CN103201619A

CN103201619A - 在碳层上具有钛金属层作为电极材料的电化学生物传感器电极带及其制造方法

Info

Publication number: CN103201619A
Application number: CN2011800532154A
Authority: CN
Inventors: 金石勋
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-07-10
Also published as: WO2012064509A1; US20130228461A1; TW201231965A; KR20120049723A; US9116114B2

Abstract

本发明涉及一种电化学生物传感器电极带，该电极带的制造方法是：在由聚合物材料制成的非导电基底上形成碳层；在该碳层上形成含有钛的金属层；并且执行图案化操作。

Description

在碳层上具有钛金属层作为电极材料的电化学生物传感器电极带及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种可以低成本制造出的且具有优良性能的电化学生物传感器电极带及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种用于对生物样品中特定物质、如血液中葡萄糖进行定量分析的电化学生物传感器测试带的电极带及其制造方法。

背景技术

在医药领域，电化学生物传感器近来被频繁用于分析包括血液在内的生物样品。尤其地，使用酶的电化学生物传感器被广泛使用，这是因为它易于应用，具有高的测量灵敏度并且可以快速获得结果。

至于这样的电化学生物传感器的实例，有葡萄糖测量生物传感器。下文将描述其工作机理。

对于葡萄糖测量生物传感器，形成某一电极，然后葡萄糖氧化酶作为分析试剂被固定到所述电极的一部分上以形成反应层。当血液样品被引入到该反应层上时，血液中的葡萄糖被葡萄糖氧化酶氧化，而葡萄糖氧化酶则被还原。电子受体氧化葡萄糖氧化酶并被还原。被还原的电子受体在施加有预定电压的电极表面上失去其电子，并且以电化学方式被重新氧化。由于血液样品中的葡萄糖浓度与在电子受体氧化过程中产生的电流量成比例，因此葡萄糖浓度可以通过测量电流量来进行测量。

通过使用该电化学生物传感器，除了血液中的葡萄糖以外，还可以测量血液中的尿酸和蛋白质。此外，还可以测量GOT(谷草转氨酶)或GPT(谷丙转氨酶)的酶活性以用于DNA以及肝脏功能测试。

本文中，生物传感器被分为用于识别待测物的识别部分和用于进行电信号转换的转换部分。对于识别部分，使用生物材料，其中当该生物材料识别出待测物时，便发生化学或物理变化。转换部分将该变化转换成电信号，并且转换部分通常被称为生物传感器电极。

至于制造该生物传感器电极的方法，有丝印法。丝印法是一种采用铂墨、碳墨或银/氯化银墨的印刷方法，其需要的设备费用低，但存在的问题是，难以调节电阻变化来制造要求重现性的传感器电极。

至于制造所述生物传感器电极的另一种方法，有使用图案化掩模和贵金属的真空沉积或溅镀法。根据该方法，图案化掩模被沉积在基底上，然后执行使用贵金属的真空沉积或溅镀以形成电极图案。然而，该方法的问题是由于使用贵金属而导致成本较高，并且在回收贵金属方面也有困难。

此外，常规的溅镀方法通过使用图案化掩模来执行溅镀。也就是说，由于要执行的是薄片型溅镀，并且执行该溅镀所需的时间较长，因此生产效率较低。

同时，为了制造生物传感器电极，传统上一直用于制造印刷电路板(PCB)的金属图案化技术可以用来制造用于对生物样品、如血液中的特定物质进行定量的电化学生物传感器电极。

然而，在常规PCB制造中，采用铜等来制造电极。铜基底上的层合金属导致不均匀的和凹凸不平的表面，使得样品流入下层铜中，从而产生干扰测量值的电信号。因此，该方法不适于用来制造生物传感器电极。此外，由于PCB中使用的铜或镍在电化学生物传感器中通常所用的电压处具有电活性，即不稳定，因此，它不适于用作电化学生物传感器的电极材料。

电化学生物传感器的电极材料应为对酶非活性的导电材料。对酶非活性的导电材料主要包括半导体材料等，例如掺杂有二氧化钛的碳、铂、钯、金以及铟。这些材料通常用CVD(化学气相沉积)法、PVD(物理气相沉积)法以及丝网印刷法来沉积。这些方法需要有精确技术来实现电极的准确尺寸和性能。然而，尽管除了碳以外的其他非活性材料具有优良的电特性，但是由于它们较为昂贵，因此其大量生产是困难的。因此，为了减小电阻，通常采用的是使用丝网印刷法来沉积碳厚度。然而，由于使用碳墨的丝网印刷法会导致硬度低且厚度不均匀，因此它存在许多缺陷，例如电阻的不规则性、产生碳粒以及工艺复杂。

这样，可以考虑将铬层和镍层溅镀和沉积在基底上的技术。然而，由于铬是对酶有活性的金属，因此为了在激光蚀刻之后减小铬与酶发生反应的风险，在此引入沉积碳层并且溅镀钛层的技术，钛层表现出对酶的非活性特性并且具有高导电性。

发明内容

本发明的至少一项实施例提供了一种改良的电化学生物传感器电极，它可以解决常规技术中存在的上述问题，并且提供了一种用于制造该电极的方法。

本发明的至少一项实施例的一个目的在于提供一种电化学生物传感器电极和所述电极的制造方法，该方法通过采用较少的组件并简化制造过程而可以减少制造时间和成本。

本发明的至少一项实施例的另一目的在于提供一种电化学生物传感器电极以及用于制造该电极的方法，该电极具有均匀的表面，它可以被图案化以具有期望的形状，从而它可以根据需要而被适当地转化，并且该电极具有优良的检测特性。

本发明的至少一项实施例提供了一种用于电化学生物传感器的电极带，该电极带需要的生产成本低且具有优良的性能。

根据本发明的至少一项实施例的电化学生物传感器电极带包括：带形非导电基底；以及至少两个电极，所述至少两个电极形成在所述基底上并且用作工作电极和参比电极，其中所述电极包括碳层和金属层，其中碳层形成在所述基底上，而金属层形成在所述碳层上，并且所述金属层含有钛。

本发明的至少一项实施例还提供一种用于制造电化学生物传感器电极带的方法。根据本发明一个方面的用于制造电化学生物传感器电极带的方法包括：制备非导电基底的步骤；在所述基底上形成碳层的步骤；在所形成的碳层上形成含有钛的金属层，从而形成由碳层和金属层构成的导电层的步骤；以及对所述导电层进行局部蚀刻以将电极形状图案化的步骤。

根据本发明的至少一项实施例，由于所形成的电极具有均匀表面，因此检测的精确度可以得以提高。此外，由于非导电膜上的碳层和含有钛的金属层可以通过同一腔室中的连续处理来溅镀，因此制造过程较为简便，并且可以进行大量生产。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明一个方面的电化学生物传感器电极带的一项实施例的制造过程。

图2为展示图1中制造的电极带的电极配置的顶视图。

图3为图1中制造的电极带沿着图2中的线A-A’的截面图。

图4为图1中制造的电极带沿着图2中的线B-B’的截面图。

图5-7所示为根据本发明的电化学生物传感器电极带的其他实施例。

图8为展示根据本发明一个方面的电化学生物传感器电极带的测试结果的图。

具体实施方式

将参考附图对根据本发明至少一项实施例的电化学生物传感器电极带及其制造方法进行更详细描述。首先，本说明书以及所附权利要求中使用的术语和词语不应由一般意义和字典意义来界定，而应由符合本发明技术理念的意义和概念来界定，并且不脱离以下原则：为了用最佳方式来描述发明人的发明，发明人可以适当地界定词语的概念。

在附图中示出的构造以及在本说明书中描述的实施例仅仅是本发明最优选的实施例而并不代表本发明的整个技术理念。因此，应理解的是，在提交本发明的专利申请时，可能有多种等价方式和修改的实施例，它们可以替代本文所述的实施例。

根据本发明一项实施例的电化学生物传感器电极带(100)包括：带形非导电基底(10)；以及至少两个电极，所述至少两个电极形成在所述基底上并且用作工作电极(101)和参比电极(102)，其中所述电极包括碳层(20)和金属层(30)，其中碳层(20)形成在所述基底(10)上(见图1)，而金属层(30)形成在所述碳层(20)上，并且所述金属层(30)含有钛。

一般来讲，由于钛具有高强度，因此很难将其均匀地溅镀到基底上。然而，通过首先将碳层溅镀到基底上然后将含有钛的金属层溅镀到所述碳层上，可以使表面粗糙度变得均匀，并且可以保持恒定的电阻。也就是说，可以制造更可靠的传感器。

图2为展示根据本发明一项实施例的电化学生物传感器电极带的电极配置的顶视图。图3所示为沿着图2中线A-A’剖开的视图。图4所示为沿着图2中线B-B’剖开的视图。

根据本发明的一项实施例，碳层(20)和金属层(30)可以通过溅镀来形成。通过溅镀形成厚度均匀的薄膜是可能的。

根据本发明的一项实施例，碳层(20)的厚度可以是而金属层(30)的厚度可以是

该厚度可以根据制造简便性和电特性等进行调整。

在本发明中，形成电极的金属层(30)为含有钛作为主要材料的金属层。

根据本发明的一项实施例，在工作电极(101)和参比电极(102)之间，还可以形成辅助电极(104)。在这种结构中，待测量的生物样品可以被施加到在其中形成辅助电极的部分。

换句话说，当本发明的电化学生物传感器电极带(100)被应用于生物传感器时，可以与待测量的生物样品发生反应的试剂等被放置在工作电极(101)与参比电极(102)彼此邻近的部分中。该试剂可以放置在辅助电极(104)所放置在的部分中。

例如，当本发明至少一项实施例的电化学生物传感器电极带被用于测量血液中葡萄糖的试剂盒时，辅助电极(104)所放置在的部分可以是反应部分。在反应部分上可以放置试剂，例如主要含有水凝胶和葡萄糖氧化酶(下文中称为“GO”)的试剂。本文中，当血液样品被施加到所述反应部分时，血液样品中含有的葡萄糖因其与GO的酶反应而被氧化，GO则被还原。被还原的GO通过与电子受体的反应而被重新氧化，且被氧化的GO与其他的葡萄糖反应。被还原的电子受体移动到施加有电压的电极表面上，并且失去其电子，从而其以电化学方式被重新氧化并且继续参与反应。由于在电子受体氧化过程中产生的电流与血液中的葡萄糖浓度成比例，因此血液中的葡萄糖浓度就可以通过测量工作电极(101)和参比电极(102)之间的电流量来定量测量。而辅助电极(104)可以实现有利于工作电极(101)与参比电极(102)之间电流动的功能，并且可以用作为用于指示反应部分的指示器。

此外，考虑到电化学生物传感器电极带通过插入到测试仪中来使用这种情况，还可以设置识别电极(103)，用于确定所述电极带是否被正确地插入测试仪中。例如，如果电极带被插入到测试仪中，则所述测试仪可以被配置为所述识别电极(103)被电连接至独立设置在所述测试仪中的传感电路。

根据本发明的一项实施例，对于非导电基底(10)，可以采用绝缘聚合物膜。对绝缘聚合物膜不存在限制，只要它具有绝缘性能即可。绝缘聚合物膜的例子包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、环氧树脂膜、酚醛树脂膜、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚酯膜、聚碳酸酯膜、聚苯乙烯膜、和聚酰亚胺膜等。绝缘聚合物膜的类型并不局限于这些膜。

根据本发明的一项实施例，在碳沉积处理之前，可以对非导电基底执行预焙烘处理，以便清除基底本身含有的水分。

本发明还提供一种用于制造电化学生物传感器电极带的方法，所述方法包括：制备非导电基底的步骤；在所述基底上形成碳层的步骤；在所形成的碳层上形成金属层，从而形成由金属层和碳层构成的导电层的步骤；以及对所述导电层进行局部蚀刻以将电极形状图案化的步骤。

本发明的一项实施例使用大且宽的基底，在所述基底上形成多个电极图案。所述基底连同每个电极图案被切削，从而可以制造各自独立的电极。

根据本发明的一项实施例，碳层和含有钛的金属层可以通过溅镀来形成。

根据本发明的一项实施例，碳层和金属层被溅镀以形成由碳层和金属层构成的导电层。此后，电极图案通过蚀刻来形成。对于蚀刻，可以运用激光蚀刻。即使在激光蚀刻之后，用根据本发明一个方面的制造方法制造的电极也可以具有优良的性能，这是因为其中的碳层不与酶反应。

如果使用激光蚀刻来形成电极图案，则可以方便地形成微型的电极图案。不同于一些使用溶剂的蚀刻方法，激光蚀刻不存在导致因溶剂造成的环境污染的可能。

根据本发明的一项实施例，在基底整个表面被溅镀以形成导电层之后，执行激光蚀刻以形成电极图案。因此，在溅镀过程中无需使用图案化的掩模。

也就是说，如果在本发明中运用激光蚀刻，则可以运用直接溅镀方法来一次性地溅镀基底整个表面。如果是直接溅镀，则在溅镀过程中无需使用图案化的掩模。此外，由于卷对卷制程是可能的，因此溅镀过程得以简化，从而减少处理时间。因此，生产效率得到提高。

此外，由于图案可以容易地通过激光蚀刻形成，因此可以容易地实现大量生产。

工作电极(101)和参比电极(102)可以通过蚀刻来形成，而且还可以形成从辅助电极(104)和识别电极(103)中选出的至少一个额外电极。

根据本发明一个方面的电化学生物传感器电极带可以如图1所示来制造。

图5和图6中所示的电化学生物传感器电极带是基本的电极带，它只包括工作电极(101)和参比电极(102)。

图7所示的电化学生物传感器电极带为这样一种电极带，其除了工作电极(101)和参比电极(102)外还包括识别电极(103)。

图8所示为根据本发明一个方面来制造的电极带的测试结果图。

进行该测试的方法是将个位数mV的电压施加给电极并且使该电极与强行加载到该电极上的试剂发生反应，从而测量在该处理过程中产生的电流值。也就是说，电流值表明溶液中含有的某一试剂的浓度，并且应验证所需量的试剂中产生的所需量的电子是否通过电极表面被恰当地传递。因此，如果电极表面和电阻是均匀和恒定的，则在每个电极中可以获得如图8中所示的恒定线性结果值。

Claims

1.一种电化学生物传感器电极带，包括：非导电基底；以及在所述基底上形成且用作工作电极和参比电极的至少两个电极，

其中所述电极包括碳层和金属层，

其中所述碳层形成在所述基底上，而所述金属层形成在所述碳层上，

并且所述金属层含有钛。

2.根据权利要求1所述的电化学生物传感器电极带，其中所述碳层和所述金属层通过溅镀形成。

3.根据权利要求1所述的电化学生物传感器电极带，其中所述碳层的厚度为

4.根据权利要求1所述的电化学生物传感器电极带，其中所述金属层的厚度为

5.根据权利要求1所述的电化学生物传感器电极带，其中所述非导电基底是绝缘聚合物膜。

6.根据权利要求1所述的电化学生物传感器电极带，其中所述电化学生物传感器电极带还包括选自识别电极和辅助电极中的至少一个电极。

7.一种用于制造电化学生物传感器电极带的方法，所述方法包括：

制备非导电基底；

在所述基底上形成碳层；

在所形成的碳层上形成含有钛的金属层，从而形成由所述碳层和所述金属层构成的导电层；以及

对所述导电层进行局部蚀刻，以将电极形状图案化。

8.根据权利要求7所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中所述碳层和所述含有钛的金属层通过溅镀形成。

9.根据权利要求8所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中所述溅镀在同一腔室中执行。

10.根据权利要求7所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中所述碳层的厚度为

11.根据权利要求7所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中所述含有钛的金属层的厚度为

12.根据权利要求7所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中所述蚀刻是使用激光来执行的。

13.根据权利要求7所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中通过蚀刻形成的电极是工作电极和参比电极。

14.根据权利要求7所述的用于制造电化学生物传感器电极带的方法，其中除了工作电极和参比电极外，还形成选自辅助电极和识别电极中的至少一个。