Brevet FR2554593A1 — publié le 19850510

Tête de dosage électrochimique à électrodes sérigraphiées La présente invention concerne une tête de dosage électrochimique à électrode de mesure en platine et électrode de référence à l'argent et au chlorure d'argent. On connatt des têtes de dosage électrochimique ampérométrique comprenant une électrode de mesure en platine massif, à surface polie à l'aide de bandes abrasives fines pour obtenir un état de surface contrôlé, et une électrode de référence à l'argent et au chlorure d'ar- gent. Pour effectuer les dosages, on impose une différence de potentiel entre les électrodes de mesure et de référence. Si la différence de potentiel est adaptée aux potentiels d'oxydo-réduction des substances analysées, on enregistre entre les bornes des électrodes un courant proportionnel aux concentrations des substances réagissant aux électro- des. De telles électrodes sont coûteuses, du fait du poids de platine nécessaire, car l'on ne peut en réduire l'épaisseur de façon excessive, sans risque de mauvais fonctionnement ou de détérioration. La présente invention a pour but de procurer une tête de dosage électrochimique à électrode de mesure en platine qui présente des pro- priétés de robustesse et de sensibilité satisfaisantes. La tête de dosage selon l'invention est caractérisée en ce qu'au moins son électrode de platine est constituée par un dépôt de faible épaisseur obtenu par sérigraphie d'une encre à base de poudre de platine et de poudre de verre, puis cuisson, sur un support inerte. Elle répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéris- tiques suivantes: - Les poudres de platine et de verre ont une grosseur de grain du micron. - L'électrode de platine est formée d'une pluralité d'électrodes élémen- taires, séparées par des éléments isolants, et reliées par une couche arrière continue de platine. - Les électrodes élémentaires et les éléments isolants ont une épaisseur de 10 microns à quelques dizaines de microns. Le procédé de fabrication d'une tête de mesure telle que définie précédemment est caractérisé en ce que l'on dépose par sérigraphie sur un support inerte une encre à base de poudres de platine et de verre, -2 additionnée d'au moins un liant organique et d'un solvant, en ce que l'on élimine le solvant organique par chauffage modéré, puis en ce que l'on pyrolyse le liant organique et fritte les poudres minérales par cuisson. L'invention s'étend en outre à une tête de dosage électrochimique selon l'invention, appliquée à la détection de l'eau oxygénée fournie par réaction enzymatique d'une substance en solution, comprenant un sup- port poreux disposé au contact de l'électrode de platine, et sur lequel est greffée au moins une enzyme catalysant la formation d'eau oxygénée. Une telle tête de dosage s'applique notamment au dosage en solu- tion du glucose ou d'un suere convertible en glucose. Le principe de ce dosage est le suivant: a) réaction enzymatique, - D glucose +02 + H20 -- H202 + acide gluconique réaction catalysée par la ( D glucose-oxydase b) réaction électrochimique à l'électrode du platine, H 0 --- 2H + 0 + 2e 2 2 2 Dans le cas du dosage d'un autre suere convertible en glucose, il faut faire appel en premier lieu à au moins une autre enzyme catalysant cette conversion. Une tête de dosage du glucose connue comporte par exemple: - une électrode de platine polie, - une électrode de référence constituée par un fil d'argent chloruré, - une membrane de collagène, greffée avec la e -D glucose-oxydase, main- tenue près de l'électrode de platine par un embout vissé. Celui-ci définit en outre la surface de la membrane au contact de la solution. De telles têtes de dosage ne permettent qu'un mauvais contrôle de la distance entre la membrane et l'électrode de mesure, et sont sujettes à des perturbations des conditions hydrodynamiques au voisinage de la membrane, liées à l'embout qui maintient cette dernière en position. Il peut en résulter une certaine imprécision du dosage. De plus, les membranes polymèriques ont des stabilités dans le temps insuffisantes. L'invention a aussi pour but de procurer une tête de dosage dont la -3 distance entre la membrane et l'électrode de mesure puisse être fixée avec précision et soit stable dans le temps, et qui procure un dosage plus précis de la substance. La tête de dosage de l'eau oxygénée fournie par réaction enzyma- tique selon l'invention est caractérisée en ce que l'éleetrode de référence et le support poreux sont aussi constitués par des dépots obtenus par sérigraphie, suivie d'une cuisson, et en ce que le support poreux est greffé avec un silane, puis activé pour le greffage de l'enzyme. Elle répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéris- tiques suivantes: - L'électrode de mesure et l'électrode de référence sont disposées sur le même support poreux formant membrane poreuse. - L'éleetrode de mesure et l'électrode de référenee sont déposées par sérigraphie sur un support en oxyde céramique fritté, et il est disposé sur l'électrode de mesure une membrane en verre ou vitrocéramique poreux. - L'électrode de platine est séparée de l'électrode de référence par un dép6t sérigraphie d'une encre diélectrique. - Le silane est le gamma-aminopropyl-triéthoxy-silane. L'invention s'étend en outre à un procédé de fabrication d'une tête de dosage de l'eau oxygénée telle que définie ci-dessus, caracté- risé en ce que l'on dépose par sérigraphie sur un support, poreux ou non, l'électrode de platine et l'électrode à l'argent et au chlorure d'argent, en ce que l'on greffe un silane sur une autre zone du support, s'il est poreux, proche de l'électrode de platine, ou sur un support poreux différent, mais aussi proche de l'électrode de platine, en ce que l'on active le support poreux, et en ce que l'on greffe au moins une enzyme sur le support poreux. De préférence, on active le support, après greffage du silane, par réaction de celui-ci avec une solution de glutaraldéhyde de pH tamponné à environ 7. Au cours de la fabrication, lorsque les températures de cuisson des dépôts sérigraphies peuvent être les mêmes, on effectue successi- vement les dép8ts par sérigraphie sur le ou les supports et l'évaporation des solvants correspondants du platine, de l'argent et de l'isolant, puis l'on effectue la cuisson des dépôts simultanément. Si l'on doit recourir à des températures de uisson différentes, on a avantage à effectuer successivement chaque dép6t par sérigraphie sur le ou les supports, suivi de l'évaporation des solvants, de la pyrolyse des liants et de la euisson du dépôt correspondant, I1 est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des têtes de dosage électrochimique du glucose selon l'invention et des procédés de fabrication de celles-ci. La figure 1 représente schématiquement en coupe une tête de dosage électrochimique eomportant un support de base non poreux. La figure 2 représente la même tête de dosage en élévation, plongée dans la solution à doser. La figure 3 représente sehématiquement en coupe mune tête de dosage pour électrode tournante. La figure 4 représente schématiquement en coupe une tête de dosage électrochimique de glucose, avec enzyme greffée, comportant un support de base en alumine frittée. La figure 5 représente schématiquement en coupe une tête de dosage éleetrochimique de glucose, avec enzyme greffée, à support de base poreux. La figure 6 représente schématiquement en coupe une tête de dosage électrochimique de glucose à éleetrode de platine divisée en éléments. La figure 7 représente schématiquement en coupe une tête de dosage électrochimique de glucose pour électrode tournante. Dans la figure 1, le support 1 en alumine frittée, d'une épaisseur d'environ 0,5 mm à 1 me, est revêtu sur le pourtour de la surface des- tinée à venir en contact avec la solution à doser d'un dépôt d'argent 2 obtenu par sérigraphie, puis oxydé anodiquement et traité par une solu- tion de chlorure de potassium pour obtenir une couche superficielle de chlorure d'argent 3. Il est muni au centre d'un dépôt de platine 4 obtenu par sérigraphie. La surface de l'électrode d'argent est notablement supérieure à celle de l'électrode de platine. Les dépets de platine et d'argent sont obtenus par sérigraphie a travers un écran en toile d'acier inoxydable de maille 74 ou 43 microns, d'encres contenant soit de la poudre de platine, soit de la poudre d'argent, additionnées d'une faible quantité (quelques $) de poudre de - verre, la dimension moyenne des grains de poudre étant de l'ordre du micron. On procède ensuite à une évaporation du solvant de l'encre, à la pyrolyse du liant organique et au frittage de la poudre. Si l'on peut effectuer les cuissons à la même température, on les réalise simulta- nément. Dans le cas contraire, on commence par la cuisson de l'encre dont la température de cuisson est la plus élevée. Par exemple, on effectue le dép8t de l'encre au platine, on la soumet à une cuisson pendant 5 minutes à 8500C. Puis on effectue le dép8t de l'encre à l'argent, que l'on cuit 5 minutes à 750 C. La formation du dépSt de chlorure d'argent sur l'électrode à l'ar- gent s'effectue de manière connue en soumettant l'électrode à l'argent à une oxydation anodique, puis en la mettant en contact avec une solution de chlorure de potassium. Dans la figure 2, les connexions 7 et 8 de l'électrode à l'argentchlorure et en platine sont noyées dans un dépôt de verre 9, qui les protège du contact de la solution à doser 10. La figure 3 représente une tête de dosage pour électrode tour- nante. Le support 1 est percé de trous 14A, 14B, 14C percés par exemple au laser, et qui sont métallisés et mettent en contact respectivement l'électrode de platine 4 et l'électrode d'argent-chlorure d'argent 2, 3 avec la connexion centrale 17 et la connexion périphérique circu- laire 18. On a par exemple réalisé un dépôt de platine sur un disque-support en alumine frittée de diamètre 6 mm, par sérigraphie à l'aide d'une encre au platine commercialisée par la société ENGELHARD sous la dési- gnation T2179. On obtient un dépôt sérigraphie d'épaisseur 15 microns. On a mesuré les propriétés de l'électrode par oxydation d'eau oxygénée à une concentration molaire 2.10-4 en montage tournant, l'élec- trode de platine étant portée au potentiel de 0,750 volt par rapport à l'électrode de référence argent/chlorure d'argent. Les intensités de courant, ramenées à un disque de diamètre 1 mm, à une température de 37 C, sont données dans le tableau suivant: Vitesse de rotation Electrode en platine de l'électrode sérigraphie de (tours/min.) diamètre 1mm (I env A) 1200 0,7 2600 0,84 3500 0,95 La tête de dosage représentée en figure 4 comporte un support d'alumine frittée, d'épaisseur voisine de 0,6 mm. Sur la face avant de ce support, on dépose par sérigraphie une électrode de mesure en platine 16 et une électrode de référence à l'ar- gent 12. Entre ces électrodes, on dépose par sérigraphie d'encre à la poudre de verre un isolant 19. On veille à ce que les épaisseurs de platine et d'isolant soient les mêmes. On soumet l'électrode d'argent à une oxydation anodique, puis à un traitement par une solution de chlorure de potassium, de façon à obtenir sur elle une couche superficielle 23 de chlorure d'argent. Puis on effectue sur la face avant de l'électrode au platine préa- lablement à la formation du chlorure d'argent, un dépôt sérigraphie 20 d'une membrane poreuse, pouvant être obtenue à partir: - d'un verre comprenant deux phases dont l'une est soluble dans l'eau ou une solution acide, - d'une vitrocéramique du système silice-oxyde de lithium, dont la solu- bilité dans l'acide fluorhydrique dilué de la phase cristalline: 2 SiO2, Li20, est dix fois plus élevée que celle de la phase vitreuse, - d'un verre dans lequel on a ajouté un agent porogène (tel que 0,5% à 5% en poids de carbonate de calcium), - de poudre d'un matériau non fusible (par ex.alumine, oxyde de titane) additionné de moins de 5% d'un verre à bas point de fusion, pour obtenir une structure poreuse après frittage. La température de cuisson de l'encre correspondante devra être compatible avec celle des autres encres. On pourra éventuellement effec- tuer les cuissons simultanément. -7- On effectue alors dans les deux premiers cas un traitement chimique de la membrane 20 parmi ceux prévus ci-dessus, pour lui donner une porosité adaptée à l'enzyme que l'on veut greffer. On réalise le greffage de l'enzyme comme suit: On fait réagir la membrane poreuse avec une solution de silane (en pro- portions respectives de 18 cm3 d'eau distillée et 2 cm3 de Y -aminopro- pyltriéthoxysilane), le pH étant ajusté à 3, 4 à l'aide d'aeide chlorhy- drique 6N. On maintient pendant 1h à la température ambiante. On retire la tête de mesure du bain, la lave à l'eau distillée et la sèche à 1150C pendant 1h; le silane est ainsi greffé. On active alors le silane greffé à l'aide de glutaraldéhyde, en en faisant réagir une fonction aldéhyde sur la fonetion amine du silane, selon la réaetion I j i O I Il O-Si (CH2)3 NH2 + 0=CH (CH23 - (CH2)3 (CH2) 3 N=CH (CH2)3 CHO I 1 0 0 I I A cet effet, on met en contact la membrane silanisée avee une solution de glutaraldéhyde à 2,5% dans 10 em3 de tampon Na2HPO4 à 0,05 M et au pH7. Le traitement est effeetué à température ambiante pendant au moins une heure. On rinee à l'eau distillée. Le greffage de l'enzyme est ensuite effeetué en mettant la mem- brane poreuse traitée en contact avee une solution d'enzyme dans de l'eau distillée, préalablement refroidie à 4 C. Avee de la9 -D-glucose-oxy- dase à 250 unités par mg, on dissout 5 mg d'enzyme dans 0,5 cm3 d'eau distillée. Le greffage est effectué pendant 24 heures à 4 10. La tête de mesure ainsi préparée n'est pas séchée. On le conserve à 4 C au réfrigérateur dans un tampon acétate à pH 5,8. On a mesuré la sensibilité d'une électrode ainsi réalisée pour le dosage de glucose en solution dans le domaine 10-5 à 10-3 M. On a trouvé une sensibilité moyenne de 1,1 mA/mole et par em2 d'électrode de pla- tine, tout à fait satisfaisante. - 8 - La tête de dosage représentée en figure 5 comporte un support poreux 21, d'épaisseur réduite dans sa partie centrale 25, formant une zone creuse, et muni en regard de cette zone creuse d'une électrode de platine sérigraphiée 24. Sur son pourtour, l'électrode circulaire séri- graphiée à l'argent 22 est revêtue d'une couche de chlorure d'argent 23. C'est sur le support poreux que l'on effectue le greffage de l'enzyme. Dans la variante représentée en figure 6, l'électrode de platine déposée sur le support poreux 31 est divisée en éléments tels que 34A, 34B, 34C, 34D, séparés par des éléments isolants 35A, 35B, 35C. Les électrodes élémentaires sont reliées entre elles à l'arrière par une couche continue de platine 36. Leur épaisseur, ainsi que celle des élé- ments isolants, est de quelques dizaines de microns. Les dépôts des électrodes élémentaires et des-éléments isolants se font par la techni- que des masques complémentaires, bien connue en microélectronique hybride. La tête de dosage à électrode tournante de la figure 7 comporte un support poreux 41, sur lequel est déposée l'électrode de platine 44. L'électrode circulaire à l'argent-chlorure d'argent 42, 43, disposée du c8té de la solution, est reliée par des trous métallisés 45, 46 à des connexions 47, 48 du même côté du support que l'électrode de platine. Bien que les têtes de dosage électrochimique qui viennent d'être décrites en référence aux figures et leurs procédés de fabrication ci-dessus décrits paraissent les formes de réalisation préférables de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de celle-ci. -9- REVENDICATIONS 1/ Tête de dosage électrochimique à électrode de mesure en platine (4) et électrode de référence (2, 3) à l'argent et au chlorure d'argent, carac- térisée en ce qu'au moins son électrode de platine (4) est constituée par un dépôt de faible épaisseur obtenue par sérigraphie d'une encre à base de poudre de platine et de poudre de verre, puis cuisson, sur un support inerte (1). 2/ Tête de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les poudres de platine et de verre ont une grosseur de grain voisine du micron. 3/ Tête de mesure selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'électrode de platine est formée d'une pluralité d'électrodes élémen- taires (34A, 34B, 34C, 34D, figure 6) séparées par des éléments iso- lants (35A, 35B, 35C) et reliées par une couche arrière -continue de platine (36). 4/ Tête de mesure selon la revendication 3, caractérisée en ce que les électrodes élémentaires et les éléments isolants ont une épaisseur de 10 à quelques dizaines de microns. / Procédé de fabrication d'une tête de dosage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'on dépose par sérigraphie sur un support inerte une encre à base de poudres de platine et de verre, additionnée d'au moins un liant organique et d'un solvant, en ce que l'on élimine le solvant organique par chauffage modéré, puis en ce que l'on pyrolyse le liant organique et fritte les poudres minérales par cuisson. 6/ Tête de dosage électrochimique selon la revendication 1, pour la détection de l'eau oxygénée fournie par réaction enzymatique d'une subs- tance en solution, comprenant un support poreux (21, figure 5) disposé au contact de l'électrode de platine (24), et sur lequel est greffée au moins une enzyme catalysant la formation électrochimique de peroxyde d'hydrogène, caractérisée en ce que l'électrode de référence (22, 23) et le support poreux sont aussi constitués par des dép8ts obtenus par séri- graphie, suivie d'une cuisson, et en ce que le support poreux est greffé avec un silane, puis activé pour le greffage de l'enzyme. 7/ Tête de dosage selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'électrode de mesure et l'électrode de référence sont déposées par - 10 - sérigraphie sur le même support poreux formant membrane poreuse. 8/ Tête de dosage selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'électrode de mesure et l'électrode de référence sont déposées par sérigraphie sur son support en oxyde céramique fritté (11, figure 4), et en ce qu'il est disposé sur l'électrode de mesure une membrane en verre ou vitrocéramique poreux (20). 9/ Tête de dosage selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'électrode de platine est séparée de l'électrode de référence par un dépôt sérigraphie (18) d'une encre diélectrique. 10/ Tête de dosage selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que le silane est le gamma-aminopropyl-triéthoxysilane. 11/ Procédé de fabrication d'une tête de dosage selon l'une des revendi- cations 6 à 10, caractérisé en ce que l'on dépose par sérigraphie sur un support, poreux ou non, l'électrode de platine et l'électrode à l'argent et au chlorure d'argent, en ce que l'on greffe un silane sur une autre zone du support, s'il est poreux, proche de l'électrode de platine, ou sur un support poreux différent, mais aussi proche de l'électrode de platine, en ce que l'on active le support poreux, et en ce que l'on greffe au moins une enzyme sur le support poreux. 12/ Procédé selon la revendication 1.1, caractérisé en ce que l'on active le silane par réaction de celui-ci avec solution de glutaraldéhyde de pH tamponné à environ 7. 13/ Procédé selon les revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l'on effectue successivement chaque dépôt par sérigraphie sur le support, l'évaporation du solvant et la pyrolyse du liant correspondant pour le platine, l'argent ou l'isolant ou la membrane poreuse, puis en ce que l'on effectue la cuisson des dépôts simultanément. 14/ Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on effec- tue séparément chaque dépôt par sérigraphie sur le support, suivie de l'évaporation du solvant, de la pyrolyse du liant et de la cuisson du dépôt correspondant.