Электрохимические датчики и способ их изготовления
Данное изобретение предлагает электрохимические модули для определения содержания аналита в образце биологической жидкости. Электрохимический модуль согласно изобретению содержит первую подложку с первым проводящим слоем на ней, образующие первый узел, при этом упомянутый узел имеет первую ширину и первую длину; вторую подложку со вторым проводящим слоем на ней, образующие второй узел, при этом упомянутый узел имеет вторую ширину, которая меньше первой ширины, и вторую длину, которая является такой же, как и первая длина, первую и вторую разделительные прокладки, расположенные между первым и вторым узлом и поддерживающие упомянутые узлы; камеру, образованную между первым и вторым узлами и выполненную с возможностью приема образца жидкости, при этом камера содержит реагент, способный вступать в реакцию с аналитом, содержащимся в образце жидкости; и третью разделительную прокладку, прилегающую к первой или второй разделительной прокладке, причем поверхность третьей разделительной прокладки содержит проводящий слой, находящийся в токопроводящем контакте со вторым проводящим слоем. Также предложен второй вариант электрохимического модуля, в котором первый проводящий слой включает первую и вторую части, выполненные с зазором между ними, при этом третья разделительная прокладка находится в контакте с, по меньшей мере, частью зазора и находится в токопроводящем контакте с первым и вторым проводящими слоями. Изобретение обеспечивает формирование датчиков уменьшенных размеров со сниженной стоимостью. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к электрохимическим датчикам и способам изготовления электрохимических датчиков. В частности, данное изобретение относится к датчикам с противоположно направленными электродами, но с лежащими в одной плоскости контактными точками для обеспечения электрического контакта между датчиками и устройством для измерения аналита.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способы и устройства определения и измерения концентрации аналита в образце жидкости хорошо известны. Например, известны различные устройства и способы определения концентрации глюкозы, кетоновых тел, холестерина, липопротеинов, триглицеридов, ацетаминофена или гликозилированного гемоглобина в образце биологической жидкости, такой как моча, кровь, плазма крови или межклеточная жидкость. Такие определения концентрации можно выполнять с помощью аналитических тест-полосок на основании, например, визуальных, фотометрических или электрохимических методов.
В электрохимическом методе образец жидкости размещается в камере для образца электрохимической ячейки датчика, который содержит, по меньшей мере, измеритель и рабочий электрод. Аналит вступает в ячейке в реакцию с окислительно-восстановительным реагентом и образует окисляемое или восстанавливаемое вещество. Количество такого окисляемого или восстанавливаемого вещества можно определить электрохимическим способом, и оно соотносится с количеством аналита в образце.
В случае определения содержания глюкозы в образце крови, такое измерение может быть основано на селективном окислении глюкозы с помощью фермента. Например, фермент глюкозооксидаза катализирует окисление глюкозы в глюконовую кислоту посредством перемещения электронов из молекулы глюкозы в простетическую группу, внедренную в структуру фермента. Такая простетическая группа теперь, в восстановленном состоянии, может быть вновь окислена путем добавления соответствующего медиатора, который, в свою очередь, принимает восстановленное состояние. При протекании упомянутых химических реакций в электрохимической ячейке в присутствии электрического тестового напряжения, приложенного к двум электродам, создается выходной ток вследствие повторного окисления восстановленного медиатора на поверхности электрода. В идеальной среде стехиометрические принципы требуют, чтобы количество восстановленного медиатора, созданное во время ферментативной реакции, было прямо пропорционально количеству глюкозы в образце. Поэтому генерируемый тестовый ток прямо пропорционален концентрации глюкозы в образце. Упомянутый ток, который можно зарегистрировать с помощью устройства для измерения аналита, такого как контрольный измерительный прибор, используется в сочетании с электрохимической ячейкой или тест-полоской и преобразуется в значение концентрации глюкозы с помощью алгоритма, который соотносит тестовый ток и концентрацию глюкозы через простое математическое преобразование. Обычные электрохимические аналитические тест-полоски описаны, например, в патентах США №№6179979, 6193873, 6284125, 6716577, 6749887, 6797150, 6863801, 6872298, 7045046, 7498132, 7846312, 6413410 и 7749371, каждый из которых в полном объеме включается в данный патент посредством ссылки.
В датчиках, которые используются для тестирования аналита и в которые встроены электрохимические ячейки, обычно используется носитель для обеспечения конструктивной целостности и облегчения работы с датчиками. Носители могут принимать любую форму, но, как правило, это тест-полоски. Стоимость изготовления датчика зависит от используемых материалов и некоторой экономии затрат, достигнутой вследствие снижения количества специальных материалов, используемых для изготовления тест-полосок, например, благодаря использованию специальных материалов только для создания электрохимической ячейки. Однако работа с датчиками, которые представляют собой, главным образом, электрохимические ячейки, является настоящей проблемой для операторов вследствие уменьшения размеров датчиков. Кроме того, при уменьшении размера тест-полоски или датчика, увеличивается вероятность загрязнения анализируемой жидкостью входа измерительного устройства, в который вставляется датчик. Поэтому с целью снижения стоимости и облегчения работы желательно создать датчики, которые бы имели уменьшенные размеры, но при этом из специальных материалов изготавливался бы только компонент электрохимической ячейки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1A является видом сверху ЭХМ согласно данному изобретению.
Фигура 1B является видом сверху ЭХМ согласно другому варианту осуществления данного изобретения.
Фигура 2A является видом сбоку ЭХМ Фигуры 1A.
Фигура 2B является видом с пространственным разделением компонентов ЭХМ Фиг. 2A.
Фигура 3A является видом сбоку ЭХМ согласно другому варианту осуществления данного изобретения.
Фигура 3B является видом с пространственным разделением компонентов ЭХМ Фиг. 3A.
Фигура 4 является видом в разрезе сверху ЭХМ Фиг. 3A и электрических контактных выводов для устройства измерения аналита.
Фигуры 5A -5G показывают различные этапы производства ЭХМ согласно одному варианту осуществления данного изобретения.
Фигуры 6A-6G показывают различные этапы производства ЭХМ согласно второму варианту осуществления данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В общем случае данное изобретение предоставляет датчики на электрохимической основе в форме электрохимических модулей («ЭХМ»), которые используются для определения содержания аналита в образце биологической жидкости. В соответствии с изобретением модули обеспечивают противоположно направленные электроды, но контактные участки, создающие электрический контакт между электродами и устройством измерения содержания аналита, расположены в одной плоскости. Преимущество модулей согласно изобретению состоит в том, что они имеют малый размер, благодаря чему снижаются расходы на их изготовление и облегчается встраивание ЭХМ в кассеты, картриджи и другие аналогичные устройства с целью введения ЭХМ внутрь устройства измерения содержания аналита или управления ЭХМ внутри упомянутого устройства, что позволит устранить необходимость выполнения оператором манипулятивных действий. Кроме того, ЭХМ по данному изобретению можно будет удобно изготавливать с помощью процесса изготовления непрерывной ленты.
Данное изобретение предоставляет ЭХМ, включающие в себя, состоящие преимущественно из и состоящие из: первой подложки, на которой расположен первый проводящий слой и которая образует первый узел подложки-проводящего слоя, и при этом упомянутый узел имеет первую ширину и первую длину; второй подложки, на которой расположен второй проводящий слой и которая образует второй узел подложки-проводящего слоя, при этом упомянутый узел имеет вторую ширину, которая меньше первой ширины, и вторую длину, которая является практически такой же, как и первая длина, и при этом первый и второй проводящие слои расположены обращенными друг к другу; первой и второй разделительных прокладок, расположенных между первым и вторым узлами и обеспечивающих разнесение упомянутых узлов на определенное расстояние друг от друга; камеры, образованной между первым и вторым узлом и выполненной с возможностью приема образца жидкости, при этом камера содержит реагент, способный вступать в реакцию с аналитом, содержащимся в образце жидкости; и третьей разделительной прокладки, прилегающей к первой или второй разделительной прокладке, при этом поверхность третьей разделительной прокладки содержит проводящий слой, находящийся в токопроводящем контакте со вторым проводящим слоем. В другом варианте осуществления данное изобретение представляет ЭХМ, включающие в себя, состоящие преимущественно из и состоящие из: первой подложки, на которой расположен первый проводящий слой, при этом первый проводящий слой имеет первую и вторую части с зазором между ними, при этом первая подложка и первый проводящий слой образуют первый узел подложки-проводящего слоя, и при этом упомянутый узел имеет первую ширину и первую длину; второй подложки, на которой расположен второй проводящий слой и которая образует второй узел подложки-проводящего слоя, при этом упомянутый узел имеет вторую ширину, которая меньше первой ширины, и вторую длину, которая является, практически, такой же, как и первая длина, и при этом первый и второй проводящие слои расположены обращенными друг к другу; первой и второй разделительных прокладок, расположенных между первым и вторым узлом и обеспечивающих разнесение упомянутых узлов на определенное расстояние друг от друга; камеры, образованной между первым и вторым узлом и выполненной с возможностью приема образца жидкости, при этом камера содержит способный вступать в реакцию с аналитом, содержащимся в образце жидкости; и электропроводящей третьей разделительной прокладки, прилегающей к первой или второй разделительной прокладке, при этом третья разделительная прокладка находится в контакте с зазором и находится в токопроводящем контакте с первым и вторым проводящими слоями. Кроме того, предложены способы изготовления ЭХМ по данному изобретению.
Хотя ЭХМ по данному изобретению может иметь различную форму, предпочтительной является прямоугольная форма ЭХМ, где ширина («W») больше длины («L»), как показано на Фиг. 1A. Однако, как станет понятно из дальнейшего обсуждения участков контакта между ЭХМ и устройством измерения аналита, вместе с которым ЭХМ будет использоваться, в рамках данного изобретения возможны другие конфигурации, причем один из примеров показан на Фиг. 1B.
На Фиг. 1A, 2A и 2B ЭХМ 10 показан с первой подложкой 11, которая состоит из непроводящего материала. Первый проводящий слой 12 расположен на поверхности подложки 11, при этом слой 12 и подложка 11 образуют первый узел подложки-проводящего слоя 31. Также показана вторая подложка 13 из непроводящего материала, на одной из поверхностей которой расположен второй проводящий слой 14. Вторая подложка 13 и второй проводящий слой 14 образуют второй узел подложки-проводящего слоя 32. Первый и второй проводящие материалы 12 и 14 образуют электроды ЭХМ и преимущественно простираются на всю ширину и длину соответствующих подложек, на которых они расположены. Как показано на чертежах, первый и второй проводящие материалы 12 и 14 преимущественно расположены обращенными друг к другу. Также преимущественно один из узлов подложки-проводящего слоя, который на Фиг. состоит из подложки 11 и проводящего слоя 12, имеет ширину («W1»), которая больше соответствующей ширины («W2») второго узла подложки-проводящего слоя. В показанном и предпочтительном варианте осуществления данного изобретения длина («L1») первого узла подложки-проводящего слоя является, практически, такой же, как и длина («L2») второго узла подложки-проводящего слоя.
Разделительные прокладки 15 и 16, состоящие из непроводящих материалов, расположены между лицевыми поверхностями проводящих слоев 12 и 14 и предназначены для разнесения проводящих материалов на определенное расстояние друг от друга. Следует отметить, что предпочтительным является вариант, при котором ширина («W3») одной из разделительных прокладок (прокладки 15 на Фиг.) больше ширины («W4») второй разделительной прокладки 16. Длины разделительных прокладок могут быть разными, но преимущественно они одинаковые.
Упомянутые разделительные прокладки определяют боковые стенки камеры 17, верхняя и нижняя поверхности которой образованы узлами подложки-проводящего слоя. В камеру поступает жидкость для анализа, и поэтому необходимо выбрать такие размеры разделительных прокладок, которые обеспечивали бы требуемые размеры камеры.
Из соображений удобства и с целью задания ориентации первый узел подложки-проводящего слоя 31 будет считаться нижней частью ЭХМ, и второй узел подложки-проводящего слоя 32 будет считаться верхней частью ЭХМ. Однако упомянутые условия не подразумевают ограничение данных слоев конкретной ориентацией.
Как видно на Фиг., разделительная прокладка 15 преимущественно расположена таким образом, что ее первая поперечная торцевая поверхность 18 расположена практически в одной плоскости с первой поперечной торцевой поверхностью 19 верхнего узла подложки-проводящего слоя 32. Однако поперечная торцевая поверхность 21 второй разделительной прокладки 16 расположена таким образом, что между ней и поперечной торцевой поверхностью 22 верхнего узла подложки-проводящего слоя 32 образуется зазор. К поперечной торцевой поверхности 21 разделительной прокладки 16 непосредственно прилегает третья разделительная прокладка 23. Между третьей разделительной прокладкой 23 и разделительной прокладкой 16 зазор преимущественно и практически отсутствует. Разделительная прокладка 23 состоит из непроводящего материала и содержит на одной из своих поверхностей третий проводящий слой 25, лицевая поверхность которого направлена к лицевой поверхности второго проводящего слоя 14, и оба упомянутых слоя находятся в токопроводящем контакте. Третья разделительная прокладка 23 имеет такую ширину («W5»), что поперечная торцевая поверхность 26 третьей разделительной прокладки 23 выступает за поперечную торцевую поверхность 21 верхнего узла подложки-проводящего слоя 32 и преимущественно и практически находится в одной плоскости с поперечной торцевой поверхностью 27 первого узла подложки-проводящего слоя 31.
Электрический контакт между ЭХМ 10 и устройством измерения аналита, таким как измеритель, обеспечивается на участках 28 и 29 первого проводящего слоя 12 и третьего проводящего слоя 18 соответственно. Таким образом, участки 28 и 29 имеют такие размеры и форму, которые позволяют создать надежный низкоомный электрический контакт с устройством измерения аналита.
Размеры и форма ЭХМ 10 и его компонентов могут быть изменены для получения какой-либо требуемой конфигурации. Например, как показано на Фиг. 1B, ЭХМ может принять Т-образную форму. При такой конфигурации ширина верхней и нижней подложек является такой, как указано для ЭХМ 10 на Фиг. 1A, но длина верхней части больше. Специалист в данной области техники поймет, что для достижения требуемого результата размеры других компонентов ЭХМ на Фиг. 1B будут изменены.
Тем не менее предпочтительной формой ЭХМ практически является форма, показанная на Фиг. 1A, и более предпочтительным является вариант, когда ширина ЭХМ 10 в наиболее широкой части лежит в пределах около составляет от 3 мм до 48 мм, а более предпочтительно от примерно 6 до примерно 10 мм, а также когда длина составляет от примерно 0,5 до 20 мм, а более предпочтительно примерно 1-4 мм. Расстояние между верхним проводящим слоем и нижним проводящим слоем будет зависеть от требуемых размеров камеры. Камера предпочтительно должна иметь такие размеры, чтобы она могла содержать объем жидкости от примерно 0,1 до примерно 5 микролитров, а более предпочтительно от примерно 0,2 до 3 микролитров, и наиболее предпочтительно примерно 0,2-0,4 микролитров. Разделительные прокладки 15 и 16 предпочтительно должны иметь толщину, позволяющую получать требуемый объем камеры, предпочтительнее от примерно 1 до примерно 500 микрон, а более предпочтительно от примерно 10 до примерно 400 микрон, и еще более предпочтительно примерно 25-200 микрон, и наиболее предпочтительно примерно 50-150 микрон. Отверстие камеры, созданное разделительными прокладками 15 и 16, может иметь любой требуемый размер, но предпочтительно составляет примерно 1,00-1,75 мм.
Подложки 11 и 13 могут иметь любые размеры и форму, обеспечивающие требуемую конфигурацию ЭХМ. Толщина подложек предпочтительно составляет от примерно 50 до примерно 200 микрон, а более предпочтительно примерно 100-175 микрон. Подложки образованы из любого подходящего электроизоляционного непроводящего материала, и коэффициент теплового расширения выбранного материала предпочтительно должен быть достаточно малым, чтобы полученные слои подложек не оказывали отрицательное воздействие на объем камеры. Подходящие материалы включают, например, подложку из нейлона, подложку из поликарбоната, подложку из полиимида, подложку из поливинилхлорида, подложку из полиэтилена, подложку из полипропилена, подложку из гликолированного полиэфира, подложку из полиэфира, керамику, стекло и другие материалы, а также их комбинацию. Упомянутые подложки преимущественно образуются из полиэтиленового терефталата («ПЭТ»). Подложки могут дополнительно содержать один или несколько наполнителей для получения требуемых физических характеристик. Слой верхней подложки является преимущественно полностью или частично полупрозрачным или прозрачным или содержит полупрозрачное или прозрачное окошко, чтобы оператор мог видеть наполнение полосковой камеры жидкостью, подлежащей анализу. Хотя, только с пояснительной целью ЭХМ 10 имеет два проводящих слоя, образующих два электрода, и одну камеру, можно разработать такой ЭХМ, который будет включать любое необходимое количество электродов, камер и проводящих слоев.
Первый и второй проводящие слои 12 и 14 могут быть нанесены на подложку 11 любым подходящим способом осаждения, включая тонкопленочное осаждение, металлизацию напылением, металлизацию распылением, осаждение химическим восстановлением, термическое испарение в вакууме, способы печати, включая трафаретную печать, и т.д., а также комбинации перечисленных способов. Проводящие слои 12 и 14 образованы из соответствующего электропроводного материала, включая металлы, такие как золото, палладий, платина, оксид олова, иридий и индий, а также титан-палладиевые сплавы и неметаллы, включая электропроводящие материалы на основе углерода с электрокаталитическими материалами или без них, графен и т.д, а также их комбинации. Предпочтительно материалом является металл, более предпочтительно один из проводящих слоев образуется из палладия, а второй - из золота, и более предпочтительно проводящий слой, на который осаждается реагент, образуется из золота, а второй - из палладия, или оба слоя образуются из золота. Предпочтительным способом осаждения упомянутых материалов является металлизация напылением. Проводящие слои могут иметь любую необходимую толщину. Если требуется толстая пленка, толщина ее обычно лежит в пределах около 5-20 мм. Если требуется тонкая пленка, толщина ее будет составлять приблизительно 10-100 нанометров.
Как показано на Фиг., реагент 24 осаждается на один из проводящих слоев, но может быть осажден на несколько поверхностей камеры. Реагент может покрывать участок любых размеров, но в ЭХМ 10, как показано на Фиг. 1A, будет иметь ширину в пределах около 1-4 мм и предпочтительно около 2,25-3 мм, длину около 2-3,5 микрон и высоту около 2-10 микрон. Реагент может быть любым материалом, подходящим для выполнения необходимого анализа аналита, и может быть образован из различных материалов, включая медиаторы, ферменты и т.д., а также их комбинации. Реагент предпочтительно будет иметь такой химический состав, который позволит ему распознавать одно или несколько конкретных искомых аналитов, например молекулу биологического маркера в образце жидкости. Таким образом, упомянутый реагент может включать фермент, такой как окислительно-восстановительный фермент, и ферменты, требующие кофакторов для окисления или восстановления образцов аналита, и, более конкретно, может включать глюкооксидазу, глюкозодегидрогеназу («GDH»), содержащие кофактор пиррол-хинолин, GDH, содержащую кофактор никотинамид-аденин-динуклеотид, или GDH, содержащую флавин аденозин динуклеотид. Кроме того, реагент может включать антитела и другие связывающие лиганды, такие как рецепторы, а также образцы, облегчающие электрохимическое определение аналитов, включая окислительно-восстановительные образцы, реагенты для повышения растворимости, буферные растворы, соли, смачивающие реагенты, такие как поверхностно-активные вещества и другие ионные и неионные образцы. Предпочтительный реагент будет содержать реагенты, которые смогут определять метаболиты, такие как глюкоза, лактат, кетоновые тела, холестерин и т.д. Состав стандартного реагента описан в патенте США №7291256, который в полном объеме содержится в данном документе посредством ссылки. Реагент будет осаждаться с помощью удобного, известного способа, включая покрытие с помощью щелевой экструзионной головки, раздачу с кончика пробирки, струйную печать и трафаретную печать. Подходящие примеры процессов описаны в патенте США №№6749887; 6676995; и 6830934, которые полностью включены в данный документ посредством ссылки.
Разделительные прокладки 15, 16 и 23 могут иметь любую необходимую толщину, и обычно она находится в приблизительных пределах 25-200 микрон, более предпочтительно - в пределах около 70-110 микрон. Разделительные прокладки могут быть изготовлены из подходящего непроводящего материала и предпочтительно из такого материала, который будет обладать степенью гибкости, необходимой для использования в производстве непрерывной ленты. Соответствующие электрически резистивные материалы, которые могут быть предпочтительными, включают такие материалы, как полиэфиры, полистиролы, поликарбонаты, полиолефины, полиэтиленовый терефталат, стекла, керамику, смеси и т.д., а также их комбинации. предпочтительным используемым материалом является MELINEX®, который поставляет фирма Du Pont, с двусторонним покрытием клеем, активируемым при нагревании, и более предпочтительно с двусторонним покрытием ARCare™ 90503, которое поставляет Adhesives Research. Для прикрепления разделительной прокладки к проводящим слоям может быть нанесен отдельный адгезивный слой, предпочтительно клей, активируемый при нагревании, и более предпочтительно ARCare™ 90503.
В другом варианте осуществления изобретения разделительные прокладки могут работать как двусторонний клейкий материал для склеивания верхних и нижних поверхностей разделительных прокладок со слоями проводящего материала. Таким образом, разделительные прокладки могут быть образованы из электрически резистивного материала с адгезионной способностью. Соответствующие клейкие материалы включают в себя, например, клеи, активируемые при нагреве, клеи, склеивающие при надавливании, клеи, отвердевающие при нагреве, клеи, отвердевающие при химическом воздействии, термоплавкие клеи, клеи, активируемые горячим потоком, и т.д. Соответствующий клейкий материал включает в себя материал, описанный в заявке на патент США порядковый №12/570268, которая полностью включена в данный документ посредством ссылки. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения клеи, склеивающие при надавливании, могут быть предпочтительными, если требуется упрощение изготовления, но липкость клеев, склеивающих при надавливании, может привести к липкости инструментов и продукта. В таких вариантах осуществления данного изобретения клеи, отвердевающие при нагреве или химическом воздействии, в общем случае являются предпочтительными. Особенно предпочтительными являются клеи, активируемые при нагреве, и клеи, отвердевающие при нагреве, которые можно активировать в надлежащее время. Может также использоваться термоплавкий клей, который является не содержащим растворитель термопластическим материалом, является твердым при комнатной температуре и наносится в расплавленном виде на поверхность, к которой прилипает при охлаждении до температуры ниже точки плавления. Предпочтительные полиэфирные термоплавкие клеи, которые поставляются, например, Bostik Corp., Миддлтон, Массачусетс, являются линейными насыщенными полиэфирами, у которых точка плавления находится в пределах около 65°C-220°C, и которые по своей природе могут быть как полностью аморфными веществами, так и иметь хорошо упорядоченную кристаллическую структуру. Могут также использоваться полиамидные (нейлоновые) термоплавкие клеи, поставляемые Bostik, включая полиамидные клеи как на основе димерной кислоты, так и нейлонового типа. Подходящие термоплавкие адгезивные химические составы включают этилвинилацетат, полиэтилен и полипропилен. Также могут быть использованы методики ламинирования для соединения слоев разделительных прокладок с проводящими слоями и соответствующие методики ламинирования описаны в патенте США №6596112, который в полном объеме содержится в данном документе посредством ссылки. В общем случае слои, которые должны быть ламинированы, размещаются, прилегая друг к другу, и затем к ним прикладывается тепло, вследствие чего между ними образуется соединение. Чтобы облегчить образование соединения, к слоям может также прикладываться давление.
Третий проводящий слой 25 третьей разделительной прокладки 23 может быть образован из материалов, которые были описаны выше для проводящих слоев 12 и 14. Третий проводящий слой 25 преимущественно образует надежную низкоомную границу раздела со вторым проводящим слоем 14. Образование такой границы раздела обеспечивает электропроводный контакт между слоями 25 и 14, и может быть выполнено с применением проводящего клея в качестве третьего проводящего слоя или в качестве переходного слоя между упомянутыми поверхностями. Такой переходной слой может быть нанесен любым подходящим способом, включая печать или адгезионный перенос. Более предпочтительным является вариант, в котором проводящий клей активируется с помощью давления или температуры. При нанесении слоя с помощью печати его толщина предпочтительно должна находиться в пределах около 5-15 мкм, при нанесении переносом толщина слоя должна находиться в пределах около 25-50 мкм. В другом варианте осуществления данного изобретения надежная граница раздела между проводящими слоями 25 и 14 образуется с помощью теплового ламинирования, которое обеспечивает расплавленное соединение. Еще в одном варианте осуществления данного изобретения измерительное устройство, в котором используется ЭХМ, может включать в себя контакт, который прикладывает давление к верхней части подложки 13.
На Фиг. 3А и 3B показан другой вариант осуществления данного изобретения. ЭХМ 40 имеет первую подложку 41 с первым проводящим слоем 42 на одной поверхности. Первый проводящий слой 42 состоит из двух частей 56 и 57 с зазором 54 между ними, достаточным для обеспечения такой взаимной изоляции частей 56 и 57, что между ними практически отсутствует электропроводный контакт. Зазор 54 может быть образован любым удобным способом, но предпочтительным способом является лазерная абляция первого проводящего слоя 42. На Фиг. также показана вторая подложка 43, на одной из поверхностей которой расположен второй проводящий слой 44, который преимущественно распространяется по всей ширине и длине подложки 43. Как показано на чертежах, первый и второй проводящие материалы 42 и 44 преимущественно расположены обращенными друг к другу. Также один из узлов подложки-проводящего слоя предпочтительно имеет ширину, которая больше ширины другого узла подложки-проводящего слоя, и при этом длины упомянутых узлов, практически, одинаковые.
Разделительные прокладки 45 и 46, состоящие из непроводящих материалов, расположены между проводящими слоями 42 и 44. Между разделительными прокладками 45 и 46 расположена камера 47, внутри которой находится реагент 48. Как показано на Фиг., разделительная прокладка 45 предпочтительно расположена таким образом, что ее первая поперечная торцевая поверхность 62 находится в одной плоскости с первой поперечной торцевой поверхностью 63 верхнего узла подложки-проводящего слоя 52. Однако поперечная торцевая поверхность 64 второй разделительной прокладки 46 расположена таким образом, что между нею и поперечной торцевой поверхностью 65 верхнего узла подложки-проводящего слоя 52 образуется зазор. К поперечной торцевой поверхности 64 разделительной прокладки 46 непосредственно прилегает третья разделительная прокладка 53, которая является электропроводной. Между третьей разделительной прокладкой 53 и разделительной прокладкой 46 зазор преимущественно и практически отсутствует.
Разделительная прокладка 53 состоит из соответствующего проводящего материала, который находится в токопроводящем контакте со вторым проводящим слоем 44, а также с первым проводящим слоем 42. Например, разделительная прокладка 53 может быть твердой, мягкой или жидкостью, которая отвердевает на месте. Примеры материалов включают двустороннюю проводящую ленту, такую как 3M 9712 (125 микрон), полиэфирную сетку с акриловым клеем и проводящий углеродный наполнитель. Проводящая разделительная прокладка 53 имеет ширину, при которой ее поперечная торцевая поверхность 66, практически, находится в одной плоскости с поперечной торцевой поверхностью 65 верхнего узла подложки-проводящего слоя 52.
Электрический контакт между ЭХМ 40 и устройством измерения аналита, таким как измеритель, обеспечивается на участках 55 и 49 первого проводящего слоя 42. Таким образом, участки 55 и 49 имеют такие размеры и форму, которые позволяют создать надежный низкоомный электрический контакт с устройством измерения аналита. На Фиг. 4 показаны ЭХМ и контактные выводы 71 и 72 устройства измерения аналита на контактных участках 55 и 49 ЭХМ 40.
При использовании устройство измерения аналита будет соединено с двумя участками электрического контакта ЭХМ согласно данному изобретению, вследствие чего образуется замкнутая электрическая цепь. В одном из вариантов осуществления данного изобретения электрическая схема, установленная в измерительном устройстве, может обеспечить приложение тестового напряжения или тока к двум контактным участкам. В режиме определения жидкости измерительное устройство создаст между электродами ЭХМ постоянный ток требуемой величины. Образец жидкости будет подаваться в камеру ЭХМ до тех пор, пока камера полностью не заполнится. Когда образец жидкости заполнит зазор между электродами, измерительное устройство будет измерять падение напряжения ниже заданного порогового значения, вследствие чего начнется измерение аналита, как описано в патенте США №6193873, который в полном объеме содержится в данном документе посредством ссылки. Соответствующие устройства измерения аналита включают в себя портативные измерители на батарейках, которые управляются встроенным микропроцессором со схемой, обеспечивающей приложение напряжения заданной величины.
Изготовление ЭХМ согласно данному изобретению может осуществляться с помощью любого известного способа. Предпочтительным является процесс изготовления непрерывной ленты, который используется в массовом производстве ЭХМ. Один из процессов показан на Фиг. 5A-5G. Металл, например золото или палладий, наносится с помощью напыления на поверхность ленты материала первой подложки, такого как ПЭТ, которая, в основном, имеет вытянутую прямоугольную форму, обеспечивающую получение проводящей пленки, как показано на Фиг. 5A. Несколько полосок реагента одного или разных веществ наносятся на части проводящего слоя, как показано на Фиг. 5B. Разделительные прокладки неравной ширины с клеевыми слоями (или состоящие из клеевых слоев) и покрытые покровной пленкой послойно наносятся на одну из сторон реагента, как показано на Фиг. 5C. Поперечная торцевая поверхность любой из разделительных прокладок не доходит до перечной торцевой поверхности металлической ленты-подложки. На Фиг. 5D показана третья разделительная прокладка, на одну из поверхностей которой был нанесен напылением соответствующий проводящий материал, такой как золото, рядом с разделительной прокладкой, которая была установлена раньше и имеет меньшую ширину. Третья разделительная прокладка установлена таким образом, что между ней и подложкой, покрытой золотом или палладием, отсутствует электрический контакт. Затем, как видно на Фиг. 5E, на разделительные прокладки послойно наносится вторая подложка, внутренняя поверхность которой покрыта золотом. Три разные дорожки A, B и C ЭХМ, показанные на Фиг. 5E, могут быть разделены с помощью продольных разрезов по линиям I и II, благодаря чему создаются отдельные непрерывные дорожки ЭХМ, пример которых показан на Фиг. 5F. Затем каждая непрерывная дорожка разрезается по ширине, благодаря чему создается несколько отдельных ЭХМ, пример которых показан на Фиг. 5G. В другом варианте осуществления данного изобретения в непрерывной дорожке можно сделать глубокие надрезы, но без полного разреза, чтобы образовалась непрерывная лента ЭХМ, каждый из которых, при необходимости, можно было бы оторвать или отрезать для утилизации после использования.
Другой процесс изготовления ЭХМ согласно данному изобретению показан на Фиг. 6A-6H. Проводящая пленка наносится на материал первой подложки, такой как ПЭТ, которая, в основном, имеет вытянутую прямоугольную форму, обеспечивающую получение проводящей пленки, как показано на Фиг. 6A. Несколько продольных участков проводящей поверхности были подвергнуты лазерной абляции для удаления с этих участков проводящей пленки, как показано на Фиг. 6B. Несколько полосок реагента одного или разных веществ наносятся на части проводящего слоя, как показано на Фиг. 6C. Непроводящие разделительные прокладки неравной ширины с клеевыми слоями (или состоящие из клеевых слоев) и покрытые покровной пленкой послойно наносятся на одну из сторон реагента, как показано на Фиг. 6D. Третья проводящая разделительная прокладка устанавливается таким образом, чтобы перекрыть часть зазора, образованного абляцией проводящего материала в первом проводящем слое, как показано на Фиг. 6E, с целью образования электрического соединения между первым и вторым проводящими слоями ЭХМ. Затем, как видно на Фиг. 6F, на разделительные прокладки послойно наносится вторая подложка, внутренняя поверхность которой покрыта проводящим материалом. Три разные дорожки A, B и C ЭХМ, показанные на Фиг. 6F, могут быть разделены с помощью продольных разрезов по линиям I и II, благодаря чему создаются отдельные непрерывные дорожки ЭХМ, пример которых показан на Фиг. 6G. Затем каждая непрерывная дорожка разрезается по ширине, благодаря чему создается несколько отдельных ЭХМ, пример которых показан на Фиг. 6H.
Согласно данному изобретению ЭХМ преимущественно не используются вместе с носителем. Однако ЭХМ может быть объединен с носителем для обеспечения дополнительной конструкционной целостности и облегчения работы с ним. Соответствующие носители раскрыты в заявке на патент США порядковый №13/090,620, которая полностью включена в данный документ посредством ссылки. Такой носитель может быть образован из любого подходящего материала и предпочтительно образуется из недорогих материалов, таких как пластмасса или картон, которые являются непроводящими и в течение длительного времени не вступают в химическую реакцию с ЭХМ.
1. Электрохимический модуль, содержащий:
первую подложку с первым проводящим слоем на ней, образующие первый узел подложки-проводящего слоя, при этом упомянутый узел имеет первую ширину и первую длину;
вторую подложку со вторым проводящим слоем на ней, образующие второй узел подложки-проводящего слоя, при этом упомянутый узел имеет вторую ширину, которая меньше первой ширины, и вторую длину, которая является практически такой же, как и первая длина, и при этом первый и второй проводящие слои расположены обращенными друг к другу;
первую и вторую разделительные прокладки, расположенные между первым и вторым узлом и поддерживающие упомянутые узлы в разнесенном положении;
камеру, образованную между первым и вторым узлами и выполненную с возможностью приема образца жидкости, при этом камера содержит реагент, способный вступать в реакцию с аналитом, содержащимся в образце жидкости; и
третью разделительную прокладку, прилегающую к первой или второй разделительной прокладке, причем поверхность третьей разделительной прокладки содержит проводящий слой, находящийся в токопроводящем контакте со вторым проводящим слоем.
2. Модуль по п. 1, причем первая ширина составляет примерно от 3 мм до 48 мм, а более предпочтительно от примерно 6 мм до 10 мм, а первая длина составляет от примерно 0,5 мм до 20 мм, более предпочтительно - примерно 1-4 мм.
3. Модуль по п. 1 или 2, причем камера имеет такой размер, что объем жидкости внутри камеры составляет от примерно 0,1 микролитра до 5 микролитров.
4. Модуль по п. 1, причем первый и второй проводящие слои содержат металл, выбранный из группы, состоящей из золота, палладия, платины, оксида олова, иридия, индия, титан-палладиевых сплавов, а также их сочетаний.
5. Модуль по п. 4, причем первый и второй проводящие слои содержат один и тот же металл.
6. Модуль по п. 1, причем один слой из первого и второго проводящих слоев содержит палладий и один слой из первого и второго проводящих слоев содержит золото.
7. Модуль по п. 1, причем первый и второй проводящие слои содержат неметалл, выбранный из группы, состоящей из материалов на основе углерода, материалов на основе углерода с электрокаталитическими активными материалами и графена и их сочетаний.
8. Электрохимический модуль, содержащий:
первую подложку с первым проводящим слоем на ней, включающим первую и вторую части с зазором между ними, при этом первая подложка и первый проводящий слой образуют первый узел подложки-проводящего слоя, причем упомянутый узел имеет первую ширину и первую длину;
вторую подложку со вторым проводящим слоем на ней, образующие второй узел подложки-проводящего слоя, при этом упомянутый узел имеет вторую ширину, которая меньше первой ширины, и вторую длину, которая является практически такой же, как и первая длина, и при этом первый и второй проводящие слои расположены обращенными друг к другу;
первую и вторую разделительные прокладки, расположенные между первым и вторым узлами и поддерживающие упомянутые узлы в разнесенном положении;
камеру, образованную между первым и вторым узлами и выполненную с возможностью приема образца жидкости, при этом камера содержит реагент, способный вступать в реакцию с аналитом, содержащимся в образце жидкости; и
электропроводящую третью разделительную прокладку, прилегающую к первой или второй разделительной прокладке, при этом третья разделительная прокладка находится в контакте с, по меньшей мере, частью зазора и находится в токопроводящем контакте с первым и вторым проводящими слоями.
9. Модуль по п. 8, причем первая ширина составляет от примерно 3 мм до примерно 48 мм, а более предпочтительно - от примерно 6 мм до примерно 10 мм, а первая длина составляет от примерно 0,5 мм до примерно 20 мм, более предпочтительно - примерно 1-4 мм.
10. Модуль по п. 8 или 9, причем камера имеет такой размер, что объем жидкости внутри камеры составляет от примерно 0,1 до примерно 5 микролитров.
11. Модуль по п. 8, причем первый и второй проводящие слои содержат металл, выбранный из группы, состоящей из золота, палладия, платины, оксида олова, иридия, индия, титан-палладиевых сплавов и их сочетаний.
12. Модуль по п. 11, причем первый и второй проводящие слои содержат один и тот же металл.
13. Модуль по п. 8, причем один из первого и второго проводящих слоев содержит палладий и один из первого и второго проводящих слоев содержит золото.
14. Модуль по п. 8, причем первый и второй проводящие слои содержат неметалл, выбранный из группы, состоящей из материалов на основе углерода, материалов на основе углерода с электрокаталитически активными материалами и графена, а также их сочетаний.
