Сенсор на антиоксиданты
Изобретение относится к области аналитической химии для контроля оксидантов и антиоксидантов в жидкости. Технический результат изобретения: создание одноразового сенсора, который может детектировать уровни оксиданта и антиоксиданта в образце жидкости путем использования окислительно-восстановительного реагента. Сущность: устройство для детектирования присутствия или отсутствия в водном образце окислительно-восстановительного реакционноспособного анализируемого вещества содержит электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, содержащийся внутри сенсорной камеры. 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. Также предложены способ детектирования уровня окислительно-восстановительного реакционноспособного вещества, способ измерения диоксида серы в образце вина и способ изготовления указанного выше устройства. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область изобретения
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.
Предпосылки изобретения
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.
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.
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.
Сущность изобретения
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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+.
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.
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.
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.
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.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения устройство дополнительно включает в себя интерфейс для коммуникации с измерителем. Интерфейс может передавать напряжение или ток.
В другом аспекте настоящего варианта воплощения электрохимическая ячейка включает в себя тонкослойную электрохимическую ячейку.
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.
В одном из аспектов настоящего варианта воплощения электрохимическое измерение представляет собой амперометрическое измерение, потенциометрическое измерение, кулонометрическое измерение или количественное измерение.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
В дополнительном аспекте настоящего варианта воплощения отверстие имеет прямоугольное поперечное сечение.
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.
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.
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.
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.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает вид сверху электрохимической ячейки.
Фиг.2 изображает вид в разрезе по линии 2-2 на фиг.1.
Фиг.3 изображает торцевой вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.1.
Фиг.4 схематически изображает нагреваемую электрохимическую ячейку в поперечном разрезе, взятом вдоль продольной средней линии ячейки.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощений
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.
Образец и анализируемое вещество
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.
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.
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.
Электрохимическая ячейка
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
«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.
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.
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.
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.
Электроды
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.
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.
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.
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.
Окислительно-восстановительный реагент
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.
Буфер
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.
Другие вещества, присутствующие внутри ячейки
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.
Способ измерения концентрации анализируемого вещества
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.
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.
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.
Нагрев образца
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.
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.
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.
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.
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.
Устройства со множеством ячеек
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.
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.
Анализ диоксида серы в вине
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.
Получение электрохимических измерений с использованием сенсора на антиоксиданты или оксиданты
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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%.
Измеренный ток может быть приблизительно описан с помощью уравнения
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.
Скорость реакции, которая определяется скоростью изменения C со временем, следовательно, записывается как
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.
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.
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.
1. Устройство для детектирования окислительно-восстановительного реакционно-способного анализируемого вещества в водном образце, причем устройство содержит 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 при этом реагент способен подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом с генерацией электрического сигнала.
2. Устройство по п.1, где первый электрод содержит сенсорный электрод.
3. Устройство по п.1, где первый электрод содержит материал, выбранный из группы, состоящей из платины, палладия, углерода, оксида индия, оксида олова, золота, иридия, меди, стали и их смесей.
4. Устройство по п.1, где первый электрод содержит серебро.
5. Устройство по п.1, где первый электрод сформирован с помощью методики, выбранной из группы, состоящей из напыления, осаждения из паровой или газовой фазы, трафаретной печати, термического испарения, струйной печати, ультразвукового распыления, щелевого покрытия, глубокой печати и литографии.
6. Устройство по п.1, где второй электрод включает в себя противоэлектрод.
7. Устройство по п.1, где второй электрод содержит металл в контакте с солью металла.
8. Устройство по п.7, где металл в контакте с солью металла выбран из группы, состоящей из серебра в контакте с хлоридом серебра, серебра в контакте с бромидом серебра, серебра в контакте с йодидом серебра, ртути в контакте с хлоридом ртути (I), и ртути в контакте с сульфатом ртути (I).
9. Устройство по п.6, где электрохимическая ячейка дополнительно включает в себя третий электрод.
10. Устройство по п.9, где третий электрод включает в себя электрод сравнения.
11. Устройство по п.1, где реагент является способным к окислению анализируемого вещества, содержащего антиоксидант.
12. Устройство по п.11, где реагент выбран из группы, состоящей из феррицианидных солей, дихроматных солей, перманганатных солей, оксидов ванадия, дихлорфенолиндофенола, комплексов осмия с бипиридином и хинонов.
13. Устройство по п.1, где реагент является способным к восстановлению анализируемого вещества, содержащего оксидант.
14. Устройство по п.13, где реагент выбран из группы, состоящей из йода, трийодидных солей, ферроцианидных солей, ферроцена, солей Cu(NH3)4 2+ и солей Со(NH3)6 3+.
15. Устройство по п.1, где сенсорная камера дополнительно содержит буфер, причем буфер содержится внутри сенсорной камеры.
16. Устройство по п.15, где буфер выбран из группы, состоящей из фосфатов, карбонатов, солей щелочных металлов мелитиновой кислоты и солей щелочных металлов лимонной кислоты.
17. Устройство по п.1, дополнительно содержащее нагревательный элемент.
18. Устройство по п.17, где нагревательный элемент представляет собой электрический резистивный нагревательный элемент.
19. Устройство по п.17, где нагревательный элемент представляет собой экзотермическое вещество, содержащееся внутри сенсорной камеры.
20. Устройство по п.19, где экзотермическое вещество выбрано из группы, состоящей из хлорида алюминия, хлорида лития, бромида лития, йодида лития, сульфата лития, хлорида магния, бромида магния, йодида магния, сульфата магния и их смесей.
21. Устройство по п.1, где второй электрод установлен напротив и на расстоянии, меньшем чем примерно 500 мкм, от первого электрода.
22. Устройство по п.1, где второй электрод установлен напротив и на расстоянии, меньшем чем примерно 150 мкм, от первого электрода.
23. Устройство по п.1, где второй электрод установлен напротив и на расстоянии, меньшем чем примерно 150 мкм, и большем чем примерно 50 мкм, от первого электрода.
24. Устройство по п.1, дополнительно содержащее интерфейс для коммуникации с измерителем.
25. Устройство по п.24, где интерфейс передает напряжение или ток.
26. Устройство по п.1, где электрохимическая ячейка содержит тонкослойную электрохимическую ячейку.
27. Способ детектирования уровня окислительно-восстановительного реакционно-способного анализируемого вещества в водном образце, причем способ содержит стадии, на которых:
обеспечивают наличие устройства, содержащего 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;
обеспечивают наличие водного образца;
предоставляют возможность образцу для протекания через отверстие внутрь сенсорной камеры так, что по существу заполняют сенсорную камеру, и
получают электрохимическое измерение, указывающее на уровень анализируемого вещества, присутствующего в образце.
28. Способ по п.27, дополнительно содержащий стадию нагрева образца, причем стадия нагрева предшествует стадии получения электрохимического измерения.
29. Способ по п.27, дополнительно содержащий стадии, на которых нагревают образец, причем стадия нагрева следует после стадии получения электрохимического измерения, и после этого получают второе электрохимическое измерение, указывающее на уровень второго анализируемого вещества, присутствующего в образце.
30. 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 содержит стадии, на которых:
обеспечивают наличие устройства, содержащего 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;
помещают образец вина в электрохимическую ячейку, тем самым инициируя окислительно-восстановительную реакцию, и
получают первое электрохимическое измерение, указывающее на уровень диоксида серы в свободной форме.
31. Способ по п.30, дополнительно содержащий стадии, на которых нагревают образец вина в течение периода времени, достаточного для реагирования диоксида серы в связанной форме с реагентом, причем стадию нагрева осуществляют после стадии получения первого электрохимического измерения, и после этого получают второе электрохимическое измерение, указывающее на общий уровень диоксида серы в свободной форме и в связанной форме.
32. Способ по п.30, дополнительно содержащий стадии, на которых:
получают второе электрохимическое измерение, указывающее на кинетику реакции диоксида серы в связанной форме с реагентом, где второе электрохимическое измерение получают после стадии получения первого электрохимического измерения, и
вычисляют уровень связанного диоксида серы с использованием кинетики реакции.
33. Способ изготовления устройства для детектирования окислительно-восстановительного реакционно-способного анализируемого вещества в водном образце, причем устройство содержит 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, причем способ содержит стадии, на которых:
формируют отверстие, простирающееся сквозь лист материала, обладающего большим электрическим сопротивлением, причем отверстие определяет боковую стенку сенсорной камеры;
прикрепляют первый слой, имеющий первый электрод, к первой стороне листа и простирают поверх отверстия, определяя первую торцевую стенку сенсорной камеры, причем первый электрод обращен к первой стороне листа;
прикрепляют второй слой, имеющий второй электрод, ко второй стороне листа и простирают поверх отверстия, определяя вторую торцевую стенку сенсорной камеры с существенным совмещением с первым слоем при наложении, причем второй электрод обращен ко второй стороне листа, при этом лист и слои формируют полоску;
формируют отверстие в полоске для того, чтобы сделать возможным введение образца в сенсорную камеру, и
обеспечивают наличие реагента, способного подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом, где реагент содержится внутри сенсорной камеры.
