DE69531961T2 - Verfahren zur messung von gaskonzentrationen und mikrohergestellter sensor dafür - Google Patents

Verfahren zur messung von gaskonzentrationen und mikrohergestellter sensor dafür Download PDF

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/404Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors

Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Konzentration eines Gases in einer Probe, insbesondere einer flüssigen Probe. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine mikrohergestellte Sensoreinrichtung, die ein ebenes Substrat aufweist, auf dem eine Anordnung von Arbeits- und Gegen-/Referenz-Elektroden aufgebaut ist, so dass Messungen der Konzentration des Gases durchgeführt werden können, während eine Verunreinigung der Arbeitselektrode durch Komponenten der Gegen-/Referenz-Elektrode auf ein Minimum gebracht werden. Mehr speziell ist die vorliegende Erfindung nützlich bei der Durchführung von Messungen der Konzentration von Blutgasen, die Sauerstoff und Kohlendioxid enthalten.
  • 2. Hintergrund der Erfindung
  • Die Messung von Gaskonzentrationen, insbesondere in Blut, ist der Gegenstand einer andauernden Entwicklung in dem Gebiet der Gasanalyse.
  • Die klassische Clark-Elektrodentechnologie (Trans. Am. Soc. Artificial Internat Organs (1956)2: 41), die bei Sauerstoffmessungen in kommerziell erhältlichen Blutgasanalysatoren angewendet wurde (siehe beispielsweise Weinberg US-Patent Nr. 4,361,540 und Enzer US-Patent Nr. 4,871,439), benützt nicht-planare Mikroherstellungstechniken. Die Gold-Arbeitselektrode wird gewöhnlich aus einem gezogenen Draht hergestellt, der einen Durchmesser von etwa 10 μm hat und in Glas eingebettet ist. Der kleine Durchmesser der Elektrode reduziert die Effekte der Probenströmung auf den Sensorausgang. Es ist jedoch zu betonen, dass, obwohl diese Elektrode eine „Mikroelektrode" ist, sie nicht mit planaren Mikroherstellungsmethoden hergestellt ist. Insbesondere wird eine gasdurchlässige Membran über dem Ende der Elektrode ausgestreckt und durch einen O-Ring befestigt, um den Sensor von der Probenlösung zu isolieren und diesen einzuschließen.
  • Es ist ebenfalls bekannt, dass klassische (d. h. nicht-mikrohergestellte) Clark-Sauerstoffelektroden eine Silberverunreinigung auf der Goldelektrodenoberfläche während des Normalbetriebs zeigen. Diese Verunreinigung stammt von Silberabscheidung auf der Goldkathode. Die Silberverunreinigung der Goldelektrode ist aus zwei Gründen problematisch: (i) es beeinflusst die Sauerstoffreduktionswelle, da Silber und Gold unterschiedliche katalytische Aktivitäten haben, und (ii) Halothane und andere gewöhnliche anästhetische Gase zeigen eine erheblich größere elektrochemische Reduktion auf Silber im Vergleich zu Gold (siehe beispielsweise Hall et al. J. Biomed. Eng. (1988)10: 319), wobei dadurch ein variabler Interferenzstrom verursacht wird.
  • Mit herkömmlicher Clark-Elektrodentechnologie war der grundlegende Ansatz, um dieses Problem zu umgehen, die Silber-Silber-Chloridelektrode in dem Elektrodenbehälter einige Zentimeter von der Goldelektrode weg zu positionieren. Dennoch muss während des Betriebs die Membran gelegentlich von der Elektrode entfernt werden, und jegliche Silberverunreinigung der Goldoberfläche muss durch Polieren entfernt werden. Dieser Ansatz ist klar unpraktisch für planare mikrohergestellte Sensoren, wo die Membran als einstöckiger Teil der Vorrichtung hergestellt ist.
  • Bei der Betrachtung von früheren Anstrengungen, planare Sauerstoffsensoren herzustellen, sind zwei Aspekte erwähnenswert: erstens sind die Referenz-Elektrode und die Arbeitselektrode im Allgemeinen nahe beieinander angeordnet; zweitens sind die Elektroden elektrisch von der Probe durch eine gasdurchlässige Membran isoliert, die die Elektroden einschließt.
  • Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4,062,750 (Butler) eine sogenannte Mikroherstellungsmethode zur Herstellung eines polarographischen Diinnschicht-Sauerstoffsensors. Diese Druckschrift beschreibt ein Feld von Kathoden auf einem Siliciumsubstrat. In dem hauptsächlichen Ausführungsbeispiel dieser Druckschrift ist (1) der Abstand zwischen Kathoden und Anoden nur 25 μm (Spalte 4, Zeile 10) und (ii) die Siliciumeinrichtung wird zu einem zylindrischen Element zusammengebaut, was ermöglicht, dass eine gasdurchlässige Membran über der Siliciumeinrichtung mit Hilfe eines O-Rings befestigt werden kann. Das hauptsächliche Ausführungsbeispiel ist daher im Wesentlichen eine Hybrideinrichtung, bei der planare Mikroherstellung verwendet wird, um die Elektroden herzustellen, während die Elektrolytschicht und die gasdurchlässige Membran in derselben Weise wie bei der klassischen Clark-Elektrode vorgesehen sind. Ein zweites Ausführungsbeispiel, das in der Spalte 16 dieser Druckschrift diskutiert wird, erlaubt es, dass eine gasdurchlässige Schicht über eine Plasmapolymerisation aufgebaut wird. Nichtsdestoweniger positionieren alle Sauerstoffsensoreinrichtungen, die in dieser Druckschrift beschrieben sind, die Anode und die Kathode (oder ein Feld davon) in enger Nachbarschaft zueinander und schließen beide Elektroden unter einer gasdurchlässigen Membran ein.
  • Das US-Patent Nr. 4,534,356 (Papadakis) zeigt eine planare Herstellungsmethode für die Herstellung eines transcutanen Festkörper-Blutgassensors, der Elektrodenpaar benutzt.
  • Eine gasdurchlässige Membran wird verwendet, um die Anordnung einzuschließen. Hier wird ein Material auf die Einrichtung aufgebracht, welches trocknet, um eine Membran übrig zu lassen, die ohne das Erfordernis eines O-Rings haftet. Das Patent behauptet, dass der Blutsauerstoffsensor der angeblichen Erfindung keinen Elektrolytpool benötigt, und dass die gasdurchlässige Membran nicht ausgetauscht werden muss, so dass dadurch die Notwendigkeit für eine erneute Kalibrierung vermieden wird. Die Offenbarung liefert keine Lehre bezüglich der Elektrodenkonfiguration und -anordnung, außer dass gezeigt wird, dass die Elektroden nebeneinander positioniert sind, und dass beide durch eine gasdurchlässige Membran eingeschlossen sind.
  • Die europäische Patentanmeldung Nr. 0496521 Al (Tsukuda) zeigt eine planare Laminatstruktur für eine Blutsauerstoffinessung, von der behauptet wird, dass sie die gewünschte, längere Betriebslebensdauer liefert. In der Tsukuda-Einrichtung wird ein vergrößertes Elektrolytreservoir 12 durch die geschichteten, laminierten Teile definiert. Dieses vergrößerte Elektrolytreservoir steht in Kontakt mit der Arbeitselektrode 84 und der Referenz-Elektrode 13 (siehe 5). Die Beschreibung erläutert, dass die Elektroden in unterschiedlichen Schichten anordnet sind, um eine Flexibilität in den Dimensionen der Elektroden zu ermöglichen, und die eine gute Sensorlebensdauer erreichen. (Siehe Spalte 4, Zeilen 28– 31). In anderen Worten muss die Referenz-Elektrode groß genug sein, um mit der gewünschten längeren Betriebslebensdauer konsistent zu sein. (Siehe Spalte 4, Zeilen 1–4). Entsprechend wird die Elektrolytkapazität eingestellt, um eine geeignete Lebensdauer auszuwählen. (Siehe Spalte 2, Zeilen 41–57). Diese Druckschrift erwähnt jedoch nicht eine Silberverunreinigung von Gold. Ferner sind sowohl die Arbeits- als auch Referenz-Elektroden unter der gasdurchlässigen Membran 7 eingeschlossen.
  • Das US-Patent Nr. 4,682,602 (Prohaska) lehrt eine mikrohergestellte Sensoranordnung, von der behauptet wird, dass sie für viele Analyte verwendet werden kann. Eine Kammer 3, die eine Elektrode oder einen Wandler enthält, wird mit einer Öffnung in der Kammerwand hergestellt (siehe beispielsweise 1). Die Öffnung stellt sicher, dass die Elektrode nicht elektrisch von der Probe isoliert ist. Es ist jedoch klar, dass beabsichtigt ist, eine im Wesentlichen abgeschlossene Anordnung herzustellen, wie leicht aus einer Überprüfung der 13 dieser Druckschrift ersichtlich ist. In Spalte 4, Zeilen 52–59 sagt die Beschreibung, dass zwei Elektroden oder Wandler benutzt werden können, um eine photochemische Zelle in dem Innenraum der eingeschlossenen Kammer zu bilden. Diese Druckschrift beschreibt im Wesentlichen eine mikrohergestellte Version einer Nadelloch-Elektrode, die in der Technik elektrochemischer Sensoren wohlbekannt ist.
  • Das US-Patent Nr. 4,933,048 (Lauks) beschreibt eine Referenz-Elektroden/Arbeitselektroden-Konfiguration, in der die Arbeitselektrode 10 vollständig durch eine Überzugsschicht 13 eingeschlossen ist, die eine Membran oder eine Reihe von Membranen ist, die die Arbeitselektrode speziell auf ein zu messende Probensubstanz abstimmt/abstimmen. (Siehe 2). Daher ist die Arbeitselektrode ausreichend von der Referenz-Elektrode isoliert. Dieses Patent offenbart auch eine Referenz-Elektrode, die von einem trockengespeicherten Zustand schnell in einen nassen Zustand übergeht und einem Niedrigimpedanzpfad zu einer externen Lösung aufweist. Die Offenbarung dieser Druckschrift wird durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hiermit einbezogen.
  • Das US-Patent Nr. 5,096,669 (Lauks) zeigt eine Wegwerfeinrichtung, die ein Gehäuse, einen Sensor, eine Probenhalteeinrichtung und eine Probenleitung umfasst. Das Gehäuse trägt auch einen Sensorbereich, in dem wenigstens ein Sensor angeordnet ist. Die Offenbarung dieser Druckschrift wird durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen.
  • Sowohl offene als auch geschlossene Sauerstoffsensoranordnungen sind in dem US-Patent Nr. 5,200,051 (Cozzette) offenbart. (Siehe beispielsweise Spalten 41–3 und 7A und 7B, respektive). Die Gold- und Silber/Silberchlorid-Elektroden sind jedoch in enger Nachbarschaft unter der gleichen, „offen"-strukturierten, gasdurchlässigen Membran positioniert. Die Beschreibung erwähnt das Problem der Goldelektroden-Kontamination durch die Komponenten der Silber/Silber-Chlorid-Referenz-Elektrode nicht und bietet daher keine Lösung für dieses. Tatsächlich zeigt 7A eine Sensoranordnung, bei der die Gold-Arbeitselektrode durch eine Silber/Silber-Chlorid-Referenz-Elektrode flankiert ist. Die Offenbarung dieser Druckschrift wird durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen.
  • 3. Zusammenfassung der Erfindung
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine mikrohergestellte Sensoreinrichtung bereitgestellt, um die Konzentration eines Gases in einer flüssigen Probe zu messen, wobei die Einrichtung frei von dem Elektrodenkontaminationsproblem betrieben werden kann, das bei früheren Einrichtungen problematisch war. So wird eine mikrohergestellte Sensoreinrichtung offenbart, die umfasst: (a) eine Arbeitselektrode (WE) und eine Gegen-/Referenz-Elektrode (CRE), welche beide auf demselben planaren Substrat angeordnet und durch einen Abstand getrennt sind, der bewirkt, dass die WE-Kontamination durch Komponenten der CRE auf ein Minimum gebracht wird; (b) eine Elektrolytschicht (EL), die auf dem Substrat offenbart, die umfasst: (a) eine Arbeitselektrode (WE) und eine Gegen-/Referenz-Elektrode (CRE), welche beide auf demselben planaren Substrat angeordnet und durch einen Abstand getrennt sind, der bewirkt, dass die WE-Kontamination durch Komponenten der CRE auf ein Minimum gebracht wird; (b) eine Elektrolytschicht (EL), die auf dem Substrat ausgebildet ist und die WE einschließt; und (c) eine gasdurchlässige Membran (GPM), die auf der EL angeordnet ist, diese aber nicht einschließt, und über der WE positioniert ist, wobei sowohl die GPM und die EL Dimensionen und Anordnungen relativ zu der WE haben, so dass der Gasfluss zu der WE von einer flüssigen Probe in Kontakt mit der Einrichtung im Wesentlichen eine Funktion der Gasmenge ist, die durch die GPM hindurchtritt, und nicht von dem offenen Perimeter der darüber liegenden Anordnungen. Dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist besonders gut geeignet für Messungen, die in einer flüssigen Probe, einschließlich biologischer Strömungsmittel, beispielsweise Blut, genommen werden, bei denen eine Komponente der Flüssigkeit (beispielsweise der wässrige oder leitfähige Teil des Bluts) einen Niederimpedanzweg zwischen der WE und CRE liefern kann. In einem separaten Ausführungsbeispiel sind die WE und die CRE auf unterschiedlichen Substraten angeordnet.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoreinrichtung bereitgestellt, die besonders gut geeignet ist für Messungen, die in einer gasförmigen Probe, speziell einem „nassen" Gas, das heißt in einem Gas, das einen hohen Wassergehalt oder eine hohe Feuchtigkeit hat, genommen werden. In diesem Fall kann eine eingebaute elektrische Verbindung zwischen der WE und der CRE effektiv bereitgestellt werden. Folglich ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine mikrohergestellte Sensoreinrichtung offenbart, die umfasst: (a) ein planares Substrat; (b) eine Arbeitselektrode (WE) und eine Gegen-/Referenz-Elektrode (CRE), die auf dem Substrat angeordnet und durch einen horizontalen Abstand getrennt ist, der bewirkt, dass die WE-Kontamination durch Komponenten der CRE auf ein Minimum gebracht werden; (c) eine Elektrolytschicht (EL), die auf dem Substrat angeordnet ist und die WE einschließt; (d) eine leitfähige Schicht (CL), die auf dem Substrat angeordnet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der WE und der CRE bereitzustellen; und (e) eine gasdurchlässige Membran (GPM), die auf der EL angeordnet ist, die sie jedoch nicht umschließt, und über der WE positioniert ist, wobei sowohl die GPM als auch die EL Dimensionen und Anordnungen relativ zu der WE haben, so dass die Gasströmung zu der WE von einer Strömungsmittelprobe in Kontakt mit der Einrichtung eine Funktion der Gasmenge ist, die durch die GPM fließt. In einem anderen Ausführungsbeispiel dient die EL, die in elektrischem Kontakt mit der CRE ist, als CL.
  • Es ist auch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung- ein Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases in einer flüssigen Probe bereitzustellen. Beispielsweise in einem Sauerstoffiness-Ausführungsbeispiel, das amperometrische Verfahren verwendet, umfasst die vorliegende Erfindung: (a) Bereitstellen einer mikrohergestellten Sensoreinrichtung, wie sie beispielsweise oben beschrieben wurde; (b) Kontaktieren einer flüssigen Probe, die ein gelöstes Gas enthält, mit der Einrichtung, so dass die flüssige Probe einen niedrigen Impedanzweg zwischen der WE und der CRE bereitstellt; (c) Anlegen eines Potentials an die WE in Bezug auf die CRE, welches bewirkt, dass die Moleküle des Gases einer Reduktions/Oxidations-Reaktion an der WE unterzogen werden können; (d) Messen des Stromausgangs der Einrichtung; (e) Bestimmen der Konzentration des Gases. In einem anderen Sauerstoffmess-Ausführungsbeispiel umfasst das vorliegende Verfahren: (a) Bereitstellen einer mikrohergestellten Sensoreinrichtung mit einer CL, die einen elektrischen Kontakt zwischen der WE und der CRE herstellt; (b) Kontaktieren einer flüssigen Probe, die ein Gas enthält, mit der Einrichtung; (c) Anlegen eines Potentials an die WE in Bezug auf CRE, das bewirkt, dass die Moleküle des Gases einer Reduktions-/Oxidations-Reaktion an der WE unterworfen werden können; (d) Messen des Stromausganges der Einrichtung; und (e) Bestimmen der Konzentration des Gases. Wie früher erwähnt wurde, ist das letztere Ausführungsbeispiel besonders gut geeignet für eine Strömungsmittelprobe, die ein nasses Gas aufweist. In einem anderen Ausführungsbeispiel zur Messung von Kohlendioxid unter Verwendung von potentiometrischen Methoden weist die vorliegende Erfindung auf: (a) Bereitstellen einer mikrohergestellten Sensoreinrichtung, wie beispielsweise der oben beschriebenen; (b) Kontaktieren einer flüssigen Probe, die Kohlendioxidgas enthält, mit der Einrichtung, so dass die flüssige Probe einen Niedrigimpedanzweg zwischen der WE und der Referenz-Elektrode bereitstellt; (c) Messen der Potentialdifferenz zwischen der WE und der Referenz-Elektrode; und (d) Inbeziehungsetzen des gemessenen Potentials zu der Konzentration des Gases.
  • Noch ein weiteres Ziel der Erfindung bezieht sich auf die Messung der Konzentration eines Analyts (wie beispielsweise eines Gases) in einer flüssigen Probe durch Bereitstellen einer mikrohergestellten Sensoreinrichtung umfassend: (a) eine Arbeitselektrode (WE) und eine Gegen-/Referenz-Elektrode (CRE), die auf demselben planaren Substrat angeordnet sind, wobei die WE und die CRE im Wesentlichen in wenigstens einer Dimension (beispielsweise Dicke, Breite oder Tiefe) unterschiedlich sind; (b) wenigstens eine erste Schicht, die über der WE angeordnet ist, wobei die WE und die CRE durch einen Abstand getrennt sind, der bewirkt, dass die nachteiligen Effekte der im Wesentlichen unterschiedlichen Dimensionen auf die topologischen Merkmale der ersten Schicht minimiert werden. In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann solch eine Einrichtung ferner eine zweite Schicht (beispielsweise eine leitfähige Schicht) aufweisen, die über der ersten Schicht (beispielsweise einer Elektrolytschicht) angeordnet ist. Vorzugsweise wird die zweite Schicht über der WE positioniert, schließt jedoch die erste Schicht nicht ein. Obwohl der Abstand, der die Elektroden trennt, je nach dem Ausführungsbeispiel variieren kann, ist der Abstand wenigstens etwa 1 mm.
  • Andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann erkennbar, insbesondere nach Studium der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Insbesondere sollte ersichtlich sein, dass andere Gase, die eine Redox-Reaktion durchlaufen können (beispielsweise Stickoxide, Kohlenmonoxide, Hydrogensulfide und dergleichen) gemessen werden können, indem die amperometrischen Verfahren, die hier beschrieben werden, verwendet werden. Auch kann jedes Gas, welches eine pH-Änderung bei Lösung in Wasser erzeugen kann (beispielsweise Schwefeldioxid, Stickoxid, Stickstoffdioxid und dergleichen) durch die potentiometrischen Techniken gemessen werden können, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind. Andere Ziele, die dem Durchschnittsfachmann klar werden sollten, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Verfahren zur Herstellung von mikrohergestellten Sensoreinrichtungen der vorliegenden Erfindung und andere Verfahren der Verwendung, die sich darauf beziehen.
  • 4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt Stromspannungsdiagramme für die Sauerstoffreduktion an Gold in Abwesenheit (ausgezogene Linie A) und Anwesenheit (gestrichelte Linie B) von Silberkontamination.
  • 2A2I zeigen verschiedene Sensoranordnungen der vorliegenden Erfindung. In bestimmten Fällen ist eine leitfähige Schicht (CL), die einen elektrischen Kontakt zwischen der Arbeitselektrode (WE) und der Gegen-/Referenz-Elektrode (CRE) macht, in der Sensoranordnung eingeschlossen, was ermöglicht, dass die Sensoreinrichtung in einer Nassgasatmosphäre arbeiten kann. In Ausführungsbeispielen, die in den 2E und 2F gezeigt sind, funktioniert die Elektrolytschicht (EL) auch als CL. In Ausführungsbeispielen, die in den 2G2I gezeigt sind, kann die EL optional auch eine wässrige Elektrolytlösung sein. Es sollte beachtet werden, dass die Sensoreinrichtung der vorliegenden Erfindung effektiv arbeiten kann, ob die CRE proximal zu der WE positioniert ist oder auf einem Substrat angeordnet ist, das von dem Substrat getrennt ist, auf dem die WE angeordnet ist. Zusätzlich kann eine nackte CRE oder eine mit einer Overlay-Anordnung; wie die Referenz-Elektrode (RE), die in dem US-Patent Nr. 4,933,048 offenbart ist, in vorteilhafter Weise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die CRE und die RE austauschbar in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, wobei daran zu denken ist, dass eine Gegen-Elektrode bei einer amperometrischen, jedoch nicht bei einer potentiometrischen Messung erforderlich ist.
  • Als alternative Anordnung einer „offenen" Perimeteranordnung zeigt 2J eine Gold-Arbeitselektrode, über der als Overlay aufeinanderfolgende Schichten aus einem Elektrolyten und einer gasdurchlässigen Membran (GPM) angeordnet sind. Die GPM wird so ausgeführt, dass der offene Perimeter über der oberen Oberfläche des Sensors liegt, im Gegensatz zu den äußeren Rändern des Sensors.
  • 3A zeigt eine Einheitszelle eines potentiometrischen CO2-Sensors und eines amperometrischen Sauerstoffsensors, der neben einer Gegen-/Referenz-Elektrode 5 liegt.
  • 3B zeigt eine vergrößerte Darstellung eines O2-Sensors mit der Goldelektrode 2, der Polyimidschicht 3 (weiß), der Gelatine-Elektrolytschicht 4 und der GPM, gasdurchlässige Membran.
  • 5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Bei der Arbeit der gegenwärtigen Anmelder wurde beobachtet, dass eine Silber-Referenz-Elektrode, die durch ein Mikroherstellungsverfahren in einer Nachbarschaft zu einer Goldelektrode aufgebaut ist, die Kontamination der Goldoberfläche der Arbeitselektrode verursacht, wenn die Einrichtung in einer geschlossenen Anordnung betrieben wird. Siehe beispielsweise die Anordnung, die in 7B des US-Patents Nr. 5,200,051 gezeigt ist. Während die speziellen Dimensionen sich entsprechend den speziellen mikrohergestellten Einrichtungsanordnungen, einschließlich den Dimensionen der Arbeits- und Gegen-/Referenz-Elektroden selbst, ändern kann, bedeutet „nahe Nachbarschaft", dass die jeweiligen mikrohergestellten Elektroden im Allgemeinen innerhalb von etwa 1 mm voneinander in einer geschlossenen Struktur positioniert sind. Der Begriff „Gegen-/Referenz", wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, soll eine Elektrode beschreiben, die als Gegen-Elektrode, als Referenz-Elektrode oder für beides dienen kann.
  • Wie noch weiter in der folgenden Diskussion beschrieben wird, wurde herausgefunden, dass die Elektroden-Kontamination, die in den kleinen Abständen, die bei mikrohergestellten Einrichtungen eine Rolle spielen, besonders gravierend sind, effektiv durch Kombi nieren von Aspekten der Elektrodenkonfiguration, einschließlich der Beabstandung zwischen den Elektroden, und der Overlayer-Anordnung, einschließlich der Einbeziehung eines gewissen Maßes an „Offenheit" zu der Anordnung überwunden werden kann. Wie zu beachten sein sollte, ist das letztere Konzept konträr zu der allgemeinen Lehre des Standes der Technik. Sehr überraschenderweise waren die Anmelder in der Lage, jene Vorteile beizubehalten, die die Kennzeichnung der mikrohergestellten Einrichtungen waren, die durch eine Pionierleistung durch die Anmelder gefunden wurden, wie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5, 200,051 (Cozzette) beschrieben ist, einschließlich der Fähigkeit, eine gute Kontrolle über die Dimensionen und Dickenabmessungen der Komponenten des mikrohergestellten Sensors aufrecht zu erhalten. Diese Gesamt-Dimensionskontrolle erlaubt ihrerseits eine Kontrolle über das Sensoransprechverhalten und das „Befeuchtungs"-Verhalten, das notwendig ist, um vorhersehbare Sensorcharakteristiken zu verwirklichen, die in vorteilhafter Weise in den beschriebenen „Realzeit"- oder „Versorgungspunkt"-Strömungsmittelkomponenten-Analysen verwendet werden. Für zusätzliche Informationen über die Nutzung von mikrohergestellten Sensoren während der Feuchtigkeitsaufnahme wird der Laser auf die Offenbarung des US-Patents Nr. 5,112,455 (Cozzette) hingewiesen, das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen wird.
  • Wie oben erwähnt wurde, ist die Elektrodenkontamination ein signifikantes Problem, insbesondere bei Blutgasmessungen, die ein bestimmtes, anliegendes Arbeitselektrodenpotential relativ zu der Gegen-/Referenz-Elektrode benötigen. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Beschreibung eine Kombinations-Gegen-/Referenz-Elektrode verwendet. Es sollte jedoch für den Durchschnittsfachmann ersichtlich sein, dass auch getrennte Gegen- und Referenz-Elektroden benutzt werden können. Separate Elektroden können zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordern und führen zu Raumerwägungen, die bei der kombinierten Elektrode jedoch minimal sind.
  • 1 zeigt Strom-Spannungs-Diagramme der Sauerstoffreduktion an Gold in Abwesenheit (Kurve A) und Anwesenheit (Kurve B) von Silberkontamination. Zwei Standard-Analysetechniken werden verwendet, um die Natur der Kontamination zu bestätigen: (i) Auger-Spektroskopie, um speziell die Anwesenheit von Silber auf der Goldoberfläche zu identifizieren, und (ii) elektrochemische Stripping-Analyse, um das Maß der Silberkontamination zu quantifizieren.
  • Eine „Elektrolytschicht" ist jegliches hydrierbares Material, das Ionen und kleine Moleküle in einer Schutzumgebung aufnehmen können. In einem bevorzugten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung besteht die Elektrolytschicht aus photoformbaren, eiweißartigen Materialien, aus filmbildenden Latexmaterialien und dergleichen, wie in dem US-Patent Nr. 5,200,051 offenbart ist.
  • In einer geschlossenen Anordnung sind jegliche Silberionen, die von der Anode abgehen, auf die Elektrolytschicht eingeschränkt. Bei früher bekannten, geschlossenen, mikrohergestellten Anordnungen (siehe beispielsweise Butler, oben) ist gewöhnlich eine Potentialdifferenz von etwa 0,6 V zwischen der Anode und der Kathode vorhanden. Diese Elektroden sind darüber hinaus durch nur einige Mikron voneinander getrennt. Unter diesen Umständen sind Silberionen, die in einer dünnen, eingeschlossenen Elektrolytschicht konzentriert sind, einem hohen Feld ausgesetzt, möglicherweise 104–105 Vm–1. Folglich bewegen sich positive geladene Silberionen in Richtung auf die negativ gepolte Goldelektrode. Dieser Prozess kann die Geschwindigkeit der Silberkontamination wie üblich über das Maß erhöhen, das von einer Diffusion herrührt.
  • Ferner wurde ebenfalls gefunden, dass eine zufällige Silberkontamination von Gold manchmal während der Planarisierung dieser Metalle auftreten kann, um mikrohergestellte Elektrodenanordnungen zu bilden, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Aus diesem Grund kann es bevorzugt sein, die WE und die CRE auf unterschiedlichen Wafern herzustellen.
  • Bevor weiter fortgefahren wird, sollte darauf hingewiesen werden, dass einer der hervorragenden Vorteile der Clark-Sauerstoffelektrode und der Severinghaus-Kohlendioxidelektrode (siehe J. Applied Physiologie (1958)13: 515), die beide geschlossene Anordnungen sind, darin besteht, dass sie gleichermaßen gut sowohl mit Gasen als auch mit Flüssigkeiten arbeiten. Bei kommerziell erhältlichen Blutgasanalysatoren ist diese Fähigkeit ein wesentliches Merkmal, weil die Kalibrierung gewöhnlich mit feuchten Gasen durchgeführt wird, die von Zylindern geliefert werden. Bei den Einrichtungen mit einmalig verwendbarer Kartusche, die in dem US-Patent Nr. 5,096,669 beschrieben sind, deren Beschreibung in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird, war jedoch die Verwendung von wässrigen Kalibrierungsströmungsmitteln statt einem feuchten Gas bevorzugt. Von den dort beschriebenen und verschiedenen Elektrodenanordnungen ist ersichtlich, dass einige für die Kalibrierung mit einer Flüssigkeit ausgelegt sind, während andere entweder mit einer Flüssigkeit oder einem feuchten Gas kalibriert werden können.
  • Die Anmelder haben ebenfalls überraschenderweise entdeckt, dass offene Arbeitselektrodenanordnungen, wie beispielsweise die, die in den 2A2G gezeigt sind, in vorteilhafterWeise mit einer Remote-Referenz-Elektrode betrieben werden können, die entweder eine „blanke" Silber-Silber-Chloridelektrode oder eine aus Schichten aufgebaute Einrichtung ist wie die, die in dem US-Patent Nr. 4,933,048 (Lauks) beschrieben ist, deren Beschreibung in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Wie oben erwähnt wurde, erfordern es einige Ausführungsbeispiele, dass das Kalibrierungsmittel oder die Probe ein durchgehend gleitfähiges Segment (das heißt, eine leitfähige Schicht) zwischen den zwei Elektroden bereitstellen. Diese Verbindung liefert den Niedrigimpedanzpfad, der notwendig ist, um die elektrochemischen Prozesse zu unterstützen, die an der Arbeitselektrode (WE) und der Gegen-/Referenz-Elektrode (CRE) auftreten. Folglich ist in der vorliegenden Erfindung eine „leitfähige Schicht" jedes Material, das solch einen Niedrigimpedanzpfad liefern kann. Typischerweise kann die CL aus leitfähigen Polymeren oder anderen Materialien bestehen, wie in der US-Patentschrift Nr. 5,200,051 beschrieben ist. In einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient die EL auch als CL. Darüber hinaus kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die CL ferner ein Dotierungsmittel enthalten, beispielsweise Halogenide, Nitrate, Phosphate, Sulfate und dergleichen.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Messung von Sauerstoff ist die Kathode als WE ausgewählt, wo die Reduktion der Sauerstoffmoleküle stattfindet, und die Anode ist als CRE ausgewählt, wo die Oxidation des Silbers stattfindet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine Sensoreinrichtung bereitgestellt, die die Sauerstoffkonzentration in einer Probe messen kann und bei der die Vorteile einer mikrohergestellten Elektrode, einschließlich einer schnellen Befeuchtungszunahme aus einem trockengespeicherten Zustand, ein kleiner Strom, vorhersehbare Charakteristiken und dergleichen, in Kombination vorhanden sind. Zur gleichen Zeit besitzt die vorliegende Erfindung die erwünschten Aspekte von Standard-nichtmikrohergestellten Einrichtungen, einschließlich Signalstabilität, die aus einer minimalen Kreuz-Kontamination zwischen Elektrodenkomponenten resultiert.
  • Es ist wichtig festzustellen, dass die vorliegende Erfindung in einer großen Vielzahl von Anwendungen zusätzlich zu Sauerstoffmessungen verwendet werden kann. Tatsächlich können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf beliebige, ebene, mikrohergestellte Einrichtungen angewendet werden, bei denen eine Silberkontamination von einer anderen Elektrodenoberfläche potentiell auftreten kann. Beispielsweise ist sie anwendbar auf eine Einrichtung, bei der Kohlendioxid mit einem Chinhydron-Element an einer Goldelektrode gemessen wird, und die Referenz-Elektrode Silber-Silber-Chlorid ist. Siehe beispielsweise Van Kempen et al., Respir. Physiol. (1972)14: 366 und die Diskussionen in dem Artikel von Hahn, C. E. W. J. Phys. E: Sci. Instrum, (1980)13: 470–482.
  • Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung auch auf bestimmte Herstellungsfragestellungen gerichtet, die mit einer CRE zusammenhängen, die in der in 7B der US-Patentschrift Nr. 5,200,051 gezeigten Weise hergestellt ist, in der die Geometrie die Zuverlässig und Reproduzierbarkeit der Elektrode und der gasdurchlässigen Schichten nachteilig beeinflussen kann, wenn diese Schichten unter Verwendung von Mikroherstellungsverfahren aufgebaut werden, die hier beschrieben sind. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass topographische Merkmale auf Silicumwafern die Reproduzierbarkeiten der Dickengleichförmigkeit von aufgesprühten Schichten, wie sie oben beschrieben sind.
  • Insbesondere können ungleiche Geometrien und Größen von darunter liegenden Strukturen die Konturen von darüber liegenden Schichten, die durch Mikroherstellungstechniken (beispielsweise Spin-Beschichtung, Sputtern, Abscheidung aus der Dampfphase und dergleichen) aufgebaut sind, nachteilig beeinflussen, so dass die Gesamt-Topologie der kombinierten Strukturen verändert wird. Beispielsweise kann ein Paar von Elektroden „wesentlich unterschiedlich" in einer Dimension (d. h. ein Unterschied in wenigstens einem Faktor von etwa 2 bis etwa 50), beispielsweise der Dicke, sein. So kann die Arbeitselektrode ein Drittel (1/3) der Dicke der Referenz- oder Gegen-Elektrode haben, wie beispielsweise in 2A hierin gezeigt ist. Wenn beide Strukturen von einem Elektolyten umgeben sein müssten, einem gasdurchlässigen oder einer anderen darüber liegenden Schicht, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Oberfläche der Overlayschicht aufgrund der Unterschiede in der Dicke der übereinanderliegenden Elektrodenstrukturen ungleichmäßig (d. h. sie kann Hügel und Täler enthalten – die „nachteiligen Effekte") eingestellt sein. Wie in 2A zu ersehen ist, kann die Trennung der Elektroden und der Aufbau der EL- und der GPM-Schichten (in einer „offenen" An und Weise), jedoch wieder eine Verfeinerung bringen, indem man eine größere Kontrolle über die resultierenden Dicken und Geometrien der fertigen Gesamtstrukturen hat. Gleichzeitig wird der elektrische Kontakt zwischen dem Elektrodenpaar durch die „offene" Struktur aufrecht erhalten.
  • Folglich ist die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zum Aufbau der Overlaystrukturen in einer viel besser vorhersagbaren, kontrollierten Weise gerichtet, indem die Arbeitselektrode von der Gegen-/Referenz-Elektrode getrennt wird, so dass die Overlaystrukturen nur über einer der Elektroden aufgebaut werden können, insbesondere, wenn das Paar der Elektroden im Wesentlichen unterschiedliche Größen hat (in einer oder allen drei Dimensionen, insbesondere der Dicke). Der erforderliche Abstand, der die zwei Elektroden trennt, kann selbstverständlich je nach den Dimensionen der Elektroden selbst variieren. (Beispielsweise kann die CRE eine Dicke von etwa 1 bis etwa 5 μm haben, während die WE eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5 μm haben kann). Ein Durchschnittsfachmann kann jedoch leicht den erforderlichen Mindestabstand bestimmen, indem er systematisch den Abstand vergrößert und die daraus folgenden Effekte auf die Topologie der Overlayschichten beobachtet. Im vorliegenden Fall ist dieser Abstand näherungsweise gleich dem Abstand, der erforderlich ist, um eine Kreuz-Kontaminierung zwischen den Arbeits- und Gegen-/Referenz-Elektroden zu minimieren. Eine Standardausrüstung zum Profilieren oder Bestimmen der Dickenschwankungen der Schichten auf Siliciumsubstraten sind geeignet, um die Überprüfungen der hier offenbarten An durchzuführen. Solch eine Ausrüstung ist dem Durchschnittsfachmann für die Mikroherstellung bekannt.
  • Ferner ist die Erfindung nicht nur auf die Silberkontamination einer angrenzenden Elektrodenoberfläche beschränkt, sondern bezieht sich auf jegliche chemische Spezies, die an einer Gegen- oder Referenz-Elektrode auftritt, die eine nachteilige oder unerwünschte, elektrochemische Eigenschaft oder einen derartigen Effekt auf der Arbeitselektrode verursachen kann. Beispielsweise eliminiert die vorliegende Erfindung eine Quecksilberkontamination, die sich aus einer Calomel-Typ-Elektrode oder einer Spezies, sowohl metallisch als auch organisch, deren Transport zu der Arbeitselektrode durch die Anordnung einer gasdurchlässigen Membran gefördert wird.
  • Neben den bereits erwähnten Vorteilen ermöglicht es die vorliegende Erfindung auch, dass, wenn erwünscht, eine einzige Referenz-Elektrode mit einer Vielzahl von (d. h. mehr als eine) Arbeitselektrode verwendet wird. Im Gegensatz dazu benötigt jede Arbeitselektrode einer eingeschlossenen Anordnung ihre eigene Referenz-Elektrode, die hinter der gasdurchlässigen Membran positioniert ist. Es sollte verständlich sein, dass mit „gasdurchlässige Membran" oder GPM eine semipermeable Membran gemeint ist, die die Eigenschaft hat, dass sie im Wesentlichen alle molekularen Spezies ausschließt, die die Membran nicht in der Gasphase überqueren können. Die Membran ist für typische Gase, beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid, durchlässig. Solche GPMs können Materialien umfassen, die in dem US-Patent Nr. 5,200,051 und in dem US-Patent Nr. 4,933,048 offenbart sind. Vorzugsweise ist die GPM aus einem Silicon-Blockcopolymer hergestellt. Eine mehr detaillierte Beschreibung des Verfahrens zum Aufbau der GPM kann in den folgenden Beispielen und in der Offenbarung der oben erwähnten Patente gefunden werden.
  • Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung über die früher bekannten Strukturen besteht darin, dass, während nur eine endliche Menge von Ionen, beispielsweise Chlorid, in der geschlossenen Struktur zur Verfügung steht, um die Referenz-Elektrodenreaktion zu unterstützen, die offene Struktur es ermöglicht, dass die Einrichtung Ionen von jenseits der unmittelbaren Umgebung der Elektrode erfasst, d. h. von dem umgebenden Medium, beispielsweise dem Kalibrierungsströmungsmittel oder der Probe. Es wurde überraschenderweise auch gefunden, dass eine offene Struktur es ermöglicht, dass die WEund CRE-Komponenten der mikrohergestellten Einrichtung näher beieinander liegen können als es normalerweise in einer geschlossenen Struktur zulässig wäre. Obwohl die Anmelder nicht durch eine Theorie eingeschränkt werden möchten, besteht die Auffassung, dass, ebenso wie eine offene Struktur es zulässt, dass die Einrichtung Chloridionen von dem umgebenden Medium „einfangen", wie die offene Struktur ebenfalls es ermöglicht, dass Silberionen aus der Einrichtung zu dem Medium austreten können. Die Silberionen in einer geschlossenen Struktur stünden normalerweise eher zur Verfügung oder sind dazu geeignet, eine angrenzende Elektrode zu kontaminieren.
  • Folglich kann, wie oben erwähnt wurde, die offene Struktur der vorliegenden Erfindung in einer exponierten Standardelektrode oder einer blanken, Silber-Silber-Chlorid-Referenz-Elektrode (siehe beispielsweise 2A) oder der Referenz-Elektrode des US-Patents Nr. 4,933,048 (siehe beispielsweise 2B) verwendet werden. Ein wichtiges Merkmal der offenen Struktur ist es, dass die Architektur der gasdurchlässigen Membran (GPM) einschließlich der verwendeten Materialien, ihrer Dimensionen (beispielsweise Oberflächenbereich und Dicke) und ihrer Positionierung relativ zu der WE so ist, dass die GPM immer noch den Fluss von Gasen zu der WE (in diesem Fall der Kathode) kontrolliert, trotz der Tatsache, dass die GPM die WE nicht vollständig einschließt. So sollte im Allgemeinen die Überlappung der gasdurchlässigen Membranschicht über den Umfang der WE selbst ein Vielfaches des Radius der WE sein. Beispielsweise ist es bei einer 10 μm Radiusgoldelektrode bevorzugt, dass die Elektrolytschicht durch ein Overlay mit einer gasdurchlässigen Schicht bedeckt ist, die sich etwa 50 μm über den Umfang der Goldelektrode hinaus erstreckt. Es wurde durch die vorliegenden Anmelder beobachtet, dass als Resultat der Gasfluss von dem „offenen" Umfang, der durch die Ebene der Elektrolytschicht zu der Kathode hindurchtritt, im Vergleich zu dem Fluss durch die GPM selbst vernachlässigbar ist. Es ist bekannt, dass der Fluss eines Moleküls durch ein beliebiges, vorgegebenes Material eine Funktion der Löslichkeit des Moleküls und des Diffusionskoeffizienten und auch der Querschnittsfläche und der Länge des Materials ist. Daher kann die grundlegende Lehre darin bestehen, dass der Weg, den ein gelöstes Gas von der offenen Umgebung zu der Elektrodenfläche nehmen könnte, lang gegenüber dem Weg gemacht wird, den das gelöste Gas von der GPM zu der Elektrodenoberfläche überquert. Für eine 1 μm dicke Gelatine-Elektrolytschicht ist eine Überlappung von 50 μm geeignet. Alternativ kann die Permeabilität der fotogebildeten Gelatineschicht mit Hilfe des Verhältnisses eines Quervernetzers (beispielsweise Bichromat) zu Gelatinefestkörpers in einer Mischung vor der Disposition und auch durch Dauer und die Temperatur eines Aushärtungsschrittes nach der Belichtung und Entwicklung gesteuert werden. Eine erhöhte Kreuzvernetzung, Dauer und Aushärtungstemperatur tragen alle zu einer Reduktion der Permeabilität des Gelatinefilms in Bezug auf Sauerstoff und andere Gase bei. Folglich kann die Überlappung der Elektrolytschicht über die Arbeitselektrode hinaus entsprechend reduziert werden, das heißt, auf etwas weniger als 50 μm, je nach dem Maß der Kreuzvernetzung, die durch die Menge des vorhandenen Benetzungsmittels und/oder die Aushärtungstemperatur und die Dauer davon beeinflusst wird. (Siehe beispielsweise Brinker, C. J. und Scherer, G. W., in „Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing" Academic Press, 1990.) Die Durchschnittsfachleute verstehen das Verfahren zur Berechnung der relativen Dimensionen, um sicherzustellen, dass der Fluss des Sauerstoffs durch die Ebene des Elektrolyten nicht einen vorgegebenen Prozentsatz übersteigt, beispielsweise 5%, 3%, 1% oder vorzugsweise 0,5% der Menge, die durch die gasdurchlässige Membran hindurchtritt. Die beobachteten Ausgangscharakteristiken sind überraschenderweise ähnlich zu denen einer geschlossenen Struktur und recht unähnlich zu denen der Nadellochelektrode des US-Patents Nr. 4,682,602 (Prohaska). Die Mikroherstellungsverfahren, die in dem US-Patent Nr. 5,200,051 offenbart sind, sind wiederum besonders vorteilhaft für die Steuerung der Dimensionen der speziellen Overlay-Strukturen.
  • Geeignete Sensorstrukturen, die auf demselben Siliciumchip hergestellt sind, sind in den 2A und 2B gezeigt. In den Dimensionen der speziellen Darstellungen ist der horizontale Abstand zwischen der Arbeitselektrode und der kombinierten Gegen-/Referenz-Elektrode größer als etwa 1 nun. Alternativ, jedoch weniger vorteilhaft, kann die CRE auf einem separaten Chip angeordnet sein.
  • Wenn die WE und Referenz-Elektroden der offenen Struktur auf dem gleichen Chip angeordnet sind, kann das Betriebserfordernis für eine leitfähige Flüssigkeit in einer Position, (d. h. in elektrischem Kontakt) zwischen ihnen dadurch überwunden werden, dass eine dünne leitfähige Schicht (CL) in elektrischer Verbindung mit den zwei Elektroden aufgebaut wird. Die Einrichtung mit der eingebauten CL kann nicht in einem feuchten Gas arbeiten. Die tatsächliche CL kann viele Formen annehmen. Beispielsweise ist eine fotogebildete, eiweißartige Schicht, beispielsweise Bichromat-Gelatine, die mit Salzen imprägniert ist und genügend Wasser absorbieren kann, um einen leitfähigen Pfad zu bilden, ein nützliches Ausführungsbeispiel. Ein zweites, gangbares Ausführungsbeispiel umfasst ein leitfähiges, organisches Polymer, welches in Anwesenheit von Wasser oder Sauerstoff stabil ist. Geeignete, leitfähige organische Polymere können beispielsweise Polyanilin, Polythiophen, Polypyrrol und dergleichen umfassen, die optional ein Dotierungsmittel enthalten, beispielsweise Iodid, Bortrifluorid und dergleichen.
  • In den 2C und 2D sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen eine leitfähige Schicht auf der Einrichtung aufgebaut ist. Eine partielle oder vollständige Überlappung ist praktisch. Alternativ kann die Elektrolytschicht ausgedehnt werden, so dass sie den Bereich zwischen den Elektroden der 2A und 2B überbrückt, wie in den 2E und 2F gezeigt ist.
  • Ein wichtiges Ausgangsbeispiel der vorliegenden Erfindung spricht das Problem an, dass eine EL in einer offenen Struktur eingebunden wird, bei der die EL aus einem Material bestehen kann, das nicht an der Oberfläche des Chips haftet, oder eines, welches sich auflöst, wenn es in direkten Kontakt mit einem wässrigen Medium gebracht wird. Die Funktionalität basiert auf der hervorragenden Haftung von GPM-Materialien, beispielsweise Silicium-Blockcopolymeren, wie sie in dem US-Patent Nr. 5,200,051 beschrieben sind, an Materialien, beispielsweise fotoformbaren Gelatinen (ein eiweißartiges Material), die ebenfalls in diesem Patent beschrieben sind. Folglich zeigen die 2G2I Strukturen, bei denen eine eiweißartige Schicht, beispielsweise eine fotogeformte, eiweißartige Schicht (PPL), zuerst um die Elektrode aufgebaut wird, bevor die EL, die in der PPL eingebettet ist, aufgebaut wird. Die GPM wird dann über der EL und wenigstens einem Teil der PPL aufgebaut. Eine geeignete PPL, die eine fotoformbare Fisch-Gelatine, die einen Fotoinitiator enthält, aufweist, kann von Norland Products, Inc., New Brunswick, New Jersey bezogen werden. Mehr bevorzugt ist die PPL eine Bichromat-Gelatine. Eine zusätzliche Diskussion davon und andere Materialien, die sich für diese Erfindung eignen, ist in dem US-Patent Nr. 5,200,051 (Cozzette) zu finden, wobei die speziellen Details für PPLs in dem Abschnitt 6.1.3 sind.
  • Der oben beschriebene Ansatz liefert strukturelle Stabilität und Integrität der Gesamt-Sensorkonfiguration, während sie eine große Flexibilität im Bereich der Komponenten ge stattet, die ausgewählt werden können, um die EL zu machen: So können selbst solche EL-Zusammensetzungen, die ein Durchschnittsfachmann nur mit nicht-mikrohergestellten Einrichtungen in Verbindung bringt, in denen die GPM durch einen O-Ring an ihrem Platz gehalten wird (wobei diese EL-Zusammensetzungen lösliche Komponenten, z. B. gelöste Zukker- oder Salzmittel enthalten) durch die offene Struktur der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
  • Schließlich zeigt 2J ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem der „offene" Perimeter der Sensoreinrichtung auf der oberen Oberfläche liegt. Nachdem die EL über der Goldelektrode aufgebaut ist, können somit die Verfahrensparameter geändert werden, um eine GPM oberhalb des Sensors und um die äußeren Ränder der EL herum aufzubauen, ohne dass die obere Oberfläche der EL vollständig eingeschlossen wird. Diese Verfahren sind ersichtlich aus der Beschreibung der Musterherstellung bei Siloxan-Nichtsiloxan-Copolymeren in dem US-Patent Nr. 5,200,051, die benutzt werden können, um die hier beschriebene GPM zu verarbeiten.
  • 6. Beispiele
  • 6.1. Sauerstoffsensor
  • Ein Siliciumwafer, das thermisch oxidiert ist, um eine Oberflächenschicht aus Siliciumdioxid (1) zu bilden, wird zuerst mit einer Schicht aus einer Titan-Wolfram-Legierung besputtert, gefolgt von einer Schicht aus Gold (2). Ein Standard-Fotolithographieverfahren wird verwendet, um die Metalle zur Musterbildung zu maskieren, um eine Einheitszellenstruktur übrig zu lassen, wie in 3A gezeigt ist. Polyimid (3, weiße Fläche) wird spin-beschichtet und dann fotogeformt auf dem Wafer, um die leitfähigen Linien zu passivieren und die freiliegende Elektrodenoberfläche zu definieren (vier kleine Kreise auf der inneren hufeisenförmigen Struktur von jeweils 10 μm Durchmesser), wie in 3A oder 3B gezeigt ist. Ein Vier-Inch-Siliciumwafer enthält näherungsweise dreihundert Einheitszellen.
  • Eine Schicht aus Bichromat-Fisch-Gelatine wird dann auf das Wafer spin-beschichtet, einer ultravioletten Strahlung durch eine Maske ausgesetzt und dann in Wasser entwickelt, um die Struktur (4, Dicke etwa 1 μm) übrig zu lassen, die in 3B gezeigt ist. Die Wafer werden dann in einem Ofen bei 120°C während einer Stunde gebacken. Schließlich wird ein Dimethylsiloxan-Bisphenol-A-Carbonatcopolymer (GPM, großer querschraffierter Kreis) mit einer Dicke von 1 μm über der Gelatineschicht aufgebaut und zu einem Muster in einer Art geformt, wie sie in dem Abschnitt 6.1.5 des US-Patents Nr. 5,200,051 beschrieben ist. Die
  • 3A oder 3B zeigt die endgültige Sauerstoffelektrodenstruktur mit Abmessungen, die einen erheblichen Sauerstofftransport zu der Elektrode durch die GPM sicherstellen. Ferner definieren die gestrichelten Linien von 3A die mögliche Breite eines Flüssigprobenkanals.
  • Die Nachbearbeitung des Sensors umfasst einen Schritt des Einweichens in einer wässrigen Pufferlösung (Borax-NaOH plus 50 mm NaCl ist geeignet).
  • Wie oben erwähnt wurde, kann die Sauerstoffelektrode mit einer blanken Silber-Silber-Chlorid-Elektrode betrieben werden, die auf demselben (beispielsweise 5) oder einem angrenzenden Siliciumchip hergestellt ist, oder mit einer Referenz-Elektrode betrieben werden, die in dem US-Patent Nr. 4,933,048 beschrieben ist.
  • Unter Verwendung des oben beschriebenen Sauerstoffsensors wird die Konzentration von Sauerstoff in einer Blutprobe dadurch festgestellt, dass zunächst die Blutprobe mit dem Sauerstoffsensor kontaktiert wird. Als Nächstes wird ein Potential an die Arbeitselektrode relativ zu der Gegen-/Referenz-Elektrode angelegt, was bewirkt, dass die Sauerstoffmoleküle an der Arbeitselektrode reduziert werden. Der Stromausgang der Einrichtung als Funktion der Sauerstofflconzentration wird dann gemessen und durch eine Standardkurve mit der Sauerstoffkonzentration in der Probe in Relation gebracht.
  • 6.2. Kohlendioxidsensor
  • Die Verarbeitung der Metall- und Polyimidschichten für einen Kohlendioxidsensor sind die Gleichen wie für den Sauerstoffsensor, der vorher beschrieben wurde. Die Verarbeitung der fotoformbaren Gelatineschicht ist ähnlich mit der Ausnahme, dass mit der Verwendung einer anderen Maske der Bereich direkt oberhalb der Goldelektrode während der Entwicklung entfernt wird (siehe beispielsweise 3A). Eine wässrige Mischung aus Natriumbicarbonat-Chinhydron, Natriumchlorid und Saccharose wird dann auf den Bereich direkt über der Goldelektrode abgegeben, wobei die Abgabeeinrichtung verwendet wird, die beispielsweise in dem Abschnitt 5.4 des US-Patents Nr. 5,200,051 beschrieben ist.
  • Eine Siliconschicht kann in derselben Weise aufgebaut werden, wie oben für den Sauerstoffsensor beschrieben wurde. Alternativ kann eine gasdurchlässige Schicht dadurch aufgebaut werden, dass das Membranmaterial abgegeben wird. In diesem Fall kann Polyvinylchlorid (PVC), das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist, als Alternative zu Silicon verwendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf eine Standardkurve des Potentials gegen die Kohlendioxidkon zentration wird die CO2-Konzentration in einer Blutprobe gemessen, nachdem die Probe mit dem oben beschriebenen CO2-Sensor kontaktiert wurde. Die potentiometrische Messung beruht auf einem Gleichgewicht von gelöstem Kohlendioxid, welches ein Gleichgewicht zur Bildung von Wasserstoffionen und Bicarbonationen bildet. Diese Ionen beeinflussen wiederum das Chinhydron-Potential, wie bereits von van Kempen, oben, beschrieben wurde.
  • Dieselben Alternativen für eine Referenz-Elektrode, die für den Sauerstoffsensor beschrieben wurde, sind für den Kohlendioxidsensor geeignet.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren der oben beschriebenen Beispiele in einer Wegwerf-Kartusche untergebracht, die in eine externe Leseeinrichtung eingesetzt wird, wie die, die in dem US-Patent Nr. 5,096,669 (Lauks) beschrieben ist, wobei die Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen wird.
  • Die vorstehenden Beispiele werden gegeben, um als eine Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu dienen, wobei die Erfindung nicht als auf diese beschränkt anzusehen ist, da andere Ausführungsbeispiele der Erfindung für den Durchschnittsfachmann nach der Begutachtung der Ziele der vorliegenden Erfindung in Kombination mit der hier gegebenen, detaillierten Beschreibung auf der Hand liegen.
  • Beispielsweise können die Verfahren zur Bestimmung der Gaskonzentration in einer unbekannten Flüssigkeit optional dadurch durchgeführt werden, dass die Sensoreinrichtung zuerst mit einer bekannten Probe kalibriert wird. Weitere Details zu der vorteilhaften Benutzung solcher Kalibrierungsströmungsmittel während der „Befeuchtung" der Einrichtung sind in der Offenbarung des US-Patents Nr. 5,112,455 zu finden, deren Offenbarung durch Bezugnahme einbezogen wird.

Claims (28)

  1. Mikrohergestellte Sensoreinrichtung zum Messen der Konzentration eines Gases in einer Probe, welches aufweist: (a) eine Arbeitselektrode (WE) und eine Gegen-/Referenzelektrode (CRE), welche beide auf dem selben oder auf getrennten Substraten angeordnet sind, wobei WE und CRE durch einen Abstand von mindestens etwa 1 mm voneinander getrennt sind; (b) eine Elektrolytschicht (EL), die auf dem Substrat ausgebildet ist und die WE umschließt; und (c) eine gasdurchlässige Membran (GDM), die auf der ES angeordnet ist, diese aber nicht einschließt, und über der WE angeordnet ist, wobei sowohl die GPM als auch die EL entsprechende Abmessungen und Konfigurationen relativ zur WE aufweisen, so dass der Gasdurchfluss zur WE von einer mit der Einrichtung in Kontakt stehenden Probe eine Funktion der Menge des Gases ist, welche durch die GPM fließt.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, welche ein planares Substrat aufweist, auf welchem die WE und die CRE angeordnet sind.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche eine leitfähige Schicht (CL) aufweist, die auf einem Substrat angeordnet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der WE und der CRE herzustellen.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher sich die EL in elektrischem Kontakt mit der CRE befindet und dadurch als CL dient.
  5. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Probe aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Luft, einem Gas, feuchter Luft, einem feuchten Gas oder einer Flüssigkeit besteht.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die WE Gold aufweist, die CRE Silber/Silber-Chlorid aufweist, wobei die EL eine photogeformte Gelatine aufweist, und wobei die GPM ein Silicon-Blockcopolymer aufweist.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die EL eine photogeformte Gelatine aufweist, deren Permeabilität für Gase durch ein erhöhtes Verhältnis zwischen Vemetzungsmittel und Gelatinefeststoffen verringert wurde.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die EL eine photogeformte Gelatine aufweist, deren Permeabilität für Gase durch einen verlängerten Backschritt bei erhöhten Temperaturen verringert wurde.
  9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die photogeformte Gelatine eine Stunde lang bei 120°C gebacken wurde.
  10. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die CL eine Schicht aus photogeformter Gelatine aufweist, welche hygroskopische Salze enthält.
  11. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die CL ein leitfähiges Polymer aufweist.
  12. Einrichtung nach Anspruch 11, bei welcher das leitfähige Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polypyrrol, Polythiophen und Polyanilin besteht.
  13. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das leitfähige Polymer weiters ein Dotierungsmittel, wie zum Beispiel ein Halogenid, Nitrat, Phosphat oder Sulfat, aufweist.
  14. Verfahren zum Messen der Konzentration eines Gases in einer Probe, wobei das Verfahren aufweist: (a) das Kontaktieren einer Probe, welche ein Gas enthält, mit der mikrohergestellten Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13; (b) das Anlegen einer Spannung an die WE im Hinblick auf die CRE, wodurch bewirkt wird, dass die Moleküle des Gases einer Reduktions-Oxidationsreaktion an der WE unterzogen werden; (c) das Messen des Stromausgangs des Geräts; und (d) das Bestimmen der Konzentration des Gases.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Konzentration des Gases durch den Vergleich des gemessenen Stromausgangs mit einer Standardkurve bestimmt wird, welche den Stromausgang in eine Beziehung zum Partialdruck eines Gases in einer Probe stellt.
  16. Verfahren zum Messen der Konzentration eines Gases in einer Probe, welches aufweist: (a) das Kontaktieren einer Probe, welche ein Gas enthält, mit einer mikrohergestellten Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13; (b) das Messen der Spannung zwischen der WE und der RE; und (c) das Bestimmen der Konzentration des Gases.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem die Konzentration des Gases durch Vergleichen des gemessenen Potentials mit einer Standardkurve bestimmt wird, welche die Spannung in eine Beziehung zum Partialdruck eines Gases in einer Probe stellt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, welches weiter das Kontaktieren der mikrohergestellten Sensoreinrichtung mit einem Kalibrierungsströmungsmittel aufweist, bevor oder nachdem das Gerät mit einer Probe in Kontakt gebracht wurde.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem es sich bei der Probe um eine flüssige Probe handelt, und wobei in Schritt (a) die flüssige Probe mit der Einrichtung in Kontakt gebracht wird, so dass die flüssige Probe einen Niederimpedanzpfad zwischen der WE und der CRE bildet.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem das Gas Sauerstoff ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem die Probe eine flüssige Probe ist, und wobei im Schritt (a) eine flüssige Probe mit der Einrichtung in Kontakt gebracht wird, so dass die flüssige Probe einen Niederimpedanzpfad zwischen der WE und der CRE bildet.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Gas Kohlendioxid ist.
  23. Mikrohergestellte Sensoreinrichtung zum Messen der Konzentration eines Analyts in einer flüssigen Probe, wobei das Messgerät aufweist: (a) eine Arbeitselektrode (WE) und eine Gegen-/Referenzelektrode (CRE), welche auf dem selben planaren Substrat angeordnet sind, wobei sich die WE und die CRE zumindest in einer Dimension wesentlich voneinander unterscheiden; (b) mindestens eine erste Schicht, die über der WE ausgebildet ist, wobei die WE und die CRE durch einen Abstand von mindestens etwa 1 mm voneinander getrennt sind.
  24. Einrichtung nach Anspruch 23, bei welcher der Analyt ein gelöstes Gas ist.
  25. Einrichtung nach Anspruch 23 oder 24, bei welcher die erste Schicht eine Elektrolytschicht aufweist.
  26. Einrichtung nach Anspruch 23 oder 24, welche weiters eine zweite Schicht aufweist, die über der ersten Schicht ausgebildet ist.
  27. Einrichtung nach Anspruch 26, bei welcher die zweite Schicht eine gasdurchlässige Schicht enthält, welche über der WE angeordnet ist, aber welche die erste Schicht nicht umschließt.
  28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei welcher die genannte Dimension die Dicke der Elektroden ist.
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