專利名稱：電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池，其中，將所述各電極這樣隔開、使得來自第一計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)第一工作電極，而來自第一和第二計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物不到達(dá)第二工作電極。本發(fā)明也提供一種利用這種電化學(xué)電池測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，其測量精度高于利用只有單一工作和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池所能獲得的精度。
背景技術(shù)：
在測量電流的電化學(xué)中，電極上流動(dòng)的電流可以作為在工作電極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的電活性物質(zhì)的濃度的一種量度。在庫侖測量中，可以對電極上流動(dòng)的電流求時(shí)間積分、以便給出通過電荷的總量，所述總電荷量產(chǎn)生對在工作電極上發(fā)生反應(yīng)的電活性物質(zhì)的數(shù)量的量度。電極上流動(dòng)的電流(或在任何時(shí)間通過的電荷)取決于電活性物質(zhì)向工作電極的轉(zhuǎn)移速率。當(dāng)有相當(dāng)濃度的電活性物質(zhì)位于靠近電極處并且在該電極加上足以使電活性物質(zhì)在電極/溶液界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電位時(shí)，最初有較高的電流流動(dòng)、該電流隨時(shí)間而減小。對于一個(gè)隔離的并且基本上平面的電極，在加到所述電極的電位足以使電活性物質(zhì)在到達(dá)電極時(shí)立即發(fā)生有效反應(yīng)、且電活性物質(zhì)到工作電極的轉(zhuǎn)移是由擴(kuò)散所控制的場合，電流符合本領(lǐng)域中稱為Cottrell方程的曲線。按照此方程，電流與時(shí)間的平方根成反比。這產(chǎn)生一種隨時(shí)間而衰減的電流，因?yàn)樵陔姌O上反應(yīng)的電活性物質(zhì)在靠近電極處逐漸耗盡，因此隨著時(shí)間的推移，電活性物質(zhì)必需從愈來愈遠(yuǎn)處傳輸過來以便到達(dá)電極。
如果，除了電極上電活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)之外，電活性物質(zhì)是在靠近工作電極處通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，那么，在電極上流動(dòng)的電流形式就變得復(fù)雜了。電極反應(yīng)會(huì)降低工作電極附近的電活性物質(zhì)的濃度，而化學(xué)反應(yīng)則會(huì)增加所述區(qū)域中電活性物質(zhì)的濃度。這兩種過程的時(shí)間關(guān)系特性混合在一起，很難從電極上流動(dòng)的電流(或經(jīng)過的電荷)來測量化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
因此，在公開的文獻(xiàn)中，一般不用電化學(xué)法測量化學(xué)反應(yīng)的速率，除了在使用專門設(shè)備的專門應(yīng)用中。這種設(shè)備的一個(gè)實(shí)例在本領(lǐng)域中稱為旋轉(zhuǎn)環(huán)/盤電極。所述裝置僅適用于比較快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而且要求電極以具有良好特性的流體動(dòng)力學(xué)的已知受控制速率旋轉(zhuǎn)。
發(fā)明概述需要一種電化學(xué)電池以及利用這種電化學(xué)電池測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，其測量精度高于利用具有單一工作和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池所能獲得的精度。優(yōu)選實(shí)施例提供這種電化學(xué)電池和方法。
在第一實(shí)施例中，提供一種測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟提供包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池；選擇第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自第一計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)第一工作電極；選擇第一工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自第二計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)第一工作電極；選擇第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自第二計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)第二工作電極；在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；選擇第一工作電極的電位、使得所述物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或所述物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；選擇第二工作電極的電位、使得所述物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或所述物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；從在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流中減去在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流，從而得到已已校正電流；以及從已校正電流得到表示所述物質(zhì)的還原形式或氧化形式的濃度的數(shù)值。
在第一實(shí)施例的一個(gè)方面中，第一工作電極的表面積和第二工作電極的表面積基本上相同。
在第一實(shí)施例的另一方面中，第一工作電極的表面積和第二工作電極的表面積不相同，所述對電流執(zhí)行減法的步驟包括測定在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；測定在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；將在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流和在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流相對于相同的電極表面積歸一化、產(chǎn)生在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的歸一化電流和在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的歸一化電流；以及從在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的歸一化電流中減去在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的歸一化電流，從而得到已校正電流。
在第一實(shí)施例的又一方面中，第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間的間隔小于大約500μm、或小于大約200μm。第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間，或第一工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔大于大約500μm、或大于大約1mm。
在第一實(shí)施例的再一方面中，氧化還原物質(zhì)可以是一種介體。當(dāng)氧化還原物質(zhì)是一種介體時(shí)，所述還原或氧化形式的介體的濃度表示分析物的濃度，其中，規(guī)定對所述還原或氧化形式的介體的擴(kuò)散系數(shù)的測量作為測定分析物濃度的前奏。
在第一實(shí)施例的又一方面中，所述電化學(xué)電池還包括單獨(dú)的參考電極。
在第一實(shí)施例的再一方面中，分析物可以是葡萄糖。
在第二實(shí)施例中，提供一種電化學(xué)電池，它包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極，第一工作電極與第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于大約500μm，第一工作電極與第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于大約500μm，而第二工作電極與第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于大約500μm。
再第二實(shí)施例的一個(gè)方面中，第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極和/或第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極彼此面對或并排配置。
在第二實(shí)施例的另一方面中，第一工作電極和第二工作電極具有基本上對應(yīng)的面積。
在第二實(shí)施例的又一方面中，電化學(xué)電池還包括單獨(dú)參考電極。
在第二實(shí)施例的再一方面中，所述電化學(xué)電池可以是空心電化學(xué)電池。所述電化學(xué)電池可具有小于1.5微升的有效電池容積。
在第三實(shí)施例中，提供一種測定電化學(xué)電池中氧化還原物質(zhì)濃度的裝置，所述裝置包括電化學(xué)電池，它具有第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極，其特點(diǎn)在于第一工作電極與第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于500μm，第一工作電極與第二計(jì)數(shù)電極的間隔500μm，第二工作電極與第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于500μm；用于在第一工作電極和第一計(jì)數(shù)電極之間加電位差的裝置；以及用于在第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極之間加電位差的裝置。
在第三實(shí)施例的一個(gè)方面中，所述裝置可以是葡萄糖計(jì)。
在第四實(shí)施例中，提供一種電化學(xué)電池，它包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極和第二工作電極，第一工作電極與第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于大約500μm，而第二工作電極與第一計(jì)數(shù)電極的間隔大于大約500μm。
在第五實(shí)施例中，提供一種測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟提供包括第一工作電極、計(jì)數(shù)電極和第二工作電極的電化學(xué)電池；選擇第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)第一工作電極；提供氧化還原物質(zhì)，其中在最初存在于第二工作電極上方的溶液中的氧化還原物質(zhì)至少有有效的一部分在第二工作電極上被還原或氧化；在第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；選擇第一工作電極的電位、使得所述物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或所述物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；測定在第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；以及從所述電流得到表示所述還原形式或氧化形式的物質(zhì)的濃度的數(shù)值。
在第五實(shí)施例的一個(gè)方面中，第一工作電極的表面積和第二工作電極的表面積基本上相同。
在第五實(shí)施例的另一方面中，第一工作電極的表面積和第二工作電極的表面積顯著不同。
在第六實(shí)施例中，提供一種測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟提供包括第一工作電極、第二工作電極和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池；選擇第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)第一工作電極；選擇第二工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)第二工作電極；在第二工作電極和計(jì)數(shù)電極之間加上電位差，從而將第二工作電極充分地充電并充分地完成表面組反應(yīng)；在大量所述物質(zhì)在第二工作電極處發(fā)生反應(yīng)之前斷開第二工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的電路；在第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；選擇第一工作電極的電位、使得所述物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或所述物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；測定在第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；以及從所述電流得到表示所述還原形式或氧化形式的物質(zhì)的濃度的數(shù)值。
在第七實(shí)施例中，提供一種測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟提供包括第一工作電極、第二工作電極和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池；選擇第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)第一工作電極；選擇第二工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)第二工作電極；在第二工作電極和計(jì)數(shù)電極之間以及第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間加上電位差，從而將第二工作電極和第一工作電極充分地充電并充分地完成表面組反應(yīng)；在大量所述物質(zhì)在第二工作電極處發(fā)生反應(yīng)之前斷開第二工作電極和計(jì)數(shù)電極之間的電路；在第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；選擇第一工作電極的電位、使得所述物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或所述物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；測定在第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；以及從所述電流得到表示所述物質(zhì)的還原形式或氧化形式的濃度的數(shù)值。
附圖簡要說明
圖1顯示優(yōu)選實(shí)施例的電化學(xué)電池10的截面圖，所述電化學(xué)電池具有平行和相對配置形式的電極表面。
圖2顯示優(yōu)選實(shí)施例的電化學(xué)電池50的截面圖，所述電化學(xué)電池具有并排配置形式的電極表面。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明以下的說明和實(shí)例詳細(xì)地說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)理解，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)可以對本發(fā)明進(jìn)行大量的變化和修改。所以，對優(yōu)選實(shí)施例的說明不應(yīng)被視為對本發(fā)明范圍的限制。
在把電化學(xué)電池作為檢測和量化分析物的電流測量傳感器時(shí)，可能希望能夠檢測非常低的分析物濃度。先有技術(shù)在檢測低濃度分析物時(shí)的限制之一是存在掩蓋所關(guān)心的電流的外加電流。這些不需要的電流中的某些部分來自于電極的容性充電電流以及從環(huán)境中拾取的電噪聲。優(yōu)選實(shí)施例的目的是提出一種能夠?qū)⑦@些電流對總信號的影響減至最小、從而能更好地檢測分析物的方法。
如先有技術(shù)中已知的，可以這樣設(shè)置兩個(gè)或三個(gè)電極的電化學(xué)電池中的電極、使得工作電極與計(jì)數(shù)電極反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物相隔離、或者使得計(jì)數(shù)電極反應(yīng)的產(chǎn)物擴(kuò)散到它們在那里發(fā)生反應(yīng)的工作電極上。前一類型電化學(xué)電池在先有技術(shù)中廣為人知。后一類型電化學(xué)電池在US 6179979和US 5942102中做了討論。
這兩種電極配置的不同在于在隔離情況下，計(jì)數(shù)電極設(shè)置成距工作電極足夠遠(yuǎn)、使得在使用電池時(shí)，計(jì)數(shù)電極上電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物不到達(dá)工作電極。在實(shí)際中，通常是將工作電極與計(jì)數(shù)電極分隔至少1毫米來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
在非隔離配置中，將工作電極和計(jì)數(shù)電極設(shè)置成彼此足夠接近、使得在使用電池時(shí)，計(jì)數(shù)電極上電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物可以擴(kuò)散到工作電極上。這些反應(yīng)產(chǎn)物然后在工作電極上反應(yīng)，產(chǎn)生比在隔離電極情況下更高的電流。在非隔離配置中，可以把工作電極上的反應(yīng)描繪成耦合到計(jì)數(shù)電極上的反應(yīng)。
電極配置在優(yōu)選實(shí)施例中，在電化學(xué)電池中將隔離的工作電極和耦合到計(jì)數(shù)電極的工作電極相結(jié)合，以便改進(jìn)對低濃度物質(zhì)的檢測。圖1和2圖解說明優(yōu)選實(shí)施例的電化學(xué)電池中不同的電極配置。
圖1示出優(yōu)選實(shí)施例的電化學(xué)電池10的截面圖。導(dǎo)電層12、14、16、18的暴露部分用作電池10中的電極32、34、36、38。導(dǎo)電層12、14、16、18與電阻材料層20、22、24、26相接觸。一個(gè)或多個(gè)隔離層(未示出)維持電極32、34的間隔小于大約500μm。只要電極32和34構(gòu)成一個(gè)工作和計(jì)數(shù)電極對并且電極36和38構(gòu)成另一個(gè)工作和計(jì)數(shù)電極對，則或者電極32、或者電極34、或者電極36、或者電極38可以是工作電極。這樣選擇層24和層26的厚度、使得電極32和電極36的最近的邊沿之間以及電極34和電極38的最近的邊沿之間的分隔通常大于500μm，最好大于1mm。在另一實(shí)施例中，電阻材料層22或24以及它所支撐的導(dǎo)電層16或18可以由單一的合適的導(dǎo)電層材料層、例如鋁箔層或?qū)щ娋酆衔飳?未示出)來代替。為了便于制造，在某些實(shí)施例中，希望用導(dǎo)電層12、14、16、18完全覆蓋一層或多層電阻材料層20、22、24、26的一個(gè)表面?；蛘?，在其它實(shí)施例中，希望用導(dǎo)電層12、14、16、18部分覆蓋電阻材料層20、22、24、26，例如，如果電極材料含有貴金屬時(shí)為了節(jié)約材料成本。例如，在圖1所示的電池10中，導(dǎo)電層12可僅覆蓋絕緣層20的鄰近試樣儲(chǔ)蓄器(sample reservoir)28的部分。絕緣層20的鄰近層26的部分不被覆蓋。導(dǎo)電層12、14、16、18及其相鄰的電阻層20、22、24、26的配置，對本專業(yè)的技術(shù)人員來說顯而易見。
優(yōu)選實(shí)施例的電化學(xué)電池50中的另一種電極配置示于圖2。在這種配置中，電極52、54、56、58都在同一平面上。圖2中示出位于電極52和電極54上方的間隔層60。當(dāng)電化學(xué)電池50和下述的電流相減方法一起使用時(shí)，最好省去間隔層60。當(dāng)省去間隔層60時(shí)，向電極54的平面擴(kuò)散與向電極58的平面擴(kuò)散更接近一致，結(jié)果得到更精確的電流相減。
當(dāng)電化學(xué)電池50和下述的電流放大方法一起使用時(shí)，最好在電極52和電極54上方保留所述間隔層、以便提供比沒有間隔層60時(shí)更小容積的空間62以及相應(yīng)更高的放大系數(shù)。一個(gè)或多個(gè)間隔層(未示出)維持著電極52、54、56、58與層64的分離，從而在電化學(xué)電池50中提供試樣儲(chǔ)蓄器66。電極52和電極54的最接近的邊沿之間的距離小于500μm，較好是小于大約450、400、350、300或250μm，更好是小于大約200、150或100μm，最好是小于大約90、80、70、60、50、40、30、25、20、15、5或1μm。電極52和電極58的最接近的邊沿之間的距離以及電極54和電極58的最接近的邊沿之間的距離通常大于大約500μm，更好是大于大約550、600、650、700、750、800、850、900或950μm，最好是大于大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、25或50mm。但是，只要第一電極上的大量反應(yīng)產(chǎn)物不到達(dá)第二電極，任何適合的間隔，包括小于大約500μm的間隔，都可以是適用的。在本文中，大量反應(yīng)產(chǎn)物是指反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量已足以在第二電極上產(chǎn)生額外的電流，所述額外電流太大，會(huì)影響實(shí)際使用這些利用電池的方法來獲得所需結(jié)果。在某些實(shí)施例中，最好省去任何間隔層和層64，從而提供包括單一電阻材料層68上的電極52、54、56、58的電化學(xué)電池。當(dāng)試樣大小足以使層68和電極52、54、56、58都浸入試樣中、或有足夠的試樣層加到電極52、54、56、58上時(shí)，可以優(yōu)選所述實(shí)施例。
如對本專業(yè)技術(shù)人員將明白的，在各種實(shí)施例中可以優(yōu)選能維持電極52、54、56、58之間適當(dāng)間隔的不同電極配置。例如，圖2所示的電化學(xué)電池可以改為把電極56和58中的一個(gè)或兩個(gè)設(shè)置在層64上，而不是設(shè)置在層68上?；蛘撸央姌O56和58中的一個(gè)或兩個(gè)設(shè)置層64或60上，而不是設(shè)置層68上。如果電極56和58中只有一個(gè)設(shè)置層68上，那么，層64和68或?qū)?0和68應(yīng)足夠靠近、使電極52和54的最接近的邊沿之間的間隔保持在小于500μm，較好是小于大約450、400、350、300或250μm，更好是小于大約200、150或100μm，最好是小于大約90、80、70、60、50、40、30、25、20、15、5或1μm。在另一實(shí)施例中，在層68上設(shè)置附加層(未示出)，而在所述附加層上設(shè)置電極56和58中的一個(gè)或兩個(gè)。
制造電化學(xué)電池某些實(shí)施例的電化學(xué)電池可安排和設(shè)計(jì)用于單一實(shí)驗(yàn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，電化學(xué)電池可用類似于U.S.5942102中公開的方法進(jìn)行制造。在優(yōu)選實(shí)施例的一種用于制備圖1所示的電化學(xué)電池10的方法中，電阻材料層20，22，24或26是聚酯片，其上復(fù)有鈀濺射復(fù)層，作為導(dǎo)電層12，14，16或18，制造后仍暴露的部分形成電極32，34，36或38。
本專業(yè)技術(shù)人員會(huì)理解，導(dǎo)電層12、14、16、18以及電阻材料層20、22、24、26可以根據(jù)需要單獨(dú)選擇，例如，為了便于制造，為了降低材料成本，或?yàn)榱双@得電池10的其它所需特性或制造過程等。同樣，導(dǎo)電材料層12、14、16、18可以以任何適合的圖案的形式加到電阻材料層20、22、24、26上，例如，一種僅部分覆蓋電阻層20、22、24、26的圖案。
一旦導(dǎo)電材料涂復(fù)到或用其它方法粘附到相應(yīng)的電阻層20，22，24或26上，被覆層40，42就可彼此粘附，形成電極承載層48。在圖1的電化學(xué)電池中，被覆層40利用鄰近被覆層42的電阻層26的導(dǎo)電層16粘附到被覆層42上。被覆層44和46用同樣方法粘附，形成電極承載層49。
在優(yōu)選實(shí)施例中，電池中的各層可用合適的粘接劑粘附。合適的粘接劑包括、例如熱激活粘接劑、壓敏粘接劑、熱固化粘接劑、化學(xué)固化粘接劑、熱熔解粘接劑、熱流動(dòng)固化粘接劑等等。用于需要簡化制造過程的某些實(shí)施例時(shí)，可優(yōu)選壓敏粘接劑。但是，在其他實(shí)施例中，壓敏粘接劑的粘性會(huì)使制造工具發(fā)粘或造成產(chǎn)品粘性。在這些實(shí)施例中，通常優(yōu)選熱固化或化學(xué)固化粘接劑。最好是熱激活或熱固化粘接劑，它們可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間很方便地激活。
在某些實(shí)施例中，可能需用熱熔解粘接劑。熱熔解粘接劑是一種無溶劑熱塑材料，室溫下是固體，(熱熔解后)當(dāng)其冷卻到低于熔點(diǎn)溫度時(shí)以熔融狀態(tài)涂復(fù)到它所粘附的表面上。有各種化學(xué)品和各種熔點(diǎn)的熱熔解粘接劑。熱熔解粘接劑可有各種形式，如網(wǎng)，非編織材料，編織材料，粉末，溶液，或其他任何適合的形式。對某些實(shí)施例，可優(yōu)選聚酯熱熔解粘接劑。這些粘接劑(可以從例如BostikCorp.of Middleton，MA購得)是線性飽和聚酯熱熔體，熔點(diǎn)從65℃到220℃，性質(zhì)上從完全無定形到高度結(jié)晶。也可優(yōu)選聚酰胺(尼龍)熱熔解粘接劑(亦可從Bostik購得)，包括二聚物酸和尼龍型聚酰胺粘接劑。適合的熱熔解粘接劑化學(xué)品包括乙撐乙烯基乙酸酯(EVA)、聚乙烯和聚丙烯。
或者，在某些其它實(shí)施例中，最好用疊層技術(shù)將某些層粘接在一起。適用的疊層技術(shù)在申請系列號09/694120的共同未決的申請中作了說明，所述申請于2000年10月20日提交，題目為“Laminates ofAsymmetric Membranes(非對稱薄膜疊層)”。將待疊加的各層彼此相鄰放置、加熱、于是在各層間形成結(jié)合。也可加壓以助形成結(jié)合。疊層法最好用于結(jié)合能在加熱和/或加壓下結(jié)合的兩種材料。要在兩種適當(dāng)?shù)木酆喜牧现g形成結(jié)合，可優(yōu)選疊層法。
然后利用面對電極36和38的電極32和34來固定電極承載層48和49的位置。做法通常是在電極承載層48和49之間粘附一層或多層成形的間隔層(未示出)。間隔層應(yīng)成形為可在電極承載層48和49之間提供試樣儲(chǔ)蓄器28和29。間隔層可以是一片電阻材料，其上有一部分被去除掉以形成試樣儲(chǔ)蓄器28和29，例如，在片的中部形成一個(gè)環(huán)狀部分，或沿片的一個(gè)邊沿去除掉一部分。間隔層也可以包括兩個(gè)或更多成形部分，相互鄰近，中間留有空間，所述空間提供試樣進(jìn)入試樣儲(chǔ)蓄器28和29的入口以及試樣儲(chǔ)蓄器28和29本身。不是用剛體或柔性片材，而是選用電阻粘接劑層作為間隔層。在這種實(shí)施例中，將粘接劑加在電極承載層48和49的電極側(cè)，然后另一電極承載層49或48設(shè)置在粘接劑層上面，用例如壓力、固化、熱或其他適合的方法形成結(jié)合。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，間隔層是一片電阻材料，上有穿通的環(huán)形孔，并用粘接劑粘附到電極承載層48和49上。最好沿著鄰近電極38的電極32的邊沿(或鄰近電極38的電極34的邊沿)將所述環(huán)形孔對中。這樣就限定了電池10有圓柱形側(cè)壁，末端由電極承載層48封閉，另一側(cè)由電極承載層49封閉。所述組件有切槽，供試樣進(jìn)入電池10或用虹吸或毛細(xì)作用將試樣抽入，并且使空氣排出。電極層32、34、36、38與適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線或部件相連接，從而可加電位和測量電流。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，通過在電極承載層48和49中的一個(gè)或兩個(gè)上涂敷粘接劑圖案來形成間隔層。在需要簡單的制造過程以及降低材料成本時(shí)可優(yōu)選此方法。
可優(yōu)選作為間隔層、作為電極層的支撐層、或在電池的其他層中適用的電阻材料包括例如以下各種材料聚酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚烯烴，聚對苯二甲酸乙二酯，玻璃，陶瓷，它們的混合物和/或組合物等。適合用作間隔層的電阻粘接劑實(shí)例包括，但不限于，聚丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸酯，聚氨基甲酸酯和磺化聚酯。
在間隔層是一片電阻材料、其上有一部分被去除掉以形成試樣儲(chǔ)蓄器28和29的實(shí)施例中，一個(gè)電極承載層48或49安裝在所述電阻材料片的一側(cè)，延伸在所述孔上方而形成端壁。電極承載層48或49可以用例如粘接劑粘附到間隔片上?？梢詫⒍鄠€(gè)間隔片相互粘接，形成符合電極承載層48和49的臺階表面的間隔層。也可選用可變形的粘接劑作為間隔層，使粘接劑與電極承載層48和49的形狀一致。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，組合的試樣儲(chǔ)蓄器28和29的整體形狀是環(huán)形的，但其他形狀，例如方形，矩形，多邊形，橢圓形，橢球形，不規(guī)則形或其他形狀，都可選用于某些實(shí)施例。
然后將第二個(gè)電極承載層48或49安裝在所述間隔層的另一側(cè)，也延伸在所述孔之上而形成第二端壁。電極32和34一般間隔小于大約500μm，較好是小于大約450、400、350、300或250μm，更好是小于大約200、150或100μm，最好是小于大約90、80、70、60、50、40、30、25、20、15、5或1μm。然后設(shè)置第二個(gè)孔或通道供液體進(jìn)入電池10。可以通過以下方法來形成這種通道沿所述裝置的邊沿形成切槽并延伸到所述電極承載層48和49和孔。電極承載層48和49配備有連接線，所述連接線可以把電極連接到測量電路中。
本專業(yè)技術(shù)人員會(huì)理解，上述制造圖1所示的電化學(xué)電池的技術(shù)可以加以改動(dòng)來制造圖2所示的電化學(xué)電池。
用在電池中的化學(xué)品，諸如氧化還原試劑、溶解劑，緩沖劑，惰性鹽和其他物質(zhì)，可以支承在電池的電極或壁上，在電池內(nèi)含有的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的支持物上，或可以自己支持。如果化學(xué)品要支承在電池的電極或壁上，可以使用本專業(yè)中已知的涂布技術(shù)來涂布化學(xué)品，例如噴墨打印，絲網(wǎng)印刷，光刻技術(shù)，超聲噴涂，槽涂復(fù)，照相凹版印刷等等。適合的獨(dú)立支持物包括，但不限于，網(wǎng)狀物，非編織片材，纖維狀填料，大孔膜片和燒結(jié)粉末。用在電池中的化學(xué)品可以支承在支持物上或包含在支持物中。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電池中的優(yōu)選材料以及構(gòu)成電池的材料適合于大批量生產(chǎn)，但電池本身是為單一的實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)，用后即處理掉。一次性電池是指生產(chǎn)起來很便宜，只用作單次測試經(jīng)濟(jì)上可接受的那種電池。一次性電池是指只在單次測試時(shí)能方便使用的電池，即，在單次使用后要使電池適合于以后的使用，就需要采取清洗和/或重新裝載試劑等步驟來處理電池。
在本文中經(jīng)濟(jì)上可接受的意思是對用戶來說測試結(jié)果的可見價(jià)值等于或大于大約購買和使用所述電池的成本，電池的購買成本由向用戶提供電池的成本加上一個(gè)加價(jià)。對許多應(yīng)用來說，可以優(yōu)選材料成本低且制造過程簡單的電池。例如，電池的電極材料可以是便宜的，例如碳，或材料用量極小，因而可選用昂貴的材料。絲網(wǎng)印刷碳或銀墨水是一種適合于用較便宜的材料形成電極的工藝過程。但是，如果需要用諸如鉑，鈀，金或銥等電極材料，最好用材料利用率更高的方法，例如濺射或蒸發(fā)性蒸汽涂復(fù)等，因?yàn)橛眠@些方法可以作出非常薄的薄膜。一次性電池的襯底材料最好也很便宜。這種價(jià)廉的材料實(shí)例是一些聚合物，例如聚氯乙烯，聚酰亞胺，聚酯，涂復(fù)紙和紙板。
電池裝配方法最好適用于大批量生產(chǎn)。這些方法包括在卡片板上制造多個(gè)電池，在主要的裝配步驟之后將卡片板分割成單獨(dú)的電池條，以及輸送帶(web)制造，即將電池制造在連續(xù)的輸送帶上，然后分割成單獨(dú)的電池條。當(dāng)制造時(shí)需要多個(gè)零件的嚴(yán)密的空間對準(zhǔn)和/或當(dāng)選用剛性的電池襯底材料時(shí)，卡片板工藝最為合適。當(dāng)各零件的下輸送帶對準(zhǔn)不那么嚴(yán)格時(shí)，輸送帶工藝最為合適，并可選用柔性輸送帶。
一次性電池最好能很方便地只使用一次、使得用戶不會(huì)試圖再使用此電池而可能得到不精確的測試結(jié)果?？梢栽陔姵氐氖褂谜f明中說明電池僅供使用一次。更好的是，在需要單次使用的實(shí)施例中，可以將電池制造成一次使用后要再次使用就很困難或不可能。例如，可以在電池中包括在第一次測試時(shí)就被洗掉或消耗掉因而在第二次測試時(shí)不起作用的試劑?；蛘?，可以檢查測試信號，用以指示電池中的試劑已發(fā)生過反應(yīng)，例如，過高的初始信號，以及測試失敗。另一種方法包括提供一種裝置，在完成電池的第一次測試后斷開電池中的電連接。
電極在電化學(xué)電池檢測試樣中是否存在分析物和/或分析物的數(shù)量、或檢測表示是否存在分析物和/或分析物的數(shù)量的物質(zhì)的優(yōu)選實(shí)施例中，所述電池的各電極中至少一個(gè)電極是工作電極。當(dāng)工作電極的電位表示分析物的情況時(shí)(例如在電位測量傳感器中)，還有一個(gè)作參考電極的第二電極，用來提供參考電位。
如果是電流測量傳感器，那么，工作電極的電流表示分析物例如葡萄糖的量值，最好至少還有另一個(gè)電極用作計(jì)數(shù)電極來完成電路。這個(gè)第二電極也可用作參考電極?；蛘?，用一個(gè)單獨(dú)的電極來實(shí)現(xiàn)參考電極的功能。
適于用作工作，計(jì)數(shù)和參考電極的材料可與裝置中存在的任何試劑和物質(zhì)兼容。兼容材料并不實(shí)質(zhì)上與電池中的其他材料起化學(xué)反應(yīng)。這些適合材料的實(shí)例包括，但不限于，碳，碳和一種有機(jī)粘接劑，鉑，鈀，碳，氧化銦，氧化錫，混合氧化銦/錫，金，銀，銥和它們的混合物。這些材料可以用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬呻姌O結(jié)構(gòu)，例如濺射，蒸汽涂復(fù)，絲網(wǎng)印刷，熱蒸發(fā)，照相凹版印刷，槽涂復(fù)，或光刻技術(shù)。在優(yōu)選實(shí)施例中，材料是用濺射或絲網(wǎng)印刷法形成電極結(jié)構(gòu)的。
用作參考電極的優(yōu)選材料實(shí)例包括(但不限于)金屬/金屬鹽體系，例如與氯化銀、溴化銀或碘化銀接觸的銀以及與氯化亞汞或硫酸亞汞接觸的汞。所述金屬可用任何適當(dāng)?shù)姆椒ǖ矸e，然后使之與合適的金屬鹽接觸。適當(dāng)?shù)姆椒òǎ?，在適當(dāng)?shù)柠}溶液中電解或化學(xué)氧化。在電位測量方法中，這種金屬/金屬鹽體系可提供比單金屬成分體系更好的電位控制。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，選用金屬/金屬鹽電極體系作為電流測量傳感器中單獨(dú)的參考電極。
溶解劑在某些實(shí)施例中，可能需要在電化學(xué)電池中包含有一種或多種溶解劑。適用的溶解劑包括洗滌劑(離子的和非離子的)，蛋白水解酶，以及脂(肪)酶。適用的離子洗滌劑包括，例如硫酸十二基鈉，以及十六烷基三甲基溴化胺。蛋白水解酶的實(shí)例包括(不限于)胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，胃蛋白酶，木瓜蛋白酶，以及鏈霉蛋白酶E(Pronase E)，一種具有廣泛特性的非常活性的酶。適合使用的非離子表面活化劑包括例如乙氧基化辛基酚(ethoxylatedoctylphenols)，包括可從Rohm % Haas of Philadelphiz，Pennsylvania購得的三硝基甲苯X(Triton X)系列。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，選用皂苷(即在水中起泡末的植物葡萄糖)作溶解劑。
還原氧化試劑在優(yōu)選實(shí)施例中電化學(xué)電池中也可包括還原氧化試劑。用在測量血液中葡萄糖的電化學(xué)電池中的還原氧化試劑包括能使那些能選擇性地氧化葡萄糖的酶的還原形式(再次)氧化的試劑。適合的酶的實(shí)例包括，但不限于，葡萄糖氧化酶脫氫酶，依PQQ而定的葡萄糖脫氫酶和依NAD而定的葡萄糖脫氫酶。適用于分析葡萄糖的還原氧化試劑的實(shí)例包括，但不限于，鐵氰化物的鹽類，重鉻酸鹽，氧化釩，高錳酸鹽和電活性金屬有機(jī)絡(luò)合物。有機(jī)還原氧化試劑，例如二氯腚酚(dichlorophenolindophenol)和醌，也適用。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，分析葡萄糖的還原氧化試劑是鐵氰化物。
緩沖劑可以選擇在電化學(xué)電池中還有以干料形式與還原氧化試劑一起存在的緩沖劑。如果有緩沖劑，其數(shù)量應(yīng)使所得到的pH值適合于將還原氧化試劑的氧化電位調(diào)節(jié)到能夠氧化例如葡萄糖而不會(huì)氧化那些不想檢測的其他物質(zhì)。緩沖劑要有足夠的量，以便在測試時(shí)基本上能將試樣的pH值維持在所需水平。適用的緩沖劑實(shí)例包括磷酸鹽，碳酸鹽，苯六酸的堿金屬鹽和檸檬酸的堿金屬鹽。緩沖劑的選擇，除其他因素外，可取決于所需的pH值。緩沖劑應(yīng)選擇為不與還原氧化試劑發(fā)生反應(yīng)。
惰性鹽優(yōu)選用于各種實(shí)施例的惰性鹽包括能在待分析的試樣中分解形成離子但不與任何還原氧化試劑或試樣中或電池中的其他物質(zhì)(包括電池電極)發(fā)生反應(yīng)的鹽類。適用的惰性鹽的實(shí)例包括，但不限于，氯化堿金屬，硝酸鹽，硫酸鹽和磷酸鹽。
在電池中存在的其他物質(zhì)除了還原氧化試劑和緩沖劑外，電池中可能還存在有其他物質(zhì)。這些物質(zhì)包括，例如，黏度增強(qiáng)劑和低分子量聚合物。親水物質(zhì)可能也包含在電池中，例如聚乙二醇，聚丙烯酸，代血漿，以及諸如Rohm& Haas Company of Philadelphia，Pennsylvania銷售的商品名為TritonTM，或ICI Americas Inc.of Wilmington，Delaware銷售的商品名為TweenTM的表面活性劑。這些物質(zhì)可以增強(qiáng)電池的充填率，提供更穩(wěn)定的測量結(jié)果，并防止小容量試樣中的蒸發(fā)。
電路導(dǎo)電層最好連接到能在電極之間加電壓并能測量所產(chǎn)生電流的電路、例如測量計(jì)上。可以選用任何適合的裝置將導(dǎo)電層連接到電路上，包括但不限于舌片插頭，從電池條上部向下引的或從電池條下面向上引的一組連接插針等。圖1未示出連接區(qū)。適用的測量計(jì)包括電源，加控制電壓或電流的電路，微處理器控制裝置，電腦，或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，顯示裝置，聲音報(bào)警裝置，或本領(lǐng)域中已知的其它裝置或組件。測量計(jì)也能與電腦或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置相連接。例如，典型的測量計(jì)可以是由電池供電并由內(nèi)置微處理器控制的手持裝置，并含有在(例如)條電極連接插針之間加預(yù)定電壓或電流的電路以及諸如模-數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路。在所述實(shí)施例中，來自電池條的模擬信號可以轉(zhuǎn)換成可由微處理器分析和存儲(chǔ)的數(shù)字信號。測量計(jì)還含有顯示器(例如液晶顯示器)和適合的相關(guān)電路，以便向用戶顯示測試結(jié)果。在另一實(shí)施例中，測量計(jì)也可包含有專用電路，例如電位施加和信號獲取電路。這種專用電路可組成為單獨(dú)模塊，所述模塊可以與諸如手提電腦或其它類型的電腦等通用計(jì)算裝置相連接。在這種實(shí)施例中，通用裝置完成控制、分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和/或顯示等功能。這種實(shí)施例可以生產(chǎn)比較便宜的測量計(jì)，因?yàn)榭梢赃x用通用計(jì)算裝置來完成許多功能，這一部分就可不計(jì)算在電化學(xué)測量系統(tǒng)的成本之內(nèi)。在這兩種測量計(jì)的任一種實(shí)施例中，測量計(jì)或通用計(jì)算裝置都能夠與外部裝置(例如局部電腦網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng))通信，便于向用戶分發(fā)測試結(jié)果和提供系統(tǒng)升級。
獲取電化學(xué)測量結(jié)果圖1或圖2所示的電化學(xué)電池可用來改進(jìn)對分析物的檢測。但是，為便于說明，現(xiàn)就圖1所示的電化學(xué)電池的優(yōu)選實(shí)施例的方法進(jìn)行討論，圖1中電極34和38定為工作電極，電極36和電極32定為計(jì)數(shù)電極。本文中分析物可以是試樣中所感興趣的實(shí)際物質(zhì)，或是與所感興趣的物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。電極32和34要相隔得很近，以致在測試時(shí)在電極32上化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物擴(kuò)散到電極34上并發(fā)生反應(yīng)。所述間隔一般小于大約500μm，較好是小于大約450、400、350、300或250μm，更好是小于大約200、150或100μm，最好是小于大約90、80、70、60、50、40、30、25、20、15、5或1μm。而電極36和38要相隔得足夠遠(yuǎn)，以致在測試時(shí)在電極36上化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物不能到達(dá)電極38。所述間隔通常大于大約500μm，更好是大于大約550、600、650、700、750、800、850、900或950μm，最好是大于大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、25或50mm。在任何情況下，電極36和電極38之間的間隙一般都大于大約電極32和電極34之間的間隙。
當(dāng)含有分析物的溶液充填到空間29和28時(shí)，由第一外部電路在電極32和電極34之間加一個(gè)電位，由第二外部電路在電極36和電極38之間加一個(gè)電位。這些電位的極性應(yīng)使分析物在電極34和電極38上發(fā)生反應(yīng)，且電位的大小應(yīng)使電化學(xué)反應(yīng)的速率受分析物向電極34或電極38大量轉(zhuǎn)移速率的限制。由于不斷施加電位，電極32上化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物擴(kuò)散到電極34上并發(fā)生反應(yīng)，但電極36上反應(yīng)的大量產(chǎn)物卻沒有時(shí)間能到達(dá)電極38。從在電極32和電極34之間流動(dòng)的電流中減去在電極36和電極38之間流動(dòng)的電流，就可以得到電流相對于時(shí)間的信號，所述信號僅與電極32上化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物在電極34上的反應(yīng)有關(guān)。為了準(zhǔn)確地得到此電流，電極34和電極38需具有同樣的面積，或在電流相減之前用它們各自的工作電極面積歸一化其各自的電流。
求出僅是由于計(jì)數(shù)電極產(chǎn)物在工作電極上的反應(yīng)而產(chǎn)生的電流，其優(yōu)點(diǎn)是消除了其它無關(guān)電流的作用。這些無關(guān)電流包括因電極表面組反應(yīng)產(chǎn)生的電流，因被吸收的物質(zhì)氧化或還原產(chǎn)生的電流，以及電極放電電流，也就是使雙電極/溶液層極化到由外部電路加到界面上的電位而流經(jīng)的電流。這些電流多次短時(shí)間流動(dòng)，把能可靠地獲得與分析物有關(guān)的電流的時(shí)間限制在很短時(shí)間內(nèi)。利用本方法消除掉無關(guān)電流的作用，在較短時(shí)間的電流信號就可以用來更可靠地獲得有關(guān)分析物的信息。最好能利用較短時(shí)間的電流信號，因?yàn)檫@樣可以將電極32和電極34放置得比其他實(shí)用方法更為靠近。將電極32和電極34放置得更為靠近，在電極32上的反應(yīng)產(chǎn)物就可更快和更大量的到達(dá)電極34。這就增大了電流信號并縮短了為獲取所需分析物的信息而監(jiān)控電流的時(shí)間。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的本方法中，電極32和34和向電極32和34之間加適當(dāng)電位的電源形成一個(gè)電路。在電極36和38以及一個(gè)電源之間形成第二電路，與第一電路分離，這樣可以分別測量電極32和34之間流動(dòng)的電流和電極36和38之間流動(dòng)的電流?；蛘?，不用分別測量這些電流，而是用電子方法將這兩個(gè)電流相減，然后測量相減所得的電流。
在優(yōu)選實(shí)施例的第二種方法中，可以利用一種電極配置來有效地放大由于分析物的反應(yīng)而產(chǎn)生的電流信號。在此方法中，在至少一部分測試時(shí)，電極32同時(shí)用作電極34和電極38的計(jì)數(shù)電極。將一種試劑干燥或者淀積在電極32和電極34之間，所述試劑含有一種電化學(xué)可逆的介體，所述介體最好能與所感興趣的分析物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生一種反應(yīng)介體，而所述反應(yīng)介體能在電極34上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并能在電極32上由介體經(jīng)電化學(xué)產(chǎn)生。淀積在空間28中的試劑可含有一種介體，或者，當(dāng)分析物能在電極38上直接反應(yīng)時(shí)，所述試劑可不含介體。
測試時(shí)，加電位，使分析物和/或已與分析物起化學(xué)反應(yīng)的介體在電極34和38上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在此方法中，同時(shí)為電極34和38完成電路所使用的計(jì)數(shù)電極是電極32。從與分析物或電極38上反應(yīng)介體的反應(yīng)中收集的電子導(dǎo)致了在32上產(chǎn)生等量的反應(yīng)介體。所述反應(yīng)介體然后運(yùn)行到電極34，發(fā)生反應(yīng)而復(fù)原成介體。這樣，在空間28的溶液容積中因分析物或反應(yīng)介體而產(chǎn)生的電流就可用來在空間29的溶液容積中產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的反應(yīng)介體，從而有效地將與分析物有關(guān)的物質(zhì)從空間28集中到空間29，從分析物產(chǎn)生增強(qiáng)的電流信號。由于涉及到的擴(kuò)散距離的原因，空間29中已反應(yīng)的介體在測試時(shí)基本上停留在空間29中。為了確保是這種情況，最好使空間29的長度大于電極36和電極38之間的距離。這樣，在介體從電極36擴(kuò)散到電極38的時(shí)間內(nèi)，只有一小部分空間29中的材料擴(kuò)散到空間28中。
作為本方法的實(shí)例，如果電極38的面積是電極34的10倍并且空間28的厚度是空間29的厚度的10倍，則空間29中的反應(yīng)介體的濃度可高達(dá)只用電極32和電極34時(shí)(的濃度)的101倍。這樣，在此實(shí)例中，分析物的檢測極限就可下降為101分之一。例如，如果在充填空間29和28的溶液中分析物或反應(yīng)介體的濃度最初為X，當(dāng)電極38上方的溶液中的分析物或反應(yīng)介體基本上全部在電極38上電化學(xué)反應(yīng)之后，所述數(shù)量的分析物或反應(yīng)介體的克分子已在空間29產(chǎn)生了相應(yīng)數(shù)量的反應(yīng)介體克分子。由于在此實(shí)例中，電極38上方的溶液容積是空間29的容積的100倍，空間29中的反應(yīng)介體的濃度現(xiàn)在就X+100·X，即空間29中的原有數(shù)量加上100倍的原有數(shù)量(因電極38上的反應(yīng)而得到的)。應(yīng)當(dāng)指出，使用本方法時(shí)并不需要使電極38上方的溶液中的分析物或反應(yīng)介體全部發(fā)生反應(yīng)。在某些情況下，例如，需要較短的測試時(shí)間而犧牲一些信號放大時(shí)，電極38上方的溶液中只需一部分分析物或反應(yīng)介體發(fā)生反應(yīng)，只要反應(yīng)的這部分物質(zhì)能足以獲得有用的信號放大即可。
另一種任選的方法是，為了進(jìn)一步降低電噪聲，在所需部分(通常基本上是全部)的分析物或反應(yīng)介體在電極38上電化學(xué)反應(yīng)之后，可以斷開電極32和電極38之間的電路，僅在電極32和電極34之間加有電位。然后監(jiān)控在電極32和電極34之間流動(dòng)的電流，以測定空間29中的反應(yīng)介體的濃度，所述濃度以已知方式與原有分析物濃度相關(guān)。此步驟減少了測定濃度時(shí)的電噪聲，因?yàn)橛呻姌O38產(chǎn)生的噪聲已被消除。電極32和電極38之間的電路斷開時(shí)間可以例如用設(shè)定電極32和電極38之間的閾電流的方法來確定，低于此閾電流，電路就斷開。應(yīng)當(dāng)指出，在此測量電流的方法中，不需要第二計(jì)數(shù)電極36，故可將其省略。
用于降低因電極放電或其他無關(guān)電流引起的電噪聲的另一種任選的方案是在電極36和電極38之間剛剛加上電位后的電極放電階段，用電極36作為電極38的計(jì)數(shù)電極。當(dāng)電極38極化到正確的電位后，電極38的計(jì)數(shù)電極可以轉(zhuǎn)換為電極32。轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)電極的時(shí)間可以確定為這樣一個(gè)固定的時(shí)間即此時(shí)已知電極放電和表面組反應(yīng)已基本結(jié)束但大量分析物或反應(yīng)介體尚未到達(dá)電極38。如果電極36和電極38具有基本相等的面積，則放電電流不會(huì)導(dǎo)致因放電過程而形成的任何大量的附加反應(yīng)介體。
用于降低因電極放電或其他無關(guān)電流引起的電噪聲的另一種任選的方案是在電極34和電極38之間剛剛加上電位后的電極放電階段，用電極36作為電極34和38的計(jì)數(shù)電極。當(dāng)電極34和38極化到正確的電位后，并且在鄰近電極34的任何干燥試劑層中部分或全部表面和吸收的基團(tuán)或已反應(yīng)的介體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)之后，電極34和38的計(jì)數(shù)電極可以轉(zhuǎn)換為電極36。如上述，轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)電極的時(shí)間可以是固定的時(shí)間。所述過程可以減少或消除無關(guān)的反應(yīng)介體或其他電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的影響。在這兩種任選方法中，都有第二計(jì)數(shù)電極36。
在上述方法中，需要在充填電池的溶液中存在一種電化學(xué)惰性可溶鹽，其濃度明顯高于分析物，或由試樣本身產(chǎn)生或由淀積在電池中的試劑產(chǎn)生。當(dāng)電極32用作電極38的計(jì)數(shù)電極時(shí)，所述惰性鹽用來攜帶空間29和空間28之間溶液中的電流，以減少因電遷移造成的來自空間29的反應(yīng)介體的損失。
以上的描述提供本發(fā)明的幾種方法和材料。本發(fā)明在方法和材料方面是可以改動(dòng)的，制造方法和設(shè)備也可改動(dòng)。認(rèn)真考慮此文提出的本發(fā)明的內(nèi)容和做法后，這些改動(dòng)對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說是顯而易見的。所以，本發(fā)明不應(yīng)限于文中提出的具體實(shí)施例，而應(yīng)涵蓋在所附權(quán)利要求書體現(xiàn)的本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神內(nèi)的全部修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種用于測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括如下步驟a)提供包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池；b)選擇所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述第一計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)所述第一工作電極；c)選擇所述第一工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述第二計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)所述第一工作電極；d)選擇所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述第二計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)所述第二工作電極；e)在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；f)在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；g)選擇所述第一工作電極的電位、使得氧化還原物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或氧化還原物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；h)選擇所述第二工作電極的電位、使得氧化還原物質(zhì)的還原形式的電氧化速率或氧化還原物質(zhì)的氧化形式的電還原速率由擴(kuò)散控制；i)從在所述第一工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流中減去在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流，從而得到已校正電流；以及j)從所述已校正電流得到表示所述還原形式的氧化還原物質(zhì)或所述氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一工作電極的表面積和所述第二工作電極的表面積基本上相等。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一工作電極的表面積和所述第二工作電極的表面積不同，其中步驟i)包括測定在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；測定在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；將在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流和在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流歸一化到相同的電極表面積、以便給出在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的歸一化電流和在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的歸一化電流；從在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的所述歸一化電流中減去在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的所述歸一化電流，從而得到已校正電流。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間的間隔小于大約500μm。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間的間隔小于大約200μm。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔大于大約500μm。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔大于大約500μm。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔大于大約1mm。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間的間隔大于大約1mm。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述氧化還原物質(zhì)是介體、而所述還原或氧化形式的介體的濃度表示分析物的濃度，并且，其中規(guī)定對所述還原或氧化形式的介體的擴(kuò)散系數(shù)的測量作為測定分析物濃度的前奏。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述氧化還原物質(zhì)是介體。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述電化學(xué)電池還包括單獨(dú)的參考電極。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述分析物是葡萄糖。
14.一種電化學(xué)電池，它包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極，所述第一工作電極與所述第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于大約500μm，所述第一工作電極與所述第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于大約500μm，而所述第二工作電極與所述第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于大約500μm。
15.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極彼此面對。
16.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極并排配置。
17.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極彼此面對。
18.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極并排配置。
19.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述第一工作電極、所述第一計(jì)數(shù)電極、所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極并排配置。
20.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述第一工作電極和所述第二工作電極具有基本上對應(yīng)的面積。
21.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于還包括單獨(dú)的參考電極。
22.如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其特征在于所述電化學(xué)電池是空心的電化學(xué)電池。
23.如權(quán)利要求22所述的電化學(xué)電池，其特征在于具有小于1.5微升的有效電池容積。
24.一種用于測定電化學(xué)電池中氧化還原物質(zhì)濃度的裝置，所述裝置包括電化學(xué)電池，它具有第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極，其特點(diǎn)在于所述第一工作電極與所述第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于500μm，所述第一工作電極與所述第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于500μm，而所述第二工作電極與所述第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于500μm；能夠在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間施加電位差的電路；以及能夠在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間施加電位差的電路。
25.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于所述裝置是葡萄糖計(jì)。
26.一種電化學(xué)電池，它包括第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極和第二工作電極，所述第一工作電極與所述第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于大約500μm，而所述第二工作電極與所述第一計(jì)數(shù)電極的間隔大于大約500μm。
27.一種用于測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟a)提供包括第一工作電極、計(jì)數(shù)電極和所述第二工作電極的電化學(xué)電池；b)選擇所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)所述第一工作電極；c)提供氧化還原物質(zhì)，其中最初存在于所述第二工作電極上方的溶液中的氧化還原物質(zhì)中的至少有效部分已經(jīng)在所述第二工作電極上被還原或氧化；d)在所述第一工作電極和計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；e)選擇所述第一工作電極的電位、使得所述還原形式的物質(zhì)的電氧化速率或所述氧化形式的物質(zhì)的電還原速率由擴(kuò)散控制；f)測定在所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；g)從所述電流得到表示所述還原形式的氧化還原物質(zhì)的濃度或所述氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的數(shù)值。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述第一工作電極的表面積和所述第二工作電極的表面積基本上相同。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述第一工作電極的表面積和所述第二工作電極的表面積顯著不同。
30.一種用于測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟a)提供包括第一工作電極、第二工作電極和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池；b)選擇所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)所述第一工作電極；c)選擇所述第二工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)所述第二工作電極；d)在所述第二工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間加上電位差，從而將所述第二工作電極充分地充電并且充分地完成表面組反應(yīng)；e)在大量所述氧化還原物質(zhì)在所述第二工作電極處發(fā)生反應(yīng)之前斷開所述第二工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的電路；f)在所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；g)選擇所述第一工作電極的電位、使得所述還原形式的氧化還原物質(zhì)的電氧化速率或所述氧化形式的氧化還原物質(zhì)的電還原速率由擴(kuò)散控制；h)測定在所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；以及i)從所述電流得到表示所述還原形式的氧化還原物質(zhì)或所述氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的數(shù)值。
31.一種用于測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，所述方法包括以下步驟a)提供包括第一工作電極、第二工作電極和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池；b)選擇所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述計(jì)數(shù)電極的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)所述第一工作電極；c)選擇所述第二工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的間隔、使得來自所述計(jì)數(shù)電極的大量反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)所述第二工作電極；d)在所述第二工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間以及所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間加上電位差，從而將所述第二工作電極和所述第一工作電極充分地充電并且充分地完成表面組反應(yīng)；e)在大量所述氧化還原物質(zhì)在所述第二工作電極處發(fā)生反應(yīng)之前斷開所述第二工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間的電路；f)在所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間加上電位差；g)選擇所述第一工作電極的電位、使得所述還原形式的氧化還原物質(zhì)的電氧化速率或所述氧化形式的氧化還原物質(zhì)的電還原速率由擴(kuò)散控制；h)測定在所述第一工作電極和所述計(jì)數(shù)電極之間流動(dòng)的電流；以及i)從所述電流得到表示所述還原形式的氧化還原物質(zhì)或所述氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的數(shù)值。
32.一種用于測定電化學(xué)電池中氧化還原物質(zhì)濃度的裝置，所述裝置包括電化學(xué)電池，它具有第一工作電極、第一計(jì)數(shù)電極、第二工作電極和第二計(jì)數(shù)電極，其特點(diǎn)在于所述第一工作電極與所述第一計(jì)數(shù)電極的間隔小于500μm，所述第一工作電極與所述第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于500μm，以及所述第二工作電極與所述第二計(jì)數(shù)電極的間隔大于500μm；用于在所述第一工作電極和所述第一計(jì)數(shù)電極之間施加電位差的裝置；以及用于在所述第二工作電極和所述第二計(jì)數(shù)電極之間施加電位差的裝置。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于所述裝置是葡萄糖計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及電化學(xué)電池，它包括第一工作電極32、第一計(jì)數(shù)電極34、第二工作電極36和第二計(jì)數(shù)電極38，其中，將所述電極這樣隔開、使得來自第一計(jì)數(shù)電極34的反應(yīng)產(chǎn)物到達(dá)第一工作電極32、而來自第一和第二計(jì)數(shù)電極34、38的反應(yīng)產(chǎn)物不能到達(dá)第二工作電極36。還提供一種利用這種電化學(xué)電池測定還原或氧化形式的氧化還原物質(zhì)的濃度的方法，其測量精度高于用只有單一工作和計(jì)數(shù)電極的電化學(xué)電池所能獲得的精度。
文檔編號G01N33/487GK1507561SQ02803637
公開日2004年6月23日 申請日期2002年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月10日
發(fā)明者A·霍奇斯, A 霍奇斯 申請人:生命掃描有限公司