TW201920725A - 用於電化學感測器之物理氣相沉積電極 - Google Patents

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Abstract

本發明提供電化學電極及其製備方法，該方法提供用於生物感測器(諸如血糖感測器)之具有增強特性之電極。該電極包含基板、沉積在該基板上之導電層及沉積在該導電層上之電阻材料層。該導電層可包含鎳及鉻，且該電阻材料層可包含碳及碳-氮物質。

Description

用於電化學感測器之物理氣相沉積電極
本發明大體上係關於電極，例如，物理氣相沉積薄膜電極，諸如於生物感測器中發現之彼等。更特定言之，本發明係關於利用非貴金屬合金形成之電極，例如，於生物感測器組件中發現之彼等。
用於分析生物樣本之生物感測器變得日益普遍。例如，隨著世界人口中糖尿病病例之上升，對用於量測血糖之生物感測器之需求急劇上升。此等生物感測器一般稱作血糖計且藉由使用者將一滴血放置在與血糖計相關聯之測試條上操作。該測試條經組態以對該滴血中之葡萄糖之量具反應性，使得血糖計可檢測並顯示使用者之血液之葡萄糖含量。
用於血糖計型生物感測器之測試條一般利用在基板上形成之兩個或更多個電極(例如，工作電極及相對電極)形成。此外，與生物樣本反應之生物反應物(例如，酵素(例如，葡萄糖氧化酶、葡萄糖脫氫酶等)及介體(mediator)(例如，鐵氰化物、釕錯合物、鋨錯合物、醌、吩噻嗪、吩噁嗪等))將在一或兩個電極(例如，工作電極)上形成。在操作血糖計型生物感測器時，將一滴血施覆至測試條。之後，與血液中之葡萄糖之量成比例之電化學反應將在工作電極上發生。更詳細而言，葡萄糖首先與生物反應物(例如，酵素(葡萄糖氧化酶、葡萄糖脫氫酶等)及有時酵素輔因子(PQQ、FAD等))反應並氧化成葡萄糖酸。生物反應物(例如，酵素、輔因子或酵素-輔因子錯合物)暫時藉由自葡萄糖轉移至酵素、輔因子或酵素-輔因子錯合物之兩個電子還原。接著，經還原之生物反應物(例如，酵素、輔因子或酵素-輔因子錯合物)與介體反應，於單電子過程中還原介體之情況下，將單電子轉移至兩種介體物質(分子或錯合物)各者。當還原介體物質時，酵素、輔因子或酵素-輔因子錯合物因此返回其原始氧化態。然後，經還原介體擴散至電極表面，在該表面處對生物感測器施加預定及足夠氧化電位使得經還原介體氧化回到其原始氧化態。藉由介體物質藉由生物感測器之氧化產生之電流經量測且與血液中之葡萄糖之量成比例相關。
工作電極之品質於血液之葡萄糖含量之精確量測中起著重要作用。具體而言，電極之電活性表面區域之可再現性、特定葡萄糖量測裝置中之電極之電子轉移動力學之批次間可重複性、及當存儲時電極材料之長期穩定性(此使得當檢定進行時，電化學信號自電極產生)，均為導致血糖測試條之提高之精度之因素。特定言之，重要的是自電極之電活性產生之電信號經最小化以防止量測及生物樣本分析中之偏差或噪音。通常，此係藉由使用本質上熱力學上貴的電極材料(諸如金、鈀、鉑、銥等)實現。照此，大多數電流血糖計使用自利用一般呈在商業上可行的最純形式之鈀、金或其他貴金屬塗覆之基板形成之電極以作為工作電極發揮功能及為了便於製造，經常用於相對電極或組合之相對電極及參比電極。此等貴金屬與干擾物質最低限度反應，及因此提供增強之耐化學性以用於一致且精確量測。然而，於電極中使用此等貴金屬之成本可係過高。
已進行一些嘗試以使用利用非貴金屬形成之電極，以便降低生物感測器之製造成本。然而，此等非貴金屬電極一般具有顯著偏離利用貴金屬形成之電極之電化學反應之電化學反應(例如，劑量反應)。非貴重材料通常陽極不足夠穩定以用於電化學測試條，因為當在生物感測器之典型電壓下操作時產生高背景電流。此外，非貴重材料通常不具有利用期望分析物之輕易異質電子轉移。照此，利用非貴金屬形成之電極一般不適於用作用於許多類型生物感測器之測試條中之貴金屬的直接替代。除了具有低電反應外，亦期望生物感測器電極具有與介體之足夠電子轉移動力學。雖然一些建議之非貴金屬具有相對低的電化學反應(或合理陽極穩定性)，但其亦不具有與介體之可接受的電子轉移動力學。
因此，需要可提供一致且精確量測，同時提供對使用貴金屬(例如，於生物感測器中)之成本效益替代之電極。特定言之，需要自非貴金屬合金形成之電極，該非貴金屬合金可於生物感測器組件中使用以一致且精確量測生物樣本。
已發現當非貴金屬暴露於導致其用於生物感測器應用之性能變化之大氣條件下時，其可經歷老化現象。亦已發現藉由在基板薄膜上沉積非貴金屬所形成之電極要求足夠程度之機械穩健性(例如，耐劃傷性及足夠低的摩擦係數)以為製造操作提供足夠寬容度及以達成用於生物感測器應用之足夠性能。因此，需要自非貴金屬合金形成之電極，該電極可於生物感測器組件中使用以一致且精確量測生物樣本，且該電極具有良好機械穩健性以允許加工及達成或維持電性能。
本發明之一或多個實施例可關於電極，其可包含基板、沉積在該基板上之至少一個非貴金屬合金導電層及沉積在該非貴金屬層上之至少一個電阻材料層。於某些實施例中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可為至少24，或至少25，或至少50，或至少60，或至少70，或至少80，或至少90，或至少95重量%，基於該導電層之總重量計。於某些實施例中，該導電層可包含小於80重量%之量之鎳及大於20重量%之量之鉻，基於該導電層之總重量計。於某些實施例中，該導電層可包含鎳及鉻，其中鎳係以至少4或5或6或8重量%之量存在且鉻係以至少10重量%之量存在，基於該導電層之重量計。於一實施例中，該電阻材料層之厚度係小於20 nm。於某些實施例中，該電阻材料層允許外部液體(例如，鹽溶液或含有液體塗料之生物反應物)與該導電層之間之流體通訊。
於一實施例中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於24或25至小於95重量%之範圍內，至少10重量%鉻及至少4或5或6或8重量%鎳，基於該導電層之總重量計。除了鎳及鉻外，該導電層亦可包含鐵，其中鐵係以大於2重量%之量存在，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於實施例中，該導電層可包含0至小於20，或0至17，或0至13，或0至10，或0至9，或0至8，或0至7，或0至6，或0至5，或0至4，或0至3，或0至2，或0至1，或0至0.5，或0至0.1重量%鉬。於某些實施例中，該導電層可包含2至10，或2至8，或2至7.5，或2至7.0，或2至6.5，或2.5至8，或2.5至7.5，或2.5至7.0，或2.5至6.5，或3至8，或3至7.5，或3至7.0，或3至6.5，或3.5至8，或3.5至7.5，或3.5至7.0，或3.5至6.5，或4至8，或4至7.5，或4至7.0，或4至6.5，或4.5至8，或4.5至7.5，或4.5至7.0，或4.5至6.5重量%鉬。於某些實施例中，該導電層可包含2至6.5，或2至6.0，或2至5.5，或2至5，或2至4.5，或2至4，或2.5至6.5，或2.5至6.0，或2.5至5.5，或2.5至5，或2.5至4.5，或2.5至4，或3至6.5，或3至6.0，或3至5.5，或3至5，或3至4.5，或3至4，或3.5至6.5，或3.5至6.0，或3.5至5.5，或3.5至5，或3.5至4.5，或4至6.5，或4至6.0，或4至5.5，或4至5，或4.5至6，或4.5至5.5，或5至6重量%鉬。雖然大多數本發明係關於用作生物感測器組件之電極，亦預期可用於其他終端應用之電極。因此，關於於生物感測器中使用之電極之本文中任何揭示意欲將適用於可藉由一般技術者合理應用此技術之所有電極併入本文中。
於第一態樣中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可為至少50，或至少60，或至少70，或至少80，或至少90，或至少95重量%，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且該電阻材料層之厚度係小於20 nm。於一實施例中，該導電層中之鎳及鉻之組合重量%係於90至100重量%之範圍內，且該電阻層之厚度係於5至15 nm之範圍內。
於第一態樣之實施例中，該導電層中之鉻之重量%係於約25至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第一態樣之實施例中，該電阻材料層包含非晶型碳，該導電層中之鉻之重量%係於大於50至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。
於第二態樣中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可為至少25，或至少50，或至少60，或至少70%，或至少80，或至少90，或至少95重量%，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於第二態樣之實施例中，該導電層可包含鎳及鉻，其中鎳係以至少4或5或6或8重量%之量存在且鉻係以至少10重量%之量存在，基於該導電層之重量計。於第二態樣之一實施例中，該導電層包含大於20重量%鉻。於第二態樣之實施例中，該基板具有25與500 µm之間之厚度，該導電層具有15與200 nm之間之厚度，且該電阻材料層具有5與200 nm之間或5至100 nm之厚度。
於第二態樣之實施例中，該導電層可包含小於80重量%或小於75重量%範圍之鎳，及大於20或大於25重量%範圍之鉻，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於90至100或95至100重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第二態樣之實施例中，該導電層中之鉻之重量%係於約25至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第二態樣之其他實施例中，該導電層中之鉻之重量%係於約30至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第二態樣之其他實施例中，該導電層中之鉻之重量%係於約40至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第二態樣之又其他實施例中，該導電層中之鉻之重量%係於約50至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第二態樣之另一實施例中，該導電層中之鉻之重量%係於大於50至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。
於第二態樣之實施例中，該電阻層包含非晶型碳。於第二態樣之一實施例中，該電阻層包含非晶型碳，該導電層中之鉻之重量%係於約25至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第二態樣之另一實施例中，該電阻層包含非晶型碳，該導電層中之鉻之重量%係於大於50至約95重量%之範圍內，且該導電層之剩餘部分基本上為鎳。於第二態樣之實施例中，該電阻層包含非晶型碳，且該電阻材料層具有5與30 nm之間或5與20 nm之間之厚度。
於第三態樣中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於24或25至90重量%或26至89重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。除了鎳及鉻外，該導電層亦可包含鐵，其中該導電層中之鐵之重量%可係於大於5重量%至小於75重量%或約6至約74重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第三態樣之實施例中，該導電層可包含大於7重量%範圍之鎳及大於13至小於25或小於21重量%範圍之鉻，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量百分比係於大於24或大於25至小於90重量%或26至89重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第三態樣之其他實施例中，該導電層可包含8至72重量%範圍之鎳、約14至約25或14至約20重量%範圍之鉻，及約6至約74重量%範圍之鐵，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於約24或約25至約90重量%或26至89重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第三態樣之某些實施例中，該導電層可包含8至72重量%範圍之鎳、14至25或14至20重量%範圍之鉻及6至74重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第三態樣之某些實施例中，該導電層可包含8至72重量%範圍之鎳、14至25或14至20重量%範圍之鉻、6至74重量%範圍之鐵及0至10重量%範圍之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層不包含以下列量存在之任何其他元素物質：大於6重量%，或大於5重量%，或大於4重量%，或大於3重量%或大於2重量%，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層另外包含0.01至7.0重量%範圍之鉬及0.01至6.0重量%範圍之錳，且不包含以大於1.5重量%或大於1.0重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層另外包含0.01至2.0重量%範圍之錳，且不包含以大於1.0重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第三態樣之某些實施例中，該導電層可包含8至72重量%範圍之鎳、14至24或14至20重量%範圍之鉻及6至74重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層另外包含0.01至2.0重量%範圍之錳、0.01至1.0重量%範圍之矽、0至3.0重量%範圍之鉬及0至0.5重量%範圍之銅，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層含有小於0.2重量%之下列元素物質各者：碳、硫、磷、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含有下列元素物質：鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層含有小於0.2重量%之下列元素物質各者：碳、硫、磷、鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含有下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。
於第四態樣中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於80至小於95重量%，或81至94重量%，或82至94重量%，或83至94重量%，或85至94重量%，或86至94重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。除了鎳及鉻外，該導電層亦可包含鐵，其中該導電層中之鐵之重量%可係於大於5重量%至小於12重量%，或約6至約11重量%，或6至11重量%，或6至10重量%，或6至9重量%，或7至10重量%，或7至9重量%，或約8或約9重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第四態樣之實施例中，該導電層可包含大於70重量%範圍之鎳及大於13至小於20重量%範圍之鉻，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於大於80至小於95重量%，或81至94重量%，或82至94重量%，或83至94重量%，或85至94重量%，或86至94重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第四態樣之其他實施例中，該導電層可包含70至81重量%範圍之鎳、約14至約19重量%範圍之鉻及約6至約11重量%範圍之鐵，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於約84至約94重量%，或85至94重量%，或86至94重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第四態樣之某些實施例中，該導電層可包含70至81重量%範圍之鎳、14至17重量%範圍之鉻及6至11重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第四態樣之某些實施例中，該導電層可包含72至81重量%範圍之鎳、14至17重量%範圍之鉻及6至11或6至10重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層不包含以大於1重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層另外包含0.01至1.0重量%範圍之錳，且不包含以大於0.5重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第四態樣之某些實施例中，該導電層可包含72至81重量%範圍之鎳、14至17重量%範圍之鉻及6至11或6至10重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層另外包含0.01至1.0重量%範圍之錳、0.01至0.5重量%範圍之銅及0.01至0.5重量%範圍之矽，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦、磷或硼，或若存在任何物質，則此物質為下列量：小於0.25重量%，或小於0.2重量%，或小於0.1重量%，或小於0.05重量%，或痕量或更少。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦、磷或硼。
於第五態樣中，該導電層可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於24至55或25至33重量%或大於25且小於33重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一些實施例中，該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至小於32重量%，或26至31重量%，或26至30.5重量%，或28至32重量%，或38至49重量%，或42至47重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一些實施例中，該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至小於33重量%或26至32重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於此第五態樣中，除了鎳及鉻外，該導電層亦可包含鐵，其中該導電層中之鐵之重量%可係於以下範圍內：至少35重量%，或至少44重量%，或至少60重量%至小於75重量%，或大於60重量%至小於75重量%，或大於61重量%至小於75重量%，或大於61重量%至74重量%，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一些實施例中，該導電層中之鐵之重量%係於61至75，或65至75，或大於65至小於75，或66至小於75，或大於66至74之範圍內。於一些實施例中，該導電層中之鐵之重量%係60至73重量%，大於60至小於73重量%，或大於61重量%至小於73重量%，或大於61.5重量%上至72重量%，或約61.85至約72重量%，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一些實施例中，該導電層中之鐵之重量%係44至73重量%，或44至50重量%，或44至48重量%，或44至46重量%，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第五態樣之實施例中，該導電層可包含7至15重量%或大於7且小於15重量%或8至14重量%範圍之鎳，及15至21重量%或大於15至小於21重量%或16至20重量%範圍之鉻，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於25至33重量%或大於25且小於33重量%或26至32重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第五態樣之其他實施例中，該導電層可包含8至11或8至10.5重量%範圍之鎳、約18至約20重量%範圍之鉻及約66至約74重量%範圍之鐵，且其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於約26至約31重量%或26至30.5重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第五態樣之某些實施例中，該導電層可包含10至14重量%範圍之鎳、16至18重量%範圍之鉻及61至72重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第五態樣之某些實施例中，該導電層可包含8至10.5重量%範圍之鎳、18至20重量%範圍之鉻及66至74重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層不包含以大於2重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層另外包含0.01至2.0重量%範圍之錳及0.01至1.0重量%範圍之矽，且不包含以大於0.2或0.1重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第五態樣之某些實施例中，該導電層可包含8至10.5重量%範圍之鎳、18至20重量%範圍之鉻及66至74重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層另外包含0.01至2.0重量%範圍之錳、0.01至1.0重量%範圍之矽且另外包含各者以小於0.1重量%之量之碳、硫及磷，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦、銅及硼，或若存在任何物質，則此物質為下列量：小於0.25重量%，或小於0.2重量%，或小於0.1重量%，或小於0.05重量%，或痕量或更少。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦、銅或硼。
於第五態樣之某些實施例中，該導電層可包含10至14重量%範圍之鎳、16至18重量%範圍之鉻及61至72重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層不包含以大於3重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層另外包含2至3重量%範圍之鉬、0.01至2.0重量%範圍之錳及0.01至1.0重量%範圍之矽，且不包含以大於0.2或0.1重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第五態樣之某些實施例中，該導電層可包含10至14重量%範圍之鎳、16至18重量%範圍之鉻及61至72重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該導電層另外包含2至3重量%範圍之鉬、0.01至2.0重量%範圍之錳、0.01至1.0重量%範圍之矽且另外包含各者以小於0.1重量%之量之碳、硫及磷，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鈮、鈷、鋁、鈦、銅或硼，或若存在任何物質，則此物質為下列量：小於0.25重量%，或小於0.2重量%，或小於0.1重量%，或小於0.05重量%，或痕量或更少。於一實施例中，該導電層不含有或實質上不含下列元素物質：鈮、鈷、鋁、鈦、銅或硼。
於第六態樣中，該導電層可包含10至30重量%或大於10且小於30重量%或11至29重量%範圍之鎳、16至26重量%或17至26重量%或大於17至小於26重量%或18至25重量%範圍之鉻及2至8重量%或大於2且小於8重量%或2.5至7重量%範圍之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第六態樣之實施例中，該導電層可包含10至16重量%或大於10且小於16重量%或11至15重量%範圍之鎳、17至21重量%或大於17至小於21重量%或18至20重量%範圍之鉻、2至5重量%或大於2且小於5重量%或3至4重量%範圍之鉬及55至70重量%或大於55至小於70重量%或57至68重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第六態樣之實施例中，該導電層可包含12.5至29重量%或大於12.5且小於29重量%或13.5至28重量%範圍之鎳、16至24重量%或大於16至小於24重量%或17至23重量%範圍之鉻、3至6重量%或大於3且小於6重量%或4至5重量%範圍之鉬及46至66重量%或大於46至小於66重量%或47至65重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第六態樣之實施例中，該導電層可包含16至26.5重量%或大於16且小於26.5重量%或17至25.5重量%範圍之鎳、18至23重量%或大於18至小於23重量%或19至22重量%範圍之鉻、5至8重量%或大於5且小於8重量%或6至7重量%範圍之鉬及41至62重量%或大於41至小於62重量%或42至61重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於第六態樣之實施例中，該導電層不包含以大於2重量%之量存在之任何其他元素物質(除了上述彼等外)，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層另外包含0.01至2.0重量%範圍之錳及0.01至1.0重量%範圍之矽，且不包含以大於0.2或0.1或0.05重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於本發明之實施例中，該導電層為包括下列合金中之一或多者或自下列合金中之一或多者產生之金屬：不銹鋼(SS) 354 SMO、SS 304、SS 316、SS 317L、SS 317LM、SS 317LMN、SS 904、SS AL-6XN或SS合金24。於本發明之實施例中，該導電層為選自下列合金中之一或多者之金屬：不銹鋼(SS) 354 SMO、SS 304、SS 316、SS 317L、SS 317LM、SS 317LMN、SS 904、SS AL-6XN或SS合金24。
於本發明之某些實施例中，該導電層可塗覆在基板上，該基板可包括此項技術中所述及/或本文中所述任何聚合物中之至少一者，該聚合物包括(但不限於)藉由物理氣相沉積之聚碳酸酯、聚矽氧聚合物、丙烯酸系聚合物、PET、改性PET (諸如PETG或PCTG)、PCT、改性PCT、聚酯(包括TMCD AND CHDM、PCCD、PEN)或聚醯亞胺。
於本發明之某些實施例中，該電阻材料層可包含沉積在該導電層表面上之電阻材料薄膜。術語「電阻材料」意指較導電層更具電阻性，在施加恆定電位後允許電流流動且當形成具有導電層及該導電層上之電阻材料層之薄膜電極時，如由1型線性掃描伏安法測試(Type 1 Linear Sweep Voltammetry Test)所測定，相較於僅具有導電層之相似電極增加電極之陽極穩定性及/或增加電子轉移動力學之材料。於某些實施例中，該電阻材料層包含碳。
於某些實施例中，該電阻材料層包含碳及碳-氮(「C-N」)物質，例如，碳氮化物。於某些實施例中，該電阻材料層包含非晶型碳。於某些實施例中，該電阻材料層為藉由濺鍍沉積之非晶型碳及碳-氮(C-N)物質。於某些實施例中，該電阻材料層為使用碳源及含氮氛圍藉由濺鍍沉積之非晶型碳及碳-氮(C-N)物質。於某些實施例中，該電阻材料層為藉由於並非用於沉積導電層之濺鍍步驟之分開濺鍍步驟(即，不進行導電層與碳及C-N物質層之共濺鍍)中於含氮氛圍中使用碳源濺鍍沉積之非晶型碳及C-N物質。
於某些實施例中，該電阻層包含主要由sp2雜化碳、sp3雜化碳或其組合組成之非晶型碳及至少一種C-N物質。於某些實施例中，包含sp2雜化碳、sp3雜化碳或其組合之非晶型碳層可使用如由以下所建議之技術/方法形成：Onoprienko, A. A.、Shaginyan, L. R.，Role of microstructure in forming thin carbon film properties. Diamond Relat. Mater. 1994, 3, 1132-1136；Onoprienko, A., In Carbon, The Future Material for Advanced Technology Applications；Messina, G.、Santangelo, S.編輯；Springer Berlin Heidelberg, 2006；或Cho, N. H.、Krishnan, K. M.、Veirs, D. K.、Rubin, M. D.、Hopper, C. B.、Bhushan, B.、Bogy, D. B. Chemical structure and physical properties of diamond-like amorphous carbon films prepared by magnetron sputtering. J. Mater. Res. 1990, 5, 2543-2554。然而，已發現此等方法可藉由沉積碳物質(例如，於含有選定量之氮之氛圍中，藉由磁控濺鍍)改良。該等改良可包括含碳電阻層之增加之沉積速率、提高之電化學穩定性、足夠快的異質電子轉移動力學及改良之機械性質(針對整個電極薄膜)。
於本發明之某些實施例中，該電阻材料層可具有5至200 nm範圍之厚度，該導電層可具有15至200 nm範圍之厚度，且該基板可具有25至500 µm範圍之厚度。於某些實施例中，該生物感測器組件亦可具有不多於20%或不多於15%或不多於10%或不多於5%或0.01至20%或0.01至15%或0.01至10%或0.01至5%之可見光透射率，如藉由ASTM D 1003所量測。
於本發明之某些實施例中，該電阻材料層可具有5至200 nm範圍之厚度，該導電層可具有15至200 nm範圍之厚度，且該基板可具有25至500 µm範圍之厚度，其中該生物感測器組件具有不多於20%之可見光透射率。
於本發明之某些實施例中，該電阻材料層可具有5至200 nm範圍之厚度，該導電層可具有15至200 nm範圍之厚度，且該基板可具有25至500 µm範圍之厚度，其中該生物感測器組件具有不多於15%之可見光透射率。
於本發明之某些實施例中，該電阻材料層可具有5至200 nm範圍之厚度，該導電層可具有15至200 nm範圍之厚度，且該基板可具有25至500 µm範圍之厚度，其中該生物感測器組件具有不多於10%之可見光透射率。
於本發明之某些實施例中，該電阻材料層可具有5至200 nm範圍之厚度，該導電層可具有15至200 nm範圍之厚度，且該基板可具有25至500 µm範圍之厚度，其中該生物感測器組件具有不多於5%之可見光透射率。
於某些實施例中，該電阻材料層具有5至100 nm，或5至50 nm，或5至30 nm，或5至25 nm，或5至20 nm，或5至小於20 nm，或5至15 nm範圍之厚度。於實施例中，該電阻材料層包含非晶型碳及至少一種C-N物質，且具有5至100 nm，或5至50 nm，或5至30 nm，或5至25 nm，或5至20 nm，或5至小於20 nm，或5至15 nm範圍之厚度。於實施例中，該電阻材料層包含非晶型碳及至少一種C-N物質，且具有5至20 nm，或5至小於20 nm，或5至15 nm範圍之厚度。於實施例中，該電阻材料層含有小於10或5或4或3或2或1重量%之含氧物質或實質上不含任何含氧物質。於實施例中，未將含氧物質故意添加至電阻材料層。例如，未將氧故意添加至用於濺鍍電阻材料層之濺鍍氛圍中。然而，預期少量氧可以雜質形式存在於濺鍍源材料或濺鍍氛圍中(例如，來自不可自濺鍍氛圍中完全移除之空氣或水蒸氣)。
於一態樣中，本發明之某些實施例係關於生物感測器組件，其包含基板、沉積在該基板上之導電層及沉積在該導電層上之電阻材料層，其中該電阻材料層包含碳及至少一種C-N物質，其中該導電層可包含25至小於95重量%範圍之組合重量之鎳及鉻、至少10重量%之量之鉻、至少8重量%之量之鎳、至少2重量%之量之鐵及0至20重量%範圍之量之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計，且其中該基板可包括此項技術中所述及/或本文中所述任何聚合物中之至少一者，該聚合物包括(但不限於)藉由此項技術中已知任何方法(包括但不限於物理氣相沉積)之聚碳酸酯、聚矽氧聚合物、丙烯酸系聚合物、PET、改性PET (諸如PETG或PCTG)、PCT、PCTA、聚酯(包括TMCD AND CHDM、PCCD、PEN)或聚醯亞胺。於實施例中，該電阻層可具有5至100 nm範圍之厚度，該導電層可具有15與200 nm之間之厚度，且該基板可具有25與500 µm之間之厚度，使得生物感測器組件具有不多於20%或不多於15%或不多於10%或不多於5%之可見光透射率。
本發明之一或多個實施例可關於用於生物感測器之電極，其中該電極包含基板、沉積在該基板上之導電層及沉積在該導電層上之電阻材料層。於某些實施例中，該導電層可包含鎳及鉻，且該導電層可具有小於1000或小於950或小於925或小於約900毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定。於某些實施例中，該導電層可包含鎳及鉻，且該導電層可具有小於450或小於400或小於375或小於350或小於325或小於300或小於275毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定。
於一態樣中，本發明之實施例可關於用於生物感測器之電極，其中該電極包含基板、沉積在該基板上之導電層及沉積在該導電層上之電阻材料(例如，非晶型碳及至少一種C-N物質)層，其中該導電層可包含鎳、鉻及鐵(如上各種態樣及實施例中所述)，且其中該電極可具有小於1000或小於950或小於925或小於約900毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定。於實施例中，該導電層可包含鎳、鉻及鐵(如上各種態樣及實施例中所述)，且其中該電極可具有小於450或小於400或小於375或小於350或小於325或小於300或小於275毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定。於一實施例中，該導電層可包含至少8重量%之量之鎳、至少10重量%之量之鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至95重量%之範圍內，且其中該導電層可包含至少2重量%範圍之量之鐵及0至20重量%之量之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於另一實施例中，該導電層可包含8至72重量%之量之鎳、14至20重量%之量之鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至90重量%之範圍內，且其中該導電層可包含至少2至75重量%範圍之量之鐵及0至20，或0至10，或0至5，或0至2，或0至1重量%之量之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於一態樣中，本發明之實施例可關於用於生物感測器之電極，其中該電極包含基板、沉積在該基板上之導電層及沉積在該導電層上之電阻材料層，其中該導電層可包含鎳、鉻及鐵，且可具有小於400或小於375或小於350或小於325或小於300或小於275毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定，且其中該導電層可包含大於70重量%之量之鎳、大於13至小於20重量%範圍之鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於80至小於95重量%，或81至94重量%，或82至94重量%，或83至94重量%，或84至94重量%，或85至94重量%，或86至94重量%之範圍內，且其中該導電層可包含大於5至小於12重量%或6至11重量%範圍之量之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於一態樣中，本發明之實施例可關於用於生物感測器之電極，其中該電極包含基板、沉積在該基板上之導電層及沉積在該導電層上之電阻材料層，其中該導電層可包含鎳、鉻及鐵，且可具有小於400或小於375或小於350或小於325或小於300或小於275毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定，且其中該導電層可包含7至小於15重量%之量之鎳、大於15至小於22重量%範圍之鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至33重量%或25至小於33重量%或26至32重量%之範圍內，且其中該導電層可包含60至小於75重量%或61至74重量%範圍之量之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層可包含8至11重量%或8至小於11重量%或8至10.5重量%之量之鎳、17至21重量%或18至20重量%範圍之鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至32重量%或26至31重量%或26至30.5重量%之範圍內，且其中該導電層可包含65至小於75重量%或66至74重量%範圍之量之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電層可包含9至15重量%或10至14重量%之量之鎳、15至19重量%或16至18重量%範圍之鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至33重量%或26至32重量%之範圍內，且其中該導電層可包含60至小於73重量%或61至72重量%或61.5至72重量%範圍之量之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
該基板可包括此項技術中已知之任何聚合物組成，其包括(但不限於)選自由以下組成之群之至少一種聚合物：尼龍、聚酯、共聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醯胺；聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、苯乙烯丙烯腈共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯酸系共聚物、聚醯亞胺、聚(醚-醯亞胺)；聚苯醚或聚(苯醚)/聚苯乙烯摻合物、聚苯乙烯樹脂；聚苯硫醚；聚苯硫醚/碸；聚(酯-碳酸酯)；聚碳酸酯；聚碸；聚碸醚及聚(醚-酮)或任何其他上述聚合物之混合物。
於一實施例中，該基板可包含至少一種聚酯，該至少一種聚酯包含選自由乙二醇、1,4-環己烷二甲醇及2,2,4,4-四甲基-1,3-環丁二醇組成之群之至少一種二醇之殘基。
於一實施例中，該基板可包含至少一種聚酯，該至少一種聚酯包含對苯二甲酸及/或對苯二甲酸二甲酯之殘基及選自由乙二醇、1,4-環己烷二甲醇及2,2,4,4-四甲基-1,3-環丁二醇組成之群之至少一種二醇之殘基。
於一實施例中，該基板可包含至少一種聚酯，該至少一種聚酯包括包含對苯二甲酸及異酞酸及/或其酯(諸如對苯二甲酸二甲酯)之殘基之酸組分及包含選自由乙二醇殘基、1,4-環己烷二甲醇殘基及2,2,4,4-四甲基-1,3-環丁二醇組成之群之至少一種二醇之殘基之二醇組分。
於一實施例中，該基板可包含至少一種聚酯，該至少一種聚酯包含對苯二甲酸殘基或其酯或其混合物及1,4-環己烷二甲醇殘基。
於一實施例中，該基板可包括由以下製備之至少一種聚酯：對苯二甲酸殘基或其酯或其混合物及1,4-環己烷二甲醇殘基及/或2,2,4,4-四甲基-1,3-環丁二醇殘基。
於一實施例中，該基板可包括由以下製備之至少一種聚酯：對苯二甲酸殘基或其酯或其混合物、2,2,4,4-四甲基-1,3-環丁二醇殘基及1,4-環己烷二甲醇殘基。
於一實施例中，該基板可包括由以下製備之至少一種聚酯：對苯二甲酸殘基或其酯或其混合物、2,2,4,4-四甲基-1,3-環丁二醇殘基及乙二甲醇殘基。
於一實施例中，該基板可包含至少一種聚酯，該至少一種聚酯包含對苯二甲酸殘基或其酯或其混合物、乙二甲醇殘基及1,4-環己烷二甲醇殘基。
本發明之導電層可由包含本申請案中所揭示之合金組合物中之任一者之單層構造。於某些實施例中，該合金組合物含有合金，該合金可為元素之固溶體(單相)、金屬相之混合物(兩種或多種溶液)或該等相之間無明顯邊界之金屬間化合物。
本發明之一或多個實施例關注用於形成電極(例如，用於生物感測器)之方法。該方法包括(a)提供基板；(b)提供導電層靶；(c)形成導電層，方式為藉由用來自導電層靶之物質物理氣相沉積基板之至少一部分，從而在具有背對基板之導電層表面之基板上形成導電層；(d)提供當用作用於物理氣相沉積之源材料時，產生電阻材料之靶，之後稱作「電阻材料鈀」；(e)提供用於電阻材料靶及導電層表面之含氮氛圍；及(f)形成電阻材料層，方式為於含氮氛圍中，用來自電阻材料靶之物質物理氣相沉積導電層之至少一部分(表面)，從而在導電層表面形成電阻材料層。為清楚起見，應瞭解電阻材料靶可具有與經沉積電阻材料不同之組成及/或結構。於本發明之實施例中，用於沉積電阻材料層之氛圍含有至少一種稀有氣體(例如，Ar)與氮氣之混合物。於本發明之實施例中，氮氣可構成氛圍(用於電阻材料沉積)之約0.5至約50%、1與50%之間、5與50%之間、10與50%之間、20與50%之間、10與45%之間、10與40%之間或20與40%之間，以分壓計。
於本發明之某些實施例中，用於沉積電阻材料層之氛圍含有至少一種稀有氣體(例如，Ar)且無其他故意添加之氣體。然而，預期少量氧或其他元素可以雜質形式存在於濺鍍源材料或沉積(例如，濺鍍)氛圍中(例如，來自不可自濺鍍氛圍完全移除之空氣或水蒸氣)。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含至少8重量%範圍之鎳、大於10重量%範圍之鉻及至少2重量%範圍之鐵，其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於25至小於95重量%或25至90重量%或26至89重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電材料可包含0至20重量%範圍之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。該電阻材料層可包含非晶型碳及至少一種含C-N物質，且可具有5至100 nm或5至50 nm或5至25 nm或5至小於20 nm範圍之厚度。此外，經組合之導電層及電阻材料層可具有小於2000歐姆/平方之薄層電阻。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含8至72重量%範圍之鎳、14至20重量%範圍之鉻及大於5至75重量%範圍之鐵，其中該導電層中之鎳及鉻之總組合重量%係於25至小於95重量%或25至90重量%或26至89重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。該電阻材料層可包含非晶型碳及至少一種C-N物質，且具有5至100 nm或5至50 nm或5至25 nm或5至小於20 nm範圍之厚度。此外，經組合之導電層及電阻材料層可具有小於2000歐姆/平方之薄層電阻。除了鎳、鉻及鐵外，該導電層亦可包含至多2重量%錳及至多1重量%矽，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於80至小於95重量%，或81至94重量%，或82至94重量%，或83至94重量%，或85至94重量%，或86至94重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。除了鎳及鉻外，該導電層亦可包含鐵，其中該導電層中之鐵之重量%可係於大於5重量%至小於12重量%，或約6至約11重量%，或6至11重量%，或6至10重量%，或6至9重量%，或7至10重量%，或7至9重量%，或約9重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。該電阻材料層可包含非晶型碳及至少一種C-N物質，且具有5至100 nm或5至50 nm或5至25 nm或5至小於20 nm範圍之厚度。此外，經組合之導電層及電阻材料層可具有小於2000歐姆/平方之薄層電阻。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含鎳及鉻，其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%可係於25至33重量%或25至小於33重量%或26至32重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。除了鎳及鉻外，該導電層亦可包含鐵，其中該導電層中之鐵之重量%可係於60重量%至小於75重量%或約61至約74重量%或大於61上至74重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。該電阻材料層可包含非晶型碳及至少一種C-N物質，且具有5至100 nm或5至50 nm或5至25 nm或5至小於20 nm範圍之厚度。此外，經組合之導電層及電阻材料層可具有小於2000歐姆/平方之薄層電阻。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含10至30重量%或大於10且小於30重量%或11至29重量%範圍之鎳、17至26重量%或大於17至小於26重量%或18至25重量%範圍之鉻及2至8重量%或大於2且小於8重量%或2.5至7重量%範圍之鉬，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含10至16重量%或大於10且小於16重量%或11至15重量%範圍之鎳、17至21重量%或大於17至小於21重量%或18至20重量%範圍之鉻、2至5重量%或大於2且小於5重量%或3至4重量%範圍之鉬及55至70重量%或大於55至小於70重量%或57至68重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含12.5至29重量%或大於12.5且小於29重量%或13.5至28重量%範圍之鎳、16至24重量%或大於16至小於24重量%或17至23重量%範圍之鉻、3至6重量%或大於3且小於6重量%或4至5重量%範圍之鉬及46至66重量%或大於46至小於66重量%或47至65重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於該方法之一些實施例中，該導電材料可包含16至26.5重量%或大於16且小於26.5重量%或17至25.5重量%範圍之鎳、18至23重量%或大於18至小於23重量%或19至22重量%範圍之鉻、5至8重量%或大於5且小於8重量%或6至7重量%範圍之鉬及41至62重量%或大於41至小於62重量%或42至61重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於該方法之一些實施例中，該導電材料不包含以大於2重量%之量存在之任何其他元素物質(除上述彼等外)，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於一實施例中，該導電材料另外包含0.01至2.0重量%範圍之錳及0.01至1.0重量%範圍之矽，且不包含以大於0.2或0.1或0.05重量%之量存在之任何其他元素物質，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於該方法之一些實施例中，該導電材料為包括下列合金中之一或多者或自下列合金中之一或多者產生之金屬：不銹鋼(SS) 354 SMO、SS 304、SS 316、SS 317L、SS 317LM、SS 317LMN、SS 904、SS AL-6XN或SS合金24。於該方法之一些實施例中，該導電材料為選自下列合金中之一或多者之金屬：不銹鋼(SS) 354 SMO、SS 304、SS 316、SS 317L、SS 317LM、SS 317LMN、SS 904、SS AL-6XN或SS合金24。
本發明之一或多個實施例關注形成用於生物感測器之電極之方法。經組合之導電層及電阻材料層可具有不多於5000、2000、100、80、60、50、40、20、10或5歐姆/平方之薄層電阻，如藉由ASTM F1711-96所量測。於一些實施例中，該等層可具有1至5000歐姆/平方、1至4000歐姆/平方、1至3000歐姆/平方、1至2000歐姆/平方、1至1000歐姆/平方、1至500歐姆/平方、5至100歐姆/平方、5至20歐姆/平方、5至15歐姆/平方、5至10歐姆/平方、10至80歐姆/平方、20至60歐姆/平方或40至50歐姆/平方之薄層電阻，如藉由ASTM F1711-96所量測。該等層可具有小於2000歐姆/平方之薄層電阻。
本發明大體上係關於用於電極(諸如生物感測器中使用之彼等)之組件。如本文中所用，術語「生物感測器」應表示用於分析生物樣本之裝置。於一些實施例中，如圖1中所述，生物感測器組件可為層狀薄膜電極100且可大致包含基板102、沉積在該基板102之至少一部分上之導電層104及沉積在該導電層104之至少一部分上之電阻材料層106。於一些實施例中，生物感測器可為醫用感測器(諸如葡萄糖量測系統)及生物感測器組件可為與生物感測器一起使用之測試條。如本文中所用，術語「醫用感測器」應表示用於醫學監測及/或診斷之生物感測器。例如，如圖2中所述，一些實施例涵蓋生物感測器組件將包括測試條110，該測試條包含藉由反應空間112與第二電極100a分離之第一電極100。該第一電極100可包括工作電極且該第二電極100a可包括參比電極或相對電極或組合之參比電極及相對電極。照此，可將生物樣本(諸如一滴血)放置於反應空間112內且與第一及第二電極100及100a電接觸用於分析。應瞭解圖2無意具限制性且顯示測試條之一可能實施例。測試條之其他實施例可包括電極之不同組態，諸如，例如，共面電極組態。如本文中所用，術語「血糖感測器」應表示用於檢測血液中之葡萄糖濃度之醫用感測器。此外，與生物樣本反應之生物反應物(例如，蛋白質、酵素(例如，葡萄糖氧化酶、葡萄糖脫氫酶等))及介體(例如，鐵氰化物、釕錯合物、鋨錯合物、醌、吩噻嗪、吩噁嗪等)可在一或兩個電極(例如，工作電極)上形成。
不同於通常包含及/或使用貴金屬(諸如鈀及/或金)之習知物理氣相沉積生物感測器組件，本文中所述之生物感測器組件可自非貴金屬合金(諸如包含鎳及鉻之彼等)形成。然而，當量測生物樣本時，具有如本文中所述之自非貴金屬(其上已沉積電阻材料層)形成之生物感測器組件(諸如薄膜電極)可展示優越一致性及精確性。因此，藉由使用如本文中所述之包括非貴金屬合金及電阻材料層之生物感測器組件，可顯著減低通常與生物感測器組件之製造及使用相關聯之材料及製造成本。
本發明之實施例提供自任何類型材料(可撓性或剛性)形成之基板102，該材料一般係非導電且對本文中所述預期化學反應係化學惰性。於某些實施例中，生物感測器組件之基板102可包括可撓性、非導電薄膜(包括聚合物，諸如聚合薄膜、聚酯薄膜、聚碳酸酯薄膜等)。於某些特定實施例中，基板102可包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜。本發明之實施例預期基板102可具有至少25 µm、125 µm或250 µm及/或不多於800 µm、500 µm或400 µm之厚度。於某些實施例中，基板102可具有25至800 µm、25至500 µm或25至400 µm之間、125至800 µm、125至500 µm或125至400 µm之間或250至800 µm、250至500 µm或250至400 µm之間之厚度。
塗覆在基板102上之導電層104可包含一或多種非貴金屬。此導電層104可經由諸如以下之一或多種物理氣相沉積技術塗覆在基板102上：濺鍍塗覆(例如，磁控濺鍍、非平衡磁控濺鍍、離子束濺鍍、面向靶濺鍍等)、熱蒸發、電子束蒸發、電弧蒸發、共蒸發、離子鍍等或其組合。導電層104可在基板102上塗覆至至少1、10、15或30 nm及/或不多於1000、200、100或50 nm之厚度。於某些實施例中，導電層104可具有1至1000 nm、1至200 nm、1至100 nm或1至50 nm之間、10至1000 nm、10至200 nm、10至100 nm或10至50 nm之間、15至1000 nm、15至200 nm、15至100 nm或15至50 nm之間或30至1000 nm、30至200 nm、30至100 nm或30至50 nm之間之厚度。
電阻材料層106可經由諸如以下之一或多種物理氣相沉積技術沉積在導電層104上：濺鍍塗覆(例如，磁控濺鍍、非平衡磁控濺鍍、離子束濺鍍、面向靶濺鍍等)、熱蒸發、電子束蒸發、電弧蒸發、共蒸發、離子鍍、電漿增強氣相沉積、原子層沉積等或其組合。於某些實施例中，電阻材料層106可在基板104上塗覆至至少1、5、10或15 nm及/或不多於200、100、50、25、20、小於20之量或15 nm之厚度。於某些實施例中，電阻層106可具有1至200 nm、1至100 nm、1至50 nm、1至20 nm、1至小於20 nm或1至15 nm，或5至200 nm、5至100 nm、5至50 nm、5至25 nm、5至20 nm、5至小於20 nm或5至15 nm，或10至200 nm、10至100 nm、10至50 nm或10至25 nm、10至20 nm、10至小於20 nm或10至15 nm之厚度。
導電層104及電阻材料層106可沉積在基板102上，使得所得薄膜電極100將對可見光一般係不透明。例如，所得薄膜電極100可具有不多於50%、不多於40%、不多於30%或不多於20%之可見光透射率，如藉由ASTM D1003所量測。於某些實施例中，所得薄膜電極100可具有1至50%、10至40%、15至30%或約20%之可見光透射率。此外，所得薄膜電極100可具有不多於5000、2000、100、80、60、50、40、20、10或5歐姆/平方之薄層電阻，如藉由ASTM F1711-96所量測。於一些實施例中，所得薄膜電極100可具有1至5000歐姆/平方、2至2000歐姆/平方、5至100歐姆/平方、10至80歐姆/平方、20至60歐姆/平方或40至50歐姆/平方之薄層電阻。
形成導電層104之本文中所述非貴金屬可包括鎳及鉻之合金。例如，使用包括至少4或5或6或8重量%鎳及至少10重量%鉻之非貴金屬合金來製備生物感測器組件之導電層104，其中該導電層另外藉由在導電層104上沉積電阻材料層106(其包含非晶型碳及至少一種C-N物質)塗覆。表1包括含鎳及鉻之合金，該等合金係用於製備包含導電層及電阻材料層二者之電極。製備之電阻材料層包含含有非晶型碳之層及含有非晶型碳及至少一種C-N物質二者之層。應瞭解除非另有明確指明，否則本文中提供之導電層中含有之元素之重量%係僅基於導電層之總重量計，且不包括電阻層中含有之元素。
除了表1中所述之合金外，於某些實施例中，於構成電極之導電層(例如，生物感測器組件之導電層104)之非貴金屬合金中所包含之鎳及鉻之量及元素量可取決於電極(例如，生物感測器組件)之特定要求變化。於各種實施例中，非貴金屬合金可包含至少約4或5或6或8至約72重量%之鎳。此外，於各種實施例中，非貴金屬合金可包含至少約10、13、14及/或至多約30、25、20、19、18或17重量%之鉻。更特定言之，於實施例中，非貴金屬合金可包含約12至30、12至25、13至20、13至19、13至18、13至17、14至20、14至19、14至18或14至17重量%範圍之鉻。
於各種實施例中，非貴金屬合金可包含至少約5至約95重量%之鎳。此外，於各種實施例中，非貴金屬合金可包含至少約5、10、20、大於20、25、30、40、50或大於50、60及/或至多約95、90、80、70、60、大於50、50或40重量%之鉻。更特定言之，於實施例中，非貴金屬合金可包含約5至95、10至90、10至80、10至70、10至60、10至50、10至40、20至90、20至80、20至70、20至60、20至50、20至40、大於20至90、大於20至80、大於20至70、大於20至60、大於20至50、大於20至40、25至90、25至80、25至70、25至60、25至50、25至40、30至90、30至80、30至70、30至60、30至50、30至40、40至90、40至80、40至70、40至60、40至50、50至90、50至80、50至70、50至60、大於50至95、大於50至90、大於50至80、大於50至70、大於50至60、60至95、60至90、60至80、60至70、70至95、70至90、70至80、80至95或80至90重量%範圍之鉻。於一實施例中，除了如上所述之鉻之量外，合金之剩餘部分為鎳。應瞭解合金含有合金之100重量%之組合量之鎳及鉻，合金仍可含有少量呈雜質之其他元素。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳及鉻之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：10至95重量%鉻及5至90重量%鎳；10至90重量%鉻及10至90重量%鎳；或10至80重量%鉻及20至90重量%鎳；或10至70重量%鉻及30至90重量%鎳；或10至60重量%鉻及40至90重量%鎳；或10至50重量%鉻及50至90重量%鎳，或10至40重量%鉻及60至90重量%鎳；或20至90重量%鉻及10至80重量%鎳；或20至80重量%鉻及20至80重量%鎳；或20至70重量%鉻及30至80重量%鎳；或20至60重量%鉻及40至80重量%鎳；或20至50重量%鉻及50至80重量%鎳；或20至40重量%鉻及60至80重量%鎳；或大於20至90重量%鉻及10至小於80重量%鎳；或大於20至80重量%鉻及20至小於80重量%鎳；或大於20至70重量%鉻及30至小於80重量%鎳；或大於20至60重量%鉻及40至小於80重量%鎳；或大於20至50重量%鉻及50至小於80重量%鎳；或大於20至40重量%鉻及60至小於80重量%鎳；或25至90重量%鉻及10至75重量%鎳；或25至80重量%鉻及20至75重量%鎳；或25至70重量%鉻及30至75重量%鎳；或25至60重量%鉻及40至75重量%鎳；或25至50重量%鉻及50至75重量%鎳；或25至40重量%鉻及60至75重量%鎳；或30至90重量%鉻及10至70重量%鎳；或30至80重量%鉻及20至70重量%鎳；或30至70重量%鉻及30至70重量%鎳；或30至60重量%鉻及40至70重量%鎳；或30至50重量%鉻及50至70重量%鎳；或30至40重量%鉻及60至70重量%鎳；或40至90重量%鉻及10至60重量%鎳；或40至80重量%鉻及20至60重量%鎳；或40至70重量%鉻及30至60重量%鎳；或40至60重量%鉻及40至60重量%鎳；或40至50重量%鉻及50至60重量%鎳；或50至95重量%鉻及5至50重量%鎳；50至90重量%鉻及10至50重量%鎳；或50至80重量%鉻及20至50重量%鎳；或50至70重量%鉻及30至50重量%鎳；或50至60重量%鉻及40至50重量%鎳；或大於50至95重量%鉻及5至小於50重量%鎳；或大於50至90重量%鉻及10至小於50重量%鎳；或大於50至80重量%鉻及20至小於50重量%鎳；或大於50至70重量%鉻及30至小於50重量%鎳；或大於50至60重量%鉻及40至小於50重量%鎳；或60至95重量%鉻及5至40重量%鎳；或60至90重量%鉻及10至40重量%鎳；或60至80重量%鉻及20至40重量%鎳；或60至70重量%鉻及30至40重量%鎳；或70至95重量%鉻及5至30重量%鎳；或70至90重量%鉻及10至30重量%鎳；或70至80重量%鉻及20至30重量%鎳；或80至95重量%鉻及5至20重量%鎳；或80至90重量%鉻及10至20重量%鎳；所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於某些實施例中，該導電層含有0至2或0至1重量%之量之鉬(若存在)，基於該導電層之總重量計。於某些實施例中，該導電層含有小於1或小於0.8或小於0.6或小於0.4或小於0.2或小於0.1重量%之量之鉬(若存在)，基於該導電層之總重量計。於實施例中，該導電層係實質上不含鉬。於實施例中，該導電層不含鉬。
於某些實施例中，該導電層含有小於1.0或小於0.5或小於0.2重量%之下列元素物質各者：鐵、碳、硫、磷、鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：碳、硫、磷、鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於某些實施例中，該導電層包含鎳及鉻且含有小於1.0或小於0.5或小於0.2或小於0.1或小於0.05重量%之任何其他元素物質。於某些實施例中，該導電層包含鎳及鉻且含有小於2.0或小於1.0或小於0.5或小於0.2或小於0.1或小於0.05重量%之總所有其他元素物質。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳及鉻之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：10至30重量%鉻及4至81重量%鎳；10至30重量%鉻及8至81重量%鎳；或10至25重量%鉻及8至81重量%鎳；或12至25重量%鉻及8至81重量%鎳；或13至23重量%鉻及8至81重量%鎳；或13至21重量%鉻及8至81重量%鎳，或14至20重量%鉻及8至81重量%鎳；或12至25重量%鉻及8至75重量%鎳；或13至23重量%鉻及8至75重量%鎳；或13至21重量%鉻及8至75重量%鎳；或14至20重量%鉻及8至75重量%鎳；或12至25重量%鉻及8至72重量%鎳；或13至23重量%鉻及8至72重量%鎳；或13至21重量%鉻及8至72重量%鎳；或14至20重量%鉻及8至72重量%鎳。於某些實施例中，此等金屬合金亦可包含至少2重量%鐵；或2至75重量%鐵，或3至75重量%鐵；或4至75重量%鐵；或5至75重量%鐵。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳及鉻之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：12至25重量%鉻及70至81重量%鎳；或13至20重量%鉻及70至81重量%鎳；或13至19重量%鉻及70至81重量%鎳；或13至18重量%鉻及70至81重量%鎳；或13至17重量%鉻及70至81重量%鎳，或14至20重量%鉻及70至81重量%鎳；或14至19重量%鉻及70至81重量%鎳；或14至18重量%鉻及70至81重量%鎳；或14至17重量%鉻及70至81重量%鎳；或13至20重量%鉻及71至81重量%鎳；或13至19重量%鉻及71至81重量%鎳；或13至18重量%鉻及71至81重量%鎳；或13至17重量%鉻及71至81重量%鎳；或14至20重量%鉻及71至81重量%鎳；或14至19重量%鉻及71至81重量%鎳；或14至18重量%鉻及71至81重量%鎳；或14至17重量%鉻及71至81重量%鎳；或13至20重量%鉻及72至81重量%鎳；或13至19重量%鉻及72至81重量%鎳；或13至18重量%鉻及72至81重量%鎳；或13至17重量%鉻及72至81重量%鎳；或14至20重量%鉻及72至81重量%鎳；或14至19重量%鉻及72至81重量%鎳；或14至18重量%鉻及72至81重量%鎳；或14至17重量%鉻及72至81重量%鎳；或13至18重量%鉻及70至80重量%鎳；或13至17重量%鉻及70至80重量%鎳；或14至18重量%鉻及70至80重量%鎳；或14至17重量%鉻及70至80重量%鎳；或13至18重量%鉻及71至80重量%鎳；或13至17重量%鉻及71至80重量%鎳；或14至18重量%鉻及71至80重量%鎳；或14至17重量%鉻及71至80重量%鎳；或13至18重量%鉻及72至80重量%鎳；或13至17重量%鉻及72至80重量%鎳；或14至18重量%鉻及72至80重量%鎳；或14至17重量%鉻及72至80重量%鎳；所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於某些實施例中，此等金屬合金亦可包含至少5重量%鐵；或5至12重量%鐵，或6至12重量%鐵；或6至11重量%鐵。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳及鉻之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：14至22重量%鉻及7至15重量%鎳；或15至21重量%鉻及7至15重量%鎳；或16至20重量%鉻及7至15重量%鎳；或14至22重量%鉻及8至14重量%鎳；或15至21重量%鉻及8至14重量%鎳，或16至20重量%鉻及8至14重量%鎳。於某些實施例中，此等金屬合金亦可包含至少61重量%鐵；或61至75重量%鐵，或61至74重量%鐵；或61.5至75重量%鐵。於一些實施例中，該導電層包含17至21重量%鉻及7至11重量%鎳；或18至20重量%鉻及7至11重量%鎳；或17至21重量%鉻及8至11重量%鎳；或18至20重量%鉻及8至11重量%鎳；或18至20重量%鉻及8至10.5重量%鎳；且於實施例中，該導電層另外包含65至75重量%鐵，或66至74重量%鐵；或大於66上至75重量%鐵。於一些實施例中，該導電層包含17至19重量%鉻及9至15重量%鎳；或16至18重量%鉻及9至15重量%鎳；或17至19重量%鉻及10至14重量%鎳；或16至18重量%鉻及10至14重量%鎳；且於實施例中，該導電層另外包含60至73重量%鐵，或61至72重量%鐵；或大於61.5上至72重量%鐵。
構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金亦可包含鐵。於各種實施例中，該等非貴金屬合金可包含至少約2、3、4、5、6或7及/或至多約80、75或74重量%之鐵。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含2至小於80或約2至75、3至75、4至75、5至75、6至75、7至75、2至74、3至74、4至74、5至77、6至74、7至74重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含至少約5、6或7及/或至多約12、11、10或9重量%之鐵。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含大於5至小於12或約6至11、6至10、6至9、7至11、7至10、7至9或約9重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含至少約60、61、62、63、64、65或66及/或至多約80、78、76、75或74重量%之鐵。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含60至80，或約61至79，或61至75，或61至74，或61至73，或61至72，或62至78，或63至77，或64至76，或65至75，或65至小於75，或65至74，或66至小於75，或66至74重量%範圍之鐵，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
於某些實施例中，可存在於本發明中之除了鎳、鉻及鐵之非貴金屬合金可包含如下組I中之一或多者：錳及銅；及/或如下組II中之一或多者：碳及矽。可用於本發明之所有金屬合金之重量%均基於等於100重量%之導電層中之物質之總重量%計。
於某些實施例中，該導電層可另外包含至少約0.001、0.01或0.1及/或至多2.0、1.5、1.0、0.9、0.8、0.7或0.6重量%之錳。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含約0.001至2.0、小於約2.0、0.001至1.0、0.01至1.0、0.1至1.0或小於約1.0重量%範圍之錳。
於某些實施例中，該導電層可另外包含至少約0.001、0.01、0.1或0.2及/或至多約1.0、0.5、0.4或0.3重量%之銅。於某些實施例中，該等非貴金屬合金可包含約0.001至1.0、小於約1.0、0.001至0.5、0.01至0.5、0.1至0.5或小於約0.5重量%範圍之銅。
於某些實施例中，該導電層可另外包含最多3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5、0.3、0.2、0.1、0.05或0.015重量%之矽。於某些實施例中，該導電層可包含最多0.15重量%之碳。
於某些實施例中，該導電層含有0至20、0至15、0 to13、0至10、0至5、0至4、0至3、0至2.5、0至2或0至1之量之鉬(若存在)，基於該導電層之總重量計。於某些實施例中，該導電層含有小於1或小於0.8或小於0.6或小於0.4或小於0.2或小於0.1重量%之量之鉬(若存在)，基於該導電層之總重量計。於實施例中，該導電層係實質上不含鉬。於實施例中，該導電層不含鉬。
於某些實施例中，該導電層含有2至10，或2至8，或2至7.5，或2至7.0，或2至6.5，或2.5至8，或2.5至7.5，或2.5至7.0，或2.5至6.5，或3至8，或3至7.5，或3至7.0，或3至6.5，或3.5至8，或3.5至7.5，或3.5至7.0，或3.5至6.5，或4至8，或4至7.5，或4至7.0，或4至6.5，或4.5至8，或4.5至7.5，或4.5至7.0，或4.5至6.5重量%鉬。於某些實施例中，該導電層含有2至6.5，或2至6.0，或2至5.5，或2至5，或2至4.5，或2至4，或2.5至6.5，或2.5至6.0，或2.5至5.5，或2.5至5，或2.5至4.5，或2.5至4，或3至6.5，或3至6.0，或3至5.5，或3至5，或3至4.5，或3至4，或3.5至6.5，或3.5至6.0，或3.5至5.5，或3.5至5，或3.5至4.5，或4至6.5，或4至6.0，或4至5.5，或4至5，或4.5至6，或4.5至5.5，或5至6重量%鉬。
於某些實施例中，該導電層含有小於0.2重量%之下列元素物質各者：碳、硫、磷、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含下列元素物質：鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層含有小於0.2重量%之下列元素物質各者：碳、硫、磷、鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。於一實施例中，該導電層不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。
於一實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦、磷或硼，或於任何物質存在之實施例中，此物質為下列量：小於0.25重量%，或小於0.2重量%，或小於0.1重量%，或小於0.05重量%，或痕量或更少。於某些實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：鉬、鈮、鈷、鋁、鈦、磷或硼。於一實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：鉬、銅、鈮、鈷、鋁、鈦或硼，或於任何物質存在之實施例中，此物質為下量：小於0.25重量%，或小於0.2重量%，或小於0.1重量%，或小於0.05重量%，或痕量或更少。於某些實施例中，該導電層不含或實質上不含下列元素物質：鉬、銅、鈮、鈷、鋁、鈦或硼。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳、鉻及鐵之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：10至30重量%鉻、8至75重量%鎳及2至75重量%鐵；或10至25重量%鉻、8至75重量%鎳及3至75重量%鐵；或10至25重量%鉻、8至75重量%鎳及4至75重量%鐵；或10至25重量%鉻、8至75重量%鎳及5至75重量%鐵；或13至21重量%鉻、8至73重量%鎳及6至75重量%鐵，或14至20重量%鉻、8至72重量%鎳及6至74重量%鐵，所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量%計。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳、鉻及鐵之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：13至25重量%鉻、70至81重量%鎳及大於5至小於12重量%鐵；或13至20重量%鉻、70至81重量%鎳及6至11重量%鐵；或13至18重量%鉻、70至81重量%鎳及6至11重量%鐵；或14至17重量%鉻、70至81重量%鎳及6至11重量%鐵；或13至18重量%鉻、72至81重量%鎳及6至11重量%鐵，或14至17重量%鉻、72至81重量%鎳及6至11重量%鐵；或14至17重量%鉻、72至81重量%鎳及6至10重量%鐵，所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量%計。
於某些實施例中，於構成電極(例如，生物感測器組件)之導電層之非貴金屬合金中所包含之鎳、鉻及鐵之量可取決於生物感測器組件之特定要求如下變化：14至22重量%鉻、7至15重量%鎳及60至75重量%鐵；或15至21重量%鉻、7至15重量%鎳及61至75重量%鐵；或16至20重量%鉻、7至15重量%鎳及61至75重量%鐵；或16至20重量%鉻、8至14重量%鎳及61至75重量%鐵；或16至20重量%鉻、8至14重量%鎳及61至74重量%鐵，或16至20重量%鉻、8至14重量%鎳及61.5至74重量%鐵，所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量%計。於一些實施例中，電極之導電層可包含：16至22重量%鉻、7至12重量%鎳及65至75重量%鐵；或17至21重量%鉻、7至12重量%鎳及65至75重量%鐵；或18至20重量%鉻、7至12重量%鎳及65至75重量%鐵；或16至22重量%鉻、8至12重量%鎳及65至75重量%鐵；或16至22重量%鉻、8至11重量%鎳及65至75重量%鐵，或18至20重量%鉻、8至11重量%鎳及66至74重量%鐵，所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量%計。於一些實施例中，電極之導電層可包含：14至20重量%鉻、8至16重量%鎳及60至74重量%鐵；或15至19重量%鉻、8至16重量%鎳及60至74重量%鐵；或16至18重量%鉻、8至16重量%鎳及60至74重量%鐵；或14至20重量%鉻、9至15重量%鎳及60至74重量%鐵；或14至20重量%鉻、10至14重量%鎳及60至74重量%鐵，或16至18重量%鉻、10至14重量%鎳及61至72重量%鐵，所有此等重量%均基於等於100重量%之該導電層之總重量%計。
本發明之導電層可由包含本申請案中所揭示之合金組合物中之任一者之單層構造。於某些實施例中，該合金組合物含有合金，該合金可為元素之固溶體(單相)、金屬相之混合物(兩種或多種溶液)或該等相之間無明顯邊界之金屬間化合物。
如熟習此項技術者容易瞭解，非貴金屬合金之元素可包含附帶雜質。如本文中所用，「附帶雜質」係指於用於產生非貴金屬合金之礦石中自然產生或在生產過程期間無意添加之任何雜質。該等非貴金屬合金可包含小於約0.1、0.05或0.001重量%之附帶雜質。
本文中所述之非貴金屬合金亦可含有一或多種額外合金化元素，其係除了上述元素。然而，於各種實施例中，該等非貴金屬合金可實質上不含此等額外合金化元素。如本文中所用，術語「實際上無」及「實質上不含」意指非貴金屬合金包含小於0.001重量%之此等額外合金化組分。此外，術語「實際上不含」及「實質上不含」可互換使用。
於各種實施例中，該電阻材料層包含藉由x-射線光電子光譜術(XPS)分析(如下實例部分中所述)測定之大於20原子%(at%)或大於25原子%或大於30原子%之量之至少一種C-N物質。於實施例中，該電阻材料層含有藉由XPS分析測定之小於20或小於15或小於14或小於13或小於12或小於11原子%之C-O物質。
於本發明之某些實施例中，本文中所述之生物感測器組件可藉由進行下列步驟製備： (a)提供基板； (b)提供導電層靶； (c)形成導電層，方式為藉由用來自靶之物質物理氣相沉積基板之至少一部分，從而在具有背對基板之導電層表面之基板上形成導電層； (d)提供電阻材料靶； (e)提供用於電阻材料靶及導電層表面之含氮氛圍；及 (f)形成電阻材料層，方式為於含氮氛圍中，用來自電阻材料靶之物質物理氣相沉積導電層之至少一部分，從而在導電層表面形成電阻材料層。
步驟(a)之提供基板可包括提供如上所述之任何類型之基板材料(諸如PET)。於某些實施例中，該基板將包括可於高真空室內驅動之基板材料片。該基板材料片可包括單節材料，諸如正方形片。於一些其他實施例中，基板材料片可包括經由輥軋(roll to roll)機制穿過高真空室之一卷材料，如下將詳細描述。於其他實施例中，該基板可保持固定或其可在沉積期間旋轉及/或軌道運行，如下亦將描述。
步驟(b)之提供靶可包括提供由上述非貴金屬合金中之任一者所構成之物理氣相沉積靶。例如，於一些實施例中，使用包含表1中所列合金之物理氣相沉積靶來製備薄膜導電層。此等合金靶可包含小於約0.1、0.05或0.001重量%之附帶雜質。於一些實施例中，在物理氣相沉積製程期間，該物理氣相沉積靶將位於電極內及/或將包含電極，諸如濺鍍陰極。於某些實施例中，該物理氣相沉積靶可為具有至少2、4、8、12、16或20 cm直徑之圓形。於其他實施例中，該物理氣相沉積靶可為具有至少2、4、8或16 cm內徑及20、24、28或32 cm外徑之管狀靶。於又其他實施例中，該物理氣相沉積靶可為具有以下尺寸之矩形：5至25 cm寬度，25至75 cm長度及0.3至5 cm厚度。然而，應瞭解本發明之實施例預期其他形狀及尺寸靶之使用。
步驟(c)之物理氣相沉積一般包括用來自非貴金屬合金靶之物質塗覆基板以形成導電層。如本文中所用，術語「物理氣相沉積」應表示藉由提供蒸發物質在基板上冷凝來沉積薄膜。物理氣相沉積塗覆可利用上述任何類型之物理氣相沉積製程(即，濺鍍塗覆、熱蒸發、電子束蒸發、電弧蒸發、共蒸發、離子鍍等)進行。例如，於一些實施例中，物理氣相沉積步驟將經由濺鍍製程進行，其中基板係利用導電層經由濺鍍裝置濺鍍非貴金屬合金靶塗覆。此濺鍍型物理氣相沉積之特定實例將於以下更詳細描述。經導電層塗覆之所得基板可用作生物感測器組件(諸如電極)。此等電極可包括工作電極、參比電極及/或相對電極。於某些實施例中，諸如當一卷基板材料用導電層經由輥軋物理氣相沉積製程真空塗覆時，可將所得薄膜片切開至適宜尺寸以形成具有用於生物感測器組件之特定尺寸之薄膜電極。於其他實施例中，生物感測器組件可自薄膜片藉由蝕刻(諸如化學或鐳射蝕刻(或剝蝕))形成。於又其他實施例中，生物感測器組件可使用圖案化遮罩形成，將該圖案化遮罩放置在基板上，且使導電層在其上物理氣相沉積以形成生物感測器組件之導電層。
步驟(d)之提供靶可包括提供包含上述電阻材料之物理氣相沉積靶。例如，於一些實施例中，使用包含碳之物理氣相沉積靶來製備含非晶型碳之薄膜層。此等電阻材料靶可包含小於約0.1、0.05或0.001重量%之附帶雜質。於實施例中，靶可包含可不同於經沉積電阻層材料，但當用作物理氣相沉積之源材料時產生電阻材料之物質。應瞭解該電阻材料靶可具有與經沉積電阻材料不同之組成及/或結構。於一些實施例中，在物理氣相沉積製程期間，該物理氣相沉積靶將位於電極內及/或將包含電極，諸如濺鍍陰極。於某些實施例中，該物理氣相沉積靶可為具有至少2、4、8、12、16或20 cm直徑之圓形。於其他實施例中，該物理氣相沉積靶可為具有至少2、4、8或16 cm內徑及20、24、28或32 cm外徑之管狀靶。於又其他實施例中，該物理氣相沉積靶可為具有以下尺寸之矩形：5至25 cm寬度，25至75 cm長度及0.3至5 cm厚度。然而，應瞭解本發明之實施例預期其他形狀及尺寸靶之使用。
步驟(e)之提供含氮氛圍可於物理氣相沉積裝置(設備)之真空室內進行，其中使該室最初達到真空及然後用稀有氣體與氮氣混合物填充。於某些實施例中，氮氣可構成氛圍(於室中)之約0.5至約50%、1與50%之間、5與50%之間、10與50%之間、20與50%之間、10與45%之間、10與40%之間或約20至約40%，以分壓計。於一實施例中，氣體混合物為氬氣及氮氣，其中可選擇氮氣之量。
步驟(f)之物理氣相沉積一般包括用來自電阻材料靶之物質塗覆基板以形成電阻材料層。如本文中所用，術語「物理氣相沉積」應表示藉由提供蒸發物質在基板上冷凝來沉積薄膜。物理氣相沉積塗覆可利用上述任何類型之物理氣相沉積製程(例如，濺鍍塗覆、熱蒸發、電子束蒸發、電弧蒸發、共蒸發、離子鍍等)進行。例如，於一些實施例中，物理氣相沉積步驟將經由濺鍍製程進行，其中導電層(先前沉積在基板上)係利用電阻材料層經由濺鍍裝置濺鍍電阻材料靶塗覆。此濺鍍型物理氣相沉積之特定實例將於以下更詳細描述。經導電層及電阻材料層塗覆之所得基板可用作生物感測器組件(諸如電極)。於實施例中，「電阻材料」層一般為與形成層狀結構之導電層不同之層，其中在該等層之間存在明顯界面使得電阻材料層及導電層各者為具有不同組成之分開且不同層。
於本發明之一態樣中，提供一種調節薄膜電極之電子轉移動力學之方法，其中含氮氛圍中之氮氣之分壓(與形成本文中所述電極之方法相關聯)經選擇以調整電極之異質電子轉移動力學以達成線性掃描或循環伏安圖曲線之期望曲線型式圖。針對某些應用提供具有較慢電子轉移動力學之電極可係有利的。
於某些實施例中，諸如當一卷基板材料用導電層真空塗覆，接著該導電層表面用電阻材料層真空塗覆(經由輥軋物理氣相沉積製程)時，可將所得薄膜片切開至適宜尺寸以形成具有用於生物感測器組件之特定尺寸之薄膜電極。此等電極可包括工作電極、參比電極及/或相對電極。電極亦可包括用於檢測樣本之電導率之彼等，無論樣本是否適用於生物感測器組件或樣本之其他電特性或樣本環境是否可用於生物感測器。於其他實施例中，生物感測器組件可自薄膜片藉由蝕刻(諸如化學或鐳射蝕刻)形成。於又其他實施例中，生物感測器組件可使用圖案化遮罩形成，將該圖案化遮罩放置在基板及/或導電層上，且使導電層及/或電阻材料層在其上物理氣相沉積以形成生物感測器組件。
於某些特定實施例中，生物感測器組件可經由包含輥軋磁控濺鍍之輥軋物理氣相沉積製程創造。例如，包括由PET (聚對苯二甲酸乙二酯)製備之聚合物薄膜之具有25 µm至250 µm範圍之厚度及33.02 cm之寬度之基板片可使用77.50 cm寬的網狀輥軋磁控濺鍍塗佈機(諸如由Applied Materials, Inc.提供之Smartweb塗佈機或由CHA Industries, Inc.提供之Mark 80)濺鍍。可採用單靶或雙靶組態沉積非貴金屬合金(諸如來自表1之某些合金)之導電層。可使用包括非貴金屬合金板(諸如可得自Tricor Industries Inc.)之靶。濺鍍塗佈機之真空室可使用擴散及機械泵組合抽降至至少10-5托之基礎壓力。於其他實施例中，可使用機械泵、渦輪泵、低溫泵及/或油擴散泵之組合。安置一般具有矩形形狀之非貴金屬合金靶之磁控濺鍍陰極可使用2 KW電源(諸如自Advanced Energy Inc.提供)能量化。可控制(諸如經由MKS型號1179A流量控制器)流入真空室之氬氣以將濺鍍壓力設置在3至10毫托之間用於在濺鍍製程期間使用。
濺鍍之導電層之厚度及薄層電阻可藉由控制特定製程參數原位有效控制。製程參數之實例包括輥軋網速度(即，當在濺鍍期間基板片行進通過真空室時，控制基板片之速度)、對濺鍍靶所提供之電能(即，對靶表面附近形成之電漿施加電壓及電流之產品)、濺鍍室中之氣壓及室中存在之靶之數目。例如，對於給定合金之導電層之濺鍍，網速度可設置在0.1至3.5米/分鐘及1至8瓦特(Watts)/cm2 之濺鍍功率密度。於實施例中，可形成具有約25 nm之經量測厚度值及約45歐姆/平方之薄層電阻之經濺鍍合金導電層。於一些實施例中，預期層厚度可藉由即時量測(例如，光學監測)並回饋給沉積製程加以控制。
電阻材料層可經由上述沉積技術中之一者沉積在導電層之頂部。例如，於一實施例中，電阻層可使用來自碳靶之DC磁控濺鍍沉積。電阻材料層之厚度可藉由控制特定製程參數控制。製程參數之實例包括輥軋網速度(即，當在濺鍍期間基板片行進通過真空室時，控制基板片之速度)、對濺鍍靶提供之電能(即，對靶表面附近形成之電漿施加電壓及電流之功能)、濺鍍室中之氣壓及室中存在之靶之數目。例如，於某些實施例中，對於給定合金之電阻層之濺鍍，網速度可設置在0.1至3.5米/分鐘及1至8瓦特/cm2 之濺鍍功率密度。於實施例中，可形成具有約1至200 nm之經量測厚度值之經濺鍍電阻層。亦發現含碳電阻材料之厚度及沉積速率可藉由調整真空室之含氮氛圍中之氮氣之分壓更改。
於本發明之實施例中，用於沉積電阻材料層之氛圍含有至少一種稀有氣體(例如，Ar)及氮氣之混合物。於本發明之實施例中，氮氣可構成氛圍(用於電阻材料沉積)之約0.5至約50%、1與50%之間、5與50%之間、10與50%之間、20與50%之間、10與45%之間、約10至約40%、約20至約40%、10與40%之間或20與40%之間，以分壓計。已發現含碳電阻材料之沉積速率隨著氮氣(例如，於經混合Ar及N2 氛圍中)之分壓增加而增加，但在約40% N2 分壓下似乎達到飽和點，在此情況下額外N2 不繼續增加沉積速率。
亦已發現於含碳電阻材料沉積步驟中增加氮氣(例如，於經混合Ar及N2 氛圍中)之分壓會導致薄膜電極相較於類似導電層薄膜(無電阻材料層)或相較於具有於純Ar氛圍中(自相同電阻源材料)沉積之含碳電阻材料層之類似薄膜具有降低之摩擦係數及增加之耐劃傷性。
除了上述輥軋製程外，生物感測器組件可使用相同幾何學之放大版本使用大規模輥軋製程製造。於此大規模輥軋製程中，最大網速度可為0.1至10米/分鐘(例如，3至7米/分鐘)或高於10米/分鐘。該大規模輥軋製程可提供0.1至13、2至10或5至8瓦特/cm2 之濺鍍功率密度。此外，靶數目可包括2個、4個、6個或更多，且基板片之網寬度可為75 cm或更大。於本發明之實施例中，導電層及電阻材料層之沉積步驟各者可藉由在1.5至40 kW或1.75至18 kW或1.75至9 kW或約2 kW範圍之功率下操作之濺鍍系統進行。雖然以上已提供具有特定範圍之實施例，但應瞭解沉積係藉由施加功率控制且速率(沉積及網速度)與功率成正比。因此，期望在可用於給定材料之最高功率下運行，因為可建立穩定過程(熱緩解、陰極穩定性、電源之電壓及電流限制、電弧化)。給定施加功率之所得電壓係取決於靶材料之組成，即，主要由材料之次級電子產率(secondary electron yield)決定。可利用額外預期物理氣相沉積製程之實施例，其中基板片分批於真空室內軌道運行及/或旋轉運動。於以下實例部分詳細描述此等實施例中之某些。於其中基板片經分批沉積(例如，於位置中，包括但不限於軌道運行及/或旋轉運動)之一些實施例中，用於在基板片上沉積導電層之沉積時間可為5、10、15、30分鐘或更多。
如上所述，包含如上所述之自非貴金屬合金形成之導電層及自碳材料(於含氮氛圍中)形成之電阻材料層之生物感測器組件可展示所需電化學性質，該等性質使其特別佳地適合作為併入貴金屬(諸如鈀及/或金)之生物感測器組件之替代。例如，本發明之實施例之生物感測器組件可包括用非貴金屬合金導電層及電阻材料層形成之薄膜電極，當該電極經歷計時安培法測試時，其展示所需劑量反應特性。
於各種實施例中，該導電層可包含鎳、鉻及鐵(以如上所討論之量)且該導電層及電阻材料層組合可具有以下之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )：小於400，或小於390，或小於380，或小於375，或小於360，或小於350，或小於340，或小於330，或小於325，或小於320，或小於310，或小於300，或小於290，或小於280，或小於275，或小於270，或小於260毫伏(mV)，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定。
於本發明之一實施例中，該導電層包含鎳、鉻及鐵(以如上所討論之量)且該導電層及電阻材料層組合可具有小於275毫伏(mV)之Fe(II)[CN]6介體之氧化波電壓(以下經識別為E峰，陽極 )，如1型線性掃描伏安法測試(如實例部分中所討論)中所測定。
本發明可另外藉由其實施例之下列實例說明，然而應瞭解僅出於說明目的包含此等實例且此等實例無意限制本發明之範圍，除非另有明確指明。實例 薄膜電極之製法
對於下述實例(及比較例)各者，呈薄膜電極形式之生物感測器組件係藉由下述物理氣相沉積製程形成。應瞭解薄膜電極可使用下列製程形成以包含複數個不同類型元素及元素合金(諸如表1中所列之非貴組合物)之導電層。實例之薄膜電極亦包含含碳電阻材料層或含有碳及至少一種C-N物質二者之電阻層，其沉積在導電層頂部。該製程包括如下形成薄膜電極膜： (a)於高真空室中使用直流電(「DC」)磁控濺鍍在10.16 cm x 10.16 cm平方PET基板片上沉積金屬或金屬合金，其中該濺鍍利用Denton Vacuum Desktop Pro濺鍍裝置進行； (b)將真空室排空至~10-5 托之初始基礎壓力； (c)將10 sccm之氬氣引入高真空室中以創造~5毫托之沉積壓力； (d)使基板片於真空室內以約2轉/分鐘旋轉； (e)在DC磁控濺鍍裝置下，在40瓦特之恆定功率下，將金屬或金屬合金之5.08 cm直徑靶保持15分鐘之沉積時間以用導電層塗覆基板之至少一部分(為初始化該等靶，在DC磁控濺鍍裝置下，在40瓦特之恆定功率下，將該等靶保持5分鐘預濺鍍時間，接著將該等基板引入真空室中)； (f)於沉積導電層後，將真空室排空至~10-5 托之初始基礎壓力； (g)將10 sccm之氬氣或氬氣與氮氣之混合物(取決於實例，改變氮氣之量)引入高真空室中以創造~5毫托之沉積壓力； (h)然後將含碳層沉積在導電層表面。在DC磁控濺鍍裝置下，在48瓦特之恆定功率下，將石墨材料之5.08 cm直徑靶保持1小時之沉積時間以用含碳層塗覆導電層(於步驟e中沉積)之至少一部分(為初始化該等靶，在DC磁控濺鍍裝置下，在48瓦特之恆定功率下，將該等靶保持5分鐘預濺鍍時間，接著將經導電層塗覆之基板引入真空室中)；及 (i) 所有沉積均在室溫(即，~ 25℃)下進行。
於輥軋設備中進行類似程序，其中於差分泵浦沉積區中使用三個濺鍍靶。於第一靶區中，使用Ar氛圍沉積金屬或金屬合金薄膜。於第二及第三靶區中，在特定氬氣/氮氣氛圍下沉積含碳層。
自如上所提供之藉由物理氣相沉積形成之薄膜電極膜切割具有5.08 cm x 7.62 cm尺寸之個別薄膜電極。於三種電極組態中使用Gamry Instruments Reference 600穩壓器進行電化學實驗，其中含有薄膜電極膜之電化學電池安置在Gamry Instruments VistaShield法拉第籠(Faraday Cage)裡面。薄膜電極各者藉由用具有模切(die-cut)之單個3 mm直徑孔之電鍍膠帶部分遮蓋薄膜電極而形成為工作電極。照此，藉由薄膜電極之模切孔所形成之未經遮蓋部分提供0.0707 cm2 之幾何工作電極表面積。薄膜電極之未經遮蓋部分之另一不同區域用作穩壓器之工作電極引線之電連接點。將薄膜電極之遮蓋部分放置在非導電材料(諸如塑膠)之平坦支撐塊上。之後將薄膜電極放置於玻璃電化學電池之工作電極埠中。將薄膜電極之暴露之3 mm直徑部分安置在電化學電池之工作電極埠之底部開口的中心附近。電化學電池之工作電極埠係用夾子及O型環密封。電化學電池亦含有包括飽和甘汞參比電極及碳輔助電極之參比電極。將參比電極及輔助電極分別放置於參比電極埠及輔助電極埠中。此外，將參比電極及輔助電極分別與穩壓器之參比引線及輔助引線連接。電化學電池亦包含氣流埠，藉由該氣流埠將測試溶液用惰性氣體(諸如氮氣)脫氣並包覆。應注意氮氣視為用於電化學電池反應之惰性氣體，但不視為對於用於在沉積製程(以上所討論)期間發生之電漿反應係惰性。
根據以上所討論之程序，分別自不銹鋼304及316合金(二者有及無含碳電阻材料層)製備薄膜電極。根據以上所討論之程序，分別自具有含碳電阻材料層之不銹鋼317L及AL-6XN合金製備薄膜電極，但未提供測試數據。雖然於本文實驗部分中未呈現，但據信可使用其他導電層合金(例如，Inconel® 600)及其他含Ni及Cr合金以根據本發明提供有用電極。
下表1中列出不銹鋼合金組合物。具有如表1中所列之導電層之薄膜電極亦包含根據以上所討論之程序製備之含碳電阻層。碳電阻層厚度約為15至45 nm (取決於實例)，如藉由橫斷面電極之TEM成像所測定。 表1：合金(來源：www.matweb.com) *表示最大濃度1 型線性掃描伏安法測試描述
1型線性掃描伏安法測試可用於測試薄膜電極之電化學反應。1型線性掃描伏安法測試包括下列步驟：將50 mL pH 7.1之含有145 mM氯化鈉之10 mM磷酸鉀緩衝液放置於電化學電池中並將該電化學電池用塞子密封。與氣流埠相關聯之氣體進口及出口配件允許使用中孔濾棒經由氮氣流進行緩衝溶液之惰性氣體噴射(即，脫氣)。該氣流埠另外允許氣流自濾棒轉換至頂部空間包覆配置。將氣體出口與油鼓泡器連接以防止外部氣體(例如，空氣)反擴散至電化學電池中。將緩衝溶液用磁力攪拌棒攪拌而同時用氮氣噴射至少5分鐘，接著將氣流轉換至包覆組態。在經由1型線性掃描伏安法測試實施之電化學實驗期間，不以其他方式存在自噴射或其他方式之緩衝溶液之攪動(即，溶液在電化學測試期間係靜止的)。
線性掃描伏安法測試係在工作電極包含於電化學電池內之薄膜電極上進行。用於線性掃描伏安法之初始電壓電位相對於開路電位(亦稱作靜息電位)為0 V，如在工作電極與參比電極(即，飽和甘汞參比電極)之間所量測，及於伏安法實驗之前至少10秒之休息期後，以25 mV/秒陽極掃描電壓電位直至觀察到至少50 µA之電流。針對含有Fe(II)[CN]6介體之溶液，該介體係以1或2 mM濃度存在且線性掃描伏安法條件在其他方面係與不含介體之溶液相同。
測定氧化波之峰電壓(「E峰，陽極 」)，其中此E峰，陽極 係定義為由於溶液中之電活性物質之氧化而觀察到局部最大電流時的電壓，如在工作電極及相對電極相對於參比電極之間所量測。圖3中說明如自薄膜電極使用1型線性掃描伏安法測試所獲得之氧化波及相關聯之E峰，陽極 之示例。如可自圖3看出，所量測E峰，陽極 (或E-峰)值約為-76 mV，如相對於參比電極所量測。1 型循環伏安法測試描述
1型循環伏安法測試可用於測試薄膜電極之電化學反應。1型循環伏安法測試包括下列步驟：將50 mL pH 7.1之含有145 mM氯化鈉之10 mM磷酸鉀緩衝液放置於電化學電池中並將該電化學電池用塞子密封。與氣流埠相關聯之氣體進口及出口配件允許使用中孔濾棒經由氮氣流進行緩衝溶液之惰性氣體噴射(即，脫氣)。該氣流埠另外允許氣流自濾棒轉換至頂部空間包覆配置。將氣體出口與油鼓泡器連接以防止外部氣體(即，空氣)反擴散至電化學電池中。將溶液用磁力攪拌棒攪拌而同時用氮氣噴射至少5分鐘，接著將氣流轉換至包覆組態。在經由1型循環伏安法測試實施之電化學實驗期間，不以其他方式存在自噴射或其他方式之緩衝溶液之攪動(即，溶液在電化學測試期間係靜止的)。
循環伏安法係在工作電極包含於電化學電池內之薄膜電極上進行。用於線性掃描伏安法之初始電壓電位相對於開路電位(亦稱作靜息電位)為0 V，如在工作電極與參比電極(即，飽和甘汞參比電極)之間所量測，及於伏安法實驗之前至少10秒之休息期後，首先以25 mV/秒之掃描速率陰極掃描電壓電位，接著陽極電位掃描。針對含有[RuIII(NH3)6]Cl3介體之溶液，該介體係以1或2 mM濃度存在且循環掃描伏安法條件在其他方面與係不含介體之溶液相同。X - 射線光電子光譜術 (XPS)
所有x-射線光電子光譜術(XPS)資料係使用Kratos Axis Nova光譜儀收集。資料係使用CasaXPS軟體版本2.3.17處理。在資料收集之前，將樣本表面用氣體團簇離子源(GCIS)使用下列條件原位清潔：模式–氬氣團簇(10 keV 1000 Ar+)，光柵– 1mm x 1mm，蝕刻時間– 60 s。量化係基於寬掃描勘查光譜(survey spectra)且以相對原子莫耳%報告。所有勘查光譜係使用下列條件收集：X-射線源–在150 W (15 kV, 10 mA)下操作之Al Kα 單色源，通能– 80 eV，接受角–於光譜模式下+/- 15度，離源角– 90度，分析面積– 700 x 300 μm，電荷中和–開及電荷校正– C 1s 284.8 eV。
針對光譜之C 1s區使用20 eV之通能收集窄掃描(高解析度)光譜。
為測定碳結構，藉由合成峰之依序添加及隨後擬合直至達成殘餘STD ＜ 2擬合C 1s殼層。此外，限制FWHM為針對B.E. ＜ 288 eV之峰，＜ 1.4 eV且針對B.E. ＞ 288 eV之峰，＜ 2.0 eV。透射電子顯微術 (TEM)
收集受關注元素之窄掃描(高解析度)光譜以用於峰擬合以闡明氧化態/化學環境。此等窄掃描光譜係使用上述用於寬掃描之相同參數(除了通能)收集。除非另有指明，否則窄掃描光譜係使用20 eV通能收集。深度分佈參數為：模式–氬氣團簇(10 kV 1000 Ar+)，光柵– 1mm x 1mm，蝕刻時間/週期– 30 s，循環總數– 65，及在蝕刻期間針對碳、氧及鉻收集高解析度光譜數據。
將薄膜樣品切成約2x5 mm塊並在氮氣氛圍下包埋於EpoFix®冷固化環氧樹脂體系(Electron Microscopy Sciences)中至少12小時。然後將樣本藉由超微切片機修剪並分段以產生該膜之100 nm厚橫斷面。將所得100 nm厚段轉移至TEM柵極。將樣品於亮場TEM模式下使用在200 keV加速電壓下操作之JEOL 2100F透射電子顯微鏡成像。用光耦合CCD相機之2.5k x 4k Gatan Orius光纖收集資料並使用Gatan Digital Micrograph軟體處理。奈米劃痕及摩擦係數測試
劃痕測試係使用Bruker UMT摩擦計經由漸進負荷劃痕測試進行以評價PET基板頂部上之各種濺鍍薄膜之內聚及黏著性質。將所有樣品用12.5 µm金剛石球錐尖劃傷。尖筆隨著以16 mN/min之速率自3 mN至50 mN之線性增加的負荷在試樣表面移動。在0.33 mm/min之劃痕速度下整個劃痕長度為1 mm。施加2.5 mN之小的預掃描負荷以確保與試樣完全接觸。記錄正向力(Fz)及切向力(Fx)並用於計算摩擦係數(COF = Fx/Fz)。經由掃描電子顯微鏡(SEM)檢查故障事件。故障之臨界負荷係與黏著、材料之機械性質及內應力強烈相關。實例1-含碳電阻層沉積速率
針對各種(濺鍍氛圍) N2 及Ar氣體混合物，測定來自石墨靶之碳之濺鍍沉積速率。於輥軋生產機器中製備各薄膜樣品，其中根據以上所討論之製備薄膜電極之程序首先以達到~35歐姆/sq之薄層電阻之量沉積SS304層，接著濺鍍沉積含碳層以提供靶含碳層厚度。出人意料地，如由4點探針所測試，在任何測試條件下，薄層電阻未隨著碳沉積或厚度而改變。下表2及圖4中顯示結果。表2及圖4之審查揭示碳沉積之增加與N2 濃度之增加(上至體系達到約40% N2 (於Ar中，以分壓計)之飽和)有點呈線性關係，在體系達到飽和出現之情況下，沉積速率不繼續隨著N2 濃度增加而增加。表 2 ：作為氮氣濃度之函數之沉積速率 實例 8- 放電電壓變化
於輥軋濺鍍設備之真空區中針對用於薄膜沉積製程(以上所討論)之石墨靶測定作為N2 濃度之函數之放電電壓。圖5中顯示結果。圖5之審查揭示放電電壓隨N2 濃度增加而增加。據信石墨靶之阻抗隨著N2 濃度增加而增加且此表明石墨靶之表面上之氮化物之形成。實例 9- 含碳電阻層之表徵
藉由XPS分析分析具有自SS304源濺鍍之導電層及於具有各種濃度N2 之Ar及N2 氣體混合物氛圍中濺鍍之含碳層之薄膜電極以研究作為濺鍍氛圍中之氮氣濃度之函數之含碳薄膜層中之C-N物質的形成。所有樣品均於輥軋生產機器中產生之SS304導電層上濺鍍。圖6中顯示結果。圖6之審查揭示存在於含碳薄膜中之碳-氮化物物質之快速增加，如藉由XPS分析所測定，且於氮氣含量(於室中)達到約5%(以分壓計)後，C-N物質達到約35%之飽和。出人意料地於濺鍍薄膜內之C-N物質濃度將在此低N2 濃度下達到飽和。此外，出人意料地此等薄膜將具有相似化學計量，因為利用不同氮氣濃度製備之薄膜確實具有稍微不同電化學性能且在此等氛圍下碳之沉積速率係不同，如下圖4及9至11中所示。實例 10- 電阻層中之碳 - 氮化物物質
藉由碳包膜X-射線光電子光譜分析具有自SS304源濺鍍之導電層及於具有各種濃度N2 之Ar及N2 氣體混合物氛圍中濺鍍之含碳層之薄膜電極以研究作為濺鍍氛圍中之氮氣濃度之函數之含碳膜層的組合物。所有樣品均於輥軋生產機器中產生之SS304導電層上濺鍍。圖7及8中顯示結果。圖7及8之審查揭示將N2 引入濺鍍室後碳-氮化物物質之引入及生長及C-N物質濃度在約5%(以分壓計)之氮氣濃度以上保持相對恆定。實例 11- 對薄膜電極應用 1 型線性掃描伏安法測試
使用1型線性掃描伏安法測試測試不同薄膜電極。更詳細而言，測試利用不銹鋼316 (SS316)導電層形成之薄膜電極(包括無電阻材料層之電極、於純Ar氛圍中經非晶型碳層沉積之電極及於50%氮氣氛圍中經非晶型含碳層沉積之電極)。該等電極均於批量實驗裝置中產生。
使用飽和甘汞(SCE)參比電極及作為工作電極之SS316薄膜電極各者在25 mV/s下於磷酸鉀緩衝液(PBS)中進行陽極極化掃描。圖9中圖示結果。圖9之審查揭示電極之陽極擊穿電流藉由在SS316層頂部引入含碳層(無論是否於純Ar或50%氮氣中產生)而被顯著抑制。當於血糖感測器中使用此材料時，來自約0至+500 mV (相對於SCE)之任何背景電流可干擾電化學量測。
使用飽和甘汞(SCE)參比電極及作為工作電極之SS316薄膜電極各者在25 mV/s下於添加1 mM K4[FeII(CN)6]氧化還原介體之PBS中進行陽極極化掃描。圖10中圖示結果並說明利用此等電極之Fe(II)[CN]6介體之異質電子轉移動力學，如藉由電壓所指示，在該電壓下Fe(II)[CN]6發生氧化。一般可期望於生物感測器中所使用之薄膜電極展示在盡可能低的電壓下產生之Fe(II)[CN]6之陽極電流峰。一般亦可期望於生物感測器中所使用之薄膜電極展示在某些電極電位之影響下之最小化及/或減小的電流。圖10之審查揭示當於純Ar或50% N2 氛圍中濺鍍含碳層時，具有氧化還原介體之電極之電子轉移動力學顯著增加。此曲線顯示含碳-氮化物薄膜維持其用於生物感測器所需之電化學性能且同時具有勝於於Ar中濺鍍之碳之優勢，因為其增加之沉積速率及耐劃傷性。實例 12- 對薄膜電極應用 1 型線性掃描伏安法測試
使用1型線性掃描伏安法測試測試不同薄膜電極。更詳細而言，測試利用不銹鋼304 (SS304)導電層形成之薄膜電極(包括於純Ar氛圍中經非晶型碳層沉積之電極、於20%氮氣氛圍中經非晶型含碳層沉積之電極及於50%氮氣氛圍中經非晶型含碳層沉積之電極)。所有該等電極均於輥軋濺鍍塗佈機中產生。
使用飽和甘汞(SCE)參比電極及作為工作電極之SS304電極各者在25 mV/s下於添加1 mM K4[FeII(CN)6]氧化還原介體之PBS中進行陽極極化掃描。圖11中圖示結果。圖11之審查揭示相較於含N2 範圍，當於純Ar氛圍中濺鍍碳層時，介體與電極之間之電子轉移動力稍微更快。然而，甚至於1:1 Ar:N2 氣體混合物中濺鍍之薄膜仍可用於生物感測器且相較於純Ar中濺鍍之碳具有~164%之沉積速率之增加。實例 13- 對薄膜電極應用 1 型循環伏安法測試
使用1型循環伏安法測試測試不同薄膜電極。更詳細而言，利用不銹鋼304 (SS304)導電層形成且覆蓋有各自於0、5、10、15、20、40及50% N2 (以分壓計)範圍之N2 氛圍中濺鍍之含碳層之薄膜電極。所有該等電極均於輥軋濺鍍塗佈機中產生。
使用飽和甘汞(SCE)參比電極及作為工作電極之SS304電極各者在25 mV/s下於添加2 mM [RuIII(NH3)6]Cl3介體之PBS中進行循環伏安法。圖12中圖示結果。圖12之審查揭示當使用[RuIII(NH3)6]Cl3作為氧化還原介體時，介體與電極之間之電子轉移動力學不受N2 引入濺鍍室影響。此係出人意料，因為在碳沉積期間，利用K4 [FeII (CN)6 ]氧化還原介體之電子轉移動力學稍微不利地受N2 引入濺鍍室影響。實例 14- 薄膜電極之摩擦係數分析
為測定作為經塗覆表面上之增加的正向力之函數之摩擦係數，測試不同薄膜電極。更詳細而言，測試利用不銹鋼316 (SS316)導電層形成之薄膜電極(包括無電阻材料層之電極、於純Ar氛圍中經非晶型碳層沉積之電極及於21%氮氣氛圍中經非晶型含碳層沉積之電極)。所有該等電極均於批量實驗裝置中產生。
針對薄膜SS316電極各者測定摩擦係數(COF)相對於正向力。圖13中圖示結果。圖13之審查揭示具有單獨SS316導電層之電極相較於覆蓋碳之薄膜具有高得多COF。此顯示覆蓋碳之薄膜係更耐用。SS316亦相較於碳薄膜似乎更易碎，如藉由痕跡之噪音所示。此外，圖13顯示於21% N2 中濺鍍之含碳薄膜為韌性薄膜，該薄膜顯示相較於純Ar中濺鍍之碳之更高抗裂性。此藉由COF之階躍變化顯而易見，該變化指示於21% N2 中濺鍍之碳相較於純Ar中濺鍍之碳在更高正向力下之碳層開裂並暴露SS316層。實例 15- 薄膜電極之機械韌性 ( 抗裂性 ) 分析
針對根據實例8之薄膜SS316電極各者，藉由於施加3 mN至~10 mN梯度正向力後使其經受奈米劃痕測試評價耐劃傷性，如圖14中所說明。於圖15A至C中以影像顯示奈米劃痕測試之結果，其中此等影像係距初始劃痕點200 μm採集。圖15A至C之審查揭示SS316及用純Ar中濺鍍之碳覆蓋之SS316具有顯著開裂，其中SS316薄膜具有最大開裂。然而，在此正向力下用21% N2 中濺鍍之碳覆蓋之SS316仍顯示抗裂性。
本發明之實施例之以上詳細描述意欲足夠詳細描述本發明之各種態樣以使熟習此項技術者能實踐本發明。可利用其他實施例且可在不背離本發明之範圍下做出改變。因此，以上詳細描述不被接納為限制意義。本發明之範圍僅藉由於後續正規效用應用中呈現之申請專利範圍連同此等申請專利範圍所賦予之等效物之全部範圍限定。
於此描述中，「一個實施例」、「一實施例」或「實施例」之提及意指提及之特徵包含於該技術之至少一個實施例中。於此描述中「一個實施例」、「一實施例」或「實施例」之分開提及不一定係指相同實施例且亦係不互斥，除非如此指定及/或除了對熟習此項技術者自該描述顯而易見外。例如，於一個實施例中所述之特徵、步驟等亦可包含於其他實施例中，但是不一定包含。因此，本技術可包含本文中所述實施例之各種組合及/或整合。
本發明人在此聲明其意圖依賴均等論原則以確定並評估本發明之合理公平範圍，因為本發明涉及不實質性背離如下申請專利範圍所闡述之本發明之文字範圍但是在如下申請專利範圍所闡述之本發明之文字範圍外之任何裝置。定義
應瞭解下列無意為所定義術語之排他性列表。可於上述描述中提供其他定義，諸如，例如，當伴隨上下文中所定義術語之使用時。
如本文中所用，術語「一」、「一個」及「該」意指一或多個。
如本文中所用，術語「及/或」(當用於一列兩個或更多個術語中時)意指可採用所列術語中之任一者自身或可採用所列術語中之兩個或更多個之任何組合。例如，若描述組合物為含有組分A、B及/或C，則該組合物可含有單獨A、單獨B、單獨C、A及B組合、A及C組合、B及C組合或A、B及C組合。
如本文中所用，術語「包括(comprising/comprises/comprise)」為用於自該術語之前詳述之標的過渡至於該術語之後詳述之一或多個要素之開放式過渡性術語，其中於該過渡性術語之後所列之要素不一定為組成該標的之唯一要素。
如本文中所用，術語「具有(having/has/have)」具有與以上所提供之「包括(comprising/comprises/comprise)」相同之開放式含義。
如本文中所用，術語「包含(including/include/included)」具有與以上所提供之「包括(comprising/comprises/comprise)」相同之開放式含義。數值範圍
本描述使用數值範圍以量化與本發明有關之某些參數。應瞭解當提供數值範圍時，此等範圍應理解為對僅詳述範圍之下限值之申請專利範圍限制及僅詳述範圍之上限值之申請專利範圍限制提供文字支援。例如，所揭示10至100之數值範圍對詳述「大於10」 (無上限)之申請專利範圍及詳述「小於100」(無下限)之申請專利範圍提供文字支援。
100‧‧‧薄膜電極/第一電極
100a‧‧‧第二電極
102‧‧‧基板
104‧‧‧導電層
106‧‧‧電阻材料層
110‧‧‧測試條
112‧‧‧反應空間
本文中參考下列圖示描述本發明之實施例，其中：
圖1為本發明之實施例之薄膜電極生物感測器組件的剖面示意圖；
圖2為本發明之實施例之測試條生物感測器組件之示意圖；
圖3為描繪薄膜電極於含介體溶液中之循環掃描伏安圖曲線及顯示E峰，陽極 點之圖；
圖4為顯示作為氮含量之函數之增加之沉積速率曲線的圖；
圖5為顯示作為氮含量之函數之放電電壓曲線之圖；
圖6為顯示作為氮含量之函數之C-N物質之百分比曲線的圖；
圖7為針對不同氮含量水平測試之X-射線光電子光譜之一系列曲線；
圖8為針對不同氮含量水平測試之X-射線光電子光譜之一系列曲線；
圖9為描繪比較無碳層之不銹鋼316、用Ar中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316及用50/50 Ar/N2 混合(基於分壓)中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316之薄膜電極於無介體緩衝溶液中之線性掃描伏安圖曲線的圖；
圖10為描繪比較無碳層之不銹鋼316、用Ar中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316及用50/50 Ar/N2 混合(基於分壓)中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316之薄膜電極於含Fe(II)[CN]6介體緩衝溶液中之線性掃描伏安圖曲線的圖；
圖11為描繪比較用Ar中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼304、用80/20 Ar/N2 混合(基於分壓)中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼304及用50/50 Ar/N2 混合(基於分壓)中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼304之薄膜電極於含Fe(II)[CN]6介體緩衝溶液中之線性掃描伏安圖曲線的圖；
圖12為描繪比較用各自含有0、5、10、15、20、40及50% N2 (基於分壓)之經混合Ar及N2 氛圍中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼304之薄膜電極於含[RuIII(NH3)6]Cl3介體緩衝溶液中之循環伏安圖曲線的圖；
圖13為顯示比較無碳層之不銹鋼316、用Ar中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316及用79/21 Ar/N2 混合(基於分壓)中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316之薄膜電極之作為正向力之函數之摩擦係數曲線的圖；
圖14為描繪針對薄膜奈米劃痕測試之作為距離之函數之梯度正向力施加的圖；及
圖15A至C為顯示比較無碳層之不銹鋼316、用Ar中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316及用79/21 Ar/N2 混合(基於分壓)中濺鍍之碳覆蓋之不銹鋼316之薄膜電極在200微米距離處之奈米劃痕測試結果的圖。

Claims (21)

  1. 一種用於生物感測器之電化學電極，該電極包含： 基板； 沉積在該基板上之導電層；及 沉積在該導電層上之電阻材料層； 其中該電阻材料層包含碳及至少一種C-N物質；且 其中該C-N物質係以至少20 at%之量存在，基於總電阻材料層計。
  2. 如請求項1之電化學電極，其中該導電層包含鎳及鉻， 其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%係於25至100重量%之範圍內，基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
  3. 如請求項2之電化學電極，其中該導電層包含大於20重量%鉻。
  4. 如請求項3之電化學電極，其中該導電層之剩餘部分為鎳。
  5. 如請求項1之電化學電極，其中該導電層包含鎳、鉻及鐵， 其中該導電層中之鎳及鉻之組合重量%係於25至小於95重量%之範圍內， 其中該導電層中之鎳之重量%係至少4重量%， 其中該導電層中之鉻之重量%係至少10重量%， 其中該導電層中之鐵之重量%係至少2重量%，以及 其中該導電層包含0至20重量%鉬。
  6. 如請求項5之電化學電極，其中該導電層中之鎳之重量%係於約8至約81重量%之範圍內。
  7. 如請求項6之電化學電極，其中該導電層中之鉻之重量%係於約14至約21重量%之範圍內。
  8. 如請求項7之電化學電極，其中該導電層中之鐵之重量%係於約6至約74重量%之範圍內。
  9. 如請求項5之電化學電極，其中該導電層中之鎳之重量%係於約70至約81重量%之範圍內。
  10. 如請求項5之電化學電極，其中該導電層中之鐵之重量%係於約6至約10重量%之範圍內。
  11. 如請求項5之電化學電極，其中該導電層中之鐵之重量%係於約61至約75重量%之範圍內。
  12. 如請求項5之電化學電極，其中該導電層包含0至13重量%鉬。
  13. 如請求項1之電化學電極，其中該導電層包含鎳、鉻、鐵及鉬， 其中該導電層中之鎳之重量%係於10至30重量%之範圍內， 其中該導電層中之鉻之重量%係於16至26重量%之範圍內， 其中該導電層中之鐵之重量%係於39至71重量%之範圍內，及 其中鉬之重量%係於2至10重量%之範圍內，所有均基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
  14. 如請求項13之電化學電極， 其中該導電層中之鎳之重量%係於10至16重量%之範圍內， 其中該導電層中之鉻之重量%係於17至21重量%之範圍內， 其中該導電層中之鐵之重量%係於55至70重量%之範圍內，及 其中鉬之重量%係於2至5重量%之範圍內，所有均基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
  15. 如請求項13之電化學電極， 其中該導電層中之鎳之重量%係於12.5至29重量%之範圍內， 其中該導電層中之鉻之重量%係於16至24重量%之範圍內， 其中該導電層中之鐵之重量%係於46至66重量%之範圍內，及 其中鉬之重量%係於3至6重量%之範圍內，所有均基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
  16. 如請求項13之電化學電極， 其中該導電層中之鎳之重量%係於16至26.5重量%之範圍內， 其中該導電層中之鉻之重量%係於18至23重量%之範圍內， 其中該導電層中之鐵之重量%係於41至62重量%之範圍內，及 其中鉬之重量%係於5至8重量%之範圍內，所有均基於等於100重量%之該導電層之總重量計。
  17. 如請求項1之電化學電極，其中該電極為生物感測器中之工作電極或參比電極或相對電極；且其中該生物感測器為血糖感測器。
  18. 如請求項1之電化學電極，其中該導電層係物理氣相沉積在該基板上且該電阻材料層係物理氣相沉積在該導電層上。
  19. 如請求項18之電化學電極，其中該基板包含可撓性聚合薄膜，該導電層係濺鍍在該基板上及該電阻材料層係濺鍍在該導電層上，且其中該電阻材料層係於含氮氛圍中濺鍍在該導電層上。
  20. 如請求項19之電化學電極，其中該含氮氛圍包括稀有氣體與氮氣之混合物。
  21. 如請求項20之電化學電極，其中該含氮氛圍包括Ar氣與氮氣之混合物，及 其中該氮氣係以5%至50%之量存在，基於分壓計。
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