一次性电化学传感条带及相关方法技术

一种用于测量生物流体样品(D)中离子含量的电化学传感装置(S)，包括两个膜半电池、连接它们的盐桥(3)、使生物流体样品(D)与测量电池接触的装置，其中半电池的第一膜和第二膜(11、21)对相同离子具有选择性，与膜相邻的第一容积体(13)和第二容积体(23)填充有已知浓度(C1、C2)的、膜(11、21)对其具有选择性的离子，这些已知浓度是不同的，使得可以在第一电极(12)和第二电极(22)之间测量电压，从而可以校准传感装置(S)进而测量样品的离子含量。本发明专利技术还涉及使用这种传感装置的方法。所述传感装置尤其在所谓的家庭监控领域有用。

Disposable electrochemical sensing strip and related methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一次性电化学传感条带及相关方法
本专利技术涉及一种电化学传感装置，尤其涉及一种用于测量流体样品中离子含量的电位计带，该电位计带在即将使用前经过自动校准步骤，因此可以进行非常精确的测量。在特定实施例中，电化学传感装置是一次性带。它在所谓的即时检验和家庭监控领域特别有用，但它也可以应用于水分析、环境监测、食品分析和安全、工业过程控制以及化学/生化研究等领域。本专利技术还涉及一种利用本专利技术的传感装置测量生物流体样品中的离子含量的方法。最后，本专利技术还涉及使可能会限制本专利技术的传感装置的测量准确性的复杂分子的干扰最小化，复杂分子例如是存在于生物流体中的血浆蛋白。
技术介绍
传感装置行业面临着开发和验证新的分析方法的重大挑战，以尝试在分析的极端边缘进行操作，以从较小或更复杂的样品以及浓度较低的物种中获取有意义的实时和现场信息。此外，随着诸如药品、生物技术、药物和环境监测的发展，由于它们的进展依赖于从化学分析中获得的信息，在某些研究领域中，目前有一种趋势是采用更加用户友好的仪器。在这种背景下，分析化学的一个重要部分将他们的研究重点放在试图避免使用大型实验室(集中式和远程)以及复杂而昂贵的仪器上，从而相反地开发更接近用户的系统。这显然意味着简化了分析程序，减少了样品和试剂的消耗，并最大程度地减少了人工干预。两种不同的概念方法似乎可以应对这一挑战。一方面，传感器的发展可以减少分析过程的阶段数，因为它们包括识别元件，该识别元件给予信号选择性甚至特异性，因此避免了分析物与干扰物的分离。此外，它集成了其他元件例如换能器和放大步骤，以获得最终信号。另一方面，通过基于连续流动系统的自动化离散方法来自动化整个过程，可以实现不同步骤的连接性和鲁棒性。两种方法的集成产生了所谓的全面分析系统(TAS)。这些系统保证了优化的结果，但是由于它们不是便携式的，因此空间和时间分辨率很小。这鼓励了科学家们专注于仪器的小型化和所谓的微量总分析系统(μTAS)或芯片实验室的开发。它们是最小化系统，设计旨在执行分析程序的所有步骤(采样、样品输送、样品预处理、分离、检测和数据分析)，以便自动获取化学信息。小型化显然具有一些优势，例如便携性、自主性、节省成本、绿色化学(greenerchemistry)、工艺操作的改进、由于缩小而获得新的效果以及执行现场测量或“即时诊断”的可能性。然而，这在其商业实施之前面临许多困难。首先，在技术方面，要使设计和过程标准化，将分析过程及其组件的每个操作集成到单个设备中，以及最终要实现真正的商业和可用性要求，都是非常困难的。另一方面，由于某些物理现象对于微观水平的相对重要性，并且由于缩小尺寸和容积体将常规分析技术转化为极限并减少这些微观系统在现实世界的实际操作这一事实，还有其他一些更基本的问题。本说明书集中于基于离子选择电极(ISE)的电位传感器的领域，其将溶解在水溶液中的特定离子的活度转换成电势。它们由分离两个不同相的渗透选择性膜组成，并测量所选离子在膜上产生的电势差。通过将该电势与参考电极进行比较来确定净电荷。根据能斯特(Nernstequation)方程，所得电压理论上取决于离子活度的对数。离子选择电极用于分析化学和生化/生物物理领域，这些领域需要测量水溶液中的离子浓度。迄今为止，还没有可商购的一次性电位计。市售的设备由电化学电池结构组成，该电化学电池结构包括两个不同的电极：一个(或几个)充当选择电极，另一个充当参考电极。通常，工作电极是一次性的并用于校准的电极，使用常规的参考电极，该参考电极不是一次性使用的。这些设备具有重要的局限性，例如需要进行预校准，其他离子的干扰以及大量的样品消耗。不在市场上而是在本领域中有描述，有一些一次性微型化电化学设备的尝试。但是，所有这些设备的主要挑战是在设备即将单次使用之前以完全自动化的方式来实现良好的校准，以供没有经验的人员使用。如图1所示，电化学传感装置S是本领域已知的，用于测量生物流体样品D中离子的含量，包括：-第一半电池(half-cell)，其具有由第一离子选择膜11和第一导电支撑体12制成的第一离子选择电极1，以及与第一离子选择膜11接触的第一容积体13，该第一半电池形成所谓参考电极；和-第二半电池，其具有由第二离子选择膜21和第二导电支撑体22制成的第二离子选择电极2，以及与第二离子选择膜21接触的第二容积体23，该第二半电池形成所谓的测量电极。在本说明书中，并且如本
中通常那样，每个离子选择电极由其中沉积有离子选择膜的导电支撑体制成，从而可以测量膜电位。因此，当使离子选择膜与包含不同浓度的被其选择的物质的水溶液接触时，每当膜之间的电路闭合时，在连接到导电支撑体的终端之间就会出现电压。这是通过将第一容积体和第二容积体与盐桥(saltbridge)3连接来完成的。该设备通过使生物流体样品与第二容积体接触的装置来完善。在个人设备的特定情况下，这些装置通常位于容器中，使用者容易识别，在那里使用者可以沉积一滴生物流体，例如血液或尿液。这些设备中的许多是一次性的，这意味着在制造、处理、存储和出售后，使用者只能使用一次。但是，在这些条件下，无法保证在使用时对条带进行校准。这种使用可能在从制造开始数月后发生。此外，制造过程本身不能确保条带的均匀预校准，因此，它们使用具有每个制造批次的预校准参数的编码芯片。如前所述，测量电路是由电导体、膜电极和盐桥组成的闭合电路。所有这些元件都容易随时间变化，因此它们中的任何一个都会妨碍工厂校准的有效性。为了克服这些缺点，已经提出了仅在设备即将唯一使用之前校准设备的解决方案。现有的校准技术主要在于使测量电路的一部分处于已知条件下，特别是在已知浓度下，以便可以校准装置/条带。这样做的技术主要有两种。在第一类型中，使用已知组成的封装水溶液。在这些解决方案中，已知的分析物通过机械作用被驱动以占据测量半电池，然后测量电压，从而至少在预期的测量范围中可以推断出设备的特性校准曲线的斜率。这些解决方案例如在文献EP0672246、WO9002938，US5064618或EP0282349中公开。EP0672246公开了一种与相关的读取终端一起使用的自助的(self-contained)、一次性的盒式电化学测试单元。更具体地，其公开了一种用于控制和稳定校准材料相对于电极系统的位置的系统，从而可以自动完成校准。校准意味着校准介质被待容纳的样品置换。WO9002938和US5064618的缺点在于它们涉及令人讨厌且复杂的阀和通道系统，并且可能暗示校准溶液会污染测量区域。EP0282349公开了一种条形传感器，其包括参考电极和离子选择电极，其中包含已知浓度的所选离子的可去除的亲水性凝胶层桥接电极与分析物接触的部分，以进行校准。校准意味着用户需要进行专门的校准操作。第二种类型的溶液基于使用可以与校准样品接触的附加电极，该校准样品的浓度是已知的，例如，如WO2008029110中所公开的那样。具体地，WO2008029110公开了一种自校准设备，其使用与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量生物流体样品(D)中的离子含量的电化学传感装置(S)，包括：/n-第一半电池，其具有由第一离子选择膜(11)和第一导电支撑体(12)制成的第一离子选择电极(1)以及与第一离子选择膜(11)接触的第一容积体(13)；/n-第二半电池，其具有由第二离子选择膜(21)和第二导电支撑体(22)制成的第二离子选择电极(2)以及与第二离子选择膜(21)接触的第二容积体(23)；/n-连接第一容积体(13)和第二容积体(23)的盐桥(3)；和/n-使生物流体样品(D)与第二容积体(23)接触的装置；/n其特征在于：/n-所述盐桥(3)包括扩散限制器(4)，所述扩散限制器(4)在其被移除时允许打开盐桥(3)；/n-其中所述第一和第二膜(11、21)对相同离子具有选择性；和/n-所述第一容积体(13)和所述第二容积体(23)填充有已知浓度(C1，C2)的离子的水溶液，所述膜(11、21)对这些离子具有选择性，这些已知浓度是不同的；/n从而，在通过去除扩散限制器(4)而打开盐桥(3)之后，能够测量第一导电支撑体(12)和第二导电支撑体(22)之间的电压，所述测量的电压因此允许校准所述电化学传感装置(S)进而测量生物流体样品(D)的离子含量。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170503 EP 17382247.91.一种用于测量生物流体样品(D)中的离子含量的电化学传感装置(S)，包括：
-第一半电池，其具有由第一离子选择膜(11)和第一导电支撑体(12)制成的第一离子选择电极(1)以及与第一离子选择膜(11)接触的第一容积体(13)；
-第二半电池，其具有由第二离子选择膜(21)和第二导电支撑体(22)制成的第二离子选择电极(2)以及与第二离子选择膜(21)接触的第二容积体(23)；
-连接第一容积体(13)和第二容积体(23)的盐桥(3)；和
-使生物流体样品(D)与第二容积体(23)接触的装置；
其特征在于：
-所述盐桥(3)包括扩散限制器(4)，所述扩散限制器(4)在其被移除时允许打开盐桥(3)；
-其中所述第一和第二膜(11、21)对相同离子具有选择性；和
-所述第一容积体(13)和所述第二容积体(23)填充有已知浓度(C1，C2)的离子的水溶液，所述膜(11、21)对这些离子具有选择性，这些已知浓度是不同的；
从而，在通过去除扩散限制器(4)而打开盐桥(3)之后，能够测量第一导电支撑体(12)和第二导电支撑体(22)之间的电压，所述测量的电压因此允许校准所述电化学传感装置(S)进而测量生物流体样品(D)的离子含量。


2.根据前述权利要求所述的电化学传感装置，其中，已知浓度的所述水溶液之间的离子浓度差包括要测量的浓度范围。


3.根据前述权利要求中的任一项所述的电化学传感装置，其中，所述扩散限制器(4)是机械的、热的或化学的。


4.根据前述权利要求中任一项所述的电化学传感装置，其中，用于使生物流体样品(D)与所述第二容积体(23)接触的所述装置包括样品入口(M)，所述样品入口将所述第二容积体(23)与外部连接。


5.根据权利要求4所述的电化学传感装置，其中，包括在所述样品入口(M)中的气体扩散层(MG)，使得所述样品必须穿过所述气体扩散层以到达所述第二容积体(23)。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的电化学传感装置，其中，所述离子选择膜(11、21)由具有增塑剂的聚合物制成，与要测量的所述离子选择性相互作用的化合物被溶解或固定在所述增塑剂中。


7.根据前述权利要求中任一项所述的电化学传感装置，其中，所述第一和第二容积体(13、23)以及所述盐桥(3)填充有嵌入在水凝胶中的已知浓度的水溶液。


8.根据前述权利要求中任一项所述的电化学传感装置，其中，所述导电支撑体(12、22)由导电金属、填充有金属纳米颗粒的复合导电聚合物、石墨、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物或导电油墨制成。


9.根据前述权利要求中任一项所述的电化学传感装置，其中，由以下层构成：
-底部封装层(L1)；
-所述导电支撑体(12、22)和测量终端(E1、E2)；
-第一中间层(L2)，其具有用于容纳所述膜(11、21)的通孔(L21，L22)以及用于接近测量终端(E1、E2)的切口(L23、L24)；
-第二中间封装层(L3)，其包括通孔，该通孔限定出了用于所述第一容积体(13)和所述第二容积体(23)的两个壳体(L31、L32)以及连接所述壳体(L31、L32)并容纳盐桥(3)的通道(L33)；以及切口(L33，L34)，用于接近测量终端(E1、E2)；和
-顶部封装层(L4)，其包括用于沉积所述生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利安·阿隆索·查马罗，玛丽亚·马尔·普优尔·博世，安东尼奥·卡尔沃·洛佩斯，
申请(专利权)人：戴卫凯尔有限公司，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES