ES2197572T3 - Celula electroquimica. - Google Patents
Celula electroquimica.Info
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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.
Este invento se refiere a una célula
electroquímica para determinar la concentración de un componente a
analizar en un soporte.
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:
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.
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.
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.
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.
La lámina con papeles protectores soltables se
cortó en tiras 7, cada una de aproximadamente 18 mm x 210 mm
(Figuras 1 a 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.
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.
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.
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.
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).
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.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| AUPN6619A AUPN661995A0 (en) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | Electrochemical cell 2 |
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Publications (1)
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| ES99202305T Expired - Lifetime ES2197572T3 (es) | 1995-11-16 | 1996-11-15 | Celula electroquimica. |
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