在，并且如果不存在，則包括分析物傳感化學(xué) 物質(zhì)的材料）具有用于施加電流的電接觸點。根據(jù)本發(fā)明的工作電極如圖7中所示。
[0109] 反電極
[0110] 反電極提供電流以使樣品與裝置之間的電路完整并且必須導(dǎo)電。
[0111] 微銦化分析物傳感器的電極配詈
[0112] 利用關(guān)于伏安傳感器的電極的以上背景內(nèi)容以及本發(fā)明提供的對它們的改進，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可更好地了解如何構(gòu)造本發(fā)明的微型化分析物傳感器的多個不同的實施方 案。簡單地講，工作電極、參考電極、及反電極的空間布置可以以任何方式進行設(shè)計以提供 這些部件與樣品的同時接觸，并且不需要浸入該樣品中。具體地講，通過毛細作用適宜地固 持并鋪展成薄膜的微升-級分析物樣品足以遍及傳感元件的活性表面。此特征繼而提供多 種新機會從而在環(huán)境和測試條件中測量分析物濃度，尤其pH，而利用目前玻璃電極不可接 觸到樣品。
[0113] 因此，本發(fā)明的伏安傳感器技術(shù)用于多種應(yīng)用中，其中玻璃電極只提供有限的應(yīng) 用或簡直不能使用。例如，本發(fā)明提供用于樣品的高通量PH(或其它分析物濃度）測量的 方法，該樣品包括生物樣品例如血清、尿、血漿、細胞溶解物、以及類似液體。在這些方法的 一些實施方案中，利用本發(fā)明提供及如下所述的用后即可丟棄的或可重復(fù)使用的多孔形式 的傳感器裝置，應(yīng)用機器人。
[0114] 此外，本發(fā)明的實施允許利用極小傳感器在線監(jiān)測pH(或其它分析物濃度）。檢 測微升級等分液變化的能力直接改善測量的分辨率。此非常有益于在例如并不限于HPLC、 LCMS、及其它色譜系統(tǒng)中使用。利用玻璃電極在線pH監(jiān)測因尺寸限制、再校準要求、以及漂 移相關(guān)的誤差而具有有限的應(yīng)用。此外，玻璃電極需要更大的樣品體積以利用同一分析物 組成同時包圍傳感膜和參考結(jié)。即使流徑的其余部分已被設(shè)計成能夠高分辨率分離，分辨 率因電極附近不確定的混合模式而本質(zhì)上不佳。本發(fā)明的伏安傳感器，尤其完全固態(tài)的那 些，不受限于這些限制。
[0115] 本發(fā)明的微型化傳感器也明顯有益于診斷應(yīng)用。本發(fā)明提供可用于以高流動性和 可靠性在護理點測量pH(或其它分析物濃度）的裝置。本發(fā)明也提供用后即可丟棄的一次 性使用的傳感器，其可以可靠地以最低的維護提供準確的結(jié)果。
[0116] 例如，對可商業(yè)獲得的無菌培養(yǎng)袋或其它容器中的細胞培養(yǎng)物或電解質(zhì)的pH的 監(jiān)測可通過將本發(fā)明的一次性伏安傳感器裝置安裝于此類容器中來實現(xiàn)。不同于玻璃探 針，本發(fā)明的裝置不易破裂，它們也不需要因參考電極的污垢或污染導(dǎo)致的漂移而必要的 周期性再校準。另一個優(yōu)點在于這些裝置可為平的和/或柔性并因此易于固定到袋子或其 它容器的內(nèi)壁?？纱┻^袋子或其它容器的壁達到電連接，維持壁完整性，所以該裝置可連接 到所需電器。在一些實施方案中，本發(fā)明提供多-位置微升級伏安傳感器裝置，其能夠?qū)ι?于10微升的樣品體積提供PH、電解質(zhì)、或其它樣品成分的準確結(jié)果。在各種實施方案中，在 容器不存在下，施用于該裝置的樣品通過毛細作用、疏水容置、或微孔在空間上得以容置。
[0117] 本發(fā)明的傳感器裝置利用事實：只需要傳感器部件與分析物樣品的表品接觸就可 得到測量值。分析物樣品體積主要受制于包括傳感元件的兩個平面之間的空間。為此，提 供裝置，其中平面之間的空隙由機械或電機械器件精確地并可再現(xiàn)地調(diào)節(jié)，利用多種機理， 包括但不限于齒條和齒輪、螺桿驅(qū)動的定位器、以及伺服電動機和相關(guān)電路，任選地利用光 學(xué)或機械監(jiān)測和反饋控制。毛細管力將液體樣品固持在適當位置而不需要樣品容器。一般 來說，空隙越小，液體保持在兩個潤濕表面之間就越容易；這尤其有利于微升級分析物樣品 的保留及測量。
[0118] 在一些實施方案中，樣品在空間上受制于伏安傳感器裝置的兩個以鐵砧形式的相 對件。在此實施方案中，受毛細管捕獲的樣品量取決于相對于相對的平面的樣品表面張力。 在所有情況中，假設(shè)分析物潤濕所有傳感元件：工作電極、參考電極、及反電極。分析物潤濕 的區(qū)域任選地由沒有被分析物潤濕的表面繞傳感元件來限定。在各種實施方案中，分析物 樣品受限于相對的鐵砧表面的疏水和親水部分的面積、形狀、以及布置。
[0119] 在一些實施方案中，本發(fā)明提供疏水性材料增加與水性分析物樣品的表面張力的 用途，例如聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚四氟乙烯（PTFE)、其它氟化聚合物、聚砜、聚醚砜、聚苯 硫醚、以及表現(xiàn)出良好化學(xué)耐受性且本身疏水的其它聚合物或共聚物?；蛘?，可將疏水性涂 層施用于電極表面以限定水性分析物樣品潤濕的區(qū)域。
[0120] 在一個實施方案中，疏水性聚合物材料在形成用于分析物保留的毛細管空間的鐵 砧樣結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中也用作一個或多個傳感元件的支撐。圖8示意地圖示了本發(fā)明的pH-傳 感電極。在此實例中，傳感元件包括嵌于由先前列表中的疏水性聚合物材料形成的絕緣體 中的圓柱形或環(huán)形電極。每個電極連有信號引線以捕獲產(chǎn)生的信號。為捕獲及在所有傳感 元件之間均勻地鋪展液滴，優(yōu)選此傳感器總成的整體圓柱形。
[0121] 在操作中，使傳感器總成相對于類似尺寸的圓柱形放置以形成兩個相對的平行表 面，如圖9所示。在圖9的部分（a)中，使傳感器總成置于開放位置。將分析物樣品液滴放 于下方的圓柱體上，如部分（b)中所示。然后，將傳感器總成降到距離下方的圓柱體精確 調(diào)整的距離以使分析物樣品接觸平面并填充因此形成的空隙，如圖（c)所示?？障洞笮Q 定填充空間并確保傳感元件潤濕所需的液體體積。利用直徑約Icm的圓柱形傳感器總成， 不超過10微升的分析物足以可靠地產(chǎn)生PH測量值。更典型地，可使用5微升的樣品尺寸。 分析物體積的下限不僅由控制毛細管空間的機械精確度確定，也由分析物樣品的性質(zhì)和傳 感元件尤其工作電極的特征確定。例如，分析物中的水合氫離子量應(yīng)高于某水平從而在伏 安測量的過程中，該離子的濃度不應(yīng)由于與分析物傳感分子的氧化還原反應(yīng)而受到明顯影 響。這種變化在典型的PH測量中最小，其中分析物體積與工作電極表面之間的比率非常大 以至于在電極表面的氧化還原反應(yīng)對分析物的組成幾乎沒有影響。相反地，在測量微升級 樣品中，與大塊分析物的真實值相比，工作電極上的水合氫離子濃度與ASM部分的密度中 任一者或兩者可確定測量的PH值。根據(jù)這些考慮因素優(yōu)化分析物體積的實際下限。
[0122] 電極放置的各種其它實施方案具有類似功能。圖10中提供的示意性配置顯示了 (a)相對于工作電極放置的反電極和參考電極；以及（b)相對于工作電極和參考電極放置 的反電極。在兩種情況中，將分析物樣品放于下方平面上，然后使上方平面下降以形成毛細 管空間，進而建立預(yù)先確定的分析物體積，潤濕所有傳感元件，因此得到能夠PH測量的電 連通。
[0123] 利用圖10中描述的配置（a)進行一系列試驗以闡述本發(fā)明的特征。構(gòu)造兩個電 極總成，其中上方總成包括工作電極，下方總成包括參考電極和反電極。將10微升的分析 物樣品分配于下方電極總成上，利用改進的顯微鏡載物臺降低上方總成直到其接觸分析物 樣品。攝像機用于核實在兩個平面上的液體接觸。利用BDH品牌標準，針對pH 2、pH 4、pH 7、和pH 10產(chǎn)生校準數(shù)據(jù)。將針對每個緩沖液的方波伏安圖疊加在圖11中（10微升樣品 大?。?。
[0124] 相對于pH緩沖液繪制來自圖11的峰數(shù)據(jù)以提供圖12中所示的結(jié)果。圖顯示了 pH與10 μ L體積樣品的方波伏安的峰值電壓之間的線性關(guān)系。
[0125] 在裝置上測試三個10微升樣品的pH并將結(jié)果與利用IOmL樣品的新近校準的 Mettler Toledo Seven Easy?計對比。樣品為橙汁（OJ)、小牛血清、以及G2低卡路里果汁 噴趣酒。對比結(jié)果在圖13中示出。
[0126] 對BDH標準pH 2、pH 4、pH 7、pH 10、和pH 12中的每一個重復(fù)三次，評價變化性。 對于傳感器的每個讀數(shù)，使用新鮮的10微升緩沖液樣品。借助于攝像機，將傳感器放于每 個測試點。圖14-18顯示了每個緩沖液的方波伏安分析的疊加圖。
[0127] 將圖14-18中所有數(shù)據(jù)點繪制在一起，并示于圖19中（顯示了各個的數(shù)據(jù)點，而 非平均數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)顯示了峰值電壓呈線性并可再現(xiàn)。
[0128] 本發(fā)明的微型化分析物傳感器的其它實施方案采用微孔進行樣品容置。在此實施 方案中，樣品體積要求由每個孔的大小確定。在一些實施方案中，使傳感器定型以符合孔 壁；這些壁的表面包括提供傳感器化學(xué)的氧化還原活性材料。孔的底部至少部分地由參考 電極形成。在一些實施方案中，疏水障壁用以促使樣品容置于孔中。將反電極放于孔中以 使電路完整（當樣品存在時）。在一些實施方案中，將裝置提供在多孔板中，允許高通量的 PH測量，任選地借助于機器人。此模式常用于診斷或需要高通量分析的其它應(yīng)用。在一些 實施方案中，通風(fēng)孔用以使鹽溶液能夠填充參考電極以確保參考結(jié)與參考鹽溶液接觸，即 使它位于或接近參考溶液室的上表面?；蛘?，使用凝膠填充的或固態(tài)參考電極替代液體填 充的參考電極。圖20顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個代表性實施方案，此裝置的單孔實施方案。
[0129] 傳感器的制i告
[0130] 本發(fā)明的微型化分析物傳感器的第三個實施方案通過將參考電極、反電極、及工 作電極中的一個或多個"印刷"在適宜的基材表面上制得。基材可呈任何形狀。在各種實施 方案中，基材為導(dǎo)電性薄聚合材料或柔性基材。在一些實施方案中，疏水性涂層材料用以界 定樣品施用區(qū)域。薄平面電路以類似于用于制造電路板的方式構(gòu)造。在一些實施方案中， 將由聚偏二氟乙烯（PVDF)、室溫離子性流體（RTIL)、及導(dǎo)電材料例如碳組成的復(fù)合物用于 印刷或涂覆在提前印刷在基材上的銀/氯化銀或其它電極材料上以形成參考電極。將包括 分析物-特異性氧化還原活性材料的導(dǎo)電聚合物或涂層溶液印刷在靠近印刷的參考電極 的基材上以產(chǎn)生傳感器表面。靠近的第三個印刷電極或附著的電極用作反電極。下圖顯示 了此裝置的一些實施方案。傳感器的大小（包括任選的疏水障壁）可為，例如并不限于，約 2. 5毫米的直徑。可構(gòu)造在同一基材上具有多個傳感器的設(shè)計，包括，但不限于，與可商業(yè)獲 得的多孔板的多孔布局匹配的模式。傳感器元件的示例性配置在圖21中示出。
[0131] 用于制造其它類型的傳感器的制造方法可根據(jù)本發(fā)明輕易地改變以制造本發(fā)明 的電極和傳感器。參見，例如，美國專利號5, 676, 820、5, 942, 103、6, 063, 259、6, 468, 785、 6,878,255、和 6,893,55