ES2197572T3 - Celula electroquimica. - Google Patents

Abstract

UN DETECTOR ELECTROQUIMICO PARA LLEVAR A CABO UNA DETERMINACION ANALITICA UTILIZANDO UNA MUESTRA LIQUIDA QUE COMPRENDE UNA TIRA SUSTANCIALMENTE PLANA QUE TIENE AL MENOS DOS BORDES LATERALES (17), UN ELEMENTO RECEPTOR DE MUESTRAS (11) DISPUESTO DENTRO DE LA TIRA, AL MENOS DOS ELECTRODOS (12) EN COMUNICACION CON EL ELEMENTO (11) Y UNA MUESCA (16) EN AL MENOS UNO DE LOS BORDES LATERALES (17), ESTANDO LA MUESCA (16) EN COMUNICACION CON EL ELEMENTO (11) Y PERMITIENDO LA ENTRADA DE LA MUESTRA LIQUIDA EN EL ELEMENTO (11). LA MUESTRA PUEDE COMPRENDER ADEMAS UN RESPIRADERO (16) EN COMUNICACION CON EL ELEMENTO (11), ESTANDO EL RESPIRADERO (16) ADAPTADO PARA PERMITIR QUE SE ESCAPE AIRE AL ELEMENTO (11) PARA FACILITAR LA ENTRADA DE LA MUESTRA LIQUIDA EN EL ELEMENTO (11). EL ELEMENTO (11) PUEDE CONTENER, POR EJEMPLO, UN CATALIZADOR, UN REACTIVO DE REDUCCION-OXIDACION Y UN TESIOACTIVO.

Description

Célula electroquímica.

Campo del invento

Este invento se refiere a una célula electroquímica para determinar la concentración de un componente a analizar en un soporte.

Técnica anterior

El invento descrito en la presente memoria es un perfeccionamiento o una modificación del invento descrito en nuestra solicitud copendiente de patente europea nº 96917287.3 (solicitud de patente internacional nº PCT/AU96/00365; WO-A-97/00441), cuyos contenidos se incorporan en la presente memoria como referencia.

El invento se describirá en la presente memoria con referencia particular a un biosensor adaptado para medir la concentración de glucosa en sangre, pero se entenderá que no se limita a este uso particular y que es aplicable a otras determinaciones analíticas.

Es conocida la técnica de medir la concentración de un componente a analizar en una muestra líquida acuosa mediante la colocación de la muestra en una zona de reacción de una célula electroquímica que comprende dos electrodos que tienen una impedancia que los hace adecuados para medidas de intensidad de corriente. Al componente que se va analizar se le permite reaccionar directa o indirectamente con un reactivo de reducción-oxidación para formar con ello una sustancia oxidable (o reductible) en una cantidad correspondiente a la concentración del componente a analizar. La cantidad presente de la sustancia oxidable (o reducible) se estima luego electroquímicamente. En general, este método requiere una separación suficiente de los electrodos para que los productos electrolíticos depositados en un electrodo no puedan llegar al otro electrodo e interferir con los tratamientos en el otro electrodo durante el período de medida.

En la solicitud de patente copendiente antes mencionada se describió un nuevo método para determinar la concentración de la forma reducida (u oxidada) de una especie de reducción-oxidación en una célula electroquímica de la clase que comprende un electrodo de trabajo y un contraelectrodo (o electrodo de contrarreferencia) separado del electrodo de trabajo en una distancia predeterminada. El método implica aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos y seleccionar el potencial del electrodo de trabajo de tal manera que la velocidad de electro-oxidación de la forma reducida de la especie (o de electro-reducción de la forma oxidada) se controle por difusión. La separación entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo se selecciona de tal manera que los productos de reacción procedentes del contraelectrodo lleguen al electrodo de trabajo. Mediante la determinación de la intensidad de corriente en función del tiempo transcurrido tras la aplicación del potencial y antes de llegar a una intensidad de corriente de estado estacionario, y estimando luego la amplitud de la intensidad de corriente de estado estacionario, el método anteriormente descrito permite estimar el coeficiente de difusión y/o la concentración de la forma reducida (u oxidada) de la especie.

La solicitud copendiente de patente antes mencionada ejemplifica este método con referencia al uso de una ``célula electroquímica de capa delgada'' que emplea un sistema de glucosa oxidasa deshidrogenada (en adelante GOD)/ferrocianuro. Tal como se usa en la presente memoria, el término ``célula electroquímica de capa delgada'' se refiere a una célula que tiene electrodos con una separación muy pequeña entre sí de tal manera que los productos de reacción del contraelectrodo lleguen al electrodo de trabajo. En la práctica, la separación entre electrodos en esta clase de célula para medir glucosa en sangre será menor de 500 micras, y preferiblemente menor de 200 micras.

La química usada en el ejemplo de célula electroquímica es la siguiente:

Glucosa + GOD \qquad ácido glucónico + GOD^*\eqnum{(reacción 1)}\belowdisplayskip=.5\baselineskip GOD^* + 2 ferrocianuro \qquad GOD + 2 ferrocianuro\eqnum{(reacción 2)} donde GOD es la enzima de glucosa oxidasa, y GOD* es la enzima ``activada''. El ferricianuro {[FE(CN)_{6}]^{3}} es el ``mediador'' que devuelve a la GOD* a su estado catalítico. La GOD, un catalizador de enzimas, no se consume durante la reacción mientras esté presente mediador en exceso. El ferrocianuro {[FE(CN)_{6}]^{4}} es el producto final de la reacción total. En condiciones ideales inicialmente no hay ferrocianuro, aunque en la práctica a menudo existe una pequeña cantidad. Una vez completada la reacción, la concentración de ferrocianuro (medida electroquímicamente) indica la concentración inicial de glucosa. La reacción total es la suma de las reacciones 1 y 2:

GOD\belowdisplayskip=.5\baselineskip Glucosa + 2 ferricianuro \; ácido glucónico + 2 ferrocianuro\eqnum{(reacción 3)}

El término ``glucosa'' se refiere específicamente a \beta-D- glucosa.

La técnica anterior adolece de una serie de inconvenientes. En primer lugar, el tamaño de muestra requerido es mayor de lo conveniente. En general, sería preferible poder realizar medidas en muestras de menor volumen, puesto que esto a su vez permite utilizar métodos menos invasores para obtener muestras.

En segundo lugar, en general sería conveniente perfeccionar la precisión de la medida y eliminar o reducir variaciones debidas, por ejemplo, a la asimetría de células o a otros factores introducidos durante la producción en serie de microcélulas. Asimismo, sería conveniente reducir los efectos ``de borde'' de los electrodos.

En tercer lugar, como las células son desechables después de usarlas, es conveniente que se puedan producir en serie a un coste relativamente bajo.

En la Figura 5 de la memoria descriptiva de la patente de EE.UU. nº 4.654.197 se describe una cubeta para muestreo y análisis con cavidades conectadas en paralelo unidas a un canal común formado entre dos capas.

En la publicación de patente europea nº 0 359 831A se describe un biosensor de forma rectangular.

Descripción del invento

De acuerdo con el presente invento, se provee un sensor electroquímico para determinación analítica usando una muestra líquida, que comprende una tira sustancialmente plana formada de una lámina eléctricamente resistiva, cuya lámina tiene una abertura practicada en la misma, definiendo dicha abertura una célula receptora de muestra dentro de la tira que tiene un espesor correspondiente al espesor de la lámina, formando la lámina una pared de la célula, al menos dos electrodos en comunicación con la célula, incluyendo una capa de primer electrodo que tapa al menos parcialmente la abertura en una cara de la lámina y una capa de segundo electrodo en la otra cara de la lámina, y una entalladura a través de todo el espesor de la tira en cada borde lateral de la tira, en el que cada entalladura está en comunicación con la célula, en el que una de las entalladuras permite la entrada de la muestra líquida en la célula y la otra entalladura permite que el aire escape de la célula para facilitar la entrada de la muestra líquida a la célula. Preferiblemente, la entrada de la muestra líquida a la célula se produce por capilaridad.

La célula receptora de muestra puede comprender al menos un reactivo, tal como un catalizador de enzimas, un reactivo de reducción-oxidación, o un agente tensioactivo, por ejemplo, una glucosa oxidasa y/o ferricianuro.

Las capas de primero y segundo electrodo pueden ser conductoras o semiconductoras y pueden ser iguales o diferentes. Se prefieren capas de metales nobles.

En realizaciones preferidas del invento el orificio es de sección transversal circular, mientras que la pared lateral es cilíndrica y los electrodos primero y segundo tapan la abertura.

Descripción de realizaciones preferidas

A continuación se describirá el invento únicamente a título de ejemplo con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos en los que:

La Figura 1 muestra una vista en planta del producto de la etapa 2 de fabricación.

La Figura 2 muestra un alzado lateral del producto de la Figura 1.

La Figura 3 muestra un alzado desde un extremo del producto de la Figura 1.

La Figura 4 muestra una vista en planta del producto de la etapa 3 de fabricación.

La Figura 5 muestra el producto de la Figura 4 en corte transversal por la línea 5-5 de la Figura 4.

La Figura 6 muestra una vista en planta del producto de la etapa 5 de fabricación.

La Figura 7 muestra un alzado lateral del producto de la Figura 6.

La Figura 8 muestra un alzado desde un extremo del producto de la Figura 6.

La Figura 9 muestra una vista en planta del producto de la etapa 7 de fabricación.

La Figura 10 es un corte transversal de la Figura 9 por la línea 10-10.

La Figura 11 muestra un alzado desde un extremo del producto de la Figura 9.

La Figura 12 muestra una vista en planta de una célula de acuerdo con el invento.

La Figura 13 muestra un alzado lateral de la célula de la Figura 12.

La Figura 14 muestra un alzado desde un extremo de la célula de la Figura 12.

La Figura 15 muestra una parte fragmentaria de una segunda realización del invento en un corte a escala ampliada.

A continuación se describe la construcción de una célula electroquímica de capa delgada a título de ejemplo del método perfeccionado de fabricación.

Etapa 1

Una lámina de Melinex® [un tereftalato de polietileno (en adelante PET) químicamente inerte y eléctricamente resistivo] de aproximadamente 13 cm x 30 cm y 100 \mum de espesor se tendió plana en una lámina de papel soltable 2 y se recubrió usando una barra MYAR del Número 2 hasta un espesor de 12 \mum en húmedo (aproximadamente 2-5 \mum en seco) con un adhesivo 3 activado por calor y con base agua (sistema ICI Novacoat usando adhesivo catalizador). Luego se evaporó el agua por medio de un secador de aire caliente dejando una superficie adhesiva de contacto. Después se le dio la vuelta a la lámina sobre un papel soltable y se recubrió el dorso similarmente con el mismo adhesivo 4, se secó, y se aplicó un papel protector soltable a la superficie adhesiva descubierta. Los bordes se recortaron para obtener una lámina uniformemente recubierta por las dos caras con un adhesivo pegajoso de contacto protegido por papel soltable.

Etapa 2

La lámina con papeles protectores soltables se cortó en tiras 7, cada una de aproximadamente 18 mm x 210 mm (Figuras 1 a 3).

Etapa 3

Una tira 7 de PET recubierto con adhesivo procedente de la etapa 2 con papel soltable 2,5 en las caras respectivas, se colocó en un conjunto de troquel (no mostrado) y se sujetó. El conjunto de troquel estaba adaptado para punzonar la tira con un orificio 10 de localización en cada extremo y por ejemplo con 37 orificios circulares 11 cada uno de los cuales tenía 3,4mm de diámetro en centros a 5mm equidistantes a lo largo de una línea entre los orificios 10 de localización. La superficie de cada orificio 11 era de aproximadamente 9 mm cuadrados.

Etapa 4

Una lámina 12 de PET de Mylar® de aproximadamente 21 cm x 21 cm y 135 \mum de espesor se colocó en una cámara de recubrimiento por pulverización para recubrimiento 13 con paladio. El recubrimiento por pulverización tuvo lugar en un vacío de entre 4 y 6 milibares y en una atmósfera de gas argón. El paladio se recubrió en el PET hasta un espesor de 100-1000 angstroms (10 nm a 100 nm). De ese modo se formó una lámina 14 con un recubrimiento 13 de paladio por pulverización.

Etapa 5

La lámina 14 de PET recubierta de paladio procedente de la Etapa 4 se cortó luego en tiras 14 y 15 y se usó un troquel para punzonar dos orificios 16 de localización en cada tira, en un extremo (Figuras 6, 7 y 8). Las tiras 14 y 15 diferían solamente en sus dimensiones, siendo las tiras 14 de 25 mm x 210 mm y las tiras 15 de 23 mm x 210 mm.

Etapa 6

Se colocó luego una tira espaciadora 7 preparada como en la etapa 3 en un portapieza (no mostrado) que tenía dos pasadores de localización (correspondiendo cada uno de ellos a cada orificio 10 de localización de la tira 7) y se retiró el papel superior soltable 2. Luego, se tendió una tira 14 de PET recubierto de paladio preparada como en la etapa 5 sobre la capa adhesiva, con la superficie de paladio hacia abajo, usando los pasadores del portapieza para alinear los orificios 10 de localización con la tira subyacente 7 de PET. Después se hizo pasar esta combinación a través de un tren de laminación constituido por rodillos de constricción, uno de los cuales estaba adaptado para calentar la cara que llevaba la tira 14 de PET recubierta de paladio. El rodillo situado en la cara opuesta de la tira estaba refrigerado. Mediante esta operación, solamente se activó el adhesivo situado entre el paladio de la tira 14 y la tira 7 de PET.

Etapa 7

Luego se dio la vuelta a la tira 7 de PET y se la colocó en el portapieza con el recubrimiento soltable en la parte superior. Se peló el recubrimiento soltable y se colocó la segunda tira 15 recubierta de paladio con la cara de paladio hacia abajo sobre la superficie adhesiva descubierta usando los pasadores de alineación para alinear las tiras. Este conjunto se volvió ahora a hacer pasar a través del tren de laminación de la etapa 6, esta vez con el rodillo caliente junto a la lámina de Mylar® recubierta de paladio añadida en la etapa 4 con el fin de activar el adhesivo intermedio (Figuras 9, 10 y 11).

Etapa 8

Se volvió a colocar el conjunto de la etapa 7 en el conjunto de troquel y se punzonaron entalladuras 16 en una serie de puntos de manera que se extendiesen entre los orificios circulares previamente punzonados en el PET de Melinex® y en el borde 17 de tira. Las entalladuras 16 se extendían de tal manera que interceptasen la circunferencia de cada célula circular. Se cortó luego con guillotina la tira para obtener 37 ``tiras sensoras'' individuales, siendo cada tira de alrededor de 5mm de ancha y teniendo cada una de ellas una célula de cavidad de capa delgada (Figuras 12, 13 y 14).

De ese modo se produjo una célula como la mostrada en las Figuras 12, 13 ó 14. La célula comprendía un primer electrodo constituido por una capa 12 de PET, una capa 13 de paladio, una capa adhesiva 3, una lámina 1 de PET, una segunda capa adhesiva 4, un segundo electrodo que comprendía una capa 13 de paladio, y una capa 12 de PET. La lámina 1 definía una célula cilíndrica 11 que tenía un espesor en la dirección axial de la célula que correspondía al espesor de la capa 1 de lámina de PET Melinex® junto con el espesor de las capas adhesivas 3 y 4. La célula tenía paredes extremas circulares de paladio. El acceso a la célula se había provisto en el borde lateral de la misma, donde la entalladura 16 cortaba a la célula 11.

En realizaciones preferidas del invento, se introduce por capilaridad una muestra en la célula. La muestra se coloca en contacto con la entalladura 16 y sufre espontáneamente un esfuerzo de tracción por capilaridad hacia la célula, ventilando el aire desplazado de la célula desde la entalladura opuesta 16. Se puede incluir un agente tensioactivo en el espacio capilar para ayudar a la tracción de la muestra.

Los sensores están provistos de medios de conexión, por ejemplo conectores de borde, mediante los cuales se pueden instalar los sensores en un circuito de medida. En una realización preferida, esto se logra haciendo que el espaciador 1 sea más corto que las láminas 14 y 15 de soporte de paladio y haciendo que una lámina 15 sea de longitud menor que la otra lámina 14. Esto forma una región 20 de enchufe hembra que tiene unas superficies de contacto 21, 22 conectadas eléctricamente con los electrodos de trabajo y contraelectrodo, respectivamente. Entonces se puede usar para la conexión eléctrica un simple enchufe macho de lengüeta que tenga las correspondientes superficies de conducto acoplables. Se pueden diseñar conectores de otra forma.

Los productos químicos para uso en la célula pueden estar soportados en los electrodos o paredes de la célula, en un soporte independiente contenido dentro de la célula, o pueden ser autoportantes.

En una realización, los productos químicos para uso en la célula se imprimen en la superficie de paladio del electrodo inmediatamente después de la etapa 1, en cuya etapa el paladio recién depositado es más hidrófilo. Por ejemplo, se puede imprimir en la superficie de paladio una solución que contenga ferricianuro potásico 0,2 molar y un 1% en peso de GOD (glucosa oxidasa deshidrogenada). Convenientemente, los productos químicos se imprimen solamente en las superficies que formen una pared de la célula, y preferentemente los productos químicos se imprimen en la superficie por medio de una impresora de chorro de tinta. De esta manera, se puede controlar con precisión la deposición de los productos químicos. Si se desea, los productos químicos que convenientemente están separados hasta que se necesiten para su uso se pueden imprimir respectivamente en los electrodos primero y segundo. Por ejemplo, se puede imprimir una composición de GOD/ferrocianuro en un electrodo y un amortiguador en el otro. Aunque es muy preferido aplicar los productos químicos a los electrodos antes del ensamblaje en una célula, también se pueden introducir los productos químicos en la célula como una solución después de la etapa 6 o de la etapa 8 mediante una pipeta en la manera tradicional, y subsiguientemente extraer el disolvente por evaporación o secado. No es necesario imprimir los productos químicos en la pared de la célula o en los electrodos, y en su lugar se pueden impregnar en una gasa, membrana, tela no tejida o material similar que estén contenidos dentro de la cavidad o llenándola (por ejemplo, insertados en la célula 11 antes de las etapas 6 ó 7). En otra realización, los productos químicos se forman en una masa porosa que se puede introducir en la célula como una píldora o en gránulos. Alternativamente, se pueden introducir los productos químicos en forma de gel.

En una segunda realización del invento, se hace primero un laminado 21 a partir de una tira 14 como la obtenida en la etapa 5 intercalándola con adhesivo entre dos tiras 7 como las obtenidas en la etapa 3. El laminado 20 se reemplaza por la lámina 1 de la etapa 5 y se ensambla con los electrodos como en las etapas 6 y 7.

De ese modo se obtiene una célula como la mostrada en la Figura 15 que difiere de la representada en las Figuras 9 y 11 en que la célula tiene un electrodo anular dispuesto entre el primero y el segundo electrodo. Este electrodo se puede usar, por ejemplo, como un electrodo de referencia.

Se entenderá que en la fabricación en serie de la célula, las piezas se pueden ensamblar como un laminado en una línea continua. Por ejemplo, se podría punzonar primero una lámina continua 1 de PET y luego se aplicaría el adhesivo de forma continua imprimiéndolo en la lámina restante. Los electrodos (pre-impresos con solución química y luego secados) se podrían introducir directamente como un laminado sobre la cara recubierta de adhesivo. Luego se podría aplicar adhesivo a la otra cara de la lámina de alma punzonada y después se podría introducir el electrodo como un laminado en la segunda cara.

El adhesivo podría aplicarse como una película intercalada fundida en caliente. Como alternativa, se podría recubrir primero con adhesivo la lámina de alma y luego punzonarla.

Mediante el secado de los productos químicos sobre cada electrodo antes de la etapa de pegar, se protege a la superficie de los electrodos contra la contaminación.

Aunque se ha descrito la célula con referencia a Mylar® y PET de Melinex®, se pueden utilizar otros materiales químicamente inertes y eléctricamente resistivos y elegir otras dimensiones. Los materiales elegidos para la lámina espaciadora 1 y para soportar a los electrodos de referencia y contraelectrodo pueden ser los mismos o diferir entre sí. Aunque se ha descrito el invento con referencia a electrodos de paladio, se podrían utilizar otros metales como platino, plata, oro, cobre o similares y se podría hacer reaccionar a la plata con un cloruro para formar un electrodo de plata/cloruro de plata o con otros haluros. No es necesario que los electrodos sean del mismo metal.

Aunque se ha descrito el uso de adhesivos activados por calor, se pueden ensamblar las piezas mediante el uso de adhesivos fundidos en caliente, laminados fusibles y otros métodos.

Se pueden variar fácilmente las dimensiones de acuerdo con los distintos requisitos.

Aunque es de gran preferencia que los electrodos tapen la célula y los orificios, en otras realizaciones (no ilustradas) los electrodos no tapan por completo la célula y los orificios. En ese caso, es conveniente que los electrodos se encuentren en registro sustancial de superposición.

Las formas preferidas del invento en las que los electrodos tapan las aberturas de la célula 11 tienen las ventajas de que la superficie de los electrodos queda definida con precisión simplemente mediante el punzonado del orificio 11. Además, los electrodos así provistos son paralelos, superpuestos, o sustancialmente de la misma superficie, y están sustancial o completamente desprovistos de efectos ``de borde''.

Aunque en las realizaciones descritas cada sensor tiene una cavidad de célula, los sensores pueden estar provistos de dos o más cavidades. Por ejemplo, se puede proveer una segunda cavidad con una cantidad predeterminada del componente a analizar y puede funcionar como una célula de referencia.

Como resultará aparente para los expertos en la técnica a partir de las enseñanzas contenidas en la presente memoria, se podría combinar una característica de una realización descrita en la presente memoria con características de otras realizaciones también descritas en la presente memoria o con otras realizaciones descritas en la solicitud copendiente de patente anteriormente mencionada. Aunque se ha descrito el sensor con referencia a electrodos de paladio y a una química de GOD/ferrocianuro, para los expertos en la técnica resultará evidente que se pueden emplear otras químicas y otros materiales de construcción sin apartarse de los principios enseñados en la presente memoria.

Claims (6)

1. Un sensor electroquímico para determinación analítica usando una muestra líquida, que comprende una tira sustancialmente plana formada de una lámina eléctricamente resistiva, cuya lámina tiene una abertura practicada en la misma, cuya abertura define una célula (11) receptora de muestra dentro de la tira que tiene un espesor correspondiente al espesor de la lámina, formando la lámina una pared de la célula, al menos dos electrodos (13) en comunicación con la célula (11), que incluyen una capa de primer electrodo que tapa al menos parcialmente la abertura en una cara de la lámina y una capa de segundo electrodo en la otra cara de la lámina, y una entalladura (16) a través de todo el espesor de la tira en cada borde lateral (17) de la tira, en el que cada entalladura (16) está en comunicación con la célula (11), en el que una de las entalladuras (16) permite la entrada de la muestra líquida a la célula (11) y la otra entalladura (16) permite escapar el aire de la célula (11) para facilitar la entrada de la muestra líquida en la célula (11).

2. Un sensor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la entrada de la muestra líquida en la célula (11) se produce por capilaridad.

3. Un sensor de acuerdo con la reivindicación 1 o con la reivindicación 2, en el que la célula (11) receptora de muestra comprende al menos un reactivo.

4. Un sensor de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el reactivo comprende un catalizador de enzimas, un reactivo de reducción-oxidación o un agente tensioactivo.

5. Un sensor de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el reactivo comprende una glucosa oxidasa.

6. Un sensor de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el reactivo comprende ferricianuro.