DE60319516T2

DE60319516T2 - Wegwerfbarer submikroliter volumen sensor mit verbessertem probeneinlass

Info

Publication number: DE60319516T2
Application number: DE60319516T
Authority: DE
Inventors: Xiaohua Needham CAI; Handani Nashua WINARTA; Andy Somerville VO; Chung Chang Weston YOUNG
Original assignee: Nova Biomedical Corp
Current assignee: Nova Biomedical Corp
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: CA2481426A1; US20030196894A1; JP4620357B2; CA2481426C; JP2005523444A; WO2003089660A1; EP1497446B1; AU2003221950A1; DE60319516D1; ES2301788T3; US6942770B2; EP1497446A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Sensoren, die zur Quantifizierung einer bestimmten Komponente oder eines bestimmten Analyten in einer Flüssigkeitsprobe verwendet werden können. Insbesondere betrifft diese Erfindung einen neuen und verbesserten elektrochemischen Sensor und ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung elektrochemischer Sensoren. Genauer gesagt, betrifft diese Erfindung einen elektrochemischen Einmal-Sensor, der kostengünstig herzustellen ist. Noch genauer gesagt, betrifft diese Erfindung einen elektrochemischen Einmal-Sensor, der genaue Messwerte liefert und nur ca. 0,2 μl einer Fluidprobe benötigt. Um es noch genauer auszudrücken, betrifft diese Erfindung elektrochemische Einmal-Sensoren, die zur Durchführung elektrochemischer Analysen zum genauen Bestimmen von Analyten in physiologischen Fluiden verwendet werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Biosensoren werden seit über drei Jahrzehnten für die Bestimmung von Konzentrationen verschiedener Analyten in Fluiden verwendet. Von besonderem Interesse ist die Messung des Blutzuckers. Es ist hinreichend bekannt, dass die Konzentration des Blutzuckers äußerst wichtig zur Aufrechterhaltung der Homöostase ist. Produkte, mit denen die Schwankungen des Blutzuckers oder Glucosespiegels einer Person gemessen werden, sind zur täglichen Notwendigkeit zahlreicher der Millionen Diabetiker im Lande geworden. Da diese Störung gefährliche Anomalien der Blutchemie verursachen kann und vermutet wird, dass sie zu einem Verlust des Sehvermögens und zu Nierenversagen beiträgt, müssen sich die meisten Diabetiker regelmäßig selbst testen und ihren Glucosespiegel normalerweise durch Insulininjektionen entsprechend einstellen. Wenn die Konzentration des Blutzuckers unter den Normalbereich abfällt, können bei Patienten Bewusstlosigkeit und niedrigerer Blutdruck auftreten, was sogar zum Tode führen kann. Wenn die Blutzuckerkonzentration beim Fasten über dem Normalbereich liegt, kann dies zu einem Verlust des Sehvermögens, zu Nierenversagen und Gefäßerkrankungen führen. Die Messung des Blutzuckerspiegels ist deshalb für Diabetespatienten zu einer täglichen Notwendigkeit geworden, die ihren Blutzuckerspiegel durch eine Insulinbehandlung regeln.
Auf Insulin angewiesene Patienten werden von den Ärzten angewiesen, ihren Blutzuckerspiegel bis zu vier Mal täglich zu kontrollieren. Um ein normales Leben mit der Notwendigkeit, den Blutzuckerspiegel häufig zu überwachen, vereinbaren zu können, wurde mit der Entwicklung von Reagenzstreifen für den Vollbluttest der Glucosetest in der häuslichen Umgebung verfügbar.
Ein Typ von Blutzucker-Biosensoren ist eine Enzymelektrode, die mit einer Mediatorsubstanz kombiniert ist, die Elektronen zwischen dem Enzym und der Elektrode hin- und her transportiert, was bei Vorhandensein von Glucose in einem messbaren Stromsignal resultiert. Die am häufigsten verwendeten Mediatoren sind Kaliumferricyanid, Ferrocen und seine Derivate sowie andere Metallkomplexe. Zahlreiche auf diesem zweiten Elektrodentyp basierende Sensoren sind offenbart worden.
Das Dokument US 6287451 beschreibt einen solchen Einmal-Elektrodenstreifen zum Testen einer Fluidprobe.
Zahlreiche Geräte im Stand der Technik erfordern jedoch ein Probenvolumen für den Test von mehr als 2 Mikroliter. Dieses Volumen einer zu testenden Probe lässt sich von einem Patienten z. B. nur unter Verwendung einer Nadel und einer Spritze gewinnen oder durch Einritzen eines Hautabschnitts wie die Fingerspitze und durch "Melken" des Bereichs, um ein brauchbares Probenvolumen zu erhalten. Diese Prozeduren sind für den Patienten unangenehm und häufig schmerzhaft, vor allem dann, wenn zahlreiche Proben erforderlich sind. Es sind weniger schmerzhafte Verfahren zum Erhalt einer Probe bekannt, wie das Einritzen des Arms oder des Oberschenkels, wo eine geringere Dichte von Nervenenden vorliegt. Das Einritzen des Körpers am Arm oder Oberschenkel erzeugt jedoch typischerweise Probenvolumen von Blut im Submikroliterbereich, da diese Bereiche nicht allzu viele oberflächennahe Kapillarblutgefäße aufweisen. Da bei der vorliegenden Erfindung nur 0,2 μl Blut benötigt werden, gestattet sie nicht nur die weit weniger schmerzhafte Probenahme aus der Fingerspitze, sonder bietet auch die Möglichkeit, geeignete Blutproben von wechselnden Stellen zu entnehmen.
Weitere Nachteile der Geräte im Stand der Technik sind, dass sie einen stärker begrenzten linearen Bereich haben, normalerweise bis zu ca. 600 mg/dl. Außerdem ist vor dem möglichen Ablesen eine relativ längere Wartezeit erforderlich. Ein anderer Nachteil eines Biosensors mit einem End- oder Seiteneinlass für die direkte Einleitung der Blutprobe in die Probenkammer von der Bluttropfenquelle ist die unbeabsichtigte Blockierung oder teilweise Blockierung des Einlasses durch die Blutquelle.
Die Benutzer neigen dazu, den Biosensor fest gegen den Blutentnahmepunkt, z. B. am Finger oder Arm, zu drücken. Da der Einlass in den Kapillarkanal des Biosensors klein ist, wird der Einlass durch dieses Verhalten blockiert oder teilweise blockiert. Das Ergebnis ist, dass (1) das Blut überhaupt nicht in den Kapillarkanal eintritt oder (2) das Blut zum Teil in den Kanal eintritt, diesen aber nicht ausreichend füllt, oder (3) das Blut den Kapillarkanal sehr langsam füllt. Bei der Bedingung (1) wird das Messgerät möglicherweise nicht angesteuert, so dass keine Anzeige erfolgt. Bei den Bedingungen (2) und (3) wird das Messgerät möglicherweise nicht angesteuert oder wird angesteuert, zeigt aber ungenaue Testergebnisse aufgrund einer zu kleinen Probe oder der langsamen Füllung der Kapillare an.
Die US-A-5,997,817 offenbart einen Elektrodenstreifen zum Testen einer Fluidprobe, der eine Kerbe in der Abdeckung aufweist. Die Kerbe hat eine Dreieckform.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Einmal-Elektrodenstreifen zum Testen einer Fluidprobe mit verbesserter Probennahme bereitzustellen.
Der Einmal-Elektrodenstreifen gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Bevorzugte Ausführungsformen dieses Einmal-Elektrodenstreifens sind in den Unteransprüchen 2 bis 19 beschrieben. Anspruch 20 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Einmal-Elektrodenstreifen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Elektrodenstreifen hat einen laminierten lang gestreckten Körper mit einem Fluidprobenkanal, der eine Verbindung zwischen einer Öffnung an einem Ende des laminierten Körpers und einer Entlüftungsöffnung, die im Abstand von der Öffnung angeordnet ist, herstellt. Der Fluidprobenkanal ist so dimensioniert, dass er den raschen Fluss einer Probe wie Vollblut in den Kanal optimiert. Innerhalb des Fluidkanals liegen mindestens eine Arbeitselektrode und eine Referenzelektrode, vorzugsweise eine Arbeitselektrode, eine Referenzelektrode und eine Pseudo-Arbeitselektrode. Die Anordnung der Arbeits- und Referenzelektrode ist unter dem Gesichtspunkt der vom elektrochemischen Sensor erhaltenen Resultate nicht von Bedeutung. Die Arbeitselektrode, die Referenzelektrode und die Pseudo-Arbeitselektrode stehen jeweils in elektrischem Kontakt mit getrennten leitfähigen Kanälen. Die getrennten leitfähigen Kanäle enden und liegen frei, um eine elektrische Verbindung zu einem Ablesegerät an dem Ende, das dem offenen Kanalende des laminierten Körpers gegenüberliegt, herzustellen.
Der laminierte Körper hat eine isolierende Basisschicht aus einem Kunststoffmaterial. Die isolierende Basisschicht hat auf einer Seite eine leitfähige Schicht. Die leitfähige Schicht kann auf der Isolierschicht durch Siebdruck, Abscheidung aus der Dampfphase oder durch ein anderes Verfahren aufgebracht werden, das eine leitfähige Schicht bereitstellt, die auf der isolierenden Basisschicht haftet und die gesamte isolierende Basisschicht im Wesentlichen bedeckt. Die aus der Dampfphase abgeschiedene leitfähige Schicht ist durch Ätzen/Anreißen der leitfähigen Schicht in leitfähige Kanäle unterteilt. Der Ätzprozess kann chemisch, durch mechanisches Anreißen von Linien in der leitfähigen Schicht, mittels eines Lasers zum Anreißen der leitfähigen Schicht in getrennte leitfähige Kanäle oder durch jedes andere Mittel erfolgen, das eine Unterbrechung zwischen den getrennten leitfähigen Kanälen erzeugt, die bei der vorliegenden Erfindung erforderlich sind. Die bevorzugten leitfähigen Beschichtungen sind ein Goldfilm oder ein Zinnoxid-/Goldfilmgemisch bzw. eine -schicht.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Goldfilm oder der Zinnoxid/Goldfilm selbst nicht als Referenzelektrode fungieren kann. Damit die Referenzelektrode funktioniert, muss eine Redox-Reaktion (z. B. Fe(CN)₆ ^3– + e''ΠFe(CN)₆ ^4–) am elektrisch leitenden Material stattfinden, wenn ein Potential angelegt ist. Deshalb muss ein Redox-Paar oder -Mediator an dem als Referenzelektrode dienenden leitenden Material vorhanden sein.
Das einzigartige Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ihre Fähigkeit, Probengrößen bis herunter zu 0,10 μl oder weniger messen zu können, ohne entgegengesetzte Arbeits- und Referenzelektroden und eine Sorbens-/Siebschicht dazwischen zur Verringerung des Probenvolumens für die Messung zu verwenden. Dies wird erreicht, indem die Breite und Länge des U-förmigen Ausschnitts verkleinert werden und eine dünnere mittlere Schicht verwendet wird.
Der laminierte Körper hat außerdem eine mittlere Isolierschicht auf der Oberseite der Basisschicht. Die mittlere Schicht besteht ebenfalls aus einem Plastikisoliermaterial und erzeugt den Fluidprobenkanal des laminierten Körpers. Sie enthält einen U- förmigen Ausschnitt an einem Ende, der den Elektrodenabschnitt der leitfähigen Kanäle in der Basisschicht überlagert, wobei das offene Ende dem offenen Ende des zuvor beschriebenen laminierten Körpers entspricht.
Die mittlere Schicht muss eine ausreichende Dicke haben, um mit einer ausreichenden Menge eines chemischen Reagenz zur Verwendung als elektrochemischer Sensor beladen werden zu können, wobei eine Strömungskanalabmessung mit optimalen Blutströmungseigenschaften aufrechterhalten wird. Der U-förmige Ausschnitt enthält ein chemisches Reagenz. Das chemische Reagenz hat einen Redoxmediator mit mindestens einer der folgenden Substanzen: einen Stabilisator, ein Bindemittel, ein Tensid, einen Puffer und ein Enzym, das als Katalysator bei einer Reaktion, an der das Substrat für das Enzym beteiligt ist, fungieren kann. Der Redoxmediator kann Elektronen zwischen der enzymkatalysierten Reaktion und der Arbeitselektrode transportieren. Außerdem veranlasst er die Funktion der Referenzelektrode.
Der laminierte Körper der vorliegenden Erfindung hat eine Deckschicht mit einer Entlüftungsöffnung und einer Einlasskerbe. Die Entlüftungsöffnung ist so angeordnet, dass mindestens ein Abschnitt davon den Grund des U-förmigen Ausschnitts überlagert, wodurch ein Abschnitt des chemischen Reagenz der mittleren Isolierschicht freigelegt wird. Die Entlüftungsöffnung ermöglicht das Entweichen der Luft im Fluidprobenkanal, wenn die Fluidprobe in das offene Ende des laminierten Körpers eintritt. Die Einlasskerbe erleichtert die Einleitung der Probe durch den Einlass, indem eine obere Einlassöffnung geschaffen wird, die mit dem Ende des Sensoreinlasses in Verbindung steht. Falls die Probeneinlassöffnung versehentlich durch die Quelle der Blutprobe, etwa einen Finger, blockiert wird, bleibt die Einlasskerbe zur Aufnahme der Fluidprobe offen.
Die Fluidprobe füllt im Allgemeinen den Fluidprobenkanal durch die Kapillarwirkung. Im Falle kleiner Volumina hängt die Stärke der Kapillarwirkung von der hydrophoben bzw. hydrophilen Beschaffenheit der Oberflächen ab, die mit dem der Kapillarwirkung unterliegenden Fluid in Kontakt stehen. Dies ist auch als Benetzungsfähigkeit des Materials bekannt. Die Kapillarkräfte werden verstärkt, indem entweder ein hydrophiles Isoliermaterial zur Bildung der Deckschicht verwendet wird, oder indem mindestens ein Abschnitt einer Seite eines hydrophoben Isoliermaterials mit einer hydrophilen Substanz in dem Bereich der Deckschicht versehen wird, der zum Fluidprobenkanal zwischen dem offenen Ende des laminierten Körpers und der Entlüftungsöffnung der Deckschicht weist. Es versteht sich, dass eine ganze Seite der Deckschicht mit der hydrophilen Substanz beschichtet und dann mit der zweiten mittleren Schicht verbunden werden kann.
Die innerhalb des Fluidprobenkanals befindlichen Elektrodenabschnitte enthalten Reagenzmaterial für die Arbeitselektrode (W), die Referenzelektrode (R) und die Pseudo-Arbeitselektrode (W₀). Ein Reagenzgemisch wird in den Fluidkanal eingebracht, so dass es die Elektrodenabschnitte der isolierenden Basisschicht und der leitfähigen Kanäle bedeckt. Eine ausreichende Menge des Reagenzgemischs wird innerhalb des U-förmigen Ausschnitts der mittleren Isolierschicht so aufgebracht, dass die durch den U-förmigen Ausschnitt markierte gesamte Oberfläche im Wesentlichen bedeckt wird. Die Menge des verwendeten Reagenzgemischs ist so gewählt, dass die nach dem Trocknen entstandene Reagenzmatrix zur Verwendung als elektrochemischer Sensor ausreicht, aber oberhalb der Reagenzmatrix noch genügend Raum vorhanden ist, um eine rasche Blutströmung durch den Fluidkanal zu gestatten. Die Reagenzmatrix hat einen Redoxmediator mit mindestens einer der folgenden Substanzen: einen Stabilisator, ein Bindemittel, ein Tensid, einen Puffer und ein Enzym, das als Katalysator bei einer Reaktion, an der das Substrat für das Enzym beteiligt ist, fungieren kann.
Die möglichen Elektrodenanordnungen im Fluidprobenkanal können W-R-W₀, W-W₀-R, R-W-W₀, R-W₀-W, W₀-W-R oder W₀-R-W sein, wobei bei den angegebenen Anordnungen die Elektroden in Richtung vom offenen Ende des laminierten Körpers zur Entlüftungsöffnung liegen. Als die bevorzugte Position ergab sich W-R-W₀; d. h., wenn das Fluid in das offene Ende des laminierten Körpers eingetreten ist, bedeckt es zuerst W, dann R und dann W₀.
Die Pseudo-Arbeitselektrode W₀ ist so positioniert, dass sie von der Fluidprobe zuletzt erreicht wird. Der bei W₀ resultierende Strom steuert das Anzeigemessgerät an, so dass es den Prozess der Messung und Bestimmung der Analytenkonzentration beginnt. Eine derartige Anordnung verringert die Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Genauigkeit, die durch eine unzureichende Größe der Fluidprobe verursacht werden. Es ist zu beachten, dass W₀ auch als Gegenelektrode verwendet werden kann. Das resultierende Drei-Elektroden-System (d. h. Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegenelektrode) würde im Fall einer Fluidprobe mit einem starken IR-Abfall verwendet werden. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass die Impedanz zwischen zwei beliebigen Elektroden zur Schätzung des Hämatokrits einer Blutprobe und deshalb zur Korrektur der Hämatokritstörung herangezogen werden kann.
Alle Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich besser aus der detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht der vorliegenden Erfindung, die das offene Ende, die Entlüftungsöffnung und die elektrischen Kontaktpunkte des laminierten Körpers zeigt.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der vorliegenden Erfindung, die die verschiedenen Schichten des laminierten Körpers darstellt.
3 ist eine Schnittansicht der vorliegenden Erfindung von 1.
4A, 4B und 4C sind Draufsichten eines Segments eines Streifens jeder Schicht der vorliegenden Erfindung, die die Muster zur Bildung mehrerer Sensoren der vorliegenden Erfindung zeigen.
4D ist eine Draufsicht eines Segments des laminierten Streifens der vorliegenden Erfindung, die die Muster zur Bildung mehrerer Sensoren der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 1 bis 4 dargestellt. 1 zeigt einen Sensor 10 der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 10 hat einen laminierten Körper 100, ein Fluidprobenahmeende 110, ein elektrisches Kontaktende 120 und eine Entlüftungsöffnung 42. Das Fluidprobenahmeende 110 enthält einen Fluidprobenkanal 112 zwischen einer Probenahmeendöffnung 114 und der Entlüftungsöffnung 42. Das Probenahmeende 110 enthält außerdem eine Einlasskerbe 44. Das elektrische Kontaktende 120 hat drei diskrete leitfähige Kontakte 122, 123 und 124.
Nunmehr sei auf 2 verwiesen, wonach der laminierte Körper 100 aus einer isolierenden Basisschicht 20, einer mittleren Schicht 30 und einer Deckschicht 40 besteht. Alle Schichten bestehen aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise Kunststoff. Beispiele für ein bevorzugtes dielektrisches Material sind Polyvinylchlorid, Polycarbonat, Polysulfon, Nylon, Polyurethan, Zellulosenitrat, Zellulosepropionat, Zelluloseace tat, Zelluloseacetatbutyrat, Polyester, Acryl und Polystyrol. Die isolierende Basisschicht 20 hat eine leitfähige Schicht 21, auf der ein erster leitfähiger Kanal 22, ein zweiter leitfähiger Kanal 23 und ein dritter leitfähiger Kanal 24 markiert sind. Die leitfähigen Kanäle 22, 23 und 24 können durch Anreißen oder Einritzen der leitfähigen Schicht 21 wie in 2 dargestellt und als Anrisslinien 27 und 28 gezeigt oder durch Siebdrucken der leitfähigen Kanäle 22, 23 und 24 auf die Basisschicht 20 gebildet werden. Anreißen oder Einritzen der leitfähigen Schicht 21 kann durch mechanisches Anreißen der leitfähigen Schicht 21 mit ausreichender Tiefe, um die drei unabhängigen leitfähigen Kanäle 22, 23 und 24 zu erzeugen. Das bevorzugte Anreiß- oder Einritzverfahren der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Lasers, eines YAG-Lasers oder eines Eximer-Lasers ausgeführt. Eine zusätzliche Anreißlinie 29 (fett und nicht maßstäblich; nur zur Verdeutlichung) kann entlang der Außenkante der Basisschicht 20 vorgesehen werden, um potentielle statische Probleme zu vermeiden, die ein rauschbehaftetes Signal hervorrufen könnten, ist aber für die Funktionalität des Sensors 10 nicht erforderlich. Die leitfähige Schicht 21 kann aus jedem elektrisch leitfähigem Material bestehen, vorzugsweise Gold oder Zinnoxid/Gold. Ein geeignetes Material für die Basisschicht 20 ist ein Zinnoxid-/Gold-Polyesterfilm (Kat. Nr. FM-1) oder ein Gold-Polyesterfilm (Kat. Nr. FM-2), die von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, Kalifornien, vermarktet werden.
Die mittlere Schicht 30 hat einen U-förmigen Kanalausschnitt 32, der sich am Sensorende 31 der mittleren Schicht befindet. Der U-förmige Ausschnitt kann mittels eines Lasers oder Stanzen gebildet werden. Die Länge des Kanalausschnitts 32 ist so gewählt, dass dann, wenn die mittlere Schicht 30 auf die Oberseite der Basisschicht 20 aufgebracht wird, die Elektrodenbereiche W, R und W₀ innerhalb des durch den Kanalausschnitt 32 definierten Raums liegen. Es hat sich gezeigt, dass die Dicke der mittleren Schicht 30 für das Volumen des Kapillarkanals und für die Geschwindigkeit der Fluidprobenströmung in den Fluidprobenkanal 112 kritisch ist, der durch die Kapillarwirkung der Fluidprobe gefüllt wird. Der Kanalausschnitt 32 enthält die Reagenzmatrix 50, die die Arbeitselektrode bildet, die Referenzelektrode und die Pseudo-Arbeitselektrode (deutlicher in 3 dargestellt). Die Reagenzmatrix 50 muss typischerweise mit einem Redoxmediator geladen sein, damit die Referenzelektrode arbeiten kann. Wenn R nicht mit einem Redoxreagenz oder -mediator geladen ist, funktionieren die Arbeitselektroden W und W₀ nicht. Die Elektrodenbereiche W, W₀ und R sind vorzugsweise mit dem gleichen chemischen Reagenz geladen. Die Reagenzien enthalten vorzugsweise eine oxidierte Form eines Redoxmediators, einen Stabilisator, ein Bindemittel, ein Tensid, einen Puffer und ein Enzym. Der Redoxmediator kann typischerweise mindestens eine der folgenden Substanzen sein: Ferro cen, Kaliumferricyanid, andere Ferrocenderivate oder andere organische und anorganische Redoxmediatoren. Der bevorzugte Stabilisator ist Polyethylenglycol, das bevorzugte Bindemittel Methylzellulose, das bevorzugte Tensid t-Octylphenoxypolyethoxyethanol und der bevorzugte Puffer ist ein Zitratpuffer. Das Enzym kann eine Reaktion katalysieren, an der ein Substrat für das Enzym oder ein Substrat, das katalytisch mit einem Enzym und einem Mediator reagiert, der in der Lage ist, Elektronen zwischen der enzymkatalysierten Reaktion und der Arbeitselektrode zu transportieren, um einen Strom zu erzeugen, der für die Aktivität des Enzyms oder Substrats und für die Verbindung repräsentativ ist. Das Enzym könnte Glukoseoxidase, Laktatoxidase, Cholesteroloxidase und Kreatininamidohydrolase sein.
Die Deckschicht 40, die über der mittleren Schicht 30 aufgebracht ist und sich wie diese erstreckt, hat eine zur Entlüftungsöffnung 42, die zum Fluidprobenahmeende 110 des Sensors 10 beabstandet ist, um sicherzustellen, dass die Fluidprobe im Fluidkanal 112 die Elektrodenbereiche W, R und W₀ vollständig bedeckt. Die Entlüftungsöffnung 42 ist so in der Deckschicht 40 angeordnet, dass sie in etwa auf den Grund des Kanalausschnitts 32 der mittleren Schicht 30 ausgerichtet ist, wobei mit Grund der Kanalausschnitt 32 gemeint ist, der vom Sensorende 31 am weitesten entfernt ist. Die Entlüftungsöffnung 42 legt vorzugsweise einen Abschnitt der mittleren Schicht 30 frei und überlappt teilweise den Grund des U-förmigen Ausschnitts 32 der mittleren Schicht 30.
Die Deckschicht 40 enthält auch eine Einlasskerbe 44 am Fluidprobenahmeende 110 des Sensors 10. Die Einlasskerbe 44 ist vorgesehen, um das Laden der Probe in den Fluidkanal 112 zu unterstützen, wenn die Probenahmeendöffnung 114 versehentlich blockiert werden könnte und so den Eintritt der Fluidprobe in den Fluidkanal 112 verhindern würde, wenn die Einlasskerbe 44 für die Probe nicht vorhanden wäre. Die Kerbe 44 für die Probe kann beliebig geformt sein und ist nicht auf die dargestellte Halbkreisform beschränkt. Die Entlüftungsöffnung und die Einlasskerbe können mittels Laser oder Stanzen gebildet werden.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der verschiedenen Schichten der vorliegenden Erfindung. Die Schichten sind nicht maßstäblich dargestellt, so dass die Beziehung jeder Komponente der vorliegenden Erfindung insbesondere die Anreißlinien 27 und 28 für den Fachmann deutlicher wird.
Ansetzen der Elektroden-Reagenzmatrix
Die Elektroden-Reagenzmatrix weist die oxidierte Form eines Redoxmediators, einen Stabilisator, ein Bindemittel, ein Tensid, einen Puffer und ein Enzym auf. Es wurde festgestellt, dass die oxidierte Form des Redoxmediators, Kaliumferricyanid, in der Matrix stabil ist. Ein geeignetes Kaliumferricyanid ist bei Sigma Chemicals, St. Louis, MO (USA) (Kat. Nr. P3667) erhältlich. Die für die Formulierung verwendete Menge muss zum Erhalt eines linearen Bereichs, in dem der Prozess möglich ist, ausreichen. Das Enzym muss außerdem hinreichend aktiv, rein und stabil sein. Handelsüblich verfügbare Glocuseoxidase (ca. 270 U/mg) kann von Biozyme, San Diego, Kalifornien, Kat. Nr. G03A, bezogen werden. Der Stabilisator muss gut wasserlöslich sein und sowohl den Mediator als auch das Enzym stabilisieren können. Der bevorzugte Stabilisator ist Polyethylenglycol (Kat. Nr. P4338, Sigma Chemicals, St. Louis, MO). Das Bindemittel sollte in der Lage sein, alle anderen Chemikalien in der Reagenzmatrix in den Elektrodenbereichen W, R und W₀ mit der leitfähigen Oberfläche bzw. der Schicht 21 der Basisschicht 20 zu binden. Das bevorzugte Bindemittel ist Methocel 60 HG (Kat. Nr. 64655, Fluka Chemical, Milwaukee, WI, USA). Die Pufferlösung muss eine ausreichende Pufferfähigkeit haben und einen pH-Wert zur Optimierung der Enzymreaktion. Ein 0,05 M-Zitratpuffer ist bevorzugt. Zitronensäure und Kaliumzitrat zur Herstellung des Zitratpuffers können von Sigma Chemicals bezogen werden. Das Tensid ist erforderlich, um die Dispersion der Elektrodenreaktionsmatrix in den Kanalausschnitt 32 und die rasche Lösung trockener chemischer Reagenzien, die an der Bildung der Reagenzmatrix beteiligt sind, zu unterstützen. Menge und Typ des Tensids sind wo gewählt, dass die zuvor erwähnten Funktionen sichergestellt und ein Denaturierungseffekt des Enzyms verhindert werden. Das bevorzugte Tensid ist Triton X-100 von Fluka Chemical, Milwaukee, WI (Kat. Nr. 94443). Die Reagenzmatrix wird durch Ansetzen des Reagenzgemischs wie folgt erhalten:
Schritt 1: 50 mM Zitratpuffer (pH 5,7) ansetzen, indem 0,1512 g Zitronensäure und 1,2580 g Kaliumzitrat in 100 ml deionisiertem Wasser gelöst werden.
Schritt 2: 1%-ige Methocel 60 HG-Lösung ansetzen, indem 1 g Methocel in 100 ml Zitratpuffer gemäß Schritt 1 12 Stunden lang verrührt wird.
Schritt 3: 0,3 ml 10%-iges Triton X-100 zur Methocel-Lösung zugeben.
Schritt 4: 2,5 g Polyethylenglycol zur Lösung gemäß Schritt 3 zugeben.
Schritt 5: Während des Rührens 6,5 g Polyethylenglycol zur Lösung gemäß Schritt 4 zugeben.
Schritt 6: 1,0 g Glucoseoxidase zur Lösung gemäß Schritt 5 zugeben und 10 Minuten lang verrühren oder bis sämtliche Feststoffe vollständig gelöst sind.
Aufbau der Elektrode
Ein Stück Gold- oder Zinnoxid/Gold-Polyesterfilm, der von Courtaulds Performance Films, Canoga Park, Kalifornien, vermarktet wird, wird wie in 2 dargestellt zugeschnitten und bildet die Basisschicht 20 des Sensors 10. Ein CO₂-Laser wird zum Einritzen des Gold- oder Zinnoxid/Gold-Polyesterfilms verwendet (25 W-Laser von Synrad, Inc., San Diego, Kalifornien). Wie 2 zeigt, wird der Film mittels des Lasers eingeritzt, wodurch die Markierungslinien 27 und 28 entstehen, so dass zwei Elektroden am Fluidprobenahmeende 110 und drei Kontaktpunkte 122, 123 und 124 am elektrischen Kontaktende 120 gebildet werden. Die Makierungslinie ist sehr dünn, reicht aber aus, um zwei getrennte elektrische Leiter zu erzeugen. Eine zusätzliche Markierungslinie 29 kann entlang der Außenkante der Basisschicht 20 vorgesehen werden, um potentielle statische Probleme zu vermeiden, die ein rauschbehaftetes Signal vom fertigen Sensor 10 hervorrufen könnten, ist aber nicht erforderlich.
Ein Stück doppelseitiges Klebeband (Arcare^® 7840), erhältlich von Adhesive Research, Glen Rock, PA (USA), wird zugeschnitten und bildet die mittlere Schicht 30 mit dem U-förmigen Kanal 32, so dass es den größten Teil der leitfähigen Schicht 21 der Basisschicht 20 bedeckt, mit der Ausnahme, dass ein kleiner elektrischer Kontaktbereich am elektrischen Kontaktende 120 (1) frei bleibt. Der U-förmige Kanal 32 wird unter Verwendung des CO₂-Lasers ausgefräst. Die mittlere Schicht 30 wird dann auf die Basisschicht 20 aufgelegt. Wie bereits erwähnt dient diese mittlere Schicht 30 als Abstandshalter und definiert die Größe des Fluidprobenkanals 112. Außerdem definiert sie den Elektrodenbereich 26, der die Elektrodenreagenzmatrix 50 aufnimmt. Ihre Breite und Länge werden optimiert, um für eine relativ rasch fließende Fluidprobe zu sorgen. Die Größe des U-förmigen Kanals 32 beträgt ca. 0,039 Zoll (1,0 mm) in der Breite und ca. 0,134 Zoll (3,4 mm) in der Länge. Die Kanalbreite und -länge können jedoch verringert werden, so dass das Probenvolumen so gering wie 0,1 μl sein kann.
1,0 μl Reagenzgemisch wird in den Kanal 32 dosiert, um die Elektroden W, R und W₀ zu bilden. Das Reagenzgemisch ist ein Gemisch aus einem Redoxmediator, einem Stabilisator, einem Bindemittel, einem Tensid einem Puffer und einem Enzym. Die bevorzugte Zusammensetzung des Reagenzgemischs ergibt sich durch Mischen der folgenden Prozentsätze folgender Bestandteile: ca. 6,5 Gew.-% Kaliumferricyanid, ca. 2,5 Gew.-% Polyethylenglycol, ca. 1 Gew.-% Methocel 60 HG, ca. 0,03 Gew.-% Triton X-100, ca. 0,05 M Zitratpuffer (pH 5,7) und ca. 1 Gew.-% Glucoseoxidase. Nach dem Zugeben des Reagenzgemischs wurde das Gerät in einem Ofen bei 55°C ca. 2 Minuten lang getrocknet.
Nach dem Trocknen wird ein Stück eines transparenten Film (Kat. Nr. PP2200 oder PP2500 von 3M) in die Deckschicht 40 eingepasst. Eine rechteckige Entlüftungsöffnung 42 und eine halbkreisförmige Kerbe 44 werden mit dem zuvor erwähnten CO₂-Laser gebildet. Die bevorzugte Größe der Entlüftungsöffnung 42 beträgt ca. 0,039 Zoll (1,0 mm) mal ca. 0,051 Zoll (1,30 mm). Die Entlüftungsöffnung 42 befindet sich ca. 0,087 Zoll (2,2 mm) vom Fluidende des Sensors 10. Die halbkreisförmige Kerbe 44 hat einen Radius von ca. 0,030 Zoll (0,75 mm) und ist vom Fluidende 110 des Sensors 10 ausgespart. Die Deckschicht 40 wird auf die mittlere Schicht 30 ausgerichtet und auf dieser aufgebracht, um den Zusammenbau des in 1 dargestellten Sensors 10 abzuschließen.
Obwohl die obige Beschreibung des Aufbaus der Elektrode die Konstruktion für einen einzelnen Sensor erläutert, sind die Auslegung und die verwendeten Materialien zur Herstellung mehrerer Sensoren aus einem Stück jeder Materialschicht ideal geeignet, wie in den 4A bis 4C dargestellt ist. Dies wird erreicht, indem mit einem relativ großen Stück der Basisschicht 20 mit der darauf aufgebrachten leitfähigen Schicht 21 jeder Materialschicht begonnen wird. Eine Mehrzahl Markierungslinien 27 und 28 wird in der leitfähigen Schicht 21 so ausgeführt, dass ein sich wiederholendes Muster wie in 4A dargestellt entsteht, wobei das zuvor beschriebene Anreißverfahren angewendet wird, so dass jedes Muster schließlich drei leitfähige Wege 22, 23 und 24 für jeden Sensor definiert. Analog wird ein großes Stück für die mittlere Schicht 30 mit einer Mehrzahl lang gestreckter Ausschnitte 32 in einem sich wiederholenden Muster wie in 4B dargestellt auf die Basisschicht 20 gelegt. Das große Stück der mittleren Schicht 30 ist so dimensioniert, dass es über die Basisschicht 20 passt, wobei die Mehrzahl lang gestreckter Ausschnitte 32 über den Bereichen ausgerichtet sind, wo sich die Anreißlinien 27 und 28 schneiden, wodurch drei klar begrenzte Elektrodenbereiche W, R und W₀ sowie die Mehrzahl der leitfähigen Kontakte 122, 123 und 124, die sich am gegenüberliegenden Rand des Streifens befinden, freigelegt werden. Die Größe jedes Ausschnitts und die Menge des in jeden Kanal 32 eingebrachten Reagenzgemischs sind ähnlich wie die oben offenbarten. Nach dem Dosieren des Reagenzgemischs in die jeweiligen Ausschnitte wird das Reagenzgemisch getrocknet, so dass jeder lang gestreckte Ausschnitt 32 der mittleren Schicht 30 eine dünne Schicht der Reagenzmatrix enthält. Eine Deckschicht 40, die vergleichbar dimensioniert ist und sich zusammen mit der mittleren Schicht 30 erstreckt, die eine Mehrzahl Entlüftungsöffnungen 42 und eine Kerbe bildende Öffnungen 44' in einem sich wiederholenden Muster hat, wie in 4C dargestellt ist, wird auf die mittlere Schicht 30 gelegt. 4D ist eine Draufsicht der kombinierten Schichten. Der durch die drei Schichten 20, 30 und 40 gebildete laminierte Streifen hat eine Mehrzahl Sensoren 10, die vom laminierten Streifen abgeschnitten werden können. Der laminierte Streifen wird in Längsrichtung entlang der Linie A-A' am Fluidprobenahmeende 210 abgeschnitten, um eine Mehrzahl Probenahmeöffnungen 114 zu bilden, und in Längsrichtung entlang der Linie B-B' am elektrischen Kontaktende 220, um eine Mehrzahl leitfähiger Kontakte 122, 123 und 124 zu bilden. Der laminierte Streifen wird in vorgegebenen Intervallen entlang den Linien C-C' abgeschnitten, wodurch eine Mehrzahl einzelner Sensoren 10 gebildet wird. Das Fluidprobenahmeende 120 jedes Sensors 10 kann falls gewünscht wie in 1 dargestellt geformt werden. Für den Fachmann dürfte es sich verstehen, dass die Reihenfolge, in der der laminierte Streifen abgeschnitten werden kann, nicht von Wichtigkeit ist. So kann der laminierte Steifen z. B. an vorgegebenen Intervallen (C-C') abgeschnitten und dann können die Schnitte entlang A-A' und B-B' zur Beendigung des Prozesses ausgeführt werden.
Eine Beschreibung, in der der weite lineare Bereich, die Präzision und die Merkmale des minimalen Probenvolumens der vorliegenden Erfindung näher erörtert werden, zusammen mit weiteren Testparametern und Beispielen findet sich im U.S.-Patent Nr. 6,258,229 .
Obwohl hierin die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die obige Beschreibung rein beispielhaft. Für den Fachmann auf den einschlägigen Gebieten wird sich eine weiter gehende Modifikation der hier offenbarten Erfindung erschließen, und sämtliche solcher Modifikationen gelten als vom Gültigkeitsbereich der Erfindung abgedeckt, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Elektrodenstreifen zum Testen einer Fluidprobe und zum Wegwerfen danach, mit: einem laminierten Streifen mit einem ersten Streifenende (110), einem zweiten Streifenende (120) und einer Entlüftungsöffnung (42), die vom ersten Streifenende beabstandet ist, wobei der laminierte Streifen eine Basisschicht (20) mit einer darauf angeordneten leitfähigen Schicht (21) aufweist, wobei die leitfähige Schicht (21) Anreißlinien (27, 28), die auf ihr gezogen sind und mindestens zwei Elektrodenwege (22, 23, 24) bilden, eine einen Kanal bildende Schicht (100), die auf der Basisschicht getragen wird, sowie eine Abdeckung (40) hat; einem umhüllten Kanal (112) zwischen dem ersten Streifenende (110) und der Entlüftungsöffnung (42), wobei der umhüllte Kanal (112) so dimensioniert ist, dass er ein Volumen der Fluidprobe unter einem Mikroliter aufnehmen kann und einen Abschnitt jedes der mindestens zwei Elektrodenwege (22, 23, 24) freilegt; einer Reagenzmatrix (50), die mindestens ein Enzym, einen Stabilisator, enthält, wobei der Stabilisator ein Polyalkylenglykol ist, sowie einen Redoxmediator, der auf der Basisschicht im umhüllten Kanal aufgebracht ist; leitfähigen Kontakten (122, 123, 124) am zweiten Streifenende (120), die gegenüber dem umhüllten Kanal isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (40) eine halbkreisförmige Einkerbung (44) am ersten Streifenende (110) hat.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem das Enzym aus der Gruppe bestehend aus Glukoseoxidase, Laktatoxidase, Cholestroloxidase und Kreatininamidohydrolase gewählt wird.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem der Redoxmediator Kaliumferricyanid oder ein anderer anorganischer oder organischer Redoxmediator ist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Schicht Gold und Zinnoxid aufweist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem die Basisschicht, die den Kanal bildende Schicht und die Abdeckung aus einem dielektrischen Kunststoffmaterial bestehen.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem der geschlossene Kanal ein Volumen von ca. 0,2 ml hat.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem die Abdeckung auf mindestens einer Seite eine hydrophile Beschichtung hat.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem die Reagenzmatrix ferner mindestens entweder einen Stabilisator, ein Bindemittel, ein Tensid oder einen Buffer enthält.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 8, bei dem der Stabilisator ein Polyalkylenglykol, das Bindemittel ein Zellulosematerial und das Tensid ein Polyoxyethylenäther ist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 9, bei dem der Stabilisator ein Polyethylenglykol, das Bindemittel Methylzellulose, das Tensid ein t-Octylphenoxypolyethoxyethanol und der Puffer ein Zitratpuffer ist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 10, bei dem die Reagenzmatrix aus einem Gemisch mit Ausgangskomponenten, die ca. 1 Gew.-% bis ca. 6,5 Gew.-% des Redoxmediators, ca. 2,5 Gew.-% des Stabilisators, ca. 1 Gew.-% des Bindemittels, ca. 0,03 Gew.-% des Tensids und ca. 1 Gew.-% des Enzyms im Zitratpuffer aufweisen, besteht.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 10, bei dem der Zitratpuffer ca. 0,05 M beträgt.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem die den Kanal bildende Schicht eine Dicke hat, die ausreicht, um den Fluss der Fluidprobe entlang dem offenen Weg zu optimieren.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 3, bei dem das Kaliumferricyanid 6,5 Gew.-% beträgt.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 2, bei dem das Enzym Glukoseoxidase ist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 1, bei dem auf der leitfähigen Schicht ein dritter Elektrodenweg vorgesehen ist und bei dem der geschlossene Kanal eine Arbeitselektrode, eine Pseudo-Arbeitselektrode und eine Referenzelektrode enthält.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 16, bei dem die Pseudo-Arbeitselektrode eine Gegenelektrode ist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 16, bei dem die Pseudo-Arbeitselektrode eine Auslöseelektrode ist.
Elektrodenstreifen nach Anspruch 16, bei dem die Pseudo-Arbeitselektrode und die Referenzelektrode zu einem Widerstandsmessungs-Elektrodenpaar gepaart sind.
Verfahren zur Herstellung eines Einmal-Elektrodenstreifens, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einritzen einer Mehrzahl Anreißlinien (27, 28) in die leitfähige Beschichtung (21), die auf einer Seite einer länglichen Basisschicht (20) aufgebracht ist, die ein Elektrodenende und ein elektrisches Kontaktende hat, das mindestens zwei längliche elektrische Kanäle entlang der Länge der Basisschicht (20) bildet, wobei die Mehrzahl Anreißlinien (27, 28) einen ersten Kanal der mindestens zwei elektrischen Kanäle in L-Form und einen zweiten Kanal neben dem ersten Kanal bildet, wobei das L-förmige Ende des ersten Kanals und das Ende des zweiten Kanals axial auf die Mittelachse der Länge der Basisschicht ausgerichtet und in der Nähe des Elektrodenendes angeordnet sind; Aufbringen einer einen Kanal bildenden Schicht (100) über der ersten leitfähigen Beschichtung der Basisschicht (20), wobei die den Kanal bildende Schicht (100) einen U-förmigen Endabschnitt hat, der einen mittleren länglichen Kanal (112) definiert, der so dimensioniert ist, dass er einen Abschnitt des L-förmigen Endes des ersten Kanals und einen Abschnitt des zweiten Kanals freilegt, wobei die den Kanal bildende Schicht (100) eine kürzere Länge als die Basisschicht (20) hat, so dass ein Abschnitt jedes der mindestens zwei länglichen Kanäle am elektrischen Kontaktende freiliegt; Hinzufügen des Reagenzgemisches zum mittleren Kanal, das die freiliegenden Abschnitte des ersten und zweiten Kanals bedeckt, wobei das Reagenzgemisch ein Enzym hat, das eine Reaktion katalysieren kann, an der ein Substrat des Enzyms beteiligt ist; Trocknen des Reagenzgemisches, das die Reagenzmatrix (50) bildet; und Aufbringen einer Deckschicht (40) über der den Kanal bildenden Schicht (100), wobei die Deckschicht eine Entlüftungsöffnung (42), die vom Elektrodenende beabstandet ist, und eine Einkerbung (44) am Elektrodenende hat, wobei die Deckschicht einen Einlass und einen Kapillarraum mit dem U-förmigen Endabschnitt bildet, wobei die Entlüftungsöffnung (42) einen Abschnitt des mittleren Kanals am Ende des Kapillarraums gegenüber dem Einlass und die Einkerbung einen Abschnitt des mittleren Kanals am Einlass freilegt, wobei die Abdeckung (40) eine halbkreisförmige Einkerbung (44) aufweist.