ДАТЧИК, СОДЕРЖАЩИЙ ОКСИД МАРГАНЦА (III) В КАЧЕСТВЕ КАТАЛИЗАТОРА, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКА
SENSOR, CONTAINING MANGANESE (III) OXIDE AS CATALYST AND METHOD FOR THEREOF MANUFACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
2
3
2
2
2
3
2
3
Настоящее изобретение относится к способу определения аналита в образце, включающему в себя этапы: подготовки датчика, содержащего проводящий материал и первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием рабочего электрода, причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO; и приложения к рабочему электроду напряжения, выбираемого из диапазона напряжений, при которых НО в образце будет восстанавливаться на рабочем электроде. Изобретение также относится к датчику для определения аналита в образце, содержащему: подложку, имеющую несущую поверхность; проводящий материал, нанесенный по меньшей мере на часть несущей поверхности; первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием рабочего электрода, причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления датчика, предназначенного для определения аналита в образце, включающему в себя этапы: подготовки подложки, имеющей несущую поверхность; нанесения проводящего материала по меньшей мере на часть несущей поверхности; нанесения первого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием первого электрода, причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO. Дополнительно изобретение относится к сенсорной (воспринимающей) системе для определения аналита в образце, включающей в себя по меньшей мере один предлагаемый в изобретении датчик и по меньшей мере одно детектирующее устройство, электрически соединяемое с рабочим электродом и по меньшей мере с одним другим электродом датчика, причем детектирующее устройство приспособлено для измерения по меньшей мере одного параметра, выбранного из группы, состоящей из электрического тока между рабочим электродом и другим электродом, электрического напряжения между рабочим электродом и другим электродом или комбинации этих параметров.
Уровень техники
Датчики, в частности биодатчики, применяются во многих областях техники для анализа образцов (проб) с целью определения концентрации присутствующего в образце аналита и/или определения других параметров образца. Такими областями техники могут быть, в числе прочих, исследование состава воды, особенно питьевой воды, пищевая промышленность, военная техника и медицина.
В данном контексте под биодатчиком вообще понимается датчик, предназначенный для определения в образце по меньшей мере одного аналита за счет использования по меньшей мере одного биологического обнаруживающего материала. Для примера, по меньшей мере один биологический обнаруживающий материал может представлять собой или может содержать по меньшей мере одно из следующего: фермент, рецептор и антитело для определения аналита. Дополнительно, в по меньшей мере одной реакции определения аналита может участвовать один или несколько дополнительных компонентов, например, одно или несколько из следующего: катализатор, кофермент, медиатор и контрастное вещество.
Таким образом, датчик вообще, и биодатчик - в частности, может содержать по меньшей мере один обнаруживающий материал, который может быть приспособлен для взаимодействия с определяемым аналитом в процессе по меньшей мере одной реакции определения аналита и/или который может быть приспособлен для изменения по меньшей мере одного определяемого в присутствии аналита свойства, например электрического свойства и/или физического свойства, такого как цвет и/или отражательная способность. В случае если датчиком является биодатчик, как это было указано выше, по меньшей мере один обнаруживающий материал предпочтительно включает в себя по меньшей мере один фермент, а реакция определения аналита предпочтительно представляет собой или включает в себя ферментативную реакцию. Часто продукт такой ферментативной реакции претерпевает превращение с образованием поддающегося обнаружению вещества. Для обеспечения этого превращения часто применяются катализаторы.
2
2
2
3
4
2
3
2
3
2
3
2
2
Применение оксидов металлов в качестве катализаторов для биодатчиков известно из уровня техники. Катализаторы ускоряют реакцию превращения перекиси водорода НО, образуемой специфическим к аналиту ферментом. Например, в публикации ЕР 0603154 А2 описан электродный материал биодатчика, содержащий оксид марганца (IV) (MnO). В этой публикации упомянуты и другие примеры катализаторов: FeOOH, FeO, FeO, CrO и VO. Датчики используются при напряжении от 350 до 500 мВ. Риск, связанный с использованием рабочего напряжения в этом диапазоне, заключается в возможности нежелательной реакции с участием других содержащихся в образце компонентов, таких как другие метаболиты или медикаменты. Метаболитами, которые могут окисляться в вышеупомянутом диапазоне напряжений от 350 до 500 мВ, являются, в числе прочих, мочевая кислота и аскорбиновая кислота. Типичным примером медикаментов, которые могут окисляться в этом диапазоне напряжений, является ацетаминофен. Окисление этих компонентов на электроде ведет к неопределенному увеличению сигнала, снимаемого с электрода. Сигнал от значимой для определения аналита реакции с участием НО и сигнал от нежелательной реакции с участием другого компонента различить невозможно. Таким образом, датчик выдает сигнал, характеризующий совокупность обеих реакций. Поскольку после регистрации эти сигналы разделить невозможно, на сигнал аналита накладывается сигнал, отражающий концентрацию других компонентов. Такие результаты измерений дают ложное и неточное определение аналита.
Применение катализаторов, вызывающих восстановление аналита в диапазоне отрицательных значений напряжения, также упоминается в уровне техники применительно к использованию гексацианоферрата. Однако этот способ также не обеспечивает уменьшения перекрестных реакций, поскольку в диапазоне отрицательных значений напряжения, составляющих примерно от -0,1 до -0,2 В, восстанавливается кислород.
Существует потребность в датчиках, которые можно было бы использовать в биологических системах, таких как организм пациента, для определения аналитов, таких как глюкоза или другие метаболиты, точным и воспроизводимым образом. В настоящее время известно много датчиков, все из которых проявляют высокую перекрестную реактивность со многими метаболитами или молекулами, часто присутствующими в живом организме.
Постановка задачи
Таким образом, в основу настоящего изобретения была положена задача уменьшения или даже устранения по меньшей мере одного из недостатков, присущих уровню техники.
В частности, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа и датчика для определения аналита, которые обеспечивали бы получение точных и воспроизводимых результатов.
Дополнительно, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа и датчика для определения аналита, которые обладали бы высокой специфичностью по отношению к аналиту и малой перекрестной реактивностью с другими, помимо аналита, ингредиентами образца.
Кроме того, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа и датчика для определения аналита, которые обладали бы высокой чувствительностью в широком диапазоне концентраций аналита.
Далее, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки сенсорной системы для определения аналита в образце, которая работала бы точным и воспроизводимым образом.
Также в основу настоящего изобретения была положена задача разработки простого и экономичного способа изготовления датчика, предназначенного для определения аналита.
Раскрытие изобретения
Решение по меньшей мере одной из указанных выше задач обеспечивается объектами изобретения, охарактеризованными в соответствующих независимых пунктах его формулы, а предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы, признаки которых также вносят вклад в решение по меньшей мере одной из указанных выше задач.
В тексте описания и формулы изобретения термины "имеет", "содержит", "включает в себя" или их любые грамматические разновидности употребляются неисключительным образом, оставляя соответствующие формулировки открытыми. Таким образом, эти термины могут использоваться как в ситуации, в которой в соответствующем объекте в данном контексте отсутствуют какие-либо иные признаки, кроме признака, вводимого этими терминами, так и в ситуации, в которой также присутствует один или несколько других признаков. В качестве примера: выражения "А имеет Б", "А содержит Б" и "А включает в себя Б", могут использоваться как в ситуации, в которой в объекте А отсутствуют другие элементы, кроме Б (т.е. в ситуации, в которой А состоит из Б и только из Б), так и в ситуации, в которой в объекте А, помимо Б, присутствует один или несколько других элементов, например элемент В, элементы Г и Д или другие дополнительные элементы.
Первым объектом изобретения является способ определения аналита в образце, включающий в себя этапы:
2
3
- подготовки датчика, содержащего проводящий материал и первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием рабочего электрода, причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO;
2
2
- приложения к рабочему электроду напряжения, выбираемого из диапазона напряжений, при которых НО в образце будет восстанавливаться на рабочем электроде.
Подготовка датчика может выполняться любыми средствами, которые специалист выбрал бы для подготовки датчика, используемого при осуществлении способа определения аналита в образце. На этапе подготовки могут задействоваться любые средства для обеспечения контакта содержащего аналит образца или компонента, такого как организм, в частности ткань организма, по меньшей мере с частью датчика. Примерами подготовки датчика являются укладка датчика на основание, контактирование датчика с образцом, введение или имплантация датчика в тело и фиксация датчика на теле, содержащем образец.
Для укладки датчика на основание датчик может быть помещен на основание, например стол, пленку или любое другое основание, таким образом, чтобы по меньшей мере рабочий электрод можно было ввести в контакт с образцом. Укладка датчика также может выполняться путем фиксации по меньшей мере части датчика на компоненте, таком как машина, с целью контактирования по меньшей мере рабочего электрода с аналитом или образцом.
Контактирование датчика с образцом предпочтительно выполняется путем введения по меньшей мере части датчика, в частности рабочего электрода, в соприкосновение с образцом. Для датчика, используемого in vitro, контактирование может выполняться путем по меньшей мере частичного погружения датчика в текучую (жидкую или газовую) среду образца или пробы. В качестве альтернативы этому методу, образец можно наносить на датчик, в частности на рабочий электрод, с помощью средства нанесения. Средство нанесения может быть выбрано из группы, состоящей из пипетки, принтера, губки или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных средств. Для датчика, используемого in vivo, контактирование может выполняться путем обеспечения соприкосновения по меньшей мере рабочего электрода датчика с живым организмом, например, с тканью тела человека.
Введение или имплантацию датчика в организм (тело) предпочтительно выполнять с помощью вводящего устройства. Вводящее устройство может быть выполнено с возможностью проникновения в тело живого организма. Вводящее устройство предпочтительно имеет острие, способное входить в тело живого организма. В качестве альтернативы, датчик сам может иметь на одном конце острие, способное вводить датчик в ткань живого организма.
Фиксация датчика на теле может обеспечиваться за счет прикрепления датчика к ткани живого организма. Ткань может находиться внутри или снаружи живого организма. Ткань может быть выбрана из группы, состоящей из кожи или слизистой оболочки. В случае крепления на коже датчик может располагаться в любом месте на теле пользователя. В случае крепления на слизистой оболочке датчик может располагаться в носу, во рту или внутри уха.
Опциональные размеры, материалы и другие особенности, касающиеся датчика, приводятся ниже в более подробном описании датчика. Все размеры, материалы, геометрические формы и взаимосвязи с другими компонентами, приведенные ниже для датчика и сенсорной системы, также относятся к способу.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Приложение напряжения к рабочему электроду может выполняться с помощью устройства, способного создавать напряжение между рабочим электродом и другим электродом, таким как противоэлектрод или электрод сравнения либо оба этих электрода. Как правило, используется источник энергии, создающий постоянное напряжение. Вышеупомянутое устройство может быть выбрано из группы, состоящей из потенциостата, батареи питания, аккумулятора, блока питания или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных средств. Для подачи напряжения на рабочий электрод предпочтительно использовать потенциостат. Для приложения напряжения к рабочему электроду источник энергии может быть соединен с контактными выводами датчика, подробнее описываемыми ниже при рассмотрении датчика. Напряжение, прикладываемое к рабочему электроду, можно регулировать регулятором напряжения. При контакте рабочего электрода, к которому приложено напряжение, с образцом содержащиеся в образце молекулы НО будут реагировать с рабочим электродом. Реакция молекул НО на рабочем электроде приводит к протеканию в датчике электрического тока, который может измеряться детектирующим устройством. Измеренный ток преимущественно пропорционален количеству НО в образце. По крайней мере, в специфическом диапазоне напряжений скорость реакции молекул НО на рабочем электроде напрямую зависит от скорости диффузии молекул НО в образце. Это приводит к управляемому диффузией измерению количества молекул НО и к тому, что для определенной концентрации НО получают определенный измеренный ток, также называемый пороговым током диффузии. Таким образом, в этом управляемом диффузией диапазоне напряжений сигнал измеряемого тока меняется пропорционально изменению концентрации НО. В этом конкретном управляемом диффузией диапазоне напряжений увеличение или уменьшение напряжения, приложенного к рабочему электроду, не будет изменять скорости реакции молекул НО.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа напряжение рабочего электрода находится в диапазоне от 50 до 150 мВ относительно электрода сравнения, содержащего Ag/AgCl в растворе КСl с концентрацией 3 моль/л. Противоэлектрод, электрод сравнения или оба этих электрода может/могут содержать графит. Электрод сравнения или противоэлектрод может иметь размер в диапазоне от 0,1 до 10 мм, или в диапазоне от 0,5 до 5 мм, или в диапазоне от 1 до 2 мм. Противоэлектрод может иметь такой размер, при котором дополнительный электрод сравнения не нужен. Например, Противоэлектрод имеет размер, для которого во время работы датчика по измерению токов потенциал не изменяется более чем на 10 мВ. Предпочтительно, чтобы датчик измерял токи в диапазоне от -100 нА до 100 нА, или в диапазоне от -50 нА до 50 нА, или в диапазоне от -20 нА до 20 нА.
Еще одним объектом изобретения является датчик для определения аналита в образце, содержащий:
- подложку, имеющую несущую поверхность;
- проводящий материал, нанесенный по меньшей мере на часть несущей поверхности;
- первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием рабочего электрода;
2
3
причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO.
2
2
Предлагаемый в изобретении датчик также может применяться при осуществлении предлагаемого в изобретении способа. В данном контексте под датчиком понимается устройство, способное определять, или обнаруживать, (в качественном или количественном отношениях) по меньшей мере один содержащийся в образце, или пробе, аналит. С этой целью датчик может быть приспособлен для генерирования регистрируемого сигнала и/или для изменения по меньшей мере одного регистрируемого свойства при входе в контакт с аналитом. В данном контексте под аналитом понимается определенное подлежащее определению соединение или комбинация соединений. Регистрируемый сигнал, как правило, коррелируется с концентрацией аналита воспроизводимым образом. Как было указано выше, датчик может содержать по меньшей мере один обнаруживающий материал, приспособленный для осуществления по меньшей мере одной реакции с участием определяемого аналита, обеспечивающей определение аналита и/или обеспечивающей изменение в присутствии аналита по меньшей мере одного регистрируемого свойства, например оптического свойства и/или электрического свойства. Датчиком предпочтительно может быть любой датчик, способный определять любой аналит, содержащий или способный генерировать НО. В качестве примера, определение аналита может быть основано на оптическом или электрохимическом определении. Предпочтительно, чтобы определение аналита было основано на его электрохимическом определении.
Таким образом, предпочтительно, чтобы предлагаемый в изобретении датчик представлял собой или включал в себя электрохимический датчик для определения по меньшей мере одного аналита. В данном контексте под электрохимическим датчиком вообще понимается датчик, имеющий по меньшей мере два чувствительных электрода и приспособленный для определения концентрации по меньшей мере одного аналита на основе по меньшей мере одного электрического измерения, например измерения тока и/или напряжения. По меньшей мере два чувствительных электрода могут включать в себя по меньшей мере один рабочий электрод, электрический потенциал которого может изменяться в соответствии с концентрацией определяемых аналитов, а также по меньшей мере один другой элемент, такой как по меньшей мере один электрод сравнения и/или по меньшей мере один противоэлектрод. Рабочий электрод может содержать один или несколько обнаруживающих материалов. Обнаруживающий материал может быть частью первого электродного материала, может образовывать первый электродный материал, или первый электродный материал может быть частью обнаруживающего материала. Ток и/или напряжение может/могут измеряться и использоваться в качестве меры концентрации аналита. Примеры измерительной установки, которая также может использоваться в контексте настоящего изобретения, раскрыты в публикации WO 2007/071562 А1. Вместе с тем, в качестве дополнения к этим примерам или альтернативы им могут использоваться и другие измерительные установки.
Определение аналита может быть прямым или непрямым. Прямым может быть определение, позволяющее определять или обнаруживать аналит без какой-либо дополнительной реакции или изменения аналита. В частности, это может быть определение оптического свойства аналита, например показателя преломления. Непрямым определением аналита может быть определение соединения, образующегося в результате реакции определения аналита, и/или изменения аналита. Изменение аналита в результате реакции определения аналита, или изменение, может быть выбрано из группы, состоящей из изменения конформации, цвета, электрического заряда, состава, растворимости, агрегатного состояния или сочетания по меньшей мере двух из перечисленных показателей. Например, изменением может быть реакция аналита с соединением, входящим в состав датчика, с образованием другого соединения, определяемого датчиком.
Датчик может иметь любую форму, которую специалист рассматривал бы как подходящую для использования в контексте настоящего изобретения. В качестве примера, датчик может представлять собой или может содержать одно из следующего: полосковый датчик, диск, ленту, стержень и иглу. Датчик может содержать одно или несколько тестовых полей, каждое из которых может содержать по меньшей мере один обнаруживающий материал.
Предлагаемый в изобретении датчик содержит подложку. Подложка может быть любой подложкой, которую специалист рассматривал бы как подходящую для использования в контексте настоящего изобретения. Подложка является одной из формообразующих частей датчика, так что если не оговорено иного, описание в части, касающейся формы и размеров датчиков, также относится к подложке. Подложка, а предпочтительно и датчик, может иметь форму по меньшей мере в двух измерениях, выбранную из группы, состоящей из круглой, овальной, многоугольной формы или сочетания по меньшей мере двух из перечисленных форм. Кроме того, подложка или датчик может иметь форму, выбранную из группы, состоящей из пластинки, полоски, ленты, куба, кубоида (прямоугольного параллелепипеда), конуса, шара, пирамиды, диска, иглы или сочетания по меньшей мере двух из перечисленных форм. В предпочтительном варианте своего выполнения подложка или датчик имеет форму иглы или стержня.
Датчик может иметь любые размеры, которые специалист рассматривал бы как подходящие для датчика, предназначенного для определения аналита. Например, датчик может иметь длину в диапазоне от 0,1 до 30 см, или в диапазоне от 1 до 20 см, или в диапазоне от 2 до 10 см. Ширина датчика может находиться в диапазоне от 0,1 до 50 мм, или в диапазоне от 0,5 до 20 мм, или в диапазоне от 1 до 10 мм. Высота датчика может находиться в диапазоне от 0,01 до 100 мм, или в диапазоне от 0,05 до 10 мм, или в диапазоне от 0,1 до 5 мм. Поскольку подложка является основной формообразующей частью датчика, упомянутые для датчика размеры также относятся к размерам подложки.
Подложка может содержать по меньшей мере один материал, который позволяет наносить на подложку по меньшей мере один другой материал. Подложка может быть выполнена из твердого материала. Подложка может быть гибкой или жесткой. Предпочтительно, чтобы подложка была гибкой: это означает то, что подложку можно деформировать по меньшей мере в одном направлении вручную, например, путем приложения усилий менее 10 H. Материал подложки может быть выбран из группы, состоящей из стекла, полимера, керамики, бумаги, оксида металла и металла или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных материалов. Примером многокомпонентной подложки является подложка, представляющая собой или содержащая многослойную структуру, имеющую два или более слоев, например, слоистый материал. В одном варианте выполнения датчика материал подложки содержит полимер. Полимер преимущественно выбирается из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, полистирола, сложного полиэфира и полиимида или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных материалов. Полимер может иметь молекулярную массу в диапазоне от 1000 до 1000000 г/моль, или в диапазоне от 5000 до 500000 г/моль, или в диапазоне от 10000 до 100000 г/моль. Предпочтительно выбирать полимер из группы полиимида, например полибисмалеимида (PBMI), полибензимидазола (PBI), полиоксадиазобензимидазола (РВО), полиимидсульфона (PISO) и полиметакрилимида (PMI) или смеси по меньшей мере двух из перечисленных материалов. Содержание полимера в подложке может находиться в диапазоне от 10 до 100 мас.%, или в диапазоне от 20 до 95 мас.%, или в диапазоне от 30 до 90 мас.%. Вышеупомянутые компоненты подложки в совокупности могут составлять 100 мас.%.
Подложка может иметь любую форму или геометрию, подходящую для использования в датчике. В предпочтительном исполнении подложка имеет форму или геометрию, описанную для датчика выше. Толщина или поперечник подложки может находиться в диапазоне от 0,1 до 10 мм, или в диапазоне от 0,5 до 5 мм, или предпочтительно в диапазоне от 1 до 3 мм. В случае кубической или кубоидной формы подложки последняя может иметь протяженность по горизонтали, определяемую произведением ширины и длины и находящуюся в диапазоне от 1 мм до 100 см, или в диапазоне от 10 мм до 50 см, или в диапазоне от 50 мм до 10 см. Помимо симметричной формы, датчик или подложка может иметь асимметричную форму. Например, подложка может быть выполнена L-образной формы. Значения протяженности более длинной части "L" могут находиться в диапазонах, приведенных выше для прямоугольной подложки.
В соответствии с изобретением подложка имеет несущую поверхность. Несущая поверхность может быть определена как часть поверхности подложки, которая будет покрыта, или снабжена, проводящим материалом или электродным материалом. Как было указано выше, электродный материал может представлять собой обнаруживающий материал и/или может быть частью обнаруживающего материала. В пределах несущей поверхности проводящий материал и/или электродный материал может находиться в прямом контакте с подложкой. В качестве альтернативы этому исполнению, между проводящим материалом и/или электродным материалом может быть расположен по меньшей мере один промежуточный слой, например изоляционный слой и/или диффузионный барьер.
Площадь несущей поверхности может находиться в диапазоне от 5 до 90%, или в диапазоне от 10 до 80%, или в диапазоне от 20 до 70%, всей площади поверхности подложки. Несущая поверхность может быть предусмотрена с любой стороны или поверхности подложки. Несущая поверхность, в соответствии с изобретением, может занимать любую протяженность подложки, являющуюся доступной или пригодной для контактирования, по крайней мере в процессе изготовления датчика, снаружи датчика или подложки. Любую доступную или пригодную для контактирования поверхность подложки также может назвать наружной поверхностью. Протяженность по меньшей мере одной несущей поверхности может быть однородной или постоянной по своей форме. Протяженность поверхности может быть ровной, наклонной или искривленной. Сторона или поверхность, на которой предусмотрена несущая поверхность на подложке, может быть расположена снаружи подложки датчика. Несущей поверхностью может быть вся наружная поверхность подложки или по меньшей мере часть этой наружной поверхности. Несущая поверхность может иметь любую форму, имеющуюся у по меньшей мере одной поверхности подложки. Форма несущей поверхности может быть выбрана из группы, состоящей из ровной, наклонной, угловатой и искривленной форм или сочетания по меньшей мере двух из перечисленных форм.
В одном варианте выполнения датчика подложка может иметь протяженность кубоида (прямоугольного параллелепипеда), причем несущая поверхность может быть предусмотрена по меньшей мере на одной из более широких сторон подложки. Несущая поверхность также может быть предусмотрена на одной из меньших сторон кубоида. Кроме того, несущая поверхность может быть предусмотрена более чем на одной поверхности подложки. Несущая поверхность может проходить по двум или более поверхностям подложки. Несущая поверхность может иметь протяженность по площади в диапазоне от 0,05 до 50 см, или в диапазоне от 0,1 до 20 см, или в диапазоне от 0,2 до 10 см.
Проводящий материал нанесен по меньшей мере на часть несущей поверхности. Проводящим материалом может быть любой материал, подходящий для реализации назначения изобретения. Проводящий материал может содержать любой материал, способный проводить электрический ток. Проводящий материал может включать в себя по меньшей мере один электропроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из металла, полуметалла, проводящего полимера и проводящего неорганического материала или сочетания либо смеси по меньшей мере двух из перечисленных материалов.
Металл преимущественно выбирается из группы, состоящей из золота, серебра, платины, вольфрама и палладия или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов. Предпочтительно, чтобы проводящий материал содержал золото.
Полуметалл преимущественно выбирается из группы, состоящей из кремния, бора, альфа-олова или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов.
Проводящий полимер предпочтительно может включать в себя полимер, выбранный из группы, состоящей из политиофена, полипиррола, полианилина, полиацетилена, полиизотионафталена и поли-п-фенилена, их производных, а также смесей или сополимеров по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Примерами проводящих полимеров являются поли(п-фениленвинилен), поли(п-фениленсульфид), поли(3,4-этилендиокситиофен) или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ.
Неорганический материал преимущественно выбирается из группы, состоящей из электропроводящего керамического материала, графена, графита или их смеси.
2
3
2
3
3
3
3
2
Проводящим неорганическим материалом предпочтительно может быть электропроводящий керамический материал, также называемый керметом, который содержит керамику и металлический материал. Керамический материал предпочтительно может включать в себя один или несколько элементов, выбранных из группы, состоящей из кислорода, углерода, бора, азота, кремния или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов. Керамический материал может быть выбран из группы, состоящей из оксида алюминия, в частности AlO; оксида циркония, в частности ZrO; оксида марганца, в частности MgO; оксида алюминия, легированного оксидом циркония (ZTA); нитрида алюминия; титаната алюминия; пьезокерамики, выбранной из группы, состоящей из Ва(Zr, Ti)O, Ва(Се, Ti)O, ниобата калия и натрия (PSN), PSN-LiSbO и PSN-LiTaO, или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Металлический материал в составе проводящего неорганического материала предпочтительно может включать в себя металл, выбранный из группы, состоящей из никеля, молибдена, молибденового сплава, иридия, тантала, танталового сплава, кобальта, кобальтохромового сплава, титана, титанового сплава, ниобия, ниобиевого сплава, платины, платинового сплава, вольфрама, вольфрамового сплава, стали или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Электропроводящая керамика может быть выбрана из группы, состоящей из силицида вольфрама (WSi), карбида вольфрама (WC), нитрида титана (TiN), карбонитрида титана (TiCN), карбида титана (TiC).
Содержание электропроводящего материала в проводящем материале может находиться в диапазоне от 10 до 100 мас.%, или в диапазоне от 20 до 100 мас.%, или в диапазоне от 30 до 95 мас.% от общей массы проводящего материала. Предпочтительно, чтобы проводящий материал содержал золото, содержание которого находится в диапазоне от 50 до 100 мас.%, или в диапазоне от 70 до 100 мас.%, или в диапазоне от 80 до 100 мас.%.
2
2
2
2
2
2
Проводящий материал нанесен по меньшей мере на часть несущей поверхности подложки. Проводящий материал может покрывать от 5 до 100%, или от 10 до 95%, или от 20 до 90% площади несущей поверхности. Проводящий материал может покрывать поверхность подложки, площадь которой находится в диапазоне от 0,01 мм до 50 см, или в диапазоне от 0,1 мм до 40 см, или в диапазоне от 0,5 мм до 10 см.
Нанесение проводящего материала на несущую поверхность может выполняться любыми методами, которые специалист выбрал бы для этого. Нанесение может быть выполняться, например, одним или несколькими методами нанесения (осаждения), выбранными из группы, состоящей из печати, нанесения методом центрифугирования, разливания, ракельного нанесения, распыления, капельного нанесения, переноса, нанесения покрытия, импрегнирования, погружения (окунания) или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных методов. Метод печати преимущественно выбирается из группы, состоящей из офсетной печати, глубокой печати, чернильной (струйной) печати, трафаретной печати, ротаторной печати, тампонной печати, флексографской печати или комбинации этих методов. Нанесение преимущественно выбирается из группы, состоящей из химического осаждения из паровой фазы, физического осаждения из паровой фазы, химического и электрохимического нанесения покрытия, распыления, оптического покрытия или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных методов. Физическое осаждение из паровой фазы может быть выбрано из группы, состоящей из катодно-дугового осаждения, физического осаждения из паровой фазы при испарении электронным лучом (EBPVD), ионного осаждения, ионно-лучевого осаждения (IBAD), магнетронного распыления, нанесения покрытий импульсным лазерным напылением, осаждения методом распыления, нанесения осаждением, например вакуумным осаждением, или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных методов. Нанесение проводящего материала предпочтительно осуществлять путем металлизации напылением золота на подложку. Нанесением проводящего материала по меньшей мере на часть несущей поверхности можно получить один или несколько проводящих контактных выводов. Предпочтительно, чтобы на несущей поверхности было предусмотрено более одного проводящего контактного вывода. На несущую поверхность предпочтительно наносить три проводящих контактных вывода. Проводящие контактные выводы могут быть отделены друг от друга промежутком, ширина которого находится в диапазоне от 0,1 до 10 мм, или в диапазоне от 0,3 до 5 мм, или в диапазоне от 0,5 до 2 мм. Каждый контактный вывод может образовывать основу для электрода. Как было указано выше, датчик предпочтительно может содержать по меньшей мере два электрода, в том числе по меньшей мере один рабочий электрод, имеющий проводящий материал и первый электродный материал. Дополнительно, как было указано выше, может быть предусмотрено один или несколько других электродов, например один или несколько электродов сравнения и/или один или несколько противоэлектродов. Каждый из одного или нескольких других электродов может содержать по меньшей мере один проводящий материал и/или по меньшей мере один контактный вывод и, дополнительно или факультативно, по меньшей мере один другой электродный материал, например по меньшей мере один эталонный материал (материал электрода сравнения). Кроме того, по меньшей мере один рабочий электрод и, факультативно, по меньшей мере один другой электрод, может/могут быть полностью или частично покрыт(-ы) по меньшей мере одним защитным слоем, таким как мембрана, проницаемая для определяемого аналита и/или для по меньшей мере одного электролита образца, при этом защитный слой может удерживать первый электродный материал и может препятствовать его контакту с образцом и/или с окружающей тканью тела. Таким образом может быть обеспечена биологическая совместимость датчика. Примеры таких решений описаны в публикации WO 2007/071562 А1.
Первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала, может содержать любой материал, подходящий для реализации назначения изобретения. Таким образом, как было указано выше, первый электродный материал может представлять собой или может содержать по меньшей мере один вышеупомянутый обнаруживающий материал или может образовывать часть обнаруживающего материала. Первый электродный материал образует рабочий электрод или по меньшей мере часть рабочего электрода.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый электродный материал может содержать любой обнаруживающий материал и, более предпочтительно, любое соединение, приспособленное для осуществления с участием аналита реакции определения последнего, когда на рабочий электрод нанесен образец.
Помимо обнаруживающего материала, первый электродный материал может содержать по меньшей мере один материал, способный проводить электрический ток. Материал, способный проводить электрический ток, называется электропроводящим материалом. Электропроводящий материал преимущественно выбирается из группы, состоящей из металла, полуметалла, проводящего полимера или смесь по меньшей мере двух из перечисленных материалов.
Металл преимущественно выбирается из группы, состоящей из золота, серебра, платины, вольфрама, палладия или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов.
Полуметалл преимущественно выбирается из группы, состоящей из кремния, бора, альфа-олова или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов.
Проводящий полимер предпочтительно может включать в себя полимер, выбранный из группы, состоящей из политиофена, полипиррола, полианилина, полиацетилена, полиизотионафталена и поли-п-фенилена, их производных и смесей или сополимеров по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Примерами проводящих полимеров являются поли(п-фениленвинилен), поли(п-фениленсульфид), поли(3,4-этилендиокситиофен).
Неорганический материал преимущественно выбирается из группы, состоящей из электропроводящего керамического материала, графена, графита или их смеси. В предпочтительном случае проводящий материал содержит графит.
Как было указано выше, первый электродный материал может содержать по меньшей мере один обнаруживающий материал, например материал, способный взаимодействовать с аналитом в образце. Обнаруживающий материал предпочтительно может представлять собой или может содержать биологический компонент. Одной характеристикой биологического компонента может быть способность взаимодействовать с другим компонентом, таким как аналит, содержащийся в образце. Во многих случаях биологический компонент происходит из живого организма. Обнаруживающий материал может быть выбран из группы, состоящей из фермента, рецептора, антитела, хелата или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ. При использовании в датчике, в частности в обнаруживающем материале, по меньшей мере одного биологического компонента датчик можно называть биодатчиком. Обнаруживающий материал может быть способен к взаимодействию с аналитом таким образом, чтобы изменять по меньшей мере одно регистрируемое свойство аналита или обнаруживающего материала либо и того и другого, предпочтительно - свойство, обнаруживаемое оптическим методом и/или путем электрического измерения. Реакция определения аналита может протекать в один, два или более этапов. На любом из этапов реакции аналит или обнаруживающий материал может превращаться в соединение, определяемое датчиком. Изменение свойства может быть изменением физического или химического свойства. Физическое свойство может быть выбрано из группы, состоящей из оптического свойства, электрического свойства, таких как электрический заряд, агрегатное состояние, показатель преломления, растворимость, цвет, или сочетания по меньшей мере двух из перечисленных свойств. Химические свойства могут быть выбраны из группы, состоящей из конформации, состава, агрегации или сочетания по меньшей мере двух из перечисленных свойств. Результат физических или химических изменений может обнаруживаться, или регистрироваться, детектирующим устройством. Детектирующее устройство может представлять собой или может включать в себя оптическое детектирующее устройство и/или электрическое детектирующее устройство. Оптическое детектирующее устройство может быть выбрано из группы, состоящей из камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), светодиодного детектора, датчика на комплементарных структурах металл-окисел-полупроводник (КМОП) или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных устройств. Электрическое детектирующее устройство может быть выбрано из группы, состоящей из аналогового амперметра, цифрового амперметра, пикоамперметра, универсального электроизмерительного прибора или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных устройств.
Аналитом может быть любое соединение или элемент, представляющее интерес в отношении его определения. Аналит может быть частью образца. Образцом обычно является текучая среда или жидкость либо их смесь. В области медицины, например, аналитом может быть соединение, содержащееся в образце, таком как ткань или физиологическая жидкость пациента. Физиологическая жидкость преимущественно выбирается из группы, состоящей из крови, сыворотки крови, плазмы крови, интерстициальной жидкости, мочи, слюны, пота или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных жидкостей. Аналит преимущественно выбирается из группы, состоящей из глюкозы, лактоза, лактата, мочевой кислоты, мочевины, холестерина, триглицерида и любого иного соединения, содержащегося в физиологической жидкости пациента, или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Ниже по тексту изобретение рассматривается в основном на примере электрохимического определения глюкозы в крови и/или интерстициальной жидкости, без ограничения объемы охраны изобретения.
Нанесение образца по меньшей мере на рабочий электрод датчика может происходить либо in vitro, либо in vivo. Образец для анализа in vitro может иметь объем в диапазоне от 0,001 до 10 мл, или в диапазоне от 0,01 до 5 мл, или в диапазоне от 0,05 до 1 мл. Образец для анализа in vitro может наноситься любыми подходящими для этого средствами. Нанесение образца может быть выбрано из группы, состоящей из капания из пипетки, нанесения погружением, дозирования и сочетания по меньшей мере двух из перечисленных методов. Для анализа in vivo по меньшей мере рабочий электрод может вводиться в контакт с физиологической жидкостью пациента. Такое контактирование рабочего электрода с физиологической жидкостью может обеспечиваться любыми средствами, подходящими для анализа in vivo. Контактирование может выбираться из группы, состоящей из введения в тело и соприкосновения с телом или сочетания этих методов. Введением в тело может быть имплантация, например, под кожу пациента в ткань или в подкожную ткань или в сосуд. Таким образом, датчиком предпочтительно может быть имплантируемый датчик, который может быть по меньшей мере частично имплантирован в ткань организма пользователя. Соприкосновение с телом может обеспечиваться фиксацией, например приклеиванием, или контактированием датчика по меньшей мере его рабочим электродом с областью тела, где рабочий электрод может войти в контакт с физиологической жидкостью, такой как пот или слюна. Предпочтительно датчик вводят под кожу в интерстициальную жидкость. Таким образом, датчик предпочтительно является биологически совместимым.
2
3
2
3
Кроме того, первый электродный материал содержит частицы MnO. Частицы MnO могут катализировать по меньшей мере часть реакции определения аналита или продукт взаимодействия аналита с обнаруживающим материалом в процессе первой реакции определения аналита. Например, часть реакции определения аналита может быть реакцией электролиза, описываемой уравнением (I):
2
2
2
3
2
3
2
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
Реакция восстановления HO, представленная уравнением (I), катализируется частицами MnO. Было установлено, что благодаря применению частиц MnO реакция восстановления НО может протекать в диапазоне напряжений, в котором не происходит восстановления О. Таким образом, получаемый в результате сигнал не искажается реакцией кислорода на любом из электродов. Реакция определения аналита, представляющая собой восстановление НО, может быть реализована на рабочем электроде, если между рабочим электродом и электродом сравнения и/или противоэлектродом приложено достаточное напряжение. Это напряжение также называется напряжением разложения. Для электрохимического датчика, также называемого электролитическим датчиком, напряжение разложения, обеспечивающее протекание реакции по уравнению (1), должно отличаться от напряжения разложения, при котором на рабочем электроде происходит реакция восстановления кислорода (O). Напряжение разложения того или иного компонента на рабочем электроде может зависеть, помимо прочих факторов, от материала, содержащегося в рабочем электроде. Благодаря добавлению в первый электродный материал частиц MnO напряжение разложения НО может быть сдвинуто в область положительных потенциалов. Напряжение, прикладываемое к рабочему электроду, может выбираться в диапазоне от 0,025 до 0,175 В, или в диапазоне от 0,050 до 0,150 В, или в диапазоне от 0,100 до 0,130 В относительно электрода сравнения, содержащего Ag/AgCl в растворе KCl с концентрацией 3 моль/л. Один положительный эффект выбора этого диапазона напряжения заключается в том, что реакция НО на рабочем электроде является специфической. Это означает то, что на рабочем электроде предпочтительно почти не происходит окисления или восстановления никакого другого компонента образца. Сдвиг напряжения разложения в область меньших напряжений приводит к тому, что на рабочем электроде также могут восстанавливаться, как это было упомянуто выше, другие реагенты, такие как кислород.
То, что первый электродный материал нанесен по меньшей мере на часть проводящего материала, также может означать, что первым электродным материалом покрыта также часть подложки. Нанесение первого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала может быть реализовано методами печати, наложением слоя, нанесением покрытия, импрегнирования, погружения или их комбинации, предпочтительно - методом печати. По крайней мере печать является формой нанесения покрытия по меньшей мере на часть поверхности, причем первый электродный материал наносится в виде жидкой фазы и/или в виде иного деформируемого материала, такого как паста. При выполнении печати жидкая фаза и/или паста наносится на несущую поверхность подложки с помощью вспомогательного средства. Речь может идти о различных формах вспомогательных средств. Например, жидкую фазу и/или пасту можно наносить с помощью сопла или клапана путем ее выдавливания или распыления. В качестве альтернативы этому методу или в дополнение к нему, жидкую фазу и/или пасту можно наносить или надпечатывать посредством цилиндра или барабана. В качестве методов печати широко известны глубокая печать посредством цилиндра или струйная печать через отверстие, например сопло или клапан, а также трафаретная печать через сетку и нанесение покрытий центрифугированием. Во время нанесения к жидкой фазе и/или пасте или подложке может прикладываться давление. В качестве альтернативы этому методу, жидкая фаза и/или паста может наноситься самотеком, с использованием только силы тяжести.
Управление соплом или клапаном может осуществляться пьезоэлементом или пневматическим клапаном, которые часто используются в струйных принтерах. Особенность этих клапанов состоит в том, что они формируют порции наносимой жидкой фазы и/или пасты, которые можно наносить на поверхность, преимущественно под давлением. Порции жидкой фазы и/или пасты предпочтительно имеют объем в диапазоне от 0,1 до 500 нл, или предпочтительно в диапазоне от 1 до 100 нл, или предпочтительно в диапазоне от 10 до 50 нл.
При использовании метода глубокой печати покрываемая поверхность пропускается между двумя цилиндрами (валиками), находящимися в контакте друг с другом. Один цилиндр называется печатным цилиндром, или прессовым валиком, а другой цилиндр - формным цилиндром, поскольку жидкая фаза и/или паста входит с ним в контакт. Направляя подложку между соприкасающимися цилиндрами таким образом, чтобы подложка была обращена несущей поверхностью к формному цилиндру, можно обеспечить перенос жидкой фазы и/или пасты на несущую поверхность подложки.
При использовании метода трафаретной печати пасту обычно переносят на поверхность подложки через сетку. Это можно выполнять с использованием только силы тяжести или, в качестве альтернативы этому методу или в дополнение к нему, с использованием резинового валика или ракеля. Описанные процессы нанесения покрытий можно повторять несколько раз для покрытия более чем одной части несущей поверхности.
Жидкая фаза или паста может включать в себя любую жидкость или твердое вещество, которые специалист использовал бы в качестве носителя для первого электродного материала. Предпочтительно, чтобы жидкая фаза включала в себя жидкость, способную растворять по меньшей мере часть первого электродного материала. Жидкая фаза или паста предпочтительно содержит по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, состоящей из органического соединения и неорганического соединения, предпочтительно воды, или смеси указанных соединений. В случае если жидкая фаза и/или паста содержит органическое соединение, это органическое соединение может быть выбрано из группы, состоящей из спирта, амина, сложного эфира, простого эфира, углеводорода, сульфоксида, сульфона, сульфоната, лактона, лактама, нитросоединения, нитрила и масла или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Кроме того, жидкая фаза и/или паста может содержать органическое соединение, выбранное из группы, состоящей из алифатического спирта, ароматического спирта, простого циклического спирта, гликолевого эфира, алифатического углеводорода, ароматического углеводорода, разветвленного углеводорода, бензола, галогензамещенного углеводорода, ацетата гликолевого эфира или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Органическое соединение жидкой фазы и/или пасты преимущественно выбирается из группы, состоящей из метанола, этанола, бутанола, пропанола, ацетона, гамма-бутиролактона, N-метил-2-пирролидона, ацетонитрила, нитрометана, триэтиламина, диметилформамида, гептана, гексана, диметилсульфоксида, сульфолана, этиленкарбоната, монобутилового эфира этиленгликоля, диметилкарбоната, ацетата метилового эфира пропиленгликоля или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Содержание органического соединения в жидкой фазе и/или пасте может находиться в диапазоне от 0,1 до 99 мас.%, или предпочтительно в диапазоне от 1 до 95 мас.%, или предпочтительно в диапазоне от 10 до 90 мас.%, или предпочтительно в диапазоне от 20 до 80 мас.%, в каждом случае от общей массы жидкой фазы и/или пасты.
Жидкая фаза и/или паста, как правило, может содержать один (одно) или несколько растворителей и/или связующих. В этом отношении могут использоваться неорганические и/или органические растворители.
В случае если жидкая фаза и/или паста содержит неорганическое соединение, это неорганическое соединение может выбираться из группы, состоящей из воды, кислоты и основания, в частности соляной кислоты, азотной кислоты, серной кислоты и крепкого щелочного раствора или их смесей. Содержание неорганического соединения в жидкой фазе и/или пасте может находиться в диапазоне от 0,1 до 99 мас.%, или в диапазоне от 1 до 95 мас.%, или в диапазоне от 10 до 90 мас.%, в каждом случае от массы жидкой фазы и/или пасты. Вышеупомянутые компоненты жидкой фазы и/или пасты в совокупности составляют 100 мас.%.
Жидкая фаза и/или паста может иметь вязкость в диапазоне от 100 до 50000 мПа·с, или в диапазоне от 500 до 10000 мПа·с, или в диапазоне от 1000 до 5000 мПа·с.
После нанесения на несущую поверхность жидкой фазы и/или пасты, содержащей по меньшей мере первый электродный материал, жидкую фазу и/или пасту высушивают для образования рабочего электрода. Высушивание можно проводить любым методом, подходящим для реализации назначения изобретения. Высушиванию можно способствовать, используя различные методы сушки. Методы сушки могут выбираться из группы методов, состоящей из нагревания, обдува, облучения или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных методов. Для нагревания может использоваться нагревательный аппарат (печь), нагреваемая поверхность или комбинация этих средств. Для обдува может использоваться источник газового потока, например, обдув может выполняться нагретым воздухом. Облучение может выполняться с помощью ультрафиолетовой или инфракрасной лампы. Высушивание может проводиться при температуре в диапазоне от 20 до 40°С, или в диапазоне от 25 до 35°С. Длительность высушивания может находиться в диапазоне от 1 минуты до 24 часов, или в диапазоне от 30 минут до 10 часов, или в диапазоне от 1 до 5 часов. В результате высушивания жидкой фазы и/или пасты на подложке получают рабочий электрод.
Используя эти методы нанесения или покрытия, на поверхность подложки можно накладывать рисунок из первого электродного материала. В процессе нанесения первого электродного материала из него можно сформировать по меньшей мере одну точку, линию или сетку. По меньшей мере одна точка или линия может иметь диаметр или ширину в диапазоне от 0,01 до 10 мм, или в диапазоне от 0,05 до 5 мм, или в диапазоне от 0,1 до 1 мм. Толщина линий сетки может находиться в тех же диапазонах, что приведены выше для точек. Точки или линии сетки могут располагаться на расстоянии друг от друга, находящемся в диапазоне от 0,05 до 10 мм, или в диапазоне от 0,1 до 5 мм, или в диапазоне от 0,5 до 3 мм, или образовывать ячейки размером, находящимся в этих диапазонах. По меньшей мере одна точка, линия или сетка, выполненная из первого электродного материала, может образовывать по меньшей мере один рабочий электрод или его часть. Точки или линии в составе сетки могут иметь одинаковую или различную протяженность, в частности, могут иметь одинаковую или различную ширину и длину. Длина линий сетки может находиться в диапазоне от 0,01 до 50 мм, или в диапазоне от 0,05 до 10 мм, или в диапазоне от 0,1 до 5 мм. Высота точек или линий может находиться в диапазоне от 0,01 до 10 мм, или в диапазоне от 0,1 до 5 мм, или в диапазоне от 0,5 до 2 мм.
В еще одном варианте выполнения датчика рабочий электрод выполнен в виде по меньшей мере одной площадки, на которую непосредственно или опосредованно может наноситься образец. Каждая площадка рабочего электрода предпочтительно образована по меньшей мере одной точкой, линией или сеткой, каждая из которых может образовывать геометрически связную область первого электродного материала. Если на проводящий материал нанесено более одной точки, линии или сетки из первого электродного материала, датчик имеет более одной площадки электрода. Вместе все площадки образуют рабочий электрод. Датчик может содержать рабочий электрод, число площадок которого может находиться в диапазоне от 1 до 50, или в диапазоне от 2 до 30, или в диапазоне от 5 до 20.
Как было указано выше, в частном случае, когда датчик является имплантируемым в ткань организма пользователя, датчик может быть полностью или частично покрыт по меньшей мере одним защитным слоем, таким как биологически совместимая мембрана, например полиметакрилатная мембрана, в частности мембрана, покрывающая по меньшей мере одну площадку рабочего электрода.
Кроме того, предлагается вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором проводящий материал площадки рабочего электрода электрически соединен по меньшей мере с одним электропроводящим контактным выводом.
2
3
Предусмотрен еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором содержание частиц MnO в первом электродном материале находится в диапазоне от 1 до 90 мас.%, или в диапазоне от 3 до 80 мас.%, или в диапазоне от 5 до 50 мас.% от общей массы первого электродного материала, предпочтительно в полностью высушенном состоянии.
Предусмотрен еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором первый электродный материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из графита, фермента, связующего или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Содержание графита в первом электродном материале может находиться в диапазоне от 10 до 90 мас.%, или в диапазоне от 20 до 80 мас.%, или в диапазоне от 30 до 70 мас.% от общей массы первого электродного материала. Далее, содержание фермента в первом электродном материале может находиться в диапазоне от 0,1 до 50 мас.%, или в диапазоне от 1 до 40 мас.%, или в диапазоне от 5 до 30 мас.% от общей массы первого электродного материала. Кроме того, содержание связующего в первом электродном материале может находиться в диапазоне от 0,1 до 20 мас.%, или в диапазоне от 1 до 15 мас.%, или в диапазоне от 2 до 10 мас.% от общей массы первого электродного материала. Связующим может быть любой материал, помогающий придавать первому электродного материала форму, позволяющую легко наносить его на проводящий материал. Связующее может быть полимерным и/или органическим. Возможными связующими являются, например поливиниловые спирты, поливинилпирролидоны, поливинилхлориды, поливинилацетаты, поливинилбутираты, эфиры полиакриловой кислоты, амиды полиакриловой кислоты, эфиры полиметакриловой кислоты, амиды полиметакриловой кислоты, полиакрилонитрилы, сополимеры стирола и эфиров акриловой кислоты, сополимеры винилацетата и эфиров акриловой кислоты и сополимеры этилена и винилацетата, полибутадиены, полиизопрены, полистиролы, простые полиэфиры, сложные полиэфиры, поликарбонаты, полиуретаны, полиамиды, полиимиды, полисульфоны, меламинформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, кремнийорганические смолы или целлюлозы. Возможными предпочтительными полимерными органическими связующими также являются связующие, получаемые добавлением сшивающих агентов, таких, например, как меламиновые соединения, маскированные изоцианаты или функциональные силаны, такие, например, как 3-глицидоксипропилтриалкоксисилан, тетраэтоксисилан и гидролизат тетраэтоксисилана, или сшиваемых полимеров, таких, например, как полиуретаны, полиакрилаты или полиолефины, и последующим сшиванием (формированием поперечных связей). Такие сшивающие продукты, подходящие в качестве полимерного связующего, также могут образовываться, например, за счет реакции добавленных сшивающих агентов с полимерными анионами, возможно содержащимися в первом электродном материале. Вышеупомянутые компоненты электродного материала в совокупности могут составлять 100 мас.%.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Частицы MnO могут объединяться, или собираться, образуя другой компонент первого электродного материала. Например, первый электродный материал в качестве одного компонента может содержать графит, как это описано выше. Графит может находиться в виде жидкой фазы и/или пасты, например, в виде графитовой пасты. Еще одним компонентом жидкой фазы может быть спирт. После высушивания жидкой фазы и/или пасты на датчике графит и другие компоненты первого электродного материала могут образовывать пористую массу. У поверхности пористой массы могут собираться частицы MnO. Связующее может способствовать объединению частиц MnO и других составных частей первого электродного материала, таких как обнаруживающий материал, в пористую массу. Благодаря объединению обнаруживающего материала с частицами MnO на поверхности первого электродного материала может быть обеспечено большое количество реакционноспособных соединений на поверхности первого электродного материала. Также, благодаря пористости первого электродного материала достигается близость обнаруживающего материала, например фермента, к частицам MnO.
В еще одном варианте выполнения датчика фермент представляет собой или включает в себя оксидазу. Кроме того, предлагается вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором оксидаза выбрана из группы, состоящей из алкогольоксидазы, глюкозооксидазы, уриказы, моноаминоксидазы, цитохром-Р450-оксидазы, НАДФ·Н-оксидазы (оксидазы никотинамидадениндинуклеотидфосфата в Н-форме), ксантиноксидазы, L-гулонолактоноксидазы, лакказы, лизилоксидазы или смеси по меньшей мере двух из перечисленных оксидаз. В предпочтительном варианте выполнения датчика ферментом является глюкозооксидаза (GOD).
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Предусмотрен еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором первый электродный материал обеспечивает протекание реакции определения аналита с образованием НО. В этом варианте осуществления изобретения реакция определения аналита может быть любой реакцией, сопровождающейся образованием НО. Когда в качестве датчика предусмотрен электрохимический датчик, НО может восстанавливаться на рабочем электроде, порождая электрический ток, который может быть обнаружен. НО предпочтительно образуется в процессе реакции определения аналита в результате взаимодействия аналита и обнаруживающего материала, взятых в стехиометрическом соотношении. "Стехиометрическое" по смыслу изобретения означает то, что в процессе реакции определения аналита одна молекула аналита дает натуральное число молекул НО, или что молекула НО, возникающая во время реакции определения аналита, образуется из одной или нескольких молекул аналита. Предпочтительно, чтобы в процессе реакции определения аналита одна молекула участвующего в этой реакции аналита давала одну, две или более молекул НО. Например, во время реакции одной молекулы глюкозы с ферментом глюкозооксидазы (GOD) в водной среде образуется одна молекула HO, согласно уравнению II:
2
2
Согласно уравнению (I), как это описано выше, молекула НО может окисляться на рабочем электроде.
Для получения датчика с низким сопротивлением, а значит, и с низким энергопотреблением компоненты датчика должны выбираться надлежащим образом. Во время протекания реакции согласно уравнению (I) при замыкании соответствующей электрической цепи появляется поддающийся измерению электрический ток. Появившийся ток должен направляться от рабочего электрода к детектирующему устройству. Это может обеспечиваться путем соединения первого электродного материала с проводящим материалом. Проводящий материал должен быть способен проводить электрический ток и должен быть электрически соединяемым с детектирующим устройством. Детектирующее устройство может включать в себя по меньшей мере одно устройство измерения тока и/или по меньшей мере одно устройство измерения напряжения, например потенциометр или потенциостат. Примеры подходящей измерительной системы, включающей в себя детектирующее устройство, даны в публикации WO 2007/071562 А1. Возможно применение и других детектирующих устройств.
В одном варианте выполнения датчика проводящий материал содержит компонент, выбранный из группы, состоящей из золота, платины, палладия, серебра или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов. Проводящий материал может образовывать контактные выводы. Контактные выводы может иметь толщину, находящуюся в диапазоне от 10 до 250 мкм, или в диапазоне от 30 до 180 мкм, или в диапазоне от 50 до 150 мкм.
В еще одном варианте выполнения датчика по меньшей мере часть датчика покрыта защитным слоем. Обычно защитный слой используется в биодатчике, вводимом в организм, например, в ткань и/или кровеносный сосуд тела пользователя, например пациента. Назначение защитного слоя может заключаться в превращении датчика в биологически совместимое устройство. Предпочтительно, чтобы защитный слой представлял собой или содержал по меньшей мере одну мембрану. Защитным слоем может быть слой, находящийся в контакте с частями организма, такими как интерстициальная жидкость, кровь или ткань пациента, если датчик внедрен в организм пациента. Защитный слой может служить биологически совместимым слоем. Таким образом, защитный слой может содержать, по меньшей мере частично, биологически совместимый материал. Содержание биологически совместимого материала в защитном слое может находиться в диапазоне от 50 до 100 мас.%, или в диапазоне от 70 до 100 мас.%, или в диапазоне от 90 до 100 мас.% от общей массы защитного слоя. Биологически совместимым материалом является материал, который при вступлении в контакт с живым организмом не оказывает на последний отрицательного влияния. Для определения того, является ли тот или иной материал биологически совместимым, материал может применяться в соответствии со стандартом ISO 10993. Защитный слой может содержать полимер и белок или их смесь. Полимер может быть выбран из группы, состоящей из полиметакрилата, полиуретана (ПУ), поливинилового спирта (ПВС), полиимида и купрофана (CUP) или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ. Предпочтительно, чтобы защитный слой содержал сополимер 2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолина и н-бутилметакрилата (МФХ). МФХ может растворяться в этаноле.
Предусмотрен еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором подложка содержит биологически совместимый материал. Биологически совместимый материал может быть таким же, что описан выше в контексте защитного слоя. Содержание биологически совместимого материала в подложке может находиться в диапазоне от 1 до 100 мас.%, или в диапазоне от 30 до 100 мас.%, или в диапазоне от 50 до 100 мас.%.
Кроме того, предлагается вариант выполнения предлагаемого в изобретении датчика, в котором датчик содержит по меньшей мере один другой электрод, выбранный из группы, состоящей из электрода сравнения, противоэлектрода и объединенного электрода сравнения и противоэлектрода. Таким образом, в качестве примера, датчиком может быть датчик двухэлектродной схемы, включающей в себя по меньшей мере один рабочий электрод и по меньшей мере один объединенный противоэлектрод и электрод сравнения, или датчиком может быть датчик трехэлектродной схемы, включающей в себя по меньшей мере один рабочий электрод, по меньшей мере один противоэлектрод и по меньшей мере один электрод сравнения, отдельный от противоэлектрода.
2
2
4
Другой электрод содержит другой электродный материал. Противоэлектрод может содержать по меньшей мере один электродный материал, предпочтительно проводящий электродный материал, такой как металл. Металл может быть выбран из группы, состоящей из Au, Ag, Pd, Pt или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов. Электрод сравнения может содержать другой электродный материал, выбранный из группы, состоящей из металла, сульфата металла и галогенида металла или их смеси. Металл может быть выбран из группы, состоящей из Au, Ni, Ag, Hg, Cu, Pd, Pt или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов. Галогенид металла может быть выбран из группы, состоящей из AgCl, AgBr, AgI, HgCl, CuSO или их смеси. Электрод сравнения может содержать смесь Ag и AgCl, содержание которой находится в диапазоне от 1 до 100 мас.%, или в диапазоне от 30 до 100 мас.%, или в диапазоне от 50 до 100 мас.% от общей массы электрода сравнения. Противоэлектрод может содержать те же компоненты, что и рабочий электрод, наряду с обнаруживающим материалом. Например, противоэлектрод может содержать графит. Противоэлектрод может иметь размер, позволяющий обходиться без дополнительного электрода сравнения. Например, противоэлектрод имеет размер, для которого во время работы датчика по измерению токов потенциал не изменяется более чем на 10 мВ.
В качестве еще одного объекта изобретения предлагается сенсорная система для определения аналита в образце, включающая в себя по меньшей мере один датчик, описанный выше, и по меньшей мере одно детектирующее устройство, электрически соединяемое с рабочим электродом и по меньшей мере с одним другим электродом датчика, причем детектирующее устройство приспособлено для измерения, т.е. выполнено с возможностью измерения, по меньшей мере одного параметра, выбранного из группы, состоящей из электрического тока между рабочим электродом и другим электродом, электрического напряжения между рабочим электродом и другим электродом или комбинации этих параметров.
Детектирующее устройство может быть таким же, как описано выше при рассмотрении датчика. По меньшей мере одно детектирующее устройство должно быть способным подавать на датчик напряжение, а также должно быть способным измерять ток, генерируемый электродами. По меньшей мере одно детектирующее устройство может создавать и измерять напряжение. По меньшей мере одно детектирующее устройство также может создавать и измерять ток. Таким образом, детектирующее устройство может включать в себя по меньшей мере одно устройство измерения тока и/или по меньшей мере одно устройство измерения напряжения. В качестве примера, детектирующее устройство может содержать по меньшей мере один потенциометр или потенциостат. Детектирующее устройство может быть электрически соединено с датчиком, например, посредством по меньшей мере одного контакта. Контакт детектирующего устройства может контактировать с проводящим контактным выводом датчика для подачи напряжения или тока на электроды или для измерения напряжения или тока, снимаемых с электродов. Контактом может быть любой контакт, который специалист использовал бы для обеспечения электрического соединения. Контакт может содержать любой материал, подходящий для электрического соединения датчика с детектирующим устройством.
В состав сенсорной системы также может входить источник энергии, такой как батарея. Дополнительно к такому источнику энергии или в качестве альтернативы ему может быть предусмотрен внешний источник питания. Источник энергии может, например, снабжать энергией детектирующее устройство. Кроме того, сенсорная система может включать в себя память для хранения данных.
Сенсорная система может включать в себя один или несколько пользовательских интерфейсов, например один или несколько органов управления и/или один или несколько дисплеев. Дополнительно к пользовательскому интерфейсу или в качестве альтернативы ему сенсорная система может включать в себя один или несколько электронных интерфейсов, таких как беспроводные и/или проводные интерфейсы.
Сенсорной системой преимущественно может быть переносная сенсорная система и/или портативное устройство. Вместе с тем, возможно применение и других типов устройств.
В качестве еще одного объекта изобретения предлагается способ изготовления датчика, предназначенного для определения аналита в образце, включающий в себя этапы:
Р1. подготовки подложки, имеющей несущую поверхность;
Р2. нанесения проводящего материала по меньшей мере на часть несущей поверхности;
Р3. нанесения первого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием первого электрода;
2
3
причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO.
Этапы способа могут выполняться в указанном выше порядке. В качестве альтернативы возможно выполнение этапов способа в другом порядке. Кроме того, один или несколько этапов способа может выполняться повторно и/или несколько этапов способа могут перекрываться во времени. Кроме того, способ может включать в себя дополнительные этапы способа.
Способ предпочтительно рассчитан на изготовление датчика, раскрытого выше. Таким образом, в отношении возможных подробностей осуществления способа и конструкции датчика, изготавливаемого этим способом, можно обращаться к приведенному выше описанию датчика или воспользоваться сведениями, раскрытыми ниже.
2
2
2
2
2
2
На первом этапе способа изготовления датчика подготавливают подложку (основу). Подложку можно подготавливать любыми средствами, позволяющими выполнение следующего этапа б) способа. В качестве примера проведения подготовки подложки можно указать действие, выбранное из группы, состоящей из укладки, разматывания и разворачивания подложки или комбинации по меньшей мере двух из перечисленных действий. Подложку можно подготавливать любым образом, обеспечивающим возможность доступа к несущей поверхности подложки для нанесения проводящего материала на подложку. Материалы и свойства подложки могут быть теми же, что описаны выше для датчика. Предпочтительно, чтобы подложка была гибкой. На подложку наносят первый проводящий материал, покрывая им часть несущей поверхности. Проводящий материал может иметь свойства, уже описанные для проводящего материала в отношении датчика. В предпочтительном варианте осуществления способа изготовления датчика площадь несущей поверхности подложки, покрываемая слоем, содержащим золото, находится в диапазоне от 50 до 100%, или предпочтительно в диапазоне от 60 до 100%, или предпочтительно в диапазоне от 70 до 100% от общей площади несущей поверхности. Нанесение проводящего материала может выполняться методами, рассмотренными выше в отношении нанесения покрытия на несущую поверхность. Проводящий материал предпочтительно наносить путем напыления золота на несущую поверхность с получением слоя золота. В случае нанесения на подложку слоя золота в качестве подложки может использоваться пленка из полимера. Полимером предпочтительно является полиимид. После нанесения слоя золота на несущую поверхность, участки слоя золота можно удалить. Удаление участков слоя золота может выполняться любым методом, подходящим для удаления слоев металла с полимерной поверхности. Перед подготовкой подложки на этапе а) предлагаемого в изобретении способа подложка может храниться в виде намотанной на бобину или смотанной в рулон пленки. Пленка может содержать множество подложек для датчика, для чего в пленке может быть насечен или выдавлен контур каждой подложки датчика. Для передачи подложки с одной бобины на другую, пленка может быть намотана на первую бобину, а ее свободный конец может быть закреплен на второй бобине. Такая фиксация пленки между двумя бобинами делает по меньшей мере одну поверхность подложки доступной для проведения следующего этапа предлагаемого в изобретении способа. Такой доступной поверхностью является по меньшей мере часть несущей поверхности подложки. Поверхность пленки, доступная при выполнении по меньшей мере одного этапа способа, находится предпочтительно в диапазоне от 1 мм до 1000 м, или предпочтительно в диапазоне от 10 мм до 500 м, или предпочтительно в диапазоне от 1 см до 100 м.
2
3
Нанесение первого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием первого электрода, может выполняться методом, уже описанным выше при рассмотрении датчика. Также все свойства и составы первого электродного материала могут быть теми же, что были описаны выше при рассмотрении датчика. Первым электродом, получаемым в результате нанесения первого электродного материала, может быть рабочий электрод, описанный выше при рассмотрении датчика. То же самое касается реакции определения аналита, состава и свойств частиц MnO.
Предлагается еще один вариант осуществления способа, включающий дополнительный этап:
Р4. нанесение другого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием другого электрода.
Нанесение другого электродного материала может выполняться так же, как и нанесение первого электродного материала. Как уже упоминалось в отношении рассмотренных выше вариантов выполнения датчика, нанесение любого из электродных материалов может выполняться методом печати, укладки, нанесения покрытия, импрегнирования, погружения или комбинации этих методов. Возможные подробности в отношении нанесения электродных материалов, например, в виде их наложения, можно получить из приведенного выше описания датчика.
Предлагается еще один вариант осуществления способа, в котором нанесение электродного материала на любом из этапов РЗ или Р4 или на обоих этапах выполняют путем печати.
Кроме того, предлагается вариант осуществления способа, в котором нанесение электродного материала на любом из этапов Р3 или Р4 или на обоих этапах выбирают из группы, состоящей из офсетной печати, глубокой печати, чернильной (струйной) печати, трафаретной печати, ротаторной печати, тампонной печати, флексографской печати или комбинации этих методов. Первый и/или другой электродный материал предпочтительно наносить методом трафаретной печати. Трафаретную печать можно выполнять, как это уже описано выше в отношении датчика. В качестве альтернативы или дополнения, трафаретную печать можно выполнять периодическим методом, при котором подготавливают пленку подложки, покрытую проводящим материалом. Пленка подложки может включать в себя множество датчиков, оформленных в пленке тиснением в количестве, находящемся в диапазоне от 1 до 1000, или в диапазоне от 10 до 500, или в диапазоне от 50 до 200. Со стороны несущей поверхности пленки подложки накладывается сетка из полимера или стали. Через эту сетку может быть нанесен электродный материал рабочего электрода, электрода сравнения и/или противоэлектрода. Размер ячейки сетки может находиться в диапазоне от 1 до 300 мкм, или в диапазоне от 5 до 250 мкм, или в диапазоне от 10 до 200 мкм.
В качестве еще одного объекта изобретения предлагается датчик, получаемый описанным выше способом.
В качестве обобщения сведений о сущности настоящего изобретения ниже охарактеризованы варианты осуществления изобретения, являющиеся предпочтительными:
1-й вариант осуществления изобретения: Способ определения аналита в образце, включающий в себя этапы:
2
3
S1. подготовки датчика, содержащего проводящий материал и первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием рабочего электрода, причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO;
2
2
S2. приложения к рабочему электроду напряжения, выбираемого из диапазона напряжений, при которых НО в образце будет восстанавливаться на рабочем электроде.
2-й вариант осуществления изобретения: Способ по предыдущему варианту осуществления изобретения, в котором напряжение рабочего электрода находится в диапазоне от 50 до 150 мВ относительно электрода сравнения, содержащего Ag/AgCl в растворе KCl с концентрацией 3 моль/л.
3-й вариант осуществления изобретения: Датчик для определения аналита в образце, содержащий:
- подложку, имеющую несущую поверхность;
- проводящий материал, нанесенный по меньшей мере на часть несущей поверхности;
- первый электродный материал, нанесенный по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием рабочего электрода;
2
3
причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO.
4-й вариант осуществления изобретения: Датчик по предыдущему варианту осуществления изобретения, в котором рабочий электрод выполнен в виде по меньшей мере одной площадки, на которую может наноситься образец.
5-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из двух предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором проводящий материал рабочего электрода электрически соединен по меньшей мере с одним электропроводящим контактным выводом.
6-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из трех предыдущих вариантов осуществления изобретения, содержащий по меньшей мере один другой электрод, выбранный из группы, состоящей из электрода сравнения, противоэлектрода и объединенного электрода сравнения и противоэлектрода.
2
3
7-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из четырех предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором содержание частиц MnO в первом электродном материале находится в диапазоне от 5 до 50 мас.%.
8-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из пяти предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором первый электродный материал также содержит материал, выбранный из группы, состоящей из графита, фермента, связующего или смеси по меньшей мере двух из перечисленных веществ.
9-й вариант осуществления изобретения: Датчик по предыдущему варианту осуществления изобретения, в котором ферментом является оксидаза.
10-й вариант осуществления изобретения: Датчик по предыдущему варианту осуществления изобретения, в котором оксидаза выбрана из группы, состоящей из алкогольоксидазы, глюкозооксидазы, уриказы, моноаминоксидазы, цитохром-Р450-оксидазы, НАДФ·Н-оксидазы, ксантиноксидазы, L-гулонолактоноксидазы, лакказы, лизилоксидазы или смеси по меньшей мере двух из перечисленных оксидаз.
2
2
11-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из восьми предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором первый электродный материал обеспечивает протекание реакции определения аналита с образованием НО.
12-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из девяти предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором проводящий материал содержит компонент, выбранный из группы, состоящей из золота, платины, палладия, серебра или смеси по меньшей мере двух из перечисленных элементов.
13-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из десяти предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором по меньшей мере часть несущей поверхности покрыта защитным слоем.
14-й вариант осуществления изобретения: Датчик по любому из одиннадцати предыдущих вариантов осуществления изобретения, в котором подложка содержит биологически совместимый материал.
15-й вариант осуществления изобретения: Сенсорная система для определения аналита в образце, включающая в себя по меньшей мере один датчик по одному из предыдущих тринадцати вариантов осуществления изобретения и по меньшей мере одно детектирующее устройство, электрически соединяемое с рабочим электродом и по меньшей мере с одним другим электродом датчика, причем детектирующее устройство приспособлено для измерения по меньшей мере одного параметра, возникающего при использовании способа по одному из его предыдущих вариантов способа и выбранного из группы, состоящей из электрического тока между рабочим электродом и другим электродом, электрического напряжения между рабочим электродом и другим электродом или комбинации этих параметров.
16-й вариант осуществления изобретения: Способ изготовления датчика, предназначенного для определения аналита в образце, включающий в себя этапы:
Р1. подготовки подложки, имеющей несущую поверхность;
Р2. нанесения проводящего материала по меньшей мере на часть несущей поверхности;
Р3. нанесения первого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием первого электрода;
2
3
причем первый электродный материал приспособлен для осуществления по меньшей мере одной реакции определения аналита, если аналит присутствует в образце, и первый электродный материал содержит частицы MnO.
17-й вариант осуществления изобретения: Способ по 16-му варианту осуществления изобретения, включающий дополнительный этап:
Р4. нанесения другого электродного материала по меньшей мере на часть проводящего материала с образованием другого электрода.
18-й вариант осуществления изобретения: Способ по 16-му или 17-му варианту осуществления изобретения, в котором нанесение на любом из этапов Р2 и Р3 или на обоих этих этапах выполняют путем печати.
19-й вариант осуществления изобретения: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения с 16-го по 18-й, в котором нанесение на любом из этапов Р2 и Р3 или на обоих этих этапах выбирают из группы, состоящей из трафаретной печати, глубокой печати или сочетании этих методов.
20-й вариант осуществления изобретения: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения с 16-го по 19-й, в котором к рабочему электроду прикладывают напряжение в диапазоне от 50 до 150 мВ относительно электрода сравнения, содержащего Ag/AgCl в растворе KCl с концентрацией 3 моль/л.
21-й вариант осуществления изобретения: Датчик, получаемый способом по любому из предыдущих вариантов осуществления способа с 16-го по 20-й.
ПРИМЕРЫ:
1. Получение рабочих электродов
Для получения рабочего электрода на подложке датчика нанесли жидкую фазу и/или пасту на часть проводящего материала, покрывающего по меньшей мере часть несущей поверхности на подложке. Жидкая фаза и/или паста в форме пасты для формирования рабочего электрода содержала следующие компоненты:
- 66,80 мас.% графита РЕ401 производства компании Acheson Industries Deutschland (Германия);
- 0,8 мас.% глюкозооксидазы производства компании Roche Diagnostics GmbH, Германия;
2
3
- 15,4 мас.% частиц MnO производства компании Strem Chemicals Inc., Германия;
- 17 мас.% монобутилового эфира диэтиленгликоля (DEGMBE), производства компании Merck KGaA, Германия.
Графит РЕ401 содержал:
- 36 мас.% графита;
- 64 мас.% неизвестного растворителя.
Компоненты смешивали дважды в течение 5 минут в скоростном смесителе (производства компании Hauschild & Со KG, Германия) при частоте вращения 3000 об/мин. Смесь наносили поверх несущей поверхности, покрывая смесью по меньшей мере часть проводящего материала. Смесь сушили в вакууме в течение 240 минут при комнатной температуре.
2. Получение электродов сравнения
Для получения электрода сравнения на подложке датчика нанесли жидкую фазу и/или пасту на часть проводящего материала, покрывающего по меньшей мере часть несущей поверхности на подложке. Жидкая фаза и/или паста для формирования электрода сравнения содержала следующие компоненты:
- 94 мас.% материала Electrodag 6037SS производства компании Acheson Industries Deutschland (Германия);
- 6 мас.% монобутилового эфира диэтиленгликоля (DEGMBE) производства компании Merck KGaA, Германия.
Компоненты смешивали четырежды в течение 15 секунд в скоростном смесителе (производства компании Hauschild & Со KG, Германия) при частоте вращения 3000 об/мин. Смесь наносили поверх несущей поверхности, покрывая смесью по меньшей мере часть проводящего материала. Смесь сушили в течение 120 минут при температуре 80°С и при нормальном давлении.
3. Получение противоэлектродов
Для получения противоэлектрода на подложке датчика нанесли жидкую фазу и/или пасту на часть проводящего материала, покрывающего по меньшей мере часть несущей поверхности на подложке. Жидкая фаза и/или паста для формирования противоэлектрода содержала следующие компоненты:
- 94 мас.% графита РЕ401 производства компании Acheson Industries Deutschland (Германия);
- 6 мас.% монобутилового эфира диэтиленгликоля (DEGMBE) производства компании Merck KGaA, Германия.
Графит РЕ401 содержал:
- 36 мас.% графита;
- 64 мас.% неизвестного растворителя.
Компоненты смешивали в течение 5 минут в скоростном смесителе (производства компании Hauschild & Со K.G, Германия) при частоте вращения 3000 об/мин. Смесь наносили поверх несущей поверхности, покрывая смесью по меньшей мере часть проводящего материала. Смесь сушили в течение 120 минут при температуре 80°С.
Краткое описание чертежей
Другие дополнительные (факультативные) признаки изобретения и возможности его осуществления подробнее раскрываются в приведенном ниже описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, предпочтительно совместно с зависимыми пунктами его формулы. В этом отношении соответствующие дополнительные признаки могут быть реализованы, как это понятно специалисту, по отдельности, а также в любой произвольной комбинации. Объем охраны изобретения не ограничивается предпочтительными вариантами его осуществления. Варианты осуществления изобретения схематически представлены на чертежах. На чертежах одинаковые ссылочные номера относятся к одинаковым или функционально сопоставимым элементам. На чертежах показано:
на фиг. 1a - схематический вид сверху предлагаемого в изобретении датчика с рабочим электродом, электродом сравнения и противоэлектродом,
на фиг. 1б - схематический вид сбоку предлагаемого в изобретении датчика с рабочим электродом, электродом сравнения и противоэлектродом,
2
3
на фиг. 2 - диаграмма, на которой представлены результаты измерения, полученные с помощью двух электродов, один из которых содержит MnO, а другой - не содержит,
2
3
на фиг. 3 - диаграмма, на которой представлены результаты измерения, полученные датчиком с матрицей, содержащей MnO, глюкозооксидазу и графит, для различных концентраций глюкозы,
2
3
на фиг. 4 - столбчатая диаграмма, на которой представлены результаты измерения, полученные датчиком с матрицей, содержащей MnO, глюкозооксидазу и графит, в растворе глюкозы с концентрацией 10 ммоль/л для различных мешающих молекул,
на фиг. 5 - схематическое изображение сенсорной системы с детектирующим устройством,
на фиг. 6 - схема осуществления способа изготовления датчика.
Осуществление изобретения, поясняемое чертежами
На фиг. 1а приведен схематический вид сверху предлагаемого в изобретении датчика 2. Датчик 2 содержит подложку 4, изготовленную из пленки Melinex производства компании DuPont Teijin Films, Европа. Датчик 2 имеет прямоугольную форму, но вместе с тем датчик 2 может иметь любую форму, подходящую для определения аналита в образце (пробе) 26. В данном примере датчик 2 имеет в области 16 контактирования длину 2 см, ширину 0,5 мм и высоту 0,15 мм. Высота остальной части датчика 2 может быть больше 0,15 мм, так как в этой области датчика 2 электроды 6, 10, 12 и/или изоляционный слой 18 могут быть толще. Высота датчика в области за пределами области контактирования может находиться в диапазоне от 0,15 до 2 мм.
На несущей поверхности 20 подложки 4 находятся три проводящих контактных вывода 28, расположенные рядом друг с другом на расстоянии друг от друга, составляющем 0,05 мм. Ширина каждого проводящего контактного вывода 28 составляет 0,05 мм. Проводящие контактные выводы 28 образуют три параллельных линии, выполненных из золота. У одного конца подложки 4, находящегося на фиг. 1 слева, расположена область 16 контактирования. Начальные точки проводящих контактных выводов 28 образуют отрезок, перпендикулярный левой кромке подложки 4. Длина каждого проводящего контактного вывода 28 может меняться в зависимости от того, с каким электродом этот вывод контактирует. В данном примере проводящий контактный вывод 28, проходящий посредине датчика 2, является наиболее коротким, так как он контактирует с электродом сравнения 10. Проводящие контактные выводы 28 имеют длину, находящуюся в диапазоне от 1,5 до 1,9 см. Наиболее длинным является проводящий вывод 28, контактирующий с противоэлектродом 12. Проводящий контактный вывод 28, контактирующий с рабочим электродом 6, имеет изгиб у правого конца подложки 4, что обеспечивает расположение первого электродного материала 24 на центральной оси 80 датчика 2.
В области 16 контактирования датчика 2 подложка 4 может расширяться в ширину. Область 16 контактирования может иметь размеры 0,5 см по длине, 4,5 мм по ширине и 0,15 мм по высоте. Таким образом, в этой части датчик 2 имеет увеличенную ширину. Увеличенная по ширине область 16 контактирования подложки 4 может быть расположена асимметрично, только с одной стороны датчика 2, или симметрично - с обеих сторон датчика 2.
2
3
В области 16 контактирования проводящие контактные выводы 28 также могут быть шире, чем в остальной части подложки 4. В области 16 контактирования проводящие контактные выводы 28 имеют ширину 1 мм на длине 0,5 см. Высота остается той же, что упомянута выше. В области 16 контактирования датчика 2 проводящие контактные выводы 28 оканчиваются. Именно в этой области с датчиком 2 может быть соединено детектирующее устройство 52, как показано на фиг. 5. На трех проводящих выводах 28 расположены три различных электродных материала 24, 24′. Рабочий электрод 6 содержит первый электродный материал 24, в виде графитовой матрицы с глюкозооксидазой и MnO. Электрод сравнения 10 содержит другой электродный материал 24′, в виде Ag/AgCl, а противоэлектрод 12 содержит еще один электродный материал, как это описано в примерах.
Рабочий электрод 6, электрод сравнения 10 и противоэлектрод 12 покрыты изоляционным слоем 18. Изоляционный слой 18 также может покрывать большую часть подложки 4 и проводящие контактные выводы 28. Высота изоляционного слоя 18 находится в диапазоне от 0,01 до 0,02 мм. При этом один конец каждого из проводящих контактных выводов 28 не покрыт изоляционным слоем 18. В качестве альтернативы, в изоляционном слое может быть предусмотрено по меньшей мере одно окно для обеспечения контакта с контактными выводами 28. Это та часть датчика 2, которая может быть подключена к детектирующему устройству 52, т.е. введена в контакт с ним. Положение электродов 6, 10, 12 может быть изменено. Рабочий электрод 6 необязательно должен быть расположен посредине трех электродов 6, 10, 12. Также возможен вариант осуществления изобретения, в котором в середине подложки 4 расположен электрод сравнения 10 или противоэлектрод 12. Если датчик 2 покрыт защитным слоем методом погружения, поверхность, противоположная показанной несущей поверхности 20 также покрыта защитным слоем (на чертежах это не показано).
На фиг. 1б датчик 2 изображен при виде сбоку. По сравнению с видом сверху, приведенным фиг. 1а, датчик 2, показанный на фиг. 1а, повернут вокруг штрихпунктирной линии 80, проходящей по центру датчика 2, на 90°. На этом виде сбоку видна последовательность материалов датчика 2. На фиг. 1б видна слоистая структура датчика 2. Внизу датчика 2 подложка 4 образует его первый слой, являющийся основой датчика 2.
На подложке 2 расположен слой проводящих контактных выводов 28. На проводящих контактных выводах 28 расположен изоляционный слой 18, за исключением области 16 контактирования и части проводящего материала 22, где расположены: первый электродный материал 24, нанесенный с образованием рабочего электрода 6, другой электродный материал 24′, нанесенный с образованием электрода сравнения 10, и другой электродный материал, нанесенный с образованием противоэлектрода 12. Не показано на виде сбоку то, что проводящий контактный вывод 28 соединен с другим электродным материалом 24′ электрода сравнения 10.
Весь датчик 2, кроме области 16 контактирования, может быть снабжен еще одним защитным слоем, таким как диффузионная мембрана. Кроме того, датчик 2, кроме области 16 контактирования, может быть покрыт защитным слоем. Защитным слоем может быть биологически совместимый материал, если датчик должен вводиться, по меньшей мере частично, в организм человека.
2
2
2
3
2
3
2
3
На фиг. 2 показана диаграмма, представляющая значения 34, 36, измеренные двумя датчиками при различных напряжениях поляризации и постоянной концентрации НО как аналита. Один из датчиков содержал рабочий электрод 6 из графита РЕ401 (производства компании Acheson, см. примеры), причем полученные этим датчиком значения обозначены квадратиками 36. Другой датчик содержал рабочий электрод 6 с MnO, содержавший 84,6 мас.% графита РЕ401 Acheson и 15,4 мас.% MnO, причем полученные этим датчиком значения обозначены ромбиками 34. Противоэлектроды 12 обоих датчиков содержали 100 мас.% графита РЕ401 Acheson. Электрод сравнения 10 обоих датчиков содержал материал Electrodag 6037SS (Acheson). Таким образом, два датчика- с частицами MnO и без них, использовавшихся для получения измеренных значений 34 и 36, имели схожий состав материала противоэлектродов 12.
2
2
Для измерения, результаты которого представлены на фиг. 2, два датчика были независимо помещены в фосфатный буфер концентрацией 10 ммоль/л при рН 7,4 с NaCl в концентрации 147 ммоль/л и НО в концентрации 50 мкмоль/л, погрузив электроды 6, 10, 12 в буферный раствор.
2
2
Буферный раствор готовили, растворяя вышеупомянутые соли в деионизированной воде, полученной в системе очистки Milli-Q Academic (Merck Millipore), в течение 30 минут при температуре 37°С, прежде чем добавить НО. В приготовленный таким образом буферный раствор погрузили датчики.
2
3
2
3
Датчики подключили областью контактирования к потенциостату Gamry G300 производства компании Gamry Instruments (США). В начале измерения источник питания отрегулировали на подачу напряжения 325 мВ (относительно Ag/AgCl в растворе КС1 с концентрацией 3 моль/л) между рабочим электродом и электродом сравнения. Это напряжение зафиксировали на 10 минут. По истечении этого времени напряжение изменяли восемь раз, каждый раз понижая его на 50 мВ относительного предыдущего значения и в конечном итоге доведя напряжение до -75 мВ. После каждого изменения напряжения в течение 10 минут проводили измерение тока. Ток измеряли детектирующим устройством. Результаты, полученные для датчика, содержавшего MnO, и для датчика без MnO, показаны на фиг. 2.
2
3
2
3
2
3
2
2
2
3
2
3
2
3
2
2
Представленное на фиг. 2 сравнение значений в экспериментальных точках 34, измеренных датчиком с MnO, и значений в экспериментальных точках 36, измеренных датчиком без MnO, показывает, что графитовый электрод 10 датчика без MnO, которым были получены измеренные значения 36, при погружении в раствор, содержащий НО, не выдает тока, независимо от напряжения поляризации, прикладываемого в диапазоне от -75 мВ до 325 мВ. Датчик же с MnO, с помощью которого были получены измеренные значения 34, демонстрирует изменение тока, начиная от напряжения 325 мВ и примерно до 175 мВ. На участке от 175 мВ до 25 мВ датчик с MnO выдает постоянный ток в диапазоне от -25 до 40 нА. Пока напряжение не понизилось до 25 мВ и ниже, датчик с MnO выдает стабильные результаты по току. Увеличение тока после уменьшения напряжения до 25 мВ и ниже до отрицательных напряжений приводит к реакции электрода с кислородом Оз, содержащимся в растворе. Это замечательный результат, так как электроды с другими содержащими металл катализаторами обеспечивают реакцию с НО при более низких напряжениях. Неожиданность результата заключается в том, что датчик можно использовать при столь низких напряжениях без каких-либо помех, обусловленных реакцией с кислородом.
2
3
2
2
На фиг. 3 представлена диаграмма результатов измерений, полученных с помощью датчика 2, имеющего рабочий электрод 6, содержащий графит, глюкозооксидазу и MnO, электрод сравнения 10 и противоэлектрод 12, причем все электроды получены, как это описано в приведенных выше примерах. Датчик 2 погрузили в буферный раствор, приготовленный, как описано при рассмотрении экспериментов, представленных на фиг. 2, но без добавления НО. Схема измерительной системы была той же, что и для экспериментов, представленных на фиг. 2. Детектирующим устройством измеряли ток при приложении между рабочим электродом 6 и электродом сравнения 10 напряжения 125 мВ. После 25-минутного доведения до равновесного состояния измеренный ток составил 0,8 нА. После этого измерения датчик 2 погрузили в буферный раствор, описанный выше, но с добавлением глюкозы в концентрации 5 ммоль/л. После 25-минутного доведения до равновесного состояния ток измерили снова. Ток изменился до 3,8 нА, как это показано соответствующей точкой 34 на диаграмме. Эксперимент повторили для концентраций глюкозы 10, 15, 20 и 25 ммоль/л, проведя измерения, как описано выше. Измеренные значения 34 на фиг. 3 демонстрируют линейное увеличение тока при увеличении концентрации глюкозы. Мешающее влияние кислорода во время этих измерений не измерялось.
На фиг. 4 представлено влияние добавления различных мешающих веществ на результаты измерений, получаемые с помощью датчика, как описано для фиг. 3. Детектирующим устройством измеряли ток при приложении между рабочим электродом 6 и электродом сравнения 10 напряжения 125 мВ. Первый столбец 40 диаграммы представляет процент интерференции с сигналом после того, как в буферный раствор, описанный в отношении измерений, представленных на фиг. 2 и 3, и содержавший глюкозу в концентрации 10 ммоль/л, добавили аскорбиновую кислоту в концентрации 2 мг/дл. Ток снова измеряли после 25-минутного доведения до равновесного состояния. Тот же буферный раствор использовали для измерения интерференции, представленной вторым столбцом 44, отражающим мешающее влияние мочевой кислоты в концентрации 8 мг/дл. Третьим мешающим веществом был ацетаминофен в концентрации 3 мг/дл, влияние которого представлено на столбчатой диаграмме третьим столбцом 46.
Как видно на диаграмме, наибольшую интерференцию (мешающее влияние) дает мочевая кислота. В данном случае добавление мочевой кислоты в раствор образца вызывает увеличение сигнала. Ацетаминофен проявляет уменьшающее влияние на сигнал датчика. Мешающее влияние аскорбиновой кислоты и ацетаминофена находится в пределах обычной погрешности измерения. Поскольку все три мешающих вещества проявляют очень низкую интерференцию с полезным сигналом, измеренная погрешность датчика уменьшена по сравнению с известными датчиками.
На фиг. 5 показана сенсорная система 50. Датчик 2, имеющий ту же геометрию и те же компоненты, что были описаны выше со ссылкой на фиг. 1а и 1б, установлен своей областью 16 контактирования в детектирующее устройство 52. Детектирующее устройство 52 имеет по меньшей мере один контакт 54 для контактирования с проводящими контактными выводами 28, ведущими к рабочему электроду 6, электроду сравнения 10 и противоэлектроду 12. Предпочтительно, чтобы каждый проводящий контактный вывод 28 был подключен к одному контакту 54 детектирующего устройства 52. Детектирующее устройство 52 способно выдавать и поддерживать постоянное по величине напряжение между рабочим электродом 6 и электродом сравнения 10. Благодаря поддержанию напряжения постоянным ток, измеряемый между рабочим электродом 6 и противоэлектродом 12, представляет собой, при использовании формул I и II, измерительный сигнал, пропорциональный концентрации аналита. Этот ток измеряется электрическим детектором 56, измеряющим ток между электродами 6 и 12 и входящим в состав детектирующего устройства 52.
На фиг. 6 представлена схема осуществления способа изготовления предлагаемого в изобретении датчика. На первом этапе Р1 60 подготавливают подложку 4, имеющую несущую поверхность 20. Подложку на первом этапе Р1 60 подготавливают, разматывая пленку из полиимида, хранящуюся в намотанном на бобину состоянии. Пленка имеет толщину 0,5 мм. Один конец пленки намотан на вторую бобину. Расстояние между бобинами находится в диапазоне от 1 до 100 м. В одном примере это расстояние составляет около 10 м. Пленка имеет ширину 1 м. В пленке насечены контуры датчиков в количестве около 100 штук на метр. На втором этапе Р2 62 на несущую поверхность 20 подложки методом напыления наносят проводящий материал 22 в виде золота. Из слоя золота формируют проводящие контактные выводы 28, для чего излишки золота снимают механическим методом. На третьем этапе Р3 64 на несущей поверхности 20 каждого из насеченных датчиков 2 на проводящие контактные выводы 28 наносят первый электродный материал 24 с образованием рабочего электрода 6, или площадки 8 рабочего электрода. Первый электродный материал 24 наносят на проводящие контактные выводы 28 в соответствии с приведенным выше примером 1. На четвертом этапе Р4 66 на проводящие контактные выводы 28 наносят электрод сравнения 10 и/или противоэлектрод 12, как это описано выше в примерах 2 или 3. Как возможный вариант, способ может включать в себя пятый этап Р5 (на схеме не показан) для покрытия по меньшей мере части датчика 2 биологически совместимой мембраной и/или защитным слоем. Это выполняется в соответствии с примером 4.
Перечень ссылочных обозначений
2 - датчик
4 - подложка
6 - рабочий электрод
8 - площадка рабочего электрода
10 - другой электрод, а именно электрод сравнения
12 - другой электрод, а именно противоэлектрод
16 - область контактирования
18 - изоляционный слой
20 - несущая поверхность
22 - проводящий материал
24 - первый электродный материал
24′ - другой электродный материал
26 - образец
28 - проводящий контактный вывод
30 - ось Х
32-ось Y
2
3
34 - измеренные значения, полученные датчиком с MnO
2
3
36 - измеренные значения, полученные датчиком без MnO
40 - первый столбец/аскорбиновая кислота в концентрации 2 мг/дл
44 - второй столбец/мочевая кислота в концентрации 8 мг/дл
46 - третий столбец/ацетаминофен в концентрации 3 мг/дл
50 - сенсорная система
52 - детектирующее устройство
54 - контакт
56 - электрический детектор
60 - этап 1
62 - этап 2
64 - этап 3
66 - этап 4
80 - штрихпунктирная линия/центральная ось датчика 2.