專利名稱：電化學傳感器及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學傳感器，尤其是涉及用于檢測或者測量諸如流體和溶解的固態(tài)材料之類的試樣分析物的模制成的電化學傳感器，以及制造和使用這些傳感器的方法。
背景技術：
電化學傳感器用于確定諸如流體或者溶解的固體材料中的各種試樣分析物的濃度。例如，電化學傳感器已經(jīng)被用于測量人體血液中的葡萄糖。這些傳感器已經(jīng)被用于糖尿病和保健行業(yè)中用于監(jiān)測人血液中的葡萄糖水平。傳感器通常和儀表一起使用，如果帶是設計用于模具的光度測定檢測的話，就用來測量光的反射系數(shù)，或者如果帶是設計用來檢測電活化復合材料的話，就用來測量一些諸如電流之類的電學屬性。
典型地，使用電學絕緣基制造電化學傳感器，通過絲網(wǎng)印刷將諸如碳或者銀之類的導電墨印刷到在電學絕緣基上而形成導電電極軌道或者通過薄金屬帶展開形成導電電極軌道。電極是傳感器的傳感元件并通常被稱為變換器。電極被覆蓋一層反應物層，此層包括與氧化還原酶結合的親水聚合物或者分析物專用的脫氫酶。進一步，安置在一部分基和電極上的是一個絕緣層。
電化學測量的精度和準確性很大程度地依賴電極表面區(qū)域在微觀尺寸上的重復能力。電極的形狀變化會使電化學信號的讀出產(chǎn)生很大變化。絲網(wǎng)印刷已經(jīng)對生產(chǎn)用于測定葡萄糖的傳感器產(chǎn)生了很大的影響。絲網(wǎng)印刷的廣泛使用由于能夠大規(guī)模生產(chǎn)相對的便宜傳感器。從較大卷形物展開得到金屬帶的應用也被廣泛地用來大規(guī)模生產(chǎn)這樣的傳感器。
盡管在絲網(wǎng)印刷和導電墨制造領域中取得了許多進展，但是由于在使用薄膜印刷技術中涉及到要進行反復和高溫愈合工藝，因此該技術在電極表面積、尺寸變化、厚度變化、微裂紋以及收縮方面仍然存在較差的可再現(xiàn)性在打印過程中溶劑的消耗也是導致電極厚度變化的另外一個因數(shù)。
使用印刷技術的傳感器開發(fā)要求經(jīng)過一些不同的導電墨，而不同導電墨需要不同的絲網(wǎng)。絲網(wǎng)放置位置的稍微偏差都能導致在電阻壓降和所施加的電勢上產(chǎn)生很大誤差。這些絲網(wǎng)的磨損和破裂也是另外一個誤差源由。還有，采用絲網(wǎng)印刷而制造的傳感器帶承受很大程度的原材料浪費。一般來說，每使用一克墨，就浪費一克墨。制造這樣的傳感器還要涉及到層壓工藝，這就增加了生產(chǎn)的復雜性和最終產(chǎn)品的制造成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明中提供一種電化學傳感器，用于檢測諸如流體和溶解的固體材料之類的試樣的各種分析物的濃度。把傳感器設計成可使用可靠且成本高效的注射模生產(chǎn)方法，便于進行大量生產(chǎn)。本發(fā)明包括注射模塑帶或主體、至少兩個電極、酶、如果需要的話也可包括電子轉移介質。主體包括用于接納流體試樣的腔或者反應區(qū)。電極至少部分植入塑料體中并延伸到反應區(qū)域中，并在那里暴露在試樣下。還有包含在反應區(qū)中的、能夠催化流體試樣中涉及的復合物的反應的酶。
特別地，此裝置和電子測量儀器協(xié)作，此裝置能夠測量該裝置中導電電極的電子屬性間的差異。此裝置，即傳感器包括至少兩個相互分離的電電極，優(yōu)選地為三個；主體，該主體具有兩個模制成絕緣材料的兩個端部和外殼電極；用于將測量儀器連接導外殼的裝置；用于利用容納流體試樣的裝置；用于使用一種或者多種化學藥品處理一個或者多個電極、以在和流體試樣接觸時改變經(jīng)處理的電極的電學屬性的裝置。外殼的一端具有用于連接測量儀器的裝置，外殼的相反一端具有用于容納流體試樣的裝置。用于連接測量儀器的裝置是形成在外殼中將電極暴露到主體外的插頭。
傳感器通過模制成，可以為單個、單一件或者兩件。在兩件結構中，蓋的末端連接到主體上。在單件結構中，主體圍繞一個鉸鏈樞轉并連接到自身。形成部分主體的凸起和槽合作，以確保正確對齊。
毛細入口構造在傳感器的一個末端，以將流體試樣在接觸流體試樣時吸到體中。毛細入口被模制到主體的一個末端并和反應區(qū)連通。此反應區(qū)是一種圍繞電極形成在主體中的通道，并適于和利用毛細作用力吸入體中的流體進行反應。盡管反應區(qū)可以在電極之上或者之下形成，優(yōu)選的方式是在電極之構成。毛細管具有用于釋放壓力的孔。
正如所注意到的，電極被模制為塑料制品。在一實施例中，電極是導電導線。在另外一個實施例中，電極由金屬板構成。電極可以被鍍上一種不同的導電材料以提高它們的性能。
孔形成在傳感器的主體上以允許在成形過程中保持電極?？滓部梢孕纬稍谥黧w中，以在形成過程前或者之后對一個或者多個電極進行化學處理。添加化學制品(例如具有或者不具有酶的制劑)在和流體試樣接觸時改變受處理電極的電學屬性。在優(yōu)選實施例中，酶被施加到一個電極的外表面?？贵w可以施加到另外一個電極上。電子介質可以進一步施加到一個或者多個電極的外表面。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例中，傳感器提供填充檢測。吸入到毛細入口和反應區(qū)中的液體和電極邊緣接觸，在達到反應區(qū)的下端時，離毛細入口最遠的區(qū)域激活測量儀器。當流體和毛細空間中最后的電極相接觸時，就關閉導致電流流經(jīng)單元的電化學單元中的打開電路，。單元中的電流觸發(fā)測量儀器，表明毛細室被充滿液體?？滓部捎糜诳梢暀z測流體填充。
同時也說明了電化學傳感器的制造和使用方法。制造此設備的方法包括以下步驟，將至少兩個電學可導電極分開安置在模具中；在成形前或者后使用一種或者多種化學制品處理至少一個電極，以在接觸流體試樣時改變處理電極的化學屬性；模制成絕緣材料主體，使其具有圍繞電極的兩個末端，其一個末端具有可以容納流體試樣的裝置。和前面一樣，主體被成形為兩件，具有一個主體和在成形結束后用于相互連接的端蓋，，或者形成單獨的單件。


在構成說明書一部分的附圖中，通篇中相似的數(shù)字表示被用來表示相同的部件，圖1是根據(jù)本發(fā)明教導的電化學傳感器的第一實施例的放大俯視平面視圖；圖2是圖1中電化學傳感器中沿平面2-2所取的截面端視圖；圖3是圖1中電化學傳感器中沿平面3-3所取的截面端視圖；圖4是圖1中電化學傳感器中沿平面4-4所取的截面端視圖；圖5是圖1中電化學傳感器中沿平面5-5所取的截面端視圖；圖6是圖1中電化學傳感器中沿平面5-5所取的截面端視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明教導的電化學傳感器的第二實施例的放大俯視平面視圖；圖8是圖7中電化學傳感器的側視圖；圖9是圖7中電化學傳感器的側面圖；圖10是圖7中電化學傳感器的仰視平面圖；圖11是圖7中電化學傳感器沿平面11-11所取的截面?zhèn)纫晥D；圖12是圖7中電化學傳感器沿平面12-12所取的截面?zhèn)纫晥D；圖13是根據(jù)本發(fā)明教導的電化學傳感器的第三實施例的放大俯視平面視圖；圖14表示圖13中電化學傳感器的放大仰視平面圖；圖15是圖13中電化學傳感器沿平面15-15所取截面?zhèn)纫晥D；圖16是圖13中電化學傳感器沿平面16-16所取的截面后視圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明教導的電化學傳感器的第三實施例的放大俯視平面視圖；圖18表示圖17中電化學傳感器的放大仰視圖；圖19表示圖17中電化學傳感器沿平面19-19所取的截面?zhèn)纫晥D；圖20a、b表示圖17中傳感器的接線端末端部分的放大圖，傳感器的端蓋(a)自主體往外延展并(b)固定到主體上。
具體實施例方式
盡管本發(fā)明可以具有許多不同的形式，將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例在圖紙中顯示并在理解此公開內容的情況下進行詳細說明，以作為本發(fā)明原則的實例化，且其目的不是為了限制說明的實施例的保護范圍。
第一實施例參照圖1-6，說明了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電化學傳感器。圖1顯示的傳感器10看似由透明塑料制造，允許看到其中。如在此處所討論的，內部部件和隱藏的外部部件通常從傳感器10上往下看時不可見。此狀態(tài)和圖2中沿平面x-x剖開的視圖相似。
傳感器或者第一實施例10的測試帶包括不透明或者優(yōu)選地透明的注射模塑料主體12，并具有測量儀器連接端或者插頭端14以及流體試樣接收端16。主體具有底部表面13、頂部表面15和將第一頂部表面15a連接到第二頂部表面15b的錐形部分20，第一頂部表面比第二頂部表面要低，第三頂部表面15c也比第二頂部表面要低。主體12包括三個分離的電極30、31、32。主體12的插頭端14包括一對錐形側邊18、19和鍥形頂部部分20。錐形側邊18、19便于用戶將傳感器插頭末端14插入傳統(tǒng)測量儀器(圖中未示出)的插座腔中。不僅如此，傳感器的鍥部分20作為制動器，摩擦地在測量儀器的插座腔中保持傳感器10。
傳感器10的流體試樣接收端16包括和主體的接線端16相鄰的電化學反應區(qū)24。此反應區(qū)24是形成在第三頂部表面15c并圍繞/靠近主體12中的電極30、31、32的通道，以對吸入主體12中的流體特定分析物進行分析。盡管反應區(qū)可以形成在電極之上或者之下，優(yōu)選地在電極之上形成。端蓋27焊接(通過超聲波或者粘合劑)到反應區(qū)24之上以及第三頂部表面15c之上。端蓋27的頂部和主體12的頂部15、15b對齊。端蓋27優(yōu)選地和模制主體12相同的材料制造并通過超深波焊接或者粘結到那里。
盡管蓋27作為單獨件顯示，其也可以作為主體12的一部分并鉸接連接到該主體，這樣其可以在第三頂部表面15c上樞轉并連接在其上(例如，參看第二實施例)。采用這種結構，整個傳感器可以一次作為一個制模單一件制造。
毛細開孔28在蓋27焊接(或者被折疊)到主體12上時形成在傳感器10的接線端16中。此毛細開孔形成反應區(qū)24。優(yōu)選地，傳感器10為毛細填充裝置，即反應區(qū)24小到足以在毛細開孔或者入口28被放置與諸如一滴血之類的被測試流體試樣接觸時將流體試樣吸到區(qū)域中。相應地，如果一個人希望測試他/她的血時，他/她將接線端16和血接觸，血就通過毛細開孔28吸入傳感器10和反應區(qū)28中。這比現(xiàn)有技術中將試樣(諸如血)放置到傳感器和目標區(qū)域中要容易的多。為加強毛細開孔28對反應區(qū)24的毛細作用，蓋27中形成孔29。此孔與反應區(qū)24相通，此孔29在反應區(qū)吸入和填充液體時釋放空氣壓力。針對有關毛細填充的其它論述，參考美國專利US4,254,083；US4,413,407；US4,473,457；US5,798,031；US5,120,420和US5,575,895，本文參考引用這些公開物。
多條電學傳導導線或者電極30、31、32大部分封裝在注射模制主體12中。優(yōu)選地，把主體12模制成圍繞這些導線30、31、32。正如所說明的，這些導線相互分離。導線30、31、32主要封裝在主體12中并從插頭端14連接到反應區(qū)24，恰恰位于接線端16之前。導線30、31、32的末端26恰位于傳感器終端16之前。
可導線30、31、32由導電材料制成，這些材料為諸如鉑、鈀、金、銀、鎳鉻合金、不銹鋼、銅及其類似的金屬或者金屬合金。不僅如此，每個導線優(yōu)選地包括單根電線、或者在可供選擇的優(yōu)選實施例中(參看第二實施例)，包括用金及其類似金屬制板形成的壓制金屬部件。在第一實施例中，外部導線30和32與內部導線31等距離分隔，在主體12的流體試樣接收端16的間距要比金屬連接端14的更靠近。
導線30、31、32的段33暴露在主體12的插頭端14周圍以分別提供與測量儀器接觸的表面區(qū)域34、35、36(未示出)。優(yōu)選地，暴露接觸表面區(qū)域34、35、36自主體12的錐形頂部20延展至主體12的插頭端14并形成在第一頂部表面15a或者部分植入其中。特別地，主體12也可以這樣模制而成，將導線31的段33、31、32植入(部分模制入第一頂部表面15a)并由和接觸表面區(qū)域34、35、36相對的主體12保持。使用這種方式，導線被暴露以和測量儀器相互接觸并在不使用粘合劑或者焊接時保持在一個位置上。
傳感器插頭端14和流體試樣接收端16之間的導線30、31、32的部分植入塑料注射模制主體12中。于是，可由電絕緣注射可模制塑料制成主體12。
在模制過程中和之后，在傳感器10的主體12中模制一定的彼此相互分離的結構支撐部件來保持和維持主體中的導線30、31、32。特別地，引導塊42和對齊銷44模制在主體12中以合理安裝導線30、31、32?？滓残纬稍谥黧w12的頂部表面15和底部表面13上以在模制過程中可使指狀物(下面將討論)伸入或者拔出。尤其是，第一孔46模制到第二頂部表面15b中，第二孔48和第三孔50形成在主體12的底部表面13中。一旦成形完成，每個這些孔46、48、50被覆蓋或者用塑料密封(例如在成形過程中使用的相同塑料)或者讓其打開?？?6、48、50的尺寸相對較??；讓它們敞開不會導致任何安全問題或者影響傳感器的功能。指狀物不能插入孔中，來自外部的碎屑不能進入孔并接觸導線30、31、32。
在反應區(qū)24中，導線30作為主要的工作電極52，第二導線31作為基準電極或者極板53，第三導線32作為輔助、次要或者第二工作電極54。理想地，只有可導電導線30、31、32(或者電極52、53、54)和進入傳感器10的流體測試試樣相接觸。電極52、53、54通過模制塑料而和傳感器10的其余部分電絕緣以保證由導線傳輸?shù)男盘栔辉诒┞对陔娀瘜W反應區(qū)24中的測試試樣中產(chǎn)生。
在該實施例中，酶56施加到主工作電極52的外表面上，如果需要的話也可施加到電子傳輸介質。酶可以由諸如黃素蛋白、pqq酶、血紅素酶、氧化還原酶及類似物構成。有關介質的其它論述，參考美國專利US4,545,382和US4,224,125，此處參考引用這些公開所內容。在一可替換的實施例中，抗體57可以施加到第二工作電極54的外表面上。這樣，反應區(qū)24可以包含抗體、酶抗體結合物、酶分析結合物及類似物。需要注意的是酶56可以施加到第二工作電極54上，抗體可以施加到主工作電極52的外表面。
本領域的技術人員將會理解，酶56特定用于傳感器10所執(zhí)行的測試。例如，工作電極52或者次要工作電極54，或者兩者都被諸如葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脫氫酶之類的酶所覆蓋，所形成的這些酶可以不同程度或者強度地進行反應，以用于測量人體血液試樣中的葡萄糖。這樣，每個主體的葡萄糖濃度增加，酶56將制造更多的產(chǎn)物。葡萄糖傳感器和測量儀器一起測量諸如電流之類的電化學信號，這些信號來自于氧化作用或者酶轉換產(chǎn)物的減少。信號的強度直接與葡萄糖濃度或者被覆蓋到電極上的特定酶的其它任何復合物成比例。
在一個實施例中，酶56可以施加到主電極52(或者次要電極54)的整個暴露表面區(qū)域中?？蛇x地，電極的整個暴露區(qū)域都可以不需要被酶所覆蓋，只要電極的適當限定的區(qū)域被酶所覆蓋。
在現(xiàn)有技術中進一步的實施例中，酶57可以施加到所有電極52、53、54的反應區(qū)24中，可以通過測量儀器來進行測量。
在優(yōu)選實施例中，工作電極之一(52或者54)可選擇地鍍以酶57，此酶帶有與酶反應的試劑，另外的工作電極(54或者52)鍍以缺少各酶的試劑。這樣，使用測量儀器就可以從每個工作電極中同時獲得電化學信號并修正由樣品母體引起的任何“背景噪音”。這樣，基準電極和不帶酶的電極間的電勢或者電流就可以和基準電極與帶有酶的電極間的電勢或者電流進行比較。普通技術人員熟知這些電勢和電流差異的測量和比較方式。如上所述，傳感器10和測量儀器一起可以用來在反應區(qū)24中加入流體試樣后測量流體試樣的電學屬性。例如，所測量的電學屬性可以是電流、電勢、電荷或者阻抗。美國專利文獻US5,413,690中說明了測量電勢變化來進行分析試驗的例子，其披露的內容可在本發(fā)明中參考引用。美國專利US5,288,636和US5,508,171中說明了測量電流來進行分析試驗的例子，，其披露的內容可在本發(fā)明中參考引用。
傳感器10的插頭端14可以插入并連接到測量儀器，其包括一個動力源(電池)。此測量儀器和傳感器系統(tǒng)的改進可以在美國專利US4,999,632；US5,243,516；US5,352,351；US5,405,511和US5,438,271中找到，其披露的內容可在本發(fā)明中參考引用。
許多包含分析物的流體可以利用本發(fā)明的電化學傳感器進行分析。例如，人和動物體液中的分析物，諸如整個血液、血清和血漿、尿、腦脊髓液都可以測量。同樣，發(fā)酵產(chǎn)品、食物和農(nóng)產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的分析物、可能包含環(huán)境污染物的環(huán)境物質都可以被測量。
第一實施例的成形過程過去，盡管認識到了它的強度和持久性，傳感器塑料注射成形非常困難，通常避免了這樣做。一個原因就是不愿意圍繞可導電導線或者板進行澆鑄。工業(yè)的選擇是使得這樣的傳感器類似三明治，具有頂部和底部部件，而中間件(可傳導元件)形成在一個部件上或者放置在部件中。類似三明治的傳感器然后組合在一起，再利用諸如粘合劑等進行密封。
在成形過程中，本發(fā)明把傳感器與導電部件在模具中進行制模。優(yōu)點有很多，除了制造出更強更耐用的傳感器外，還能夠減小人力參與過程和制作步驟，并生產(chǎn)更加一致的產(chǎn)品。
盡管使用一個模具可以制造很多傳感器10，但此處只討論一個傳感器的制造過程。模具具有主體12那樣的形狀。作為電極的可導電導線30、31、32首先模制到產(chǎn)品中。特別地，導線喂入模具中并放置在從模具中的開孔(對應的孔46、48、50)伸入模具中的指狀物(未示出)上或者其之間，以在建模和成形過程期間，保持電線就位和水平。尤其地，底部孔允許指狀物伸入模具中固定電線。液體塑料注入模具中，然后填充模具。塑料然后冷卻。
一旦塑料形成并硬化，指狀物通過孔拖出并離開模具(孔46、48、50)。模制傳感器12然后從模具中彈出。
然后，在成形過程結束之后，把試劑施加到電極上。首先，在成形結束后，蓋被表面活性劑處理以便于流體(例如，測試的血液)的拉動和吸入到傳感器末端的毛細間隙中。然后，試劑(包括酶)被施加到電極上。
端蓋27然后被連接到主體12，所有不需要的傳感器中的孔可以使用成形中所使用的相同的塑料進行密封?？蛇x擇地，化學物可以在把端蓋結合到主體上后再施加到電線上。任何無關的從傳感器上凸起的電線都可以被切掉并被清除除。然后，可以采用傳統(tǒng)方法將所需的任何文字(例如，生產(chǎn)碼、產(chǎn)品名等等)施加到傳感器上。
第二實施例參照圖2至圖12，將說明本發(fā)明中第二實施例中的電化學傳感器。在這些圖中，和第一實施例(10)中相似的部件將使用相同的參考標記進行標識，但是以100為系列號。特別地，圖7顯示的傳感器110看似由透明塑料所制造，以允許透視其內部。如前所述，內部部件和隱藏的外部部件通常從傳感器110上往下看時不可見。第二實施例110的傳感器包括模制塑料主體112，此主體具有測量儀器連接端或者插頭端114以及流體試樣接收端116。主體具有底部表面113和頂部表面115。端蓋127與主體112成一體并和主體一起模制。鉸鏈227允許端蓋在主體上樞轉，這將在下面說明。特別地，傳感器110的頂部表面115具有三個頂部表面115a、115b、115c。第一頂部表面115a占主體長度的很大部分并終止于邊215；第二頂部表面115b在第一115a之下或者低于第一頂部表面115a；第三頂部表面115c利用鉸鏈227和其它兩個頂部表面115a、115b相分離。在傳感器110的構造過程中，端蓋127繞鉸鏈轉動，這樣第三底部表面115c和第二頂部表面115b交界，面對面并放置在和頂部表面115a的邊215相鄰的位置上。蓋127的底部表面13a這樣變成和第一頂部表面115a相鄰的頂部表面，參看圖8。一對錐形凸起125形成在端蓋127中，一對錐形槽122形成在主體112中并當蓋折疊定位后相配并對齊。這方便并保證了鉸鏈部件的正確對齊。
主體112包括三個相互分離的電極130、131、132。主體112的插頭端114包括一對錐形側邊118、119以便于用戶將傳感器插頭端114插入傳統(tǒng)測量儀器(圖中未示出)的插座腔中。
傳感器110的流體試樣接收端116包括和主體接線端116相鄰的電化學反應區(qū)124。此反應區(qū)124是形成在第二頂部表面115b上的通道，并圍繞/相鄰于主體112的電極130、131、132以和吸入主體112中的流體反應。盡管反應區(qū)可以形成在電極之上或者之下，優(yōu)選的方式為形成在電極之上。脊327形成在端蓋的頂部表面(第三頂部表面115c)。此脊防止液體從反應區(qū)124中流出，和在端蓋127焊接(通過超深波或者粘合劑)到第二頂部表面115b時防止雜物進入反應區(qū)。當端蓋被折疊后，其沿著部件110的側表面被焊接就位。這樣，脊可以在焊接過程中坍塌而不影響傳感器的性能。在第三頂部表面115c中可以構成光學通道327a以增加反應區(qū)124的高度。
當蓋127被折疊并被焊接就位時，毛細開孔128形成在傳感器110的接線端116。此毛細開孔連接到反應區(qū)124。開孔128的寬度大約和暴露到反應區(qū)124中的測試流體的感應電極130、131、132的長度相同。第二實施例的傳感器110也是一個毛細填充裝置，即，反應區(qū)124小到足以在所設置的毛細開孔128和被測試的流體相接觸時將流體試樣吸入?yún)^(qū)域中。位于蓋127的孔129和反應區(qū)124連通以在反應區(qū)124中吸入和填充流體時釋放壓力。優(yōu)選地，毛細入口的底部或者基部和電極130、131、132的頂部表面平齊。
具有導線或者電極130、131、132的導電板(壓制或者鑄造)大部分封裝在注射模制主體112中。主體112圍繞板和這些導線130、131、132模制。導電板是單件材料，其包括導線130、131、132和連接段230和231。當制造傳感器時，段連接到導線。在成形后，段230、231被切割和/或者移除，這樣導線清楚地相互分離。如果它們相連，系統(tǒng)將短路。
電極130、131、132主要封裝在體112中，并自插頭端114伸入反應區(qū)124，恰好在接線端116前。導線130、131、132如果需要的話可以在反應區(qū)中加寬以使更多的表面區(qū)域和區(qū)域中的流體和化學物相互接觸。導線130、131、132可以和傳感部件寬度相同。這些導線130、131、132是諸如鉑、鈀、金、銀、鎳鉻合金、不銹鋼、銅及類似的金屬或者金屬合金。為提高它們的性能和敏感度，它們也可以被鍍以諸如銅或者鍍以金。在第二實施例中，導線130、131、132相互分離并相互平行。
導線130、131、132的段133自主體112和傳感器110的插頭末端114往外延展分別提供和測量儀器(圖中未示出)相接觸的表面區(qū)域。這些導線也可以植入模制塑料中，使它們的上部表面部分暴露。
和以前一樣，傳感器插頭端114和流體試樣接收端116之間的導線130、131、132部分植入或者封裝在塑料注射模制主體112中；體主112由電絕緣注射可模制塑料構成。
形成在主體112的頂部表面115和底部表面113的孔允許在成形過程中將指狀物伸入和離開模具。尤其是，第一組(3)孔146和第二組(3)孔147被模制到頂部表面15a；第三孔148和第四孔150以及第五組(3)孔160、161、162形成在主體112的底部表面113中。一旦成形完成，每個孔146、147、148、150可以被塑料覆蓋(例如，在成形過程中使用相同的塑料)或者保持打開。
在反應區(qū)124中，外部導線130作為一個主要的工作電極152，中間導線131作為基準或者反向電極153，其它外部導線132作為輔助或者次要或者第二工作電極154。這些可導線130、131、132(或者電極152、153、154)是唯一和進入傳感器110的流體測試試樣相接觸的導線(電極)。電極152、153、154和其余的傳感器110通過模制塑料而相互絕緣以保證導線傳輸?shù)男盘栔粡谋┞对陔娀瘜W反應區(qū)124中的測試試樣中產(chǎn)生。
和第一實施例中相同，酶156施加到主工作電極152的外部表面，如果需要的話施加到電子傳輸介質?？贵w157可以施加到第二工作電極154的外表面上。酶156可以施加到第二工作電極154上，抗體可以施加到主工作電極152的外表面。
酶156可以施加到主電極152(或者次要電極154)的整個暴露表面。可選地，電極的整個暴露區(qū)域不需要被酶所覆蓋，只要電極的合適限定區(qū)域被酶所覆蓋?；蛘?，酶可以施加到反應區(qū)124的所有電極152、153、154上并使用測量儀器進行測量。優(yōu)選地，其中一個工作電極(152或者154)可選地鍍以帶有反應試劑的酶，另外的工作電極(154或者152)鍍以缺少各酶的試劑。
傳感器110和測量儀器一起可以用來在反應區(qū)124中加入流體試樣后測量流體試樣的電學屬性。傳感器110的插頭端114插入并連接到測量儀器，這種情況和第一實施例中的相同。
第二實施例的成形過程模具的具有體112的形狀?？蓪щ妼Ь€130、131、132/電極(呈板形形式并具有電極用夾入延展部分230、231)首先使用任何鍍層(金屬)進行處理。也可以在成形前施加化學制品/試劑(帶有或者不帶有酶)；或者，它們也可以在成形后施加。板被插入模具中并放置在穿過模具中的開孔(對應于孔146、147、148、150)伸入模具中的指狀物上或者之間(圖中未示出)，以在成形過程布置期間使板保持就位和水平。刀或者沖頭(圖中未示出)同樣通過模具的頂部表面而插入(開孔的外形通過刀/沖頭170形成)。這些刀沖壓和切割結合延展部分230、231并在成形過程中將彎曲部分保持就位(參看圖11)。和前面一樣，底部孔允許指狀物伸入模具中以支撐帶有導線的板，頂部孔允許指狀物伸入模具中以固定板和導線。液體塑料注入模具中并填充模具。塑料然后冷卻。
一旦塑料形成并硬化，從模具中通過開孔(孔146、147、148、150、160、161、162)取出指狀物。通過上部表面開孔170取出刀/沖頭。取出刀/沖頭后，被切割或者刀割的延長部分230、231安置在導線130、131和131、132之間以確保導線相互分離。模制傳感器112然后從模具中彈出，傳感器中任何不需要的開孔都可以使用與模具中相同的塑料進行填充。在優(yōu)選可選方案中，臨界試劑施加到導線之上的反應區(qū)124中的傳感器?？梢允褂帽砻婊罨瘎﹣硖幚砻毴肟谝灾L毛細作用。任何從傳感器突出的多余的金屬可以被切割并清除。然后，可以將任何需要的文字(例如，制造碼、產(chǎn)品名等)利用傳統(tǒng)的裝置施加到傳感器上。
第三實施例圖13-20表示本發(fā)明中電化學傳感器的第三實施例，這些圖使用相同的參考標記，但是以300序列號，來識別和前述實施例中相似的構件。圖13和17分別從整體上說明傳感器310、310’，包括其自傳感器310、310’往下看時不易看到的內部部件。
在與能夠在流體試樣被吸入反應區(qū)324、324’之后測量流體試樣的電化學屬性的測量儀器相結合的第三實施例所述的傳感器310、310’中。傳感器310、310’包括模制塑料主體312、312’，主體上具有測量儀器連接端或者插頭端314、314’和流體試樣接收端316、316’。插頭端314、314’可插入或者可連接到測量儀器，這和前面兩個實施例相同。主體也具有底部表面313、313’和頂部表面315、315’。主體312、312’模制為具有兩部分的單一整體——(a)電極插入外殼317、317’和(b)在位于鉸鏈427、427’的流體試樣接收末端316、316’處可樞轉地固定到電極外殼317、317’上的端蓋327、327’。在可選實施例中，電極外殼和端蓋可以是相互穩(wěn)固連接的分開件?？拷黧w312、312’的插頭端314、314’的側邊318、319、318’、319’是錐形的，這樣插頭端314、314’更容易插入傳統(tǒng)測量儀器(圖中未示出)的插座腔中。端蓋327、327’具有形成在相對于主體的最外邊中“凹口”326、326’，從而方便了成形。
圖15表示傳感器310的軸向截面?zhèn)纫晥D。頂部表面315具有三個包括315a、315b、315c的截面或者表面。第一頂部表面315a占主體的絕大部分，其從插頭端314延展到凸出部分415。第二頂部表面315b從凸出部分415延展至鉸鏈427，其所在的平面低于315a。第三頂部表面315c穿過一個端蓋327自鉸鏈427延展至端蓋的最外邊。
鉸鏈427允許端蓋折疊到主體上，這樣第三頂部表面315c和第二頂部表面315b面對面毗鄰，端蓋的邊幾乎和凸起部分415非?？拷@和上述第二實施例中討論的相同。在完整的傳感器中，端蓋327的底部表面313a成為體的頂部表面的一部分，并和第一頂部表面315a相鄰，幾乎在同一平面上，如圖15所示。
當端蓋折疊到主體的第二頂部表面315b時，和主體的接線端316相鄰，在主體中形成被稱為“電化學反應區(qū)”324。反應區(qū)324利用第二頂部表面315b鑲在一側上，在相對的一側，利用端蓋327的頂部表面而形成。反應區(qū)具有由主體的形狀限定的體積?？蛇x地，如果需要，所形成的蓋可以當它在主體上樞轉時，蓋限定反應區(qū)的體積；或者蓋和主體的形狀都形成反應區(qū)的體積。
導線330、331、332沿著主體312的縱軸方向延展，它們相互以固定關系分離。導線330、331、332終止于反應區(qū)324。圖17-19表示根據(jù)本發(fā)明所述具有兩個電極330’、331’的傳感器。
在反應區(qū)或者腔324中，導線沒有完全植入體的絕緣材料中。在反應區(qū)324中，至少導線的一部分，例如末端、側面或者其它部分——作為用于和吸入到主體312中的流體試樣接觸的感應電極330、331、332而被暴露。反應區(qū)324主要放置在檢測器的底部長度方向的部分。盡管反應區(qū)可以形成在電極的上面或者下面，優(yōu)選地形成在電極之下。
蓋327折疊到主體上并穩(wěn)固連接到主體上以形成緊密密封。采用這種結構，毛細開孔328形成在傳感器310的接線端316中。毛細開孔328連通到反應區(qū)324，在那里感應電極330、331、332的邊被暴露在測試流體中。毛細開孔328的寬度基本上和感應電極330、331、332相同。
主體312也具有凸起以確保在圍繞鉸鏈折疊時正確對齊表面。凸起一般安置在至少一個下列表面上，既(a)折疊到主體上的端蓋的表面，以及(b)當端蓋折疊到其上并在折疊到主體上而被端蓋覆蓋的頂部第三表面。盡管可以使用許多不同的構形，例如在一個實施例中，凸起可以出現(xiàn)在端蓋和主體的上部表面315b上。
在一個實施例中，如圖13所示，凸起包括脊527、和當蓋折疊到主體上時與其相配的凹陷表面528，從而形成反應區(qū)。在此實施例中，脊527可以沿著反應區(qū)324的周邊形成在第二頂部表面315b上，凹陷表面可以形成在蓋327上，反之亦然。脊527也可以設于第二脊(圖中未示出)內部并幾乎與其對齊，此脊用來增加脊527的高度。
在最終的傳感器310中，脊527和凹陷表面528相配以形成密封，包圍主體中的反應區(qū)324?？晒┻x擇地，脊527和凹陷表面528可以進一步采用超深波能量、粘合劑或者其它任何合適的技術焊接在一起。這樣形成的密封可防止反應區(qū)324漏失流體或者接收雜物。在焊接過程中，脊527熔合到凹陷表面528中而不影響傳感器的性能。
在第三實施例的另外一個方面中，如圖17-20所示，凸起是至少形成在端蓋和主體的上表面315b’之一的能量導向器529’。可以采用許多不同種類的結構，例如其中的能量導向器完全安置在主體上，以在蓋在主體上轉動時和蓋結合。如圖17-19中說明的實施例所示，能量導向器529’一般包括最好沿端蓋的周邊延伸的至少一個凸起緣。一般來說，該能量導向器沿端蓋的三個未被連接的側部延伸，盡管它也可以穿過部分側部延伸。在所述的實施例中，能量導向器529’自鉸鏈427’開始沿端蓋327’延展，并直接遠離鉸鏈427’，并穿過離鉸鏈最遠的末端。
當蓋在主體上轉動時，能量導向器529’通常利用諸如超深波能量或者其它傳統(tǒng)的方式融化，以在底部表面和蓋表面上形成強度高、不泄漏的結合接頭。這樣形成的接頭將液體密封在腔室中，從而防止流體從反應區(qū)中往外擴散?？蛇x地，可以通過施加粘合劑來形成密封。
第三實施例中的傳感器也是一個毛細填充裝置，即，當毛細開孔328’放置地和所需測試的流體接觸時，反應區(qū)324’將流體試樣吸入該區(qū)域中。在蓋237’中包括試樣填充孔368’。當蓋237’折疊到主體312’時，至少部分試驗填充孔378’和反應區(qū)連通，以形成用于在區(qū)域中填充流體時將空氣從反應區(qū)中釋放的降壓出口378’。降壓出口378’在試樣填充出口368’的一邊和反應區(qū)的凸起部分415’之間延展，而此凸起部分是離接線端316’最遠的反應區(qū)的后壁。圖20a、b表示圖17中傳感器310’的接線端部分的放大圖。圖20a表示遠離體延展的蓋327’，圖20b表示折疊到傳感器的體上的蓋327’。
降壓出口378’在第三實施例中提供填充檢測。通過毛細開孔328’吸入的流體沿優(yōu)選地位于主體312’的下部的毛細管流動到反應區(qū)324’并在那里和傳感器310’的電極331’、332’(或者傳感器330、331、332的電極330、331、332)接觸。優(yōu)選地，面對主體的上表面315’的電極表面和毛細入口328’的底部周邊對齊。當試樣流體進入反應區(qū)324’，其流向最遠離毛細入口的反應區(qū)的末端直到其到達將壓出口378’。當流體替代降壓出口378’中的空氣時，流體和反應區(qū)中的至少一個電極相接觸，從而閉合傳感器310’的開路并導致電流流經(jīng)傳感器。傳感器中的電流激活測量儀器，并發(fā)信號表明毛細腔或者反應區(qū)中充滿了流體。降壓出口378’也可以用于可視檢測填充到反應區(qū)中的流體。
注射模制主體312由電絕緣注射可模制塑料所制成。主體312圍繞帶有導線330、331、332的導電板(壓制或者鑄造)模制而成，這樣導電板主要植入體312中。導電板是單塊材料；其包括導線330、331、332(圖18中330’、331’)和連接段430、431(傳感器310’中標號432)。在傳感器被制成后，和導線互聯(lián)的段430、431被切割并(或者)拆除，以將導線相互分離。如果在傳感器操作過程中互聯(lián)段保持完整，系統(tǒng)將會短路。
主體具有許多模制的導引器，至少一個導引器和至少一個導線相毗鄰。
導線330、331、332通過主體312自插頭末端314縱向延展至反應區(qū)324，并恰好終止于在接線端316之前。導線330、331、332相互以預定距離被封裝或者植入主體312中；它們通常彼此平行，盡管這對傳感器的操作并不必要。在反應區(qū)中，導線的很大一部分被暴露，以便與流體試樣相接觸；被暴露部分包括例如電極的頂端、末端或者側面。
電極330、331、332由導電材料制成，這些材料為諸如鉑、鈀、金、銀、鎳鉻合金、不銹鋼、銅及類似的金屬或者金屬合金。為了提高性能和敏感度，它們可以鍍以和導線組成不同的金屬，例如，銅制導線鍍以金。如果需要，導線330、331、332的寬度可以在反應區(qū)中加寬或者減窄以暴露更多或者更少的表面區(qū)域給流體或者化學物品。通過主體延展的導線330、331、332可以和反應區(qū)中的暴露部分寬度相同，它們構成電極330、331、332。
每個導線330、331、332終止于可以自插頭末端314延展的導體312外的段333a、b、c，導線在插頭末端分別提供和測量儀器(圖中未示出)接觸的表面區(qū)域334、335、336。可選地，導線可以植入模制塑料中，這樣每個導線只有一部分在插頭端314處暴露在主體外、或者導線的頂部表面和測量儀器電接觸導線相接觸。
模制在主體312的頂部表面315和底部表面113中的孔允許指狀物在成形過程中被插入或者拆除。頂部表面315a具有兩組孔——第一組孔346和第二組孔347——每個具有三個單獨的開口或者孔。底部表面313具有第三孔348、第四孔350、和第五組孔，后者包括三個單獨孔360、361、362。一旦成形結束，每個這些孔346、347、348、350優(yōu)選地保持打開。在一個優(yōu)選實施例中，孔被關閉，以防止流體和反應區(qū)中的電極之外的區(qū)域偶爾接觸?？卓蛇x地被諸如成形過程中所使用的相同或者不同材料所覆蓋。
在反應區(qū)324中，可傳導電極330、331、332包括主工作電極352、基準或者反向電極353、以及第二工作電極354。在反應區(qū)中，導電極330、331、332和測試試樣在其進入傳感器310時以流體的形式接觸。由于電極的暴露部分與測試電極接觸，而在反應區(qū)324中產(chǎn)生由電極傳輸?shù)男盘?。反應區(qū)可以包括一個或者可選地兩個電極；例如主工作電極352和次要工作電極354。
和另外一半共軛的諸如抗體或者抗原或者分析物之類的酶施加到主工作電極352的外表上，如果需要，電子傳輸介質也可以施加到相同的電極352上。抗體也可以施加到次要工作電極354的外部表面或者也可以存在于反應區(qū)中。這樣，反應區(qū)324中可以包含抗體、酶抗體結合物、酶分析結合物及類似物。
酶可以施加到主電極352或者次要電極354的整個暴露表面上。可選地，酶施加到工作電極的特定限制的部分上?；蛘?，酶可以施加到反應區(qū)324的所有電極352、353、354上。優(yōu)選地，工作電極之一(352或者354)可選地鍍以帶有酶的試劑的酶，另外的工作電極(354或者352)被鍍以缺少各酶的試劑。
在第三實施例的另外一個方面中，反應區(qū)或者腔324可以本身鍍以一種和流體試樣中的特定成分反應的物質——諸如試劑、抗體、或者酶，以改變試劑的電化學屬性。結果導致的變化很容易利用電極檢測，并且利用測量儀器進行測量。
第三實施例的成形過程模具具有主體312的形狀?？蓪Ь€330、331、332(呈帶有用于與電極互聯(lián)的結合延展部分430、431的混合板結構)首先使用諸如酶、抗體、或者化學試劑進行處理或者鍍層?；瘜W物/試劑(帶有或者不帶有酶)通常在成形后施加。
板被插入模具中，并放置在穿過模具中的開孔凸入模具中的指狀物之上或者之間(圖中未示出)，這些孔對應346、347、348、350、360、361、362。指狀物使板保持就位，以在布置和成形過程中保持板就位和水平。
刀或者沖頭(圖中未示出)同樣通過模具的頂部表面而插入(開孔的外形通過刀/沖頭170形成)。這些刀沖壓和切割結合延展部分230、231，并在成形過程中把彎曲部分保持就位，如圖15所示。在成形過程中，底部孔允許指狀物突入模具中，以支撐帶有導線的板；相似地，頂部孔允許指狀物伸入模具中，以固定板和導線。液體塑料注入模具中并填充模具。塑料然后冷卻。
在塑料形成并充分硬化后，指狀物從模具中通過開孔取出，即孔346、347、348、350、360、361、362。通過上部表面開孔170抽出刀/沖頭，并從其中取出，被切割或者刀割的延長部分430、431安置在導線330、331和331、332之間。這些切割延展部分確保導線相互分離。模制傳感器312然后從模具中彈出，傳感器中任何不需要的開孔都可以使用模具中相同的塑料進行填充。
在優(yōu)選地可選方案中，臨界試劑施加到導線之上的反應區(qū)324中的傳感器?？梢允褂帽砻婊罨瘎﹣硖幚砻毴肟?28，以助長毛細作用。任何從傳感器突出的多余金屬可以被切割并清除。然后，可以將任何需要的文字(例如，制造碼、產(chǎn)品名等)利用傳統(tǒng)的裝置施加到傳感器上。
盡管對具體實施例進行了說明和描述，在不偏離本發(fā)明精神的情況下可以進行許多修改，保護范圍受所附權利要求書所限制。例如，在本發(fā)明的另外一個實施例中，傳感器被設計成用于和光學反射測量儀器一起使用，以光度檢測包含在流體試樣接收壁中的染色。
權利要求
1.一種電化學裝置，用于和測量儀器一起測量由于化學或者酶反應而導致的流體試樣的電化學屬性的變化，包括(a)具有第一端和相對的第二端的絕緣材料的主體；(b)至少兩個導電電極，所述電極以固定的縱向關系安置在兩個端部之間的絕緣材料中；(c)用于將測量儀器連接到主體的裝置；(d)用于容納流體試樣的裝置；以及(e)用于利用一個或者多個能夠和流體試樣反應的物質處理至少一個電極的裝置。
2.根據(jù)權利要求1中的電化學裝置，進一步包括用于在容納了足量的流體試樣時進行檢測的裝置。
3.根據(jù)權利要求1中的電化學裝置，其特征在于主體要么是利用鉸鏈相互連接的兩個部件，每個部件都是由模制塑料制造，要么是單一的整體件，由模制塑料制造，電極幾乎模制到塑料中。
4.根據(jù)權利要求1中的電化學裝置，進一步至少包括形成在主體中的鉸鏈一側的凸起，所述凸起和主體中鉸鏈另一側的凹陷表面相匹配。
5.根據(jù)權利要求1中的電化學裝置，其特征在于用于接納流體試樣的裝置是適于在和流體試樣接觸時將流體試樣吸入主體中的毛細入口。
6.根據(jù)權利要求5中的電化學裝置，其特征在于毛細入口模制到體的末端，并與反應區(qū)相連通。
7.根據(jù)權利要求6中的電化學裝置，其特征在于反應區(qū)是形成在主體中、適于與利用毛細作用力吸入體中的液體進行反應的通道。
8.根據(jù)權利要求6中的電化學裝置，其特征在于毛細入口具有互連通的出口，以釋放壓力。
9.根據(jù)權利要求6中的電化學裝置，其特征在于主體具有至少一個孔，以允許在主體的成形過程中固定電極。
10.根據(jù)權利要求9中的電化學裝置，其特征在于至少一個孔和反應區(qū)相連通，以在成形后化學處理一個或者多個電極。
11.根據(jù)權利要求1中的電化學裝置，其特征在于電極是導電電線。
12.根據(jù)權利要求1中的電化學裝置，其特征在于用于利用一個或者多個化學物處理至少一個電極的裝置對第一或者多個電極鍍以一種試劑或者酶。
13.一種制造電化學裝置、以和能夠測量流體試樣的電化學屬性的電子測量裝置配合的方法，所述方法包括步驟在模具中放置至少兩個相互分離的導電電極；用一種或者多種物質對至少一個電極進行處理，以和流體試樣反應，從而利用電極可以產(chǎn)生可測量的電化學變化；模制絕緣材料的主體，以至少部分地植入電極并具有兩個末端和用于容納流體試樣的裝置。
14.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于成形步驟包括在主體中形成一個鉸鏈，以允許樞轉和連接主體自身的一部分。
15.根據(jù)權利要求14中的方法，其特征在于成形步驟包括在主體中鉸鏈的一側形成至少一個凸起，并在主體中鉸鏈的另一側形成至少一個槽，以在鉸鏈的一邊折疊到另外一邊時和至少一個凸起配合。
16.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于用于容納流體試樣的裝置包括在主體的末端和反應區(qū)連通的毛細入口以及出口。
17.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于反應區(qū)形成在裝置的底部。
18.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于成形步驟包括形成在主體中的出口，用于在傳感器中容納一定的足夠數(shù)量的用于測試的試樣時進行檢測。
19.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于成形步驟包括將用于檢測一定數(shù)量試樣存在的裝置模制到體中。
20.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于在成形步驟之后完成處理至少一個電極的步驟。
21.根據(jù)權利要求13中的方法，其特征在于成形步驟包括將至少一個孔形成到主體的表面中，以允許在主體的成形過程中固定電極。
全文摘要
提供一種傳感器，用于檢測流體試樣中的一種或者多種成分的不同濃度。傳感器包括注射模制主體、至少兩個電極、酶、如果需要的話，也可包括電子轉移介質。主體包括用于接納流體試樣的反應區(qū)。電極至少部分地植入塑料體中，并延伸到反應區(qū)域中。同樣包含在反應區(qū)中能夠催化流體試樣中涉及復合物的反應的酶。不僅如此，傳感器并入能夠激活連接到傳感器的測量儀器的填充檢測，以測量發(fā)生在反應區(qū)中的電化學變化。
文檔編號G01N27/403GK1503905SQ02808201
公開日2004年6月9日 申請日期2002年3月22日 優(yōu)先權日2001年3月23日
發(fā)明者克雷格·拉潘, 塞亞馬斯·哈吉匝德哈, 凱利·米爾斯, 克雷格 拉潘, 斯 哈吉匝德哈, 米爾斯 申請人:維羅泰克公司