CN1912619A - 带有亲水性提高了的金属电极的基于电化学的分析检测条 - Google Patents

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Abstract

一种基于电化学的分析检测条包括电绝缘衬底和配置在电绝缘衬底表面上的金属电极(例如金属金电极)。金属电极具有其上带有亲水性增强化学部分的上表面。此外，基于电化学的分析检测条还包括配置在金属电极上表面的酶试剂层。

Description

带有亲水性提高了的金属电极的基于电化学的分析检测条
                        背景技术
1、发明领域
一般来说，本发明涉及分析装置而更具体的涉及基于电化学的分析检测条和相关方法。
2、相关领域的说明
在医药领域特别关注的是在液体样本中测定分析物(例如检测和/或浓度测定)。例如，想要在体液例如尿液、血液或间质液等体液样本中测定葡萄糖、胆固醇、乙胺苯酚和/或HbAlc的浓度。这样的测定可以采用分析检测条，基于，例如，光度测定或电化学技术，并结合相关的测量仪而实现。例如，由LifeScan，Inc.，Milpitas，USA提供的OneTouch®Ultra®全血检测试剂盒采用基于电化学的分析检测条来检测全血样本中血液葡萄糖的浓度。
典型的基于电化学的分析检测条采用多个电极(例如工作电极和参比电极)和促进与感兴趣的分析物发生电化学反应的酶试剂并从而测定分析物的浓度。例如，用于在血样中测定葡萄糖浓度的基于电化学的分析检测条可以采用酶试剂，其包含葡萄糖氧化酶和铁氰化物介体。常规基于电化学的分析检测条的更为详细的介绍被包括在美国专利US5708247中，其在此全部引入作为参考。
                        附图简述
通过参考下列详细描述的利用本发明原理的示例性实施方案的解释，并结合附图，将获得对本发明特点和优点更好的理解。
其中：
图1是根据本发明一个示例性实施方案的一种基于电化学的分析检测条的简化的分解透视图；
图2是图1的基于电化学的分析检测条的模制导电层的简化平面图；
图3是图1的基于电化学的分析检测条的电绝缘衬底、导电层和绝缘层的一部分的简化平面图；
图4A和4B分别简单描绘了用于处理金属金电极表面的化学反应顺序和形成的其上具有亲水性提高部分的金电极表面；
图5是显示关于清洁的金衬底表面、清洁的聚酯衬底表面、清洁的采用MESNA处理的金衬底表面和清洁的采用MESNA处理的聚酯衬底表面的水接触角的方框图；
图6是显示关于清洁的金衬底表面、清洁的采用MESNA处理的金衬底表面和清洁的采用MESNA处理的存放两个星期后的金衬底表面水接触角的方框图；
图7是对比的带有在其上表面缺乏亲水性增强部分的金电极的基于电化学的分析检测条的一部分的照片的仿真图；
图8是对比的带有上表面缺乏亲水性增强部分的金电极的基于电化学的分析检测条相对于YSI测定葡萄糖浓度的电流反应图；
图9是根据本发明的示例性实施方案的带有在其上表面包括亲水性增强部分的金属金电极的基于电化学的分析检测条的一部分的照片的仿真图；
图10是根据本发明的示例性实施方案的带有在其上表面包括亲水性增强部分的金属金电极的基于电化学的分析检测条相对于YSI测定葡萄糖浓度的电流反应图；
图11是根据本发明的示例性实施方案的基于电化学的分析检测条的一部分的制造工艺流程图。
                        发明详述
一个根据本发明的基于电化学的分析检测条的实施例包括电绝缘衬底和设置在电绝缘衬底的表面上的至少一个金属电极(例如金属金电极)。此外，金属电极具有在其上具有亲水性增强化学部分的上表面和设置在上表面上的酶试剂层。这样一种基于电化学的分析检测条的细节，特性和优点将通过以下实施例的讨论得以展现。
图1是根据本发明的一种基于电化学的分析检测条10的简化的分解透视图。基于电化学的分析检测条10包括一个电绝缘衬底12，一个模制导电层14，一个绝缘层16(在其中延伸有电极暴露窗口17)，一个酶试剂层18，一个模制粘附层20，一个亲水层22和一个顶膜24。模制导电层14包括三个电极并且这些电极的每一个的至少一部分具有在其上带有亲水性增强部分的上表面(见于图4B)，这将结合图2、3、4A和4B在以下进行更详细的描述。
电绝缘衬底12可以是任何合适的本领域技术人员已知的电绝缘衬底，包括，例如，尼龙衬底、聚碳酸酯衬底、聚酰亚胺衬底、聚氯乙烯衬底、聚乙烯衬底、聚丙烯衬底，羟乙酸化聚酯(PETG)衬底或者聚酯衬底。电绝缘衬底可以具有任何合适的尺寸，例如，宽度尺寸为约5mm，长度尺寸为约27mm和厚度尺寸为约0.5mm。
绝缘层16可以通过，例如可丝网印刷的绝缘油墨而制成。这样的可丝网印刷油墨可以购自Ercon of Wareham，Massachusetts U.S.A.，其名为“Insulayer”。模制的粘附层20可以通过，例如，从一种可丝网印刷的压敏粘附剂而形成，该粘附剂可以购自Apollo Adhesives，Tamworth，Staffordshire，UK。
亲水层22可以是，例如，一个透明的具有亲水特性的膜，其能通过一种液体样本(例如，一种全血样本)促进基于电化学的分析检测条10的湿润和填充。这样的透明膜是商业可得的，例如，Minneapolis，MinnesotaU.S.A的3M。顶膜24可以是，例如，采用黑色装饰油墨套印的一种透明膜。一种合适的透明膜是来自Tape Specialities，Ting，Hertfordshire，UK的商品。
酶试剂层18可以包括任何合适的酶试剂，酶试剂的选择取决于要测定的分析物。例如，如果是在血样中测定葡萄糖，酶试剂层18可以包括氧化酶或葡萄糖脱氢酶并结合其它实现功能必需的成分。关于酶试剂层的更详细的细节，以及一般的基于电化学的分析检测条，可见于美国专利US6241862，其内容在此全部引入作为参考。
基于电化学的分析检测条10可以通过，例如，将模制的导电层14，绝缘层16(在其中延伸有电极暴露窗口17)，酶试剂层18，模制粘附层20，亲水层22和顶膜24连续依次排成行形成至电化学绝缘衬底12上而被制成。任何本领域已知的合适技术都可用于实现这样的连续依次成行形成过程，包括，例如，丝网印刷、光刻、凹版影印、化学蒸气沉积法和带状层压技术。
图2是基于电化学的分析检测条10的模制导电层14的简化平面图。模制的导电层14包括一个对电极26(也称为一个参比电极)，一个第一工作电极28，一个第二工作电极30和一个接触棒32。虽然基于电化学的分析检测条10图视为包括三个电极，但是根据本发明的基于电化学的分析检测条的实施方案可以包括任何合适数目的电极。
对电极26，第一工作电极28和第二工作电极30可以通过任何合适的电极金属而形成，包括，例如，金，钯，铂，铟和钛钯合金。这样金属电极的形成典型地导致在金属电极中具有光滑但是疏水的表面。
图3是基于电化学的分析检测条10的电绝缘衬底12，模制的导电层14和绝缘层16(用交叉平行线划出阴影)的一部分的简化平面图。绝缘层16的电极暴露窗口17暴露出对电极26的一部分，第一工作电极28的一部分和第二工作电极30的一部分，即称为对电极暴露部分26’，第一工作电极暴露部分28’和第二工作电极暴露部分30’。在使用期间，液体样本流至电极暴露窗口17并且由此可操作地与对电极暴露部分26’，第一工作电极暴露部分28’和第二工作电极暴露部分30’相接触。
对电极暴露部分26’，第一工作电极暴露部分28’和第二工作电极暴露部分30’可以具有任何合适的大小。例如，对电极暴露部分26’可以具有宽度大小为大约0.72mm和长度为大约1.6mm，而第一工作电极暴露部分28’和第二工作电极暴露部分30’每个可以具有宽度为大约0.72mm和长度为大约0.8mm。
在形成绝缘层16，模制的导电层14，并且在对电极暴露部分26’，第一工作电极暴露部分28’和第二工作电极暴露部分30’上的配置亲水性增强部分之后，酶试剂层18被施加至对电极暴露部分26’，第一工作电极暴露部分28’和第二工作电极暴露部分30’上。涉及利用这些电极，电极暴露部分和酶试剂层在液体样本中检测分析物的细节，但是不包括本说明书中描述的亲水增强部分，见于美国专利US6733655，其在此全部引入作为参考。
在使用基于电化学的分析检测条10去测定液体样本中分析物浓度(例如在一种全血样本中的血液葡萄糖浓度)的过程中，对电极26，第一工作电极28和第二工作电极30被用来监测电化学反应所诱导的目标电流。这样的电流的大小随后可以与所研究的液体样本中存在的分析物的量联系起来。
由工作电极所检测的电流由以下简化等式计算：
i＝nFAJ        等式1
其中：
i是测定的电流；
n是在反应期间所产生的电子数；
F是Faraday常数；
A是反应发生的电极面积(也称为电极的活性表面)；
以及
J是目标物资流至电极的通量。
基于以上等式1，一种在液体样本中可靠而准确的测定(例如定量测定)分析物浓度的方法需要掌握反应发生的工作电极的面积。已确定的是在基于电化学的分析检测条中电极的感应面积取决于在整个制造和使用过程中酶试剂层对电极的均一性和粘附性。此外，已确定的是采用在其上具有亲水性增强部分的金属电极能提高酶试剂层的均一性和粘附性，因此，采用这样金属电极的基于电化学的分析检测条可获得结果的重现性和准确性得到提高。
图4A和4B分别简化图示出了用于处理金电极表面40的化学反应顺序和在其上具有亲水性增强部分42的所得金属金电极表面。图4A图示了金属金电极表面40被暴露给亲水性增强化合物44以产生亲水性增强部分42并且释放氢的方式。
在金属金电极表面和亲水性增强组合物44的硫醇基团(-SH)之间发生的反应采用以下公式表示：
    公式1
其中：
X是极性侧基、带正电的侧基或带负电的侧基；
R是碳链，例如，C1至C5碳链；
SH是硫醇基团；
Au代表金原子；
以及
X-R-S-Au+代表在其上具有亲水性增强部分的金属金电极表面。
在上述公式1中，有益地，R可以是限定范围为C1至C5以提供一种可溶解的亲水性增强组合物，从而避免在金属金电极表面形成自组装的单层。亲水性增强部分的自组装单层不是必须要被避免，但是它们的形成难以控制，通常很缓慢且要求电极表面“原子地”清洁。因此，制造这样的自组装单层比在本说明书中公开的采用MENSA溶液通过浸染涂布电极而自然发生的非自组装沉积要困难得多。
而且，硫醇基团(也被称为“尾”基团)使得金属金电极表面和亲水性增强组合物之间的结合得以实现。此外，极性的，带正电的或带负电的侧基“X”(也称为“头部”基团)提供了与酶试剂层的亲水相互作用，从而提高了酶试剂层与金属电极上表面的均一性和粘附性。合适的头部基团的例子包括，但不限于以下的基团：NH2(胺基)基团，COOH(羧基)基团，和SO2OH(磺酸根合)基团。
如上所注，“R”基团(也称为“间隔链”)的长度是决定亲水性增强部分是否作为自组装单层暴露于电极表面上的一个因素。
虽然图4A和4B以及公式1示例了一种金属金电极表面的环境，但是本领域普通技术人员通过本发明的说明书将会认识到其它的金属电极也可以通过有效的处理以在其上暴露亲水性增强部分。
酶试剂的形成使得它们容易和普通液体样本(例如全血或其他体液样本)混合，并且，因此，典型地由容易在水溶液中溶解的成分组成。已确定这样的成分具有亲水的亲合力或至少具有一个亲水表面。
很多金属电极的表面本来是疏水的。换句话说，这样的金属电极表面倾向于排斥水，水溶液，和具有明显亲水成分的溶液(例如酶试剂)。然而，已确定的是这样的金属电极表面可以通过采用亲水性增强组合物处理金属电极表面而在金属电极表面暴露亲水性增强部分被改造成更加亲水的(即，是亲水性增强的)。
亲水性增强组合物的例子是含有下列组分的组合物：2-巯基乙磺酸(MESNA)、3-巯基丙磺酸、2，3-二巯基丙磺酸及其同系物、双-(2-磺基乙基)二硫化物、双-(3-磺基丙基)二硫化物及其同系物；巯基琥珀酸，半胱氨酸，半胱胺，以及胱氨酸。当这样的亲水性增强组合物包括具有磺酸根合部分的化合物(例如，MESNA)或具有氨基部分的化合物(例如半胱胺)时，酶试剂层与金属电极表面的粘附性显著增强了。
图5是显示清洁的金衬底表面(A)、清洁的聚酯衬底表面(B)、清洁的采用MESNA处理的金衬底表面(C)和清洁的采用MESNA处理的聚酯衬底表面(D)的水接触角的方框图。图6是显示清洁的金衬底表面(A，如图5)、清洁的采用MESNA处理的金衬底表面(C，如图5)和清洁的采用MESNA处理的储存了两个星期之后的金衬底表面(E)的水接触角的方框图。图5和6中的MESNA处理是在由4g/L的MESNA在水中组成的MESNA组合物中暴露5分钟。
如图5所示，清洁的采用MESNA处理的聚酯衬底表面的处理没有明显改变由水接触角所表示的清洁聚酯衬底的亲水性。在所测定的接触角B和D中的差异在5％之内。然而，图5的数据显示清洁的采用MESNA处理的金衬底表面的处理由水接触角所表示的清洁金衬底的亲水性显示明显改变(即增强了)。清洁金衬底表面具有大约78度的水接触角，在用MESNA处理后，水接触角为大约52度。不受其束缚，假定这样的水接触角的减小，提高亲水性，改进酶试剂层与这样处理的金表面的均一性和粘附性。换句话说，处理了的金衬底表面，在其上具有亲水性增强部分，显示出与酶试剂层相关的提高了的均一性和粘附性。此外，图6的数据显示水接触角的减小在储存两个星期之后仍然持续。这种亲水性增强的持续状态有助于使制造的时间限制变得容易。
以下表1列出了采用各种处理的金衬底表面的水接触角。对于表1的处理1-15，清洁的金衬底被暴露于表中所示的MESNA溶液。处理16包括清洁金衬底表面但没有暴露于MESNA而处理17涉及没有清洁或暴露于MESNA。表1的数据显示水接触角的显著减小，以及因此，亲水性和酶试剂层粘附性和均一性的增强，可以采用短至1分钟暴露于MESNA中而获得。表1的数据，因而显示制造在其上表面具有亲水性增强部分的金属电极可以通过采用连续的丝网基础的工艺(例如在WO01/73109中所描述的工艺，在此全部引入作为参考)而实现，该工艺已被改进为包括金属电极上表面处理模件。
                    表1
 处理#   MESNA浓度(g/L)   时间(分钟)   平均水接触角(度)
 1   16   1   41
 2   16   2   52
 3   16   5   49
 4   16   10   50
 5   16   15   52
 6   4   1   48
 7   4   2   65
 8   4   5   53
 9   4   10   63
 10   4   15   55
 11   1   1   60
 12   1   2   54
 13   1   5   69
 14   1   10   64
 15   1   15   58
 16   清洁的   -   78
 17   未清洁的   -   79
对比实施例
为了证实根据本发明的实施方案的基于电化学的分析检测条的特点和优点，进行了一种带有缺乏亲水性增强部分的金电极的基于电化学的分析检测条(即对比的基于电化学的分析检测条)和带有根据本发明示例性实施方案的金属金电极的基于电化学的分析检测条的对比。
图7是带有在其上表面缺乏亲水性增强部分的金电极的基于电化学的分析检测条的一部分100的照片的仿真图。图7显示部分100在施加血液样本之前。部分100包括一个电绝缘衬底102，一个绝缘层104，对电极暴露部分106，第一工作电极暴露部分108，第二工作电极暴露部分110和酶试剂层112。酶试剂层112的组合物和其如何被施加的方法在美国专利US5708247中公开，其在此全部引入作为参考。
图7可见，酶试剂层112显示出在对电极暴露部分106，第一工作电极暴露部分108，第二工作电极暴露部分110上明显的非均一性，因此显示出缺乏粘附性。这样的均一性和/或粘附性缺乏被视为导致基于电化学的分析检测条的结果不可靠和不精确。此外，已确定的是在缺乏亲水性增强部分时暴露在电极表面上的酶试剂层在常规检测条制备工艺中的物理操作期间很容易损坏并且暴露于液体样本时从电极表面分离。
图8显示带有在其上表面缺乏亲水性增强部分的金电极的对比基于电化学的分析检测条相对于YSI测定葡萄糖浓度的电流反应图(即有效地对应于图7的对比基于电化学的分析检测条)。在图中显示了图8数据的最佳匹配线和R2值。图8的最佳匹配线和R2值是采用带有金电极的对比的基于电化学的分析检测条所做检测结果再现性和精确性的指标。
如上结合图7所示，酶试剂层112在采用金属金电极时显示缺乏均一性和粘附性。假定这种均一性和粘附性的缺乏将导致不精确和检测结果缺乏再现性，因为其不利地且不可预测地影响工作电极的感应面积。
图9是在金电极上表面暴露有亲水性增强部分的基于电化学的分析检测条的一部分200的照片的仿真图。图9显示部分200在施加血液样本之前。部分200包括一个电绝缘衬底202，一个绝缘层204，对电极暴露部分206，第一工作电极暴露部分208，第二工作电极暴露部分210和酶试剂层212。酶试剂层212的组成和其如何被施加的方法在美国专利US5708247中公开，其在此全部引入作为参考。图9显示酶试剂层212是均一的并且完全粘附在对电极暴露部分206，第一工作电极暴露部分208，第二工作电极暴露部分210上。此外，已确定暴露在带有亲水性增强部分的电极表面的酶试剂层可以耐受常规检测条制造工艺中发生的物理处理。
亲水性增强部分通过将它们浸入4g/L的MESNA行水溶液中两分钟并随后进行水清洗而被配置在对电极暴露部分206，第一工作电极暴露部分208，第二工作电极暴露部分210上。这种暴露的发生先于应用酶试剂层212。
图10显示带有在其上表面具有亲水性增强部分的金电极的基于电化学的分析检测条相对于YSI测定葡萄糖浓度的电流反应图(即有效地对应于图9的基于电化学的分析检测条)。在图中显示了图10数据的最佳匹配线和R2值。图10的数据和R2值是采用带有金电极的基于电化学的分析检测条所坐检测结果再现性和精确性的指标。
图8和图10的比较显示带有在其上表面具有亲水性增强部分的金属电极的对比基于电化学的分析检测条的再现性和精确性优于在其上表面缺乏亲水性增强部分的金属电极的对比基于电化学的分析检测条。例如，图10数据的R2值为0.9985，明显高于图8数据的R2值0.774。
图11是用于制造根据本发明示例性实施方案的基于电化学的分析检测条的一部分的工艺400的流程图。工艺400包括在一个电绝缘衬底上形成至少一个金属电极(例如一种金属金，金属钯或金属铂电极)，且至少一个金属电极具有一个上表面，如步骤410所阐明。
随后，至少一个金属电极的每个的上表面采用亲水性增强组合物处理以形成在其上带有亲水性增强化学部分的金属电极的上表面，如步骤410所阐明。处理可以通过，例如，任何合适的技术而实现，包括浸染涂布技术，喷射涂布技术，以及喷墨涂布技术。任何合适的亲水性增强组合物可以被采用，包括那些对应于根据本发明的基于电化学的分析检测条的以上公开的内容。
以下两个实施例显示，以非限制的方式，可以在工艺400的处理步骤420中采用的处理技术。
处理实施例1
(a)通过将其置于2％v/v去污剂(例如Micro-90®)的水溶液中室温下2分钟而清洁金属电极的上表面。
(b)采用水清洗金属电极以去除去污剂。
(c)在4g/L的MESNA水溶液中浸染金属电极2分钟。
(d)采用水清洗金属电极以去除过量水溶液。
(e)在清洁的环境中干燥金属电极。
处理实施例2
(a)将金属电极置于包含有2％v/v去污剂(例如Micro-90®)和4g/L的MESNA的水溶液的超声波浴中。
(b)在温度50℃下在超声浴中超声两分钟。
(c)采用水清洗金属电极以去除剩余的去污剂和MESNA。
(d)干燥电极。
然后，在工艺400的步骤430，酶试剂层被施加至至少一个金属电极的被处理过的上表面上。
应当理解的是这里所描述的本发明的实施例在本发明的实践中可以有各种变化被采用。本发明的范围由随后的权利要求书限定并且这些权利要求范围之内的结构和方法及其等同物也被覆盖。

Claims (12)

1、一种基于电化学的分析检测条，其包含：
电绝缘衬底；
配置于电绝缘衬底的表面上的至少一个金属电极，该金属电极具有：
其上带有亲水性增强化学部分的上表面，以及
配置在具有亲水性增强部分的上表面上的酶试剂层。
2、权利要求1所述的基于电化学的分析检测条，其中至少一个金属电极由以下至少一种形成：金、钯、铂、铟、钛-钯合金及其组合。
3、权利要求1所述的基于电化学的分析检测条，其中亲水性增强部分包括硫醇基团。
4、权利要求1所述的基于电化学的分析检测条，其中至少一个金属电极是金属金电极。
5、权利要求1所述的基于电化学的分析检测条，其中酶试剂层包括葡萄糖特异性酶。
6、一种基于电化学的分析检测条，其包含：
电绝缘衬底；
配置于电绝缘衬底的表面上的至少一个金电极，该金电极具有：
其上带有亲水性增强化学部分的上表面，以及
配置在处理过的上表面上的酶试剂层，其中其上具有亲水性增强部分的上表面由下式代表：
X-R-S-Au+
其中：X是极性侧基、带正电的侧基或带负电的侧基；
R是碳链；
SH是硫醇基团；
以及
Au是金原子。
7、权利要求6的基于电化学的分析检测条，其中R是具有C1至C5范围长度的碳链。
8、权利要求6的基于电化学的分析检测条，其中X是胺基团。
9、权利要求6的基于电化学的分析检测条，其中X是羧基基团。
10、权利要求6的基于电化学的分析检测条，其中X是磺酸根合基团。
11、权利要求6的基于电化学的分析检测条，其中酶试剂层包括葡萄糖特异性酶。
12、权利要求1的基于电化学的分析检测条，其中亲水性增强部分包括二硫化物基团。
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