專利名稱：一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于水溶液中離子含量電位測量的參比電極。
背景技術(shù)：
目前，一般用于測量水溶液中離子含量的一般裝置通常由一個參比電極和一個獨立的電位或工作電極所組成，當(dāng)將這種裝置置于一定量的溶液中進行分析時，參比電極和工作電極一起構(gòu)成一種電化學(xué)電池，其中參比電極與水溶液中的工作電極形成一種恒定的電勢，這兩種電勢差與離子活性的對數(shù)成正比，而這種電勢差又與溶液中離子的濃度有關(guān)，即濃度可直接決定參比電極和工作電極周圍的電壓。參比電極通常包含一層X離子可逆材料，這種材料在氧化條件下，X離子存在或缺失時進行可逆變化，通常含有金屬鹵化物鹽，金屬合金或化合物，在含有金屬的表面上較易形成，之后，電極周圍形成一層電解質(zhì)。簡單來說，這層電解質(zhì)包含一定量的X離子，X離子分布在水介質(zhì)中或聚合材料中。例如，電解質(zhì)為一種含有X離子化合物的凝膠狀混合物，這種凝膠狀混合物不能溶于被測液中，但在擴散作用下允許離子的運輸?；蛘唠娊赓|(zhì)上包含一層膜，如醋酸纖維素或多孔玻璃抑或陶瓷類等，允許離子運輸，但限制溶液及電解質(zhì)本身的流動。由此，在電解質(zhì)和被測試液間形成一層液界，允許離子的擴散但阻止兩種介質(zhì)的對流。當(dāng)電解液所含離子濃度較高，離子滲透率相近時，則無論溶液組成如何，在電極和被測溶液之間形成電氣連續(xù)性(電位測試的必要條件)，且液界兩端的電位差保持恒定(較小)。X離子可逆電極與電解液之間的電位差取決于電解液中X離子的濃度。因此，當(dāng)X離子濃度穩(wěn)定時，電極的電極電位不受被測液組成的影響，這是參比電極正常工作的必須條件。由于離子必須能夠自由穿越液界，只有當(dāng)電解液的體積較大時，才能保持離子X濃度的穩(wěn)定性，也即在參比電極的使用過程中，電解液中的離子濃度能夠長時間保持恒定。為了能適宜市場推廣的參考電極，如可應(yīng)用于醫(yī)院的血液分析操作，血液化學(xué)實驗室等，電極應(yīng)盡量保持價格低廉，經(jīng)濟上可行，體積小型化，且可用于小樣本中，使用壽命還應(yīng)盡量長些。由于之前大多數(shù)電極采用的是親水性或水性參比電解液，電極的使用壽命很難得到保證。通常情況下親水性電解液都是水合凝膠或類似的狀態(tài)，允許離子的運輸。要移動儲存“潤濕”的電解液會有包裝和存儲問題。或者在使用前可將凝膠潤濕，但這樣又會引起其它操作上的問題，尤其是干電極的大小，其潤濕所耗費的時間都在很大程度上影響了其實用性。先前發(fā)明的參比電極在大小問題上也存在需要解決的難點。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種本身比較干燥的參比電極結(jié)構(gòu)，以保證其較長的使用期限，且能夠在使用時迅速被“潤濕”，為使用者帶來最大的方便。為了達到上述的目的，本實用新型采用了以下的技術(shù)方案一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其主要包括復(fù)合膜、工作電極、電壓表、參比電極、化學(xué)可逆材料、電解質(zhì)材料、電極基板、參比電極透水膜、正抗蝕圖區(qū)域、負(fù)抗蝕圖區(qū)域，所述的參比電極外覆蓋有一層化學(xué)可逆材料；一層化學(xué)可逆材料外覆蓋有一層電解質(zhì)材料；電解質(zhì)材料外覆蓋有一層參比電極透水膜。上述的參比電極其構(gòu)造為平面電極。上述的參比電極的金屬部分與電極基板接觸，其外層化學(xué)可逆材料為鹽層或金屬化合物。 上述的電解質(zhì)材料為一種含有氯化鉀的材料。上述的參比電極透水膜是一種對化學(xué)成分不具滲透性但可透水的材料。上述的工作電極、參比電極組合形成于電極基板上。本實用新型有益效果在離子從溶液擴散到電解質(zhì)材料周圍之前已完全被“潤濕”，因而在電解質(zhì)材料被完全“潤濕”時間與電極周圍的電解質(zhì)離子濃度開始發(fā)生變化的時間有著較大的時差，時差期間液界兩側(cè)的離子運輸保持一種電氣連續(xù)性，而電極電位保持恒定，因為離子濃度發(fā)生變化還無法在電極上予以顯示。故測量工作電極與參比電極之間的電位差便能夠精確測出離子的濃度。因此，本實用新型可以干燥狀態(tài)運輸和存放，不僅方便，使用年限更長，而且離子擴散時間較長，使用時“潤濕”更快。

圖1為傳統(tǒng)的工作電極/參考電極剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型工作電極/參比電極的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3從a至e展示了圖2電極制造的連續(xù)性步驟過程圖。圖4為電位隨時間而變化的過程圖。圖中1-復(fù)合膜，2-工作電極，3-電壓表，4-參比電極，5-化學(xué)可逆材料，6-覆蓋層材料，7-電極基板，8-電解質(zhì)材料，9-參比電極透水膜，10-正抗蝕圖區(qū)域，11-負(fù)抗蝕圖區(qū)域。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖1-4對本實用新型的具體實施方式
做一個詳細(xì)的說明。實施例一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其主要包括復(fù)合膜1、工作電極2、電壓表3、參比電極4、化學(xué)可逆材料5、電解質(zhì)材料6、電極基板7、參比電極透水膜8、正抗蝕圖區(qū)域9、負(fù)抗蝕圖區(qū)域10，所述的參比電極4外覆蓋有一層化學(xué)可逆材料5 ;—層化學(xué)可逆材料5外覆蓋有一層電解質(zhì)材料6 ；電解質(zhì)材料6外覆蓋有一層參比電極透水膜8。所述的參比電極4其構(gòu)造為平面電極。所述的參比電極4的金屬部分與電極基板7接觸，其外層化學(xué)可逆材料5為鹽層或金屬化合物。所述的電解質(zhì)材料6為一種含有氯化鉀的材料。所述的參比電極透水膜8是一種對化學(xué)成分不具滲透性但可透水的材料。[0027]所述的工作電極2、參比電極4組合形成于電極基板7上。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的傳統(tǒng)工作電極/參比電極裝置，其中，工作電極2在電極基板7上形成，被一層化學(xué)可逆材料所包裹，使得工作電極能夠針對特定的離子種類進行測量。參比電極4同樣是基于電極基板7上形成?；瘜W(xué)可逆材料5通常包括含X離子的配制成材料或化合物。電解質(zhì)材料6是一種親水粘結(jié)劑，如凝膠，固溶體中含有某種鹽。實際操作中，電解質(zhì)材料6可以滲透水分子，如測試液中的水分子。也就是說，電解質(zhì)材料6須允許水分子以及離子的擴散，但不允許對流，即液體的互換流通。電解質(zhì)材料6中的離子也可從擴散到水溶液中。如上所述，工作電極2和參考電極4共同組成一個電化學(xué)電池，兩者之間的電勢(電壓表3顯示)可用以測量表示出溶液中被測離子的濃度。從圖1可看出，參比電極裝置中電解質(zhì)材料6的量較大，這樣可以保證離子濃度在短期內(nèi)不會發(fā)生變化，因為離子在電解質(zhì)材料6中的擴散所需時間較長才能達到電解質(zhì)材料6與溶液間離子濃度的平衡。這種情況下，參比電極4與工作電極2之間的電位差在一定時間內(nèi)保持恒定，使得測量溶液中離子的濃度成為可能。然而對于電解液的大量需求以及潤濕的要求，在一定程度上限制了其實用性。例如，如果電解液在使用前浸入水或某種鹽溶液中由干燥“潤濕”時，所需時間與離子擴散過程所用時間相當(dāng)，妨礙了電解質(zhì)材料6的有效利用。另一方面，若電極本身為潤濕狀態(tài)，則儲存起來更加不方便。根據(jù)先前的技術(shù)，僅僅減少電解液的量不僅會使“潤濕”時間縮短，但同時也減少了電解液與被測溶液間離子濃度的平衡，這會使得測量本身變得特別困難，甚至不可能獲得測量結(jié)果。圖2所示為本實用新型一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置的優(yōu)化方案。與圖1所示的電極裝置類似，參比電極4和工作電極2都形成于電極基板7上，參比電極4其覆蓋有化學(xué)可逆材料5，化學(xué)可逆材料5外覆蓋有電解質(zhì)材料6，這點與圖1所示設(shè)備一樣，當(dāng)然與電壓表3的連接方式也相同。電解質(zhì)材料6也與圖1中的相同。但本實用新型中，電解質(zhì)材料6上覆蓋化學(xué)可逆材料5外，且外面包裹著一層膜，這層膜是一種參比電極透水膜8，可以滲入水分子，但是X離子無法通過，一般來說，對任何電解質(zhì)材料6或參比電極4所在的溶液中的離子都不具有滲透性，可影響到電極電位的大小。這種膜可由PVC (聚氯乙烯)或PTFE (聚四氟乙烯)塑料材料或橡膠構(gòu)成。在實踐中，圖2所示的電極裝置本身是干燥的，即電解質(zhì)材料6中沒有足量的水分支持離子的擴散，這種裝置穩(wěn)定且使用壽命更長。當(dāng)這種電極與水溶液接觸時，個別水分子滲入選擇性滲透膜，潤濕電解質(zhì)材料6，水分子和離子都通過液界。由于電解質(zhì)材料6相對于其長度比較薄，電解質(zhì)材料6會迅速被“潤濕”。同時電解質(zhì)材料6中的離子開始擴散通過液界，電解質(zhì)材料6外露部分的離子濃度以恒定的速率變化。由于水分子“潤濕”電解質(zhì)材料6所經(jīng)過的路線較短，在離子從溶液擴散到電解質(zhì)材料6周圍之前已完全被”潤濕“，因而在電解質(zhì)材料6被完全”潤濕“時間與電極周圍的離子濃度開始發(fā)生變化的時間有著較大的時差，時差期間液界兩側(cè)的離子運輸保持一種電氣連續(xù)性，而電極電位保持恒定，因為離子濃度發(fā)生變化還無法在電極上予以顯示。因此測量工作電極與參比電極之間的電位差便能夠精確測出離子的濃度。圖2中參比電極4的工作性能可從圖4中的電壓時間表中直觀看出，從0到a時亥IJ，參比電極4潤濕，電壓值迅速改變；a_b期間，電壓保持恒定，直到b時刻，電極附近的離子濃度發(fā)生變化。實際操作中，a-b時段對于參比電極可以為I分鐘或更久，以便于工作電極有足夠的時間做出必要的測量。圖3 (b)中，電解質(zhì)材料6已在圖3 Ca)中的整體裝置上沉積。圖3 (c)所示為本實用新型裝置制造的后續(xù)步驟，其中在負(fù)抗蝕圖區(qū)域10 (與正抗蝕圖區(qū)域9可分別進行移動)的沉積區(qū)域中，電解質(zhì)材料6保存作為參比電極4裝置的一部分，即負(fù)抗蝕圖區(qū)域10沉積，暴露移離負(fù)抗蝕圖區(qū)域10，而負(fù)抗蝕圖區(qū)域10中的電解質(zhì)材料6將在成品中顯現(xiàn)出來。圖3 Cd)所示為后續(xù)步驟的結(jié)果，包括通過離子體刻蝕或其他步驟去除暴露的電解質(zhì)材料6，留下圖3 (c)中的負(fù)抗蝕圖區(qū)域10的處理部分，然后去除正負(fù)性抗蝕劑，得到圖3 Cd)中的電極結(jié)構(gòu)，其中參比電極4被電解質(zhì)材料6覆蓋。最后，圖3 (e)展示了最后一步的結(jié)果，其中參比電極透水膜8包裹在電解質(zhì)材料6上。本實用新型中，電解質(zhì)材料6呈一條蜿蜒式的線條或螺旋式的圖案。上述構(gòu)成的參比電極裝置為一體化薄膜微電極生物傳感器件(Integratedmicroelectrode biosensors IMEB)的一個組件。
權(quán)利要求1.一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其主要包括復(fù)合膜(I)、工作電極(2)、電壓表(3)、參比電極(4)、化學(xué)可逆材料(5)、電解質(zhì)材料(6)、電極基板(7)、參比電極透水膜(8)、正抗蝕圖區(qū)域(9)、負(fù)抗蝕圖區(qū)域(10)，其特征在于參比電極(4)外覆蓋有一層化學(xué)可逆材料(5);—層化學(xué)可逆材料(5)外覆蓋有一層電解質(zhì)材料(6);電解質(zhì)材料(6 )外覆蓋有一層參比電極透水膜(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其特征在于所述的參比電極(4)其構(gòu)造為平面電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其特征在于所述的參比電極(4)的金屬部分與電極基板(7)接觸，其外層化學(xué)可逆材料(5)為鹽層或金屬化合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其特征在于所述的電解質(zhì)材料(6)為一種含有氯化鉀的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其特征在于所述的參比電極透水膜(8)是一種對化學(xué)成分不具滲透性但可透水的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，其特征在于所述的工作電極(2)、參比電極(4)組合形成于電極基板(7)上。
專利摘要本實用新型涉及一種用于水溶液中離子含量電位測量的參比電極。一種用于一體化薄膜微電極生物傳感器件的參比電極裝置，所述的參比電極外覆蓋有一層化學(xué)可逆材料；一層化學(xué)可逆材料外覆蓋有一層電解質(zhì)材料；電解質(zhì)材料外覆蓋有一層參比電極透水膜。本實用新型在離子從溶液擴散到電解質(zhì)材料周圍之前已完全被“潤濕”，因而在電解質(zhì)材料被完全“潤濕”時間與電極周圍的電解質(zhì)離子濃度開始發(fā)生變化的時間有著較大的時差，時差期間液界兩側(cè)的離子運輸保持一種電氣連續(xù)性，而電極電位保持恒定，因為離子濃度發(fā)生變化還無法在電極上予以顯示。故測量工作電極與參比電極之間的電位差便能夠精確測出離子的濃度。
文檔編號G01N27/30GK202886322SQ20122046411
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者徐云鵬, 燕春暉 申請人:江西恒盛晶微技術(shù)有限公司