ES2277331T3 - Procedimiento para fabricar un electrodo amperometrico. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico que comprende las etapas de: proporcionar un sustrato; aplicar una tinta al carbón para electrodos en dicho sustrato para formar un electrodo de trabajo; limpiar dicho electrodo de trabajo utilizando un plasma de gas; y depositar una capa de reactivo en dicho electrodo de trabajo después de dicha etapa de limpieza, caracterizado porque dicha etapa de limpiar dicho electrodo de trabajo utilizando un plasma de gas incluye las etapas de: colocar dicho sustrato que porta dicho electrodo de trabajo en una cámara; vaciar dicha cámara en un intervalo de entre 13, 33 y 16, 66 Pa; rellenar dicha cámara vaciada con un gas hasta una presión de funcionamiento en un intervalo de entre 39, 99 y 66, 65 Pa; y excitar dicho gas con una señal de radiofrecuencia (RF) durante un periodo de tiempo seleccionado en un intervalo de entre 10 segundos y 30 segundos.

Description

Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico.

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención

La presente invención se refiere generalmente a biosensores, y, más particularmente, a electrodos amperométricos nuevos y mejorados y a un procedimiento para fabricar los electrodos amperométricos.

2. Descripción de la técnica anterior

Los electrodos amperométricos, o biosensores, tales como un biosensor de glucosa, se usan para mediciones electroquímicas. En funcionamiento, se aplica una muestra a los electrodos amperométricos, y se mide una corriente resultante para una muestra de prueba. La corriente resultante debe presentar una magnitud suficiente para facilitar la medición y poder reproducirse para proporcionar resultados de prueba significativos.

Han sido necesarios procedimientos no deseados y que llevan mucho tiempo, tales como el tratamiento térmico y de pulido, para los electrodos amperométricos conocidos para conseguir la respuesta de corriente necesaria. Existe la necesidad de electrodos amperométricos que proporcionen un funcionamiento fiable, reproducible y eficaz que sean de fabricación sencilla y económica.

El resumen de patente de Japón, volumen 12, número 406(P-777) del 27 de octubre de 1988 del documento JP-A-63144246, del 16 de junio de 1988, que constituye la base del preámbulo de la reivindicación 1, da a conocer una muestra biológica que comprende un sustrato aislante, sistemas de electrodos y un cuerpo poroso. Se lleva a cabo un tratamiento con plasma de microondas al menos para la medición de las superficies de los electrodos de los sistemas de electrodos antes de unir los componentes de la muestra biológica. El sistema de electrodos se forma imprimiendo una pasta de carbono conductora sobre un sustrato aislante mediante impresión por serigrafía, calentamiento y secado para formar un sistema de electrodos de un contraelectrodo, un electrodo de medición y un electrodo de referencia.

Sumario de la invención

Los importantes objetos de la presente invención son proporcionar un procedimiento nuevo y mejorado para fabricar un electrodo amperométrico. El procedimiento da como resultado electrodos amperométricos que proporcionan un funcionamiento fiable, reproducible y eficaz y electrodos amperométricos para un biosensor de glucosa en sangre.

En resumen, los objetos y ventajas de la presente invención se logran mediante un procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico. Se aplica una tinta al carbón para electrodos en un sustrato de polímero para formar un electrodo de trabajo. El sustrato que porta el electrodo de trabajo se coloca en un limpiador de plasma de gas, tal como un plasma de oxígeno o nitrógeno, para limpiar el electrodo de trabajo. Una señal de radiofrecuencia alta excita el plasma de gas durante un corto tiempo de exposición en un intervalo de entre 10 segundos y 30 segundos. Entonces, se deposita una capa de reactivo en el electrodo de trabajo tratado con plasma.

Breve descripción del dibujo

La presente invención, junto con los objetos y ventajas anteriores y otros, puede entenderse mejor a partir de la siguiente descripción detallada de la realización de la invención ilustrada en el dibujo, en el que:

La figura 1 es una vista esquemática y en planta de una tarjeta de sensor que incluye una pluralidad de electrodos amperométricos de la presente invención;

la figura 2 es una vista ampliada en corte transversal del electrodo amperométrico tomado a lo largo de la línea 2–2 de la figura 1;

la figura 3 es una representación esquemática y de diagrama de bloques de un limpiador de plasma para su uso en el procedimiento de fabricación de los electrodos amperométricos de la figura 1;

la figura 4 es un gráfico que ilustra el efecto de un tiempo de tratamiento con plasma sobre el rendimiento de los electrodos amperométricos de la figura 1; y

la figura 5 es un gráfico que ilustra el efecto de una concentración de la disolución de prueba sobre el rendimiento de los electrodos amperométricos de la figura 1.

Descripción detallada de la realización preferida

En referencia ahora a las figuras 1 y 2, se muestra una tarjeta 10 de sensor que incluye una pluralidad de electrodos 12 amperométricos de la presente invención. Los electrodos 12 amperométricos incluyen una parte 12A de extremo para alojar una muestra de prueba y una parte 12B de adaptador de contacto/conductor de extremo opuesto para la conexión con un instrumento 14 que puede imponer un potencial de tensión y medir la corriente resultante. Los electrodos 12 amperométricos incluyen un electrodo 16 de trabajo formado mediante una tinta al carbón para electrodos, por ejemplo, mediante impresión por serigrafía sobre un sustrato 18 de polímero y después secado térmicamente. Una capa 20 de reactivo se deposita sobre el electrodo 16 de trabajo una vez que los electrodos de trabajo se han tratado con plasma según la presente invención.

Puede utilizarse un material termoplástico, tal como un policarbonato o poliestireno, que tiene suficientes propiedades físicas y de aislamiento eléctrico para el sustrato 18 de polímero. La tinta al carbón para electrodos que forma los electrodos 16 de trabajo puede contener un 18% de grafito y un 6% de negro de carbón. Para otro ejemplo de los electrodos 12 amperométricos, los electrodos 16 de trabajo pueden formarse con una tinta Acheson 423ss impresa mediante serigrafía sobre un sustrato 18 de poliestireno.

En referencia también a la figura 3, tarjetas 10 de sensor con electrodos 16 de trabajo de carbono se secan térmicamente y después se colocan en una cámara 22 de un limpiador 24 de plasma. Puede utilizarse un dispositivo de grabado por plasma de cilindro pequeño comercializado por March Instruments para el limpiador 24 de plasma. La cámara 22 se vacía primero hasta 13,33-26,66 Pa y después se rellena con un gas, tal como oxígeno (O_{2}) o nitrógeno (N_{2}), hasta una presión de funcionamiento de 26,66-66,65 Pa. Una vez que la presión se estabiliza, el gas se excita mediante una fuente 26 de señal de radiofrecuencia (RF) que tiene una frecuencia de 13,56 MHz y un nivel de potencia normalmente de 20-25 vatios. La cavidad se ajusta para mantener una potencia reflejada de cero. Tras un periodo de tiempo seleccionado, tal como 30 segundos, de tratamiento con plasma de gas por RF, las tarjetas 10 de sensor se extraen de la cámara 22 y están listas para la prueba o deposición química. Entonces, la capa 20 de reactivo que contiene una enzima, tal como glucosa oxidasa para un biosensor de glucosa en sangre, y un mediador o agente de transferencia de electrones, se deposita sobre la superficie tratada del electrodo 16 de trabajo.

Fotomicrografías de los electrodos 16 de trabajo de carbono, antes y después del tratamiento con plasma de gas, no muestran ningún cambio físico perceptible. Sin embargo, la respuesta de corriente de los electrodos 16 de trabajo de carbono tratados y sin tratar es significativamente diferente. El comportamiento errático con poca o ninguna corriente se sustituye por corrientes altas y reproducibles para los electrodos 16 tratados con plasma de gas. Se cree que los aglutinantes poliméricos, tales como el poli(cloruro de vinilo), que se depositan con el carbono durante la impresión por serigrafía de los electrodos 16 de trabajo, son el principal material eliminado durante el tratamiento de limpieza con plasma de
gas.

La figura 4 ilustra el efecto del tiempo de tratamiento con plasma sobre el rendimiento de los electrodos 16 amperométricos. El tiempo de tratamiento se muestra en segundos a lo largo del eje horizontal, mostrándose una corriente resultante para la disolución de prueba en microamperios \muA a lo largo del eje vertical. Tal como se muestra en la figura 4, los sensores se construyeron mediante impresión por serigrafía de dos electrodos 16 de carbono utilizando la tinta Acheson 423ss sobre un sustrato 18 de poliestireno. Se proporcionaron otras dos impresiones; una para los adaptadores 12B de contacto/conductores y otra para una capa dieléctrica de revestimiento que protege a los adaptadores 12B de contacto/conductores de la disolución de prueba. Se proporcionó un tiempo de tratamiento con plasma seleccionado, tal como se ilustra en la figura 4. Se aplicó a cada sensor una disolución de prueba de una alícuota de 6 \muL de ferrocianuro de potasio K_{4}Fe(CN)_{6} 30 mM tamponado, y se proporcionó un tiempo de retardo de 15 segundos antes de que se aplicara un potencial de 0,4 voltios a los electrodos 16. La corriente resultante se midió 15 segundos después de que se iniciara el potencial de 0,4 voltios.

Para la figura 5 se utilizó el mismo protocolo que el descrito con respecto a la figura 4, excepto en que se varió la concentración de la disolución de prueba en el intervalo de 0 a 30 mM de ferrocianuro de potasio. En la figura 5, se muestra la concentración de la disolución de prueba a lo largo del eje horizontal, mostrándose la corriente resultante para la disolución de prueba en microamperios \muA a lo largo del eje vertical. Se ilustran dos tiempos de limpieza con plasma de 10 segundos y 20 segundos mediante una línea marcada con 10S y una línea marcada con 20S,
respectivamente.

La corriente resultante corresponde al mediador reducido de la capa 20 de reactivo. Normalmente, la capa de reactivo es a base de una disolución acuosa de polímero que contiene los reactivos requeridos para un biosensor particular.

Ejemplo I

(No según la invención)

Procedimiento para el grabado con plasma y para probar las tarjetas de electrodo

Los electrodos se construyen utilizando tintas conductoras y dieléctricas impresas sobre un sustrato de policarbonato de 76,2 mm x 76,2 mm. La tinta conductora utilizada para las zonas activas (electrodos, tanto de trabajo como de referencia) es Acheson 421ss que se imprime por serigrafía y después se cura térmicamente. Las zonas de los electrodos están definidas por un revestimiento de dieléctrico (Acheson 452ss) que se imprime por serigrafía y después se cura mediante UV. La activación de los electrodos impresos requiere tratar las tarjetas en un dispositivo de grabado con plasma. En este caso, se utilizó o bien un instrumento de cavidad de cilindro pequeño de March Instruments o un instrumento de bandeja de Branson/IPC. Las tarjetas se cargan en las plataformas de un dispositivo de grabado por plasma de Branson/IPC. El dispositivo de tratamiento con plasma se vacía hasta alcanzar 13,33-26,66 Pa, después se rellena con gas oxígeno purificado hasta una presión de 106,64 Pa. Una vez generado un plasma, las tarjetas se tratan durante tres minutos a 300 vatios de potencia. Las pruebas de los electrodos activados requieren que cada conductor del sensor esté conectado a un potenciostato para las pruebas. Esto puede realizarse en el formato de tarjeta o como electrodos individualizados. Los propios electrodos se sumergen en una disolución que contiene ferricianuro de potasio 200 mM, ferrocianuro de potasio 12,5 mM y tampón fosfato 100 mM, pH 7. Se aplican 400 milivoltios positivos a través de los electrodos de trabajo y de referencia, y se mide la corriente en el electrodo de trabajo. Con tarjetas que se han grabado con plasma que tienen una zona de electrodo de trabajo de aproximadamente 1 mm, la corriente será de 8-9 \muamp tras diez segundos con coeficientes de variación (CV) entre sensores inferiores al 2%. En los electrodos que no se trataron con plasma, la corriente sería de 4-5 \muamp tras diez segundos con CV superiores al 20%.

Aunque la invención se ha descrito con referencia a los detalles de la realización ilustrada, estos detalles no pretenden limitar el alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

1. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico que comprende las etapas de:

proporcionar un sustrato;

aplicar una tinta al carbón para electrodos en dicho sustrato para formar un electrodo de trabajo;

limpiar dicho electrodo de trabajo utilizando un plasma de gas; y

depositar una capa de reactivo en dicho electrodo de trabajo después de dicha etapa de limpieza,

caracterizado porque

dicha etapa de limpiar dicho electrodo de trabajo utilizando un plasma de gas incluye las etapas de:

colocar dicho sustrato que porta dicho electrodo de trabajo en una cámara;

vaciar dicha cámara en un intervalo de entre 13,33 y 16,66 Pa;

rellenar dicha cámara vaciada con un gas hasta una presión de funcionamiento en un intervalo de entre 39,99 y 66,65 Pa; y

excitar dicho gas con una señal de radiofrecuencia (RF) durante un periodo de tiempo seleccionado en un intervalo de entre 10 segundos y 30 segundos.

2. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según la reivindicación 1, en el que dicha etapa de proporcionar un sustrato incluye proporcionar un sustrato de polímero.

3. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha etapa de aplicar una tinta al carbón para electrodos en dicho sustrato incluye las etapas de imprimir por serigrafía dicha tinta al carbón para electrodos en dicho sustrato para formar dicho electrodo de trabajo; y secar térmicamente dicho electrodo de trabajo impreso por serigrafía.

4. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha etapa de aplicar una tinta al carbón para electrodos en dicho sustrato incluye la etapa de aplicar una tinta que contiene cantidades seleccionadas de grafito y negro de carbón.

5. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según la reivindicación 4, en el que dicha etapa de aplicar una tinta que contiene cantidades seleccionadas de grafito y negro de carbón incluye aplicar una tinta al carbón para electrodos que contiene aproximadamente el 18% de grafito y el 6% de negro de carbón.

6. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha etapa de rellenar dicha cámara vaciada con un gas incluye la etapa de rellenar dicha cámara vaciada con oxígeno.

7. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha etapa de rellenar dicha cámara vaciada con un gas incluye la etapa de rellenar dicha cámara vaciada con nitrógeno.

8. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha etapa de excitar dicho gas con una señal de radiofrecuencia (RF) incluye las etapas de:

identificar dicha presión de funcionamiento estabilizada a una presión seleccionada; y

aplicar dicha señal de radiofrecuencia (RF) que presenta una frecuencia seleccionada de aproximadamente 13,56 MHz con un nivel de potencia predeterminado de 20 a 25 vatios.

9. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha etapa de depositar una capa de reactivo en dicho electrodo de trabajo después de dicha etapa de limpieza incluye la etapa de depositar una capa que contiene una enzima y un agente de transferencia de electrones sobre dicho electrodo de trabajo limpio.

10. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que se usa el electrodo amperométrico para un biosensor de glucosa y en el que dicha etapa de depositar una capa de reactivo en dicho electrodo de trabajo después de dicha etapa de limpieza incluye las etapas de depositar una capa que contiene una glucosa oxidasa.

11. Procedimiento para fabricar un electrodo amperométrico según una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicha etapa de proporcionar un sustrato incluye proporcionar un sustrato formado de un material termoplástico, aislante eléctrico.