TW202221318A - 生化試片 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供一種生化試片，包括電極單元和保護層。保護層電性連接電極單元。保護層用於在電極單元得到電子後氧化電極單元或在電極單元失去電子後還原電極單元。保護層與電極單元具有電位差

Description

生化試片
本揭露關於一種應用於醫學量測的生化試片，特別是關於包括保護層的生化試片。
體外醫學測量在現今醫療工業上扮演極為重要的角色，藉由定性及定量的量測生物之體液的變化，可給予快速診斷疾病與治療之指標資訊。在醫學或生化的檢測上，電化學試紙的使用已經是一項普遍的技術。
傳統的電化學試紙具有兩個電極，將樣品注入電化學試紙的反應區後，可藉由這兩個電極來量測樣品的電化學特性。電化學試紙多利用反應層與樣品進行反應，並透過電化學方式分析該樣品的電化學特性。然而，反應層的成份對於溫度、溼度、氧含量等環境因素極為敏感。舉例來說，反應層中的導電介質容易與空氣中的氧氣產生氧化反應。此氧化反應容易造成電化學試紙測量失準，進而導致傳統的電化學試紙使用壽命不長。
為了解決環境因素對於電化學試紙的影響，多使用具有乾燥劑、避光且相對密封的容器存放電化學試紙以避免電化學試紙損壞。然而，在使用者打開容器以取出電化學試紙時，容器的內部環境會因容器開啟而產生變化，因此會影響其他存放在容器內的電化學試紙，故其餘的電化學試紙仍有可能受環境因子影響而產生變異。舉例來說，當電化學試紙中的電極暴露於空氣、水氣或其他環境中時，電極表面容易發生氧化或還原反應而降低其電子傳遞能力及/或提高阻抗。因此仍會造成電化學試紙測量失準，以及降低電化學試紙的使用壽命。
上文之「先前技術」說明僅係提供背景技術，並未承認上文之「先前技術」說明揭示本揭露之標的，不構成本揭露之先前技術，且上文之「先前技術」之任何說明均不應作為本案之任一部分。
本揭露提供一種生化試片，包括電極單元和保護層。保護層電性連接電極單元。保護層用於在電極單元得到電子後氧化電極單元或在電極單元失去電子後還原電極單元。保護層與電極單元具有電位差(
Figure 02_image003
)。
在一些實施例中，電位差(
Figure 02_image003
)大於0。
在一些實施例中，保護層為陽極，且電極單元為陰極。
在一些實施例中，保護層為陰極，且電極單元為陽極。
在一些實施例中，生化試片還包括第一絕緣隔片，位於電極單元上，其中第一絕緣隔片具有第一開口和第二開口，第一開口至少部分暴露電極單元，第二開口至少部分暴露保護層。
在一些實施例中，生化試片還包括第二絕緣隔片，位於第一絕緣隔片上，其中第二絕緣隔片具有第三開口，第三開口至少部分暴露保護層。
在一些實施例中，電極單元包括分支，分支用於提供保護層一導電平台。
在一些實施例中，電極單元大體上與保護層位於相同水平面上。
在一些實施例中，至少一部分的電極單元由一活性材料組成且與空氣接觸。
在一些實施例中，保護層用於保護由活性材料組成的部分或全部的電極單元。
本揭露提供一種生化試片，包括反應層、電極單元和保護層。反應層電性連接電極單元。保護層電性連接電極單元，保護層透過電極單元與反應層電性連接。保護層用於在反應層得到電子後氧化反應層或在反應層失去電子後還原反應層，其中保護層與反應層具有電位差(
Figure 02_image003
)。
在一些實施例中，電位差(
Figure 02_image003
)大於0。
在一些實施例中，保護層為陽極，且反應層為陰極。
在一些實施例中，保護層為陰極，且反應層為陽極。
在一些實施例中，反應層的一氧化或還原反應電流值大於保護層的一氧化或還原反應電流值。
在一些實施例中，反應層的一氧化或還原反應電流值大於或等於保護層的一氧化或還原反應電流值的10倍。
本揭露的生化試片設有保護層，保護層可以幫助生化試片中反應層的安定性，藉此達到保護生化試片，減緩或避免生化試片與環境發生非預期的變異，進而延長生化試片的使用壽命。另外，生化試片可設置多個保護層以保護生化試片中的不同單元。舉例來說，保護層還可以保護工作電極或對電極等，藉此降低測量誤差。此外，生化試片還可以包括可拆卸的保護層，以加速生化試片回復到預設狀態。
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
以下詳細討論本揭露的實施方案。然而，應該理解的是，實施例提供了許多可以在各種具體環境中實施的可應用的發明概念。所討論的具體實施例僅說明製造和使用實施例的具體方式，並不限制本揭露的範圍。
在各個視圖和說明性實施例中，相同的附圖標記經配置以表示相同的元件。現在將詳細參考附圖中所示的示例性實施例。只要可能，在附圖和說明書中使用相同的附圖標記表示相同或相似的部分。在附圖中，為了清楚和方便，可誇大形狀和厚度。該描述將特別針對形成根據本揭露的裝置的一部分或更直接地與其配合的元件。應該理解，未具體示出或描述的元件可以採用各種形式。貫穿本說明書對“一些實施例”或“實施例”的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵，結構或特性包括在至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書在各個地方出現的短語“在一些實施例中”或“在實施例中”不一定指代相同的實施例。此外，特定特徵，結構或特性可以在一個或複數個實施例中以任何合適的方式組合。
在附圖中，相同的附圖標記經配置以在各個視圖中指示相同或相似的元件，並且示出和描述了本發明的說明性實施例。附圖不一定按比例繪製，並且在一些情況下，附圖已被誇大及/或簡化，僅經配置以說明目的。基於以下本發明的說明性實施例，本領域普通技術人員將理解本發明的許多可能的應用和變化。
除非另外定義，否則這裡使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本揭露的實施例所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。應當理解，例如在常用詞典中定義的那些術語應當被解釋為具有與其在相關領域和本揭露的上下文中的含義一致的含義，並且不應該被理解為或者理解為除非在此明確定義，否則過於正式的意義。
另外，下文提供本揭露的多個實施例為例說明本揭露的核心價值，但並非用以限制本揭露的保護範圍。為清楚說明以及方便理解，針對本揭露不同實施例之間相同或類似的功能或元件將不重複敘述或示標示於圖中。並且不同實施例中的不同元件或是技術特徵，在不相互衝突的前提下，進行組合或置換得到新的實施例仍屬於本揭露的保護範圍。
本揭露係關於犧牲自己以保護特定對象的電化學系統，特別是關於應用犧牲自己以保護特定對象的電化學系統之生化試片。進一步而言，本揭露係關於一種包括保護層的生化試片，保護層可以犧牲自己以維持生化試片中之一個或多個元件的安定性。在一些實施例中，保護層用於保護生化試片中被保護層保護的對象，例如生化試片中較不穩定的元件、容易進行氧化或還原的元件等。被保護層保護的對象可例如為生化試片中的電極單元、反應層等，但本揭露不以此為限。詳細來說，本揭露係透過犧牲保護層，例如透過保護層進行氧化或還原反應，以減緩或避免生化試片中之一個或多個元件發生醫學量測以外之變異，例如與環境發生非預期的變異。依據被保護對象的化學特性，保護層犧牲自己進行對應的犧牲(例如氧化或還原反應)，以幫助元件回復到預設狀態，或在元件變異前提供或接受電子，進而達到保護元件的效果。
舉例來說，當期望將被保護對象安定於還原態時，保護層選擇可以提供電子的材料。換句話說，當被保護對象因失去電子而發生變質時，保護層選擇可以提供或失去電子的材料，因此在被保護對象失去電子前，保護層可以先失去電子或補足被保護對象失去的電子。藉此使被保護對象安定於還原態。
另一方面，當期望將被保護對象安定於氧化態時，保護層選擇可以接受電子的材料。換句話說，當被保護對象因得到電子而發生變質時，保護層選擇可以吸收或接納電子的材料，因此在被保護對象得到電子前，保護層會先得到電子。藉此使被保護對象安定於氧化態。
一般而言，標準還原電位越高的物質傾向得到電子，而標準還原電位越低的物質傾向於失去電子。根據吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)關係式，亦即，
Figure 02_image005
，其中
Figure 02_image007
為自由能變化，n為電子的莫耳數，F為每莫耳的電荷，
Figure 02_image009
為電位差。電位差(
Figure 02_image003
)的公式為
Figure 02_image011
，其中
Figure 02_image013
為陰極(Cathode electrode)的標準還原電位，
Figure 02_image015
為陽極(Anode electrode)的標準還原電位。當吉布斯自由能
Figure 02_image007
＜ 0時，該反應屬自發反應。由上述可知，當兩個具有電位差(
Figure 02_image003
)的可氧化還原物質在同一反應槽時，標準還原電位較高一方會傾向於發生還原反應，反之則傾向於發生氧化反應。舉例來說，當陽極的標準還原電位小於陰極的標準還原電位時，陽極會自發性的將電子傳遞給陰極，陰極因持續得到電子而維持還原狀態，故可避免受環境氧化劑(例如：氧氣、水氣等)的影響。
因此，可藉由設置保護層和被保護對象於同一反應槽，並使其具有電位差(
Figure 02_image003
)，且電位差(
Figure 02_image003
)大於0，以使保護層和被保護對象產生自發性特定方向的電子流動，進而使被保護對象能夠維持原始的氧化還原狀態。藉此達到保護生化試片，減緩或避免生化試片與環境發生非預期的變異。
依據保護層與被保護對象的材料，保護層與被保護對象可分別為陽極及陰極，保護層與被保護對象亦可分別為陰極及陽極。下文提供本揭露的多個實施例為例說明本揭露的核心價值，但並非用以限制本揭露的保護範圍。
請參考圖1，圖1是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片100的分解示意圖。生化試片100可為電化學試片，是一種可供電性連結的裝置。生化試片100用於收集樣品並對其進行電化學反應以檢測其中的目標分析物。樣品包括可利用電化學方法進行檢測其中目標分析物的任何液態或可溶固體。舉例來說，樣品可包括血液、組織液、尿液、汗液、淚液等生物採集物，但本揭露不以此為限。此外，血液可包括全血、血漿或血清等，但本揭露不以此為限。
請參考圖1，生化試片100包括絕緣基板10、電極單元20、第一絕緣隔片30、反應層40、第二絕緣隔片50和保護層60。絕緣基板10包括具有電絕緣性之基材。在一些實施例，絕緣基板10的材料可包括聚氯乙烯(PVC)、玻璃纖維(FR-4)、聚醚碸(polyethersulfone，PES)、電木板(bakelite)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚醯亞胺(PI)、玻璃板、陶瓷或上述材料之任意組合，但本揭露不以此為限。絕緣基板10的材料可依系統或實際需求而調整。
生化試片100的電極單元20位於絕緣基板10上。電極單元20設置於絕緣基板10上以進行電化學測量。電化學測量包括利用電勢測定法、電導測定法、伏安法、極譜法、高頻滴定法、安培法、庫侖法或電解法等電反應分析樣品之濃度。電極單元20包括工作電極(working electrode)22和對電極(counter electrode)24，但本揭露不以此為限。電極單元20可依系統需求配置其他電極。工作電極22係導電介質在其表面進行電氧化反應或電還原反應並可供測量儀作為濃度判讀的電極。詳細來說，電氧化反應或電還原反應係導電介質在工作電極22表面所進行的電能和化學能之間的相互轉換的電化學反應。
工作電極22的極性可為陽極或陰極，視測量反應需求的不同而異。舉例來說，若導電介質於工作電極22上發生氧化反應，則工作電極22為陽極；若導電介質於工作電極22上發生還原反應，則工作電極22為陰極。對電極24係指對應工作電極22進行電還原反應或電氧化反應，以使整體電化學系統符合電荷平衡原理的電極。對電極24的電位與極性與工作電極22的電位與極性相反。工作電極22和對電極24之間在未與樣品接觸前彼此絕緣。當工作電極22和對電極24與樣品接觸後能與測量儀間形成一電性迴路。在一些實施例中，工作電極22和對電極24的材料可包括碳電極、銀電極、鉑電極等，但本揭露不以此為限。工作電極22和對電極24的材料可依系統需求而變化。
第一絕緣隔片30設置於絕緣基板10上並位於電極單元20上。第一絕緣隔片30可具有開口32，開口32至少部分暴露電極單元20。在一些實施例中，開口32位於第一絕緣隔片30的前側30F，並暴露出電極單元20的一部分。開口32可為生化試片100的反應區，用於容納樣品。電極單元20暴露於開口32的部分可與樣品進行電化學反應。開口32可根據測量所需電極單元20的面積和樣品的量來調整其尺寸或形狀。在一些實施例中，第一絕緣隔片30的後側30B暴露出部分電極單元20以形成連結區10C。暴露於連接區10C的電極單元20可與測量儀(圖未示)電性相接。測量儀與生化試片100電性連接以提供電化學測量所需要能量並分析反應訊號。在一些實施例中，第一絕緣隔片30的材料包括PVC絕緣膠帶、PET絕緣膠帶、熱乾燥型絕緣漆或紫外光固化型絕緣漆，但本揭露不以此為限。
圖2是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片100的局部俯視示意圖。請參考圖2並同時參考圖1，生化試片100還包括反應層40。反應層40位於第一絕緣隔片30的開口32中。反應層40電性連接電極單元20。在一些實施例中，反應層40的面積小於開口32的尺寸。反應層40至少部分覆蓋開口32所暴露的電極單元20。在一些實施例中，反應層40同時覆蓋工作電極22和對電極24。在一些實施例中，反應層40僅覆蓋工作電極22。反應層40用於與樣品產生化學反應。在其他實施例中，生化試片100可不具有反應層40。
在一些實施例中，反應層40包括活性酵素和導電介質。舉例來說，活性酵素包括經固定化或未固定化之酵素，如氧化還原酵素、抗原、抗體、微生物細胞、動植物細胞、動植物組織具有生物性辨識能力的成分。導電介質用於接收活性酵素與血液樣品反應後所產生之電子，並將該電子經由電極單元20傳導到測量儀。在一些實施例中，導電介質可包括赤血鹽(potassium hexacyanoferrate(III))、黃血鹽(potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate)、釕錯化物(ruthenium complex)、二茂鐵(ferrocene)、二硫亞磺酸鈉(sodium dithionite)、菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)、菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+)、硫胺素焦磷酸(thiamin pyrophosphate，TPP)、輔酶A(coenzyme A，HSCoA)、黃素腺二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，FAD)或其組合，但本揭露不以此為限。在一些實施例中，反應層40還可添加磷酸鹽緩衝液及保護劑，例如：蛋白、糊精、葡萄聚糖、胺基酸等，但本揭露不以此為限。
請再次參考圖1，第二絕緣隔片50位於第一絕緣隔片30上。在一些實施例中，第二絕緣隔片50至少部分覆蓋第一絕緣隔片30的開口32，以使開口32形成毛細管結構。在一些實施例中，第二絕緣隔片50於對應於開口32的末端設置有通氣孔52。通氣孔52可具有任意形狀，舉例來說，通氣孔52可為圓形、橢圓形、長方形、菱形等。在一些實施例中，第二絕緣隔片50亦暴露連結區10C上的電極單元20。在一些實施例中，第二絕緣隔片50可具有任意形狀或尺寸。
請參考圖2並同時參考圖1，生化試片100還包括保護層60。舉例來說，環境中的水氣或氧氣等可能會存在絕緣基板10與第一絕緣隔片30之間。因此，暴露於空氣中的反應層40以及設置於絕緣基板10與第一絕緣隔片30之間的電極單元20皆有可能會被空氣內的水氣或氧氣等氧化而發生變異。在本實施例中，保護層60可用於保護生化試片100中的反應層40，以減緩或避免生化試片100在環境中發生非預期的變異。
在一些實施例中，如圖1所示，第一絕緣隔片30可具有開口34，第二絕緣隔片50可具有開口54，開口34和開口54至少部分暴露保護層60。保護層60和反應層40可暴露於相同的環境中，但本揭露不以此為限。舉例來說，保護層60可設於設於絕緣基板10與第一絕緣隔片30之間，並透過開口34和開口54與反應層40暴露於相同的環境中。在其他實施例中，保護層60可和反應層40暴露於不同環境中。舉例來說，保護層60可設於絕緣基板10與第一絕緣隔片30之間，而第一絕緣隔片30和第二絕緣隔片50不具有開口34和開口54。
保護層60係設於電極單元20的特定區域。舉例來說，保護層60設置於工作電極22上，但本揭露不以此為限。如圖1所示，保護層60設於電極單元20之上，並電性連接電極單元20。保護層60與反應層40之間透過電極單元20電性相連。在本實施例中，保護層60透過工作電極22與反應層40電性連接，但本揭露不以此為限。在其他實施例中，保護層60可透過對電極24與反應層40電性連接。保護層60的位置不以上述為限，在一些實施例中，保護層60可設置於第二絕緣隔片50之上，並透過導線與電極單元20電性連接。在其他實施例中，保護層60可設置於第一絕緣隔片30和第二絕緣隔片50之間，並透過導線與電極單元20電性連接。
保護層60的型態上可包括固體、液體、氣體。舉例來說，固體可包括純金屬、合金、金屬化合物(鹵化物、氧化物、混和價態化合物、有機金屬配合物)、有機氧化還原劑等。液體可包括水溶液、有機溶液、超臨界流體、液態元素(例如：溴、汞)等。氣體可包括氣態元素(例如：氧氣、臭氧)、氣態化合物(例如：氨氣、一氧化氮)等。
在本實施例中，保護層60用於保護生化試片100中的反應層40。保護層60與反應層40可具有不同的材料或組成。舉例來說，保護層60與反應層40可具有不同的標準還原電位，保護層60與反應層40之間具有電位差(
Figure 02_image003
)。保護層60與反應層40之間的電位差(
Figure 02_image003
)大於0。保護層60與反應層40處於同一反應環境。在一些實施例中，保護層60與反應層40同時與空氣接觸，但本揭露不以此為限。保護層60與反應層40同時電性連接電極單元20，亦可視為處於同一反應環境。因保護層60與反應層40之間具有電位差(
Figure 02_image003
)，且電位差(
Figure 02_image003
)大於0，因此會產生自發性特定方向的電子流動，進而使被保護對象(反應層40)能夠維持原始的氧化還原狀態。藉此達到保護生化試片100，減緩或避免生化試片100與環境發生非預期的變異。
依據保護層60與反應層40的材料，保護層60與反應層40可分別為陽極及陰極，保護層60與反應層40亦可分別為陰極及陽極。以下利用圖3和圖4，分別說明保護層60為陰極且反應層40為陽極，以及保護層60為陽極且反應層40為陰極的情況。在一些實施例中，保護層60的面積大於反應層40的面積。在一些實施例中，保護層60的面積實質上等於反應層40的面積。保護層60和反應層40的面積和厚度可依系統需求而調整。
請參考圖3，圖3是圖2中A-A'切線的剖面示意圖。在本實施例中，反應層40的導電介質可為鐵氰酸鹽(hexacyanoferrate(III))，然而鐵氰酸鹽在光照下容易被還原成亞鐵氰酸鹽(hexacyanoferrate(II))，其反應式可表示為
Figure 02_image017
。當鐵氰酸鹽因光照而還原成亞鐵氰酸鹽時，該變異會導致生化試片100在濃度檢測時背景電流上升而產生測量偏差。
如圖2及圖3所示，本揭露之生化試片100設置有保護層60，且保護層60透過電極單元20與反應層40電性連接。因此，當生化試片100暴露於環境中且未添加樣品前，反應層40、電極單元20、保護層60及空氣形成一化學反應槽。在本實施例中，保護層60的材料可為氧化銀(silver peroxide)。氧化銀可進行還原反應並生成銀，其反應式可表示為
Figure 02_image019
。氧化銀/銀的標準還原電位約為1.77 V，鐵氰酸鹽/亞鐵氰酸鹽的標準還原電位約為0.36 V。因此，在本實施例中，保護層60為陰極，而反應層40為陽極。保護層60和反應層40的電位差(
Figure 02_image003
)為1.41 V。因兩者之間的電位差大於0，自由能變化小於0，因此反應層40的亞鐵氰酸鹽將會自發進行氧化反應變回鐵氰酸鹽，其反應式可表示為
Figure 02_image021
。其中，在反應層40上所發生的半反應為
Figure 02_image023
。
由上述可知，反應層40的亞鐵氰酸鹽會因保護層60的氧化銀的還原反應而被氧化回鐵氰酸鹽。當保護層60的還原反應發生時，反應層40會進行氧化反應，進而減緩光照所發生的還原反應。因此，藉由設置保護層60於生化試片100中，可有效地避免反應層40中的導電介質在進行量測樣品前就發生變質。反應層40的導電介質及保護層60的組成材料並不以上述為限。在一些實施例中，反應層40的導電介質及保護層60的組成材料經選擇以使兩者之間的電位差(
Figure 02_image003
)大於0。
在本實施例中，提供一種保護生化試片100的方法。詳細來說，本實施例保護生化試片100的方法包括提供保護層60電性連接至電極單元20，保護層60透過電極單元20與反應層40電性連接。保護層60用於在反應層40得到電子後氧化反應層40。如同前述，反應層40的鐵氰酸鹽在光照下容易得到電子而還原成亞鐵氰酸鹽。選擇具有標準還原電位大於鐵氰酸鹽/亞鐵氰酸鹽的標準還原電位的材料來作為保護層60，例如，選擇氧化銀來作為保護層60。因此，保護層60可於反應層40得到電子後使其進行氧化反應，進而使反應層40恢復成預設狀態。在本實施例中，反應層40的標準還原電位小於保護層60的標準還原電位，但本揭露不以此為限。
請參考圖4，圖4是圖2中A-A'切線的剖面示意圖。在本實施例中，反應層40的標準還原電位大於保護層60的標準還原電位。在本實施例中，反應層40的導電介質可為亞鐵氰酸鹽，然而亞鐵氰酸鹽在空氣中容易被氧氣氧化成鐵氰酸鹽，其反應式可表示為
Figure 02_image025
。當亞鐵氰酸鹽因接觸氧氣而被氧化成鐵氰酸鹽時，該變異會導致生化試片100中導電介質濃度改變，因此會影響背景電流並產生測量偏差。
如圖2及圖4所示，本揭露之生化試片100設置有保護層60，且保護層60透過電極單元20與反應層40電性連接。因此，當生化試片100暴露於環境中且未添加樣品前，反應層40、電極單元20、保護層60及空氣形成一化學反應槽。在本實施例中，保護層60的材料可為鐵(iron)。由於鐵在空氣中容易與水氣進行氧化反應，其半反應式可表示為
Figure 02_image027
。鐵氰酸鹽/亞鐵氰酸鹽的標準還原電位約為0.36 V，而氫氧化亞鐵/鐵之標準還原電位約為-0.89 V。因此，在本實施例中，反應層40為陰極，保護層60為陽極。當生化試片100暴露在具有水氣與氧氣的環境中時，保護層60和反應層40的電位差(
Figure 02_image003
)為1.25 V。因兩者之間的電位差大於0，自由能變化小於0，因此反應層40的鐵氰酸鹽將會自發進行還原反應變回亞鐵氰酸鹽，其反應式可表示為
Figure 02_image029
。其中，在反應層40上所發生的半反應為
Figure 02_image031
。
因此，反應層40中的鐵氰酸鹽會因保護層60的鐵的氧化反應而被還原為亞鐵氰酸鹽。當保護層60的氧化反應發生時，反應層40會進行還原反應，進而減緩空氣中的氧氣所發生的氧化反應。另外，藉由空氣中的水氣對鐵的氧化反應，進而保護反應層40，使反應層40的導電介質可保持良好的安定性。因此，藉由設置保護層60於生化試片100中，可有效地避免反應層40中的導電介質在進行量測樣品前就發生變質。反應層40的導電介質及保護層60的組成材料並不以上述為限。
在本實施例中，提供一種保護生化試片100的方法。詳細來說，本實施例保護生化試片100的方法包括提供保護層60電性連接至電極單元20，保護層60透過電極單元20與反應層40電性連接。保護層60用於在反應層40失去電子後還原反應層40。如同前述，反應層40的亞鐵氰酸鹽在空氣中容易被氧氣氧化成鐵氰酸鹽。選擇具有標準還原電位小於鐵氰酸鹽/亞鐵氰酸鹽的標準還原電位的材料來作為保護層60，例如，選擇鐵來作為保護層60。因此，保護層60可於反應層40失去電子後使其進行還原反應，進而使反應層40恢復成預設狀態。在本實施例中，反應層40的標準還原電位大於保護層60的標準還原電位，但本揭露不以此為限。
前述僅為保護層60和反應層40的實例，本揭露不以上述為限。透過選擇適當的材料作為保護層60，使保護層60和反應層40兩者之間的電位差(
Figure 02_image003
)大於0。藉此，使得保護層60和反應層40處於自發反應，進而達到保護生化試片100的效果，並延長生化試片100的使用壽命。
保護層60的材料可根據反應層40的材料來決定。舉例來說，當期望將反應層40的導電介質安定於氧化態時，保護層60的材料選擇適合作為陰極的材料，亦即選擇可以接受電子的材料。換句話說，當反應層40因得到電子而發生變質時，保護層60選擇可以吸收或接納電子的材料，因此反應層40在得到電子前，保護層60會先得到電子。藉此使反應層40安定於氧化態。一般而言，標準還原電位越高的物質傾向得到電子，而標準還原電位越低的物質傾向於失去電子。當期望將反應層40安定於氧化態時，選擇具有高於反應層40的標準還原電位的物質作為保護層60的材料。
當期望將反應層40的導電介質安定於還原態時，保護層60的材料選擇適合作為陽極的材料，亦即選擇可以提供電子的材料。換句話說，當反應層40因失去電子而發生變質時，保護層60選擇可以提供或失去電子的材料，因此反應層40在失去電子前，保護層60可以會先失去電子或補足反應層40失去的電子。藉此使反應層40安定於還原態。如同前述，當期望將反應層40安定於還原態時，選擇具有低於反應層40的標準還原電位的物質作為保護層60的材料。
一般而言，除了反應層40外，生化試片100中容易發生氧化還原的地方還包括工作電極22和對電極24。在一些實施例中，生化試片100可額外設置保護層以保護工作電極22或對電極24。在一些實施例中，保護層60可同時保護工作電極22和反應層40。在一些實施例中，保護層60需與保護對象物理接觸以提供保護。保護對象可包括反應層40、工作電極22、對電極24或其他生化試片100內的單元。在其他實施例中，保護層60僅需與保護對象電性接觸即可提供保護。在一些實施例中，當保護層60接觸複合材質的保護對象時，需避免對非保護對象造成反作用。因此，保護層60經設計僅需與保護對象電性接觸。
值得一提的是，為避免保護層60在生化試片100進行電化學測量時造成干擾，本揭露之保護層60在濃度測量反應中處於斷路狀態。在一些實施例中，如圖2所示，保護層60透過工作電極22和其分支22A與反應層40形成串聯。在一些實施例中，保護層60可連接多個工作電極22的分支以與反應層40形成並聯。在一些實施例中，生化試片100可連接至一電路學開關，於生化試片100進行電化學測量時，可透過電路學開關將保護層60斷路。當生化試片100電性連接至測量儀時，保護層60與電極單元20電性分離。此外，生化試片100進行電化學測量時，係透過外部的測量儀提供反應電位來驅動濃度測量反應。反應層40的化學反應數量級將遠高於保護層60與反應層40之間的氧化或還原化學反應。因此，保護層60不會影響生化試片100的濃度測量反應。在一些實施例中，反應層40的氧化或還原反應電流值大於或等於保護層60的氧化或還原反應電流值的10倍(含)以上。在一些實施例中，反應層40的氧化或還原反應電流值大於或等於保護層60的氧化或還原反應電流值的50倍(含)以上。在一些實施例中，反應層40的氧化或還原反應電流值大於或等於保護層60的氧化或還原反應電流值的100倍(含)以上。舉例來說，為確保保護層60的氧化或還原反應不會干擾測量反應(即反應層40的反應)，若反應層40的最小氧化或還原反應電流值(即系統規格上最低濃度的氧化或還原反應電流值)為1微安培(μA)，則保護層60的氧化或還原反應電流值應小於0.01微安培。因此，反應層40的氧化或還原反應電流值較佳大於或等於保護層60的氧化或還原反應電流值的100倍(含)以上。在一些實施例中，保護層60相對於反應層40的角色亦會發生改變，因此保護層60不會影響濃度測量反應的結果。
在一些實施例中，工作電極22的分支22A係為了提供保護層60導電平台而設置。在一些實施例中，工作電極22與其分支22A可具有相同或不同的材料。在一些實施例中，工作電極22的分支22A可包括碳，例如碳層。在其他實施例中，工作電極22可不具有分支22A，且保護層60可直接設置於工作電極22上。
本揭示不限於前述實施例，且可具有其他不同的實施例。為簡化說明以及方便本揭示實施例之各者間之比較，在下列實施例之各者中的完全相同組件係以完全相同編號標出。為了使得更容易地比較實施例之間的差異，下列說明將詳述不同實施例間的不相似處且完全相同特徵將不贅述。
在一些實施例中，保護層60可用於保護電極單元20。請參考圖5，圖5是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片200的分解示意圖。如圖5所示，生化試片200與生化試片100的差別在於電極單元20大體上與保護層60位於相同水平面上。在一些實施例中，電極單元20僅部分設置於保護層60之上。舉例來說，電極單元20包括分支，分支係設置於保護層60之上。分支可為工作電極22的分支22A、對電極24的分支24A(示於圖8)或參考電極的分支。在一些實施例中，分支可用於提供保護層60一導電平台。
在本實施例中，電極單元20的工作電極22係設置於保護層60之上，而電極單元20的對電極22可與保護層60設置於相同水平面上，但本揭露不以此為限。在一些實施例中，僅電極單元20中工作電極22的分支22A設置於保護層60之上。舉例來說，工作電極22大體上與保護層60位於相同水平面上，僅工作電極22的分支22A設置於保護層60之上。在本實施例中，第一絕緣隔片30和第二絕緣隔片50不具有開口34和開口54，但本揭露不以此為限。在其他實施例中，可視系統需求於第一絕緣隔片30和第二絕緣隔片50設置開口。舉例來說，第一絕緣隔片30可具有開口34，第二絕緣隔片50可具有開口54，開口34和開口54至少部分暴露工作電極22的分支22A。
在一些實施例中，電極單元20係完全覆蓋保護層60，而反應層40設置於電極單元20上。詳細來說，電極單元20的工作電極22完全覆蓋保護層60。在一些實施例中，工作電極22的分支22A可完全覆蓋保護層60。在一些實施例中，工作電極22的分支22A的面積大於保護層60的面積。在一些實施例中，工作電極22的厚度大於保護層60的厚度。在一些實施例中，工作電極22的厚度可實質上等於保護層60的厚度。
如圖5所示，生化試片200設置有保護層60，且保護層60與電極單元20電性連接。在一些實施例中，保護層60用於保護電極單元20。在一些實施例中，保護層60用於保護部分或全部的電極單元20。在一些實施例中，保護層60用於保護由活性材料組成的部分或全部的電極單元20。活性材料可包括導電材料，例如銀(silver)或其他適合的金屬材料。在本實施例中，保護層60可用於保護電極單元20的工作電極22。舉例來說，工作電極22的材料可包括銀，然而銀容易與空氣中的氧氣及水氣等進行反應而氧化成氧化銀，其反應式可表示為
Figure 02_image033
。當銀因接觸氧氣而被氧化成氧化銀時，將導致工作電極22表面毒化，因此工作電極22的導電能力及接收電子能力將會降低，此變異會導致生化試片200在濃度檢測時產生測量偏差。
本揭露之生化試片200設置有保護層60，且保護層60與電極單元20電性連接。因此，當生化試片200暴露於環境中且未添加樣品前，電極單元20、保護層60及空氣形成一化學反應槽。在本實施例中，保護層60的材料可包括二茂鐵(ferrocene)，其中位於二茂鐵中心的鐵離子可進行轉換價態而發生氧化還原反應，其反應式可表示為
Figure 02_image035
，其標準還原電位約為0.16 V。氧化銀/銀的標準還原電位約為1.17 V。二茂鐵的標準還原電位小於氧化銀/銀的標準還原電位。因此，在本實施例中，保護層60為陽極，而電極單元20為陰極。保護層60和電極單元20的電位差(
Figure 02_image003
)約為1.01 V。因兩者之間的電位差大於0，自由能變化小於0，因此電極單元20的氧化銀將會自發進行還原反應變回銀，其反應式可表示為
Figure 02_image037
。
由上述可知，工作電極22中的氧化銀會因保護層60的二茂鐵的氧化反應被還原為銀。當保護層60的氧化反應發生時，電極單元20的工作電極22會進行還原反應，進而減緩空氣中的氧氣和水氣等所發生的氧化反應。因此，藉由設置保護層60於生化試片200中，可有效地避免電極單元20在進行量測樣品前就發生變質。電極單元20及保護層60的組成材料並不以上述為限。
保護層60的材料不以二茂鐵為限。在一些實施例中，保護層60的材料可包括金屬茂基配合物(metallocene)或大環化合物(macrocycle)，但本揭露不以此為限。舉例來說，金屬茂基配合物可包括二茂釩(vanadocene)、二茂鉻(chromocene)、二茂錳(manganocene)、二茂鐵(ferrocene)、二茂鈷(cobaltocene)、二茂鎳(nickelocene)、二茂銠(rhodocene)等。大環化合物可包括酞青鐵(iron phthalocyanine)、酞青鈷(cobalt phthalocyanine)、酞青鎳(nickel phthalocyanine)、酞青銅(copper phthalocyanine)等。
在本實施例中，提供一種保護生化試片200的方法。詳細來說，本實施例保護生化試片200的方法包括提供保護層60電性連接至電極單元20。保護層60用於在電極單元20失去電子後還原電極單元20。如同前述，電極單元20的銀在空氣中容易被氧氣氧化成氧化銀。選擇具有標準還原電位小於氧化銀/銀的標準還原電位的材料來作為保護層60，例如，選擇二茂鐵來作為保護層60。因此，保護層60可於電極單元20失去電子後使其進行還原反應，進而使電極單元20恢復成預設狀態。在本實施例中，電極單元20的標準還原電位大於保護層60的標準還原電位，但本揭露不以此為限。
在其他實施例中，電極單元20的標準還原電位小於保護層60的標準還原電位。舉例來說，本揭露另提供一種保護生化試片200的方法包括提供保護層60電性連接至電極單元20。保護層60用於在電極單元20得到電子後氧化電極單元20。如同前述，可選擇具有標準還原電位大於電極單元20的標準還原電位的材料來作為保護層60。因此，保護層60可於電極單元20得到電子後使其進行氧化反應，進而使電極單元20恢復成預設狀態。
前述僅為保護層60和電極單元20的實例，本揭露不以上述為限。透過選擇適當的材料作為保護層60，使保護層60和電極單元20兩者之間的電位差(
Figure 02_image003
)大於0。藉此，使得保護層60和電極單元20處於自發反應，進而達到保護生化試片200的效果，並延長生化試片200的使用壽命。
請參考圖6，圖6是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片300的分解示意圖。如圖6所示，生化試片300與生化試片100的差別在於生化試片300的電極單元20不包括分支22A。在一些實施例中，保護層60可直接設置於電極單元20的工作電極22上，但本揭露不以此為限。在其他實施例中，保護層60可直接設置於電極單元20的對電極24上。
請參考圖7，圖7是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片400的分解示意圖。如圖7所示，生化試片400與生化試片100的差別在於生化試片400包括可拆卸保護層70，而不包括保護層60。一般而言，在生產或製造生化試片400的過程中，生化試片400的各單元可能會因為製造的環境而產生變異。舉例來說，反應層40在乾燥前是液態，而電極單元20會經過高溫電極製程，這些不可避免的高溫高濕及光照環境容易導致生化試片400產生變質而導致測量誤差。因此，在一些實施例中，生化試片400還包括可拆卸保護層70。生化試片400於靜置時，可透過可拆卸保護層70將已變異的單元回復到預設狀態。值得一提的是，本實施例的可拆卸保護層70意指非設置於生化試片400內的保護層，可拆卸保護層70為可更換的，並可於連接至測量儀前或進行測量反應前卸除。在一些實施例中，可透過外力(如施加電壓)於可拆卸保護層70上，以加速恢復生化試片400。
在一些實施例中，可拆卸保護層70電性連接電極單元20以將生化試片400回復到預設狀態。如圖7所示，可拆卸保護層70可透過絕緣膠帶72覆蓋於電極單元20上。可拆卸保護層70在生化試片400回復到預設狀態後，電性分離電極單元20。舉例來說，可拆卸保護層70可透過剝除絕緣膠帶72卸除。在一些實施例中，可拆卸保護層70可與反應層40電性連接。在一些實施例中，可拆卸保護層70可與對電極24連接。
請參考圖8，圖8是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片500的局部俯視示意圖。如圖8所示，生化試片500與生化試片100的差別在於生化試片500的保護層60係設置於對電極24的一側。在本實施例中，保護層60電性連接對電極24。保護層60可用於保護對電極24。在一些實施例中，保護層60可設置於對電極24的上方。舉例來說，保護層60可設置於對電極24的分支24A的上方。在一些實施例中，保護層60亦可設置於對電極24的下方。保護層60與電極單元20的相對位置可依系統需求而調整。
請參考圖9，圖9是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片600的局部俯視示意圖。如圖9所示，生化試片600與生化試片100的差別在於生化試片600可包括多個保護層60、62，例如保護層60和保護層62。保護層60電性連接工作電極22，而保護層62電性連接對電極24。保護層60可用於保護工作電極22或反應層40，而保護層62用於保護對電極24。在本實施例中，反應層40僅與工作電極22接觸，而不與對電極24接觸。因此，保護層60可透過工作電極22與反應層40電性連接。
生化試片600可藉由設置多個保護層以保護生化試片600中不同的區域。舉例來說，保護層60可用於保護反應層40的安定性，而保護層62可用於保護對電極24的安定性。在其他實施例中，保護層60可用於保護工作電極22的安定性，而保護層62用於保護對電極24的安定性。保護層60和保護層62可具有相同或不同的材料。此外，保護層60和保護層62可具有大小不同的面積，但本揭露不以此為限。在一些實施例中，保護層60的面積大於保護層62的面積。在一些實施例中，保護層60和保護層62可位於不同的水平面，但本揭露不以此為限。舉例來說，保護層60可位於工作電極22上方，而保護層62可位於對電極24的下方。
圖10A與圖10B繪示五種血糖濃度之檢測結果以呈現本揭露與習知技術的差異。詳細來說，圖10A與10B為四週50℃加速老化之生化試片與生化分析儀分別進行五種血糖(100 mg/dL、200 mg/dL、300 mg/dL、400 mg/dL以及500 mg/dL)樣品量測之五重複實驗所得訊號回歸分析圖。圖10A為無保護層的生化試片訊號圖，圖10B為本揭露具有保護層的生化試片訊號圖。圖10A和圖10B中的實線為標準值。
如圖10A所示，在血糖濃度為100 mg/dL時，無保護層的生化試片訊號表現偏高。此外，在血糖濃度為300 mg/dL(含)以上時，無保護層的生化試片訊號均較生化分析儀低，且均超出±10%之允收規範。如圖10B所示，在血糖濃度為300 mg/dL(含)以下時，本揭露之生化試片所得訊號非常集中且與生化分析儀表現接近。此外，在所有血糖濃度上，本揭露之生化試片所得訊號均在允收規範內。
本揭露的上述說明中提供多種設有保護層的生化試片，其中保護層可以幫助反應層的安定性，藉此達到保護生化試片，減緩或避免生化試片與環境發生非預期的變異，進而延長生化試片的使用壽命。另外，生化試片可設置多個保護層以保護生化試片中的不同單元。舉例來說，保護層還可以保護工作電極或對電極等，藉此降低測量誤差。此外，生化試片還可以包括可拆卸的保護層，以加速生化試片回復到預設狀態。
雖然已詳述本揭露及其優點，然而應理解可進行各種變化、取代與替代而不脫離申請專利範圍所定義之本揭露的精神與範圍。再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。該技藝之技術人士可自本揭露的揭示內容理解可根據本揭露而使用與本文所述之對應實施例具有相同功能或是達到實質相同結果之現存或是未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟係包含於本申請案之申請專利範圍內。
10:絕緣基板 10C:連結區 20:電極單元 22:工作電極 22A:分支 24:對電極 24A:分支 30:第一絕緣隔片 30F:前側 30B:後側 32:開口 34:開口 40:反應層 50:第二絕緣隔片 52:通氣孔 54:開口 60:保護層 62:保護層 70:可拆卸保護層 72:絕緣膠帶 100:生化試片 200:生化試片 300:生化試片 400:生化試片 500:生化試片 600:生化試片
參閱實施方式與申請專利範圍合併考量圖式時，可得以更全面了解本申請案之揭示內容，圖式中相同的元件符號係指相同的元件。
圖1是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的分解示意圖。
圖2是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的局部俯視示意圖。
圖3是圖2中A-A'切線的剖面示意圖。
圖4是圖2中A-A'切線的剖面示意圖。
圖5是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的分解示意圖。
圖6是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的分解示意圖。
圖7是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的分解示意圖。
圖8是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的局部俯視示意圖。
圖9是依據本揭露的一些實施例所繪製的生化試片的局部俯視示意圖。
圖10A與圖10B繪示五種血糖濃度之檢測結果以呈現本揭露與習知技術的差異。
10:絕緣基板
10C:連結區
20:電極單元
22:工作電極
22A:分支
24:對電極
30:第一絕緣隔片
30F:前側
30B:後側
32:開口
34:開口
40:反應層
50:第二絕緣隔片
52:通氣孔
54:開口
60:保護層
100:生化試片

Claims (16)

  1. 一種生化試片，包括： 電極單元；以及 保護層，電性連接該電極單元，該保護層用於在該電極單元得到電子後氧化該電極單元或在該電極單元失去電子後還原該電極單元，其中該保護層與該電極單元具有電位差(
    Figure 03_image001
    )。
  2. 如請求項1所述的生化試片，其中該電位差(
    Figure 03_image001
    )大於0。
  3. 如請求項1所述的生化試片，其中該保護層為陽極，且該電極單元為陰極。
  4. 如請求項1所述的生化試片，其中該保護層為陰極，且該電極單元為陽極。
  5. 如請求項1所述的生化試片，還包括： 第一絕緣隔片，位於該電極單元上，其中該第一絕緣隔片具有第一開口和第二開口，該第一開口至少部分暴露該電極單元，該第二開口至少部分暴露該保護層。
  6. 如請求項5所述的生化試片，還包括： 第二絕緣隔片，位於該第一絕緣隔片上，其中該第二絕緣隔片具有第三開口，該第三開口至少部分暴露該保護層。
  7. 如請求項1所述的生化試片，其中該電極單元包括分支，該分支用於提供該保護層一導電平台。
  8. 如請求項1所述的生化試片，其中該電極單元大體上與該保護層位於相同水平面上。
  9. 如請求項1所述的生化試片，其中至少一部分的該電極單元由一活性材料組成且與空氣接觸。
  10. 如請求項9所述的生化試片，其中該保護層用於保護由該活性材料組成的該部分或全部的該電極單元。
  11. 一種生化試片，包括： 反應層和電極單元，其中該反應層電性連接該電極單元； 保護層，電性連接該電極單元，該保護層透過該電極單元與該反應層電性連接，該保護層用於在該反應層得到電子後氧化該反應層或在該反應層失去電子後還原該反應層，其中該保護層與該反應層具有電位差(
    Figure 03_image001
    )。
  12. 如請求項11所述的生化試片，其中該電位差(
    Figure 03_image001
    )大於0。
  13. 如請求項11所述的生化試片，其中該保護層為陽極，且該反應層為陰極。
  14. 如請求項11所述的生化試片，其中該保護層為陰極，且該反應層為陽極。
  15. 如請求項11所述的生化試片，其中該反應層的一氧化或還原反應電流值大於該保護層的一氧化或還原反應電流值。
  16. 如請求項11所述的生化試片，其中該反應層的一氧化或還原反應電流值大於或等於該保護層的一氧化或還原反應電流值的10倍。
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