TWI269033B - Electrochemical biosensor and the manufacturing method thereof - Google Patents

Description

1269033 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種拋棄式電化學生物感測器 (Electrochemical Biosensor)的設計，提供一種創新的電 極δ又汁方式’以較簡單的方法精準控制電極面積與電極間 的距離。 【先前技術】 對電化學生物感測器大量生產而言’電極面積的控制 是相當重要的，因為對生物感測器而言其電流響應直接與 工作電極面積成正比例關係。在生產製造時所導致的電極 面積變異將導致試片成品更大的變化。因此如何藉由適當 =電極設計，來克服或避免製造過程中所產生的電極面: 艾異’即成為電化學生物感測器量產的重要關#。相較於 工作電極面積的嚴格要求’對極面積的要求就沒有那麼嚴 格，一般的設計只需要大於工作電極面積即可。 在吳國專利號6,077,408發明專利案揭示一種電化 生物感測器，如第四圖所示，其工作電極4面積係由覆苗 於其上方的絕緣層6的開口所決定。該專利案是先在 絕緣性質的平板材M q /、 恭 、 ，以網版印刷的方式製作出工作 ^ 對極5 ’緊接著再同樣以網版印刷方式在電桎上 方印製絕緣層6, A中绍络思β 飞在包極上 ，、中、浥、、彖層6具有一特定的開口 口 ΙΜ分的工作電極4盥對炻ς + 吏仔 工作電極4虚對極5、的1路出’而得以與檢體接觸，該 /、 的面積即藉由絕緣層6上的開口所決 1269033 疋。同時該專利案進一步將含有特定氧化還原酶 (oxidoreductance)以及電子媒介（mediat〇r)物質的配方塗 佈在工作電極4與對極5上，形成具有特定生化物質檢測 能力之生物感測器。 然而以網版印刷所形成之絕緣層6，當網印面積放大 蚪谷易因為網版形變的影響，原本設計的開口會產生形變 ，進而影響了工作電極外露的面積。目而新的電極面積： 制問題又產生。 在已知的電化學檢測技術可以了解，工作電極與對極 間的距離，將對整體檢測迴路形成一定的壓降，兩個電極 間的距離愈接近，所造成的壓降也將愈低，當然外加的電 位也可以愈小，可以避免不必要的電化學反應在電極表面 形成，進而影響檢測的結果。綜觀拋棄式電化學感測器設 計’可發現大部分的工作電極與對極都是賴版印刷方式 印製於同-平板表面上，然而一般網版印刷技術，由於考 慮到網版圖形的穩定性以及網印漿料的流變性，其 間的距離通常設計在0.2 mm左右，若、隹半々| 及石，右進一步縮小容易導 致兩支電極短路。因此若要以網版印刷方式所小電極間的 間距有一定的困難度。 【發明内容】 本發明主要目的在提出一種創新的電化學生物感測哭 電極設計，同時解決電化學生物感測器大量生產時電極面 積變異的問題，同時可縮短卫作電極與對極間的距離。 1269033 $達成前述目的採取的主要_手段係令形成電極的 作法有別於已知的網版印刷方式 W力式本發明改以貼合的方式 來形成生物感測器所需的電極， 置位於不同平面上，在一單面jr與對極的配 披復電極材料的單面膠帶上 ’以模具沖壓的方式成形一牲中叫 ^ 成形特疋開口，隨後再將此單面膠 :貼合於工作電極層上，於是工作電極的面積由翠面膠帶 的開口所決定，由於以模具沖壓方式沒有網版印紋形變 2題，因此可以有效降低因為網版形變所造成的電極面 :受異…卜兩支電極間的距離由原本的水平轉變為垂直 向，其距離的控制取決於該單面膠帶的厚度，不 網版印刷設計的問題，因此 "心 很令易猎由早面膠帶厚度 2擇來調整電極間的距離，以現有標準單面膠帶基材的 規=，很容易從現有網印技術的〇2咖Μ距縮 U-U5〜〇· 1 mm。 【實施方式】 1〇1作為 如第一圖所示，本發明使用一工作電極基材 生物感測器之主體支撐材料進行以下步驟： 在其表面以網版印刷、 附著的方式製作工作電 將工作電極基材101清潔後， 洛鍍、濺鍍或其他適合於電極材料 極導線1 02 ; 取另一片與工作電極基# 101具有相同特性的材㈣ 雷極基材他’同樣以蒸鑛、麟、ep刷或其他適 電極材料附著的方式，將與工作電極相同的電極材料二 1269033 於對極基材103的苴 的/、中一面以作為對極層104 ; 在對極基材Ί 03 式形成 合的媒 ,n 之另外一面以塗佈或貼合的方 一對極膠層1 〇5，竹岌么^ t 入. 作為後績與工作電極基材101貼 介， 以核具沖麼的方4 八別Μ Μ 材1G3上形成兩個槽口， 為工作電極開°⑽以及接觸點開α 107,1二者 分別對應於工作電極美姑i n 一 者 卜电枉基材101上所設工作電極導線102之 較短端中央及較長端之端部； 以貼合的方式將對極基# 1〇3貼合至工作電極基材 上並以滾輪廢合的方式將兩片基材緊密結合；藉此 ’利用對極基材1〇3上的工作電極開口 1〇6在工作電極基 材101的工作電極導線102較短端上定義出一工作電極 1〇8，並決定該工作電極1〇8之面積，而接觸點開口斯 ，使得卫作電極導線1Q2較長端之_端外露，使外部連接 -之接點可透過工作電極導線）〇2與工作電極]〇8構成電 氣連接； 在對極基材1 03上貼合一由雙面膠帶構成的間隔層 1 0 9，間隔層1 〇 9 —端形成有一通道開口 1彳〇，該通道開 口 110係對應於對極基材103上的對極層1〇4使其局部外 露以定義出一適當面積的對極H 1;又利用該間隔層1〇9 的厚度將作為檢體通道的高度，進而決定了感測器所需的 檢體體積； 將含有特定化學成份的配方液，以印刷、點滴 (Dotting)或喷塗（Spraying)的方式覆蓋於工作電極108與 1269033 對極1 1 1上形成一配方層1彳3 ; 取一具有單面親水性之材料作為上蓋層彳14，並將其 親水層1 1 5朝通道開口 1 1 〇貼附於間隔層彳〇9之上，同時 在相對於檢體通道末端的位置上形成有一排氣口彳彳6，當 檢體進入通道時作為通道内氣體的排氣出口。 由上述步驟可瞭解本發明製作一電化學生物感測器之 具體流私，而利用前述方法構成的生物感測器，其主要特 色是在一單面披覆對極層104的對極基材1〇3上，以模具 沖壓的方式成形一特定開口彳〇6，再將該對極基材彳〇3貼 合於工作電極基材101上，於是令工作電極1〇8與對極 111分別位於垂直方向的不同平面上，且工作電極基材 101上的工作電極108面積即由對極基材1〇3上的開口 106所決定，由於以模具沖壓方式沒有網版印紋形變的問 題，因此可以有效降低因為網版形變所造成的電極面積變 異。 有關％述流程的各步驟細節謹進一步詳述如后： 首先，該工作電極基材1 〇 1必須同時具備良好的表面 平整、電氣絕緣以及高溫烘烤不易型變等特性，以確保在 後‘網版印刷或電極材料披覆製程中，組成生物感測器的 各層材料間之相對位置不會因加熱緣故而改變，進而影響 後續製程的對位問題。使用前必須先以適當的方法及溶劑 將工作電極基材1 0 1表面之油污或污染清潔處理。依已知 的經驗，可能作為基材的材料有：聚氯乙烯（p〇|yvjny| chloride, PVC) 聚苯二曱酸乙二酯（polyester， 1269033 terephthalate，PET)、聚碳酸酯（polycarbonate, PC)、 polypropylene (pp)、聚酯（polyethylene, PE),聚丁稀 (polybutylene, PBT), polystyrene (PVDF)、聚醯胺 (polyamide，PA)，電木（bakelite)、玻璃纖維、玻璃與陶 瓷。 而在工作電極基材i 〇彳表面製作的工作電極導線1 〇2 ’可以為碳漿、貴金屬漿料（金漿、鈀漿、鉑漿及氯化銀漿 荨）貝金屬（金、銀、翻以及絶等）或其他適合作為電化學 檢測電極之材料。其中若以網版印刷方式將碳漿印刷於基 材表面，為了增進碳漿的導電性，一般可以導電性較好之 漿料（例如：銀漿、銅漿或錫漿等）預先印製於工作電極導 線1 02之下方以減少導線之電阻。相反的若採用蒸鍍或濺 鍍製私製作上述工作電極導線彳〇2，依照已知之技藝須在 基=表面先以鉻（chromium, Cr)或鎳（Nickel, Ni)等與基材 附著&I好之金屬w著於基材表面i ’而後再以上述貴金 屬付著於其上’以增加貴金屬電極材料的附著性。 該間隔層109的貼合方式，係在雙面膠帶上預先以沖 堅刀切或雷射切割等方式形成通道開口 110，此通道開

”至少須包含工作電極開口 106以及足夠的對 極基材103夕而註 、 J 、，/刀別形成電化學感測器所需的工作電 極108與對極1 包 . 、 且其位置至少須位於感測器邊緣之一 以形成感測器檢體通道入口 1 1 2。將該間p芦 同樣以貼人 # 同層 輪壓合方式將附於對極基材103之上’並以滾 、Λ者緊饮結合。而該間隔層彳09的厚度將作

Claims (1)

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f η Μ 申請專利範圍： 1. 一種電化學生物感測器，包含·· 一工作電極基材’其上形成有-工作電極導線. -對極基材’係貼合於工作電極’ 成對極層，並至少形成有—工作電 盘…上形 ，i八μ — 開口與一接觸點開口 其刀別對應於工作電極導線之兩 _ λα 而以疋義出一適當面 檟的工作電極以及工作電極接點； -間隔層，係覆設於前述對極基材上，其上至少形成 有-通道開口’通道開口位於間隔層一端邊緣處，以形成 一檢體通道入口，又通道開口 #苴 便八下方的工作電極及對極 層局部露出，而定義出一適當面積的對極； 一配方層，係形成於前述的工作電極與對極表面； 上孤層，係覆设於洳述間隔層上，其内面形成有一 親水層’配合下方的通道開口與工作電極開口構成一檢體 通道。 2·如申請專利範圍第1項所述之電化學生物感測器 ，名工作電極導線係以一較長端及一較短端之一端相連，_ 其中較短端對應於對極基材上的工作電極開口； 遠對極基材上之接觸點開口係令工作電極導線較長端 扃部露出，以構成一工作電極接點。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之電化學生物感測器 亥上盍層上於對應對極基材上通道開口内側之位置上形 成有一排氣口。 4 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電化 15 1269033

子生物感測為，遠工作電極導線係直接附著於工作電極基 材表面’、包極圖案可以轉印、姓刻、蒸鐘或網版印刷等 方式製作於平板基材表面。 5·如申請專利範圍第4項所述之電化學生物感測器 ，遠工作電極導線適用的電極材料有碳漿、銀漿、金漿、 #聚、把裝、金、翻以及鈀等貴金屬或其他適合作為電化 學檢測電極之材料。 6 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電化 學生物感測器，該對極基材之組成包括一與工作電極基材 _ 具相同選擇性之絕緣基材，基材厚度依實際設計需求選用 ’該基材之一面塗佈具粘著性質之膠體，另一面則整面披 覆一對極層。 7_如申請專利範圍第6項所述之電化學生物感測器 ’該工作電極基材具備表面平整、受熱不易變形以及電氣 絕緣良好等特性，其可適合的材料有聚氣乙烯（Pvc， polyvinyl chloride)、聚酉旨（polyester)、聚對苯二曱酸 二乙醇酯（PET, polyethylene glycol terephthalate ) 、 _ 聚碳酸酯（PC, polycarbonate )、聚丙烯（pp， polypropylene )、聚乙烯（PE，polyethylene )、聚 丁烯 (PBT, polybutylene )、苯乙烯（PS, polystyrene )、 聚亞二氟乙稀(PVDF, polyethylene polyvinylidene fluoride )、聚醯胺（pa, polyamide )、電木、玻璃纖維 、玻璃或陶瓷等。 8 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電化 16 1269033 ^ , 、、抑 ^ n r 學生物感測器’該配方層之組成包含生物活性物質、電子 媒介體（m e d i a t 〇 r)、緩衝鹽類以及界面活性劑等。 9.如申請專利範圍第8項所述之電化學生物感測器 ，該生物活性物質可依照電化學生物感測器之檢測標的物 質，選用以下之任一種物質：葡萄糖氧化酶（g|UC0se oxidase),葡萄糖脫氫酶（glucose dehydrogenase),乳糖 氧化酶（lactate oxidase),乳糖脫氫酶（lactate dehydrogenase),果糖氧化酶（fructose oxidase),果糖脫 虱 S# (fructose dehydrogenase),半乳糖氧化酶（galactose oxidase),膽固醇氧化酶（cholesterol oxidase),膽固醇脫 氫酶（cholesterol dehydrogenase),膽固醇脂解酶 (cholesterol esterase), 乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase),以及乙醇氧 4 匕酶（alcohol oxidase)等或 其衍生物質。 1 0 ·如申請專利範圍第8項所述之電化學生物感測器 ，該電子媒介體可為以下任何一種材料··赤血鹽 (potassium ferricyanide)、對苯醌（p-benzoquinone)、 phenazine methosulfate、二茂（絡）鐵（ferrocene)、散酚 (indophenol)以及曱基藍（methylene blue) 〇 1 1 ·如申請專利範圍第9項所述之電化學生物感測器 ，該檢測標的物質可為··葡萄糖、乳糖、果糠、半乳糖、 膽固醇、乙醇等或其衍生物質。 1 2 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之電化 學生物感測器，該間隔層之組成包括一與工作電極基材具 1269033 祁同遠擇性之絕緣基材，基材厚度依實際設計需求選用， 絲材兩面以塗佈或貼合的方式形成—具黏著性質之膠體 ’並且以雷射切割、刀模或沖模成型方式預留一通道開口 ’該通道開口至少須包含單—生物感測器之—邊緣切割線 ’使得生物感測器從基材分離後，該通道開口與平板基材 以及具親水層之上蓋層形成—毛細管檢體通道，並在生物 感測裔之邊緣保留至少一檢體通道入口。

13·如申請專利範圍第12項所述之電化學生物感測 器，該親水層之處理方式可為表面修飾親水性分子或直接 將親水性材料以塗佈或貼合方式附著於上蓋層底面。 14·如申請專利範圍第13項所述之電化學生物感測 器，該親水性分子至少具有以下官能基：磺醯（sulfonyl)， 磺酸酯（sulfonate)，羧基（carb〇xy丨）等。

1 5·如申晴專利範圍第1 3項所述之電化學生物感測 器，該親水性材料其可能的材料有：乙烯纖維素㈨吋丨 cellulose) 甲基纖維素（methyl cellulose)、 hydroxypropyl cel|u|0Se、醋酸纖維素㈣丨丨u丨咖扣…㈨ 、硕化纖維素（nitroce丨丨U|〇se)、聚苯乙烯（p〇丨yviny| pyrrohdone)、聚砜（p〇lysu|fone)、聚偏氟苯乙烯 (polyvinylidene fluoride)、聚醯胺（polyamide)以及聚亞 驢胺（polyimide)。 16.如申請專利範圍第3項所述之電化學生物感測器 ，該上盍層的排氣口係使檢體通道與外部貫通，其尺寸與 形狀得作各種變化，其位置為檢體在檢體通道内流動之終 18 1269033 點 r 同平面上 18 器之製造方一:如:=範面第1項所述電化學生物感測 工作電極導線 在一清潔後的工作電極基材表面製作一 ㈣：另一片與工作電極基材具有相同特性的材料作為對 材上:: = ===:電極基材上，並使工作電極基 作電極；導線局路出，以定義出—適當面積的工 在對極基材上貼合一間層 及對極層局邻霪“„ 使其下方的工作電極 了位層局。ρ路出於間隔層以外，其 當面積的對極； 糸疋義出一適 將含有特定化學成份的配方液， 極上以形成一配方層； 许电極與對 覆设一上蓋層於間隔層上。 19·如申請專利範圍第18項 之製造方法，令盥工作雷 、&電化學生物感测器 一工作電極開口，使工作電 、木基材一端形成 適當面積的工作電極。 …部露出，以定義出- 19 1269033 If 二〇_如巾請專利範㈣19項所感測器 .之製造方法，該間隔層一端形成有一通道開口，該通道開 口係對應於對極基材上的對極層以使其局部外露以定義出 -適：面積的對極；又利用該間隔層的厚度將作為檢體通 道的南度，進而決定了感測器所需的檢體體積。 21.如中請專利範圍第18至20項中任— 電 學生物感測器之製造方法，該配方液係以印刷、二 (Dottmg)或喷塗（Spraying)的方式覆蓋於工作電 上以形成一配方層。 W ^ ,22·如巾請專利範圍第2Q項所述電化學生物哭 之製造方法，該上蓋層係—具有單面親水層之:: 親水層朝通道開口貼附於間隔層之上，同時在相對於I: 通道末端的位置上來，右^ 丄 々了万' ^體 H… …當檢體進入通道時作 為通道内氣體的排氣出口。 乍 23·如申請專利範圍帛18至 學生物感測器之製造方法，該對極基材係：另;:= 佈或貼合的方式形成一對極勝層土 材貼合的媒介。 心與工作電極基 學生IV:申請專利範圍第18至20項中任-項所述電化 , Ik方法，該對極基材上係以模呈沖屝古 式形成兩個槽口，分別作 …、中辽方 ，发二去八… 別作為工作電極開口以及接觸點開口 、一π別對應於工作電極基材上所設工作電極 Μ分別定義出工作電極及工作電極接點。 、·，’ 25.如中請專利範圍第18至2〇項中任-項所述電化 20 rp -專丄、1: .4 ^ 1269033 學生物感測器之製造方法，該工作命^^ 作电極基材與對極基材係 以滾輪壓合的方式緊密結合。 26·如申請專利範圍第18至2〇馆击k 主項中任一項所述電化 學生物感測器之製造方法，該工柞堂枚# u 士 β工作電極基材表面係以網版 印刷、蒸鍍或者濺鍍的方式掣 、表作该工作電極導線。 2厂如申請專利範圍筮4 〇 學生物感測器之製造方法， 印刷的方式形成對極層 ,,. 1 8至20項中任一項所述電化 該對極基板係以蒸鍍、濺鍍或

十一、圖式： 如次頁

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