DE69434195T2

DE69434195T2 - Planare Festelektrolyt-Sauerstoffsensoren

Info

Publication number: DE69434195T2
Application number: DE69434195T
Authority: DE
Inventors: Joseph S. Foos; Peter G. Edelman; James E. Flaherty; Joseph Berger; Mark W. Boden
Original assignee: Novartis AG; Bayer AG; Bayer Corp
Current assignee: Novartis AG; Siemens Healthcare Diagnostics Inc
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2014-03-29
Also published as: US5387329A; CA2113733A1; DE69434195D1; AU675811B2; ATE285579T1; US5595646A; US5401376A; JPH09236572A; EP0625704B1; EP1494022A3; JP3695660B2; AU5501994A; US5518601A; EP1491883A1; EP0625704A2; EP1494022A2; JP2004264315A; EP1489410A3; US5503719A; JP3602570B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen planare Sensoren und insbesondere einen planaren elektrochemischen Sauerstoffsensor, der klein ist, nicht-sauerstoffverarmend ist, zweckmäßig und kostengünstig herzustellen ist und eine schnelle Ansprechzeit aufweist und eine lange Nutzstandzeit aufweist.
Bei der klinischen Untersuchung bzw. beim klinischen Eingriff ist es wichtig, bestimmte Blutanalyten zu überwachen, die für die normale physiologische Funktion und Homöostase signifikant sind. Solche Blutanalyten umfassen pCO₂, pO₂, tHb, pH, Na⁺, K⁺, Cl^– und Ca²⁺. Das Blickfeld der vorliegenden Erfindung richtet sich auf Sensoren für die Messung von pO₂, d. h. den Partialdruck von Sauerstoff. Die Lehre der vorliegenden Erfindung erstreckt sich ferner auf Sensoren zum Messen von anderen Blutanalyten und auf Sensoren zur Verwendung auf anderen technischen Gebieten. Herkömmliche Ansätze verwenden dafür eine Vielzahl von elektrochemischen Mitteln, wie elektrochemische Sensoren mit zwei oder drei Elektroden mit flüssigen, festen oder Gelelektrolyten.
Herkömmliche Sensoren werden so hergestellt, dass sie groß sind, wobei sie viele brauchbare Teile umfassen, oder dass sie kleine Sensoren vom planaren Typ sind, die unter vielen Umständen zweckmäßiger sein können. Der Begriff "planar", wie hierin verwendet, bezieht sich auf das gut bekannte Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen planaren Struktur mit Schichten aus relativ dünnen Materialien, beispielsweise unter Verwendung der gut bekannten Dickfilm- oder Dünnfilmverfahren. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4 571 292 und EP-A-125807.
Die Elektroden eines solchen Sensors werden üblicherweise durch einen Elektrolyten angesprochen, der mit einer gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Membran, wie Teflon, Polyethylen oder Polypropylen, bedeckt ist. Wenn Blut mit der Membran in Kontakt gebracht wird, diffundiert Sauerstoff aus dem Blut über die Membran durch die Elektrolytlösung und wird an einer Kathode reduziert. Der Sauerstoffpartialdruck der Probe wird durch Messen des resultierenden elektrischen Stroms, der durch einen Stromkreis fließt, der die Kathode und eine Anode umfasst, bestimmt. Ein Sensor mit drei Elektroden kann verwendet werden, der eine konstante Spannungsbeziehung zwischen einer Arbeitselektrode (Kathode) und einer Bezugselektrode durch eine Rückführungsregelung aufrechterhält, und ist im US-Patent Nr. 4 571 292, auf das vorstehend Bezug genommen wurde, beschrieben. Gemäß einem solchen System kann Sauerstoff an der Arbeitskathode reduziert werden, wobei diese Reaktion durch das konstante Potenzial zwischen der Arbeits- und der Bezugselektrode angetrieben wird, sodass eine Reaktion, die an einer Gegenelektrode (Anode) stattfindet, einfach das Umgekehrte von jener ist, die an der Arbeitskathode stattfindet, das heißt, eine nicht-elektroden-verbrauchende Reaktion.
In Bezug auf Sensoren mit sowohl zwei als auch drei Elektroden ist es erwünscht, eine Arbeitselektrode (Kathode) so herzustellen, dass sie sehr klein ist. In dieser Weise ist die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt und ein genauerer Ausgangsstrom als Funktion von pO₂ wird realisiert.
Außerdem wird die Kathode wünschenswerterweise so hergestellt, dass sie sehr klein ist, sodass der Sensor ein nicht-verarmendes Verhalten aufweist, das heißt, eine schnelle, von der Rührgeschwindigkeit unabhängige (zeitunabhängige) Stromreaktion wird realisiert. Das Prinzip der Nicht-Verarmung ist in einem Artikel mit dem Titel "Voltammetric Microelectrodes", in Current Separations, 8, 1/2 (1987) von Jonathan O. Howell, und in den Bezugsquellen darin erörtert.
Es ist jedoch schwierig, einen Sensor mit einer Arbeitselektrode, die klein genug ist, sodass sie nicht-verarmend ist, routinemäßig und kostengünstig herzustellen.
Bei der klinischen Untersuchung bzw. beim klinischen Eingriff ist es ein Ziel, bezüglich der elektrochemischen Blutanalytenanalyse die Daten zu maximieren, die aus einer Probe mit einem Volumen in der Größenordnung von Mikrolitern erhältlich sind. Die Herstellung einer sehr kleinen Sensorprobenkammer, um eine Probe mit einer semipermeablen Membran in Kontakt zu halten, ist in dieser Hinsicht erwünscht, sodass viele Tests beispielsweise unter Verwendung einer Reihe von miteinander verbundenen Sensoren, die jeweils konstruiert sind, um einen anderen Analyten aus einem sehr kleinen Probenvolumen, wie einer Kapillarröhrenprobe, nachzuweisen, durchgeführt werden können. Wenn eine Probenkammer kleiner gestaltet wird, wird jedoch die Konzentration von Verunreinigungen in einer Probe von den Sensorkomponenten selbst, insbesondere Komponenten, die eine Probenkammer festlegen, und/oder bestimmten Reaktionsprodukten der Sensorfunktion selbst erhöht. Eine solche Verunreinigung kann zu einem vorzeitigen Sensorausfall führen.
Die Standzeit von kleinen planaren Sensoren wird üblicherweise durch die Verunreinigung einer semipermeablen Membran mit Probenkomponenten oder Verunreinigungen, die in anderen Sensorkomponenten vorhanden sind, die direkt oder über die Probe in die Membran auslaugen können, vorgegeben. Eine solche Verunreinigung beeinträchtigt üblicherweise die Permeabilitätseigenschaften der Membran, was die Linearität der Sensorleistung beeinträchtigen kann oder den Durchlass von Spezies ermöglichen kann, die den darunterliegenden Elektrolyten oder die Elektroden verunreinigen können.
Ein zusätzlicher Faktor, der die Sensorstandzeit verkürzen kann, ist die Delaminierung von verschiedenen Sensorkomponenten von anderen Sensorkomponenten. Diese Komplikationen führen typischerweise zu Sensoren, die keinen genauen und reproduzierbaren Ausgangsstrom bei einem gegebenen Niveau an Analytenkonzentration, der der Sensor für einen annehmbaren Zeitraum ausgesetzt wird, liefern. Somit versagen kommerziell erhältliche planare elektrochemische Sensoren zum Messen von Analyten in Blut, wie Sauerstoff, im Allgemeinen nach dem Aussetzen einer begrenzten Anzahl von Proben.
Indikatoren, von denen durch die Erfinder festgestellt wurde, dass sie den Sensornutzen bestimmen und die Nutzstandzeit eines Sensors überwachen, umfassen Sensorpolarogramme, die sich drastisch von denjenigen unterscheiden, die der Sensor aufwies, als er neu war, und/oder die Störpeaks enthalten, die Verunreinigungen zuzuschreiben sind, und Diagramme des Ausgangsstroms als Funktion der Analytenkonzentration, die eine unannehmbare Drift zeigen.
Wenn es möglich wäre, eine semipermeable Membran zum Trennen eines Probenbereichs von einem elektrochemischen Messbereich herzustellen, die für Spezies, die für den Sensor schädlich sind, relativ undurchlässig wäre, die von irgendwelchen anderen Sensorkomponenten unbeeinflusst wäre und für einen langen Zeitraum wirksam wäre, würde die Sensorlanglebigkeit erhöht werden.
Versuche wurden durchgeführt, beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4 734 184 eine wegwerfbare elektrochemische Sensorvorrichtung zum Messen von Analyten in Körperflüssigkeitsproben. Eine Membran ist konstruiert, um den Probenbereich vom Bereich des elektrochemischen Sensors zu trennen und um Analyten und Spezies, die für die Messfunktion erforderlich sind, durchzulassen, während der Transport von unerwünschten Spezies verhindert wird. Es bleibt jedoch eine Herausforderung auf dem Fachgebiet, eine Membranzusammensetzung zu formulieren, die eine konstante Permeabilität für gewünschte Spezies über einen ausgedehnten Zeitraum aufweist, während die Undurchlässigkeit für unerwünschte Spezies für dieselbe Länge an Zeit aufrechterhalten wird. Außerdem ist es eine zusätzliche Herausforderung, in einer solchen Membran erwünschte makroskopische physikalische Eigenschaften, wie Haltbarkeit und Biegsamkeit, zu konstruieren, wäh rend erwünschte mikroskopische physikalische Eigenschaften, die erwünschte Permeabilitätseigenschaften der Membran bereitstellen, aufrechterhalten werden.
Folglich ist es ein allgemeiner Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Mittel und ein Verfahren zum Messen der Konzentration einer elektrochemisch aktiven Spezies, wie Sauerstoff, in einer Flüssigkeit, wie Blut, unter Verwendung eines kleinen elektrochemischen Sensors, der relativ einfach und kostengünstig herzustellen ist, bezüglich der gemessenen aktiven Spezies nicht-verarmend ist und eine relativ lange Nutzstandzeit aufweist, bereitzustellen.
Die vorangehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Bereitstellung eines Sensors, wie in Anspruch 1 definiert, erreicht. Die Membran ist wünschenswerterweise für flüssiges Wasser undurchlässig, aber für Wasserdampf schnell durchlässig. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Membran für einen Sauerstoffsensor für Ionen und andere Blutbestandteile undurchlässig ist und eine begrenzte Permeabilität für Sauerstoff aufweist.
Die Membran funktioniert brauchbar für einen Zeitraum von mindestens 2 Tagen, vorzugsweise 10 Tagen und bevorzugter 15 Tagen unter einem normalen Sensorbetrieb, wenn sie mit dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor verwendet wird. Von Sensoren, die gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hergestellt werden und die eine besonders bevorzugte Membran enthalten, wurde demonstriert, dass sie für mindestens 60 Tage unter einem normalen Betrieb brauchbar funktionieren. Der normale Sensorbetrieb wird nachstehend definiert.
Der Sensor ist mit einer Dichtung zum Bilden einer flüssigkeits- und gasundurchlässigen Abdichtung zwischen einer semipermeablen Membran und einem Deckelement, die zusammen teilweise eine Probenkammer eines elektrochemischen Sensors festlegen, versehen. Die Dichtung umfasst ein stark vernetztes Polymerisationsprodukt einer Epoxyverbindung und eines hydrophilen Monomers gemäß einer Ausführungsform. Vorzugsweise weist die Dichtung eine Shore-A-Härte von etwa 10 bis etwa 100, eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als 20 Barrer auf und ist flüssigkeitsundurchlässig und so formuliert, dass sie von beweglichen extrahierbaren Materialien, die in die Membran auslaugen könnten, was die physikalischen oder Permeabilitätseigenschaften darin beeinträchtigt, im Wesentlichen frei ist. Die Dichtung ist ferner so formuliert, dass sie von beweglichen Sulfiden und Batteriemetallen im Wesentlichen frei ist, und ist beim Bilden und Aufrechterhalten der Abdichtung für mindestens 2 Tage, vorzugsweise 10 Tage und bevorzugter 15 Tage unter einem normalen Sensorbetrieb wirksam.
Der Sensor ist mit einer Probenkammer zum Aufnehmen einer physiologischen Flüssigkeit versehen, deren pO₂ gemessen werden soll, wobei die Kammer durch eine semipermeable Membran, die über einem elektrochemischen Sensor liegt, ein Deckelement mit mindestens einem Durchgang, durch den die Probenflüssigkeit strömen kann, und mindestens eine Dichtung zwischen dem Deckelement und der Membran, das die Kammer abdichtet, festgelegt ist. Die Dichtung ist so ausgewählt, dass sie von irgendwelchen extrahierbaren Materialien frei ist oder dass irgendwelche vorhandenen extrahierbaren Materialien nicht in einer Weise in die Membran auslaugen, die die erwünschten Eigenschaften der Membran beeinträchtigt. Die Dichtung ist ferner so ausgewählt, dass sie von Spezies im Wesentlichen frei ist, die, wenn sie in eine Probe auslaugen würden, die elektrochemische Messung eines speziellen Analyten darin stören würden oder sich auf den Elektrolyten, die Elektroden oder andere Komponenten des elektrochemischen Sensors nachteilig auswirken würden. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Dichtung und die Membran ferner so ausgewählt, dass sie ausreichende Biegsamkeitseigenschaften aufweisen, um einen abgedichteten Übergang an ihrer Grenzfläche zu bilden, wobei der Übergang für die Standzeit des Sensors abgedichtet bleibt, und wobei sich die Abdichtung nicht nachteilig physikalisch auf die Dichtung oder die Membran auswirkt.
Der Sensor kann mit einem neuen Mittel versehen sein, das einen kleinen, elektrisch ansprechbaren Bereich aus elektrisch leitendem Material zur Verwendung als Mikroelektrode oder dergleichen bildet. Gemäß dem Verfahren wird ein elektrisch leitendes Material auf einem Substrat angeordnet und zumindest ein Teil des Materials mit einem elektrisch isolierenden, nicht-porösen Material, d. h. einem dielektrischen Material, bedeckt. Eine kleine Unstetigkeit wird im elektrisch isolierenden Material unter Verwendung eines Nadelstempels ausgebildet, um einen kleinen elektrisch ansprechbaren Bereich des elektrisch leitenden Materials freizulegen und eine Mikroelektrode festzulegen. Gemäß einem speziellen Verfahren steht ein Nadelstempel mit dem elektrisch leitenden Material in elektrischer Verbindung. Wenn der Nadelstempel das elektrisch isolierende Material durchdringt und das elektrisch leitende Material berührt, wird ein elektrischer Stromkreis gebildet, der auf eine solche Durchdringung hindeutet, und der Nadelstempel wird aus dem elektrisch leitenden Material herausgezogen. Die Vorrichtung kann so ausgelegt sein, dass die Nadel in einer beliebigen einer Vielzahl von Positionen relativ zur Oberfläche des elektrisch leitenden Materials herausgezogen wird.
Der erfindungsgemäße Sensor stellt einen planaren Festkörper-Sauerstoffsensor mit zwei oder drei Elektroden bereit, der unter Verwendung von Dick- oder Dünnfilmverfahren ausgebildet wird, wobei der Sensor nicht-verarmend ist, relativ kostengünstig ist, eine schnelle Ansprechzeit aufweist, konstruiert ist, um Blutproben mit Volumina in der Größenordnung von Mikrolitern zu messen, und eine Standzeit in der Größenordnung von Tagen oder Monaten aufweist.
Der Sensor kann einen planaren Festkörper-Sauerstoffsensor umfassen, mit einem elektrisch nicht-leitenden Substrat, einem ersten elektrisch leitenden Material, das an einem ersten Teil des Substrats haftet, wobei zumindest ein Teil des ersten leitenden Materials mit einer elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung bedeckt ist und zumin dest ein Teil des ersten leitenden Materials von der elektrisch- isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des ersten leitenden Materials einen Arbeitselektrodenbereich festlegt, einem zweiten elektrisch leitenden Material, das an einem zweiten Teil des Substrats haftet, wobei ein Teil des zweiten leitenden Materials mit der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung bedeckt ist und zumindest ein Teil des zweiten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des zweiten leitenden Materials einen Gegenelektrodenbereich festlegt, einem dritten elektrisch leitenden Material, das an einem dritten Teil des Substrats haftet, wobei ein Teil des dritten leitenden Materials mit der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung bedeckt ist und zumindest ein Teil des dritten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des dritten leitenden Materials einen Bezugselektrodenbereich festlegt, einem hygroskopischen festen Elektrolyten, der auf zumindest dem Arbeitselektrodenbereich und dem Gegenelektrodenbereich vorgesehen ist, wobei der Elektrolyt einen Quellewert von weniger als zweimal seinem Trockenvolumen aufweist, wenn er mit Wasser versehen wird, einer semipermeablen Membran, die den Elektrolyten bedeckt und eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als 8 Barrer aufweist, einem Deckelement, das die semipermeable Membran bedeckt und in welchem eine Aussparung ausgebildet ist, wobei die Aussparung einen Umfang, der der Membran zugewandt ist, und mindestens einen Durchgang, der mit der Aussparung verbunden ist, aufweist, und einer Dichtung, die den Aussparungsumfang und die Membran berührt, um eine Abdichtung dazwischen auszubilden, wobei die Dichtung, das Deckelement und die Membran eine Probenkammer festlegen.
Der Sensor kann einen planaren Festkörper-Sauerstoffsensor umfassen, mit einem elektrisch nicht-leitenden Substrat, einem ersten elektrisch leitenden Material, das an ei nem ersten Teil des Substrats haftet, wobei zumindest ein Teil des ersten leitenden Materials mit einer elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung bedeckt ist und zumindest ein Teil des ersten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des ersten leitenden Materials einen Arbeitselektrodenbereich festlegt, einem zweiten elektrisch leitenden Material, das an zumindest einem zweiten Teil des Substrats haftet, wobei ein Teil des zweiten leitenden Materials mit der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung bedeckt ist und zumindest ein Teil des zweiten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des zweiten leitenden Materials einen Gegenelektrodenbereich festlegt, einem Elektrolyten, der zumindest auf dem Arbeitselektrodenbereich und dem Gegenelektrodenbereich vorgesehen ist, und einer semipermeablen Polymermembran, die den Elektrolyten bedeckt, wobei die Membran das Polymerisationsprodukt von mindestens einem Nitril enthaltenden Monomer und mindestens einem konjugierten Dienmonomer umfasst.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Sensor bereitzustellen. Der Sensor kann ein elektrochemisches Mittel zum Nachweis eines Analyten in einer Testprobe, eine semipermeable Membran, die das elektrochemische Mittel bedeckt, wobei die Membran für den Analyten und für Spezies, die für die Funktion des elektrochemischen Mittels notwendig sind, durchlässig ist, ein Deckelement, das die semipermeable Membran bedeckt und in dem eine Aussparung ausgebildet ist, wobei die Aussparung einen Umfang, der der Membran zugewandt ist, und mindestens einen mit der Aussparung verbundenen Durchgang aufweist, und eine Dichtung, die den Aussparungsumfang und die Membran berührt, um eine Abdichtung zwischen diesen zu bilden, wobei die Dichtung, das Abdeckelement und die Membran eine Probenkammer festlegen, umfassen.
Der Sensor kann eine Mikroelektrode zur Verwendung als Arbeitselektrode in einem planaren Festkörper-Sauerstoffsensor oder dergleichen umfassen, umfassend die Schritte des Auswählens eines elektrisch nicht-leitenden Substrats, des Kombinierens des Substrats mit einem elektrisch leitenden Material, wobei das elektrisch leitende Material eine Schicht benachbart zum elektrisch nicht-leitenden Substrat bildet, des Beschichtens zumindest eines Teils des elektrisch leitenden Materials mit einem elektrisch isolierenden Material, des Stanzens des elektrisch isolierenden Materials, um mindestens ein Loch oder eine Öffnung darin auszubilden, mit einer Nadel in Verbindung mit einem elektrischen Stromkreismittel in Verbindung mit dem elektrisch leitenden Material, die zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich ist, in der das elektrische Stromkreismittel ein Signal erzeugt, des Herausziehens der Nadel, wenn das Signal erzeugt wird, wobei das isolierende Material so ausgewählt ist, dass es fest am leitenden Material haftet, sodass, wenn das (die) Loch (Löcher) oder die Öffnung(en) ausgebildet ist (sind), ein freigelegter, elektrisch ansprechbarer Teil des elektrisch leitenden Materials erzeugt wird, wodurch mindestens eine Elektrode mit einer Größe, die durch die Querschnittsfläche des Lochs oder der Öffnung festgelegt ist, festgelegt wird.
Der Sensor kann eine semipermeable Membran, ein elektrochemisches Mittel auf einer ersten Seite der Membran zum Nachweis eines Analyten in einer Probe, und eine Probenkammer auf einer zweiten Seite der Membran zum Aufnehmen der Probe aufweisen, wobei die Kammer teilweise durch die zweite Seite der Membran und ein Deckelement, in dem eine Aussparung ausgebildet ist, festgelegt ist, wobei die Aussparung einen Umfang, der der zweiten Seite der Membran zugewandt ist, aufweist und dadurch verbessert ist, dass sie eine Dichtung zum Bilden einer flüssigkeits- und gasundurchlässigen Abdichtung zwischen der zweiten Seite der semipermeablen Membran und dem Aussparungsumfang des Deckelements aufweist, wobei die Dich tung ein haltbares organisches Polymer oder Copolymer umfasst, das unter Spannung nicht kriecht oder fließt, das eine geringe Härtebewertung aufweist, das gasundurchlässig ist und das geringfügig hygroskopisch ist und somit in Gegenwart einer Wasser enthaltenden Lösung geringfügig quillt.
Die obigen und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung besser verständlich, wenn sie in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gelesen wird, in denen gilt:
1 ist eine Draufsicht auf eine teilweise Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen planaren Sauerstoffsensors, wobei der Elektrolyt, die Membran, die Dichtung und das Deckelement entfernt sind;
2 ist eine Draufsicht auf eine teilweise Anordnung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen planaren Sauerstoffsensors, wobei der Elektrolyt, die Membran, die Dichtung und das Deckelement entfernt sind;
3 ist eine Querschnittsansicht durch die Linie 3-3 in 1, wobei sich der Elektrolyt, die Membran, die Dichtung und das Deckelement an der Stelle befinden;
4 ist eine Querschnittsansicht durch die Linie 4-4 von 2, wobei sich der Elektrolyt, die Membran, die Dichtung und das Deckelement an der Stelle befinden;
5 ist eine Querschnittsansicht durch die Linie 5-5 von 3 oder 4, welche diese Ansicht der Ausführungsformen von 3 und 4 als identisch zeigt;
6 ist ein Kurvenbild der Membranpermeabilität als Funktion des Prozentsatzes an Polyvinylchlorid oder Poly(vinylidenchlorid-co-acrylnitril) gemäß ausgewählten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Kurvenbild des Stroms als Funktion der Zeit, welches die Stromreaktion auf pO₂ in wässerigen Kalibratoren, gemessen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, darstellt;
8 ist ein Kurvenbild des Stroms als Funktion der Zeit, welches die Stromreaktion auf pO₂ in Blutproben, gemes sen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt;
9 stellt Spannungs-Strom-Diagramme mit linearem Durchlauf von gemäß drei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellten Sensoren nach 16 Tagen Verwendung dar;
10 stellt die Sensorreaktion auf wässerige Sauerstoffkalibratorlösungen von gemäß drei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellten Sensoren nach 16 Tagen Verwendung dar;
11 stellt die Sensorreaktion auf wässerige Sauerstoffkalibratorlösungen und auf tonometrierte menschliche Vollblutproben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
12 stellt Polarogramme dar, die nach fünf Tagen Sensortest unter Verwendung von Sauerstoffkalibratorlösungen, menschlichem Serum und tonometrierten menschlichen Vollblutproben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgenommen wurden.
Ein planarer Sauerstoffsensor 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt und umfasst ein im Wesentlichen planares Substrat 32, leitende Metallstreifen 34, 36 und 38, die auf diesem abgeschieden sind, und eine dielektrische Schicht 40, die auf dem Substrat 32 abgeschieden ist, um Teile der leitenden Streifen 34, 36 und 38 zu bedecken, während Teile von einigen der leitenden Streifen unbedeckt belassen sind.
Das Substrat 32 wird aus einem beliebigen im Wesentlichen elektrisch isolierenden Material, wie Keramik, Glas, feuerfestem Material, Polymeren oder Kombinationen davon, ausgebildet. Die Ausbildung eines solchen isolierenden Substrats als mechanischer Träger oder mechanische Basis ist für übliche Fachleute Allgemeinwissen. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat ungefähr 96% Aluminiumoxid und ungefähr 4% Glasbindemittel. Ein geeignetes Material mit der bevorzugten Zusammensetzung ist von Coors Ceramic Company, Grand Junction, CO, erhältlich. Obwohl in den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Substrat die Grundlage des Sauerstoffsensors bildet, könnten eine Vielzahl von Substraten, die jeweils separate Sensorkomponenten tragen und/oder helfen, Sensorkomponenten zu tragen, die von anderen Substraten getragen werden, verwendet werden.
Die leitenden Streifen 34, 36 und 38 sind auf dem Substrat 32 so abgeschieden, dass sie sich in einer bevorzugten Ausführungsform von einem ersten Ende 41 desselben zu einem zweiten Ende 43 desselben erstrecken. Am ersten Ende 41 sind die leitenden Streifen typischerweise so abgeschieden, dass sie breit genug sind, um Kontaktstellen 42, 44 bzw. 46 festzulegen. Am zweiten Ende 43 sind die leitenden Streifen typischerweise so abgeschieden, dass sie etwas schmäler sind, von welchen freigelegte Bereiche Elektroden festlegen können, wie nachstehend beschrieben.
Die leitenden Streifen 34, 36 und 38 können unter Verwendung der gut bekannten Dünn- oder Dickfilmverfahren abgeschieden werden. Typischerweise wird eine Verbindung mit einem Metall über typischen Dickfilm-Siebdruck auf das Substrat 32 aufgebracht und die aufgebrachte Verbindung und das Substrat werden dann gebrannt, um das aktive Metall zu sintern und das aktive Metall gemeinsam an das Substrat zu kleben. Das elektroaktive Metall kann ein beliebiges leitendes Metall umfassen, beispielsweise Silber, Platin oder Gold, das in einem potenziellen Bereich, in dem eine Oxidation oder Reduktion einer beliebigen zu messenden Spezies stattfindet, nicht oxidiert oder reduziert wird. Im Fall eines Sauerstoffsensors sollten elektroaktive Metalle nicht für eine Oxidation im Bereich von 0 bis –1200 Millivolt (mV) gegen Silber/Silberchlorid anfällig sein. Außerdem werden Materialien, die zur Herstellung der leitenden Streifen 34, 36 und 38 ausgewählt werden, wünschenswerterweise so ausgewählt, dass sie von irgendwelchen Verunreinigungen, wie Batteriemetallen (das heißt, denjenigen, die in Wasser elektrochemisch aktiv sind), die typischerweise in Serienmaterialien vorliegen, die zum Drahtbonden usw. kommerziell erhältlich sind, frei sind.
Viele Dickfilmpasten sind kommerziell erhältlich, wie Silberpasten, die als Teil Nummer 3571 UF/Ag von Metech Company in Elverson, PA (Metech), und Teil Nummer 6061/Ag von E. I. DuPont De Nemours & Company (DuPont) in Wilmington, Delaware, erhältlich sind; Silberchlorid, das als Teil Nummern 2539/Ag/AgCl oder PC10299 von Metech erhältlich ist; Goldpasten, die als Teil Nummer PC10231/Au von Metech, Teil Nummer 5715H/Au von DuPont und Teil Nummer JM1301/Au von Johnson Matthey in West Deptford, NJ, erhältlich sind; und Platinpaste, die als Teil Nummer PC10208/Pt von Metech erhältlich ist.
Bei der Auswahl von speziellen Pasten zur Verwendung als Elektroden in der Erfindung und in einer Ausführungsform können Elektroden mit den leitenden Streifen durchgehend sein und mit speziellem Hinblick auf den leitenden Streifen 38, der teilweise eine Arbeitselektrode festlegt, wie nachstehend gemäß einer Ausführungsform beschrieben, ist es vorteilhaft, eine Vorbewertung durchzuführen, in der ein Polarogramm, das vom Arbeitselektrodenmaterial gezeigt wird, aufgezeichnet wird, um die Herstellung, Qualitätskontrolle und Produktspezifikationen zu bewerten. Wie gut bekannt ist, kann ein Polarogramm durch Vorspannen einer Elektrode gegen eine Referenz in Gegenwart eines Elektrolyten, Verändern der Spannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs und Aufzeichnen des Ausgangsstroms als Funktion der Spannung aufgezeichnet werden.
Wie vorstehend erörtert, wurde von den Erfindern festgestellt, dass eine Bestimmung des Sensornutzens auf der Basis von Indikatoren, die vom Sensor gezeigte Polarogramme umfassen, durchgeführt werden kann. Außerdem wurde gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass eine Bestimmung eines geeigneten Kandidaten zur Verwendung als Material zur Herstellung der Elektroden, insbesondere einer Arbeitselektrode (nachstehend beschrieben) und in einer Ausführungsform des leitenden Streifens 38, auch auf der Basis eines vom Material gezeigten Polarogramms durchgeführt werden kann. Ein geeigneter Kandidat als Material zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer Arbeitselektrode (und des leitenden Streifens 38 gemäß einer Ausführungsform), weist vorteilhafterweise ein Polarogramm mit einem Plateau in einem Bereich auf, in dem der Sensor typischerweise während der elektrochemischen Analyse polarisiert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bedeutet dies, dass ein geeignetes Material ein relativ flaches Diagramm des Stroms als Funktion der Spannung im Bereich von ungefähr –0,800 V +/– 0,300 Volt (V) gegen Silber/Silberchlorid aufweist. Es soll selbstverständlich sein, dass die Wahl des elektrischen Potenzials in elektrochemischen Analysen von Sensorkomponenten, beispielsweise Analysen auf Polarogrammbasis, für die vorliegende Erfindung nicht entscheidend ist. Eine beliebige Potenzialeinstellung kann gemäß den hierin beschriebenen erwünschten Betriebsparametern gewählt werden.
Wenn während des Sensorbetriebs die Spannung, auf die die Arbeitselektrode gesetzt wurde, absolut konstant gehalten werden könnte, bestünde kein Bedarf für ein Elektrodenmaterial-Polarogrammplateau. Da jedoch eine absolute Spannungssteuerung nicht praktisch ist, ist ein Plateau erwünscht. Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe "Plateau" und "relativ flaches Diagramm des Stroms als Funktion der Spannung" einen Bereich der Kurve festlegen, der durch das Polarogramm definiert ist, in dem eine innewohnende Instrumenten- und Versuchsspannungsschwankung nicht zu einem Strommesswert führt, der außerhalb einer annehmbaren Fehlertoleranz schwankt, im Betrieb von einigen Sensoren kann ein Plateau nicht beobachtet werden, aber sie funktionieren zweckmäßig, solange die Spannungsschwankung nicht außerhalb einer annehmbaren Fehlertoleranz abweicht.
Es wurde gemäß der Erfindung auch festgestellt, dass die Bewertung des Materials für die Elektrodenverwendung auf der Basis der vorstehend angegebenen Polarogrammanalyse vorteilhaft ist, da ein Polarogramm Peaks aufweisen kann, die auf im Material vorhandene Verunreinigungen hindeuten. Es soll selbstverständlich sein, dass ein Peak in einem solchen Polarogramm nicht notwendigerweise auf ein ungeeignetes Material hindeutet. Ein Peak kann beispielsweise nur auf eine Elektrochemie hindeuten, die mit dem Verbrauch einer Verunreinigung verbunden ist, und auf ein Material hindeuten, das sich zur Elektrodenverwendung gut eignet. Ein Peak kann jedoch auf die Anwesenheit einer Verunreinigung hindeuten, die aus dem Material oder innerhalb desselben während der elektrochemischen Messung erzeugt wird, und kann somit darauf hindeuten, dass ein Material ungeeignet ist.
Mit speziellem Hinblick auf den leitenden Streifen 38, der teilweise eine Arbeitselektrode festlegt, ist ein bevorzugtes Material eine Platin-Dickfilmpaste mit sehr hoher Reinheit. Der leitende Streifen 34 umfasst vorzugsweise eine dünne Schicht aus Silber, die auf dem Substrat 32 abgeschieden ist, wobei eine Schicht aus Silberchlorid auf dieser im Elektrodenbereich abgeschieden ist, was nachstehend erörtert wird, um eine Bezugselektrode zu erzeugen. Alternativ kann eine als leitender Streifen 34 abgeschiedene Silberschicht in Gegenwart von ausreichend Chloridion elektrochemisch oxidiert werden, um eine Silberchloridschicht auf einer Silberschicht zur Verwendung als Bezugselektrode auszubilden. Eine solche Abscheidung oder elektrochemische Ausbildung einer Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode ist auf dem Fachgebiet gut bekannt. Der leitende Streifen 36 umfasst in bevorzugten Ausführungsformen eine Gold-Dickfilmpaste oder eine Platin-Dickfilmpaste.
Die Verwendung einer Silberbezugselektrode liegt innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung. Eine Modifizierung der Lehren der vorliegenden Erfindung bezüglich der Spannungseinstellungen nach dem Austausch einer Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode gegen eine Silberbezugselektrode würde von einem üblichen Fachmann leicht durchgeführt werden.
Am zweiten Ende 43 des Substrats 32 wird die dielektrische Schicht 40 so abgeschieden, dass sie Teile der leitenden Streifen 34, 36 und 38 bedeckt, während sie einen offenen gedruckten Bereich 48 enthält, der Teile der leitenden Streifen unbedeckt lässt, um die Bezugselektrode 50 (falls vorhanden), die Gegenelektrode 52 und die Arbeitselektrode 54 festzulegen. Das zur Herstellung der dielektrischen Schicht 40 ausgewählte Material ist wünschenswerterweise elektrisch isolierend und nicht-porös, von Verunreinigungen frei, die einer Oxidation oder Reduktion im Potenzialbereich von irgendeiner zu messenden Spezies oder irgendeinem zu messenden Analyt unterliegen können, wie vorstehend beschrieben, und wird ferner so ausgewählt, dass es von beweglichen Ionen frei ist, die potenziell Ladung tragen würden und die Aktivität von irgendeinem im Sensor verwendeten Elektrolyten stören würden. Ferner wird das Dielektrikum 40 so ausgewählt, dass es fest am Substrat 32 und an den leitenden Streifen 34, 36 und 38 haftet, um zu ermöglichen, dass die Elektroden 50, 52 und 54 elektrisch ansprechbar sind, während vom Dielektrikum bedeckte Teile effektiv elektrisch isoliert werden. Materialien, wie Keramiken, Glas, feuerfeste Materialien, Polymermaterialien oder Kombinationen davon, sind als dielektrische Materialien gut bekannt und sind zur Verwendung als Dielektrikum in der vorliegenden Erfindung geeignet.
Bezüglich Materialien, die vorteilhafterweise zur Herstellung der leitenden Streifen 34, 36 und 38 ausgewählt werden, wird angemerkt, dass die Materialauswahl in Bereichen der Streifen, die die Kontaktstellen 42, 44 und 46 festlegen und die die Bondkontaktstellen mit Bereichen verbinden, die Elektroden festlegen, weniger bedeutend wird. Die Kontaktstellen und Bereiche der leitenden Streifen, die diese mit den Elektroden verbinden, können beispielsweise aus einem beliebigen leitenden Material hergestellt werden, das am Substrat 32 haftet und das die elektrische Isolationsfunktion der dielektrischen Schicht 40 nicht stört. Gemäß einer Ausführungsform werden die Kontaktstellen und Bereiche der lei tenden Streifen, die diese mit den Elektroden verbinden, aus einer Goldpaste hergestellt.
Zusätzlich zu den vorstehend erörterten Materialauswahlparametern und wie mit Bezug auf die Auswahl des dielektrischen Materials erörtert, ist es bei der Herstellung eines Sensors mit verlängerter Verwendung vorteilhaft, Materialien zur Herstellung des Substrats, der leitenden Streifen und der dielektrischen Schicht derart auszuwählen, dass eine gute Haftung zwischen benachbarten Schichten erzielt wird, das heißt die Delaminierung minimiert wird. Wenn keine gute Haftung erzielt wird, werden die Bezugs-, Gegen- und Arbeitselektrode 50, 52 und 54 durch den offenen gedruckten Bereich 48 in einer Ausführungsform, wie durch ein beim Dickfilm-Abscheidungsvorgang verwendetes Sieb festgelegt, nicht gut festgelegt und eine nachteilige Elektrochemie ergibt sich.
Eine elektrochemische Voranalyse kann auch verwendet werden, um die Haftung zwischen verschiedenen Materialien gemäß dem folgenden Verfahren zu bewerten. Ein Elektrolyt wird auf die Bezugs-, die Gegen- und die Arbeitselektrode 50, 52 und 54 des Sensors aufgebracht, wie vorstehend beschrieben. Der Sensor wird mit einem Potenzial zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode vorgespannt und ein resultierender Ausgangsstrompegel bei einer konstanten Spannung wird über die Zeit beobachtet. Wenn der Ausgangsstrompegel im Wesentlichen stetig und im Wesentlichen frei von einer Schwankung ist, wird eine gute Haftung zwischen benachbarten Schichten angezeigt. Wenn eine Delaminierung, insbesondere eine Delaminierung zwischen der dielektrischen Schicht 40 und den leitenden Streifen 34, 36 und/oder 38 dort, wo der offene gedruckte Bereich 48 die Elektroden 50, 52 und 54 festlegt, auftritt, kann dies durch Störpeaks und andere Unstetigkeiten im Ausgangsstrompegel angezeigt werden. Typischerweise nehmen solche Peaks und/oder Unstetigkeiten die Form eines steilen, spontanen Anstiegs von einem stationären Grundlinienstrom, gefolgt von einer allmählichen Stromabschrägung auf einen geringfügig höheren stationären Strom als den Grundlinienstrom, an. Somit gibt das Testen von Sensoren und Elektroden in einer solchen Weise eine schnelle Anzeige hinsichtlich dessen, ob eine spezielle Kombination aus isolierendem Material und leitendem Material ausreichende Haftung zeigt oder nicht, um eine Elektrode, insbesondere eine kleine Arbeitselektrode, gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung festzulegen. Im Allgemeinen kann die Auswahl von Materialien zur Abscheidung als benachbarte Schichten, die ähnliche Koeffizienten für die lineare Ausdehnung aufweisen, eine Delaminierung in einem gewissen Ausmaß verhindern.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei 130 in 2 dargestellt. In 2 und in allen zugehörigen Figuren sind Elemente der vorliegenden Erfindung, die mehreren Figuren gemeinsam sind, durch gemeinsame Ziffernbezeichnungen repräsentiert. Mit Bezug auf 2 ist die dielektrische Schicht 40 so abgeschieden, dass Teile der leitenden Streifen 34 und 36, die die Bezugselektrode 50 bzw. die Gegenelektrode 52 festlegen, freiliegen, aber der leitende Streifen 38 vollständig mit dem Dielektrikum 40 am zweiten Ende 43 des Substrats 32 bedeckt ist. Mindestens ein kleines Loch (kleine Löcher) oder (eine) kleine Öffnung(en) 56 wird (werden) dann in der dielektrischen Schicht 40 ausgebildet, um einen Bereich des leitenden Streifens 38 freizulegen, der eine Arbeitselektrode 154 festlegt.
Ein Loch (Löcher) oder (eine) Öffnung(en) 56 kann (können) gemäß einer Vielzahl von Verfahren ausgebildet werden. Gemäß einem Verfahren wird ein Laser auf die dielektrische Schicht 40 gerichtet, um ein Loch oder eine Öffnung 56 auszubilden. Der Laser und das Dielektrikum können derart ausgewählt werden, dass die Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung durch das Dielektrikum 40 in einem Grad absorbiert wird, der ausreicht, um das Loch oder die Öffnung 56 effizient darin auszubilden. Ein Dielektrikum, das ausgewählt wird, um die Laserstrahlung im größtmöglichen Ausmaß zu absorbieren, führt zu einem Loch oder einer Öffnung 56 mit einer Form, die der Form der Querschnittsfläche des Laser strahls genau entspricht, da das Loch oder die Öffnung schnell und effizient gebrannt werden kann. Die Formulierung eines Dielektrikums, sodass die Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung in einem hohen Grad absorbiert wird, kann beispielsweise durch Einführen von Pigmenten in die dielektrische Formulierung bewirkt werden. Eine solche Einführung von Pigment sollte gemäß den Lehren hierin durchgeführt werden, wobei bewegliche Spezies betrachtet werden, die eine elektrochemische Wirkung oder eine physikalische Wirkung auf die Sensorkomponenten haben können. Ein klares Dielektrikum kann auch ausgewählt werden, wobei in diesem Fall ein Loch oder eine Öffnung 56 ausgebildet werden würde, wenn die Laserstrahlung durch den leitenden Streifen 38 absorbiert werden würde und die darüber liegende dielektrische Schicht 40 dadurch erhitzt werden würde. Gemäß dem Verfahren kann somit, wenn eine Laserstrahl-Querschnittsfläche bekannt ist, eine Arbeitselektrode mit einer vorbestimmten Größe und Form festgelegt werden.
Obwohl das Loch oder die Öffnung 56 im Allgemeinen im Wesentlichen kreisförmig ist, wenn es/sie gemäß dieser Ausführungsform ausgebildet wird, muss es/sie dies nicht sein. Ein Laser kann beispielsweise derart orientiert werden, dass der Laserstrahl in einem anderen Winkel als einem senkrechten Winkel auf die dielektrische Schicht 40 auftrifft. In einem solchen Fall kann das Loch oder die Öffnung 56 langgestreckt oder ovalförmig sein. Außerdem muss der Laser während des Brennens nicht stationär sein, sondern kann während des Brennens bewegt werden, um ein langgestrecktes oder linienförmiges Loch auszubilden. Eine Vielzahl von Löchern oder Öffnungen kann ebenso ausgebildet werden, um eine Vielzahl von kleinen Arbeitselektroden zu erzeugen. Eine solche Handhabung gemeinsam mit einer speziellen Auswahl an Wellenlänge und Laserscharfstellung kann vorteilhafterweise verwendet werden, um eine beliebige gewünschte Größe und Form des Lochs oder der Öffnung 56, das/die die Arbeitselektrode 154 festlegt, zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Verfahren zur Ausbildung eines Lochs (von Löchern) oder einer Öffnung (von Öffnungen) 56 und immer noch mit Bezug auf 2 wird eine Nadel verwendet, um das Dielektrikum 40 oberhalb des leitenden Streifens 38 zu durchstechen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff "Nadel" als ein beliebiges Instrument, wie eine Nadel, einen Bohrmeißel, ein Ultraschallwerkzeug oder dergleichen, bedeutend verstanden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Wolframcarbidnadel mit einem Spitzenradius von etwa 12 Mikrometern verwendet. Wie hierin angemerkt, ist es erwünscht, ein sehr kleines Loch oder eine sehr kleine Öffnung 56 auszubilden, sodass eine sehr kleine Arbeitselektrode 154 festgelegt werden kann. Die Verwendung einer Nadel, um Material zu durchstechen, um eine darunter liegende Schicht freizulegen, kann jedoch zur Verformung der freigelegten Oberfläche führen. Wenn die Nadel nicht sofort herausgezogen wird, sobald sie die Oberfläche des freizulegenden Materials berührt, kann insbesondere eine Vertiefung im Material durch die Spitze der Nadel gebildet werden, was dazu führt, dass eine wesentlich größere Oberfläche freigelegt wird. Eine solche genaue Nadelsteuerung, insbesondere wenn die Nadel eine Reihe von Löchern oder Öffnungen in ungenau positionierten Gegenständen stechen soll, kann eine Komplikation darstellen.
Daher wird gemäß einem Verfahren eine Nadel in Verbindung mit einer elektrischen Schaltung bereitgestellt, wobei die elektrische Schaltung bzw. der elektrische Schaltkreis auch mit dem leitenden Streifen 38 über die Kontaktstelle 46 in Kontakt steht. Das Dielektrikum 40 wird mit der Nadel durchstochen, bis die Nadel den leitenden Streifen 38 berührt, was einen elektrischen Stromkreis mit der Nadel, dem leitenden Streifen 38 und der elektrischen Schaltung schließt. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, wird ein Signal zu einer Steuervorrichtung gesandt, die die Nadel sofort aus dem Dielektrikum 40 herauszieht. In dieser Weise werden die Größe des Lochs oder der Öffnung 56 und die resultierende Größe der Elektrode 154 minimiert und gesteuert. Die verwen dete elektrische Schaltung kann eine beliebige herkömmliche analoge oder digitale Schaltung sein und wird vorteilhafterweise durch einen Computer gesteuert.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird der Sensor 130 an einem X-Y-Z-Tisch, wie sie von Asymtek Corporation in Carlsbad, CA, erhältlich sind, angebracht und wird derart positioniert, dass eine Nadel das Dielektrikum 40 direkt oberhalb des leitenden Streifens 38 durchstechen kann. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Nadelanordnung an einem beschwerten Kugelschlitten montiert, der bezüglich der Abwärtskraft, die auf die Nadel aufgebracht wird, durch Entfernen oder Hinzufügen von Gewicht eingestellt werden kann. Die Nadel und der leitende Streifen 38 werden durch eine elektrische Schaltung in Verbindung mit einem Computer verbunden, und wenn die Nadel den leitenden Streifen 38 berührt, befiehlt der Computer dem Kugelschlittenmotor, die Richtung sofort umzukehren, und die Nadel wird sofort herausgezogen. Es soll selbstverständlich sein, dass andere Verfahren für eine gesteuerte Abwärtskraft auf der Nadel innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Die Nadel kann beispielsweise an einer piezoelektrisch gesteuerten Vorrichtung montiert werden, wobei solche Vorrichtungen typischerweise zu einer gesteuerten Bewegung auf innerhalb einem mm in der Lage sind. Andere Modifizierungen für die Abwärtskraftsteuerung, die üblichen Fachleuten bekannt sind, könnten ebenso verwendet werden.
Das Verfahren ist auf die Ausbildung von Mikroelektroden einer Vielzahl von Arten, die für eine Vielzahl von Anwendungen ausgelegt sind, einschließlich anderer Anwendungen auf den Mikroelektronikfachgebieten, anwendbar, beispielsweise kann ein beliebiges elektrisch leitendes Material mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet werden, und ein Loch oder eine Öffnung in dem elektrisch isolierenden Material gestochen werden, um die Elektrode auszubilden. Die Nadel kann zwischen einer ersten Position, in der die Nadel mit dem elektrisch isolierenden Material nicht in Kontakt steht, und einer zweiten Position, in der die Nadel das elektrisch isolierende Material durchstochen hat und mit dem elektrisch leitenden Material in Kontakt steht, beweglich sein, an welchem Punkt ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird, wobei ein Signal erzeugt wird, das eine Vorrichtung betätigt, die veranlasst, dass die Nadel herausgezogen wird.
Alternativ kann die Nadel zwischen einer Vielzahl von Positionen relativ zur Oberfläche des elektrisch leitenden Materials beweglich sein, wobei einige von diesen Positionen verursachen, dass eine elektrische Schaltung in Kontakt mit der Nadel und dem leitenden Material Signale erzeugt. Signale können beispielsweise nur bei speziellen Schwellenwiderstandspegeln erzeugt werden, und in dieser Weise kann die Eindringtiefe der Nadel in das leitende Material geregelt werden, indem ermöglicht wird, dass ein Signal, das in der gewünschten Eindringtiefe eryeugt wird, eine Vorrichtung betätigt, die veranlasst, dass die Nadel herausgezogen wird. In dieser Weise kann die Auswahl eines leitenden Materials, das in einem gewissen Ausmaß durch die spezielle ausgewählte Nadel durchdrungen werden kann, zu einer Nadeleindringung führen und eine resultierende Vertiefung kann in der Oberfläche des leitenden Materials in eine einer Vielzahl von vorbestimmbaren Tiefen ausgebildet werden, was eine Vielzahl von vorbestimmbaren Elektrodenflächen festlegt. In dieser Weise können Mikroelektroden mit genau gesteuerten Oberflächeninhalten hergestellt werden. Die Steuerung der Tiefe der Nadeleindringung in das elektrisch leitende Material kann auf dem spezifischen Widerstand eines Stromkreises mit der Nadel und dem elektrisch leitenden Material basieren, wie vorstehend erwähnt, oder kann auf der Einstellung des Verhältnisses des Gewichts, das auf einen beschwerten Kugelschlitten aufgebracht wird, zur Zeit, die eine elektrische Steuerschaltung ermöglicht, dass der beschwerte Kugelschlitten eine Kraft auf die Nadel aufbringt, basieren.
Gemäß dem Nadelstanzverfahren wird ein Dielektrikum vorteilhafterweise so ausgewählt, dass es für das Stanzen zu gänglich ist. Das heißt, ein Polymerdielektrikum mit einem vorbestimmten Erweichungspunkt kann ausgewählt werden, und es kann vorteilhaft sein, die Nadel oder den Tisch, auf dem ein Sensor montiert ist, oder beide zu erwärmen, um das Polymerdielektrikum während des Stanzens zu erweichen. Wenn die Nadel, der Tisch oder beide erwärmt werden, um das Polymerdielektrikum während des Stanzens zu erweichen, sollte Sorgfalt angewendet werden, sodass keine übermäßige Wärme aufgebracht wird, wobei die Wärme verursachen würde, dass benachbarte Sensorschichten delaminieren. Insbesondere sollte irgendein Erwärmen so ausgeführt werden, dass keine Delaminierung zwischen dem Dielektrikum und dem elektrisch leitenden Material verursacht wird.
Materialien, die zur Verwendung als Dielektrikum 40 gemäß dem Nadelstanzverfahren der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können eine beliebige einer Vielzahl von Verbindungen umfassen, beispielsweise Polymerverbindungen, die gut an den leitenden Streifen 34, 36 und 38 haften, insbesondere während des und nach dem Nadelstanzschritt. Geeignete Polymere können aus jenen in der Alkydharzfamilie (ungesättigtes Polyesterharz) ausgewählt werden und können Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, verschiedene Glycole enthalten und können außerdem ungesättigte Öle enthalten. Andere geeignete Polymervorstufen für die Dielektrikumsausbildung sind Siloxancopolymere oder Siloxan-Imid-Copolymere. Ein bevorzugtes Material ist als Teil Nummer ESL 240 SB von Electro Science Laboratories in King of Prussia, PA, erhältlich.
Gemäß dem hierin beschriebenen Nadelstanzverfahren können, wie im Fall des Laserloch- oder -öffnungsausbildungsverfahrens, eine Vielzahl von Löchern 56 im Dielektrikum 40 ausgebildet werden, die eine Vielzahl von Arbeitselektroden 154 festlegen, und eine Vielfalt von Formen und Größen des Lochs oder der Öffnung 56 können erzeugt werden. Eine Nadel kann beispielsweise in einem anderen Winkel relativ zur dielektrischen Schicht 40 als einem senkrechten Winkel während des Stanzens orientiert werden oder kann relativ zur dielektrischen Schicht während der Loch- oder Öffnungsausbildung bewegt werden. Somit kann/können (eine) ovalförmige, langgestreckte oder linienförmige Arbeitselektrode oder -elektroden 154 ausgebildet werden.
Aufgrund der physikalischen Unterbrechung der dielektrischen Schicht 40 und in einigen Fällen des darunterliegenden elektrisch leitenden Streifens 38, die den Laserloch- und Nadelstanz-Lochausbildungsverfahren innewohnt, kann die vorstehend beschriebene elektrochemische Delaminierungsanalyse vorteilhafterweise nach der Ausbildung von Löchern oder Öffnungen gemäß diesen Verfahren ausgeführt werden.
Mit Bezug nun auf 3 und 4 sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt, in denen der Elektrolyt 58, die Membran 60, die Dichtung 66 und das Deckelement 64 dargestellt sind. 3 ist eine Querschnittsansicht durch die Linie 3-3 der teilweisen Anordnung von 1, welche zusätzliche Komponenten darstellt, und 4 ist eine Querschnittsansicht durch die Linie 4-4 der teilweisen Anordnung von 2, die auch ähnliche zusätzliche Komponenten darstellt. Insbesondere ist auf der Bezugselektrode 50, der Gegenelektrode 52 und der Arbeitselektrode 54 oder 154 in einer bevorzugten Ausführungsform ein Elektrolyt 58 vorgesehen. Der Elektrolyt 58 kann in einer beliebigen Weise abgeschieden werden, um die vorstehend angegebenen Elektroden zu berühren, ohne die leitenden Streifen 34, 36 und 38 außerhalb des Elektrodenbereichs zu berühren. Das heißt, mit Bezug auf 1 bedeckt der Elektrolyt vorteilhafterweise den offenen gedruckten Bereich 48 vollständig, erstreckt sich jedoch nicht außerhalb des Bereichs, der von der dielektrischen Schicht 40 bedeckt ist, in der Richtung des ersten Endes 41 des Substrats, das heißt berührt die leitenden Streifen 42, 44 oder 46 außerhalb des Bereichs, in dem sie selektiv freigelegt sind, um die Elektroden festzulegen, nicht.
Der Elektrolyt 58 umfasst vorzugsweise einen Gel- oder Festkörperelektrolyten, der auf weniger als 2-mal seines Trockenvolumens quillt, wenn er mit Wasser oder Wasserdampf in Kontakt gebracht wird. Bevorzugter wird ein Festkörperelektrolyt mit einem Quellwert von etwa 5% bis etwa 25%, am meisten bevorzugt etwa 5% bis etwa 10%, der einen Ionentransport ermöglicht und keinen Elektronentransport zulässt, verwendet. Es ist verständlich, dass ein Quellwert von 10% eine Volumenzunahme gegenüber einem Trockenvolumen von zusätzlichen 10% angibt, wenn er mit Wasser oder Wasserdampf in Kontakt gebracht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt 58 ein chemisch oder physikalisch vernetztes Festkörperpolymer, das aus einem organischen Lösungsmittel abgeschieden werden kann, das im festen Zustand hydrophil ist, das eine Sauerstoffpermeabilität von mindestens 3 Barrer aufweist und das gut an Oberflächen haftet, auf die es aufgebracht wird, das heißt das Dielektrikum 40 und die Elektroden 50, 52 und 54 oder 154. Der Elektrolyt 58 ist auch vorteilhafterweise gegenüber einer beliebigen chemischen Spezies oder einem Reaktionsprodukt, das während des Betriebs des Sensors erzeugt wird, stabil.
Ein Barrer ist eine Einheit der Gaspermeabilität, die durch den Gasfluss (bei Standardtemperatur und -druck) pro Einheitszeit, multipliziert mit der Dicke des Materials und dividiert durch die Fläche des Materials und die Druckdifferenz über dem Material in dieser Fläche, definiert ist. Das Barrer ist durch Gleichung 1 definiert.
Permeabilitätswerte in Barrereinheiten können gemäß dem folgenden Verfahren erhalten werden. Eine zu testende Membran wird so montiert, dass sie auf einer ersten Seite durch strömendes Wasser mit einem Sauerstoffpartialdruck gleich dem Partialdruck von Sauerstoff in Luft berührt wird und auf einer zur ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite mit strömendem Trägergas, insbesondere Stickstoff, berührt wird. Die Flächen auf der ersten und der zweiten Seite der Membran, die von Wasser bzw. Trägergas berührt werden, weisen die gleiche Abmessung auf. Das an der Membran vorbei strömende Trägergas wird auf den Sauerstoffgehalt unter Verwendung eines potenziometrischen Palladiumsauerstoffsensors analysiert. Unter Verwendung der gemessenen Werte des Sauerstoffflusses als Funktion der Zeit, der Fläche der Membran, die auf der ersten Seite vom Wasser und auf der zweiten vom Trägergas berührt wird, der Dicke der Membran und der Sauerstoffpartialdruckdifferenz über der Membran werden die Permeabilitätswerte in Barrereinheiten gemäß Gleichung 1 ermittelt.
Vorzugsweise ist der Elektrolyt 58 ein Festkörper-Ionentransportelektrolyt, insbesondere ein Kationen- oder Anionenaustauscher in seiner porotischen Form oder mit einem Metallion ausgetauscht. Solche Festkörper-Ionentransportelektrolyten sind auf dem Fachgebiet bekannt und geeignete Beispiele umfassen ein Material, das unter der Handelsmarke Nafion^®, hergestellt von DuPont und erhältlich von Aldrich Chemical Company in Milwaukee, WI, vertrieben wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird Lithium-ausgetauschtes Nafion verwendet, aber Natrium-ausgetauschtes Nafion oder porotisches Nafion kann auch verwendet werden. Die Herstellung eines solchen ausgetauschten Nafions ist üblichen Fachleuten gut bekannt. Bestimmte Nafion-Verbindungen, die zur Verwendung als Elektrolyt in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind in EP-A-125807 beschrieben.
Im Allgemeinen wird der Elektrolyt 58 über dem Elektrodenbereich durch Aufbringen von Lithium-ausgetauschtem Nafion in einem Lösungsmittelträger auf die Elektroden und Verdampfenlassen des Lösungsmittels ausgebildet. Es kann vorteilhaft sein, den resultierenden Rückstand für einen Zeitraum zu erhitzen, um den Lösungsmittelträger in einem Härtungsvorgang vollständig zu verdampfen. Der Elektrolyt kann auf den Elektrodenbereich durch Schleudergießen, ein gut bekanntes Verfahren auf dem Fachgebiet, aufgebracht werden. Vorrichtungen zum Ausführen von Schleudergießen sind leicht kommerziell erhältlich.
Auf dem und den Elektrolyten 58 vollständig bedeckend wird eine semipermeable Membran 60 in den bevorzugten Ausführungsformen, die in 3 und 4 dargestellt sind, bereitgestellt. Die Membran 60 dient den Zwecken des Schützens des Elektrolyten 58 und der Elektroden 50, 52 und 54 oder 154 vor Spezies, wie Metallionen, Batteriemetallen und flüssigem Wasser, die für ihre vorgesehene Funktion schädlich sein können, während Spezies, wie Wasserdampf und Sauerstoff, die für den Sensorbetrieb erforderlich sind, durchgelassen werden. Die Membran 60 dient ferner dem Zweck der Begrenzung des Durchgangs von Sauerstoff zur Arbeitselektrode 54 oder 154, um die nicht-verarmende Art des Sensors zu verbessern. Eine Membran, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, weist eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als etwa 8 Barrer, vorzugsweise etwa 0,1 bis etwa 5 Barrer und bevorzugter etwa 0,2 bis etwa 3 Barrer, auf.
Die Membran 60 ist auch vorzugsweise für Wasserdampf schnell durchlässig, wenn Nafion als Elektrolyt verwendet wird, da gemäß dieser Ausführungsform die Befeuchtung von Nafion für seine Funktion erforderlich ist. Außerdem wird eine Sensorstabilisierung bei der Sättigung der Membran 60 mit Wasserdampf bewirkt. Somit verringert die schnelle Permeabilität der Membran 60 für Wasserdampf die Zeit für die Sensorstabilität in dieser Hinsicht. Vorzugsweise weist die Membran 60 eine Wasserdampfpermeabilität von mindestens 3 Barrer auf. Die Membran 60 ist auch vorzugsweise für flüssiges Wasser undurchlässig und folglich für Ionen undurchlässig. Eine Membran, die so abgeschieden ist, dass sie über der Membran eine Impedanz, die zwischen der Gegenelektrode auf einer Seite der Membran und einer weiteren Elektrode in Salzlösung auf deren anderer Seite gemessen wird, von mindestens 12 Megaohm aufweist, kann in dieser Hinsicht erwünscht sein. Es soll selbstverständlich sein, dass die genaue Impedanz über der Membran für die Erfindung nicht entscheidend sind, sondern dass die Impedanz über der Membran einfach verwendet werden kann, um Materialien zu bewerten, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sein können.
Eine Membran, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, weist wünschenswerterweise einen Grad an Biegsamkeit auf, der ermöglicht, dass ein Festkörperelektrolyt gemäß den vorstehend angegebenen Werten quillt und sich zusammenzieht, während er an benachbarten Sensorschichten haftet. Außerdem delaminiert eine Membran, die zu spröde ist, von darunterliegenden Sensorschichten. Die Membran besitzt gemäß einer nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wünschenswerterweise auch eine Haltbarkeit, die ausreicht, um dem Druck von einer darüber liegenden Dichtung standzuhalten, während wünschenswerte mikroskopische physikalische und chemische Eigenschaften beibehalten werden.
Die Glasübergangstemperatur kann als Indikator für die Biegsamkeit dienen, die in einem Material erwünscht ist, das zur Verwendung als Membran gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Wie es für die Membranimpedanz der Fall ist, ist die Glasübergangstemperatur der Membran für die Erfindung nicht entscheidend, aber kann als Bewertungsverfahren zum Auswählen von vorteilhaften Membranen verwendet werden. Das für die Membranherstellung verwendete Material sollte keine Glasübergangstemperatur bei oder nahe der Temperatur aufweisen, bei der der Sensor normalerweise arbeitet, das heißt 37°C gemäß üblichen Blutanalyseverfahren. Vorzugsweise wird die Membran 60 aus einem Material mit einer Glasübergangstemperatur von etwa –40°C bis etwa 110°C, aber nicht bei der Sensorbetriebstemperatur, hergestellt. Bevorzugter ist die Glasübergangstemperatur der Membran 60 etwa –15°C bis etwa 85°C, liegt aber nicht auf der Sensorbetriebstemperatur.
Härtewerte können Haltbarkeitseigenschaften anzeigen, die in einem Material erwünscht sind, das zur Verwendung als Membran gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das zur Herstellung der Membran 60 ausgewählte Material sollte eine Shore-A-Härte aufweisen, die höher ist als jene der Dichtung, typischerweise mindestens etwa 20, vorzugsweise mindestens etwa 50 und bevorzugter mindestens 70. Die angegebenen Werte werden gemäß den gut bekannten ASTM-Standardverfahren gemessen.
Wie es bezüglich anderer Komponenten des erfindungsgemäßen Sensors, wie vorstehend beschrieben, der Fall ist, kann die anfängliche Bewertung von geeigneten Membranmaterialien auf der Basis einer elektrochemischen Untersuchung durchgeführt werden.
In einem gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hergestellten Sensor können die Arbeits- und die Bezugselektrode insbesondere mit einem vorbestimmten Potenzial vorgespannt werden und der Sensor kann einer wässerigen Lösung ausgesetzt werden, um die Wasserdampf-Permeabilitätseigenschaften der Membran zu ermitteln. Die Membran lässt wünschenswerterweise Wasserdampf schnell durch, was zu einem Ausgangsstrom führt, der sich schnell auf einen stationären Messwert ausgleicht und als Funktion der Zeit relativ stabil bleibt.
Die Sauerstoffpermeabilität einer Membran kann auch gemäß den vorstehend angegebenen elektrochemischen Verfahren getestet werden, indem ein solcher Sensor einer Lösung mit einem bekannten, vorbestimmten pO₂ ausgesetzt wird, der Sensor wie vorstehend beschrieben polarisiert wird und der Ausgangsstrom gemessen wird. Ein relativ niedriger und stabiler Ausgangsstrom kann bedeuten, dass die Membran gemeinsam mit der vorstehend beschriebenen kleinen Arbeitselektrode arbeitet, um einen im Wesentlichen nicht Sauerstoff verarmenden Sensor bereitzustellen.
Außerdem kann der Sensor einer Lösung ausgesetzt werden, die Verunreinigungen enthält, die, wenn sie die Membran durchdringen sollten, sich auf den Elektrolyten und/oder die Elektroden nachteilig auswirken würden oder elektrochemisch oxidiert oder reduziert werden würden, was falsche Testergebnismesswerte oder überhaupt keinen Messwert ergibt. Somit kann das Aussetzen des Sensors einer solchen Lösung und die Messung eines Polarogramms während oder nach einem solchen Aussetzen die Permeabilitätseigenschaften einer Membran bestimmen. Die potenzielle Langlebigkeit eines Sensors kann durch Ausführen eines solchen elektrochemischen Tests über einen Zeitraum von Tagen und/oder Monaten getestet werden, wobei der Sensor einer solchen Testlösung ausgesetzt und potenziell vorgespannt gelagert wird. Wie vorstehend angegeben, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein beliebiges aufgenommenes Polarogramm vorteilhafterweise frei von signifikanten Peaks in einem Potenzialbereich, in dem elektrochemische Messungen durchgeführt werden. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dies bei ungefähr –0,800 Volt, +/– 0,300 Volt gegen Silber/Silberchlorid während seiner Nutzstandzeit.
Ein zusätzlicher elektrochemischer Test von Bedeutung besteht darin, einen solchen Sensor einer Lösung mit einem bekannten, vorbestimmten pO₂ für einen langen Zeitraum auszusetzen, wobei der Sensor wie vorstehend beschrieben polarisiert wird, und den Ausgangsstrom als Funktion der Zeit zu beobachten. Eine wünschenswerte Membransauerstoffpermeabilität ist derart, dass in einem Sensor mit einer kleinen Arbeitselektrode das Aussetzen des Sensors einer Probe mit einem pO₂, der so niedrig ist wie jener, der wahrscheinlich gemessen wird, und der einen Ausgangsstrom aufweist, der so niedrig wie möglich, aber hoch genug ist, dass pO₂ innerhalb einer annehmbaren Fehlertoleranz bestimmt werden kann. Ein Ausgangsstrom, der von einer Langzeitdrift im Wesentlichen frei ist, ist auch erwünscht. Wie hierin verwendet, kann "frei von einer Langzeitdrift" durch einen Ausgangsstrom bei einer Temperatur, die auf +/– 0,1°C stabil ist, bei stabilem pO₂ und bei konstantem Potenzial, welcher über einen Zeitraum von 24 Stunden weniger als +/– 10% schwankt, definiert werden.
Wie angegeben, ist die Membran 60 wünschenswerterweise für Wasser undurchlässig, für Wasserdampf durchlässig und weist für Sauerstoff eine begrenzte Permeabilität auf. Daher wird die Membran so formuliert, dass sie Seitengruppen enthält, die verursachen, dass die Polymerketten in einer Weise in Wechselwirkung treten, die der Membran wünschenswerte physikalische Eigenschaften verleiht, und die die gesamte Membranzusammensetzung mit einem wünschenswerten Grad an Polarität versehen.
Im Allgemeinen ist eine Membran wasserdurchlässig, wenn sie eine ausreichende Anzahl von Gruppen mit einem ausreichenden Grad an Polarität enthält, insbesondere wenn sie Gruppen enthält, die für eine Wasserstoffbindung zugänglich sind. Im Allgemeinen ist eine Membran gasdurchlässig, wenn sie einen ausreichenden Grad an freiem Volumen enthält. Das freie Volumen wird durch solche Faktoren, wie Polymerketten-Vernetzung und/oder die Anwesenheit von Seitengruppen in Polymerketten, die bewirken, dass die Polymerketten eng aneinander binden, verringert. Eine zusätzliche Erwägung für die Gaspermeabilität ist die Polarität des speziellen Gasmoleküls relativ zur Polarität des Membranpolymers. Ein Polymer mit größeren Zahlen von Gruppen mit einem hohen Grad an Polarität ist im Allgemeinen für ein Gas, das aus polaren Molekülen besteht, durchlässiger.
Typischerweise umfasst die Membran 60 ein Copolymer, das ein oder mehrere Arten von ausgewählten Seitengruppen enthält und mit einem Häufigkeitsgrad vorkommt, um Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Ketten bereitzustellen, die einen zweckmäßigen Grad an freiem Volumen innerhalb des Polymers erzeugen und die das Polymer mit einem zweckmäßigen Grad an Polarität versehen. Außerdem versieht eine solche Auswahl das Polymer mit gewünschten mechanischen Gesamteigenschaften, wie einem zweckmäßigen Grad an Biegsamkeit. Die Seitengruppe oder -gruppen wird/werden somit so ausgewählt, dass sie eine Polarität aufweist/aufweisen, die groß genug ist, um die Sauerstoffpermeabilität auf ein Niveau zu begrenzen, das einen nicht-sauerstoffverarmenden Sauerstoffsensor bereitstellt, und das einen schnellen Wasserdampftransport vorsieht, das jedoch niedrig genug ist, dass das Polymer hydrophil bleibt, und somit für Ionen nicht durchlässig ist. Die Bereitstellung eines Polymers zur Herstellung einer Membran, das diese Anforderungen erfüllt und für Kohlendioxid undurchlässig ist, erfordert einen Ausgleich zwischen der Polarität, die das freie Volumen verringert, wobei somit der Gastransport verringert wird, und der Polarität, die für Kohlendioxidmoleküle anziehend ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Membran 60 ein statistisches oder Blockcopolymer mit dem Polymerisationsprodukt von mindestens einem Nitril enthaltenden Monomer, wie einem α,β-ethylenisch ungesättigten Nitril, beispielsweise Acrylnitril oder Methacrylnitril, und mindestens einem konjugierten Dienmonomer. Acrylnitril ist zur Verwendung als Nitril enthaltendes Monomer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bevorzugt. Nicht-begrenzende Beispiele für konjugierte Diene, die verwendet werden können, umfassen 1,3-Butadien; Isopren; 2,3-Dimethyl-1,3-butadien; 1,3-Pentadien; 3-Butyl-1,3-octadien und andere, die üblichen Fachleuten gut bekannt sind, und Gemische davon, wobei 1,3-Butadien bevorzugt ist.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Polymerisationsprodukt" auf ein Produkt von Standardpolymerisationsverfahren, wie anionische Polymerisation, kationische Polymerisation, freie radikalische Polymerisation, Koordinationspolymerisation und dergleichen.
Vorzugsweise wird ein statistisches Copolymer mit den vorstehend angegebenen Polymerisationsprodukten formuliert, wobei das Nitril enthaltende Monomer in einer Menge von etwa 5% bis etwa 80%, vorzugsweise etwa 15% bis etwa 55% und bevorzugter etwa 30% bis etwa 40 Gewichtsprozent auf der Basis des Gewichts des Polymerisationsprodukts zugegeben wird. Ob wohl im Allgemeinen ein statistisches Copolymer ausgewählt und formuliert wird, kann ein Blockcopolymer mit polymerisierten Blöcken von Nitril enthaltenden Monomeren und konjugierten Dienmonomeren ausgewählt und formuliert werden.
Ein geeignetes Membranmaterial umfasst wünschenswerterweise Polymerketten, die nicht vernetzt sind oder, falls sie in irgendeinem Grad vernetzt sind, eine erwünschte Glasübergangstemperatur und eine erwünschte Sauerstoffpermeabilität aufrechterhalten.
Ein Polymer zur Verwendung bei der Herstellung einer semipermeablen Membran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein statistisches Acrylnitril-Butadien-Copolymer, das Acrylnitril in einer Menge von etwa 5% bis etwa 80 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 15% bis etwa 65 Gewichtsprozent, bevorzugter etwa 30% bis etwa 50 Gewichtsprozent enthält. Das Acrylnitril kann isotaktisch, syndiotaktisch oder ataktisch sein. Im Allgemeinen ist das Acrylnitril ataktisch. Das Butadien kann einen unterschiedlichen Grad an isomerer Reinheit aufweisen. Typischerweise ist die Butadiengruppe nicht rein isomer, sondern ist ein Gemisch aus cis- und trans-Monomeren und umfasst Vinylseitengruppen. Die Butadiengruppe kann gesättigt oder ungesättigt sein und ist im Allgemeinen in einer bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen ungesättigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Membran 60 das vorstehend beschriebene Nitril/konjugierte Dien-Copolymer, zu dem das Polymerisationsprodukt eines Vinylhalogenids, eines Vinylidenhalogenids, wobei eines der beiden mit einem Nitril enthaltenden Monomer copolymerisiert ist, oder eine Kombination von irgendeinem der obigen in einer Menge von etwa 1 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf der Basis des Gewichts der gesamten Membranzusammensetzung, vorzugsweise in einer Menge von etwa 15% bis etwa 50 Gewichtsprozent und bevorzugter in einer Menge von etwa 30% bis etwa 40% zugegeben wird. Vorzugsweise werden isotaktisches, syndiotaktisches oder ataktisches Polyvinylchlorid oder ein statistisches Co polymer von Polyvinylidenchlorid und Acrylnitril, in dem das Polyvinylidenchlorid in einer Menge von etwa 40% bis etwa 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 60% bis etwa 90% und bevorzugter etwa 80 Gewichtsprozent auf der Basis des Gewichts des Polyvinylidenchlorid/Acrylnitril-Copolymers zugegeben wird, ausgewählt und zugegeben. Die Zugabe dieser Spezies zum Nitril/konjugierten Dienpolymer hat den Effekt, die Sauerstoffpermeabilität der Membran und die resultierende normierte Stromreaktion des Sensors zu verringern. Außerdem stellt die Zugabe dieser Spezies typischerweise eine Membran bereit, die haltbarer ist als ein Nitril/konjugiertes Dienpolymer allein, welche bei der Herstellung eines Sensors mit einer auf der Membran konstruierten Probenkammer, das heißt einer teilweise durch die Membran festgelegten Probenkammer, vorteilhaft ist, und so konstruiert ist, dass die Membran oberhalb des Elektrodenbereichs zu analysierenden Proben ausgesetzt wird. Außerdem kann die Zugabe dieser Spezies die Sensorlanglebigkeit verbessern. Somit kann die Membran bezüglich der Sauerstoffpermeabilität und Haltbarkeit durch Einstellen des Zusammensetzungsverhältnisses des Polymergemisches zugeschnitten werden.
Das Polyvinylchlorid- und/oder Polyvinylidenchlorid/Acrylnitril-Copolymer wird vorzugsweise in das Nitril/konjugierte Diencopolymer eingearbeitet, um eine gemischte oder vermischte Polymerzusammensetzung durch ein herkömmliches Mischverfahren, wie Colösung in einem gegenseitigen Lösungsmittel, Standardmischvorgänge und dergleichen, zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Colösung verwendet.
Einer der Vorteile der Colösung eines Polyvinylidenchlorid/Acrylnitril-Copolymers mit einem Nitril/konjugierten Diencopolymer besteht darin, dass die Mischbarkeit der zwei Copolymere in dem Gemisch und somit die Homogenität des Gemisches erhöht wird.
Die Polymermembranzusammensetzungen der Erfindung können durch ein beliebiges zweckmäßiges Polymerisationsver fahren, wie anionische Polymerisation oder freie radikalische Polymerisation oder dergleichen, hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Membran 60 eine Polyimidverbindung, die ein Homopolyimid oder ein Copolymer, das Imidfunktionalitäten und andere Gruppen umfasst, sein kann. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Membran 60 vorzugsweise aromatische Polyimide von aromatischen Diaminen, die im Kern mit Alkyl substituiert sind, und aromatischen Diaminen, die Sulfonsäuregruppen tragen, die in Salzform vorliegen können, und aromatischen Tetracarbonsäuren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Membran 60 aromatische Copolyimide von aromatischen Tetracarbonsäuren und Tricarbon- oder aromatischen Tricarbonsäuren und ein erstes aromatische Diamin und ein zweites aromatisches Diamin, das -SO₃H-Gruppen in Salzform trägt, wobei das erste und/oder das zweite Diamin in beiden Orthostellungen zu mindestens einer Aminogruppe mit C₁-C₄-Alkyl substituiert sind. Solche Materialien sind in US-Patent Nr. 5 145 940, das durch den Hinweis hierin aufgenommen wird, beschrieben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Membran 60 ein Polyamid, ein Copolyamid oder eine Copolyimid-Amid-Verbindung, vorzugsweise aromatische Copolyamide und Copolyimid-Amide von zwei aromatischen Diaminen, von denen eines Sulfonsäuregruppen enthalten kann, umfassen. Solche Verbindungen sind in EP-A-0473541 offenbart.
Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Membran 60 vorzugsweise ein Copolyamid oder Copolyimid-Amid von (a) mindestens einem aromatischen Dicarbonsäurerest mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen und/oder (b) mindestens einem dreiwertigen aromatischen Tricarbonsäurerest mit 9 bis 20 Kohlenstoffatomen, wobei jeder der Reste unsubstituiert oder mit Halogen, Nitro, C₁-C₄-Alkyl oder C₁-C₄-Alkoxy substituiert ist, (c) mindestens einem ersten zweiwertigen und/oder dreiwertigen einkernigen oder zweikernigen aromatischen Diaminrest und (d) mindestens einem zweiten zweiwertigen und/oder dreiwertigen aromatischen einkernigen oder zweikernigen Diaminrest, der mindestens eine -SO₃M-Gruppe enthält, wobei jeder der Reste unsubstituiert oder mit Halogen oder C₁-C₄-Alkyl substituiert ist und M H⁺, ein ein- bis dreiwertiges Metallkation, NH₄ ⁺ oder ein organisches Ammoniumkation mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen ist. Wenn die Membran 60 ein Copolyamid oder Copolyimid-Amid umfasst, das -SO₃M-Gruppen enthält, liegen solche Gruppen wünschenswerterweise in einem Ausmaß vor, das geringer ist als jenes, das verursachen würde, dass die Membran wasserdurchlässig und folglich ionendurchlässig ist.
M in der SO₃M-Gruppe als Ammoniumkation kann NH₄ ⁺ oder ein Ammoniumkation eines primären, sekundären oder tertiären offenkettigen Amins, das vorzugsweise 1 bis 24 Kohlenstoffatome, am meisten bevorzugt 1 bis 16 Kohlenstoffatome enthält, oder ein Ammoniumkation eines monocyclischen oder bicyclischen sekundären oder tertiären Amins oder eines tricyclischen tertiären Amins, das vorzugsweise 4 bis 12 Kohlenstoffatome enthält, sein.
M als Metallkation wird gemäß den Lehren hierin bezüglich Spezies, die für den Einschluss in die Komponenten des Sensors 30 nicht erwünscht sein können, ausgewählt. Das heißt, bewegliche Batteriemetalle, die in der Membran vorliegen, sind unerwünscht. Im Gedanken daran ist M als Metallkation wünschenswerterweise ein ein- bis dreiwertiges Kation von Metallen der Hauptgruppen und Untergruppen der Übergangsmetalle und der Edelmetalle. Ein- oder zweiwertige Kationen sind bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M H⁺, NH₄ ⁺, ein Alkalimetallkation oder ein primäres, sekundäres, tertiäres oder quaternäres Ammoniumkation mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen.
Das Copolyamid oder Copolyamid-Amid enthält vorzugsweise 60 bis 95 Mol-%, am meisten bevorzugt 75 bis 95 Mol-% Diaminreste (c) und 5 bis 40 Mol-%, am meisten bevorzugt 5 bis 15 Mol-% Diaminreste (d) auf der Basis der Diaminreste. Die Eigenviskosität der Copolyamide, Copolyamid-Imide oder der Copolymere kann 0,2 bis 3,0 dl/g, vorzugsweise 0,3 bis 2,0 dl/g und am meisten bevorzugt 0,3 bis 1,2 dl/g betragen.
Mit Bezug nun auf 3–5 wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der eine Probenkammer 62 über dem Elektrodenbereich am Ende 43 des Sensors 30 oder 130 vorgesehen ist. Die Kammer 62 ist durch einen im Wesentlichen ovalen ausgesparten Bereich des Deckelements 64 festgelegt, dessen Umfang fest an der Dichtung 66 an der Abdichtung 67 gehalten wird, welche wiederum fest an der dielektrischen Schicht 60 an der Abdichtung 69 gehalten wird. Somit ist die Probenkammer 62 durch die dielektrische Schicht 60, die Dichtung 66 und das Deckelement 64 festgelegt. Mindestens ein Durchgang 68 und vorzugsweise zwei Durchgänge 68 und 70, die als Einlass- bzw. Auslasskanal dienen, sind im Deckelement 64 ausgebildet, um den Durchgang einer Fluidprobe, wie Blut, in die und aus der Probenkammer 62 des Sensors zu ermöglichen. In der dargestellten Ausführungsform verlaufen die Kanäle 68 und 70 durch das Deckelement 64. Die Kanäle können jedoch in einer beliebigen Weise ausgebildet werden, um einen Durchgang vorzusehen, durch den eine Fluidprobe die Probenkammer 62 erreichen könnte. Die Kanäle könnten beispielsweise in der Dichtung 66 zwischen der Dichtung 66 und dem Deckelement 64, zwischen dem Dielektrikum 60 und der Dichtung 66 usw. ausgebildet werden.
Das Deckelement 64 kann aus einem beliebigen Material hergestellt werden, das mit einer Probe, die während der Analyse in die Probenkammer 62 strömt, unreaktiv ist, wie beispielsweise Glas, Keramik, rostfreier Stahl oder Kunststoff. Vorzugsweise wird bei der Ausbildung des Deckelements 64 Kunststoff verwendet.
Die Dichtung 66 wird vorteilhafterweise aus einem Material formuliert, das, wenn es fest zwischen dem Deckelement 64 und der dielektrischen Schicht 60 gehalten wird, eine Abdichtung um die Probenkammer 62 bildet, durch die der Durchgang von Flüssigkeit und Gas im Wesentlichen gesperrt wird, sodass das Testen für einen Zeitraum von mindestens 2 Tagen unter einem normalen Sensorbetrieb ausgeführt werden kann. Ein "normaler Sensorbetrieb", wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen Betrieb, in dem ein Sensor mindestens 10 Blutproben pro Tag und/oder Kalibratoren, Qualitätskontrolllösungen, Kontrollen, Leistungstestlösungen, Kalibrierungsüberprüfungsmaterialien und dergleichen ausgesetzt wird, während er kontinuierlich bei 37°C polarisiert wird, um eine Stromreaktion zu messen, oder auf einen Betrieb, in dem ein Sensor einer Blut nachahmenden Salzlösung ausgesetzt wird und beim Messpotenzial kontinuierlich wie vorstehend beschrieben polarisiert wird. Außerdem kann ein normaler Sensorbetrieb durch das nachstehend in Beispiel 58 beschriebene Testprotokoll definiert sein. Bei der eigentlichen Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors würde der Sensor nicht kontinuierlich bei einem Messpotenzial polarisiert werden. Daher soll es selbstverständlich sein, dass sich der "normale Sensorbetrieb" auf eine vorgeschriebene Langlebigkeits- oder Haltbarkeitsmessung oder beide beziehen kann. Der Begriff "Blut", wie hierin verwendet, bezieht sich auf Vollblut, das gerinnungshemmende Mittel, Plasma, Serum oder andere Blutlösungen oder -suspensionen enthält.
Typischerweise wird die Dichtung 66 aus einem haltbaren organischen Polymer formuliert, das bei Spannung nicht kriecht oder fließt, welches eine niedrige Härtebewertung aufweist, sodass eine Beschädigung der Membran 60 minimiert oder beseitigt wird, das gasundurchlässig ist und das geringfügig hygroskopisch sein kann und somit in Gegenwart einer Wasser enthaltenden Lösung geringfügig quellen kann, um effiziente Abdichtungen 67 und 69 zu bilden.
Vorzugsweise weist das bei der Herstellung der Dichtung 66 verwendete Material eine Härte zwischen 10 und 100 auf der Shore-A-Skala, bevorzugter eine Härte von etwa 40 bis etwa 70 auf der Shore-A-Skala und am meisten bevorzugt eine Härte von etwa 45 bis etwa 55 auf der Shore-A-Skala auf.
Die Dichtung 66 weist wünschenswerterweise submikroskopische Eigenschaften auf, die sie gasundurchlässig machen, und wird vorzugsweise somit aus einer Vorstufe mit einem ausreichenden Grad an ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen formuliert, um eine ausreichend stark vernetzte Polymerverbindung, wenn sie gehärtet ist, zu bilden, oder weist ein anderes Mittel zum Erreichen eines solchen Grades an Vernetzung auf. Insbesondere weist das Material, aus dem die Dichtung 66 hergestellt wird, eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als etwa 20 Barrer, vorzugsweise weniger als etwa 5 Barrer und am meisten bevorzugt weniger als etwa 0,5 Barrer auf.
Da die Dichtung 66 typischerweise ein organisches Polymer ist, wird sie so hergestellt, dass sie keine beträchtliche Menge an irgendwelchen beweglichen extrahierbaren Materialien, wie Weichmachern, die in die semipermeable Membran 60 auslaugen können, enthält. Ein solches Auslaugen von extrahierbaren Materialien kann die mikroskopischen physikalischen Eigenschaften der Membran beeinträchtigen, was nachteiligerweise eine Änderung der vorstehend angegebenen vorteilhaften Permeabilitätseigenschaften der Membran bewirkt. Dies ist eine besonders merkliche Erwägung bezüglich Sensoren, die zur Langzeitverwendung in der Größenordnung von beispielsweise Tagen oder Monaten ausgelegt sind, und Sensoren, die mit kleinen Testprobenvolumina arbeiten. Wie es für andere Sensorkomponenten der Fall ist, wie vorstehend beschrieben, ist es außerdem wichtig, dass das zur Ausbildung der Dichtung 66 ausgewählte Material von irgendwelchen Spezies frei ist, die in eine Probe in der Kammer 62 wandern könnten, was elektrochemische Messungen beeinträchtigt und/oder die Sensorkomponenten zerstört. Das bei der Ausbildung der Dichtung 66 verwendete Material wird vorzugsweise so ausgewählt, dass es von beweglichen Übergangs- und Hauptgruppenmetallen, insbesondere Batteriemetallen, wie Eisen, Kobalt, Nickel, Blei, Kupfer, extrahierbaren Materialien und Spezies, wie Sulfiden, die für bevorzugte Elektrodenmaterialien schädlich sind, im Wesentlichen frei ist, sodass die elektrochemische Reaktion über die Langzeit-Sensorverwendung, insbesonde re für mindestens 2 Tage des normalen Sensorbetriebs, nicht beeinträchtigt wird.
Die Dichtung 66 wird typischerweise aus einer stark vernetzten Elastomerverbindung ausgebildet. Ein beliebiges Elastomermaterial, das alle vorstehend aufgelisteten Reinheits- und physikalischen Anforderungen erfüllt, kann dazu dienen. Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Materials besteht aus einem Copolymer einer Epoxyverbindung und einer kleinen Menge eines anderen Monomers, das Ungesättigtheitsstellen im Copolymer bereitstellt. Das zweite Monomer kann in Mengen zugegeben werden, um etwa 0,1 bis etwa 20% Vernetzung nach Härten zu ergeben (1% Vernetzung würde darauf hindeuten, dass im Durchschnitt 1 von jeweils 100 Monomeren in einer Kette ein Punkt wäre, an dem das Elastomer vernetzt ist). Ein bevorzugterer Grad an Vernetzung wäre etwa 1 bis etwa 15% und die optimale Leistung würde in einem Material mit etwa 6 bis etwa 14% Vernetzung erhalten werden.
Eine bevorzugtere Ausführungsform wird erhalten, wenn die Epoxyverbindung aus Epichlorhydrin besteht und das zweite Monomer Allylglycidylether ist. Die Ungesättigtheitsstellen, die vom zweiten Monomer bereitgestellt werden, ermöglichen, dass das Material vernetzt wird, um unter Verwendung eines beliebigen zweckmäßigen Mechanismus für freie Radikale, beispielsweise über Peroxid, ein Elastomer zu bilden.
Um das zweckmäßige Ausmaß an Quellen in wässerigen oder Blutbasis-Lösungen bereitzustellen, kann ein drittes Monomer zum Prepolymergemisch zugegeben werden. Beispiele für geeignete Monomere umfassen Allylalkohol, Crotylalkohol, Methylvinylcarbinol, Cinnamylalkohol, Ethylenglycol, Propylenglycol, 1,3-Propandiol, Glycerin, Pentaerythrit, Acrylamide, Acrylmonomere und dergleichen.
Außerdem kann es erforderlich sein, Verarbeitungshilfen zum Prepolymer zuzugeben. Diese umfassen Alkalistearate, Alkalioxide und dergleichen.
Eine teilweise Liste von Härtungsmitteln umfasst 2,5-Bis(t-butylperoxy)-2,5-dimethylhexan, Dicumylperoxid, Di tert-butylperoxid und Dilauratperoxid. Ein beliebiges Peroxid-Härtungsmittel, das bei Temperaturen unterhalb 180°C freie Radikale erzeugt und im Prepolymer dispergiert werden kann, kann als Härtungsmittel verwendet werden.
Ein polyfunktionelles Monomer kann verwendet werden, um die Vernetzungsreaktion während des Härtens zu erleichtern. Dieses Monomer sollte den ungesättigten Stellen im Prepolymer ähnlich sein, um leicht mit diesen Stellen zu reagieren. Beispiele umfassen 2-Ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propandioltrimethacrylat, Diethylenglycoldiacrylat, 1,4-Butandioldiacrylat, Divinylbenzol, Glycerylpropoxytriacrylat und Dipentaerythritmonohydroxypentaacrylat. Das bevorzugte Monomer ist 2-Ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propandioltrimethacrylat.
Dieses polyfunktionale Monomer sollte in einer äquivalenten Menge zu den Ungesättigtheitsstellen in dem Prepolymer gegeben werden. Äquivalenz bedeutet in diesem Fall, dieselbe Anzahl von reaktiven Stellen befindet sich im Prepolymer wie im polyfunktionalen Monomer zu finden sind. Wenn das polyfunktionale Monomer beispielsweise trifunktionell ist, sollte sich eines von diesen Monomeren für jeweils drei Ungesättigtheitsstellen im Prepolymer befinden.
Spezielle Epoxypolymerisationsprodukte, die zur Verwendung als Dichtungsmaterialien bevorzugt sind, umfassen:
das Polymerisationsprodukt eines Epichlorhydrinhomopolymers mit einem Molekulargewicht von etwa 2000 bis etwa 1000000 und eines Alkylglycidylethers, wobei das Verhältnis des Epichlorhydrinhomopolymers zum Alkylglycidylether etwa 0,5% bis etwa 20 Gewichtsprozent beträgt, welches unter der Handelsmarke Grechon 1100 von Zeon Chemicals in Kolling Meadow, IL, erhältlich ist; 2-Ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propandioltrimethacrylat, das als Katalognummer SR-350 von Sartomer Company in Exton, PA, erhältlich ist; Kaliumstearat; Calciumoxid; (2,5-Bis(t-butylperoxy)-2,5-dimethylhexan, das unter der Handelsmarke Varox DBPH-50 von R. T. Vanderbilt in Norwalk, CT, erhältlich ist; und Stearinsäure.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Probenkammer 62 mit beliebiger Größe, einschließlich einer sehr großen Kammer, hergestellt werden. Die Herstellung einer großen Probenkammer kann unter einigen Umständen vorteilhaft sein. Wie vorstehend angemerkt, ist es jedoch auf dem Gebiet der elektrochemischen Analyse von Blut üblicherweise erwünscht, so viele Analysen wie möglich an einem sehr kleinen Blutvolumen durchzuführen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es folglich erwünscht, den Sensor 30 oder 130 mit einer Probenkammer 62 herzustellen, die so klein wie möglich ist. Unter Verwendung der neuen Materialien und Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine Probenkammer mit einem Volumen von weniger als 10 ml, vorzugsweise von etwa 0,8 bis etwa 3 ml und bevorzugter etwa 1 bis etwa 2 ml, wobei der Sensor für einen Zeitraum von vielen Tagen oder Monaten wirksam verwendet werden kann, möglich.
Eine Vielzahl von Formen und Anordnungen von Komponenten, die den Sensor 30 oder 130 bilden, kann unter Verwendung der gut bekannten Dick- und Dünnfilmverfahren erreicht werden. Das US-Patent Nr. 4 571 292 offenbart eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen, die unter einigen Umständen vorteilhaft sein können. Die Veränderung der Anordnung gemäß diesen Bezugsquellen und anderer Anordnungen, die durch einen üblichen Fachmann leicht erzielt werden kann, liegen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Im Gedanken daran und mit Bezug auf 1–5 werden die folgenden nicht-begrenzenden bevorzugten Abmessungsspezifikationen eines gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Sensors gegeben.
Das Substrat 32 kann eine beliebige einer Vielzahl von Formen und Größen aufweisen. Gemäß einer speziellen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat 32 etwa 0,5 bis etwa 2 cm lang, vorzugsweise etwa 1,2 cm lang und etwa 0,2 bis etwa 1 cm breit, vorzugsweise etwa 0,5 cm breit. Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform ist das Substrat 32 etwa 3,5 bis etwa 7 cm lang, vorzugsweise et wa 5,0 cm lang und etwa 1,5 bis etwa 3,5 cm breit, vorzugsweise etwa 2,5 cm breit. Das Substrat 32 ist etwa 0,1 bis etwa 0,5 mm dick, vorzugsweise etwa 0,25 mm dick. Die leitenden Streifen 34, 36 und 38 sind jeweils in einer Dicke von etwa 0,002 bis etwa 0,04 mm dick, vorzugsweise etwa 0,013 mm dick, abgeschieden. Die leitenden Streifen 34 und 36 am Ende 43 des Sensors sind etwa 0,5 bis etwa 3,0 mm breit, vorzugsweise etwa 1,25 mm breit. Der leitende Streifen 38 am Ende 43 des Sensors ist etwa 0,02 bis etwa 0,4 mm breit, vorzugsweise etwa 0,10 mm breit.
Die dielektrische Schicht 40 wird vorzugsweise in einer Dicke von etwa 0,004 bis etwa 0,05 mm dick, vorzugsweise etwa 0,019 mm dick abgeschieden. Die Dickenwerte werden nach Brennen oder Härten angegeben. Obwohl die dielektrische Schicht 40 an den Kanten der leitenden Streifen 34 und 36 in den in 1–4 dargestellten Ausführungsformen anliegt, muss derartiges nicht der Fall sein. Der offene gedruckte Bereich 48, der durch die dielektrische Schicht 40 festgelegt ist, umfasst vorzugsweise einen Spalt 49 mit einer Breite von etwa 0,02 bis etwa 0,4, vorzugsweise etwa 0,10 mm.
Somit beträgt die freigelegte Oberfläche der Bezugselektrode 50 und der Gegenelektrode 52 etwa 1,6 mm² für jede und die Arbeitselektrode 54 weist eine Oberfläche von etwa 0,01 mm² gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform auf. Diese Abmessungsspezifikationen der freigelegten Oberflächen berücksichtigen nicht die Oberfläche aufgrund der Kanten der Elektroden, die durch die Dicke der abgeschiedenen Elektroden festgelegt sind. Solche Kantenabmessungen sind relativ zu den gesamten Elektrodenflächen minimal. Die Spezifikationen der freigelegten Oberflächen sind jedoch somit nur ungefähr.
Gemäß der in 2 und 4 dargestellten Ausführungsform, in der ein Laser oder eine Nadel verwendet wird, um ein Loch oder eine Öffnung 56 in der dielektrischen Schicht 40 auszubilden, wobei die Arbeitselektrode 154 freigelegt wird, kann das Loch oder die Öffnung 56 mit einem Durchmesser von nicht größer als 0,5 mm ausgebildet werden und wird typischerweise in einer beliebigen Größe bis zu einem Durchmesser von ungefähr 100 mm ausgebildet. Typischerweise weist das Loch oder die Öffnung 56 einen Durchmesser von etwa 3 mm auf. Somit kann die Oberfläche der Arbeitselektrode 154 etwa 2 × 10^–13 m₂ bis etwa 8 × 10^–9 m² betragen.
Der Polymerelektrolyt 58 wird typischerweise über den Elektroden und dem Dielektrikum mit einer Dicke von etwa 0,001 mm bis etwa 0,050 mm, vorzugsweise etwa 0,005 mm bis etwa 0,010 mm dick, schleudergegossen. Während des Schleudergießvorgangs werden die Bereiche der leitenden Streifen 34, 36 und 38, die nicht mit dem Dielektrikum 40 bedeckt sind, und die Kontaktstellen 42, 44 und 46 maskiert. Gemäß einem alternativen Verfahren kann der Polymerelektrolyt 58 tropfenweise von einem X-Y-Z-Tisch, wie dem vorstehend beschriebenen, abgeschieden werden, um die Anordnung zu steuern.
Darüber wird die Deckmembran 60 abgeschieden, vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,005 mm bis etwa 0,050 mm, vorzugsweise etwa 0,010 mm bis etwa 0,020 mm, schleudergegossen. Wie es für den Polymerelektrolyten 58 der Fall ist, kann die Deckmembran 60 alternativ tropfenweise von einem X-Y-Z-Tisch abgeschieden werden. Die Abmessungen der Dichtung 66 und des Deckelements 64 sind derart, dass eine Probenkammer 62 eine Breite von etwa 1 bis etwa 10 mm, vorzugsweise etwa 3 bis etwa 4 mm aufweist und eine Höhe von etwa 0,3 bis etwa 2,0 mm, vorzugsweise etwa 0,6 bis etwa 0,9 mm festgelegt wird. Wie angegeben, weist die Kammer 62 ein bevorzugtes Volumen von etwa 1 bis etwa 2 ml auf.
In den folgenden Beispielen wurde ein Faraday-Käfig verwendet, wenn eine Radiofrequenz-Signalstörung bemerkt wurde. Alle Flüssigkeitsproben wurden auf einer konstanten Temperatur bei oder nahe 37°C, der physiologischen Temperatur, gehalten.
BEISPIEL 1
Mit Bezug nun auf 1–5 wurde eine teilweise Anordnung eines planaren Sauerstoffssensors 30 mit einer Substratschicht 32 und leitenden Metallstreifen 42, 44 und 46 gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung auf einem elektrisch nicht-leitenden Substrat 32 von 2,5 cm mal 5 cm, das ungefähr 96% Aluminiumoxid und ungefähr 4% Glasbindemittel umfasste, das von Coors Ceramic Company, Grand Junction, CO, erhältlich ist, hergestellt. Unter Verwendung des Dickfilmverfahrens wurde der leitende Streifen 34 durch Siebdrucken einer Emulsion von Silberpaste von 0,01 mm, die als Teil Nummer 3571 UF von Metech Company in Elverson, PA, erhältlich ist, auf das Substrat hergestellt. Ein Sieb von 325 mesh, das aus SS-Draht mit einem Durchmesser von 1,1 mil bestand, wurde verwendet. Anschließend wurde eine Emulsion von Silber/Silberchlorid-Paste von 0,4 mil, die als Teil Nummer PC 10299 von Metech erhältlich ist, über einen Teil des leitenden Streifens 34 am Ende 43 des Sensors 30 siebgedruckt, wobei ein Bereich des leitenden Streifens 34 bedeckt wurde, der zumindest so groß ist wie und vorzugsweise größer ist als der Bereich des leitenden Streifens 34, der durch den offenen gedruckten Bereich 48 freigelegt werden soll, um die Bezugselektrode 50 festzulegen. Ein Sieb ähnlich dem vorstehend beschriebenen wurde verwendet. Für die Zwecke der Deutlichkeit ist in 3 und 4 die Bezugselektrode 50, die gemäß diesem Beispiel als Silber/Silberchlorid-Elektrode erzeugt wurde, als einzelne Metallschicht dargestellt. In diesem und den nachfolgenden Beispielen wurde ein BTU 7 Zonenbandofen mit einem Trockner mit 3 Zonen von Fast Fire in Billerica, MA, beim Brennen der Pasten verwendet. Das Brennen wurde gemäß den Empfehlungen des Herstellers, linear auf die nachstehend aufgelisteten Spitzenbedingungen erhöht, ausgeführt. Der leitende Streifen 34 wurde bei 850°C für 10 Minuten gebrannt. Anschließend wurde eine Goldpaste, die als Teil Nummer JM 1301 von Johnson-Matthey in West Deptford, NJ, erhältlich ist, auf das Substrat 32 siebgedruckt, um den leitenden Streifen 36 festzulegen. Eine ähnliche Emulsion und ein ähnliches Siebdruckverfahren wurden verwendet. Die Paste wurde bei 850°C für 10 Minuten gebrannt. Dann wurde eine Emulsion von Platinpaste mit hoher Reinheit von 0,2 mil, wie vorstehend beschrieben, die als Teil Nummer PC 10208 von Metech erhältlich ist, auf das Substrat 32 siebgedruckt, um den leitenden Streifen 38 festzulegen. Ein Sieb von 400 mesh, das aus SS-Draht mit einem Durchmesser von 0,9 mil bestand, wurde verwendet. Die Paste wurde bei 870°C für 13 Minuten gebrannt.
Das Substrat 32 war 0,25 mm dick. Die leitenden Streifen 34 und 36 wurden auf dem Substrat 32 so abgeschieden, dass sie am Ende 43 des Substrats 32 1,25 mm breit und 0,014 mm dick waren. Der leitende Streifen 38 wurde so abgeschieden, dass er am Ende 43 des Substrats 32 0,1 mm breit war. Am Ende 41 des Substrats 32, an dem die leitenden Streifen 34, 36 und 38 die Kontaktstellen 42, 44 bzw. 46 festlegen, wurden diese Streifen so abgeschieden, dass sie 0,25 cm breit waren. Die in diesem und in den nachfolgenden Beispielen angegebenen Abmessungen sind diejenigen nach dem Brennen und sind ungefähr.
BEISPIEL 2
Eine teilweise Anordnung eines planaren Sauerstoffsensors 30 mit einer Substratschicht 32 und leitenden Metallstreifen 42, 44 und 46 wurde gemäß Beispiel 1 mit den folgenden Ausnahmen hergestellt. Das Substrat 32 war ungefähr 11 mm lang und ungefähr 4,5 mm breit. Die Kontaktstellen 42, 44 und 46 waren jeweils ungefähr 0,5 mm breit. Die Kontaktstellen 42, 44 und 46 wurden jeweils aus Gold hergestellt und Teile der leitenden Streifen 34, 36 und 38, die die Kontaktstellen mit den Elektroden verbinden, wurden aus Gold hergestellt.
BEISPIEL 3
Mit Bezug nun insbesondere auf 1 und 3 wurde auf eine teilweise Anordnung von jedem der gemäß Beispielen 1 und 2 hergestellten Sensoren ein keramisches Dielektrikum 40, das als Teil Nummer 9615 von DuPont erhältlich ist, als Emulsion von 0,6 mil über einen großen Teil des Endes 43 des Sensors 30 siebgedruckt. Ein Sieb von 325 mesh, das aus SS-Draht mit einem Durchmesser von 1,1 mil bestand, wurde verwendet. Das Siebdrucken wurde in einer Weise durchgeführt, um einen offenen gedruckten Bereich 48 zu belassen, wobei Flächen der leitenden Streifen 34 und 36 von 1,25 mm mal 1,25 mm; eine Fläche des leitenden Streifens 38 von 0,1 mm mal 0,1 mm; und Flächen zwischen den freigelegten Flächen der leitenden Streifen freigelegt wurden. Somit legt der offene gedruckte Bereich 48 Flächen der leitenden Streifen 34, 36 und 38 frei und legt die Bezugs-, die Gegen- und die Arbeitselektrode 50, 52 und 54 fest. Das Dielektrikum 40 wurde gemäß der Empfehlung des Herstellers, auf eine Spitze von 750°C für 8 Minuten linear erhöht, gebrannt, um eine Dicke von etwa 0,019 mm zu ergeben. Die Fläche des Sensors, die mit der dielektrischen Schicht 40 bedeckt war, die sich vom offenen gedruckten Bereich 48 erstreckte, ist für die Erfindung nicht entscheidend. Die Fläche muss sich nur über die leitenden Streifen 34, 36 und 38 vom offenen gedruckten Bereich 48 weg zu Punkten erstrecken, die von keinem Elektrolyten angesprochen werden, wie nachstehend beschrieben.
BEISPIEL 4
Mit Bezug nun insbesondere auf 2 und 4 wurde auf eine teilweise Anordnung von jedem der gemäß den Beispielen 1 und 2 hergestellten Sensoren ein Sensor 130 gemäß Beispiel 3 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Polymerdielektrikum 40, insbesondere ein ungesättigtes Polyesterharz, das Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Glycole und ungesättigte Öle enthielt, das als Teil Nummer ESL 240SB clear von Electro Science Laboratories in King of Prussia, PA, erhältlich ist, so abgeschieden wurde, dass es den leitenden Streifen 38 im Sensorbereich am Ende 43 des Sensors 30 vollständig bedeckte. Ein Sieb von 325 mesh, das aus SS-Draht mit einem Durchmesser von 1,1 mil bestand, wurde verwendet. Das Polymerdielektrikum 40 wurde bei 200°C für 2 Stunden in einem Härtungsofen, der von Despatch, Inc. in Minneapolis, Minnesota, erhältlich ist, gebrannt. Das Dielektrikum 40 wurde so abgeschieden, dass es nach dem Härten eine Dicke von etwa 0,021 mm festlegte. Anschließend wurde der Sensor 130 auf einem X-Y-Z-Tisch angeordnet, der als Modell AUTOMOVE 302/201 von Asymtek Corporation in Carlsbad, CA, erhältlich ist. Der X-Y-Z-Tisch wurde derart angeordnet, dass sich der leitende Streifen 38 am Ende 43 des Sensors 130 unter einer Nadel, insbesondere Teil Nummer PUN-W-.028-.750-10-.005, erhältlich von Small Precision Tools in Petaluma, CR, (Spitzenradius von 12 Mikrometer), befand. Die Nadel wurde an einem beschwerten Kugelschlitten mit einer Abwärtskraft, die durch Hinzufügen oder Entfernen von Gewicht einstellbar war, montiert. Die andere Seite des Kugelschlittens wurde an der X-Y-Z-Positionierungseinrichtung befestigt. Eine elektrische Sonde wurde an der Kugelschlittenanordnung befestigt, wobei die Sonde mit der Nadel in Kontakt stand und mit der Kontaktstelle 46 des leitenden Streifens 38 in Kontakt stand. Der X-Y-Z-Positionierungstisch wurde so erhitzt, dass der Sensor 130 auf ungefähr 65°C erhitzt wurde, um das Polymerdielektrikum 40 zu erweichen. Die Nadel wurde dann abgesenkt, um das Polymerdielektrikum 40 zu durchstechen, bis die Nadel den leitenden Streifen 38 berührte, wodurch ein elektrischer Stromkreis geschlossen wurde, an welchem Punkt die Nadel sofort herausgezogen wurde. Die elektrische Schaltung wurde durch eine Computersoftware gesteuert, die durch einen üblichen Fachmann leicht programmierbar war. Gemäß dem Verfahren von Beispiel 4 wurde ein Loch oder eine Öffnung 56 mit einem Durchmesser von 0,050 mm, das/die eine Elektrode 38 mit einer Fläche von 2 × 10^–3 mm² festlegte, hergestellt.
BEISPIEL 5
Mit Bezug nun insbesondere auf 2 und 4 wurde auf einer teilweisen Anordnung von jedem der gemäß Beispielen 1 und 2 hergestellten Sensoren ein Sensor 130 gemäß Beispiel 3 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Dielektrikum 40 so abgeschieden wurde, dass es den leitenden Streifen 38 im Sensorbereich am Ende 43 des Sensors 30 vollständig bedeckte, und ein dielektrisches Material, das so ausgewählt wurde, dass es von einem Xenonlaser emittierte Strahlung im Wesentlichen absorbierte, verwendet wurde. Insbesondere wurde ein dielektrisches Material, das als Teil Nummer 9615 von DuPont erhältlich ist, gemäß Beispiel 3 siebgedruckt und gebrannt. Anschließend wurde ein Xenonlaser auf das Dielektrikum 40 gerichtet, um ein kleines Loch oder eine kleine Öffnung 56 über dem leitenden Streifen 38 zu erzeugen, wobei das Loch oder die Öffnung das Dielektrikum 40 durchdrang, um eine kleine Fläche des leitenden Streifens 38 freizulegen und die Arbeitselektrode 54 festzulegen. Das Loch 45 wurde zwischen den freigelegten Flächen der leitenden Streifen 34 und 36, die die Bezugs- bzw. die Gegenelektrode 50 und 52 festlegten, ausgebildet. Ein geeigneter Laser ist als Modell Nummer MEL-31 von Florod Corporation in Gardena, Kalifornien, erhältlich. Die freigelegte Fläche des leitenden Streifens 38, die durch das Loch oder die Öffnung 56 festgelegt ist und die Arbeitselektrode 54 festlegt, war ungefähr kreisförmig mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm.
BEISPIELE 6–8
Auf dem Sensorbereich der Sensoren 30 und 130, die gemäß den Beispielen 3, 4 bzw. 5 hergestellt wurden, wurde ein fester Elektrolyt 58 abgeschieden. Das heißt, Beispiel 6 umfasst einen gemäß Beispiel 3 hergestellten Sensor mit einem festen Elektrolyten, Beispiel 7 umfasst einen gemäß Beispiel 4 hergestellten Sensor mit einem festen Elektrolyten und Beispiel 8 umfasst einen gemäß Beispiel 5 hergestellten Sensor mit einem festen Elektrolyten.
In jedem Fall wurde der Elektrolyt als Lithium-ausgetauschtes Nafion abgeschieden, das aus einem Material hergestellt wurde, das als Katalognummer 27,470-4 von Aldrich Chemical Company erhältlich ist, durch zuerst Neutralisieren einer 5%igen festen Nafion-Lösung in einer Kombination von Isopropanol (10%), erhältlich als Katalog Nr. 27,470-4 von Aldrich, mit Lithiumhydroxid auf einen pH-Wert von 7 und dann Konzentrieren der Lösung unter Vakuum auf eine Konzentration von etwa 13,5% Feststoffen auf das Gewicht. Diese Lösung wurde dann auf die Sensoranordnung schleudergegossen, um eine Filmdicke von etwa 0,007 mm zu ergeben. Während des Schleudergießens wurden die Kontaktstellen mit Band maskiert. Der Elektrolytfilm aus Lithium-ausgetauschtem Nafion wurde dann bei 100°C gehärtet. Der Film wurde so abgeschieden, dass er die Bezugs-, die Gegen- und die Arbeitselektrode 50, 52 bzw. 54 oder 154 berührte, ohne andere Sensorkomponenten außerhalb des Bereichs der dielektrischen Schicht zu berühren.
BEISPIELE 9–14
Membranmaterialien wurden aus Polyvinylchlorid (PVC) und Diundecylphthalat (DUP) durch Auflösen von PVC mit sehr hohem Molekulargewicht, das als Katalognr. 34676-4 von Aldrich Chemical Company erhältlich ist und eine Eigenviskosität von 1,02 aufweist, und DUP, das als Katalognr. P-129 von Scientific Polymer Products in Ontario, NY, erhältlich ist, in Tetrahydrofuran (THF) als ungefähr 15% Feststoffe auf das Gewicht und Schleudergießen der Lösung bei ungefähr 1385 Umdrehungen pro Minute für zehn Sekunden auf eine Oberfläche formuliert. Der THF-Lösungsmittelträger wurde dann aus der Membran verdampft, indem die Sensoranordnung für zwei Stunden bei 60°C in einen Ofen gestellt wurde. Sechs Membranen wurden durch dieses Verfahren hergestellt, wobei der Gewichtsprozentsatz von PVC in jedem Beispiel auf der Basis des Gewichts des gesamten Membranmaterials folgender war: Beispiel 9 33%; Beispiel 10 50%; Beispiel 11 67%; Beispiel 12 73%; Beispiel 13 80%; Beispiel 14 83%.
Die gemäß den Beispielen 9–14 formulierten PVC/DUP-Membranen wurden untersucht, um ihre Permeabilitätswerte zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in 6 aufgetragen, in der ein Diagramm der Permeabilität als Funktion des Gewichtspro zentsatzes an PVC des Polymers gezeigt ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei niedrigen Werten des Gewichtsprozentsatzes von DUP gute Membranpermeabilitätswerte realisiert werden, aber, wenn der Gewichtsprozentsatz von DUP zunimmt, die Permeabilität schnell auf nicht-optimale Pegel zunahm. Eine Permeabilität von 0,5 bis 2,5 Barrereinheiten ist zur Verwendung bevorzugt.
BEISPIELE 15–18
Membranen wurden gemäß dem Reaktionsverfahren der Beispiele 9–14 aus Gemischen eines Acrylnitril-Butadien- (AB) Copolymers, das als Teil Nr. 533 von Scientific Polymer Products in Ontario, New York, erhältlich ist, und PVC wie in Beispielen 9–14 formuliert. Vier AB/PVC-Membranen wurden durch dieses Verfahren hergestellt, wobei der Gewichtsprozentsatz von PVC in jedem Beispiel auf der Basis des Gewichts des gesamten Membranmaterials folgender war: Beispiel 15 0%; Beispiel 16 33%; Beispiel 17 50%; Beispiel 18 67%.
Die gemäß Beispielen 15–18 formulierten Membranen wurden getestet, um ihre Sauerstoffpermeabilitätseigenschaften wie in Beispielen 9–14 zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in 6 aufgetragen. Es ist beachtlich, dass ein breiter Bereich von AB/PVC-Copolymergemischen innerhalb eines optimalen Permeabilitätsbereichs formuliert werden kann. Somit kann das Gemisch so formuliert werden, dass es sowohl die Sauerstoffpermeabilitätsanforderungen als auch andere physikalische und chemische Anforderungen erfüllt.
BEISPIELE 19–22
Membranen wurden gemäß dem Reaktionsverfahren von Beispielen 9–14 aus einem Gemisch des AB-Copolymers der Beispiele 15–18 und Poly(vinylidenchlorid-co-acrylnitril) (PVdC/AN), das als Katalognr. 396 von Scientific Polymer Products erhältlich ist, mit einem Molekulargewicht von 26000 formuliert. Vier AB/PVdC/AN-Membranen wurden durch dieses Verfahren hergestellt, wobei der Gewichtsprozentsatz von PVdC/AN in diesen Beispielen auf der Basis des Gewichts des gesamten Membranmaterials folgender war: Beispiel 19 0%; Beispiel 20 33%; Beispiel 21 50%; Beispiel 21 67%.
Die gemäß den Beispielen 19–22 formulierten Membranen wurden getestet, um ihre Permeabilitätseigenschaften als Funktion des Gewichtsprozentsatzes von PVdC/AN zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in 6 aufgetragen. Vorteilhafte Ergebnisse, wie vorstehend mit Bezug auf die Beispiele 15–18 angegeben, werden realisiert.
BEISPIEL 23
Die folgenden Komponenten in den folgenden Mengen wurden gleichmäßig angemischt und bei der Herstellung einer Dichtung 66 verwendet: Ein Copolymer eines Epichlorhydrin-Homopolymers und von Allylglycidylether, das unter der Handelsmarke Grechon 1100 von Zeon Chemicals erhältlich ist, 100 Gewichtsteile; Kaliumstearat, 4 Gewichtsteile; Calciumoxid, 1 Gewichtsteil; Stearinsäure, 1 Gewichtsteil; 2-Ethyl-2-(hydroxymethyl)-1,3-propandioltrimethacrylat, vertrieben als Katalognummer SR-350 von Sartomer Co. in West Chester, PA, 3 Gewichtsteile; und 2,5-Bis(t-butylperoxy)-2,5-dimethylhexan, vertrieben unter der Marke Varox DBPH-50 von R. T. Vanderbilt Co., Inc., 2 Gewichtsteile.
Eine Stahlform mit einer mit Nickel gefüllten Teflonbeschichtung, die von Dav-Tech Plating, Inc., erhältlich ist, wurde verwendet. Die Dichtungskomponenten wurden gewalzt, um eine Folie von 3/8 Inch auszubilden, und in eine Form mit Abmessungen, wie vorstehend mit Bezug auf die bevorzugten Sensorausführungsformen beschrieben, eingeführt. Die Komponenten wurden 20 Minuten bei 170°C unter einer Formkraft von 9000 lbs geformt. Nach dem Formen wurde die Form über Leitungswasser gekühlt und die Dichtung wurde entnommen.
BEISPIEL 24
Ein Sensor 130 gemäß Beispielen 1, 5 und 8 wurde mit den folgenden Ausnahmen hergestellt. Der leitende Streifen 34 wurde aus Silberpaste hergestellt, die als Teil Nr. 6160 Ag von DuPont erhältlich ist. Der leitende Streifen 38 wurde aus einem Goldmaterial, das als Teil Nr. JM6990 von Johnson-Matthey erhältlich ist, welches in einer Menge von 95 Gewichtsprozent vorlag, und einer Glasbindefritte, die als Teil Nummer PC10129 von Metech erhältlich ist, welche in einer Menge von 5 Gewichtsprozent vorlag, hergestellt. Nach der Abscheidung des Dielektrikums 40 wurde der Teil des leitenden Streifens 34, der die Bezugselektrode 50 festlegte, elektrochloriert, um eine Silber/Silberchlorid-Referenz herzustellen. Auf dem Elektrolyten wurde Lithium-ausgetauschtes Nafion auf der Sensoranordnung abgeschieden, um eine Filmdicke von etwa 0,010 mm zu ergeben. Darüber wurde die Membran 60 als Acrylnitril-Butadien-Copolymer, das als Teil Nr. 533 von Scientific Polymer Products erhältlich ist, abgeschieden. Anschließend wurde eine herkömmliche Probenkammer über dem Sensorbereich unter Verwendung einer herkömmlichen Dichtung und einer klaren Kunststoffabdeckung konstruiert. Der Sensor wurde mit einem Potenziostaten verbunden und die Arbeits- und die Bezugselektrode wurden auf eine Potenzialdifferenz von ungefähr –0,900 Volt vorgespannt. Befeuchten zum Aktivieren des Nafion-Elektrolyten wurde durch Einleiten einer Salzlösung in die herkömmliche Probenkammer durchgeführt. Insbesondere wurde eine Waschlösung, die 96,00 mM NaCl, 4,00 mM KCl, 1,25 mM Ca(OAc)₂, 16,00 mM LiOAc, 44,00 mM NaOAc, eine kleine Menge eines mikrobiziden Mittels und eine kleine Menge eines Tensids umfasste, eingeleitet. Die Befeuchtungsrate wurde durch Vergleichen des zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode fließenden Stroms 15 Minuten nach der Einleitung der Salzlösung und dann 60 Minuten nach der Einleitung getestet. Es wurde festgestellt, dass der Elektrolyt am Punkt von 15 Minuten zu 99% aktiviert war.
Anschließend wurde eine Reihe von wässerigen Sauerstoffkalibratorlösungen auf den Sensorbereich aufgebracht, indem sie in die Probenkammer eingeleitet wurden. Insbesondere wurden Kalibratorlösungen, die einen Sauerstoffgehalt von 0%, 12% und 20% trugen, nacheinander eingeleitet. Die Prozentwerte des Sauerstoffgehalts werden auf der Basis des gesamten in Lösung gelösten Gases angegeben. Die Kalibratorlösungen sind allgemein kommerziell erhältlich.
7 zeigt die Ergebnisse der Einleitung der wässerigen Sauerstoffkalibratoren, die als Kurve der Stromreaktion als Funktion der Zeit dargestellt sind. Das unter Verwendung des gemäß dem Beispiel hergestellten Sensors erhaltene signifikante Ergebnis ist die stabile, lineare Stromreaktion an den Stellen 72 und 74 von 7, die 12%ige bzw. 20%ige Sauerstoffproben darstellen. Diese stabile, lineare Reaktion demonstriert die nicht-verarmende Art der Arbeitselektrode 154, die gemäß der in 2 und 4 dargestellten Ausführungsform unter Verwendung des Laserloch- oder -öffnungsausbildungsverfahrens hergestellt wurde. Somit führt eine Kombination einer kleinen, durch ein Laserloch ausgebildeten Arbeitselektrode mit einer Deckmembran, die so ausgewählt ist, dass sie vorteilhafterweise Sauerstoff in begrenzten Mengen durchlässt, aber Wasserdampf sehr schnell durchlässt, mit einem festen Elektrolyten dazwischen zu einem kumulativen, nicht-verarmenden Sensor, der zweckmäßig und wirtschaftlich hergestellt wird. Die Unstetigkeiten 76 in 7 stellen Stromanomalien dar, die sich aus der seriellen manuellen Probeneinleitung einer Vielzahl von Kalibrierungsproben ergeben.
BEISPIEL 25
Blutproben mit vorbestimmten pO₂s wurden in die herkömmliche Probenkammer des Sensors von Beispiel 24 eingeleitet und der Sensor wurde wie in Beispiel 23 nach Befeuchtung und Kalibrierung polarisiert. Insbesondere wurden tonometrierte Blutproben, die 12% Sauerstoff bzw. 20% Sauerstoff trugen, in die herkömmliche Probenkammer eingeleitet. 8 stellt graphisch die Stromreaktion als Funktion der Zeit in diesem Experiment dar. Die Stelle 78 der Kurve stellt das Aufbringen einer 12%igen wässerigen Sauerstoffkalibratorlösung dar, die Stellen 80 stellen die Stromreaktion nach dem Aufbringen der Blutproben mit 20% Sauerstoff dar und die Stellen 82 stellen das Aufbringen der Blutproben mit 12% Sauerstoff dar. Wie vorstehend mit Bezug auf das in 7 dargestellte Kalibrierungsexperiment angegeben, zeigen die in 8 dargestellten Daten bedeutenderweise die nicht-verarmende Art des gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Sensors, die Stellen 80 und 82 zeigen einen schnellen, sanften und reproduzierbaren Ausgleich der Stromreaktion auf den Sauerstoffgehalt im Blut. Wie in 7 stellen die Anomalien 76 in 8 die serielle Einleitung von Proben in den Sensor dar.
BEISPIELE 26–27
In diesen und den folgenden Beispielen wird die vorteilhafte Langlebigkeit von verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung demonstriert. Sensoren wurden folgendermaßen hergestellt: Beispiele 26 und 27 gemäß den Beispielen 2, 3, 6 und 16. Anschließend wurde eine Probenkammer mit einem Volumen von ungefähr 1,5 ml über dem Sensorbereich unter Verwendung einer Dichtung gemäß Beispiel 23 und eines Deckelements wie vorstehend beschrieben konstruiert. Jeder Sensor wurde an einem Potenziostaten befestigt, auf ein Potenzial von –0,800 V zwischen der Arbeits- und der Bezugselektrode gesetzt und die Probenkammern wurden mit der vorstehend beschriebenen Waschlösung gefüllt. Jede wurde täglich mit 0,1 M wässerigem NaCl gespült und ein Spannungs-Strom-Diagramm mit linearem Durchlauf (LSV) von 0 bis –1,200 V jedes Sensors wurde erhalten, dann wurde jede mit der Waschlösung gespült und wieder auf einem Potenzial von –0,800 V aufbewahrt. 9 stellt graphisch LSVs von 0 bis 1,2 V dar, die am Tag 16 des Experiments erhalten wurden, aufgetragen als Stromreaktion als Funktion des angelegten Potenzials. Beispiele 26 und 27 zeigen signifikante Störpeaks. 10 stellt die Reaktion dieser Sensoren auf Sauerstoffkalibratorproben dar, wie in Beispiel 48 beschrieben, aufgetragen als Stromreaktion als Funktion von pO₂. Es sind Diagramme 84, 86 und 88 der Linearität der Stromreaktion als Funktion einer wiederholten Kalibratoranwendung enthalten. Der Sensor von Beispiel 27 zeigt eine relativ gute Linearität, die in seinem LSV, das in 9 dargestellt ist, gegeben ist, was demonstriert, dass eine zufriedenstellende Leistung trotz mäßiger Störpeaks in den Spannungs-Strom-Diagrammen erhalten werden kann.
BEISPIEL 28
Ein Sensor 30 wurde gemäß Beispielen 2, 3 und 6 hergestellt, wobei eine Membran, die gemäß Beispiel 24 hergestellt wurde, darüber abgeschieden wurde, mit den folgenden Ausnahmen. Zwei Schichten von Dielektrikum wurden abgeschieden und der Nafion-Elektrolyt wurde in einer Dicke von 10 μm abgeschieden. Anschließend wurde eine Probenkammer mit einem Volumen von ungefähr 1,5 μl über dem Sensor unter Verwendung einer Dichtung gemäß Beispiel 47 und einer Deckmembran wie vorstehend beschrieben konstruiert.
Der Sensor wurde fünf Tage elektrochemischem Testen unter Verwendung von wässerigen Sauerstoffkalibratorlösungen, menschlichem Vollblut und menschlichem Serum unterzogen. Insbesondere wurde eine Brauchbarkeitsstudie ausgeführt, in der der Sensor auf ein vorbestimmtes Potenzial gesetzt wurde und Daten an 30 Proben von menschlichem Vollblut bei drei verschiedenen Anteilen von Sauerstoff für drei Tage in einer Reihe gesammelt wurden. Die Blutproben wurden gesammelt und bei 37°C auf eines von drei vorbestimmten Sauerstoffkonzentrationsniveaus tonometriert. Daten wurden nicht von Serumproben, die in die Probenkammer eingeleitet wurden, gesammelt, sondern das Serum wurde eingeleitet, um den Sensor mehr menschlichen Proben auszusetzen. Das Serum wurde bei Umgebungstemperatur und Gaspegeln laufen lassen. Zwischen jeder menschlichen Blutprobe, menschlichen Serumprobe und zwischen jeder Kalibratorpegeleinleitung wurde die Waschlösung von Beispiel 48 in die Probenkammer eingeleitet. Während des Tests wurde der Sensor mit einem Potenziostaten verbunden und die Arbeits- und die Bezugselektrode wurden auf eine Potenzialdifferenz von ungefähr –0,800 Volt vorgespannt. Datenpunkte wurden alle zwei Sekunden gesammelt.
Am Tag 1 wurde Befeuchten durch Einleiten der Waschlösung in die Probenkammer durchgeführt. Dann wurde durch Einleiten einer Probe eines 5,99%igen Sauerstoffkalibrators in die Probenkammer, gefolgt von einem Datensammelzeitraum von 60 Sekunden, wonach der Schritt wiederholt wurde, eine Kalibrierungskurve von 32 Minuten erhalten. Ein 12,94%iger Sauerstoffkalibrator wurde dann identisch abgetastet, gefolgt von einem Kalibrator mit 23,99% Sauerstoffanteil, der identisch abgetastet wurde.
An jedem der Tage 2–4 wurde das folgende Protokoll ausgeführt. Zuerst wurde ein Kalibrierungsschritt, wie vorstehend beschrieben, mit Bezug auf die Datenerfassung von Tag 1 ausgeführt. Dann wurde ein Protokoll von 50 Minuten durch Einleiten der Waschlösung in die Probenkammer, gefolgt von einem Datensammelzeitraum von zwei Minuten, gefolgt von der Einleitung von menschlichem Serum bei Umgebungssauerstoffkonzentration, gefolgt von einem Datensammelzeitraum von zwei Minuten, ausgeführt. Die Wasch/Serum-Sequenz wurde zehnmal wiederholt, wobei sie mit einem Waschschritt endete. Das gesamte Serumprotokoll wurde für insgesamt 20 Serumproben wiederholt. Nach dem Serumprotokoll wurde das vorstehend beschriebene Kalibrierungsprotokoll durchgeführt. Dann wurde ein Protokoll für menschliches Vollblut von 47 Minuten durchgeführt. Insbesondere wurde ein 5,99%iger Sauerstoffkalibrator in die Probenkammer eingeleitet, gefolgt von einem Datensammelzeitraum von einer Minute. Diese Sequenz wurde mit einem 12,94%igen Sauerstoffkalibrator und dann mit einem 23,99%igen Sauerstoffkalibrator wiederholt. Anschließend wurde die Waschlösung in die Probenkammer eingeleitet und eine Datensammlung von 90 Sekunden wurde ausgeführt. Dann wurde eine Probe von Vollblut, die auf 21% Sauerstoff tonometriert war, in die Probenkammer eingeleitet, gefolgt von einem Datensammelzeitraum von 60 Sekunden, gefolgt von der Einleitung der Waschlösung, gefolgt von der Einleitung der tonometrierten Vollblutprobe. Die Sequenz wurde wiederholt, bis 10 Vollblutproben eingeleitet worden waren. Das vorstehend angegebene Kalibrierungsprotokoll wurde dann durchgeführt. Dann wurde das Protokoll für Vollblut wiederholt, zuerst mit einer tonometrierten Vollblutprobe mit 12,94% Sauerstoff und dann mit einer tonometrierten Vollblutprobe mit 7% Sauerstoff. Am Ende dieses Protokolls wurde das Kalibrierungsprotokoll wiederholt.
Am Tag 5 wurde das vorstehend angegebene Kalibrierungsprotokoll wiederholt. Dann wurde der Sensor ausgewertet, indem ein Sensorpolarogramm, wie vorstehend mit Bezug auf die Beispiele 55–57 beschrieben, erhalten wurde, mit der Ausnahme, dass ½ eines zyklischen Spannungs-Strom-Diagramms durchgeführt wurde. Das Polarogramm wurde von 0 bis –1,200 Volt laufen lassen.
11 stellt Ergebnisse der tonometrierten Proben von menschlichem Vollblut, die dem Sensor ausgesetzt wurden, wie vorstehend beschrieben, dar. Die Daten wurden am Tag 2 des Tests gesammelt. Die Einleitung des 5,99%igen Sauerstoffkalibrators ist bei 90 dargestellt, die Einleitung des 12,94%igen Sauerstoffkalibrators ist bei 92 dargestellt und die Einleitung des 23,99%igen Sauerstoffkalibrators ist bei 94 dargestellt. Die Einleitung der Waschlösung ist bei 94 dargestellt. Die Einleitung der Waschlösung ist an den Stellen 96 dargestellt. Die Einleitung der auf 12,94% Sauerstoff tonometrierten Vollblutproben ist durch die Stellen 98 dargestellt. Die Diskrepanz zwischen den Stellen 98, die tonometriertes Vollblut mit 12,94% Sauerstoff darstellen, und den Stellen 92, die den 12,94%igen Sauerstoffkalibrator darstellen, liegt an der gut bekannten Eigenschaft von Blut bei der Erzeugung von niedrigeren Sauerstoffmesswerten als die Kalibratorlösungen. Die Einstellung auf eine solche Diskrepanz wird von Durchschnittsfachleuten leicht durchgeführt. Signifikante Ergebnisse, die in 11 dargestellt sind, umfassen die gute Präzision in der Stromreaktion auf die Sauerstoffan teile und die beobachtete gute Linearität im Kalibrierungsschritt.
12 stellt drei repräsentative Polarogramme dar, die am Tag 5 des Tests erhalten wurden, welche eine gute Haltbarkeit des Sensors darstellen.

Claims

Planarer Festkörper-Sauerstoffsensor (30, 130), umfassend ein elektrisch nicht-leitendes Substrat (32); elektrochemische Mittel zum Nachweis eines Analyten in einer Testprobe, umfassend ein erstes elektrisch leitendes Material (38), das an einem ersten Teil des Substrats haftet, wobei zumindest ein Teil des ersten leitenden Materials mit einer elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung (40) bedeckt ist, und zumindest ein Teil des ersten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des ersten leitenden Materials einen Arbeitselektrodenbereich (54) festlegt; ein zweites elektrisch leitendes Material (36), das an einem zweiten Teil des Substrats haftet, wobei ein Teil des zweiten leitenden Materials mit der elektrisch isolierenden Beschichtung (40) bedeckt ist, und mindestens ein Teil des zweiten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des zweiten leitenden Materials einen Gegenelektrodenbereich (52) festlegt; einen hygroskopischen festen Elektrolyten (58), der an dem elektrochemischen Mittel vorgesehen ist, wobei der Elektrolyt einen Quellwert von weniger als zweimal seinem Trockenvolumen aufweist, wenn er mit Wasser versehen wird; eine semipermeable Membran (60), die den Elektrolyten bedeckt, mit einer Sauerstoffpermeabilität von weniger als 8 Barrer; dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckelement (64) die semipermeable Membran bedeckt und eine darin ausgebildete Aussparung aufweist, wobei die Aussparung einen Umfang aufweist, der der Membran zugewandt ist, und mindestens ein Durchgang (68) mit der Aussparung verbunden ist; und eine Dichtung (66, 67) den Aussparungsumfang und die Membran berührt, um eine Abdichtung (69) zwischen diesen zu bilden, wobei die Dichtung, das Deckelement und die Membran eine Probenkammer (62) festlegen.
Sensor nach Anspruch 1, welcher weiterhin ein drittes elektrisch leitendes Material (34) umfasst, das an einem dritten Teil des Substrats haftet, wobei ein Teil des dritten leitenden Materials mit der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung (40) bedeckt ist und mindestens ein Teil des dritten leitenden Materials von der elektrisch isolierenden Beschichtung unbedeckt bleibt, wobei der unbedeckte Teil des dritten leitenden Materials einen Bezugselektrodenbereich (50) festlegt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Substrat (32) Keramiken, Gläser, feuerfeste Materialien, Polymere oder Kombinationen davon oder mit einem Glasbindemittel angemischtes Aluminiumoxid umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste elektrisch leitende Material (38) eine Dickfilmpaste, umfassend Silber, Gold oder Platin, umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste elektrisch leitende Material (38) so abgeschieden ist, dass es eine nachgebrannte Dicke von 0,002 bis 0,04 mm und eine Breite von 0,02 bis 0,4 mm in zumindest einem Bereich des Sensors aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite elektrisch leitende Material eine Dickfilmpaste, umfassend Silber, Gold oder Platin, umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die elektrisch isolierende dielektrische Beschichtung (40) Keramiken, Gläser, Polymere und Kombinationen davon umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der unbedeckte Teil (54) des ersten leitenden Materials 38 gemäß dem Dickfilm-Siebdruckverfahren oder durch ein durch Laser gebranntes Loch oder eine durch Laser gebrannte Öffnung (154) in der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung (40) oder durch ein durch eine Nadel gestanztes Loch oder eine durch eine Nadel gestanzte Öffnung (154) in der elektrisch isolierenden dielektrischen Beschichtung (40) festgelegt wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der hygroskopische feste Elektrolyt (58) ein vernetztes Polymer ist, das eine Sauerstoffpermeabilität von mindestens 3 Barrer aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die semipermeable Membran (60) eine Sauerstoffpermeabilität von 0,1 bis 5 Barrer aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die semipermeable Membran ein Polymermaterial mit einer Glasübergangstemperatur von –40°C bis +110°C, die nicht bei der Betriebstemperatur des Sensors liegt, und/oder mit einer "Shore A"-Härte von mindestens etwa 20 umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die semipermeable Membran (60) weiterhin das Polymerisationsprodukt von mindestens einem Nitrilmonomer und mindestens einem konjugierten Dienmonomer umfasst.
Sensor nach Anspruch 12, wobei die semipermeable Membran (60) weiterhin eine Spezies von der Polymerisation eines Vi nylhalogenids, dem Polymerisationsprodukt eines Vinylidenhalogenids oder dem statistischen Polymerisationsprodukt von entweder einem Vinylhalogenid oder einem Vinylidenhalogenid mit einem Nitril enthaltenden Monomer umfasst.
Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 13, wobei die Dichtung (69) eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als 20 Barrer aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Dichtung (69) aus einem Material mit einem elastomeren Copolymer einer Epoxyverbindung formuliert ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Probenkammer (62) ein Volumen von weniger als 10 ml aufweist.
Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er elektrochemische Mittel (34, 36, 38) auf einer ersten Seite der Membran zum Nachweis eines Analyten in einer Probe, eine Probenkammer (62) auf einer zweiten Seite der Membran zum Aufnehmen der Probe, wobei die Kammer teilweise durch die zweite Seite der Membran und ein Abdeckelement (64) mit einer darin ausgebildeten Aussparung festgelegt ist, wobei die Aussparung einen Umfang aufweist, der der zweiten Seite der Membran zugewandt ist, und eine Dichtung (69) zum Ausbilden einer flüssigkeits- und gasundurchlässigen Abdichtung zwischen der zweiten Seite der semipermeablen Membran und dem Aussparungsumfang des Abdeckelements umfasst, wobei die Dichtung eine Shore A-Härte von 10 bis 100 und eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als 20 Barrer aufweist und welche flüssigkeitsundurchlässig und von beweglichem extrahierbaren Material und von beweglichen Sulfiden und Batteriemetallen, welche in Wasser elektrochemisch aktiv sind, im Wesentlichen frei ist und beim Ausbilden und Aufrechterhalten der Abdichtung für mindestens 2 Tage unter einem normalen Sensorbetrieb wirksam ist.
Sensor nach Anspruch 17, wobei die Dichtung (69) ein Copolymer einer Epoxyverbindung und eines zweiten Monomers, das Ungesättigtheitsstellen in dem Copolymer bereitstellt, wobei das zweite Monomer in einer Menge vorliegt, um der Dichtung eine Vernetzung von 0,1 bis 20% nach dem Härten zu verleihen, und gegebenenfalls ein oder mehrere Additive, die aus Antioxidantien, Verarbeitungshilfen und Härtungshilfen ausgewählt sind, umfasst.
Sensor nach Anspruch 18, wobei das Dichtungscopolymer ferner ein hydrophiles Monomer umfasst, das der Dichtung einen gewünschten Quellwert verleiht.
Sensor nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei die Epoxyverbindung Epichlorhydrin umfasst, wobei das hydrophile Monomer aus Allylalkohol, Crotylalkohol, Methylvinylcarbinol, Cinnamylalkohol, Ethylenglycol, Propylenglycol, 1,3-Propandiol, Glycerin und Pentaerythrit ausgewählt ist.