RU2267120C2 - Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions - Google Patents
Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2267120C2 RU2267120C2 RU2003104355/28A RU2003104355A RU2267120C2 RU 2267120 C2 RU2267120 C2 RU 2267120C2 RU 2003104355/28 A RU2003104355/28 A RU 2003104355/28A RU 2003104355 A RU2003104355 A RU 2003104355A RU 2267120 C2 RU2267120 C2 RU 2267120C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working electrode
- electrode
- reagent
- counter electrode
- electrochemical cell
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область изобретенияField of Invention
Настоящее изобретение относится к измерению протекания химической реакции, которая генерирует электрохимически активный реакционный продукт, который впоследствии амперометрически или кулонометрически детектируется на электроде. Способ является пригодным для использования в тех применениях, где является желательным отслеживать ход химической реакции, в особенности, в применениях, относящихся к сенсорам, где протекание реакции анализируемого вещества может быть пригодным для использования при определении концентрации анализируемого вещества.The present invention relates to measuring the progress of a chemical reaction that generates an electrochemically active reaction product, which is subsequently detected amperometrically or coulometrically at the electrode. The method is suitable for use in those applications where it is desirable to monitor the progress of a chemical reaction, in particular in applications related to sensors where the reaction of an analyte may be suitable for determining the concentration of an analyte.
Известный уровень техникиPrior art
В амперометрической электрохимии ток, протекающий на электроде, может быть использован в качестве меры концентрации электрохимически активного вещества, которое электрохимически взаимодействует на рабочем электроде. В кулонометрии ток, протекающий на электроде, интегрируется по времени с получением общего количества прошедшего заряда, который дает меру количества электрохимически активного материала, взаимодействующего на рабочем электроде. Протекающий на электроде ток (или заряд, прошедший за любое время) зависит от скорости переноса электрохимически активного вещества к рабочему электроду. Когда вблизи электрода устанавливается значительная концентрация электрохимически активного вещества и к электроду прикладывается электрический потенциал, достаточный для электрохимического взаимодействия электрохимически активного вещества на границе раздела электрод/раствор, сначала протечет более высокий ток, который будет понижаться со временем. Для изолированного электрода, где потенциал, приложенный к электроду, является достаточным для эффективного взаимодействия электрохимически активного вещества непосредственно при достижении электрода, и перенос электрохимически активного вещества к электроду контролируется диффузией, ток будет описываться кривой, известной в данной области техники как уравнение Котрелла. В соответствии с этим уравнением ток изменяется обратно пропорционально квадратному корню из времени. Это дает ток, который затухает со временем, поскольку концентрация электрохимически активного вещества, которое взаимодействует на электроде, истощается вблизи электрода, и поэтому электрохимически активное вещество должно приходить с все возрастающего расстояния, чтобы достичь электрода, по мере того, как проходит время.In amperometric electrochemistry, the current flowing at the electrode can be used as a measure of the concentration of an electrochemically active substance that interacts electrochemically at the working electrode. In coulometry, the current flowing at the electrode is integrated over time to obtain the total amount of charge passed, which gives a measure of the amount of electrochemically active material interacting on the working electrode. The current flowing at the electrode (or charge that has passed at any time) depends on the rate of transfer of the electrochemically active substance to the working electrode. When a significant concentration of the electrochemically active substance is established near the electrode and an electric potential sufficient for electrochemical interaction of the electrochemically active substance at the electrode / solution interface is applied to the electrode, a higher current will first flow, which will decrease with time. For an insulated electrode, where the potential applied to the electrode is sufficient for effective interaction of the electrochemically active substance directly upon reaching the electrode, and the transfer of the electrochemically active substance to the electrode is controlled by diffusion, the current will be described by a curve known in the art as the Cotrell equation. According to this equation, the current changes inversely with the square root of time. This gives a current that decays over time, since the concentration of the electrochemically active substance that interacts on the electrode is depleted near the electrode, and therefore, the electrochemically active substance must come from an increasing distance in order to reach the electrode, as time passes.
Если, в дополнение к электрохимическому взаимодействию электрохимически активного вещества на электроде, электрохимически активное вещество генерируется и вблизи рабочего электрода с помощью химического взаимодействия, форма тока, протекающего на электроде, становится более сложной. Электродная реакция стремится к понижению концентрации электрохимически активного вещества вблизи рабочего электрода, в то время как химическая реакция стремится к повышению концентрации электрохимически активного вещества в этой области. Зависимое от времени поведение этих двух процессов накладывается друг на друга, и по этой причине является сложным измерять кинетику химических реакций с помощью тока, протекающего (или заряда, прошедшего) на электроде.If, in addition to the electrochemical interaction of the electrochemically active substance on the electrode, the electrochemically active substance is also generated near the working electrode by chemical interaction, the shape of the current flowing on the electrode becomes more complex. The electrode reaction tends to lower the concentration of the electrochemically active substance near the working electrode, while the chemical reaction tends to increase the concentration of the electrochemically active substance in this region. The time-dependent behavior of these two processes overlaps, and for this reason it is difficult to measure the kinetics of chemical reactions using the current flowing (or the charge passed) on the electrode.
По этой причине в опубликованной литературе скорости химических реакций, как правило, не измеряются электрохимически, за исключением специальных применений с использованием специального оборудования. Пример такого оборудования является известным в данной области техники как вращающийся кольцевой/дисковый электрод. Это устройство применимо только к относительно быстрой кинетике реакции и требует, чтобы электрод вращался с известной контролируемой скоростью при хорошо определенной гидродинамике жидкости.For this reason, in the published literature, the rates of chemical reactions, as a rule, are not measured electrochemically, with the exception of special applications using special equipment. An example of such equipment is known in the art as a rotating ring / disk electrode. This device is applicable only to the relatively fast reaction kinetics and requires the electrode to rotate at a known controlled speed with well-defined fluid hydrodynamics.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Предлагаемый способ дает возможность извлечения информации о скорости химической реакции с использованием простого электрохимического способа и устройства.The proposed method makes it possible to extract information about the speed of a chemical reaction using a simple electrochemical method and device.
В первом аспекте предлагается способ измерения скорости химической реакции между компонентом образца жидкости и реагентом, причем реакция производит электрохимически активное вещество, включающий в себя: обеспечение наличия электрохимической ячейки, содержащей рабочий электрод, противоэлектрод и по меньшей мере одну стенку; фиксирование (иммобилизацию), по существу, реагента в электрохимической ячейке в некоторой области на минимальном расстоянии от рабочего электрода, при этом расстояние является таким, что перенос электрохимически активного вещества из этой области к рабочему электроду является диффузионно контролируемым; помещение образца жидкости в электрохимическую ячейку таким образом, что образец жидкости находится в контакте с реагентом, с рабочим электродом и противоэлектродом; взаимодействие компонента с реагентом с получением электрохимически активного вещества; приложение потенциала между рабочим электродом и противоэлектродом, при этом потенциал является достаточным для электрохимического взаимодействия электрохимически активного вещества на рабочем электроде; и измерение тока, производимого электрохимической реакцией на рабочем электроде, с получением меры скорости химической реакции.In a first aspect, there is provided a method for measuring a chemical reaction rate between a component of a liquid sample and a reagent, the reaction producing an electrochemically active substance, including: providing an electrochemical cell comprising a working electrode, a counter electrode and at least one wall; fixing (immobilizing) essentially the reagent in the electrochemical cell in a certain region at a minimum distance from the working electrode, the distance being such that the transfer of the electrochemically active substance from this region to the working electrode is diffusion-controlled; placing a liquid sample in an electrochemical cell in such a way that the liquid sample is in contact with the reagent, with the working electrode and the counter electrode; the interaction of the component with the reagent to obtain an electrochemically active substance; the application of potential between the working electrode and the counter electrode, while the potential is sufficient for the electrochemical interaction of the electrochemically active substance on the working electrode; and measuring the current produced by the electrochemical reaction at the working electrode to obtain a measure of the rate of the chemical reaction.
В одном из аспектов настоящего варианта воплощения рабочий электрод и противоэлектрод достаточным образом отделены друг от друга для того, чтобы продукт электрохимической реакции, протекаемой на противоэлектроде, не достигал рабочего электрода в то время, когда измеряется ток. Рабочий электрод и противоэлектрод могут быть отделены друг от друга расстоянием, большим, чем примерно 500 микрон; в пределах между примерно 500 микронами и примерно 5 мм; или в пределах между примерно 1 мм и примерно 2 мм. Рабочий электрод и противоэлектрод могут быть расположены на одной и той же плоскости.In one aspect of the present embodiment, the working electrode and the counter electrode are sufficiently separated from each other so that the product of the electrochemical reaction taking place on the counter electrode does not reach the working electrode while the current is being measured. The working electrode and the counter electrode can be separated from each other by a distance greater than about 500 microns; in the range between about 500 microns and about 5 mm; or between about 1 mm and about 2 mm. The working electrode and the counter electrode can be located on the same plane.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения область и рабочий электрод разделены минимальным расстоянием, находящимся в пределах от примерно 10 микрон до примерно 5 миллиметров; от примерно 50 микрон до примерно 500 микрон; или от примерно 100 микрон до примерно 200 микрон.In another aspect of the present embodiment, the region and the working electrode are separated by a minimum distance in the range of about 10 microns to about 5 millimeters; from about 50 microns to about 500 microns; or from about 100 microns to about 200 microns.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения противоэлектрод является способным к функционированию в качестве комбинированного противоэлектрода/электрода сравнения. Электрохимическая ячейка может дополнительно включать в себя электрод сравнения.In another aspect of the present embodiment, the counter electrode is capable of functioning as a combined counter electrode / reference electrode. The electrochemical cell may further include a reference electrode.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения рабочий электрод функционирует в качестве анода и может включать в себя платину, палладий, углерод, углерод в сочетании с одним или несколькими инертными связующими, иридий, оксид индия, оксид олова, сочетание оксидов индия и олова и их смеси.In another aspect of the present embodiment, the working electrode functions as an anode and may include platinum, palladium, carbon, carbon in combination with one or more inert binders, iridium, indium oxide, tin oxide, a combination of indium and tin oxides, and mixtures thereof.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения рабочий электрод функционирует в качестве катода и может включать в себя платину, палладий, углерод, углерод в сочетании с одним или несколькими инертными связующими, иридий, оксид индия, оксид олова, сочетание оксидов индия и олова, сталь, нержавеющую сталь, медь, никель, серебро, хром и их смеси.In another aspect of the present embodiment, the working electrode functions as a cathode and may include platinum, palladium, carbon, carbon in combination with one or more inert binders, iridium, indium oxide, tin oxide, a combination of indium and tin oxides, steel, stainless steel, copper, nickel, silver, chromium and mixtures thereof.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения противоэлектрод содержит платину, палладий, углерод, углерод в сочетании с инертными связующими, иридий, оксид индия, оксид олова, сочетание оксидов индия и олова, сталь, нержавеющую сталь, медь, никель, хром, серебро и их смеси. Противоэлектрод может также включать в себя серебро, покрытое по существу нерастворимой солью серебра, такой как хлорид серебра, бромид серебра, йодид серебра, ферроцианид серебра и феррицианид серебра.In another aspect of the present embodiment, the counter electrode comprises platinum, palladium, carbon, carbon in combination with inert binders, iridium, indium oxide, tin oxide, a combination of indium and tin oxides, steel, stainless steel, copper, nickel, chromium, silver, and mixtures thereof . The counter electrode may also include silver coated with a substantially insoluble silver salt such as silver chloride, silver bromide, silver iodide, silver ferrocyanide and silver ferricyanide.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения область располагается на противоэлектроде или на стенке. Область и рабочий электрод могут быть расположены на одной и той же плоскости или в плоскости, обращенной к и по существу параллельной рабочему электроду.In another aspect of the present embodiment, the region is located on the counter electrode or on the wall. The region and the working electrode may be located on the same plane or in a plane facing and substantially parallel to the working electrode.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения реагент содержится в полимерной матрице, прикрепленной к поверхности в электрохимической ячейке; является химически связанным с поверхностью в электрохимической ячейке; является физически связанным с поверхностью в электрохимической ячейке; или является высушенным на поверхности в электрохимической ячейке и проявляет достаточно низкую подвижность в образце жидкости, так что реагент по существу не мигрирует в то время, когда измеряется ток.In another aspect of the present embodiment, the reagent is contained in a polymer matrix attached to a surface in an electrochemical cell; is chemically bonded to a surface in an electrochemical cell; is physically bonded to a surface in an electrochemical cell; or is dried on the surface in an electrochemical cell and exhibits a sufficiently low mobility in the liquid sample, so that the reagent does not substantially migrate while the current is being measured.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения способ дополнительно включает в себя медиатор окисления-восстановления. медиатор окисления-восстановления может включать в себя ферроциний, комплексы осмия с бипиридином, бензофенон и феррицианид.In another aspect of the present embodiment, the method further includes an oxidation-reduction mediator. the oxidation-reduction mediator may include ferrocinium, osmium complexes with bipyridine, benzophenone and ferricyanide.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения образец может включать в себя цельную кровь. Компонент может включать в себя глюкозу. Реагент может включать в себя фермент, такой как PQQ (от англ. Pyroloquinoline quinone - пирроллохинолин хинон) - зависимая глюкозодегидрогеназа, NAD (от англ. Nicotinamid-adenine-dinucleotide-никотинамид-аденин-динуклеотид) - зависимая глюкозодегидрогеназа, глюкозооксидаза, лактатдегидрогеназа и алкогольдегидрогеназа.In another aspect of the present embodiment, the sample may include whole blood. The component may include glucose. The reagent may include an enzyme, such as PQQ (from the English. Pyroloquinoline quinone - pyrrolloquinoline quinone) - dependent glucose dehydrogenase, NAD (from the English. Nicotinamid-adenine-dinucleotide-nicotinamide-adenine-acid dehydrogenase, .
В другом аспекте настоящего варианта воплощения потенциал предпочтительно находится в пределах между +50 и +500 мВ, и более предпочтительно составляет примерно +300 мВ.In another aspect of the present embodiment, the potential is preferably between +50 and +500 mV, and more preferably is about +300 mV.
Во втором варианте воплощения предлагается способ измерения скорости химической реакции между глюкозой и PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназой в цельной крови, включающий в себя обеспечение наличия электрохимической ячейки, имеющей рабочий электрод, противоэлектрод, по меньшей мере одну стенку, медиатор окисления-восстановления, включающий в себя феррицианид и содержащийся внутри электрохимической ячейки, и реагент, включающий в себя PQQ-зависимую глюкозодегидрогеназу, причем реагент является по существу фиксированным (иммобилизованным) в электрохимической ячейке в некоторой области на минимальном расстоянии от рабочего электрода; помещение образца цельной крови в электрохимическую ячейку таким образом, что образец находится в контакте с реагентом, медиатором окисления-восстановления, рабочим электродом и противоэлектродом; взаимодействие глюкозы с PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназой с получением восстановленной PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназы, причем восстановленная PQQ-зависимая глюкозодегидрогеназа, в свою очередь, взаимодействует с феррицианидным медиатором окисления-восстановления с образованием ферроцианида; приложение потенциала между рабочим электродом и противоэлектродом, при этом потенциал является достаточным для электрохимического взаимодействия ферроцианида на рабочем электроде; и измерение тока, производимого электрохимической реакцией ферроцианида на рабочем электроде, при этом измерение является показателем скорости химической реакции между глюкозой и PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназой.In a second embodiment, there is provided a method for measuring the rate of a chemical reaction between glucose and PQQ-dependent glucose dehydrogenase in whole blood, comprising providing an electrochemical cell having a working electrode, a counter electrode, at least one wall, an oxidation-reduction mediator including ferricyanide and contained within the electrochemical cell, and a reagent comprising a PQQ-dependent glucose dehydrogenase, the reagent being substantially fixed (immobilized ) In an electrochemical cell in a region at a minimum distance from the working electrode; placing a sample of whole blood in an electrochemical cell in such a way that the sample is in contact with a reagent, an oxidation-reduction mediator, a working electrode and a counter electrode; the interaction of glucose with a PQQ-dependent glucose dehydrogenase to produce reduced PQQ-dependent glucose dehydrogenase, wherein the reduced PQQ-dependent glucose dehydrogenase, in turn, interacts with a ferricyanide redox mediator to form ferrocyanide; the application of potential between the working electrode and the counter electrode, while the potential is sufficient for the electrochemical interaction of ferrocyanide on the working electrode; and measuring the current produced by the electrochemical reaction of ferrocyanide on the working electrode, the measurement being an indicator of the rate of the chemical reaction between glucose and PQQ-dependent glucose dehydrogenase.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 изображает электрохимическую ячейку, где реагент расположен на стенке ячейки, обращенной к рабочему электроду.Figure 1 depicts an electrochemical cell, where the reagent is located on the wall of the cell facing the working electrode.
Фиг.2 изображает электрохимическую ячейку, где реагент расположен на противоэлектроде.Figure 2 depicts an electrochemical cell, where the reagent is located on the counter electrode.
Фиг.3 изображает ток как функцию времени для трех образцов цельной крови для реакционной системы, включающей в себя глюкозу, PQQ-зависимую глюкозодегидрогеназу и медиатор окисления-восстановления из феррицианида калия. Три образца крови имеют уровни гематокрита 20%, 42% и 65% соответственно, где гематокрит представляет собой объемный процент эритроцитов в образце.Figure 3 depicts the current as a function of time for three whole blood samples for a reaction system including glucose, PQQ-dependent glucose dehydrogenase, and potassium ferricyanide oxidation-reduction mediator. Three blood samples have hematocrit levels of 20%, 42% and 65%, respectively, where the hematocrit is the volume percentage of red blood cells in the sample.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощенияDetailed Description of Preferred Embodiments
Следующее далее описание и примеры подробно иллюстрируют предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения. Специалист в данной области техники заметит, что существуют многочисленные вариации и модификации настоящего изобретения, которые охватываются его сущностью. В соответствии с этим описание предпочтительного варианта воплощения не должно рассматриваться как ограничение сущности настоящего изобретения.The following description and examples illustrate in detail preferred embodiments of the present invention. One skilled in the art will recognize that there are numerous variations and modifications of the present invention that are encompassed by its essence. Accordingly, the description of a preferred embodiment should not be construed as limiting the gist of the present invention.
В соответствии с настоящим изобретением информация, относящаяся к скорости химической реакции, которая генерирует по меньшей мере один электрохимически активный продукт, может быть получена с использованием электрохимической ячейки в том случае, если обеспечить локализацию химической реакции в некоторой области, удаленной от электрода, используемого для электрохимического взаимодействия электрохимически активного продукта (продуктов).In accordance with the present invention, information related to the rate of a chemical reaction that generates at least one electrochemically active product can be obtained using an electrochemical cell if the chemical reaction is localized in a region remote from the electrode used for the electrochemical interactions of the electrochemically active product (s).
Способы и устройства для получения электрохимических измерений образцов жидкости обсуждаются дополнительно в совместной заявке на патент США № 09/615691, поданной 14 июля 2000 года и озаглавленной "ANTIOXIDANT SENSOR", в совместной заявке на патент США № 09/616512, поданной 14 июля 2000 года и озаглавленной "HEMOGLOBIN SENSOR" и в совместной заявке на патент США № 09/616433, поданной 14 июля 2000 года и озаглавленной "IMMUNOSENSOR", каждая из которых включается сюда в качестве ссылки во всей своей полноте.Methods and devices for obtaining electrochemical measurements of fluid samples are discussed further in joint application for US patent No. 09/615691, filed July 14, 2000 and entitled "ANTIOXIDANT SENSOR", in joint application for US patent No. 09/616512, filed July 14, 2000 and entitled "HEMOGLOBIN SENSOR" and in the joint application for US patent No. 09/616433, filed July 14, 2000 and entitled "IMMUNOSENSOR", each of which is incorporated here by reference in its entirety.
Область химической реакции является достаточно удаленной от электрода, так что массоперенос электрохимически активного вещества из области химической реакции к электроду эффективно контролирует ток, протекающий на электроде в любой момент времени. Это расположение обеспечивает по существу линейное изменение (градиент) концентрации электрохимически активного вещества между областью химической реакции и электродом. Концентрация электрохимически активного вещества на электроде поддерживается фактически равной нулю благодаря электрохимической реакции, имеющей там место. Поэтому изменение со временем величины этого градиента концентрации будет определяться по существу только зависимостью от времени концентрации электрохимически активного вещества в области химической реакции и коэффициентом (коэффициентами) диффузии электрохимически активного продукта (продуктов) реакции в жидкой среде. Поскольку ток, протекающий на электроде, является пропорциональным градиенту концентрации электрохимически активного вещества на электроде, зависимость от времени этого тока будет отражать зависимость от времени химической реакции, происходящей в отдаленной области. Это предоставляет возможность для использования тока, измеряемого на электроде (или прошедшего заряда, если ток интегрируется), в качестве удобной меры скорости и степени (завершенности) химической реакции, имеющей место.The region of the chemical reaction is quite remote from the electrode, so that the mass transfer of the electrochemically active substance from the region of the chemical reaction to the electrode effectively controls the current flowing at the electrode at any time. This arrangement provides a substantially linear change (gradient) in the concentration of the electrochemically active substance between the region of the chemical reaction and the electrode. The concentration of the electrochemically active substance on the electrode is maintained virtually equal to zero due to the electrochemical reaction taking place there. Therefore, the change over time of the magnitude of this concentration gradient will be determined essentially only by the time dependence of the concentration of the electrochemically active substance in the region of the chemical reaction and the diffusion coefficient (coefficients) of the electrochemically active reaction product (s) in the liquid medium. Since the current flowing on the electrode is proportional to the concentration gradient of the electrochemically active substance on the electrode, the time dependence of this current will reflect the time dependence of the chemical reaction taking place in a remote area. This makes it possible to use the current measured at the electrode (or the passed charge, if the current is integrated), as a convenient measure of the speed and degree (completeness) of a chemical reaction taking place.
Пример соответствующего способа для обеспечения удаленности химической реакции от рабочего электрода представляет собой иммобилизацию, т.е. фиксирование в неподвижном состоянии одного или нескольких компонентов реакции на твердой поверхности, удаленной от электрода. Компонент (компоненты) реакции могут быть иммобилизованы путем включения их в полимерную матрицу, которая высушивается или иным способом закрепляется на твердой поверхности. Компонент (компоненты) реакции могут также быть связаны непосредственно с твердой поверхностью с помощью либо химической, либо физической связи. Альтернативно, один или несколько из компонентов реакции могут просто быть высушены на твердой поверхности без специальных средств иммобилизации. В этой ситуации один или несколько из компонентов реакции обладают, по существу, низкими подвижностями в жидкой матрице, заполняющей электрохимическую ячейку, так что они по существу не мигрируют из положения, где они высушены, в течение того периода времени, когда электрохимический ток может подходящим образом отслеживаться для осуществления необходимого измерения. В этом контексте существенная миграция означает, что движущийся медленнее всех компонент, который требуется для химической реакции, подходит достаточно близко к рабочему электроду, так что на зависимость тока, протекающего на электроде, от времени компонент начинает оказывать влияние кинетика истощения типа Котрелла.An example of an appropriate method for ensuring the remoteness of a chemical reaction from the working electrode is immobilization, i.e. fixation in a stationary state of one or more reaction components on a solid surface remote from the electrode. Component (s) of the reaction can be immobilized by incorporating them into a polymer matrix, which is dried or otherwise fixed on a solid surface. The component (s) of the reaction can also be bonded directly to a solid surface using either a chemical or physical bond. Alternatively, one or more of the reaction components may simply be dried on a solid surface without special immobilization means. In this situation, one or more of the components of the reaction has essentially low mobilities in the liquid matrix filling the electrochemical cell, so that they essentially do not migrate from the position where they are dried, during the period of time when the electrochemical current can suitably tracked to make the necessary measurement. In this context, significant migration means that the component moving slower than all that is required for a chemical reaction comes close enough to the working electrode, so that the Kotrell-type depletion kinetics begins to influence the time dependence of the current flowing on the electrode.
Диапазон дистанций между областью химической реакции и рабочим электродом в предпочтительных вариантах воплощения желательно является меньшим, чем примерно 1 см, предпочтительно меньшим, чем 5 мм, более предпочтительно находится в пределах между 5, 10, 50, 100, 200, 500 микронами и 5 мм, еще более предпочтительно между 5, 10, 50, 100, 200 и 500 микронами, и наиболее предпочтительно между 5, 10, 50, 100 и 200 микронами.The range of distances between the chemical reaction region and the working electrode in preferred embodiments is desirably less than about 1 cm, preferably less than 5 mm, more preferably is between 5, 10, 50, 100, 200, 500 microns and 5 mm even more preferably between 5, 10, 50, 100, 200 and 500 microns, and most preferably between 5, 10, 50, 100 and 200 microns.
Кроме рабочего электрода предусматривается по меньшей мере один противоэлектрод в контакте с образцом жидкости для замыкания электрохимической цепи. По необходимости противоэлектрод может функционировать в качестве комбинированного противоэлектрода/электрода сравнения, или может быть предусмотрен отдельный электрод сравнения. В предпочтительном варианте воплощения рабочий электрод и противоэлектрод желательно отделяются расстоянием, большим, чем примерно 300 микрон, предпочтительно расстоянием, большим, чем примерно 500 микрон, более предпочтительно расстоянием в пределах между примерно 500 микронами и 10 мм, еще более предпочтительно расстоянием в пределах между примерно 500 микронами и 1, 2, 5 мм, и наиболее предпочтительно между 1 мм и 2, 5, 10 мм.In addition to the working electrode, at least one counter electrode is provided in contact with the fluid sample to close the electrochemical circuit. If necessary, the counter electrode may function as a combined counter electrode / reference electrode, or a separate reference electrode may be provided. In a preferred embodiment, the working electrode and the counter electrode are desirably separated by a distance greater than about 300 microns, preferably a distance greater than about 500 microns, more preferably a distance between about 500 microns and 10 mm, even more preferably a distance between between about 500 microns and 1, 2, 5 mm, and most preferably between 1 mm and 2, 5, 10 mm.
Рабочий электрод конструируется из материалов, которые химически не взаимодействуют с любым компонентом, с которым он будет приходить в контакт во время использования, до такой степени, чтобы искажать отклик электрода в виде тока. Если рабочий электрод должен использоваться в качестве анода, тогда примерами пригодных для использования материалов являются платина, палладий, углерод, углерод в сочетании с инертными связующими, иридий, оксид индия, оксид олова, смеси оксидов индия и олова. Если рабочий электрод должен использоваться в качестве катода, тогда, в дополнение к материалам, перечисленным выше, другие пригодные для использования материалы представляют собой сталь, нержавеющую сталь, медь, никель, серебро и хром.The working electrode is constructed from materials that do not chemically interact with any component with which it will come into contact during use, to such an extent as to distort the electrode response in the form of current. If the working electrode is to be used as an anode, then examples of suitable materials are platinum, palladium, carbon, carbon in combination with inert binders, iridium, indium oxide, tin oxide, a mixture of indium and tin oxides. If the working electrode is to be used as a cathode, then, in addition to the materials listed above, other suitable materials are steel, stainless steel, copper, nickel, silver and chromium.
Примеры материалов, пригодных для использования в качестве противэлектрода, представляют собой платину, палладий, углерод, углерод в сочетании с инертными связующими, иридий, оксид индия, оксид олова, смесь оксидов индия и олова, сталь, нержавеющую сталь, медь, никель, хром, серебро и серебро, покрытое по существу нерастворимой солью серебра, такой как хлорид серебра, бромид серебра, йодид серебра, ферроцианид серебра, феррицианид серебра.Examples of materials suitable for use as a counter electrode are platinum, palladium, carbon, carbon in combination with inert binders, iridium, indium oxide, tin oxide, a mixture of indium and tin oxides, steel, stainless steel, copper, nickel, chromium, silver and silver coated with a substantially insoluble silver salt such as silver chloride, silver bromide, silver iodide, silver ferrocyanide, silver ferricyanide.
Область химической реакции может быть локализована на гладкой стенке или на противоэлектроде, удаленном от рабочего электрода. Область химической реакции может быть расположена на той же плоскости, что и рабочий электрод или более предпочтительно, в плоскости, обращенной к рабочему электроду по существу параллельной рабочему электроду.The chemical reaction region can be localized on a smooth wall or on the counter electrode remote from the working electrode. The chemical reaction region may be located on the same plane as the working electrode, or more preferably, in a plane facing the working electrode substantially parallel to the working electrode.
Фиг.1 изображает устройство, пригодное для использования вместе с одним из вариантов воплощения. На фиг.1 рабочий электрод 2 и противоэлектрод 3 размещены на электрически изолирующей подложке 1. На второй подложке 5 помещается слой химических реагентов 4, где по меньшей мере один из реагентов является по существу иммобилизованным на подложке 5. При использовании пространство между стенками 1 и 5 заполняется жидкостью, содержащей вещество, которое является способным к взаимодействию с реагентами 4 с получением по меньшей мере одного электрохимически активного вещества. Продукты химической реакции диффундируют к рабочему электроду 2, где электрохимически активное вещество (частицы этого вещества) электрохимически реагируют с получением тока. Величина тока или заряда, прошедшего за конкретное время, или зависимость от времени тока или прошедшего заряда затем могут быть использованы для получения меры скорости или степени завершенности химической реакции, протекаемой в слое 4 реагента.Figure 1 depicts a device suitable for use with one embodiment. In Fig. 1, a working
Фиг.2 изображает другое воплощение. Нумерация компонентов на фиг.2 соответствует компонентам на фиг.1. На фиг.2 реагенты 4 размещены на противоэлектроде 3, который расположен на обладающей большим электрическим сопротивлением подложке 5. В настоящем варианте воплощения материалы конструкции противоэлектрода 3 являются инертными относительно взаимодействия с любым из компонентов реагентов 4, размещенных на электроде 3.Figure 2 depicts another embodiment. The numbering of the components in FIG. 2 corresponds to the components in FIG. 1. In figure 2, the
Пример химии и механизма реакции, которая является пригодной для использования в предпочтительном варианте воплощения, представляет собой измерение глюкозы в цельной крови с использованием фермента PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназы (GDHpqq) и медиатора окисления-восстановления. В этой реакции глюкоза в крови взаимодействует с GDHpqq с образованием глюконовой кислоты. В этом процессе PQQ в ферменте восстанавливается. Затем медиатор, такой как феррицианид калия, окисляет PQQ в ферменте и образует ферроцианид. После фермент в окисленной форме может далее взаимодействовать с оставшейся глюкозой. Суммарный эффект этой реакции представляет собой получение двух молекул ферроцианида на каждую прореагировавшую молекулу глюкозы. Ферроцианид представляет собой электрохимически активное вещество и поэтому может быть окислен на электроде с получением тока. Другие пригодные для использования ферменты для этой реакции представляют собой глюкозооксидазу (GOD) или NAD-зависимую глюкозодегидрогеназу. Для других реакций могут быть использованы лактатдегидрогеназа и алкогольдегидрогеназа. Другие пригодные для использования медиаторы окисления-восстановления включают в себя ферроциний, комплексы осмия с бипиридином и бензофенон.An example of a chemistry and reaction mechanism that is suitable for use in the preferred embodiment is the measurement of glucose in whole blood using the enzyme PQQ-dependent glucose dehydrogenase (GDHpqq) and a redox mediator. In this reaction, blood glucose interacts with GDHpqq to form gluconic acid. In this process, PQQ in the enzyme is restored. Then a mediator, such as potassium ferricyanide, oxidizes PQQ in the enzyme and forms ferrocyanide. After the enzyme in oxidized form can further interact with the remaining glucose. The total effect of this reaction is to produce two ferrocyanide molecules for each reacted glucose molecule. Ferrocyanide is an electrochemically active substance and therefore can be oxidized at the electrode to produce current. Other suitable enzymes for this reaction are glucose oxidase (GOD) or NAD-dependent glucose dehydrogenase. For other reactions, lactate dehydrogenase and alcohol dehydrogenase may be used. Other suitable redox mediators include ferrocinium, osmium complexes with bipyridine, and benzophenone.
Взаимодействие глюкозы в цельной крови с ферментом может быть медленным, занимая до завершения вплоть до нескольких минут. Кроме того, чем выше гематокрит в образце крови, тем медленнее реакция. Гематокрит крови представляет собой объемную долю эритроцитов (красных кровяных телец) в образце цельной крови. В этом примере была сконструирована электрохимическая ячейка в соответствии с фиг.2. Раствор, содержащий 50 мг/мл GDHpqq, 0,9 M феррицианида калия и 50 мМ буфера при pH 6,5, был нанесен на противоэлектрод, а вода удалена, оставив высушенный слой реагента. В этом слое GDHpqq является достаточно большим и поэтому эффективно иммобилизируется на противоэлектроде, в то время как феррицианид может перемешиваться более однородно в жидкости в электрохимической ячейке. Образец крови вводится в ячейку, и сразу же прикладывается потенциал +300 мВ между рабочим электродом и противоэлектродом. Хотя потенциал +300 мВ является наиболее предпочтительным для окисления ферроцианида, потенциал, желательно, находится в пределах между +40 мВ и +600 мВ, предпочтительно между +50 мВ и +500 мВ, и более предпочтительно, между +200 мВ и +400 мВ. В ячейке рабочий электрод состоит из слоя золота, напыленного на подложку из сложного полиэфира, а противоэлектрод состоит из слоя палладия, напыленного на подложку из сложного полиэфира.The interaction of glucose in whole blood with the enzyme can be slow, taking up to several minutes to complete. In addition, the higher the hematocrit in the blood sample, the slower the reaction. Blood hematocrit is the volume fraction of red blood cells (red blood cells) in a whole blood sample. In this example, an electrochemical cell was constructed in accordance with FIG. 2. A solution containing 50 mg / ml GDHpqq, 0.9 M potassium ferricyanide and 50 mM buffer at pH 6.5 was applied to the counter electrode and the water removed, leaving a dried reagent layer. In this layer, GDHpqq is large enough and therefore effectively immobilized on the counter electrode, while ferricyanide can be mixed more uniformly in the liquid in the electrochemical cell. A blood sample is introduced into the cell, and a potential of +300 mV is immediately applied between the working electrode and the counter electrode. Although a potential of +300 mV is most preferred for the oxidation of ferrocyanide, the potential is preferably between +40 mV and +600 mV, preferably between +50 mV and +500 mV, and more preferably between +200 mV and +400 mV . In the cell, the working electrode consists of a layer of gold sprayed on a polyester substrate, and the counter electrode consists of a layer of palladium sprayed on a polyester substrate.
Графики тока, записанные для образцов крови с различными гематокритами и демонстрирующие более высокую скорость реакции при более низком гематокрите крови, приведены на фиг.3. Число в конце каждой линии представляет собой процент гематокрита в используемом образце крови, то есть 20%, 42% и 65% соответственно. Уровень глюкозы в каждом образце крови является примерно одинаковым, а именно 5,4 мм для образца с гематокритом 65%, 5,5 мм для образца с гематокритом 42% и 6,0 мм для образца с гематокритом 20%.The current plots recorded for blood samples with different hematocrit and showing a higher reaction rate with lower blood hematocrit are shown in Fig.3. The number at the end of each line represents the percentage of hematocrit in the blood sample used, i.e. 20%, 42% and 65%, respectively. The glucose level in each blood sample is approximately the same, namely 5.4 mm for a sample with a hematocrit of 65%, 5.5 mm for a sample with a hematocrit of 42% and 6.0 mm for a sample with a hematocrit of 20%.
Ток, изображенный на фиг.3, может быть приблизительно описан с помощью уравнения:The current depicted in figure 3, can be approximately described using the equation:
i = -FADC/L,i = -FADC / L,
где i представляет собой ток, F представляет собой постоянную Фарадея (96486,7 Кл/моль), A представляет собой площадь электрода, D представляет собой коэффициент диффузии ферроцианида в образце, C представляет собой концентрацию ферроцианида в области реакции и L представляет собой расстояние между областью реакции и электродом, скорость реакции, которая определяется скоростью изменения C со временем, следовательно, записывается как:where i is the current, F is the Faraday constant (96486.7 C / mol), A is the electrode area, D is the diffusion coefficient of ferrocyanide in the sample, C is the concentration of ferrocyanide in the reaction region, and L is the distance between the region reaction and electrode, the reaction rate, which is determined by the rate of change of C over time, therefore, is written as:
dC/dt = -(L/FAD)di/dtdC / dt = - (L / FAD) di / dt
Для реакций, показанных на фиг.3, в пределах между 6 и 8 секундами для образцов с гематокритом 20%, 42% и 65%, среднее значение di/dt составляет соответственно 3,82, 2,14 и 1,32 микроампер/секунду. Коэффициент диффузии ферроцианида для этих образцов составляет 2,0·10-6, 1,7·10-6 и 1,4·10-6 см2/сек для образцов с гематокритом 20%, 42% и 65% соответственно. Площадь электрода составляет 0,1238 см2, и L составляет 125 микрон. Эти значения дают скорости реакции 2,0, 1,3 и 0,99 мм/сек, для образцов с гематокритом 20%, 42%, и 65% соответственно.For the reactions shown in FIG. 3, between 6 and 8 seconds for samples with a hematocrit of 20%, 42% and 65%, the average di / dt is 3.82, 2.14 and 1.32 microamperes / second, respectively. . The diffusion coefficient of ferrocyanide for these samples is 2.0 · 10 -6 , 1.7 · 10 -6 and 1.4 · 10 -6 cm 2 / s for samples with hematocrit of 20%, 42% and 65%, respectively. The electrode area is 0.1238 cm 2 and L is 125 microns. These values give reaction rates of 2.0, 1.3, and 0.99 mm / s, for samples with
Способ, описанный выше, может быть использован вместе с любой пригодной для использования электрохимической системой. Например, способ может быть использован для измерения оксидантов или антиоксидантов в образцах жидкостей. Способ может быть применен к любому оксиданту или антиоксиданту, который существует в пригодной для измерения репрезентативной концентрации в образце жидкости. Антиоксиданты, которые могут быть проанализированы, включают в себя, например, диоксид серы и аскорбиновую кислоту. Оксиданты, которые могут быть проанализированы, включают в себя, например, хлор, бром, йод, пероксиды, гипохлорит и озон. Водонерастворимые оксиданты или антиоксиданты также могут быть проанализированы, если может быть приготовлена водная форма, например, путем использования детергента для приготовления эмульсии водонерастворимого реакционно-способного при реакциях окисления-восстановления анализируемого вещества. Способ может также применяться к реакциям антитело/антиген или к анализу гемоглобина.The method described above can be used in conjunction with any suitable electrochemical system. For example, the method can be used to measure oxidants or antioxidants in liquid samples. The method can be applied to any oxidant or antioxidant that exists in a suitable representative concentration for a sample of liquid. Antioxidants that can be analyzed include, for example, sulfur dioxide and ascorbic acid. Oxidants that can be analyzed include, for example, chlorine, bromine, iodine, peroxides, hypochlorite and ozone. Water-insoluble oxidizing agents or antioxidants can also be analyzed if an aqueous form can be prepared, for example, by using a detergent to prepare an emulsion of a water-insoluble reactive in the oxidation-reduction reactions of the analyte. The method can also be applied to antibody / antigen reactions or to hemoglobin analysis.
Приведенное выше описание описывает несколько способов и материалов по настоящему изобретению. Настоящее изобретение является восприимчивым к модификациям способов и материалов, а также к изменениям способов и устройств. Такие модификации становятся понятными для специалиста в данной области из рассмотрения настоящего описания или применения изобретения, описанного здесь. Следовательно, не предполагается, что настоящее изобретение является ограниченным конкретными вариантами воплощения, описанными здесь, но предполагается, что оно охватывает все модификации и альтернативы, находящиеся в пределах истинной сущности и духа настоящего изобретения, раскрытых в прилагаемой формуле изобретения.The above description describes several methods and materials of the present invention. The present invention is susceptible to modifications of methods and materials, as well as to changes in methods and devices. Such modifications will become apparent to those skilled in the art from consideration of the present description or application of the invention described herein. Therefore, it is not intended that the present invention be limited to the specific embodiments described herein, but it is intended to cover all modifications and alternatives that are within the true spirit and spirit of the invention as disclosed in the appended claims.
Claims (31)
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US61643300A | 2000-07-14 | 2000-07-14 | |
| US09/616,433 | 2000-07-14 | ||
| US09/615,691 | 2000-07-14 | ||
| US09/615,691 US6638415B1 (en) | 1995-11-16 | 2000-07-14 | Antioxidant sensor |
| US09/616,556 | 2000-07-14 | ||
| US09/616,556 US6444115B1 (en) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates |
| US09/616,512 | 2000-07-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003104355A RU2003104355A (en) | 2004-06-10 |
| RU2267120C2 true RU2267120C2 (en) | 2005-12-27 |
Family
ID=35865558
Family Applications (5)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003104355/28A RU2267120C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-06 | Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions |
| RU2003104357/14A RU2271536C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Method for measuring hemoglobin quantity |
| RU2003104354/28A RU2263904C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Antioxidant sensor |
| RU2005127537/28A RU2005127537A (en) | 2000-07-14 | 2005-09-01 | ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING SPEEDS OF CHEMICAL REACTIONS |
| RU2005136646/14A RU2005136646A (en) | 2000-07-14 | 2005-11-24 | HEMOGLOBIN SENSOR |
Family Applications After (4)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003104357/14A RU2271536C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Method for measuring hemoglobin quantity |
| RU2003104354/28A RU2263904C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Antioxidant sensor |
| RU2005127537/28A RU2005127537A (en) | 2000-07-14 | 2005-09-01 | ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING SPEEDS OF CHEMICAL REACTIONS |
| RU2005136646/14A RU2005136646A (en) | 2000-07-14 | 2005-11-24 | HEMOGLOBIN SENSOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (5) | RU2267120C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731411C1 (en) * | 2019-03-18 | 2020-09-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Biosensor with high sensitivity factor |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL2535706T3 (en) * | 2007-09-24 | 2015-11-30 | Bayer Healthcare Llc | Multi-electrode test sensor |
| EP2659268A4 (en) | 2010-12-31 | 2017-01-18 | Cilag GmbH International | Systems and methods for high accuracy analyte measurement |
| US9903830B2 (en) * | 2011-12-29 | 2018-02-27 | Lifescan Scotland Limited | Accurate analyte measurements for electrochemical test strip based on sensed physical characteristic(s) of the sample containing the analyte |
| MX2014015162A (en) | 2012-06-28 | 2015-03-05 | Siemens Healthcare Diagnostics | Reader device and method of signal amplification. |
| RU2532406C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method of potentiometric determination of antioxidant/oxidant activity with application of metal complexes |
| US9459231B2 (en) * | 2013-08-29 | 2016-10-04 | Lifescan Scotland Limited | Method and system to determine erroneous measurement signals during a test measurement sequence |
| US9243276B2 (en) * | 2013-08-29 | 2016-01-26 | Lifescan Scotland Limited | Method and system to determine hematocrit-insensitive glucose values in a fluid sample |
| US9459232B2 (en) * | 2013-09-05 | 2016-10-04 | Lifescan Scotland Limited | Method and system to determine erroneous measurement signals during a test measurement sequence |
| GB201412156D0 (en) * | 2014-07-08 | 2014-08-20 | Accunostics Ltd | Analyte concentration measurement |
-
2001
- 2001-07-06 RU RU2003104355/28A patent/RU2267120C2/en not_active IP Right Cessation
- 2001-07-12 RU RU2003104357/14A patent/RU2271536C2/en not_active IP Right Cessation
- 2001-07-12 RU RU2003104354/28A patent/RU2263904C2/en not_active IP Right Cessation
-
2005
- 2005-09-01 RU RU2005127537/28A patent/RU2005127537A/en not_active Application Discontinuation
- 2005-11-24 RU RU2005136646/14A patent/RU2005136646A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731411C1 (en) * | 2019-03-18 | 2020-09-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Biosensor with high sensitivity factor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2271536C2 (en) | 2006-03-10 |
| RU2005136646A (en) | 2007-06-10 |
| RU2005127537A (en) | 2007-03-10 |
| RU2263904C2 (en) | 2005-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2416207C (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| US6444115B1 (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| JP6150262B2 (en) | Analyte biosensor system | |
| AU2001273197A1 (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| AU2001273197A2 (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| US11473118B2 (en) | Interference compensating two electrodes test strip | |
| CA2474912C (en) | Electrochemical biosensor strip for analysis of liquid samples | |
| RU2005127537A (en) | ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING SPEEDS OF CHEMICAL REACTIONS | |
| Noda et al. | Diffusion-controlled detection of glucose with microelectrodes in mediated bioelectrocatalytic oxidation | |
| AU2006203606B2 (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| IL153583A (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| AU2007209797B2 (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates | |
| D’Orazio | Electrochemical sensors: a review of techniques and applications in point of care testing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200707 |