JP2005513500A - マイクロバンド電極 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは、マイクロ電極がレセプタクルの形状をしているとき、先に論じた問題を最小化できることを見出した。レセプタクルは、典型的には小さな表面積を有する作用電極をレセプタクルの壁に含む。又、対極も存在しており、この電極は、典型的には作用電極よりずっと大きな表面積を有し、一般的には作用電極より少なくとも一桁大きな表面積を有する。電気活性物質は、レセプタクルに配置されてもよいし、場合により所定の位置で乾燥させる。その後、試験が実施できるように、試料をレセプタクルに入れる。
(a)場合により対極層で被覆される絶縁材料を含む第一部分を形成する工程;
(b)絶縁材料の二層間に作用電極層のラミネートを含む第二部分を形成する工程;
(c)第二部分に穴を作製する工程;及び
(d)該第一部分を該第二部分に接合し、レセプタクルを形成する工程、
を含む、先に記載したような電気化学セルを製造する方法を提供する。
(a)試料を本発明の電気化学セル又はマルチ検体装置に挿入する工程;
(b)マイクロ電極の作用電極と対極との間に電圧又は電流を印加する工程;及び
(c)マイクロ電極全体にわたって生じた電流、電圧又は電荷を測定する工程、を含む、物質を電気化学的に試験する方法を提供する。
電気化学セルは、電気的に互いに接続される作用電極及び対極を含む。使用するとき、電極の各々で発生する電気化学反応は、電子が電極に流入したり電極から流出したりする原因となり、よって、電流を生じさせる。電気化学セルは、生じた電流を、例えば電池の形状で利用するように、あるいは印加された電流又は電圧により誘導される電気化学反応を検出するように、組み立てることができる。
本発明の第一実施形態を図1に示す。この実施形態において、電気化学セルは、マイクロ電極を有する。マイクロ電極は、50μm以下の少なくとも一つの寸法を有する。マイクロ電極は、サイクリック・ボルタンメトリーを使用するとき、代表的なマイクロ電極応答を示す。本発明のマイクロ電極は、大きな寸法、すなわち、50μmより大きい一つ以上の寸法を有してもよい。これらの大きな寸法のために、本発明の電気化学セルは、通常はマイクロ電極と関連しないいくつかの特徴を示すこともある。例えば、本発明の電気化学セルは、ある程度のコットレル電流を示すこともある。したがって、本明細書の目的上、用語マイクロ電極は、50μm以下の少なくとも一つの寸法を有するどのような電極も含めるように解釈される。
以下に記載される以外、第一の実施形態と同一である本発明の二番目の実施形態が、図2に示される。この実施形態において、セルは、作用電極及び対極に加えて、一つ以上の参照電極9を含む。参照電極が全く存在しない場合(先に記載した第一実施形態のように)、対極は、参照電極又は擬似参照電極として機能する。典型的には、参照電極は、レセプタクル2の壁に配置されるだろう。例えば、参照電極は、連続した帯の形状をしていてもよい。対極6及び作用電極5は、図2に示すように、参照電極9がそれらの間に設置されるように位置決めされてもよいし、又は対極6及び作用電極5が隣り合ってもよい。典型的には、参照電極は、Ag/AgSO4、炭素、Ag/AgCl、パラジウム、金、プラチナ、Cu/CuSO4、Hg/HgCl2又はHg/HgSO4から作製される。参照電極は、好ましくは炭素、Ag/AgCl、パラジウム、金、プラチナ、Cu/CuSO4、Hg/HgCl2又はHg/HgSO4から作製される。これらの材料は、それぞれ導電性インクの形状で提供されてもよい。導電性インクは、付加的な材料、例えばプラチナ及びグラファイトを含む改良されたインクであってもよい。
以下に記載するようなことを除いて、第一又は第二の実施形態のいずれかと同一である本発明の第三の実施形態が、図3に示される。本発明のこの実施形態は、作用電極、対極、及び場合により、参照電極に加えて、一つ以上の更なる電極10及び10′を含む多環状電極である。一つ以上の更なる電極10及び10′は、典型的には付加的な作用電極として機能する。好ましくは、対極6が、対極及び参照電極の両者として機能し、実施形態2に記載されるような別個の参照電極は、存在しない。
以下に記載するようなことを除いて、第一、第二又は第三の実施形態と同一である本発明の第四の実施形態は、図4に示されている。この実施形態において、セルは、試料がレセプタクルに入れるように一つ以上の毛細管チャネル11を含む。毛細管チャネルは、例えば、毛細管フィルムで被覆される。適切な毛細管フィルムの例は、メリネックス(Melinex)又はエアケア(ARcare)(登録商標)等のPETフィルム、アドヒシブ・リサーチ(Adhesive Research)製粘着剤コートフィルム及びエアケア(登録商標)8877等の親水性コートフィルムであり、それらは、よりよい毛細管機能を提供できる。この実施形態において、レセプタクルは、実質的に不浸透性の材料12で好ましくは被覆される。典型的には、不浸透性の材料12は、先に記載したように毛細管フィルムである。一つ以上の毛細管チャネル11は、例えば、レセプタクルの壁2に設置され、そこを通って試料は、レセプタクルに入ることができる。典型的には、図4に示されるように、毛細管チャネル11は、壁2が不浸透性の材料12と交わる点に設置される。
本発明の他の実施形態が、図5に示されている。この実施形態は、以下に記載するようなことを除いて、先に論じた実施形態1から4のいずれか一つと同一である。この実施形態のセルにおける対極6は、レセプタクルの壁2に設置される。対極は、例えばレセプタクルの壁を取り巻く連続した帯の形状をしている。
図6に示す本発明の更なる実施形態は、セルを基板21上に配置するときにレセプタクルが完成される、上記の電気化学セルの改良に関する。この方法において、基板21は、レセプタクルの基部を形成する。この実施形態のセルは、基部1の位置に開放部を有するので、セル単独では必ずしもレセプタクルの形状とならない。しかしながら、セルが、別の基板21上に配置されるとき、セルは基板とともにレセプタクルを形成する。
また、本発明は、この発明の二つ以上のマイクロ電極を含むマルチ検体装置を、例えば、上記の実施形態1〜6のいずれか一つにしたがって提供する。マルチ検体装置のマイクロ電極は、各々同一の又は異なる設計であってもよい。本発明に係る代表的なマルチ検体装置は、図7、8及び9に記載されている。典型的には、マルチ検体装置は、一つ以上のマイクロ電極13a、b、c及びdを含有するプレート又はストリップ14を含む。試料が各レセプタクルに挿入されるとき、実施される測定においてエラーを検出又は排除するため、いくつかの異なる試験が行われてもよいし、又は同一の試験が数回繰り返されてもよいように、各マイクロ電極は、同一又は異なる電気活性物質を含有してもよい。さらに、マイクロ電極は、異なる電位で設定してもよく、同一の試料に対して異なる測定値を再度提供する。
マルチ検体装置の電気トラック15は、典型的には装置の上部表面上にある。測定装置16にその後接続させる表面トラック15に対極、任意の参照電極及び作用電極を接続するために、フィルドビア(filled via)を使用するか、又は、直接装置に接続させるよう、ラミネートされたバック電極/対極を配置することができる。
本発明の第一実施形態の電気化学セルを製造する方法が、図10に示される。セルは、
(a)場合により対極層18bで被覆されている絶縁材料18aを含む第一部分18を形成する工程;
(b)絶縁材料の二層19b及びcの間の作用電極層19aのラミネートを含む第二部分19を形成する工程;
(c)第二部分に穴19dを作製する工程;及び
(d)該第一部分18を該第二部分19に接合させてレセプタクルを形成する工程、を含む方法により製造されてもよい。
330t/インチを使用するとき、プリントのおよその厚さは=7μm
305t/インチ/120t/cm =10μm
195t/インチ/77t/cm =15μm
156t/インチ/61t/cm =20μm
83t/インチ/ =25μm
1.コーツカーボン(Coates Carbon)26−8203
2.エルコン(Ercon)G449
3.デュポンL881
1.ロンシール(Ronseal)ウルトラ・タフ・ハードグレーズ・クリア・バーニッシュ
2.エルコンE6165−116ブルー・インシュレーター
3.デュポン5036エンキャプシュラント
4.コーツ・スクリーン・フレックス・カバーレー
1.ジェム(Gem)銀/塩化銀
2.エルコンE0430−128
3.デュポン5874コンダクタ
(a)絶縁材料を含む第一部分を形成する工程;
(b)絶縁材料の二層の間に作用電極層のラミネートを含む第二部分を形成する工程;
(c)穴及び毛細管チャネルを第二部分に作製し、試料を該穴に導入することを可能にする工程;
(d)該第一部分を該第二部分に接合し、レセプタクルを形成する工程;
(e)先に記載したような電気活性物質をレセプタクルに配置し、場合により電気活性物質を乾燥させる工程;及び
(f)場合により対極材料で被覆される層を、該レセプタクルの開放端に接合する工程、を含む。
(a)絶縁材料の二つの層19b及びcの間に作用電極層19aのラミネートを含む第二部分19を形成する工程;
(b)第二部分に穴19dを作製する工程;及び場合により
(c)対極材料で被覆される層を該第二部分に接合する工程、を含む。
本発明の電気化学セルは、スクリーニング目的、すなわち液体試料を選別するため、主としてマイクロ電極として使用することを目的としている。例えば、セルは、水、ビール、ワイン、血液又は尿試料、又は他の生物学的若しくは非生物学的流体試料における種々の物質の含有量を決定するために使用されてもよい。セルは、例えば、環境アセスメント用試料のペンタクロロフェノール含有量を決定するため;心臓に関する危険因子を分析するのに使用するコレステロール、HDL、LDL及び中性脂肪の値を測定するため;又はグルコース値を、例えば、糖尿病患者用に測定したりするため;使用されてもよい。本発明のセルに対する適切な使用の更なる例は、腎臓病で苦しむ患者の状況を測定する腎臓モニターとしてである。この場合、セルは、尿中のクレアチニン尿素、カリウム及びナトリウムの値をモニターするために使用することができる。
実施例1:電気化学セルの製造
厚さ125μmのPETのベースフィルムを銀/塩化銀印刷用インクを使用して対極/参照電極で印刷し、その後90℃で30分間乾燥させた。
電極は、15μmのコーツカーボンインク26−8203層がスクリーン印刷され、続いて、30μmのロンシール・ウルトラ・タフ・ハードグレイズ・クリア・バーニッシュ(ポリウレタン及びイソシアネートを含有するバクセンデン・トリキシン(Baxenden trixine)を基にしたポリウレタン)の層がスクリーン印刷された250μmのPET層から構成された。この層に穴を開け、直径1mmの穴を作製した。上部に共通のAg/AgClの対極、参照電極を有する125μmのPET層から構成されるPETベース層が、作製された。その後、PETベース層は、エアケア7841シート接着剤を用いて、穴を開けた層に接着された。この電気化学セルを用いて、種々の試験が、実施例2a〜2fで後に記載するように実施された。
サイクリック・ボルタンメトリー電流を、塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH9のトリス緩衝液0.1mol dm-3中にルテニウム・ヘキサミン2、5、10、15及び20mmol dm-3の濃度を添加した後、Ag/AgClに対して−0.45Vで測定した。結果を図12に示す。
アンペロメトリー電流を、塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH9のトリス緩衝液0.1mol dm-3中にルテニウム・ヘキサミン2、5、10、15及び20mmol dm-3の濃度を添加した後、Ag/AgClのポテンシャルステップに対して−0.50Vを印加後、1秒測定した。結果を図13に示す。
ルテニウム・ヘキサミン0.2mol dm-3及びプタジアレドキシン・レダクターゼ(putadiaredoxin reductase)650KU/mLを含有する溶液0.2mLを乾燥させた電極に対して、サイクリック・ボルタンメトリー電流を、塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH9のトリス緩衝液0.1mol dm-3中にNADH2、4、6、8及び10mmol dm-3の濃度を添加した直後、Ag/AgClに対して0.15Vで測定した。結果を図14に示す。
ルテニウム・ヘキサミン0.2mol dm-3及びプタジアレドキシン・レダクターゼ650KU/mLを含有する溶液0.2mLを乾燥させた電極に対して、アンペロメトリック電流を、塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH9のトリス緩衝液0.1mol dm-3にNADH2、4、6、8及び10mmol dm-3の濃度を添加した直後、Ag/AgClに対して0.15Vの印加後、1秒測定された。結果を図15に示す。
アンペロメトリック電流を、グリセロール・デヒドロゲナーゼ150U/mL、NAD100mmol dm-3、ルテニウム・ヘキサミン100mmol dm-3、アンモニウム・スルフェート100mmol dm-3及び塩化カリウム100mmol dm-3を含有する溶液0.3mLを乾燥させた電極で、得られた塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH9のトリス緩衝液0.1mol dm-3中にグリセロール2、5、7.5、10、12.5及び15mmol dm-3の濃度を添加した後、Ag/AgClのポテンシャルステップに対して0.20Vを印加後、60秒測定した。結果を図16に示す。
アンペロメトリック電流比を、グリセロール・デヒドロゲナーゼ150U/mL、NAD100mmol dm-3、ルテニウム・ヘキサミン100mmol dm-3、アンモニウム・スルフェート100mmol dm-3及び塩化カリウム100mmol dm-3を含有する溶液0.3mLを乾燥させた電極で、得られた塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH9のトリス緩衝液0.1mol dm-3中にグリセロール2、5、7.5、10、12.5及び15mmol dm-3の濃度を添加した後、Ag/AgClのポテンシャルステップに対して−0.50Vを印加後、60秒測定した。結果を図17に示す。
電極を、7μmのコーツカーボンインク26−8203層がスクリーン印刷され、続いて、30μmのロンシール層がスクリーン印刷された250μmのPET層から構成した。この層に穴を開け、直径1mmの穴を作製した。ベース層を、10μmのAg/AgCl層を125μmのPETベース層上に印刷することにより形成した。その後、ベース層を、エアケア7841シート接着剤を用いて、穴を開けられた層に接着した。この電気化学セルを用いて、下記の実施例3a及び3bに記載される種々の試験を、実施した。
アンペロメトリック電流を、Ag/AgClのポテンシャルステップに対して−0.25Vを印加後、120秒測定した。窪みの底部に構成された共通の対極/参照電極を有する電極に対して、塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH7.4のリン酸カリウム緩衝液0.1mol dm-3中においてコレステロール・オキシダーゼ1KU/mL、ホースラディシュ・ペルオキシダーゼ200KU/mL、フェロシアン化カリウム33mmol dm-3を含む溶液にコレステロール1.5、2.25、3.0、4.5及び6.0mmol dm-3の濃度を添加した効果を示した。結果を図18に示す。
アンペロメトリック電流を、Ag/AgClのポテンシャルステップに対して−0.25Vを印加後、120秒測定した。ストリップの上部に構成された共通の対極/参照電極を有する電極に対して、塩化カリウム0.1mol dm-3を含有するpH7.4のリン酸カリウム緩衝液0.1mol dm-3においてコレステロール・オキシダーゼ1KU/mL、ホースラディシュ・ペルオキシダーゼ200KU/mL、フェロシアン化カリウム33mmol dm-3を含む溶液にコレステロール1.5、2.25、3.0、4.5及び6.0mmol dm-3の濃度を添加した効果を示した。結果を図19に示す。
電極を、7μmのエルコンカーボンインクG449C層がスクリーン印刷され、続いて、30μmのエルコンE65615−116D誘電体層が印刷された250μmのPET層から構成した。次いで、これに穴を開け、直径1mmの穴を作製した。125μmのPETベース層が、共通のAg/AgClの対極層/参照電極層(エルコンE6165−128を使用)で被覆された。その後、形成されたベース層を、加熱ラミネーションを用いて、穴を開けた層に接着した。
Claims (35)
- 単独でか又はそれが配置される基板と合わせてのいずれかで、レセプタクルの形状である電気化学セルであって、該セルは、対極及び作用電極を含み、少なくとも一つの電極が、50μm未満の少なくとも一つの寸法を有し、作用電極が、レセプタクルの壁にある電気化学セル。
- レセプタクルの形状である、請求項1記載の電気化学セル。
- 作用電極が、連続した帯の形状である、請求項1又は2記載の電気化学セル。
- 更に参照電極を含む、請求項1〜3のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 作用電極の表面積に対する対極の表面積の比率が、少なくとも25:1である、請求項1〜4のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 作用電極が、0.1〜20μmの範囲における少なくとも一つの寸法を有する、請求項1〜5のいずれか1項記載の電気化学セル。
- レセプタクルが、0.1〜5mmの幅を有する、請求項1〜6のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 対極と作用電極との間の最小距離が、10〜1000μmである、請求項1〜7のいずれか1項記載の電気化学セル。
- レセプタクルの基部及び/又は壁が、一つ以上の排気口チャネルを含む、請求項1〜8のいずれか1項記載の電気化学セル。
- レセプタクルが、電気活性物質を含む、請求項1〜9のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 電気活性物質を乾燥させた、請求項10記載の電気化学セル。
- 電気活性物質が、酵素を含む、請求項10又は11記載の電気化学セル。
- レセプタクルの基部が、電気活性物質を含む、請求項10〜12のいずれか1項記載の電気化学セル。
- レセプタクルの基部が、膜を含み、該膜が電気活性物質を含む、請求項10〜12のいずれか1項記載の電気化学セル。
- レセプタクルの開放端が、浸透性膜により少なくとも部分的に被覆されている、請求項1〜14のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 浸透性膜が、電気活性物質を含む、請求項15記載の電気化学セル。
- レセプタクルが、それを通して試料を導入することができる一つ以上の毛細管流動チャネルを含む、請求項1〜16のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 対極が、レセプタクル基部の少なくとも一部を形成する、請求項1〜17のいずれか1項記載の電気化学セル。
- レセプタクルが、対極を含む層により被覆されている、請求項17記載の電気化学セル。
- 対極が、レセプタクルの壁にある、請求項1〜17のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 液体試料を選別するのに適した、請求項1〜20のいずれか1項記載の電気化学セル。
- 請求項1〜21のいずれか1項記載の複数の電気化学セルを含むマルチ検体装置。
- (a)場合により対極層で被覆される絶縁材料を含む第一部分を形成する工程;
(b)絶縁材料の二層間に作用電極層のラミネートを含む第二部分を形成する工程;
(c)第二部分に穴を作製する工程;及び
(d)該第一部分を該第二部分に接合し、レセプタクルを形成する工程、
を含む、請求項1〜22のいずれか1項記載の電気化学セルを製造する方法。 - 第二部分が、絶縁材料の二層間に対極層のラミネートを含む、請求項23記載の方法。
- 第一部分が、電気活性物質を含む、請求項23記載の方法。
- 請求項10又は12記載の電気活性物質をレセプタクルに配置し、場合により電気活性物質を乾燥させることを更に含む、請求項23又は24記載の方法。
- レセプタクルの開放端の少なくとも一部にわたって膜を配置することを更に含む、請求項23〜26のいずれか1項記載の方法。
- 工程(c)が、マルチ検体装置を形成するために、該第二部分に二つ以上の穴を形成することを含む、請求項23〜27のいずれか1項記載の方法。
- (a)絶縁材料の二層間に作用電極層のラミネートを含む第二部分を形成する工程;
(b)第二部分に穴を作製する工程;及び場合により、
(c)対極材料で被覆される層を該第二部分に接合する工程、
を含む、請求項1〜22のいずれか1項記載の電気化学セルを製造する方法。 - 第二部分が、絶縁材料の二層間に対極層のラミネートを含む、請求項29記載の方法。
- (a)絶縁材料を含む第一部分を形成する工程;
(b)絶縁材料の二層間に作用電極層のラミネートを含む第二部分を形成する工程;
(c)第二部分に穴及び毛細管チャネルを作製し、試料を該穴に導入することを可能にする工程;
(d)該第一部分を該第二部分に接合し、レセプタクルを形成する工程;
(e)電気活性物質をレセプタクルに配置し、場合により電気活性物質を乾燥させる工程;及び
(f)場合により対極材料で被覆される層を該レセプタクルの開放端に接合する工程、
を含む、請求項23又は24記載の方法。 - 工程(c)が、二つ以上の穴及び二つ以上の毛細管チャネルを該第二部分に形成し、試料を二つ以上の該穴に導入することを可能にすることを含み、そして工程(e)が、マルチ検体装置を形成するために、同一又は異なってもよい電気活性物質を工程(d)で形成された一つ以上のレセプタクルに挿入することを含む、請求項31記載の方法。
- 請求項31又は32記載の工程(a)、(b)、(c)、(d)及び(f)を含み、かつ第一部分が、電気活性物質を含む、請求項31又は32記載の方法の改良。
- 一つ以上の電極が、スクリーン印刷又はインクジェット印刷により基板上に形成される、請求項23〜33のいずれか1項記載の方法。
- (a)請求項1〜21のいずれか1項記載の電気化学セル又は請求項22記載のマルチ検体装置に試料を挿入する工程;
(b)マイクロ電極の作用電極と対極との間に電圧又は電流を印加する工程;及び
(c)マイクロ電極全体にわたって生じた電流、電圧又は電荷を測定する工程、
を含む、試料の一つ以上の化合物を電気化学的に試験する方法。
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