KR102006613B1 - 전기화학 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

전기화학 센서 및 그의 제조 방법 Download PDF

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스티븐 존 세트포드
스코트 제이. 슬로스
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시락 게엠베하 인터내셔날
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G01N27/3272—Test elements therefor, i.e. disposable laminated substrates with electrodes, reagent and channels

Abstract

본 발명은 체액 샘플 내의 분석물의 결정에 유용한 전기화학-기반 모듈을 제공한다. 본 발명의 모듈은 대향하는 전극들을 제공하지만, 전극들과 분석물 측정 장치 사이의 전기 접촉을 형성하기 위한 접촉 영역들은 동일 평면 상에 있다.

Description

전기화학 센서 및 그의 제조 방법{ELECTROCHEMICAL SENSORS AND A METHOD FOR THEIR MANUFACTURE}
본 발명은 전기화학 센서(electrochemical sensor) 및 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 대향하는 전극들을 갖지만, 센서와 분석물 측정 장치 사이의 전기적 접촉을 위한 접점들이 동일 평면 상에 있는 센서에 관한 것이다.
유체 샘플 내의 분석물 검출 및 농도 측정을 위한 방법 및 장치가 잘 알려져 있다. 예를 들어, 소변, 혈액, 혈장 또는 간질액과 같은 체액의 샘플 내의 포도당, 케톤체, 콜레스테롤, 지질단백질, 트라이글리세라이드, 아세트아미노펜 또는 HbA1c 농도를 결정하기 위한 다양한 장치 및 방법이 알려져 있다. 그러한 결정은 예를 들어 시각적, 광도측정 또는 전기화학적 기법을 기반으로 하는 분석 검사 스트립(analytical test strip)을 사용하여 달성될 수 있다.
전기화학적 기법에서, 유체 샘플은 적어도 상대 전극과 작동 전극을 포함하는 센서의 전기화학 셀(cell)의 샘플 챔버(chamber) 내에 배치된다. 분석물은 셀 내에서 산화환원 시약과 반응하여 산화성 또는 환원성 물질을 형성한다. 산화성 또는 환원성 물질의 양은 전기화학적으로 결정되고 샘플 내에 존재하는 분석물의 양과 관련될 수 있다.
혈액 샘플 내의 포도당의 측정의 경우에, 측정은 효소에 의한 포도당의 선택적 산화에 기반할 수 있다. 예를 들어, 효소인 포도당 산화 효소(glucose oxidase)는 포도당 분자로부터 효소 구조 내에 끼워진 보결 분자단(prosthetic group)으로의 전자의 이동에 의해 글루콘산으로의 포도당의 산화를 촉진시킨다. 이제 환원된 상태에 있는 이러한 보결 분자단은 적합한 매개체의 첨가에 의해 재-산화될 수 있고, 매개체는 결과적으로 환원된 상태로 된다. 2개의 전극들 사이에 인가된 검사 전압에 의해 전기화학 셀 내에서 이들 반응을 유도하는 것은 전극 표면에서의 환원된 매개체의 전기화학적 재-산화에 의해 출력 전류를 생성한다. 이상적인 환경에서, 화학량론적 원리는 효소 반응 동안 생성되는 환원된 매개체의 양이 샘플 내에 존재하는 포도당의 양에 정비례함을 나타낸다. 따라서, 생성된 검사 전류는 샘플 내의 포도당의 농도에 정비례한다. 생성된 전류는 전기화학 셀 또는 검사 스트립과 함께 사용되는, 검사 측정기(test meter)와 같은 분석물 측정 장치에 의해 검출되어, 단순한 수학적 관계를 통해 검사 전류를 포도당 농도에 관련시키는 알고리즘을 사용하여 포도당 농도 판독치로 변환될 수 있다. 종래의 전기화학-기반 분석 검사 스트립은 예를 들어 미국 특허 제6,179,979호, 제6,193,873호, 제6,284,125호, 제6,716,577호, 제6,749,887호, 제6,797,150호, 제6,863,801호, 제6,872,298호, 제7,045,046호, 제7,498,132호, 제7,846,312호, 제6,413,410호 및 제7,749,371호에 기술되어 있으며, 이들 각각은 이로써 전체적으로 참고로 포함된다.
전기화학 셀이 통합된, 분석물 검사에 사용하기 위한 센서는 전형적으로 구조적 완전성을 제공하고 취급을 용이하게 하기 위해 캐리어 재료(carrier material)를 사용한다. 캐리어 재료는 임의의 형태를 취할 수 있지만, 전형적으로 검사 스트립의 형태이다. 센서 제조의 비용은 사용된 재료에 관련되고, 소정의 비용 이득이 검사 스트립을 구성하는 데 사용되는 특수화된 재료의 양을 감소시키는 것으로부터, 예컨대 특수화된 재료를 단지 전기화학 셀을 구성하는 데에만 사용함으로써 발생한다. 그러나, 전기화학 셀을 주로 구성하는 센서의 조작이 결과적인 감소된 크기로 인해 최종 사용자에게 문제를 제기한다. 또한, 작은 크기의 스트립 또는 센서는 센서가 내부에 배치되는 측정기의 포트가 분석되는 유체에 의해 오염될 가능성을 증가시킨다. 따라서, 비용 및 조작을 위해, 단지 전기화학 셀 구성요소만이 특수화된 재료로부터 제조되는, 감소된 치수를 갖는 센서를 구성하는 것이 바람직하다.
도 1a는 본 발명의 ECM의 평면도.
도 1b는 본 발명의 ECM의 다른 실시예의 평면도.
도 2a는 도 1a의 ECM의 측면도.
도 2b는 도 2a의 ECM의 분해도.
도 3a는 본 발명의 ECM의 다른 실시예의 측면도.
도 3b는 도 3a의 ECM의 분해도.
도 4는 분석물 측정 장치를 위한 전기 접촉 핀 및 도 3a의 ECM의 위에서 본 단면도.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 ECM의 일 실시예의 다양한 제조 단계를 도시하는 도면.
도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 ECM의 제2 실시예의 다양한 제조 단계를 도시하는 도면.
일반적으로, 본 발명은 체액 샘플 내의 분석물의 결정에 유용한 전기화학 모듈(electrochemical module, "ECM")의 형태인 전기화학-기반 센서를 제공한다. 본 발명의 모듈은 대향하는 전극들을 제공하지만, 전극들과 분석물 측정 장치 사이의 전기 접촉을 형성하기 위한 접촉 영역들은 동일 평면 상에 있다. 본 발명의 모듈은, 이들이 작은 크기를 가져, 제조 비용을 감소시키고, ECM을 분석물 측정 장치 내로 공급하거나 ECM을 분석물 측정 장치 내에서 조작하기 위해 ECM을 스풀(spool), 카트리지(cartridge) 등에 통합하는 것을 용이하게 하며, 이는 사용자 취급의 필요성을 제거한다는 점에서 유리하다. 또한, 본 발명의 ECM은 연속적인 웨브-기반 공정(web-based process)을 사용하여 편리하게 제조될 수 있다.
본 발명은, 제1 기재로서, 제1 기재는 그 위에 제1 전도성 층을 갖고 제1 기재-전도성 층 조립체를 형성하며, 상기 조립체는 제1 폭 및 길이를 갖는, 제1 기재; 제2 기재로서, 제2 기재는 그 위에 제2 전도성 층을 갖고 제2 기재-전도성 층 조립체를 형성하며, 상기 조립체는 제1 폭보다 작은 제2 폭 및 제1 길이와 실질적으로 동일한 제2 길이를 갖고, 제1 전도성 층과 제2 전도성 층은 대면 관계에 있는, 제2 기재; 제1 조립체와 제2 조립체 사이에 배치되고, 상기 조립체들을 이격된 관계로 유지하는, 제1 스페이서(spacer) 및 제2 스페이서; 제1 조립체와 제2 조립체 사이에 형성되고, 유체 샘플을 수용하도록 구성되며, 유체 샘플 내의 분석물과 반응할 수 있는 시약을 포함하는, 챔버; 및 제1 스페이서 또는 제2 스페이서 중 하나에 인접한 제3 스페이서로서, 제3 스페이서의 표면은 제2 전도성 층과 전기 전도성 접촉을 이루는 전도성 층을 포함하는, 제3 스페이서를 포함하는, 본질적으로 이들로 구성되는, 그리고 이들로 구성되는 ECM을 제공한다. 다른 실시예에서, 본 발명은, 제1 기재로서, 제1 기재는 그 위에 제1 전도성 층을 갖고, 제1 전도성 층은 제1 부분과 제2 부분을, 상기 부분들 사이에 간극(gap)을 갖고서 포함하며, 제1 기재와 제1 전도성 층은 제1 기재-전도성 층 조립체를 형성하고, 상기 조립체는 제1 폭 및 길이를 갖는, 제1 기재; 제2 기재로서, 제2 기재는 그 위에 제2 전도성 층을 갖고 제2 기재-전도성 층 조립체를 형성하며, 상기 조립체는 제1 폭보다 작은 제2 폭 및 제1 길이와 실질적으로 동일한 제2 길이를 갖고, 제1 전도성 층과 제2 전도성 층은 대면 관계에 있는, 제2 기재; 제1 조립체와 제2 조립체 사이에 배치되고, 상기 조립체들을 이격된 관계로 유지하는, 제1 스페이서 및 제2 스페이서; 제1 조립체와 제2 조립체 사이에 형성되고, 유체 샘플을 수용하도록 구성되며, 유체 샘플의 분석물과 반응할 수 있는 시약을 포함하는, 챔버; 및 제1 스페이서 또는 제2 스페이서 중 하나에 인접하고, 간극과 접촉하며 제1 전도성 층 및 제2 전도성 층과 전기 전도성 접촉을 이루는, 전기 전도성 제3 스페이서를 포함하는, 본질적으로 이들로 구성되는, 그리고 이들로 구성되는 ECM을 제공한다. 또한, 본 발명의 ECM을 제조하는 방법이 제공된다.
비록 본 발명의 ECM이 다양한 형상을 가질 수 있지만, ECM은 도 1a에 도시된 바와 같이 ECM의 폭("W")이 길이("L")보다 큰 직사각형 형상을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, ECM과 함께 사용될 분석물 측정 장치와 ECM 사이의 접촉 영역에 관한 이하의 논의로부터 이해될 바와 같이, 예를 들어 도 1b에 도시된 바와 같은 다른 구성이 가능하고 본 발명의 범주 내에 있다.
도 1a, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, ECM(10)은 비-전도성 재료로 구성되는 제1 기재(11)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 제1 전도성 층(12)이 기재(11)의 일 표면 상에 제공되고, 층(12)과 기재(11)는 제1 기재-전도성 층 조립체(31)를 형성한다. 비-전도성 재료로부터 형성되는 제2 기재(13)가 또한 그의 일 표면 상에 제2 전도성 층(14)이 제공되는 것으로 도시되어 있다. 제2 기재(13)와 제2 전도성 층(14)은 제2 기재-전도성 층 조립체(32)를 형성한다. 제1 및 제2 전도성 재료(12, 14)는 ECM의 전극을 형성하고, 바람직하게는 이들이 그 위에 제공되는 각각의 기재의 전체 폭 및 길이에 걸쳐 연장된다. 바람직하게, 그리고 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전도성 재료(12, 14)는 대면 관계에 있다. 또한 바람직하게는, 도시된 기재(11) 및 전도성 층(12)과 같은, 기재-전도성 층 조립체들 중 하나는 다른 기재-전도성 층 조립체의 폭("W2")보다 큰 폭("W1")을 갖는다. 도시된 그리고 바람직한 실시예에서, 제1 기재-전도성 층 조립체의 길이("L1")는 제2 기재-전도성 층 조립체의 길이("L2")와 실질적으로 동일하다.
비-전도성 재료로 구성되는 스페이서(15, 16)가 전도성 층(12, 14)의 대향하는 표면들 사이에 개재되고, 전도성 재료들을 이격된 관계로 유지하는 역할을 한다. 하나의 스페이서, 즉 도시된 바와 같은 스페이서(15)가 다른 스페이서(16)의 폭("W4")보다 큰 폭("W3")을 갖는다는 것이 중요하고 바람직하다. 스페이서의 길이는 상이할 수 있지만, 바람직하게는 동일하다. 스페이서는 또한, 챔버(17)의 측벽을 한정하고, 챔버의 상부와 하부는 기재-전도성 층 조립체에 의해 형성된다. 챔버는 분석될 유체를 수용하고, 따라서 스페이서의 치수는 원하는 챔버 크기가 얻어지도록 선택되어야 한다.
편의를 위해 그리고 배향의 목적으로, 제1 기재-전도성 층 조립체(31)는 ECM의 하부인 것으로 고려될 것이고, 제2 기재-전도성 층(32)은 상부인 것으로 고려될 것이다. 그러나, 이들 용어는 이들 층을 특정 배향으로 한정하고자 하는 것은 아니다.
도시된 바와 같이, 스페이서(15)는 바람직하게는, 그의 제1 위도방향(latitudinal) 단부(18)가 상부 기재-전도성 층 조립체(32)의 제1 위도방향 단부(19)와 실질적으로 정렬된 상태로 위치되도록 위치된다. 그러나, 제2 스페이서(16)의 위도방향 단부(21)는 그것과 상부 기재-전도성 층 조립체(32)의 위도방향 단부(22) 사이에 간극이 형성되도록 위치된다. 스페이서(16)의 위도방향 단부(21)에 바로 인접하여 제3 스페이서(23)가 있다. 바람직하게는, 제3 스페이서(23)와 스페이서(16) 사이에는 실질적으로 간극이 존재하지 않는다. 스페이서(23)는 비-전도성 재료로 구성되고, 일 표면 상에 제3 전도성 층(25)을 가지며, 층(25)은 제2 전도성 층(14)에 대면하고 그와 전기 전도성 접촉을 이룬다. 제3 스페이서(23)는, 제3 스페이서(23)의 위도방향 단부(26)가 상부 기재-전도성 층 조립체(32)의 위도방향 단부(21)를 지나 연장되고 바람직하게는 제1 기재-전도성 층 조립체(31)의 위도방향 단부(27)와 실질적으로 정렬되도록 하는 폭("W5")을 갖는다.
제1 전도성 층(12)과 제3 전도성 층(25) 각각의 영역(28, 29)에서 ECM(10)과 측정기와 같은 분석물 측정 장치 사이의 전기 접촉이 제공된다. 따라서, 영역(28, 29)은 분석물 측정 장치와의 원하는 신뢰성 있는 낮은 저항의 접촉이 형성될 수 있도록 크기설정되고 형상화된다.
ECM(10) 및 그의 구성요소의 크기 및 형상은 임의의 원하는 구성을 취하도록 달라질 수 있다. 예를 들어, 그리고 도 1b에 도시된 바와 같이, ECM은 "t"-형상의 구성을 취할 수 있다. 그러한 구성에서, 상부 및 하부 기재의 폭은 도 1a의 ECM(10)에 대해 기술된 바와 같지만, 상부는 늘어난 길이를 갖는다. 당업자는, 도 1b의 ECM의 다른 구성요소의 치수가 원하는 결과를 달성하도록 조정될 것임을 인식할 것이다.
그러나, 바람직하게는 ECM은 도 1a와 실질적으로 유사하게 형상화되고, 더 바람직하게, 그의 가장 넓은 부분에서의 ECM(10)의 폭은 약 3 mm 내지 약 48 mm, 더 바람직하게는 약 6 mm 내지 약 10 mm이며, 길이는 약 0.5 mm 내지 약 20 mm, 더 바람직하게는 약 1 내지 4 mm이다. 상부 전도성 층과 하부 전도성 층 사이의 거리는 원하는 챔버 크기에 따라 달라질 것이다. 바람직하게는, 챔버는 챔버가 보유할 수 있는 유체 체적이 약 0.1 마이크로-리터 내지 약 5 마이크로-리터, 더 바람직하게는 약 0.2 내지 약 3 마이크로-리터, 가장 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.4 마이크로-리터이도록 하는 크기를 갖는다. 바람직하게는, 스페이서(15, 16)의 두께는 원하는 챔버 체적을 달성하기에 적합한 것이고, 더 바람직하게는 약 1 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 약 400 마이크로미터, 훨씬 더 바람직하게는 약 25 내지 약 200 마이크로미터, 가장 바람직하게는 약 50 내지 약 150 마이크로미터일 수 있다. 스페이서(15, 16)에 의해 생성되는 챔버 개구는 임의의 원하는 치수를 가질 수 있지만, 바람직하게는 약 1.00 내지 약 1.75 mm이다.
기재(11, 13)는 원하는 ECM 구성을 달성하는 임의의 크기 및 형상을 갖는다. 기재의 두께는 바람직하게는 약 50 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터의 두께, 바람직하게는 약 100 내지 약 175 마이크로미터이다. 기재는 임의의 적합한 전기-절연, 비-전도 재료로 구성되고, 바람직하게는 선택되는 재료는 생성된 기재 층이 챔버 체적에 부정적인 영향을 미치지 않기에 충분히 작은 열팽창 계수를 갖는다. 적합한 재료는 예를 들어 나일론 기재, 폴리카르보네이트 기재, 폴리이미드 기재, 폴리비닐 클로라이드 기재, 폴리에틸렌 기재, 폴리프로필렌 기재, 글리콜화 폴리에스테르 기재, 폴리에스테르 기재, 세라믹, 유리 등 및 이들의 조합을 포함한다. 기재는 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET")로 형성된다. 선택적으로, 기재는 물리적 특성을 제어하기 위해 하나 이상의 충전제를 함유할 수 있다. 상부 기재 층은 바람직하게는 전체적으로 또는 부분적으로 반투명 또는 투명하거나, 반투명 또는 투명 윈도우(window)를 포함하여, 분석될 유체에 의한 스트립 챔버의 충전을 사용자가 볼 수 있다. 비록 단지 설명의 목적으로, ECM(10)이 2개의 전극을 형성하는 2개의 전도성 층 및 그 내부의 하나의 챔버를 갖지만, ECM은 임의의 적합한 개수의 전극, 챔버 및 전도성 층을 포함하도록 설계될 수 있다.
제1 및 제2 전도성 층(12, 14)은 박막 침착(thin film deposition), 스퍼터링(sputtering), 스프레이 코팅(spray coating), 무전해 도금(electro-less plating), 열 증착(thermal evaporation)을 비롯한 임의의 적합한 침착 방법, 스크린 인쇄(screen printing) 등을 비롯한 인쇄 방법 및 이들의 조합에 의해 기재(11) 상에 침착될 수 있다. 전도성 층(12, 14)은 금, 팔라듐, 백금, 산화주석, 이리듐, 인듐, 및 티타늄-팔라듐 합금과 같은 금속, 및 전기-촉매 재료를 갖거나 갖지 않은 전기적 탄소계 재료, 그래핀(graphene) 등을 비롯한 비-금속 및 이들의 조합을 포함하는 임의의 적합한 전기 전도성 재료로부터 형성된다. 바람직하게는, 재료는 금속이고, 더 바람직하게, 전도성 층들 중 하나는 팔라듐으로 형성되고 다른 하나는 금으로 형성되며, 더 바람직하게는, 시약이 그 위에 침착되는 전도성 층은 금이고 다른 하나는 팔라듐이거나 둘 모두가 금이다. 이들 재료의 바람직한 침착 방법은 스퍼터링에 의한 것이다. 전도성 층은 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 두꺼운 필름이 요구되는 경우에, 두께는 전형적으로 약 5 내지 20 mm일 것이다. 얇은 필름이 요구되는 경우에, 두께는 약 10 내지 약 100 나노미터일 것이다.
도시된 바와 같은 시약(24)이 전도성 층들 중 하나의 층 상에 배치되지만, 챔버의 다수의 표면 상에 배치될 수도 있다. 시약은 임의의 원하는 치수의 면적을 덮을 수 있지만, 도 1a에 도시된 바와 같은 ECM(10)에서, 시약은 약 1 내지 4 mm, 바람직하게는 약 2.25 내지 3 mm의 폭, 약 2 내지 약 3.5 마이크로미터의 길이, 및 약 2 내지 약 10 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 시약은 원하는 분석물 분석을 수행하는 데 유용한 임의의 시약일 수 있으며, 매개체, 효소 등 및 이들의 조합을 비롯한 다양한 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 시약은 하나 이상의 특정 대상 분석물, 예를 들어 유체 샘플 내의 생물학적 마커 분자(biological marker molecule)를 인식할 수 있는 제형을 가질 것이다. 따라서, 시약은 분석물 화학종의 산화 또는 환원을 위한 공동 인자(co-factor)를 필요로 하는 산화환원 효소 및 효소들과 같은 효소를 포함할 수 있으며, 더 구체적으로는, 포도당 산화 효소, 피롤로퀴논 공동 인자를 함유하는 포도당 탈수소 효소("GDH"), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 공동 인자를 함유하는 GDH, 또는 플라빈 아데노신 디뉴클레오티드를 함유하는 GDH를 포함할 수 있다. 또한, 시약은 항체, 및 산화환원 화학종, 가용화 시약, 버퍼, 염, 습윤제, 예컨대 계면활성제와 다른 이온성 및 비-이온성 화학종을 포함하는, 분석물의 전기화학적 결정을 용이하게 하는 화학종 및 수용체와 같은 다른 결합 리간드를 포함할 수 있다. 바람직한 시약은 포도당, 락테이트, 케톤체, 콜레스테롤 등과 같은 대사물을 결정할 수 있는 시약을 함유할 것이다. 예시적인 시약 제형이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제7,291,256호에 기술되어 있다. 시약은 슬롯-코팅(slot-coating), 튜브의 단부로부터의 분배, 잉크젯 인쇄(ink-jet printing), 및 스크린 인쇄를 비롯한 임의의 편리한, 알려진 방법에 의해 침착될 수 있다. 적합한 예시적인 공정이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,749,887호; 제6,676,995호; 및 제6,830,934호에 기술되어 있다.
스페이서(15, 16 및 23)는 임의의 적합한 두께를 가질 수 있고, 전형적으로는 약 25 내지 약 200 마이크로미터의 두께, 더 바람직하게는 약 70 내지 약 110 마이크로미터일 것이다. 스페이서는 적합한 비-전도성 재료로부터, 바람직하게는 웨브-기반 제조에서의 사용에 적합한 일정 정도의 가요성을 나타내는 그러한 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직할 수 있는 적합한 전기 저항성 재료는 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 유리, 세라믹, 혼합물 등 및 이들의 조합과 같은 재료를 포함한다. 바람직하게는, 사용되는 재료는 열 활성화 접착제의 양면(double-sided) 코팅을 가진, 더 바람직하게는 어드히시브즈 리서치(Adhesives Research)로부터 입수가능한 아르케어(ARCare)™ 90503의 양면 코팅을 가진, 듀폰(Du Pont)으로부터 입수가능한 멜리넥스(MELINEX)(등록상표)이다. 별개의 접착제 층, 바람직하게는 열 활성화 접착제, 더 바람직하게는 아르케어™ 90503이 스페이서를 전도성 층에 부착하기 위해 적용될 수 있다.
대안적으로, 스페이서는 스페이서의 상부 및 하부 표면을 전도성 재료 층에 접착시키기 위한 양면 접착제로서 기능할 수 있다. 따라서, 스페이서는 접착 특성을 가진 전기 저항성 재료로 형성될 수 있다. 적합한 접착제는 예를 들어 열 활성화 접착제, 감압 접착제, 열 경화 접착제, 화학적 경화 접착제, 고온 용융 접착제, 고온 유동 접착제 등을 포함한다. 적합한 접착제는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제12/570,268호에 기술된 것을 포함한다. 감압 접착제가 제조의 단순화가 요구되는 소정 실시예에서의 사용에 바람직할 수 있지만, 감압 접착제의 점착성(tackiness)이 제조 공구 거밍(gumming) 또는 제품 점착성을 야기할 수 있다. 그러한 실시예에서는, 열 또는 화학적 경화 접착제가 일반적으로 바람직하다. 적절한 시점에 편리하게 활성화될 수 있는 열 활성화 및 열 경화 접착제가 특히 바람직하다.
실온에서 고체인 무용매 열가소성 재료로서, 그의 용융점 미만의 온도로 냉각될 때에 그것이 접착되는 표면에 용융된 형태로 적용되는 고온 용융 접착제가 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는, 예를 들어 미국 매사추세츠주 미들턴 소재의 보스틱 코프.(Bostik Corp.)로부터 입수가능한 폴리에스테르 고온 용융 접착제는 약 65℃로부터 최대 약 220℃에 이르는 용융점을 나타내는 선형 포화 폴리에스테르 고온 용융물이고, 완전한 비정질에서 고도의 결정질에 이르는 특성을 갖는다. 다이머산(dimer-acid) 및 나일론-유형 폴리아미드 접착제 둘 모두를 포함하는, 보스틱으로부터 입수가능한 폴리아미드 (나일론) 고온 용융 접착제가 또한 사용될 수 있다. 적합한 고온 용융 접착제 화학물질은 에틸 비닐 아세테이트, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌을 포함한다.
스페이서 층을 전도성 층에 접합하기 위해 라미네이션(lamination) 기법이 또한 사용될 수 있으며, 적합한 라미네이션 기법은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,596,112호에 기술되어 있다. 일반적으로, 라미네이팅될 층들은 서로 인접하게 배치되고, 열이 가해져, 층들 사이의 접합부가 형성된다. 접합부를 형성하는 것을 보조하기 위해 압력이 또한 가해질 수 있다.
제3 스페이서(23)의 제3 전도성 층(25)은 전도성 층(12, 14)에 대해 위에서 개시된 바와 같은 재료로부터 형성될 수 있다. 제3 전도성 층(25)은 바람직하게는 제2 전도성 층(14)과 신뢰성 있는 낮은 저항의 계면을 형성한다. 그러한 계면의 형성은 층들(25, 14) 사이의 전기 전도성 접촉을 제공하고, 제3 전도성 층으로서 또는 이들 표면 중간의 층으로서 적합한 전도성 접착제의 사용에 의해 달성될 수 있다. 이러한 중간 층은 그것을 전사 접착제(transfer adhesive)로서 적용하거나 인쇄하는 것을 포함하는 임의의 적합한 수단에 의해 적용될 수 있다. 더 바람직하게는, 전도성 접착제는 압력 또는 온도 활성화된다. 층은 그것이 인쇄되는 경우 바람직하게는 약 5 내지 약 15 ㎛의 두께이며, 그 위에 전사되는 경우 약 25 내지 약 50 ㎛의 두께이다. 대안적으로, 전도성 층들(25, 14) 사이의 신뢰성 있는 계면은 융접된 결합부(fused joint)를 제공하기 위해 열 라미네이션을 사용하여 형성된다. 또 다른 대안으로서, ECM이 사용되는 측정기는 기재(13)의 상부에 압력을 가하는 접촉부를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. ECM(40)은 제1 전도성 층(42)이 일 표면 상에 제공되는 제1 기재(41)를 갖는다. 제1 전도성 층(42)은 2개의 부분(56, 57)으로 구성되며, 이때 부분(56, 57)이 그들 사이에서 전기 전도가 실질적으로 발생하지 않도록 서로 격리되는 것을 보장하기에 충분한 간극(54)이 그들 사이에 있다. 간극(54)은 임의의 편리한 방법에 의해 형성될 수 있지만, 바람직하게는 제1 전도성 층(42)의 레이저 제거(laser ablation)에 의해 형성된다. 제2 기재(43)가 또한 그의 일 표면 상에 제2 전도성 층(44)이 제공되는 것으로 도시되어 있으며, 전도성 층(44)은 바람직하게는 기재(43)의 전체 폭 및 길이에 걸쳐 연장된다. 바람직하게, 그리고 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전도성 재료(42, 44)는 대면 관계에 있다. 또한 바람직하게는, 기재-전도성 층 조립체들 중 하나는 다른 기재-전도성 층 조립체의 폭보다 큰 폭을 갖고, 이때 길이들은 실질적으로 동일하다.
비-전도성 재료로 구성되는 스페이서(45, 46)가 전도성 층들(42, 44) 사이에 개재된다. 스페이서들(45, 46) 사이에 챔버(47)가 제공되고, 챔버 내에 시약(48)이 있다. 도시된 바와 같이, 스페이서(45)는 바람직하게는, 그의 제1 위도방향 단부(62)가 상부 기재-전도성 층 조립체(52)의 제1 위도방향 단부(63)와 정렬된 상태로 위치되도록 위치된다. 그러나, 제2 스페이서(46)의 위도방향 단부(64)는 그것과 상부 기재-전도성 층 조립체(52)의 위도방향 단부(65) 사이에 간극이 형성되도록 위치된다. 스페이서(46)의 위도방향 단부(64)에 바로 인접하여, 전도성인 제3 스페이서(53)가 있다. 바람직하게는, 제3 스페이서(53)와 스페이서(46) 사이에는 실질적으로 간극이 존재하지 않는다.
스페이서(53)는 제2 전도성 층(44) 및 제1 전도성 층(42)과 전기 전도성 접촉을 이루는 적합한 전도성 재료로 구성된다. 예를 들어, 스페이서(53)는 고체, 반-고체, 또는 현장에서 고화되는 액체로서 적용될 수 있다. 예시적인 재료는 전도성 탄소 충전제 및 아크릴 접착제를 가진 폴리에스테르 메쉬(mesh)인, 쓰리엠(3M) 9712(125 마이크로미터)와 같은 양면 전도성 테이프를 포함한다. 전도성 스페이서(53)는 그의 위도방향 단부(66)가 상부 기재-전도성 층 조립체(52)의 위도방향 단부(65)와 실질적으로 정렬되도록 하는 폭을 갖는다.
제1 전도성 층(42)의 영역(55, 49)에서 ECM(40)과 측정기와 같은 분석물 측정 장치 사이의 전기 접촉이 제공된다. 따라서, 영역(55, 49)은 분석물 측정 장치와의 원하는 신뢰성 있는 낮은 저항의 접촉이 형성될 수 있도록 크기설정되고 형상화된다. 도 4는 ECM 및 ECM(40)의 분석물 측정 접촉 영역(55, 49)의 전기 접촉 핀(71, 72)을 도시한다.
사용 시에, 분석물 측정 장치는 완전한 회로를 형성하기 위해 본 발명의 ECM의 2개의 전기 접촉 영역에 접속될 것이다. 일 실시예에서, 측정 장치 내에 배치되는 회로는 2개의 접촉 영역들 사이에 검사 전위 또는 전류를 인가할 수 있다. 유체 검출 모드에서, 측정 장치는 ECM의 전극들 사이에 적합한 암페어수(amperage)의 일정한 전류를 인가할 것이다. 유체 샘플은 챔버가 충전될 때까지 ECM의 챔버로 전달된다. 유체 샘플이 전극들 사이의 간극을 교락(bridge)시킬 때, 측정 장치는, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,193,873호에 기술된 바와 같이, 분석물의 개시로 이어지는 사전설정된 임계치 미만의 전압 감소를 측정할 것이다. 적합한 분석물 측정 장치는 사전설정된 전위를 인가하기 위한 회로를 가진 온-보드(on-board) 마이크로-프로세서에 의해 제어되는 배터리-전원형 핸드-헬드 측정기를 포함한다.
본 발명의 ECM의 제조는 임의의 공지된 방법에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, ECM의 대량 생산을 위해 연속적인 웨브 공정이 사용된다. 하나의 공정이 도 5a 내지 도 5g에 도시되어 있다. 도 5a에 도시된 바와 같은 전도성 필름을 제공하기 위해, 대체로 긴 직사각형 구성을 갖는 PET와 같은 제1 기재 재료의 웨브의 일 표면 상에 금 또는 팔라듐과 같은 금속이 스퍼터-코팅된다. 동일하거나 상이한 재료의 다수의 시약 스트립이 도 5b에 도시된 바와 같이 전도성 층의 부분들 상에 분배된다. 이형 라이너(release liner)에 의해 덮인 접착제 층을 갖거나 그로 구성되는 동일하지 않은 폭의 스페이서들이 도 5c에 도시된 바와 같이 시약의 양측 상에 라미네이팅된다. 어느 스페이서의 위도방향 단부도 기재-금속 웨브의 위도방향 단부로 연장되지 않는다. 도 5d에, 이전에 적용되었고 더 작은 폭은 갖는 스페이서에 인접하게 적용된, 금과 같은 적합한 전도 재료로 일 표면이 스퍼터-코팅된 제3 스페이서가 도시되어 있다. 제3 스페이서는 팔라듐 또는 금 코팅된 기재와의 전기 접속이 확립되지 않도록 적용된다. 내부를 향하는 표면이 금 코팅된, 도 5e에서 보이는 바와 같은 제2 기재가 이어서 스페이서들 상에 라미네이팅된다. 도 5e에 도시된 ECM의 3개의 상이한 트랙 A, B, 및 C가 선 I 및 II를 따라 길이-방향으로 절단됨으로써 분리되어, 도 5f에 도시된 바와 같은 ECM의 단일 연속 트랙을 형성할 수 있다. 연속 트랙들 각각이 이어서 폭-방향으로 절단되어, 도 5g에 도시된 바와 같은 다수의 개별화된 ECM을 형성한다. 대안적으로, 연속 트랙은 폭-방향으로 스코어링되지만(scored) 절단되지 않아서, 필요할 경우 각각이 사용 후 폐기되도록 스코어 선을 따라 찢기거나 절단될 수 있는 ECM의 연속 리본을 형성할 수 있다.
본 발명의 ECM을 제조하기 위한 다른 공정이 도 6a 내지 도 6h에 도시되어 있다. 도 6a에 도시된 있는 바와 같은 전도성 필름을 제공하기 위해, 대체로 긴 직사각형 구성을 갖는 PET와 같은 제1 기재 재료 상에 전도성 필름이 라미네이팅된다. 전도성 표면의 다수의 길이-방향 영역이 도 6b에 도시된 바와 같이 이들 영역으로부터 전도성 필름을 벗겨내도록 레이저 제거된다. 동일하거나 상이한 재료의 다수의 시약 스트립이 도 6c에 도시된 바와 같이 전도성 층의 부분들 상에 분배된다. 이형 라이너에 의해 덮인 접착제 층을 갖거나 그로 구성되는 동일하지 않은 폭의 비-전도성 스페이서들이 도 6d에 도시된 바와 같이 시약의 양측 상에 라미네이팅된다. ECM의 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이의 전기 접속을 확립하기 위해, 도 6e에 도시된 바와 같이, 제1 전도성 층에서 제1 전도성 층의 전도성 재료를 제거함으로써 형성된 간극의 일부분 위에 놓이도록 제3 전도성 스페이서가 적용된다. 내부를 향하는 표면이 전기 전도성 코팅으로 코팅된, 도 6f에서 보이는 바와 같은 제2 기재가 이어서 스페이서들 상에 라미네이팅된다. 도 6f에 도시된 ECM의 3개의 상이한 트랙 A, B, 및 C가 선 I 및 II를 따라 길이-방향으로 절단됨으로써 분리되어, 도 6g에 도시된 바와 같은 ECM의 단일 연속 트랙을 형성할 수 있다. 연속 트랙들 각각이 이어서 폭-방향으로 절단되어, 도 6h에 도시된 바와 같은 다수의 개별화된 ECM을 형성한다.
바람직하게는, 본 발명의 ECM은 캐리어와 함께 사용되지 않는다. 그러나, ECM은 추가적인 구조적 완전성을 제공하고 취급을 용이하게 하기 위해 캐리어와 통합될 수 있다. 적합한 캐리어는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제13/090,620호에 개시되어 있다. 그러한 캐리어는 임의의 적합한 재료로부터 형성될 수 있고, 바람직하게는 비-전도성이고 시간 경과에 따라 ECM과 화학적으로 반응하지 않는 플라스틱 또는 판지(cardboard)와 같은 저렴한 재료로부터 형성된다.

Claims (14)

  1. 전기화학 모듈(electrochemical module)로서,
    제1 기재(substrate)로서, 상기 제1 기재는 그 위에 제1 전도성 층을 갖고 제1 기재-전도성 층 조립체를 형성하며, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체는 제1 폭 및 제1 길이를 갖는, 상기 제1 기재;
    제2 기재로서, 상기 제2 기재는 그 위에 제2 전도성 층을 갖고 제2 기재-전도성 층 조립체를 형성하며, 상기 제2 기재-전도성 층 조립체는 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭 및 상기 제1 길이와 실질적으로 동일한 제2 길이를 갖고, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 대면 관계에 있는, 상기 제2 기재;
    제1 스페이서(spacer) 및 제2 스페이서로서, 상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 상기 제1 기재-전도성 층 조립체와 상기 제2 기재-전도성 층 조립체 사이에 배치되고, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체와 상기 제2 기재-전도성 층 조립체를 이격된 관계로 유지하며, 상기 제1 길이를 따라 연장되는, 상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서;
    챔버(chamber)로서, 상기 챔버는 상기 제1 기재-전도성 층 조립체와 상기 제2 기재-전도성 층 조립체 사이에 형성되고, 유체 샘플을 수용하도록 구성되며, 상기 제1 스페이서의 제2 위도방향 단부에 의해 한정되는 제1 측벽과 상기 제2 스페이서의 제1 위도방향 단부에 의해 한정되는 제2 측벽을 포함하며, 상기 유체 샘플 내의 분석물과 반응할 수 있는 시약을 포함하는, 상기 챔버(chamber); 및
    제3 스페이서로서, 상기 제3 스페이서는 상기 제2 스페이서의 상기 제1 위도방향 단부의 반대 측의 제2 위도방향 단부와 인접하고 물리적으로 접촉하며, 상기 제3 스페이서의 표면은 상기 제2 전도성 층과 대면 관계에 있고 상기 제2 전도성 층과 전기 전도성 접촉을 이루는 전도성 층을 포함하며, 상기 제3 스페이서는 상기 제1 길이를 따라 연장되는, 상기 제3 스페이서를 포함하는, 전기화학 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체의 제1 폭은 3 mm 내지 48 mm, 또는 6 mm 내지 10 mm이고, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체의 제1 길이는 0.5 mm 내지 20 mm, 또는 1 mm 내지 4 mm인, 전기화학 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 챔버는 상기 챔버 내의 유체 체적이 0.1 마이크로-리터 내지 5 마이크로-리터이도록 하는 크기를 포함하는, 전기화학 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 금, 팔라듐, 백금, 산화주석, 이리듐, 인듐, 티타늄-팔라듐 합금, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는, 전기화학 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 동일한 금속을 포함하는, 전기화학 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층 중 하나는 팔라듐을 포함하고, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층 중 다른 하나는 금을 포함하는, 전기화학 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 탄소계 재료, 전기-촉매 재료를 가진 탄소계 재료, 그래핀(graphene), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 비-금속을 포함하는, 전기화학 모듈.
  8. 전기화학 모듈로서,
    제1 기재로서, 상기 제1 기재는 그 위에 제1 전도성 층을 갖고, 상기 제1 전도성 층은 제1 부분과 제2 부분을, 상기 부분들 사이에 간극(gap)을 갖고서 포함하며, 상기 제1 기재와 제1 전도성 층은 제1 기재-전도성 층 조립체를 형성하고, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체는 제1 폭 및 제1 길이를 갖는, 상기 제1 기재;
    제2 기재로서, 상기 제2 기재는 그 위에 제2 전도성 층을 갖고 제2 기재-전도성 층 조립체를 형성하며, 상기 제2 기재-전도성 층 조립체는 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭 및 상기 제1 길이와 실질적으로 동일한 제2 길이를 갖고, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 대면 관계에 있는, 상기 제2 기재;
    제1 스페이서 및 제2 스페이서로서, 상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 상기 제1 기재-전도성 층 조립체와 상기 제2 기재-전도성 층 조립체 사이에 배치되고, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체와 상기 제2 기재-전도성 층 조립체를 이격된 관계로 유지하며, 상기 제1 길이를 따라 연장되는, 제1 스페이서 및 제2 스페이서;
    챔버로서, 상기 챔버는 상기 제1 기재-전도성 층 조립체와 상기 제2 기재-전도성 층 조립체 사이에 형성되고, 유체 샘플을 수용하도록 구성되며, 상기 제1 스페이서의 제2 위도방향 단부에 의해 한정되는 제1 측벽과 상기 제2 스페이서의 제1 위도방향 단부에 의해 한정되는 제2 측벽을 포함하며, 상기 유체 샘플 내의 분석물과 반응할 수 있는 시약을 포함하는, 상기 챔버; 및
    전기 전도성 제3 스페이서로서, 상기 전기 전도성 제3 스페이서는 상기 제2 스페이서의 상기 제1 위도방향 단부의 반대 측의 제2 위도방향 단부와 인접하고, 상기 간극의 적어도 일부분과 접촉하며 상기 제1 전도성 층 및 제2 전도성 층과 전기 전도성 접촉을 이루며, 상기 제1 길이를 따라 연장되는, 상기 전기 전도성 제3 스페이서를 포함하는, 전기화학 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체의 제1 폭은 3 mm 내지 48 mm, 또는 6 mm 내지 10 mm이고, 상기 제1 기재-전도성 층 조립체의 제1 길이는 0.5 mm 내지 20 mm, 또는 1 mm 내지 4 mm인, 전기화학 모듈.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 챔버는 상기 챔버 내의 유체 체적이 0.1 마이크로-리터 내지 5 마이크로-리터이도록 하는 크기를 포함하는, 전기화학 모듈.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 금, 팔라듐, 백금, 산화주석, 이리듐, 인듐, 티타늄-팔라듐 합금, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는, 전기화학 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 동일한 금속을 포함하는, 전기화학 모듈.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층 중 하나는 팔라듐을 포함하고, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층 중 다른 하나는 금을 포함하는, 전기화학 모듈.
  14. 제8항에 있어서, 상기 제1 전도성 층과 상기 제2 전도성 층은 탄소계 재료, 전기-촉매 재료를 가진 탄소계 재료, 그래핀, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 비-금속을 포함하는, 전기화학 모듈.
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