微帶電極的製作方法

2023-05-20 00:05:16 2

專利名稱：微帶電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及電化學電池，一般為電化學檢查微電極，涉及製作這樣一種電池的方法以及使用此微電極電化學測定物質的方法。
背景技術：
微電極用於對物質各種參數的電化學檢測。例如，微電極可用來檢測或測量物質中特定化合物的濃度。一般，微電極含有一電極，它有至少一個等於或小於50μm的尺寸，而常常為1至25μm的尺寸。使用這些系統作為抽樣檢驗裝置帶來許多潛在的好處，包括操作速度、精確度和極小的樣品需要量。
大規模生產所製造之微-電極的通用型式為微圓片、微-帶或交指型電極。微-圓片電極是盤狀電極，有小於約25μm的直徑，而微-帶電極則由帶條構成，有小於約25μm的厚度或最小尺寸。交指型電極具有以其齒相互咬合之兩個梳輪的更複雜的形狀。
藉助連同酶或其它電活性物質一起使用這些微-電極可形成通過與相應電活性物質的反應而對目標參數提供定量測量的傳感器。
但是，當和電活性物質一起使用本領域中所知的微-電極時卻發生若干問題。首先，把電活性物質固定到電極上往往碰到困難，並且該物質經常看到移離其所希望的位置。在單一襯底上含有若干微-電極的系統尤其易受這方面問題的影響，因為未被充分固定到其電極上的酶變得鬆動並從一個傳感器遷移至另一個而引起交義汙染。這類問題由該樣品流過微-電極的影響而加重，它傾向於自由極上洗掉電活性物質。
使此電活性物質固定的通用方法，至少在某種程度上，是在電極上的應有位置將它乾燥。然而，這樣一般不足以保持該電活性物質在原處。此外，乾燥微-電極上面的電活性物質可引致該電極的電結渣。
因此，本發明的目的是提供一種微-電極，它能把電活性物質約束在該電極上以備抽樣測定，並且它將在該樣品流過微電極的同時限制任何這樣的電活性物質的移動。還希望，當使電活性物質乾燥到電極上時發生的電極結渣問題將避免或減少。
發明概述本發明人已發現，當此微電極取容器形狀時可使上面討論的問題減至最低程度。此容器包括一在該容器器壁內的工作電極，一般具有小的表面積。也存在一種對電極，這種電極一般有比工作電極要大得多的表面積，通常有較之工作電極表面積至少大一個數量級的表面積。可把電活性物質放入該容器並任意地使之乾燥到應有的位置。然後把樣品加進該容器以便測定能夠進行。
這樣的微-電極於是理想地適合容納電活性物質，並防止其移離該電極。此外，樣品流過此微-電極的影響大為下降，而且不可能致使該酶自其在容器底部的位置洗掉。
電活性物質在貯存期間一般不接觸容器器壁內的工作電極，因此便使這一電極的結渣減至最小。加之，電活性物質一般將只接觸對電極的小部分，而在某些實施方案中(下面討論)同對電極的接觸則可完全避免。因此，如果結渣的確發生，那麼這將僅在電極相對小的表面上。對電極其餘未受影響的表面仍可正常工作。
所以，本發明提供一電化學電池，它或單獨或與其上放置它的襯底結合，取容器的形狀，該電池有對電極和工作電極，其中至少一電極具有至少一個不超過50μm的尺寸，工作電極則處於容器的器壁內。本發明特別提供一種容器形狀的電化學電池，該電池有對電極和工作電極，其中至少一電極具有至少一個不超過50μm的尺寸，工作電極則處於容器的器壁內。
本發明還提供一種如上所述製作電化學電池的方法，這種方法包括的步驟為(a)形成有任選地敷塗以對電極層之絕緣材料的第一部分；(b)形成有在兩層絕緣材料間之工作電極層疊層的第二部分；(c)在該第二部分中形成一個洞；(d)將此第一部分與第二部分粘結以形成容器。
若第一部分中有對電極層，則步驟(d)包括把該第一部分的對電極層粘到第二部分上以形成容器。
本發明的方法提供一種製作本發明微電極的簡單有效的方法。而且，在含有工作電極部分中的造洞步驟可消除對激活碳之獨立步驟或其它工作電極的需要。
本發明還提供一種多分析對象裝置，它包括在單一裝置中的多個微電極。這種裝置通過在不同微-電極中使用不同電活性物質便使得對單一樣品作不同類型的測量成為可能。另一方面，此多分析對象裝置能用來對單一樣品進行相同的測定若干次，以便檢測或消除結果的誤差。由於每一微-電極是自持的，所以本發明多分析對象裝置也確保不同電活性物質的完全分開。
本發明還提供一種電化學測定物質的方法，此方法包括的步驟為(a)將樣品加進本發明的電化學電池或多分析對象裝置；(b)在此微-電極的工作和對電極之間施加一電壓或電流；以及(c)測量在該微-電極兩極間所產生的電流、電壓或電荷。
附圖簡述

圖1描繪本發明第一實施方案的電化學電池；圖2描繪本發明第二實施方案含有獨立的對和參考電極的電化學電池；圖3描繪本發明第三實施方案具有多個工作電極的電化學電池；圖4描繪本發明第四實施方案具有毛細管流動通道的電化學電池；圖5描繪一種電化學電池，其中對電極在該電池的池壁中；圖6描繪本發明另一種實施方案，其中該電池本身不呈容器形狀，但是當置於一襯底上時便形成容器；圖7、8和9顯示含有四個本發明電化學電池的一種多分析對象裝置；圖10圖解說明製作本發明電化學電池的方法；圖11圖解說明製作本發明電化學電池的改進方法；以及圖12至20圖解說明使用本發明電化學電池進行的電流測量和循環伏安測量實驗的結果。
發明詳述電化學電池包括工作電極和對電極，將它們相互電連接。當使用時在每一電極上發生的電化學反應引起電子抵離電極流動，因此產生電流。電化學電池可建立來或利用所產生的電流，例如以電池形式或檢測藉助施加的電流或電壓所誘發的電化學反應。
實施方案1本發明的第一實施方案描繪於圖1。在這一實施方案中，電化學電池具有微電極。微電極有至少一個不超過50μm的尺寸。當使用循環伏安測量法時微電極呈現典型的微電極響應。本發明的微電極可有一個或多個常量大小的尺寸，即它們大於50μm。由於這些常量尺寸，本發明電化學電池可展現某些通常同微電極無關的特性。例如，本發明電化學電池可展現某種程度的Cottiel電流。因此，為著本詳細說明起見，採用術語微電極來包括任何有至少一個不超過50μm尺寸的電極。
一般，在微電極將適合於篩選水(比如河水)、血、尿或其它生物學流體或液體像啤酒和酒，以確定其含量。該電池取一容器或貯存器形狀。該容器只要能盛裝放入它的液體可為任何形狀。例如，該容器可為圓筒形。通常，容器將含有底1和環繞該底的器壁2。在本發明的一個實施方案中，下面進一步對它加以描述，電池本身沒有底，於是獨自並非容器。但是，使該電池這樣設計，以便當靠著一獨立襯底放置時該電池連同襯底一起就形成容器。在這一實施方案中，此電池包括環繞敞開「底」的器壁2。可使此敞開「底」靠著襯底放置以形成容器，這樣該襯底便構成如此形成之容器的真正底。
此容器一般將有50至1000μm的深度(即自頂至底)，最好為200至800μm，例如300至600μm。其長度和寬度(即自器壁至器壁)，或者在圓筒形容器的情況下容器的直徑一般為0.1至5mm，例如0.5至1.5mm，比如1mm。
容器3的敞開端可用不可滲透材料部分地遮蓋，只要至少部分敞開端末被遮蓋便行，或者用可滲透材料遮蓋，比如可滲透膜。最好，此容器的敞開端以可滲透膜4牢固地遮蓋。該膜4起防止塵埃或其它汙染物進入容器的作用，並幫助保持任何可能加入容器的電活性物質在應有的位置。
膜4最好由待測樣品能通過的材料製得。例如，若樣品為血樣，則該膜應可滲透血。用作此膜的合適材料包括聚酯、硝酸纖維素、聚碳酸酯、聚碸、微孔聚碸膜、PET、棉和尼龍織物、有塗層的玻璃纖維和聚丙烯腈織物。這些織物在使用前，可任選地經受親水或疏水處理。該膜的其它表面特性如需要可加以改變。例如，為了方便想要的樣品通過該膜流動，可使用改變該膜在水中之接觸角度的處理。該膜可包括一層、兩層或多層材料，其每層可以相同或不同。例如，可使用有兩層不同膜材料的常規雙層膜。
該膜也可用來濾出某些不希望進入電池的成分。例如，一些血產物像紅血球或紅細胞可用這種方法分離，以使這些顆粒不進入電池。合適的過濾膜，包括血過濾膜，在本領域中是知道的。血過濾膜的一個實例是Pall濾清公司的Presence 200。
本發明的電化學電池含有工作電極5，它位於容器器壁內。此工作電極5，例如，取環繞容器器壁之連續帶的形狀。工作電極的厚度一般0.01至25μm，優選地為0.05至15μm，例如0.1至20μm，更優選地為0.1至10μm。更厚的工作電極也可以想像，例如具有0.1至50μm厚度的電極，最好為5至20μm。工作電極的厚度是當將容器置於其底上時其在垂直方向的尺寸。此工作電極最好由碳、鈀、金或鉑構成，例如從導電墨的形式。導電墨可為改性的含有另外材料的墨，例如鉑及/或石墨。可使用兩層或多層來構成工作電極，該層由相同或不同的材料形成。例如，在工作電極層下面可存在一Ag/AgCl層。
對電極6一般構成至少容器底或頂端的部分，儘管該對電極也可存在於容器的器壁內。在本實施方案中，對電極6形成容器的底。此對電極一般由Ag/Ag2SO4、碳、Ag/AgCl、鈀、金、鉑、Cu/CuSO4、Hg/HgCl2或Hg/HgSO4製得。它最好由碳、Ag/AgCl、鈀、金、鉑、Cu/CuSO4、Hg/HgCl2或Hg/HgSO4製成。每種這些材料可以導電墨形式提供。此導電墨可以是含有另外材料的改性墨，例如鉑及/或石墨。本發明電化學電池一般只含有一個對電極。
對電極6一般具有大小等同於或大於，例如顯著地大於工作電極5的表面積。一般，對電極表面積與工作電極表面積的比至少為1∶1，比如至少5∶1、10∶1，優選地至少為20∶1，更優選地至少為25∶1。此對電極例如可以是宏觀電極。優選對電極具有0.01mm或更大的尺寸，例如0.1mm或更大。這可以是例如0.1mm或更大的直徑。對電極的典型面積為0.001mm2至10mm2，最好約為5mm2。工作電極與對電極間的最小距離最好是10至1000μm，例如10至300μm。
在本發明有代表性的電池中，每一電極將與鄰近的電極隔開10至1000μm的距離，例如50至200μm或75至150μm。為了電池能夠運作，每一電極必須用絕緣材料7隔開。此絕緣材料一般為聚合物，例如，丙烯酸酯、聚氨基甲酸酯、PET、聚烯烴、聚酯或任何其它穩定的絕緣材料。聚碳酸酯和其它塑料以及陶瓷也是合適的絕緣材料。此絕緣材料可通過聚合物溶液的溶劑蒸發來形成。在敷塗後硬化的液體也可以使用，例如清漆。另一方面，可使用可交聯聚合物溶液，例如，通過暴露於熱或UV或將一兩成分可交聯體系的活性部分混合在一起便使它們交聯。還可以在適當處使用介電墨來形成絕緣層。
電化學電池的電極可以互連，並可藉助合適的方式，連接到任何要求的測量儀器。一般，該電極將被連接至本身互連的導電線路並接到所要求測量儀器。
本發明電池可含有一種電活性物質8。電活性物質8可為任何物質，當同樣品接觸時它能引起電化學反應。因此，樣品一經加進電池並同電活性物質接觸，電化學反應以及電池中的可測量電流、電壓或電荷就可發生。
電活性物質8包括一種電催化劑。一般地此電活性物質8包括電催化劑和介體。介體是具有兩個或多個截然不同電活性位之氧化態的化學物質，它們使轉換電子/電荷至電極能可逆進行。此介體在電化學反應中與樣品反應，該反應由電催化劑催化。電催化劑有代表性的實例為酶，例如乳酸氧化酶、膽固醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、甘油激酶、甘油-III-磷酸鹽氧化酶以及膽固醇氧化酶。各種離子形式和金屬離子，例如鈷，也可用作電催化劑。合適介體的實例為氰化鐵、氰亞鐵酸鹽和釕的化合物如釕(III)的六氨合物。
一般在這樣的位置將電活性物質8加進容器，使得該電活性物質不與工作電極接觸。這便確保工作電極的結渣減至最小或者避免。可使電活性物質乾燥來確保它保持在應有的位置。在一本發明的優選實施方案中，卻把電活性物質預敷塗到形成容器底的襯底上。這可通過直接將電活性物質敷塗到平的襯底上，或通過在該襯底內形成一個井，並分送電活性物質到該井中來完成。一般，然後使電活性物質乾燥進入應有位置，並使如此敷塗的襯底連接容器器壁。若是將電活性物質加進襯底內的井中，那麼該井一般具有與最終之電化學電池相同的截面。因此，該井構成由電化學電池所形成之容器的底部。若是對電極在該容器的底上，那麼電活性物質便預敷塗到該對電極層上。
這一實施方案有這樣的優點，即在電池製造過程全部時間內使電活性物質保持遠離工作電極。因此電活性物質與工作電極間的接觸，在該電池使用前便減至最小。這本身也使工作電極的結渣減至最小。
在另一優選實施方案中，使電活性物質浸漬入置於襯底上的膜，或在將該襯底與容器器壁連接之前或在以後，最好在之前。電活性物質可同樣地被浸漬入遮蓋電池的膜4。這一實施方案也避免電活性物質與工作電極間的接觸並減少結渣至最小。
形成本發明微-電極的容器可以，例如，在其底或其器壁上含有一個或多個氣孔(圖1中未描繪)。當樣品進入該容器時這些孔允許氣體自容器逸出。如果這樣的氣孔不存在，那麼當流過敞開端時樣品可能不進入容器，或它只有很費事才能進入該容器。此氣孔一般具有毛細管尺寸，例如它們可有約1-25μm直徑。典型地，可存在1至4個氣孔。
實施方案2本發明第二實施方案描繪於圖2，它除了如下所述外與第一實施方案相同。在這一實施方案中，電池除了工作電極和對電極之外，還含有一個或多個參考電極9。在不存在參考電極情況下(如上所述的第一實施方案)，對電極起參考或準參考電極的作用。典型地，參考電極將位於容器2的器壁內。例如，此參考電極可取一連續帶的形狀。對和工作電極6和5可以這樣配置，使得參考電極9位於它們中間，如圖2中所描繪，或是對和工作電極6和5可以相鄰。參考電極一般由Ag/Ag2SO4、碳、Ag/AgCl、鈀、金、鉑、Cu/CuSO4、Hg/HgCl2或Hg/HgSO4製得。這些材料的每種可以導電墨形式提供。此導電墨可為含有另外材料的改性墨，例如鉑和石墨。
實施方案3本發明第三實施方案描繪於圖3，它除如下所述外與第一或第二實施方案相同。本發明這一實施方案為多環電極，它除工作、對和任選參考電極外，又含有一個或多個附加電極10、101。此一個或多個附加電極10、101一般充當附加的工作電極。最好對電極6起對和參考電極的作用而一獨立的參考電極如實施方案2所述卻不存在。
一般，此容器包括總共不超過10個電極，包含工作、對和參考電極。優選地為不多於7個電極，更優選地有不多於5個電極。更優選容器含有2、3或4個電極。若是存在不止一個工作及/或參考電極，那麼這些電極一般於該容器器壁內便一個在另一個之上地加以固定。
附加工作電極10、101，通過在兩個或多個工作/對電極對間施加不同電位，便允許對相同樣品同時進行不同的測量。另一方面，對於相同樣品，同一電位可施加於每個工作電極並記錄相同的測量若干次。這樣便幫助消除或檢測所取測量結果中的誤差。
在這個實施方案的一個特定實施例中，工作電極之一存在於容器的底上，即圖3中描繪對電極6的位置。在這種情況下，該對電極或存在於容器器壁內，如下面參照實施方案5所述，或存在於容器的頂端，如下面參照實施方案4所述。
實施方案4本發明第四實施方案描繪於圖4，它除如下所述外與第一、第二或第三實施方案相同。在這一實施方案中，電池包括一個或多個毛細管通道11，以允許樣品進入容器。此毛細管通道用例如毛細膜來遮蓋。合適的毛細膜實例為PET膜如Melinex或ARcare，AdhesiveResearch的粘結塗層膜以及親水塗層膜如Arcare8877，它們能提供較好的毛細作用性能。在這個實施方案中，該容器最好用基本上不可滲透的材料12遮蓋。不可滲透材料12一般是如上所述的一種毛細膜。在例如容器2的器壁內提供一個或多個毛細管通道，樣品通過它們可進入該容器。一般，正如圖4中所描繪，毛細管通道11位於器壁2會合不可滲透膜12的位置。
為了空氣能自容器逸出並允許樣品液體進入，這個實施方案中必須有一個或多個氣孔。一般，氣孔將位於底會合容器器壁的位置，如圖4中標號12a所示。此氣孔最好有上述的尺寸而且最好存在1至4個氣孔。
這一實施方案具有容器頂端封死的優點，因此對電極可位於頂端3、底1上，或位於容器器壁2內。圖4描繪在容器頂端的對電極6。這通過在其接合到該容器之前把對電極6和不可滲透材料12粘結來達到。這樣，電活性物質8，它一般置於容器的底1上，便不同工作或對電極接觸，因此使電極結渣顯著減少或消除。可置電活性物質於容器頂端3上，一般通過在其接合到容器之前把該物質預敷塗到構成頂端3的襯底上。
在容器頂端放置對電極的又一個優點是，容器的底可以敷塗或以另外的方式加以調整，以使它更適合接收一般是乾燥到該底上的電活性物質。例如，此底可由特定的材料製得，比如碳(只要使該碳與電極電絕緣)，它適合在上面澱積酶。另一方面，此底也可敷塗以親水塗層。
若需要，則電池的底可由一種可滲透膜構成，它可以是如同上面所述之膜4的類型。此膜在接合至電池前一般以電活性物質浸漬。這便避免在加入電活性物質過程中電活性物質與工作電極間的接觸所引起的電極結渣。
實施方案5本發明的另一個實施方案描繪於圖5。除了如下所述，這一實施方案與任一上面討論的實施方案1至4相同。本實施方案電池中的對電極6位於該容器器壁2內。此對電極取例如環繞該容器器壁之一連續帶的形狀。
本實施方案中對電極的厚度，一般是0.1μm至1mm，優選地為5至500μm，例如5至100μm，更優選地為5至50μm。本實施方案中對電極的厚度是，當把容器放到它的底上時，其在垂直方向的尺寸。此對電極表面積與工作電極表面積之比，在本實施方案中可小於25∶1的優選值，它適合位於容器底或頂端的對電極。本實施方案的優選比在1∶1至10∶1的範圍，最好為2∶1至5∶1。
實施方案6描繪於圖6的本發明再一個實施方案涉及對上述電化學電池的改進，其中當將電池放置到襯底21上時便使容器總成。如此，襯底21就構成該容器的底。本實施方案電池獨自未必呈容器的形狀，因為在底1的位置它有一個開口。但是，若放置到分立的襯底21上，則該電池連同襯底一起便形成容器。
本實施方案因此涉及包括對電極和工作電極的電化學電池，其中至少一個電極具有小於50μm的尺寸，並且其中該電池具有這樣的形狀，使得當放置於一襯底上時，電池連同它放置在上面的襯底便形成容器，工作電極則位於該容器的器壁內。
本實施方案的電化學電池至少在其底是部分敞開的。這裡，術語「敞開」包括完全不存在底材料，而且還包括存在允許樣品液體通過的材料。此電池的底一般或至少部分未被遮蓋，或者至少部分以可滲透膜遮蓋。該可滲透膜在其接合到容器器壁之前，任選地以電活性物質來浸漬。
電池3的頂端可用可滲透膜4(如描繪)、或不可滲透材料完全或部分地遮蓋。如果該電池用不可滲透材料至少部分地遮蓋，那麼對電極可位於該電池頂部，如參照上面實施方案4所述，被敷塗到該不可滲透材料上。這通過在其接合到容器器壁之前，使對電極6與不可滲透材料12粘結而達到。如上所述，也可以在其接合到容器器壁之前使電活性物質(未描繪)與該對電極粘結。如果此電池用不可滲透材料完全遮蓋，那麼，正如參照實施方案4所述，氣孔最好存在，以方便樣品液體進入該電池。另一方面，對電極6可位於電池池壁內，如上面實施方案5中所述以及圖6中所描繪。如若電池3的頂端是敞開的或只用可滲透膜遮蓋，那麼對電極便如這裡所述位於電池的池壁內。
待測定的樣品液體通過容器頂端進入電池(此處該頂端未完全被不可滲透膜遮蓋)，或更經常地通過敞開的底。這一般藉助將電池放置到已敷塗以樣品液體的襯底上來完成。另一方面，可直接或經由可滲透膜將電池置於襯底上，而後刺穿容器內的襯底，以把在襯底表面下存在的液體樣品引入該容器。例如，此襯底可以是皮膚而樣品液體可以是血液。換句話說，此襯底可為其中有樣品液體的預裝容器，當刺穿容器時樣品液體便釋出。
應用本發明電池的一個非限制實例為自測血液分析包。例如糖尿病患者用戶可應用這樣一種電池來進行對其血液樣品的葡萄糖分析測定。完成這一測定可通過(i)刺穿以可滲透膜任意地遮蓋的皮膚，如手指，(ii)置該電池於如此產生的出血點上，使得皮膚或有關的可滲透膜同該電池一起形成容器，以及(iii)按通常方法啟動該電池。另一方面，可首先置該電池於皮膚或可滲透膜上，接著通過該容器的敞開部分把皮膚刺穿。照此相同方法，還可將該電池用於其它類型的血液測定。
此電池的其餘特點一般如同上面關於本發明其它實施方案之所述。
多分析對象裝置本發明還提供一種多分析對象裝置，它包括兩個或多個本發明微-電板，例如按照任一上述實施方案1至6。此多分析對象裝置的微-電板每個可為相同或不同的設計。本發明典型的多分析對象裝置描述於圖7、8和9。該多分析對象裝置一般將包括板或板條14，它能容納一個或多個微電電極13a、b、c和d。每個微電極可含有相同或不同的電活性物質，這樣便使得當將樣品加入每個容器時可以進行若干不同的測定，或者使相同的測定重複若干次，以便檢測或消除所取測量結果中的誤差。此外，此微-電極可在不同的電位建立，再對相同的樣品提供不同的測量。
此微電極一般隔開250μm至550μm的距離，例如250μm至425μm。
作為對實施方案3的代替，也可從電池的「垂直」配置來製得多分析對象裝置。
按這一配置，第一微電極中的樣品通過它下面的又一微電極，比如利用第一微電極底內的可滲透膜，以供測定該樣品中的不同成分。此可滲透膜可浸漬以電活性物質。
多分析對象裝置的電線路15一般在該裝置的頂表面上。使用插入通路來連接對、任選的參考和工作電極至表面線路15，然後表面線路15再同測量儀器16連接，或可裝配背/對疊板來直接同儀器連接。
如圖8中所描繪，此多分析對象裝置可含有一個或多個空白電極17。空白電極不包括對電板。這一實施方案可能有用，例如，在電活性物質具有的工作電位同對電極系統的工作電位相衝突的場合。在這種情況下，電活性物質中所含介體的還原或氧化可能發生。因此，例如，若對電極為Ag/AgCl對以及介體為氰化鐵，則介體的氧化還原態是這樣的氧化還原態，使得它同Ag/AgCl反應，形成電池系統或原電池，其中一旦有液體連接它們反應便自動發生。
此多分析對象裝置也可包括毛細管通道18，如圖9中所描繪。這些毛細管通道最好為上面實施方案4中所述之類型。因此，每個容器裝備毛細管通道，可使它任選地與從中抽取樣品的唯一通道連接。
製造電化學電池的方法製造本發明第一實施方案電化學電池的方法描述於圖10。此電池可通過包括下列步驟的方法製造(a)構成包括任意敷塗以對電極層18b之絕緣材料18a的第一部分18；(b)構成包括在絕緣材料層19b和c之間的工作電極層19a疊層的第二部分19；(c)在第二部分中形成洞19d；以及(d)將第一部分18與第二部分19粘結以形成容器。
電化學電池之材料、尺寸和其它特性如同上面所述。
如果對電極在容器的底內，那麼此第一部分，正如圖10所描繪，包括敷塗以對電極層18b的絕緣材料18a。既然是這樣，步驟(d)便包括將第一部分18的對電極層18b與第二部分19粘結以形成容器。換句話說，若對電極在容器器壁內，如上面實施方案5中所述，則第一部分可以沒有對電極層，而第二部分卻包括在兩層絕緣材料之間的對電極層。
在第二部分中形成洞的步驟C可藉助任何合適的方法進行。例如，該洞可加以衝壓或鑽削或者通過模衝切、超聲切割或雷射穿孔形成。這一步驟具有電極表面因形成洞的動作而自動潔淨的優點，因此，減少對單獨的潔淨電極步驟的需求。
形成該洞的合適方法是，用氣動或液力衝壓器機械來衝壓第二部分。以0.1至5mm的洞，優選地為0.5至1.5，更優選地直徑約1mm的洞為宜。該洞應向下擴展通過所有的印刷層和襯底。此衝壓器械可敷塗以增硬材料如鈦，並且可有或可以沒有成角度的刃口。例如，該器械可敷塗鈦，具有與水平方向成2°角的刃口。
粘結步驟(d)可藉助任何合適的粘結方法進行。例如，可使用壓力滾子進行粘結。可使用熱敏粘結劑，在該情況下需求升高溫度。對於壓敏粘結劑則可使用室溫。
若需要，可在微-電極內第一部分18和第二部分19的接合處形成空氣通道。這可以，例如，通過在粘結這兩部分到一起之前或在第二部分19b的底側或在第一部分18a的頂側形成凹口來實現。
可將碳或其它的墨，例如，印刷到絕緣材料18a、19b、19c上，使用的方法有網板印刷、噴墨印刷、熱轉移或光刻或相照凹版印刷，例如在GB0106417.9中所述的方法。絕緣層19c也可以通過將絕緣材料印刷到工作電極層上來形成。形成此絕緣層的其它方法，包括絕緣材料溶液的溶劑蒸發或絕緣聚合物藉助交聯機制的形成。
一般按選擇的式樣把每個電極印刷或者敷塗到相關的絕緣層上。對於將在容器器壁內形成的工作電極或其它電極，此選擇的式樣應該這樣，使得當形成洞19d時至少一部分電極層露出。最好此選擇的式樣是這樣，使得電極層環繞洞19d的整個周邊露出。
在一實施方案中，進行兩個或多個印刷或其它的敷塗步驟來形成電極層。一個或多個步驟，最好是一個步驟，使用在將形成洞19d周邊區內以及比如待形成導電線路區內澱積導電材料的式樣。當洞19d形成時這一層便露出並形成電極。一個或多個另外步驟使用澱積導電材料的式樣，例如，在待形成導電線路區內，但在將形成洞19d周邊區內不澱積材料。當洞19d形成時這些區並未露出。因此，環繞洞19d便形成薄的電極層，在製成的容器器壁內產生薄的電板，而同時在離開洞19d處形成較厚的層。這個較厚層具有較低電阻，於是導致該電化學電池更有效的運行。這種雙層應用對於工作電極尤其優選。
如果需要，可形成一個或多個不同材料層。例如，在洞19d中將露出的層可由碳構成，而同時可使用另外的不同材料層，例如一下面的層。
工作電極、對電極和參考電極均可通過將含有所希望材料之墨印刷到襯底上來製備。絕緣層也可以照此藉助把含有絕緣材料之墨印刷到襯底或導電層上來製備，網板印刷是進行這種製備的優選方法。一般，將把導電層印刷到襯底上並且將把絕緣層印刷到導電層上。
網板印刷通常在聚酯、聚碳酸酯或其它塑料/陶瓷襯底上進行。所用襯底的類型為例如杜幫膜MylarA、MylarADS、Melinex、Kaladex、TejinTetoron、Purex、Teonex。所用襯底最好加以表面處理來改善墨對襯底的粘附，例如通過電暈放電或化學改性。最好也使襯底在一面層疊，例如同厚度範圍為20μm至200μm，最好約40μm的熱敏或壓敏粘結劑。一優選實施方案應用250μm厚Mylar ST535同40μm熱激活粘結劑疊層作為襯底。
網板選自具有以光敏感光乳劑確定的碳模版料，厚度為10μm至20μm，最好約為13μm。要求的印模製物厚度由網板的網眼數決定。對於碳和Ag/AgCl墨，這一般在83個/英寸至330個/英寸的範圍內，最好為305個/英寸，而對於絕緣墨則約為195個/英寸。一般使用回跳硬度為65至85，最好為75的橡皮滾子迫使墨通過網眼。
合適的網眼數如下當使用330個/英寸網眼時，印模製物估計厚度＝7μm305個/英寸/120個/釐米＝10μm195個/英寸/77個/釐米＝15μm156個/英寸/61個/釐米＝20μm83個/英寸＝25μm此印刷層一般使用墨製造廠商推薦的方法乾燥。一般於烘爐中在約70-130℃，烘乾2分鐘至4個小時，最好為1個小時。也可使用空氣乾燥或在90-130℃強制空氣風洞乾燥2-3分鐘。
網板印刷的絕緣層可用聚酯、聚碳酸酯或類似物(最好為MylarST535)的疊層代替，它包括碳層並有10μm至200μm的厚度，最好為10μm至30μm。
用於網板印刷方法的合適墨如下碳墨1.Coates碳26-82032.Ercon G4493.Du-Pont L881絕緣墨1.Ronseal超強硬釉料光亮清漆2.Ercon E6165-116藍絕緣材料3.Du-Pont 5036密封劑4.Coates網板撓曲保護層銀/氯化銀墨1.Gem Ag/AgCl2.Ercon E0430-1283.Du-Pont5874導體材料在形成容器後，可將上述的電活性物質加進微-電極，例如使用微量吸移或噴酶印刷。然後可用任何合適的方法使此電活性物質乾燥。另一方面，在粘結步驟(d)進和喪可將此電活性物質預敷塗到底上。為達此目的，一般把電活性物質敷塗到層18b上，乾燥進入應有位置並接著如上所述使部分18和19粘結在一起。再一種選擇是在粘結步驟(d)之前或之後，把該電活性物質浸漬到一可置於或固定於層18b上的膜中。
如果需要，那麼然後可將一可滲透膜放在容器上方(如圖1)。使用雙面粘結劑或網板印刷壓敏粘結劑把膜結構加到該裝置的頂表面。膜20的固定可以例如使用壓敏粘結劑(已澆注，模衝切除去該容器上方區域內的粘結劑)來進行。在此實施方案中使電活性物質浸漬入膜4，浸漬想要的物質一般在將該膜與容器連接前進行。
若需要一個或多個毛細管通道，則這些通道最好通過在第二部分19c的頂面形成一個或多個凹口，連接此凹口至洞19d或容器的頂端而構成。此凹口可方便地在與於第二部分中形成洞相同的方法中形成。例如，使用壓、衝、模衝切、超聲切割工藝或其它合適的膜製作工藝。此第二部分然後可敷塗以不可滲透材料，例如上面所述的毛細膜，因此形成連接至容器並允許樣品進入容器的毛細管通道。
如果把電活性物質預敷塗到構成容器底之襯底內的井中，那麼可使用一改進的方法。這一改進的方法描繪於圖11。
這一方法中，如果希望步驟(a)包括如上面所述用對電極層18b來覆蓋絕緣層18a。形成又一絕緣層18c，它具有預形成的洞18d。洞18d一般與洞19d同樣大小，並且可藉助上面參照19d所提到的方法來形成。將絕緣層18c粘接至層18b便在洞18d的位置形成井。然後電活性物質投放入這個井中，例如使用微量吸移或噴酶印刷。此電活性物質然後可用任何合適的方法來乾燥。加入電活性物質後可按上述方法把部分B(18)用於粘結步驟(d)。
當本發明按上面的實施方案4加以製造時，可使用另外的方法。在這一實施方案中，該方法包括的步驟為(a)形成有絕緣材料的第一部分；(b)形成有在兩層絕緣材料間之工作電極層疊層的第二部分；(c)在第二部分中形成洞和毛細管通道，以允許樣品進入該洞；(d)使第一部分與第二部分粘結以形成容器；(e)如上所述將電活性物質放入該容器並任選地乾燥此電活性物質；以及(f)把一任意敷塗以對電極材料的層粘結至該容器的敞開端。
此電化學電池的材料、尺寸和其它特性如上面所述。包括在第二部分中形成洞和毛細管通道的步驟(c)，可像上面所述那樣進行。在這個方法中，不可滲透材料或毛細膜在使它粘結前一般於底面敷塗以對電極材料。因此，當將這個層覆蓋到容器的頂端時便形成對電極。另一方面，若對電極如上面實施方案5中所述在容器器壁內，則在用於步驟(5)的層中可以不存在對電極層，而是第二部分包括一在兩層絕緣材料間的對電極層。
在一個上述方法的改進中，可藉助任何理想方法把電活性物質預敷塗到容器的底或頂端上，例如上面討論的那些方法，從而便消除對步驟(e)的需要。於是，另一優選方法包括以上的步驟(a)、(b)、(c)、(d)和(f)，並且應用(i)在其表面有電活性物質的第一部分及/或(ii)一供用於步驟(f)在其表面有電活性物質的層。若供用於步驟(f)的層包括對電極層，則一般將電活性物質敷塗到該對電極層上。這樣，在粘結步驟(f)之後便形成底或頂端的內表面敷塗有電活性物質的容器。如果需要，可如同上面聯繫圖11所討論的，把電活性物質放入襯底內的井中。
在一實施方案中，第一部分的絕緣材料是上述的可滲透膜。在粘結步驟(d)之前，使該膜任選地浸漬以電活性物質。
為了形成上面實施方案6中所述的電化學電池，使用一種任何上述方法的改進方法，其中省略第一部分與第二部分的粘結步驟。因此該方法包括(a)形成有在兩層絕緣材料19b和c間之工作電極層19a疊層的第二部分19；(b)在此第二部分中形成洞19d；並任選地(c)將一敷塗有對電極材料的層與該第二部分粘結。
步驟(a)和(b)如同上面參照相應步驟之所述進行。該方法可任選地包括又一步驟，它可在把可以任意浸漬有電活性物質的一可滲透膜與第二部分底部接合的步驟(c)之前或之後進行。如果對電極在電池的頂端，那麼便進行上面的步驟(c)。如果對電極在電池池壁內，那麼步驟(c)可以省去，並且第二部分另外包括一層在兩層絕緣材料間的對電極材料。
可把電活性物質敷塗到對電極層上，如果需要並用變換或另外的方法，可把此電活性物質固定到任何存在的可滲透膜上。這一敷塗方法可如上面所述進行。
為了形成本發明的多分析對象裝置，將該兩個方法之一中所述的步驟(c)擴展來包括在第二部分中形成兩個或多個洞。因此，當落實粘結步驟(d)時，便形成兩個或多個容器。若使用毛細管通道，則可如上面所述使這些通道在每個容器上形成。從而，可通過毛細作用把樣品抽入每個微一電板。
此電化學電池的典型應用本發明的電化學電池原則上打算用作篩選目的的微-電極，即供篩選液體樣品。例如，該電池可用來測定水、啤酒、酒、血或尿樣品中或者其它生物或非生物流體樣品中各種物質的含量。該電池可以用來，例如，測定環境估價樣品的五氯苯酚含量；測定膽固醇、HDL、LDL和甘油三酯含量，供用於分析心臟病風險，或測量葡萄糖含量，例如供糖尿病患者所用。本發明電池適當應用的又一實例是作為腎監測器，供測定腎病患者的條件。既然是這樣，該電池便能用來監測尿中肌酸尿素、鉀和鈉的濃度。
雖然本發明化學電池設想的主要應用是作為微傳感器，但此電池也可用於任何其它目的，其中進行電化學測量或利用產生的電化學能量。例如，此本發明電池可用作電池。此電池還可用來處理電活性物質，比如用於檢測像鈉、鉀、鈣和磷酸鹽之類電解質的嵌入材料。這樣的處理可包括該物質的電循環以便在電極上產生堅實的薄層。
實施例實施例1電化學電池的製造用銀/氯化銀印刷墨將125μm厚PET底膜印上對電極/參考電極，然後在90℃乾燥30分鐘。
使250μm PET中間膜敷塗以熱封層。然後在該熱封塗層的背面按確定導電線路圖形，把此膜印上導電碳墨上。在90℃乾燥這墨1個小時。碳墨印出的東西接著加印上絕緣墨，需要同測量儀器接頭聯接的那部分線路除外，那裡不進行加印。此絕緣墨然後在60℃乾燥20分鐘。
然後使用利用衝剪作用形成洞的衝孔機，在中間層形成幾個洞。這種衝孔機包括金屬模或衝頭，具有等於所要之洞的直徑。此金屬模或衝頭用來衝剪由金屬或木板支撐的膜，金屬或木板有對應於衝孔機構型的洞，以允許該衝孔機滑動。
在洞衝成後，利用熱使中間膜疊合至底膜。在這一加熱步驟中，中間膜底面的熱封層熔化並且與底膜粘結。
然後把想要的電活性物質投放入所形成的井中。此物質然後利用在其表面上的室溫空氣流來乾燥。
在某些井上加上可自全部血中除去較大細胞顆粒的血分離膜。對於這些電極，將一血分離膜比如Pall過濾公司的Presence 200固定到遮蓋該井之電極表面的最頂端上。此膜的固定通過使用環繞該井澆注到中間層上的網板印刷壓敏粘結劑來完成。
實施例2電化學電池的應用電極由250μm PET層構成，其上網板印上一15μm Coates碳墨26-8203層，爾後再印上一30μm Ronseal超強釉面光亮清漆層(基於聚氨基甲酸酯的含有聚氨基甲酸酯和異氰酸酯的Baxendenfrixine)。衝剪這個層以形成1mm直徑的洞。製作由125μm PET構成的PET底層，其頂端有共用Ag/AgCl對參考電極。然後使用ARcare7841薄板粘結劑將此PET底層與衝剪層粘結。如下面實施例2a至2f中所述使用這種電化學電池來進行各種測試。
實施例2a於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol dm-3KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，在加入濃度2、5、10、15和20mmol dm-3的六氨合釕後，在對Ag/AgCl-0.45V測量循環電量計的電流。結果示於圖12。
實施例2b於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol dm-3KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，在加入濃度2、5、10、15和20mmol dm-3的六氨合釕後，在施加對Ag/AgCl-0.50V電位躍變1秒鐘後，測量電流表的電流。結果示於圖13。
實施例2c加入於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol dm-3KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，加入2、4、6、8和10mmol dm-3NADH，將所得溶液加至電極後，立即在對Ag/AgCl 0.15V測量循環電量計的電流，電極上面已使0.2ml含有0.2mol dm-3的六氨合釕和650KU/ml假單胞氧還蛋白還原酶溶液乾燥。結果示於圖14。
實施例2d
加入於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，加入2、4、6、8和10mmol dm-3NADH，將所得溶液加至電極，在施加對Ag/AgCl 0.15V 1秒鐘後，測量電流表的電流，電極上已使0.2ml含有0.2mol dm-3的六氨合釕和650KU/ml假單胞氧還蛋白還原酶溶液乾燥。結果示於圖15。
實施例2e於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol dm-3KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，加入甘油，加至電極上使達到2、5、7.5、10、12.5和15mmol dm-3甘油濃度，接著在施加對Ag/AgCl 0.20V電位躍變60秒鐘後，測量電流表的電流，電極上面已使0.3ml含有150U/ml甘油脫氫酶、100mmol dm-3NAD、100mmol dm-3的六氨合釕、100mmol dm-3硫酸銨、100mmol dm3氯化鉀的溶液乾燥。結果示於圖16。
實施例2f於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol dm-3KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，加入甘油，加至在電極上，使達到2、5、7.5、10、12.5和15mmol dm-3甘油濃度，接著在施加對Ag/AgCl-0.50V電位躍變60秒鐘後，測量電流表的電流比，電極上面已使0.3ml含有150U/ml甘油脫氫酶、100mmol dm-3NAD、100mmol dm-3釕的六氨合物、100mmoldm-3硫酸銨、100mmol dm-3氯化鉀的溶液乾燥。結果示於圖17。
實施例3電極由250μm PET層構成，其上已網板印上7μm Coates碳墨26-8203層，爾後再印上30μm Ronseal層。衝剪這個層以形成1mm直徑的洞。通過在125μm PET底層上印刷上10μm Ag/AgCl層，而形成一底層。然後利用ARcare 7841薄板粘結劑把此底層與衝剪的層粘結。使用下面實施例3a和3b中所述的這種電化學電池進行各種測試。
實施例3a在施加對Ag/AgCl-0.25V電位躍變120秒鐘後測量電流表的電流。顯示出向包括1KU/ml膽固醇氧化酶、200KU/ml辣根過氧化物酶、33mmol dm-3氰亞鐵酸鉀於0.1mol dm-3pH為7.4，含有0.1mol dm-3KCl的磷酸鉀緩衝液中的溶液中，加入1.5、2.25、3.0、4.5、6.0mmol dm-3膽固醇，對具有在井底形成之共用對電極/參考電極的電極的影響。結果示於圖18。
實施例3b在施加對Ag/AgCl-0.25V電位躍變120秒鐘後，測量電流表的電流。顯示出向包括1KU/ml膽固醇氧化酶、200KU/ml辣根過氧化物酶、33mmol dm-3氰亞鐵酸鉀於0.1mol dm-3pH為7.4含有0.1mol dm-3KCl的磷酸鉀緩衝液中的溶液中，加入1.5、2.25、3.0、4.5、6.0mmol dm-3膽固醇，對具有在板條頂端形成之共用對電極/參考電極的電極的影響。結果示於圖19。
實施例4電機極由250μm PET層構成，其上已網板印上7μm Ercon碳墨G449C層，爾後再印上30μm Ercon E65615-116D絕緣層。然後衝剪這個層以形成1mm直徑的洞。使一125μm PET底層敷塗以共用Ag/AgCl對電極/參考電極層(使用Ercon E6165-128)。然後用熱層疊把如此形成的底層與衝剪的層粘結。
加入於0.1mol dm-3pH為9含有0.1mol dm-3KCl的三羥甲基氨基甲烷緩衝液中，加入2、4、6、8和10mmol dm-3NADH，將所得溶液加至電極，在施加對Ag/AgCl 0.15V 1秒鐘後測量電流表的電流，電極上面已使0.2ml含有0.2mol dm-3的六氧合釕和650KU/ml假單胞氧還蛋白還原酶的溶液乾燥。結果示於圖20。
權利要求
1.一種電化學電池，它單獨或連同它置於其上的襯底呈容器狀，此電池包括對電極和工作電極，其中至少一個電極具有至少一個小於50μm的尺寸，工作電極在容器器壁內。
2.權利要求1的電化學電池，它取容器的形狀。
3.權利要求1或2的電化學電池，其中工作電極取連續帶的形式。
4.任一上述權利要求的電化學電池，它進一步包括一個參考電極。
5.任一上述權利要求的電化學電池，其中對電極表面積與工作電極表面積之比為至少25∶1。
6.任一上述權利要求的電化學電池，其中工作電極有至少一個在0.1至20μm範圍內的尺寸。
7.任一上述權利要求的電化學電池，其中容器具有0.1至5mm的寬度。
8.任一上述權利要求的電化學電池，其中對電極與工作電極之間的最小距離為10至1000μm。
9.任一上述權利要求的電化學電池，其中容器的底及/或器壁含有一個或多個空氣出口通道。
10.任一上述權利要求的電化學電池，其中容器裝有電活性物質。
11.權利要求10的電化學電池，其中該電活性物質已被乾燥。
12.權利要求10或11的電化學電池，其中該電活性物質包括一種酶。
13.任一權利要求10至12的電化學電池，其中容器的底包括電活性物質。
14.任一權利要求10至12的電化學電池，其中容器的底包括一層膜，此膜包含電活性物質。
15.任一上述權利要求的電化學電池，其中該容器的敞開端至少部分地由可滲透膜遮蓋。
16.權利要求15的電化學電池，其中該可滲透膜包含一種電活性物質。
17.任一上述權利要求的電化學電池，其中該容器包括一個或多個樣品可進入的毛細管流動通道。
18.任一上述權利要求的電化學電池，其中對電極構成容器底的至少一部分。
19.權利要求17的電化學電池，其中該容器由含有對電極的一層遮蓋。
20.任一權利要求1至17的電化學電池，其中對電極在該容器器壁內。
21.任一上述權利要求的電化學電池，它適合於篩選液體樣品。
22.包括多個權利要求1至21之任一項的電化學電池的多分析對象裝置。
23.製作權利要求1至22之任一項的電化學電池的方法，此方法包括的步驟為(a)形成包括任選敷塗以對電極層之絕緣材料的第一部分；(b)形成包括在兩層絕緣材料間之工作電極層疊層的第二部分；(c)在第二部分中形成洞；以及(d)將第一部分與第二部分粘結以形成容器。
24.權利要求23的方法，其中第二部分包括在兩層絕緣材料間之對電極層的疊層。
25.權利要求23的方法，其中第一部分包含電活性物質。
26.權利要求23或24的方法，它另外包括將權利要求10或12所定義的電活性物質放入容器中，並任選地乾燥該電活性物質。
27.權利要求23至26之任一項的方法，它另外包括在該容器敞開端的至少一部分上面放置一張膜。
28.權利要求23至27之任一項的方法，其中步驟(c)包括在第二部分形成兩個或多個洞，以便構成一多分析對象裝置。
29.製作權利要求1至22之任一項的電化學電池的方法，它包括的步驟為(a)形成包括在兩層絕緣材料間之工作電極層疊層的第二部分；(b)在此第二部分中形成洞；以及任選地(c)將一敷塗以對電極材料的層與第二部分粘結。
30.權利要求29的方法，其中該第二部分包括在兩層絕緣材料間之對電極層的疊層。
31.權利要求23或24的方法，它包括的步驟為(a)形成包括絕緣材料的第一部分；(b)形成包括在兩層絕緣材料間之工作電極層疊層的第二部分；(c)在該第二部分中形成洞和毛細管通道，以允許樣品進入該洞；(d)使第一部分與第二部分粘結以形成容器；(e)把電活性物質放入該容器，並任選地乾燥該電活性物質；以及(f)將任選地敷塗以對電極材料的一層與該容器的敞開端粘結。
32.權利要求31的方法，其中步驟(c)包括在該第二部分形成兩個或多個洞以及兩個或多個毛細管通道，以允許樣品進入該兩個或多個洞，而且其中步驟(e)包括把可以是相同或不同的電活性物質加入步驟(d)中所形成的一個或多個容器，以便構成一多分析對象裝置。
33.權利要求31或權利要求32之方法的改進，它包括權利要求31或權利要求32中所規定的步驟(a)、(b)、(d)和(f)，並且其中第一部分包含電活性物質。
34.權利要求23至33之任一項的方法，其中一個或多個電極是通過網板或噴墨印刷到襯底上來形成的。
35.對樣品中的一個或多個化合物進行電化學測定的方法，此方法包括的步驟為(a)把樣品加入任一權利要求1至21的電化學電池中或權利要求22的多分析對象裝置中；(b)在該微電極的工作和對電極間施加一電壓或電流；以及(c)測量該微電極兩端間產生的電流、電壓或電荷。
全文摘要
本發明涉及電化學電池，它單獨或連同它置於其上的襯底呈容器狀。此電化學電池含有工作電極和對電極，工作電極在該容器器壁內。至少該電極之一有至少一個小於50μm的尺寸。此電化學電池主要打算作為微－電極使用，適合於篩選水、血、尿或其它生物或非生物流體。
文檔編號G01N27/413GK1620604SQ02828061
公開日2005年5月25日 申請日期2002年12月23日 優先權日2001年12月21日
發明者M·許蘭德, K·羅裡默, R·N·布特勒, E·N·K·華萊士-達維斯, Y·阿斯捷 申請人:牛津生物傳感器有限公司