CN112513284A - 生物传感器用电极 - Google Patents

Abstract

本公开涉及生物传感器用电极。电极由包括下列层的堆叠体制成：(A)由钌金属、钌基合金、镍金属或镍基合金制成的层；以及(B)由导电金属、导电金属合金或碳制成的层。当与现有的纯金属电极相比时，所得的电极堆叠体的物理和电学性质具有优势。

Description

生物传感器用电极

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月18日提交的美国临时专利申请系列No.62/659,407的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开涉及电极，如在生物传感器中发现的电极；以及用于制造和使用这种电极的方法，例如在生物传感器中。在一些实施方案中，生物传感器具有一个或以上电极，该电极包含具有所需机械性质和电学性质的非贵金属合金，例如与诸如铝(Al)、铬(Cr)、铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、铼(Re)和钨(W)之类的元素组合的含钌合金。在其他实施方案中，合金为与诸如铝(Al)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、钼(Mo)、钯(Pd)、钌(Ru)、钽(Ta)或钛(Ti)之类的元素组合的含镍合金。在特定实施方案中，电极包括金属合金堆叠体，该金属合金堆叠体包括(A)由导电金属或碳制成的基层以及(B)由钌金属、含钌金属合金、镍金属或含镍金属合金制成的电极层。应当理解，本公开也可用于其他类似的应用。

生物传感器可以用于若干应用中，如用于测定生物流体(例如，血液)中的分析物(例如，葡萄糖)的量。血糖监测是糖尿病管理中的有价值的工具。糖尿病是一种机体不能严格控制血糖水平的疾病，而血糖是机体最重要和主要的能量来源。这是由于胰腺不能产生足够的胰岛素，或者由于身体细胞不能对所产生的胰岛素作出适当的响应。鼓励糖尿病患者监测自身的葡萄糖水平以预防高血糖症、以及其他长期并发症，如心脏病、中风、肾衰竭、足溃疡和眼损伤。葡萄糖生物传感器是用于检测血液中的分析物(葡萄糖)的分析装置。虽然已经基于电位测定法、电流分析法和比色法设计了葡萄糖生物传感器，但是迄今为止大多数市售可得的生物传感器为测量电流的生物传感器。这些生物传感器使用氧化还原酶(例如，谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、一氧化氮合酶(eNOS、iNOS和nNOS)、过氧化物还原蛋白、超氧化物歧化酶(SOD)、硫氧还蛋白(Trx)等)作为负责选择性识别目标分析物(例如，葡萄糖)的生物成分。

这种类型的生物传感器为相对较小的层压塑料条，该层压塑料条可以暴露于诸如血液之类的生物样品。所述生物传感器的一个重要特征是它是一次性的并且仅使用一次。该条用作反应室和两个电极的基底，两个电极即参比电极和工作电极，这两个电极连接至反应室。葡萄糖生物传感器包括附接于工作电极的试剂层。试剂层包含选择性识别成分(即，氧化还原酶)以及电子介体。

电子介体是人工电子转移剂，其帮助电子从氧化还原酶穿梭至电极表面。介体通过与经还原的酶进行反应而后扩散至电极表面来实现这一点。介体的实例包括由2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)引发的乙烯基二茂铁(VFc)、锇络合物、醌、铁氰化物、亚甲蓝、2,6-二氯靛酚、硫堇、棓花青、靛酚、它们的组合等。

将生物流体样品引入葡萄糖生物传感器的反应室，并将生物传感器连接至诸如仪表之类的测量装置，以使用生物传感器的电极进行分析。当测量装置通过生物传感器的电极施加偏置电压信号时，样品中的分析物(葡萄糖)在工作电极处(氧化还原酶所在的位置)发生还原/氧化反应。氧化还原反应响应于偏置电压信号而产生输出信号。输出信号通常为电信号，例如电压或电流，测量输出信号并将其与生物流体样品中的分析物浓度相关联。

这种生物传感器中的电极通常由昂贵的贵金属制成，如银、金、钯或铂。期望开发当与特定的酶/介体系统一起使用时具有额外优点的可用作生物传感器中的电极的新材料。若这些材料不包括昂贵的贵金属，也是所期望的。

发明内容

本公开涉及具有由多层堆叠体形成的电极的生物传感器，多层堆叠体包括(1)钌基或镍基金属合金层以及(2)由导电金属、导电金属合金或碳制成的基层。将试剂置于电极上，试剂包括酶和电子介体的特定组合。当与试剂一起使用时，所得电极具有有利的物理和/或电学性质。这些性质可以包括薄度(thinness)、与氧化还原试剂反应期间的安全性、导电性以及与氧化还原试剂的反应性。

在一些实施方案中公开了由至少一个基层和至少一个电极层形成的电极。电极层由钌金属、组合有至少一种另外的合金元素的含钌金属合金、镍金属、或者组合有至少一种另外的合金元素的含镍金属制成。可以考虑的是，含钌合金或含镍合金可为二元、三元或四元合金。该至少一个基层由高电导率低成本金属(其不包括钌)或由碳(例如，类金刚石碳的形式)制成。一个或多个基层、以及一个或多个电极层由不同的材料制成。基层可表现出比电极层更高的电导率。基层可为导电金属，如Al、Ag、Cr、Mo和W，或者可以为碳。基层和电极层彼此直接接触。

在一些特定实施方案中，电极由夹在两个基层(B)之间的电极层(E)形成，以形成B-E-B结构。两个基层可以由相同或不同的材料制成。

在其他特定实施方案中，电极由夹在两个电极层之间的基层层形成，以形成E-B-E结构。两个电极层可以由相同或不同的材料制成。

在一些特定实施方案中，含钌合金可包含约5原子百分比(原子％)至约95原子％的钌，包括50原子％或更多的钌；约5原子％至约45原子％的钌；约50原子％至约95原子％的钌；约55原子％至约95原子％的钌；约50原子％至约65原子％的钌；约50原子％至约60原子％；约55原子％至约75原子％的钌；约60原子％至约70原子％；约65原子％至约85原子％的钌；约70原子％至约80原子％；约75原子％至约95原子％的钌；约80原子％至约90原子％；或约85原子％至约95原子％的钌。这是基于总计100原子％的合金计算的。

在其他特定实施方案中，含钌合金包含约95原子百分比(原子％)至小于100原子％的钌，包括约95原子％至约96原子％的钌；约96原子％至约97原子％的钌；约97原子％至约98原子％的钌；和约98原子％至约99原子％的钌。一种或多种另外的合金元素以大于0原子％至约5原子％的总量存在。这是基于总计100原子％的含钌合金计算的。

在特定实施方案中，一种或多种另外的合金元素选自由铝、铬、铜、镍、铼和钨组成的组。

在特定实施方案中，含钌合金可包含钌并组合有约5原子％至约95原子％的一种或多种另外的合金元素，包括约55原子％至约95原子％；约5原子％至约50原子％；约35原子％至约50原子％；约40原子％至约50原子％；约25原子％至约45原子％；约30原子％至约40原子％；约15原子％至约35原子％；约20原子％至约30原子％；约5原子％至约25原子％；约10原子％至约20原子％；或约5原子％至约15原子％；或约0原子％至约10原子％的一种或多种另外的合金元素。在特定实施方案中，当钌基合金为三元合金时，第一合金元素与第二合金元素的重量比可为约1:1至约2:1。

在其他特定实施方案中，含钌合金可包含钌并组合有大于0至约5原子％的一种或多种另外的合金元素，包括约1原子％至约2原子％；约2原子％至约3原子％；约3原子％至约4原子％；以及约4原子％至约5原子％的一种或多种另外的合金元素。在特定实施方案中，当钌基合金为三元合金时，第一合金元素与第二合金元素的重量比可为约1:1:至约2:1。

在一些特定实施方案中，含钌合金为(a)钌与(b)铬或钨的二元合金。这些二元合金可包含：约55原子％至约85原子％的钌，余量为铬或钨；或约55原子％至约65原子％的钌，余量为铬或钨；或约75原子％至约85原子％的钌，余量为铬或钨。

在其他特定实施方案中，含钌合金为(a)钌与(b)铝的二元合金。这些二元合金可包含：约60原子％至约70原子％的钌，余量为铝；或约15原子％至约25原子％的钌，余量为铝。

在一些其他特定实施方案中，含钌合金为(a)钌与(b)镍的二元合金。这些二元合金可包含约5原子％至约25原子％的钌，余量为镍。

还在一些其他特定实施方案中，含钌合金为(a)钌与(b)镍和铝的三元合金。这些二元合金可包含约20原子％至约55原子％的钌，余量为镍和铝的组合。

在其他特定实施方案中，含钌合金为(a)钌与(b)铬和钨的三元合金。这些二元合金可包含约20原子％至约55原子％的钌，余量为铬和钨的组合。

在某些实施方案中，合金为含镍合金，该含镍合金可包含约20原子百分比(原子％)至约95原子％的镍；约55原子百分比(原子％)至约95原子％的镍；约55原子％至约65原子％的镍；约55原子％至约60原子％；约55原子％至约75原子％的镍；约60原子％至约70原子％；约65原子％至约85原子％的镍；约70原子％至约80原子％；约75原子％至约95原子％的镍；约80原子％至约90原子％；或约85原子％至约95原子％的镍。这是基于总计100原子％的合金计算的。

在特定实施方案中，一种或多种另外的合金元素可包括选自由铝、金、铬、铜、钼、钯、钌、钽和钛组成的组中的金属。合金可包含镍并组合有约5原子％至约45原子％的一种或多种另外的合金元素，包括；约35原子％至约45原子％；约25原子％至约45原子％；约30原子％至约40原子％；约15原子％至约35原子％；约20原子％至约30原子％；约5原子％至约25原子％；约10原子％至约20原子％；或约5原子％至约15原子％；或约0原子％至约10原子％的一种或多种另外的合金元素。在特定实施方案中，当镍基合金为三元合金时，第一合金元素与第二合金元素的重量比可为约1:1至约2:1。

在一组不同的实施方案中，合金包含约20原子％至约95原子％的镍。在更具体的实施方案中，合金为二元合金，并且包含约5原子％至约80原子％的第一合金元素，并且第一合金元素选自由铝、钌、钽和钛组成的组。在其他具体实施方案中，合金为三元合金，并且基本上由约20原子％至约95原子％的镍；第一合金元素；以及第二合金元素组成；其中第一合金元素和第二合金元素各自选自由铝、钌、钽和钛组成的组，并且第一合金元素和第二合金元素总共占合金的约5原子％至约80原子％。

在一些其他实施方案中，合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约55原子％至约95原子％的镍和(b)约5原子％至约45原子％的铝、铬或钌组成。

在其他另外的实施方案中，合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约55原子％至约95原子％的镍和(b)约5原子％至约45原子％的铝、铜、铬、钽或钛组成。

还在其他实施方案中，合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约55原子％至约95原子％的镍和(b)约5原子％至约45原子％的铝、铬或钛组成。

在一些特定实施方案中，合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约45原子％至约95原子％的镍和(b)约5原子％至约55原子％的钌组成。

仍在其他实施方案中，合金为三元合金，该三元合金基本上由(a)约20原子％至约55原子％的镍、(b)约20原子％至约30原子％的钛、以及(c)约20原子％至约30原子％的钽组成。

在更多不同的实施方案中，合金为三元合金，该三元合金基本上由(a)约20原子％至约55原子％的镍、(b)约20原子％至约30原子％的铝、以及(c)约20原子％至约30原子％的钌组成。

在另外的特定实施方案中，当镍基合金为三元合金时，该合金包含(a)镍和(b)铝、钌、钽或钛。这些三元合金可包含约20原子％至约95原子％的镍，余量为铝、钌、钽或钛。

在一些特定实施方案中，合金为(a)镍与(b)铝、铬或钌的二元合金。这些二元合金可包含约55原子％至约95原子％的镍，余量为铝、铬或钌。

在一些特定实施方案中，合金为(a)镍与(b)铝、铜、铬、钽或钛的二元合金。这些二元合金可包含约55原子％至约95原子％的镍，余量为铝、铜、铬、钽或钛。

在一些其他特定实施方案中，合金为将约20原子％至约55原子％的镍与约20原子％至约30原子％的钛和约20原子％至约30原子％的钽组合的三元合金。

在一些其他特定实施方案中，合金为将约20原子％至约55原子％的镍与约20原子％至约30原子％的铝和约20原子％至约30原子％的钌组合的三元合金。

在一些特定实施方案中，合金为(a)镍与(b)铝、铬或钛的二元合金。这些二元合金可包含约55原子％至约95原子％的镍，余量为铝、铬或钛。

在一些特定实施方案中，合金为(a)镍与(b)钌的二元合金。这些二元合金可包含约45原子％至约95原子％的镍，余量为钌。

还在一些其他实施方案中，基层由碳或选自由Al、Ag、Cr、Mo和W组成的组中的金属制成。

在一些实施方案中，基层为约10nm至约75nm厚。电极层也可为约10nm至约75nm厚。

在其他实施方案中，基层的电导率高于顶层的电导率。

本文还公开了包括此类多层堆叠体的生物传感器和制品，多层堆叠体具有含钌或镍的合金电极层和导电基层。基层可提高电极的电导率。

在各种实施方案中进一步公开了制造生物传感器的方法，该方法包括通过在基底的表面上沉积基层而后在基层之上沉积电极层，从而形成第一电极。基层具有顶表面，并且由(1)碳、(2)不含钌的导电金属或(3)不含钌的导电金属合金形成。电极层由钌金属、含钌金属合金、镍金属或含镍金属合金形成。钌基合金或镍基合金可以包括任何上述合金。

该方法可以进一步包括通过共溅射形成第一电极。

该方法可以另外包括在基底中形成反应室，反应室接触第一电极。此外，试剂层可以形成在第一电极上，以形成工作电极。

该方法考虑到第一电极用作参考电极，并且还包括在基底上形成具有与第一电极(即，多层堆叠体)相同结构的第二电极，并且将试剂层置于第二电极上，以形成工作电极。

下文更具体地公开了本公开的这些和其他非限制性特征。

附图说明

下面是附图的简要说明，给出附图是为了说明本文公开的示例性实施方案，而不是为了限制本公开。

图1A为本公开的示例性电极的侧视图。基层接触电极层。如果需要，基层也可以由子层的组合制成。

图1B为本公开的另一示例性电极的侧视图。这里，电极层夹在两个基层之间。

图1C为本公开的另一示例性电极的侧视图。在该实施方案中，基层夹在两个电极层之间。

图2为本公开的示例性生物传感器的透视图。

图3为图2的生物传感器的分解图。

图4为示出生产本公开的电极的示例性方法的流程图。

图5为基线金(Au)电极的循环伏安法(CV)曲线图。y轴是以微安(μA)为单位的电流，并且x轴是以伏特(V)为单位的电压。

图6为对于基线金电极的扫描，电流氧化还原相对于电流氧化的基线可逆性的图。y轴是以微安(μA)为单位的电流。

图7为对于本公开的钌电极的扫描，电流氧化还原相对于电流氧化的基线可逆性的图。y轴是以微安(μA)为单位的电流。

图8为本公开的钌电极的一次扫描的CV曲线图。y轴是以微安(μA)为单位的电流，并且x轴是以毫伏(mV)为单位的电压。

图9为本公开的钌电极的第二次扫描的CV曲线图。y轴是以微安(μA)为单位的电流，并且x轴是以毫伏(mV)为单位的电压。

图10为本公开的钌电极的六次扫描期间的电流氧化还原的箱形图。y轴是以微安(μA)为单位的电流。

图11为本公开的钌电极的六次扫描期间的电压氧化还原的箱形图。y轴是以毫伏(mV)为单位的电压。

图12为金电极的六次扫描期间的电流氧化还原的箱形图，用于与图10中示出的箱形图进行比较。y轴是以微安(μA)为单位的电流。

图13为金电极的六次扫描期间的电压氧化还原的箱形图，用于与图11中示出的箱形图进行比较。y轴是以毫伏(mV)为单位的电压。

图14为钌峰距、钯峰距、金峰距和镍峰距的单独值图，用于与59mV的能斯特理想值进行比较。y轴是以毫伏(mV)为单位的电压。

图15为本公开的各种合金与已知金属进行比较的电流的单独值图。y轴是以微安(μA)为单位的电流。

图16A为示出基于并联电阻器模型的预测电阻作为铝层厚度和钌钨(RuW)层厚度的函数的等值线图。y轴和x轴是以纳米(nm)为单位的厚度，其中电阻以颜色指示(低为蓝色，高为绿色)。电阻沿着左上角最低，而在左下角最高。

图16B为示出测量的电阻作为铝层厚度和钌钨(RuW)层厚度的函数的等值线图。y轴和x轴是以纳米(nm)为单位的厚度，其中电阻以颜色指示(低为蓝色，高为绿色)。电阻沿着左上角最低，而在左下角最高。

图17为示出不同厚度的Cr/RuW的循环伏安法曲线图。y轴是以安培(A)为单位的电流，并且x轴是以伏特(V)为单位的电压。在初始电压为-300mV；开关电压为600mV；终电压为-300mV；扫描速率为50mV/sec；以及满刻度电流为10μA时测量这些值。

图18为比较三种不同电极层材料的循环伏安法曲线图。y轴是以安培×10^-5为单位的电流，并且x轴是以伏特(V)为单位的电压。RuW为虚线，Au为点线，而RuW/C为实线。

具体实施方式

通过参照附图，可以获得对本文公开的部件、方法和装置的更完整的理解。这些图仅仅是基于便利性的示意性表示以及易于展示本公开，因此，这些图不旨在指示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

虽然为了清楚起见，在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代为了在附图中进行说明而选择的实施方案的特定结构，并且不旨在限定或限制本公开的范围。应当理解，在附图和以下描述中，相同的数字标号表示具有相同功能的部件。

除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。

对“一个实施方案”、“实施方案”或“多个实施方案”的引用意味着所涉及的一个或多个特征包括在本技术的至少一个实施方案中。在本说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”或“多个实施方案”的单独引用不是必须指相同的实施方案，并且也不是相互排斥的，除非这样陈述和/或除非本领域技术人员从说明书中将容易地明白。例如，在一个实施方案中描述的特征、步骤等也可以包括在其他实施方案中，但不是必须包括在其他实施方案中。因此，本技术可以包括本文所述的特征的各种组合和/或综合。

如说明书和权利要求书中所使用的，术语“包含”可包括“由……组成”和“基本上由……组成”的实施方案。如本文所使用的，术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“含有”以及它们的变体旨在为开放式过渡短语、术语或词语，其需要存在指定成分/步骤并允许存在其他成分/步骤。然而，这样的描述应当被解释为还将组成或方法描述为“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”，其允许仅存在指定的成分/步骤、连同可能由其产生的任何杂质，并且排除其他成分/步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应当被理解为包括当舍入为相同数位的有效数字时相同的数值、以及与所述值的差异小于本申请中确定该值的所述类型的常规测量技术的实验误差的数值。

本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立地进行组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克、以及所有中间值)。

由一个或多个术语如“约”和“基本上”修饰的值可不限于所指定的精确值。修饰语“约”也应被认为公开了由两个端点的绝对值所限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了范围“2至4”。术语“约”可指所述值的±10％。

应当理解，当提供数值范围时，这些范围应被解释为对仅记载该范围的下限值的权利要求限制以及仅记载该范围的上限值的权利要求限制提供字面支持。例如，公开的10至100的数值范围为叙述“大于10”(没有上限)的权利要求和叙述“小于100”(没有下限)的权利要求提供字面支持。

术语“试剂”及其变体是指可包括多种成分的组合物。例如，本文有时使用试剂来描述包含氧化还原酶、电子介体和另外的物质/化合物的组合物。试剂可以是液体或固体。

本公开描述了在另一层“之上”形成的各种层。当第一层被描述为形成在第二层之上时，术语“之上”不应被解释为要求第一层和第二层彼此直接接触(没有中间层)。术语“之上”应被解释为描述第一层相对于第二层的位置。

本公开一般涉及用于电极的部件，如用于生物传感器的部件。如本文所使用的，术语“生物传感器”应表示用于分析生物样品的装置。在一些实施方案中，生物传感器可为医学传感器，如血糖仪，并且生物传感器部件可包括与生物传感器一起使用的测试条。如本文所使用的，术语“医疗传感器”应表示用于医疗监测和/或诊断的生物传感器。

当用于描述化学元素时，形容词“纯的”意指该元素为尽可能纯的形式，并且仅包含不能经济地除去的不可避免的杂质。

短语“钌金属”在本文中用于指仅由钌制成的金属，并且可包含附带的杂质，即包含100原子％的钌。

短语“镍金属”在本文中用于指仅由镍制成的金属，并且可包含附带的杂质，即包含100原子％的镍。

生物传感器通常由以下部件形成：(1)基底；(2)一对电极；以及(3)与分析物反应的试剂层，并且通常包含氧化还原酶和电子介体。

在本公开中，至少一个电极形成为多层堆叠体。换句话说，电极由多层不同材料制成。具体而言，电极包括(A)至少一个基层、以及(B)至少一个与基层直接接触的电极层。电极层由(1)钌金属、或(2)包含一定量钌的金属合金、或(3)镍金属、或(4)包含一定量镍的金属合金制成。换句话说，电极层至少包含钌或镍。基层由(1)不包含钌的导电金属或(2)碳制成。基层和电极层通常不包含贵金属，如金、银、钯或铂。这使得生物传感器更便宜，这提高了生物传感器的市场机会。当与特定的酶/介体系统一起使用时，含钌金属合金或含镍金属合金可以用于提供物理和电学性质优点。这些物理和电学性质可以包括电极的薄度、更好的导电性、随时间的稳定性、物理接触耐久性、对于降低的/更一致的偏置响应的降低的接触电阻、和/或对于电路中更细的线路形成的更好的内聚性。在特定实施方案中，顶部金属层合金为含钌合金或含镍合金。

图1A为由一组两个层形成的电极1的侧视图。电极1包括基层3和设置在基层的第一表面上的电极层2。通常，基层支撑电极层。在一些实施方案中，基层3比顶层2厚，基层和电极层由不同的材料制成。

图1B为另一个由一组三个层形成的电极1的示例性实施方案的侧视图。这里，电极1包括夹在两个基层3之间的电极层2。换句话说，电极层具有相对的表面，每个表面都直接接触基层。基层和电极层由不同的材料制成。可以考虑的是，两个基层可由相同的材料或不同的材料制成。

图1C为另一个由一组三个层形成的电极1的示例性实施方案的侧视图。这里，电极1包括夹在两个电极层2之间的基层3。换句话说，基层具有相对的表面，每个表面都直接接触电极层。基层和电极层由不同的材料制成。可以考虑的是，两个电极层可由相同的材料或不同的材料制成。

基层的厚度可为约100埃至约100nm。优选地，基层的厚度可为约10nm至约75nm。电极层的厚度可为约100埃至约100nm。优选地，电极层的厚度可为约10nm至约75nm。在一些实施方案中，基层3比电极层2厚。在其他实施方案中，电极层比基层厚。

在一些实施方案中，基层3包含下列材料：不包含钌的导电金属(理想地为纯的导电金属)、不包含钌的金属合金或碳。在一些实施方案中，基层3的电导率高于顶层2。在一些实施方案中，基层3的导电材料为纯金属或包含选自由Cr、W、Ag、Al、Mo、Zn、Co或Ni组成的组中的元素的合金。在一些实施方案中，基层材料为银、铝或铬(理想地为纯的金属)。还可考虑的是，基层可由多个或一组子层制成，其中子层为不同的金属。碳可为类金刚石碳的形式或石墨覆层。可以将碳溅射为薄膜。碳的存在有助于保持整个电极的电导率。

如本文进一步讨论的，电极层2包含钌金属、含钌金属合金、镍金属或含镍金属合金。特别注意到，基层和电极层是由不同材料制成。特别地，认为镍是用于基层的合适材料，但当电极层由镍金属或含镍金属合金制成时则不是如此。例如，当电极层由钌金属或含钌金属合金制成时，可将镍用于基层中。

图2为生物传感器10的透视图。生物传感器10具有主体12、流体采样端14、电接触端16和通气孔52。在流体采样端14处设置凹口54，以便于将流体样品装载到样品室17中。流体采样端14包括位于样品入口18和通气孔52之间的样品室17。电接触端16具有三个独立的导电触点16a、16b和16c。

图3为生物传感器10的分解图。主体12包括基底20、任选的试剂容纳层(reagentholding layer)30、通道形成层40和覆盖层50。主体12的层通常由塑料制成，如聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、尼龙、聚氨酯、硝酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯。本领域已知的其他聚合物组合物包括：尼龙、聚酯、共聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺；聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、苯乙烯丙烯腈共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯酸聚合物，聚(醚-酰亚胺)；聚苯醚或聚苯醚/聚苯乙烯共混物、聚苯乙烯树脂；聚苯硫醚；聚苯硫醚/砜；聚(酯-碳酸酯)；聚碳酸酯；聚砜；聚砜醚；以及聚(醚-酮)；或任何其他前述聚合物的混合物。这些材料可为柔性材料或刚性材料，并且通常应该为非导电材料且对于本文所述的预期化学反应是化学惰性的。

基底20具有金属膜21，金属膜21上刻画(delineate)画出三个电极22、24和26。可通过刻划(scribing)或刻痕(scoring)金属膜21，或通过在基底20上丝网印刷电极22、24、26，从而形成电极22、24、26。可通过机械刻划金属膜21来充分进行金属膜21的刻划或刻痕，以产生三个独立的电极22、24、26。本公开的优选刻划或刻痕方法是通过使用二氧化碳激光器、YAG激光器或准分子激光器进行的。可供选择地，在铺设金属膜时将其图案化，使得金属膜形成一个电极。形成生物传感器用电极的另一种方法包括(a)提供基底；(b)提供靶；以及(c)用来自所述靶的材料对所述基底的至少一部分进行物理气相沉积，从而在所述基底上形成导电层(即电极)。物理气相沉积技术包括溅射涂覆(例如，磁控溅射、不平衡磁控溅射、对向靶溅射等)、热蒸发、电子束蒸发、激光烧蚀、电弧蒸发、共蒸发、离子电镀等。如本文所示，将沉积三个不同的膜以形成三个电极22、24、26。

当需要使用液体试剂时，可以使用试剂容纳层30。试剂容纳层30具有三个试剂容纳开口32、34和36。试剂容纳开口32暴露电极22的一部分，试剂容纳开口34暴露电极24的一部分，而试剂容纳开口36暴露电极26的一部分，从而形成试剂容纳井。该层30用于保持足够量的液体形式的化学试剂，并促进通过传感器的样品室的毛细管作用。试剂容纳层30可由塑料片制成，并且可覆有超声结合至基底20、或丝网印刷在基底20上的压敏粘合剂、光敏聚合物。

通常，通道形成层40在流体取样端14处有一个U形切口42。切口42的长度使得当将通道形成层40层压至试剂容纳层30时，电极区域W和R在由切口42限定的空间内。U形切口42的长度、宽度和厚度限定了毛细管通道的体积。

三个试剂容纳开口32、34、36分别限定电极区域W1、W2和R，并且容纳化学试剂，从而形成两个工作电极和一个参比电极。通常，电极区域装载有试剂混合物。用于工作电极区域32、34、36的试剂混合物为酶和氧化还原介体与任选的聚合物、表面活性剂和缓冲剂的混合物。可将参比试剂基质装载在电极区域R中，其类似于工作电极的试剂混合物。可以考虑的是，W1和W2使用不同的酶/介体，它们可用于彼此检验。还可考虑的是，实施方案仅具有一个工作电极，其可更简单地进行制造。

可供选择地，化学试剂可以用于在电极区域W1、W2、R上形成干固体膜形式的试剂层。在这些实施方案中，不需要试剂容纳层30。

通常，电极区域R必须装载有氧化还原试剂或介体以使参比电极发挥作用。参比试剂混合物优选包含氧化形式的氧化还原介体或氧化和还原形式的氧化还原介体的混合物、至少一种粘合剂、表面活性剂和抗氧化剂(如果使用还原形式的氧化还原介体)和填充剂。在可供选择的方案中，参比电极(电极区域R)也可以装载有Ag/AgCl层(例如，通过施加Ag/AgCl墨水或通过溅射涂覆Ag或Ag/AgCl层)或不需要氧化还原介体来适当地发挥作用的其他参比电极材料。

试剂容纳开口的尺寸最好尽可能小，同时仍能容纳足够的化学试剂以正常地发挥作用。如本文所描述的，试剂容纳开口是圆的，并且优选直径为约0.03英寸(0.76mm)。三个试剂容纳开口32、34、36彼此对齐并且彼此间隔开大约0.025英寸(0.625mm)。圆形试剂容纳开口仅用于说明性目的，并且应当理解，试剂容纳开口的形状不是关键的。

当将流体样品施加到本公开的单个条时，流体样品通过取样端孔进入通道并流过W1、W2和R，并且在通气孔的入口(threshold)处停止。计时电流分析法(i-t曲线)可以用于测量生物传感器的电流响应。可以控制氧浓度(pO₂)。一旦血液样品进入条，则在工作电极和参比电极之间施加0.3伏特至0.5伏特的电压。然后可以测量血液样品的葡萄糖浓度。

上述实施方案基于测量电流的分析。然而，本领域技术人员将认识到，本公开的传感器也可利用库仑法、电势法、伏安法和其他电化学技术来确定样品中分析物的浓度。

图4为示出制造具有由多层堆叠体制成的电极的生物传感器的示例性方法100的流程图。方法100包括以下步骤：在基底的表面上形成多个层，该多个层包括在基底的表面上的至少一个导电电极层(E)和至少一个基层(B)，其中导电电极层包含钌或镍(步骤120)；在基底中形成反应室，其中反应室接触导电电极层(步骤140)；在导电电极层上形成试剂层，从而形成工作电极(步骤160)；以及在基底上形成第二电极(步骤180)。

在步骤120，在基底的表面上形成导电电极层和导电基层，其中导电电极层包含钌或镍。在一些实施方案中，基层直接接触基底，或者换句话说，基层位于电极层与基底之间。在其他实施方案中，电极层直接接触基底，或者换句话说，电极层位于基层与基底之间。在一些情况中，将多层堆叠体的层溅射至基底的表面上。例如，由于金属源与高能粒子的接触，通过使用快离子喷射来自导电材料源的金属颗粒，可以将导电基层沉积到基底表面上。可供选择地，可以通过在真空环境中蒸发金属来沉积导电基层。然后可以使用类似的技术将电极层沉积到基层上。多层堆叠体可以用于形成单个电极，或者可以进行成形或图案化以形成两个或以上电极。在具体实施方案中，多层堆叠体包括基层和电极层。如上所述，基层可以由多个子层制成，每个子层由不包含钌的导电金属制成。类似地，电极层可以由一组子层制成，一个子层包含钌金属或合金，而另一个子层包含碳。

应认识到，可在步骤120处形成本文所公开的层的任何结构，包括但不限于图1A至图1C中所描绘的结构。

在步骤140，在基底中形成反应室，其中反应室接触导电电极层。可以通过本领域已知的任何方法在基底中形成反应室。

在步骤160，在金属层堆叠体的导电电极层上形成试剂层，从而形成工作电极。可以通过本领域已知的任何方法在导电电极层上形成试剂层。更具体而言，试剂层包含酶、辅酶和电子介体。可考虑特定的酶/介体系统。在第一种系统中，酶为葡萄糖氧化酶(GOD)，辅酶为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，并且介体为六氰合铁(II)/六氰合铁。在第二种系统中，酶为葡萄糖脱氢酶(GDH)，辅酶为吡咯并喹啉醌(PQQ)，并且介体为六氰合铁(II)/六氰合铁。在第三种系统中，酶为GDH，辅酶为PQQ，并且介体为醌胺/苯二胺。

在步骤180，在基底上形成第二电极。可以如步骤120中所述形成第二电极。

电极层可以由含钌金属合金制成。含钌金属合金本身可以为合适金属的二元、三元或四元合金。在特定实施方案中，含钌金属合金为包含钌(Ru)并组合有一种或多种另外的合金元素的金属合金。合金可包含约5原子百分比(原子％)至约95原子％的钌，包括50原子％或更多的钌；约5原子％至约45原子％的钌；约50原子％至约95原子％的钌；约55原子％至约95原子％的钌；约50原子％至约65原子％的钌；约50原子％至约60原子％；约55原子％至约75原子％的钌；约60原子％至约70原子％；约65原子％至约85原子％的钌；约70原子％至约80原子％；约75原子％至约95原子％的钌；约80原子％至约90原子％；或约85原子％至约95原子％的钌。

特别考虑到，包含钌(Ru)的金属合金与一种或多种诸如铝(Al)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、铼(Re)或钨(W)之类的元素组合形成。该合金可包含约5原子％至约95原子％的这些另外的合金元素，包括约55原子％至约95原子％；约5原子％至约50原子％；约35原子％至约50原子％；约40原子％至约50原子％；约25原子％至约45原子％；约30原子％至约40原子％；约15原子％至约35原子％；约20原子％至约30原子％；约5原子％至约25原子％；约10原子％至约20原子％；或约5原子％至约15原子％；或约0原子％至约10原子％的另外的合金元素。

如上所述，还可考虑的是，生物传感器中使用的电极的电极层可以由钌金属(即100原子％的钌)或包含高的钌含量的金属合金制成，高的钌含量如约95原子％至小于100原子％的钌。

高含量钌金属合金本身可以为合适金属的二元、三元或四元合金。在特定实施方案中，合金为包含钌(Ru)并组合有一种或多种另外的合金元素的金属合金。合金可包含约95原子百分比(原子％)至小于100原子％的钌，包括约95原子％至约96原子％的钌；约96原子％至约97原子％的钌；约97原子％至约98原子％的钌；或约98原子％至约99原子％的钌。

特别考虑的是，含钌合金包含高含量的钌(Ru)并组合有一种或多种元素如铝(Al)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、铼(Re)或钨(W)。合金可包含大于0原子％至约5原子％的这些另外的合金元素，包括约1原子％至约2原子％；约2原子％至约3原子％；约3原子％至约4原子％；以及约4原子％至约5原子％的另外的合金元素。

在上述指定的组成范围内，可以考虑钌与一种或多种其他元素的任意组合。金属层堆叠体可为使用集团(即共溅射)系统形成的，其中禁止基底旋转以允许在整个晶圆区域上的一系列组成。理想地，将对于金属层堆叠体中的每个层制造溅射靶，因为这使得为每个层能够保持沉积均匀性。

在特定实施方案中，含钌合金为包含钌与铬或钨的组合的二元金属合金。在进一步的具体实施方案中，含钌金属合金是将钌(Ru)与铝(Al)组合的二元合金。在另外的实施方案中，含钌金属合金是将钌(Ru)与镍(Ni)组合的二元合金。在其他另外的实施方案中，含钌金属合金包含钌(Ru)和铼(Re)。

在一些特定实施方案中，含钌合金为包含钌与铬或钨的组合的二元金属合金。这些二元合金可包含约55原子％至约85原子％的钌、或约55原子％至约65原子％的钌、或约75原子％至约85原子％。这些二元合金的余量为铬或钨。

在进一步的具体实施方案中，含钌金属合金为将钌(Ru)与铝(Al)组合的二元合金。该合金可包含约5原子％至约45原子％的钌、或约55原子％至约95原子％的钌，余量为铝。在特定实施方案中，合金可包含约60原子％至约70原子％的钌以及约30原子％至约40原子％的铝。

在另外的实施方案中，含钌金属合金为将钌(Ru)与镍(Ni)组合的二元合金。合金可包含约55原子％至约95原子％的钌以及约5原子％至约45原子％的镍。

在其他另外的实施方案中，含钌金属合金包含钌(Ru)和铼(Re)。该合金可包含约55原子％至约95原子％的钌以及约5原子％至约45原子％的铼。

电极层也可以由含镍金属合金制成。含镍金属合金本身可以为合适金属的二元、三元或四元合金。在特定实施方案中，合金为包含镍(Ni)并组合有一种或多种另外的合金元素的金属合金。合金可包含约55原子百分比(原子％)至约95原子％的镍；约55原子％至约65原子％的镍；约55原子％至约60原子％；约55原子％至约75原子％的镍；约60原子％至约70原子％；约65原子％至约85原子％的镍；约70原子％至约80原子％；约75原子％至约95原子％的镍；约80原子％至约90原子％；或约85原子％至约95原子％的镍。

特别考虑到，本文所用的合金为包含镍(Ni)并组合有一种或多种诸如铝(Al)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、钼(Mo)、钯(Pd)、钌(Ru)、钽(Ta)和钛(Ti)之类的元素的金属合金。该合金可包含约5原子％至约45原子％的这些另外的合金元素，包括约35原子％至约45原子％；约40原子％至约45原子％；约25原子％至约45原子％；约30原子％至约40原子％；约15原子％至约35原子％；约20原子％至约30原子％；约5原子％至约25原子％；约10原子％至约20原子％；或约5原子％至约15原子％；或约0原子％至约10原子％的一种或多种另外的合金元素。

可以考虑镍与一种或多种其他元素在上述指定组成范围内的任意组合。可使用团簇(即共溅射)系统形成合金，其中禁止基底旋转以允许在整个晶圆区域上的一系列组成。理想地，将由合金制造溅射靶，因为这使得能够保持沉积均匀性。

在一些实施方案中，合金为包含镍(Ni)并组合有一种或多种另外的合金元素的金属合金。合金可包含约20原子百分比(原子％)至约95原子％的镍。一种或多种另外的合金元素可以包括铝、钌、钽和钛。该合金可包含约5原子％至约80原子％的铝、钌、钽和钛。

在一些特定实施方案中，合金为包含镍并组合有铝、铬或钌的二元金属合金。这些二元合金可包含约55原子％至约95原子％的镍、或约55原子％至约85原子％的镍、或约75原子％至约85原子％的镍。这些二元合金的余量为铝、铬或钌。

在进一步的具体实施方案中，合金为包含镍并组合有铝、铜、铬、钽或钛的二元金属合金。这些二元合金可包含约55原子％至约95原子％的镍、或约55原子％至约85原子％的镍、或约75原子％至约85原子％的镍。这些二元合金的余量为铝、铜、铬、钽或钛。

在一些其他特定实施方案中，合金为包含镍并组合有铝、铬或钛的二元金属合金。这些二元合金可包含约55原子％至约95原子％的镍、或约55原子％至约85原子％的镍、或约75原子％至约85原子％的镍。这些二元合金的余量为铝、铬或钛。

在进一步的具体实施方案中，金属合金为将镍(Ru)与钌(Ru)组合的二元合金。该合金可包含约45原子％至约95原子％的钌和约5原子％至约55原子％的钌。

在一些其他具体实施方案中，合金为将约20原子％至约55原子％的镍、约20原子％至约30原子％的钛和约20原子％至约30原子％的钽组合的三元合金。

在一些其他具体实施方案中，合金为将约20原子％至约55原子％的镍、约20原子％至约30原子％的铝和约20原子％至约30原子％的钌组合的三元合金。

如本领域技术人员将容易理解的，在基层或电极层中使用的金属合金可包含附带的杂质。如本文所使用的，“附带的杂质”是指在用于生产金属合金的矿石中天然存在的、或在生产过程中无意添加的任何杂质。

由于使用钌或镍作为金属或作为金属合金，由基层和电极层的组合形成的一个或多个所得的电极理想地表现出改进的物理和电学性质。一个改进的性质是电极的厚度，电极的厚度可以非常薄。在实施方案中，电极的厚度可以为约200埃至约200纳米，包括约10纳米至约100纳米。另一个改进的性质是电极的电导率，在所需厚度下，电导率可以小于100欧姆/平方(Ω/sq)。生物传感器还可表现出改进的稳定性，如通过当暴露于湿度和温度变化时随时间推移的电化学响应稳定性所测量的那样、或如通过当暴露于试剂时粘附和/或磨损差异的变化所测量的那样。其他理想的性质可以包括物理接触耐久性、对于降低的/更一致的偏置响应的降低的接触电阻、和/或对于电路中更精细的线路形成的更好的内聚性。此外，与诸如金之类的更昂贵的金属相比，由钌基合金或镍基合金形成的一个或多个所得的电极可以以更低的成本进行生产。

如前所述，可以通过物理气相沉积形成电极。这一般性地描述了用来自靶的材料涂覆基底以形成电极的各层。如本文所使用的，术语“物理气相沉积”应表示通过使蒸发的材料冷凝到基底上来沉积薄膜。可以用先前描述的任何类型的物理气相沉积工艺来进行物理气相沉积涂覆，即溅射涂覆、热蒸发、电子束蒸发、激光烧蚀、电弧蒸发、共蒸发、离子电镀等。例如，在一些实施方案中，将经由溅射工艺进行物理气相沉积步骤，其中通过经由溅射装置溅射来使基底被覆层。其上被覆多层电极的所得的基底可用作生物传感器部件，该部件可包括工作电极、参比电极或对电极。在某些实施方案中，例如当通过卷到卷(roll-to-roll)物理气相沉积工艺用电极层对一卷基底材料进行真空涂覆时，可将所得的薄膜片切割成合适的尺寸以在基底上形成薄膜电极。在其他实施方案中，可以通过诸如化学刻蚀或激光蚀刻之类的蚀刻，由薄膜片形成生物传感器部件。在其他实施方案中，可以使用图案化掩模形成生物传感器部件，将掩模放置在基底上，并将导电层物理气相沉积在基底上以形成生物传感器部件。

在某些具体实施方案中，可通过包括卷到卷磁控溅射的卷到卷物理气相沉积方法产生生物传感器部件。例如，可使用77.50cm宽的卷筒的卷到卷磁控溅射镀膜机溅射包括由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)制成的聚合物膜的基底片，聚合物膜的厚度范围为25μm至250μm，并且宽度为33.02cm。可以采用单靶或双靶配置来沉积多层金属或金属合金。可以将包括非贵金属合金板的靶用于形成基层。可以使用扩散和机械泵的组合将溅射镀膜机的真空室抽真空到至少10^-5托的基本压力。在其他实施方案中，可使用机械泵、涡轮泵、低温泵和/或油扩散泵的组合。可以使用2KW电源(例如由Advanced Energy Inc.提供的电源)为容纳有通常为15.24cm×30.48cm的矩形的非贵金属合金靶的磁控溅射阴极提供能量。可以控制(例如通过MKS Model 1179A流量控制器进行控制)流入真空室的氩气以将溅射压力设定在3毫托至10毫托之间，以便在溅射工艺期间使用。

通过控制卷到卷的卷筒速度，即在溅射过程中控制基底片移动通过真空室时的速度，可以有效地原位控制每个溅射的导电层的厚度和薄层电阻。例如，对于组合物A3的导电层的溅射，可以将卷筒速度设定为每分钟0.1米至3.5米，并且溅射功率密度为每平方厘米2瓦特至8瓦特。因此，可形成组合物A3的溅射的导电层，其测量厚度值为约25nm，并且薄层电阻为约45欧姆/平方。

实施例

实施例1

将利用由诸如金(Au)和钯(Pd)之类的贵金属制成的电极的现有生物传感器的性能与由本文公开的由钌或钌基合金制成的电极的性能进行比较。在溅射阶段，将PET试验样品切割成4英寸的晶圆形状。使用DC磁控(共溅射)溅射系统溅射包含钌的导电层，其中禁止基底旋转以允许在整个晶圆区域上具有一定范围的组成，并且使用氩气。靶厚度在约300埃和约400埃之间。

利用以纯金电极为基础的基线性能，选择循环伏安法(CV)分析来检测性能的变化。CV试验法测定由电极附近的物质发生氧化还原所产生的法拉第电流，包括阴极峰值电流(Ipc)、阳极峰值电流(Ipa)、阴极峰值电压(Epc)和阳极峰值电压(Epa)。对于组合的合金沉积，使用另外的Si晶圆以有利于所需的能量色散X射线光谱(EDS)组成分析或X射线粉末衍射(XRD)表征。使用最优方法处理和包装样品以避免来自与溅射区域接触的污染。

使试验电极样品在晶圆内序列化，以识别样品位置，并且进行序列化以用于晶圆批次识别编号。初始试验包括每个晶圆至少10个样品，这些样品的位置分布在整个晶圆上。循环伏安法(CV)试验参数总结于下表1中：

表1.

初始CV试验参数(筛选)汇总

使用切纸机将电极切分成条，然后用剪刀从条上手工切分。将电极置于试验夹具中，并连接至BASi稳压器和分析仪。使用浓度为1nM的K₄Fe(CN)₆的0.1M KCl溶液进行循环伏安法(CV)。记录峰值电流(IP)、Ipc、Ipa、Epc和Epa，并进行定性评价。

首先，在列于上表1中的试验参数范围内，评价纯金属薄膜沉积物的铁/亚铁电化学响应，并确定以用于筛选。对纯沉积物的评价示于下表2中：

表2.

纯金属薄膜沉积物的评价

基于金电极选择基线可变性，以用于随后的材料响应评价。从相同的溅射晶圆随机选取的六个金电极的循环伏安法对于建立基线电极可变性是充分有效的。在晶圆上的不同位置处的电极表现出一致的特性，并且多次扫描表明了多次扫描期间的响应稳定性。如图5所示，使用金电极的循环伏安法是对称循环，这表明该电极能够用于电化学试验。在前三次扫描之后，扫描4至6次表明循环伏安法响应是稳定且可重复的。

由于可逆系统会获得Ipa/Ipc＝1，因而如图6所示对金电极的第三次扫描的峰值电流的显著性差异进行评价，作为基线可逆性的评价。在这种情况下，通过Ipa/Ipc＝1.05，没有检测到平均值的显著性差异。

在基线金电极的电流氧化还原和电流氧化之间进行T-检验，以测试两个样品之间的差异。T-检验的结果示于下表3中：

表3.

双样品T检验和CI：还原电流和氧化电流(金)

如上表3所示，没有检测到平均值的显著性差异。

钌平均值或方差差异的显著性基于上文讨论的所建立的金基线可变性。基于在约-500mV至约500mV之间用1mM铁氰化钾分析物检测的氧化还原响应的电极通过/失败标准，与基线金电极相比，钌基合金表现出良好的稳定性和电化学响应。钌氧化还原响应在测试范围内是稳定且可重复的。如图7和下表4A中的T-检验结果所证明的，与金电极系统相比，似乎存在更大量的非法拉第(即，背景)电流，因为Ipa/Ipc＝1.1而不是Ipa/Ipc＝1的理想情况，从而可能表明系统可逆性低于金。

表4A.

双样品T-检验和CI：还原电流和氧化电流(钌)

然而，在扫描2(图8)和扫描6(图9)中使用钌电极的循环伏安法主要是对称循环，这表明该电极能够用于电化学试验。

此外，如图10至图13所示，钌导致下凹稳定化图案增加，这与金电极基线相比是有利的。

镍平均值或方差差异的显著性也基于上文讨论的所建立的金基线可变性。基于在约-500mV至约500mV之间用1mM铁氰化钾分析物检测的氧化还原响应的电极通过/失败标准，与基线金电极相比，纯镍表现出良好的稳定性和电化学响应。镍氧化还原响应在测试范围内是稳定且可逆的。如下表4B中T-检验结果所证明的，非法拉第(即，背景)电流的量似乎与金电极系统类似，因为在分析中孤立第3次扫描时Ipa/Ipc≈1，从而表明了良好的可逆性。此外，阳极峰距和阴极峰距平均值为约80mV，这与所建立的金基线相等。循环伏安法主要是对称循环，这表明该电极能够用于电化学试验。

表4B.

双样品T-检验和CI：还原电流和氧化电流(镍)

然而，当使用镍电极材料时，第二氧化还原对在多次扫描后变得明显。这可能是

正向扫描的初始半反应的指示，这在生物传感器应用中是潜在的有害影响。

实施例2

使用与上述实施例1中所述相同的试验方法参数，将使用诸如金(Au)之类的贵金属的现有生物传感器的性能与本文公开的钌基合金的性能再次进行比较。

在实施例2中，首先将金(Au)、钯(Pd)、钌(Ru)和镍(Ni)与59mV的能斯特理想值进行比较，能斯特理想值是理想的并且表明了对于检测电流的传感应用有益的电子转移动力学。如图14所示，在评价系统中，金、钯、钌、镍均表现出氧化还原反应。通常，电压峰距接近59mV的能斯特理想值。在评价电压范围内，钌和钌基合金在亚铁氰化物/铁氰化物介体系统方面示出了优于镍的良好性能，具有改进的可操作性和电化学稳定性。

用于性能和成本评价的二元钌合金示于下表5中：

表5.

二元钌合金平均电流响应(单位为μA，1mM K₄Fe(CN)₆分析物)

用于性能和成本评价的二元镍合金示于下表6中：

表6.

二元镍合金平均电流响应(单位为μA，1mM K₄Fe(CN)₆分析物)

作为比较，下表7示出了用于性能和成本评价的纯金(Au)和钯(Pd)金属：

表7.

纯金属平均电流响应(单位为μA，1mM K₄Fe(CN)₆分析物)

金属	90原子％至100原子％	性能说明
			Au	1.122	稳定，低背景，可逆
Pd	0.7217	强的初始响应，多次扫描后降低

所测试的最有希望的二元钌合金和镍合金的平均响应以及用于比较的金和钯的平均响应示于下表8中：

表8.

最有希望的组成的平均Ipa、Epa、Ipc和Epc响应

如上所述以及如图15所示，组成中钌大于50原子％的钌基合金RuW和RuCr相对于金表现出良好的响应。

如上所述以及如图15所示，组成中镍为80原子％或更高的镍基合金NiCr、NiTi和NiAl相对于金表现出良好的响应。

因此，鉴于上述实施例1和2，筛选结果表明，非贵金属合金，包括镍和/或钌(注意，虽然钌可被分类为贵金属，但在本文中，钌基于成本而有资格作为候选物)，有利地与昂贵的纯金属(如金和钯)具有相当的响应和性能。此外，可通过添加钛(Ti))、钽(Ta)和铬(Cr)来进一步优化这些非贵金属合金的耐腐蚀性。此外，通过添加镍(Ni)、钛(Ti)、钼(Mo)、铝(Al)、锡(Sn)等，可进一步优化这些非贵金属合金的成本。

具有与金相当的响应并超过钯或NiCr性能的特定合金包括RuW(Ru＞50％)和RuCr(Ru＞50％)。具有与NiCr相当的响应的特定合金包括NiTi(Ni＞80原子％)、NiAl(Ni＞80原子％)或NiRu(Ni＞50原子％)。

此外，已经用上述元素的相同组合(例如RuCrW和RuAlNi)对三元合金进行了试验。当设计某些材料性质(例如延展性、耐腐蚀性、耐热性)时，这些三元合金具有优势。

实施例3

研究了利用金属层堆叠体作为电极的生物传感器的性能。制备了三电极试验电池，其由作为工作电极的试验材料、Ag/AgCl参比电极和Pt线圈对电极制成。同时，固定～1.9欧姆/平方的目标条件，并调节沉积参数以满足目标。将电极置于试验夹具中，并连接至BASi稳压器和分析仪。循环伏安法(CV)试验参数总结于下表9中：

表9.

循环伏安法试验条件	值
		KCI浓度	0.1M
K<sub>4</sub>Fe(CN)<sub>6</sub>浓度	1mM
		WE面积	5.5mm<sup>2</sup>
扫描范围	-.250mV至600mV
		扫描速率	50mV
试验重复次数	6

在各自厚度不同的铝或银基层上沉积RuW顶层。测量每个样品(运行)的电阻。结果示于下表10中。

表10.

研究了具有较厚RuW层的较薄的基础金属层(铝)以及其他基层材料(Cr、Mo和W)。结果总结于下表11至表14中。

堆叠材料结构应表现为并联电阻器，即(1/R_t-1/R₁+_1/R₂...1/R_n)。利用Al和RuW的电阻相对于厚度的曲线，如下通过实验确定为并联电阻器模型，并且在测试范围内为薄层电阻的精确预测器。图16A示出了Al电阻器模型的电阻相对于铝厚度和RuW厚度的等值线图，并且图16B示出了测量的响应。这些结果表明，即使在薄(100埃)沉积的情况下，层分离也是显著的。

表11.-铝(Al)

运行	Al厚度(nm)	RuW厚度(nm)	电阻	并联电阻器模型
					1	10	0	8.99
2	10	50	6.73	6.73
					3	20	50	3.80	3.8
4	10	75	5.91	5.87
					5	20	75	3.52	3.52

表12.-铬(Cr)

表13.-钼(Mo)

运行	Mo厚度(nm)	RuW厚度(nm)	电阻估值
				1	50	0	3.2
2	30	50	4.48
				3	50	50	2.85
4	30	75	4.10
				5	50	75	2.69

表14.-钨(W)

运行	W厚度(nm)	RuW厚度(nm)	电阻估值
				1	50	0	3.3
2	30	50	4.68
				3	50	50	2.99
4	30	75	4.27
				5	50	75	2.77

实施例4

如实施例3中那样制备铬和RuW样品，然后如实施例2中那样测定电化学性质。结果示于下表15中。所有情况均显示出了与Au电极性能相当的氧化还原响应。Cr/RuW结构对于降低总的材料薄层电阻应该是可行的。图17为示出在一定厚度范围内(与表15中相同)的Cr/RuW的循环伏安法曲线图。在1mM亚铁氰化物/铁氰化物溶液中的电极性能类似于Au。

表15.

最后，图18为示出具有由Au、RuW和RuW/C制成的电极层的电极的循环伏安法曲线图。碳的添加增大了电极的电压窗口。

已经将本公开的电极描述为在生物传感器/电极类型应用中是有用的。然而，应当理解，本公开的电极可用于任何传感器制品或装置，由于分析物与传感器之间的化学相互作用或过程，这些传感器制品或装置将定量或定性类型的化学或生化信息转化为分析上有用的信号。例如，可以考虑在下列领域中有用的制品中可包括本文公开的多层电极：汽车、室内空气质量(IAQ)、食品、农业、医疗、水处理、环境、工业安全、公用设施(例如，燃气、电)、石化、钢、军事和航空应用和市场。

可以理解，可以将上述公开内容以及其他特征和功能的变型、或它们的替换方案组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预期的替换、修改、变化或改进，这些也旨在由所附权利要求所涵盖。

Claims (30)

1.一种用于测定分析物的电极，包括：

第一基层，该第一基层包含导电金属、导电金属合金或碳；以及

位于所述第一基层之上的第一电极层，所述第一电极层包含钌金属、钌基金属合金、镍金属或镍基金属合金。

2.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金包含选自由铝、铬、铜、镍、铼和钨组成的组中的第一合金元素；或

其中镍基金属合金包含选自由铝、金、铬、铜、钼、钯、钌、钽和钛组成的组中的第一合金元素。

3.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金包含约5原子％至约95原子％、或约5原子％至约45原子％、或约50原子％至约95原子％、或约50原子％至约65原子％、或约55原子％至约75原子％、或约65原子％至约85原子％、或约75原子％至约95原子％、或约85原子％至约95原子％、或约95原子％至小于100原子％的钌。

4.根据权利要求3所述的电极，其中所述钌基金属合金为二元合金，并且所述第一合金元素选自由铝、铬、铜、镍、铼和钨组成的组。

5.根据权利要求3所述的电极，其中所述钌基金属合金为三元合金，并且基本上由钌、所述第一合金元素和第二合金元素组成，其中所述第一合金元素和所述第二合金元素各自选自由铝、铬、铜、镍、铼和钨组成的组。

6.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约55原子％或更多的钌以及(b)约15原子％或更多的铬或钨组成。

7.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约60原子％至约70原子％的钌以及(b)约30原子％至约40原子％的铝组成。

8.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约5原子％至约25原子％的钌以及(b)约75原子％至约95原子％的镍组成。

9.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金为三元合金，该三元合金基本上由(a)约20原子％至约55原子％的钌以及(b)约45原子％至约80原子％的镍和铝的组合组成。

10.根据权利要求1所述的电极，其中所述钌基金属合金为三元合金，该三元合金基本上由(a)约20原子％至约55原子％的钌以及(b)约45原子％至约80原子％的铬和钨的组合组成。

11.根据权利要求1所述的电极，其中所述镍基金属合金包含约20原子％至约95原子％、或约55原子％至约95原子％、或约55原子％至约65原子％、或约55原子％至约60原子％；约55原子％至约75原子％、或约60原子％至约70原子％；约65原子％至约85原子％、或约70原子％至约80原子％；约75原子％至约95原子％、或约80原子％至约90原子％；或约85原子％至约95原子％的镍。

12.根据权利要求11所述的电极，其中所述镍基金属合金为二元合金并且包含约5原子％至约80原子％的所述第一合金元素，并且所述第一合金元素选自由铝、钌、钽和钛组成的组。

13.根据权利要求11所述的电极，其中所述镍基金属合金为三元合金并且基本上由镍、所述第一合金元素和第二合金元素组成，其中所述第一合金元素和所述第二合金元素各自选自由铝、钌、钽和钛组成的组，并且所述第一合金元素和所述第二合金元素总共占所述合金的约5原子％至约80原子％。

14.根据权利要求11所述的电极，其中所述镍基金属合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约55原子％至约95原子％的镍以及(b)约5原子％至约45原子％的铝、铜、铬、钽、钌或钛组成。

15.根据权利要求11所述的电极，其中所述镍基金属合金为二元合金，该二元合金基本上由(a)约45原子％至约95原子％的镍以及(b)约5原子％至约55原子％的钌组成。

16.根据权利要求11所述的电极，其中所述镍基金属合金为三元合金，该三元合金基本上由(a)约20原子％至约55原子％的镍；以及(b)(i)约20原子％至约30原子％的钛和约20原子％至约30原子％的钽；或(ii)约20原子％至约30原子％的铝和约20原子％至约30原子％的钌组成。

17.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一基层包含铝、银、铬、钼、锌、钴、镍或钨。

18.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一基层的厚度为约100埃至约100纳米，并且其中所述第一电极层的厚度为约10纳米至约100纳米。

19.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一基层比所述第一电极层更具导电性。

20.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一基层由多个子层形成。

21.根据权利要求1所述的电极，还包括第二基层，其中所述第一电极层位于所述第一基层和所述第二基层之间。

22.根据权利要求1所述的电极，还包括第二电极层，其中所述第一基层位于所述第一电极层和所述第二电极层之间。

23.一种制品，其包含权利要求1-22中任一项的电极。

24.一种生物传感器，其包括电极，所述电极包括：

由导电金属或导电金属合金或碳制成的基层；和

形成与基层相邻的电极层，该电极层包括钌金属、钌基金属合金、镍金属或镍基金属合金。

25.一种制造用于测量生物流体中的分析物的生物传感器的方法，包括：

通过以下方式生产第一电极：

在基底表面上形成电极基层，该基层由导电金属或导电金属合金或碳形成；和

在电极基层的表面上形成电极层，该电极层包括钌金属或钌基金属合金或镍金属或镍基金属合金。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述电极基层或所述电极顶层是通过共溅射形成的。

27.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含在所述基底中形成反应室，所述反应室接触所述第一电极。

28.根据权利要求25所述的方法，还包括在所述第一电极上形成试剂层以形成工作电极。

29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一电极用作参考电极，并且还包括：在所述基底上形成第二电极；以及在所述第二电极上放置试剂层以形成工作电极。

30.通过权利要求25-29中任一项的方法生产的生物传感器。

Images