专利名称：电化学生物传感器电极带及其制造方法
电化学生物传感器电极带及其制造方法
背景技术：
本发明涉及一种制造成本低且具有优异运行性能的电化学生物传感器电极带及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种用于生物样品中特定物质如血液中葡萄糖的定量分析的电化学生物传感器测试带的电极带及其制造方法。在医疗领域，电化学生物传感器近来被频繁用于分析生物样品，包括血液。特别地，采用酶的电化学生物传感器目前被广泛应用，因为其易于应用，测量敏感度高，并具有快速获得结果的能力。酶分析被用于这种电化学生物传感器。根据检测方法，酶分析分为发色法(一种光谱方法)和电极法(一种电化学方法)。首先，发色法用于通过观察由生物样品和酶反应导致的指示器颜色变化来分析生物样品。但是，在发色法中，精确实现测量是困难的，因为这种测量基于变色的程度。而且， 发色法比电极法需要更长的测量时间并且伴有重要生物材料分析困难，其原因是由于生物样品浊度导致测量错误。因而，在其中预先形成测量生物样品的电极系统，将分析试剂固定到所述电极上并将生物样品引入到所述分析试剂上的电极法近来被频繁用于电化学生物传感器上。在这种方法中，施加预定的电势测量电流和电压，从而定量测量样品中的特定物质。作为这种电化学生物传感器的一个例子的血糖水平测量生物传感器的工作原理将在此后进行描述。在血糖水平测量生物传感器中，形成某些电极，然后葡萄糖氧化酶作为分析试剂并固定到所述电极的一部分以形成反应层。I当血液样品被引入到该反应层时，血糖被葡萄糖氧化酶氧化，而葡萄糖氧化酶则被还原。电子受体氧化葡萄糖氧化酶并将其自身还原。 被还原的电子受体失去电子并在带有施加有预定电压的电极表面被电化学重新氧化。由于血液样品中葡萄糖的浓度与电子受体氧化过程中产生的电流值成正比，血糖浓度就能够通过测量所述电流值进行测量。通过采用这种电化学生物传感器，就可能测量血液中尿酸、蛋白质和葡萄糖，也可能测量DNA中和肝功能测试中GOT (谷草转氨酶)或GPT (谷丙转氨酶)的酶活性。本申请中，所述生物传感器分为用于识别待测物的识别部分和用于进行电信号转换的转换部分。在识别部分使用生物材料，并且生物材料对被测物体的识别产生化学或物理变化。这种变化在所述转换部分转变为电信号，转换部分通常称为生物传感器的电极。这种生物传感器电极的一种制造方法是丝印(silk printing)。丝印是一种采用钼、碳或银/氯化银的印染方法，其需要的设备费用低，但存在的问题在于，在调节电阻变化以制造传感器电极需要的可重复性方面有困难。制造生物传感器电极的另一个方法是采用图案掩膜和贵金属形成电极图案的真空沉积或溅射法。在这个制造方法中，图案掩膜放在一基板上，采用贵金属在图案掩膜上进行真空沉积或溅射。采用昂贵的贵金属存在成本高、贵金属不易回收及为了大幅度减少电极电阻而导致的单位生产成本提高的负担问题。
另外，根据采用图案掩膜的常规溅射方法，溅射以片型进行，因此效率不太高。同时，传统上一直用于制造印刷电路板(PCB)的金属图案化技术也可以用来制造用于对生物样品如血液中的特定物质进行定量的电化学生物传感器的电极。然而，在采用铜等制造电极的传统PCB生产中，在铜基底上加金属层产生不均勻的和凹凸不平的表面，并且样品流入铜的下层，从而产生电信号干扰测量值。因此，该方法不适合制造生物传感器电极的用途。还有，PCB中采用的铜或镍在常规用于电化学生物传感器的电压下是电活性的(即，不稳定)，因此不适合作为电极材料用于电化学生物传感器。同时，传统上，为了在一基底，如塑料膜上形成电极图案，采用通过热等将包括铜的厚膜线(thick-film wire)与沉积在其上的钯粘合的方法或采用丝网印刷液相电极材料的另一种方法。然而，在将厚膜线粘合到基底如塑料膜上的方法中，采用钯沉积在其上的铜制造窄的轮廓清晰的厚膜线是困难的。由于窄的轮廓清晰的电极不用厚膜线方法制造，检测效率被限制。还有，钯用作电极材料非常昂贵，且由于和干扰物质的高反应性产生大量的不希望的电流。而且，厚膜线有一个问题，即由于线与塑料膜的弱粘合力使得电极容易从塑料膜上脱落。同时，丝网印刷液相电极的方法需要液相镀液。特别地，为了通过采用具有高的检测效果和高的耐化学性的材料如金、钯、钼形成电极，需要非常昂贵的液相镀液。因此，由于可用材料的限制，主要采用碳。然而，通过碳的丝网印刷形成的电极带存在一个问题，即其表面非常不均勻从而导致低的检测性能。同时，金已知在电化学反应中与干扰物质具有最低反应性并具有最好的耐化学性。然而，总体上，做成非常薄的板的电极被附连，或液相电极材料通过丝网印刷被附连，从而用于生物传感器的电极带厚度增加。相应地，当以此方式附连金时，生产成本大幅提高。
发明内容
因此，创造本发明以解决现有技术存在的上述问题，并且本发明提供了一种改进的电化学生物传感器电极和制造所述电极的方法。本发明的一个目的在于提供一种电化学生物传感器电极和所述电极的制造方法， 该方法通过采用较少的成分及简化制造过程可减少制造时间和成本。本发明的另一个目的在于提供一种电化学生物传感器电极和所述电极的制造方法，该电极在不采用昂贵的贵金属的情况下可表现出优异的电性能。本发明的又一个目的是提供一种电化学生物传感器电极，以及所述电极的制造方法。该电极可根据需要适当变形，并且由于其可被图案形成具有均勻表面的所需形状，从而具有优异的检测性能。因此，本发明提供了一种用于电化学生物传感器的电极带，该电极带需要低的生产成本且具有优异的性能。根据本发明的一个方面，提供了一种用于电化学生物传感器的电极带，所述电极带包括带状非导电性基底；用作工作电极和参考电极的至少两个在所述基底上布置的电极，其中所述电极包括金属层和碳层，所述金属层布置在所述基底上，所述碳层布置在所述金属层上，并且所述的金属层包含镍(Ni)。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于电化学生物传感器的电极带的制造方法，所述方法包括步骤准备非导电性基底；在所述基底上形成含镍金属层；在所述形成的金属层上形成碳层，从而形成包括金属层和碳层的导电层；和通过部分蚀刻所述导电层图案化电极形状。
本发明的上述和其它目的、特征和优点通过结合附图的下面的详细描述将更加显而易见。其中图1为根据本发明一个实施例的一种电化学生物传感器电极带制造方法的示意图；图2为示出根据图1中方法制造的电极带的电极布置的俯视图；图3为示出根据图1中方法制造的电极带在图2中示出的A-A’向剖面图；图4为示出根据图1中方法制造的电极带在图2中示出的B-B’向剖面图；和图5-7为示出根据本发明的电化学生物传感器电极带不同实施例的图。
具体实施例方式下面，将参照附图对根据本发明的一种电化学生物传感器电极带及其制造方法进行更详细地描述。然而，该描述对本发明的说明仅是示例性的，本发明的保护范围并不局限于此。首先，参照图1，根据本发明的一种电化学生物传感器电极带的制造方法和根据该方法获得的电化学生物传感器电极带的结构就容易理解。根据本发明的电化学生物传感器电极带100包括带状非导电性基底10 ；用作工作电极101和参比电极102的至少两个电极，两者都示于图2，都布置在基底上。所述的电极包括金属层20和碳层30，且在本发明中，金属层20布置在基底10上，碳层30布置在金属层20上，并且金属层20包含镍(Ni)。图2为示出根据本发明一个实施例的电极带的电极布置的俯视图；图3为在图2 中示出的A-A’向剖面图；图4为在图2中示出的B-B’向剖面图。根据本发明的一个实施例，金属层20和碳层30可通过溅射形成。通过溅射，可能形成具有均勻厚度的薄膜。根据本发明的一个实施例，每一金属层20和碳层30可具有在大约200-2000A 范围内的厚度，且在考虑导电率和制造难易度的情况下具有在大约500-1000A范围内的厚度。在本发明中，形成所述电极的金属层20为包含镍作为主要材料的金属层。相比铜，镍能够形成具有相对均勻厚度的薄膜，而且在和生物样品或用作测量生物样品的试剂(如酶)反应中也是安全的。同时，镍具有相对高的导电率，但其导电率却没有常规用作生物传感器电极材料的贵金属高。还有，贵金属与生物样品或用作测量生物样品的试剂(如酶)不反应，而镍则表现出一些程度的反应。为了克服镍的这一缺陷，在本发明中，包括镍的金属预先形成在基底上，然后再在其上形成碳层。所述碳层可补救镍的弱点，因为碳不与生物样品或试剂反应并具有一些导电性。如上所述，根据本发明的生物传感器电极的特征在于其在甚至不使用昂贵贵金属如金、钼、钯等的情况下能表现出优异的电性能。同时，根据本发明的生物反应器电极带采用非导电性材料作为基底10，如聚合物膜。因此，在本发明中，为了改善镍和基底之间的粘合性能，所述金属层除了镍以外可包括其它材料。根据本发明的一个实施例，镍和铬的混合层可用作金属层20。根据本发明的另一个实施例，所述金属层可做成镍和氧化镍(NiO)的混合层。本发明中，铬和氧化镍会牺牲掉一些导电率，但可起到改善镍和基底10之间粘合性能的作用。在包括镍和铬的混合层的金属层20中，在考虑导电率和与基底粘合性能的情况下，镍和铬的含量比的范围可从90 10重量％到50 50重量％。同样，在包括镍和氧化镍的混合层的金属层20中，镍和氧化镍的含量比的范围可从90 10重量％到50 50重量％。根据本发明的一个实施例，在工作电极101和参比电极102之间，还可形成辅助电极104。在这种结构中，待测量的生物样品可施加到在其上形成辅助电极的区域。换句话讲，当根据本发明的电化学生物传感器电极带100被用于生物传感器时， 和待测生物样品有反应的试剂等被放置于邻近工作电极101和参比电极102的区域，或辅助电极104被布置的区域。例如，当根据本发明的电化学生物传感器电极带被用于通过测量血液中的葡萄糖来测量血糖的试剂盒时，辅助电极104的区域可为反应部分。在该反应部分上，就试剂而言，任何基于水凝胶和葡萄糖氧化酶(下称“GO”)的试剂都可以放置。本发明中，当血液样品被施加到所述反应部分时，血液样品中含有的葡萄糖被与GO的酶反应氧化，GO则被还原。被还原的GO通过与电子受体反应被重新氧化，且被氧化的GO与其它的葡萄糖反应。为此，被还原的电子受体丢失电子并且通过移动到其上施加有电压的电极表面被电化学重新氧化，从而连续地参与反应。由于在电子受体氧化过程中产生的电流与血液中的葡萄糖浓度成正比，血液中的葡萄糖浓度就可以通过测量工作电极101和参比电极102之间的电流量就可以定量测量。同时，辅助电极104可起到在工作电极101和参比电极102之间促进电流流动的作用，并且可用作表示反应部分的指示器的作用。还有，考虑到电化学生物反应器电极带通过插入到一测试仪中使用时的情况，还可包括用于确定所述电极带是否已恰当插入所述测试仪的识别电极103。例如，当电极带插入测试仪时，所述测试仪可被构造为所述识别电极103被电连接至也包含在所述测试仪中的传感电路。根据本发明的一个实施例，就非导电性基底10而言，可以采用聚合物膜、特别是绝缘聚合物膜。对用作绝缘聚合物膜的材料没有限制，只要其能表现出绝缘性能。这种绝缘聚合物膜的例子包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、环氧树脂膜、酚醛树脂膜、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚酯膜、聚碳酸酯膜、聚苯乙烯膜、聚酰亚胺膜等，但本发明并不局限于此。本发明还提供了一种制造电化学生物传感器电极带的方法，所述方法包括步骤 准备非导电性基底；在所述基底上形成含镍金属层；在所述形成的金属层上形成碳层，从而形成包括金属层和碳层的导电层；和通过部分蚀刻所述导电层图案化电极形状。根据本发明的一个实施例，可采用大而宽的基底，并且在一个基底上形成多个电极图案，然后，基底沿每一个电极图案被切割成单个的独立电极。根据本发明的一个实施例，含镍(Ni)金属层和碳层可通过溅射形成。含镍(Ni)金属层通过同时溅射镍和铬形成，且在本发明中，镍和铬的溅射比的范围可从90 10重量％到50 50重量％。根据本发明的另一个实施例，含镍(Ni)金属层通过同时溅射镍和氧化镍形成，且在本发明中，镍和氧化镍的溅射比的范围也可从90 10重量％到50 50重量％。本发明中，每一含镍(Ni)金属层和含碳层通过溅射可具有在200到2000A范围内的厚度。该厚度可通过考虑制造的难易程度和电导率进行调整。在通过溅射金属层和碳层形成含金属层和碳层的导电层后，通过蚀刻形成电极图案。本发明中，就蚀刻而言，激光蚀刻可用于本发明。当采用激光蚀刻形成所述电极图案时，只形成微型的电极图案是可能的。还有，不像采用溶剂的一般蚀刻方法，激光蚀刻的优点在于其不产生由溶剂带来的环境污染。根据本发明的一个实施例，在溅射基底的整个表面后，进行激光蚀刻以形成电极图案，没必要在溅射期间使用图案掩膜。S卩，当在本发明中采用激光蚀刻时，可采用直接溅射方法，即一次溅射基底整个表面的方法。在直接溅射的情况下，没必要在溅射期间使用图案掩膜，可采用卷对卷工艺，即卷出基底进行溅射，因此溅射过程简单。采用直接溅射然后进行激光蚀刻的结果是，溅射时间缩短，生产效率提高。另外，由于采用激光蚀刻易于形成电极图案，所以就能实现大规模生产。通过蚀刻，就可以形成工作电极101和参比电极102，而且，至少一个或多个其它的电极，如辅助电极104和识别电极103，也可任选地形成。根据本发明的这种电化学生物传感器电极带可根据图1所示制造。根据本发明的电化学生物传感器电极带的其它实施例示于图5-7。图5和图6所示的电化学生物传感器电极带为基本结构的电极带，其中的每一种仅包括工作电极101和参比电极102。图7所示的电化学生物传感器电极带为另一种电极带，其除了工作电极101和参比电极102外，还包括识别电极103。如上所述，本发明的电极带的优点在于制造成本低，因为其主要采用镍和铬制造， 而不是采用昂贵的贵金属制造，而且还采用了碳。再者，因为通过蚀刻在基底上形成的导电层制成电极图案，因此电极的制造简单。还有，由于碳层在含镍金属层上形成，因此碳可被均勻施用而且电极的电阻变化也可得到改善。从而，就有可能得到更加可靠的测试结果。根据本发明的电化学生物传感器电极带通过将其用于测量生物样品的特定物质的电化学生物传感器可用来测量生物样品的各种各样的物质。例如，所述电极带可用于测量血液中的葡萄糖、尿酸、蛋白质，也可以用于DNA和肝功能测试。尽管为说明之目的描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将会知道在不脱离所附权利要求书中公开的本发明精神和范围的情况下，各种各样的修改、添加和取代都是可能的。
权利要求
1.一种用于电化学生物传感器的电极带，该电极带包括带状非导电性基底；和布置在所述基底上用作工作电极和参比电极的至少两个电极，其中所述电极包括金属层和碳层，其中所述金属层布置在所述基底上，所述碳层布置上所述金属层上，并且所述的金属层包含镍(Ni)，且任选地还将辅助电极布置在所述工作电极和所述参比电极之间。
2.根据权利要求1所述的电极带，其中所述的金属层为镍和铬的混合层，或镍和氧化镍(NiO)的混合层。
3.根据权利要求2所述的电极带，其中镍和铬的含量比的范围为从90 10重量％到 50 50重量％，或其中镍和氧化镍的含量比的范围为从90 10重量％到50 50重量％。
4.根据权利要求1所述的电极带，其中所述金属层和碳层的每一层具有在200-2000埃范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的电极带，其进一步包括识别电极。
6.一种用于电化学生物传感器的电极带的制造方法，所述方法包括准备非导电性基底；在所述基底上形成含镍(Ni)金属层；在所述形成的金属层上形成碳层，从而形成包括所述金属层和所述碳层的导电层；和通过部分地蚀刻所述导电层图案化电极形状。
7.根据权利要求6所述的方法，其中镍和铬的含量比的范围为从90 10重量％到 50 50重量％，或其中镍和氧化镍的含量比的范围为从90 10重量％到50 50重量％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述含镍(Ni)金属层和碳层的每一层具有在 200-2000埃范围内的厚度。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述电极形状对应于工作电极和参比电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其中除了所述工作电极和所述参比电极外，还形成对应于至少一个辅助电极和识别电极的另外的电极形状。
全文摘要
本发明公开了一种用于电化学生物传感器的电极带，该电极带通过在包括聚合物材料的非导电性基底上形成含镍金属层，在含镍金属层上形成碳层，并实施图案化来制造。
文档编号G01N27/30GK102459690SQ201080026754
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月19日 优先权日2009年4月24日
发明者金义建, 金石勳 申请人:3M创新有限公司