Электрохимический элемент

Электрохимический элемент

Реферат

 

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для определения концентрации анализируемого вещества в носителе. Технический результат изобретения: повышение точности измерений и сокращение разброса измерений, снижение размеров пробы анализируемого вещества. Сущность: электрохимический сенсор для аналитического определения жидкой пробы содержит по существу плоскую полоску, имеющую по меньшей мере две боковые кромки, принимающий пробу элемент внутри указанной полоски, по меньшей мере два сообщающихся с указанным элементом электрода и прорезь в по меньшей мере одной боковой кромке, сообщающуюся с указанным элементом и обеспечивающую ввод жидкой пробы в указанный элемент. 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электрохимическому элементу для определения концентрации анализируемого вещества в носителе. Настоящая заявка представляет собой продолжение заявки 09/068,828 на выдачу патента США на изобретение под названием "Электрохимический элемент", поданной 15 мая 1998 года, и заявки 08/852,804 на выдачу патента США на изобретение под названием "Электрохимический способ", поданной 7 мая 1997 года, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.

Уровень техники

Изобретение, раскрытое в настоящем описании, является усовершенствованием или модификацией изобретения, раскрытого в заявке 08/981,385 на выдачу патента США на изобретение под названием "Электрохимический элемент", поданной 18 декабря 1997 года, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

Изобретение раскрыто ниже применительно к биосенсору, пригодному для измерения концентрации глюкозы а крови, однако, при этом предполагается, что оно не ограничено этим частным применением и может быть использовано для других целей анализа.

Известен способ измерения концентрации подлежащего анализу компонента в водной жидкой пробе посредством помещения пробы а зону реакции электрохимического элемента, содержащего два электрода, имеющих полное сопротивление, которое позволяет их использовать для токометрических измерений. Подлежащий анализу компонент вступает в реакцию непосредственно или опосредованно с окислительно-восстановительным реагентом, при этом образуется способное к окислению (или восстановлению) вещество в количестве, соответствующим концентрации подлежащего анализу компонента. Затем оценивают количество образованного способного к окислению (или восстановлению) вещества. В целом этот способ требует достаточного разделения электродов, так чтобы продукты электролиза на одном электроде не могли достигать другого электрода и влиять на процессы на другом электроде во время измерения.

В нашей одновременно находящейся на рассмотрении заявке описан новый способ определения концентрации восстановленной (или окисленной) фракции окислительно-восстановительных веществ в электрохимическом элементе с использованием рабочего электрода и противоэлектрода (или контрольного электрода), расположенного на заданном расстоянии от рабочего электрода. Метод связан с приложением разницы электрического потенциала между электродами и выбор потенциала рабочего электрода таким, что соотношение электроокисления восстановленной фракции веществ (или электровосстановления окисленной фракции) регулируется диффузией. Расстояние между рабочим электродом и противоэлектродом выбрано так, что продукты восстановления с противоэлектрода достигают рабочего электрода. Посредством определения тока как функции времени после приложения потенциала и перед достижением установившегося тока и затем оценки величины установившегося тока описанный ранее способ позволяет оценить коэффициент диффузии и/или концентрацию восстановленной (или окисленной) фракции подлежащих оценке веществ.

В нашей одновременно находящейся на рассмотрении заявке этот способ проиллюстрирован на примере использования “тонкослойного электрохимического элемента”, использующего систему GOD/ферроцианид. При этом под “тонкослойным электрохимическим элементом” понимают элемент, имеющий близко расположенные электроды, так что продукт реакции с противоэлектрода достигает рабочего электрода. На практике расстояние между электродами в таком элементе для измерения глюкозы в крови составляет менее 500 мкм и предпочтительно менее 200 мкм.

В приведенном в качестве примера электрохимическом элементе используют следующие химические реакции:

где GOD является ферментом глюкозооксидаза, a GOD* является “активированным” ферментом.

Феррицианид ([Fe(CN)₆ ]³) является “посредником”, который возвращает GOD* в его каталитическое состояние. GOD как ферментный катализатор не расходуется во время реакции, пока в избытке присутствует посредник. Ферроцианид ([Fe(CN)₆]⁴) является продуктом полной реакции. В идеальном случае вначале ферроцианид не присутствует, хотя на практике он часто присутствует в небольшом количестве. После окончания реакций концентрация ферроцианида (измеренная электрохимическим путем) указывает на первоначальную концентрацию глюкозы. Полная реакция является суммой реакций 1 и 2:

где “глюкоза” относится специально к -D-глюкозе.

Способ, известный из уровня техники, имеет ряд недостатков. Во-первых, требуемый размер пробы больше желательного размера. В целом предпочтительна возможность проведения измерений на пробах уменьшенного объема, так как это позволяет использовать менее поглощающие способы получения проб.

Во-вторых, желательно повысить точность измерений и исключить или сократить разброс измерений, обусловленных, например, асимметричностью элемента или другими факторами, возникающими при массовом производстве микроэлементов. Также желательно сократить эффекты “кромки” электродов.

В-третьих, так как элементы после использования подлежат выбрасыванию, желательна возможность их массового производства при относительно низкой цене.

Краткое раскрытие изобретения

Согласно одному аспекту изобретения, оно относится к способу производства электрохимического элемента, содержащему стадии:

выполнения отверстия, проходящего через лист электрически резистивного материала, при этом указанное отверстие образует боковую стенку элемента;

нанесения первого тонкого электродного слоя на одну сторону листа, проходящего над отверстием с образованием первой торцевой стенки элемента;

нанесения второго тонкого электродного слоя на другую сторону листа, проходящего над отверстием с образованием второй торцевой стенки элемента с наложенным совмещением с первым электродом; и

обеспечения средств пропускания жидкости в элемент, образованный между боковой стенкой и указанными торцевыми стенками.

Первый и второй электродные слои могут быть проводниками или полупроводниками и могут быть одинаковыми или различными. Предпочтительными являются электродные слои из благородных металлов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения отверстие имеет круговое: поперечное сечение, при этом боковая стенка является цилиндрической, а первый и второй электроды закрывают отверстие.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Изобретение раскрыто ниже на конкретных примерах со ссылками на соответствующие чертежи, на которых:

Фиг.1 - продукт второй стадии производства, вид сверху;

Фиг.2 - продукт по фиг.1, вид сбоку;

Фиг.3 - продукт по фиг.1, вид с торца;

Фиг.4 - продукт третьей стадии производства, вид сверху;

Фиг.5 - продукт по фиг.4 в разрезе по линии 5-5 на фиг.4;

Фиг.6 - продукт пятой стадии производства, вид сверху;

Фиг.7 - продукт по фиг.6, вид сбоку;

Фиг.8 - продукт по фиг.6, вид с торца;

Фиг.9 - продукт седьмой стадии производства, вид сверху;

Фиг.10 - продукт по фиг.9 в разрезе по линии 10-10;

Фиг.11 - продукт по фиг.9, вид с торца;

Фиг.12 - элемент согласно изобретению, вид сверху;

Фиг.13 - элемент по фиг.12, вид сбоку;

Фиг.14 - элемент по фиг.12, вид с торца;

Фиг.15 - частичный разрез второго варианта осуществления изобретения в увеличенном масштабе.

Конструкция тонкослойного электрохимического элемента раскрыта ниже на примере усовершенствованного способа производства.

Стадия 1: лист 1 мелинекса® (химически инертный и электрически резистивный терефталат полиэтилена [“PET”]), примерно 13 см x 30 см и толщиной 100 мкм плоско накладывают на лист 2 разделительной бумаги и покрывают с использованием бруска MYAR номер 2 до толщины 12 мкм во влажном состоянии (примерно 2-5 мкм в сухом виде) выполненным на основе воды, активируемым нагреванием клеем 3 (система ICI Novacoat с использованием катализатора - клея). Затем воду испаряют с помощью горячего воздуха и получают контактную клеевую поверхность. Затем лист переворачивают на разделительной бумаге и покрывают аналогичным образом противоположную сторону тем же клеем 4, сушат и накладывают защитную разделительную бумагу 5 на открытую клеевую поверхность. Кромки подрезают для получения листа, равномерно покрытого (с обеих сторон) липким контактным клеем, защищенным разделительной бумагой.

Стадия 2: лист с защитной разделительной бумагой разрезают на полоски 7, размером около 18 мм × 210 мм каждая (фиг.1-3).

Стадия 3: полоску 7 терефталата полиэтилена, покрытую клеем, выполненную согласно стадии 2 с разделительной бумагой 2, 5 на соответствующих сторонах, помещают в штамповочное устройство (не изображено) и закрепляют. Штамповочное устройство выполнено с возможностью пробивания в полоске установочных отверстий 1.0 на каждом конце полоски и, например, 37 круговых отверстий 11 с диаметром 3,4 мм и расстоянием 5 мм между центрами, равномерно распределенных вдоль линии между установочными отверстиями 10. Площадь каждого отверстия 11 составляет, примерно, 9 мм² .

Стадия 4: лист милара® из терефталата полиэтилена площадью примерно 21, см² и толщиной 135 мкм помещают в камеру металлизирования напылением для нанесения слоя 13 палладия. Напыление слоя металла производят в вакууме от 4 до 6 мбар и в атмосфере газа аргона. Палладий наносят на терефталат полиэтилена толщиной 100-1000 . Таким образом получают лист 14, имеющий напыленное покрытие 13 из палладия.

Стадия 5: покрытый палладием лист 14 терефталата полиэтилена согласно стадии 4 разрезают на полоски 14 и 15 и с помощью штампа пробивают два установочных отверстия 16 по концам каждой полоски (фиг.6, 7 и 8). Полоски 14 и 15 отличаются только размерами: полоска 14 имеет размеры 25 мм × 210 мм, а полоска 15 - 23 мм × 210 мм.

Стадия 6: промежуточную полоску, подготовленную согласно стадии 3, помещают в оправку (не изображена), имеющую два установочных штифта (каждый соответствует установочному отверстию 10 полоски 7), и снимают верхнюю разделительную бумагу 2. Полоску 14 покрытого "палладием терефталата полиэтилена, подготовленную согласно стадии 5, накладывают на клеящий слой палладиевым покрытием вниз, используя штифты оправки для совмещения установочных отверстий 16 с подстилающей полоской 7 из терефталата полиэтилена. Затем эту комбинацию пропускают через ламинатор, содержащий набор прижимных роликов, один из которых приспособлен для нагревания покрытой палладием стороны полоски 14 из терефталата полиэтилена. Ролик на противоположной стороне полоски 7 охлаждают. Благодаря этому активируют только клей между палладием полоски 14 и полоской 7 из терефталата полиэтилена.

Стадия 7: полоску 7 из терефталата полиэтилена переворачивают и размещают в оправке разделительным покрытием вверх. Разделительное покрытие отделяют и накладывают вторую покрытую палладием полоску 15 палладиевым слоем вниз на открытую клеящую поверхность с использованием установочных штифтов для выравнивания полосок, затем эту комбинацию пропускают через ламинатор согласно стадии 6, при этом горячий ролик соприкасается с покрытым палладием миларом®, добавленным на стадии 7, для активирования расположенного между ними клея (фиг.9, 10 и 11).

Стадия 8: полученную на стадии 7 сборочную единицу возвращают в штамповочное устройство и пробивают прорези 16, расположенные так, что они проходят между пробитыми ранее в мелинексе® из терефталата полиэтилена круговыми отверстиями 11 и кромкой 17 полоски. Прорези 16 проходят так, что они прорезают окружность каждого кругового элемента. Затем эту полоску разрезают для получения 37 индивидуальных сенсорных полосок, при этом каждая полоска имеет ширину около 5 мм и содержит один тонкослойный полый элемент (фиг.12, 13 и 14).

Таким образом получают элемент, представленный на фиг.12,13 или 14. Элемент содержит первый электрод, состоящий из слоя 12 терефталата полиэтилена, слоя 13 палладия, слоя 3 клея, листа 1 терефталата полиэтилена и второго слоя 4 клея, и второй электрод, содержащий слой 13 палладия и слой 12 терефталата полиэтилена. Лист 1 образует цилиндрический элемент 11, имеющий толщину листа 1 мелинекса® из терефталата полиэтилена вместе с толщиной слоев 3 и 4 клея. Элемент имеет круговые палладиевые торцевые стенки. Доступ к элементу обеспечивается на боковой кромке элемента, где в элементе 11 выполнены прорези 16.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения подлежащую анализу пробу вводят в элемент с помощью капиллярного эффекта. Пробу размещают в соприкосновении с прорезью 16 и она самостоятельно втягивается с помощью капиллярного эффекта в элемент, а вытесненный из элемента воздух выходит через противоположную прорезь 16. В капиллярном пространстве может быть помещено поверхностно-активное вещество для обеспечения втягивания пробы.

Сенсоры снабжены соединительными средствами, например, краевыми контактами, с помощью которых сенсоры могут быть включены в измерительную схему. В предпочтительном варианте осуществления изобретения это достигается тем, что промежуточный слой 1 выполнен короче, чем несущие палладий листы 14, 15, а длина одного листа 15 меньше длины другого листа 14. Таким образом формируют цоколь 20, имеющий контактные площади 21, 22, электрически соединенные соответственно с рабочим электродом и противоэлектродом. Таким образом, для обеспечения электрического соединения можно использовать простой язычковый штекер с соответствующими зацепляющимися проводящими поверхностями. Могут быть разработаны контакты другой формы.

Химические вещества для использования в элементе могут удерживаться на электродах или стенках элемента, могут удерживаться на независимой опоре, размещенной внутри элемента, или могут удерживаться самостоятельно.

В одном варианте осуществления изобретения химические вещества для использования в элементе наносят печатным способом на палладиевую поверхность электрода непосредственно после стадии 1, в которой свеженанесенный палладий является более гидрофильным. Например, можно нанести печатным способом раствор, содержащий 0,2 моля феррицианида калия и 1 вес. % глюкозооксидаза-дегидрогеназа на поверхность палладия. Желательно, чтобы химикалии наносили печатным способом только на те области, которые образуют стенки элемента, и предпочтительно химикалии наносят на поверхность печатным способом с помощью струйного принтера. Таким образом можно точно управлять нанесением химикалий. При желании, химикалии, которые желательно держать раздельно, пока они не потребуются для использования, могут быть нанесены печатным способом соответственно на первый и второй электроды. Например, композиция GOD/ферроцианид может быть нанесена печатным способом на один электрон, а буфер - на другой. Хотя очень предпочтительным является нанесение химикалий на электроды перед сборкой их в элемент, химикалии можно вводить в элемент также в виде раствора после стадии 6 или стадии 8 с помощью пипетки традиционным способом и удалять растворитель постепенно с помощью испарения или сушки. Химикалии не обязательно должны быть нанесены на стенки элемента или на электроды способом печати, а могут быть вместо этого внесены пропитыванием марли, мембраны, нетканого материала или т.п., находящихся или наполняющих полость (т.е. введенных в элемент 11 перед стадией 6 или 7). В другом варианте осуществления изобретения химикалии внесены в пористую массу, которая может быть введена в элемент в виде таблеток или гранул. В качестве альтернативного решения химикалии могут быть введены в виде геля.

Во втором варианте осуществления изобретения слоистую структуру 20 изготавливают из полоски 14, полученной на стадии 5, и вклеенной между двумя полосками 7, полученными на стадии 3. Слоистой структурой 20 заменяют лист 1 в стадии 5 и собирают с электродами согласно стадиям 6 и 7.

Таким образом получают элемент, показанный на фиг.15, который отличается от элемента по фиг.9-11 тем, что имеет кольцевой электрод, расположенный между первым и вторым электродами. Этот электрод можно использовать, например, в качестве контрольного электрода.

Следует отметить, что при массовом производстве элементов части можно собирать в слоистую конструкцию на поточной производственной линии. Например, непрерывный лист 1 из терефталата полиэтилена может быть сперва пробит и затем клей можно наносить непрерывно на оставшийся лист способом печати. Электроды (с предварительно нанесенным печатным способом химическим раствором и высушенные) могут быть поданы непосредственно в виде слоистой конструкции на покрытую слоем клея сторону. Затем клей может быть нанесен на другую сторону пробитого среднего листа и затем электроды могут быть поданы в виде слоистой конструкции на вторую сторону.

Клей можно наносить в виде расплавленной прокладочной пленки. В качестве альтернативного решения средний лист может быть сперва покрыт слоем клея и затем пробит.

С помощью сушки химикалий на каждом электроде перед стадией наклеивания поверхность электродов защищают от загрязнения.

Хотя был описан элемент на основе милара® и мелинекса® из терефталата полиэтилена, можно использовать другие химически инертные и электрически резистивные материалы, а также выбрать другие размеры. Эти материалы, используемые для промежуточного листа 1 и в качестве опоры контрольного и противоэлектрода, могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга. Хотя изобретение описано применительно к палладиевым электродам, можно использовать другие металлы, например платину, серебро, золото, медь или т.п., причем серебро может реагировать с хлоридом для образования электрода серебро/хлорид серебра или с другими галогеноидами. Электроды могут быть изготовлены из разных металлов.

Хотя были описаны активируемые нагревом клеи, части могут быть собраны с использованием расплавленных нагревом клеев, сплавленных слоистых материалов или других способов.

Размеры сенсоров можно изменять в зависимости от требований.

Хотя в большинстве случаев предпочтительно, чтобы электроды закрывали торцевые отверстия элемента, в других вариантах осуществления изобретения (не изображены) электроды не полностью закрывают торцевые отверстия элемента. В этом случае желательно, чтобы электроды были совмещены наложением друг на друга. Предпочтительные варианты осуществления изобретения, в которых электроды закрывают отверстия элементов 11, имеют то преимущество, что площадь электродов точно определена пробитым отверстием 11. Кроме того, образованные таким образом электроды параллельны и перекрывают одинаковую площадь и в значительной степени свободны или полностью свободны от “краевых” эффектов.

Хотя в описанных вариантах осуществления изобретения каждый сенсор имеет одну полость элемента, можно создать сенсоры с двумя или более полостями. Например, может быть предусмотрена вторая полость с заданным количеством анализируемого вещества, служащая в качестве контрольного элемента.

Для специалиста в данной области очевидно, что признак одного описанного здесь варианта осуществления изобретения может быть скомбинирован с признаками других описанных здесь вариантов осуществления изобретения или с другими вариантами осуществления, описанными в одновременно находящейся на рассмотрении заявке. Хотя сенсор был описан применительно к палладиевым электродам и к химическим превращениям GOD/ферроцианида, специалистам очевидно, что могут быть использованы другие химические вещества и конструкционные материалы без нарушения вышеизложенных принципов.

Формула изобретения

1. Электрохимический сенсор для аналитического определения жидкой пробы, содержащий, по существу, плоскую полоску, имеющую по меньшей мере две боковые кромки, принимающий пробу элемент внутри указанной полоски, по меньшей мере два сообщающихся с указанным элементом электрода и прорезь в по меньшей мере одной боковой кромке, сообщающуюся с указанным элементом и обеспечивающую ввод жидкой пробы в указанный элемент.

2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что содержит сообщающееся с указанным элементом вентиляционное отверстие, приспособленное для обеспечения выхода воздуха из элемента с тем, чтобы способствовать вводу жидкой пробы в элемент.

3. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что ввод жидкой пробы в элемент обеспечивается посредством капиллярного эффекта.

4. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что принимающий пробу элемент содержит по меньшей мере один реагент.

5. Сенсор по п.4, отличающийся тем, что реагент содержит катализатор, окислительно-восстановительный реагент или поверхностно-активное вещество.

6. Сенсор по п.4, отличающийся тем, что реагент содержит фермент.

7. Сенсор по п.4, отличающийся тем, что реагент содержит глюкозооксидазу.

8. Сенсор по п.4, отличающийся тем, что реагент содержит феррицианид.

РИСУНКИ