DE69535334T2

DE69535334T2 - Verfahren zur Herstellung von amperometrischen Elektroden

Info

Publication number: DE69535334T2
Application number: DE69535334T
Authority: DE
Inventors: Larry D. Mill Creek Johnson; Alison J. Elkhart Murray; Matthew K. Granger Musho
Original assignee: Bayer Corp
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2015-06-15
Also published as: CA2151413C; ATE348333T1; DE69535334D1; EP0691539B1; DK0691539T3; PT691539E; EP0691539A3; JP3513260B2; US5429735A; EP0691539A2; ES2277331T3; AU692861B2; JPH0815210A; CA2151413A1; AU2325795A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Biosensoren und insbesondere neue und verbesserte amperometrische Elektroden sowie das Verfahren zur Herstellung der amperometrischen Elektroden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Amperometrische Elektroden oder Biosensoren, wie ein Glucose-Biosensor, werden für elektrochemische Messungen verwendet. Dazu werden eine Probe an die amperometrischen Elektroden angelegt und der sich ergebende Strom für die Testprobe gemessen. Die entstandene Stromstärke sollte genügend groß sein, um die Messung zu erleichtern, und Reproduzierbarkeit aufweisen, um gültige Testergebnisse zu liefern.
Zeitaufwändige und weniger erwünschte Verfahrensstufen, wie ein Polieren und eine Hitzebehandlung, sind bisher für bekannte amperometrische Elektroden benötigt worden, um die erforderliche Stromreaktion zu ergeben. Es besteht ein Bedarf für amperometrische Elektroden, die einen zuverlässigen, reproduzierbaren und wirkungsvollen Betriebsablauf ergeben und einfach und wirtschaftlich herzustellen sind.
Das Patent Abstract von Japan, Band 12, Nr. 406(P-777) vom 27. Oktober 1988, betreffend die JP-A-63 144 246 vom 16. Juni 1988, deren Gegenstand die Grundlage des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bildet, offenbart eine Bio-Probe, umfassend ein isolierendes Substrat, Elektrodensysteme und einen porösen Körper. Eine Mikrowellen-Plasmabehandlung zumindest für die Messelektrodenoberflächen der Elektrodensysteme wird vor dem Zusammenbau der Komponenten der Bio-Probe durchgeführt. Das Elektrodensystem wird durch Drucken einer leitfähigen Kohlenstoffpaste auf ein isolierendes Substrat durch Siebdruck, Erhitzen und Trocknen gebildet, um das Elektrodensystem aus einer Gegenelektrode, einer Messelektrode und einer Bezugselektrode zu ergeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung einer amperometrischen Elektrode anzugeben. Mit dem Verfahren werden amperometrische Elektroden bereitgestellt, die einen zuverlässigen, reproduzierbaren und wirkungsvollen Betriebsablauf ergeben und sich für einen Blutglucose-Biosensor eignen.
Kurz gesagt, werden die Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung mit einem Verfahren zur Herstellung einer amperometrischen Elektrode bewerkstelligt. Eine Elektroden-Kohlenstofftinte wird auf ein polymeres Substrat aufgetragen, um eine Arbeitselektrode zu bilden. Das Substrat mit der Arbeitselektrode wird in einen Gasplasma-Reiniger, wie ein Sauerstoff- oder Stickstoff-Plasma, gegeben, um die Arbeitselektrode zu reinigen. Ein hohes Radiofrequenzsignal regt das Gasplasma eine kurze Belichtungszeit lang von 10 bis 30 s an. Danach wird eine Reagensschicht auf der Plasma-behandelten Arbeitselektrode abgeschieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung ist am besten, in Zusammenhang mit den obigen und weiteren Aufgabenstellungen und Vorteilen, aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausgestaltung der Erfindung verständlich, worin das Folgende dargestellt ist:
1 ist eine schematische Draufsicht auf eine Sensorkarte, die eine Vielzahl amperometrischer Elektroden der vorliegenden Erfindung einschließt;
2 ist ein vergrößerter Querschnitt der amperometrischen Elektrode entlang der Linie 2-2 von 1;
3 ist eine schematische Blockdiagrammdarstellung eines Plasma-Reinigers zur Anwendung im Herstellverfahren der amperometrischen Elektroden von 1;
4 ist ein Diagramm, worin der Effekt der Plasmabehandlungszeit auf das Leistungsvermögen der amperometrischen Elektroden von 1 dargestellt ist; und
5 ist ein Diagramm, worin der Effekt der Testlösungskonzentration auf das Leistungsvermögen der amperometrischen Elektroden von 1 dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung
Was nun 1 und 2 betrifft, wird eine Sensorkarte 10 mit einer Vielzahl amperometrischer Elektroden 12 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die amperometrischen Elektroden schließen ein End-Teilstück 12A zur Aufnahme einer Testprobe sowie ein gegenüber liegendes End-Leiter/Kontakt-Unterlagenteilstück 12B zum Anschluss an ein Gerät 14 mit der Befähigung zum Anlegen eines Spannungspotenzials und zur Messung der sich ergebenden Stromstärke ein. Die amperometrischen Elektroden schließen eine Arbeitselektrode 16 ein, die mit einer Elektroden-Kohlenstofftinte z.B. durch Siebdruck auf einem polymeren Substrat gebildet und dann in der Wärme getrocknet wird. Eine Reagensschicht 20 wird auf der Arbeitselektrode 16 abgeschieden, nachdem gemäß der vorliegenden Erfindung die Arbeitselektroden Plasma-behandelt worden sind.
Ein thermoplastisches Material, wie Polycarbonat oder Polystyrol, mit genügend guten physikalischen und elektrischen Isoliereigenschaften ist für das polymere Substrat 18 verwendbar. Die Elektroden-Kohlenstofftinte, die die Arbeitselektroden 16 bildet, kann 18 % Graphit und 6 % Kohlenstoffruß enthalten. Bezüglich eines weiteren Beispiels für die amperometrischen Elektroden 12, können die Arbeitselektroden 16 mit einer Acheson 423ss-Tinte gebildet werden, die durch Siebdruck auf ein Polystyrol-Substrat 18 aufgebracht wird.
Was nun 3 betrifft, werden Sensorkarten 10 mit darauf angeordneten Kohlenstoff-Arbeitselektroden 16 in der Wärme getrocknet und dann in eine Kammer 22 eines Plasma-Reinigers 24 gegeben. Ein Kleinfaß-Plasma-Ätzer, verkauft von March Instruments, kann für den Plasma-Reiniger 24 verwendet werden. Die Kammer 22 wird zuerst auf 0,1 bis 0,2 Torr evakuiert und dann erneut mit einem Gas wie Sauerstoff (O₂) oder Stickstoff (N₂) auf einen Betriebsdruck von 0,3 bis 0,5 Torr befüllt. Sobald der Druck stabil ist, wird das Gas mit einer Radiofrequenz (RF)-Signalquelle 26 mit einer Frequenz von 13,56 MHz bei einem Energieniveau in typischer Weise von 20 bis 25 Watt angeregt. Die Aushöhlung ist abgestimmt, um eine Null-reflektierte Energie beizubehalten. Nach einer ausgewählten Zeitspanne, wie von 30 s, der RF-Gasplasmabehandlung werden die Sensorkarten 10 aus der Kammer 22 entnommen und sind zur chemischen Abscheidung oder zum Test fertig. Dann wird die Reagensschicht 20, die ein Enzym, wie eine Glucose-Oxidase für einen Blutglucose-Biosensor, und einen Mediator oder ein Elektronenübertragungsmittel enthält, auf der behandelten Oberfläche der Arbeitselektrode 16 abgeschieden.
Fotomikroaufnahmen der Kohlenstoff-Arbeitselektroden 16 zeigen vor und nach der Gasplasmabehandlung keinerlei beobachtbare körperliche Veränderungen. Allerdings unterscheidet sich die Stromreaktion der unbehandelten und behandelten Kohlenstoff-Arbeitselektroden 16 signifikant. Das erratische Verhalten mit wenig oder keinem Strom ist durch hohe, reproduzierbare Stromstärken für die mit Gasplasma behandelten Elektroden 16 ersetzt. Bei den polymeren Bindemitteln wie Polyvinylchlorid, die mit dem Kohlenstoff bei der Siebdruckherstellung der Arbeitselektroden 16 abgeschieden werden, wird angenommen, dass sie als erstes Material bei der Gasplasma-Reinigungsbehandlung abgetragen werden.
In 4 ist der Effekt der Plasmabehandlungszeit auf das Leistungsvermögen der amperometrischen Elektroden 16 dargestellt. Die Behandlungszeit ist in s auf der waagerechten Achse angegeben, und die sich für die Testlösung ergebende Stromstärke ist in Mikroamper μA auf der senkrechten Achse angegeben. Wie aus 4 hervorgeht, wurden Sensoren durch Siebdruckherstellung von 2 Kohlenstoff-Elektroden 16 mit Acheson 423ss-Tinte auf einem Polystyrol-Substrat 18 erstellt. 2 weitere Druckverfahren wurden durchgeführt; eines für die Leiter/Kontakt-Unterlagen 12B und ein weiteres für eine Decküberzugs-Dielektrikumsschicht, die die Leiter/Kontakt-Unterlagen 12B vor der Testlösung schützt. Die jeweils ausgewählten Plasmabehandlungszeiten wurden vorgesehen, wie in 4 dargestellt. Eine Testlösung von 6 μL Anteilsmengen gepuffertem 30 mM Kaliumferrocyanid K₄Fe(CN)₆ wurde auf jeden Sensor angewandt, und eine Zeitverzögerung von 15 s wurde vor dem Anlegen eines Potenzials von 0,4 Volt an die Elektroden vorgesehen. Die sich ergebende Stromstärke wurde 15 s nach dem Start mit dem Potenzial von 0,4 Volt gemessen.
Für 5 wurde das gleiche Protokoll wie bezüglich 4 angewandt, mit der Ausnahme, dass die Testlösungskonzentration über den Bereich von 0 bis 30 mM Kaliumferrocyanid variiert wurde. In 5 ist die Testlösungskonzentration auf der waagerechten Achse angegeben, und die sich für die Testlösung ergebende Stromstärke ist in μA auf der senkrechten Achse angegeben. 2 Plasma-Reinigungszeiten von 10 s und 20 s sind durch eine mit 10 S markierte Linie bzw. eine mit 20 S markierte Linie dargestellt.
Die entstandene Stromstärke entspricht dem reduzierten Mediator der Reagensschicht 20. In typischer Weise beruht die Reagensschicht auf einer wässrigen Polymerlösung, die die jeweiligen Reagenzien für einen besonderen Biosensor enthält.
Beispiel I (nicht erfindungsgemäß)
Verfahren zur Plasma-Ätzung und zum Testen von Elektrodenkarten
Elektroden werden mit leitfähigen und dielektrischen Tinten erstellt, die auf ein 3'' × 3''-Polycrarbonat-Substrat gedruckt werden. Die Leitfähigkeitstinte, die für die Aktivflächen (Elektroden-sowohl die Arbeits- als auch die Bezugselektrode) verwendet wird, ist Acheson 421ss, der durch Siebdruck aufgebracht und dann thermisch gehärtet wird. Die Flächen der Elektroden sind durch einen Decküberzug aus einem Dielektrikum (Acheson 452ss) abgegrenzt, welcher durch Siebdruck aufgebracht und dann UV-gehärtet wird. Zur Aktivierung der gedruckten Elektroden müssen die Karten in einem Plasma-Ätzer behandelt werden. Dabei wurden entweder eine Vorrichtung mit Kleinfaß-Aushöhlung von March Instruments oder eine Tablett-Vorrichtung von Branson/IPC verwendet. Die Karten werden auf den Regalen eines Branson/IPC-Plasma-Ätzers abgelegt. Die Plasmabehandlungsvorrichtung wird auf 0,1 bis 0,2 Torr evakuiert und dann mit gereinigtem Sauerstoffgas auf einen Druck von 0,8 Torr erneut befüllt. Nach Erzeugung eines Plasma werden die Karten 3 min lang bei 300 Watt Energie behandelt. Zum Testen der aktivierten Elektroden müssen die Leiterstellen jedes Sensors an einen Potentiostat zum Test angeschlossen werden. Dies kann im Kartenformat oder als vereinzelte Elektroden durchgeführt werden. Die Elektroden selbst werden in eine Lösung getaucht, enthaltend 200 mM Kaliumferricyanid, 12,5 mM Kaliumferrocyanid und 100 mM Phosphat-Puffer von pH = 7. Eine positive Spannung von 400 Millivolt wird an die Arbeits- und Bezugselektroden angelegt, und die Stromstärke wird an der Arbeitselektrode gemessen. Mit Karten, die mit Plasma geätzt wurden und eine Arbeitselektrodenfläche von ca. 1 mm² aufweisen, beträgt die Stromstärke 8 bis 9 μAmp nach 10 s bei Sensor-Abweichkoeffizienten (CVs) von weniger als 2 %. Wären die Elektroden nicht mit Plasma behandelt worden, würde die Stromstärke 4 bis 5 μAmp nach 10 s bei CVs von mehr als 20 % ausmachen.
Indem die Erfindung unter Bezug auf Details der erläuterten Ausgestaltung beschrieben worden ist, sollen diese Details den in den beigefügten Ansprüchen definierten Umfang der Erfindung nicht einschränken.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer amperometrischen Elektrode, umfassend die Stufen: Bereitstellen eines Substrats; Aufbringen einer Elektroden-Kohlenstofftinte auf das genannte Substrat zur Bildung einer Arbeitselektrode; Reinigen der genannten Arbeitselektrode mit einem Gasplasma; und Abscheiden einer Reagensschicht auf der genannten Arbeitselektrode nach der genannten Reinigungsstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reinigungsstufe der genannten Arbeitselektrode mit dem Gasplasma die Stufen einschließt: Einlegen des genannten Substrats, das die genannte Arbeitselektrode aufweist, in eine Kammer; Evakuieren der genannten Kammer auf 0,1 bis 0,2 Torr; erneutes Befüllen der genannten evakuierten Kammer mit einem Gas auf einen Betriebsdruck von 0,3 bis 0,5 Torr; und Anregen des genannten Gases mit einem Radiofrequenz (RF)-Signal über eine ausgewählte Zeitspanne von 10 bis 30 s.
Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum Bereitstellen des Substrats die Bereitstellung eines polymeren Substrats einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum Aufbringen der Elektroden-Kohlenstofftinte auf das genannte Substrat die Stufen eines Siebdrucks der genannten Elektroden-Kohlenstofftinte auf das genannte Substrat zur Bildung der genannten Arbeitselektrode und eine thermische Trocknung der genannten durch Siebdruck hergestellten Arbeitselektrode einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum Aufbringen der Elektroden-Kohlenstofftinte auf das genannte Substrat die Stufe einschließt, in der man eine Tinte aufbringt, die ausgewählte Mengen von Graphit und Kohlenstoffruß enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 4 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum Aufbringen der Tinte, die die ausgewählten Mengen von Graphit und Kohlenstoffruß enthält, die Aufbringung einer Elektroden-Kohlenstofftinte einschließt, die ca. 18 % Graphit und 6 % Kohlenstoffruß enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung einer amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum erneuten Befüllen der genannten evakuierten Kammer mit einem Gas die Stufe einschließt, in der man die genannte evakuierte Kammer mit Sauerstoff erneut befüllt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung einer amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum erneuten Befüllen der genannten evakuierten Kammer mit dem Gas die Stufe einschließt, in der man die genannte evakuierte Kammer mit Stickstoff erneut befüllt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum Anregen des genannten Gases mit dem genannten Radiofrequenz (RF)-Signal die Stufen einschließt: Identifizieren des bei einem ausgewählten Druck stabilisierten Betriebsdrucks; und Anlegen des genannten Radiofrequenz (RF)-Signals mit einer ausgewählten Frequenz von ca. 13,56 MHz bei einem vorbestimmten Energieniveau von 20 bis 25 Watt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die Stufe zum Abscheiden der Reagensschicht auf der genannten Arbeitselektrode nach der genannten Reinigungsstufe die Stufe einschließt, in der man eine Schicht, die ein Enzym und ein Elektrodenübertragungsmittel enthält, auf der genannten gereinigten Arbeitselektrode abscheidet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die amperometrische Elektrode für einen Glucose-Biosensor verwendet wird und die genannte Reinigungsstufe die Stufen einschließt, in der man eine Schicht abscheidet, die eine Glucose-Oxidase enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung der amperometrischen Elektrode, worin die genannte Stufe zum Bereitstellen des Substrats die Bereitstellung eines Substrats einschließt, das aus einem elektrisch isolierenden, thermoplastischen Material gebildet ist.