DE69519725T2

DE69519725T2 - Verfahren zur herstellung von sensorelektroden

Info

Publication number: DE69519725T2
Application number: DE69519725T
Authority: DE
Inventors: R. Diebold; J. Kordal; A. Surridge; D. Wilsey
Original assignee: Roche Diagnostics Corp
Current assignee: Roche Diagnostics Operations Inc
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2015-02-22
Also published as: CA2499049C; JPH09509740A; MX9603543A; CA2183865C; CA2499867A1; US5437999A; EP0753051A4; DE69519725D1; CA2183865A1; ES2154330T3; WO1995022597A1; EP0753051B1; CA2499049A1; JP3193721B2; EP0753051A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft elektrochemische Sensoren und ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für die Verwendung in elektrochemischen Sensoren.

Hintergrund der Erfindung

Die Verwendung von Sensoren auf dem Gebiet der Medizin zur Prüfung auf verschiedene Blutanalyten und auf dem Umweltsektor zur Überwachung von Wasser- oder Bodenverunreinigungen ist bekannt. Bei vielen dieser Sensoren wird eine elektrochemische Messung durch Anlegen einer Potentialdifferenz über zwei oder mehr Elektroden durchgeführt, die in Kontakt mit einem Reagens und einer Probe stehen. Es sind Zwei- Elektroden-Sensoren bekannt, die eine Arbeitselektrode und entweder eine Gegen- oder eine Bezugs-/Gegen("Bezugs-")elektrode umfassen. Es sind auch Drei-Elektroden-Sensoren bekannt, die eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Bezugselektrode aufweisen. Da die Fläche der Arbeitselektrode in jeder der vorstehenden Sensorausführungen eine direkte Wirkung auf die Menge des gemessenen Stroms hat, ist die Herstellung von Sensoren mit exakt definierter Arbeitselektrodenfläche überaus wünschenswert.
Die Herstellung von Elektroden für Sensoren wird bewerkstelligt durch Schneiden und Versiegeln (vgl. z. B. US 5 288 636), mit "Dickfilm-" oder "Siebdruck"- und Dünnfilmabscheideverfahren (normalerweise angewandt bei der Herstellung von integrierten Schaltungen; vgl. z. B. US 5 108 819). In neuerer Zeit wird auch die Photolithographie angewandt, um Elektroden auf der Oberfläche eines Substrats zu strukturieren (vgl. z. B. US 4 894 137). Zwar ermöglichen einige dieser Techniken eine exakte Größengestaltung und Positionierung der Elektrode auf dem Trägersubstrat, doch ist die Fähigkeit der aus solchen Elektroden hergestellten Sensoren zur Erstellung exakter Messungen durch die Definition der Arbeitselektrodenfläche begrenzt.
US 5 288 636 beschreibt einen elektrochemischen Enzym-Sensor, bei dem eine parallele Anordnung aus Gegen- und Arbeitselektrode verwendet wird. Die Elektroden sind auf der Oberfläche eines flachen ersten isolierenden Substrats befestigt und sind teilweise mit einem zweiten isolierenden Substrat beschichtet. Letzteres umfaßt einen ausgeschnittenen Teil, der es der Probenlösung ermöglicht, zu den Elektroden zu gelangen, die in diesem Bereich wenigstens teilweise mit einer Reagens-Schicht bedeckt sind.
US 4 894 137 offenbart einen anderen elektrochemischen Sensor auf der Grundlage einer parallelen Elektrodenanordnung. Bei diesem Sensor wird eine Zwei-Elektroden-Anordnung verwendet, umfassend eine Arbeits- und eine Bezugselektrode. Beide Elektroden befinden sich an der Oberfläche eines planaren isolierenden Substrats und sind teilweise mit einem isolierenden Film beschichtet, so daß ein ungeschützter Elektrodenbereich freibleibt.
US 4 929 426 beschreibt ein pH-Meter auf Kassettenbasis. Die Kassette beherbergt ein Leiterplatten-Substrat mit einer Arbeits- und einer Gegenelektrode, die beide parallel angeordnet sind. Die Elektroden sind vollständig mit einem pH-empfindlichen Pastenmaterial bedeckt, das eine pH-Indikatorsubstanz enthält.
Leiterplatten ("PCBs": printed circuit boards) und flexible Schaltungen werden in der Elektronikindustrie als Mittel zum Verbinden elektrischer Komponenten weitläufig eingesetzt. Man bedient sich zweier Grundsysteme für die Herstellung von PCBs und flexiblen Schaltungen. Das eine wird als "additives Verfahren" und das andere als "subtraktives Verfahren" bezeichnet. Beim additiven Verfahren wird die gewünschte Schaltungsstruktur auf der Oberseite eines nichtleitenden Kunststoff-, Keramik- oder anderen Substrats aufgebaut. Beim subtraktiven Verfahren wird ein nichtleitendes Substrat (z. B. Epoxid-verklebte Glasfaser im Falle von PCBs, Polyimid im Falle flexibler Schaltungen) mit einer Kupferfolie laminiert. Das Kupfer wird dann mit Hilfe der üblichen photolithographischen und naßchemischen Ätztechniken strukturiert. Die Kupfer-Schaltung kann anschließend mit Nickel, Gold oder mit einem anderen Metall plattiert werden.
Die vorstehend beschriebenen, in der PCB-Industrie üblichen Metallstrukturierungstechniken sind jedoch für biologische Anwendungen ungeeignet (z. B. Erfassen von Analyten). Die Metallbeschichtung auf ein wie vorstehend beschriebenes kupferplattiertes Substrat führt zu einer unregelmäßigen, körnigen Oberfläche, die es einer biologischen Flüssigkeit ermöglicht, zum darunterliegenden Kupfer vorzudringen, so daß es zu elektrochemischen Hintergrundsignalen kommt, die die Messungen stören. Zudem sind Kupfer und Nickel bei den im allgemeinen zur Erfassung angewandten Potentialen selbst elektroaktiv und können daher nicht als Arbeitselektrode verwendet werden.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Diese Erfindung beruht auf einer neuartigen Anpassung einiger in der PCB-Industrie üblicher Techniken zur Herstellung hochauflösender Elektroden für die Verwendung in einem elektrochemischen Sensor. Die gemäß vorliegender Erfindung hergestellten Elektroden sind von scharf definierter und sehr gut reproduzierbarer Größe und Form und besitzen - was von Bedeutung ist - eine exakt definierte Arbeitselektrodenfläche. Verwendet man diese Elektroden dann in einem elektrochemischen Sensor, so lassen sich überaus genaue elektrochemische Messungen mit sehr geringen Probenmengen durchführen. Ein gewichtiger Vorteil bei der vorliegenden Erfindung (bei Verwendung des Sensors zum Nachweisen oder Messen eines Analyten in einer Blutprobe) ist das geringe Blutprobenvolumen, das für die elektrochemische Messung erforderlich ist, so daß eine wenig schmerzende Lanzettenvorrichtung möglich ist, die geringe Probenvolumina ergibt. Da die Elektroden in einer Ausführungsform auf getrennten Teilen Substratmaterial hergestellt werden, liegt ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Trennung der Herstellungsprozesse für die beiden Elektroden, so daß die mit Arbeits- und Gegenelektrode verbundenen chemischen Vorgänge getrennt werden können.
Bei der Herstellung einer Elektrode gemäß vorliegender Erfindung wird zunächst ein qualitativ hochwertiger dünner Metallfilm (keine Kupferfolien-Laminate) auf ein blankes starres oder flexibles Substrat aufgezogen. Dann wird eine Schicht Photoresist auf die dünne Metallschicht aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert, um eine Elektrodenfläche und einen Kontaktfleck exakt zu definieren. Wichtig ist, daß die Photoresist-Schicht nach dem Strukturieren nicht entfernt wird und im fertigen elektrochemischen Sensor als Isolator fungiert. Alternativ kann ein dielektrisches Material direkt auf die Metallschicht mit einer Struktur siebgedruckt werden, die die Elektrodenfläche und den Kontaktfleck definiert. Bei einer Bezugs- oder Gegenelektrode kann das Metall direkt auf ein übliches PCB- Substrat aufgebracht werden.
Die vorstehend beschriebenen Elektroden können dann zur Herstellung eines neuartigen elektrochemischen Sensors verwendet werden, bei dem die Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind. Wird ein Reagens auf eine oder beide der freiliegenden Elektrodenflächen aufgetragen, so kann ein elektrochemischer Nachweis und/oder eine solche Messung eines Analyten in einer Probe durchgeführt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Arbeits-, Gegen- oder Bezugselektrodenelements gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Arbeits-, Gegen- oder Bezugselektrodenelements gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Bezugs- oder Gegenelektrodenelements gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Bezugs- oder Gegenelektrodenelements gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors mit gegenüberliegenden Elektroden.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht des zusammengefügten erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors mit gegenüberliegenden Elektroden von Fig. 5.
Fig. 7 zeigt die Dosis-Wirkung bei einer Ausführungsform eines elektrochemischen Sensors gemäß vorliegender Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Anpassung einiger PCB-Herstellungstechniken, um Elektroden in biologischen Flüssigkeiten funktionstüchtig zu machen, beruht auf der elektrochemischen Passivität in dem Potentialbereich, der für die Erfassung von Interesse ist, ungefähr -1 bis +1 Volt gegen Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl). Erfindungsgemäß werden qualitativ hochwertige dünne Edelmetallfilme als Elektroden verwendet, und keine Kupferfolien-Laminate. Diese dünnen Metallfilme können auf ein geeignetes Folienmaterial (z. B. Polyester, Polycarbonat, Polyimid) aufgestäubt oder aufgedampft und dann auf ein Trägersubstrat (z. B. von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, California) laminiert werden. Alternativ können die dünnen Metallfilme direkt auf das Trägersubstrat abgeschieden werden. Das resultierende metallisierte Substrat zeigt eine extrem kleine und gleichmäßige Korngröße (10-50 nm (Nanometer) Durchmesser) und - was von Bedeutung ist - enthält kein Kupfer oder andere elektrochemisch aktive Materialien. Solche Oberflächen sind nahezu ideal für den Zweck der Durchführung elektrochemischer Messungen in biologischen oder korrodierenden Lösungen. Es wird dann ein zweites isolierendes Substrat auf die Metallschicht aufgebracht und exakt strukturiert, um eine offene Elektrodenfläche und einen Meßgerät-Kontaktfleck zu bilden. Die Kombination aus erstem isolierenden Substrat, Metall und zweitem isolierenden Substrat wird hierin als "Elektrodenelement" bezeichnet.
Das "gegenüberliegende" Elektrodenelement soll in Kombination mit einem zweiten gegenüberliegenden Elektrodenelement verwendet werden - "Sandwich"-artig getrennt durch einen Abstandshalter. Diese Ausführungsform wird als "elektrochemischer Sensor mit gegenüberliegenden Elektroden" bezeichnet. Der elektrochemische Sensor mit gegenüberliegenden Elektroden umfaßt ein Arbeitselektrodenelement und entweder ein Gegen- oder Bezugselektrodenelement wie nachstehend beschrieben.

Herstellung von gegenüberliegenden Elektrodenelementen für den elektrochemischen Sensor mit gegenüberliegenden Elektroden

Ein Arbeits-, Gegen- oder Bezugselektrodenelement läßt sich gemäß vorliegender Erfindung wie in Fig. 1 gezeigt herstellen. Ein elektrisch leitendes Material 1 (z. H. ein Edelmetall oder Kohlenstoff) wird auf ein dünnes Trägermaterial 2 (z. B. Polyimid oder ein anderes Polymer wie etwa Polyester, Polyethylenterephthalat (PET) oder Polycarbonat) vakuumaufgestäubt oder aufgedampft, um ein metallisiertes dünnes Trägermaterial 3 (z. B. von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, California) zu bilden. Diesem Schritt kann eine Abscheidung einer dünnen Grundierschicht aus Chrom, Titan oder einem anderen geeigneten Material (in Fig. 1 nicht gezeigt) mit den gleichen Mitteln vorausgehen oder nicht. Zweck dieser dünnen Grundierschicht ist es, die Haftung zwischen dem elektrisch leitenden Material 1 und dem dünnen Trägermaterial 2 zu erhöhen und die Mikrostruktur des elektrisch leitenden Materials 1 zu stabilisieren.
Alternativ kann ein elektrisch leitendes Material 1 mit Hilfe der Methode des stromlosen Plattierens oder einer Kombination aus Aktivierung und stromlosem Plattieren auf die Oberfläche des dünnen Trägermaterials 2 abgeschieden werden. Diese Verfahren sind bekannt, sollen aber kurz beschrieben werden. Beim stromlosen Plattieren wird das dünne Trägermaterial 2 gereinigt und erforderlichenfalls einem Schritt zur Aufrauhung der Oberfläche unterzogen. Die Oberfläche des dünnen Trägermaterials 2 wird dann mit einem kolloidalen Katalysator (z. B. PdCl&sub2;/SnCl&sub2;-Hydrosol) chemisch behandelt bzw. "aktiviert", der stark an die Oberfläche adsorbiert. Substrat und adsorbierter Katalysator sollten dann, wie beim stromlosen Plattieren fachbekannt, in einem "Beschleunigerbad" behandelt werden, wobei ein PdCl&sub2; enthaltendes saures Bad verwendet wird. Schließlich wird das dünne Trägermaterial 2 in einem stromlosen Plattierbad plattiert, mit dem eine dünne Schicht aus elektrisch leitendem Material 1 auf die Oberfläche des dünnen Trägermaterials 2 abgeschieden werden soll.
Beim Elektroplattieren wird das dünne Trägermaterial 2 zunächst mit Hilfe einer handelsüblichen Oberflächenbehandlung (etwa die von Solution Technology Systems, Inc., erhältliche) aktiviert. Das dünne Trägermaterial 2 kann dann in einer in der Elektroplattierindustrie bekannten Weise mit elektrisch leitendem Material 1 elektroplattiert werden, um so das dünne metallisierte Trägersubstrat 3 zu bilden.
Das metallisierte dünne Trägermaterial 3 (z. B. von Litchfield Precision Components, Litchfield, Minnesota) wird dann unter Verwendung eines geeigneten Laminierhaftsystems (z. B. Z-FLEXTM-Haftsystem von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, California) auf ein erstes isolierendes Substrat 4 (z. B. eine blanke Glasfaser-Leiterplatte, etwa eine 10 mil dicke FR4 von Norplex/Oak, La Crosse, Wisconsin, erhältlich als Produkt ED 130) laminiert. Das erste isolierende Substrat 4 kann irgendein geeignetes nichtleitendes Glas- oder Kunststoffsubstrat mit der gewünschten Tragfestigkeit sein. Bei diesem Schritt können das metallisierte dünne Trägermaterial 3 und das erste isolierende Substrat 4 gegebenenfalls mit einer Heißpresse laminiert werden.
Sobald das metallisierte dünne Trägermaterial 3 auf das erste isolierende Substrat 4 aufgebracht ist, kann das metallisierte dünne Trägermaterial 3 mit einem geeigneten Lötresist behandelt werden, um eine Elektrodenfläche und eine Kontaktfleckfläche zum Einstecken in ein Meßgerät und eine Stromquelle zu bilden. Die Oberfläche des metallisierten dünnen Trägermaterials 3 wird mit einem geeigneten Lösungsmittelsystem gereinigt (z. B. ein Chlorfluorkohlenwasserstoff-Lösungsmittel), mit einem zweiten isolierenden Substrat 5 - einem handelsüblichen Lötresist - entweder mittels Siebdruck oder Flutbeschichten beschichtet und dann entsprechend den Angaben des Herstellers getrocknet. Ein Beispiel für ein verwendbares handelsübliches Lötresist ist ENPLATE®DSR-3242 Lötresist von Enthone-OMI, Inc. (ein Negativresist). Das zweite isolierende Substrat 5 wird durch die Photomaske 6 ultravioletten Lichtstrahlen 7 ausgesetzt. Dadurch wird im zweiten isolierenden Substrat 5 ein latentes Bild erzeugt, so daß dieses in denjenigen Bereichen, die den Ultraviolettstrahlen 7 ausgesetzt waren, unlöslich in einer Entwicklerlösung gemacht wird. Vor dem Entwickeln wird die Maske 6 entfernt. Die Art Entwicklerlösung, die verwendet werden sollte, ist prozeßabhängig und wird normalerweise vom Hersteller des Resists vorgeschrieben. Durch die Behandlung in der Entwicklerlösung werden Teile des zweiten isolierenden Substrats 5 entfernt, so daß ein erster Ausschnitteil 8 und ein zweiter Ausschnitteil 9 gebildet werden. Nach diesem Vorgang kann das verbleibende zweite isolierende Substrat 5 mit einer geeigneten Kombination aus Wärme und Ultraviolettlicht permanent gehärtet werden, so daß es zu einer guten Sperrschicht für Anwendungen in biologischen Flüssigkeiten wird. Außer dem vorstehend beschriebenen Negativlötresist können erfindungsgemäß auch Positivresists verwendet werden. Im Falle eines Positivlötresists ist das verwendete Resist in der Entwicklerlösung unlöslich, sofern es nicht elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird wie vom Hersteller des Resists angegeben.
Durch den vorstehend beschriebenen photolithographischen Prozeß werden erster Ausschnitteil 8 und zweiter Ausschnitteil 9 im zweiten isolierenden Substrat 5 gebildet, so daß das darunterliegende metallisierte dünne Trägermaterial 3 freiliegt. Beim fertigen Elektrodenelement 11 definiert die Fläche des ersten Ausschnitteils 8 die Elektrodenfläche und der zweite Ausschnitteil 9 fungiert als Kontaktfleck zwischen Elektrodenelement 11 und einem Meßgerät und einer Stromquelle. Ist das Elektrodenelement 11 ein Bezugselektrodenelement, so wird zusätzlich ein Bezugselektrodenmaterial (z. B. #DB2268 Silber/Silberchlorid-Farbe von Acheson Colloids Co., Port Huron, Michigan) auf die durch den ersten Ausschnitteil 8 definierte Elektrodenfläche aufgebracht.
Zwar ist es bei Anwendung der Photolithographie üblich, die Resistschicht zu entfernen, doch wird bei der vorliegenden Erfindung - was von Bedeutung ist - das zweite isolierende Substrat 5 nicht entfernt und fungiert als isolierendes Substrat im fertigen elektrochemischen Sensor. Zudem kann die Belüftungsöffnung 10, die sich durch das zweite isolierende Substrat 5, das metallisierte dünne Trägermaterial 3 und das erste isolierende Substrat 4 erstreckt, vorgesehen sein und als Belüftungsöffnung für den Kapillarraum (nachstehend beschrieben) im fertigen elektrochemischen Sensor und/oder als Einrichtung zur Einführung der Probe in den Kapillarraum verwendet werden. In diesem Stadium kann jedes erforderliche Reagens wie nachstehend beschrieben auf die entsprechenden Elektrodenflächen verteilt werden.
Als Alternative zum Aufbringen des zweiten isolierenden Substrats und Durchführen einer Photolithographie um Arbeitselektrodenfläche und Kontaktfleck wie vorstehend beschrieben zu definieren, kann ein dielektrisches Dünnfilmmaterial auf das metallisierte dünne Trägermaterial 3 siebgedruckt werden. Das dielektrische Dünnfilmmaterial kann UV-härtbar (z. B. #ML-25198 von Acheson Colloids oder #5018 von DuPont Electronics) oder wärmehärtbar sein (z. B. #7192M von Metech). Das dielektrische Dünnfilmmaterial kann mit einer spezifischen Struktur durch ein Sieb aufgebracht werden, um so den ersten Ausschnitteil 8 und den zweiten Ausschnitteil 9 im dielektrischen Dünnfilmmaterial zu definieren, die das darunterliegende metallisierte dünne Trägermaterial 3 freigeben. Im fertigen Elektrodenelement definiert die Fläche des ersten Ausschnitteils 8 die Elektrodenfläche und der zweite Ausschnitteil 9 fungiert als Kontaktfleck zwischen dem Elektrodenelement und einem Meßgerät und einer Stromquelle. Das dielektrische Dünnfilmmaterial kann so ausgewählt werden, daß es nach dem Aufbringen auf das metallisierte dünne Trägermaterial photochemisch vernetzt werden kann, so daß Stabilität und Haftung an der Oberfläche des metallisierten dünnen Trägermaterials erhöht werden und eine undurchdringliche Sperrschicht bei Verwendung in biologischen Medien gebildet wird. Das dielektrische Dünnfilmmaterial fungiert auch als isolierendes Substrat im fertigen elektrochemischen Sensor. Auch eine Belüftungsöffnung kann vorhanden sein und wie vorstehend erörtert als Einrichtung zur Einführung der Probe in den elektrochemischen Sensor dienen.
Ein weiteres Verfahren, das zur Herstellung eines Arbeits-, Gegen- oder Bezugselektrodenelements gemäß vorliegender Erfindung angewandt werden kann, ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein elektrisch leitendes Material direkt auf ein flexibleres erstes isolierendes Substrat abgeschieden, um so ein weniger aufwendiges, halbkontinuierliches Herstellungsverfahren zu begünstigen. Ein elektrisch leitendes Material 12 wird direkt auf ein erstes isolierendes Substrat 13 (z. B. von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, California) vakuumaufgestäubt oder aufgedampft. Ein Beispiel für ein geeignetes Substrat ist das MYLARTM-Substrat (von DuPont) mit ungefähr 10 mil Dicke. Es können auch andere geeignete Kunststoff-, Glas- oder Glasfasersubstrate verwendet werden. Alternativ können auch stromlose oder Elektroplattiertechniken wie vorstehend beschrieben angewandt werden, um das Metall 12 auf das erste isolierende Substrat 13 abzuscheiden.
Das elektrisch leitende Material 12 wird dann noch in Rollenform mit dem zweiten isolierenden Substrat 14, etwa einem flüssigen Negativlötresist (z. B. PROBOMERIM von Ciba- Geigy) mittels Flut- oder Tauchbeschichtung beschichtet und anschließend mit Hilfe einer geeigneten Kombination aus Infrarot- und Thermoheizung getrocknet. Das zweite isolierende Substrat 14 wird durch die Photomaske 15 mit Ultraviolett-Lichtstrahlen 16 belichtet. Wie vorstehend beschrieben wird ein latentes Bild im zweiten isolierenden Substrat 14 erzeugt, und nach Entfernen der Maske 15 und Behandlung in der Entwicklerlösung werden Teile des zweiten isolierenden Substrats 14 entfernt und erster Ausschnitteil 17 und zweiter Ausschnitteil 18 gebildet. (Als Alternative zum Aufbringen des zweiten isolierenden Substrats 14 ist es auch möglich, eine Schicht dielektrischer Farbe mit einer spezifischen Struktur siebzudrucken, die zu der mit dem vorstehend offenbarten Belichtungsverfahren erhaltenen äquivalent ist.) Das zweite isolierende Substrat 14 kann, wie vorstehend beschrieben, auch permanent gehärtet werden. Zudem können auch andere Lötresists als die vorstehend beschriebenen (z. B. Positivresists) gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden.
Beim fertigen Elektrodenelement 20 definiert die Fläche des ersten Ausschnitteils 17 die Elektrodenfläche und der zweite Ausschnitteil 18 fungiert als Kontaktfleck zwischen Elektrodenelement 20 und einem Meßgerät und einer Stromquelle. Ist wie vorstehend beschrieben das Elektrodenelement 20 ein Bezugselektrodenelement, so wird zusätzlich ein Bezugselektrodenmaterial (z. B. #DB2268 Silber/Silberchlorid-Farbe von Acheson Colloids Co., Port Huron, Michigan) auf die durch den ersten Ausschnitteil 17 definierte Elektrodenfläche aufgebracht.
Die vorstehend beschriebene Methode zur Herstellung von Elektrodenelementen unter Verwendung eines flexiblen ersten isolierenden Substrats ermöglicht ein kontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem das Metall auf einer Rolle des ersten isolierenden Substrats abgeschieden wird. Die metallisierte Kunststoffrolle wird dann mit dem zweiten isolierenden Substrat beschichtet und mit einem nachgeschalteten Belichtungsgerät behandelt, um eine Serie der gewünschten Strukturen (Elektrodenflächen und Kontaktflecke) entlang der Rolle in das zweite isolierende Substrat zu belichten. Hierauf schließt sich ein Entwicklungsdurchlauf gemäß den Angaben des Herstellers an, der Fachleuten vertraut ist, gefolgt von einem Härtungsdurchlauf. So ergeben sich ähnlich freiliegende Metallbereiche für die Elektrodenflächen und Kontaktfleckflächen, obwohl die Anordnung aus mehreren Elektroden von einer Endlosrolle aus Kunststoff getragen wird. Dann wird Reagens auf die Elektrodenflächen verteilt, die im zweiten isolierenden Substrat definiert sind. Eine haftende Abstandsschicht (nachstehend beschrieben) wird dann durch kontinuierliche Walzenlaminierung auf das zweite isolierende Substrat (oder die dielektrische Farbe) aufgebracht. Eine zweite Rolle Elektroden wird dann wie vorstehend beschrieben hergestellt und auf die erste Rolle auflaminiert, um so eine Kapillarkammer zu bilden, die die aktiven Elektrodenflächen und das Reagens freiläßt. Die so auf einer Material-Endlosrolle definierten vielen Sensoren werden dann vor dem Verpacken aus der Bahn ausgestochen oder ausgestanzt.
Wie vorstehend beschrieben ist ein übliches PCB-Substrat (eine auf ein Glasfaser-Substrat laminierte Kupferschicht) zur Verwendung als Arbeitselektrode in einem elektrochemischen Sensor ungeeignet, da es die elektrochemische Messung stört. Wird insbesondere ein Vermittler an der Oberfläche der Arbeitselektrode oxidiert (anodischer Vorgang), so kann das Kupfer ebenfalls oxidiert werden und so die elektrochemische Messung stören. Tritt jedoch eine Reduktion an der Oberfläche einer Bezugs- oder Gegenelektrode ein (kathodischer Vorgang), so kann ein übliches PCB-Substrat in der Bezugs- oder Gegenelektrode verwendet werden, da das Kupfer nicht reduziert wird und daher auch nicht stört. Eine Ausführungsform einer. Bezugs- oder Gegenelektrode unter Verwendung einer üblichen PCB als erstes isolierendes Substrat soll nun beschrieben werden.
Betrachtet man Fig. 3, so wird ein übliches PCB-Substrat, das eine auf Glasfaser-Substrat 31 laminierte Kupferschicht 30 umfaßt, als erstes isolierendes Substrat verwendet. Ein elektrisch leitendes Material 32 (z. B. #DB2268 Silber/Silberchlorid-Farbe von Acheson Colloids Co., Port Huron, Michigan) kann direkt auf die Kupferschicht 30 siebgedruckt werden, so daß der Ausschnitteil 33 freibleibt. Schließlich wird der Abstandshalter 34 (z. B. MYLARTM-Substrat mit doppelseitigem Haftmittel), der den ersten Ausschnitteil 35 und den zweiten Ausschnitteil 33 umfaßt, auf das elektrisch leitende Material 32 aufgelegt. Der Abstandshalter 34 kann auch irgendein anderer geeigneter Kunststoff oder eine geeignete Glasfaser sein. Erster Ausschnitteil 35 und zweiter Ausschnitteil 33 können auch unter Anwendung eines Laser-Verfahrens (z. B. von Laser Machining Inc., Somerset, Wisconsin) ausgeschnitten werden. Im fertigen Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 37 gibt die Fläche des ersten Ausschnitteils 35 das darunterliegende elektrisch leitende Material 32 frei und definiert die Bezugs- oder Gegenelektrodenfläche. Der zweite Ausschnitteil 33 gibt die darunterliegende Kupferschicht 30 frei und fungiert als Kontaktfleck zwischen dem Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 37 und einem Meßgerät und einer Stromquelle. Zudem kann die Belüftungsöffnung 36, die sich durch den Abstandshalter 34, das elektrisch leitende Material 32, die Kupferschicht 30 und das Glasfaser-Substrat 31 erstreckt, vorgesehen sein und wie vorstehend beschrieben als Belüftungsöffnung für den Kapillarraum und/oder als Einrichtung zur Einführung der Probe in den Kapillarraum verwendet werden.
Eine weitere anwendbare Methode zur Herstellung eines Bezugs- oder Gegenelektrodenelements gemäß vorliegender Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Eine dünne Grundier- oder Stabilisierungsschicht aus einem ersten elektrisch leitenden Material 38 (z. B. Palladium) wird auf ein dünnes Trägermaterial 40 aufgestäubt oder aufgedampft, gefolgt von einer dickeren Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material 39 (z. B. Silber), um das dünne Trägermaterial 41 zu bilden (z. B. von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, California). Wie vorstehend beschrieben kann das dünne Trägermaterial 40 ein Polyimid oder ein anderes Polymer wie etwa Polyester, PET oder Polycarbonat sein. Das metallisierte dünne Trägermaterial 41 kann dann auf ein erstes isolierendes Substrat 42 laminiert werden, das - wie vorstehend beschrieben - Glasfaser, Glas oder Kunststoff sein kann. Alternativ kann das erste elektrisch leitende Material 38 anstatt auf das dünne Trägermaterial 40 direkt auf das erste isolierende Substrat 42 aufgestäubt oder aufgedampft werden. Der Abstandshalter 43, der den ersten Ausschnitteil 44 und den zweiten Ausschnitteil 45 umfaßt, wird oben auf das metallisierte dünne Trägermaterial 41 aufgelegt. Der Abstandshalter 43 kann ein MYLARTM-Substrat mit doppelseitigem Haftmittel wie vorstehend beschrieben oder irgendein anderer geeigneter Kunststoff oder eine geeignete Glasfaser sein. Ist schließlich das zweite elektrisch leitende Material 39 Silber, so kann eine Lösung von FeCl&sub3; (nicht gezeigt) in den ersten Ausschnitteil 44 des Abstandshalters 43 verteilt werden, wo durch einen oxidativen Vorgang eine Schicht aus Silberchlorid 46 gebildet wird. Der Vorgang des Definierens einer Bezugselektrodenfläche kann gegebenenfalls auch dadurch unterstützt werden, daß vor der Behandlung mit FeCl&sub3; eine Photoresist-Schicht auf die Oberfläche des dünnen Trägermaterials 41 aufgebracht und strukturiert wird. Alternativ können zur Erzielung des gleichen Ergebnisses ausgewählte Bereiche des metallisierten dünnen Trägermaterials 41 in FeCl&sub3;-Lösungen eingetaucht werden. Im fertigen Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 48 gibt die Fläche des ersten Ausschnitteils 44 die Schicht 46 frei und definiert die Fläche der Bezugs- oder Gegenelektrode. Der zweite Ausschnitteil 45 gibt das metallisierte dünne Trägermaterial 41 frei und fungiert als Kontaktfleck zwischen Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 48 und einem Meßgerät und einer Stromquelle. Zudem kann die Belüftungsöffnung 47, die sich durch den Abstandshalter 43, das metallisierte dünne Trägermaterial 41 und das erste isolierende Substrat 42 erstreckt, vorgesehen sein und wie vorstehend beschrieben als Einrichtung zur Einführung der Probe in den fertigen elektrochemischen Sensor verwendet werden.

Elektrochemischer Sensor mit gegenüberliegenden Elektroden

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektrochemischen Sensors mit gegenüberliegend ausgeführten Elektroden ist in Fig. 5 und 6 gezeigt. Das Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 48 ist durch den Abstandshalter 43 räumlich vom Arbeitselektrodenelement 11 abgesetzt (der Abstandshalter 43 ist bei der Herstellung normalerweise am Bezugs- oder Gegenelektrodenelement befestigt, ist aber für Fig. 5 getrennt von Element 48 gezeigt). Bei einer Lage zwischen Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 48 und Arbeitselektrodenelement 11 bildet der erste Ausschnitteil 44 in Abstandshalter 43 den Kapillarraum 49. Der erste Ausschnittteil 8 in Arbeitselektrodenelement 11 gibt das metallisierte dünne Trägermaterial 3 frei, die Arbeitselektrodenfläche, die zum Kapillarraum 49 hin freiliegt. Beim Anbringen an das Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 48 definiert der erste Ausschnitteil 44 in Abstandshalter 43 die Fläche der Bezugs- oder Gegenelektrode 46 (in Fig. 5 in Phantomlinien gezeigt), die ebenfalls zum Kapillarraum 49 hin freiliegt. Die zweiten Ausschnitteile 9 und 45 geben die metallisierten dünnen Trägermaterialien 3 bzw. 41 frei und fungieren als Kontaktflecke zwischen dem elektrochemischen Sensor 52 und einem Meßgerät und einer Stromquelle.
In dem in Fig. 6 gezeigten zusammengefügten elektrochemischen Sensor 52 hat der Kapillarraum 49 (in Phantomlinien gezeigt) eine erste Öffnung 50 an einem Rand des elektrochemischen Sensors. Zudem kann die Belüftungsöffnung 10 im Arbeitselektrodenelement und/oder die Belüftungsöffnung 47 im Bezugs- oder Gegenelektrodenelement 48 zur Bereitstellung einer zweiten Öffnung 51 im Kapillarraum 49 verwendet werden. Die Belüftungsöffnung kann gegebenenfalls als Einrichtung zur Einführung der Probe in den Kapillarraum verwendet werden. Beim Einsatz kann eine Probe, die einen nachzuweisenden oder zu messenden Analyten enthält, entweder durch Öffnung 50 oder Belüftungsöffnung 51 in den Kapillarraum 49 des elektrochemischen Sensors 52 eingeführt werden. In beiden Fällen wird die Probe durch die Kapillarwirkung von selbst in den elektrochemischen Sensor gezogen. (Vorzugsweise wird dem Kapillarraum ein Tensid beigegeben, um das Einziehen der Probe in den Kapillarraum zu unterstützen.) Dadurch kontrolliert der elektrochemische Sensor ohne Zutun des Anwenders automatisch das Probenvolumen. Da zudem die Probe gänzlich im Kapillarraum 49 aufgenommen wird, kann eine Kontamination des Meßgeräts, in das der elektrochemische Sensor 52 eingesteckt wird, und des Patienten verringert oder beseitigt werden - ein erheblicher Vorteil, wenn es sich bei der Probe um Blut oder eine biologische Flüssigkeit handelt.

Reagens

Es können viele unterschiedliche Arten von Reagenzien auf die Arbeitselektrode und/oder die Bezugs- oder Gegenelektrode aufgebracht werden, um einen voll funktionsfähigen Sensor zu ergeben, dessen Signal selektiv und empfindlich für die Konzentration eines Analyten (z. B. Glucose) ist. Diese Reagenzien können auf der Arbeitselektrodenfläche des vorstehend beschriebenen elektrochemischen Sensors unter Verwendung eines automatisierten mechanischen Verteilers, durch Siebdrucken, Schlitz- oder Walzenbeschichten, Rotationsbeschichten, Rakelbeschichten oder Farbstrahldrucken verteilt werden. (Bisweilen werden sowohl Arbeits- als auch Gegenelektrodenfläche mit einem Reagens beschichtet.) Die so verteilten Reagenzien bilden einen dünnen Überzug auf der Elektrode, der beim Auftragen der Probe (z. B. Blut) rasch quillt, und zu diesem Zeitpunkt kann ein geeignetes Potential an die Elektroden angelegt und eine Strommessung vorgenommen werden. Die Strommessung kann dann zur Konzentration des Zielanalyten in der Probe in Beziehung gesetzt werden. Durch die Verwendung von polymeren Materialien und einer Kapillarkammer, die das Reagens enthalten soll, wird das Risiko, daß die offene Wunde im Finger des Patienten durch die Chemikalien im Sensor kontaminiert wird, erheblich verringert.
Es soll nun ein Beispiel für ein Reagens beschrieben werden, das bei der vorliegenden Erfindung zum Nachweis von Glucose in einer Vollblutprobe verwendbar ist und mit dem elektrochemischen Sensor mit gegenüberliegenden Elektroden zu verwenden ist, der ein Arbeitselektrodenelement und ein Bezugselektrodenelement aufweist. Die Komponenten des Reagens sind nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Reagenskomponenten

Komponente Menge

2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure (MES-Puffer) 100 millimolar (mM)
Triton X-100 0,08% Gew./Gew.
Polyvinylalkohol (PVA), Mol. gew. 10K, 88% hydrolysiert 1,00% Gew./Gew.
Imidazol-Osmium-Vermittler (reduzierte Form; Synthese nachstehend beschrieben) 6,2 mM
Glucoseoxidase 6000 Einheiten/ml
Das Folgende ist eine Beschreibung dessen, wie die reduzierte Form des Imidazol-Osmium-Vermittlers synthetisiert wurde. Zunächst wurde die Osmium-Zwischenverbindung (Os(bpy)&sub2;Cl&sub2;) synthetisiert, gefolgt von der reduzierten Form des Imidazol-Osmium-Vermittlers [Os(II)(bpy)&sub2;(im)Cl]&spplus;[Cl]&supmin;. ("bpy" ist eine Abkürzung für 2,2'-Bipyridin und "im" ist eine Abkürzung für Imidazol.)

Synthese der Osmium-Zwischenverbindung

1) 19,335 g K&sub2;OsCl&sub6; (0,04019 mol, von Aldrich) und 13,295 g bpy (0,08512 mol, von Aldrich) wurden abgewogen und in einen 1000 ml-Einhalskolben gegeben.
2) 400 ml N,N-Dimethylformamid (DMF, von Mallinckrodt) wurden dem Kolben zugegeben, um alle Reaktionspartner zu lösen.
3) Der Kolbeninhalt wurde unter Rühren auf Rückfluß erhitzt (152-54ºC). Es wurde 1 Stunde lang bei niedrigerer Hitze am Rückfluß gehalten (die Einstellung wurde von 100% auf 65% am regelbaren Transformator zurückgenommen), um Überkochen zu vermeiden.
4) Die Heizung wurde abgestellt, und der Kolben wurde unter fortgesetztem Rühren in 1-2 Stunden auf 30-40ºC abgekühlt.
5) Die Mischung wurde unter Verwendung eines mittleren Glasfrittenfilters (150 ml) unterdruckfiltriert.
6) Der Kolben wurde mit 20 ml DMF gespült, und dies wurde in den Filter gegossen.
7) Die filtrierte DMF-Lösung wurde in ein Dreiliter-Becherglas überführt.
8) 22,799 g Na&sub2;S&sub2;O&sub4;, (von Mallinckrodt) wurden abgewogen und in ein separates 2 l-Becherglas überführt.
9) 2 l deionisiertes Wasser wurden in das Becherglas gegeben, um das Na&sub2;S&sub2;O&sub4; zu lösen.
10) Die wäßrige Na&sub2;S&sub2;O&sub4;-Lösung wurde in einen Tropftrichter überführt und tropfenweise (etwa 5 Tropfen/Sekunde) über einen Zeitraum von 45 Minuten der gerührten DMF- Lösung zugesetzt.
11) Die Mischung wurde mehr als 3 Stunden lang in einem Eisbad gekühlt.
12) Die gekühlte Mischung wurde unter Verwendung von qualitativem Whatman-Filterpapier in einem Keramikfilter unterdruckfiltriert.
13) Das filtrierte Produkt wurde zweimal mit 50 ml H&sub2;O, zweimal mit 50 ml Methanol und zweimal mit 50 ml Diethylether gewaschen.
14) Das Produkt, Os(bpy)&sub2;Cl&sub2;, wurde im Hochvakuum (etwa 30 inch Hg) bei 50ºC mehr als 15 Stunden lang (über Nacht) getrocknet.
15) Das Produkt wurde gewogen, in eine braune Flasche mit Schraubdeckel überführt und in einem Exsikkator bei Raumtemperatur aufbewahrt. Ausbeute: theoretisch = 23,35 g, tatsächlich: = 15,56 g, Ausbeute = 66,6%.

Synthese der reduzierten Form des Imidazol-Osmium-Vermittlers

1) 14,01 g Os (bpy)&sub2;Cl&sub2; (0,0244 mol) und 2,30 g Imidazol (0,0338 mol, von Aldrich) wurden abgewogen und in einen 2000 ml-Einhalskolben gegeben.
2) 600 ml Ethanol und 600 ml deionisiertes Wasser wurden zugesetzt, um alle Reaktionspartner zu lösen.
3) Der Kolbeninhalt wurde unter Rühren auf Rückfluß erhitzt, und es wurde 6 Stunden lang bei niedrigerer Hitze am Rückfluß gehalten (die Einstellung wurde von 90% auf 60% am regelbaren Transformator zurückgenommen), um Überkochen zu vermeiden.
4) Die Heizung wurde abgestellt, und der Kolben wurde unter fortgesetztem Rühren über einen Zeitraum von 1 Stunde auf 30-40ºC abgekühlt.
5) Die Hälfte der Lösung wurde in einen 1000 ml-Einhalskolben überführt, und die Lösungsmittel wurden am Rotationsverdampfer abgezogen. Der Rest der Lösung wurde in den Kolben gegeben, und die Lösungsmittel wurden am Rotationsverdampfer abgezogen.
6) Das getrocknete Produkt wurde an der Kolbenwandung mit 50 ml Ether gespült, und der Wasch-Ether wurde verworfen.
7) Das Produkt wurde im Hochvakuum (etwa 30 inch Hg) bei 50ºC mehr als 15 Stunden lang (über Nacht) getrocknet. 8) Die Kolbenwandung wurde abgekratzt, um das Produkt, [Os(II)(bpy)&sub2;(im)Cl]&spplus;[Cl]&supmin;, einzusammeln.
Das Produkt wurde gewogen und in eine braune Flasche mit Schraubdeckel überführt. Die Flasche wurde in einem Exsikkator bei Raumtemperatur aufbewahrt. Ausbeute: theoretisch = 16,3 g, tatsächlich: = 16,1 g, Ausbeute = 98,8%.
Das Folgende ist eine Beschreibung dessen, wie das in Tabelle 1 beschriebene Reagens hergestellt und in Kombination mit den gegenüberliegenden Elektrodenelementen verwendet wurde, um einen elektrochemischen Sensor zu bilden.

1) Polymermatrix

a) 1,952 g MES-Puffer wurden in 85 ml Nano-Wasser gegeben. Die Mischung wurde bis zur Lösung gerührt. Der pH der Lösung wurde mit NaOH auf 5,5 eingestellt, und das Gesamtvolumen der Lösung wurde auf 100 ml gebracht.
b) 0,08 g Triton X-100 und 1 g PVA wurden in ein 150 ml-Becherglas gegeben. Die Pufferlösung wurde zugegeben, um das Gesamtgewicht der Lösung auf 100 g zu bringen. Die Mischung wurde dann zum Sieden erhitzt, um den PVA zu lösen.

2) Beschichtungsmischung

a) 4,0 mg des reduzierten Osmium-Vermittlers, [Os(II)(bpy)&sub2;(im)Cl]&spplus;[Cl]&supmin;, wurden zu 1 ml der Polymermatrix gegeben. Die Mischung wurde aufgewirbelt, um den Vermittler zu lösen. 6000 Einheiten Glucoseoxidase wurden der Mischung zugesetzt, und die Lösung wurde gemischt, bis das Enzym gelöst war.
Zwar ist das vorstehend beschriebene Reagens für die Verwendung bei dieser Erfindung bevorzugt, doch können auch andere Arten von Reagenzien verwendet werden, die mit einem Analyten in einer flüssigen Probe spezifisch reagieren, um ein elektrochemisch meßbares Signal zu erzeugen, das sich zur Konzentration des Analyten in der flüssigen Probe korrelieren läßt. Das Reagens sollte wenigstens einen Vermittler und ein Enzym enthalten. Vorzugsweise sollte das Reagens auch einen Puffer, einen Filmbildner und ein Tensid wie vorstehend beschrieben enthalten.
Es können auch andere Redoxvermittlersysteme eingesetzt werden (z. B. mit Kaliumhexacyanoferrat(III) als Redoxvermittler anstelle des vorstehend beschriebenen Imidazol-Osmium-Vermittlers), wie auch Redoxpolymersysteme (bei denen Vermittler und Enzym an der Elektrodenoberfläche immobilisiert sind).

Verwendung des elektrochemischen Sensors

Der vorstehend beschriebene elektrochemische Sensor kann - ohne jedoch darauf beschränkt zu sein - zur Bestimmung des Blutzuckerspiegels mit einem kleinen Blutstropfen (3-20 ul) verwendet werden, den man aus dem Finger oder von einer anderen Stelle des Patienten mit Hilfe einer Stichvorrichtung erhält. Ein gewichtiger Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ist das geringe Volumen, das für die Messung erforderlich ist, so daß eine sehr wenig schmerzende Lanzettenvorrichtung möglich ist, die geringe Probenvolumina ergibt.
Es soll nun ein Beispiel dafür beschrieben werden, wie ein elektrochemischer Sensor mit gegenüberliegenden Elektroden hergestellt und zur Bestimmung der Glucose-Konzentration in einer Vollblutprobe verwendet wurde. Wie vorstehend beschrieben wurde ein Bezugselektrodenelement hergestellt, das Gold als elektrisch leitendes Material und einen angehefteten Abstandshalter aufwies, um einen Teil des Golds freizugeben (Kapillarraum). Eine Silber/Silberchlorid-Dickfilmpolymerfarbe (Acheson Colloids DB 2286) wurde mit Butoxyethanol 2 : 1 Gew./Gew. verdünnt. 2,5 ul der resultierenden Mischung wurden in den Kapillarraum eingebracht und verteilt, um den Kapillarbereich zu füllen. Die Elektrode wurde dann 15 Minuten lang bei 90ºC getrocknet.
Wie vorstehend beschrieben wurde ein Arbeitselektrodenelement hergestellt, das Gold als elektrisch leitendes Material aufwies. 1 ul der Beschichtungsmischung (aus dem vorstehend beschriebenen Reagensbeispiel) wurde dann auf die Arbeitselektrodenoberfläche des Arbeitselektrodenelements aufgetragen. Die beschichtete Elektrode wurde 15 Minuten lang bei 45ºC getrocknet.
Das Arbeitselektrodenelement wurde dann wie vorstehend beschrieben und wie in Fig. 5 und 6 erläutert sandwichartig mit dem Bezugselektrodenelement zusammengelegt, um den kompletten elektrochemischen Sensor zu bilden. Wie vorstehend beschrieben wurde der komplette elektrochemische Sensor zur Durchführung eines Glucose-Assay verwendet. Mit Hilfe eines Potentiostaten wurde das Arbeitselektrodenpotential auf +200 Millivolt (mv) gegen die Ag/AgCl-Bezugselektrode eingestellt. 10 ul gespiketen glycolysierten venösen Blutes wurden durch die erste Öffnung 50 dem Kapillarraum 49 zugegeben. Der Strom wurde 10 Sekunden nach dem Auftragen der Probe auf den elektrochemischen Sensor gemessen. Fig. 7 zeigt eine Dosis/Wirkung-Kurve, die durch die Analyse gespiketer glycolysierter venöser Blutproben mit unterschiedlichen Glucose-Spiegeln erzeugt wurde.
Ein gemäß vorliegender Erfindung hergestellter elektrochemischer Sensor soll in eine kleine Meßvorrichtung eingesteckt werden, wo die Kontaktlaschen elektrischen Kontakt mit dem Meßkreis im Meßgerät herstellen können. Das Meßgerät ist normalerweise so angepaßt, daß es einen Algorithmus auf die Strommessung anwendet, woraus sich der Analytspiegel ergibt und visuell angezeigt wird. Beispiele für Verbesserungen bei einer solchen Stromquelle und einem Meßgerät sind Gegenstand des gemeinsam übertragenen US-Patents Nr. 4 963 814 - "Regulated Bifurcated Power Supply" (Parks et al., ausgestellt am 16. Oktober 1990), US-Patent Nr. 4 999 632 - "Analog to Digital Conversion with Noise Reduction" (Parks, ausgestellt am 12. März 1991), US-Patent Nr. 4 999 582 - "Electrochemical Sensor Electrode Excitation Circuit" (Parks et al., ausgestellt am 12. März 1991) und US-Patent Nr. 5 243 516 - "Biosensing Instrument and Method" (White, ausgestellt am 7. September 1993).

Claims

1. Elektrochemischer Sensor, der zur Messung der Konzentration eines Analyten in einer flüssigen Probe brauchbar ist, umfassend:

a) gegenüberliegende Arbeits- und entweder Bezugs- oder Gegenelektrodenelemente, die durch einen Abstandshalter "Sandwich"-artig räumlich versetzt sind, der einen ersten Ausschnitteil aufweist, der einen Kapillarraum zwischen den Arbeits- und Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelementen bildet, sowie einen zweiten Ausschnitteil, der eine elektrische Verbindung zwischen Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelement ermöglicht, sowie ein Meßgerät und eine Stromquelle, wobei der Kapillarraum durch eine Öffnung in den Arbeits- oder entweder Bezugs- oder Gegenelektrodenelementen belüftet wird, wobei das Arbeitselektrodenelement

1) ein erstes isolierendes Substrat,

2) ein elektrisch leitendes Material, das am ersten isolierenden Substrat fixiert ist, und

3) ein zweites isolierendes Substrat umfaßt, das am elektrisch leitenden Material und am Abstandshalter fixiert ist, wobei das zweite isolierende Substrat einen ersten Ausschnitteil zur Freilegung eines Teils des elektrisch leitenden Materials zum Kapillarraum hin sowie einen zweiten Ausschnitteil aufweist, der Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden Material und dem Meßgerät und der Stromquelle ermöglicht,

wobei das Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelement

1) ein isolierendes Substrat und

2) ein elektrisch leitendes Bezugsmaterial beziehungsweise ein elektrisch leitendes Material umfaßt, das am isolierenden Substrat und am Abstandshalter fixiert ist; und

b) ein im Kapillarraum befindliches Reagens, wobei das Reagens in spezifischer Weise mit dem Analyten in der flüssigen Probe reagiert, um ein elektrochemisch meßbares Signal zu erzeugen, das sich mit der Konzentration des Analyten in der flüssigen Probe korrelieren läßt.

2. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die Belüftungsöffnung durch das Arbeitselektrodenelement und das Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelement verläuft.

3. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 2, wobei das Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelement des weiteren umfaßt:

3) ein zweites isolierendes Substrat, das am Bezugselektrodenmaterial beziehungsweise am elektrisch leitenden Material und am Abstandshalter fixiert ist, wobei das zweite isolierende Substrat einen ersten Ausschnitteil zur Freilegung eines Teils des Bezugselektrodenmaterials beziehungsweise des elektrisch leitenden Materials zum Kapillarraum hin sowie einen zweiten Ausschnitteil aufweist, der über dem zweiten Ausschnitteil des Abstandshalters liegt.

4. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 3, wobei das elektrisch leitende Material des Arbeitselektrodenelements ein Edelmetall oder Kohlenstoff ist.

5. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 4, wobei das elektrisch leitende Material des Gegenelektrodenelements ein Edelmetall oder Kohlenstoff ist.

6. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 4, wobei das elektrisch leitende Bezugsmaterial des Bezugselektrodenelements Silber/Silberchlorid ist.

7. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei das zweite isolierende Substrat ein Lötresist ist.

8. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 7, des weiteren umfassend:

d) die Stromquelle in elektrischer Verbindung mit den Arbeits- und Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelementen; und

e) das Meßgerät, das in elektrischer Verbindung mit den Arbeits- und Bezugs- beziehungsweise Gegenelektrodenelementen steht und den Strom messen kann.

9. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 5, wobei das Reagens einen Vermittler und ein Enzym umfaßt.

10. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 9, wobei das Reagens des weiteren einen Puffer, einen Filmbildner und ein Tensid umfaßt.

11. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 9, wobei der Vermittler Bis(2,2'-bipyridyl)-imidazolyl-chloro-osmium(II)-chlorid ([Os(II)(bpy)&sub2;(im)Cl]&spplus;[Cl]&supmin;) ist und das Enzym Glucoseoxidase ist.

12. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 10, wobei der Analyt Glucose ist, der Vermittler Bis(2,2'-bipyridyl)- imidazolyl-chloro-osmium(II)-chlorid ([Os(II)(bpy)&sub2;(im)Cl]&spplus;[Cl]&supmin;) ist, das Enzym Glucoseoxidase ist, der Puffer MES-Puffer ist, der Filmbildner Polyvinylalkohol ist, und das Tensid ein nichtionisches Tensid ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Gegenelektrodenelements zur Verwendung im elektrochemischen Sensor nach Anspruch 1, umfassend:

a) das Fixieren eines elektrisch leitenden Materials an einem ersten Substrat, wobei das erste Substrat eine Kupferschicht und eine Glasfaserschicht enthält und die Kupferschicht sich zwischen dem elektrisch leitenden Material und der Glasfaserschicht befindet; und

b) das Befestigen eines Abstandshalters am elektrisch leitenden Material, wobei der Abstandshalter einen ersten Ausschnitteil aufweist, der die Elektrodenfläche definiert, sowie einen zweiten Ausschnittteil, der Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden Material und einem Meßgerät und einer Stromquelle ermöglicht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das elektrisch leitende Material durch Siebdruck an der Kupferschicht des ersten Substrats fixiert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das elektrisch leitende Material ein Edelmetall oder Kohlenstoff ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das elektrisch leitende Material durch Laminieren an der Kupferschicht des ersten Substrats fixiert wird.

17. Verfahren zur Herstellung eines Bezugselektrodenelements zur Verwendung im elektrochemischen Sensor nach Anspruch 1, umfassend:

b) das Befestigen eines Abstandshalters am elektrisch leitenden Material, wobei der Abstandshalter einen ersten Ausschnitteil aufweist, der die Elektrodenfläche definiert, sowie einen zweiten Ausschnittteil, der den Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden Material und einem Meßgerät und einer Stromquelle ermöglicht,

wobei das elektrisch leitende Material Silber ist und mit Silberchlorid überzogen ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenelements zur Verwendung im elektrochemischen Sensor nach Anspruch 1, umfassend:

a) das Fixieren eines ersten elektrisch leitenden Materials an einem ersten isolierenden Substrat;

b) das Fixieren eines zweiten elektrisch leitenden Materials am ersten elektrisch leitenden Material; und

c) das Befestigen eines Abstandshalters am zweiten elektrisch leitenden Material, wobei der Abstandshalter einen ersten Ausschnitteil aufweist, der die Elektrodenfläche definiert, sowie einen zweiten Ausschnitteil, der den Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden Material und einem Meßgerät und einer Stromquelle ermöglicht.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das erste elektrisch leitende Material Palladium ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das erste elektrisch leitende Material an einem dünnen Trägermaterial fixiert ist, das am ersten isolierenden Substrat fixiert ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das zweite elektrisch leitende Material Silber ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das erste elektrisch leitende Material durch Vakuumzerstäubung oder Verdampfungsabscheidung auf dem dünnen Trägermaterial abgeschieden wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das erste elektrisch leitende Material durch stromloses Plattieren oder Elektroplattieren auf dem dünnen Trägermaterial abgeschieden wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, des weiteren umfassend:

e) das Verteilen von FeCl&sub3; auf dem Silber, das vom ersten Ausschnitteil des Abstandshalters freigelassen wird, um so eine Silberchlorid-Schicht zu bilden.