ES2206498T3 - Celdas electroquimicas. - Google Patents

Abstract

UNA PILA ELECTROQUIMICA COMPRENDE UNA MEMBRANA POROSA (8) DE UNA COMPOSICION ELECTRICAMENTE AISLANTE, LA MEMBRANA TIENE POROS (NO ILUSTRADOS) QUE COMUNICAN DESDE UN LADO DE LA MEMBRANA HASTA EL OTRO, UN ELECTRODO DE TRABAJO (5) DISPUESTO SOBRE UN LADO Y UN ELECTRODO CONTRARIO O DE PSEUDORREFERENCIA (7) DISPUESTO SOBRE EL OTRO LADO. UN AREA DE OBJETIVO (11) DE UN ELECTRODO ES PERMEABLE AL LIQUIDO Y SE EXTIENDE SOBRE LA SUPERFICIE DE LA MEMBRANA (8) SIN BLOQUEAR LOS POROS SUBYACENTES DE LA MEMBRANA. CAPAS AISLANTES OPCIONALES (9, 10) CUBREN LOS ELECTRODOS (5, 7) Y UNA ABERTURA DEFINE EL AREA DE OBJETIVO (11). PREFERIBLEMENTE, LA MEMBRANA POROSA ESTA IMPREGNADA CON REACTIVOS, POR EJEMPLO GOD/FERRICIANURO.

Description

Celdas electroquímicas.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a una celda electroquímica mejorada y a un método para detectar y medir un analito utilizando un dispositivo de este tipo.

Antecedentes de la invención

La invención se describirá con relación a un biosensor de glucosa, pero debe entenderse que este uso es solamente ilustrativo y la invención puede aplicarse a otros tipos de sensores o sistemas que se basen en celdas electroquímicas, por ejemplo filtros de altas temperaturas, elementos de visualización, instrumentos para análisis químicos, por ejemplo de metales pesados en aguas residuales, u otros similares.

Los analizadores electroquímicos de glucosa, tales como los utilizados por los diabéticos para vigilar sus niveles de azúcar en sangre y en las clínicas u hospitales, se basan en el esquema de reacción (a).

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Típicamente, un sensor dentro de un analizador comprende un mediador químico que transfiere electrones entre una enzima y un electrodo como se muestra en el esquema de reacción (b) mostrado más arriba. La señal producida en una transferencia de este tipo se procesa y se expresa en función del complejo enzima-substrato, por ejemplo glucosa-oxidasa (GOD) que se utiliza para la medida del nivel de glucosa en sangre o en suero.

Un sensor de glucosa conocido es una tira en uno de cuyos extremos existe una superficie objetivo predefinida o de muestra y que tiene tres electrodos, cada uno de ellos fijado a lo largo de la tira y a través de la superficie objetivo. Un electrodo de cloruro de plata situado en el centro forma un electrodo de seudo-referencia y a los dos restantes se les conoce con el nombre de electrodos de trabajo. Cada electrodo de trabajo está formado por un núcleo de pasta de carbón. Uno de estos electrodos está recubierto de una capa de GOD y de mediador químico y el otro con una capa de mediador químico, tal como ferroceno.

Una gota de sangre o de muestra de unos 25 \mul se aplica a la superficie objetivo y la tira se inserta después en un detector que mide la corriente en cada uno de los electrodos de trabajo. Esta corriente corresponde a la oxidación del ferroceno y (en el electrodo de trabajo que contiene GOD) a la reoxidación del ferroceno producida por la reducción del mediador químico debida al esquema de reacción descrito anteriormente. La diferencia entre estas corrientes se utiliza para estimar la concentración original de glucosa en la sangre.

La patente EP289269 describe un biosensor que comprende una tira sensora base y una capa de exclusión que la cubre o membrana que excluye los glóbulos rojos o regula el flujo de la muestra dentro de la tira sensora.

En la patente WO 93/13408 se describe un dispositivo similar con una membrana de material compuesto soldada a una carcasa que contiene electrodos. La membrana de material compuesto consta de una membrana porosa con un agente catalítico inmovilizado y al menos una membrana de protección o de bloqueo. El producto catalizado fluye desde la membrana de material compuesto a una abertura definida dentro de la carcasa para interactuar con los electrodos.

La patente europea EP230472 describe un cuerpo perforado, tal como una tela de nylon sin tejer, situado sobre una base aislante sobre la que están serigrafiados tres electrodos. Una muestra se aplica sobre el cuerpo perforado y pasa a través de él hasta la base donde se produce una reacción catalizada por la enzima.

La patente de Estados Unidos 4.431.507 describe una disposición de electrodos en la que dos electrodos de trabajo están colocados en lados opuestos de una membrana porosa, uno para evitar que los materiales que interfieren contenidos en la solución de ensayo sean oxidados por el otro electrodo de trabajo.

La disposición de electrodos se usa en una celda que tiene una solución tampón en la que están suspendidos un contraelectrodo y un electrodo de referencia.

Descripción de la invención

La presente invención se dirige a una celda electroquímica nueva y mejorada que permite medir niveles de analitos, tales como glucosa, de una manera precisa, adecuada y rápida, a la vez que utiliza un pequeño volumen de muestra. Proporciona una alternativa útil a los sensores actualmente disponibles.

De acuerdo con un aspecto, la invención consiste en una celda electroquímica que comprende una membrana porosa de composición eléctricamente aislante, teniendo la membrana poros que comunican un lado de la membrana con el otro,

un electrodo de trabajo dispuesto en un lado de la membrana,

un contraelectrodo o electrodo de seudo-referencia dispuesto en el otro lado de la membrana,

en la que una superficie objetivo de al menos un electrodo es permeable a los líquidos y se extiende sobre una superficie de la membrana porosa sin bloquear los poros subyacentes de la membrana,

y en la que las aberturas de los poros de la membrana tienen una mayor sección transversal en una superficie de la membrana que en la superficie opuesta.

El electrodo de trabajo es el electrodo en el que tiene lugar la reacción electroquímica que se está midiendo. Cuando se necesite una definición exacta del potencial del electrodo de trabajo, se pueden utilizar contraelectrodos y electrodos de referencia separados. El contraelectrodo completa el circuito y el electrodo de referencia define el potencial del electrodo de trabajo. En muchas aplicaciones se requiere una definición menos exacta del potencial del electrodo de trabajo. En estos casos, las funciones de los contraelectrodos y electrodos de referencia pueden combinarse en un único electrodo denominado electrodo de "seudo-referencia" o electrodo combinado "contraelectrodo/electrodo de referencia". En la presente invención se dispone un contraelectrodo o un electrodo de seudo-referencia en el lado opuesto de la membrana que el electrodo de trabajo. Si se emplea un electrodo de referencia separado del contraelectrodo, el electrodo de referencia puede estar en el mismo lado de la membrana que el contraelectrodo, en el lado del electrodo de trabajo o externo a la membrana.

La membrana porosa es de un tipo que tiene poros con aumento en el diámetro desde un lado liso o brillante a otro lado áspero. En concreto, la membrana porosa es deseable que sea del tipo descrito en las patentes de Estados Unidos números 4.629.563 y 4.774.039.

Al menos uno de los electrodos debe estar formado de modo que no bloquee los poros subyacentes de la membrana, de forma que sea permeable a una solución o suspensión de un analito. No es esencial que el electrodo sea poroso en toda su superficie, pero debe ser permeable a los líquidos en al menos una superficie objetivo.

De forma preferente, al menos un electrodo está formado mediante pulverización catódica, chapado no electrolítico, galvanoplastia, evaporización, anodización o similar sobre la superficie de la membrana para formar una película continua sobre la superficie de la membrana, no cubriendo la película las aberturas de los poros sino definiendo la entrada de las aberturas de los poros, de forma que el electrodo sea permeable en una superficie objetivo. En el caso, por ejemplo, de una celda para determinar el nivel de glucosa, la porosidad del electrodo es suficiente para permitir el paso a su través del suero sanguíneo, estando determinada la porosidad parcialmente por el tamaño de las aberturas de los poros de la membrana porosa seleccionada. Un espesor preferido de la película del electrodo es de 10 a 200 nm, en especial de 60 a 120 nm. Es deseable que ambos electrodos estén formados mediante pulverización catódica o evaporación bajo vacío parcial y que sean permeables a los líquidos.

La superficie objetivo se define, de forma deseable, por una abertura en una capa aislante que cubre uno de los electrodos.

En una realización altamente preferida, la celda electroquímica se utiliza para determinar niveles de glucosa y por consiguiente comprende una membrana tratada con GOD/ferricianuro que separa el suero de la sangre total debido a su porosidad asimétrica.

En otro aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento de fabricación de una celda electroquímica que comprende las etqpas de disponer un electrodo en cada uno de los dos lados de una membrana porosa, siendo al menos uno de los dos electrodos permeable al agua; almacenar un reactivo mediador químico/catalítico en la membrana porosa cuando se requiera; y definir una superficie objetivo en uno de los electrodos.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirá una realización de la invención, solamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que la acompañan en los que:

- La figura 1 es un diagrama esquemático que muestra una secuencia de etapas para la fabricación de un sensor de glucosa 1 mostrado en sección transversal lateral.

Las figuras 2 y 3 muestran, respectivamente, las vistas en planta superior e inferior del biosensor 1.

Descripción de la realización preferida de la invención

Una membrana limpia 2, que tiene pequeños poros en el lado brillante y suave 3 y poros mayores en la superficie áspera 4, se pulveriza catódicamente con oro para formar electrodos de trabajo 5. La superficie áspera se pulveriza catódicamente de forma adicional con plata en 6 y después se trata con cloro para formar un contraelectrodo o electrodo de referencia 7. La membrana recubierta de electrodos se impregna a continuación con un reactivo mediador químico/catalítico 8, tal como GOD/Fe(CN)^{3-}_{6}, tras lo que se aplican capas 9 y 10 de una composición eléctricamente aislante. Sobre la membrana se define una superficie objetivo permeable 11 mediante la perforación de una parte de la capa 9.

La membrana porosa asimétrica 2 utilizada se fabrica preferiblemente por un procedimiento descrito en las patentes de Estados Unidos números 4.629.563 y 4.774.039 y puede comprender al menos un polímero seleccionado entre polisulfonas, poliamidas, poli(halogenuros de vinilideno), poliacrilonitrilos, policarbonatos o similares. El grosor puede ser de alrededor de 180 \mum, preferiblemente entre 30 y 150 \mum, con diámetros de los poros de al menos 10 kilodalton (límite inferior) hasta 5 \mum, y preferiblemente de 0,2 \mum a 0,5 \mum. Se prefieren especialmente las membranas que son hidrófilas, inertes y no lisan los glóbulos rojos de la sangre pero ayudan a la separación del suero y de los glóbulos rojos.

Aunque en la figura 1 se muestran dos electrodos de trabajo de oro o electrodos de trabajo 5, se prefiere un electrodo de trabajo sobre el lado liso, siendo el electrodo del lado opuesto un contraelectrodo o electrodo de referencia o una combinación contraelectrodo/electrodo de referencia. Además de oro, para la fabricación de los electrodos de trabajo pueden usarse metales tales como platino, paladio, iridio, plomo, un metal noble o una aleación. Los electrodos de trabajo pueden aplicarse mediante pulverización catódica, evaporización bajo vacío parcial, chapado no electrolítico, galvanoplastia o similar, para formar una película continua sobre la superficie lisa. Cuando existen dos electrodos de trabajo, pueden ser de diferentes metales o aleaciones.

Opcionalmente puede depositarse un contralectrodo o electrodo de referencia o combinación contraelectrodo/elec-trodo de referencia sobre la superficie áspera de la membrana mediante pulverización catódica, evaporización bajo vacío parcial, chapado no electrolítico, galvanoplastia o similar. El contraelectrodo o combinación contraelectrodo/electrodo de referencia puede ser, por ejemplo, de oro, platino, paladio, plata u otro material adecuado. Para fabricar el electrodo de referencia también puede usarse hidróxido de níquel o un halogenuro de plata. Puede utilizarse cloruro de plata, aunque la cloruración puede no ser necesaria cuando se utiliza plata ya que pueden estar presentes en la muestra de sangre suficientes iones cloruro.

Los electrodos de trabajo y de referencia pueden definirse o diseñarse sobre los respectivos lados de la membrana utilizando máscaras. Contralectrodos y electrodo de seudo-referencia separados sobre la superficie áspera pueden definirse también utilizando máscaras. Esto puede eliminar la necesidad de un halogenuro de plata u otro electrodo de referencia.

También pueden utilizarse máscaras para definir las capas aislantes. Dichas capas pueden prepararse, por ejemplo, mediante polimerización de plasma. De forma alternativa, pueden estratificarse capas impermeables sobre la membrana como aislamiento. Sin embargo, la superficie objetivo a través de la cual la muestra interactúa con el sensor o membrana debería estar libre de dicho aislamiento. Esto puede conseguirse perforando o cortando una superficie después de que se hayan aplicado las capas. Se prefiere una pequeña superficie objetivo, por ejemplo de 1 mm^{2}, ya que una ventaja del nuevo sensor es la necesidad de un pequeño volumen de muestra, tal como 1 \mul, en comparación con alrededor de 25 \mul en el estado de la técnica.

También puede ser deseable un estratificado de una capa soporte sobre el lado liso del electrodo de trabajo, ya que creará una cavidad para el electrodo de trabajo, evitando el enfriamiento como resultado de la evaporación y permitiendo también que escape el aire, si existe, de la cavidad para el electrodo de trabajo a través de ranuras de la capa soporte.

La impregnación de la membrana con agentes preferidos, tales como GOD/ferricianuro, puede realizarse sobre una membrana sin tratar, sobre una membrana después de que se hayan aplicado los electrodos o sobre una membrana después de que se hayan aplicado las capas de aislamiento. El mediador químico puede impregnarse en el estado oxidado o reducido (por ejemplo, ferricianuro o ferrocianuro). Un mediador químico oxidado minimizará la corriente inicial.

Cualquier sustancia que interfiera electroquímicamente estará presente en concentración sustancialmente constante a lo largo de todo el ensayo. En contraste, la concentración del mediador químico reducido aumentará a medida que progrese el ensayo. Por consiguiente, un impulso de tensión al comienzo del ensayo medirá predominantemente las sustancias que interfieren electroquímicamente, mientras que un impulso al final del ensayo medirá las sustancias que interfieren electroquímicamente más el mediador químico reducido por el paso de la glucosa. La diferencia entre la segunda y la primera señales eliminará o reducirá el efecto de las sustancias que interfieren electroquímicamente. Por ejemplo, un impulso inicial de 0,1 a 10 segundos, por ejemplo de 2 segundos, mide el efecto de las sustancias que interfieren electroquímicamente. Se efectúa un subsiguiente retardo de 1 a 100 segundos, por ejemplo de 8 segundos, desconectando los electrodos, tras lo que un impulso adicional mide de nuevo el efecto de las sustancias que interfieren electroquímicamente. No obstante, ahora existe una mayor corriente que depende de la glucosa debido a la acumulación del mediador químico reducido cerca del electrodo.

Otras ventajas de la presente invención son proporcionadas por el uso de una membrana porosa de forma asimétrica que separa el suero y los glóbulos rojos, permitiendo que interactúe con los reactivos un suero o substrato más limpio. Se reduce también la evaporación y/o interferencia de la muestra ya que la muestra es capaz de mantenerse y "de protegerse" dentro de la membrana, mejorando de nuevo la sensibilidad de la medida. La membrana con una función doble, que sirve como separador y como sensor, permite completar rápidamente una medida del nivel de glucosa, por ejemplo en alrededor de 20 segundos.

La sensibilidad del nuevo sensor puede mejorarse aún más mediante el empleo de dos electrodos de trabajo, ajustado cada uno a un potencial diferente, con la membrana impregnada de mediador químico oxidado o reducido, o de ferricianuro, permitiendo de este modo que los electrodos sean conmutados solamente durante los últimos pocos segundos o de forma continua. La resta de un valor del otro reducirá aún más los efectos de las substancias que interfieren electroquímicamente.

De forma similar, el uso de dos electrodos de trabajo de diferentes metales/aleaciones puede reducir aún más la contribución de las substancias que interfieren electroquímicamente.

Se entenderá que para su uso se necesita un aparato que defina las tensiones aplicadas a los electrodos y mida la corriente resultante.

Opcionalmente pueden incorporarse en el aparato sensores de humedad y/o temperatura para compensar los efectos de la humedad y de la temperatura.

Pueden emplearse otras variaciones sin salirse del alcance de la invención. Aunque la invención se ha descrito con referencia a un ejemplo específico, los expertos en la materia comprenderán que puede materializarse de muchas otras formas. Por ejemplo, la celda electroquímica de la invención puede incorporarse como un sensor en un analizador tipo bolígrafo o aguja, una tira desechable u otros dispositivos para uso externo o in-vivo.

Otros usos de la invención incluyen, por ejemplo, una disposición de delgadas celdas o electrodos colocados de una manera perpendicular para visualizadores electrocrómicos. Como un ejemplo, electrodos superpuestos podrían utilizarse para direccionar los elementos en una pantalla de gran superficie con actualización lenta. El direccionamiento selectivo de elementos de visualización en una superficie grande puede conseguirse mediante un campo concentrado a través del electrodo y de la membrana porosos en el punto en el que se cruzan los electrodos. Podría utilizarse un material electrocrómico para proporcionar un cambio de color en la superficie del electrodo. Por ejemplo, diferentes materiales electrocrómicos podrían inmovilizarse en la superficie de cada electrodo para proporcionar una pantalla de color.

Claims (24)

1. Una celda electroquímica que comprende una membrana porosa (8) de composición eléctricamente aislante, teniendo la membrana (8) poros que comunican un lado de la membrana (8) con el otro,

un electrodo de trabajo (5) dispuesto en un lado de la membrana (8),

un contraelectrodo o electrodo de seudo-referencia (7) dispuesto en el otro lado de la membrana (8),

en la que una superficie objetivo (11) de un electrodo (5, 7) es permeable a los líquidos y se extiende sobre una superficie de la membrana porosa (8) sin bloquear los poros subyacentes de la membrana (8),

y en la que las aberturas de los poros de la membrana tienen una mayor sección transversal en una superficie de la membrana que en la superficie opuesta.

2. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el electrodo de trabajo (5) comprende un metal seleccionado entre oro, platino, paladio, iridio, plomo y sus aleaciones.

3. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en la que el contraelectrodo o electrodo de seudo-referencia (7) comprende un material seleccionado entre oro, platino, paladio, plata y cloruro de plata.

4. Una celda electroquímica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el contraelectrodo o electrodo de seudo- referencia (7) comprende plata o cloruro de plata.

5. Una celda electromecánica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el electrodo de trabajo (5) se encuentra en el lado de la membrana (8) que tiene aberturas de poros de menor sección transversal.

6. Una celda electroquímica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la membrana (8) está impregnada con uno o más reactivos.

7. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 6, en la que la membrana (8) está impregnada con una enzima y con un mediador químico.

8. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 6, en la que la membrana (8) está impregnada con GOD y un mediador químico.

9. Una celda electroquímica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la membrana (8) está impregnada con GOD/ferricianuro.

10. Un método de detección de un analito en una muestra, que comprende las etapas de contactar la muestra con la superficie objetivo (11) de una celda electroquímica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, y de medir una señal electroquímica.

11. Un método de fabricación de una celda electroquímica, que comprende las etapas de disponer un electrodo de trabajo (5) sobre un lado de una membrana (8), teniendo dicha membrana (8) poros que comunican un lado de la membrana con el otro y teniendo los poros una sección transversal mayor en un lado de la membrana (8) que en el otro, y disponer un contraelectrodo o electrodo de seudo- referencia (7) en el lado de la membrana (8) opuesto al primero, comprendiendo al menos uno de los electrodos (5, 7) una superficie objetivo que es permeable a los líquidos y que se extiende sobre una superficie de la membrana porosa (8) sin bloquear los poros subyacentes.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que al menos uno de los electrodos (5, 7) se forma sobre una superficie de la membrana (8).

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 11 ó 12, en el que al menos uno de los electrodos (5, 7) se forma mediante pulverización catódica, chapado no electrolítico, galvanoplastia, evaporación o anodización.

14. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que un electrodo de trabajo (5) se dispone en el lado de la membrana (8) que tiene poros de menor sección transversal.

15. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, que comprende además la etapa de cubrir el electrodo de trabajo (5) con una capa impermeable excepto en una o más superficies "objetivo" (11).

16. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, que comprende además la etapa de formar un electrodo de referencia (7) sobre el lado de la membrana (8) opuesto al del electrodo de trabajo (5).

17. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, que comprende además la etapa de formar un electrodo de referencia (7) sobre el mismo lado que el electrodo de trabajo (5).

18. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, en el que el electrodo de referencia comprende plata y/o cloruro de plata.

19. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18, que comprende además el impregnar la membrana porosa (8) con uno o más mediadores químicos.

20. Un método de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el mediador químico está en un estado oxidado.

21. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 20, en el que la membrana porosa está impregnada con GOD/ferricianuro.

22. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de aplicar una composición eléctricamente aislante sobre al menos una parte de una superficie de electrodo (5, 7).

23. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la membrana (8) comprende un polímero seleccionado entre polisulfonas, poliamidas, poli(halogenuros de vinilideno), poliacrilonitrilos y policarbonatos.

24. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 23, en el que la membrana (8) es hidrófila, inerte y no lisa los glóbulos rojos.