具有含钽和铌的基层的传感器元件及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及用于电化学方法研究体液的传感器元件（10）及其制备方法。本发明建议，将导电性的层结构（14）施加到不导电的载体基材（12）上，其中该层结构（14）具有由钽或铌或其合金形成的连续的基层（26）和构建在该基层（26）上并将其完全或者局部覆盖住的金属覆盖层（28），并且其中相比于基层（26）该覆盖层（28）由更贵重的金属形成。
【专利说明】具有含钽和铌的基层的传感器元件及其制备方法
【发明内容】
[0001]本发明涉及用于电化学方法研究样品、特别是体液的传感器元件，其具有电绝缘的载体基材和施加在该基材表面上的、导电性的层结构，该层结构具有可用样品作用的电极装置。此外，本发明涉及这种传感器元件的制备方法。
[0002]W02009/056299 Al公开了一种分类别的生物传感器，其具有不同的结构区域，其中层结构的表面图案由不同的导电性金属形成。例如，除了由第二导电性材料形成的第二表面区域，由第一导电性材料形成的第一表面区域据信被设置在基材上。不同的区域可以在几个毫米宽的接点处导电性地相互连接。因此，所述层结构的不同金属层都在其下方与基材表面形成面接触，并且必须在其上特别地进行结构化。通过仅仅是线状的接点处可以得到变化的过渡电阻。
[0003]W02006/018447 A2公开了一种电化学传感器系统，其具有夹芯状的三维电极结构。在一个实施方式中，导电层通过蚀刻由Au或Ag或Cu或Al或InSnO组成的连续基层而形成，并设计在待形成的电极表面的区域中，该电极表面具有由Pt或Au或Ag形成的金属涂层。以此方式据信实现了电极表面更好的电化学特性。
[0004]本发明的目的在于，进一步改良现有技术中已知的制品和方法，并给出一种可靠的、可简单制造的并且节 省材料的制造方式以便大规模制造分析用的消费品。
[0005]该目的的解决方案是在独立权利要求中给出的特征组合。本发明的有利实施方式和扩展实施方式在从属权利要求中给出。
[0006]本发明基于的想法是，将多层金属组合层用于导电性的层结构。本发明因此建议，该层结构具有由钽或铌或其合金形成的连续的金属基层和整个构建在该基层上并将其完全或者局部覆盖住的、与基材表面保持一定距离的金属覆盖层，其中该覆盖层由贵金属形成。基层的非贵金属由此连续地形成了粘附在基材表面上的、在基材上存在的结构的下侧，而覆盖层整体上没有与基材接触或者没有接触基材表面，并且可以通过降低的层厚度和任选有限的表面扩展(例如仅仅在功能区中)来节约材料而不影响使用。其中，不同的层材料可以有针对性地决定着其各自的功能，通过由相对不贵的非贵金属形成连续的、粘附性好的、坚固的和导电性好的基层和由贵金属形成电化学惰性的和表面特性稳定的覆盖层。另一特别的优点在于，组合层可以复合式地一起进行结构化。
[0007]有利地，基层具有比覆盖层更大的层厚度，从而可以尽可能节约材料地使用贵金属。其中也可以将覆盖层限定在一定的层结构功能区上，但其中覆盖层一定要覆盖住基层总面积的超过5%、优选超过10%。
[0008]为了优化对于进行测试特别重要的功能区，有利的是所述电极装置和任选用于电连接该电极装置的接触垫区域是以双层的形式由金属形成的。
[0009]对于电化学测试元件特别有利的是，覆盖层由贵金属、优选金形成。除了金，原则上也可以考虑其它的贵金属例如钯、钼或其合金或者由此作为覆盖层的材料。
[0010]为了降低过多的材料使用费，有利的是所述覆盖层的层厚度小于50nm、优选小于20nmo[0011]优选的实施方式设计为，基材完全由钽形成。钽作为优选的非贵金属，因为其可以容易地被溅射并且在空气中形成薄的、致密的、化学钝态的氧化层。通过钝态的氧化钽层也避免在诊断用的传感器上由于电化学活性的表面行为而出现所不希望的额外信号。另外令人惊奇地发现，钽比起金来说基本上更好地粘附在常见的载体基材上。溅射的钽层的可锻性也保持相对高，特别是当避免了由于在溅射设备中的空气和水而形成的气体杂质。此外，钽在作为诊断用的物件使用时不会引起毒物学的问题。原则上，适合于基层的是所有在空气中同样形成致密的、化学钝态的氧化层的金属。这些主要是铌以及钽和铌的合金。然而，出于费用和加工的原因，优选单独使用钽。
[0012]有利地，所述基层的基本上恒定的层厚度优选在50_200nm的范围。有利的应用也可以在于，在载体基材上施加低层厚度(例如0.5-10nm)的钽基层作为用于位于其上的贵金
属覆盖层的增附剂。
[0013]对于具体的测试，在所述电极装置的区域中优选以层状的形式设置用于电化学方法检测样品中的分析物而形成的试剂体系。
[0014]在方法相关的方面，为了实现开始所述的目的而建议:该层结构由连续的基层和至少局部由构建在该基层上的覆盖层形成，其中基层由钽或铌或其合金形成，而覆盖层由比基层的金属更贵重的金属形成。
[0015]这样的组合层可以在适合于大规模生产的工艺中如下制备:首先将所述基层施加到载体基材上，然后将覆盖层通过连续涂覆方法施加到该基层上。在本发明中特别优选通过溅射沉积而形成所述基层和所述覆盖层。
[0016]为了获得尽可能高质量的层结构，有利的是将所述基层和所述覆盖层在真空室中先后在没有中断真空的情况下被溅射上。
[0017]为了特别配备上功能区，有利的是将所述覆盖层通过遮盖物或者掩蔽物局部地、优选条状地施加到所述基层上。
[0018]也有利的是将所述基层和所述覆盖层一起通过除去局部材料优选借助激光烧蚀进行几何结构化。
[0019]本发明的另一主题是将由基层和覆盖层形成的双层层结构应用于制备可任意处理的电化学传感器元件，特别是用于葡萄糖测试的测试条或测试带，其中基层由钽或铌或其合金形成，而覆盖层由更贵重的金属、优选贵金属形成。该双层层结构优选可以用于的其它分析物是例如乳酸盐和凝固参数例如PT (前凝血酶时间)。这些测试必须经常反复地、尽可能廉价地进行，其中对测试准确性提出高的要求，并且由于待检测的体液而存在特定的边界条件。此外，本发明的层结构当存储在水性缓冲液中时所发现的抗溶解性证明，其特别适用于制备可移入或可局部植入的传感器(例如皮下葡萄糖传感器)来连续测量皮下脂肪组织中的葡萄糖。
[0020]下面，借助在附图中示意性的【具体实施方式】进一步阐述本发明。其中显示了:
图1具有局部双层金属层结构的电化学传感器元件的俯视图；
图2传感器元件沿着图1中的线2-2的不按比例的纵切面；
图3用于制备双层层结构的溅射设备的示意图；
图4和图5对比试验中的循环伏安图。
[0021]在图1和2中示意性地示出的传感器元件10用作生物传感器，该生物传感器用于电化学方法研究体液并特别是以测试条的形式用于测定血液和/或组织液中的葡萄糖。为了该目的，传感器元件10包括不导电的条状载体基材12和施加于其上的导电性层结构14，该层结构具有可以与液体样品作用的电极装置16、导电路径18和在导电路径18连接端上的接触垫20。在图1中通过虚线界定的端部部段22、24中，层结构14由非贵金属钽制成的较厚的基层26和贵金属制成的较薄的覆盖层28形成。与此相反，在端部部段22、24之间的导电路径18以单层的形式仅仅由基层26形成。因此，基层26连续地形成了层结构14的整个基底。
[0022]如在图1中所示的，电极装置16具有两个测试电极30和两个控制电极32。施加在至少一个测试电极30的区域中的干化学试剂体系34可以用液体样品溶胀或溶解，以便在测试电极30之间施加电压时可以通过电化学方法检测样品中的分析物。
[0023]图2清楚地显示了，在形成测量区的端部部段22中的电极装置16和在可以连接到仪器侧的端部部段24中的接触垫20共同以双层的形式由基层26和覆盖层28形成，并通过在基层26中的单层导电路径18相连。基层26在其下方与基材表面坚固粘附性的完全接触，而覆盖层28整体构建在基层26背对载体基材的上面之上，并且不与基材表面接触。
[0024]实用地，比覆盖层28更厚的基层26由导电性好的、但相比覆盖层28不贵重的并因此相对便宜的金属形成。其中，特别合适的是钽、铌或其合金。足够结实的基层的层厚度例如可以是50nm。
[0025]较薄的覆盖层28应该是对于样品的影响不敏感的，并且跨较长的存储时间也能提供尽可能恒定的接触电阻和恒定的电化学电势。为此特别合适的是贵金属，特别优选金，但钯、钼或这些涂层物质的合金或含有这些涂层物质的合金也是合适的。为了尽可能减少材料费用，覆盖层28应该尽可能地薄，例如小于20nm的层厚度。
[0026]载体基材12可以以切段的形式由塑料膜材料形成，从而其可以在大规模生产中容易加工并对于使用目的足够地稳定。试剂体系34可以由酶组合物形成，将该组合物作为浆糊状物料施加到测量区22上，并干燥而形成干化学层。这种电化学-酶的生物传感器的详细信息对于本领域技术人员本身是已知的，不需要在这里更详细地阐明。
[0027]对于设计的一次性使用，使用者将血液样品施加在电极装置16上，然后将测试条10在未示出的手持式仪器中进行分析。该仪器通过接触垫20在电极装置16上开启电势并获得响应(例如电流、阻抗、电荷等)，该响应依赖于分析物(特别是血糖)的存在或浓度。在使用之后，处理掉该测试条10。
[0028]图3显示了在溅射设备36中大规模制备具有双层金属层结构14的基材12的示例性方法。在溅射设备36的真空室38中，载体箔带40被备用滚筒42抽拉、从用于表面处理的电晕站44旁抽拉经过并且通过涂覆辊46转向到产品滚筒48并且在那里再次卷取起来。
[0029]在涂覆辊46的范围中，在第一溅射站50上完全施加基层26。为此，靶材料被例如钽靶52通过离子轰击除去，并将溅射的粒子54冷凝到箔表面上而形成基层26。随着传输带的运行，在第二溅射站56例如喷洒金靶58，以便在基层26上构建覆盖层28。为了局部界定覆盖层28而使用水冷却的掩蔽物60，通过该掩蔽物的开口仅在条状区域中将溅射的金62沉积在基层26上。在掩蔽物60上沉积所不需要的贵金属，其可以容易地再次回收。为了避免在基层26上形成干扰性的氧化物，将覆盖层28在没有中断真空的情况下和在排除氮气、氧气、氢气和水蒸气的情况下直接在沉积基层26之后在其上进行沉积；即依赖于载体箔40的传送速度，在几秒内或在几分之秒内。
[0030]从真空室38中取出的产品滚筒48在另一方法步骤中经过激光站放卷(hindurchspulen),以便通过激光烧蚀形成层结构14的几何表面图案。其中，将激光穿过遮盖物以平面的形式照射到带材料40的部段上，并由此除去除了所希望的层结构14之外的层材料。这种技术本身是已知的，例如在WO-A 2009/056299中描述过。
[0031]激光烧蚀是有效的和价格低廉的，并造成比起蚀刻基本上更少的损耗，这特别是对于大量产品是重要的。在烧蚀过程中的激光脉冲产生金属蒸气云，其必须尽可能完全被吸除。然而，在实践中不可避免的是，金属颗粒沉积在基材和电极面上。其中需要注意，将遮盖物设置在相对远的地方并且不可以盖住。对于金，这种作用毫无损害，因为毕竟使用的是金电极；而对于其它金属来说，当含有非贵金属(例如铜)时，沉积物通常是电化学活性的。然而，由于致密的金属氧化物表面，钽仍然令人惊奇地保持稳定。其中也需要注意，激光烧蚀在含有氧气的空气中进行。烧蚀颗粒的表面因此总是覆盖有氧化物，从而几乎不会在沉积到电极上时产生影响，并因此取得类似使用纯金的结果。
[0032]在紧接着激光烧蚀的制备步骤中，可以将带材料40配置上试剂体系34并分割成单个条10。
[0033]以这种方式制得的层结构14具有例如由约50_70nm厚的钽基层，该基层上覆盖着IOnm厚的金覆盖层。在裸露着钽的导电路径18的区域中，通过空气中氧气的作用而形成化学钝态的、不导电的氧化钽层。通过激光烧蚀过程中短时间非常高的温度更加速了钽的氧化，从而在剩余的边缘和所形成的钽粉上形成足够厚的氧化层，以致完全化学钝态。在激光烧蚀时形成的金粉总是惰性的。
[0034]基层26的层厚度首先取决于所希望的电学特性，即足够的导电性。另一方面，对于烧蚀其又不应该太厚，从而必须找到平衡点。也需要注意，对于较厚的层其断裂敏感度增力口。另一边界条件是材料费用。目前，钽仍就比金便宜两个数量级，而金占据了传统的可任意处理的测试元件中的大部分成本费用。当使用钽作为基层，不完美的薄金层作为覆盖层也可以是足够的。其原因在于，例如孔或所谓的针孔的缺陷也只裸露位于下面的氧化钽层，该层在电化学上基本上是中性的。相比于溅射，通过蒸发(例如电子束蒸发)尽管可以得到更完美的层，但所需要的真空工艺更繁琐。
[0035]代替金，也可以使用金-钯作为贵金属。其优点在于，在较小的厚度便已经形成封闭的层。容易购得的是80/20和60/40百分比的金-钯-合金。
[0036]当使用钼作为钽基层上的覆盖层时，则特别薄的贵金属层是可行的。通过相对于50nm厚的纯金的测试，2.5nm钼在50nm钽上的层结构的材料费用降低了超过90%。如果在钽上使用钯，有利的是钯较便宜的价格和可以制备相对薄的层。
[0037]对比试齡
在一个对比试验中，将纯金层和不同的钽-金-层结构如上所述地溅射到载体箔上(从DuPont Teijin Films可购得的Melinex? 329),并研究其电化学行为和粘附能力。
[0038]在所产生的图案上，通过循环伏安法在22°C的水性基本电解质中获得关于可能的电极过程的概况。基本电解质由二次蒸馏H20(400 ml)'KH2PO4 (2.07 g)、K2HPO4 (4.86 g)、NaCl 0.9 % (3.6 g)、Triton XlOO (0.42 g)制成，其 pH 值为 7.0±0.I。通过施加锯齿状电压得到如图4和图5的循环伏安图。其中，记录了多次周期循环中在所形成的的层电极上的电流强度I相对于电势E的变化。图4显示了，对于纯金在-0.5至+0.8 Volt的范围基本上没有出现电极反应，否则的话会在电流-电势曲线中出现一个峰。对于由钽基层(70nm厚)和金覆盖层(IOnm厚)形成的层电极，在-0.3至+0.7 Volt的电势范围也没有发现干扰性的电极过程。其中需要注意，电化学传感器元件的常见测量电压位于该区间中(例如在0.35 Volt)。还需要注意，仅IOnm厚的金层不会形成完美的表面，并且这样的钽-金-电极不会给出干扰性的电活性信号。
[0039]关于在基材上的粘附性已经发现，50nm厚的金层在缓冲液(按照上述配方的基本电解质)中存储72小时之后，在室温用吸水纸通过拇指的压力可以不费力地完全摩擦掉。与此相反，在相同的条件下由50nm的钽基层和30nm的金覆盖层形成的涂层很少能被摩擦掉，由70nm的钽基层和IOnm的金覆盖层形成的涂层给出同样的结果。因此，钽-金-组合层在优选的基材Melinex 329上的粘附性令人惊奇地比纯金基本上更好。
[0040]在激光烧蚀过程中也观察到相对金来说改善的粘附性。对于具有50nm金的涂层，保留在基材上的层的边缘直到距离基材边界几个μ m远的地方突出和隆起，而对于由50nm的钽基层和30nm的金覆盖层形成的涂层没有观察到这样的情况。
【权利要求】
1.用于电化学方法研究样品、特别是体液的传感器元件，其具有电绝缘的载体基材(12)和施加在基材表面上的、导电性的层结构(14)，该层结构具有可与样品接触的电极装置(16)，其特征在于，该层结构(14)具有由钽或铌或其合金形成的连续的基层(26)和构建在该基层(26)上并将其完全或者局部覆盖住的金属覆盖层(28)，其中相比于基层(26)该覆盖层(28)由更贵重的金属形成。
2.根据权利要求1的传感器元件，其特征在于，所述基层(26)具有比所述覆盖层(28)更大的层厚度。
3.根据权利要求1或2的传感器元件，其特征在于，所述覆盖层(28)覆盖住所述基层(26)总面积的超过5%、优选超过10%。
4.根据权利要求1至3之一的传感器元件，其特征在于，所述电极装置(16)和任选用于电连接该电极装置(16)的接触垫区域(20)是以双层的形式由金属形成的。
5.根据权利要求1至4之一的传感器元件，其特征在于，所述覆盖层(28)由贵金属、优选金形成。
6.根据权利要求1至5之一的传感器元件，其特征在于，所述覆盖层(28)的层厚度小于50nm、优选小于20nm。
7.根据权利要求1至5之一的传感器元件，其特征在于，所述基层(26)完全由钽形成。
8.根据权利要求1至7之一的传感器元件，其特征在于，所述基层(26)的基本上恒定的层厚度优选在50-200nm的范围。
9.根据权利要求1至7之一的传感器元件，其特征在于，作为所述覆盖层(28)的增附剂的基层(26)的层厚度为至少0.5nm和小于20nm。
10.根据权利要求1至9之一的传感器元件，其特征在于，在所述电极装置(16)的区域中设置用于电化学方法检测样品中的分析物而形成的试剂体系(34)。
11.根据上述权利要求之一的电化学传感器元件(10)的制备方法，其中将导电性的层结构(14)施加在电绝缘的载体基材(12)上，其特征在于，该层结构(14)由连续的基层(26)和至少局部由构建在该基层(26)上的覆盖层(28)形成，其中该基层(26)由钽或铌或其合金形成，而该覆盖层(28)由比基层的金属更贵重的金属形成。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，分别通过一种涂覆方法，首先将所述基层(26)施加到所述载体基材(12)上，然后将所述覆盖层(28)施加到该基层(26)上。
13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于，所述基层(26)和所述覆盖层(28)通过溅射沉积而形成。
14.根据权利要求11至13之一的方法，其特征在于，将所述基层(26)和所述覆盖层(28)在真空室(38)中先后在没有中断真空的情况下被溅射上。
15.根据权利要求11至14之一的方法，其特征在于，将所述覆盖层(28)通过遮盖物或者掩蔽物(60)局部地、优选条状地施加到所述基层(26)上。
16.根据权利要求11至15之一的方法，其特征在于，将所述基层(26)和所述覆盖层(28)通过除去局部材料优选借助激光烧蚀进行几何结构化。
17.将由基层(26)和覆盖层(28)形成的双层层结构(14)应用于制备可任意处理的电化学传感器元件(10)，特别是用于葡萄糖、乳酸盐或PT测试的测试条或测试带，其中基层(26)由钽或铌或其合金形成，而覆盖层(28)由相比于基层(26)更贵重的金属形成。
【文档编号】G01N27/327GK103492876SQ201280020942
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年4月29日
【发明者】H.哈蒂希 申请人:霍夫曼-拉罗奇有限公司