专利名称：一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于水溶液中离子含量电位测量的参比电极。
背景技术：
目前，一般用于测量水溶液中离子含量的一般装置通常由一个参比电极和一个独立的电位或工作电极所组成，当将这种装置置于一定量的溶液中进行分析时，参比电极和工作电极一起构成一种电化学电池，其中参比电极与水溶液中的工作电极形成一种恒定的电势，这两种电势差与离子活性的对数成正比，而这种电势差又与溶液中离子的浓度有关，即浓度可直接决定参比电极和工作电极周围的电压。参比电极通常包含一层X离子可逆材料，这种材料在氧化条件下，X离子存在或缺失时进行可逆变化，通常含有金属卤化物盐，金属合金或化合物，在含有金属的表面上较易形成，之后，电极周围形成一层电解质。简单来说，这层电解质包含一定量的X离子，X离子分布在水介质中或聚合材料中。例如，电解质为一种含有X离子化合物的凝胶状混合物，这种凝胶状混合物不能溶于被测液中，但在扩散作用下允许离子的运输。或者电解质上包含一层膜，如醋酸纤维素或多孔玻璃抑或陶瓷类等，允许离子运输，但限制溶液及电解质本身的流动。由此，在电解质和被测试液间形成一层液界，允许离子的扩散但阻止两种介质的对流。当电解液所含离子浓度较高，离子渗透率相近时，则无论溶液组成如何，在电极和被测溶液之间形成电气连续性(电位测试的必要条件)，且液界两端的电位差保持恒定(较小)。X离子可逆电极与电解液之间的电位差取决于电解液中X离子的浓度。因此，当X离子浓度稳定时，电极的电极电位不受被测液组成的影响，这是参比电极正常工作的必须条件。由于离子必须能够自由穿越液界，只有当电解液的体积较大时，才能保持离子X浓度的稳定性，也即在参比电极的使用过程中，电解液中的离子浓度能够长时间保持恒定。为了能适宜市场推广的参考电极，如可应用于医院的血液分析操作，血液化学实验室等，电极应尽量保持价格低廉，经济上可行，体积小型化，且可用于小样本中，使用寿命还应尽量长些。由于之前大多数电极采用的是亲水性或水性参比电解液，电极的使用寿命很难得到保证。通常情况下亲水性电解液都是水合凝胶或类似的状态，允许离子的运输。要移动储存“润湿”的电解液会有包装和存储问题。或者在使用前可将凝胶润湿，但这样又会引起其它操作上的问题，尤其是干电极的大小，其润湿所耗费的时间都在很大程度上影响了其实用性。先前发明的参比电极在大小问题上也存在需要解决的难点。
发明内容本实用新型的目的是提供一种本身比较干燥的参比电极结构，以保证其较长的使用期限，且能够在使用时迅速被“润湿”，为使用者带来最大的方便。为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其主要包括复合膜、工作电极、电压表、参比电极、化学可逆材料、电解质材料、电极基板、参比电极透水膜、正抗蚀图区域、负抗蚀图区域，所述的参比电极外覆盖有一层化学可逆材料；一层化学可逆材料外覆盖有一层电解质材料；电解质材料外覆盖有一层参比电极透水膜。上述的参比电极其构造为平面电极。上述的参比电极的金属部分与电极基板接触，其外层化学可逆材料为盐层或金属化合物。 上述的电解质材料为一种含有氯化钾的材料。上述的参比电极透水膜是一种对化学成分不具渗透性但可透水的材料。上述的工作电极、参比电极组合形成于电极基板上。本实用新型有益效果在离子从溶液扩散到电解质材料周围之前已完全被“润湿”，因而在电解质材料被完全“润湿”时间与电极周围的电解质离子浓度开始发生变化的时间有着较大的时差，时差期间液界两侧的离子运输保持一种电气连续性，而电极电位保持恒定，因为离子浓度发生变化还无法在电极上予以显示。故测量工作电极与参比电极之间的电位差便能够精确测出离子的浓度。因此，本实用新型可以干燥状态运输和存放，不仅方便，使用年限更长，而且离子扩散时间较长，使用时“润湿”更快。
图1为传统的工作电极/参考电极剖视结构示意图。图2为本实用新型工作电极/参比电极的剖视结构示意图。图3从a至e展示了图2电极制造的连续性步骤过程图。图4为电位随时间而变化的过程图。图中1-复合膜，2-工作电极，3-电压表，4-参比电极，5-化学可逆材料，6-覆盖层材料，7-电极基板，8-电解质材料，9-参比电极透水膜，10-正抗蚀图区域，11-负抗蚀图区域。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本实用新型的具体实施方式
做一个详细的说明。实施例一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其主要包括复合膜1、工作电极2、电压表3、参比电极4、化学可逆材料5、电解质材料6、电极基板7、参比电极透水膜8、正抗蚀图区域9、负抗蚀图区域10，所述的参比电极4外覆盖有一层化学可逆材料5 ;—层化学可逆材料5外覆盖有一层电解质材料6 ；电解质材料6外覆盖有一层参比电极透水膜8。所述的参比电极4其构造为平面电极。所述的参比电极4的金属部分与电极基板7接触，其外层化学可逆材料5为盐层或金属化合物。所述的电解质材料6为一种含有氯化钾的材料。所述的参比电极透水膜8是一种对化学成分不具渗透性但可透水的材料。[0027]所述的工作电极2、参比电极4组合形成于电极基板7上。图1所示为现有技术中应用的传统工作电极/参比电极装置，其中，工作电极2在电极基板7上形成，被一层化学可逆材料所包裹，使得工作电极能够针对特定的离子种类进行测量。参比电极4同样是基于电极基板7上形成。化学可逆材料5通常包括含X离子的配制成材料或化合物。电解质材料6是一种亲水粘结剂，如凝胶，固溶体中含有某种盐。实际操作中，电解质材料6可以渗透水分子，如测试液中的水分子。也就是说，电解质材料6须允许水分子以及离子的扩散，但不允许对流，即液体的互换流通。电解质材料6中的离子也可从扩散到水溶液中。如上所述，工作电极2和参考电极4共同组成一个电化学电池，两者之间的电势(电压表3显示)可用以测量表示出溶液中被测离子的浓度。从图1可看出，参比电极装置中电解质材料6的量较大，这样可以保证离子浓度在短期内不会发生变化，因为离子在电解质材料6中的扩散所需时间较长才能达到电解质材料6与溶液间离子浓度的平衡。这种情况下，参比电极4与工作电极2之间的电位差在一定时间内保持恒定，使得测量溶液中离子的浓度成为可能。然而对于电解液的大量需求以及润湿的要求，在一定程度上限制了其实用性。例如，如果电解液在使用前浸入水或某种盐溶液中由干燥“润湿”时，所需时间与离子扩散过程所用时间相当，妨碍了电解质材料6的有效利用。另一方面，若电极本身为润湿状态，则储存起来更加不方便。根据先前的技术，仅仅减少电解液的量不仅会使“润湿”时间缩短，但同时也减少了电解液与被测溶液间离子浓度的平衡，这会使得测量本身变得特别困难，甚至不可能获得测量结果。图2所示为本实用新型一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置的优化方案。与图1所示的电极装置类似，参比电极4和工作电极2都形成于电极基板7上，参比电极4其覆盖有化学可逆材料5，化学可逆材料5外覆盖有电解质材料6，这点与图1所示设备一样，当然与电压表3的连接方式也相同。电解质材料6也与图1中的相同。但本实用新型中，电解质材料6上覆盖化学可逆材料5外，且外面包裹着一层膜，这层膜是一种参比电极透水膜8，可以渗入水分子，但是X离子无法通过，一般来说，对任何电解质材料6或参比电极4所在的溶液中的离子都不具有渗透性，可影响到电极电位的大小。这种膜可由PVC (聚氯乙烯)或PTFE (聚四氟乙烯)塑料材料或橡胶构成。在实践中，图2所示的电极装置本身是干燥的，即电解质材料6中没有足量的水分支持离子的扩散，这种装置稳定且使用寿命更长。当这种电极与水溶液接触时，个别水分子渗入选择性渗透膜，润湿电解质材料6，水分子和离子都通过液界。由于电解质材料6相对于其长度比较薄，电解质材料6会迅速被“润湿”。同时电解质材料6中的离子开始扩散通过液界，电解质材料6外露部分的离子浓度以恒定的速率变化。由于水分子“润湿”电解质材料6所经过的路线较短，在离子从溶液扩散到电解质材料6周围之前已完全被”润湿“，因而在电解质材料6被完全”润湿“时间与电极周围的离子浓度开始发生变化的时间有着较大的时差，时差期间液界两侧的离子运输保持一种电气连续性，而电极电位保持恒定，因为离子浓度发生变化还无法在电极上予以显示。因此测量工作电极与参比电极之间的电位差便能够精确测出离子的浓度。图2中参比电极4的工作性能可从图4中的电压时间表中直观看出，从0到a时亥IJ，参比电极4润湿，电压值迅速改变；a_b期间，电压保持恒定，直到b时刻，电极附近的离子浓度发生变化。实际操作中，a-b时段对于参比电极可以为I分钟或更久，以便于工作电极有足够的时间做出必要的测量。图3 (b)中，电解质材料6已在图3 Ca)中的整体装置上沉积。图3 (c)所示为本实用新型装置制造的后续步骤，其中在负抗蚀图区域10 (与正抗蚀图区域9可分别进行移动)的沉积区域中，电解质材料6保存作为参比电极4装置的一部分，即负抗蚀图区域10沉积，暴露移离负抗蚀图区域10，而负抗蚀图区域10中的电解质材料6将在成品中显现出来。图3 Cd)所示为后续步骤的结果，包括通过离子体刻蚀或其他步骤去除暴露的电解质材料6，留下图3 (c)中的负抗蚀图区域10的处理部分，然后去除正负性抗蚀剂，得到图3 Cd)中的电极结构，其中参比电极4被电解质材料6覆盖。最后，图3 (e)展示了最后一步的结果，其中参比电极透水膜8包裹在电解质材料6上。本实用新型中，电解质材料6呈一条蜿蜒式的线条或螺旋式的图案。上述构成的参比电极装置为一体化薄膜微电极生物传感器件(Integratedmicroelectrode biosensors IMEB)的一个组件。
权利要求1.一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其主要包括复合膜(I)、工作电极(2)、电压表(3)、参比电极(4)、化学可逆材料(5)、电解质材料(6)、电极基板(7)、参比电极透水膜(8)、正抗蚀图区域(9)、负抗蚀图区域(10)，其特征在于参比电极(4)外覆盖有一层化学可逆材料(5);—层化学可逆材料(5)外覆盖有一层电解质材料(6);电解质材料(6 )外覆盖有一层参比电极透水膜(8 )。
2.根据权利要求1所述的一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其特征在于所述的参比电极(4)其构造为平面电极。
3.根据权利要求1所述的一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其特征在于所述的参比电极(4)的金属部分与电极基板(7)接触，其外层化学可逆材料(5)为盐层或金属化合物。
4.根据权利要求1所述的一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其特征在于所述的电解质材料(6)为一种含有氯化钾的材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其特征在于所述的参比电极透水膜(8)是一种对化学成分不具渗透性但可透水的材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，其特征在于所述的工作电极(2)、参比电极(4)组合形成于电极基板(7)上。
专利摘要本实用新型涉及一种用于水溶液中离子含量电位测量的参比电极。一种用于一体化薄膜微电极生物传感器件的参比电极装置，所述的参比电极外覆盖有一层化学可逆材料；一层化学可逆材料外覆盖有一层电解质材料；电解质材料外覆盖有一层参比电极透水膜。本实用新型在离子从溶液扩散到电解质材料周围之前已完全被“润湿”，因而在电解质材料被完全“润湿”时间与电极周围的电解质离子浓度开始发生变化的时间有着较大的时差，时差期间液界两侧的离子运输保持一种电气连续性，而电极电位保持恒定，因为离子浓度发生变化还无法在电极上予以显示。故测量工作电极与参比电极之间的电位差便能够精确测出离子的浓度。
文档编号G01N27/30GK202886322SQ20122046411
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者徐云鹏, 燕春晖 申请人:江西恒盛晶微技术有限公司