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1. Gebiet der Erfindung
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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.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Die Messung von Gaskonzentrationen,
insbesondere in Blut, ist der Gegenstand einer andauernden Entwicklung
in dem Gebiet der Gasanalyse.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das US-Patent Nr. 4,534,356 (Papadakis) zeigt
eine planare Herstellungsmethode für die Herstellung eines transcutanen
Festkörper-Blutgassensors,
der Elektrodenpaar benutzt.
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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.
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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.
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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 1–3 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.
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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.
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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.
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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.
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3. Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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4. Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
Stromspannungsdiagramme für die
Sauerstoffreduktion an Gold in Abwesenheit (ausgezogene Linie A)
und Anwesenheit (gestrichelte Linie B) von Silberkontamination.
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2A–2I 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 2G–2I 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.
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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.
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3A zeigt
eine Einheitszelle eines potentiometrischen CO2-Sensors
und eines amperometrischen Sauerstoffsensors, der neben einer Gegen-/Referenz-Elektrode
5 liegt.
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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.
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5. Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Anmelder haben ebenfalls überraschenderweise
entdeckt, dass offene Arbeitselektrodenanordnungen, wie beispielsweise
die, die in den 2A–2G 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 2G–2I 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.
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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.
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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.
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6. Beispiele
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6.1. Sauerstoffsensor
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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.
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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
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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.
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Die Nachbearbeitung des Sensors umfasst einen
Schritt des Einweichens in einer wässrigen Pufferlösung (Borax-NaOH
plus 50 mm NaCl ist geeignet).
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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.
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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.
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6.2. Kohlendioxidsensor
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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.
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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.
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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.
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Dieselben Alternativen für eine Referenz-Elektrode,
die für
den Sauerstoffsensor beschrieben wurde, sind für den Kohlendioxidsensor geeignet.
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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.
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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.
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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.