ES2241073T3 - Biosensor electroquimico con tapa. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN SENSOR ELECTROQUIMICO COMPUESTO POR UNA BASE AISLANTE QUE PRESENTA UNA CAPA DE ELECTRODO EN SU SUPERFICIE Y UNA TAPA DE MATERIAL DEFORMABLE QUE COMPRENDE UNA ZONA CONCAVA EN SU PARTE CENTRAL, DE FORMA QUE CUANDO SE ENCAJA EN LA BASE, CONSTITUYE CON ESTA UN ESPACIO CAPILAR QUE CONTIENE LA CAPA DE ELECTRODO. CUANDO SE PONE LA CAPA DE ELECTRODO EN CONTACTO OPERATIVO CON UNA CAPA REACTIVA CON UNA ENZIMA QUE PRODUCE ELECTRONES MOVILES AL ENTRAR EN CONTACTO CON LA SUSTANCIA ANALIZABLE ADECUADA, SE PUEDE OBTENER LA CONCENTRACION DE ESTA ULTIMA, POR EJEMPLO DE LA GLUCOSA EN SANGRE, MIDIENDO LA CORRIENTE PRODUCIDA POR EL FLUJO DE ELECTRONES MOVILES.

Description

Biosensor electroquímico con tapa.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un biosensor electroquímico que puede utilizarse para la cuantificación de un componente específico (analito) de una muestra líquida y a un procedimiento de fabricación de dicho biosensor. Los biosensores electroquímicos del tipo objeto de la invención se divulgan en las Patentes estadounidenses 5.120.420 y 5.264.103. Los dispositivos divulgados en estas Patentes tienen una base aislante sobre la cual se imprimen unos electrodos de carbón, electrodos que se cubren con una capa reactiva que consiste en un polímero hidrófilo en combinación con una óxidoreductasa específica para el analito. Hay normalmente un elemento separador situado sobre la base, elemento que se recorta para obtener una pieza en forma genérica de U y una pieza de cubierta, de forma que cuando la base, el elemento separador y la pieza de cubierta se laminan conjuntamente, se crea un espacio capilar que contiene los electrodos y la capa reactiva. Además de la óxidoreductasa, se incluye un aceptor de electrones sobre la capa reactiva o en otra capa dentro del espacio capilar. Un polímero hidrófilo, por ejemplo celulosa de carboximetilcelulosa, se utiliza para facilitar la extracción del fluido de prueba acuoso al interior del espacio capilar.

En la Patente estadounidense 5.141.868 se divulga otro sensor en el cual los electrodos están contenidos dentro de un intersticio capilar. Esta referencia describe el procedimiento preferente de preparar el sensor acoplando la base y las placas de cubierta utilizando una resina compuesta de partículas sólidas, como por ejemplo partículas de vidrio fino, para asegurar la deseada separación entre ellas para de esta forma constituir el intersticio. También se describe la conformación de los sensores a partir de un revestimiento de plástico o vidrio, manifestándose que "cuando se utiliza un revestimiento de plástico, puede consistir en moldeos de precisión, por ejemplo provistos de separadores de forma de aristas para conseguir la separación controlada de las paredes que componen las cavidades capilares".

La presente invención se refiere a un sensor electroquímico compuesto de dos partes; una parte inferior (base) que soporta la estructura de electrodo y de los agentes reactivos químicos que se depositan de acuerdo con lo requerido y una parte superior (tapa) que se embute para constituir los tres lados de un espacio capilar donde la base constituye el cuarto lado tras su acoplamiento con la tapa y la base. La base y la tapa son laminados conjuntamente, por ejemplo, por medio de una soldadura sónica. El sensor se emplea bañando el extremo abierto del capilar en una pequeña gota de fluido de prueba, como por ejemplo sangre, la cual es absorbida hacia el interior del tubo capilar de forma que cubra la enzima y el aceptor de electrones sobre la superficie del electrodo. En una forma de realización preferente, el electrodo incorpora una oxidoreductasa y un aceptor de electrones distribuidos en una matriz polimérico hidratable situada sobre su superficie. Debido a la naturaleza hidratable de la matriz polimérica, se dispersa en el fluido de prueba acuoso permitiendo de esta forma que la oxidoreductasa, que es glucosa oxidasa cuando el sensor está diseñado para determinar la concentración de glucosa en la sangre, que oxide el analito y el aceptor de electrones para lanzar los electrones sobrantes del electrodo operativo, creando de esta forma una corriente mensurable proporcionada a la concentración del analito del fluido de prueba.

La construcción del sensor de dos piezas de la presente invención no requiere una tapa enzimática. Por ejemplo, hay una categoría general de sensores que detectan directamente en la superficie del electrodo. Ejemplos de sensores del tipo indicado serían aquellos para detectar el hematocrito o un sensor para detectar plomo en la sangre. Otra clase de sensores son aquellos que tienen un agente aglutinante o de adherencia sobre una superficie del electrodo que inicia una reacción química. Así, un sensor con un agente aglutinante capaz de liberar una porción detectable, como por ejemplo protones, cuando el analito se fija al agente y medir la modificación del cambio de pH de acuerdo con la presente invención. Alternativamente, el sistema de unión puede ser un par actígeno-anticuerpo en el que el anticuerpo podría impedir o potenciar una reacción en la superficie del electrodo.

La fabricación de los sensores de la técnica anterior según lo antes descrito conlleva el uso de una parte extra, la capa separadora, y una serie de etapas de tratamiento que no se requieren en el sensor de dos partes (base y tapa) en que consiste la presente invención. El sensor de la presente invención se prepara mediante un procedimiento directo que conlleva las etapas definidas en la reivindicación 11.

Sumario de la invención

La presente invención es un sensor electroquímico para la detección de un analito de una muestra de prueba de fluido que consiste en:

a)

una placa de base aislante;

b)

una capa de electrodo sobre la placa de base; y

c)

una tapa de material deformable que proporciona un área cóncava en una porción de la misma, dejando al tiempo una superficie plana rodeando la porción cóncava de tal forma que, cuando se acopla con la base, la tapa y la base forman un espacio capilar en el cual la enzima está disponible para contactar directamente con la muestra de prueba de fluido que es absorbida hacia el interior del espacio capilar (muestra de prueba de fluido) mediante acción capilar.

Típicamente, el electrodo está en conexión operativa con una enzima que reacciona con el analito para producir electrones móviles.

Descripción de la invención

La construcción del sensor al que se refiere la presente invención se ilustra mediante la Fig. 1. El sensor 34 consta de una base aislante 36 sobre la cual se impresiona en secuencia (generalmente mediante técnicas de impresión de pantalla, una configuración de conductor eléctrico 38, una estructura de electrodo (39 y 40), una configuración aislante (dieléctrica) 42 y finalmente una capa reactiva 44. La función de la capa reactiva es convertir la glucosa, u otro analito, estoiquiométricamente en una especie química que es mensurable electroquímicamente, en términos de la corriente que produce, mediante los componentes de la configuración de electrodo. Las dos partes 39 y 40 de la impresión de electrodo proporcionan los electrodos operativos y de referencia necesarios para la determinación electroquímica. La tinta de electrodo, que tiene un grosor aproximado de 14 \mu (0,00055''), típicamente contiene carbón electroquímicamente activo. Los componentes de la tinta conductora son una mezcla de carbón y plata, escogida para proporcionar una vía de resistencia química baja entre los electrodos y el medidor con el cual están en conexión operativa mediante su contacto con la configuración de conductor situada en el extremo en forma de cola de pescado del sensor 45. El grosor típico de la configuración entera es de 6 \mu (0,00025''). La función de la estructura dieléctrica es aislar los electrodos respecto de la muestra de prueba excepto en un área definida cerca del centro de la estructura de electrodos 41 para potenciar la reproductibilidad de la lectura del sensor. Un área definida es importante en este tipo de determinación electroquímica porque la corriente medida depende tanto de la concentración del analito como del área del electrodo que está expuesta al analito que contiene la muestra de prueba. Una típica capa dieléctrica está constituida por poliuretano modificado con acrilato curado con rayos UV de un grosor aproximado de 10 \mu (0,0004''). La tapa 46, que proporciona un espacio cóncavo 48 conformado típicamente mediante el embutido de una lámina plana del material deformable, está perforado para proporcionar una salida de aire 50, y está unida a la base 36 en una operación de sellado. La tapa y la base están selladas entre sí mediante soldadura sónica en la cual la base y la tapa son primero alineadas y a continuación comprimidas mutuamente entre un miembro vibratorio de termosellado o cuerno y una mordaza fija. El cuerno está configurado de manera que se produce el contacto únicamente con las zonas de la tapa planas, no embutidas. Se utiliza energía ultrasónica procedente de un cristal u otro transductor se utiliza para excitar vibraciones en el cuerno metálico. Esta energía mecánica se disipa a medida que el calor de la junta de plástico permite el aglutinamiento de los materiales termoplásticos. El procedimiento se describe completamente en las Patentes estadounidenses 3.505.136; 3.573.139; 3.562.041 y 4.313.774.

Materiales adecuados para la base aislante comprenden policarbonato, tereftalato de polietileno y polímeros acrílicos y de vinilo dimensionalmente estables así como mezclas de polímero como por ejemplo policarbonato/tereftalato de polietileno y estructuras de lámina metálica, como por ejemplo un laminado de nailon/aluminio/cloruro de polivinilo. La tapa se fabrica típicamente a partir de un material de lámina polimérico deformable, como por ejemplo policarbonato o un tereftalato de polietileno de calidad embutible, tereftalato de polietileno modificado glicol o un compuesto de lámina metálica como por ejemplo una estructura de lámina de aluminio. La capa dieléctrica puede fabricarse a partir de un poliuretano modificado con acrilato que puede curarse por luz UV o humedad o un polímero de vinilo que es termocurable.

La presente invención facilita el empleo de una tapa embutida (46, Fig. 1) por oposición al empleo de un separador como en los elementos de sensor de la técnica anterior en los cuales, en lugar del embutido en relieve, los dos lados del espacio capilar se constituyen a partir de un elemento separador. El empleo de la tapa embutida permite evitar el empleo de una parte extra, esto es el separador, y una serie de tapas de tratamiento. Las etapas implicadas en el montaje del separador que contiene el sensor son:

i.

preparar las completas estructuras de electrodo incluyendo la capa reactiva; se necesita incluir en la tapa de más arriba un agente para inducir un efecto de mecha de la sangre en el interior del espacio capilar;

ii.

añadir una capa adicional que contenga un agente para inducir el efecto de mecha de la sangre en el interior del espacio capilar; esta capa puede ser obviada si se incluye el agente en la capa química;

iii.

cortar por troquel un canal capilar en el interior del material separador que es típicamente un laminado de desprendible/ adhesivo/material separador/adhesivo/re- cubrimiento/ desprendible;

iv.

retirar el recubrimiento desprendible de un lado del material separador y fijar el separador a la base; y

v.

retirar el recubrimiento desprendible y ensamblar la tapa con el otro lado del separador.

La presente invención permite fabricar un sensor mediante los siguientes etapas:

i.

imprimir unos electrodos sobre el material de base y, opcionalmente, aplicar la placa reactiva sobre los electrodos;

ii.

opcionalmente revestir una capa adhesiva sobre la superficie inferior de la tapa;

iii.

embutir la parte superior y los lados del espacio capilar dentro de la tapa; y

iv.

acoplar la capa a la base y sellarlas entre sí mediante soldadura sónica.

Los sensores de la presente invención pueden fabricarse acoplando un conjunto de tapas, esto es una lámina plana de material de piezas semielaboradas de tapa que tengan un pluralidad de indentaciones cóncavas embutidas en su interior, con un correspondiente conjunto de bases y a continuación perforando unos sensores individuales en el conjunto con un troquel después de que la pieza semielaborada de tapa y la lámina del material de base hayan sido acopladas y termoselladas.

La construcción de un sensor de acuerdo con la presente invención se efectúa de acuerdo con el siguiente ejemplo general:

Ejemplo general

En este ejemplo, se fabrican un gran número de tapas de sensor a partir de una lámina enrollada de policarbonato que ha sido desenrollada para obtener una superficie plana. Esta lámina es designada como pieza matriz semielaborada de tapa, puesto que constituirá la fuente de una multiplicidad de tapas.

Una solución de revestimiento bifuncional, consistente en una dispersión de poliuretano acuosa, es extendida sobre un lado de la lámina de policarbonato utilizando una barra de alambre enrollada o una revestidora con troquel ranurado y secada al aire. Este material proporciona una superficie humidificable en el interior de la tapa para potenciar la capacidad del espacio capilar para ser llenado con el fluido de prueba. El grosor del revestimiento secado es de 0,0007'' a 0,002'' (17 \mu a 15 \mu), oscilando el grosor del revestimiento húmedo entre 0,0014'' y 0,005'' (35 \mu a 125 \mu) para un contenido sólido típico entre el 40% y el 50%. La capa bifuncional tiene una cierta viscosidad durante un corto periodo de tiempo después del secado y cuando la lámina es reenrollada se introduce un recubrimiento o capa de intercalamiento temporal en contacto con el revestimiento. Después de un periodo de unas horas, la viscosidad inicial se pierde posibilitando que la pieza matriz semielaborada de tapa de policarbonato sea desenrollada sin perjudicar el revestimiento. Materiales apropiados para el recubrimiento son las poliolefinas o tereftalato de polietileno.

La etapa siguiente del proceso consiste en embutir las áreas cóncavas y perforar diversos agujeros en la lámina de policarbonato para el registro y seguimiento antes de que las cintas hendidas de la pieza matriz de tapa sean enrolladas.

La pieza semielaborada de base, normalmente de policarbonato, es impresa con diversas tintas para formar los electrodos y a continuación recubierta por encima con una capa dieléctrica en una configuración predeterminada diseñada para dejar al descubierto una superficie deseada del electrodo. El material bifuncional debe adherirse al material dieléctrico cuando la tapa se acopla directamente con la capa dielétrica. Con el fin de ensamblar la pieza semielaborada de tapa a la base, la cinta continua de la pieza de tapa es desenrollada haciéndola discurrir a través de un laminador especial donde es registrada y a continuación combinada con una tira de la pieza de material semielaborado de la base. Después de la soldadura sónica la cinta continua de laminado es enrollado para formar una bobina.

Con el fin de separar sensores individuales a partir de la cinta laminada, se hace pasar el laminado a través del equipo de perforación en el cual los sensores individuales son perforados desde en conjunto preparatorio para ser situados dentro de un paquete de vesículas de papel metálico ("blisters") para su almacenamiento. En el procedimiento preferente de empleo de los sensores, éstos son empaquetados en un disco circular que tiene diez compartimentos individuales dispuestos radialmente. El disco está hecho a partir de un laminado de plástico/papel metálico de aluminio que se sella para aislar el sensor de la humedad ambiente y de los demás sensores con una cubierta de papel de aluminio de ruptura por presión, disco que está montado dentro de un instrumento especialmente diseñado. Para recuperar un sensor, una cuchilla es introducida hacia dentro atravesando de la lámina metálica de ruptura por presión hasta el interior de un compartimento alargado individual situado en el extremo más próximo al eje central del disco y a continuación es desplazado radialmente hacia el perímetro del blister. Al hacerlo, La cuchilla encaja con la parte trasera (cola de pescado) del sensor de ese compartimento. El desplazamiento radial de la cuchilla empuja la punta del sensor saliendo a través de la lámina metálica de ruptura por presión y a través de las partes del instrumento, de forma que el morro del sensor queda completamente fuera del instrumento y listo para recibir una muestra de fluido de prueba, por ejemplo sangre. Para esta etapa, es esencial que la unión entre la base y la tapa del sensor soporte las fuerzas efectivas generadas cuando el sensor sale empujado a presión a través de la lámina metálica. Este procedimiento de proporcionar un sensor listo para su uso se describe de forma más acabada en la Patente estadounidense 5.575.403.

En uso, la punta del sensor, que contiene la abertura al espacio capilar, es puesta en contacto con una pequeña gota de la muestra de prueba de fluido que es normalmente sangre producida por un pinchazo en el dedo. La sangre es rápidamente absorbida hacia el interior del espacio capilar donde se inicia la interacción con la enzima y el instrumento es ajustado para iniciar su secuencia cronizada. Es esencial que la sangre sea absorbida muy rápidamente hacia el interior del espacio capilar, con independencia de su orientación espacial, con el fin de que se inicie la secuencia cronizada. Las dimensiones del espacio capilar oscilan normalmente entre 0,125 mm y 0,38 mm (0,005'' y 0,015'') de altura y 2,5 mm a 3,75 mm (0,1'' y 0,15'') de anchura para facilitar el arrastre de la sangre dentro del espacio capilar.

Claims (14)

1. Un sensor electroquímico para la detección de un analito de una muestra de prueba de fluido que consiste en los siguientes elementos de abajo arriba:

a)

una placa de base aislante;

b)

una capa de electrodo sobre dicha placa de base;

c)

una tapa de material deformable que proporciona un área cóncava en su porción central de tal forma que puede, cuando se acopla con la placa de base, la tapa y la placa de base forman un espacio capilar en el cual la capa de electrodo está disponible para contactar con la muestra de prueba de fluido que es absorbida hacia el interior del espacio capilar mediante acción capilar, en el que la tapa y la base están unidas entre sí mediante técnicas de soldadura sónica.

2. El sensor de la reivindicación 1 en el que hay una capa reactiva que incluye una enzima que reacciona con el analito para producir electrones móviles sobre la capa de electrodo.

3. El sensor de la reivindicación 2 que tiene una capa de material dieléctrico configurado sobre la capa de electrodo, de forma que solamente una porción de la capa de electrodo, según lo predeterminado por la configuración de la capa dieléctricamente, está disponible para un contacto directo con el fluido de prueba.

4. El sensor de la reivindicación 3 en el que la tapa está configurada de forma que sus bordes se acoplan con la capa dieléctrica.

5. El sensor de la reivindicación 3 en el que la capa dielétrica está configurada de forma que deja una porción de la capa de electrodo al descubierto para su contacto directo con los bordes de la tapa.

6. El sensor de la reivindicación 2 en el que la enzima de la capa reactiva está combinada con un polímero hidrófilo.

7. El sensor de la reivindicación 6 en el que la capa reactiva contiene también un aceptor de electrones.

8. El sensor de la reivindicación 7 en el que el aceptor de electrones es un ferricianuro

9. El sensor de la reivindicación 6 en el que el polímero hidrófilo es óxido de polietileno.

10. El sensor de una de las reivindicaciones 1 a 9 en el que el área cóncava se constituye grofando una lámina plana del material deformable.

11. Un procedimiento para la preparación de un sensor electroquímico que consiste en acoplar una base que soporta una estructura de electrodos sobre su superficie con una tapa de un material deformable que proporciona un espacio cóncavo para formar tres lados de un espacio capilar, tapa y base que proporcionan un sensor electroquímico que tiene un espacio capilar que está abierto a la atmósfera con una estructura de electrodo sobre la superficie de la base y que está expuesta al espacio capilar, en el que se hace que la tapa y la base se adhieran entre sí mediante soldadura sónica.

12. El procedimiento de la reivindicación 11 en el que la estructura de electrodo incorpora una oxidoreductasa y un aceptor de electrones distribuidos dentro de una matriz de polímero hidratable sobre su superficie.

13. El procedimiento de la reivindicación 11 en el que la matriz de polímero hidratable está constituida por óxido de polietileno.

14. El procedimiento de la reivindicación 12 en el que la oxidoreductasa es oxidasa de glucosa y el aceptor de electronos es un ferricianuro.