专利名称：电化学传感器及其方法
技术领域：
本发明涉及电化学传感器，尤其是涉及用于检测或者测量诸如流体和溶解的固态材料之类的试样分析物的模制成的电化学传感器，以及制造和使用这些传感器的方法。
背景技术：
电化学传感器用于确定诸如流体或者溶解的固体材料中的各种试样分析物的浓度。例如，电化学传感器已经被用于测量人体血液中的葡萄糖。这些传感器已经被用于糖尿病和保健行业中用于监测人血液中的葡萄糖水平。传感器通常和仪表一起使用，如果带是设计用于模具的光度测定检测的话，就用来测量光的反射系数，或者如果带是设计用来检测电活化复合材料的话，就用来测量一些诸如电流之类的电学属性。
典型地，使用电学绝缘基制造电化学传感器，通过丝网印刷将诸如碳或者银之类的导电墨印刷到在电学绝缘基上而形成导电电极轨道或者通过薄金属带展开形成导电电极轨道。电极是传感器的传感元件并通常被称为变换器。电极被覆盖一层反应物层，此层包括与氧化还原酶结合的亲水聚合物或者分析物专用的脱氢酶。进一步，安置在一部分基和电极上的是一个绝缘层。
电化学测量的精度和准确性很大程度地依赖电极表面区域在微观尺寸上的重复能力。电极的形状变化会使电化学信号的读出产生很大变化。丝网印刷已经对生产用于测定葡萄糖的传感器产生了很大的影响。丝网印刷的广泛使用由于能够大规模生产相对的便宜传感器。从较大卷形物展开得到金属带的应用也被广泛地用来大规模生产这样的传感器。
尽管在丝网印刷和导电墨制造领域中取得了许多进展，但是由于在使用薄膜印刷技术中涉及到要进行反复和高温愈合工艺，因此该技术在电极表面积、尺寸变化、厚度变化、微裂纹以及收缩方面仍然存在较差的可再现性在打印过程中溶剂的消耗也是导致电极厚度变化的另外一个因数。
使用印刷技术的传感器开发要求经过一些不同的导电墨，而不同导电墨需要不同的丝网。丝网放置位置的稍微偏差都能导致在电阻压降和所施加的电势上产生很大误差。这些丝网的磨损和破裂也是另外一个误差源由。还有，采用丝网印刷而制造的传感器带承受很大程度的原材料浪费。一般来说，每使用一克墨，就浪费一克墨。制造这样的传感器还要涉及到层压工艺，这就增加了生产的复杂性和最终产品的制造成本。
发明内容
本发明中提供一种电化学传感器，用于检测诸如流体和溶解的固体材料之类的试样的各种分析物的浓度。把传感器设计成可使用可靠且成本高效的注射模生产方法，便于进行大量生产。本发明包括注射模塑带或主体、至少两个电极、酶、如果需要的话也可包括电子转移介质。主体包括用于接纳流体试样的腔或者反应区。电极至少部分植入塑料体中并延伸到反应区域中，并在那里暴露在试样下。还有包含在反应区中的、能够催化流体试样中涉及的复合物的反应的酶。
特别地，此装置和电子测量仪器协作，此装置能够测量该装置中导电电极的电子属性间的差异。此装置，即传感器包括至少两个相互分离的电电极，优选地为三个；主体，该主体具有两个模制成绝缘材料的两个端部和外壳电极；用于将测量仪器连接导外壳的装置；用于利用容纳流体试样的装置；用于使用一种或者多种化学药品处理一个或者多个电极、以在和流体试样接触时改变经处理的电极的电学属性的装置。外壳的一端具有用于连接测量仪器的装置，外壳的相反一端具有用于容纳流体试样的装置。用于连接测量仪器的装置是形成在外壳中将电极暴露到主体外的插头。
传感器通过模制成，可以为单个、单一件或者两件。在两件结构中，盖的末端连接到主体上。在单件结构中，主体围绕一个铰链枢转并连接到自身。形成部分主体的凸起和槽合作，以确保正确对齐。
毛细入口构造在传感器的一个末端，以将流体试样在接触流体试样时吸到体中。毛细入口被模制到主体的一个末端并和反应区连通。此反应区是一种围绕电极形成在主体中的通道，并适于和利用毛细作用力吸入体中的流体进行反应。尽管反应区可以在电极之上或者之下形成，优选的方式是在电极之构成。毛细管具有用于释放压力的孔。
正如所注意到的，电极被模制为塑料制品。在一实施例中，电极是导电导线。在另外一个实施例中，电极由金属板构成。电极可以被镀上一种不同的导电材料以提高它们的性能。
孔形成在传感器的主体上以允许在成形过程中保持电极。孔也可以形成在主体中，以在形成过程前或者之后对一个或者多个电极进行化学处理。添加化学制品(例如具有或者不具有酶的制剂)在和流体试样接触时改变受处理电极的电学属性。在优选实施例中，酶被施加到一个电极的外表面。抗体可以施加到另外一个电极上。电子介质可以进一步施加到一个或者多个电极的外表面。
根据本发明的另外一个实施例中，传感器提供填充检测。吸入到毛细入口和反应区中的液体和电极边缘接触，在达到反应区的下端时，离毛细入口最远的区域激活测量仪器。当流体和毛细空间中最后的电极相接触时，就关闭导致电流流经单元的电化学单元中的打开电路，。单元中的电流触发测量仪器，表明毛细室被充满液体。孔也可用于可视检测流体填充。
同时也说明了电化学传感器的制造和使用方法。制造此设备的方法包括以下步骤，将至少两个电学可导电极分开安置在模具中；在成形前或者后使用一种或者多种化学制品处理至少一个电极，以在接触流体试样时改变处理电极的化学属性；模制成绝缘材料主体，使其具有围绕电极的两个末端，其一个末端具有可以容纳流体试样的装置。和前面一样，主体被成形为两件，具有一个主体和在成形结束后用于相互连接的端盖，，或者形成单独的单件。
在构成说明书一部分的附图中，通篇中相似的数字表示被用来表示相同的部件，图1是根据本发明教导的电化学传感器的第一实施例的放大俯视平面视图；图2是图1中电化学传感器中沿平面2-2所取的截面端视图；图3是图1中电化学传感器中沿平面3-3所取的截面端视图；图4是图1中电化学传感器中沿平面4-4所取的截面端视图；图5是图1中电化学传感器中沿平面5-5所取的截面端视图；图6是图1中电化学传感器中沿平面5-5所取的截面端视图；图7是根据本发明教导的电化学传感器的第二实施例的放大俯视平面视图；图8是图7中电化学传感器的侧视图；图9是图7中电化学传感器的侧面图；图10是图7中电化学传感器的仰视平面图；图11是图7中电化学传感器沿平面11-11所取的截面侧视图；图12是图7中电化学传感器沿平面12-12所取的截面侧视图；图13是根据本发明教导的电化学传感器的第三实施例的放大俯视平面视图；图14表示图13中电化学传感器的放大仰视平面图；图15是图13中电化学传感器沿平面15-15所取截面侧视图；图16是图13中电化学传感器沿平面16-16所取的截面后视图；图17是根据本发明教导的电化学传感器的第三实施例的放大俯视平面视图；图18表示图17中电化学传感器的放大仰视图；图19表示图17中电化学传感器沿平面19-19所取的截面侧视图；图20a、b表示图17中传感器的接线端末端部分的放大图，传感器的端盖(a)自主体往外延展并(b)固定到主体上。
具体实施例方式
尽管本发明可以具有许多不同的形式，将对本发明的优选实施例在图纸中显示并在理解此公开内容的情况下进行详细说明，以作为本发明原则的实例化，且其目的不是为了限制说明的实施例的保护范围。
第一实施例参照图1-6，说明了根据本发明第一实施例的电化学传感器。图1显示的传感器10看似由透明塑料制造，允许看到其中。如在此处所讨论的，内部部件和隐藏的外部部件通常从传感器10上往下看时不可见。此状态和图2中沿平面x-x剖开的视图相似。
传感器或者第一实施例10的测试带包括不透明或者优选地透明的注射模塑料主体12，并具有测量仪器连接端或者插头端14以及流体试样接收端16。主体具有底部表面13、顶部表面15和将第一顶部表面15a连接到第二顶部表面15b的锥形部分20，第一顶部表面比第二顶部表面要低，第三顶部表面15c也比第二顶部表面要低。主体12包括三个分离的电极30、31、32。主体12的插头端14包括一对锥形侧边18、19和锲形顶部部分20。锥形侧边18、19便于用户将传感器插头末端14插入传统测量仪器(图中未示出)的插座腔中。不仅如此，传感器的锲部分20作为制动器，摩擦地在测量仪器的插座腔中保持传感器10。
传感器10的流体试样接收端16包括和主体的接线端16相邻的电化学反应区24。此反应区24是形成在第三顶部表面15c并围绕/靠近主体12中的电极30、31、32的通道，以对吸入主体12中的流体特定分析物进行分析。尽管反应区可以形成在电极之上或者之下，优选地在电极之上形成。端盖27焊接(通过超声波或者粘合剂)到反应区24之上以及第三顶部表面15c之上。端盖27的顶部和主体12的顶部15、15b对齐。端盖27优选地和模制主体12相同的材料制造并通过超深波焊接或者粘结到那里。
尽管盖27作为单独件显示，其也可以作为主体12的一部分并铰接连接到该主体，这样其可以在第三顶部表面15c上枢转并连接在其上(例如，参看第二实施例)。采用这种结构，整个传感器可以一次作为一个制模单一件制造。
毛细开孔28在盖27焊接(或者被折叠)到主体12上时形成在传感器10的接线端16中。此毛细开孔形成反应区24。优选地，传感器10为毛细填充装置，即反应区24小到足以在毛细开孔或者入口28被放置与诸如一滴血之类的被测试流体试样接触时将流体试样吸到区域中。相应地，如果一个人希望测试他/她的血时，他/她将接线端16和血接触，血就通过毛细开孔28吸入传感器10和反应区28中。这比现有技术中将试样(诸如血)放置到传感器和目标区域中要容易的多。为加强毛细开孔28对反应区24的毛细作用，盖27中形成孔29。此孔与反应区24相通，此孔29在反应区吸入和填充液体时释放空气压力。针对有关毛细填充的其它论述，参考美国专利US4,254,083；US4,413,407；US4,473,457；US5,798,031；US5,120,420和US5,575,895，本文参考引用这些公开物。
多条电学传导导线或者电极30、31、32大部分封装在注射模制主体12中。优选地，把主体12模制成围绕这些导线30、31、32。正如所说明的，这些导线相互分离。导线30、31、32主要封装在主体12中并从插头端14连接到反应区24，恰恰位于接线端16之前。导线30、31、32的末端26恰位于传感器终端16之前。
可导线30、31、32由导电材料制成，这些材料为诸如铂、钯、金、银、镍铬合金、不锈钢、铜及其类似的金属或者金属合金。不仅如此，每个导线优选地包括单根电线、或者在可供选择的优选实施例中(参看第二实施例)，包括用金及其类似金属制板形成的压制金属部件。在第一实施例中，外部导线30和32与内部导线31等距离分隔，在主体12的流体试样接收端16的间距要比金属连接端14的更靠近。
导线30、31、32的段33暴露在主体12的插头端14周围以分别提供与测量仪器接触的表面区域34、35、36(未示出)。优选地，暴露接触表面区域34、35、36自主体12的锥形顶部20延展至主体12的插头端14并形成在第一顶部表面15a或者部分植入其中。特别地，主体12也可以这样模制而成，将导线31的段33、31、32植入(部分模制入第一顶部表面15a)并由和接触表面区域34、35、36相对的主体12保持。使用这种方式，导线被暴露以和测量仪器相互接触并在不使用粘合剂或者焊接时保持在一个位置上。
传感器插头端14和流体试样接收端16之间的导线30、31、32的部分植入塑料注射模制主体12中。于是，可由电绝缘注射可模制塑料制成主体12。
在模制过程中和之后，在传感器10的主体12中模制一定的彼此相互分离的结构支撑部件来保持和维持主体中的导线30、31、32。特别地，引导块42和对齐销44模制在主体12中以合理安装导线30、31、32。孔也形成在主体12的顶部表面15和底部表面13上以在模制过程中可使指状物(下面将讨论)伸入或者拔出。尤其是，第一孔46模制到第二顶部表面15b中，第二孔48和第三孔50形成在主体12的底部表面13中。一旦成形完成，每个这些孔46、48、50被覆盖或者用塑料密封(例如在成形过程中使用的相同塑料)或者让其打开。孔46、48、50的尺寸相对较小；让它们敞开不会导致任何安全问题或者影响传感器的功能。指状物不能插入孔中，来自外部的碎屑不能进入孔并接触导线30、31、32。
在反应区24中，导线30作为主要的工作电极52，第二导线31作为基准电极或者极板53，第三导线32作为辅助、次要或者第二工作电极54。理想地，只有可导电导线30、31、32(或者电极52、53、54)和进入传感器10的流体测试试样相接触。电极52、53、54通过模制塑料而和传感器10的其余部分电绝缘以保证由导线传输的信号只在暴露在电化学反应区24中的测试试样中产生。
在该实施例中，酶56施加到主工作电极52的外表面上，如果需要的话也可施加到电子传输介质。酶可以由诸如黄素蛋白、pqq酶、血红素酶、氧化还原酶及类似物构成。有关介质的其它论述，参考美国专利US4,545,382和US4,224,125，此处参考引用这些公开所内容。在一可替换的实施例中，抗体57可以施加到第二工作电极54的外表面上。这样，反应区24可以包含抗体、酶抗体结合物、酶分析结合物及类似物。需要注意的是酶56可以施加到第二工作电极54上，抗体可以施加到主工作电极52的外表面。
本领域的技术人员将会理解，酶56特定用于传感器10所执行的测试。例如，工作电极52或者次要工作电极54，或者两者都被诸如葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶之类的酶所覆盖，所形成的这些酶可以不同程度或者强度地进行反应，以用于测量人体血液试样中的葡萄糖。这样，每个主体的葡萄糖浓度增加，酶56将制造更多的产物。葡萄糖传感器和测量仪器一起测量诸如电流之类的电化学信号，这些信号来自于氧化作用或者酶转换产物的减少。信号的强度直接与葡萄糖浓度或者被覆盖到电极上的特定酶的其它任何复合物成比例。
在一个实施例中，酶56可以施加到主电极52(或者次要电极54)的整个暴露表面区域中。可选地，电极的整个暴露区域都可以不需要被酶所覆盖，只要电极的适当限定的区域被酶所覆盖。
在现有技术中进一步的实施例中，酶57可以施加到所有电极52、53、54的反应区24中，可以通过测量仪器来进行测量。
在优选实施例中，工作电极之一(52或者54)可选择地镀以酶57，此酶带有与酶反应的试剂，另外的工作电极(54或者52)镀以缺少各酶的试剂。这样，使用测量仪器就可以从每个工作电极中同时获得电化学信号并修正由样品母体引起的任何“背景噪音”。这样，基准电极和不带酶的电极间的电势或者电流就可以和基准电极与带有酶的电极间的电势或者电流进行比较。普通技术人员熟知这些电势和电流差异的测量和比较方式。如上所述，传感器10和测量仪器一起可以用来在反应区24中加入流体试样后测量流体试样的电学属性。例如，所测量的电学属性可以是电流、电势、电荷或者阻抗。美国专利文献US5,413,690中说明了测量电势变化来进行分析试验的例子，其披露的内容可在本发明中参考引用。美国专利US5,288,636和US5,508,171中说明了测量电流来进行分析试验的例子，，其披露的内容可在本发明中参考引用。
传感器10的插头端14可以插入并连接到测量仪器，其包括一个动力源(电池)。此测量仪器和传感器系统的改进可以在美国专利US4,999,632；US5,243,516；US5,352,351；US5,405,511和US5,438,271中找到，其披露的内容可在本发明中参考引用。
许多包含分析物的流体可以利用本发明的电化学传感器进行分析。例如，人和动物体液中的分析物，诸如整个血液、血清和血浆、尿、脑脊髓液都可以测量。同样，发酵产品、食物和农产品中发现的分析物、可能包含环境污染物的环境物质都可以被测量。
第一实施例的成形过程过去，尽管认识到了它的强度和持久性，传感器塑料注射成形非常困难，通常避免了这样做。一个原因就是不愿意围绕可导电导线或者板进行浇铸。工业的选择是使得这样的传感器类似三明治，具有顶部和底部部件，而中间件(可传导元件)形成在一个部件上或者放置在部件中。类似三明治的传感器然后组合在一起，再利用诸如粘合剂等进行密封。
在成形过程中，本发明把传感器与导电部件在模具中进行制模。优点有很多，除了制造出更强更耐用的传感器外，还能够减小人力参与过程和制作步骤，并生产更加一致的产品。
尽管使用一个模具可以制造很多传感器10，但此处只讨论一个传感器的制造过程。模具具有主体12那样的形状。作为电极的可导电导线30、31、32首先模制到产品中。特别地，导线喂入模具中并放置在从模具中的开孔(对应的孔46、48、50)伸入模具中的指状物(未示出)上或者其之间，以在建模和成形过程期间，保持电线就位和水平。尤其地，底部孔允许指状物伸入模具中固定电线。液体塑料注入模具中，然后填充模具。塑料然后冷却。
一旦塑料形成并硬化，指状物通过孔拖出并离开模具(孔46、48、50)。模制传感器12然后从模具中弹出。
然后，在成形过程结束之后，把试剂施加到电极上。首先，在成形结束后，盖被表面活性剂处理以便于流体(例如，测试的血液)的拉动和吸入到传感器末端的毛细间隙中。然后，试剂(包括酶)被施加到电极上。
端盖27然后被连接到主体12，所有不需要的传感器中的孔可以使用成形中所使用的相同的塑料进行密封。可选择地，化学物可以在把端盖结合到主体上后再施加到电线上。任何无关的从传感器上凸起的电线都可以被切掉并被清除除。然后，可以采用传统方法将所需的任何文字(例如，生产码、产品名等等)施加到传感器上。
第二实施例参照图2至图12，将说明本发明中第二实施例中的电化学传感器。在这些图中，和第一实施例(10)中相似的部件将使用相同的参考标记进行标识，但是以100为系列号。特别地，图7显示的传感器110看似由透明塑料所制造，以允许透视其内部。如前所述，内部部件和隐藏的外部部件通常从传感器110上往下看时不可见。第二实施例110的传感器包括模制塑料主体112，此主体具有测量仪器连接端或者插头端114以及流体试样接收端116。主体具有底部表面113和顶部表面115。端盖127与主体112成一体并和主体一起模制。铰链227允许端盖在主体上枢转，这将在下面说明。特别地，传感器110的顶部表面115具有三个顶部表面115a、115b、115c。第一顶部表面115a占主体长度的很大部分并终止于边215；第二顶部表面115b在第一115a之下或者低于第一顶部表面115a；第三顶部表面115c利用铰链227和其它两个顶部表面115a、115b相分离。在传感器110的构造过程中，端盖127绕铰链转动，这样第三底部表面115c和第二顶部表面115b交界，面对面并放置在和顶部表面115a的边215相邻的位置上。盖127的底部表面13a这样变成和第一顶部表面115a相邻的顶部表面，参看图8。一对锥形凸起125形成在端盖127中，一对锥形槽122形成在主体112中并当盖折叠定位后相配并对齐。这方便并保证了铰链部件的正确对齐。
主体112包括三个相互分离的电极130、131、132。主体112的插头端114包括一对锥形侧边118、119以便于用户将传感器插头端114插入传统测量仪器(图中未示出)的插座腔中。
传感器110的流体试样接收端116包括和主体接线端116相邻的电化学反应区124。此反应区124是形成在第二顶部表面115b上的通道，并围绕/相邻于主体112的电极130、131、132以和吸入主体112中的流体反应。尽管反应区可以形成在电极之上或者之下，优选的方式为形成在电极之上。脊327形成在端盖的顶部表面(第三顶部表面115c)。此脊防止液体从反应区124中流出，和在端盖127焊接(通过超深波或者粘合剂)到第二顶部表面115b时防止杂物进入反应区。当端盖被折叠后，其沿着部件110的侧表面被焊接就位。这样，脊可以在焊接过程中坍塌而不影响传感器的性能。在第三顶部表面115c中可以构成光学通道327a以增加反应区124的高度。
当盖127被折叠并被焊接就位时，毛细开孔128形成在传感器110的接线端116。此毛细开孔连接到反应区124。开孔128的宽度大约和暴露到反应区124中的测试流体的感应电极130、131、132的长度相同。第二实施例的传感器110也是一个毛细填充装置，即，反应区124小到足以在所设置的毛细开孔128和被测试的流体相接触时将流体试样吸入区域中。位于盖127的孔129和反应区124连通以在反应区124中吸入和填充流体时释放压力。优选地，毛细入口的底部或者基部和电极130、131、132的顶部表面平齐。
具有导线或者电极130、131、132的导电板(压制或者铸造)大部分封装在注射模制主体112中。主体112围绕板和这些导线130、131、132模制。导电板是单件材料，其包括导线130、131、132和连接段230和231。当制造传感器时，段连接到导线。在成形后，段230、231被切割和/或者移除，这样导线清楚地相互分离。如果它们相连，系统将短路。
电极130、131、132主要封装在体112中，并自插头端114伸入反应区124，恰好在接线端116前。导线130、131、132如果需要的话可以在反应区中加宽以使更多的表面区域和区域中的流体和化学物相互接触。导线130、131、132可以和传感部件宽度相同。这些导线130、131、132是诸如铂、钯、金、银、镍铬合金、不锈钢、铜及类似的金属或者金属合金。为提高它们的性能和敏感度，它们也可以被镀以诸如铜或者镀以金。在第二实施例中，导线130、131、132相互分离并相互平行。
导线130、131、132的段133自主体112和传感器110的插头末端114往外延展分别提供和测量仪器(图中未示出)相接触的表面区域。这些导线也可以植入模制塑料中，使它们的上部表面部分暴露。
和以前一样，传感器插头端114和流体试样接收端116之间的导线130、131、132部分植入或者封装在塑料注射模制主体112中；体主112由电绝缘注射可模制塑料构成。
形成在主体112的顶部表面115和底部表面113的孔允许在成形过程中将指状物伸入和离开模具。尤其是，第一组(3)孔146和第二组(3)孔147被模制到顶部表面15a；第三孔148和第四孔150以及第五组(3)孔160、161、162形成在主体112的底部表面113中。一旦成形完成，每个孔146、147、148、150可以被塑料覆盖(例如，在成形过程中使用相同的塑料)或者保持打开。
在反应区124中，外部导线130作为一个主要的工作电极152，中间导线131作为基准或者反向电极153，其它外部导线132作为辅助或者次要或者第二工作电极154。这些可导线130、131、132(或者电极152、153、154)是唯一和进入传感器110的流体测试试样相接触的导线(电极)。电极152、153、154和其余的传感器110通过模制塑料而相互绝缘以保证导线传输的信号只从暴露在电化学反应区124中的测试试样中产生。
和第一实施例中相同，酶156施加到主工作电极152的外部表面，如果需要的话施加到电子传输介质。抗体157可以施加到第二工作电极154的外表面上。酶156可以施加到第二工作电极154上，抗体可以施加到主工作电极152的外表面。
酶156可以施加到主电极152(或者次要电极154)的整个暴露表面。可选地，电极的整个暴露区域不需要被酶所覆盖，只要电极的合适限定区域被酶所覆盖。或者，酶可以施加到反应区124的所有电极152、153、154上并使用测量仪器进行测量。优选地，其中一个工作电极(152或者154)可选地镀以带有反应试剂的酶，另外的工作电极(154或者152)镀以缺少各酶的试剂。
传感器110和测量仪器一起可以用来在反应区124中加入流体试样后测量流体试样的电学属性。传感器110的插头端114插入并连接到测量仪器，这种情况和第一实施例中的相同。
第二实施例的成形过程模具的具有体112的形状。可导电导线130、131、132/电极(呈板形形式并具有电极用夹入延展部分230、231)首先使用任何镀层(金属)进行处理。也可以在成形前施加化学制品/试剂(带有或者不带有酶)；或者，它们也可以在成形后施加。板被插入模具中并放置在穿过模具中的开孔(对应于孔146、147、148、150)伸入模具中的指状物上或者之间(图中未示出)，以在成形过程布置期间使板保持就位和水平。刀或者冲头(图中未示出)同样通过模具的顶部表面而插入(开孔的外形通过刀/冲头170形成)。这些刀冲压和切割结合延展部分230、231并在成形过程中将弯曲部分保持就位(参看图11)。和前面一样，底部孔允许指状物伸入模具中以支撑带有导线的板，顶部孔允许指状物伸入模具中以固定板和导线。液体塑料注入模具中并填充模具。塑料然后冷却。
一旦塑料形成并硬化，从模具中通过开孔(孔146、147、148、150、160、161、162)取出指状物。通过上部表面开孔170取出刀/冲头。取出刀/冲头后，被切割或者刀割的延长部分230、231安置在导线130、131和131、132之间以确保导线相互分离。模制传感器112然后从模具中弹出，传感器中任何不需要的开孔都可以使用与模具中相同的塑料进行填充。在优选可选方案中，临界试剂施加到导线之上的反应区124中的传感器。可以使用表面活化剂来处理毛细入口以助长毛细作用。任何从传感器突出的多余的金属可以被切割并清除。然后，可以将任何需要的文字(例如，制造码、产品名等)利用传统的装置施加到传感器上。
第三实施例图13-20表示本发明中电化学传感器的第三实施例，这些图使用相同的参考标记，但是以300序列号，来识别和前述实施例中相似的构件。图13和17分别从整体上说明传感器310、310’，包括其自传感器310、310’往下看时不易看到的内部部件。
在与能够在流体试样被吸入反应区324、324’之后测量流体试样的电化学属性的测量仪器相结合的第三实施例所述的传感器310、310’中。传感器310、310’包括模制塑料主体312、312’，主体上具有测量仪器连接端或者插头端314、314’和流体试样接收端316、316’。插头端314、314’可插入或者可连接到测量仪器，这和前面两个实施例相同。主体也具有底部表面313、313’和顶部表面315、315’。主体312、312’模制为具有两部分的单一整体——(a)电极插入外壳317、317’和(b)在位于铰链427、427’的流体试样接收末端316、316’处可枢转地固定到电极外壳317、317’上的端盖327、327’。在可选实施例中，电极外壳和端盖可以是相互稳固连接的分开件。靠近主体312、312’的插头端314、314’的侧边318、319、318’、319’是锥形的，这样插头端314、314’更容易插入传统测量仪器(图中未示出)的插座腔中。端盖327、327’具有形成在相对于主体的最外边中“凹口”326、326’，从而方便了成形。
图15表示传感器310的轴向截面侧视图。顶部表面315具有三个包括315a、315b、315c的截面或者表面。第一顶部表面315a占主体的绝大部分，其从插头端314延展到凸出部分415。第二顶部表面315b从凸出部分415延展至铰链427，其所在的平面低于315a。第三顶部表面315c穿过一个端盖327自铰链427延展至端盖的最外边。
铰链427允许端盖折叠到主体上，这样第三顶部表面315c和第二顶部表面315b面对面毗邻，端盖的边几乎和凸起部分415非常靠近，这和上述第二实施例中讨论的相同。在完整的传感器中，端盖327的底部表面313a成为体的顶部表面的一部分，并和第一顶部表面315a相邻，几乎在同一平面上，如图15所示。
当端盖折叠到主体的第二顶部表面315b时，和主体的接线端316相邻，在主体中形成被称为“电化学反应区”324。反应区324利用第二顶部表面315b镶在一侧上，在相对的一侧，利用端盖327的顶部表面而形成。反应区具有由主体的形状限定的体积。可选地，如果需要，所形成的盖可以当它在主体上枢转时，盖限定反应区的体积；或者盖和主体的形状都形成反应区的体积。
导线330、331、332沿着主体312的纵轴方向延展，它们相互以固定关系分离。导线330、331、332终止于反应区324。图17-19表示根据本发明所述具有两个电极330’、331’的传感器。
在反应区或者腔324中，导线没有完全植入体的绝缘材料中。在反应区324中，至少导线的一部分，例如末端、侧面或者其它部分——作为用于和吸入到主体312中的流体试样接触的感应电极330、331、332而被暴露。反应区324主要放置在检测器的底部长度方向的部分。尽管反应区可以形成在电极的上面或者下面，优选地形成在电极之下。
盖327折叠到主体上并稳固连接到主体上以形成紧密密封。采用这种结构，毛细开孔328形成在传感器310的接线端316中。毛细开孔328连通到反应区324，在那里感应电极330、331、332的边被暴露在测试流体中。毛细开孔328的宽度基本上和感应电极330、331、332相同。
主体312也具有凸起以确保在围绕铰链折叠时正确对齐表面。凸起一般安置在至少一个下列表面上，既(a)折叠到主体上的端盖的表面，以及(b)当端盖折叠到其上并在折叠到主体上而被端盖覆盖的顶部第三表面。尽管可以使用许多不同的构形，例如在一个实施例中，凸起可以出现在端盖和主体的上部表面315b上。
在一个实施例中，如图13所示，凸起包括脊527、和当盖折叠到主体上时与其相配的凹陷表面528，从而形成反应区。在此实施例中，脊527可以沿着反应区324的周边形成在第二顶部表面315b上，凹陷表面可以形成在盖327上，反之亦然。脊527也可以设于第二脊(图中未示出)内部并几乎与其对齐，此脊用来增加脊527的高度。
在最终的传感器310中，脊527和凹陷表面528相配以形成密封，包围主体中的反应区324。可供选择地，脊527和凹陷表面528可以进一步采用超深波能量、粘合剂或者其它任何合适的技术焊接在一起。这样形成的密封可防止反应区324漏失流体或者接收杂物。在焊接过程中，脊527熔合到凹陷表面528中而不影响传感器的性能。
在第三实施例的另外一个方面中，如图17-20所示，凸起是至少形成在端盖和主体的上表面315b’之一的能量导向器529’。可以采用许多不同种类的结构，例如其中的能量导向器完全安置在主体上，以在盖在主体上转动时和盖结合。如图17-19中说明的实施例所示，能量导向器529’一般包括最好沿端盖的周边延伸的至少一个凸起缘。一般来说，该能量导向器沿端盖的三个未被连接的侧部延伸，尽管它也可以穿过部分侧部延伸。在所述的实施例中，能量导向器529’自铰链427’开始沿端盖327’延展，并直接远离铰链427’，并穿过离铰链最远的末端。
当盖在主体上转动时，能量导向器529’通常利用诸如超深波能量或者其它传统的方式融化，以在底部表面和盖表面上形成强度高、不泄漏的结合接头。这样形成的接头将液体密封在腔室中，从而防止流体从反应区中往外扩散。可选地，可以通过施加粘合剂来形成密封。
第三实施例中的传感器也是一个毛细填充装置，即，当毛细开孔328’放置地和所需测试的流体接触时，反应区324’将流体试样吸入该区域中。在盖237’中包括试样填充孔368’。当盖237’折叠到主体312’时，至少部分试验填充孔378’和反应区连通，以形成用于在区域中填充流体时将空气从反应区中释放的降压出口378’。降压出口378’在试样填充出口368’的一边和反应区的凸起部分415’之间延展，而此凸起部分是离接线端316’最远的反应区的后壁。图20a、b表示图17中传感器310’的接线端部分的放大图。图20a表示远离体延展的盖327’，图20b表示折叠到传感器的体上的盖327’。
降压出口378’在第三实施例中提供填充检测。通过毛细开孔328’吸入的流体沿优选地位于主体312’的下部的毛细管流动到反应区324’并在那里和传感器310’的电极331’、332’(或者传感器330、331、332的电极330、331、332)接触。优选地，面对主体的上表面315’的电极表面和毛细入口328’的底部周边对齐。当试样流体进入反应区324’，其流向最远离毛细入口的反应区的末端直到其到达将压出口378’。当流体替代降压出口378’中的空气时，流体和反应区中的至少一个电极相接触，从而闭合传感器310’的开路并导致电流流经传感器。传感器中的电流激活测量仪器，并发信号表明毛细腔或者反应区中充满了流体。降压出口378’也可以用于可视检测填充到反应区中的流体。
注射模制主体312由电绝缘注射可模制塑料所制成。主体312围绕带有导线330、331、332的导电板(压制或者铸造)模制而成，这样导电板主要植入体312中。导电板是单块材料；其包括导线330、331、332(图18中330’、331’)和连接段430、431(传感器310’中标号432)。在传感器被制成后，和导线互联的段430、431被切割并(或者)拆除，以将导线相互分离。如果在传感器操作过程中互联段保持完整，系统将会短路。
主体具有许多模制的导引器，至少一个导引器和至少一个导线相毗邻。
导线330、331、332通过主体312自插头末端314纵向延展至反应区324，并恰好终止于在接线端316之前。导线330、331、332相互以预定距离被封装或者植入主体312中；它们通常彼此平行，尽管这对传感器的操作并不必要。在反应区中，导线的很大一部分被暴露，以便与流体试样相接触；被暴露部分包括例如电极的顶端、末端或者侧面。
电极330、331、332由导电材料制成，这些材料为诸如铂、钯、金、银、镍铬合金、不锈钢、铜及类似的金属或者金属合金。为了提高性能和敏感度，它们可以镀以和导线组成不同的金属，例如，铜制导线镀以金。如果需要，导线330、331、332的宽度可以在反应区中加宽或者减窄以暴露更多或者更少的表面区域给流体或者化学物品。通过主体延展的导线330、331、332可以和反应区中的暴露部分宽度相同，它们构成电极330、331、332。
每个导线330、331、332终止于可以自插头末端314延展的导体312外的段333a、b、c，导线在插头末端分别提供和测量仪器(图中未示出)接触的表面区域334、335、336。可选地，导线可以植入模制塑料中，这样每个导线只有一部分在插头端314处暴露在主体外、或者导线的顶部表面和测量仪器电接触导线相接触。
模制在主体312的顶部表面315和底部表面113中的孔允许指状物在成形过程中被插入或者拆除。顶部表面315a具有两组孔——第一组孔346和第二组孔347——每个具有三个单独的开口或者孔。底部表面313具有第三孔348、第四孔350、和第五组孔，后者包括三个单独孔360、361、362。一旦成形结束，每个这些孔346、347、348、350优选地保持打开。在一个优选实施例中，孔被关闭，以防止流体和反应区中的电极之外的区域偶尔接触。孔可选地被诸如成形过程中所使用的相同或者不同材料所覆盖。
在反应区324中，可传导电极330、331、332包括主工作电极352、基准或者反向电极353、以及第二工作电极354。在反应区中，导电极330、331、332和测试试样在其进入传感器310时以流体的形式接触。由于电极的暴露部分与测试电极接触，而在反应区324中产生由电极传输的信号。反应区可以包括一个或者可选地两个电极；例如主工作电极352和次要工作电极354。
和另外一半共轭的诸如抗体或者抗原或者分析物之类的酶施加到主工作电极352的外表上，如果需要，电子传输介质也可以施加到相同的电极352上。抗体也可以施加到次要工作电极354的外部表面或者也可以存在于反应区中。这样，反应区324中可以包含抗体、酶抗体结合物、酶分析结合物及类似物。
酶可以施加到主电极352或者次要电极354的整个暴露表面上。可选地，酶施加到工作电极的特定限制的部分上。或者，酶可以施加到反应区324的所有电极352、353、354上。优选地，工作电极之一(352或者354)可选地镀以带有酶的试剂的酶，另外的工作电极(354或者352)被镀以缺少各酶的试剂。
在第三实施例的另外一个方面中，反应区或者腔324可以本身镀以一种和流体试样中的特定成分反应的物质——诸如试剂、抗体、或者酶，以改变试剂的电化学属性。结果导致的变化很容易利用电极检测，并且利用测量仪器进行测量。
第三实施例的成形过程模具具有主体312的形状。可导线330、331、332(呈带有用于与电极互联的结合延展部分430、431的混合板结构)首先使用诸如酶、抗体、或者化学试剂进行处理或者镀层。化学物/试剂(带有或者不带有酶)通常在成形后施加。
板被插入模具中，并放置在穿过模具中的开孔凸入模具中的指状物之上或者之间(图中未示出)，这些孔对应346、347、348、350、360、361、362。指状物使板保持就位，以在布置和成形过程中保持板就位和水平。
刀或者冲头(图中未示出)同样通过模具的顶部表面而插入(开孔的外形通过刀/冲头170形成)。这些刀冲压和切割结合延展部分230、231，并在成形过程中把弯曲部分保持就位，如图15所示。在成形过程中，底部孔允许指状物突入模具中，以支撑带有导线的板；相似地，顶部孔允许指状物伸入模具中，以固定板和导线。液体塑料注入模具中并填充模具。塑料然后冷却。
在塑料形成并充分硬化后，指状物从模具中通过开孔取出，即孔346、347、348、350、360、361、362。通过上部表面开孔170抽出刀/冲头，并从其中取出，被切割或者刀割的延长部分430、431安置在导线330、331和331、332之间。这些切割延展部分确保导线相互分离。模制传感器312然后从模具中弹出，传感器中任何不需要的开孔都可以使用模具中相同的塑料进行填充。
在优选地可选方案中，临界试剂施加到导线之上的反应区324中的传感器。可以使用表面活化剂来处理毛细入口328，以助长毛细作用。任何从传感器突出的多余金属可以被切割并清除。然后，可以将任何需要的文字(例如，制造码、产品名等)利用传统的装置施加到传感器上。
尽管对具体实施例进行了说明和描述，在不偏离本发明精神的情况下可以进行许多修改，保护范围受所附权利要求书所限制。例如，在本发明的另外一个实施例中，传感器被设计成用于和光学反射测量仪器一起使用，以光度检测包含在流体试样接收壁中的染色。
权利要求
1.一种电化学装置，用于和测量仪器一起测量由于化学或者酶反应而导致的流体试样的电化学属性的变化，包括(a)具有第一端和相对的第二端的绝缘材料的主体；(b)至少两个导电电极，所述电极以固定的纵向关系安置在两个端部之间的绝缘材料中；(c)用于将测量仪器连接到主体的装置；(d)用于容纳流体试样的装置；以及(e)用于利用一个或者多个能够和流体试样反应的物质处理至少一个电极的装置。
2.根据权利要求1中的电化学装置，进一步包括用于在容纳了足量的流体试样时进行检测的装置。
3.根据权利要求1中的电化学装置，其特征在于主体要么是利用铰链相互连接的两个部件，每个部件都是由模制塑料制造，要么是单一的整体件，由模制塑料制造，电极几乎模制到塑料中。
4.根据权利要求1中的电化学装置，进一步至少包括形成在主体中的铰链一侧的凸起，所述凸起和主体中铰链另一侧的凹陷表面相匹配。
5.根据权利要求1中的电化学装置，其特征在于用于接纳流体试样的装置是适于在和流体试样接触时将流体试样吸入主体中的毛细入口。
6.根据权利要求5中的电化学装置，其特征在于毛细入口模制到体的末端，并与反应区相连通。
7.根据权利要求6中的电化学装置，其特征在于反应区是形成在主体中、适于与利用毛细作用力吸入体中的液体进行反应的通道。
8.根据权利要求6中的电化学装置，其特征在于毛细入口具有互连通的出口，以释放压力。
9.根据权利要求6中的电化学装置，其特征在于主体具有至少一个孔，以允许在主体的成形过程中固定电极。
10.根据权利要求9中的电化学装置，其特征在于至少一个孔和反应区相连通，以在成形后化学处理一个或者多个电极。
11.根据权利要求1中的电化学装置，其特征在于电极是导电电线。
12.根据权利要求1中的电化学装置，其特征在于用于利用一个或者多个化学物处理至少一个电极的装置对第一或者多个电极镀以一种试剂或者酶。
13.一种制造电化学装置、以和能够测量流体试样的电化学属性的电子测量装置配合的方法，所述方法包括步骤在模具中放置至少两个相互分离的导电电极；用一种或者多种物质对至少一个电极进行处理，以和流体试样反应，从而利用电极可以产生可测量的电化学变化；模制绝缘材料的主体，以至少部分地植入电极并具有两个末端和用于容纳流体试样的装置。
14.根据权利要求13中的方法，其特征在于成形步骤包括在主体中形成一个铰链，以允许枢转和连接主体自身的一部分。
15.根据权利要求14中的方法，其特征在于成形步骤包括在主体中铰链的一侧形成至少一个凸起，并在主体中铰链的另一侧形成至少一个槽，以在铰链的一边折叠到另外一边时和至少一个凸起配合。
16.根据权利要求13中的方法，其特征在于用于容纳流体试样的装置包括在主体的末端和反应区连通的毛细入口以及出口。
17.根据权利要求13中的方法，其特征在于反应区形成在装置的底部。
18.根据权利要求13中的方法，其特征在于成形步骤包括形成在主体中的出口，用于在传感器中容纳一定的足够数量的用于测试的试样时进行检测。
19.根据权利要求13中的方法，其特征在于成形步骤包括将用于检测一定数量试样存在的装置模制到体中。
20.根据权利要求13中的方法，其特征在于在成形步骤之后完成处理至少一个电极的步骤。
21.根据权利要求13中的方法，其特征在于成形步骤包括将至少一个孔形成到主体的表面中，以允许在主体的成形过程中固定电极。
全文摘要
提供一种传感器，用于检测流体试样中的一种或者多种成分的不同浓度。传感器包括注射模制主体、至少两个电极、酶、如果需要的话，也可包括电子转移介质。主体包括用于接纳流体试样的反应区。电极至少部分地植入塑料体中，并延伸到反应区域中。同样包含在反应区中能够催化流体试样中涉及复合物的反应的酶。不仅如此，传感器并入能够激活连接到传感器的测量仪器的填充检测，以测量发生在反应区中的电化学变化。
文档编号G01N27/403GK1503905SQ02808201
公开日2004年6月9日 申请日期2002年3月22日 优先权日2001年3月23日
发明者克雷格·拉潘, 塞亚马斯·哈吉匝德哈, 凯利·米尔斯, 克雷格 拉潘, 斯 哈吉匝德哈, 米尔斯 申请人:维罗泰克公司