ES2337883T3 - Dispositivo de diagnostico con modulo de electrodo. - Google Patents

Dispositivo de diagnostico con modulo de electrodo. Download PDF

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ES2337883T3 ES02740160T ES02740160T ES2337883T3 ES 2337883 T3 ES2337883 T3 ES 2337883T3 ES 02740160 T ES02740160 T ES 02740160T ES 02740160 T ES02740160 T ES 02740160T ES 2337883 T3 ES2337883 T3 ES 2337883T3
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Abstract

Un dispositivo de diagnóstico para la realización de análisis químicos de una especie en una muestra, que comprende; un alojamiento (1, 21), siendo el alojamiento (1, 21) una tarjeta; y un módulo (2, 20) de electrodos, el módulo (2, 20) de electrodos incluye un módulo (2A, 22A) de soporte plano y al menos un electrodo para el contacto con un fluido de muestra y está formado directamente en el módulo (2A, 22A) de soporte, el módulo (2A, 22A) de soporte es un estratificado de una capa de aislante (5, 25) que tiene lados opuestos primero y segundo y una capa de metal (4) aplicada al primer lado y dividida en al menos dos elementos conductores metálicos (3A, 3B, 23), el al menos un electrodo incluye un elemento de membrana (7A, 7B, 27) para impartir sensibilidad química al electrodo, el elemento de membrana (7A, 7B, 27) está en el segundo lado de la capa aislante (5, 25) y está en contacto eléctrico con uno de los elementos metálicos conductores (3A, 3B, 23) a través de la capa aislante (5, 25), para permitir el contacto eléctrico y el contacto de fluido de muestra con el módulo (2,20) de electrodos en los lados primero y segundo de la capa aislante (5, 25), respectivamente; el alojamiento (1, 21) tiene una cavidad de módulo que recibe el módulo (2, 20) de electrodos; el módulo (2, 20) de electrodos está obturado en el alojamiento (1, 21) para exponer los elementos conductores (3A, 3B, 23) a un exterior del alojamiento (1, 21), para el contacto eléctrico con un dispositivo de conector.

Description

Dispositivo de diagnóstico con módulo de electrodo.
Ámbito de la invención
La invención está dirigida a dispositivos de diagnóstico, en particular a los diseñados para aplicaciones de uso como unidad, que incorporan componentes electrocinéticos y electrodos planos de detección química.
Antecedentes de la invención
En la técnica anterior se han descrito numerosas configuraciones de dispositivos de diagnóstico que incorporan electrodos planos. Los electrodos planos contenidos dentro de estos dispositivos de la técnica anterior se han usado como sensores (por ejemplo las patentes de EE.UU. Nº. 4.053.381, 4.133.735, 4.225.410), en dispositivos electrocinéticos ya sea como elementos de bombas electro-osmóticas o como electrodos para la separación electroforética (por ejemplo la patente de EE.UU. Nº 4.908.112), para la estimulación eléctrica (Patente de EE.UU. Nº 5.824.033), y similares. Común a todos estos dispositivos de la técnica anterior es un conductor eléctrico plano con una ubicación en la que se hace un contacto con un circuito externo o un dispositivo de medición, y una segunda ubicación, el electrodo, en la que se hace contacto con un electrolito. A menudo, el electrodo consiste en una o más capas adicionales entre el conductor y el electrolito.
Un objetivo de diseño común a todos estos dispositivos es el requisito de aislar eléctricamente el conductor incluyendo el contacto hecho con un circuito externo de la zona de electrodos en las proximidades del electrolito. Dos configuraciones generales se han ocupado de esto en la técnica anterior. 1) Dispositivos con conductores planos sobre sustratos planos de apoyo se han configurado de manera que los electrodos reciben contacto en la misma superficie que el contacto del electrolito. Los dispositivos de esta técnica son típicamente alargados para que haya una separación espacial entre los contactos eléctricos y el electrolito y haya aislamiento eléctrico del conductor y de la zona de contacto con el circuito externo por una barrera de aislamiento interpuesta entre estas dos ubicaciones en la misma superficie de electrodo. 2) Dispositivos con electrodos planos en substratos de apoyo planos aislantes configurados de manera que el contacto con el circuito externo se realiza sobre la superficie opuesta a aquella en la que el electrolito entra en contacto. El electrodo a menudo atraviesa el sustrato de manera que se interpone entre el electrolito en una superficie y los contactos de conductor en la otra superficie. Los dispositivos de este tipo también son a menudo alargados para separar espacialmente los contactos respecto el electrolito.
Los dispositivos de diagnóstico planos de la técnica anterior que contienen electrodos con la misma configuración de superficie de contacto se han fabricado con una variedad de tecnologías diferentes. Las patentes de EE.UU. Nº 4.133.735, 4.591.793, 5.727.548, por ejemplo, describen dispositivos con electrodos hechos por procesos de fabricación de película gruesa (tecnología de placa de circuito impreso, serigrafía, dispensación y similares). Las patentes de EE.UU. Nº 4.062.750, 4.933.048 y 5.063.081 describen dispositivos similares a chips que contienen electrodos hechos por procesos de micro-fabricación de película delgada en sustratos de silicio. Las patentes de EE.UU. Nº 4.053.381 y 4.250.010 describen dispositivos planos fabricados en placas o láminas de conductor.
Los dispositivos de diagnóstico planos de la técnica anterior que contienen electrodos con diseños de contacto en superficies opuestas se han fabricado con una variedad de tecnologías diferentes. La patente de EE.UU. Nº 4.549.951, por ejemplo, describe dispositivos de película gruesa. Las patentes de EE.UU. Nº 4.225.410 y 4.874.500, por ejemplo, describen dispositivos micro-fabricados de este tipo.
Se han descrito numerosas configuraciones de electrodos en las que el electrodo forma parte de una sonda que se sumerge o que hace contacto de otra forma directamente con un líquido. Por ejemplo, la técnica anterior ofrece dispositivos de electrodos planos en sondas de catéter (por ejemplo la patente de EE.UU. Nº 4.449.011), estructuras de electrodo flexibles para la medición por vía subcutánea (por ejemplo la patente de EE.UU. Nº 5.391.250) o para la estimulación eléctrica (patente de EE.UU. Nº 5.824.033), así como electrodos planos en configuración de tiras de diagnóstico para la aplicación de gotas de sangre (por ejemplo las patentes de EE.UU. Nº 4.591.793 y 5.727.548). Se han descrito otras configuraciones de electrodos en las que el electrodo está diseñado como un elemento dentro de un alojamiento de fluidos, dicho alojamiento incorpora canales para permitir un flujo de electrolito hacia el electrodo, así como realizar otras manipulaciones de fluidos tales como la calibración y adiciones de reactivos (por ejemplo las patentes de EE.UU. Nº 4.123.701 4.301.414 5.096.669 5.141.868 5.759.364 y 5.916.425).
En su mayoría, los electrodos de la técnica anterior son caros de fabricar en base unitaria, ya que son estructuralmente complicados o están hechos con materiales costosos. Incluso electrodos estructuralmente simples pueden ser costosos con bajos volúmenes de fabricación, si requieren herramientas y equipos especializados para su fabricación. Dichos dispositivos sólo pueden ser de bajo coste sobre una base unitaria, cuando el volumen es lo suficientemente grande para que el gran coste fijo de herramientas y equipos de fabricación especializados pueda ser absorbido por el gran volumen que se produce. La cuestión de los costes se vuelve crítica cuando el electrodo es un componente de un dispositivo desechable de un solo uso. La configuración de dispositivos como unidades de uso desechables es particularmente atractiva para los usuarios de aparatos de diagnóstico o de separación porque el equipo puede ser muy simple y los dispositivos fáciles de usar.
Los electrodos de sensor desechables de la técnica anterior para la medición de glucosa de uso doméstico pueden exhibir costos unitarios de sólo una pequeña fracción de dólar cuando se fabrican en grandes volúmenes, por ejemplo, más de 200 millones de dispositivos por fabricante y año. Sin embargo, también hay numerosas aplicaciones de diagnóstico de los dispositivos de la técnica anterior en los que el volumen de unidades es inferior a 10 millones por año y el coste de fabricación es del orden de dólares por dispositivo. Estos mayores costes de fabricación significan que estos dispositivos de la técnica anterior pueden tener un coste prohibitivo para las aplicaciones comercialmente viables de menor volumen.
En los dispositivos electrocinéticos de la técnica anterior, tales como por ejemplo los dispositivos de separación electroforética, no hay ejemplos de artículos de comercio conocidos en los que el casete de separación que incluye los medios de transporte y los electrodos se configuren como un dispositivo desechable. En el caso del aparato de separación de placa de gel de la técnica anterior, la placa de gel se usa para una sola separación y luego se elimina. La placa de gel se echa en un casete que incluye placas de vidrio reutilizables que forman la superficie superior e inferior de la placa de gel y separadores reutilizables que definen carriles de separación. Hay electrodos reutilizables para la aplicación del campo eléctrico a través del medio de transporte. Tal dispositivo se describe en la patente de EE.UU. Nº 5.192.412. Más conocidos son los dispositivos electrocinéticos de micro-escala, denominados dispositivos laboratorio en un chip (lab-on-a-chip), que consisten en canales capilares vacíos formados en sustratos planos con electrodos integrales, véase por ejemplo la patente de EE.UU. Nº 4.908.112. Tales dispositivos son de fabricación compleja y tampoco se han configurado como desechables de bajo coste.
Así, hay una necesidad de electrodos de transporte electrocinético o sensor desechable que se puedan fabricar a un coste muy bajo, incluso para modestos volúmenes manufacturados.
La tecnología de empaquetado de chips de circuitos integrados en dispositivos de almacenamiento de información de bajo coste para uso personal se conoce bien en la técnica como tecnología de tarjetas inteligentes o tecnología de tarjeta CI (circuito integrado). Véase, por ejemplo, el documento titulado "Tarjetas inteligentes desde un punto de vista de fabricación" ("Smart Cards from a Manufacturing Point of View") por Baker en Solid State Technology 1992, 35 (10), páginas 65-70. En la fabricación de tarjetas inteligentes, chips de circuitos integrados se ensamblan, se pegan y se unen con alambres sobre módulos de chip-soporte en una cinta (por ejemplo la patente de EE.UU. Nº 5.041.395). La finalidad del módulo de chip-soporte es proporcionar un sustrato sobre el que colocar y obturar herméticamente el pequeño chip de circuito integrado. La finalidad es proporcionar también medios de contacto para que las señales eléctricas puedan ser dirigidas desde el chip a cables de metal en el módulo de chip-soporte por medio de uniones de alambre. Debido a los requisitos de un coste muy bajo del dispositivo final de tarjeta inteligente, el módulo de chip-soporte ha sido diseñado con materiales de bajo coste. Además, el formato de cinta de los módulos de chip-soporte fabricados da lugar a un montaje de chips en carretes altamente automatizado, procesos de obturación hermética y unión por alambre que también son de bajo coste.
El documento de EE.UU. -A- 6 004 442 describe un sensor selectivo de analito para la determinación cuantitativa y/o cualitativa de iones o sustancias contenidas en la solución. El sensor propuesto comprende al menos una capa específica para analito depositada sobre un soporte inerte y en contacto con la solución. La capa de analito específico consiste en un material sólido, líquido o semi-sólido y está en contacto con al menos dos electrodos.
En un documento de Borchardt, M. y otros. "Electrodos desechables selectivos de iones", Sensors and Actuators B, Elsevier Sequoia, S.A., Lausanne, Ch, vol. 25, nº 1-3, abril de 1995, páginas 721 a 723, se describe un electrodo selectivo de iones en la tecnología de membrana de matriz doble. El sensor se estratifica con una película perforada de obturación por calor. La membrana de matriz doble está formada por una membrana de matriz polimérica y una matriz de micro-fibra.
En el documento EP-A-0 967 480 se describe un sensor electroquímico para la determinación analítica utilizando una muestra de líquido que comprende una tira substancialmente plana con al menos dos bordes laterales, una celda receptora de muestra dentro de la tira, al menos dos electrodos en comunicación con la celda y una ranura en al menos uno de los bordes laterales, en el que la ranura está en comunicación con la celda y permite la entrada de la muestra de líquido en la celda.
El documento de EE.UU.-A-4 449 011 describe chips se semiconductor que llevan dispositivos de efecto de campo químicamente sensibles encapsulados mediante técnicas automatizadas de cinta de unión, en el que una capa de cinta tiene un patrón de conductor soporte dispuesto en la misma que termina en el patrón de plaquita de unión de chip sobre una abertura en la cinta. Una capa de cinta para cubrir de forma obturada el patrón de conductor soporte y el chip tiene aberturas que son respectivamente coincidentes con los sistemas de membrana químicamente selectivos de los dispositivos de efecto de campo.
El documento EP-A-1 174 711 describe un electrodo selectivo de iones compuesto de un soporte que no es conductor eléctrico, un par de electrodos, cada uno de ellos tiene una capa de metal de plata y una capa de haluro de plata, una capa de material electrolítico, una membrana selectiva de iones y una hoja que no es conductora eléctrica que tiene un par de aberturas para la recepción de una solución de muestra y una solución de referencia, respectivamente, y que tiene sobre él un miembro de puente para conectar eléctricamente la solución de muestra recibida en una abertura y la solución de referencia recibida en otra abertura.
El documento WO 01/36958 describe un dispositivo electrónico para realizar procesos biológicos moleculares en el que se deposita una capa de metal sobre una superficie de un sustrato de polímero flexible, posteriormente se modela y se graba para formar una pluralidad de trazas metálicas, se aplica una matriz hidrófila de permeabilidad, a continuación se dopa una micro-ubicación de la matriz con un receptor para determinar una firma química de varias especies de prueba.
Compendio de la invención
La invención proporciona un dispositivo de diagnóstico como se define en la reivindicación 1.
Breve descripción de los dibujos
La realización preferida de la invención se describirá ahora adicionalmente solo a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos siguientes, en los que:
La figura 1 es una sección transversal horizontal a través de la realización preferida de un dispositivo de diagnóstico de acuerdo con esta invención;
La figura 2A es una vista en planta de una tarjeta inteligente de la técnica anterior;
La figura 2B es una sección transversal a través de la tarjeta inteligente de la técnica anterior de la figura 2A tomada a lo largo de la línea A-A;
La figura 3A es una vista en planta superior de un módulo de varios electrodos, de acuerdo con la presente invención;
La figura 3B es un corte transversal a través del módulo de la figura 3A cuando está instalado en un alojamiento;
Las figuras 4A-4E ilustran esquemáticamente la relación del módulo de electrodos con los elementos de fluidos en el alojamiento de un dispositivo de acuerdo con la invención;
La figura 5A es una vista esquemática superior de un módulo de electrodos de acuerdo con la invención, que incluye un canal para electrodos y flujo electrocinético, y
La figura 5B ilustra el módulo de la figura 5A en sección transversal tomada a lo largo de la línea A-A' e instalada en un alojamiento.
Descripción detallada
La presente invención se refiere a módulos de electrodos planos con electrodos para realizar análisis químicos y dispositivos de diagnóstico que los incluyen.
La figura 1 muestra en detalle una realización preferida de un dispositivo de diagnóstico de acuerdo con la invención para la realización de un análisis químico de una especie. El dispositivo incluye un módulo 2 de electrodos en un alojamiento 1. El alojamiento es una tarjeta de plástico delgada similar en forma y tamaño a una tarjeta inteligente o una tarjeta de crédito. El alojamiento contiene una cavidad 20 de módulo de tamaño apropiado para aceptar el módulo de electrodos. El alojamiento contiene preferiblemente otras cavidades adicionales, canales y aberturas adecuados para la introducción de una muestra de fluido y su posterior manipulación dentro del alojamiento con el propósito de realizar un procedimiento de diagnóstico pretendido dentro del dispositivo. Estas otras cavidades y canales se conocen colectivamente en la técnica como de fluidos y se explican con más detalle más adelante con referencia a la figura 4.
El módulo 2 de electrodos del dispositivo mostrado en la figura 1 incluye un módulo 2A de soporte y un par de electrodos 7A, 7B. Aunque es preferible utilizar un soporte convencional de chip como módulo 2A de soporte para facilitar la disponibilidad y bajo coste unitario, es fácil comprender que se pueden emplear otros módulos de soporte que consisten en un estratificado de una capa aislante con una capa de metal. El soporte de chip usado en la realización de la figura 1 se troquela de una hoja sustancialmente plana que consiste en un estratificado de doble capa de una capa de metal 3 y una capa de película delgada aislante 5 con una capa adhesiva opcional 4 entremedio. Los electrodos se describen con más detalle más adelante. El soporte 2A de chips es una hoja plana con una cara interna, la capa aislante 5, una cara externa, la capa de metal 4 y un perímetro. El módulo 2 de electrodos se embute en una cavidad 20 de módulo en el alojamiento 1 de fluidos con su cara interna orientada a la cavidad. El módulo 2 se obtura en relación con el alojamiento utilizando una capa de obturación S. Aberturas 6A y 6B de electrodos a través del aislante 5 definen la ubicación de los dos electrodos del módulo. La capa de metal 3 está dividida espacialmente en dos elementos conductores independientes de metal 3A, 3B. Cada elemento conductor de metal se extiende por una región más allá de las aperturas 6A, 6B de los electrodos a una ubicación en la que se puede hacer contacto con un circuito externo (no ilustrado), al acoplar elementos de contacto 9 con la superficie externa del módulo 2 de electrodos. Estos elementos en contacto 9 están contenidos dentro de un dispositivo de conector (no ilustrado). Se conocen bien los dispositivos de conector apropiados para tarjetas inteligentes, denominados conectores de tarjeta inteligente, como parte de lectores de tarjetas inteligentes y no necesitan ser explicados en detalle en este documento. En las aberturas 6A y 6B de electrodos, la capa aislante 5 está revestida, respectivamente, con una o más sobre capas de película delgada o capas de membrana 7A, 7B de material electroquímico que se extienden a través de las aberturas y en contacto con el elemento conductor de metal 3A, 3B, respectivamente alrededor de la abertura. El elemento conductor de metal y la respectiva capa de membrana de contacto 7 forman juntos un electrodo. Materiales electroquímicos que pueden ser utilizados para estas capas de membrana se conocen bien en la técnica e incluyen electrolitos inmovilizados y membranas selectivas de iones en sensores de iones, capas biológicas que contienen enzimas en electrodos de enzimas y otros sensores biológicos relacionados, electrolitos inmovilizados y capas permeables a gases en electrodos detectores de gases. Las capas 7 de membrana imparten sensibilidad química a los electrodos, que se utilizan preferentemente para la detección. En tal celda electroquímica con un par de electrodos, un electrodo por lo general generará una señal eléctrica proporcional a la concentración de especies. Ese electrodo se denomina el electrodo de trabajo o sensor. El otro electrodo se denomina el electrodo de referencia.
Durante el uso, se recoge una muestra de fluido en el alojamiento del dispositivo de diagnóstico de acuerdo con la invención. El dispositivo se inserta en un dispositivo de conector (no mostrado), que incluye una serie de elementos de contacto o terminales 9. El dispositivo de conector es similar al utilizado para la conexión de tarjeta inteligente dentro de un lector de tarjetas inteligentes. El dispositivo de diagnóstico de la invención, con sus elementos conductores de metal 3 ubicados con precisión del módulo 2 de electrodos, está acoplado con el dispositivo de conector de manera que los elementos conductores de metal 3 entren en contacto eléctrico respectivamente con un elemento de contacto 9 del dispositivo de conector. Los expertos en la técnica apreciarán que el orden en que se realizan las operaciones de recogida de muestras y la inserción en el dispositivo de conector puede depender del tipo de análisis químico que se está realizando. En cualquier caso, en un punto durante el uso del dispositivo inventado el fluido de muestra se coloca en la cavidad 20 de módulo sobre los electrodos del módulo de electrodos, dicha cavidad de módulo es preferiblemente parte de un conducto 10 de fluidos. En los electrodos se desarrolla una señal eléctrica cuando el líquido de muestra entra en contacto con las membranas 7 del sensor sobre las aberturas 6 de electrodo. La señal eléctrica desde los dos electrodos se toma a través de los elementos de contacto 9 del dispositivo de conector hacia un circuito externo (no mostrado), en el que se relaciona con la concentración de una especie que se está analizando en la muestra. Los expertos en la técnica podrán apreciar, por ejemplo, que la corriente, tensión o conductancia eléctrica se pueden medir en los electrodos y ser relacionada con una concentración química en el fluido de muestra. También se pueden realizar otras operaciones en el procedimiento de análisis químico usando un dispositivo de diagnóstico de acuerdo con la invención. Operaciones tales como la calibración y la adición de reactivos se realizan a menudo dentro de los alojamientos de fluidos de los dispositivos de análisis. Estas operaciones de fluidos están claramente contempladas en el diseño del dispositivo acorde con la presente invención. El alojamiento 1, con su cavidad 20 para el módulo 2 de electrodos y sus estructuras de fluidos (véanse las figuras 4B-4E), puede ser fabricado de PVC o ABS como se conoce en la técnica de las tarjetas inteligentes, aunque también son adecuados otros materiales como el policarbonato. Las cavidades y estructuras de fluidos pueden ser fabricadas por moldeo del alojamiento (preferido en el caso de ABS) o por mecanizado por láser o mecánico o troquelado de material de tarjetas en bruto (el troquelado y mecanizado mecánico se prefieren en el caso de PVC). También se puede utilizar una combinación de moldeo y mecanizado. Los procesos de mecani-
zado son conocidos por el experto en la técnica y no necesitan ser explicados adicionalmente en este documento.
Como se ha mencionado, el módulo 2A de soporte del módulo 2 de electrodos es un elemento hecho por estratificación de una lámina de metal 3 con una lámina aislante perforada 5. La lámina de cobre es el material preferido para la lámina de metal. Preferiblemente se hacen elementos conductores metálicos individuales en la lámina de cobre por un proceso de foto-grabado, aunque el troquelado se conoce también en la técnica. Es preferible que el cobre sea recubierto adicionalmente con capas de recubrimiento primero de níquel plateado y luego de oro. El oro es un material estable y preferido para los electrodos del dispositivo de diagnóstico de la presente invención. La capa aislante 5 es una hoja de plástico delgada hecha de un material tal como la poliamida, mylar, nilón o epoxi. Para los procesos de fabricación de bajo coste y estabilidad térmica aguas abajo, el epoxi es la opción preferida como material aislante. Las aberturas 6A, 6B de electrodos se fabrican por troquelado de la lámina aislante como método preferido de bajo coste, aunque los expertos en la técnica apreciarán que son posibles otras tecnologías de perforación. El proceso de estratificación se realiza presionando juntos la lámina de metal y el aislante. Así se forma una obturación por el adhesivo 4 interpuesto entre las dos capas. Se prefieren formulaciones de pegamento de epoxi. El proceso de estratificación se realiza generalmente en hojas continuas de las láminas que se desenvuelven de bobinas. La hoja estratificada fabricada es en forma de una tira y de nuevo se envuelve en bobinas. Se prefiere el formato convencional de cinta de 35 mm para el manejo y la fabricación de bajo coste. La tira estratificada contiene muchos módulos de soporte. Para la automatización del proceso de formación de los electrodos, las capas 7A, 7B de membrana, se depositan preferentemente sobre la capa aislante 5 alrededor de las aberturas 6A, 6B, mientras que los soportes de chip todavía están en la tira, como se describe más adelante con mayor detalle. Módulos individuales de electrodos se separan de la tira preferentemente por un proceso de troquelado antes de que se embutan y obturen en el alojamiento 1. La obturación puede ser una capa de obturación S de un material adhesivo que se dispensa sobre la superficie de obturación del alojamiento o sobre la capa aislante 5 del módulo 2 de electrodos. En la alternativa, la capa de obturación es en forma de una cinta adhesiva aplicada en la superficie de obturación del alojamiento o el módulo. También es aceptable formar una obturación por soldadura por calor de la superficie del módulo con la superficie del alojamiento, por ejemplo deformando por calor la parte del alojamiento 2 que rodea la cavidad 20 de módulo para moldearla alrededor de bordes exteriores del módulo en la cavidad del módulo. La obturación también se puede formar cuando el módulo se moldea por inserción durante el proceso de moldeo de la tarjeta, si esa es la técnica utilizada para producir la tarjeta. En todos los casos la intención es obturar el módulo en la cavidad de módulo. Aunque las figuras que se acompañan muestran la obturación en la superficie interna del módulo, se pueden colocar capas de obturación equivalentes 8 en el borde del módulo, alrededor de su perímetro, o incluso en la superficie externa en el perímetro.
Preferiblemente, la obturación no sólo retiene mecánicamente el módulo 2 electrodos en el alojamiento 1, sino que también se asegura de que los fluidos dentro del alojamiento permanecen en la superficie interna del módulo en la que se encuentran los electrodos y que los fluidos no se derramen sobre la superficie externa del módulo en la que se encuentran los contactos eléctricos.
Las figuras 2A, 2B y 3A, 3B son útiles para comparar un módulo de chip sobre soporte de chip de la técnica anterior y contrastarlo con el módulo de electrodos de la invención actual. Las figuras 2A y 2B muestran un módulo de chip-soporte de varias conexiones en su uso pretendido de la técnica anterior en un módulo de tarjeta inteligente con un chip de circuito integrado unido por alambre al mismo. Las figuras 3A y 3B muestran respectivamente una realización de varios electrodos de un módulo de electrodos y un dispositivo de diagnóstico de acuerdo con esta invención. La figura 3B muestra un módulo de electrodos hecho de un chip-soporte y electrodos directamente aplicados al mismo, el módulo está montado en un alojamiento de fluidos. Preferentemente, las dimensiones del módulo de electrodos de la presente invención mostrado en la figura 3B y su colocación dentro del alojamiento son similares a las dimensiones y la colocación de la combinación de módulo de chip-soporte de la técnica anterior tal como se muestra en la figura 2B, (dentro de las tolerancias especificadas en la norma ISO 7816) para que los conectores listos para su uso de la tarjeta inteligente puedan ser utilizados para la aplicación de diagnóstico de la invención actual con modificaciones mínimas.
Las figuras 2B y 2A muestran respectivamente una vista detallada en sección transversal y en planta de un módulo de chip-soporte de una tarjeta inteligente de la técnica anterior. Estos diagramas muestran un alojamiento 11 para el módulo 12 de chip-soporte. El módulo 12 de chip-soporte consiste en una estratificación de una primera capa de cobre 13 con una capa aislante 15 intercalando una capa de pegamento 14. La capa de cobre está dividida espacialmente en zonas de conductor de metal. Hay 8 zonas mostradas en la geometría estándar de tarjeta inteligente en la figura 2A. La capa aislante 15 es perforada por un proceso de troquelado para proporcionar aberturas 17. Un chip 16 de circuito integrado se encuentra en el módulo 12 de chip-soporte en una apertura perforada grande 17A ubicada céntricamente. El chip se une al metal del módulo con pegamento. Unas uniones por alambre 18 conectan eléctricamente las pastillas de unión del chip de circuito integrado con los elementos de metal conductor del módulo de chip-soporte a través de otras aberturas 17B del aislante 15. Los chips se montan y se unen con alambre sobre los módulos de chip-soporte mientras los módulos están siendo contenidos en una tira previamente almacenada en una bobina. Una capa de pegamento de obturación hermética (no mostrada) se aplica después sobre el chip y las uniones con alambre. Módulos individuales se separan de la tira y se embuten en los alojamientos de tarjeta inteligente, luego se obturan utilizando los medios de obturación 19. La disposición geométrica de los elementos de metal conductor y la colocación del módulo 12 de chip-soporte dentro del alojamiento se especifican por la norma ISO 7816.
Una realización preferida de sensor con varios electrodos de la invención actual se muestra en las figuras 3A y 3B. El módulo 22A de soporte del módulo 22 de electrodos de la invención tiene una configuración similar de elementos conductores de metal que el chip-soporte en la tarjeta inteligente de la técnica anterior de las figuras 2A, 2B. Así, las dimensiones clave, tales como el tamaño y la separación de las zonas de contacto de los elementos de metal conductor y la posición del módulo con respecto a los bordes del alojamiento 21 están de acuerdo con las especificaciones establecidas por la norma ISO 7816 (o las especificaciones similares francesas AFNOR). Estas especificaciones se describen con mayor detalle en las normas publicadas relevantes o por ejemplo en "Smart Card Handbook", al principio. Utilizando las especificaciones estándar de dimensiones establecidas para tarjetas inteligentes también para el módulo de electrodos de la presente invención permite el uso del dispositivo o la invención con dispositivos de conector de tarjeta inteligente mínimamente modificados que son artículos de fácil consecución en el comercio.
En las figuras 3A, 3B el módulo 22 de electrodos ubicado en la cavidad 30 de módulo contiene una serie de perforaciones a través del aislante 25, que definen aberturas 26 de electrodos. Las capas 27 de membrana de electrodos se encuentran sobre las aberturas 26 de electrodos para que penetren a través suyo y hagan contacto con los elementos de metal conductor 23A, 23B, situados debajo de la abertura respectiva. La serie de electrodos se encuentra dentro de un canal 29 de fluidos del alojamiento 21. Como ilustración, la serie de electrodos se muestra con dos filas de 4 electrodos cada una, los electrodos son de dimensiones iguales. Las aberturas 26 de electrodo perforadas del módulo 22 de electrodos son típicamente más pequeñas que las aberturas del módulo de chip-soporte de la figura 2. Los expertos en la técnica reconocerán que hay muchas configuraciones de la geometría y la posición de los electrodos consistentes con las especificaciones establecidas en esta invención. Los expertos en la técnica reconocerán además que aún hay muchas posibles geometrías de electrodos con las especificaciones ISO 7816 del elemento conductor de metal de la realización preferida de esta invención. Así, por ejemplo, las aberturas 26 de electrodo pueden ser de tamaño y forma diferentes para cada electrodo. La posición de los electrodos en el módulo sólo se restringe por su requisito de contacto electroquímico con el fluido de muestra dentro del canal, la capacidad para formar los elementos de metal conductor que se conectan a los electrodos 23 con medios de contacto y la capacidad de formar una obturación entre el módulo y el alojamiento. También son posibles configuraciones de otros módulos estandarizados, tales como los que tienen seis contactos.
Las figuras 4A-4E muestran esquemas de la relación del módulo de electrodos con los elementos de fluidos dentro del alojamiento. El módulo de electrodos representado en las figuras 4A-4E es la realización de 8 electrodos descrita en la figura 3, aunque las relaciones del módulo con el alojamiento de fluidos descritas en esta memoria pertenecen a cualquiera de los diseños de módulo de acuerdo a las especificaciones de la presente invención. Dos configuraciones principales del módulo dentro del alojamiento se representan en los esquemas de vista en planta de la figura 4A y 4B. La figura 4A muestra una vista en planta del módulo 32 en el alojamiento 31A con una abertura 33 en el alojamiento directamente sobre el módulo. Tal configuración es apropiada para un dispositivo en el que la muestra se introduce directamente sobre los electrodos del módulo. La sección transversal entre las ubicaciones A y A' del alojamiento de la figura 4A se muestra en la figura 4C. Esta figura muestra un labio alrededor de la abertura para lograr la retención de la muestra hacia la superficie del electrodo del módulo 32.
La figura 4B ilustra una vista en planta de un módulo 32 ubicado en un conducto 34 dentro de un alojamiento 31B de fluidos. El conducto 34 se extiende desde las ubicaciones C y C' dentro del alojamiento, en esas ubicaciones el conducto está conectado a otras estructuras de fluidos no mostradas en el diagrama. Estas estructuras de fluidos pueden ser una apertura para la introducción de la muestra, una bomba, un cruce con otros conductos, una cámara de residuos y otros similares. La sección transversal entre las ubicaciones B y B' de la figura 4B se muestra en la figura 4D. La sección transversal entre las ubicaciones C y C' de la figura 4B se muestra en la figura 4E.
Las figuras 5A y 5B muestran respectivamente una vista en planta y en sección transversal de una realización preferida con el módulo de electrodos en el alojamiento dirigido para realizar una etapa de transporte o separación electrocinética en el dispositivo de diagnóstico de la invención. Las figuras 5A, 5B ilustran una serie de electrodos y una capa de conductor electrocinético a través de la que son transportadas las especies químicas por fuerza electrocinética (electroforesis o electroósmosis). La estratificación de la capa de metal 43 y el aislante 45 en el módulo 42 de electrodos de las figuras 5A, 5B es sustancialmente la misma que se describió anteriormente. Las dimensiones y la colocación del módulo de electrodos se muestran para cumplir las especificaciones ISO 7816. Una capa 47 de conductor electrocinético se encuentra ubicada sobre el aislante 45. La capa de conductor electrocinético en esta realización es una pista estrecha de una matriz sólida hidrófila que atraviesa la superficie del aislante y se conecta con al menos dos ubicaciones de electrodos en el módulo. En la figura 5B el conductor electrocinético 47 está conectado eléctricamente a los elementos de metal conductor 43A y 43B a través de orificios 46A y 46B. El conductor electrocinético se cruza con un conducto 50 de fluidos del alojamiento 41 en una ubicación a lo largo de su longitud entre las aberturas 46A, 46B de electrodos.
Esta invención contempla la utilización de un conductor electrocinético 47 formado de una capa de matriz hidrófila por micro-fabricación como se ha descrito. Sin embargo, se apreciará que el módulo de electrodos de esta invención también puede ser adaptado para su uso con conductores electrocinéticos de los dispositivos de la técnica anterior. Así, los dispositivos de placa de gel de la técnica anterior además de los dispositivos electrocinéticos de micro-canal de la técnica anterior pueden ser adaptados para su uso con los módulos de la presente invención para convertir esos dispositivos anteriores en unos que tienen electrodos integrales de bajo coste. En el caso del dispositivo de placa de gel, el conductor electrocinético es un carril de gel, o una serie de carriles de gel, fundido entre dos superficies planas, como se describe en la patente de EE.UU. Nº 5.192.412. Por ejemplo, una superficie es una superficie ondulada con un conjunto de surcos paralelos cada uno de los cuales constituye una forma de molde para el gel que define la forma de los carriles. La otra superficie, típicamente una placa plana de aislante en dispositivos de la técnica anterior, puede ser adaptada para incorporar el módulo de electrodos de la invención actual. En el caso del dispositivo de micro-canal de la técnica anterior, un elemento conductor electrocinético se forma al micro-fabricar un canal capilar, o una serie de dichos canales, en un substrato plano de aislamiento. Una placa plana sobre el sustrato cubre los canales abiertos para completar el dispositivo. El conductor electrocinético es un fluido de electrolito que se bombea en el canal vacío durante o antes del uso del dispositivo. En una modificación de este dispositivo, la placa de cubierta plana podría ser adaptada para incorporar un módulo de electrodos de la invención actual.
En la figuras 5A y 5B, el conductor electrocinético 47 consiste en un material de matriz hidrófila compuesto de moléculas hidrófilas tanto monoméricas como poliméricas que fácilmente incorporan agua. Ejemplos de ello son los azúcares, almidones, alcoholes, éteres, proteínas de poliaminoácidos y silanos hidrófilos y silanos derivatizados. La matriz sólida hidrófila puede consistir en un polímero hidrófilo en un estado extendido tal como en un gel. La absorción de agua da lugar a un polímero similar a un gel en el que se incorpora agua en los intersticios de la cadena del polímero. Ejemplos de materiales adecuados son poli(alcohol de vinilo) reticulado, poli(hidroxi metacrilatos), silanos y gelatinas de poliacrilamidas. La matriz sólida hidrófila puede ser formada desde un látex. La matriz hidrófila puede contener también sales secas de electrólitos (para lograr una alta osmolalidad interna para la captación de agua de buena calidad), reguladores (para regular el pH interno para el control de la inflamación de la matriz hidrófila y para regular el pH interno para el control del transporte y reacción de las especies químicas) y otros reactivos dependiendo de la función del dispositivo en el que se utiliza el conductor.
También pueden utilizarse formulaciones fotoformables para la matriz hidrófila. Se conocen bien aditivos para materiales de polímeros hidrófilos que provocan la reticulación tras la exposición a la radiación. Estos aditivos, cuando se formulan con los otros componentes de la matriz hidrófila, producen la película de polímero fundido fotoformable.
El proceso referido para la fotoformación es similar al procesamiento de un fotorresistente estándar. Una capa de material se deposita sobre un sustrato plano, se deja secar y luego se expone a radiación actínica a través de una máscara. La película expuesta se revela entonces en un baño de medios de revelado, o un aerosol de medios de revelado o incluso un proceso de plasma seco. Para los procesos húmedos de revelado se usan típicamente soluciones acuosas de revelado. Sin embargo, el proceso de fotoformación preferido utiliza etapas de grabado por plasma completamente en seco en materiales hidrófilos diseñados para no producir cenizas cuando se graban con plasma. Esto evita la lixiviación de sales o de otros productos químicos desde la matriz durante el proceso de formación. A modo de ejemplo, se deposita un material de matriz hidrófila que contiene sales de electrolitos y reguladores sobre el sustrato plano de una solución acuosa por torneado, pulverización, impresión o inmersión. Se prefiere el torneado. Una capa fotorresistente está recubierta sobre ella de un disolvente no acuoso. Se expone y se revela. El patrón fotorresistente se transfiere entonces por grabado al material subyacente de matriz hidrófila usando un procedimiento de plasma que no deja cenizas en las áreas grabadas. La etapa de grabado mediante plasma al mismo tiempo elimina la capa fotorresistente. Por ejemplo, cuando la matriz hidrófila sólo contiene carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, un plasma de oxígeno grabará el material formando sólo productos volátiles de grabado y no ceniza. En este ejemplo, la matriz hidrófila debe formularse con sales no metálicas y reguladores para no producir ceniza durante el grabado por plasma de oxígeno. Así, la composición de la matriz hidrófila y sus electrolitos, reguladores y reactivos se elige preferiblemente para ser adecuada para el procedimiento de grabado por plasma sin formación de ceniza. Usando las técnicas de procesamiento en seco sin cenizas descrito antes se pueden procesar secuencialmente una o más capas hidrófilas en las estructuras formadas sin la exposición a los reveladores húmedos.
En un dispositivo electrocinético micro-fabricado la capa de conductor electrocinético de matriz hidrófila puede ser recubierta adicionalmente por un aislante micro-fabricado (no mostrado en la figura 5). El recubrimiento aislante tendrá una abertura para permitir el contacto con el fluido de muestra en el conducto 50. Asimismo, el aislante puede ser permeable al vapor de agua para que la matriz hidrófila del conductor electrocinético pueda ser fabricado en seco y ser humedecido para su uso por la incorporación de agua a través de la capa aislante.
El uso de la invención como se muestra en las figuras 5A y 5B se explica a continuación. Durante el uso, se recoge una muestra de fluido y se inserta en el alojamiento del dispositivo de diagnóstico de la invención para entrar en contacto con el electrodo deseado del lado aislante del módulo 42 de electrodos. El dispositivo se inserta entonces en un dispositivo de conector (no mostrado), que consiste en una serie de elementos de contacto o terminales 49, preferiblemente un dispositivo lector de tarjetas inteligentes de fácil consecución fácilmente disponible comercialmente. El dispositivo de lector de tarjetas de fácil consecución del dispositivo de diagnóstico es fácilmente disponible comercialmente. El dispositivo de diagnóstico se acopla con el dispositivo de conector de modo que los elementos de metal conductor 43 entran en contacto eléctrico con los elementos de contacto 49 del dispositivo de conector. Los expertos en la técnica apreciarán que el orden en que se realizan las operaciones de recogida de muestras y la inserción en el dispositivo de conector puede depender del tipo de separación o análisis químico que se está realizando. En cualquier caso, en un punto durante el uso del dispositivo de diagnóstico el fluido de muestra se coloca sobre la zona de intersección del conductor electrocinético 47 y el conducto 50.
Haciendo referencia a las figuras 4A y 4B, es evidente la intención de que puede contemplarse un método alternativo de introducción de la muestra, tal como a través de una abertura en el alojamiento por encima del conductor de matriz hidrófila.
A continuación, se aplica un voltaje desde un circuito externo a los elementos conductores metálicos 43A y 43B a través de los terminales de contacto 49. Los expertos en la técnica apreciarán que la aplicación de un voltaje a través de un electrolito acuoso tal como el contenido en la matriz hidrófila del conductor electrocinético 47 provocará el movimiento del electrolito como un todo a través del conductor de electro-endo-ósmosis así como el movimiento de las distintas especies cargadas en el interior del electrolito por electroforesis. Estos procesos pueden ser utilizados en el dispositivo para crear una acción de bomba y llevar a cabo el transporte del fluido de muestra a lo largo del conductor electrocinético, y también efectuar una separación de las especies dentro del conductor a causa de sus diferentes movilidades electroforéticas.
También se pueden realizar otras operaciones en el procedimiento de transporte o separación electrocinético utilizando el dispositivo de diagnóstico como se describe en esta memoria. Operaciones de fluidos en el elemento de alojamiento 41, tales como la adición de reactivo a la muestra o bombeo de fluidos de calibración, están claramente contempladas en el diseño del dispositivo acorde con la presente invención. Los dos usos principalmente diferentes para el dispositivo de diagnóstico son los mismos que los usos principales de otros dispositivos electrocinéticos de la técnica anterior. El uso de dichos dispositivos en separaciones electroforéticas o como un componente de una bomba electro-osmótica se conoce en los dispositivos electrocinéticos de la técnica anterior.

Claims (8)

1. Un dispositivo de diagnóstico para la realización de análisis químicos de una especie en una muestra, que comprende;
un alojamiento (1, 21), siendo el alojamiento (1, 21) una tarjeta; y
un módulo (2, 20) de electrodos, el módulo (2, 20) de electrodos incluye un módulo (2A, 22A) de soporte plano y al menos un electrodo para el contacto con un fluido de muestra y está formado directamente en el módulo (2A, 22A) de soporte, el módulo (2A, 22A) de soporte es un estratificado de una capa de aislante (5, 25) que tiene lados opuestos primero y segundo y una capa de metal (4) aplicada al primer lado y dividida en al menos dos elementos conductores metálicos (3A, 3B, 23), el al menos un electrodo incluye un elemento de membrana (7A, 7B, 27) para impartir sensibilidad química al electrodo, el elemento de membrana (7A, 7B, 27) está en el segundo lado de la capa aislante (5, 25) y está en contacto eléctrico con uno de los elementos metálicos conductores (3A, 3B, 23) a través de la capa aislante (5, 25), para permitir el contacto eléctrico y el contacto de fluido de muestra con el módulo (2,20) de electrodos en los lados primero y segundo de la capa aislante (5, 25), respectivamente;
el alojamiento (1, 21) tiene una cavidad de módulo que recibe el módulo (2, 20) de electrodos;
el módulo (2, 20) de electrodos está obturado en el alojamiento (1, 21) para exponer los elementos conductores (3A, 3B, 23) a un exterior del alojamiento (1, 21), para el contacto eléctrico con un dispositivo de conector.
2. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que el alojamiento (1, 21) comprende además una abertura para introducir fluido para el contacto con el al menos un electrodo.
3. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que el alojamiento (1, 21) incluye además elementos de fluidos.
4. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que la abertura está en comunicación de fluidos con la cavidad de módulo.
5. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que el alojamiento (1, 21) es rígido en las proximidades de la cavidad de módulo.
6. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que la capa aislante (5, 25) está hecha de un material de epoxi.
7. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que la capa de metal (4) se divide en una serie de conductores que consiste en un patrón regular de elementos conductores individuales de metal.
8. El dispositivo de diagnóstico de la reivindicación 1, en el que la perforación se troquela a través de la capa aislante (5, 25).
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