Одноразовые электрохимические датчики
Изобретение относится к электрохимическим датчикам, используемым для детектирования и/или определения количества целевых аналитов в пробе. Технический результат изобретения: повышение точности измерений. Сущность: непрерывное полотно электрохимических датчиков, предназначенных для детектирования глюкозы в крови, содержит множество первых и вторых электродов, нанесенных методом трафаретной печати в виде линейной последовательности на непрерывный лист гибкого материала подложки, слой реагента, нанесенный методом трафаретной печати поверх упомянутого полотна так, что упомянутый реагент покрывает по меньшей мере один из первого и второго электродов каждой пары электродов, герметизирующий слой, расположенный поверх упомянутого слоя реагента и упомянутых электродов с образованием камеры приема пробы. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники
Настоящая заявка относится к электрохимическим датчикам, используемым для детектирования и/или определения количества целевых аналитов в пробе.
Уровень техники
Одноразовые электрохимические датчики для отслеживания целевых аналитов в крови или моче хорошо известны. В частности, электрохимические измерения количества глюкозы в малых количествах крови с использованием одноразовых электрохимических датчиков и переносных анализаторов небольшого размера стали для больных диабетом существенной поддержкой. Такие системы, используемые на дому для регулярного выполнения замеров, позволяют больному диабетом расширить возможности самоконтроля за его или ее состоянием.
Одноразовые электрохимические датчики, применяемые в таких устройствах, состоят обычно из ряда сформированных по шаблону (трафарету) слоев, нанесенных на подложку. Массовое производство таких устройств ранее осуществляли с помощью трафаретной печати или с помощью других процессов нанесения, причем множество формирующих устройство слоев изготовляли путем последовательного нанесения в периодическом процессе.
Изготовление одноразовых электрохимических датчиков такими методами имеет ряд недостатков. Во-первых, работа в периодическом режиме в принципе малоэффективна. Многочисленные стадии процесса требуют использования ряда линий печати, по одной линии для каждого слоя в устройстве. Это не только повышает капиталовложения при создании оборудования, но также вносит многочисленные сложности при переналаживании процесса, в частности временные задержки и необходимость соблюдать условия хранения между отдельными стадиями печати, а также отклонения собственно процесса, вызванные переходом от станции к станции для его осуществления. Такие отклонения могут привести к неправильной калибровке отдельных партий датчиков, в результате чего потенциально могут возникать ошибочные показания при использовании электродов.
Второй возможный недостаток следует из присущей трафаретной печати особенности, а именно толщины наносимых слоев. Типовой процесс трафаретной печати может быть использован для нанесения слоев толщиной от 1 до 100 мкм. Для получения слоев толщиной менее 1 мкм обычно применяют термоотверждаемые смолы. Для печати электродов трафаретная печать, с помощью которой возможно наносить слои подобных размеров, является предпочтительной, поскольку чем больше толщина слоя, тем выше электропроводность. Однако для слоев реактивов, например слоев ферментов, которые используют при осуществлении многих одноразовых электрохимических реакций, слои большой толщины невыгодны с точки зрения работоспособности устройств. В особенности это происходит потому, что величина сигнала, генерируемого устройством подобного типа, зависит от взаимных реакций подобных реактивов с целевым аналитом, протекающих в непосредственной близости от поверхности электрода, и использование слоев реактивов, которые расположены вдали от этой области, снижает измеряемый сигнал из-за истощения мигрирующего внутрь целевого аналита до его попадания в зону измерения.
С учетом упомянутых недостатков необходим новый подход к изготовлению одноразовых электрохимических датчиков. Целью настоящего изобретения является поиск такого необходимого подхода.
Следующей целью настоящего изобретения является разработка способа изготовления одноразовых электрохимических датчиков, который представляет собой непрерывный рабочий процесс и который позволяет наносить тонкие слои реактивов.
Последующей целью настоящего изобретения является изготовление кассет, которые содержат катушку с датчиками, изготовленными с использованием способа согласно настоящему изобретению.
Следующей целью настоящего изобретения является создание датчиков, имеющих интегрированный изолирующий слой, который в сочетании с подложкой обеспечивает изолированную камеру приема пробы, с помощью которой защищают реактивы до момента их использования, причем такие датчики могут быть изготовлены с использованием способа согласно настоящему изобретению.
Сущность изобретения
Объектом настоящего изобретения является непрерывное полотно электрохимических датчиков, отпечатанных в виде линейной последовательности и предназначенных для детектирования глюкозы в крови, содержащее множество первых и вторых электродов, нанесенных методом трафаретной печати в виде линейной последовательности на непрерывный лист из гибкого материала подложки; слой реагента, нанесенный методом трафаретной печати поверх упомянутого полотна так, что упомянутый реагент покрывает по меньшей мере один из первого и второго электродов каждой пары электродов; и герметизирующий слой, расположенный поверх упомянутого слоя реагента и упомянутых электродов с образованием камеры приема пробы. Предпочтительно, упомянутый слой реактива содержит глюкозооксидазу, а каждый датчик дополнительно содержит медиатор переноса электронов, который выбран из группы, состоящей из феррицианида, металлоценовых соединений, хининов, солей феназиния, редокс-индикатора DCPIP и имидазолзамещенных соединений осмия. Более предпочтительно, каждый датчик содержит электроды, выбранные из группы, состоящей из углеродных электродов и электродов, сформированных из платинированного углерода, золота, серебра и смесей серебра и хлорида серебра.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А и 1В показаны два альтернативных варианта схем нанесения, применимых в способе согласно настоящему изобретению;
на фиг.2А и 2В показан примерный электрохимический датчик, который может быть изготовлен с использованием способа согласно настоящему изобретению;
на фиг.3 показана схема аппарата для осуществления на практике способа согласно настоящему изобретению;
на фиг.4 показана последующая обработка полотна с отпечатанными на нем датчиками для изготовления катушки датчиков;
на фиг.5А и 5В показаны кассеты, выполненные вместе с катушкой датчиков, показанной на фиг.4;
на фиг.6 показан один из возможных вариантов выполнения датчика, который может быть изготовлен с использованием способа согласно настоящему изобретению;
на фиг.7А и 7В показаны альтернативные варианты выполнения датчиков, которые могут быть изготовлены с использованием способа согласно настоящему изобретению;
на фиг.8А, 8В и 8С показано нанесение изолирующего слоя на ленты тестирующих полосок в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ изготовления электрохимических датчиков с использованием непрерывного полотна подложки, транспортируемого через множество станций печати для нанесения различных слоев, образующих датчик. Способ может быть применен для изготовления датчиков, которые используют для любого электрохимически детектируемого аналита.
Примеры аналитов особой коммерческой значимости, для которых с использованием данного способа могут быть изготовлены датчики, включают в себя: глюкозу, фруктозамин, гликированный или гликозилированный гемоглобин (HbAIC), лактат, холестерин, этиловый спирт и кетоны.
Конкретная структура электрохимического датчика зависит от природы аналита. В целом, однако, каждое устройство включает в себя слой электродов и по меньшей мере один слой реактива, нанесенные на подложку. Как указано в данном описании изобретения и в формуле изобретения, под термином «слой» понимают покрытие, нанесенное на всю поверхность подложки или ее часть. Считают, что слой «наносят» или «отпечатывают» на поверхности подложки, если его наносят непосредственно на подложку или на поверхность слоя или слоев, предварительно нанесенных на подложку. Таким образом, при нанесении двух слоев на подложку может быть получен трехслойный сэндвич (подложка, слой 1 и слой 2), как показано на фиг.1А, или осаждение двух параллельных дорожек, как показано на фиг.1В, при этом возможны также промежуточные конфигурации при частичном наложении (перекрывании) слоев.
В способе согласно настоящему изобретению электрохимические датчики отпечатывают в виде линейной последовательности или в виде множества линейных параллельных последовательностей на поверхности гибкого полотна подложки. Как будет рассмотрено ниже, это полотно можно обрабатывать резанием для получения лент. Как следует из описания изобретения данной заявки, под термином «лента» понимают часть отпечатанного полотна, которую получают разрезанием полотна в продольном, поперечном или обоих направлениях и которая имеет множество отпечатанных на ней электрохимических датчиков.
На фиг.2А и 2В показана структура электрохимических датчиков для детектирования глюкозы в соответствии с настоящим изобретением. На подложке 10 размещены слой 16 электропроводящей основы, дорожка 15 рабочего электрода, дорожка 14 электрода сравнения и проводящие контакты 11, 12 и 13. Далее нанесена изолирующая маска 18, оставляющая часть слоя 16 электропроводящей основы и контакты 11, 12 и 13 открытыми. Затем поверх изолирующей маски 18 нанесен слой реактива рабочего покрытия 17, например смесь глюкозооксидазы и редокс-медиатора (т.е. окислительно-восстановительного медиатора), с целью достижения контакта со слоем 16 электропроводящей основы. Поверх рабочего покрытия 17 можно, при необходимости, наносить дополнительные слои реактивов. Например, фермент и редокс-медиатор можно наносить в виде отдельных слоев.
Понятно, что показанная на фиг.2А и 2В структура является только примером и что способ согласно настоящему изобретению может быть использован для изготовления электрохимических датчиков для широкого ряда аналитов с использованием большого числа конфигураций электродов и реактивов. К типовым датчикам, которые могут быть изготовлены с использованием способа согласно настоящему изобретению, относятся датчики, описанные в Европейском патенте №0127958 и патентах США №№5141868; 5286362; 5288636 и 5437999, которые включены в описание настоящего изобретения в виде ссылок.
На фиг.3 показана схема аппарата для осуществления настоящего изобретения на практике. Движущееся полотно подложки 31 помещают на подающий барабан 32 и транспортируют через ряд станций 33, 34 и 35 печати, на каждой из которых на подложке отпечатывают различные слои. Число станций печати может быть любым и зависит от числа слоев, необходимых для изготовления того или иного устройства. Между последующими станциями печати полотно предпочтительно транспортируют через сушилки 36, 37 и 38 (например, через сушилки с принудительным обдувом горячим воздухом или через инфракрасные сушилки) для просушивания каждого слоя перед нанесением последующего. Отпечатанное полотно после конечной сушилки 38 собирают на приемный барабан или направляют непосредственно в аппарат 39 последующей обработки.
Хотя в наиболее экономичном варианте осуществления настоящего изобретения для печати различных материалов обычно используют ряд станций печати, как проиллюстрировано на фиг.3, преимущества настоящего изобретения могут быть достигнуты в процессе, в котором одну и ту же станцию печати используют многократно для отпечатывания разных реактивов. В частности, при неоднократном использовании одной и той же станции печати возрастает прибыльность из-за повышения производительности и лучшего совпадения отпечатков. По этой причине, как это имеет место в описании изобретения, фраза «по меньшей мере две станции печати» относится как к примеру осуществления изобретения, в котором используют две или более отдельных станций печати, так и к примеру осуществления изобретения, в котором используют общую станцию печати при нескольких проходах для отпечатывания необходимых веществ на подложку.
Как было упомянуто выше, одним из наиболее важных параметров, которыми необходимо управлять при печати различных слоев биодатчика, является толщина наносимого слоя, причем в наибольшей степени это относится к слою реактива. На толщину наносимого при печати слоя влияет ряд факторов, включая угол, под которым отделяют подложку и трафарет. В освоенном промышленностью процессе карточной (пластинчатой) печати, в котором подложка поступает на плоский стол в виде отдельных карт (пластин), упомянутый угол изменяется по мере прохождения сквиджа (ракеля) через трафарет, что ведет к колебаниям толщины и, следовательно, к изменениям отклика датчика по поверхности карты (пластины). Для минимизации этого источника отклонений станции печати, применяемые в способе согласно настоящему изобретению, предпочтительно используют печать через цилиндрические трафареты или глубокую ротационную печать.
При печати через цилиндрические трафареты гибкая подложка поступает с нижней стороны трафарета, приобретая необходимый рисунок с помощью цилиндрического ролика, и двигается синхронно со сквиджем. В отличие от известных способов печати, в которых трафарет перемещают в направлении от неподвижной подложки, в данном процессе движущуюся подложку оттягивают (удаляют) от трафарета. Это позволяет сохранить постоянный угол отделения, в результате чего достигается постоянная толщина нанесения. Помимо этого, угол контакта и, таким образом, толщину отпечатка оптимизируют путем подбора соответствующей точки контакта. Путем соответствующей оптимизации процесс организуют таким образом, что краситель отрывается от трафарета и переносится на подложку с большей эффективностью. Такое ровное «отслаивание» ведет к улучшению четкости отпечатка и возможности отпечатывать самые мелкие детали. Следовательно, возможно отпечатывать электроды меньшего размера и получать сами датчики меньших размеров.
В аппарате 39 последующей обработки можно выполнять различные виды обработки отпечатанного полотна или сочетания различных видов обработки. Например, с помощью аппарата последующей обработки поверх электрохимического устройства можно наносить покрытие путем ламинирования на отпечатанную подложку второго непрерывного полотна. С помощью аппарата последующей обработки можно также разрезать отпечатанное полотно на меньшие сегменты. Для получения электрохимических устройств индивидуального пользования типа широко известных ручных глюкометров обычно используют процесс нарезания полотна в двух направлениях: в продольном и поперечном. Технология использования непрерывного полотна дает возможность изготовлять электрохимические датчики различной конфигурации, что создает удобства при упаковке и пользовании.
Как показано на фиг.4, отпечатанное полотно можно нарезать на множество лент шириной в один датчик каждая. Эти ленты можно, в свою очередь, нарезать на короткие ленты удобной длины, например, по 10, 25, 50 или даже по 100 датчиков. Эти ленты можно наворачивать на катушки и упаковывать в кассеты, которые помещают внутрь анализаторов (фиг.5А). В противоположность этому можно готовить короткие ленты, скажем, по 5 полосок для обеспечения достаточного количества датчиков на один нормальный день испытаний (тестов). Для такой длины нет необходимости в кассетах, хотя при желании они могут быть предусмотрены. В любом случае датчики используют по одному и помещают в соответствующую позицию в момент использования по назначению. Предпочтительно, чтобы это действие происходило при помощи встроенного в анализатор механизма, который также предотвращает возврат в анализатор использованных полосок.
Использование свернутых лент с несколькими датчиками имеет существенное преимущество по сравнению с известными системами, в которых используют единичные электрохимические датчики. Поскольку электрохимические устройства на катушках размещают в кассетах, они в меньшей степени подвержены повреждениям. Кроме того, так как катушка с устройствами представляет собой непрерывную полосу и не предназначена для выемки из кассет перед использованием, достигают меньшей вероятности использования датчиков с неверным калибровочным кодом. Риск неправильных значений калибровки может быть снижен, если при взаимодействии кассеты и анализатора предусмотрены значения калибровки датчиков, помещенных в кассету. Взаимодействие такого рода описано для случая отдельных устройств датчиков в публикации Международной заявки на патент WO №97/29847 и заявке на патент США №08/600449, которые здесь приведены в качестве ссылки.
Следующее преимущество непрерывных катушек с электрохимическими датчиками состоит в возможности получить каждый из них меньшего размера. Большую часть длины известных датчиков расходуют из-за предъявляемых пользователями требований свободно манипулировать датчиком при его установке в анализатор. Использование непрерывной катушки позволяет обойти подобные затруднения, вызываемые размером устройств, так как пользователь работает с кассетой или лентой электрохимических датчиков, что значительно проще, чем работать с отдельными (индивидуальными) полосками с одним датчиком. Таким образом, настоящее изобретение позволяет изготовлять меньшие по размеру и, следовательно, более экономичные устройства.
Если желательно отделить использованные устройства от катушки, в анализатор может быть встроен резак. Резак такого типа описан в патенте США №5525297, который здесь приведен в качестве ссылки, хотя возможно использовать и другие конструкции.
На фиг.5В приведен один из возможных вариантов анализатора, показанного на фиг.5А. В этом случае кассета включает в себя натяжное приспособление, так что датчики перемещают от подающей катушки 51 к натяжной катушке 52 во время использования датчиков. Это создает единую самохранящую кассетную систему и исключает необходимость отбрасывать отдельные датчики, которые могут быть загрязнены кровью.
Способ согласно настоящему изобретению можно применять также при производстве катушек с датчиками различного типа, расположенными в виде параллельных последовательностей. Таким образом, как показано на фиг.6, может быть изготовлена полоса датчиков, на которой датчики 61 первого типа располагают вдоль датчиков 62 второго типа. При наличии раздельных контактов и контуров анализа для каждого датчика одновременно могут быть определены два показателя с помощью одного анализатора из одной и той же пробы. Подходящие пары аналитов включают в себя глюкозу и гликозилированный гемоглобин, липопротеин низкой плотности (LDL) и липопротеин высокой плотности (HDL). Два различных датчика, измеряющих уровни одного и того же аналита, могут быть использованы для проведения внутренних контрольных проверок или для повышения динамической области полосы.
Способ согласно настоящему изобретению способствует также изготовлению датчиков, структура которых не может быть получена с использованием освоенного периодического процесса. Например, как показано на фиг.7А и 7В, устройство может быть изготовлено нанесением параллельных электропроводящих дорожек 71 и 72; слоя(ев) 73 реактива(ов) и изолирующего слоя 74 на подложку 70. Подложку далее сгибают по линии сгиба, расположенной между двумя электропроводящими дорожками, получая датчик, в котором два направленных лицом друг к другу электрода разделены слоем реактива. Геометрия электродов такого типа является удачной, поскольку падение напряжения на сопротивлении раствора снижается из-за очень тонкого слоя раствора, разделяющего электроды. В противоположность этому в освоенном промышленностью устройстве с копланарными электродами использование тонкого слоя раствора приводит к значительному падению напряжения по длине ячейки и к сопутствующему неравномерному распределению тока. Более того, устройство, показанное на фиг.7А и 7В, можно разрезать поперек нанесенного реактива, получая камеры очень малого объема для анализа пробы, что, в свою очередь, улучшает характеристики устройства.
Как очевидно из приведенного выше обсуждения, способ согласно настоящему изобретению создает достаточно универсальный подход к изготовлению электрохимических датчиков. Дальнейшее рассмотрение соответствующих материалов, которые можно использовать в способе согласно настоящему изобретению, в еще большей степени иллюстрирует его универсальность и не ограничивает объем изобретения, изложенный в формуле изобретения.
Подложка, применяемая в способе согласно настоящему изобретению, может быть любым материалом со стабильными размерами и достаточной гибкостью, что позволяет транспортировать его через аппарат того типа, который показан на фиг.3. Вообще говоря, подложка должна быть электрическим изолятором, хотя в этом нет необходимости, если между подложкой и электродами нанесен слой изоляции. Подложка должна быть также химически совместимой с материалами, которые используют при печати любого из рассматриваемых датчиков. Это означает, что подложка не должна заметно взаимодействовать с или разрушаться упомянутыми материалами, так как необходима стабильность полученного отпечатка. Конкретными примерами подходящих материалов являются поликарбонат и полиэфир.
Электроды могут быть сформированы из любого электропроводящего материала, который можно наносить в виде различных рисунков в непрерывном процессе трафаретной печати. Сюда можно отнести углеродные электроды, а также электроды, сформированные из платинированного углерода, золота, серебра и смеси серебра и хлорида серебра.
Слои изоляции наносят соответствующим образом для того, чтобы задать объем анализируемой пробы и избежать короткого замыкания датчиков. Изоляционные материалы, которые пригодны для печати, включают в себя, например, красители на основе полиэфирной смолы.
Выбор ингредиентов слоя(ев) реактива(ов) зависит от целевого аналита. Для детектирования глюкозы слой(и) реактива(ов) чаще всего включает(ют) в себя фермент, способный окислять глюкозу, и соединение-медиатор, которое переносит электроны от фермента к электроду, в результате чего при наличии глюкозы возникает поддающийся измерению ток. К типичным соединениям-медиаторам относят феррицианид, металлоценовые соединения, такие как ферроцен, хинины, соли феназиния, редокс-индикатор DCPIP (от английского 2,6-dichlorophenol-indophenol, т.е. 2,6-дихлорофенол-индофенол) и имидазолзамещенные соединения осмия. Реактивы, применяемые в других типах датчиков, известны специалистам в данной области техники.
Одним из ограничений, накладываемых на любое устройство, в котором внутри тестирующих устройств хранят ряд тестирующих элементов, является то, что названные элементы должны сохранять устойчивость в течение гарантийного срока их службы в составе тестирующих устройств. Вообще говоря, для полосок электрохимических датчиков это означает обеспечение влагостойкости и герметичности по отношению к окружающему воздуху неиспользованных полосок датчиков. Достигают этого конструированием кассеты и связанного с ней анализатора или же путем нанесения на тестирующую полоску дополнительного герметизирующего (изолирующего от окружающей атмосферы) слоя, так что отдельные тестирующие полоски герметизированы по отдельности и защищены от влаги.
Фиг.8А-8С относятся к лентам тестирующих полосок с герметизирующим слоем. На фиг.8А показана композитная структура, включающая в себя нижний слой ленты с тестирующими полосками 80 и верхний герметизирующий слой 81. Верхний герметизирующий слой 81 показан частично снятым и отогнутым для экспозиции первого тестирующего элемента. Верхний слой включает в себя отверстия 82, через которые происходит электрический контакт с лежащей ниже тестирующей полоской. Герметизирующий слой 81 обычно прикреплен к ленте 80 с помощью термоплавкого клея или с помощью склеивающего при надавливании клея. Анализатор, работающий с лентой из герметизированных тестирующих полосок, показанной на фиг.8А, обычно включает в себя механизм типа лезвия ножа для снятия и отгиба герметизирующего слоя 81 с тем, чтобы экспонировать целевой участок на полоске, подготовленной к использованию. После использования использованную тестирующую полоску и отогнутую часть герметизирующего слоя отрезают от неиспользованной части ленты с помощью, например, лезвия резака на кассете. Использованную полоску и отогнутый герметизирующий слой возможно также навернуть на натяжные катушки, расположенные внутри кассеты, как показано на фиг.8В, что исключает необходимость непосредственного контакта пользователя с использованной полоской.
На фиг.8С приведен один из вариантов структуры, показанной на фиг.8А. В этом случае герметизирующий слой служит одной из стенок камеры приема пробы на тестирующей полоске. Такая геометрия создает некоторые преимущества, заключающиеся, в частности, в том, что уменьшается испарительное охлаждение пробы (которое может привести к ошибочному занижению показаний). Для подготовки тестирующей полоски на ленте этого типа к применению выполняют надрез, в результате чего открывают край камеры, образованной герметизирующим слоем 81 и лентой 80 с тестирующими полосками. На фиг.8С показаны линии 88 и 89 надрезов, служащие соответственно для отделения использованных устройств и для открытия нового устройства. Эти надрезы могут быть выполнены одновременно или в разное время.
1. Непрерывное полотно электрохимических датчиков, отпечатанных в виде линейной последовательности и предназначенных для детектирования глюкозы в крови, содержащее множество первых и вторых электродов, нанесенных методом трафаретной печати на непрерывный лист из гибкого материала подложки; слой реагента, нанесенный методом трафаретной печати поверх упомянутого полотна так, что упомянутый реагент покрывает по меньшей мере один из первого и второго электродов каждой пары электродов; и герметизирующий слой, расположенный поверх упомянутого слоя реагента и упомянутых электродов с образованием камеры приема пробы.
2. Непрерывное полотно электрохимических датчиков по п.1, в котором упомянутый слой реактива содержит глюкозооксидазу.
3. Непрерывное полотно электрохимических датчиков по п.2, в котором каждый датчик дополнительно содержит медиатор переноса электронов.
4. Непрерывное полотно электрохимических датчиков по п.3, в котором медиатор переноса электронов выбран из группы, состоящей из феррицианида, металлоценовых соединений, хининов, солей феназиния, редокс-индикатора DCPIP и имидазолзамещенных соединений осмия.
5. Непрерывное полотно электрохимических датчиков по п.4, в котором каждый датчик содержит электроды, выбранные из группы, состоящей из углеродных электродов и электродов, сформированных из платинированного углерода, золота, серебра и смесей серебра и хлорида серебра.
