CZ2007309A3 - Elektrochemický senzor a biosenzor a zpusob elektrochemického merení - Google Patents

Abstract

Vynález se týká elektrochemického senzoru nebo biosenzoru, obsahujícího podložku (1), jež je opatrena alespon jednou pracovní elektrodou (2) a topnýmprvkem (3), poprípade i prvkem pro merení teploty. Takto vytvorený elektrochemický senzor, resp. biosenzor umožnuje pri merení dosáhnout lepšího transportu látek k pracovní elektrode. Vynález se dáletýká zpusobu elektrochemických merení s využitím uvedeného senzoru, resp. biosenzoru.

Description

Vynález se lýka elektrochemického senzoru nebo biosenzoru. obsahujícího podložku (1). jež je opatřena alespoň jednou pracímu elektrodou (2) a topným pivkem (3). popřípadě i prvkem pro měřeni teploty. Taktu \ v tvořen/ elektrochemický’ senzor, resp. hiosenzor umožňuje při měření dosáhnout lepšího transportu látek k pracovní elektrodě. Vynalez se dále týká /pusobu elektrochemický cli měřeni s \ yu/.ilim uvedeného senzoru, resp. biosenzoru.

CZ 2007 - 309 A3

Elektrochemický senzor a biosenzor a způsob elektrochemického měření

Oblast techniky

Vynález se týká elektrochemických senzorů a bíosenzorů se zlepšeným transportem látky k pracovní elektrodě,

Dosavadní stav techniky

Elektrochemické senzory jsou zařízení sloužící k převodu fyzikální neelektrické veličiny na výstupní měronosnou veličinu elektrické fyzikální podstaty. Obsahují pracovní elektrodu, referentní elektrodu a případně i pomocnou elektrodu. Senzor, který jc modifikován pomocí látky biologické povahy (například enzym, protilátka, DNA sekvence, část tkáně, rostlinného pletiva, atd.), se nazývá biosenzor.

Senzory a biosenzory se v poslední době velmi intenzívně rozvíjejí a s tím souvisí i snaha ochránit jejich různá technická řešení a technologie jejich přípravy. Je znám způsob přípravy aktivní vrstvy senzorů a bíosenzorů naprašováním (LIS 6805780). Jinou možností je příprava aktivních i ochranných vrstev senzoru nebo bíosenzorů tiskem (US 6004441). Je také zveřejněno řešení s polem bíosenzorů, které umožňuje současné měření více analytů (IJS 2005247559). Další patentovaný postup kombinuje předešlé metody v tom smyslu, že nejprve je nanesena aktivní vrstva senzoru a její konečný rozměr je dosazen použitím laserové ablace (US 7073246). Aktivní vrstva senzoru nebo bíosenzorů je v těchto provedeních vždy nanesena na podložce. Odezva senzorů a bíosenzorů je mnohdy ovlivněna interferujícími látkami. Ty je možno s výhodou odstranit, je-li na senzoru integrován filtrační člen. Toto řešení je popsáno v US 7198708. Často je potřeba měřit velmi malá množství vzorku. V lakových případech jc nutné přesně vymezit styk vzorku s aktivní plochou senzoru nebo bíosenzorů. l o je možné integrací kanálu, v němž je umístěna pracovní elektroda senzoru (US 6503381). Nové technologické postupy lze využít k přípravě kanálů nebo odběrových kapilár, jak je to popsáno v US 6787013 a v patentu CZ 297082. Praktické výsledky měření s těmito senzory jsou popsány např. v publikaci B.P. Schaffar, Thick film biosensors for metabolites in • · · · undiluted whole blood and plasma symplex, Journal of Analyticat and líioanalytical Chemistry 372 (2002), 254-260.

Společným nedostatkem výše uvedených řešení je skutečnost, že transport analytu k pracovní elektrodě je řízen difúzí, což je relativně pomalý děj.

Klíčovým problémem elektrochemických senzorů a biosenzorů je transport elektroaktivní látky z objemu pracovního roztoku k pracovní elektrodě. Transport je složen zc dvou částí: /transportu řízeného hydrodynamickými zákony a transportu difúzí. Do jisté vzdálenosti k elektrodě je látka vždy přenášena hlavně hydrodynamickým přenosem, tzn. prouděním. Díky viskozitě kapaliny jc v blízkosti elektrody mezní vrstva, ve které je přenos látky způsoben pouze difúzí. Difúze je relativně pomalý děj. Proto je u většiny elektrochemických dějů difúze v mezní Nernstově vrstvě kritickým parametrem, který řídí rychlost elektrodové odezvy. Jednou z možností, jak zlepšit reprodukovatelnost a přenos v blízkosti elektrody, je definovaným způsobem zlepšit hydrodynamický přenos látky k elektrodě. Byla publikována celá řada řešení, z nichž nejznámější je rotační disková elektroda (V.G. Levich. „Physicochemical Iíydrodynamics“, Prentice-Hall, Euglcwood Cliffs. N.J.. 1962). Rotací disku, na jehož povrchu je umístěna elektroda, vzniká homogenní proudění, které zajišťuje přenos látky k povrchu elektrody. Pokud je sledována závislost proudění na rychlosti otáček rotující elektrody, lze v limitním případě extrapolací vyloučit difúzní jevy. Jiným uspořádáním je wall-jet uspořádání, kdy kapalina tryská na povrch elektrody (K. Stulík a V. Paeáková: Elektroanalytická měření v proudících kapalinách, SNTL. 1989). Dalším známým uspořádáním jc uspořádání thin layer. kdy kapalina proudí v úzké štěrbině, jejíž jedna stena je tvořena elektrodou a druhá je z inertního materiálu, případně obě stěny jsou tvořeny elektroaktivním materiálem. Byla popsána celá řada dalších uspořádání, např. rotující drátek, ring disc rotující elektroda a mnoho dalších. V odborné literatuře se nachází velký počet citací na toto téma. Existuje však závažná limitace tohoto procesu, která je způsobena charakterem elektrody a viskozitou kapaliny. Jestliže je zvyšována intenzita proudění nebo otáčky elektrody v případě rotující diskové elektrody, za jistých podmínek dochází ktomu, že Reynoldsovo číslo je dostatečně vysoké, aby se laminární proudění v blízkosti elektrody změnilo na turbulentní. V určitém okamžiku dochází k tomu, že vznikají fluktuace, víry, které se odtrhávají a ty zásadním způsobem mění transport hmoty způsobený prouděním k elektrodě. To se zejména projevuje vznikem velmi silných fluktuací měřeného signálu. Přechodem laminárního proudění v turbulentní je definován limit, který není rozumné překročit z hlediska optimalizace přenosu hmoty k elektrodě vynucenou konvekcí. Dalším • · · · • · · · « * • · * « · · « * ··«·«· « · « · · · · · ·« · ·♦ · závažným faktem je skutečnost, že vlastní elektrochemická reakce probíhající na povrchu elektrody je nejvíce ovlivňována přenosem hmoty ve vrstvě o tloušťce cca 10 nm. Tuto vrstvu nelze promíchat hydrodynamickým prouděním vynuceným vnějším rozdílem tlaků. Při rychlostech pohybu kapaliny okolo 1 m/s (což jsou vysoké rychlosti, v aplikacích senzorů se používají rychlosti výrazně nižší) je při obtékání rovinné plochy tloušťka mezní vrstvy řádu 100 pm (tj. o 4 řády větší než vrstva v níž probíhá reakce) a v případě toku v kanálu o charakteristické výšce 1 mm je posuvná rychlost (na hranici vrstvy ve vzdálenosti 10 nm) řádu 10’ m/s, tj. o 5 řádů nižší než rychlost kapaliny ve středu kanálu. Je tedy zřejmé, že vrstva, v níž probíhá elektrochemická reakce, nemůže být fakticky ovlivněna hydrodynamickými prostředky a transport hmoty je řízen difúzí.

Využívání teplotního gradientu ve spojení s elektrochemickými reakcemi je známo. Je však výhradně používáno pro termoelektroehemieké palivové články (T.I.Quickenden. Y.Mua: The power conversion efficiences oflhermogalvaníc cell operated in three different orientations, J Electrochem.Soc., 142, Issue 11, 3652-3659, 1995; B.A.Bilal. II.Tributsch: Thermoelectrochemical reduclion of sulfáte to sulfide using a graphite cathode, Journal of Applied Electrochemistry. Vol. 28, No. 10, 2004) nebo pro měření vlastností termodynamických systémů (S.H.C)h, C.B.Bahn, l.S.Hwang: Evaluation of Thermal Liquid Junction Potcntial of Water-Filled External Ag/AgCI Reference Electrodes, J. Electrochem.Soc., 150. Issue 6. E321-E328, 2003; S.II.Oh. C.B.Bahn, W.I.Cho, l.S.Hwang: Theoretical Analysis of the Electrodc Potcntial of the Newly Designed KC! Buffered External Ag/AgCI Electrode. J. Electrochem.Soc.. 151, Issue 11, E327-E334, 2004; V.N.Sokolov. L.P.Safonova, A.A.Pribochenko: The Thermal DiíTusion of Hydrogen Chloride in Water-Monoatomic Alcohol Mixtures at 298 K, Journal ofSolution Chemistry, 35, issue 12. 1621-1630, 2006;

V.N.Sokolov, V.A.Kobenin: Elcctrochcmical determination of standard thermal diffusion eharacterístics for chlorides of hydrogen and potassium in watcr-cthanol Solutions, Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 42, No. 9, 938-942, 2006; V.N.Sokolov, A.A.Pribochenko, L.P.Safonova: Entropy characteristic of solvation and thermal diffusion of hydrogen chloride in water- 1-propanol Solutions: A thermoelectrochemical determination, Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 42, No. 9, 969-973, 2006: V,N.Sokolov, L.P.Safonova. A.A.Pribochenko: The thermal diffusion of hydrogen chloride in aqueous Solutions of acetonitrile, Russian Journal of Physical Chemistry, Vol, 80, No. 9, 1433-1437, 2006; V.N.Sokolov, V.A. Kohcnin, N.A.Litova: The thermal diffusion eharacterístics of hydrogen and alkali metal chlorides in aqueous-methanolic Solutions at 298.15 K, Russian Journal oj • * • · · • · · · · ··· .:.. : ♦····*

Physical Chemistry, Vol. 80, No. 4, 2006). Tyto systémy jsou tvořeny termoelektrickou celou, kde je jedna elektroda a k ní přiléhající roztok udržován na teplotě T| a druhá elektroda a k ní přiléhající roztok udržován na teplotě T2. Teplotní gradient jc v těchto systémech vytvořen mezi různými roztoky.

Nevýhody dosavadních řešení transportu látek k pracovní elektrodě řeší předkládaný vynález.

Podstata vynálezu

Předmětem předloženého vynálezu je elektrochemický senzor nebo biosenzor, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje podložku, jež je opatřena alespoň jednou pracovní elektrodou a topným prvkem.

Význakem vynálezu je, že podložka je dále opatřena prvkem pro měření teploty.

Význakem vynálezu také je, že podložka je silná 0,01 mm až 5 mm.

Význakem vynálezu je, že podložka je vytvořena z materiálu majícího větší koelicient teplotní vodivosti než 1.10'⁶ mV¹. Ve výhodném provedení je podložka vytvořena z materiálu vybraného ze skupiny zahrnující korund, korundovou keramiku, beryliovou keramiku, sklo a plast s vysokou teplotní vodivostí. Vhodnými plasty s vysokou teplotní vodivosti jsou např. teflon plněný uhlíkovými vlákny.

Ve výhodném uspořádání je elektrochemický senzor nebo biosenzor podle předloženého vynálezu umístěn na Peltierově článku, který umožňuje ochlazování senzoru.

V jednom výhodném provedení elektrochemického senzoru nebo biosenzoru podle předloženého vynálezu je topný prvek uspořádán na opačné straně podložky než pracovní elektroda, s výhodou může být, je-li to potřeba, oddělen od okolního roztoku vrstvou dielektrika,

Význakem tohoto výhodného provedení dále je, že podložka je opatřena prvkem pro měření teploty, uspořádaným na stejné straně podložky jako topný prvek.

• · · « I * · · * a · » t « · a • a a a a a a a · · * • a · a · · »« »· ·

S výhodou jsou na podložce elektrochemického senzoru nebo biosenzoru vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a z druhé strany podložky je proti elektrodám uspořádán společný topný prvek. Výhodně je u společného topného prvku uspořádán prvek pro měření teploty,

S výhodou mohou být na podložce elektrochemického senzoru nebo biosenzoru vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a z druhé strany podložky jc proti každé pracovní elektrodě uspořádán samostatný topný prvek s vlastním napájením, umožňující nezávislou regulaci teploty každé pracovní elektrody. Výhodně je u každého topného prvku uspořádán jeden prvek pro měření teploty.

V jiném výhodném provedení elektrochemického senzoru nebo biosenzoru podle předloženého vynálezu jc topný prvek umístěn uvnitř podložky. Podložka pak může být opatřena prvkem pro měření teploty, umístěným uvnitř podložky senzoru.

S výhodou jsou na podložce elektrochemického senzoru nebo biosenzoru vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a uvnitř podložky jc uspořádán společný topný prvek. Výhodně jc u společného topného prvku uvnitř podložky uspořádán prvek pro měření teploty.

S výhodou mohou být na podložce elektrochemického senzoru nebo biosenzoru vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a uvnitř podložky je pod každou pracovní elektrodou uspořádán samostatný topný prvek s vlastním napájením, umožňující nezávislou regulaci teploty každé pracovní elektrody. Výhodně je u každého topného prvku uvnitř podložky uspořádán jeden prvek pro měření teploty.

V dalším výhodném provedení elektrochemického senzoru nebo biosenzoru podle předloženého vynálezu je topný prvek uspořádán mezi podložkou a pracovní elektrodou a je od pracovní elektrody oddělen vrstvou dielektrika. S výhodou je podložka opatřena také prvkem pro měření teploty, umístěným mezi podložkou a pracovní elektrodou a odděleným od pracovní elektrody vrstvou dielektrika.

S výhodou jsou na podložce elektrochemického senzoru nebo biosenzoru vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a mezi podložkou a pracovními elektrodami jc uspořádán společný topný prvek. Výhodně jc u společného topného prvku mezi podložkou a pracovními elektrodami uspořádán prvek pro měření teploty.

S výhodou mohou být na podložce elektrochemického senzoru nebo biosenzoru vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a mezi podložkou a každou pracovní elektrodou jc vždy uspořádán samostatný topný prvek s vlastním napájením, umožňující nezávislou regulaci teploty každé pracovní elektrody, přičemž každý topný prvek je od pracovní elektrody oddělen vrstvou dielektrika. Výhodně je u každého topného prvku mezi podložkou a pracovní elektrodou uspořádán jeden prvek pro měření teploty, oddělený od pracovní elektrody vrstvou dielektrika.

Předmětem vynálezu je dále způsob elektrochemického měření pomocí elektrochemického senzoru nebo biosenzoru, vyznačený tím, že pracovní elektroda elektrochemického senzoru nebo biosenzoru podle předloženého vynálezu se uvede do styku s měřeným roztokem, pracovní elektroda elektrochemického senzoru nebo biosenzoru podle předloženého vynálezu se pak temperuje na teplotu, která je odlišná od teploty měřeného roztoku, a během měření se udržuje teplota pracovní elektrody odlišná od teploty měřeného roztoku.

Ve výhodném provedení se teplota pracovní elektrody během měření periodicky mění s frekvencí od 0.01 Hz do 1 kHz.

Vynález řeší problém transportu látek k pracovní elektrodě novým způsobem, který spočívá v uspořádání, ve kterém je pracovní elektroda vytvořena například na tenké korundové podložce nebo na tenké podložce z korundové keramiky nebo na tenké podložce / beryliové keramiky nebo na tenké podložce skleněné nebo na tenké podložce z plastu s vysokou teplotní vodivostí. Z druhé strany této podložky je umístěn topný prvek. Systém je umístěn do roztoku a topením je elektroda zahřála na teplotu, která jc odlišná od teploty kapaliny, ve kterc je prováděno měření. Tento systém, v němž je teplota kapaliny odlišná od teploty pracovní elektrody, se vyznačuje tím, že kromě difúze se na přenosu hmoty podílí i termodifúze a mikrokonvekce v blízkosti elektrody. Korundová keramika, korund, beryliová keramika, sklo, případně plast s vysokou teplotní vodivostí se vyznačují tím. že mají význačně větší koeficient teplotní vodivosti než kapalíny. Protože je podložka tenká, má výrazně vyšší teplotní vodivost než kapalina, a protože je topný prvek přímo integrován na podložce, je tato rovnoměrně prohřátá i v přítomnosti kapaliny o rozdílné teplotě.

* * * · · · « « · · * • 4 « » · · · « · · · · ····· ♦♦ ·

Vlastní koeficient teplotní vodivosti kapalíny je o několik řádů vyšší než difúzní koeficient. Oba mají stejný rozměr a z hlediska vytváření mezních vrstev jsou rozměrově srovnatelné. To způsobuje, žc lze dosáhnout v mezní vrstvě, která přiléhá k elektrodě, velmi vysokého teplotního gradientu. To znamená, že hnací síla přenosu látky termodiluzi je srovnatelná s hnací silou difúze (gradientem koncentrace). Podobně mikrokonvekce v důsledku lokálního gradientu teploty bude hrát význačnou roli v přenosu hmoty, která je srovnatelná s přenosem hmoty pouhou difúzí. Tento jev je zcela koncentrován do oblasti mezní vrstvy a zaniká v oblasti, kde převládá proudění. Je to situace vzhledem k proudění zcela opačná, tzn. že míchání a přenos hmoty závisející na gradientu teploty jsou koncentrovány do mezní vrstvy a neplatí zde omezení, která platí z hlediska vynuceného konvektivního transportu a souvislostí s Reynoldsovým číslem. Nebo jinak vyjádřeno: čím intenzivněji bude kapalina míchána, tím větší bude teplotní gradient ve vrstvě kapaliny přiléhající k elektrodě a tím intenzivnější bude přenos hmoty způsobený mikrokonvekcí a termodifúzi.

Vynález je dále objasněn na následujících příkladech, aniž je jimi jakkoliv omezen.

Přehled obrázků

Obr, 1 ukazuje schematické znázornění měření podle příkladu 1

Obr. 2 znázorňuje vliv rozdílu teplot na odezvu senzoru pří měření cyklické voltametrie.

Obr. 3 zobrazuje uspořádání aktivní plochy senzoru pro měření podle příkladu 2.

Obr. 4 ukazuje schematické znázornění měření podle příkladu 2.

Obr. 5 znázorňuje schéma zařízení pro provádění elektrochemických a biosenzorových měření s vloženým senzorem podle příkladu 3.

Obr. 6 znázorňuje schematické uspořádání senzoru dle příkladu 5.

Obr. 7 ukazuje schematické znázornění zařízení dle příkladu 6.

Obr. 8 ukazuje schematické znázornění uspořádání podle příkladu 7.

Obr. 9 ukazuje schematické znázornění zařízení dle příkladu 8,

Obr. 10 ukazuje schematické znázornění zařízení dle příkladu 9.

Obr. 11 ukazuje schematické znázornění zařízení dle příkladu 10.

Obr. 12 ukazuje schematické znázornění zařízení dle příkladu 11.

Obr. 13 ukazuje schematické znázornění zařízení dle příkladu 12.

Příklady ·«·· β · · · » * φ « · * · » , * · ······« · · • * · · · · · « ·· · ·· ·

Příklad 1

Schématické uspořádání měření je znázorněno na obr, 1. Elektrochemický senzor nebo biosenzor vytvořený umístěním pracovní elektrody 2 na tenkou keramickou podložku i a z protilehlé strany podložky | opatřený topným prvkem 3. který jc pokryt vrstvou dielektrika 4. je umístěn v konektoru jO, který je vhodně upevněn v klasické elektrochemické nádobce 7. která je mírně míchána míchadlem 8. Nádobka jc termostatována na teplotu Ti a senzor nebo biosenzor je udržován na teplotě lý. Teplota T₂, na níž je udržován senzor nebo biosenzor, je vytvářena topným prvkem 3, který je umístěn na jeho zadní straně. Podložka E na které je senzor nebo biosenzor vytvořen, jc z korundové keramiky nebo beryliové keramiky o tloušťce 0,1 1 mm. Díky vysoké teplotní vodivosti materiálu podložky má stejnou teplotu i pracovní elektroda 2, která jc pevně spojena s keramickou podložkou a jejíž tloušťka je 2-20 μιη. Zařízení jc zobrazeno na obr. 1.

Na obr. 2 jc ilustrován vliv gradientu teploty. Bez přítomnosti rozdílu teplot je odezvou klasická cyklická voltametrie, která je obtížně interpretovatelná. Aplikací rozdílu teplot se složitý průběh změní v jednoduchou závislost, kterou lze snadno interpretovat a lze z ní snadno stanovit půlvlnný potenciál, který je charakteristický pro danou látku. Metoda tak podstatně usnadňuje analýzu složení zkoumané látky.

Příklad 2

Na korundové podložce 1_[ nebo na podložce H_ z korundové nebo beryliové keramiky je připraveno pole pracovních elektrod (2-200) 12 a referentní elektroda R. (obr.3)

Senzor nebo biosenzor je umístěn v měřicí nádobce 17· a to tak. že podložka EL vytváří její dno. Těsnost je zabezpečena u-kroužkem 103. Nad polem pracovních elektrod 12 je umístěn míchací prvek 18. jehož dutou střední částí 101 vstupuje analyzovaný roztok k poli elektrod. Rotací míchacího prvku J_8 je kapalina rovnoměrně rozdělena na jednotlivé pracovní elektrody J2 a odtéká výstupem 102. Měřicí nádobka T7 i vstupující kapalina jsou temperovány na teplotu T,. Senzor nebo biosenzor jc temperován topením 13. umístěným na opačné straně podložky Jd proti pracovním elektrodám 12, na teplotu T?. Vzhledem k tomu, že materiál podložky 11, na níž je senzor nebo biosenzor připraven, má podstatně vyšší teplotní vodivost než kapalina, která jej omývá, bude senzor nebo biosenzor jako celek rovnoměrně prohřátý a je možno využít integrovaný teploměr J_5 k měření teploty senzoru, resp. biosenzoru a křížení rozdílu teplot T| (teplota kapaliny) a Έ (teplota senzoru, resp. biosenzoru), Systém umožňuje současné měření na několika elektrodách.

• •toto

Příklad 3

Zařízení dle patentu CZ 287676/2001 „Zařízeni pro provádění elektrochemických a hiosenzorových měření (viz obr. 5), ve kterém je umístěn senzor nebo biosenzor s podložkou

2f, na jejímž rubu je umístěno topení 23, které umožňuje senzor, resp. biosenzor temperovat na odlišnou teplotu než má kapalina v nádobce 27. Na rubu senzoru, resp. biosenzoru může být integrováno i teplotní čidlo 25.

« ♦ · · · · to · • toto to to to to • · · · toto ·

Příklad 4

Temiodifúzní koeficient nabývá různých hodnot. Ve většině případů však platí, že látka je transportována z oblasti s vyšší teplotou do oblastí s nižší teplotou. Tento jev lze s výhodou využít pro konstrukci biosenzoru s imobilizovanými látkami, které jsou teplotně nestabilní. V tomto případě je kapalina temperována na teplotu vyšší než je teplota senzoru a senzor je pomocí Peltierova článku ochlazován na teplotu, která je podstatně nižší než teplota vzorku. Tím dochází ke dvěma jevům. Jednak, protože vzorek je zahřátý, difúzní procesy probíhají podstatně rychleji, a také nehomogenity složení se podstatně rychleji vyrovnávají, protože všechny tyto procesy závisí na teplotě. V důsledku toho, že vlastní senzor má teplotu nižší, pronikají analyty díky termodifúzi do blízkosti elektrody. Vlastní elektroda má nižší teplotu, která brání degradaci bioaktivních látek umístěných na povrchu elektrody. Toto uspořádání může být s výhodou využito zejména v příkladu 2 a příkladu 3.

Příklad 5

Zařízení (obr. 6) využívá toho, že materiál podložky 31 senzoru nebo biosenzoru má velmi vysokou teplotní vodivost a lze jej připravit velmi tenký. V tomto případě je přístroj sestaven následujícím způsobem: na povrch Peltierova článku 39 je připevněn senzor nebo biosenzor obsahující pracovní elektrodu 32, podložku 31 a topení 33. Peltierův článek 39 chladí senzor, resp. biosenzor obsahující pracovní elektrodu 32, podložku 31 a topení 33. Topení 33 je schopno odnímaný tok tepla přerušit a do systému teplo dodával. Díky tloušťce podložky Ή senzoru, resp. biosenzoru, která se pohybuje od 0.1 do 2 nim a díky tomu, že vlastní topení má tloušťku 20 pm, je teplotní setrvačnost systému velmi malá. To umožňuje dosáhnout pulsaci teploty s frekvencí až 1 kllz. V důsledku této pulsace dochází k relaxačním jevům, které umožňují analýzu kinetiky reakcí na povrchu elektrod. Změnou frekvence teplotních pulzů lze zjistit, z jak hluboké části sledovaného systému jsou snímány informace. Hloubka je • * · « • · · · · · · • ·« *«····· « · « « · · · · « »· · ♦· · velmi přibližně úměrná odmocnině z koeficientu teplotní vodivosti materiálu použitého pro vytvoření bioaktivní vrstvy.

Zařízení je schematicky znázorněno na obr. 6. Na podložce 31 senzoru, resp. biosenzoru, zhotovené z korundové keramiky nebo beryliové keramiky je nanesena pracovní elektroda 32.

Z opačné strany podložky 3} senzoru je naneseno topení 33, pod nímž je umístěn Peitierňv článek 39, který senzor chladí a způsobuje tok tepla Q.

Příklad 6

Zařízení dle vynálezu lze s výhodou použít ke konstrukci DNA biosenzoru s přímou hybridizací. Zařízení (obr. 7) se sestává z Peltierova článku 49, na němž je integrován biosenzor skládající se z podložky 44 připravené z korundové keramiky, na níž je prvek pro snímání teploty 45, pracovní elektrody 42], 42?, .... 42„ biosenzoru, referentní elektrody R],

P;.....R_n a pomocné elektrody Α_μ Ay,.... A„ a topení 43. Aktivní strana senzoru je opatřena mikronádobkami 47. a to tak, že ve dně každé mikronádobky je umístěna jedna pracovní, jedna referentní a jedna pomocná elektroda. Pod každou nádobkou je umístěn topný prvek 43 a kontrolní teploměr 45. Systém vytváří pole, a jestliže se do nádobek 47 vnesou vhodné chemikálie, je možné periodicky měnit teplotu od -20 do +60 stupňů Celsia. Tímto způsobem je možné dosáhnout amplifikace DNA. Systém umožňuje bez změn v konečném amplifikovaném roztoku změřit vhodný segment DNA. Vhodným uspořádáním lze dosáhnout adsorpci DNA na pracovní elektrodu a následně detekovat množství adsorbované DNA. Tím je vytvořeno zařízení pro jednoduché elektrochemické stanovení vlastností DNA, tj. jednoduchý DNA čip.

Zařízení výrazně zrychluje amplifikaci zejména proto, že řízení teploty je prováděno ovlivňováním toku tepla Q topením integrovaným na senzoru. Tím vynález řeší velkou tepelnou setrvačnost systému, což je nevýhoda například zařízení podle patentu EP 1591543 (DNA amplifikace). Gradient teploty způsobuje přenos látek do blízkosti detekčních elektrod a mikrokonvektivní míchání vzorků.

Příklad 7

Podložka 51 (Obr. 8). na níž je vytvořena struktura aktivních elektrod 52, je vytvořena lak, že topný prvek 53 je umístěn v těle podložky. Topný prvek lze umístit do těla keramické podložky využitím technologie LTCC (Low Temperature Coíired Ceramics), ÍITCC (High

Temperature Coíired Ceramics) nebo vložením topného prvku mezi dvě desky z beryliové nebo korundové keramiky, které jsou spojeny keramickou nebo skelnou pájkou. V případě • . ♦ * » · . · . ι . , · >UI · * · · . . ... · · ♦

.... · ... ·· » technologii LTCC nebo HTCC obsahuje výsledný materiál vysoký podíl A1₂O₃ a jeho teplotní vodivost je vysoká. Při použití LTCC a HTCC technologie je možno s výhodou vytvořit topný prvek tiskem termistorové pasty na syrové vrstvy keramiky.

Stejným způsobem jako topný prvek může být do těla podložky integrováno i teplotní čidlo.

Jeho poloha může být mezi topným prvkem 53 a pracovní elektrodou 52 nebo na vnější straně topného prvku nebo v obou výše zmíněných polohách.

Integrace prvku měřícího teplotu do těla podložky senzoru umožňuje rovnoměrnější vyhřívání senzoru a tím i vyšší přesnost měření. Pokud je topení 53 a prvek pro měření teploty 55 uvnitř podložky 51 je výsledný senzor robustnější a chemicky odolnější.

Příklad 8

Podložka 61 (Obr. 9), která je vytvořena z korundu, korundové keramiky nebo beryliové keramiky je opatřena z jedné strany dvěma pracovními elektrodami 62 a společnou referentní elektrodou R. Z druhé strany je podložka opatřena jedním topným prvkem 63 a prvkem pro měření teploty 65. Topný prvek a prvek pro měření teploty jsou chráněny vrstvou di elektrického materiálu 64.

Uspořádání dle příkladu zlepšuje rozložení teplotního pole v blízkosti pracovních elektrod a tím zlepšuje funkce celého zařízení.

Příklad 9

Na podložce 71 (Obr. 10) připravené z korundové nebo beryliové keramiky jsou natištěny dvě pracovní elektrody 72) a 72; a referentní elektroda R. Na opačné straně podložky jsou umístěny dva topné prvky 731 a 73? a dva prvky pro měření teploty 75| a 75;. Topné prvky i prvky pro měření teploty jsou spojeny s výstupními kontakty 77 vodivými spoji 76. Ochranná dielektrieká vrstva 74 je nanesena tak, že chrání topné prvky a prvky pro měření teploty od styku s vnějším prostředím, avšak nepřekrývá kontakty 77. jejichž využitím lze topné prvky i prvky pro měření připojit k externímu přístroji. Dielektrickou vrstvu 74 lze s výhodou nanést sítotiskem.

Zařízení dle příkladu umožňuje nezávislé měření termoelektrochemických déjů na obou elektrodách.

Příklad 10

Na podložce 81 (Obr, 11) připravené z korundové nebo beryliové keramiky je natištěna vrstva termistorové pasty, která vytváří pracovní odpor topného prvku 83. a vrstva termistorové pasty, která vytváří prvek pro měření teploty 85. Oba prvky jsou propojeny vodivou sítí 86 s kontaktním polem 87. Základní struktura zajišťující vyhřívání senzoru a měření teploty je překryta vrstvou dielektrika 84. Obě vrstvy je možno vytvořit sítotiskem.

Další vrstvou jsou elektrochemicky aktivní elektrody (pracovní 82. referentní R a pomocná A).

Zařízení dle příkladu má tu významnou výhodu, že tloušťka dielektrika mezi topením a pracovní elektrodou je t = 1 - 10 pm. Použije-li se kombinace chlazení (viz. příklad 5) a topení integrovaného na senzoru, které přerušuje tok tepla odnímaného Peltierovým článkem, je možno dosáhnout velmi rychlých změn teploty s frekvencí až 1 kHz. Zařízení umožňuje vybudil relaxační jevy v biochemických objektech, které umožňují jejich identifikaci.

Příklad 11

Na podložce £1 (Obr. 12), která je připravena z. korundové nebo beryliové keramiky je vytvořena vrstva materiálu, který vytváří pracovní odpor topného prvku 93 a teplotně citlivý prvek. Topný prvek 93 může být s výhodou vytvořen např. naprášením Pt. Teplotně citlivý prvek může být nanesen naprášením Pt a jeho výsledné vlastnosti jsou nastaveny laserovým trimováním.

Prvky pro vyhřívání a měření teploty jsou překryty dielektrickou vrstvou 94 tvořenou AI2O3 nebo BeO. kterou lze vytvořit s výhodou naprášením materiálů. Na dielektrickou vrstvu jsou naneseny dvě pracovní elektrody 92| a 92? a referentní elektroda R. Pracovní elektrody lze vytvořit naprášením Pt a referentní elektrodu lze vytvořit tiskem aktivního materiálu obsahujícího Ag/AgCl.

Zařízení dle příkladu umožňuje velmi rychlé změny teploty diky tomu, že tloušťka diclcktrické vrstvy je t = 0,1 1 pm. To umožňuje současné studium relaxačních jevů na dvou elektrodách. Například jedna elektroda může být modifikována enzymem a druhá inertním proteinem. Vzhledem k tomu, že oba děje probíhají ve stejných podmínkách, je možná eliminace interferujících jevů a relaxační jevy spojené s enzymovou kinetikou je možno obdržet s vyšší přesností.

Přiklad 12

Na podložce 101 (Obr. 13) vyrobené z korundové nebo beryliové keramiky je vytvořena struktura dvou topných prvků 1031 a 103? a dvou prvků pro měření teploty 105χ a 105?· Prvky jsou spojeny vodivými drahami 106 s kontaktním polem 107. Struktura je vytvořena s výhodou napařením vodivého materiálu, který je následně upraven fotolitografií. Struktura ··· « * » * · · · • ·9 · ·· · topných prvků (1031 a 103?) a prvků pro měření teploty 1105j a 105?) je překryta dielektrickou vrstvou 104, například SiO? o tloušťce t = 0,1 - 5 pm. Dielektrická vrstva 104 je nanesena tak, že kontaktní plošky nejsou překryty. Na dielektrickou vrstvu jsou naneseny dvě pracovní elektrody 102^ a 102?, dvě referentní elektrody R, a R- a dvě pomocné elektrody Ai a A?, které jsou spojeny vodivými drahami 106 s kontaktním polem 107.

Uspořádání dle příkladu umožňuje nezávislé řízení termoelektrických procesů na každé elektrodě nezávisle. Je možno periodicky měnit teplotu na každé elektrodě s jinou frekvencí.

Tyto postupy umožňují analýzu vlastností imobilizovaných vrstev, případně sledováni jiných termoelektrochemíckých dějů,

Průmyslová využitelnost

Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle předkládaného vynálezu dovoluje dosáhnout lepšího transportu látek k pracovní elektrodě senzoru, resp. biosenzoru. Je vhodný pro využití například v chemickém, potravinářském a medicínském průmyslu atd.

Claims (27)

1. Elektrochemický senzor nebo biosenzor, vyznačený tím, že obsahuje podložku, jež je opatřena alespoň jednou pracovní elektrodou a topným prvkem

2. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 1, vyznačený tím. že podložka je dále opatřena prvkem pro měření teploty,

3. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím. žc podložka je silná 0,01 mm až 5 mm.

4. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačený tím. že podložka je vytvořena z materiálu majícího koeficient teplotní vodivosti větší než 1.10’⁶

5. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 4, vyznačený tím, že podložka je vytvořena z materiálu vybraného ze skupiny zahrnující korund, korundovou keramiku, beryliovou keramiku, sklo a plast s vysokou teplotní vodivostí.

6. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačený tím. ze je umístěn na Pellierově článku,

7. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6. vyznačený tím. že topný prvek je uspořádán na opačné straně podložky než pracovní elektroda.

8. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 7, vyznačený tím, žc topný prvek je oddělen od okolního roztoku vrstvou dielektrika,

9. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 7 nebo 8, vyznačený lim, že podložka je opatřena prvkem pro měření teploty, uspořádaným na stejné straně podložky jako topný prvek.

4 4 ·

9 ’

4 ·

4 ♦

4444 * « t • 4 ► 4 4 t 444»

10. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 7, vyznačený líni, že na podložce jsou vytvořeny alespoň dvč pracovní elektrody a z druhé strany podložky je uspořádán společný topný prvek.

11. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 10, vyznačený tím, že u společného topného prvku je uspořádán prvek pro měření teploty.

12. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 7, vyznačený tím. že na podložce jsou vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a z druhé strany podložky je proti každé pracovní elektrodě uspořádán samostatný topný prvek s vlastním napájením, umožňující nezávislou regulaci teploty každé pracovní elektrody.

13. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 12, vyznačený tím. že u každého topného prvku je uspořádán jeden prvek pro měření teploty.

14. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle kteréhokoliv z. nároků 1 až 6, vyznačený tím. že topný prvek jc umístěn uvnitř podložky.

15. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 14, vyznačený tím, že podložka je opatřena prvkem pro měření teploty, umístěným uvnitř podložky senzoru.

16. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 14, vyznačený tím, že na podložce jsou vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a uvnitř podložky je uspořádán společný topný prvek.

17. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 16, vyznačený tím, že u společného topného prvku je uvnitř podložky uspořádán prvek pro měření teploty,

18. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 14, vyznačený tím, že na podložce jsou vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a uvnitř podložky je pod každou pracovní elektrodou uspořádán samostatný topný prvek s vlastním napájením, umožňující nezávislou regulaci teploty každé pracovní elektrody.

• · · · • · · • « · • · · « * · · • *·

19. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 18. vyznačený tím. že u každého topného prvku je uvnitř podložky uspořádán jeden prvek pro měření teploty.

20. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačený tím. že topný prvek je uspořádán mezi podložkou a pracovní elektrodou a je od pracovní elektrody oddělen vrstvou dielektrika.

21. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 20. vyznačený tím, že podložka je opatřena prvkem pro měření teploty, umístěným mezi podložkou a pracovní elektrodou a odděleným od pracovní elektrody vrstvou dielektrika.

22. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 20, vyznačený tím, že na podložce jsou vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a mezi podložkou a pracovními elektrodami jc uspořádán společný topný prvek, oddělený od pracovních elektrod vrstvou dielektrika.

23. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 22, vyznačený tím, žc u společného topného prvku je mezi podložkou a pracovními elektrodami uspořádán prvek pro měření teploty, oddělený od pracovních elektrod vrstvou dielektrika.

24. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 20. vyznačený tím. že na podložce jsou vytvořeny alespoň dvě pracovní elektrody a mezi podložkou a každou pracovní elektrodou je vždy uspořádán samostatný topný prvek s vlastním napájením, umožňující nezávislou regulaci teploty každé pracovní elektrody, přičemž každý topný prvek je od pracovní elektrody oddělen vrstvou dielektrika,

25. Elektrochemický senzor nebo biosenzor podle nároku 24. vyznačený tím. že u každého topného prvku je mezi podložkou a pracovní elektrodou uspořádán jeden prvek pro měření teploty, oddělený od pracovní elektrody vrstvou dielektrika.

26. Způsob elektrochemického měření pomocí elektrochemického senzoru nebo biosenzoru, vyznačený tím, že pracovní elektroda elektrochemického senzoru nebo biosenzoru podle kteréhokoliv z nároků 1 až 25 se uvede do styku s měřeným roztokem, pracovní elektroda elektrochemického senzoru nebo biosenzoru se temperuje na teplotu, která je odlišná od • · · teploty měřeného roztoku, a během měření se udržuje teplota pracovní elektrody odlišná od teploty měřeného roztoku.

27. Způsob elektrochemického měření podle nároku 26, vyznačený tím, že teplota pracovní elektrody se během měření periodicky mění s frekvencí od 0,01 Hz do 1 kHz.