专利名称：抗氧化剂传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测定液体样品中氧化剂或抗氧化剂分析物含量的装置和方法。该装置包括装有能够直接与所述分析物发生氧化还原反应的试剂的一次性电化学电池。
背景技术：
广义的氧化反应包括一个或多个电子从一个分子或原子(还原剂)向另一个分子(氧化剂)的转移。氧化反应发生在多种系统中，例如，食品、活的有机体、和饮用水，并且可能是有害的或有益的。接触氧气的食品会发生氧化降解，导致产生不希望的气味和臭味，破坏脂溶性维生素和必需脂肪酸，产生有毒的降解产物。食品中有益的氧化反应包括天然的或合成的抗氧化剂和氧化剂之间的反应，从而防止所述氧化剂参与有害的氧化反应。
因此，在很多领域中有必要测定液体样品中氧化剂或抗氧化剂含量。例如，在生产质量控制以及卫生监测方面，需要测定酒或食品中诸如二氧化硫的防腐剂的含量，水果、蔬菜、饮料、和生物学液体中抗坏血酸的含量，以及水中氯或过氧化物的含量。最常见的是，所述测定快速，而且便于使用，并且适合野外和实验室使用。
用于测定所述成分的现有方法要么需要昂贵的实验室设备，要么需要熟练的操作人员以便成功地使用所述方法。例如，在US5518590中披露了用于检测抗氧化剂的传感器。不过，该传感器不是为了单一的一次性使用而设计的，并且没有使用氧化还原剂。因此，需要设计一种传感器，它能一次性使用，并可以通过使用氧化还原试剂检测液体样品中氧化剂或抗氧化剂的含量。
发明概述提供了一种利用一次性传感元件测定氧化剂和抗氧化剂分析物的装置和方法，该装置适合一次性使用，可以与仪表结合以便提供可靠的、快速的和便于使用的测定，该测定适用于野外和实验室用途。具体地讲，提供了一种使用电化学传感器的方法，该方法使用了能与感兴趣的分析物起反应的氧化还原剂，以便产生可通过电化学方法检测的信号。
在一种实施方案中，提供了一种用于检测含水样品中一种氧化还原反应分析物的存在或缺如的装置，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室中的孔，以及容纳在所述传感室中的试剂，其中，将所述电化学电池设计成在经过一次实验使用后就被丢弃，并且，其中，所述试剂能够直接与所述分析物发生氧化还原反应，以便产生指示所述分析物存在或缺如的电信号。
在本实施方案的一个方面，所述第一电极是传感电极，它可以由铂、钯、碳、氧化铟、氧化锡、金、铱、铜、钢、或其混合物组成。所述第一电极还可以是银。所述第一电极可以通过诸如溅射、蒸汽涂层、丝网印刷、热蒸发、喷墨印刷、超声波喷雾、槽涂层、照相凹板印刷和平板印刷的技术制成。
在该实施方案的另一方面，所述第二电极是反电极。所述第二电极包括与一种金属盐接触的金属，例如，与氯化银接触的银，与溴化银接触的银，与碘化银接触的银，与氯化汞接触的汞，或与硫酸汞接触的汞。所述第二电极还可以是参考电极。
在本实施方案的另一方面，所述电化学电池还包括第三个电极，如参考电极。所述第三个电极可以包括与金属盐接触的金属，如与氯化银接触的银，与溴化银接触的银，与碘化银接触的银，与氯化汞接触的汞，和与硫酸汞接触的汞。
在本实施方案的另一方面，所述能氧化分析物的试剂包括抗氧化剂。所述试剂可以包括氰铁酸盐、重铬酸盐、高锰酸盐、氧化钒、二氯靛酚、锇二吡啶复合物，和醌。
在本实施方案的另一方面，所述能还原分析物的试剂包括氧化剂。所述试剂可以包括碘、三碘化物盐、氰铁酸盐、二茂铁、Cu(NH3)42+盐和Co(NH3)63+盐。
在本实施方案的另一方面，所述传感室还包括容纳在该传感器内的缓冲剂。该缓冲剂选自下列一组磷酸盐、碳酸盐、苯六甲酸的碱金属盐、和柠檬酸的碱金属盐。
在本实施方案的另一方面，所述装置还包括一个加热元件。所述加热元件可以包括一个电阻加热元件或容纳在所述传感室中的放热物质，如氯化铝、氯化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、氯化镁、溴化镁、碘化镁、硫酸镁及其混合物。
在本实施方案的另一方面，所述传感室包括一种容纳在所述传感室中的支持物。该支持物可以包括纱布、无纺片材、纤维填充料、大孔膜、烧结粉末、及其组合。所述试剂和缓冲剂中的一种或两种可以包含在所述支持物内或支撑在所述支持物上。
在本实施方案的另一方面，所述第二电极是与所述第一电极成相对关系安装的，二者的距离小于大约500微米，小于大约150微米或小于大约150微米但大于50微米。
在本实施方案的另一方面，所述装置还包括一个与仪表连接的界面，该界面可以与电压或电流连通。
在本实施方案的另一方面，所述电化学电池包括一个薄层电化学电池。
在第二种实施方案中，提供了一种用于检测含水样品中氧化还原反应分析物的存在或缺如的方法，该方法包括提供一种用于检测含水样品中一种分析物的存在或缺如的装置，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室中的孔，以及容纳在所述传感室中的试剂，其中，所述电化学电池被设计成在经过一次实验使用后就被丢弃，并且，其中，所述试剂能够直接与所述分析物发生氧化还原反应，以便产生指示所述分析物存在或缺如的电信号；提供一种含水样品；让所述样品通过所述孔流入所述传感室，以便所述传感室被基本上充满；并且获得指示分析物在所述样品中存在或缺如的电化学测定结果。
在本实施方案的另一方面，所述电化学测定是电流测定、电位测定、库仑测定或定量测定。
在本实施方案的另一方面，所述方法包括加热所述样品的进一步步骤，其中，该加热步骤是在获得所述电化学测定结果步骤之前。另外，所述方法可以包括加热所述样品的额外步骤，其中，所述加热步骤是在获得电化学测定结果步骤之后；并且是在获得指示第二种分析物在所述样品中的存在或缺如的第二电化学测定结果之后。
在本实施方案的另一方面，所述传感室还包括一种缓冲剂，例如，磷酸盐缓冲剂、碳酸盐缓冲剂、苯六甲酸的碱金属盐、和柠檬酸的碱金属盐。
在第三种实施方案中，提供了一种用于测定酒样品中二氧化硫的方法，所述二氧化硫具有游离形式和结合形式，并且能够与一种试剂发生氧化还原反应，所述氧化还原反应具有一种反应动力学，其中，所述方法包括以下步骤提供一种装置，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室的孔、以及能够与二氧化硫发生氧化还原反应的试剂，其中，将所述电化学电池设计成在经过一次实验使用之后就被丢弃；将所述酒样品放入所述电化学电池中，以便启动所述氧化还原反应；并且获得指示游离形式的二氧化硫含量的第一电化学测定结果。
在本实施方案的另一方面，所述方法还包括以下步骤将所述酒样品加热一段足以使结合形式的二氧化硫与所述试剂反应的时间，其中，所述加热步骤是在获得所述第一电化学测定结果的步骤之后进行的；以及随后获得指示组合的游离形式和结合形式的二氧化硫含量的电化学测定结果。另外，所述方法可以包括以下额外步骤获得指示结合形式的二氧化硫与所述试剂反应的动力学的第二电化学测定结果，其中，所述第二电化学测定结果是在获得第一电化学测定结果的步骤之后获得的；使用所述反应动力学计算结合二氧化硫的含量。
在第四种实施方案中，提供了一种生产用于测定一种氧化还原反应分析物在含水样品中的存在或缺如的装置的方法，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室中的孔，以及容纳在所述传感室中的试剂，其中，将所述电化学电池设计成在经过一次实验使用之后就被丢弃，并且，其中，所述试剂能够与所述分析物直接发生氧化还原反应，以便产生指示所述分析物存在或缺如的电信号，该方法包括形成一个通过一片电阻材料延伸的孔，由所述孔形成所述传感室的侧壁；将具有第一电极的第一层安装到所述片材的第一面，并且分布在所述孔上，形成第一传感室端板，所述第一电极朝向所述片材的第一面；将具有第二电极的第二层安装到所述片材的第二面，并且分布在所述孔上，形成在位置上大体上与所述第一层重合的第二传感室端板，所述第二电极朝向所述片材的第二面，以便由所述片材和层形成一个条；在所述条上形成一个孔，使得样品能够进入所述传感室；并且提供一种能够与所述分析物直接发生氧化还原反应的试剂，其中所述试剂被容纳在所述传感室中。
在本实施方案的另一方面，所述方法包括在所述条上提供通气孔以便在样品填充所述传感室时能够释放出从所述传感室中排出的进一步的步骤。另一个进一步的步骤包括将电阻加热元件安装在所述条上。
在本实施方案的另一方面，所述孔具有矩形横截面。
在本实施方案的另一方面，至少有一个电极包括贵金属，例如，钯、铂和银。至少有一个电极可以是溅射涂层的金属沉积物。可以将所述电极粘接在所述片材上，通过诸如热活化粘接剂、压敏型粘接剂、加热固化粘接剂、化学固化粘接剂、热金属粘接剂、或热流体粘接剂的粘接剂进行粘接。
在本实施方案的另一方面，所述方法包括以下其他步骤如提供容纳在所述传感室中的放热物质或缓冲剂；将所述试剂或缓冲剂印刷在所述传感室的至少一个壁上；或者提供容纳在所述传感室中的支持物，如纱布、纤维填充料、大孔膜、烧结粉末及其组合。所述试剂可以支持在所述支持物上或容纳在所述支持物内。
在本实施方案的另一方面，按照本发明方法生产的所述片材的至少一个或所述装置的一个层是选自下列一组的聚合材料聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚烯烃及其混合物。另外，所述片材或所述层之一中的至少一个是聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在该实施方案的另一方面，所述第二电极是与所述第一电极成相对关系安装的，二者之间的距离小于大约500微米；小于150微米或小于150微米但大于50微米。
图1表示电化学电池的平面图。
图2表示沿图1的线10-10的横剖视图。
图3表示沿图1的线11-11的末端剖视图。
图4表示沿电池中线纵向剖开的加热的电化学电池的示意图。
优选实施方案以下说明和实施方案详细说明了本发明的优选实施方案。本领域技术人员应当理解的是，在本发明的范围内包括本发明的多种改变和改进。因此，对一种优选实施方案的说明不应当被视为对本发明范围的限定。
样品和分析物在优选实施方案中，提供了一种用于测定液体样品中氧化剂或抗氧化剂含量的方法和装置。该方法和装置可应用于测定以常见浓度存在于液体样品中的任何氧化剂或抗氧化剂。例如，可以分析的抗氧化剂包括二氧化硫和抗坏血酸。例如，可以分析的氧化剂包括氯、溴、碘、过氧化物、次氯酸盐和臭氧。如果能够制备含水形式的话，还可以分析水不溶性氧化剂或抗氧化剂，例如，通过使用洗涤剂制备水不溶性氧化还原反应分析物的乳液。
用于获得流体样品的电化学测定结果的方法和装置进一步披露于以下文献中申请日为2000年7月14日的待批美国专利申请号09/616433，题为“免疫传感器”，申请日为2000年7月14日的待批美国专利申请号09/616512，题为“血红蛋白传感器”，以及申请日为2000年7月14日的待批美国专利申请号09/616556，题为“用于测定化学反应速度的电化学方法”，以上每一份专利申请以其全文形式收作本文参考。
所述装置和方法可用于是流体并且能将所述氧化还原试剂溶解到足够程度的任何含有分析物的样品。典型的样品包括饮料，如果汁和蔬菜汁，碳酸饮料，饮用水，啤酒，酒和雪碧。不过，所述方法并不是要局限于可食用的样品。如果所述样品不是流体形式的或者不能够将所述氧化还原剂溶解到足够的程度的话，就可以利用本领域众所周知的提取技术将所述样品中所包含的分析物提取到合适的流体中。可以在将所述样品导入所述电化学电池之前对其进行预处理。例如，可以通过缓冲剂或中和剂将pH调整到理想水平，或者可以添加能够使得干扰性氧化剂或抗氧化剂变得无活性的物质。还可以在导入所述电池之前对所述样品进行预加热，以便加快氧化还原反应进行的速度。
电化学电池所述优选实施方案的电化学电池是一次性的，并且被设计成在一次实验中使用。在一种优选实施方案中，所述电化学层是薄层传感器，如在US5942102中所披露的传感器(该专利被以全文形式收作本文参考)。在图1、2和3中示出了这样一种电化学电池的优选实施方案。图1、2和3所示电池包括一个具有一个圆形孔8的聚酯核心4。由孔8形成筒状电池侧壁12。在核心4的一侧粘接有聚酯片材1，该片材具有钯溅射涂层2。通过粘接剂3将所述片材粘接在核心4上，使钯2靠近核心4，并且覆盖孔8。通过接触粘接剂5将具有第二个钯的溅射涂层6的第二个聚酯片材7粘接在核心4的另一侧，并覆盖孔8。由此形成了一个具有筒状侧壁12的电池，其每一端由钯金属2、6封闭。该组件在位置9处有缺口，以便提供被纳入该电池的溶液，或通过灯芯或毛细作用吸入溶液，并使得空气可以排出。通过合适的电连接装置或结构连接金属薄膜2，6，以便可以施加电位并测定电流。
这种薄层电化学电池是通过以下方法制备的首先通过一片电阻材料形成一个孔，由该孔形成所述电化学电池的侧壁。可用于包括所述孔的片材或所述电池的其他层上的合适的电阻材料包括，例如，诸如聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯及其混合物的材料。在一种优选实施方案中，所述片材上的孔是矩形的，不过，也可以采用其他形状，例如圆形。
在形成所述孔之后，在所述电阻材料片的一面安装第一个薄的电极层，该电极层覆盖在所述孔上面并形成一个端板。可以将所述层粘接在所述片材上，例如，通过粘接剂粘接。合适的粘接剂包括，例如热活化粘接剂，压敏粘接剂，热固化粘接剂，化学固化粘接剂，热熔化粘接剂，和热流体粘接剂等。所述电极层是通过用诸如钯的合适的金属对一片电阻材料进行涂层(例如，通过溅射涂层)而制备的。
然后将第二个薄的电极层安装在所述电阻材料的相反一面，该电极层同样覆盖在所述孔上面，以便形成第二个端板。在一种优选实施方案中，所述电极层是以相对的关系安装的，其间距小于大约1毫米，优选小于大约800微米，更优选小于大约600微米，或优选小于大约500微米，更优选小于大约300-150微米，更优选小于150微米，最优选为在25、40、50、100至150微米之间。然后提供第二个孔或入口，以便液体进入所述电池。所述入口可以通过沿所述装置的一个边缘形成一个延伸通过所述电极层和孔的缺口而提供。给所述电极层提供连接装置，以便可以将所述传感器安装在测定电路中。
可以将用于所述电池中的诸如氧化还原试剂、缓冲剂和其他物质的化合物支撑在所述电池的电极或壁上，支撑在容纳在电池内的一个或多个独立的支持物上，或者是自我支撑的。如果要将所述化合物支撑在所述电池的电极或壁上，可以通过使用本领域众所周知的涂敷技术涂敷所述化合物，如喷墨印刷、丝网印刷、平板印刷、超声波喷雾、槽涂层、和照相凹板印刷等。合适的独立支持物可以包括，但不限于纱布、无纺片材、纤维填充料、大孔膜和烧结粉末。用于所述电池中的化合物可以支撑在一种支持物上或包含在支持物内。
在一种优选实施方案中，用于所述电池内部的材料以及用于制造电池的材料是能够大批量生产形式的，并且电池本身被设计成在一次实验后就被丢弃。
根据所述优选实施方案，一次性电池是这样的电池其生产成本廉价到足以仅在一次测定中使用但在经济上却是可以接受的程度。其次，所述电池可以方便地仅用于一次测定。本发明中所说的不方便表示在一次使用之后需要采取的处理所述电池的诸如洗涤和/或重新装载试剂以便使得该电池适合在以后使用的步骤。
本文所说的经济上可以接受的表示用户对测试结果的认识价值与购买并使用所述电池的价值相同或更高，所述电池的购买价格是由将所述电池提供给用户的成本加上合适的利润决定的。对很多用途来说，这需要所述电池具有较低的材料成本和简单的生产工艺。例如，所述电池的电极材料应当是廉价的，如碳，或者使用量足够小，以便可以使用昂贵的材料。碳或银油墨的丝网印刷，是一种适合用比较廉价的材料生产电极的工艺。不过，如果使用诸如铂、钯、金和铱的电极材料的话，诸如溅射或蒸发蒸汽涂层的具有更好的材料利用率的方法更为适合，因为这种方法能产生非常薄的薄膜。所述一次性电池的基质材料同样优选是廉价的。所述廉价材料的例子是诸如聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酯的聚合物和涂层的纸和纸板。电池组装方法优选适合大批量生产。所述方法包括在纸板上制造多个电池，然后在主要组装步骤之后将所述纸板分割成独立的条，以及片材生产，其中在一个连续的片材上生产所述电池，然后将这些电池分割成独立的条。当生产中需要对多种特征进行紧密的空间定位和/或当使用硬的电池基质材料时，纸板工艺是最适合的。当特征的向下的片材定位不是十分重要并且可以使用柔性片材时，片材工艺是最适合的。
对于一次性电池来说，方便的一次使用要求是理想的，这样用户就不会试图再利用这种电池，并因此可能获得不准确的测定结果。对这种电池的一次使用要求，可以在与电池一起提供的用户指南中指出。更优选还可以这样生产所述电池，以至于使用该电池一次以上是困难的或不可能的。例如，这一目的可以通过如下方式实现采用在第一次测定中就被洗掉或消耗掉的试剂，因此在第二次测定时就不起作用。另外，可以检查表示电池中的试剂业已发生反应的测试信号，如异常高的起始信号，并且终止该测定。另一种方法包括提供在电池的第一次测定结束之后破坏该电池的电连接的装置。
现有技术的用于测定抗氧化剂的电池不能满足一次性使用的要求。由Richard J.Price等所披露的电池(Analyst，November1991，Vol.116，p1121-1123)用银丝、铂丝和铂片作电极，用于电池测定油中的抗氧化剂。将铂丝用于这种用途的一次使用的装置中过于昂贵，并且所述电池被设计用于连续监测，而不是一次性测定。在US5518590中，Fang披露了用于测定油中的抗氧化剂的另一种电池。这种电池同样使用铂丝作电极，并且同样被设计成用于连续使用，就是说，能够长时间有效进行多次测定。这种电池还需要含有极性溶剂的液体或凝胶层。这种装置不适合大批量生产，并且有可能在使用之前长时间储存，因为需要包含所述液体成分。
电极所述电池中的至少一个电极是传感电极，传感电极被定义为对抗氧化剂来说对还原的氧化还原试剂的量敏感，或者对氧化剂的来说对氧化的氧化还原试剂的量敏感的电极。对于电位测定传感器来说，所述传感电极的电位是所存在的分析物含量的指标，提供作为参考电极的第二电极，该电极起着提供参考电位的作用。
对于电流测定传感器来说，其中，所述传感电极电流是样品中分析物含量的指标，存在至少一个其他电极，该电极起着反电极的作用，以便完成使该电路。所述第二电极同样可起着参考电极的作用。另外，可以由一个独立的电极起着参考电极的作用。
适用于所述传感电极、反电极和参考电极的材料与存在于该装置中的氧化还原试剂兼容。兼容的材料不会与存在于电池中的氧化还原试剂或任何其他物质发生化学反应。所述合适材料的例子包括，但不限于铂、钯、碳、氧化铟、氧化锡、混合的氧化铟/氧化锡、金、银、铱及其混合物。可以通过任何合适的方法将所述材料制成电极结构，例如，通过溅射、蒸汽涂层、丝网印刷、热蒸发或平板印刷。在优选实施方案中，对所述材料进行溅射或丝网印刷，以便形成电极结构。
适用于参考电极的材料的非限定性例子包括金属/金属盐系统，如与氯化银、溴化银或碘化银接触的银，和与氯化汞或硫酸汞接触的汞。可以用任何合适的方法沉积所述金属，然后使其与合适的金属盐接触。例如，合适的方法包括在合适的盐溶液中电解或化学氧化。所述金属/金属盐系统与单一金属成分系统相比，提供了在电位测定方法中对电位的更好的控制。在一种优选实施方案中，将所述金属/金属盐电极系统用作电流测定传感器的独立的参考电极。
氧化还原试剂合适的氧化还原试剂包括能够与感兴趣的分析物发生氧化还原反应的试剂。适用于分析抗氧化剂分析物的氧化还原试剂的例子包括，但不限于氰铁酸盐、重铬酸盐、锇二吡啶复合物、氧化钒和高锰酸盐。诸如二氯靛酚和醌的有机氧化还原试剂同样是合适的。在一种优选实施方案中，用于分析抗氧化剂的氧化还原试剂是氰铁酸盐。适用于分析氧化试剂分析物的试剂的例子包括碘和三碘盐、氰亚铁酸盐、二茂铁、Cu(NH3)42+和Co(NH3)83+。在一种优选实施方案是，用于测定氧化剂的氧化还原试剂是氰亚铁酸盐。
缓冲剂可以在所述电化学电池中以干燥形式选择性地与所述氧化还原试剂一起提供缓冲剂。如果使用缓冲剂的话，其用量是这样的所得到的pH水平适合将氧化还原试剂的氧化(或还原)电位调整到适合氧化(或还原)感兴趣的分析物而不是不需要检测的其他类型的分析物的水平。所述缓冲剂具有足够的用量，以便在测定期间能基本上将样品的pH保持在理想水平上。适合使用的缓冲剂的例子包括磷酸盐、碳酸盐、苯六甲酸的碱金属盐和柠檬酸的碱金属盐。缓冲剂的选择取决于需要的pH。对缓冲剂进行选择，以便不会与所述氧化还原试剂起反应。优选将碱性缓冲剂用于碳酸饮料。
存在于所述电池中的其他物质除了氧化还原试剂和缓冲剂之外，在所述电池中还可以有其他物质。例如，所述物质包括增稠剂和低分子量聚合物。在所述电池中还可以包括亲水性物质，如聚乙二醇、聚丙烯酸、葡聚糖和诸如由宾夕法尼亚州费城的Rohm & Haas公司以TritonTM为商标出售的表面活性剂或由德拉华州维明顿市的ICI Americas公司以TweenTM为商标出售的表面活性剂的表面活性剂的物质，能提高电池的填充速度，提供更稳定地测定，并且抑制小体积样品的蒸发。
测定分析物浓度的方法在测定样品中的抗氧化剂或氧化剂分析物时，将所述样品导入传感器电池，在这里，由所述样品溶解存在于电池中的干的试剂。然后所述氧化还原试剂与存在于该样品中的任何感兴趣的抗氧化剂或氧化剂起反应，以便形成该氧化还原试剂的还原形式或氧化形式。对于电位测定传感器来说，所得到的氧化还原试剂的氧化形式与还原形式的比例，决定了传感电极相对参考电极的电位。然后将该电位用作原始存在于所述样品中的所述分析物的浓度的指标。
在一种优选实施方案中，所述传感电池是作为电流测定传感器工作的。根据该实施方案，通过与选择的分析物起反应所产生的还原(或氧化)试剂，是在所述传感电极上通过电化学氧化的(或还原的)。然后将由该电化学反应所产生的电流用于测定原始存在于所述样品中的分析物的浓度。在其他实施方案中，所述传感器以电位测定或库仑测定方式工作。
将所述电池电极用于产生能够用连接的仪表读出的电信号，即电压或电流。在优选实施方案中，提供了一个连接所述电池和仪表的界面。所述仪表能够以视觉、听觉或其他形式显示测定结果，或者以电子形式保存测定结果。
对样品进行加热某些氧化剂或抗氧化剂分析物与所述氧化还原试剂的反应很缓慢。为了加快所述反应，并因此缩短获得测定结果所需要的时间，可以对所述样品进行加热。在一种优选实施方案中，在所述一次性电化学传感器装置中提供了用于加热样品的装置。
在WO99/46585(被以全文形式收作本文参考)中披露了加热所述电池的两种合适的装置。WO99/46585披露了一种用于测定样品中分析物浓度的方法，其中，对所述样品进行加热，并且通过温度独立方式在反应曲线(被定义为一种反应变量与另一种反应变量的关系)上的预定点上测定所述分析物(或其他类型的分析物)的浓度。可以通过当所述样品与合适的试剂接触时所产生的放热反应对所述样品进行加热，或者通过施加在与所述电池连接的电阻元件上的电流对所述样品进行电加热。
通过放热反应加热样品的一种方法包括在所述电化学电池中放入一种在与所述样品接触后能释放出热量的试剂。所述试剂的例子包括在溶解时能释放热量的盐，如氯化铝、卤化锂、硫酸锂、卤化镁盐和硫酸镁。用于释放热量的试剂不会对电池中的其他活性元件产生负面影响，如腐蚀电极材料，与分析物起反应，以便影响其反应，或者与存在的其他试剂发生不利的相互作用。
当对所述样品进行电加热时，可以为所述电化学电池安装一个电阻元件。图4表示披露于WO99/46585中的电化学传感器的优选实施方案。该传感器包括一个非导电基质21，它具有一个第一电极22、一个隔离层23，在它上面开有一个圆形孔30，由该孔形成圆形电池壁30。由第一电极22形成该电池的第一端，该电池的另一端由第二电极层24形成，第二电极层由第二非导电层25携带。由一个金属箔层26提供与设置在第二非导电层25上的电阻桥29的电连接。提供一个绝缘层27，以便阻隔通过所述金属箔层26发生热损失。在绝缘层27上形成一个孔28，以便可以形成与箔层26的电连接。
在优选实施方案中，电阻元件可以通过用诸如碳颗粒的物质浸泡携带有一个电极层的一个或多个非导电层而制备。非导电层可以包括诸如塑料或橡胶的材料。浸泡过的橡胶或塑料层在所述电化学电池的电极和金属箔层之间形成电阻桥。当在所述电阻元件上施加电位时，在所述浸泡的橡胶或塑料层上产生热量，该热量又会加热电化学电池中的样品。另外，可以在所述传感器的外表面形成至少两个由高电阻通道连接的低电阻通道。在这种实施方案中，所述低电阻通道起着与所述仪表接触的作用，而所述高电阻通道形成所述电阻元件。
多电池装置在某些场合下，可能需要测定样品中的一种以上的氧化剂或抗氧化剂分析物。这一目的可以通过使用一系列的两个或两个以上的上述电化学电池而实现。每一个电池含有一种适用于所述样品中所存在的一种分析物的氧化还原试剂。如果特定分析物需要的话，每一个电池还装有缓冲剂或加热装置。这样的一系列电池不仅可用于测定感兴趣的已知分析物的浓度，而且还可用分析于具有未知分析物组成的样品，证实多种分析物的存在或缺如。
涉及电池排列的各种实施方案。在一种实施方案中，使用上文所述的电池制造技术生产具有多个传感室和电极的装置，不过，该装置具有一层或多层绝缘材料。在另一种实施方案中，将两个或两个以上上文所述的电化学电池粘接在一起，要么直接彼此连接，要么连接在一种独立的支撑材料上。另外，可以将装有不同试剂的两个或两个以上上述电池包装在适用于特定用途的试剂盒中，即分析含有多种分析物或同一种分析物的不同形式的样品。
分析酒中的二氧化硫可用于对样品加热的分析的一种例子是测定酒中的二氧化硫。酒中的二氧化硫起着抗氧化剂的作用，并且通常以两种形式存在游离形式和结合形式。与结合形式相比，游离形式能够被所述传感器中的氧化还原试剂更迅速地氧化。通常需要测定酒中的游离形式和结合形式的二氧化硫。为了测定这两种形式，在所述电化学电池上采用了一种加热装置。将酒的样品放入所述传感室中，在这里，所存在的氧化还原试剂与游离的二氧化硫迅速起反应，以便产生一个传感器信号。对该信号进行分析，然后通过所述加热装置对所述样品进行加热。在一种优选实施方案中，加热是通过温度的缓慢上升完成的，以避免样品的过分蒸发。在较高温度下保持适当时间之后，结合形式的二氧化硫与所述氧化还原试剂起反应，因此产生第二个传感器信号。根据这两个信号，可以获得所述样品中二氧化硫的总浓度，并且根据其差异获得游离形式和结合形式的浓度。尽管这种两步方法有利于获得酒中二氧化硫的游离形式和结合形式的浓度，这种方法还具有其他用途。例如，可以用两个(或两个以上)步骤的方法分析含有具有不同反应动力学的两种或两种以上形式的分析物的合适样品，或含有各自具有不同反应动力学的两种或两种以上不同分析物的样品。
使用抗氧化剂或氧化剂传感器获得电化学测定结果在某些实施方案中，可以使用所述传感器获得与能产生至少一种电活性产物的化学反应速度相关的信号，这一目的是通过确保所述化学反应位于远离用来与所述电活性产物发生电化学反应的电极的部位而实现的。
所述化学反应的部位与所述电极足够远，以至来自所述化学反应部位的所述电活性产物的向所述电极的质量转移在任何时间都能有效控制所述电极上的电流。这种结构能确保在所述化学反应部位和所述电极之间存在基本上为线性的电活性物质浓度梯度。通过在它上面所发生的电化学反应，将所述电极上的电活性物质的浓度有效保持为0。因此，所述浓度大小随着时间的变化基本上仅仅是由所述化学反应位点上电活性物质的浓度随着时间的变化以及所述电活性反应产物在液体介质中的扩散系数决定的。因此，所述电极上的电流与该电极上所述电活性物质的浓度梯度成正比，该电流随时间的变化能体现发生在所述远处位置上的化学反应的时间变化。这样就可以将在所述电极上测定的电流(通过的电荷，如果所述电流是整合的话)用作所发生的化学反应速度和进程的方便的指标。
用于确保所述化学反应远离工作电极的合适方法的一个例子是，将一种或多种反应成分固定在远离所述电极的固体表面上。可以通过将所述反应成分残入聚合物基质中对其进行固定，所述成分通过干燥或以其他方式连接在所述固体表面上。还可以通过化学结合或物理结合将所述反应成分直接连接在所述固体表面上。或者将一种或多种所述反应成分简单地在所述固体表面上干燥，而不采用特殊固定措施。在这种情况下，所述一种或多种反应成分在填充电化学电池的液体基质中的迁移率足够低，就是说在能够有效监测电化学电流以便完成必要的测定的时间内，它不会从它所干燥的位置上发生明显的迁移。在这里，明显的迁移表示所述化学反应所需要的移动最缓慢的成分足够接近所述工作电极，以便Cottrell型消耗动力学开始在所述电极上实施电流的时间进程。
在优选实施方案中，所述化学反应部位和工作电极之间的间隔距离以小于大约1厘米为理想，优选小于5毫米，更优选为5、10、50、100、200、500微米-5毫米，更优选为5、10、50、100、200-500微米，最优选为5、10、50、100-200微米。
除了所述工作电极之外，提供至少一个与所述液体样品接触的反电极，以便完成所述电化学电路。所述反电极可以选择性地起着反电极/参考电极的作用，或者提供一个独立的参考电极。在一种优选实施方案中，所述工作电极和反电极之间的间隔距离以不超过大约300微米为宜，优选不超过大约500微米，更优选大约500微米-10毫米，更优选大约500微米-1、2、5毫米，最优选1-2、5、10毫米。
所述工作电极优选是用这样的材料制成的在使用期间它不会与所接触到的任何成分发生能干扰该电极电流反应程度的化学反应。如果所述工作电极被用作阳极的话，合适材料的例子是铂、钯、碳、与惰性粘接剂结合的碳、铱、氧化铟、氧化锡、氧化铟和氧化锡的混合物。如果所述工作电极被用作阴极的话，除了上面所列举的材料之外，其他合适材料有钢、不锈钢、铜、镍、银和铬。
适合用作反电极的材料的例子有铂、钯、碳、与惰性粘接剂结合的碳、铱、氧化铟、氧化锡、氧化铟和氧化锡的混合物、钢、不锈钢、铜、镍、铬、银和用基本上为不溶性的银盐包衣的银，如氯化银、溴化银、碘化银、氰亚铁酸银、氰铁酸银。
化学反应的部位可以位于所述工作电极的所述反电极上的裸露的壁上。所述化学反应的部位可以在与工作电极相同的平面上，或者更优选位于朝向并且基本上平行于所述工作电极的平面上。
适用于某些实施方案的传感器包括安装在电绝缘基本上的工作电极和反电极。在第二种基质上安装有一层化学反应剂，其中至少一种化学反应剂基本上固定在该基质上。在使用时，在所述传感器的壁之间的空间中填充含有能够与所述试剂发生反应以便产生一种电活性物质的物质的液体。所述化学反应产物向工作电极扩散，在这里，所述电活性物质发生电化学反应，以便产生电流。然后可以将在特定时间的电流或通过的电荷的大小或电流或通过的电荷随时间的变化用于获得发生在所述反应剂层上的化学反应的速度或程度的指标。
在所述传感器的另一种实施方案中，所述反应剂存在于被安装在一种电阻基质上的反电极上。在该实施方案中，制造反电极的材料与存在于该电极上的反应剂的任何成分的反应都是惰性的。
获得上述电化学测定结果的方法应用于任何合适的电化学系统，包括抗氧化剂和氧化剂系统。应用于典型的，但是非抗氧化剂电化学系统的所述方法的一个例子，是用酶PQQ决定型葡萄糖脱氢酶(GDHpqq)和氧化还原介体测定全血中的葡萄糖。在该反应中，血液中的葡萄糖与GDHpqq起反应，形成葡萄糖酸。在该过程中，所述酶的PQQ减少。然后诸如氰铁酸钾的介体氧化所述酶中的PQQ，并形成氰亚铁酸盐。然后所述氧化形式的酶能够与其他葡萄糖起反应。该反应的净结果是使发生反应的每一个葡萄糖分子产生两个成氰亚铁酸盐分子。氰亚铁酸盐是一种电活性物质，因此能够在电极上被氧化，产生电流。适合该反应的其他酶是葡萄糖氧化酶(GOD)或NAD决定型葡萄糖脱氢酶。对其他反应来说，可以使用乳酸脱氢酶和醇脱氢酶。其他合适的氧化还原介体包括氰铁、锇与二吡啶和二苯酮的复合物。
全血中葡萄糖与所述酶的反应可能是缓慢的，需要几分钟时间才能完成。另外，所述样品的血细胞比容越高，反应就越慢。血液的血细胞比容是红细胞在全血样品中所占的体积比例。例如，将含有50毫克/毫升GDHpqq、0.9M氰铁酸钾和50mM缓冲剂，pH6.5的溶液沉积在反电极上，并且除去水分，留下的干燥的反应剂层。在该层中，GDHpqq的量大到足以有效固定在反电极上，而所述氰铁酸盐能够更均匀地混合在所述电化学电池的液体中。将所述血液样品导入所述电池，并且马上在工作电极和反电极之间施加+300mV的电位。尽管对于氧化氰亚铁酸盐来说，+300mV的电位是最优选的，但所述电位以在+40至+600mV为宜，优选+50至+500mV，优选+100至+400mV。在所述电池上，工作电极由溅射在一种聚酯基质上的一层金组成，而反电极由溅射在一种聚酯基质上的一层钯组成。
记录具有不同血细胞比容的血液样品的电流量，发现在较低血细胞比容的血液中的反应速度较快，即血液中的血细胞比容为20％、42％和65％。每一种血液样品中的葡萄糖含量大体上相同，即65％血细胞比容样品的葡萄糖含量为5.4mM，42％血细胞比容样品的葡萄糖含量为5.5mM，而20％血细胞比容样品的葡萄糖含量为6.0mM。
测定的电流大体上可以用以下公式表示i＝-FADC/L其中，i是电流，F是法拉第常数(96486.7C/mol)，A是电极面积，D是所述氰亚铁酸盐在样品中的扩散系数，C是氰亚铁酸盐在反应部位的浓度，而L是反应部位和电极之间的距离。因此，通过C随时间改变的速度表示的反应速度可以用以下公式表示dC/dt＝-(L/FAD)di/dt对于上述反应来说，在6-8秒之间，20％、42％和65％血细胞容样品的平均di/dt分别为3.82、2.14和1.32毫安/秒。对20％、42％和65％血细胞比容的样品来说，氰亚铁酸盐的扩散系数分别为2.0×10-6，1.7×10-6和1.4×10-6平方厘米/秒。电极面积为0.1238平方厘米，而R为125微米。对于20％、42％和65％血细胞比容的样品来说，以上值所得到的反应速度分别为2.0、1.3和1.99mM/秒。
正如本领域技术人员可以理解的，可以对上述用于测定血液中葡萄糖反应的方法进行改进，以便应用于其他电化学系统，包括氧化剂或抗氧化剂系统，如酒中的二氧化硫。
以上说明披露了本发明的若干种方法和材料。可以对本发明的所述方法和材料进行改进，并且改变生产方法和设备。本领域技术人员在阅读本说明书或本文所披露的本发明的实践之后能够理解所述改进。因此，并非要将本发明局限于本文所披露的具体实施方案，而是要包括根据体现在所附权利要求书中的本发明的实际范围和构思作出的所有改进和改变。
权利要求
1.一种用于检测含水样品中一种氧化还原反应分析物的存在或缺如的装置，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室中的孔，以及容纳在所述传感室中的试剂，其中，将所述电化学电池设计成在经过一次实验使用后就被丢弃，并且，其中，所述试剂能够直接与所述分析物发生氧化还原反应，以便产生指示所述分析物存在或缺如的电信号。
2.如权利要求1的装置，其中，所述第一电极包括传感电极。
3.如权利要求1的装置，其中，所述第一电极包括选自铂、钯、碳、氧化铟、氧化锡、金、铱、铜、钢、及其混合物的材料。
4.如权利要求1的装置，其中，所述第一电极包括银。
5.如权利要求1的装置，其中，所述第一电极是通过选自溅射、蒸汽涂层、丝网印刷、热蒸发、喷墨印刷、超声波喷雾、槽涂层、照相凹板印刷和平板印刷的技术制成的。
6.如权利要求1的装置，其中，所述第二电极包括反电极。
7.如权利要求1的装置，其中，所述第二电极包括与一种金属盐接触的金属。
8.如权利要求7的装置，其中，所述与一种金属盐接触的金属包括与氯化银接触的银，与溴化银接触的银，与碘化银接触的银，与氯化汞接触的汞，或与硫酸汞接触的汞。
9.如权利要求6的装置，其中，所述电化学电池还包括第三个电极。
10.如权利要求9的装置，其中，所述第三电极包括参考电极。
11.如权利要求1的装置，其中，所述能氧化分析物的试剂包括抗氧化剂。
12.如权利要求11的装置，其中，所述试剂选自氰铁酸盐、重铬酸盐、高锰酸盐、氧化钒、二氯靛酚、锇二吡啶复合物，和醌。
13.如权利要求1的装置，其中，所述能还原分析物的试剂包括氧化剂。
14.如权利要求13的装置，其中，所述试剂选自碘、三碘化物盐、氰亚铁酸盐、二茂铁、Cu(NH3)42+盐和Co(NH3)63+盐。
15.如权利要求1的装置，其中，所述传感室还包括缓冲剂，所述缓冲剂容纳在该传感器内。
16.如权利要求15的装置，其中，所述缓冲剂选自下列一组磷酸盐、碳酸盐、苯六甲酸的碱金属盐、和柠檬酸的碱金属盐。
17.如权利要求1的装置，还包括一个加热元件。
18.如权利要求17的装置，其中，所述加热元件是一个电阻加热元件。
19.如权利要求17的装置，其中，所述加热元件是容纳在所述传感室中的放热物质。
20.如权利要求19的装置，其中，所述放热物质选自氯化铝、氯化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、氯化镁、溴化镁、碘化镁、硫酸镁及其混合物。
21.如权利要求1的装置，其中，所述第二电极是与所述第一电极成相对关系安装的，二者的距离小于大约500微米。
22.如权利要求1的装置，其中，所述第二电极是与所述第一电极成相对关系安装的，二者的距离小于大约150微米。
23.如权利要求1的装置，其中，所述第二电极是与所述第一电极成相对关系安装的，二者的距离小于大约150微米但大于大约50微米。
24.如权利要求1的装置，还包括一个与仪表连接的界面。
25.如权利要求31的装置，其中，所述界面与电压或电流连通。
26.如权利要求1的装置，其中，所述电化学电池包括一个薄层电化学电池。
27.一种用于检测含水样品中氧化还原反应分析物的存在或缺如的方法，该方法包括提供一种用于检测含水样品中一种分析物的存在或缺如的装置，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室中的孔，以及容纳在所述传感室中的试剂，其中，所述电化学电池被设计成在经过一次实验使用后就被丢弃，并且，其中，所述试剂能够直接与所述分析物发生氧化还原反应，以便产生指示所述分析物存在或缺如的电信号；提供一种含水样品；让所述样品通过所述孔流入所述传感室，以便所述传感室被基本上充满；和获得指示分析物在所述样品中存在或缺如的电化学测定结果。
28.如权利要求27的方法，还包括加热所述样品的步骤，其中，该加热步骤是在获得所述电化学测定结果的步骤之前。
29.如权利要求27的方法，还包括以下步骤加热所述样品，其中，所述加热步骤是在获得电化学测定结果步骤之后；和然后获得指示第二种分析物在所述样品中的存在或缺如的第二电化学测定结果。
30.一种用于测定酒样品中二氧化硫的方法，所述二氧化硫具有游离形式和结合形式，并且能够与一种试剂发生氧化还原反应，所述氧化还原反应具有一种反应动力学，其中，所述方法包括以下步骤提供一种装置，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室的孔、以及能够与二氧化硫发生氧化还原反应的试剂，其中，将所述电化学电池设计成在经过一次实验使用之后就被丢弃；将所述酒样品放入所述电化学电池中，以便启动所述氧化还原反应；和获得指示游离形式的二氧化硫含量的第一电化学测定结果。
31.如权利要求30的方法，还包括以下步骤将所述酒样品加热一段足以使结合形式的二氧化硫与所述试剂反应的时间，其中，所述加热步骤是在获得所述第一电化学测定结果的步骤之后进行的；以及随后获得指示包括游离形式和结合形式两种形式的二氧化硫含量的第二电化学测定结果。
32.如权利要求30的方法，还包括以下步骤获得指示结合形式的二氧化硫与所述试剂反应的动力学的第二电化学测定结果，其中，所述第二电化学测定结果是在获得第一电化学测定结果的步骤之后获得的；和使用所述反应动力学计算结合二氧化硫的含量。
33.一种生产用于测定一种氧化还原反应分析物在含水样品中的存在或缺如的装置的方法，该装置包括一个电化学电池，该电池具有一个传感室、一个第一电极、一个第二电极、一个用于将所述样品容纳到所述传感室中的孔，以及容纳在所述传感室中的试剂，其中，将所述电化学电池设计成在经过一次实验使用之后就被丢弃，并且，其中，所述试剂能够与所述分析物直接发生氧化还原反应，产生指示所述分析物存在或缺如的电信号，该方法包括形成一个延伸通过一片电阻材料的孔，由所述孔形成所述传感室的侧壁；将具有第一电极的第一层安装到所述片材的第一面，并且分布在所述孔上，形成第一传感室端板，所述第一电极朝向所述片材的第一面；将具有第二电极的第二层安装到所述片材的第二面，并且分布在所述孔上，形成在位置上大体上与所述第一层重合的第二传感室端板，所述第二电极朝向所述片材的第二面，以便由所述片材和层形成一个条；在所述条上形成一个孔，使得样品能够进入所述传感室；并且提供一种能够与分析物直接发生氧化还原反应的试剂，其中该试剂容纳在传感室中。
全文摘要
本发明涉及一种用于测定液体样品中氧化剂或抗氧化剂分析物含量的装置和方法。所述装置包括一个一次性电化学电池，如装有能与所述分析物发生氧化还原反应的试剂的薄层电化学电池1。当所述装置1或方法被用于慢反应分析物时，可以通过装置1中的电阻加热元件或通过容纳在电化学电池8中的放热材料对所述样品进行加热。加热能够加快所述试剂和分析物之间的氧化还原反应速度，并因此促进慢反应分析物的电化学测定。
文档编号G01N27/28GK1441901SQ01812827
公开日2003年9月10日 申请日期2001年7月12日 优先权日2000年7月14日
发明者A·霍格斯, R·查特利尔 申请人:生命扫描有限公司