ES2302871T3 - Electrodo en forma de micro-electrodo. - Google Patents
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Abstract
Una celda electroquímica en forma de receptáculo, comprendiendo dicha celda un contra-electrodo (6) y un electrodo de trabajo (5), en la que el electrodo de trabajo (5) está en una pared (2) del receptáculo y en la que la distancia mínima entre el electrodo de trabajo y el contra-electrodo es de 50 µm, caracterizado porque al menos un electrodo es un micro-electrodo que tiene una dimensión de menos de 50 µm y una dimensión de más de 50 µm, y el receptáculo contiene una sustancia electro-activa (8).
Description
Electrodo en forma de
micro-electrodo.
La presente invención se refiere a una celda
electroquímica con micro-electrodos para detección
electroquímica, a un proceso para fabricar dicha celda y a un método
para ensayo electroquímico de una sustancia usando el
micro-electrodo.
Se usan micro-electrodos para la
detección electroquímica de diversos parámetros de una sustancia.
Por ejemplo, puede usarse un micro-electrodo para
detectar o medir la concentración de un compuesto particular en una
sustancia de ensayo. Típicamente, los
micro-electrodos contienen un electrodo que tiene al
menos una dimensión que es igual a o menor de 50 \mum y
frecuentemente una dimensión de 1 a 25 \mum. El uso de estos
sistemas como dispositivos de muestreo da numerosos beneficios
potenciales incluyendo velocidad de operación, precisión y
requisitos de muestra mínima.
Las formas comunes de
micro-electrodos fabricados por producción a gran
escala son micro-discos,
micro-bandas o electrodos interdigitados. Un
electrodo de micro-disco es una placa tal como un
electrodo con un diámetro de menos de aproximadamente 25 \mum
mientras que el electrodo de micro-banda está
compuesto por una tira con un espesor o dimensión menor de menos de
aproximadamente 25 \mum. El electrodo interdigitado tiene una
forma más compleja de dos peines con sus dientes
interconectados.
Usando estos micro-electrodos
junto con enzimas u otras sustancias electro-activas
es posible crear detectores que proporcionan una medida cuantitativa
de parámetros diana mediante reacciones con la sustancia
electro-activa correspondiente.
Sin embargo, ocurren diversos problemas cuando
se usan los micro-electrodos conocidos en la técnica
junto con una sustancia electro-activa. En primer
lugar, frecuentemente se experimentan dificultades para fijar la
sustancia electro-activa a los electrodos y a menudo
se observa el movimiento de la sustancia lejos de su localización
deseada. Los sistemas que contienen diversos
micro-electrodos en un solo sustrato son
particularmente susceptibles a problemas en este respecto, ya que
las enzimas que no se unen suficientemente a su electrodo se sueltan
y migran de un detector a otro provocando contaminación cruzada.
Este tipo de problema empeora por el efecto de que la muestra fluye
sobre el micro-electrodo, lo que tiende a retirar
por lavado la sustancia electro-activa del
electrodo.
Una manera común de inmovilizar la sustancia
electro-activa, al menos en alguna extensión es
secarla en su posición sobre el electrodo. Sin embargo, esto
típicamente no es suficiente para mantener la sustancia
electro-activa en su sitio. Adicionalmente, secar la
sustancia electro-activa encima del
micro-electrodo puede provocar ensuciamiento
eléctrico del electrodo.
El documento WO 99/46585 describe una celda
electroquímica que comprende un espaciador (3) perforado mediante
una apertura que define una pared de la celda, un primer electrodo
metálico (2) en un lado del espaciador que se extiende sobre un lado
de la apertura, un segundo electrodo metálico (4) en el otro lado
del espaciador que se extiende sobre el lado de la apertura opuesto
al primer electrodo, un medio para admitir una muestra en el volumen
de celda definido entre los electrodos y la pared de la celda y un
medio para calentar una muestra contenida dentro de la celda
(10).
El documento US 5.725.747 describe una celda de
medida electroquímica capaz de medir la concentración de compuestos
gaseosos cargados o neutros en un líquido.
El documento US 5.863.400 describe una celda
electroquímica que comprende una membrana porosa (8) de composición
eléctricamente aislante, teniendo la membrana poros que comunican
desde un lado al otro de la membrana, un electrodo de trabajo (5)
dispuesto en un lado y un contra o pseudo electrodo de referencia
(7) dispuesta en el otro lado.
El documento US 6.110.354 describe un detector
de serie de electrodos en micro-banda en forma de un
sustrato plano con electrodos expuestos en su borde o un anillo o
canal con electrodos expuestos en el borde interno.
Una celda electroquímica en la que se usan como
electrodos placas de platino de 60 nm de espesor se conoce del
documento WO 97/00441.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención
es proporcionar una celda electroquímica que comprende un
micro-electrodo capaz de mantener una sustancia
electro-activa en el electrodo lista para ensayar
una muestra y que restringirá el movimiento de cualquiera de dichas
sustancias electro-activas mientras que la muestra
fluye sobre el micro-electrodo. Se desea también
evitar o reducir los problemas de ensuciamiento del electrodo que
ocurren cuando una sustancia electro-activa se seca
en los electrodos.
Los presentes inventores han descubierto que los
problemas analizados anteriormente pueden minimizarse cuando el
micro-electrodo está en forma de receptáculo. El
receptáculo comprende un electrodo de trabajo en la pared del
receptáculo, que típicamente tiene una pequeña área superficial.
También está presente un contra-electrodo, teniendo
típicamente este electrodo un área superficial mucho mayor que la
del electrodo de trabajo, generalmente un área superficial que es al
menos de un orden de magnitud mayor que la del electrodo de trabajo.
La sustancia electro-activa puede situarse en el
receptáculo y opcionalmente se seca en su posición. La muestra se
aplica después al receptáculo para que pueda realizarse el
ensayo.
Dicho micro-electrodo se adecua
por lo tanto idealmente para que contenga la sustancia
electro-activa y evitar su movimiento lejos de los
electrodos. Adicionalmente, el efecto de la muestra que fluye sobre
el micro-electrodo se reduce en gran medida y es
improbable que provoque que la enzima se retire por lavado de su
posición en la base del receptáculo.
La sustancia electro-activa
típicamente no entrará en contacto con el electrodo de trabajo en la
pared del receptáculo durante el almacenamiento y por lo tanto el
ensuciamiento de este electrodo se minimiza. Adicionalmente, la
sustancia electro-activa típicamente contactará sólo
con una pequeña proporción del contra-electrodo y en
algunas realizaciones (analizadas a continuación) el contacto con el
contra-electrodo puede evitarse totalmente. Por lo
tanto, si ocurre ensuciamiento, esto será sólo en un área
relativamente pequeña del electrodo. Las demás áreas no afectadas
del contra-electrodo pueden funcionar aún con
normalidad.
Por consiguiente la presente invención
proporciona una celda electroquímica en forma de receptáculo,
comprendiendo dicha celda un contra-electrodo y un
electrodo de trabajo, estando separados el
contra-electrodo y el electrodo de trabajo por una
distancia mínima de 50 \mum, en la que al menos un electrodo es un
micro-electrodo que tiene una dimensión que no
supera los 50 \mum y una dimensión de menos de 50 \mum. Estando
el electrodo de trabajo en una pared del receptáculo y en el que el
receptáculo contiene una sustancia
electro-activa.
La presente invención proporciona también un
proceso para producir una celda electroquímica tal como se ha
descrito anteriormente, comprendiendo el proceso las etapas de:
- (a)
- formar una primera parte que comprende un material aislante que se recubre opcionalmente con una capa de contra-electrodo;
- (b)
- formar una segunda parte que comprende un laminado de una capa de electrodo de trabajo entre dos capas de un material aislante;
- (c)
- crear un orificio en la segunda parte; y
- (d)
- enlazar dicha primera parte a dicha segunda parte para formar un receptáculo,
comprendiendo adicionalmente dicho
proceso poner una sustancia electro-activa en el
receptáculo y opcionalmente secar la sustancia
electro-activa.
Cuando una capa de
contra-electrodo está presente en la primera parte,
la etapa (d) comprende enlazar la capa de
contra-electrodo de dicha primera parte a dicha
segunda parte para formar un receptáculo.
El proceso de la invención proporciona una
manera simple y eficaz de producir los
micro-electrodos de la invención. Adicionalmente, la
etapa de crear un orifico en la parte que contiene el electrodo de
trabajo puede eliminar la necesidad de una etapa diferente para
activar el carbono u otro electrodo de trabajo.
La presente invención proporciona también un
dispositivo multi-analito que comprende una
pluralidad de micro-electrodos en un solo
dispositivo. Este dispositivo permite tomar diferentes tipos de
medidas para una sola muestra usando diferentes sustancias
electro-activas en los diversos
micro-electrodos. Como alternativa, el dispositivo
multi-analito puede usarse para realizar el mismo
ensayo en una sola muestra varias veces para detectar o eliminar
errores en los resultados. El dispositivo
multi-analito de la presente invención asegura
también una segregación completa de diferentes sustancias
electro-activas ya que cada
micro-electrodo está auto contenido.
La presente invención proporciona también un
método de ensayo electroquímico y una sustancia comprendiendo el
método las etapas de:
- (a)
- insertar la muestra en una celda electroquímica o dispositivo multi-analito de la invención;
- (b)
- aplicar una tensión o una corriente entre los electrodos de trabajo y contra-electrodo del micro-electrodo;
- (c)
- medir la corriente resultante, tensión o carga a través del micro-electrodo.
La Figura 1 representa una celda electroquímica
de acuerdo con una primera realización de la invención;
La Figura 2 representa una celda electroquímica
que contiene un contra-electrodo y electrodo de
referencia separados de acuerdo con una segunda realización de la
invención;
La Figura 3 representa una celda electroquímica
que tiene múltiples electrodos de trabajo de acuerdo con una tercera
realización de la invención;
La Figura 4 representa una celda electroquímica
que tiene canales de flujo capilares de acuerdo con una cuarta
realización de la invención;
La Figura 5 representa una celda electroquímica
en la que el contra-electrodo está en una pared o
paredes de la celda;
La Figura 6 representa una realización
alternativa de la invención en la que la propia celda no está en
forma de receptáculo sino que forma un receptáculo cuando se pone
sobre un sustrato;
Las Figuras 7, 8 y 9 muestran un dispositivo
multi-analito que contiene cuatro celdas
electroquímicas de la presente invención;
La Figura 10 ilustra un proceso para producir
las celdas electroquímicas de la invención;
La Figura 11 ilustra un proceso modificado para
producir las celdas electroquímicas de la invención;
Las Figuras 12 a 20 ilustran los resultados de
experimentos amperométricos y voltamétricos cíclicos realizados
usando celdas electroquímicas de acuerdo con la invención.
Una celda electroquímica comprende un electrodo
de trabajo y un contra-electrodo que están
conectados entre sí eléctricamente. Cuando se usan, las reacciones
electroquímicas que ocurren en cada uno de los electrodos provocan
que los electrones fluyan hacia y desde los electrodos, generando de
esta manera un corriente. Una celda electroquímica puede ajustarse
para soportar la corriente eléctrica producida, por ejemplo en forma
de batería o para detectar las reacciones electroquímicas que se
inducen mediante una corriente o tensión aplicada.
Realización
1
En la Figura 1 se representa una primera
realización de la presente invención. En esta realización, la celda
electroquímica tiene un micro-electrodo. Un
micro-electrodo tiene una dimensión que no supera
los 50 \mum. Los micro-electrodos presentan una
respuesta de micro-electrodo típica cuando se usa
voltametría cíclica. Los micro-electrodos de la
invención tienen una dimensión que tiene un macro tamaño es decir
que es mayor de 50 \mum. Debido a esta macro dimensión, las celdas
electroquímicas de la invención pueden presentar algunas
características que normalmente no están asociadas con los
micro-electrodos. Por ejemplo las celdas
electroquímicas de la invención pueden presentar algún grado de
corriente de Cottrell.
Típicamente el micro-electrodo
será adecuado para detección de agua (tal como agua de río), sangre,
orina u otros fluidos biológicos o líquidos tales como cerveza y
vino, para determinar sus contenidos. La celda está en forma de un
receptáculo o recipiente. El receptáculo puede ser de cualquier
forma, siempre y cuando sea capaz de contener un líquido que se
ponga en el mismo. Por ejemplo, el receptáculo puede ser cilíndrico.
Generalmente, un receptáculo contendrá una base 1 y una pared o
paredes 2 que rodean la base.
Típicamente, el receptáculo tendrá una
profundidad (es decir, de la parte superior a la base) de 50 a 1000
\mum, preferiblemente de 200 a 800 \mum, por ejemplo, de 300 a
600 \mum. La longitud y anchura (es decir, de pared a pared) o en
el caso de un receptáculo cilíndrico el diámetro del receptáculo es
típicamente de 0,1 a 5 mm, por ejemplo de 0,5 a 1,5 mm, tal como 1
mm, por ejemplo por al menos aproximadamente 1 mm.
El extremo abierto del receptáculo 3 puede
cubrirse parcialmente mediante un material impermeable siempre que
al menos parte del extremo abierto esté sin cubrir, o cubierto por
un material permeable tal como una membrana permeable.
Preferiblemente, el extremo abierto del receptáculo está
sustancialmente cubierto con una membrana permeable 4. La membrana 4
sirve para evitar que el polvo u otros contaminantes entren en el
receptáculo y ayuda a mantener cualquier sustancia
electro-activa que pueda insertarse en el
receptáculo en su posición.
La membrana 4 está hecha preferiblemente de un
material a través del cual puede pasar la mezcla a ensayar. Por
ejemplo, si la muestra es una muestra de sangre, la membrana debería
ser permeable a sangre. Los materiales adecuados para usar como
membrana incluyen poliéster, nitrato de celulosa, policarbonato,
polisulfona, películas de poliéter sulfona microporosas, PET, telas
tejidas de algodón y nylon, fibras de vidrio recubiertas y telas de
poliacrilonitrilo. Estas telas pueden experimentar opcionalmente un
tratamiento hidrófilo o hidrófobo antes de su uso. Otras
características superficiales de la membrana pueden alterarse
también si se desea. Por ejemplo, los tratamientos para modificar el
ángulo de contacto de la membrana en agua pueden usarse para
facilitar el flujo de la muestra deseada a través de la membrana.
La membrana puede comprender una, dos o más capas de material, cada
una de las cuales pueden ser iguales o diferentes. Por ejemplo,
puede usarse una membrana de dobles capas convencionales que
comprenden dos capas de diferentes materiales de membrana.
La membrana puede usarse también para filtrar
algunos componentes de la muestra que no se desea que entren en la
celda. Por ejemplo, algunos productos de la sangre tales como
glóbulos rojos o eritrocitos pueden separarse así, de manera que
estas partículas no entran en la celda. Las membranas de filtración
adecuadas incluyendo membranas de filtración de sangre se conocen en
la técnica. Un ejemplo de una membrana de filtración de sangre es
Presence 200 de Pall filtration.
La celda electroquímica de la invención contiene
un electrodo de trabajo 5 que está situado en una pared del
receptáculo. El electrodo de trabajo está por ejemplo en forma de
una banda continua alrededor de la pared o paredes del receptáculo.
El espesor del electrodo de trabajo es típicamente de 0,01 a 25
\mum, preferiblemente de 0,05 a 15 \mum, por ejemplo de 0,1 a 20
\mum, más preferiblemente de 0,1 a 10 \mum. Los electrodos de
trabajo más gruesos se prevén también, por ejemplo electrodos que
tienen un espesor de 0,1 a 50 \mum, preferiblemente de 5 a 20
\mum. El espesor del electrodo de trabajo es su dimensión en una
dirección vertical cuando el receptáculo se coloca sobre su base. El
electrodo de trabajo se forma preferiblemente de carbono, paladio,
oro o platino, por ejemplo en forma de una tinta conductora. La
tinta conductora puede ser una tinta modificada que contiene
materiales adicionales, por ejemplo platino y/o grafito. Pueden
usarse dos o más capas para formar el electrodo de trabajo, estando
formadas las capas del mismo o diferente material. Por ejemplo,
puede estar presente una capa de plata por debajo de la capa del
electrodo de trabajo.
El contra-electrodo 6
típicamente forma al menos una parte de la base de la parte superior
del receptáculo, aunque el contra-electrodo puede
estar presente también en la pared o paredes del receptáculo. En la
presente realización, el contra-electrodo 6 forma la
base del receptáculo. El contra-electrodo está hecho
típicamente de Ag/AgSO_{4}, carbono, Ag/AgCl, paladio, oro,
platino, Cu/CuSO_{4}, Hg/HgCl_{2} o Hg/HgSO_{4}. Está hecho
preferiblemente de carbono, Ag/AgCl, paladio, oro, platino,
Cu/CuSO_{4}, Hg/HgCl_{2} o Hg/HgSO_{4}. Cada uno de estos
materiales puede proporcionarse en forma de una tinta conductora. La
tinta conductora puede ser una tinta modificada que contiene
materiales adicionales por ejemplo platino y/o grafito. Típicamente
la celda electroquímica de la invención sólo contiene un
contra-electrodo.
El contra-electrodo 6
típicamente tiene un área superficial que es de un tamaño similar a
o que es mayor que, por ejemplo, sustancialmente mayor que la del
electrodo de trabajo 5. Típicamente, la proporción del área
superficial del contra-electrodo respecto a la del
electrodo de trabajo es de al menos 1:1, tal como aproximadamente
1:1, entre 1:1 y 25:1, al menos 5:1, 10:1, preferiblemente al menos
20:1, más preferiblemente al menos 25:1. El
contra-electrodo por ejemplo puede ser un macro
electrodo. Los contra-electrodos preferidos tienen
una dimensión de 0,01 mm o mayor, por ejemplo 0,1 mm o mayor. Este
puede ser por ejemplo un diámetro de 0,1 mm o mayor. Las áreas
típicas de contra-electrodo son de 0,001 mm^{2} a
10 mm^{2}, preferiblemente de aproximadamente 5 mm^{2}. La
distancia mínima entre el electrodo de trabajo y el
contra-electrodo es de al menos 50 \mum,
preferiblemente de 50 a 1000 \mum, por ejemplo de 50 a 300
\mum.
En una celda típica de acuerdo con la invención,
cada electrodo se separará del electrodo vecino una distancia de 50
a 1000 \mum, por ejemplo de 50 a 200 \mum o de 75 a 150 \mum.
Para que la celda pueda funcionar, cada uno de los electrodos debe
separarse mediante un material aislante 7. El material aislante
típicamente es un polímero, por ejemplo un acrilato, poliuretano,
PET, poliolefina, poliéster o cualquier otro material aislante
estable. Poli carbonato y otros plásticos y cerámicos son adecuados
también como materiales aislantes. La capa aislante puede formarse
por evaporación del disolvente desde una solución de polímero.
Pueden usarse también líquidos que se endurecen después de la
aplicación, por ejemplo barnices. Como alternativa, pueden usarse
soluciones de polímero reticulables que por ejemplo se reticulan por
exposición a calor o UV o mezclando juntas las partes activas de un
sistema reticulable de dos componentes. Las tintas dieléctricas
pueden usarse también para formar capas aislantes cuando sea
apropiado.
Los electrodos de la celda electroquímica pueden
conectarse entre sí a cualquier instrumento de medida requerido por
cualquier medio adecuado. Típicamente, los electrodos se conectarán
a pistas eléctricamente conductoras que están conectadas entre sí y
a los instrumentos de medida requeridos.
La celda de la presente invención contiene una
sustancia electro-activa 8. La sustancia
electro-activa 8 puede ser cualquier sustancia que
sea capaz de provocar una reacción electroquímica cuando entra en
contacto con una muestra. De esta manera, durante la inserción de la
muestra en la célula el contacto de la muestra con la sustancia
electro-activa, puede ocurrir una reacción
electroquímica y puede aparecer una corriente, tensión o carga
medible en la celda.
La sustancia electro-activa 8
comprende un electro-catalizador. Típicamente la
sustancia electro-activa 8 comprende un
electro-catalizador y un mediador. Un mediador es
una especie química que tiene dos o más estados de oxidación de
distintos potenciales electro-activos que permiten
un mecanismo reversible de transferencia de electrones/carga a un
electrodo. El mediador reacciona con la muestra en la reacción
electroquímica, estando la reacción catalizada por el
electro-catalizador. Los ejemplos típicos de un
electro-catalizador son enzimas, por ejemplo lactato
oxidasa, colesterol deshidrogenada, lactato deshidrogenada, glicerol
quinasa, glicerol III fosfato oxidasa y colesterol oxidasa. Pueden
usarse también especies iónicas e iones metálicos por ejemplo
cobalto como electro-catalizador. Los ejemplos de
mediadores adecuados son ferricianuro, ferrocianuro y compuestos de
rutenio tales como hexaamina de rutenio (III).
La sustancia electro-activa 8 se
inserta típicamente en el receptáculo en una posición tal que la
sustancia electro-activa no está en contacto con el
electrodo de trabajo. Esto asegura que el ensuciamiento del
electrodo de trabajo se minimiza o evita. La sustancia
electro-activa puede secarse para asegurar que
permanece en su posición. La sustancia
electro-activa puede pre-recubrirse
sobre el sustrato que forma la base del receptáculo formando un
pocillo en el sustrato y dosificando una sustancia
electro-activa en el pocillo. Típicamente, la
sustancia electro-activa se seca entonces en su
posición y el sustrato recubierto de esta manera se une a las
paredes del receptáculo. El pocillo típicamente tiene una sección
transversal que es idéntica a la de la celda electroquímica final.
De esta manera, el pocillo crea la parte inferior del receptáculo
formado por la celda electroquímica.
Esta realización tiene la ventaja de que la
sustancia electro-activa se mantiene lejos del
electrodo de trabajo todo el tiempo durante la fabricación de la
celda. El contacto entre la sustancia electro-activa
y el electrodo de trabajo se minimiza por lo tanto antes de usar la
celda. Esto a su vez minimiza el ensuciamiento del electrodo de
trabajo.
La sustancia electro-activa está
presente en el receptáculo, aunque puede impregnarse también en una
membrana que se pone sobre un sustrato antes o después,
preferiblemente antes, de que el sustrato se una a las paredes del
receptáculo. La sustancia electro-activa puede
impregnarse igualmente en la membrana 4 que cubre la celda. Esto
evita el contacto entre la sustancia electro-activa
y el electrodo de trabajo y minimiza el ensuciamiento.
El receptáculo que forma el
micro-electrodo de la presente invención por ejemplo
puede contener uno o más pequeños orificios de aire en su base o en
su pared o paredes (no representado en la Figura 1). Estos orificios
permiten que el aire escape del receptáculo cuando la muestra entra
en el receptáculo. Si dichos orificios de aire no están presentes,
la muestra no puede entrar en el receptáculo cuando fluye sobre el
extremo abierto o puede entrar en el receptáculo únicamente con
dificultad. Los orificios de aire típicamente tienen dimensiones
capilares, por ejemplo, pueden tener un diámetro aproximado de
1-25 \mum. Típicamente puede haber presentes de 1
a 4 orificios de aire.
Realización
2
Una segunda realización de la invención, que es
la misma que la primera realización excepto lo que se describe a
continuación, se representa en la Figura 2. En esta realización, la
celda contiene uno o más electrodos de referencia 9 además del
electrodo de trabajo y contra-electrodo. En el caso
de que no esté presente electrodo de referencia (como en la primera
realización descrita anteriormente), el
contra-electrodo actúa como electrodo de referencia
o pseudo referencia. Típicamente, el electrodo de referencia se
localizará en una pared del receptáculo 2. Por ejemplo, el electrodo
de referencia puede estar en forma de una banda continua. El
contra-electrodo y el electrodo de trabajo 6 y 5
pueden situarse de manera que el electrodo de referencia 9 se
localice entre ellos, como se representa en la Figura 2 o el
contra-electrodo y el electrodo de trabajo 6 y 5
pueden estar adyacentes. El electrodo de referencia está hecho
típicamente de Ag/AgSO_{4}, carbono, Ag/AgCl, paladio, oro,
platino, Cu/CuSO_{4}, Hg/HgCl_{2} o Hg/HgSO_{4}.
Preferiblemente está hecho de carbono, Ag/AgCl, paladio, oro,
platino, Cu/CuSO_{4}, Hg/HgCl_{2} o Hg/HgSO_{4}. Cada uno de
estos materiales puede proporcionarse en forma de tinta conductora.
La tinta conductora puede ser una tinta modificada que contiene
materiales adicionales, por ejemplo platino y grafito.
Realización
3
Una tercera realización de la invención, que es
igual que cualquiera de la primera o segunda realizaciones excepto
lo que se describe a continuación, se representa en la Figura 3.
Esta realización de la invención es un electrodo
multi-anillo que contiene uno o más electrodos
adicionales 10, 10' además de los electrodos de trabajo,
contra-electrodo y opcionalmente electrodo de
referencia. El uno o más electrodos adicionales 10, 10' típicamente
actúan como electrodos de trabajo adicionales. Preferiblemente el
contra-electrodo 6 actúa como
contra-electrodo y como de electrodo de referencia y
un electrodo de referencia separado, como se describe en la
realización 2, no está presente.
Típicamente, el receptáculo comprende no más de
10 electrodos en total, incluyendo los electrodos de trabajo,
contra-electrodo y electrodo de referencia.
Preferiblemente no están presentes más de 7 electrodos, más
preferiblemente no más de 5 electrodos. Los receptáculos más
preferibles contienen 2, 3 ó 4 electrodos. Cuando están presentes
más electrodos de trabajo y/o de referencia, estos típicamente se
localizan uno encima del otro en la pared o paredes del
receptáculo.
Los electrodos de trabajo adicionales 10, 10'
permiten realizar diferentes medidas simultáneamente sobre la misma
muestra aplicando diferentes potenciales a través de dos o más pares
de electrodos de trabajo/contra-electrodo. Como
alternativa, puede aplicarse el mismo potencial a cada electrodo de
trabajo y la misma medida puede registrarse varias veces para la
misma muestra. Esto ayuda a eliminar o detectar errores en las
medidas tomadas.
En un ejemplo particular de esta realización,
uno de los electrodos de trabajo está presente en la base del
receptáculo, es decir en la posición en la que el
contra-electrodo 6 se representa en la Figura 3. En
este caso, el contra-electrodo está presente en la
pared o paredes del receptáculo como se describe a continuación con
referencia a la realización 5, o en la parte superior del
receptáculo como se describe a continuación con referencia a la
realización 4.
Realización
4
Una cuarta realización de la invención, que es
la misma que la primera, segunda o tercera realizaciones excepto lo
que se describe a continuación, se representa en la Figura 4. En
esta realización, la celda comprende uno o más canales capilares 11
para permitir que la muestra entre en el receptáculo. Los canales
capilares se cubren por ejemplo con una película capilar. Los
ejemplos de películas capilares adecuadas son películas tales como
Melinez o ARcare®, películas recubiertas adhesivas de Adhesive
Research, y películas recubiertas hidrófilas tales como ARcare®
8877, que pueden ofrecer mejor rendimiento capilar. En esta
realización el receptáculo se cubre preferiblemente con un material
sustancialmente impermeable 12. El material impermeable 12 es
típicamente una película capilar como se ha descrito anteriormente.
Se proporcionan uno o más canales capilares 11, por ejemplo en una
pared o paredes del receptáculo 2, a través de los cuales la muestra
puede entrar en el receptáculo.
Típicamente, como se describe en la Figura 4, el
canal capilar 11 se localiza en el punto donde la pared 2 se
encuentra con el material impermeable 12.
Para que el aire pueda escapar del receptáculo y
permitir que la muestra de líquido entre, uno o más orificios de
aire deben estar presentes en esta realización. Típicamente, un
orificio de aire se situará en el punto donde la base se encuentra
con la pared del receptáculo, como se indica con el número 12a en la
Figura 4. El orificio u orificios de aire preferiblemente tienen las
dimensiones descritas anteriormente y preferiblemente están
presentes de 1 a 4 orificios.
Esta realización tiene la ventaja de que la
parte superior del receptáculo está cerrado y de esta manera el
contra-electrodo puede localizarse en la parte
superior 3, en la base 1 o en la pared o paredes 2 del receptáculo.
El contra-electrodo 6 se representa en la parte
superior del receptáculo en la Figura 4. Esto se consigue uniendo el
contra-electrodo 6 al material impermeable 12 antes
de su unión al receptáculo. De esta manera, la sustancia
electro-activa 8 que se localiza típicamente en la
base 1 del receptáculo no está en contacto con el electro de trabajo
o el contra-electrodo y de esta manera el
ensuciamiento del electrodo se reduce significativamente o se
elimina.
Otra ventaja de poner el
contra-electrodo en la parte superior del
receptáculo es que la base del receptáculo puede recubrirse o
adaptarse de otra manera para hacerla más adecuada para recibir la
sustancia electro-activa que típicamente se seca
sobre la base. Por ejemplo, la base puede estar hecha de un material
particular tal como carbono (con la condición de que el carbono se
aísle eléctricamente del electrodo) que es adecuado para depositar
enzimas sobre el mismo. Como alternativa, la base puede recubrirse
con un recubrimiento hidrófilo.
Si se desea, la base de la celda puede formarse
a partir de una membrana permeable que puede usar el mismo tipo de
membrana 4 analizada anteriormente. El receptáculo contiene una
sustancia electro-activa, aunque la membrana puede
estar impregnada también con la sustancia
electro-activa antes de unirse a la celda. Esto
evita el ensuciamiento del electrodo provocado por el contacto entre
la sustancia electro-activa y el electrodo de
trabajo durante la inserción de la sustancia
electro-activa.
Realización
5
Una realización alternativa de la invención se
representa en la Figura 5. Esta realización es la misma que una
cualquiera de las realizaciones 1 a 4 analizadas anteriormente
excepto lo que se describe a continuación. El
contra-electrodo 6 en la celda de esta realización
se localiza en una pared o paredes 2 del receptáculo. El
contra-electrodo, por ejemplo, está en forma de una
banda continua alrededor de la pared o paredes del receptáculo.
El espesor del contra-electrodo
en esta realización es típicamente de 0,1 \mum a 1 mm,
preferiblemente de 5 a 500 \mum, por ejemplo de 5 a 100 \mum,
más preferiblemente de 5 a 50 \mum. El espesor del
contra-electrodo en esta realización es su dimensión
en una dirección vertical cuando el receptáculo se sitúa sobre su
base. La proporción del área superficial del
contra-electrodo a la del electrodo de trabajo puede
ser en esta realización menor que el valor preferido de 25:1 que se
aplica para contra-electrodos localizados en la base
o en la parte superior del receptáculo. Las proporciones preferidas
para esta realización están en el intervalo de 1:1 a 10:1,
preferiblemente de 2:1 a 5:1.
La presente invención proporciona también un
dispositivo multi-analito que comprende dos o más
micro-electrodos de esta invención, por ejemplo de
acuerdo con una cualquiera de las realizaciones 1 a 6 anteriores.
Cada uno de los micro-electrodos del dispositivo
multi-analito pueden ser del mismo o diferente
diseño. Los dispositivos multi-analito típicos de
acuerdo con la invención se describen en las Figuras 7, 8 y 9. El
dispositivo multi-analito comprenderá típicamente
una placa o tira 14 que contiene uno o más
micro-electrodos 13a, b, c y d. Cada
micro-electrodo puede contener la misma o diferente
sustancia electro-activa de manera que cuando se
inserta una muestra en cada receptáculo, pueden realizarse
diferentes ensayos o el mismo ensayo puede repetirse varias veces
para detectar o eliminar errores en las medidas tomadas.
Finalmente, los micro-electrodos pueden ajustarse a
diferentes potenciales, proporcionando de nuevo diferentes medidas
para la misma muestra.
Los micro-electrodos se separan
típicamente por una distancia de 250 \mum a 550 \mum, por
ejemplo de 250 \mum a 425 \mum.
Un dispositivo multi-analito
puede realizarse también con una disposición "vertical" de
celdas como una alternativa a la realización 3.
En esta disposición la muestra en el primer
micro-electrodo pasa a otro
micro-electrodo por debajo del mismo, por ejemplo
usando una membrana permeable en la base del primer
micro-electrodo, para determinar un componente
diferente en la muestra. La membrana permeable puede impregnarse con
una sustancia electro-activa.
Las pistas eléctricas del dispositivo
multi-analito típicamente están en la superficie
superior del dispositivo. Se usan vías llenas para conectar el
contra-electrodo, electrodo de referencia opcional y
electrodo de trabajo a las pistas superficiales 15 que se ajustan
entonces con un instrumento de medida 16 o el contra laminado
trasero puede disponerse para ajustarse con el instrumento
directamente.
El dispositivo multi-analito
puede contener uno o más electrodos blancos 17 como se representa en
la Figura 8. El electrodo o electrodos blancos no contienen un
contra-electrodo. Esta realización, por ejemplo,
puede ser útil cuando la sustancia electro-activa
tiene un potencial de trabajo que entra en conflicto con el del
sistema de contra-electrodo. En esta situación,
puede ocurrir la reducción u oxidación del mediador contenido en la
sustancia electro-activa. De esta manera, por
ejemplo cuando el contra-electrodo es un par Ag/AgCl
y el mediador es ferricianuro, el estado rédox del mediador es tal
que interacciona con el Ag/AgCl formando un sistema de batería o
celda galvánica en el que ocurren reacciones espontáneamente tan
pronto como haya una conexión líquida entre ellas.
El dispositivo multi-analito
puede comprender también canales capilares 18 como se representa en
la Figura 9. Estos canales capilares son preferiblemente del tipo
descrito en la realización 4 anterior. De esta manera, cada
receptáculo está provisto con un canal capilar que puede conectarse
opcionalmente a un solo canal desde el que se extrae la muestra.
En la Figura 10 se representa un proceso para
producir las celdas electroquímicas de la primera realización de la
presente invención. Las celdas pueden producirse por un proceso que
comprende las etapas de:
- (a)
- formar una primera parte 18 que comprende un material aislante 18a que está recubierto opcionalmente con una capa de contra-electrodo 18b;
- (b)
- formar una segunda parte 19 que comprende un laminado de una capa de electrodo de trabajo 19a entre dos capas 19b y 19c de un material aislante;
- (c)
- crear un orificio 19d en la segunda parte; y
- (d)
- enlazar dicha primera parte 18 a dicha segunda parte 19 para formar un receptáculo, comprendiendo dicho proceso adicionalmente poner una sustancia electro-activa en el receptáculo y opcionalmente secar la sustancia electro-activa.
Los materiales, dimensiones y otras propiedades
de la celda electroquímica son como se han descrito
anteriormente.
Cuando el contra-electrodo está
en la base del receptáculo, la primera parte comprende un material
aislante 18a que está recubierto con una capa de
contra-electrodo 18b como se representa en la Figura
10. En este caso, la etapa (d) comprende enlazar la capa de
contra-electrodo 18b de dicha primera parte 18 a
dicha segunda parte 19 para formar un receptáculo. Como alternativa,
cuando el contra-electrodo está en una pared o
paredes del electro como se ha descrito en la realización 5
anterior, la capa de contra-electrodo puede estar
ausente de la primer parte y la segunda parte comprende una capa de
contra-electrodo entre dos capas de material
aislante.
La etapa (c), en la que se crea un orificio en
la segunda parte puede realizarse por cualquier medio adecuado. Por
ejemplo, el orificio puede perforarse, taladrarse o formarse por
corte con troquel, corte por ultrasonidos o taladro con láser. Esta
etapa tiene la ventaja de que las superficies del electrodo se
limpian automáticamente por la acción de crear el orificio,
reduciendo de esta manera el requisito de una etapa diferente de
limpieza de los electrodos.
Una técnica adecuada para crear el orificio es
perforar la segunda parte con una herramienta de prensado neumática
o hidráulica. Se prefieren orificios de 0,1 a 5 mm, preferiblemente
de 0,5 a 1,5 más preferiblemente de aproximadamente 1 mm de
diámetro. El orificio debe extenderse por todas las capas impresas y
el sustrato. La herramienta de perforación puede recubrirse con
materiales de endurecimiento tales como titanio y puede tener o no
un borde de corte en ángulo. Por ejemplo, la herramienta puede estar
recubierta con Ti con un ángulo de 2º respecto a la horizontal del
borde de corte.
La etapa de enlazado (d) puede realizarse por
cualquier técnica de enlazado adecuada. Por ejemplo, el enlazado
puede realizarse usando rodillos presurizados. Puede usarse un
adhesivo sensible a calor en el caso de que se necesite una
temperatura elevada. Puede usarse temperatura ambiente para el
adhesivo sensible a presión.
Si se desea, pueden crearse canales de aire en
el micro-electrodo en la junta entre la primera
parte 18 y la segunda parte 19. Esto puede conseguirse por ejemplo
creando surcos en el lado inferior o de la segunda parte 19 o en el
lado superior de la primera parte 18a antes de enlazar estas dos
partes juntas.
Puede imprimirse carbono y otras tintas, por
ejemplo, sobre el material aislante 18a, 19b, 19c usando serigrafía,
impresión por chorro de tinta, transferencia térmica o una técnica
de impresión litográfica o por huecograbado, por ejemplo las
técnicas descritas en el documento GB 0106417.9. La capa aislante
19c puede formarse también por impresión de material aislante sobre
la capa de electrodo de trabajo. Otras técnicas para formar la capa
aislante incluyen evaporación del disolvente de una solución del
material aislante o formación de un polímero aislante por un
mecanismo de reticulación.
Cada electrodo se imprime típicamente o se
recubre de otra manera sobre la capa aislante pertinente en un
patrón elegido. Para el electrodo de trabajo u otros electrodos que
tengan que formarse en la pared del receptáculo, el patrón
seleccionado debe ser tal que al menos una parte de la capa del
electrodo se exponga cuando se crea el orificio 19d.
Preferiblemente, el patrón elegido es tal que la capa de electrodo
se expone alrededor de todo el perímetro del orificio 19d.
En una realización, se realizan dos o más
impresiones u otras etapas de recubrimiento para crear una capa de
electrodo. Una o más etapas, preferiblemente una etapa, usa un
patrón que deposita material conductor en un área que formará el
perímetro del orifico 19d así como por ejemplo áreas que tienen que
formar pistas conductoras. Esta capa se expone cuando el orificio
19d se crea y forma el electrodo. Una o más etapas adicionales usan
un patrón que deposita material conductor por ejemplo en áreas que
van a formar pistas conductoras aunque no deposita material en el
área que formará el perímetro del orificio 19d. Estas áreas no se
exponen cuando se forma el orificio 19d. De esta manera, una capa
fina de electrodo se forma alrededor del orificio 19d conduciendo a
un electrodo fino en la pared del receptáculo acabado, mientras que
una capa más gruesa se forma lejos del orifico 19d. Esta capa más
gruesa tiene una menor resistencia y de esta manera conduce a un
funcionamiento más eficaz de la celda electroquímica. Este uso de
una doble capa es particularmente preferido con respecto al
electrodo de trabajo.
Si se desea, la una o más capas pueden formarse
de diferentes materiales. Por ejemplo, la capa que se expondrá en el
orificio 19d puede formarse de carbono mientras que puede usarse
otra capa, por ejemplo, una subcapa de un material diferente.
El electrodo de trabajo, el
contra-electrodo y el electrodo de referencia pueden
producirse todos mediante una tinta de impresión que contiene el
material deseado sobre el sustrato. Las capas aislantes pueden
producirse también de esta manera imprimiendo una tinta que contiene
un material aislante sobre un sustrato o sobre una capa conductora.
La serigrafía es una manera preferida para realizar esto.
Típicamente una capa conductora se imprimirá sobre un sustrato y una
capa dieléctrica se imprimirá sobre la capa conductora.
La serigrafía se realiza generalmente sobre
poliéster, policarbonato u otro sustrato de plástico/cerámica. Los
tipos de sustrato usados son, por ejemplo, películas DuPont de
Mylar, A, Mylar ADS, Melinex, Kaladex, Tejin Tetaron, Purex, Teonex.
Los sustratos usados se tratan superficialmente preferiblemente para
mejorar la adhesión de la tinta al sustrato, por ejemplo por
descarga corona o modificación química. Los sustratos se laminan
también preferiblemente por un lado, por ejemplo con un adhesivo
sensible a calor o sensible a presión en el intervalo de espesor de
20 \mum a 200 \mum, preferiblemente de aproximadamente 40
\mum. Una realización preferida ha empleado Mylar ST535 de 250
\mum de espesor con un laminado adhesivo activado térmicamente
como sustrato.
Se selecciona un tamiz de un stock con la
plantilla de carbono definida con emulsión fotosensible con un
espesor de 10 \mum a 20 \mum, preferiblemente de aproximadamente
13 \mum. El espesor requerido de la impresión se determina por
recuento de la malla del tamiz. Típicamente, está dentro del
intervalo de 83t/pulgada a 330t/pulgada, preferiblemente
305t/pulgada para ambas cintas de carbono y Ag/AgCl y de
aproximadamente 195t/pulgada para tintas dieléctricas. La tinta se
fuerza típicamente a través de la malla usando una goma exprimible
con una dureza shore de 65 a 85, preferiblemente una dureza shore de
75.
Los recuentos de malla adecuados son los
siguientes:
Espesor de impresión aproximado cuando se
usa
- 330t/pulgada = 7 \mum
- 305t/pulgada/120t/cm = 10 \mum
- 195t/pulgada/77t/cm = 15 \mum
- 156t/pulgada/61t/cm = 20 \mum
- 83t/pulgada/ = 25 \mum
\vskip1.000000\baselineskip
La capa impresa se seca típicamente usando las
recomendaciones del fabricante de tinta. Típicamente, se hornea
durante 2 minutos a 4 horas, preferiblemente 1 hora a
aproximadamente 70-130ºC. Puede usarse también
secado con aire o un secado en túnel de aire forzado durante
2-3 minutos a 90-130ºC.
La capa dieléctrica serigrafiada puede
sustituirse por un laminado de poliéster, policarbonato o similar
(preferiblemente Mylar ST535) que cubre la capa de carbono y con un
espesor en el intervalo de 10 \mum a 200 \mum, preferiblemente
de 10 \mum a 30 \mum.
Las tintas adecuadas para usar en los procesos
de serigrafía son las siguientes:
- 1.
- Carbono Coates 26-8203
- 2.
- Ercon G449
- 3.
- Du-pont L881
\vskip1.000000\baselineskip
- 1.
- Barniz Ronseal ultra fuerte vidriado transparente
- 2.
- Aislante azul Ercon E6165-116
- 3.
- Encapsulante Du-Pont 5036
- 4.
- Recubrimiento flexible de tamiz Coates
\vskip1.000000\baselineskip
- 1.
- Gema Ag/AgCl
- 2.
- Ercon E0430-128
- 3.
- Conductor Du-Pont 5874
\vskip1.000000\baselineskip
Después de formar el receptáculo, una sustancia
electro-activa como se ha descrito anteriormente se
inserta en el micro-electrodo, por ejemplo usando
micropipeteado o impresión con chorro de enzimas. La sustancia
electro-activa puede secarse entonces por cualquier
técnica adecuada. La sustancia electro-activa puede
impregnarse adicionalmente en una membrana que puede ponerse en o
fijarse sobre la capa 18b antes de o después de la etapa (d) de
enlazado (d).
Si se desea, una membrana permeable puede
situarse entonces sobre el receptáculo (como en la Figura 1). Se
aplican estructuras de membrana a la superficie superior del
dispositivo usando un adhesivo de doble lado o adhesivo sensible a
presión serigrafiado. La unión de la membrana 20, por ejemplo, puede
realizarse usando un adhesivo sensible a presión (que se ha
moldeado) que se ha cortado con troquel para retirar el adhesivo en
el área sobre el receptáculo. En las realizaciones en las que la
sustancia electro-activa se impregna en la membrana
4, la impregnación de la sustancia deseada se realiza típicamente
antes de que la membrana se una al receptáculo.
Si se desean uno o más canales capilares, estos
se forman preferiblemente creando uno o más surcos en la parte
superior de la segunda parte 19c, estando los surcos conectados al
orificio 19d o a la parte superior del receptáculo. Los surcos
pueden crearse convenientemente durante el mismo proceso que el de
creación de orificios en la segunda parte. Por ejemplo, usando una
técnica de presión, perforación, corte con troquel, corte por
ultrasonidos u otra técnica de fabricación de película adecuada. La
segunda parte puede recubrirse entonces con un material impermeable,
por ejemplo una película capilar como se ha descrito anteriormente
creando de esta manera un canal capilar conectado al receptáculo que
permite que una muestra entre en el receptáculo.
Puede usarse un proceso modificado cuando la
sustancia electro-activa tiene que
pre-recubrirse en un pocillo en el sustrato que
forma la base del receptáculo. Este proceso modificado se representa
en la Figura 11.
En este proceso, la etapa (a) comprende, si se
desea, recubrir la capa aislante 18a con la capa de
contra-electrodo 18b como se ha descrito
anteriormente. Se proporciona otra capa aislante adicional 18c que
tiene un orificio preformado 18d. El orificio 18d es típicamente del
mismo tamaño que el orificio 19d y puede formarse por las técnicas
mencionadas anteriormente con referencia al orificio 19d. La capa
aislante 18c se une a la capa 18b creando de esta manera un pocillo
en la posición del orificio 18d. Una sustancia
electro-activa se dosifica entonces a este pocillo,
por ejemplo usando micropipeteado o impresión por chorro de enzimas.
La sustancia electro-activa puede secarse entonces
por cualquier técnica adecuada. Después de la adición de la
sustancia electro-activa, la parte B (18) puede
usarse en la etapa (d) de la manera descrita anteriormente.
Puede usarse un proceso alternativo cuando la
invención se va a producir de acuerdo con la realización 4 anterior.
En esta realización, el proceso comprende las etapas de:
- (a)
- formar una primera parte que comprende un material aislante;
- (b)
- formar una segunda parte que comprende un laminado de una capa de electrodo de trabajo entre dos capas de un material aislante;
- (c)
- crear en la segunda parte un orificio y un canal capilar para permitir que una muestra entre en dicho orificio;
- (d)
- enlazar dicha primera parte a dicha segunda parte para formar un receptáculo;
- (e)
- poner una sustancia electro-activa como se ha descrito anteriormente en el receptáculo y opcionalmente secar la sustancia electro-activa; y
- (f)
- enlazar el extremo abierto de dicho receptáculo a una capa que está recubierta opcionalmente con un material de contra-electrodo.
Los materiales, dimensiones y otras propiedades
de la celda electroquímica son como se han descrito anteriormente.
La etapa (c), que comprende formar un orificio y un canal capilar en
la segunda parte puede realizarse como se ha descrito anteriormente.
En este proceso, el material impermeable o película capilar está
recubierto típicamente en el lado inferior con un material de
contra-electrodo antes de enlazarlo. De esta manera,
cuando esta capa se recubre en la parte superior del receptáculo, se
forma un contra-electrodo. Como alternativa, cuando
el contra-electrodo está en una pared o paredes del
electrodo como se describe en la realización 5 anterior, la capa de
contra-electrodo puede estar ausente de la capa
usada en la etapa (f) y en lugar de la segunda parte comprende una
capa de contra-electrodo entre dos capas de material
aislante.
En una realización, el material aislante de la
primera parte es una membrana permeable como se ha descrito
anteriormente. La membrana está impregnada opcionalmente con una
sustancia electro-activa antes de la etapa de enlace
(d).
Para formar los dispositivos
multi-analito de la presente invención la etapa (c)
descrita en uno de los dos procesos anteriores se amplía para
incluir la formación de dos o más orificios en la segunda parte. De
esta manera, cuando se realiza la etapa de enlazado (d), se forman
dos o más receptáculos. Cuando se usan canales capilares, estos
pueden formarse como se ha descrito anteriormente en cada uno de los
receptáculos. De esta manera, las muestras pueden extraerse en cada
electrodo por acción capilar.
La celda electroquímica de la presente invención
está destinada principalmente para usarla como
micro-electrodo con propósitos de detección, es
decir, para detectar muestras líquidas. Por ejemplo, la celda puede
usarse para determinar el contenido de diversas muestras de
sustancias en agua, cerveza, vino, sangre u orina o muestras de
otros fluidos biológicos o no biológicos. Las celdas, por ejemplo,
pueden usarse para determinar el contenido de pentaclorofenol de una
muestra para evaluación ambiental; para medir niveles de colesterol
HDL, LDL y triglicéridos para usar en análisis del riesgo cardiaco o
para medir niveles de glucosa, por ejemplo para uso en diabéticos.
Otro ejemplo de un uso adecuado para las celdas de la invención es
un control renal para medir el estado de un paciente que padece una
enfermedad del riñón. En este caso, las celdas podrían usarse para
controlar los niveles de queratinita, urea, potasio y sodio en la
orina.
Aunque un uso principal previsto para las celdas
electroquímicas de la invención es como
micro-detector, las celdas pueden usarse también
para cualquier otro propósito en el que tiene lugar una medida
electroquímica o de aprovechamiento de energía electroquímica. Por
ejemplo, la celda electroquímica de la invención puede usarse como
una batería. La celda puede usarse también para procesar una
sustancia electro-activa tal como un material
intercalante usado para la detección de electrolitos tales como
sodio, potasio, calcio y fosfatos. Dicho procesado puede implicar el
electro-ciclo de la sustancia para desarrollar una
capa fina consistente sobre los electrodos.
Una película base de 125 \mum de espesor de
PET se imprimió con un contra-electrodo/electrodo de
referencia usando una tinta de impresión de plata/cloruro de plata y
después se secó a 90ºC durante 30 minutos.
Una película media de 250 \mum de PET se
recubrió con sellado térmico. La película se imprimió después sobre
el lado inverso al recubrimiento de sellado térmico con una tinta de
carbono conductora en un patrón que define las pistas conductoras.
Esto se secó a 90ºC durante 1 hora. La tinta de carbono se
sobreimprimió posteriormente con una tinta dieléctrica, excepto en
la parte de las pistas que era necesario ajustar con el conector en
el instrumento de medida, donde no se realizó la sobreimpresión. La
tinta dieléctrica se secó después a 60ºC durante 20 minutos.
Después se formaron diversos orificios en la
capa media usando un punzón que forma los orificios usando una
acción de cizalla. Este punzón comprendía troqueles o puntas
metálicas que tenían un diámetro igual al de los orificios
requeridos. Los troqueles o puntas metálicas se usaron para
desgarrar la película que está soportada por placas de metal o
madera que tenían orificios que se ajustan a la formación del punzón
para permitir que el punzón se deslice.
Después de la perforación de los orificios, la
película media se laminó a la película base usando calor. Durante la
etapa de calentamiento, el sellado térmico en el lado inferior de la
película media se funde y se une a la película base.
Las sustancias electro-activas
deseadas se dosificarán entonces a los pocillos formados. Las
sustancias se secaron entonces usando un flujo de aire a temperatura
ambiente sobre la superficie.
Sobre algunos de los pocillos, se añadió una
membrana de separación de sangre que era capaz de retirar las
partículas celulares más grandes de la sangre entera. Para estos
electrodos, una membrana de separación en sangre tal como Presence
200 de Pall filtration se unió a la superficie más superior de los
electrodos que cubrían los pocillos. La unión de las membranas se
realizó usando un moldeo de adhesivo sensible a presión serigrafiado
alrededor de los pocillos sobre la capa media.
Se construyeron electrodos a partir de una capa
de PET de 250 \mum sobre la que se había serigrafiado una capa de
tinta de carbono Coates 26-8203 de 15 \mum seguido
de una capa de 30 \mum de barniz Ronseal ultra fuerte vidriado
transparente (un poliuretano basado en trixina Baxenden que contiene
poliuretano e isocianatos). Esta capa se perforó para producir un
orificio de 1 mm de diámetro. Se produjo una capa base de PET
compuesta por una capa de PET de 125 \mum que tenía una
contrarreferencia de Ag/AgCl común en la parte superior. La capa
base de PET se adhirió entonces a la capa perforada usando una
lámina de adhesivo Arcare 7841. Se realizaron diversos ensayos
usando esta celda electroquímica como se describe a continuación en
los ejemplos 2a a 2f.
Ejemplo
2a
Se midió corriente voltamétrica cíclica a -0,45
V frente a Ag/AgCl después de la adición de concentraciones de 2, 5,
10, 15 y 20 mmol dm^{-3} de hexaamina de rutenio en 0,1 mol
dm^{-3} de tampón Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol dm^{-3} de
KCl. Los resultados se muestran en la Figura 12.
Ejemplo
2b
Se midió la corriente amperométrica 1 segundo
después de la aplicación de una etapa de potencial de -0,50 V frente
a Ag/AgCl después de la adición de concentraciones de 2, 5, 10, 15 y
20 mmol dm^{-3} de hexaamina de rutenio en 0,1 mol dm^{-3} de
tampón Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol dm^{-3} de KCl. Los
resultados se muestran en la Figura 13.
Ejemplo
2c
Se midió la corriente voltamétrica cíclica a
0,15 V frente a Ag/AgCl inmediatamente después de la adición de 2,
4, 6, 8 y 10 mmol dm^{-3} de NADH en 0,1 mol dm^{-3} de tampón
Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol dm^{-3} de KCl a electrodos en
los que se había secado 0,2 ml de una solución que contenía 0,2 mol
dm^{-3} de hexaamina de rutenio y 650 KU/ml de putadiaredoxina
reductasa. Los resultados se muestran en la Figura 14.
Ejemplo
2d
Se midió la corriente amperométrica 1 segundo
después de la aplicación de 0,15 V frente a Ag/AgCl inmediatamente
después de la adición de 2, 4, 6, 8 y 10 mmol dm^{-3} de NADH en
0,1 mol dm^{-3} de tampón Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol
dm^{-3} de KCl a electrodos en los que se habían secado 0,2 ml de
una solución que contenía 0,2 mol dm^{-3} de hexaamina de rutenio
y 650 KU/ml de putadiaredoxina reductasa. Los resultados se muestran
en la Figura 15.
Ejemplo
2e
Se midió la corriente amperométrica 60 segundos
después de la aplicación de una etapa de potencial de 0,20 V frente
a Ag/AgCl después de la adición de concentraciones de 2, 5, 7,5, 10,
12,5 y 15 mmol dm^{-3} de glicerol en 0,1 mol dm^{-3} de tampón
Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol dm^{-3} de KCl obtenido en los
electrodos en los que se habían secado 0,3 ml de una solución que
contenía 150 U/ml de glicerol deshidrogenasa, 100 mmol dm^{-3} de
NAD, 100 mmol dm^{-3} de hexaamina de rutenio, 100 mmol dm^{-3}
de sulfato de amonio, 100 mmol dm^{-3} de cloruro potásico. Los
resultados se muestran en la Figura 16.
Ejemplo
2f
La proporción de corriente amperométrica se
midió 60 segundos después de la aplicación de una etapa de potencial
de -0,50 V frente a Ag/AgCl después de la adición de concentraciones
de 2, 5, 7,5, 10, 12,5 y 15 mmol dm^{-3} de glicerol en 0,1 mol
dm^{-3} de tampón Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol dm^{-3} de
KCl obtenido en los electrodos en los que se habían secado 0,3 ml de
una solución que contenía 150 U/ml de glicerol deshidrogenasa, 100
mmol dm^{-3} de NAD, 100 mmol dm^{-3} de hexaamina de rutenio,
100 mmol dm^{-3} de sulfato de amonio, 100 mmol dm^{-3} de
cloruro potásico. Los resultados se muestran en la Figura 17.
Se construyeron electrodos a partir de una capa
de PET de 250 \mum sobre la que se había serigrafiado una capa de
tinta de carbono Coates 26-8203 de 7 \mum seguido
de una capa de Ronseal de 30 \mum. Esta capa se perforó para
producir un orificio de 1 mm de diámetro. Se formó una capa base
imprimiendo una capa de Ag/AgCl de 10 \mum sobre una capa base de
PET de 125 \mum. La capa base de PET se adhirió entonces a la capa
perforada usando una lámina de adhesivo Arcare 7841. Se realizaron
diversos ensayos usando esta celda electroquímica que se describen
en los ejemplos 3a y 3b a continuación.
Ejemplo
3a
Se midió la corriente amperométrica 120 segundos
después de la aplicación de una etapa de potencia de -0,25 V frente
a Ag/AgCl. Mostrando el efecto de las adiciones de 1,5, 2,25, 3,0,
4,5, 6,0 mmol dm^{-3} de colesterol a una solución que comprendía
1 KU/ml de colesterol oxidasa, 200 KU/ml de peroxidasa de rábano
rusticano, 33 mmol dm^{-3} de ferrocianuro potásico en 0,1 mol
dm^{-3} de tampón fosfato potásico a pH 7,4 que contenía 0,1 mol
dm^{-3} de KCl a electrodos con un
contra-electrodo/electrodo de referencia común
configurado en la parte inferior del pocillo. Los resultados se
muestran en la Figura 18.
Ejemplo
3b
Se midió la corriente amperométrica 120 segundos
después de la aplicación de una etapa de potencia de -0,25 V frente
a Ag/AgCl. Mostrando el efecto de las adiciones de 1,5, 2,25, 3,0,
4,5, 6,0 mmol dm^{-3} de colesterol a una solución que comprendía
1 KU/ml de colesterol oxidasa, 200 KU/ml de peroxidasa de rábano
rusticano, 33 mmol dm^{-3} de ferrocianuro potásico en 0,1 mol
dm^{-3} de tampón fosfato potásico a pH 7,4 que contenía 0,1 mol
dm^{-3} de KCl a electrodos con un
contra-electrodo/electrodo de referencia común
configurado en la parte superior de la tira. Los resultados se
muestran en la Figura 19.
Se construyeron electrodos a partir de una capa
de PET de 250 \mum sobre la que se había serigrafiado una capa de
tinta de carbono Ercon G449C de 7 \mum seguido de una capa
dieléctrica Ercon E65615-116D de 30 \mum. Esto se
perforó después para producir un orificio de 1 mm de diámetro. Una
capa base de PET de 125 \mum se recubrió con una capa de
contra-electrodo de Ag/AgCl común (usando Ercon
E6165-128). La capa base así formada se adhirió
después a la capa perforada usando laminado térmico.
La corriente amperométrica se midió 1 segundo
después de la aplicación de 0,15 V frente a Ag/AgCl tras la adición
de 2, 4, 6, 8 y 10 mmol dm^{-3} de NADH en 0,1 mol dm^{-3} de
tampón Tris a pH 9 que contenía 0,1 mol dm^{-3} de KCl a
electrodos en los que se habían secado 0,2 ml de una solución que
contenía 0,2 mol dm^{-3} de hexaamina de rutenio y 650 KU/ml de
putadiaredoxina reductasa. Los resultados se muestran en la Figura
20.
Claims (34)
1. Una celda electroquímica en forma de
receptáculo, comprendiendo dicha celda un
contra-electrodo (6) y un electrodo de trabajo (5),
en la que el electrodo de trabajo (5) está en una pared (2) del
receptáculo y en la que la distancia mínima entre el electrodo de
trabajo y el contra-electrodo es de 50 \mum,
caracterizado porque al menos un electrodo es un
micro-electrodo que tiene una dimensión de menos de
50 \mum y una dimensión de más de 50 \mum, y el receptáculo
contiene una sustancia electro-activa (8).
2. Una celda electroquímica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el electrodo de trabajo (5) está en
forma de una banda continua.
3. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende
adicionalmente un electrodo de referencia (9).
4. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que la
proporción del área superficial del contra-electrodo
(6) al área superficial del electrodo de trabajo (5) es de
aproximadamente 1:1.
5. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en la que la proporción del
área superficial del contra-electrodo (6) al área
superficial del electrodo de trabajo (5) es de 1:1 a 25:1.
6. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la proporción
del área superficial del contra-electrodo (6) al
área superficial del electrodo de trabajo (5) es de al menos
25:1.
7. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el electrodo
de trabajo (5) es un micro-electrodo que tiene al
menos una dimensión de menos de 25 \mum.
8. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el electrodo
de trabajo (5) es un micro-electrodo que tiene al
menos una dimensión en el intervalo de 0,1 a 20 \mum.
9. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el
receptáculo tiene una anchura o en el caso de ser un receptáculo
cilíndrico, un diámetro, de 0,1 a 5 mm.
10. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el
receptáculo tiene una anchura o en el caso de ser un receptáculo
cilíndrico, un diámetro, de al menos aproximadamente 1 mm.
11. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que la distancia
mínima entre el contra-electrodo (6) y el electrodo
de trabajo (5) es de 50 a 1000 \mum.
12. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una base
(1) y/o una pared o paredes (2) del receptáculo contienen uno o más
canales de salida de aire.
13. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que se ha
secado la sustancia electro-activa (8).
14. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que la sustancia
electro-activa (8) comprende una enzima.
15. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que la base (1)
del receptáculo comprende una sustancia
electro-activa (8).
16. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que la base (1)
del receptáculo comprende una membrana, comprendiendo dicha membrana
una sustancia electro-activa.
17. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el extremo
abierto del receptáculo (3) está cubierto al menos parcialmente por
una membrana permeable (4).
18. Una celda electroquímica de acuerdo con la
reivindicación 17 en la que la membrana permeable (4) comprende una
sustancia electro-activa.
19. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el
receptáculo comprende uno o más canales de flujo capilar (11) a
través de los que puede entrar una muestra.
20. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el
contra-electrodo (16) forma al menos una parte de
una base (1) del receptáculo.
21. Una celda electroquímica de acuerdo con la
reivindicación 19, en la que el receptáculo está cubierto por una
capa que contiene el contra-electrodo.
22. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en la que el
contra-electrodo está en una pared o paredes (2) del
receptáculo.
23. Una celda electroquímica de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores que es adecuada para
detectar muestras de líquido.
24. Un dispositivo multi-analito
que comprende una pluralidad de celdas electroquímicas de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 23.
25. Un proceso para producir una celda
electroquímica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 24, comprendiendo dicho proceso las etapas de:
- (a)
- formar una primera parte (18) que comprende un material aislante (18a) que está recubierto opcionalmente con una capa de contra-electrodo (18b);
- (b)
- formar una segunda parte (19) que comprende un laminado de una capa de electrodo de trabajo (19a) entre dos capas (19b) y (19c) de un material aislante;
- (c)
- crear un orificio (19d) en la segunda parte; y
- (d)
- enlazar dicha primera parte a dicha segunda parte para formar un receptáculo,
comprendiendo dicho proceso
adicionalmente colocar una sustancia electro-activa
como se ha definido en la reivindicación 1 ó 14 en el receptáculo y
secar opcionalmente la sustancia
electro-activa.
26. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
25 en el que la segunda parte (19) comprende un laminado de una capa
de contra-electrodo entre dos capas de material
aislante.
27. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
25 en el que la primera parte 18 comprende una sustancia
electro-activa (8).
28. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 25 a 27, que comprende adicionalmente una
membrana (20) sobre al menos una parte del extremo abierto del
receptáculo.
29. Un proceso de acuerdo con una de las
reivindicaciones 25 a 28, en el que la etapa (c) comprende formar
dos o más orificios en dicha segunda parte para formar un
dispositivo multi-analito.
30. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
25 ó 26 que comprende las etapas de:
- (a)
- formar una primera parte (18) que comprende un material aislante;
- (b)
- formar una segunda parte (19) que comprende un laminado de una capa de electrodo de trabajo (19a) entre dos capas (19b,c) de un material aislante;
- (c)
- crear, en la segunda parte, un orificio (19d) y un canal capilar (11) para permitir que una muestra entre en dicho orificio;
- (d)
- enlazar dicha primera parte (18) a dicha segunda parte (19) para formar un receptáculo;
- (e)
- poner una sustancia electro-activa (8) en el receptáculo y secar opcionalmente la sustancia electro-activa; y
- (f)
- enlazar al extremo abierto de dicho receptáculo una capa que está recubierta opcionalmente con un material de contra-electrodo.
31. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
30, en el que la etapa (c) comprende formar en dicha segunda parte
dos o más orificios (19d) y dos o más canales capilares (11) para
permitir que una muestra entre en dicho o más orificios y en el que
la etapa (e) comprende insertar una sustancia
electro-activa que puede ser idéntica o diferente en
uno o más de los receptáculos formados en la etapa (d) para formar
un dispositivo multi-analito.
32. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 25 a 31, en el que uno o más de los electrodos
se forma por serigrafía o impresión a chorro sobre un sustrato.
33. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 25 a 32, en el que la etapa de crear un
orificio (19d) en la segunda parte comprende una etapa de
perforación con láser.
34. Un método de ensayo electroquímico de uno o
más compuestos de una muestra, comprendiendo el método las etapas
de:
- (a)
- insertar la muestra en una celda electroquímica;
- (b)
- aplicar una tensión o una corriente entre los electrodos de trabajo y contra-electrodo del micro-electrodo; y
- (c)
- medir la corriente resultante tensión o carga a través del micro electrodo,
caracterizado porque la
celda electroquímica es una celda de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 23 o un dispositivo
multi-analito de acuerdo con la reivindicación
24.
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