中分析物體積與工作電極表面之間的比率非常大 以至于在電極表面的氧化還原反應(yīng)對(duì)分析物的組成幾乎沒(méi)有影響。相反地，在測(cè)量微升級(jí) 樣品中，與大塊分析物的真實(shí)值相比，工作電極上的水合氫離子濃度與ASM部分的密度中 任一者或兩者可確定測(cè)量的PH值。根據(jù)這些考慮因素優(yōu)化分析物體積的實(shí)際下限。
[0122] 電極放置的各種其它實(shí)施方案具有類似功能。圖10中提供的示意性配置顯示了 (a)相對(duì)于工作電極放置的反電極和參考電極；以及（b)相對(duì)于工作電極和參考電極放置 的反電極。在兩種情況中，將分析物樣品放于下方平面上，然后使上方平面下降以形成毛細(xì) 管空間，進(jìn)而建立預(yù)先確定的分析物體積，潤(rùn)濕所有傳感元件，因此得到能夠PH測(cè)量的電 連通。
[0123] 利用圖10中描述的配置（a)進(jìn)行一系列試驗(yàn)以闡述本發(fā)明的特征。構(gòu)造兩個(gè)電 極總成，其中上方總成包括工作電極，下方總成包括參考電極和反電極。將10微升的分析 物樣品分配于下方電極總成上，利用改進(jìn)的顯微鏡載物臺(tái)降低上方總成直到其接觸分析物 樣品。攝像機(jī)用于核實(shí)在兩個(gè)平面上的液體接觸。利用BDH品牌標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)pH 2、pH 4、pH 7、和pH 10產(chǎn)生校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。將針對(duì)每個(gè)緩沖液的方波伏安圖疊加在圖11中（10微升樣品 大小）。
[0124] 相對(duì)于pH緩沖液繪制來(lái)自圖11的峰數(shù)據(jù)以提供圖12中所示的結(jié)果。圖顯示了 pH與10 μ L體積樣品的方波伏安的峰值電壓之間的線性關(guān)系。
[0125] 在裝置上測(cè)試三個(gè)10微升樣品的pH并將結(jié)果與利用IOmL樣品的新近校準(zhǔn)的 Mettler Toledo Seven Easy?計(jì)對(duì)比。樣品為橙汁（OJ)、小牛血清、以及G2低卡路里果汁 噴趣酒。對(duì)比結(jié)果在圖13中示出。
[0126] 對(duì)BDH標(biāo)準(zhǔn)pH 2、pH 4、pH 7、pH 10、和pH 12中的每一個(gè)重復(fù)三次，評(píng)價(jià)變化性。 對(duì)于傳感器的每個(gè)讀數(shù)，使用新鮮的10微升緩沖液樣品。借助于攝像機(jī)，將傳感器放于每 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。圖14-18顯示了每個(gè)緩沖液的方波伏安分析的疊加圖。
[0127] 將圖14-18中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制在一起，并示于圖19中（顯示了各個(gè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而 非平均數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)顯示了峰值電壓呈線性并可再現(xiàn)。
[0128] 本發(fā)明的微型化分析物傳感器的其它實(shí)施方案采用微孔進(jìn)行樣品容置。在此實(shí)施 方案中，樣品體積要求由每個(gè)孔的大小確定。在一些實(shí)施方案中，使傳感器定型以符合孔 壁；這些壁的表面包括提供傳感器化學(xué)的氧化還原活性材料?？椎牡撞恐辽俨糠值赜蓞⒖?電極形成。在一些實(shí)施方案中，疏水障壁用以促使樣品容置于孔中。將反電極放于孔中以 使電路完整（當(dāng)樣品存在時(shí)）。在一些實(shí)施方案中，將裝置提供在多孔板中，允許高通量的 PH測(cè)量，任選地借助于機(jī)器人。此模式常用于診斷或需要高通量分析的其它應(yīng)用。在一些 實(shí)施方案中，通風(fēng)孔用以使鹽溶液能夠填充參考電極以確保參考結(jié)與參考鹽溶液接觸，即 使它位于或接近參考溶液室的上表面?；蛘?，使用凝膠填充的或固態(tài)參考電極替代液體填 充的參考電極。圖20顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)代表性實(shí)施方案，此裝置的單孔實(shí)施方案。
[0129] 傳感器的制i告
[0130] 本發(fā)明的微型化分析物傳感器的第三個(gè)實(shí)施方案通過(guò)將參考電極、反電極、及工 作電極中的一個(gè)或多個(gè)"印刷"在適宜的基材表面上制得。基材可呈任何形狀。在各種實(shí)施 方案中，基材為導(dǎo)電性薄聚合材料或柔性基材。在一些實(shí)施方案中，疏水性涂層材料用以界 定樣品施用區(qū)域。薄平面電路以類似于用于制造電路板的方式構(gòu)造。在一些實(shí)施方案中， 將由聚偏二氟乙烯（PVDF)、室溫離子性流體（RTIL)、及導(dǎo)電材料例如碳組成的復(fù)合物用于 印刷或涂覆在提前印刷在基材上的銀/氯化銀或其它電極材料上以形成參考電極。將包括 分析物-特異性氧化還原活性材料的導(dǎo)電聚合物或涂層溶液印刷在靠近印刷的參考電極 的基材上以產(chǎn)生傳感器表面。靠近的第三個(gè)印刷電極或附著的電極用作反電極。下圖顯示 了此裝置的一些實(shí)施方案。傳感器的大?。òㄈ芜x的疏水障壁）可為，例如并不限于，約 2. 5毫米的直徑?？蓸?gòu)造在同一基材上具有多個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)，包括，但不限于，與可商業(yè)獲 得的多孔板的多孔布局匹配的模式。傳感器元件的示例性配置在圖21中示出。
[0131] 用于制造其它類型的傳感器的制造方法可根據(jù)本發(fā)明輕易地改變以制造本發(fā)明 的電極和傳感器。參見，例如，美國(guó)專利號(hào)5, 676, 820、5, 942, 103、6, 063, 259、6, 468, 785、 6,878,255、和 6,893,55