RU2263904C2 - Antioxidant sensor - Google Patents
Antioxidant sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2263904C2 RU2263904C2 RU2003104354/28A RU2003104354A RU2263904C2 RU 2263904 C2 RU2263904 C2 RU 2263904C2 RU 2003104354/28 A RU2003104354/28 A RU 2003104354/28A RU 2003104354 A RU2003104354 A RU 2003104354A RU 2263904 C2 RU2263904 C2 RU 2263904C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- sample
- reagent
- sensor chamber
- analyte
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Description
Область изобретенияField of Invention
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для измерения уровня анализируемого вещества, представляющего собой оксидант или антиоксидант, в образце жидкости. Устройство содержит заменяемую электрохимическую ячейку, содержащую реагент, способный непосредственно подвергаться окислительно-восстановительной реакции с анализируемым веществом.The present invention relates to a device and method for measuring the level of an analyte, which is an oxidant or antioxidant, in a sample of liquid. The device contains a replaceable electrochemical cell containing a reagent capable of directly undergoing a redox reaction with the analyte.
Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Реакция окисления, определяемая в широком смысле, включает в себя перенос одного или нескольких электронов от одной молекулы или атома (восстанавливающий агент или восстановитель) к другой (окислительный агент или оксидант). Реакции окисления осуществляются в большом множестве систем, например в пищевых продуктах, живых организмах и в питьевой воде, и могут быть вредными или полезными. Пищевые продукты, соприкасающиеся с кислородом, могут подвергаться окислительной деградации, приводящей к генерации нежелательных ароматов и запахов, к разрушению жирорастворимых витаминов и основных жирных кислот, а также к появлению токсичных продуктов деградации. Полезные реакции окисления в пищевых продуктах включают в себя такие реакции между природными или синтетическими антиоксидантами и оксидантами, что при этом предотвращается участие оксиданта во вредных реакциях окисления.The oxidation reaction, defined in a broad sense, involves the transfer of one or more electrons from one molecule or atom (a reducing agent or reducing agent) to another (oxidizing agent or oxidant). Oxidation reactions are carried out in a wide variety of systems, for example, in food products, living organisms and in drinking water, and can be harmful or beneficial. Foods in contact with oxygen can undergo oxidative degradation, leading to the generation of undesirable aromas and odors, to the destruction of fat-soluble vitamins and essential fatty acids, and to the appearance of toxic degradation products. Useful oxidation reactions in food products include such reactions between natural or synthetic antioxidants and oxidants that the participation of the oxidant in harmful oxidation reactions is prevented.
Таким образом, во многих областях является желательным иметь возможность для измерения уровней оксиданта или антиоксиданта в образце жидкости. Например, является желательным с точки зрения контроля качества при производстве, а также мониторинга здоровья, измерение уровня консервантов, таких как диоксид серы, в вине или в пищевых продуктах, уровня аскорбиновой кислоты во фруктах, овощах, напитках и биологических жидкостях и уровня хлора или пероксидов в воде. Удобнее всего, чтобы эти тесты были быстрыми и простыми для использования и были приспособлены для использования в полевых и лабораторных условиях.Thus, in many areas, it is desirable to be able to measure oxidant or antioxidant levels in a fluid sample. For example, it is desirable from the point of view of quality control in production as well as health monitoring, measuring the level of preservatives such as sulfur dioxide in wine or food, the level of ascorbic acid in fruits, vegetables, drinks and biological fluids and the level of chlorine or peroxides in water. Most conveniently, these tests are quick and easy to use and are adapted for use in the field and laboratory conditions.
Существующие способы для измерения этих компонентов требуют для успешного использования способа либо дорогостоящих лабораторных устройств, либо опытных операторов. Например, сенсор для детектирования агентов-антиоксидантов в масле описан в патенте США 5518590. Однако этот сенсор не приспособлен для единственного, одноразового использования и не использует окислительно-восстановительного агента. Является, следовательно, желательным иметь сенсор, сконструированный для единственного, одноразового использования, который может детектировать уровни оксиданта или антиоксиданта в образце жидкости путем использования окислительно-восстановительного реагента.Existing methods for measuring these components require for the successful use of the method either expensive laboratory devices or experienced operators. For example, a sensor for detecting antioxidant agents in oil is described in US Pat. No. 5,518,590. However, this sensor is not suitable for a single, single use and does not use a redox agent. It is therefore desirable to have a sensor designed for a single, one-time use that can detect oxidant or antioxidant levels in a liquid sample by using a redox reagent.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Предусматриваются устройство и способ для измерения анализируемых веществ, представляющих собой оксиданты и антиоксиданты, с помощью заменяемого сенсорного элемента, пригодного для одноразового использования, который может быть объединен с измерителем для осуществления четкого, быстрого и простого при использовании теста, который может быть использован как в полевых, так и в лабораторных условиях. В частности, предусматривается способ применения электрохимического сенсора, который использует окислительно-восстановительный агент, который взаимодействует с анализируемым веществом, представляющим интерес, с получением электрохимически детектируемого сигнала.A device and method are provided for measuring analytes, which are oxidants and antioxidants, using a replaceable sensor element suitable for single use, which can be combined with a meter to carry out a clear, quick and easy to use test that can be used both in field and in the laboratory. In particular, there is provided a method for using an electrochemical sensor that uses a redox agent that interacts with an analyte of interest to produce an electrochemically detectable signal.
В одном из вариантов воплощения предусматривается устройство для детектирования присутствия или отсутствия окислительно-восстановительного реакционноспособного анализируемого вещества в водном образце, причем устройство включает в себя электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, содержащийся внутри сенсорной камеры, причем электрохимическая ячейка сконструирована заменяемой после использования в одном отдельно взятом эксперименте и при этом реагент способен подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом с генерацией электрического сигнала, указывающего на присутствие или отсутствие анализируемого вещества.In one embodiment, a device is provided for detecting the presence or absence of a redox reactive analyte in an aqueous sample, the device including an electrochemical cell having a sensor chamber, a first electrode, a second electrode, an opening for introducing the sample into the sensor chamber, and a reagent, contained inside the sensor chamber, the electrochemical cell being designed to be replaceable after use in one single experiment NTE and wherein the reactant capable of undergoing a redox reaction with the analyte directly to the generation of electrical signal indicative of the presence or absence of the analyte.
В одном из аспектов настоящего варианта воплощения первый электрод представляет собой сенсорный электрод, который может состоять из платины, палладия, углерода, оксида индия, оксида олова, золота, иридия, меди, стали или их смесей. Первый электрод может также быть из серебра. Первый электрод может формироваться с помощью такой методики, как напыление, осаждение из паровой или газовой фазы, трафаретная печать, термическое испарение, струйная печать, ультразвуковое распыление, щелевое покрытие, глубокая печать и литография.In one aspect of the present embodiment, the first electrode is a sensor electrode, which may consist of platinum, palladium, carbon, indium oxide, tin oxide, gold, iridium, copper, steel, or mixtures thereof. The first electrode may also be silver. The first electrode can be formed using techniques such as sputtering, vapor deposition or vapor deposition, screen printing, thermal evaporation, inkjet printing, ultrasonic atomization, slit coating, gravure printing and lithography.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения второй электрод представляет собой противоэлектрод. Второй электрод может включать в себя металл в контакте с солью металла, например серебро в контакте с хлоридом серебра, серебро в контакте с бромидом серебра, серебро в контакте с йодидом серебра, ртуть в контакте с хлоридом ртути (I) или ртуть в контакте с сульфатом ртути (I). Второй электрод также может быть электродом сравнения.In another aspect of the present embodiment, the second electrode is a counter electrode. The second electrode may include metal in contact with a metal salt, for example, silver in contact with silver chloride, silver in contact with silver bromide, silver in contact with silver iodide, mercury in contact with mercury (I) chloride, or mercury in contact with sulfate mercury (I). The second electrode may also be a reference electrode.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения электрохимическая ячейка дополнительно включает в себя третий электрод, такой как электрод сравнения. Третий электрод может включать в себя металл в контакте с солью металла, такой как серебро в контакте с хлоридом серебра, серебро в контакте с бромидом серебра, серебро в контакте с йодидом серебра, ртуть в контакте с хлоридом ртути (I) и ртуть в контакте с сульфатом ртути (I).In another aspect of the present embodiment, the electrochemical cell further includes a third electrode, such as a reference electrode. The third electrode may include metal in contact with a metal salt, such as silver in contact with silver chloride, silver in contact with silver bromide, silver in contact with silver iodide, mercury in contact with mercuric chloride (I), and mercury in contact with mercury sulfate (I).
В другом аспекте настоящего варианта воплощения реагент является способным к окислению анализируемого вещества, включающего в себя антиоксидант. Реагент может включать в себя феррицианидные соли, дихроматные соли, перманганатные соли, оксиды ванадия, дихлорфенолиндофенол, комплексы осмия с бипиридином и хиноны.In another aspect of the present embodiment, the reagent is capable of oxidizing an analyte including an antioxidant. The reagent may include ferricyanide salts, dichromate salts, permanganate salts, vanadium oxides, dichlorophenolindophenol, osmium complexes with bipyridine and quinones.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения реагент является способным к восстановлению анализируемого вещества, включающего в себя оксидант. Реагент может включать в себя йод, трийодидные соли, ферроцианидные соли, ферроцен, соли Cu(NH3)4 2+ и соли Co(NH3)6 3+.In another aspect of the present embodiment, the reagent is capable of reducing an analyte including an oxidizing agent. The reagent may include iodine, triiodide salts, ferrocyanide salts, ferrocene, Cu (NH 3 ) 4 2+ salts and Co (NH 3 ) 6 3+ salts.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения сенсорная камера дополнительно включает в себя буфер, содержащийся внутри сенсорной камеры. Буфер выбирается из группы, состоящей из фосфатов, карбонатов, солей щелочных металлов мелитиновой кислоты и солей щелочных металлов лимонной кислоты.In another aspect of the present embodiment, the sensor camera further includes a buffer contained within the sensor camera. The buffer is selected from the group consisting of phosphates, carbonates, alkali metal salts of melitic acid and alkali metal salts of citric acid.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения устройство дополнительно включает в себя нагревательный элемент. Нагревательный элемент может включать в себя электрический резистивный нагревательный элемент или экзотермическое вещество, содержащееся внутри сенсорной камеры, такое как хлорид алюминия, хлорид лития, бромид лития, йодид лития, сульфат лития, хлорид магния, бромид магния, йодид магния, сульфат магния и их смеси.In another aspect of the present embodiment, the device further includes a heating element. The heating element may include an electric resistive heating element or an exothermic substance contained within the sensor chamber, such as aluminum chloride, lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium sulfate, magnesium chloride, magnesium bromide, magnesium iodide, magnesium sulfate and mixtures thereof .
В другом аспекте настоящего варианта воплощения сенсорная камера включает в себя поддерживающее средство, содержащееся внутри сенсорной камеры. Поддерживающее средство может включать в себя сетку, лист нетканого материала, волокнистый наполнитель, макропористую мембрану, спеченный порошок и их сочетания. Либо реагент, либо буфер, либо оба они могут находиться внутри поддерживающего средства или быть нанесенными на поддерживающее средство.In another aspect of the present embodiment, the sensor camera includes support means contained within the sensor camera. The support means may include a mesh, a sheet of nonwoven material, a fibrous filler, a macroporous membrane, sintered powder, and combinations thereof. Either the reagent, or the buffer, or both of them can be inside the support agent or be applied to the support agent.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения второй электрод устанавливается напротив и на расстоянии, меньшем чем примерно 500 микрон, от первого электрода, меньшем чем примерно 150 микрон от первого электрода, или меньшем чем примерно 150 микрон, и большем чем примерно 50 микрон от первого электрода.In another aspect of the present embodiment, the second electrode is mounted opposite and at a distance of less than about 500 microns from the first electrode, less than about 150 microns from the first electrode, or less than about 150 microns, and greater than about 50 microns from the first electrode.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения устройство дополнительно включает в себя интерфейс для коммуникации с измерителем. Интерфейс может передавать напряжение или ток.In another aspect of the present embodiment, the device further includes an interface for communicating with the meter. An interface can transmit voltage or current.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения электрохимическая ячейка включает в себя тонкослойную электрохимическую ячейку.In another aspect of the present embodiment, the electrochemical cell includes a thin layer electrochemical cell.
Во втором варианте воплощения предусматривается способ детектирования присутствия или отсутствия в водном образце окислительно-восстановительного реакционноспособного анализируемого вещества, который включает в себя обеспечение наличия устройства для детектирования присутствия или отсутствия в водном образце анализируемого вещества, причем устройство включает в себя электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, содержащийся внутри сенсорной камеры, при этом электрохимическая ячейка сконструирована заменяемой после использования в одном отдельно взятом эксперименте, а реагент способен подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом с генерацией электрического сигнала, указывающего на присутствие или отсутствие анализируемого вещества; обеспечение наличия водного образца; предоставление возможности образцу для протекания через отверстие внутрь сенсорной камеры, так что сенсорная камера по существу заполняется; и получение (осуществление) электрохимического измерения, указывающего на присутствие или отсутствие анализируемого вещества, присутствующего в образце.In a second embodiment, there is provided a method for detecting the presence or absence of a redox reactive analyte in an aqueous sample, which includes providing a device for detecting the presence or absence of an analyte in an aqueous sample, the device including an electrochemical cell having a sensor chamber, a first electrode, a second electrode, an opening for introducing a sample into the sensor chamber and a reagent contained inside with a sensor chamber, the electrochemical cell being designed to be replaced after use in one particular experiment, and the reagent is capable of undergoing a redox reaction directly with the analyte with the generation of an electrical signal indicating the presence or absence of the analyte; ensuring the availability of a water sample; allowing the sample to flow through an opening into the interior of the sensor chamber so that the sensor chamber is substantially filled; and obtaining (carrying out) an electrochemical measurement indicating the presence or absence of an analyte present in the sample.
В одном из аспектов настоящего варианта воплощения электрохимическое измерение представляет собой амперометрическое измерение, потенциометрическое измерение, кулонометрическое измерение или количественное измерение.In one aspect of the present embodiment, the electrochemical measurement is an amperometric measurement, a potentiometric measurement, a coulometric measurement, or a quantitative measurement.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения способ включает в себя дополнительную стадию нагрева образца, где стадия нагрева предшествует стадии получения электрохимического измерения. Альтернативно, способ может включать в себя дополнительные стадии нагрева образца, где стадия нагрева следует за стадией получения электрохимического измерения; и после этого получение второго электрохимического измерения, указывающего на присутствие или отсутствие второго анализируемого вещества, присутствующего в образце.In another aspect of the present embodiment, the method includes an additional step of heating the sample, where the step of heating precedes the step of obtaining an electrochemical measurement. Alternatively, the method may include additional steps of heating the sample, where the step of heating follows the step of obtaining an electrochemical measurement; and then obtaining a second electrochemical measurement indicating the presence or absence of a second analyte present in the sample.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения сенсорная камера дополнительно включает в себя буфер, например фосфатный буфер, карбонатный буфер, соль щелочного металла мелитиновой кислоты и соль щелочного металла лимонной кислоты.In another aspect of the present embodiment, the sensor chamber further includes a buffer, for example a phosphate buffer, a carbonate buffer, an alkali metal salt of melitic acid and an alkali metal salt of citric acid.
В третьем варианте воплощения предусматривается способ измерения диоксида серы в образце вина, где диоксид серы имеет свободную форму и связанную форму и способен подвергаться окислительно-восстановительной реакции с реагентом, и окислительно-восстановительная реакция имеет кинетику реакции, причем способ включает в себя стадии обеспечения наличия устройства, включающего в себя электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, способный подвергаться окислительно-восстановительной реакции с диоксидом серы, где электрохимическая ячейка сконструирована заменяемой после использования в одном отдельно взятом эксперименте; помещения образца вина в электрохимическую ячейку, тем самым инициируя окислительно-восстановительную реакцию; и получения (осуществления) первого электрохимического измерения, указывающего на уровень диоксида серы в свободной форме.In a third embodiment, there is provided a method for measuring sulfur dioxide in a wine sample, where the sulfur dioxide is free and bound and is capable of undergoing a redox reaction with a reagent, and the redox reaction has reaction kinetics, the method including the steps of providing a device including an electrochemical cell having a sensor chamber, a first electrode, a second electrode, an opening for introducing a sample into the sensor chamber and a reagent capable of to undergo a redox reaction with sulfur dioxide, where the electrochemical cell is designed to be replaced after use in one single experiment; placing a sample of wine in an electrochemical cell, thereby initiating a redox reaction; and obtaining (implementing) a first electrochemical measurement indicating the level of sulfur dioxide in free form.
В одном из аспектов настоящего варианта воплощения способ дополнительно включает в себя стадии нагрева образца вина в течение периода времени, достаточного для того, чтобы диоксид серы в связанной форме прореагировал с реагентом, где стадия нагрева осуществляется после стадии получения первого электрохимического измерения; а после этого получение второго электрохимического измерения, указывающего на общий уровень диоксида серы в свободной форме и в связанной форме. Альтернативно, способ может включать в себя дополнительные стадии получения второго электрохимического измерения, указывающего на кинетику реакции диоксида серы в связанной форме с реагентом, где второе электрохимическое измерение получается после стадии получения первого электрохимического измерения; и вычисления уровня связанного диоксида серы с использованием кинетики реакции.In one aspect of the present embodiment, the method further includes the steps of heating the wine sample for a period of time sufficient for sulfur dioxide in associated form to react with the reagent, where the step of heating is carried out after the step of obtaining the first electrochemical measurement; and after that, obtaining a second electrochemical measurement indicating the total level of sulfur dioxide in free form and in bound form. Alternatively, the method may include additional steps for obtaining a second electrochemical measurement indicating the kinetics of the reaction of sulfur dioxide in coupled form with a reagent, where a second electrochemical measurement is obtained after the step of obtaining the first electrochemical measurement; and calculating the bound sulfur dioxide level using reaction kinetics.
В четвертом варианте воплощения предусматривается способ изготовления устройства для детектирования присутствия или отсутствия окислительно-восстановительного реакционноспособного анализируемого вещества в водном образце, причем устройство включает в себя электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, содержащийся внутри сенсорной камеры, при этом электрохимическая ячейка сконструирована заменяемой после использования в одном отдельно взятом эксперименте, и где реагент является способным подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом с генерацией электрического сигнала, указывающего на присутствие или отсутствие анализируемого вещества, причем способ включает в себя формирование отверстия, простирающегося сквозь лист материала, обладающего большим электрическим сопротивлением, при этом отверстие определяет боковую стенку сенсорной камеры; прикрепление первого слоя, имеющего первый электрод, к первой стороне листа и простирание поверх отверстия, определяя первую торцевую стенку сенсорной камеры, при этом первый электрод обращен к первой стороне листа; прикрепление второго слоя, имеющего второй электрод, ко второй стороне листа и простирание поверх отверстия, определяя вторую торцевую стенку сенсорной камеры с существенным совмещением с первым слоем при наложении, при этом второй электрод обращен ко второй стороне листа, при этом лист и слои формируют полоску; формирование отверстия в полоске для того, чтобы сделать возможным введение образца в сенсорную камеру; и обеспечение наличия реагента, способного подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом, где реагент содержится внутри сенсорной камеры.In a fourth embodiment, a method is provided for manufacturing a device for detecting the presence or absence of a redox reactive analyte in an aqueous sample, the device including an electrochemical cell having a sensor chamber, a first electrode, a second electrode, an opening for introducing the sample into the sensor chamber, and a reagent contained inside the sensor chamber, while the electrochemical cell is designed to be replaced after use in one of experimentally taken, and where the reagent is capable of undergoing a redox reaction directly with the analyte with the generation of an electrical signal indicating the presence or absence of the analyte, the method comprising forming a hole extending through a sheet of material having high electrical resistance, this hole defines the side wall of the sensor chamber; attaching a first layer having a first electrode to the first side of the sheet and extending over the hole, defining the first end wall of the sensor chamber, with the first electrode facing the first side of the sheet; attaching a second layer having a second electrode to the second side of the sheet and extending over the hole, defining the second end wall of the sensor chamber with significant alignment with the first layer when applied, with the second electrode facing the second side of the sheet, and the sheet and layers form a strip; forming a hole in the strip in order to make it possible to introduce the sample into the sensor chamber; and ensuring the availability of a reagent capable of undergoing a redox reaction directly with the analyte, where the reagent is contained within the sensor chamber.
В одном из аспектов настоящего варианта воплощения способ включает в себя дополнительную стадию обеспечения наличия вентиляционного канала в полоске, чтобы дать возможность для отвода воздуха, вытесняемого из сенсорной камеры, когда сенсорную камеру заполняет образец. Другая дополнительная стадия включает в себя прикрепление электрического резистивного нагревательного элемента к полоске.In one aspect of the present embodiment, the method includes an additional step of providing a vent in the strip to allow air to be displaced from the sensor chamber when the sensor chamber fills the sample. Another additional step involves attaching an electrical resistive heating element to the strip.
В дополнительном аспекте настоящего варианта воплощения отверстие имеет прямоугольное поперечное сечение.In a further aspect of the present embodiment, the opening has a rectangular cross section.
В дополнительном аспекте настоящего варианта воплощения по меньшей мере один из электродов включает в себя благородный металл, например палладий, платину и серебро. По меньшей мере один из электродов может представлять собой осажденный напылением слой металла. Электроды могут быть приклеены к листу, например, с помощью клея, такого как термически активируемый клей, чувствительный к давлению клей, термически отверждаемый клей, химически отверждаемый клей, термоплавкий клей или термически размягчаемый клей.In an additional aspect of the present embodiment, at least one of the electrodes includes a noble metal, such as palladium, platinum and silver. At least one of the electrodes may be a sputter-deposited metal layer. The electrodes can be glued to the sheet, for example, with an adhesive such as a thermally activated adhesive, a pressure sensitive adhesive, a thermoset adhesive, a chemically adhesive, a hot melt adhesive or a thermally softened adhesive.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения способ включает в себя дополнительные стадии, такие как обеспечение наличия экзотермического вещества или буфера, содержащегося внутри сенсорной камеры; нанесение с помощью печати реагента или буфера на по меньшей мере одну из стенок сенсорной камеры; или обеспечение наличия поддерживающего средства, такого как сетка, волокнистый наполнитель, макропористая мембрана, спеченный порошок и их сочетания, содержащегося внутри сенсорной камеры. Реагент может быть нанесен на поддерживающее средство или содержаться внутри него.In another aspect of the present embodiment, the method includes additional steps, such as providing an exothermic substance or buffer contained within the sensor chamber; applying by printing a reagent or buffer to at least one of the walls of the sensor chamber; or providing a support agent, such as a mesh, fibrous filler, macroporous membrane, sintered powder, and combinations thereof contained within the sensor chamber. The reagent may be applied to or contained within a support agent.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения по меньшей мере лист или один из слоев устройства, изготавливаемого в соответствии с настоящим способом, представляет собой полимерный материал, выбранный из группы, состоящей из сложного полиэфира, полистирола, поликарбоната, полиолефина и их смесей. Альтернативно, по меньшей мере лист или один из слоев представляет собой полиэтилентерефталат.In another aspect of the present embodiment, at least a sheet or one of the layers of a device manufactured in accordance with the present method is a polymer material selected from the group consisting of polyester, polystyrene, polycarbonate, polyolefin, and mixtures thereof. Alternatively, at least the sheet or one of the layers is polyethylene terephthalate.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения второй электрод прикрепляется напротив первого электрода на расстоянии, меньшем чем примерно 500 микрон, от первого электрода; меньшем чем примерно 150 микрон от первого электрода; или меньшем чем примерно 150 микрон, и большем чем примерно 50 микрон, от первого электрода.In another aspect of the present embodiment, the second electrode is attached opposite the first electrode at a distance of less than about 500 microns from the first electrode; less than about 150 microns from the first electrode; or less than about 150 microns, and greater than about 50 microns, from the first electrode.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 изображает вид сверху электрохимической ячейки.Figure 1 depicts a top view of the electrochemical cell.
Фиг.2 изображает вид в разрезе по линии 2-2 на фиг.1.FIG. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG. 1.
Фиг.3 изображает торцевой вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.1.Figure 3 depicts an end view in section along the line 3-3 in figure 1.
Фиг.4 схематически изображает нагреваемую электрохимическую ячейку в поперечном разрезе, взятом вдоль продольной средней линии ячейки.Figure 4 schematically depicts a heated electrochemical cell in cross section taken along the longitudinal midline of the cell.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощенийDetailed Description of Preferred Embodiments
Следующее далее описание и примеры подробно иллюстрируют предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения. Специалист в данной области техники заметит, что существуют многочисленные вариации и модификации настоящего изобретения, которые охватываются его сущностью. В соответствии с этим описание предпочтительного варианта воплощения не должно рассматриваться как ограничение сущности настоящего изобретения.The following description and examples illustrate in detail a preferred embodiment of the present invention. One skilled in the art will recognize that there are numerous variations and modifications of the present invention that are encompassed by its essence. Accordingly, the description of a preferred embodiment should not be construed as limiting the gist of the present invention.
Образец и анализируемое веществоSample and analyte
В предпочтительном варианте воплощения предусматриваются способ и устройство для измерения уровней оксиданта или антиоксиданта в образцах жидкости. Способ и устройство являются применимыми к любому оксиданту или антиоксиданту, который существует в образце жидкости в измеряемой репрезентативной концентрации. Антиоксиданты, которые могут анализироваться, включают в себя, например, диоксид серы и аскорбиновую кислоту. Оксиданты, которые могут анализироваться, включают в себя, например, хлор, бром, йод, пероксиды, гипохлорит и озон. Водонерастворимые оксиданты или антиоксиданты также могут анализироваться, в том случае если может быть приготовлена водная форма, например, путем использования детергента для приготовления эмульсии водонерастворимого окислительно-восстановительно реакционноспособного анализируемого вещества.In a preferred embodiment, a method and apparatus are provided for measuring levels of an oxidant or antioxidant in liquid samples. The method and apparatus are applicable to any oxidant or antioxidant that exists in a liquid sample at a measurable representative concentration. Antioxidants that can be analyzed include, for example, sulfur dioxide and ascorbic acid. Oxidants that can be analyzed include, for example, chlorine, bromine, iodine, peroxides, hypochlorite, and ozone. Water-insoluble oxidizing agents or antioxidants can also be analyzed if an aqueous form can be prepared, for example, by using a detergent to prepare an emulsion of a water-insoluble redox reactive analyte.
Способы и устройства для получения электрохимических измерений образцов жидкости дополнительно обсуждаются в совместной заявке на патент США №09/616433, поданной 14 июля 2000 года и озаглавленной "IMMUNOSENSOR", совместной заявке на патент США №09/616512, поданной 14 июля 2000 года и озаглавленной "HEMOGLOBIN SENSOR", и совместной заявке на патент США №09/616556, поданной 14 июля 2000 года и озаглавленной "ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING CHEMICAL REACTION RATES", каждая из которых включается сюда в качестве ссылки во всей ее полноте.Methods and devices for obtaining electrochemical measurements of fluid samples are further discussed in the joint application for US patent No. 09/616433, filed July 14, 2000 and entitled "IMMUNOSENSOR", the joint application for US patent No. 09/616512, filed July 14, 2000 and entitled "HEMOGLOBIN SENSOR," and U.S. Patent Application No. 09/616556, filed July 14, 2000, entitled "ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING CHEMICAL REACTION RATES", each of which is incorporated herein by reference in its entirety.
Устройство и способ могут быть использованы вместе с любым образцом, содержащим анализируемое вещество, который представляет собой жидкость и который способен к растворению окислительно-восстановительного реагента в достаточной степени. Типичные образцы включают в себя напитки, такие как фруктовый и овощной сок, газированные напитки, питьевую воду, пиво, вино и крепкие спиртные напитки. Однако не предполагается, что способ будет ограничиваться образцами съедобных продуктов. Если образец не находится в жидкой форме или не является способным к растворению окислительно-восстановительного реагента в достаточной степени, то анализируемое вещество, содержащееся в образце, может быть экстрагировано в соответствующую жидкость с использованием методик экстракции, хорошо известных в данной области техники. Образец может быть предварительно обработан перед его введением в электрохимическую ячейку. Например, значение pH может быть доведено до желаемого уровня посредством буфера или нейтрализующего агента, или может быть добавлено вещество, которое делает оксиданты или антиоксиданты, мешающие измерению, нереакционноспособными. Перед введением в ячейку образец также может предварительно нагреваться с тем, чтобы увеличить скорость, с которой протекает окислительно-восстановительная реакция.The device and method can be used together with any sample containing the analyte, which is a liquid and which is capable of dissolving the redox reagent sufficiently. Typical samples include drinks such as fruit and vegetable juice, carbonated drinks, drinking water, beer, wine, and spirits. However, it is not intended that the method be limited to edible product samples. If the sample is not in liquid form or is not capable of dissolving the redox reagent sufficiently, then the analyte contained in the sample can be extracted into the appropriate liquid using extraction techniques well known in the art. The sample may be pretreated before being introduced into the electrochemical cell. For example, the pH value may be adjusted to the desired level by means of a buffer or a neutralizing agent, or a substance may be added that renders oxidizing or antioxidants that interfere with the measurement non-reactive. Before being introduced into the cell, the sample can also be preheated in order to increase the rate at which the redox reaction proceeds.
Электрохимическая ячейкаElectrochemical cell
Электрохимическая ячейка предпочтительных вариантов воплощений является заменяемой и сконструирована для использования в одном отдельно взятом эксперименте. В предпочтительном варианте воплощения электрохимический слой представляет собой тонкослойный сенсор, такой как описан в патенте США №5942102 (включается сюда в качестве ссылки во всей своей полноте). Предпочтительный вариант воплощения такой электрохимической ячейки иллюстрируется на фиг.1-3. Ячейка, иллюстрируемая на фиг.1-3, включает в себя полиэфирную сердцевину 4, имеющую круглое отверстие 8. Отверстие 8 определяет цилиндрическую боковую стенку 12 ячейки. На одной стороне сердцевины 4 приклеен лист 1 из сложного полиэфира, имеющий напыленное покрытие из палладия 2. Лист приклеен посредством клея 3 к сердцевине 4, при этом палладий 2 размещается рядом с сердцевиной 4 и перекрывает отверстие 8. Второй лист 7 из сложного полиэфира, имеющий второе напыленное покрытие из палладия 6, приклеивается посредством контактного клея 5 к другой стороне сердцевины 4 и перекрывает отверстие 8. Тем самым, определяется ячейка, имеющая цилиндрическую боковую стенку 12, закрытую с каждого торца металлическим палладием 2, 6. В сборке сделаны вырезы 9, чтобы обеспечить поступление раствора в ячейку или его введение под действием впитывания или капиллярных сил и чтобы дать возможность воздуху для ухода. Металлические пленки 2, 6 соединены с соответствующими электрическими соединителями или структурами, с помощью которых могут прикладываться потенциалы и измеряться их изменения со временем.The electrochemical cell of the preferred embodiments is interchangeable and designed for use in one single experiment. In a preferred embodiment, the electrochemical layer is a thin-layer sensor, such as described in US Pat. No. 5,942,102 (incorporated herein by reference in its entirety). A preferred embodiment of such an electrochemical cell is illustrated in FIGS. 1-3. The cell illustrated in FIGS. 1-3 includes a
Такую тонкослойную электрохимическую ячейку получают сначала путем формирования отверстия, простирающегося сквозь лист материала, обладающего большим электрическим сопротивлением, причем отверстие определяет собой боковую стенку электрохимической ячейки. Соответствующие материалы, обладающие большим электрическим сопротивлением, которые могут быть использованы для изготовления листа, содержащего отверстие, или для других слоев ячейки включают в себя, например, такие материалы, как сложные полиэфиры, полистиролы, поликарбонаты, полиолефины, полиэтилентерефталат, их смеси и тому подобное. В предпочтительном варианте воплощения отверстие в листе является прямоугольным, хотя также могут быть использованы и другие формы, например круглая.Such a thin-layer electrochemical cell is first obtained by forming a hole extending through a sheet of material having high electrical resistance, the hole defining a side wall of the electrochemical cell. Suitable materials having high electrical resistance that can be used to make a sheet containing a hole or for other layers of the cell include, for example, materials such as polyesters, polystyrenes, polycarbonates, polyolefins, polyethylene terephthalate, mixtures thereof and the like. . In a preferred embodiment, the hole in the sheet is rectangular, although other shapes, such as round, may also be used.
После формирования отверстия первый тонкий слой электрода прикрепляют затем к одной стороне листа из материала, обладающего большим электрическим сопротивлением, простирая поверх отверстия (перекрывая отверстие) и формируя торцевую стенку. Слой может быть приклеен к листу, например, посредством клея. Соответствующие клеи включают в себя, например, термически активируемые клеи, чувствительные к давлению клеи, термически отверждаемые клеи, химически отверждаемые клеи, термоплавкие клеи, термически размягчаемые клеи и тому подобное. Слой электрода приготавливают путем покрытия (например, с помощью напыления) листа из материала, обладающего большим электрическим сопротивлением, соответствующим металлом, например палладием.After forming the hole, the first thin layer of the electrode is then attached to one side of the sheet of material having high electrical resistance, extending over the hole (blocking the hole) and forming the end wall. The layer can be glued to the sheet, for example, by means of glue. Suitable adhesives include, for example, thermally activated adhesives, pressure sensitive adhesives, thermoset adhesives, chemically set adhesives, hot melt adhesives, thermally softened adhesives, and the like. An electrode layer is prepared by coating (for example, by sputtering) a sheet of a material having high electrical resistance corresponding to a metal, for example palladium.
Затем второй тонкий слой электрода прикрепляют на противоположной стороне материала, обладающего большим электрическим сопротивлением, также простирая поверх отверстия (перекрывая отверстие), так что он формирует вторую торцевую стенку. В предпочтительном варианте воплощения слои электродов прикрепляются друг напротив друга на расстоянии, меньшем чем примерно 1 миллиметр, желательно меньшем чем примерно 800 микрон, более желательно меньшем чем примерно 600, или предпочтительно меньшем чем примерно 500 микрон, более предпочтительно меньшем чем примерно 300-150 микрон, еще более предпочтительно меньшем чем 150 микрон и наиболее предпочтительно в пределах между 25, 40, 50, 100 и 150 микронами. Затем создают второе отверстие или вход, чтобы жидкость могла поступать в ячейку. Такой вход может быть создан путем формирования выреза вдоль одного края устройства, который простирается сквозь слои электродов и отверстие. Слои электродов снабжены соединительными средствами, которые дают возможность для помещения сенсоров в измерительную цепь.Then, the second thin layer of the electrode is attached on the opposite side of the material having high electrical resistance, also extending over the hole (blocking the hole), so that it forms a second end wall. In a preferred embodiment, the electrode layers are attached to each other at a distance of less than about 1 millimeter, preferably less than about 800 microns, more preferably less than about 600 microns, or preferably less than about 500 microns, more preferably less than about 300-150 microns , even more preferably less than 150 microns, and most preferably in the range between 25, 40, 50, 100 and 150 microns. A second opening or inlet is then created so that fluid can enter the cell. Such an entrance can be created by forming a cutout along one edge of the device, which extends through the layers of the electrodes and the hole. The layers of the electrodes are equipped with connecting means, which make it possible to place the sensors in the measuring circuit.
Химикалии для использования в ячейке, такие как окислительно-восстановительные реагенты, буферы и другие вещества, могут быть нанесены (поддерживаться) на электроды или стенки ячейки, на одно или несколько независимых поддерживающих средств, содержащихся внутри ячейки, или могут быть самоподдерживающимися. Если химикалии должны наноситься на электроды или стенки ячейки, химикалии могут наноситься путем использования методик нанесения, хорошо известных в данной области техники, таких как струйная печать, трафаретная печать, литография, ультразвуковое распыление, щелевое покрытие, глубокая печать, и тому подобное. Соответствующие независимые поддерживающие средства могут включать в себя, но не ограничиваются этим, сетки, лист нетканого материала, волокнистые наполнители, макропористые мембраны и спеченные порошки. Химикалии для использования в ячейке могут наноситься на поддерживающее средство или содержаться в самом поддерживающем средстве.Chemicals for use in the cell, such as redox reagents, buffers, and other substances, can be applied (maintained) to the electrodes or walls of the cell, to one or more independent supportive agents contained within the cell, or can be self-sustaining. If chemicals are to be applied to the electrodes or cell walls, the chemicals can be applied using application methods well known in the art, such as inkjet printing, screen printing, lithography, ultrasonic spraying, crevice coating, gravure printing, and the like. Suitable independent supportive agents may include, but are not limited to, meshes, a sheet of nonwoven material, fibrous fillers, macroporous membranes, and sintered powders. Chemicals for use in the cell may be applied to the support agent or contained within the support agent itself.
В предпочтительном варианте воплощения материалы, используемые внутри ячейки, также как и материалы, используемые для конструирования ячейки, находятся в форме, пригодной для массового производства, а сами ячейки конструируются таким образом, чтобы их можно было использовать в одном отдельно взятом эксперименте, а затем выбросить.In a preferred embodiment, the materials used inside the cell, as well as the materials used to construct the cell, are in a form suitable for mass production, and the cells themselves are designed so that they can be used in one particular experiment, and then discarded .
В соответствии с предпочтительными вариантами воплощения заменяемая ячейка является ячейкой, которая является достаточно недорогой в производстве, так что она может экономически приемлемо использоваться всего в одном отдельно взятом тесте. Во-вторых, ячейку можно удобно использовать только в одном отдельно взятом тесте. «Неудобно» в этом контексте означает, что такие шаги, как промывка и/или повторная загрузка реагентов, должны быть предприняты для обработки ячейки после одного отдельно взятого использования, чтобы сделать ее пригодной для последующего использования.In accordance with preferred embodiments, the replaceable cell is a cell that is reasonably inexpensive to manufacture, so that it can be economically used in just one single test. Secondly, a cell can be conveniently used only in one particular test. “Inconvenient” in this context means that steps such as flushing and / or reloading reagents must be taken to process the cell after one single use to make it suitable for future use.
«Экономически приемлемо» в этом контексте означает, что конечная цена результата теста для пользователя является такой же или большей, чем стоимость покупки и использования ячейки, причем продажная цена ячейки задается стоимостью поставки ячейки пользователю плюс наценка. Для многих применений это соответствует требованию того, чтобы ячейки имели относительно низкие стоимости материалов и простые процессы изготовления. Например, материалы электродов для ячеек должны быть недорогими, такими как уголь, или должны использоваться в достаточно малых количествах с тем, чтобы могли быть использованы дорогие материалы. Трафаретная печать с помощью угольных или серебряных чернил представляет собой процесс, пригодный для формирования электродов с помощью относительно недорогих материалов. Однако если является желательным использование таких материалов электродов, как платина, палладий, золото или иридий, способы с лучшим использованием материалов, такие как нанесение напылением или осаждением из паровой или газовой фазы, являются более пригодными, поскольку они могут давать исключительно тонкие пленки. Предпочтительно, чтобы материалы подложек для заменяемых ячеек также были недорогими. Примеры таких недорогих материалов представляют собой полимеры, такие как поливинилхлорид, полиимид, сложный полиэфир, а также бумага и картон с нанесенным покрытием.“Economically acceptable” in this context means that the final price of the test result for the user is the same or higher than the cost of buying and using the cell, and the selling price of the cell is determined by the cost of delivering the cell to the user plus a mark-up. For many applications, this meets the requirement that the cells have relatively low material costs and simple fabrication processes. For example, electrode materials for cells must be inexpensive, such as coal, or must be used in sufficiently small quantities so that expensive materials can be used. Screen printing using carbon or silver ink is a process suitable for forming electrodes using relatively inexpensive materials. However, if it is desirable to use electrode materials such as platinum, palladium, gold or iridium, processes with better use of materials, such as spray or vapor deposition, are more suitable since they can produce exceptionally thin films. Preferably, the substrate materials for replaceable cells are also inexpensive. Examples of such inexpensive materials are polymers such as polyvinyl chloride, polyimide, polyester, and coated paper and paperboard.
Способы сборки ячеек предпочтительно являются пригодными для массового производства. Эти способы включают в себя изготовление множества ячеек на листах и разделение листа на индивидуальные полоски после основных стадий сборки, а также изготовление из полотна, где ячейки изготавливаются на непрерывном полотне, которое впоследствие разделяется на индивидуальные полоски. Листовые процессы являются наиболее пригодными для использования, когда для изготовления требуется точное пространственное совмещение множества деталей и/или когда должны использоваться жесткие материалы подложек в ячейках. Полотняные процессы являются наиболее пригодными для использования, когда совмещение деталей по полотну является не таким критичным, и поэтому могут использоваться гибкие материалы в виде полотен.Cell assembly methods are preferably suitable for mass production. These methods include manufacturing a plurality of cells on sheets and dividing the sheet into individual strips after the main assembly steps, as well as manufacturing from a web where cells are made on a continuous web, which is subsequently divided into individual strips. Sheet processes are most suitable for use when exact spatial alignment of multiple parts is required for fabrication and / or when rigid substrate materials in cells are to be used. Linen processes are most suitable for use when the combination of parts on the canvas is not so critical, and therefore flexible materials in the form of paintings can be used.
Требование удобного одноразового использования для заменяемой ячейки является желательным для того, чтобы пользователи не пытались повторно использовать ячейку и, возможно, получать неточный результат теста. Требование одноразового использования для ячейки может быть сформулировано в инструкциях для пользователей, прилагаемых к ячейке. Более предпочтительно, ячейка также может быть изготовлена таким образом, что использование ячейки более одного раза является сложным или невозможным. Это может быть достигнуто, например, путем включения в состав реагентов, которые вымываются или потребляются во время первого теста и поэтому являются нефункциональными во втором тесте. Альтернативно, сигнал, получаемый в ходе теста, может быть проверен на наличие показателей того, что реагенты в ячейке уже прореагировали, таких как аномально высокий начальный сигнал, после чего тест прерывается. Другой способ включает в себя обеспечение наличия средств для разрыва электрических соединений в ячейке после завершения первого теста в ячейке.The requirement of convenient one-time use for a replaceable cell is desirable so that users do not try to reuse the cell and possibly get an inaccurate test result. A one-time use requirement for a cell can be stated in the instructions for users attached to the cell. More preferably, the cell can also be made in such a way that using the cell more than once is difficult or impossible. This can be achieved, for example, by incorporating reagents that are washed or consumed during the first test and therefore are non-functional in the second test. Alternatively, the signal obtained during the test can be checked for indicators that the reagents in the cell have already reacted, such as an abnormally high initial signal, after which the test is interrupted. Another method includes providing means for breaking electrical connections in the cell after completion of the first test in the cell.
Ячейки для измерения антиоксидантов, известные из литературы, не соответствуют этим требованиям к заменяемости. Ячейка, описанная Richard J. Price et al., Analyst, November 1991, Vol.116, pages 1121-1123, использует серебряную проволоку, платиновую проволоку и платиновый диск в качестве электродов для ячейки, измеряющей антиоксиданты в масле. Платиновые проволоки являются слишком дорогими, чтобы их использовать в устройстве для одноразового использования согласно настоящей заявке, и ячейка сконструирована для непрерывного мониторинга, а не одного отдельно взятого теста. В патенте США №5518590 Fang описывает другую ячейку для измерения антиоксидантов в масле. Эта ячейка также использует платиновую проволоку в качестве электрода и также является сконструированной для непрерывного использования, а именно для эффективного осуществления множества тестов за определенное время. Эта ячейка также требует присутствия слоя жидкости или геля, содержащего полярный растворитель. Такое устройство является неприспособленным к массовому производству и хранению из-за необходимости в удержании жидких компонентов, возможно, в течение длинных периодов времени, перед использованием.Known from the literature for antioxidant measurement cells do not meet these replaceability requirements. The cell described by Richard J. Price et al., Analyst, November 1991, Vol. 116, pages 1121-1123, uses silver wire, a platinum wire and a platinum disk as electrodes for a cell measuring antioxidants in oil. Platinum wires are too expensive to be used in a disposable device according to the present application, and the cell is designed for continuous monitoring, rather than a single test. In US Pat. No. 5,518,590, Fang describes another cell for measuring antioxidants in oil. This cell also uses platinum wire as an electrode and is also designed for continuous use, namely for the efficient implementation of many tests in a given time. This cell also requires the presence of a layer of liquid or gel containing a polar solvent. Such a device is not suitable for mass production and storage due to the need to retain liquid components, possibly for long periods of time, before use.
ЭлектродыElectrodes
По меньшей мере один из электродов в ячейке представляет собой сенсорный электрод, определяемый как электрод, чувствительный к количеству восстановленного окислительно-восстановительного агента в случае антиоксиданта, или окисленного окислительно-восстановительного агента в случае оксиданта. В случае потенциометрического сенсора, где потенциал сенсорного электрода является показателем уровня присутствующего анализируемого вещества, присутствует второй электрод, действующий в качестве электрода сравнения, который действует, создавая потенциал сравнения.At least one of the electrodes in the cell is a sensor electrode, defined as an electrode that is sensitive to the amount of reduced redox agent in the case of an antioxidant, or an oxidized redox agent in the case of an oxidant. In the case of a potentiometric sensor, where the potential of the sensor electrode is an indicator of the level of analyte present, there is a second electrode acting as a reference electrode, which acts to create a reference potential.
В случае амперометрического сенсора, где ток сенсорного электрода является показателем уровня анализируемого вещества, в образце присутствует по меньшей мере еще один электрод, который функционирует как противоэлектрод для замыкания электрической цепи. Этот второй электрод может также функционировать в качестве электрода сравнения. Альтернативно, отдельный электрод может осуществлять функцию электрода сравнения.In the case of an amperometric sensor, where the current of the sensor electrode is an indicator of the level of the analyte, at least one more electrode is present in the sample, which functions as a counter electrode to close the electric circuit. This second electrode may also function as a reference electrode. Alternatively, a separate electrode may function as a reference electrode.
Материалы, пригодные для сенсорного электрода, противоэлектрода и для электрода сравнения, являются совместимыми с окислительно-восстановительными реагентами, присутствующими в устройстве. Совместимые материалы не должны химически взаимодействовать с окислительно-восстановительным реагентом или любым другим веществом, присутствующим в ячейке. Примеры таких соответствующих материалов включают в себя, но не ограничиваются этим, платину, палладий, углерод, оксид индия, оксид олова, смешанные оксиды (смеси оксидов) индия/олова, золото, серебро, иридий и их смеси. Эти материалы могут быть сформированы в структуры электродов с помощью любого пригодного способа, например путем напыления, осаждения из паровой или газовой фазы, трафаретной печати, термического испарения или литографии. В предпочтительных вариантах воплощения материал напыляется или наносится с помощью трафаретной печати для формирования структур электродов.Materials suitable for the sensor electrode, counter electrode, and reference electrode are compatible with redox reagents present in the device. Compatible materials should not chemically interact with the redox reagent or any other substance present in the cell. Examples of such appropriate materials include, but are not limited to, platinum, palladium, carbon, indium oxide, tin oxide, mixed indium / tin oxide mixtures (oxides), gold, silver, iridium, and mixtures thereof. These materials can be formed into electrode structures using any suitable method, for example, by sputtering, vapor or gas deposition, screen printing, thermal evaporation or lithography. In preferred embodiments, the material is sprayed or screen printed to form electrode structures.
Неограничивающие примеры материалов, пригодных для использования в электроде сравнения, включают в себя системы металл/соль металла, такие как серебро в контакте с хлоридом серебра, бромидом серебра или йодидом серебра и ртуть в контакте с хлоридом ртути (I) или сульфатом ртути (I). Металл может быть осажден с помощью любого пригодного способа, а затем приведен в контакт с соответствующей солью металла. Пригодные для использования способы включают в себя, например, электролиз в растворе соответствующей соли или химическое окисление. Такие системы металл/соль металла обеспечивают лучший контроль потенциала в способах потенциометрического измерения, чем системы только с металлическими компонентами. В предпочтительном варианте воплощения системы электродов металл/соль металла используются в качестве отдельного электрода сравнения в амперометрическом сенсоре.Non-limiting examples of materials suitable for use in a reference electrode include metal / metal salt systems such as silver in contact with silver chloride, silver bromide or silver iodide and mercury in contact with mercury chloride (I) or mercury sulfate (I) . The metal may be precipitated by any suitable method and then brought into contact with the corresponding metal salt. Suitable methods include, for example, electrolysis in a solution of the corresponding salt or chemical oxidation. Such metal / metal salt systems provide better potential control in potentiometric measurement methods than systems with only metal components. In a preferred embodiment, the metal / metal salt electrode systems are used as a separate reference electrode in an amperometric sensor.
Окислительно-восстановительный реагентRedox reagent
Пригодные для использования окислительно-восстановительные реагенты включают в себя такие реагенты, которые являются способными подвергаться окислительно-восстановительной реакции вместе с анализируемым веществом, представляющим интерес. Примеры таких окислительно-восстановительных реагентов, пригодных для использования при анализе анализируемых веществ-антиоксидантов, включают в себя, но не ограничиваются этим, соли феррицианида, дихромата, комплексы осмия с бипиридином, оксиды ванадия и перманганат. Органические окислительно-восстановительные реагенты, такие как дихлорфенолиндофенол и хиноны, также являются пригодными для использования. В предпочтительном варианте воплощения окислительно-восстановительный реагент для анализа антиоксиданта представляет собой феррицианид. Примеры реагентов, пригодных для использования при анализе анализируемых веществ-оксидантов, включают в себя йод и соли трийодида, ферроцианид, ферроцен, Cu(NH3)4 2+ и Co(NH3)6 3+. В предпочтительном варианте воплощения окислительно-восстановительный реагент для измерения оксиданта представляет собой ферроцианид.Suitable redox reagents include those that are capable of undergoing a redox reaction together with the analyte of interest. Examples of such redox reagents suitable for use in the analysis of antioxidant analytes include, but are not limited to, salts of ferricyanide, dichromate, osmium complexes with bipyridine, vanadium oxides and permanganate. Organic redox reagents such as dichlorophenolindophenol and quinones are also suitable for use. In a preferred embodiment, the redox reagent for antioxidant analysis is ferricyanide. Examples of reagents suitable for use in the analysis of analyte oxidizing agents include iodine and salts of triiodide, ferrocyanide, ferrocene, Cu (NH 3 ) 4 2+ and Co (NH 3 ) 6 3+ . In a preferred embodiment, the redox reagent for measuring the oxidant is ferrocyanide.
БуферBuffer
При необходимости в электрохимической ячейке может присутствовать буфер вместе с окислительно-восстановительным реагентом в высушенной форме. Если используется буфер, он присутствует в таком количестве, что получаемый в результате уровень pH является пригодным для установления окислительного (или восстановительного) потенциала окислительно-восстановительного реагента на уровне, пригодном для использования при окислении (или восстановлении) анализируемых веществ, представляющих интерес, но не других частиц, которые детектировать нежелательно. Буфер присутствует в количестве, достаточном для того, чтобы в течение теста поддерживать pH образца по существу на заданном уровне. Примеры буферов, пригодных для использования, включают в себя фосфаты, карбонаты, соли щелочных металлов мелитиновой кислоты и соли щелочных металлов лимонной кислоты. Выбор буфера будет зависеть от желаемого значения pH. Буфер выбирается таким образом, чтобы он не взаимодействовал с окислительно-восстановительным реагентом. Щелочные буферы являются предпочтительными для использования в сочетании с газированными напитками.If necessary, a buffer together with a redox reagent in dried form may be present in the electrochemical cell. If a buffer is used, it is present in such an amount that the resulting pH is suitable to establish the oxidation (or reduction) potential of the redox reagent at a level suitable for use in the oxidation (or reduction) of analytes of interest, but not other particles that are undesirable to detect. The buffer is present in an amount sufficient to maintain the pH of the sample at substantially a given level during the test. Examples of suitable buffers include phosphates, carbonates, alkali metal salts of melitic acid and alkali metal salts of citric acid. The choice of buffer will depend on the desired pH. The buffer is selected so that it does not interact with the redox reagent. Alkaline buffers are preferred for use in conjunction with carbonated drinks.
Другие вещества, присутствующие внутри ячейкиOther substances present inside the cell
В дополнение к окислительно-восстановительным реагентам и буферам также и другие вещества могут присутствовать внутри ячейки. Такие вещества включают в себя, например, модификаторы вязкости и полимеры с низкой молекулярной массой. Внутри ячейки могут также содержаться гидрофильные вещества, такие как полиэтиленгликоль, полиакриловая кислота, декстран, и поверхностно-активные вещества, такие как те, которые продаются Rohm & Haas Company of Philadelphia, Pennsylvania под торговой маркой Triton™, или ICI Americas Inc. of Wilmington, Delaware под торговой маркой Tween™. Такие вещества могут увеличить скорость заполнения ячейки, обеспечить более стабильное измерение и замедлить испарение образцов малого объема.In addition to redox reagents and buffers, other substances may also be present inside the cell. Such substances include, for example, viscosity modifiers and low molecular weight polymers. Hydrophilic substances, such as polyethylene glycol, polyacrylic acid, dextran, and surfactants, such as those sold by Rohm & Haas Company of Philadelphia, Pennsylvania under the brand name Triton ™, or ICI Americas Inc., may also be contained within the cell. of Wilmington, Delaware under the trademark Tween ™. Such substances can increase the cell filling rate, provide a more stable measurement, and slow down the evaporation of small volume samples.
Способ измерения концентрации анализируемого веществаMethod for measuring analyte concentration
При измерении анализируемого вещества - антиоксиданта или оксиданта, присутствующего в образце, образец вводится в сенсорную ячейку, при этом образец растворяет высушенные реагенты, присутствующие в ячейке. Затем окислительно-восстановительный реагент взаимодействует с любым из представляющих интерес антиоксидантов или оксидантов, присутствующих в образце, с образованием восстановленной или окисленной формы окислительно-восстановительного реагента. В случае потенциометрического сенсора полученное в результате отношение окисленной и восстановленной форм окислительно-восстановительного реагента фиксирует потенциал сенсорного электрода по отношению к электроду сравнения. Затем этот потенциал используется в качестве меры исходной концентрации анализируемого вещества в образце.When measuring the analyte — an antioxidant or oxidant present in the sample, the sample is introduced into the sensor cell, and the sample dissolves the dried reagents present in the cell. The redox reagent is then reacted with any of the antioxidants or oxidants of interest present in the sample to form a reduced or oxidized form of the redox reagent. In the case of a potentiometric sensor, the resulting ratio of the oxidized and reduced forms of the redox reagent captures the potential of the sensor electrode with respect to the reference electrode. This potential is then used as a measure of the initial concentration of the analyte in the sample.
В предпочтительном варианте воплощения сенсорная ячейка работает в качестве амперометрического сенсора. В соответствии с этим вариантом воплощения восстановленный (или окисленный) окислительно-восстановительный реагент, образующийся при взаимодействии с выбранными анализируемыми веществами, электрохимически окисляется (или восстанавливается) на сенсорном электроде. Ток, возникающий в результате этой электрохимической реакции, затем используется для измерения исходной концентрации анализируемых веществ в образце. В других вариантах воплощений сенсор работает в потенциометрическом или кулонометрическом режимах.In a preferred embodiment, the sensor cell operates as an amperometric sensor. In accordance with this embodiment, the reduced (or oxidized) redox reagent formed by interaction with the selected analytes is electrochemically oxidized (or reduced) on the sensor electrode. The current resulting from this electrochemical reaction is then used to measure the initial concentration of analytes in the sample. In other embodiments, the sensor operates in potentiometric or coulometric modes.
Электроды ячейки используются для генерации электрического сигнала, то есть напряжения или тока, который может считываться присоединенным измерителем. В предпочтительном варианте воплощения предусматривается интерфейс для присоединения ячейки к измерителю. Измеритель может отображать измерение в визуальной, аудио- или иной форме либо может хранить измерение в электронной форме.The cell electrodes are used to generate an electrical signal, i.e. voltage or current, which can be read by an attached meter. In a preferred embodiment, an interface is provided for attaching the cell to the meter. The meter can display the measurement in visual, audio or other form, or it can store the measurement in electronic form.
Нагрев образцаSample heating
Некоторые анализируемые вещества-оксиданты или антиоксиданты медленно взаимодействуют с окислительно-восстановительным реагентом. Для ускорения реакции и, таким образом, сокращения времени, требуемого для получения результатов измерения, образец может быть нагрет. В предпочтительном варианте воплощения предусматриваются средства для нагрева образца в заменяемом электрохимическом сенсорном устройстве.Some analyte oxidizing agents or antioxidants interact slowly with a redox reagent. To accelerate the reaction and thus reduce the time required to obtain the measurement results, the sample can be heated. In a preferred embodiment, means are provided for heating the sample in a replaceable electrochemical sensor device.
Два средства, пригодных для использования при нагреве ячейки, описаны в WO 99/46585 (включается сюда в качестве ссылки во всей ее полноте). WO 99/46585 описывает способ определения концентрации анализируемого вещества в образце, где образец нагревается, и концентрация анализируемого вещества (или частиц, представляющих анализируемое вещество) измеряется в заданной точке на кривой реакции (определяемой как зависимость одной переменной реакции от другой) с помощью средств, не зависящих от температуры. Образец может быть нагрет либо с помощью экзотермической реакции, происходящей при контакте образца с соответствующим реагентом или реагентами, или образец может быть нагрет электрически посредством тока, подаваемого к резистивным элементам, связанным с ячейкой.Two agents suitable for use in heating a cell are described in WO 99/46585 (incorporated herein by reference in its entirety). WO 99/46585 describes a method for determining the concentration of an analyte in a sample where the sample is heated, and the concentration of the analyte (or particles representing the analyte) is measured at a given point on the reaction curve (defined as the dependence of one reaction variable on another) using temperature independent. The sample can be heated either by an exothermic reaction that occurs when the sample contacts the corresponding reagent or reagents, or the sample can be heated electrically by the current supplied to the resistive elements connected to the cell.
Один из способов нагрева образца путем экзотермической реакции включает в себя помещение в электрохимическую ячейку реагента, который высвобождает тепло при контакте с образцом. Примеры таких реагентов включают в себя соли, которые выделяют тепло, когда они растворяются, такие как хлорид алюминия, галогенидные соли лития, сульфат лития, галогенидные соли магния и сульфат магния. Реагент или реагенты, используемые для высвобождения тепла, не влияют отрицательно на функционирование других активных элементов в ячейке, например, путем коррозии материалов электродов, взаимодействия с анализируемым веществом таким образом, что это влияет на его отклик, или путем вредного взаимодействия с другими присутствующими реагентами.One way to heat a sample by an exothermic reaction involves placing a reagent in an electrochemical cell that releases heat when it contacts the sample. Examples of such reagents include salts that generate heat when they dissolve, such as aluminum chloride, lithium halide salts, lithium sulfate, magnesium halide salts and magnesium sulfate. The reagent or reagents used to release heat do not negatively affect the functioning of other active elements in the cell, for example, by corrosion of electrode materials, interaction with the analyte in such a way that it affects its response, or by harmful interaction with other reagents present.
Когда образец должен нагреваться электрически, электрохимическая ячейка может быть снабжена электрическим резистивным элементом. Фиг.4 изображает предпочтительный вариант воплощения электрохимического сенсора, описанного в WO 99/46585. Сенсор включает в себя непроводящую подложку 21, несущую первый электрод 22, разделительный слой 23, имеющий проделанное в нем круглое отверстие 30, которое определяет круглую стенку 30 ячейки. Первый электрод 22 определяет один из торцов ячейки, при этом второй торец определяется вторым слоем 24 электрода, который находится на втором непроводящем слое 25. Слой 26 металлической фольги обеспечивает электрический контакт с резистивным мостиком 29, сформированным во втором непроводящем слое 25. Изолирующий слой 27 обеспечивает изоляцию, предотвращающую потери тепла от слоя 26 металлической фольги. Отверстие 28 формируется в изолирующем слое 27, чтобы сделать возможным доступ для электрического соединения с фольгой 26.When the sample is to be electrically heated, the electrochemical cell may be provided with an electrical resistive element. Figure 4 depicts a preferred embodiment of the electrochemical sensor described in WO 99/46585. The sensor includes a
В предпочтительных вариантах воплощений резистивные элементы могут быть приготовлены путем пропитывания одного или нескольких непроводящих слоев, на которых расположен слой электрода, с помощью такого вещества, как углеродные частицы. Непроводящие слои могут включать в себя такие материалы, как пластик или резина. Слой пропитанной резины или пластика формирует резистивный мостик между электродом электрохимической ячейки и слоем металлической фольги. Когда к резистивному элементу прикладывается потенциал, в пропитанном слое резины или пластика выделяется тепло, которое, в свою очередь, нагревает образец в электрохимической ячейке. Альтернативно, по меньшей мере две дорожки с низким сопротивлением, соединенные дорожкой с высоким сопротивлением, могут быть сформированы на наружной поверхности сенсора. В таком варианте воплощения дорожки с низким сопротивлением служат для создания контакта с измерителем, а дорожка с высоким сопротивлением формирует электрический резистивный элемент.In preferred embodiments, resistive elements can be prepared by impregnating one or more non-conductive layers on which the electrode layer is located with a substance such as carbon particles. Non-conductive layers may include materials such as plastic or rubber. A layer of impregnated rubber or plastic forms a resistive bridge between the electrode of the electrochemical cell and the layer of metal foil. When a potential is applied to the resistive element, heat is generated in the impregnated layer of rubber or plastic, which, in turn, heats the sample in the electrochemical cell. Alternatively, at least two low resistance tracks connected by a high resistance track may be formed on the outer surface of the sensor. In such an embodiment, the low resistance tracks serve to create contact with the meter, and the high resistance track forms an electrical resistive element.
Устройства со множеством ячеекMultiple Cell Devices
В некоторых ситуациях может быть желательным измерение в образце более чем одного анализируемого вещества-оксиданта или антиоксиданта. Это может быть достигнуто путем использования ряда из двух или более электрохимических ячеек, описанных выше. Каждая ячейка содержит окислительно-восстановительный реагент, пригодный для использования вместе с одним из анализируемых веществ, присутствующих в образце. Каждая ячейка снабжена также буферами или нагревательными средствами, если это требуется для этого конкретного анализируемого вещества. Такой ряд ячеек может быть использован не только для определения концентрации известных анализируемых веществ, представляющих интерес, но они также могут быть использованы для скрининга (изучения состава) образца с неизвестной композицией анализируемых веществ на присутствие или отсутствие множества анализируемых веществ.In some situations, it may be desirable to measure more than one oxidant or antioxidant analyte in a sample. This can be achieved by using a series of two or more electrochemical cells described above. Each cell contains a redox reagent suitable for use with one of the analytes present in the sample. Each cell is also equipped with buffers or heating means, if this is required for this particular analyte. Such a series of cells can be used not only to determine the concentration of known analytes of interest, but they can also be used to screen (study the composition) of a sample with an unknown composition of analytes for the presence or absence of many analytes.
Предполагаются различные варианты воплощения ряда ячеек. В одном из вариантов воплощений методики создания ячеек, описанных выше, используются для изготовления устройства, имеющего множество сенсорных камер и электродов, но имеющих один или несколько общих слоев изолирующего материала. В другом варианте воплощения две или более электрохимических ячейки, описанные выше, склеиваются вместе либо непосредственно друг с другом, либо приклеиваются к отдельному материалу подложки. Альтернативно, две или более ячейки, описанные выше, но содержащие различные реагенты, могут быть упакованы вместе в наборе, пригодном для использования при конкретном применении, то есть при анализе образца, содержащего множество анализируемых веществ или различные формы одного и того же анализируемого вещества.Various embodiments of a number of cells are contemplated. In one embodiment, the cell creation techniques described above are used to make a device having a plurality of sensor chambers and electrodes but having one or more common layers of insulating material. In another embodiment, the two or more electrochemical cells described above are bonded together either directly with each other or glued to a separate substrate material. Alternatively, two or more cells described above, but containing different reagents, can be packaged together in a kit suitable for a particular application, that is, when analyzing a sample containing multiple analytes or different forms of the same analyte.
Анализ диоксида серы в винеWine Sulfur Dioxide Analysis
Один из примеров анализа, где является полезным нагрев образца, представляет собой измерение диоксида серы в вине. Диоксид серы в вине действует в качестве антиоксиданта и, как правило, присутствует в двух формах: в свободной форме и в связанной форме. Свободная форма быстрее окисляется окислительно-восстановительным реагентом в сенсоре, чем связанная форма. Обычно является желательным измерение как свободной, так и связанной форм диоксида серы в вине. Для измерения обеих форм в электрохимическую ячейку включают нагревательные средства. Образец вина помещается в сенсорную полость, при этом присутствующий окислительно-восстановительный реагент быстро взаимодействует со свободным диоксидом серы с генерацией сенсорного сигнала. Этот сигнал анализируется, а затем к образцу подводится тепло с помощью нагревательного средства. В предпочтительном варианте воплощения тепло подводится для медленного роста температуры с тем, чтобы избежать излишнего испарения образца. После прохождения соответствующего периода времени, когда температура является повышенной, связанный диоксид серы взаимодействует с окислительно-восстановительным реагентом, тем самым генерируя второй сенсорный сигнал. Из этих двух сигналов получают концентрацию свободного диоксида серы в образце и его общую концентрацию, и далее по разности получают концентрации свободной и связанной форм. Хотя этот двухстадийный способ является выгодным для получения концентрации свободной и связанных форм диоксида серы в вине, предполагаются также и другие применения для такого способа. Например, двух- (или более) стадийный способ может быть использован для анализа соответствующих образцов, содержащих анализируемое вещество в двух или более формах с различной кинетикой реакции, или образцов, содержащих два или более анализируемых вещества, каждое из которых имеет различную кинетику реакции.One example of an analysis where heating a sample is beneficial is the measurement of sulfur dioxide in wine. Sulfur dioxide in wine acts as an antioxidant and, as a rule, is present in two forms: in free form and in bound form. The free form is oxidized faster by the redox reagent in the sensor than the bound form. It is usually desirable to measure both free and bound forms of sulfur dioxide in wine. To measure both forms, heating means are included in the electrochemical cell. A sample of wine is placed in the sensory cavity, while the redox reagent present quickly interacts with free sulfur dioxide to generate a sensory signal. This signal is analyzed and then heat is applied to the sample using a heating means. In a preferred embodiment, heat is supplied to slowly increase the temperature so as to avoid excessive evaporation of the sample. After an appropriate period of time has passed, when the temperature is elevated, the bound sulfur dioxide reacts with the redox reagent, thereby generating a second sensor signal. From these two signals, the concentration of free sulfur dioxide in the sample and its total concentration are obtained, and then the concentrations of free and bound forms are obtained by the difference. Although this two-step process is advantageous for obtaining a concentration of free and bound forms of sulfur dioxide in wine, other uses for the process are also contemplated. For example, a two- (or more) step-by-step method can be used to analyze corresponding samples containing an analyte in two or more forms with different reaction kinetics, or samples containing two or more analytes, each of which has a different reaction kinetics.
Получение электрохимических измерений с использованием сенсора на антиоксиданты или оксидантыAcquisition of electrochemical measurements using a sensor for antioxidants or oxidants
В определенных вариантах воплощения информация, относящаяся к скорости химической реакции, которая генерирует по меньшей мере один электрохимически активный продукт, может быть получена с использованием сенсора в том случае, если обеспечить гарантию того, что химическая реакция локализована в месте, удаленном от электрода, используемого для электрохимического взаимодействия электрохимически активного продукта (продуктов).In certain embodiments, information relating to the rate of a chemical reaction that generates at least one electrochemically active product can be obtained using a sensor if it is ensured that the chemical reaction is located at a location remote from the electrode used to electrochemical interaction of an electrochemically active product (s).
Область химической реакции является достаточно удаленной от электрода, так что массоперенос электрохимически активного вещества из области химической реакции к электроду эффективно контролирует ток, протекающий на электроде в любое время. Это расположение обеспечивает по существу линейное изменение (градиент) концентрации электрохимически активного вещества между областью химической реакции и электродом. Концентрация электрохимически активного вещества на электроде поддерживается в среднем равной нулю благодаря электрохимической реакции, протекающей там. Поэтому изменение со временем величины этого градиента концентрации будет по существу определяться только зависимостью от времени концентрации электрохимически активного вещества в области химической реакции и коэффициентом (коэффициентами) диффузии электрохимически активного продукта (продуктов) реакции в жидкой среде. Поскольку ток, протекающий на электроде, является пропорциональным градиенту концентрации электрохимически активного вещества на электроде, то зависимость этого тока от времени будет отражать зависимость от времени химической реакции, происходящей в отдаленной области. Это предоставляет возможность для использования тока, измеряемого на электроде (или прошедшего заряда, если ток интегрируется), в качестве удобной меры скорости и степени завершенности химической реакции, имеющей место.The region of the chemical reaction is quite remote from the electrode, so that the mass transfer of the electrochemically active substance from the region of the chemical reaction to the electrode effectively controls the current flowing at the electrode at any time. This arrangement provides a substantially linear change (gradient) in the concentration of the electrochemically active substance between the region of the chemical reaction and the electrode. The concentration of the electrochemically active substance on the electrode is maintained on average equal to zero due to the electrochemical reaction taking place there. Therefore, the change over time of the magnitude of this concentration gradient will be essentially determined only by the time dependence of the concentration of the electrochemically active substance in the chemical reaction region and the diffusion coefficient (coefficients) of the electrochemically active reaction product (s) in the liquid medium. Since the current flowing at the electrode is proportional to the concentration gradient of the electrochemically active substance on the electrode, the time dependence of this current will reflect the time dependence of the chemical reaction taking place in a remote area. This provides the opportunity to use the current measured at the electrode (or the passed charge, if the current is integrated), as a convenient measure of the speed and degree of completion of the chemical reaction taking place.
Пример соответствующего способа для обеспечения гарантии того, что химическая реакция удалена от рабочего электрода, представляет собой иммобилизацию (фиксирование) одного или нескольких компонентов реакции на твердой поверхности, удаленной от электрода. Компонент (компоненты) реакции могут быть иммобилизованы путем включения их в полимерную матрицу, которая высушивается или иным способом закрепляется на твердой поверхности. Компонент (компоненты) реакции могут также быть связаны непосредственно с твердой поверхностью с помощью либо химической, либо физической связи. Альтернативно, один или несколько из компонентов реакции могут просто быть высушены на твердой поверхности без специальных средств иммобилизации. В этой ситуации один или несколько из компонентов реакции обладают, по существу, низкими подвижностями в жидкой матрице, заполняющей электрохимическую ячейку, так что они по существу не мигрируют из положения, где они высушены, в течение периода времени, когда электрохимический ток может отслеживаться для осуществления необходимого измерения. В этом контексте достаточно медленная миграция означает, что компонент, движущийся медленнее всех и требуемый для химической реакции, подходит настолько близко к рабочему электроду, что на зависимость от времени тока, протекающего на электроде, начинает оказывать влияние кинетика истощения типа Котрелла.An example of an appropriate method to ensure that a chemical reaction is remote from the working electrode is the immobilization (fixation) of one or more reaction components on a solid surface remote from the electrode. Component (s) of the reaction can be immobilized by incorporating them into a polymer matrix, which is dried or otherwise fixed on a solid surface. The component (s) of the reaction can also be bonded directly to a solid surface using either a chemical or physical bond. Alternatively, one or more of the reaction components may simply be dried on a solid surface without special immobilization means. In this situation, one or more of the reaction components has essentially low mobilities in the liquid matrix filling the electrochemical cell, so that they essentially do not migrate from the position where they are dried, during the period of time when the electrochemical current can be monitored for necessary measurement. In this context, a sufficiently slow migration means that the component that moves the slowest and is required for a chemical reaction is so close to the working electrode that the Kotrell-type depletion kinetics begins to influence the time dependence of the current flowing through the electrode.
Диапазон расстояний, которые разделяют область химической реакции и рабочий электрод в предпочтительных вариантах воплощений, желательно является меньшим чем примерно 1 см, предпочтительно меньшим чем 5 мм, более предпочтительно находится в пределах между 5, 10, 50, 100, 200, 500 микронами и 5 мм, еще более предпочтительно между 5, 10, 50, 100, 200 и 500 микронами, и наиболее предпочтительно между 5, 10, 50, 100 и 200 микронами.The range of distances that separate the chemical reaction region and the working electrode in preferred embodiments is preferably less than about 1 cm, preferably less than 5 mm, more preferably in the range between 5, 10, 50, 100, 200, 500 microns and 5 mm, even more preferably between 5, 10, 50, 100, 200 and 500 microns, and most preferably between 5, 10, 50, 100 and 200 microns.
Кроме рабочего электрода предусматривается по меньшей мере еще и противоэлектрод в контакте с образцом жидкости для замыкания электрохимической цепи. При необходимости противоэлектрод может функционировать в качестве комбинированного противоэлектрода/электрода сравнения или может быть предусмотрен отдельный электрод сравнения. В предпочтительном варианте воплощения рабочий электрод и противоэлектрод, желательно, разделяются расстоянием, большим чем примерно 300 микрон, предпочтительно расстоянием большим чем примерно 500 микрон, более предпочтительно расстоянием в пределах между примерно 500 микронами и 10 мм, еще более предпочтительно расстоянием в пределах между примерно 500 микронами и 1, 2, 5 мм и наиболее предпочтительно, между 1 и 2, 5, 10 мм.In addition to the working electrode, at least a counter electrode is also provided in contact with the liquid sample to close the electrochemical circuit. If necessary, the counter electrode may function as a combined counter electrode / reference electrode, or a separate reference electrode may be provided. In a preferred embodiment, the working electrode and the counter electrode are desirably separated by a distance greater than about 300 microns, preferably a distance greater than about 500 microns, more preferably a distance between about 500 microns and 10 mm, even more preferably a distance between between about 500 microns and 1, 2, 5 mm and most preferably between 1 and 2, 5, 10 mm.
Рабочий электрод конструируется из материалов, которые не взаимодействуют химически с любым компонентом, с которым он будет приходить в контакт во время использования, до такой степени, чтобы искажать отклик электрода в виде тока. Если рабочий электрод должен использоваться в качестве анода, примерами пригодных для использования материалов являются платина, палладий, углерод, углерод в сочетании с инертными связующими, иридий, оксид индия, оксид олова, смеси оксидов индия и олова. Если рабочий электрод должен использоваться в качестве катода, тогда в дополнение к материалам, перечисленным выше, другие пригодные для использования материалы представляют собой сталь, нержавеющую сталь, медь, никель, серебро и хром.The working electrode is constructed from materials that do not chemically interact with any component with which it will come into contact during use, to such an extent as to distort the electrode response in the form of current. If the working electrode is to be used as an anode, examples of suitable materials are platinum, palladium, carbon, carbon in combination with inert binders, iridium, indium oxide, tin oxide, a mixture of indium and tin oxides. If the working electrode is to be used as a cathode, then in addition to the materials listed above, other suitable materials are steel, stainless steel, copper, nickel, silver and chromium.
Примеры материалов, пригодных для использования в качестве противоэлектрода, представляют собой платину, палладий, углерод, углерод в сочетании с инертными связующими, индий, оксид индия, оксид олова, смесь оксидов индия и олова, сталь, нержавеющую сталь, медь, никель, хром, серебро и серебро, покрытое по существу солью нерастворимого серебра, такой как хлорид серебра, бромид серебра, йодид серебра, ферроцианид серебра, феррицианид серебра.Examples of materials suitable for use as a counter electrode are platinum, palladium, carbon, carbon in combination with inert binders, indium, indium oxide, tin oxide, a mixture of indium and tin oxides, steel, stainless steel, copper, nickel, chromium, silver and silver coated with a substantially insoluble silver salt such as silver chloride, silver bromide, silver iodide, silver ferrocyanide, silver ferricyanide.
Область химической реакции может быть локализована на гладкой стенке или на противоэлектроде, удаленном от рабочего электрода. Область химической реакции может находиться на той же плоскости, что и рабочий электрод, или, что более предпочтительно, в плоскости, по существу параллельной рабочему электроду и расположенной напротив него.The chemical reaction region can be localized on a smooth wall or on the counter electrode remote from the working electrode. The chemical reaction region may be on the same plane as the working electrode, or, more preferably, in a plane substantially parallel to and opposite the working electrode.
Сенсор, пригодный для использования в определенных вариантах воплощений, включает в себя рабочий электрод и противоэлектрод, которые размещены на электрически изолирующей подложке. На второй подложке расположен слой химических реагентов, где по меньшей мере один из реагентов является по существу иммобилизированным (зафиксированным) на подложке. При использовании пространство между стенками сенсора заполняется жидкостью, содержащей вещество, которое является способным к взаимодействию с реагентами, с получением по меньшей мере одного электрохимически активного вещества. Продукт химической реакции диффундирует к рабочему электроду, где электрохимически активное вещество электрохимически взаимодействует с получением тока. Величина тока или заряда, прошедшего в или за определенное время, или зависимость от времени тока или прошедшего заряда затем может быть использована для получения меры скорости или степени завершенности химической реакции, происходящей в слое реагента.A sensor suitable for use in certain embodiments includes a working electrode and a counter electrode that are placed on an electrically insulating substrate. On the second substrate is a layer of chemical reagents, where at least one of the reagents is essentially immobilized (fixed) on the substrate. In use, the space between the walls of the sensor is filled with a liquid containing a substance that is capable of interacting with the reagents to produce at least one electrochemically active substance. The chemical reaction product diffuses to the working electrode, where the electrochemically active substance electrochemically interacts to produce current. The magnitude of the current or charge that has passed at or over a certain time, or the dependence on the time of the current or charge passed, can then be used to obtain a measure of the speed or degree of completion of a chemical reaction occurring in the reactant layer.
В другом варианте воплощения сенсора реагенты размещаются на противоэлектроде, который находится на подложке, обладающей большим электрическим сопротивлением. В этом варианте воплощения материалы конструкции противоэлектрода являются инертными по отношению к взаимодействию с любым из компонентов реагентов, размещенных на электроде.In another embodiment of the sensor, the reagents are placed on the counter electrode, which is on a substrate having high electrical resistance. In this embodiment, the materials of construction of the counter electrode are inert with respect to interaction with any of the components of the reagents placed on the electrode.
Способ получения электрохимического измерения, описанный выше, может быть применен к любой пригодной для использования электрохимической системе, включающей в себя системы антиоксидантов и оксидантов. Пример применения такого способа к типичной, хотя и не-антиоксидантной электрохимической системе представляет собой измерение уровня глюкозы в цельной крови с использованием фермента PQQ (от англ. Pyrroloquinoline quinone-пирролохинолине хинон)-зависимой глюкозодегидрогеназы (GDHpqq) и медиатора окисления-восстановления. В этой реакции глюкоза в крови взаимодействует с GDHpqq с формированием глюконовой кислоты. В этом процессе PQQ в ферменте восстанавливается. Затем медиатор, такой как феррицианид калия, окисляет PQQ в ферменте и образует ферроцианид. Фермент в окисленной форме может затем взаимодействовать с оставшейся глюкозой. Суммарный эффект этой реакции представляет собой получение двух молекул ферроцианида на каждую прореагировавшую молекулу глюкозы. Ферроцианид представляет собой электрохимически активное вещество и поэтому может быть окислен на электроде с получением тока. Другие пригодные ферменты для этой реакции представляют собой глюкозооксидазу (GOD) или NAD (от англ. Nicotineamid)-зависимую глюкозодегидрогеназу. Для других реакций могут быть использованы лактатдегидрогеназа и алкогольдегидрогеназа. Другие пригодные для использования медиаторы окисления-восстановления включают в себя ферроциний, комплексы осмия с бипиридином и бензофенон.The method for producing an electrochemical measurement described above can be applied to any usable electrochemical system including antioxidant and oxidant systems. An example of applying this method to a typical, albeit non-antioxidant electrochemical system is the measurement of glucose in whole blood using the PQQ enzyme (from the English Pyrroloquinoline quinone-pyrroloquinoline quinone) -dependent glucose dehydrogenase (GDHpqq) and oxidation-reduction mediator. In this reaction, blood glucose interacts with GDHpqq to form gluconic acid. In this process, PQQ in the enzyme is restored. Then a mediator, such as potassium ferricyanide, oxidizes PQQ in the enzyme and forms ferrocyanide. The enzyme in oxidized form can then interact with the remaining glucose. The total effect of this reaction is to produce two ferrocyanide molecules for each reacted glucose molecule. Ferrocyanide is an electrochemically active substance and therefore can be oxidized at the electrode to produce current. Other suitable enzymes for this reaction are glucose oxidase (GOD) or NAD (Nicotineamid) -dependent glucose dehydrogenase. For other reactions, lactate dehydrogenase and alcohol dehydrogenase may be used. Other suitable redox mediators include ferrocinium, osmium complexes with bipyridine, and benzophenone.
Взаимодействие глюкозы в цельной крови с ферментом может быть медленным, занимая вплоть до нескольких минут до завершения. Кроме того, чем выше гематокрит в образце крови, тем медленнее реакция. Гематокрит крови представляет собой объемную долю эритроцитов в образце цельной крови. Например, раствор, содержащий 50 мг/мл GDHpqq, 0,9 M феррицианида калия и 50 мМ буфера при pH=6,5, был нанесен на противоэлектрод, после чего удалена вода, оставляя высушенный слой реагента. В этом слое GDHpqq является достаточно большим и поэтому эффективно иммобилизуется на противоэлектроде, в то время как феррицианид может перемешиваться более однородно в жидкости в электрохимической ячейке. Образец крови вводили в ячейку, и потенциал +300 мВ прикладывали непосредственно между рабочим электродом и противоэлектродом. Хотя потенциал +300 мВ является наиболее предпочтительным для окисления ферроцианида, потенциал, желательно, находится в пределах между +40 и +600 мВ, предпочтительно между +50 и +500 мВ, и более предпочтительно между +200 и +400 мВ. В ячейке рабочий электрод состоял из слоя золота, напыленного на подложку из сложного полиэфира, а противоэлектрод состоял из слоя палладия, напыленного на подложку из сложного полиэфира.The interaction of glucose in whole blood with an enzyme can be slow, taking up to several minutes to complete. In addition, the higher the hematocrit in the blood sample, the slower the reaction. Blood hematocrit is the volume fraction of red blood cells in a whole blood sample. For example, a solution containing 50 mg / ml GDHpqq, 0.9 M potassium ferricyanide and 50 mM buffer at pH 6.5 was applied to the counter electrode, after which water was removed, leaving a dried reagent layer. In this layer, GDHpqq is large enough and therefore effectively immobilized on the counter electrode, while ferricyanide can be mixed more uniformly in the liquid in the electrochemical cell. A blood sample was introduced into the cell, and a potential of +300 mV was applied directly between the working electrode and the counter electrode. Although a potential of +300 mV is most preferred for the oxidation of ferrocyanide, the potential is preferably between +40 and +600 mV, preferably between +50 and +500 mV, and more preferably between +200 and +400 mV. In the cell, the working electrode consisted of a layer of gold sprayed on a polyester substrate, and the counter electrode consisted of a palladium layer sprayed on a polyester substrate.
Графики тока, записанные для образцов крови с различными значениями гематокрита, демонстрировали более высокую скорость реакции при более низком гематокрите крови, то есть 20, 42 и 65% гематокрита в крови. Уровень глюкозы в каждом образце крови был примерно одинаковым, а именно 5,4 мМ для образца с гематокритом 65%, 5,5 мМ для образца с гематокритом 42% и 6,0 мМ для образца с гематокритом 20%.The current plots recorded for blood samples with different hematocrit values showed a higher reaction rate with lower blood hematocrit, i.e. 20, 42 and 65% of hematocrit in the blood. The glucose level in each blood sample was approximately the same, namely 5.4 mm for a sample with a hematocrit of 65%, 5.5 mm for a sample with a hematocrit of 42% and 6.0 mm for a sample with a hematocrit of 20%.
Измеренный ток может быть приблизительно описан с помощью уравненияThe measured current can be approximately described using the equation
i=-FADC/L,i = -FADC / L,
где i представляет собой ток; F представляет собой постоянную Фарадея (96486,7 кулон/моль); A представляет собой площадь электрода; D представляет собой коэффициент диффузии ферроцианида в образце; C представляет собой концентрацию ферроцианида в области реакции; и L представляет собой расстояние между областью реакции и электродом.where i is a current; F represents the Faraday constant (96486.7 pendant / mol); A represents the area of the electrode; D represents the diffusion coefficient of ferrocyanide in the sample; C represents the concentration of ferrocyanide in the reaction region; and L represents the distance between the reaction region and the electrode.
Скорость реакции, которая определяется скоростью изменения C со временем, следовательно, записывается какThe reaction rate, which is determined by the rate of change of C over time, is therefore written as
dC/dt=-(L/FAD)di/dt.dC / dt = - (L / FAD) di / dt.
Для реакций, обсуждаемых выше, в пределах между 6 и 8 секундами для образцов с гематокритом 20, 42 и 65% среднее значение di/dt составляло 3,82, 2,14 и 1,32 микроампер/секунду соответственно. Коэффициенты диффузии ферроцианида для этих образцов составляли 2,0×10-6, 1,7×10-6 и 1,4×10-6 см2/сек, для образцов с гематокритом 20, 42 и 65% соответственно. Площадь электрода составляла 0,1238 см2 и L составляло 125 микрон. Эти значения дают скорости реакции 2,0, 1,3 и 0,99 мМ/секунду для образцов с гематокритом 20, 42 и 65% соответственно.For the reactions discussed above, between 6 and 8 seconds for samples with a hematocrit of 20, 42, and 65%, the average di / dt was 3.82, 2.14, and 1.32 microamperes / second, respectively. The diffusion coefficients of ferrocyanide for these samples were 2.0 × 10 -6 , 1.7 × 10 -6 and 1.4 × 10 -6 cm 2 / s, for samples with hematocrit 20, 42 and 65%, respectively. The electrode area was 0.1238 cm 2 and L was 125 microns. These values give reaction rates of 2.0, 1.3, and 0.99 mM / second for samples with hematocrit of 20, 42, and 65%, respectively.
Способ, описываемый выше, для измерения реакции глюкозы в крови может быть соответствующим образом модифицирован для применения к другим электрохимическим системам, включая системы оксидантов или антиоксидантов, таких как диоксид серы в вине, как это заметит специалист в данной области техники.The method described above for measuring a blood glucose reaction can be suitably modified for use with other electrochemical systems, including oxidant or antioxidant systems, such as sulfur dioxide in wine, as one skilled in the art will recognize.
Приведенное выше описание описывает несколько способов и материалов по настоящему изобретению. Настоящее изобретение является восприимчивым к модификациям способов и материалов, а также к изменениям способов и устройств. Такие модификации становятся понятными для специалиста в данной области техники из рассмотрения настоящего описания или применения изобретения, описанного здесь. Следовательно, не предполагается, что настоящее изобретение является ограниченным конкретными вариантами воплощения, описанными здесь, но предполагается, что оно охватывает все модификации и альтернативы, находящиеся в пределах истинных рамок и духа настоящего изобретения, раскрытых в прилагаемой формуле изобретения.The above description describes several methods and materials of the present invention. The present invention is susceptible to modifications of methods and materials, as well as to changes in methods and devices. Such modifications will become apparent to those skilled in the art from consideration of the present description or application of the invention described herein. Therefore, it is not intended that the present invention be limited to the specific embodiments described herein, but it is intended to cover all modifications and alternatives that are within the true scope and spirit of the present invention as disclosed in the appended claims.
Claims (33)
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US61643300A | 2000-07-14 | 2000-07-14 | |
| US09/616,512 | 2000-07-14 | ||
| US09/615,691 | 2000-07-14 | ||
| US09/616,556 | 2000-07-14 | ||
| US09/615,691 US6638415B1 (en) | 1995-11-16 | 2000-07-14 | Antioxidant sensor |
| US09/616,556 US6444115B1 (en) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates |
| US09/616,433 | 2000-07-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003104354A RU2003104354A (en) | 2004-06-10 |
| RU2263904C2 true RU2263904C2 (en) | 2005-11-10 |
Family
ID=35865558
Family Applications (5)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003104355/28A RU2267120C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-06 | Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions |
| RU2003104354/28A RU2263904C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Antioxidant sensor |
| RU2003104357/14A RU2271536C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Method for measuring hemoglobin quantity |
| RU2005127537/28A RU2005127537A (en) | 2000-07-14 | 2005-09-01 | ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING SPEEDS OF CHEMICAL REACTIONS |
| RU2005136646/14A RU2005136646A (en) | 2000-07-14 | 2005-11-24 | HEMOGLOBIN SENSOR |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003104355/28A RU2267120C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-06 | Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions |
Family Applications After (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003104357/14A RU2271536C2 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-12 | Method for measuring hemoglobin quantity |
| RU2005127537/28A RU2005127537A (en) | 2000-07-14 | 2005-09-01 | ELECTROCHEMICAL METHOD FOR MEASURING SPEEDS OF CHEMICAL REACTIONS |
| RU2005136646/14A RU2005136646A (en) | 2000-07-14 | 2005-11-24 | HEMOGLOBIN SENSOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (5) | RU2267120C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2532406C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method of potentiometric determination of antioxidant/oxidant activity with application of metal complexes |
| US9632054B2 (en) | 2010-12-31 | 2017-04-25 | Cilag Gmbh International | Systems and methods for high accuracy analyte measurement |
| US10330630B2 (en) | 2012-06-28 | 2019-06-25 | Siemens Healthcare Diagnostics Inc. | Reader device and method of signal amplification |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490622C2 (en) | 2007-09-24 | 2013-08-20 | БАЙЕР ХЕЛТКЭА ЭлЭлСи | Test sensors, methods and systems with multiple zones and potentials |
| US9903830B2 (en) * | 2011-12-29 | 2018-02-27 | Lifescan Scotland Limited | Accurate analyte measurements for electrochemical test strip based on sensed physical characteristic(s) of the sample containing the analyte |
| US9243276B2 (en) * | 2013-08-29 | 2016-01-26 | Lifescan Scotland Limited | Method and system to determine hematocrit-insensitive glucose values in a fluid sample |
| US9459231B2 (en) * | 2013-08-29 | 2016-10-04 | Lifescan Scotland Limited | Method and system to determine erroneous measurement signals during a test measurement sequence |
| US9459232B2 (en) * | 2013-09-05 | 2016-10-04 | Lifescan Scotland Limited | Method and system to determine erroneous measurement signals during a test measurement sequence |
| GB201412156D0 (en) * | 2014-07-08 | 2014-08-20 | Accunostics Ltd | Analyte concentration measurement |
| RU2731411C1 (en) * | 2019-03-18 | 2020-09-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Biosensor with high sensitivity factor |
-
2001
- 2001-07-06 RU RU2003104355/28A patent/RU2267120C2/en not_active IP Right Cessation
- 2001-07-12 RU RU2003104354/28A patent/RU2263904C2/en not_active IP Right Cessation
- 2001-07-12 RU RU2003104357/14A patent/RU2271536C2/en not_active IP Right Cessation
-
2005
- 2005-09-01 RU RU2005127537/28A patent/RU2005127537A/en not_active Application Discontinuation
- 2005-11-24 RU RU2005136646/14A patent/RU2005136646A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9632054B2 (en) | 2010-12-31 | 2017-04-25 | Cilag Gmbh International | Systems and methods for high accuracy analyte measurement |
| US10371663B2 (en) | 2010-12-31 | 2019-08-06 | Lifescan Ip Holdings, Llc | Systems and methods for high accuracy analyte measurement |
| US10330630B2 (en) | 2012-06-28 | 2019-06-25 | Siemens Healthcare Diagnostics Inc. | Reader device and method of signal amplification |
| US10921280B2 (en) | 2012-06-28 | 2021-02-16 | Siemens Healthcare Diagnostics Inc. | Reader device and method of signal amplification |
| RU2532406C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method of potentiometric determination of antioxidant/oxidant activity with application of metal complexes |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005127537A (en) | 2007-03-10 |
| RU2271536C2 (en) | 2006-03-10 |
| RU2267120C2 (en) | 2005-12-27 |
| RU2005136646A (en) | 2007-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2001276888B2 (en) | Antioxidant sensor | |
| US6638415B1 (en) | Antioxidant sensor | |
| AU2001276888A1 (en) | Antioxidant sensor | |
| AU2007201377B2 (en) | Systems and methods of discriminating control solution from a physiological sample | |
| RU2305279C2 (en) | Device and method for determining concentration of reduced form or oxidized form of reduction-oxidation substance in liquid sample | |
| KR100698961B1 (en) | Electrochemical Biosensor | |
| US6153069A (en) | Apparatus for amperometric Diagnostic analysis | |
| JP4767493B2 (en) | Electrochemical cell | |
| US8778168B2 (en) | Systems and methods of discriminating control solution from a physiological sample | |
| JP3342477B2 (en) | Improved electrochemical biosensor test strip | |
| RU2656268C2 (en) | Electrochemical-based analytical test strip with a soluble electrochemically active coating opposite a bare electrode | |
| RU2263904C2 (en) | Antioxidant sensor | |
| EP1729119A1 (en) | Test system | |
| IL153584A (en) | Antioxidant sensor | |
| AU2006203606A1 (en) | Electrochemical method for measuring chemical reaction rates |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100713 |