化学传感器及其制造方法与流程

本发明系关于一种化学传感器，特别是一种包含磷酸盐缓冲材料的化学传感器。

背景技术：

化学传感器是一种可与待测样品中的待侦测物质反应，并将反应的结果转换为可量测的信号形式的测量工具。近年来，在生医技术发展的带动下，化学传感器的使用越来越普遍，对于化学传感器性能的需求也随之提高。

目前化学传感器的发展主要是透过缩小化学传感器内电极的宽度以提升化学传感器的性能。使用超威电极的化学传感器具有待测样品需求量小、与待测样品反应的速度快以及侦测灵敏度高等优势。然而，电极宽度缩小的同时，待测样品中的非感测目标物质对量测结果产生的干扰也随之上升。因此，如何降低使用超威电极的化学传感器时，待测样品中的非感测目标物质对量测结果产生的干扰，已成为目前极需解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种含有磷酸盐缓冲材料的化学传感器，借此降低待测样品中的酸性离子，以避免干扰感测目标物质的量测结果。

本发明揭露一种化学传感器，其具有一感测区，化学传感器包含一基材、至少一电极以及至少一反应层。基材具有一基材表面与至少一沟槽。沟槽位于基材表面，且沟槽延伸至感测区内。电极位于沟槽中。电极的厚度小于或等于沟槽的深度，且电极延伸至感测区内。反应层覆盖位于感测区的电极，反应层包含一反应材料与一磷酸盐缓冲材料。磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根(H₂PO₄^-)体积摩尔浓度为0.22M至0.28M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0。

其中，该反应材料覆盖该至少一电极，该磷酸盐缓冲材料覆盖该反应材料。

其中，该磷酸盐缓冲材料覆盖该至少一电极，该反应材料覆盖该磷酸盐缓冲材料。

其中，该反应材料与该磷酸盐缓冲材料彼此混合。

其中，该至少一沟槽延伸并通过该感测区，且该至少一电极延伸并通过该感测区。

其中，该化学传感器更包含一盖板与一绝缘层，该盖板位于该基材表面，该绝缘层位于该盖板与该基材之间。

本发明揭露一种化学传感器的制造方法，化学传感器具有一感测区。化学传感器的制造方法包含提供一基材；形成至少一沟槽于一基材的一基材表面，并延伸至感测区内；形成至少一电极于沟槽中，其中电极的厚度小于或等于沟槽的深度，且电极延伸至感测区内；形成一反应层于感测区内并覆盖电极，反应层包含一反应材料与一磷酸盐缓冲材料，磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根(H₂PO₄^-)体积摩尔浓度为0.22M至0.28M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0。

其中，形成该反应层于该感测区内并覆盖该至少一电极的步骤包含：

设置该反应材料于该感测区内并覆盖该至少一电极；以及

设置该磷酸盐缓冲材料于该感测区内并覆盖该反应材料。

其中，形成该反应层于该感测区内并覆盖该至少一电极的步骤包含：

设置该磷酸盐缓冲材料于该感测区内并覆盖该至少一电极；以及

设置该反应材料于该感测区内并覆盖该磷酸盐缓冲材料。

其中，形成该反应层于该感测区内并覆盖该至少一电极的步骤包含：

混合该反应材料与该磷酸盐缓冲材料以形成一混合物；以及

设置该混合物于该感测区内并覆盖该至少一电极。

根据上述本发明所揭露的化学传感器及其制造方法，反应层包含一反应材料与一磷酸盐缓冲材料，磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根(H₂PO₄^-)体积摩尔浓度为0.22M至0.28M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0，透过具有足够的缓冲能力的磷酸盐缓冲材料与待测样品中的酸性离子进行酸碱中和，降低抵达工作电极、参考电极与辅助电极的酸性离子数量，进而降低待测样品中的酸性离子对感测目标物质量测结果产生的干扰，同时避免磷酸盐缓冲材料体积摩尔浓度过高，造成循环伏安图中基线偏斜而提高量测结果判读难度。如此一来，使用化学传感器对待测样品进行量测时，可得到准确且稳定的感测目标物质含量的量测结果。

以上的关于本揭露内容的说明及以下的实施方式的说明系用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明实施例一的化学传感器的立体分解图。

图2为图1沿2-2’线的剖视图。

图3为本发明实施例二的化学传感器的剖视图。

图4为本发明实施例三的化学传感器的立体分解图。

图5为图4沿5-5’线的剖视图。

图6为本发明实施例四的化学传感器的立体分解图。

图7为图6沿7-7’线的剖视图。

图8为本发明实施例五的化学传感器的立体分解图。

图9为图8沿9-9’线的剖视图。

图10为本发明实施例六的化学传感器的立体分解图。

图11为图10沿11-11’线的剖视图。

图12为本发明的化学传感器的制造方法流程图。

图13A为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.25M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器量测蔬菜汁中亚硝酸根浓度的循环伏安图。

图13B为未设置磷酸盐缓冲材料的化学传感器量测蔬菜汁中亚硝酸根浓度的循环伏安图。

图14A至图14H为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器量测待测样品a的循环伏安图。

图15A至图15H为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器的循环伏安图。

图16为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M与0.22M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器于硫酸溶液浓度为1M、4.5M、9M与18M时的电流变化量的直方图。

其中，附图标记：

110 基材

1101 软性基板

1102 树脂层

111 基材表面

112 第一沟槽

113 第二沟槽

114 第三沟槽

120 工作电极

130 参考电极

140 辅助电极

150 反应层

151 反应材料

152 磷酸盐缓冲材料

160 绝缘层

161 缺口

162 容置空间

170 盖板

C 外部电路连接区

S 感测区

L 长度

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例系进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

首先介绍本发明实施例一的化学传感器，请参照图1与图2。图1为本发明实施例一的化学传感器的立体分解图。图2为图1沿2-2’线的剖视图。化学传感器包含一基材110、一工作电极(work electrode)120、一参考电极(reference electrode)130与一辅助电极(auxiliary electrode)140、一反应层150、一绝缘层160。本发明实施例一使用的工作电极120、参考电极130与辅助电极140构成一个三电极电化学量测系统以进行电化学量测。

基材110具有一基材表面111、一第一沟槽112、一第二沟槽113以及一第三沟槽114。基材表面111定义有一感测区S与一外部电路连接区C，感测区S用于承载待测样品，外部电路连接区C用于供计算机或电子分析装置等外部装置电性连接。详细来说，感测区S为承载待测样品以供待测样品与工作电极120、参考电极130与辅助电极140进行电化学反应的区域。第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114均位于基材表面111，且第一沟槽112位于第二沟槽113与第三沟槽114之间。第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114各具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114均未贯穿基材110。

于本发明实施例一中，第一沟槽112位于第二沟槽113与第三沟槽114之间，且第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114的延伸方向为彼此平行的直线方向，但不以此为限。于本发明其他实施例中，第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114的排列顺序可相互调换，且第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114的形状亦可为螺旋状或梳状等不同形状与延伸方向以符合化学传感器的使用环境或有效率的利用感测区S的空间。于本发明实施例一中，第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114的一端延伸至感测区S内，但不以此为限。于本发明其他实施例中，第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114的一端延伸并通过感测区S。

于本发明实施例一中，第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114具有相同的宽度与深度，且宽度均小于等于25微米(μm)，深度均大于等于6微米，但不以此为限。于本发明其他实施例中，第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114的宽度仍小于等于25微米，但各沟槽的宽度或深度可以均不相同，或其中二沟槽的宽度或深度不同于另一沟槽的宽度或深度，但不以此为限。于本发明实施例一中，基材110为软性(可挠性)基板，借此降低形成各沟槽于基材110表面所需的加工时间，但不以此为限。于本发明其他实施例中，基材110亦可为刚性基板，借此提高基板的耐用度。

工作电极120位于第一沟槽112内，且工作电极120的厚度小于等于第一沟槽112的深度。工作电极120具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。参考电极130位于第二沟槽113内，且参考电极130的厚度小于等于第二沟槽113的深度。参考电极130具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。辅助电极140位于第三沟槽114内，且辅助电极140的厚度小于等于第三沟槽114的深度。辅助电极140具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。

工作电极120、参考电极130与辅助电极140的材料分别可以为石墨碳(graphite)、石墨烯(graphene)、硬碳(hard carbon)、软碳(soft carbon)、单壁纳米碳管(SWCNT)、多壁纳米碳管(MWCNT)、碳纤维(carbon fiber)、铜、银、铂、金、钯、镍、钛、钼或它们的组合，但不以此为限。工作电极120、参考电极130与辅助电极140的材料可彼此相同，亦可以彼此不同。再者，工作电极120、参考电极130与辅助电极140分别可以为单层结构或是多层结构。工作电极120、参考电极130与辅助电极140的厚度例如至少大于6微米(μm)，但不以此为限。于本发明实施例一中，工作电极120、参考电极130与辅助电极140的一端延伸至感测区S内，但不以此为限。于本发明其他实施例中，工作电极120、参考电极130与辅助电极140的一端延伸并通过感测区S。

当第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114的宽度小于25微米时，工作电极120、参考电极130与辅助电极140的宽度亦小于25微米。宽度小于25微米的电极属于超威电极，超威电极于进行量测时可产生较小的电双层效应，从而具有高的扩散效率、高的信号噪声比、高的量测准确性及低的电压衰退率(IR drop)。

反应层150覆盖位于感测区S内的基材表面111、工作电极120、参考电极130与辅助电极140。反应层150包含一反应材料151与一磷酸盐缓冲材料152。当待测样品被放置于化学传感器的感测区S时，待测样品中的感测目标物质先与反应材料151进行氧化第一次还原反应后，再与工作电极120提供的电子进行第二次氧化还原反应，借此产生大小与感测目标物质含量成比例的电流信号，例如感测目标物质含量与电流信号的大小成正比。同时，反应层150中的磷酸盐缓冲材料152可与待测样品中的酸性离子进行酸碱中和，避免大量带电荷的酸性离子抵达工作电极120，以防止当感测目标物质进行氧化还原反应时，带正电荷的酸性离子与氧化态的感测目标物质发生反应或带正电荷的酸性离子与氧化态的感测目标物质衍生物竞争工作电极120提供的电子，借此降低待测样品中的酸性离子对量测结果的干扰。反应层150中的磷酸盐缓冲材料152亦可与待测样品中的酸性离子进行酸碱中和，避免酸性离子和反应材料151彼此竞争与感测目标物质进行氧化还原反应，影响感测目标物质浓度量测的稳定度，使得测得的感测目标物质浓度偏离实际的感测目标物质浓度。举例来说，当感测目标物质为亚硝酸盐时，酸性待测样品中的氢离子与反应材料151竞争亚硝酸盐以形成亚硝酸，造成待测样品中亚硝酸盐浓度的改变，进而使得测得的亚硝酸盐浓度偏离实际的亚硝酸盐浓度。

反应材料151例如为酵素，但不以此为限。当使用葡萄糖氧化酵素(glucose oxidase，GOD)作为反应材料时，化学传感器可量测血液中葡萄糖的含量。当使用胆固醇氧化酵素(cholesterol oxidase)作为反应材料时，化学传感器可量测血液中胆固醇的含量。当使用尿素分解酵素(urease)或乙酰胆碱酯酵素(acetylcholinesterase)作为反应材料时，化学传感器可量测尿素含量或有机磷与胺基甲酸盐农药的残留量。

磷酸盐缓冲材料152的磷酸二氢根(H₂PO₄^-)体积摩尔浓度为0.22M至0.28M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0。磷酸盐缓冲材料152可为由体积摩尔浓度为0.22M至0.28M的磷酸二氢钠(NaH₂PO₄)溶液与磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)粉末混合而成的缓冲溶液，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0。于本发明实施例一中，磷酸盐缓冲材料152与反应材料151呈液态，但不以此为限。于本发明其他实施例中，磷酸盐缓冲材料152与反应材料151可呈凝胶态。于本发明其他实施例中，磷酸盐缓冲材料152可呈液态或凝胶态，而反应材料151呈固态。当磷酸盐缓冲材料152的磷酸二氢根(H₂PO₄^-)体积摩尔浓度大于等于0.22M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0时，磷酸盐缓冲材料152可提供足够的缓冲能力以中和待测样品中的酸性离子，借此降低待测样品中的酸性离子对量测结果的干扰。然而，当磷酸盐缓冲材料152的磷酸二氢根(H₂PO₄^-)体积摩尔浓度大于0.28M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0时，磷酸盐缓冲材料152产生的背景电容行为改变将使得化学传感器量测得到的循环伏安(cyclic voltammetry)图出现基线偏斜的状况，影响量测结果的判读。磷酸盐缓冲材料152的摩尔浓度范围相关实验数据将于稍后说明。

于本发明实施例一中，液态的磷酸盐缓冲材料152覆盖凝胶态的反应材料151，使得反应材料151位于磷酸盐缓冲材料152与工作电极120之间、磷酸盐缓冲材料152与参考电极130之间以及磷酸盐缓冲材料152与辅助电极140之间，借此避免大量酸或碱性离子与反应材料接触而造成反应材料变质，但不以此为限。于本发明部份实施例中，凝胶态的反应材料151覆盖凝胶态的磷酸盐缓冲材料152，使得磷酸盐缓冲材料152位于反应材料151与工作电极120之间、反应材料151与参考电极130之间以及反应材料151与辅助电极140之间，借此提高量测的稳定度及准确度。于本发明部份实施例中，凝胶态的反应材料151与凝胶态的磷酸盐缓冲材料152彼此混合而呈单层结构，或是液态的反应材料151与液态的磷酸盐缓冲材料152彼此混合而呈单层结构。于本发明另一部份实施例中，凝胶态的磷酸盐缓冲材料152覆盖固态的反应材料151。于本发明再一部份实施例中，液态的磷酸盐缓冲材料152覆盖固态的反应材料151。

绝缘层160设置于基材表面111。绝缘层160具有一缺口161，缺口161的边缘位于感测区S的边缘，使得感测区S暴露于缺口161中。绝缘层160亦未覆盖基材表面111的外部电路连接区C。绝缘层160与基材表面111共同形成一容置空间162于缺口161中，且反应层150位于此容置空间162中。使用化学传感器时，待测样品被安置于容置空间162中以确保待测样品与反应层150相接触。于本发明实施例一中，容置空间162位于基材110至少一边缘，但不以此为限。于本发明其他实施例中，容置空间162与基材110各边缘保持一距离。于本发明实施例一中，感测区S的形状与大小仅为一示例，于本发明其他实施例中，感测区S可具有其他的形状与大小，但感测区S须涵盖工作电极120、参考电极130与辅助电极140。

本实施例可选择性的设置盖板170，但盖板170非本实施例的必要元件。盖板170设置于基材表面111，且支撑物160位于基材表面111与盖板170之间。于本发明实施例一中若设置有盖板170，盖板170遮盖基材表面111的感测区S，因此于使用化学传感器时，待测样品系透过毛细现象由基板110边缘进入容置空间162中，但不以此为限。于本发明设有盖板170的其他实施例中，盖板170暴露出基材表面111的感测区S，因此于使用化学传感器时，待测样品系直接被放置于容置空间162中。

于本发明实施例一中，化学传感器仅有一组工作电极120、参考电极130与辅助电极140，但不以此为限。于本发明其他实施例中，化学传感器可具有两组以上的工作电极120、参考电极130与辅助电极140。

接着介绍本发明实施例二的化学传感器，请参照图3。图3为本发明实施例二的化学传感器的剖视图。本发明实施例二的化学传感器相似于本发明实施例一的化学传感器，以下仅针对不同之处加以说明，相同之处在此便不再赘述。

化学传感器包含一基材110、一工作电极(work electrode)120、一参考电极(reference electrode)130与一辅助电极(auxiliary electrode)140、三反应层150以及一绝缘层160。其中三个反应层150分别位于感测区S内的第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114中，并且覆盖沟槽内的工作电极120、参考电极130与辅助电极140。三个反应层150远离其所覆盖的电极的表面与基材表面111共平面，因此三沟槽内的各个反应层150彼此相分离，亦即是相邻二沟槽内的反应层150彼此相分离。由于三个反应层150仅分别位于感测区S内的第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114中，因此可节省反应材料151与磷酸盐缓冲材料152的使用量，降低化学传感器的制造成本。于本发明其他实施例中，化学传感器未配置盖板170，因此于使用化学传感器时，待测样品系直接被放置于容置空间162中。

接着介绍本发明实施例三的化学传感器，请参照图4与图5。图4为本发明实施例三的化学传感器的立体分解图。图5为图4沿5-5’线的剖视图。本发明实施例三的化学传感器相似于本发明实施例一的化学传感器，以下仅针对不同之处加以说明，相同之处在此便不再赘述。

化学传感器包含一基材110、一工作电极(work electrode)120、一参考电极(reference electrode)130与一辅助电极(auxiliary electrode)140以及三反应层150。位于基材表面111的第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114各具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S并继续延伸至基材110边缘，使得第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114与外界连通。第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114的相对另一端延伸至外部电路连接区C内。

三反应层150分别位于感测区S内的第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114中，并且覆盖沟槽内的工作电极120、参考电极130与辅助电极140。工作电极120的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第一沟槽112的深度。参考电极130的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第二沟槽113的深度。辅助电极140的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第三沟槽114的深度。使用化学传感器时，待测样品系置于感测区S并接触第一沟槽112、第二沟槽113及第三沟槽114中的反应层150。

于本实施例中，工作电极120的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第一沟槽112的深度，参考电极130的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第二沟槽113的深度，辅助电极140的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第三沟槽114的深度，但不以此为限。于本发明其他实施例中，工作电极120的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合可小于或等于第一沟槽112的深度，参考电极130的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合可小于或等于第二沟槽113的深度，辅助电极140的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合可小于或等于第三沟槽114的深度。当工作电极120的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合小于第一沟槽112的深度，参考电极130的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合小于第二沟槽113的深度，辅助电极140的厚度与覆盖于其上的反应层150的厚度总合等于第三沟槽114的深度时，待测样品系置于感测区S并填入第一沟槽112、第二沟槽113及第三沟槽114中。

由于三个反应层150仅分别位于感测区S内的第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114中，因此可节省反应材料151与磷酸盐缓冲材料152的使用量，降低化学传感器的制造成本。再者，配合电极与其上的反应层150的厚度合等于其所在的沟槽的深度，可省去设置绝缘层与盖板的材料成本与制程成本。

接着介绍本发明实施例四的化学传感器，请参照图6与图7。图6为本发明实施例四的化学传感器的立体分解图。图7为图6沿7-7’线的剖视图。本发明实施例三的化学传感器相似于本发明实施例一的化学传感器，以下仅针对不同之处加以说明，相同之处在此便不再赘述。

基材110具有一基材表面111以及一第一沟槽112。第一沟槽112位于基材表面111。第一沟槽112具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。

工作电极120位于第一沟槽112内，且工作电极120的厚度小于第一沟槽112的深度。工作电极120具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。参考电极130突出于基材表面111，辅助电极140突出于基材表面111。参考电极130与辅助电极140各具有相对的二端，其中一端延伸至感测区S内，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。于本实施例中，工作电极120的厚度小于第一沟槽112的深度，但不以此为限。于本发明其他实施例中，工作电极120的厚度可小于或等于第一沟槽112的深度。

反应层150覆盖位于感测区S内的基材表面111、位于第一沟槽112中的工作电极120以及突出于基材表面111的参考电极130与辅助电极140。绝缘层160设置于基材表面111，且绝缘层160的高度大于反应层150的厚度。因此，绝缘层160与基材表面111仍可共同形成一容置空间162以承载待测样品。

本实施例可选择性的设置盖板170，但盖板170非本实施例的必要元件。盖板170设置于基材表面111，且支撑物160位于基材表面111与盖板170之间。

接着介绍本发明实施例五的化学传感器，请参照图8与图9。图8为本发明实施例五的化学传感器的立体分解图。图9为图8沿9-9’线的剖视图。本发明实施例五的化学传感器相似于本发明实施例一的化学传感器，以下仅针对不同之处加以说明，相同之处在此便不再赘述。

基材110包含一软性基板1101与一树脂层1102。树脂层1102设置于软性基板1101表面。基材表面111即为树脂层1102远离软性基板1101的表面。基材110的第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114，工作电极120、参考电极130与辅助电极140、反应层150以及绝缘层160。绝缘层160与基材表面111的相对位置关系即为绝缘层160与远离软性基板1101的树脂层1102表面的相对位置关系。树脂层1102的材质可为感旋旋光性有机材料，因此可透过压印的方式于树脂层1102表面形成沟槽后，再以光线硬化树脂层1102以维持沟槽的形貌，借此降低形成沟槽所需的加工时间。于本发明实施例五中，第一沟槽112、第二沟槽113以及第三沟槽114未贯穿树脂层1102，但不以此为限。于本发明其他实施例中，第一沟槽112、第二沟槽113与第三沟槽114可贯穿树脂层1102。

本实施例可选择性的设置盖板170，但盖板170非本实施例的必要元件。盖板170设置于基材表面111，且支撑物160位于基材表面111与盖板170之间。

接着介绍本发明实施例六的化学传感器，请参照图10与图11。图10为本发明实施例六的化学传感器的立体分解图。图11为图10沿11-11’线的剖视图。本发明实施例六的化学传感器相似于本发明实施例一的化学传感器，以下仅针对不同之处加以说明，相同之处在此便不再赘述。

基材110具有一基材表面111以及一第一沟槽112。第一沟槽112位于基材表面111。第一沟槽112具有相对的二端，其中一端延伸并通过感测区S，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。感测区S具有沿基材110长轴方向的一长度L，长度L例如小于等于1公厘(mm)，但不以此为限。

工作电极120位于第一沟槽112内，且工作电极120的厚度小于等于第一沟槽112的深度。工作电极120具有相对的二端，其中一端延伸并通过感测区S，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。参考电极130突出于基材表面111，辅助电极140突出于基材表面111。工作电极120于基材表面111的正交投影位于参考电极130与辅助电极140于基材表面111的正交投影之间。参考电极130与辅助电极140各具有相对的二端，其中一端延伸并通过感测区S，相对另一端延伸至外部电路连接区C内。工作电极120与辅助电极140的材质例如为碳，参考电极130的材质例如为银，但不以此为限。

反应层150覆盖感测区S内的基材表面111、位于第一沟槽112中的工作电极120以及位于基材表面111的参考电极130与辅助电极140。绝缘层160设置于基材表面111并露出感测区S。

于本发明其他实施例中，位于基材表面111的参考电极130可具有一参考电极侧面，位于基材表面111的辅助电极140可具有一辅助电极侧面，参考电极侧面与辅助电极侧面彼此相对向。反应层150覆盖位于第一沟槽112中的工作电极120以及接触参考电极侧面与辅助电极侧面。

接下来说明本发明实施例一的化学传感器的制造方法，请参照图12。图12为本发明的化学传感器的制造方法流程图。

首先，形成至少一沟槽于一基材的一基材表面，至少一沟槽的一端延伸至感测区内(S100)。

详细来说，对基材表面进行图案化制程以形成沟槽，且沟槽的一端延伸至定义于基材表面的感测区内。基材的材质可以为聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜(PES)、聚氧化亚苯(PPO)、丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂(ABS)、聚对苯二甲酸亚丁烯基酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(Polyamide，PA)、聚对苯亚胺(pernigraniline，PNB)、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚亚胺(PEI)或其组合，但不以此为限。基材的材质亦可以为玻璃或金属氧化物，但不以此为限。

于部分实施例中，提供软性基板作为基材，并将模具表面呈特定图案的突起透过压膜程序形成对应的沟槽于基材的基材表面，以完成对软性基板的图案化。于部分实施例中，提供表面形成有树脂层的软性基板作为基材，并将模具表面呈特定图案的突起透过压膜程序形成对应的沟槽于树脂层远离软性基板的树脂层表面，以完成对树脂层的图案化，接着再以光照的方式固化树脂层以维持树脂层的表面图案。透过压膜程序进行图案化易于维持各沟槽深度与宽度的一致性。于其他实施例中，图案化软性基板或树脂层的方式亦可以为激光蚀刻或化学蚀刻。

接着，形成至少一电极于至少一沟槽中，其中至少一电极的厚度小于或等于至少一沟槽的深度，且至少一电极的一端延伸至感测区内(S200)。

详细来说，利用涂布程序将电极材料填入沟槽中以形成电极。填入沟槽中的电极材料体积小于等于沟槽的容积，使得电极的厚度小于等于沟槽的深度。电极材料可以为石墨碳(graphite)、石墨烯(grapheme)、硬碳(hard carbon)、软碳(soft carbon)、单壁纳米碳管(SWCNT)、多壁纳米碳管(MWCNT)、碳纤维(carbon fiber)、铜、银、铂、金、钯、镍、钛、钼或它们的组合，但不以此为限。于本实施中，使用涂布程序将电极材料填入沟槽中以形成电极，但不以此为限。

接着，形成一反应层于感测区内并覆盖至少一电极，反应层包含一反应材料与一磷酸盐缓冲材料，磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根体积摩尔浓度为0.22M至0.28M，且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0(S300)。

详细来说，利用一网版印刷程序、一涂布程序或一点胶程序将反应材料与磷酸盐缓冲材料填入沟槽中以覆盖电极，或是填入沟槽与布设于基材表面以同时覆盖电极与基材表面。于部分实施例中，先设置凝胶态反应材料于感测区内并覆盖电极，接着再设置液态或凝胶态磷酸盐缓冲材料于感测区内并覆盖反应材料，借此形成反应层的多层结构。于另一部分实施例中，先设置凝胶态磷酸盐缓冲材料于感测区内并覆盖电极，接着再设置液态或凝胶态反应材料于感测区内并覆盖磷酸盐缓冲材料，借此形成反应层的多层结构。于再一部分实施例中，先混合反应材料与磷酸盐缓冲材料以形成液态或凝胶态混合物后，再将混合物设置于感测区内并覆盖至少一电极，借此形成反应层的单层结构，并可节省重复进行印刷程序或涂布程序所需的时间。于再一部分实施例中，先设置液态或凝胶态反应材料于感测区内并覆盖电极，接着干燥反应材料以形成固态反应材料，接着再设置液态或凝胶态的磷酸盐缓冲材料于感测区内并覆盖固态反应材料，

接着，设置一盖板于基材表面(S400)。

详细来说，盖板设置于基材表面，且盖板可为亲水性材料所构成。

本发明化学传感器的制造方法中，将磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M至0.28M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料覆盖反应材料、覆盖电极或是与反应材料混合，借此提供足够的缓冲能力以中和待测样品中的酸性离子，借此降低待测样品中的酸性离子对感测目标物质量测结果的干扰。

于本发明化学传感器的制造方法的部分实施例中，于形成反应层后，先设置一绝缘层于基材表面，再设置一盖板于基材表面。形成绝缘层的方式例如可为网版印刷、涂布、点胶或贴覆绝缘材料于基材表面以形成绝缘层。详细来说，于形成反应层后，将绝缘层设置于基材表面，并将绝缘层的缺口的边缘对齐感测区的边缘，使得感测区暴露于缺口中，且外部电路连接区亦未被绝缘层覆盖。接着，再将盖板设置于基材表面，使得绝缘层位于基材表面与盖板之间。于本发明化学传感器的制造方法的再一部分实施例中，化学传感器不具有盖板，因此设置绝缘层后未再设置盖板。

于本发明化学传感器的制造方法的部分实施例中，于形成至少一电极于至少一沟槽中之后，先形成至少一突起电极于基材的基材表面，再形成一反应层于感测区内并覆盖至少一电极以及至少一突起电极。详细来说，于形成至少一电极于至少一沟槽中之后，接着利用网版印刷程序或涂布程序于基材表面形成突出于基材表面的至少一突起电极，再接着形成一反应层于感测区内并覆盖至少一电极以及至少一突起电极。

于本发明化学传感器的制造方法的部分实施例中，因此可省去设置盖板于基材表面的制造步骤。

本发明化学传感器的制造方法中，使用压膜程序形成沟槽的制造成本低于习知微影技术形成沟槽的制造成本。本发明化学传感器的制造方法中，使用涂布法在沟槽中填入电极材料形成的电极具有较网板印刷法形成的突起电极均匀的线宽，因此具有较高的量测准确性及再现性。

以下借由本发明实施例一的化学传感器做为测试平台，并且进行实验测试以说明本发明所揭露的化学传感器中，反应层中磷酸二氢根体积摩尔浓度为0.22M至0.28M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的功效。

首先，分别以本发明实施例一的化学传感器做为测试平台，于使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.25M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料时以及未设置磷酸盐缓冲材料时，量测蔬菜汁中亚硝酸根浓度。量测结果请参照图13A与图13B，图13A为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.25M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器量测蔬菜汁中亚硝酸根浓度的循环伏安图。图13B为未设置磷酸盐缓冲材料的化学传感器量测蔬菜汁中亚硝酸根浓度的循环伏安图。

未设置磷酸盐缓冲材料的化学传感器所测得的循环伏安图(图13B)中，测得的电流值随着循环数增加而大幅下降，呈现出多个明显偏移的曲线。循环伏安图中的电流值大幅下降代表的是待测样品中的大量氢离子与感测目标物质竞争电子，妨碍邻近电极区域的氧化还原反应重复进行，导致测得的电流值随循环数增加而大幅下降。相对地，使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.25M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器所测得的循环伏安图(图13A)中，测得的电流值随着循环数增加仍保持稳定而无明显变化，呈现出多个无明显偏移的曲线。因此，使用磷酸盐缓冲材料的化学传感器于量测酸性待测样品中的感测目标物质浓度时，具有较佳的准确性。

接着，利用广用试纸确认不同体积摩尔浓度的磷酸盐缓冲材料的缓冲能力。测试方式为先将磷酸盐缓冲材料配置为磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.15M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液。接着，将体积摩尔浓度1M、4.5M、9M与18M的硫酸(H₂SO₄)溶液滴于沾有磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.15M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液的广用试纸，并观察沾有磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.15M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液的广用试纸的颜色变化。磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液的缓冲能力足以中和体积摩尔浓度1M、4.5M与9M的硫酸溶液中的氢离子，使得沾有磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液的广用试纸未转为代表酸性的红色。由此可知，磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M以上且pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液的缓冲能力可中和体积摩尔浓度9M以下的硫酸溶液中的氢离子。

接着，于实施例一的化学传感器的反应层中分别使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料，并对含有体积摩尔浓度9M的硫酸以及10ppm的亚硝酸钠(NaNO₂)的待测样品a进行量测。量测结果请参照图14A至图14H，图14A至图14H为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器量测待测样品a的循环伏安图。使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器所测得的循环伏安图(图14A至图14C)中，测得的电流值随着循环数增加而大幅下降，呈现出多个明显偏移的曲线。循环伏安图中的电流值大幅下降代表的是磷酸盐缓冲材料不足以中和待测样品中的氢离子，过量的氢离子与感测目标物质竞争电子，妨碍邻近电极的区域的氧化还原反应重复进行，导致测得的电流值随循环数增加而大幅下降。相对地，使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.30M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器所测得的循环伏安图(图14D至图14H)中，测得的电流值随着循环数增加仍保持稳定无明显变化，呈现出多个无明显偏移的曲线。循环伏安图中的电流值保持稳定代表的是磷酸盐缓冲材料中和了待测样品中的氢离子，防止氢离子与感测目标物质竞争电子而干扰量测结果。由此可知，磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M以上且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料缓冲能力可中和待测样品中体积摩尔浓度9M以下的氢离子，借此得到稳定的感测目标物质含量的量测结果。

接着，于实施例一的化学传感器的反应层中分别使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料并直接进行循环伏安量测。量测结果请参照图15A至图15H，图15A至图15H为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M、0.29M与0.3M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器的循环伏安图。使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M、0.2M、0.21M、0.22M、0.25M、0.28M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器所测得的循环伏安图(图15A至图15F)中，测得的曲线的基线呈水平状。相对地，使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.29M与0.30M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器所测得的循环伏安图(图15G至图15H)中，测得的曲线的基线呈偏斜状，亦即是当电压为0.4伏特时，氧化电流值与0安培的差值相较于还原电流值与0安培的差值的偏差过大。因此，当使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.29M以上且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器时，磷酸盐缓冲材料产生的背景电容行为影响过高而导致循环伏安图中的曲线的基线呈偏斜状，进而将影响后续量测待测样品时的量测结果判读。由此可知，磷酸二氢根体积摩尔浓度0.28M以下且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料可避免循环伏安图中的曲线的基线呈偏斜状，借此降低待测样品量测结果判读的难度。

请参照图16，图16为使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M与0.22M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器于硫酸溶液浓度为1M、4.5M、9M与18M时的电流变化量的直方图。电流变化量越趋向高负值，代表电化学量测的稳定度越低。当硫酸溶液浓度为4.5M时，使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器进行电化学测试所得到的电流变化量不到使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器进行电化学测试所得到的电流变化量的六分之一。当硫酸溶液浓度为9M时，使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器进行电化学测试所得到的电流变化量不到使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器进行电化学测试所得到的电流变化量的三分之一。因此，由图16可确认使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.22M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器在待测样品中氢离子体积摩尔浓度为9M及18M时的电化学量测稳定度高于使用磷酸二氢根体积摩尔浓度0.1M且pH值为7.0的磷酸盐缓冲材料的化学传感器。

根据前述图14A至图14H、图15A至图15H以及图16的实验结果，反应层中的磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根体积摩尔浓度为0.22M至0.28M且pH值为7.0的时，具有足够的缓冲能力且不会对量测结果的判读产生干扰。因此，本发明的化学传感器中的反应层的磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根体积摩尔浓度范围定为0.22M至0.28M且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0，使得本发明的化学传感器于量测酸性待测样品中的待测目标物质浓度时，可得到准确且稳定的感测目标物质含量的量测结果。

根据上述本发明所揭露的化学传感器及其制造方法，反应层包含反应材料与磷酸盐缓冲材料，磷酸盐缓冲材料的磷酸二氢根体积摩尔浓度为0.22M至0.28M且磷酸盐缓冲材料的pH值为7.0。透过具有足够的缓冲能力的磷酸盐缓冲材料与待测样品中的酸性离子进行酸碱中和，降低待测样品中的酸性离子数量，进而降低待测样品中的酸性离子对量测结果产生的干扰，同时避免磷酸盐缓冲材料浓度过高，造成循环伏安图中基线偏斜而提高量测结果判读难度。如此一来，使用化学传感器对待测样品进行量测时，可得到准确且稳定的感测目标物质含量的量测结果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。