DE60212895T2

DE60212895T2 - Biosensor

Info

Publication number: DE60212895T2
Application number: DE60212895T
Authority: DE
Inventors: Raghbir S. Indianapolis Bhuller; John T. Indianapolis Austera; Brian S. Avon Hill; Christopher D. Carmel Wilsey
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG; Roche Diagnostics GmbH
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG; Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-20
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2022-04-21
Also published as: CA2383031C; CA2383031A1; ATE332393T1; EP1253204B8; EP1253204B1; EP1253204A2; US20040206625A1; US6767440B1; JP2002340840A; US7479211B2; US20040144644A1; EP1253204A3; DE60212895D1; JP3854892B2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biosensor, insbesondere einen elektrochemischen Biosensor mit einer Hybridelektrode.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Elektrochemische Biosensoren sind bekannt. Sie werden verwendet, um die Konzentration verschiedener Analyten aus biologischen Proben, insbesondere aus Blut, zu bestimmen. Elektrochemische Biosensoren werden in den US-Patenten Nr. 5,413,690; 5,762,770; 5,798,031; 5,997,817 und WO99/58709 beschrieben. Eine Möglichkeit des Aufbauens von kleinen Elektrodenarrays wird in WO01/25775 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wie in den Ansprüchen 1 und 16 definiert werden ein elektrochemischer Biosensor und ein Verfahren zu dessen Ausbildung bereitgestellt. Der Biosensor umfaßt ein Elektrodenträgersubstrat mit kooperierenden Elektroden und sich von dort erstreckenden Leitungen, ein an das Elektrodenträgersubstrat gekoppeltes Sensorträgersubstrat, wobei das Sensorträgersubstrat so ausgebildet ist, daß es Kerben und eine Öffnung enthält, wobei mindestens ein Abschnitt jeder Kerbe auf eine Leitung ausgerichtet ist und die Öffnung von den Leitungen beabstandet ist, und elektrisch leitende Bahnen, die auf dem Sensorträgersubstrat positioniert sind. Jede Bahn erstreckt sich über eine der Kerben hinweg und in Eingriff mit einer Leitung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die ausführliche Beschreibung bezieht sich insbesondere auf die beiliegenden Figuren. Es zeigen:
1 eine auseinandergezogene Baugruppenansicht eines Biosensors gemäß der vorliegenden Erfindung, die den Biosensor zeigt, der ein Elektrodenträgersubstrat, mit Laser abgetragene Elektroden auf dem Elektrodenträgersubstrat, ein Sensorträgersubstrat, elektrisch leitende Bahnen, die so ausgebildet sind, daß sie auf dem Sensorträgersubstrat positioniert sind und in Eingriff mit den mit einem Laser abgetragenen Elektroden stehen, und ein Abdecksubstrat enthält;
2 eine durch die Linien 2-2 von 1 gezeigte Querschnittsansicht, die eine in den Biosensor eintretende flüssige Blutprobe zeigt;
3 eine auseinandergezogene Baugruppenansicht eines Biosensors gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine Draufsicht auf den Biosensor von 3.
5 eine auseinandergezogene Baugruppenansicht eines Biosensors gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
6 eine Querschnittsansicht durch die Linien 6-6 von 5.
7 eine Querschnittsansicht durch die Linien 7-7 von 5.
8 eine auseinandergezogene Baugruppenansicht eines Biosensors gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
9 eine Querschnittsansicht von 8.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biosensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Biosensors, wodurch ein Hersteller Flexibilität hinsichtlich Elektrodendesignvariation erhält. Der Biosensor verwendet einen High-end-Prozeß wie etwa Laserabtragung, um empfindliche Teile des Biosensors herzustellen, und verwendet zum Herstellen von Meßgerätekontakten einen Siebdruckprozeß. Durch einfaches Wechseln eines Sensorträgersubstrats und/oder eines Abdecksubstrats sowie des Elektrodenabtragmusters können somit aus dem gleichen Herstellungssystem mehrere Produkte hergestellt werden, um Marktbedürfnissen zu entsprechen. Verschiedene Aspekte der Erfindung sind in den 1–9 dargestellt, die nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und wobei gleiche Komponenten in den mehreren Ansichten gleich numeriert sind.
Die 1–2 veranschaulichen die Erfindung in Form eines Biosensors 10 mit einem Sensorträgersubstrat 12, einem Elektrodenträgersubstrat 14, einem auf dem Elektrodenträgersubstrat 14 positionierten ersten elektrischen Leiter 16, einem auf dem ersten Leiter 16 positionierten elektrochemischen Reagens 20, einer ersten elektrisch leitenden Bahn 60 und einen zweiten elektrisch leitenden Bahn 62, die sich jeweils über das Sensorträgersubstrat 12 erstrecken, und einem Abdecksubstrat 21. Der Biosensor 10 hat bevorzugt eine rechteckige Gestalt. Es versteht sich jedoch, daß der Biosensor 10 jede Anzahl von Gestalten gemäß dieser Offenbarung annehmen kann. Der Biosensor 10 wird bevorzugt aus Materialrollen hergestellt, doch versteht sich, daß der Biosensor 10 aus individuellen Folien gemäß dieser Offenbarung konstruiert werden kann. Somit macht die Auswahl von Materialien für die Konstruktion des Biosensors 10 die Verwendung von Materialien erforderlich, die ausreichend flexibel für eine Rollenverarbeitung sind, aber doch starr genug sind, damit der fertiggestellte Biosensor 10 eine geeignete Steifheit erhält.
Das Elektrodenträgersubstrat 14 ist in den 1 und 2 gezeigt und enthält eine dem Sensorträgersubstrat 12 zugewandte obere Oberfläche 40 und eine untere Oberfläche 42. Außerdem weist das Elektrodenträgersubstrat 14 gegenüberliegende Enden 44, 46 und gegenüberliegende Ränder 48, 50 auf, die sich zwischen den Enden 44, 46 erstrecken. Der Rand 48 enthält eine darin ausgebildete Kerbe 49. Die Kerbe 49 wird von Grenzen 51, 53, 55 definiert. Außerdem erstreckt sich eine Lüftungsöffnung 57 zwischen der oberen und unteren Oberfläche 40, 42. Die Lüftungsöffnung 57 kann eine große Vielfalt von Gestalten und Größen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen. Das Elektrodenträgersubstrat 14 ist im allgemeinen von rechteckiger Gestalt, doch versteht sich, daß der Träger in einer Vielfalt von Gestalten und Größen ausgebildet sein kann und die Kerbe 49 an einer Vielfalt von Stellen gemäß dieser Offenbarung positioniert sein kann. Das Elektrodenträgersubstrat 14 ist aus einem flexiblen Polymer und bevorzugt aus einem Polymer wie etwa Polyester oder Polyimid, Polyethylennaphthalat (PEN) ausgebildet. Ein nicht-einschränkendes Beispiel für ein geeignetes PEN ist 12,7·10^–3 cm (5[illegible]) dickes KALADEX^®, ein PEN-Film, der im Handel von E. I. DuPont de Nemours, Wilmington, Delaware, USA, erhältlich ist, der mit Gold von ROWO Coating, Herbolzheim, Deutschland, beschichtet ist.
Der elektrische Leiter 16 ist auf der oberen Oberfläche 40 des Elektrodenträgersubstrats 14 erzeugt oder isoliert. Zu nicht-einschränkenden Beispielen für einen geeigneten elektrischen Leiter 16 zählen Aluminium, Kohlenstoff (wie etwa Graphit), Kobalt, Kupfer, Gallium, Gold, Indium, Iridium, Eisen, Blei, Magnesium, Quecksilber (als ein Amalgam), Nickel, Niob, Osmium, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Selenium, Silizium (wie etwa stark dotiertes polykristallines Silizium), Silber, Tantal, Zinn, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Zink, Zirkonium, Mischungen davon und Legierungen, Oxide oder metallische Verbindungen dieser Elemente. Bevorzugt ist der elektrische Leiter 16 unter den folgenden Materialien ausgewählt: Gold, Platin, Palladium, Iridium oder Legierungen dieser Metalle, da solche Edelmetalle und ihre Legierungen in biologischen Systemen nicht reagieren. Ganz besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter 16 Gold.
Der Leiter 16 wird durch Laserabtragung unterbrochen, um auf dem Elektrodenträgersubstrat 14 Elektroden 52, 54 zu erzeugen, die von dem Rest der elektrisch leitenden Oberfläche isoliert sind. Techniken zum Ausbilden von Elektroden auf einer Oberfläche unter Verwendung von Laserabtragung sind bekannt. Siehe beispielsweise WO01/25775. Bevorzugt werden die Elektroden 52, 54 hergestellt, indem der elektrische Leiter 16 aus einem Bereich entfernt wird, der sich um die Elektroden herum erstreckt.
Deshalb sind Elektroden 52, 54 von dem Rest des elektrisch leitenden Materials auf dem Elektrodenträgersubstrat 14 durch einen Spalt mit einer Breite von etwa 25 μm bis etwa 500 μm isoliert, bevorzugt weist der Spalt eine Breite von etwa 100 μm bis etwa 200 μm auf. Alternativ versteht sich, daß Elektroden 52, 54 ausschließlich durch Laserabtragung auf dem Elektrodenträgersubstrat 14 hergestellt werden können. Es versteht sich, daß Laserabtragung zwar wegen seiner Präzision und Empfindlichkeit das bevorzugte Verfahren für das Ausbilden der Elektroden 52, 54 ist, gemäß dieser Offenbarung andere Techniken wie etwa Laminierung, Siebdruck oder Fotolithographie verwendet werden können.
Die Elektroden 52, 54 definieren in Kooperation miteinander ein Elektrodenarray 56 und Leitungen 58, 59, die sich von dem Array 56 weg erstrecken. Wie in 1 gezeigt erstrecken sich Leitungen 58, 59 von dem Array 56 zu jeweiligen Kontaktpads 61, 63. Die Kontaktpads 61, 63 befinden sich an jeweiligen Rändern 48, 50. Es versteht sich, daß das Array 56 und die Kontaktpads 61, 63 eine Vielfalt von Gestalten und Größen aufweisen können und die Leitungen 58, 59 mit vielen Längen ausgebildet sein können und sich zu einer Vielfalt von Stellen erstrecken, so daß sich die Kontaktpads 61, 63 auf dem Elektrodenträgersubstrat 14 befinden können.
Anordnungen mit einem Mehrfachelektrodensatz sind gemäß dieser Offenbarung ebenfalls möglich. Es versteht sich, daß die Anzahl der Elektroden sowie der Abstand zwischen den Elektroden gemäß dieser Offenbarung variieren können und daß eine Reihe von Arrays ausgebildet werden kann (8–9), wie der Fachmann versteht.
Das Sensorträgersubstrat 12 des Biosensors 10 enthält eine erste Oberfläche 22 und eine dem Elektrodenträgersubstrat 14 zugewandte gegenüberliegende zweite Oberfläche 24. Siehe 1 und 2. Außerdem weist das Sensorträgersubstrat 12 gegenüberliegende Enden 26, 28 und Ränder 30, 32 auf, die sich zwischen den Enden 26, 28 erstrecken. Eine Öffnung 34 erstreckt sich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 22, 24, wie in 1 gezeigt. Außerdem sind Kerben 36, 38 in jeweiligen Rändern 30, 32 ausgebildet, die von der Öffnung 34 beabstandet sind. Wie in 1 gezeigt, wird die Öffnung 34 von Grenzen 78, 80, 82 und Verjüngungen 83 definiert, die sich zwischen dem Rand 30 und den Grenzen 78, 82 erstrecken. Außerdem werden die Kerben 36, 38 jeweils von Grenzen 84, 86, 88 definiert.
Wenn das Sensorträgersubstrat 12 an das Elektrodenträgersubstrat 14 gekoppelt ist, sind die Verjüngungen 83 im allgemeinen auf die Grenzen 51, 55 des Elektrodenträgersubstrats 14 so ausgerichtet, daß die Öffnung 34 das Elektrodenarray 56 und das Reagens 20 freilegt. Außerdem sind die Kerben 36, 38 im allgemeinen auf Kontaktpads 61, 63 der Elektroden 52, 54 ausgerichtet. Es versteht sich, daß sich die Kerben 36, 38 an einer Reihe von Stellen befinden können und in einer Vielfalt von Gestalten und Größen in dem Sensorträgersubstrat 12 gemäß dieser Offenbarung ausgebildet sein können. Es versteht sich außerdem, daß das Sensorträgersubstrat 12 gemäß dieser Offenbarung ohne Kerben ausgebildet sein kann, solange die Bahnen 60, 62 mit den Elektroden 52, 54 in elektrischer Kommunikation stehen. Das Sensorträgersubstrat 12 ist aus einem flexiblen Polymer und bevorzugt aus einem Polymer wie etwa Polyester ausgebildet. Ein nicht-einschränkendes Beispiel für ein geeignetes Polymer ist 17,8·10^–3 cm ([illegible]) dicker ST505-MELINEX^®-Polyesterfilm, der im Handel von E. I. DuPont de Nemours Wilmington, Delaware, USA, erhältlich ist.
Außerdem, wenn auch nicht dargestellt, ist die Oberfläche 24 des Sensorträgersubstrats 12 mit einem Kleber beschichtet. Bevorzugt ist das Sensorträgersubstrat 12 über einen duroplastischen Kleber mit dem Elektrodenträgersubstrat 14 gekoppelt. Ein nicht-einschränkendes Beispiel für einen derartigen Kleber ist eine Mischung aus Artikel #38-8569 (5 Gew.-% Isocyanat) und Artikel #38-8668 (95 Gew.-% Polyurethan), beide im Handel erhältlich von National Starch & Chemical, einem Mitglied von ICI Group, Bridgewater, NJ, USA. Es versteht sich, daß das Substrat gemäß dieser Offenbarung unter Verwendung einer großen Vielfalt von im Handel erhältlichen Klebern oder durch Schweißen (Hitze oder Ultraschall) an das Elektrodenträgersubstrat 14 gekoppelt werden kann. Es versteht sich außerdem, daß die erste Oberfläche 22 des Sensorträgersubstrats 12 beispielsweise mit einer Produktetikettierung oder Anweisungen zur Verwendung gemäß dieser Offenbarung bedruckt werden kann. Wieder unter Bezugnahme auf 1 sind eine erste und zweite Bahn 60, 62 so ausgebildet, um auf der ersten Oberfläche 22 des Sensorträgersubstrats 12 positioniert zu sein. Die Bahnen 60, 62 verlaufen jeweils vom Ende 28 und über eine der Kerben 36, 38. Während Bahn 60, Kerbe 38 und Elektrode 54 weiter unten erörtert werden, versteht sich, daß die Beschreibung, soweit nichts anderes angegeben, auch für Bahn 62, Kerbe 36 und Elektrode 52 gilt. Die Bahn 60 enthält eine erste Schicht 64 und eine zweite Schicht 66. Bevorzugt enthält die erste Schicht 64 gegenüberliegende Enden 90, 92 und Ränder 94, 96, die sich zwischen den Enden 90, 92 erstrecken. Wie in 1 und 2 gezeigt erstreckt sich bei Montage des Biosensors ein Abschnitt 98 der ersten Schicht 64 von der ersten Oberfläche 22 des Sensorträgersubstrats 12 hinunter bis in die Kerbe 38 und nimmt die Elektrode 54 in Eingriff. Auf diese Weise steht die erste Schicht 64 mit den Elektroden 52, 54 des Elektrodenträgersubstrats 14 in elektrischer Kommunikation. Die zweite Schicht 66 von Bahnen 60 enthält gegenüberliegende Enden 100, 102 und Ränder 104, 106, die sich zwischen den Enden 100, 102 erstrecken. Außerdem ist ein Abschnitt 108 der zweiten Schicht 66 auf den Abschnitt 98 der ersten Schicht 64 ausgerichtet. Somit steht die zweite Schicht 66 bei Montage des Biosensors 10 mit den Elektroden 52, 54 über die erste Schicht 64 in elektrischem Kontakt.
Die Bahnen 60, 62 werden bevorzugt über Siebdruck auf das Sensorträgersubstrat 12 aufgebracht. Das Verfahren zum Ausbilden der Bahnen 60, 62 ist jedoch nicht beschränkt. Während ein direkter Kontakt zwischen Bahn 60 und Elektrode 54 dargestellt und beschrieben ist, versteht sich, daß Bahn 60 und Elektrode 54 möglicherweise nicht miteinander in direktem Kontakt stehen, solange eine elektrische Verbindung zwischen den beiden vorliegt, zum Beispiel über Durchgangslöcher oder andere Verfahren, die der Fachmann kennt.
Zu nicht-einschränkenden Beispielen für geeignete elektrische Leiter für die erste und zweite Schicht 64, 66 zählen Aluminium, Kohlenstoff (wie etwa Graphit), Kobalt, Kupfer, Gallium, Gold, Indium, Iridium, Eisen, Blei, Magnesium, Quecksilber (als ein Amalgam), Nickel, Niob, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Selenium, Silizium (wie etwa stark dotiertes polykristallines Silizium), Silber, Tantal, Zinn, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Zink, Zirkonium, Mischungen davon und Legierungen, Oxide oder metallische Verbindungen dieser Elemente. Bevorzugt ist die erste Schicht 64 Silbertinte, ein nicht-einschränkendes Beispiel dieser ist ELECTRODAG^® 427ss, im Handel erhältlich von Acheson Colloids Company, Port Huron, MI, USA. Die zweite Schicht 66 ist bevorzugt eine Kohlenstofftinte, ein nicht-einschränkendes Beispiel dieser ist eine leitende über Siebdruck druckbare Tinte von feinteiligen Graphitteilchen, die in einem thermoplastischen Harz dispergiert sind, wie etwa ELECTRODAG^® 423ss oder ELECTRODAG^® PM-003A, beide im Handel erhältlich von Acheson Colloids Company, Port Huron, MI, USA.
Das Abdecksubstrat 21 ist an die erste Oberfläche 22 des Sensorträgersubstrats 12 gekoppelt. Das Abdecksubstrat 21 enthält eine erste Oberfläche 23 und eine zweite Oberfläche 25, dem Sensorträgersubstrat 12 zugewandt. Außerdem enthält das Abdecksubstrat 21 gegenüberliegende Enden 27, 29 und Ränder 31, 33, die sich zwischen den Enden 27, 29 erstrecken. Der Rand 31 enthält eine Kerbe 35. Die Kerbe 35 wird von Grenzen 37, 39, 41 definiert. Wenn der Biosensor 10 montiert ist, arbeitet das Abdecksubstrat 21 mit den Grenzen 78, 80, 82 von Öffnung und Sensorträgersubstrat 12 zusammen, um einen Kapillarkanal zu definieren.
Das Abdecksubstrat 21 ist allgemein von rechteckiger Gestalt, doch versteht sich, daß das Abdecksubstrat gemäß dieser Offenbarung in einer Vielfalt von Gestalten und Größen ausgebildet sein kann. Das Abdecksubstrat 21 ist aus einem flexiblen Polymer und bevorzugt einem Polymer wie etwa einem Polyester oder Polyimid ausgebildet. Ein nicht-einschränkendes Beispiel für ein geeignetes Polymer ist 7,6·10^–3 cm (3[illegible]) dickes klares MELINEX ST-505, beschichtet mit einem schnell bindenden duroplastischen Kleber Artikel 30NF von 3 M. Dieser Kleber wird mit 7 Gew.-% behandelt (Triton X-100 Detergens).
Ein elektrochemisches Reagens 20 ist auf dem Array 56 positioniert. Das Reagens 20 liefert elektrochemische Sonden für spezifische Analyte. Die Wahl des spezifischen Reagens 20 hängt von dem oder den zu messenden spezifischen Analyten ab und sind dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt. Ein Beispiel für ein Reagens, das in dem Biosensor 10 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist ein Reagens zum Messen von Glucose einer Vollblutprobe. Ein nicht-einschränkendes Beispiel für ein Reagens zur Messung von Glucose in einer menschlichen Blutprobe enthält 62,2 mg Polyethylenoxid (mittleres Molekulargewicht von 100–900 Kilo-Daltons), 3,3 mg NATROSOL 244 M, 41,5 mg AVICEL RC-591 F, 89,4 mg monobasisches Kaliumphosphat, 157,9 mg dibasisches Kaliumphosphat, 437,3 mg Kaliumferricyanid, 46,0 mg Natriumsuccinat, 148,0 mg Trehalose, 2,6 mg TRITON X-100 Tensid und 2 000 bis 9 000 Einheiten Enzymaktivität pro Gramm Reagens. Das Enzym wird als eine Enzymlösung aus 12,5 mg Coenzym PQQ und 1,21 Millionen Einheiten des Apoenzyms der Chinoproteins-Glucosedehydrogenase hergestellt. Dieses Reagens wird weiter in US-Patent Nr. 5,997,817 beschrieben.
Nicht-einschränkende Beispiele für Enzyme und Mediatoren, die beim Messen von bestimmten Analyten im Biosensor 10 verwendet werden können, sind unten in Tabelle 1 aufgezählt.
TABELLE 1
Bei einigen der in Tabelle 1 gezeigten Beispiele wird als Reaktionskatalysator mindestens ein zusätzliches Enzym verwendet. Außerdem können einige der in Tabelle 1 gezeigten Beispiele einen zusätzlichen Mediator verwenden, der den Elektronentransfer zu der oxidierten Form des Mediators erleichtert. Der zusätzliche Mediator kann dem Reagens in geringerer Menge als die oxidierte Form des Mediators zugesetzt werden. Wenngleich die obigen Assays beschrieben sind, wird in Betracht gezogen, daß Strom, Ladung, Impedanz, Konduktanz, Potential oder eine andere elektrochemisch angezeigte Eigenschaft der Probe präzise zu der Konzentration des Analyten in der Probe mit dem Biosensor 10 gemäß dieser Offenbarung korreliert werden könnte.
In der Regel werden mehrere Biosensoren 10 in einem Röhrchen verpackt, üblicherweise mit einem zum Abdichten des Röhrchens ausgebildeten Stopfen. Es versteht sich jedoch, daß Biosensoren 10 individuell verpackt sein können oder Biosensoren aufeinander gefaltet, zu einer Spule gerollt, in einem Kassettenmagazin gestapelt oder in einer Blisterpackung verpackt sein können.
Der Biosensor 10 wird in Verbindung mit folgendem eingesetzt:

1. einer Stromquelle in elektrischer Verbindung mit Bahnen 60, 62, die in der Lage ist, eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 52, 54 zu liefern, die ausreicht, um eine diffusionsbegrenzte Elektrooxidation der reduzierten Form des Mediators an der Oberfläche der Arbeitselektrode zu bewirken; und
2. einem Meßgerät in elektrischer Verbindung mit den Bahnen 60, 62, das in der Lage ist, den durch Oxidation der reduzierten Form des Mediators produzierten diffusionsbegrenzten Strom zu messen, wenn die oben angegebene elektrische Potentialdifferenz angelegt wird. Das Meßgerät wird normalerweise dafür ausgelegt sein, einen Algorithmus auf die Strommessung anzuwenden, wodurch eine Analytkonzentration bereitgestellt und visuell angezeigt wird. Verbesserungen bei einem derartigen System aus Stromquelle, Meßgerät und Biosensor sind der Gegenstand des am 16. Oktober 1990 erteilten eigenen US-Patents Nr. 4,963,814, des am 12. März 1991 erteilten US-Patents Nr. 4,999,632, des am 12. März 1991 erteilten US-Patents Nr. 4,999,582, des am 7. September 1993 erteilten US-Patents Nr. 5,243,516, des am 4. Oktober 1994 erteilten US-Patents Nr. 5,352,351, des am 22. November 1994 erteilten US-Patents Nr. 5,366,609, des am 11. April 1995 erteilten US-Patents Nr. 5,405,511 an White et al. und des am 1. August 1995 erteilten US-Patents Nr. 5,438,271 an White et al. Viele Fluidproben können analysiert werden. Gemessen werden können beispielsweise Körperflüssigkeiten des Menschen wie etwa Vollblut, Plasma, Sera, Gewebsflüssigkeit, Galle, Urin, Sperma, Gehirn- Rückenmark-Flüssigkeit, Rückenmarksflüssigkeit, Tränenflüssigkeit und Stuhlproben sowie andere biologische Fluide, die sich dem Fachmann ohne weiteres ergeben. Es können auch Fluidpräparationen von Geweben zusammen mit Lebensmitteln, Fermentationsprodukten und Substanzen aus der Umgebung untersucht werden, die potentiell Umgebungsschadstoffe enthalten. Bevorzugt wird mit dieser Erfindung Vollblut untersucht.

Ein nicht-einschränkendes Verfahren zum Herstellen des Biosensors 10 ist unten beschrieben. Eine Rolle aus mit duroplastischem Kleber beschichtetem Sensorträgersubstratmaterial wird in eine Stanzeinheit eingeführt, wo Öffnungen 34 und Kerben 36, 38 ausgestanzt werden. Es versteht sich, daß ein separater Beschichtungsschritt durchgeführt werden kann, bevor das Sensorträgermaterialsubstrat in die Stanzeinheit eingeführt wird. Es versteht sich, daß das mit einem Heißkleber im voraus beschichtete Sensorträgersubstrat auch im Handel erhältlich ist.
In einem separaten Prozeß wird eine Rolle metallisierten Elektrodenträgermaterials durch Führungsrollen in eine Abtrag-/Wasch- und Trockenstation eingeführt. Ein Lasersystem, das das Elektrodenträgersubstrat 14 abtragen kann, ist dem Durchschnittsfachmann bekannt. Zu nicht-einschränkenden Beispielen davon zählen Excimerlaser, wobei das Muster der Abtragung durch Spiegel, Linsen und Masken gesteuert wird. Ein nicht-einschränkendes Beispiel eines derartigen kundenspezifischen Systems ist der LPX-300 oder LPX-200, beide im Handel erhältlich von LPKF Laser Electronic GmbH in Garbsen, Deutschland.
In der Laserabtragsstation wird die Metallschicht des metallisierten Films in einem vorbestimmten Muster abgetragen, um ein Band aus isolierten Elektrodensätzen auf dem Elektrodenträgermaterial auszubilden. Um Elektroden in einem 50 nm dicken Goldleiter abzutragen, werden 90 mJ/cm² Energie angelegt. Es versteht sich jedoch, daß die erforderliche Energiemenge von Material zu Material, von Metall zu Metall oder von Dicke zu Dicke variieren kann. Das Band wird dann durch mehr Führungsrollen mit einer Zugschleife und durch ein Inspektionssystem geschickt, wo sowohl optische als auch elektrische Inspektionen vorgenommen werden können. Das System wird zur Qualitätskontrolle verwendet, um auf Defekte hin zu prüfen. In dieser Station sind auch Lüftungslöcher durch das Elektrodenträgersubstratmaterial gestanzt.
Das Sensorträgersubstratmaterial wird dann zusammen mit dem Elektrodenträgersubstratmaterial in eine Schneid-/Laminierstation eingeführt. Das Elektrodenträgersubstratmaterial wird in Streifen geschnitten und dann auf die Öffnung und Kerben des Sensorträgersubstrats ausgerichtet. Das Elektrodenträgersubstrat wird über einen Druck- und Heißversiegelungslaminierungsprozeß an das Sensorträgersubstrat gekoppelt. Insbesondere wird das ausgerichtete Material entweder gegen eine Heizplatte oder eine Heizwalze gerollt, um das Sensorträgersubstrat an die Streifen des Elektrodenträgersubstratmaterials zu koppeln und eine Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe zu bilden.
Diese Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe wird dann in einen mit IR-Trocknungsstationen ausgestatteten Sieb- oder Schablonendrucker eingeführt. Die Silbertinte wird als erste elektrisch leitende Bahnen auf der ersten Oberfläche 22 des Sensorträgersubstrats 12 aufgebracht. Die Silbertinte wird in einem ersten IR-Trockner getrocknet, um die Tinte etwa 2 Minuten lang zu härten. Als nächstes wird die Kohlenstofftinte als zweite elektrisch leitende Bahnen auf die ersten elektrisch leitenden Bahnen aufgebracht. Die Kohlenstofftinte wird ebenfalls in dem zweiten IR-Trockner etwa 2 Minuten lang gehärtet.
Als nächstes wird die Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe in eine Reagensausgabestation eingeführt. Das Reagens 20, das compoundiert worden ist, wird in eine Ausgabestation geleitet, wo es in einer flüssigen Form auf die Mitte des Arrays 56 aufgetragen wird. Reagensauftragetechniken sind dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt, wie im US-Patent Nr. 5,762,770 beschrieben. Es versteht sich, daß das Reagens in flüssiger oder anderer Form auf das Array 56 aufgetragen und auf dem Array 56 gemäß dieser Offenbarung getrocknet oder halb getrocknet werden kann.
Eine Rolle aus Abdecksubstratmaterial wird zusammen mit der Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe in eine Schneid-/Laminierstation eingeführt. Das Abdecksubstratmaterial wird in Streifen geschnitten und dann auf die Öffnung des Sensorträgersubstrats ausgerichtet. Das Abdecksubstrat wird durch einen Druck- und Heißversiegelungslaminierungsprozeß an das Sensorträgersubstrat gekoppelt. Insbesondere wird das ausgerichtete Material entweder gegen eine Heizplatte oder eine Heizwalze gewalzt, um das Sensorträgersubstrat an die Streifen des Abdecksubstratmaterials zu koppeln.
Als nächstes wird das zusammengefügte Material in eine Sensorstanz- und Verpackungsstation eingeführt. In dieser Station werden die Kerben 35, 49 in dem Abdecksubstrat 21 beziehungsweise dem Elektrodenträgersubstrat 14 ausgebildet, wie auch die zu der Öffnung 34 in dem Sensorträgersubstrat 12 führenden Verjüngungen 83. Das zusammengefügte Material wird gestanzt, um individuelle Biosensoren 10 auszubilden, die sortiert und in Röhrchen verpackt werden, jeweils mit einem Stopfen verschlossen, damit man verpackte Biosensorstreifen erhält.
Bei Gebrauch legt ein Benutzer des Biosensors 10 einen Finger 109 mit einem Blutsammeleinschnitt gegen Grenzen 39, 53 von Kerben 35, 49. Kapillarkräfte ziehen eine von dem Einschnitt fließende flüssige Blutprobe 101 in die Öffnung 34 und durch den Kapillarkanal über Reagens 20 und Array 56. Die flüssige Blutprobe 101 benetzt das Reagens 20 und nimmt das Elektrodenarray 56 in Eingriff, wo die elektrochemische Reaktion stattfindet.
Bei Benutzung legt, nachdem die Reaktion vollständig ist, eine Stromquelle (z.B. eine Batterie) eine Potentialdifferenz zwischen den Bahnen 60, 62 an. Die Spannung läuft durch die Schichten 66, 64 und deshalb zwischen den Bahnen 52, 54. Wenn die Potentialdifferenz angelegt ist, muß die Menge an oxidierter Form des Mediators an der Hilfselektrode und die Potentialdifferenz ausreichen, um eine diffusionsbegrenzte Elektrooxidation der reduzierten Form des Mediators an der Oberfläche der Arbeitselektrode zu verursachen. Ein nicht gezeigtes Strommeßgerät mißt den durch die Oxidation der reduzierten Form des Mediators an der Oberfläche der Arbeitselektrode erzeugten diffusionsbegrenzten Strom.
Der gemessene Strom kann präzise zu der Konzentration des Analyten in der Probe korreliert werden, wenn die folgenden Anforderungen erfüllt sind:

1. Die Oxidationsrate der reduzierten Form des Mediators wird von der Diffusionsrate der reduzierten Form des Mediators an der Oberfläche der Arbeitselektrode kontrolliert.
2. Der erzeugte Strom wird durch die Oxidation der reduzierten Form des Mediators an der Oberfläche der Arbeitselektrode begrenzt.

Die 3–4 veranschaulichen einen Aspekt der Erfindung in Form eines Biosensors 110 mit einem Sensorträgersubstrat 112, einem Elektrodenträger 114, dem ersten elektrischen Leiter 16 auf dem Träger 114, nicht gezeigtem, auf dem ersten Leiter 16 positioniertem Reagens, einer ersten elektrisch leitenden Bahn 160 und einer zweiten elektrisch leitenden Bahn 162, die sich jeweils über den Träger 112 erstrecken, und einer Abdeckung 121. Der Biosensor 110 hat bevorzugt eine rechteckige Gestalt. Es versteht sich jedoch, daß der Biosensor 110 jede Anzahl von Gestalten gemäß dieser Offenbarung annehmen kann. Der Biosensor 110 wird bevorzugt aus Materialrollen hergestellt. Somit macht die Auswahl von Materialien für die Konstruktion des Biosensors 110 die Verwendung von Materialien erforderlich, die ausreichend flexibel für eine Rollenverarbeitung sind, aber doch starr genug sind, damit der fertiggestellte Biosensor 110 eine geeignete Steifheit erhält.
Der Träger 114 enthält eine dem Sensorträgersubstrat 112 zugewandte obere Oberfläche 140 und eine untere Oberfläche 142. Außerdem weist der Träger 114 gegenüberliegende Enden 144, 146 und gegenüberliegende Ränder 148, 150 auf, die sich zwischen Enden 144, 146 erstrecken. Die Ränder 148, 150 und das Ende 146 enthalten jeweils eine durch eine allgemein konkav geformte Grenze 151 ausgebildete Kerbe 149.
Während drei konkav geformte Kerben dargestellt sind, versteht sich, daß der Träger mehr oder weniger als drei Kerben enthalten kann und die Kerben eine Vielfalt von Gestalten und Größen gemäß dieser Offenbarung aufweisen können. Der Träger 114 ist im allgemeinen von rechteckiger Gestalt, doch versteht sich, daß der Träger gemäß dieser Offenbarung in einer Vielfalt von Gestalten und Größen ausgebildet sein kann. Der Träger 114 ist aus dem Elektrodenträgersubstrat 14 ähnlichen Materialien ausgebildet.
Die Elektroden 52, 54 definieren in Kooperation miteinander das Elektrodenarray 56 auf der Oberfläche 140 und Leitungen 58, 59, die sich von dem Array 56 weg zu jeweiligen Kontaktpads 61, 63 an Rändern 148, 150 erstrecken. Es versteht sich, daß Leitungen 58, 59 mit einer Vielfalt von Längen ausgebildet sein und sich zu einer Vielfalt von Stellen erstrecken können, so daß Kontaktpads 61, 63 auf dem Elektrodenträgersubstrat 114 liegen können.
Das Sensorträgersubstrat 112 des Biosensors 110 enthält einen Hauptabschnitt 116 und zwei Sensorträgersubstratelemente 118, 120. Der Hauptabschnitt 116 und die Sensorträgersubstratelemente 118, 120 enthalten jeweils eine erste Oberfläche 122 und eine dem Elektrodenträger 114 und den Rändern 130, 132 zugewandte gegenüberliegende zweite Oberfläche 124. Außerdem weist der Hauptabschnitt 116 des Sensorträgersubstrats 112 gegenüberliegende Enden 126, 128 auf. Kerben 136, 138 sind jeweils in Rändern 130, 132 ausgebildet und werden jeweils von Grenzen 134, 135, 137 definiert.
Wie in 4 gezeigt befinden sich, wenn das Sensorträgersubstrat 112 an das Elektrodenträgersubstrat 114 gekoppelt ist, die Kerben 136, 138 (wie in 3 gezeigt) in allgemeiner Ausrichtung auf die Kontaktpads 61, 63 der Elektroden 52, 54. Es versteht sich, daß die Kerben 136, 138 an einer Reihe von Stellen in dem Sensorträgersubstrat 112 liegen und eine Vielfalt von Gestalten und Größen gemäß dieser Offenbarung aufweisen können, solange die Kerben 136, 138 zumindest teilweise auf die Kontaktpads 61, 63 ausgerichtet sind, wenn der Biosensor 110 zusammengebaut wird. Das Sensorträgersubstrat 112 ist aus dem Sensorträgersubstrat 12 ähnlichen Materialien ausgebildet, und die Oberfläche 124 des Hauptabschnitts 116 und die Sensorträgersubstratelemente 118, 120 sind mit einem Kleber ähnlich der Oberfläche 24 des Sensor trägersubstrats 12 beschichtet. Es versteht sich außerdem, daß das Sensorträgersubstrat 112 beispielsweise mit Produktetikettierung oder Gebrauchsanleitungen gemäß dieser Offenbarung bedruckt sein kann.
Wieder unter Bezugnahme auf 3 sind die erste und zweite Bahn 160, 162 so ausgebildet, daß sie auf der ersten Oberfläche 122 des Hauptabschnitts 116 positioniert sind. Die Bahnen 160, 162 erstrecken sich jeweils vom Ende 126 und über die jeweilige Kerbe 138, 136. Während Bahn 160, Kerbe 138 und Elektrode 52 weiter unten erörtert werden, versteht sich, daß die Beschreibung, sofern nicht anders angegeben, auch für Bahn 162, Kerbe 136 und Elektrode 54 gilt. Die Bahn 160 enthält eine erste Schicht 164 und eine zweite Schicht 166. Bevorzugt enthält die erste Schicht 164 gegenüberliegende Enden 152, 154 und Ränder 156, 158, die sich zwischen den Enden 152, 154 erstrecken. Außerdem enthält die erste Schicht 164 einen allgemein dreieckigen Kontaktbereich 168.
Wenn der Biosensor 110 zusammengebaut wird, erstreckt sich ein Abschnitt des Kontaktbereichs 168 von der ersten Oberfläche 122 des Sensorträgersubstrats 112 nach unten in die Kerbe 138 und nimmt das Kontaktpad 63 der Elektrode 52 in Eingriff. Auf diese Weise steht die erste Schicht 164 mit den Elektroden 52, 54 des Trägers 114 in elektrischer Kommunikation.
Die zweite Schicht 166 der Bahn 160 enthält gegenüberliegende Enden 172, 174 und Ränder 176, 178, die sich zwischen den Enden 172, 174 erstrecken. Außerdem enthält die zweite Schicht 166 einen allgemein dreieckigen Kontaktbereich 180. Ein Abschnitt 182 des Kontaktbereichs 180 ist auf den Abschnitt des Kontaktbereichs 168 ausgerichtet, der die Elektrode 52 in Eingriff nimmt. Die zweite Schicht 166 steht nach dem Zusammenbau des Biosensors 110 über die erste Schicht 164 mit den Elektroden 52 in elektrischer Kommunikation. Materialien, die sich zum Konstruieren der ersten und zweiten Schicht 164, 166 eignen, sind denen ähnlich, die zum Konstruieren der Schichten 64, 66 verwendet werden. Während ein direkter Kontakt zwischen Bahn 160 und Elektrode 54 dargestellt und beschrieben ist, versteht sich außerdem, daß möglicherweise Bahn 160 und Elektrode 54 nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, solang eine elektrische Verbindung zwischen den beiden vorliegt.
Die Abdeckung 121 ist an die erste Oberfläche 122 des Hauptabschnitts 116 und der Sensorträgersubstratelemente 118, 120 gekoppelt. Die Abdeckung 121 enthält eine erste Oberfläche 123 und eine zweite Oberfläche 125, dem Sensorträgersubstrat 112 zugewandt. Außerdem enthält die Abdeckung 121 gegenüberliegende Enden 127, 129 und Ränder 131, 133, die sich zwischen den Enden 127, 129 erstrecken. Die Ränder 131, 133 und das Ende 129 enthalten jeweils eine von einer allgemein konkav geformten Grenze 186 ausgebildete Kerbe 184. Wenn der Biosensor 110 zusammengebaut wird, wird das Ende 127 der Abdeckung über dem Hauptabschnitt 116 des Sensorträgersubstrats 112 positioniert. Außerdem wird das Ende 129 der Abdeckung 121 auf den Sensorträgersubstratelementen 118, 120 des Sensorträgersubstrats 112 montiert. Somit sind drei Kapillarkanäle zwischen der Abdeckung 121 und dem Elektrodenträger 114 definiert, und sie schneiden einander beim Array 56. Der erste Kanal weist eine Öffnung an den Enden 129, 146 auf und ist definiert durch Abdeckung 121, Elektrodenträgersubstrat 114 und Sensorträgersubstratelemente 118, 120. Der zweite Kanal weist eine Öffnung an den Rändern 125, 148 auf und ist durch Abdeckung 121, Elektrodenträgersubstrat 114, Sensorträgersubstratelement 120 und Ende 128 des Hauptabschnitts 116 definiert. Der dritte Kanal weist eine Öffnung an den Rändern 133, 150 auf und ist definiert durch Abdeckung 121, Elektrodenträgersubstrat 114, Sensorträgersubstratelement 118 und Ende 128 des Hauptabschnitts 116.
Die Abdeckung 121 ist im allgemeinen von rechteckiger Gestalt, doch versteht sich, daß die Abdeckung 121 gemäß dieser Offenbarung in einer Vielfalt von Gestalten und Größen ausgebildet sein kann. Die Abdeckung 121 ist aus dem Abdeckungssubstrat 21 ähnlichen Materialien ausgebildet und an das Elektrodenträgersubstrat 114 mit einem Kleber gekoppelt, der dem Kleber ähnlich ist, der verwendet wird, um das Abdeckungssubstrat 21 an das Elektrodenträgersubstrat 14 zu koppeln. Es versteht sich außerdem, daß die Abdeckung 121 mit mehr oder weniger als drei Kerben ausgebildet sein kann und die Kerben gemäß dieser Offenbarung eine Vielfalt von Gestalten und Größen aufweisen können.
Ein nicht-einschränkendes Verfahren zum Herstellen des Biosensors 110 ist unten beschrieben. Eine Rolle aus mit einem duroplastischen Kleber beschichtetem Sensorträgersubstratmaterial wird in eine Stanzeinheit eingeführt, wo die Kerben 136, 138 und eine Öffnung ausgestanzt werden, wodurch der Hauptabschnitt 116 und die Sensorträgersubstratelemente 118, 120 eine vorläufige Definition erhalten. Ein separater Beschichtungsschritt kann durchgeführt werden, bevor das Sensorträgermaterialsubstrat in die Stanzeinheit eingeführt wird. Es versteht sich, daß das mit einem Heißkleber im voraus beschichtete Sensorträgersubstrat auch im Handel erhältlich ist.
Die Elektroden 52, 54 werden wie oben unter Bezugnahme auf den Biosensor 10 beschrieben auf dem Elektrodenträgersubstrat ausgebildet. Das Sensorträgersubstratmaterial wird dann zusammen mit dem Elektrodenträgersubstratmaterial in eine Schneid-/Laminierstation eingeführt. Das Elektrodenträgersubstratmaterial wird in Streifen geschnitten und dann auf die Kerben des Sensorträgermaterials ausgerichtet. Das Elektrodenträgersubstrat wird über einen Druck- und Heißversiegelungslaminierungsprozeß an das Sensorträgersubstrat gekoppelt. Insbesondere wird das ausgerichtete Material entweder gegen eine Heizplatte oder eine Heizwalze gerollt, um das Sensorträgersubstrat an die Streifen des Elektrodenträgersubstratmaterials zu koppeln und eine Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe zu bilden.
Diese Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe wird dann in einen mit IR-Trocknungsstationen ausgestatteten Sieb- oder Schablonendrucker eingeführt, wo die Bahnen 160, 162 auf der Oberfläche 122 des Substratmaterials abgelegt werden. Die Bahnen 160, 162 werden ähnlich den Bahnen 60, 62 gedruckt und gehärtet. Als nächstes wird die Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe in eine Reagensausgabestation eingeleitet. Das Reagens wird wie oben unter Bezugnahme auf Biosensor 10 beschrieben auf dem Array aufgebracht.
Eine Rolle aus Abdecksubstratmaterial wird zusammen mit der Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe in eine Schneid-/Laminierstation eingeführt. Das Abdecksubstratmaterial wird in Streifen geschnitten und dann auf den Hauptabschnitt 116 und die im voraus definierten Sensorträgersubstratelemente 118, 120 ausgerichtet, um Kapillarkanäle herzustellen. Das Abdecksubstrat wird durch einen Druck- und Heißversiegelungslaminierungsprozeß an das Sensorträgersubstrat gekoppelt. Insbesondere wird das ausgerichtete Material entweder gegen eine Heizplatte oder eine Heizwalze gewalzt, um das Sensorträgersubstrat an die Streifen des Abdecksubstratmaterials zu koppeln.
Als nächstes wird das zusammengefügte Material in eine Sensorstanz- und Verpackungsstation eingeführt. In dieser Station werden die Kerben 184, 149 in dem jeweiligen Abdecksubstrat 121 und dem Elektrodenträgersubstrat 114 ausgebildet. Das zusammengefügte Material wird gestanzt, um individuelle Biosensoren 110 auszubilden, die sortiert und in Röhrchen verpackt werden, jeweils mit einem Stopfen verschlossen, damit man verpackte Biosensorstreifen erhält.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 legt ein Benutzer des Biosensors 110 einen Finger 109 mit einem Blutsammeleinschnitt gegen die Grenzen 151, 186 jeweiliger Kerben 149, 184 am Ende 129. Es versteht sich auch, wie durch Umrißpfeile 188, 190 gezeigt, daß der Benutzer wählen kann, seinen Finger gegen Grenzen 151, 186 jeweiliger Kerben 149, 184 an Rändern 148, 131 oder 150, 133 zu legen. Kapillarkräfte ziehen die von dem Einschnitt fließende flüssige Blutprobe durch einen zwischen Abdeckung 121, Träger 114 und Sensorträgersubstratelementen 118, 120 gebildeten Kapillarkanal in Richtung auf Array 56. Das flüssige Blut benetzt das nicht gezeigte Reagens und nimmt das Array 56 in Eingriff, wo die elektrochemische Reaktion wie oben beschrieben stattfindet.
Ein Biosensor 210 ist in den 5–7 gezeigt. Der Biosensor 210 enthält ein Sensorträgersubstrat 212, einen Elektrodenträger 214, ein auf dem Träger 214 positioniertes erstes elektrisch leitendes Material 16, ein auf dem Material 16 positioniertes Reagens 20 und eine auf dem Sensorträgersubstrat 212 positionierte und mit dem Material 16 in Eingriff stehende erste und zweite Bahn 60, 62. Der Biosensor 210 ist bevorzugt eine Vorrichtung zum Dosieren von oben, die eine rechteckige Gestalt aufweist. Es versteht sich jedoch, daß der Biosensor 210 gemäß dieser Offenbarung jede beliebige Anzahl von Gestalten annehmen kann.
Der Träger 214 ist ähnlich dem Elektrodenträgersubstrat 14, außer, daß er ununterbrochene Ränder 248, 250 und Enden 244, 246 aufweist. Der Träger 214 ist aus Materialien konstruiert, die dem Elektrodenträgersubstrat 14 wie oben beschrieben ähnlich sind. Der Träger 214 ist mit Material 16 auf der oberen Oberfläche 240 metallisiert. Unter Bezugnahme auf 5 wird das Material 16 auf dem Träger 214 durch Laserabtrag unterbrochen, um Elektroden 252, 254 auszubilden. Die Elektroden 252, 254 kooperieren miteinander und definieren ein Elektrodenarray 256, Leitungen 258, 260, die sich von dem Array 256 weg erstrecken, und Kontaktpads 261, 263. Leitungen 260, 258 erstrecken sich von dem Array 256 weg zu Kontaktpads 261, 263 an jeweiligen Rändern 248, 250 des Trägers 214. Ein nicht gezeigtes Reagens erstreckt sich über mindestens einen Abschnitt des Elektrodenarrays 256. Es versteht sich außerdem, daß das Array 256 und die Kontaktpads 261, 263 eine Vielfalt von Gestalten und Größen annehmen können und die Leitungen 258, 260 so ausgebildet sein können, daß sie eine Vielfalt von Längen aufweisen und sich zu einer Vielfalt von Stellen erstrecken, um die Kontaktpads 261, 263 gemäß dieser Offenbarung in einer Vielfalt von Stellen auf dem Träger 214 zu plazieren.
Das Sensorträgersubstrat 212 des Biosensors 210 ist den Substraten 12, 112 ähnlich, außer, daß es eine Öffnung 234 enthält, die sich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 222, 224 erstreckt. Siehe 5 und 7. Eine Grenze 286 definiert die Öffnung 234. Es versteht sich, daß innerhalb dieser Offenbarung die Größe, Gestalt und Position der Öffnung 234 variieren kann. Das Sensorträgersubstrat 212 ist auch so ausgebildet, daß es Kerben 236, 238 enthält. Wenn das Sensorträgersubstrat 212 an den Träger 214 gekoppelt ist, ist die Öffnung 234 vom Array 256 beabstandet, und die Kerben 236, 238 sind auf die Elektroden 254 beziehungsweise 252 ausgerichtet. Siehe 6 und 7. Es versteht sich jedoch, daß sich die Öffnung 234 und die Kerben 236, 238 an einer Reihe von Stellen in dem Sensorträgersubstrat 212 befinden können, solange die Kerben 236, 238 gemäß dieser Offenbarung auf die Kontaktpads 261, 263 ausgerichtet sind. Bevorzugt ist das Sensorträgersubstrat 212 aus Materialien ausgebildet, die dem Sensorträgersubstrat 12 wie oben beschrieben ähnlich sind, und ist an den Träger 214 mit einem Kleber gekoppelt, der dem Kleber ähnlich ist, der verwendet wird, um das Sensorträgersubstrat 12 an das Elektrodenträgersubstrat 14 zu koppeln.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 7 ist das Sensorträgersubstrat 212 in einem bestimmten Muster an den Träger 214 gekoppelt, wobei ein nicht abgedichteter Abschnitt 223 bleibt, der sich zwischen Grenze 236 und Ende 244 erstreckt. Das mit Kleber beschichtete Sensorträgersubstrat 212 und der Elektrodenträger 214 liegen inhärent nicht perfekt flach aneinander, und deshalb wird automatisch ein Kapillarkanal 272 zwischen nicht abgedichteten Abschnitten 223 des Sensorträgersubstrats 212 und dem Träger 214 erzeugt. Siehe 6. Der Biosensor 214 der vorliegenden Erfindung nutzt Oberflächenunregelmäßigkeiten des Sensorträgersubstrats 212 und des Trägers 214 und die Dicke des Reagens, um einen Kapillarkanal 272 zu erzeugen, um eine flüssige Probe über den Träger 214 und in Richtung des Elektrodenarrays 256 zu bewegen.
Ein nicht-einschränkendes Verfahren zum Herstellen des Biosensors 210 ist unten beschrieben. Eine Rolle aus mit duroplastischem Kleber beschichtetem Sensorträgersubstratmaterial wird in eine Stanzeinheit eingeführt, wo Kerben 236, 238 und Öffnung 234 ausgestanzt werden. Es versteht sich, daß ein separater Beschichtungsschritt durchgeführt werden kann, bevor das Sensorträgermaterialsubstrat in die Stanzeinheit eingeführt wird. Es versteht sich, daß das mit einem Heißkleber im voraus beschichtete Sensorträgersubstrat auch im Handel erhältlich ist.
Die Elektroden 252, 254 werden wie oben unter Bezugnahme auf den Biosensor 10 beschrieben auf dem Elektrodenträgersubstrat ausgebildet. Das Sensorträgersubstratmaterial wird dann zusammen mit dem Elektrodenträgersubstratmaterial in eine Schneid-/Laminierstation eingeführt. Das Elektrodenträgersubstratmaterial wird in Streifen geschnitten und dann auf die Kerben und die Öffnung des Sensorträgermaterials ausgerichtet. Das Elektrodenträgersubstrat wird über einen Druck- und Heißversiegelungslaminierungsprozeß an den Sensorträger gekoppelt. Insbesondere wird das ausgerichtete Material entweder gegen eine Heizplatte oder eine Heizwalze gerollt, um das Sensorträgersubstrat an die Streifen des Elektrodenträgersubstratmaterials zu koppeln und eine Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe zu bilden.
Die Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe wird dann in einen mit IR-Trocknungsstationen ausgestatteten Sieb- oder Schablonendrucker eingeführt, wo die Bahnen 60, 62 auf der Oberfläche 222 des Substratmaterials abgelegt werden, wie oben unter Bezugnahme auf Biosensor 10 beschrieben. Als nächstes wird die Sensorträger-/Elektrodenträger-Teilbaugruppe in eine Reagensausgabestation eingeleitet. Das Reagens wird wie oben unter Bezugnahme auf Biosensor 10 beschrieben auf dem Array aufgebracht.
Als nächstes wird das zusammengefügte Material in eine Sensorstanz- und Verpackungsstation eingeführt. In dieser Station wird das zusammengefügte Material gestanzt, um individuelle Biosensoren 210 auszubilden, die sortiert und in Röhrchen verpackt werden, jeweils mit einem Stopfen verschlossen, damit man verpackte Biosensorstreifen erhält.
Bei Gebrauch legt ein Benutzer des Biosensors 210 einen Finger in die Öffnung 234 und gibt eine flüssige Blutprobe ab. Kapillarkräfte ziehen die flüssige Probe durch den durch den nicht versiegelten Abschnitt 223 erzeugten Kanal 272 in Richtung auf das Array 256. Die flüssige Blutprobe benetzt das nicht gezeigte Reagens und nimmt das Elektrodenarray 256 in Eingriff, wo die elektrochemische Reaktion wie zuvor beschrieben stattfindet.
Ein Biosensor 310 ist in den 8–9 gezeigt. Der Biosensor 310 enthält ein Sensorträgersubstrat 212, einen Elektrodenträger 214, ein auf dem Träger 214 positioniertes erstes elektrisch leitendes Material 16, das auf dem Material 16 positionierte nicht gezeigte Reagens und eine auf dem Sensorträgersubstrat 212 positionierte und mit dem Material 16 in Eingriff stehende erste und zweite Bahn 60, 62. Der Biosensor 310 ist bevorzugt eine Vorrichtung zum Dosieren von oben, die eine rechteckige Gestalt aufweist. Es versteht sich jedoch, daß der Biosensor 310 gemäß dieser Offenbarung jede beliebige Anzahl von Gestalten annehmen kann.
Der Biosensor 310 ist ähnlich dem Biosensor 210, außer, daß das elektrisch leitende Material 16 auf dem Träger 214 durch Laserabtrag unterbrochen wird, um Elektroden 352, 354 auszubilden. Die Elektroden 352, 354 definieren in Kooperation miteinander beabstandete Elektrodenarrays 356, 358, Leitungen 360, 362, die sich von den Arrays 356, 358 weg erstrecken und Kontaktpads 361, 363. Die Leitungen 360, 362 erstrecken sich von Arrays 356, 358 weg zu Kontaktpads 361, 363 an jeweiligen Rändern 248, 250 des Trägers 214. Das nicht gezeigte Reagens ist so positioniert, daß es sich über das Elektrodenarray 356 erstreckt. Außerdem versteht sich, daß die Arrays 356, 358 eine Vielfalt von Gestalten und Größen annehmen können und Leitungen 360, 362 so ausgebildet sein können, daß sie eine Vielfalt von Längen aufweisen und sich zu einer Vielfalt von Stellen auf dem Träger 214 gemäß dieser Offenbarung erstrecken können.
Der Biosensor 310 wird ähnlich dem Biosensor 210 hergestellt, außer dem Schritt des Abtragens des elektrisch leitenden Materials 16 von dem Elektrodenträger 214. Zum Ausbilden der Elektroden 352, 354 wird die Metallschicht des metallisierten Films in einem vorbestimmten Elektrodenmuster abgetragen, um Arrays 356, 358, Leitungen 360, 362, die sich von den Arrays 356, 358 weg erstrecken, und Kontaktpads 361, 363 auszubilden. Wie bei Biosensor 10, 110, 210 wird das zusammengefügte Material in eine Sensorstanz- und Verpackungsstation eingeführt. In dieser Station wird das zusammengefügte Material gestanzt, um individuelle Biosensoren 310 auszubilden, die sortiert und in Röhrchen verpackt werden, jeweils mit einem Stopfen verschlossen, damit man verpackte Biosensorstreifen erhält.
Bei Gebrauch legt ein Benutzer des Biosensors 310 einen Finger in die Öffnung 234 und gibt eine flüssige Blutprobe auf das Array 358 ab. Kapillarkräfte ziehen die flüssige Probe durch den Kanal 272 und über das Array 358, wo Interferenzkorrekturen vorgenommen werden können, und in Richtung auf das Array 356. Die flüssige Blutprobe benetzt das nicht gezeigte Reagens und nimmt das Elektrodenarray 356 in Eingriff, wo eine elektrochemische Reaktion wie zuvor beschrieben stattfindet.
Die oben beschriebenen Prozesse und Produkte beinhalten Biosensoren 10, 110, 210, 310, insbesondere zum Einsatz in Diagnoseeinrichtungen. Ebenfalls enthalten sind jedoch elektrochemische Sensoren zu nicht-diagnostischen Zwecken, wie etwa Messen eines Analyten in einer biologischen, Umwelt- oder anderen Probe. Wie oben erörtert, können die Biosensoren 10, 110, 210, 310 in einer Vielfalt von Gestalten und Größen hergestellt und verwendet werden, um eine Vielfalt von Assays durchzuführen, von denen nicht-einschränkende Beispiele Strom, Ladung, Impedanz, Konduktanz, Potential oder eine andere elektrochemische anzeigende Eigenschaft der auf den Biosensor aufgetragenen Probe zählen.

Claims

Elektrochemischer Biosensor (10) der folgendes umfaßt: ein Elektrodenträgersubstrat (14, 114, 214), auf dem Elektrodenträgersubstrat liegende Elektroden (52, 54, 252, 254, 352, 354), ein an das Elektrodenträgersubstrat gekoppeltes Sensorträgersubstrat (12, 112, 212), wobei das Sensorträgersubstrat eine erste Oberfläche (22, 122, 222) und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche (24, 124, 224) dem Elektrodenträgersubstrat zugewandt und sich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche erstreckende Kerben (36, 38, 136, 138) aufweist, wobei jede Kerbe auf einen Abschnitt einer Elektrode ausgerichtet ist, einen Kapillarkanal, wobei mindestens ein Abschnitt der Elektroden in dem Kapillarkanal positioniert ist, gekennzeichnet durch elektrisch leitende Bahnen (60, 62, 160, 162), die auf der ersten Oberfläche des Sensorträgersubstrats positioniert sind, wobei sich ein Abschnitt jeder Bahn von der ersten Oberfläche in mindestens eine Kerbe erstreckt und mit einer der Elektroden in elektrischer Kommunikation steht.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei die Elektroden miteinander (56, 256, 356, 358) kooperieren und Leitungen (58, 59, 258, 260, 360, 362) sich von den kooperierenden Elektroden (56, 256, 356, 358) erstrecken, und jede Kerbe auf mindestens einen Abschnitt einer Leitung ausgerichtet ist.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei die Elektroden zusammen beabstandete Elektrodenmuster (356, 358) definieren.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorträgersubstrat so ausgebildet ist, daß es eine auf die kooperierenden Elektroden (56, 256, 356, 358) ausgerichtete Öffnung (34, 234) enthält.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei die Bahnen so ausgebildet sind, daß sie Schichten (64, 66, 164, 166) enthalten.
Biosensor nach Anspruch 5, wobei eine Schicht (64, 66, 164, 166) Silbertinte ist.
Biosensor nach Anspruch 5, wobei eine Schicht (64, 66, 164, 166) Kohlenstofftinte ist.
Biosensor nach Anspruch 5, wobei die Elektroden (52, 54, 252; 254, 352; 354) Gold sind.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) so ausgebildet ist, daß es eine auf mindestens einen Abschnitt der Elektroden (52, 54, 252; 254, 352, 354) ausgerichtete Öffnung (34, 234) enthält.
Biosensor nach Anspruch 9, weiterhin mit einem Abdecksubstrat (21, 121), das an das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) gekoppelt ist.
Biosensor nach Anspruch 10, wobei das Abdecksubstrat (21, 121), das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) und das Elektrodenträgersubstrat (14, 114, 214) in Kooperation miteinander einen Kanal definieren.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenträgersubstrat (14, 114, 214) und das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) zusammen einen Kanal definieren.
Biosensor nach Anspruch 12, wobei das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) so ausgebildet ist, daß es eine auf den Kanal ausgerichtete Öffnung (34, 234) enthält.
Biosensor nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Abdecksubstrat (21, 121), das an das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) gekoppelt ist und sich über die kooperierenden Elektroden (56, 256, 356, 358) erstreckt.
Biosensor nach Anspruch 12, wobei drei Kapillarkanäle zwischen dem Abdecksubstrat (21, 121) und dem Elektrodensubstrat (14, 114, 214) definiert sind und einander bei den kooperierenden Elektroden (56, 256, 356, 358) schneiden.
Verfahren zum Ausbilden eins Biosensors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines metallisierten Elektrodenträgersubstrats (14, 114, 214) und eines Sensorträgersubstrats (12, 112, 212), Abtragen des Elektrodenträgersubstrats (14, 114, 214) zum Ausbilden von Elektroden (52, 54, 252; 254, 352; 354), Koppeln des Sensorträgersubstrats (12, 112, 212) an das Elektrodenträgersubstrat (14, 114, 214) und wobei das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212) so ausgebildet ist, daß es Kerben (36, 38, 136, 138) enthält, wobei jede Kerbe (36, 38, 136, 138) auf einen Abschnitt einer Elektrode (52, 54, 252; 254, 352; 354) ausgerichtet ist und Positionieren beabstandeter elektrisch leitender Bahnen (60, 62, 160, 162) über das Sensorträgersubstrat (12, 112, 212), so daß jede Bahn (60, 62, 160, 162) mit einer Elektrode (52, 54, 252; 254, 352; 354) in elektrischer Kommunikation steht.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin mit dem Schritt des Auftragens eines Reagens auf einen Abschnitt der Elektroden (52, 54, 252; 254, 352; 354).
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin mit dem Schritt des Stanzens einer Öffnung (34, 234) in das Substrat, von den Kerben (36, 38, 136, 138) beabstandet.