專利名稱：基于微加工制做開(kāi)口的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測(cè)存在于例如血液等液體中的分子(被分析物)。較具體地，本發(fā)明涉及利用一種基于催化的電流測(cè)量傳感器探測(cè)試管中的有機(jī)分子。在本發(fā)明的一些具體實(shí)施例中，可以由微加工技術(shù)制做并具有新裝置設(shè)計(jì)的傳感器來(lái)進(jìn)行血液和其他體液中的各種分子的化驗(yàn)，這些分子包括葡萄糖、乳酸脂，膽甾醇、丙酮酸脂、肌氨酸、膽紅素和肌酸酐。
本發(fā)明的背景化驗(yàn)例如血液等體液中各種有機(jī)分子的水平對(duì)各種疾病狀態(tài)的治療是有用的。例如，糖尿病是一種以血糖水平調(diào)節(jié)不良為特征的疾病。對(duì)于輕度糖尿病，包括成人的初期尿病，傳統(tǒng)的治療包括飲食和鍛練治療。不過(guò)對(duì)于較嚴(yán)重的糖尿病則需要施以胰島素。施胰島素的一個(gè)缺點(diǎn)是由于不希望的施藥過(guò)度而導(dǎo)致血糖水平快速下降(葡萄糖失衡)，從而可能發(fā)生胰島素休克。然而胰島素休克僅僅是葡萄糖失衡的最嚴(yán)重表面。長(zhǎng)期葡萄糖失衡(不論因用藥過(guò)度或用藥不足)的后果文獻(xiàn)上有很多記載，其中包括血管和各種器官的損傷。在極端情況下，由于循環(huán)破壞常常會(huì)導(dǎo)致失明。
血糖水平的精確測(cè)量可以讓患者調(diào)節(jié)胰素劑量，從而避免長(zhǎng)期葡萄糖失衡的后果。美國(guó)專利NO．3，542，662所公開(kāi)的一種葡萄糖傳感器是先有技術(shù)中試圖測(cè)量葡萄糖的一個(gè)例子。在該裝置中，在待化驗(yàn)液體與一個(gè)第一氧傳感器電極之間設(shè)置了一個(gè)含酶膜。在該液體與一個(gè)第二參考氧傳感器電極之間設(shè)置了一個(gè)類似的不含酶膜。一部分穿過(guò)含酶膜擴(kuò)散的氧因在酶的催化下與葡萄糖發(fā)生等摩爾量的反應(yīng)而被消耗，從而不能被第一氧傳感器電極探測(cè)，對(duì)應(yīng)于不含酶膜的第二參考氧傳感器電極可以確定如果不發(fā)生酶催化反應(yīng)時(shí)將探測(cè)到的氧濃度。兩個(gè)電極探測(cè)到的氧濃度的差別即是葡萄糖濃度的一種指示。
該裝置的一個(gè)問(wèn)題是，血液中氧和葡萄糖的水平小于化學(xué)方程式所規(guī)定的，尤其是，氧的量小于轉(zhuǎn)換全部葡萄糖所需的量，于是，該傳感器可能變得受到氧的限制，而不能精確地響應(yīng)于高的葡萄糖濃度。
為了使葡萄糖和氧的水平達(dá)到化學(xué)方程式上的平衡，從而創(chuàng)造一種能對(duì)血液中全部可能的葡萄糖濃度范圍給出精確結(jié)果的傳感器，已有人提議設(shè)計(jì)能相對(duì)于氧減少到達(dá)含酶層的葡萄糖量的傳感器。在理論上，通過(guò)提供這種對(duì)氧比對(duì)葡萄糖有大得多的滲透性的膜，可以實(shí)現(xiàn)這種傳感器。下面將會(huì)更充分地說(shuō)明的美國(guó)專利NO．4，650，547對(duì)這一概念進(jìn)行了一般的說(shuō)明。
然而，乞今為止要實(shí)現(xiàn)這一方法是困難的，這是因?yàn)橐酝夹g(shù)不能精確地和可重復(fù)地控制膜的滲透性。如果沒(méi)有這種精確的控制，就不能足夠地抑制到達(dá)含酶膜層的葡萄糖通量。由于存在干擾素分子，例如抗壞血酸脂和尿酸鹽，也可能引起問(wèn)題。為測(cè)量腎功能而需要的肌酸酐水平測(cè)定，是要求排除干擾素的化驗(yàn)的一個(gè)例子。
美國(guó)專利NO．4，933，048涉及到用微加工技術(shù)在水凝膠層上制做的滲水離子不滲的膜，其中留有一個(gè)開(kāi)口用于離子交換。該專利的圖2示出這樣一種結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)使水凝膠層延展到不滲離子層的外面來(lái)形成開(kāi)口?；蛘撸梢宰尣粷B離子層覆蓋整個(gè)水凝膠層，但在下面電極的周邊之外形成一些小孔(第7到第1行)。小孔可以用激光穿孔或其他方法形成。開(kāi)口形成在與電極有一定距離的地點(diǎn)，而小開(kāi)口的作用是提供低阻抗的電解連結(jié)。
已知的還有采用非微加工制做的或“宏”電極的葡萄糖傳感器。例如見(jiàn)Fischer，U．和Abel，P．的論文(Transactions of AmericanSociety of Artificial Internal Organs(美國(guó)人造內(nèi)臟學(xué)會(huì)會(huì)刊)，1982，28，245，248)；Rehwald，W．的論文(Pflugers Archiv，1984，400，348-402)；美國(guó)專利NO．4，484，987、NO．4，515，584、NO．4，679，562；以及英國(guó)專利申請(qǐng)2，194，843。但在這些文獻(xiàn)中沒(méi)有說(shuō)明關(guān)于薄膜加工的內(nèi)容。
上述Fischer等人的論文公開(kāi)了一種非微加工制做的葡萄糖傳傳感器，其中有一個(gè)用機(jī)械方式穿了孔的Teflon膜(Teflon可譯為塔大龍，是一種經(jīng)注冊(cè)的化學(xué)材料商品名)。葡萄糖只能穿過(guò)小孔進(jìn)入含酶層，而氧則可以透過(guò)Tefoln，這樣便調(diào)節(jié)了含酶層中兩者的化學(xué)成份含量比，使得響應(yīng)能線性化。其中沒(méi)有關(guān)于穿孔大小的最優(yōu)化或控制的教導(dǎo)。該論文也沒(méi)有提及使用微加工技術(shù)。東德專利DD282527似乎與該論文有對(duì)應(yīng)關(guān)系，但沒(méi)有把Fischre作為發(fā)明人之一。
美國(guó)專利NO．4，484，987涉及一種有線性響應(yīng)的葡萄糖傳感器，其基本概念是提供一個(gè)帶有一個(gè)親水性基底的薄層，在該基底中有一些憎水性的區(qū)域，葡萄糖可以透過(guò)親水區(qū)而不能透過(guò)憎水區(qū)，而氧則能透過(guò)這兩種區(qū)域(見(jiàn)該專利

圖1的說(shuō)明)。在該專利圖4所示的另一個(gè)實(shí)施例中，有一個(gè)含有一些分開(kāi)的小開(kāi)口的憎水層，葡萄糖分子可以穿過(guò)這些小開(kāi)口。不過(guò)，該專利沒(méi)有關(guān)于如何控制這些開(kāi)口的大小或位置的教導(dǎo)，也沒(méi)有提及微加工技術(shù)。
美國(guó)專利NO．4，650，547公開(kāi)了一種葡萄糖傳感器，其中在一個(gè)親水的含酶層上設(shè)置了一個(gè)憎水、可滲氣體的膜，并且只有憎水層的周邊或周圍的側(cè)表面才暴露于樣品中(圖5)。葡萄糖只能從周邊進(jìn)入憎水層并沿著平行于層面的平面擴(kuò)散，而氧則能通過(guò)憎水層的整個(gè)表面提供(第6列第三行)。
Anal Chem(分析化學(xué))第57卷第2351頁(yè)(1985)提供了關(guān)于制做一個(gè)有關(guān)圓筒裝置的教導(dǎo)，其中在一個(gè)鉑絲電極與一個(gè)滲氣圓筒形鍍層之間的間隙中充滿了一種酶凝膠。然而沒(méi)有關(guān)于微加工技術(shù)的教導(dǎo)。美國(guó)專利NO．4，890，620涉及一種基于用一對(duì)傳感器進(jìn)行差分測(cè)量的類似結(jié)構(gòu)和方法。美國(guó)專利NO．4，703，756中公開(kāi)了一種可供插入使用的同類裝置。
關(guān)于乳酸脂和肌酸酐傳感器的文獻(xiàn)相對(duì)地比較少。在Clin．Chem(醫(yī)療化學(xué))第29卷第51頁(yè)(1983)中提出了一種電流測(cè)量肌酸酐傳感器，其中利用三種酶的耦合產(chǎn)生了過(guò)氧化氫。該論文也包含了差分測(cè)量，其中一個(gè)傳感器測(cè)量肌酸，另一個(gè)傳感器測(cè)量肌酸加上肌酸酐。傳感器是用醋酸纖維素-戊二醛方法制做的。Anal Chem等67卷第2776頁(yè)(1995)教導(dǎo)用電聚合方法使肌酸酐酶附著在一個(gè)電極上。在Anal Chim Acta(分析化學(xué)學(xué)報(bào))第325卷第161頁(yè)(1996)中則使用了聚硫酸鹽(氨基甲烷)水凝膠。上述這些文獻(xiàn)都沒(méi)有關(guān)于采用微加工技術(shù)的教導(dǎo)。不過(guò)，在Anal Chim Acta第319卷第335頁(yè)(1996)中公開(kāi)了用微分配法(microdispensing)在由微加工技術(shù)制做的電極上形成酶凝膠層。
盡管以美國(guó)專利NO．5，200，052和NO．5，096，669為代表的化驗(yàn)用傳感器取得了最新的明顯的進(jìn)度，但仍然在該領(lǐng)域中存在著改進(jìn)微制做技術(shù)和更好地控制被分析物流量的需要。還存在著減少或排除干擾素分子對(duì)傳感器測(cè)量的影響的需要。
授予i-STAT公司的美國(guó)專利NO．5，200，051描述了用微加工制做的傳感器測(cè)量葡萄糖，其中采用一個(gè)薄而連續(xù)的由硅共聚物制做的被分析物衰減(AA)層去覆蓋在含酶層上。這樣的膜要讓氧自由地透過(guò)而葡萄糖則很少透過(guò)。這使得能對(duì)全部范圍的血液葡萄糖濃度給出線性響應(yīng)。正如該專利所清楚表明的，雖然通常血液中氧含量較低，但仍需要符合化學(xué)方程比例的量來(lái)支持酶反應(yīng)。用上述的膜即可達(dá)到這一目的。該專利從第12列的第57行開(kāi)始討論了微加工制做的被分析物衰減層的一般性質(zhì)，從第38列的第19行開(kāi)始對(duì)此有更詳細(xì)的說(shuō)明。從第58列第5行開(kāi)始討論了AA層的腐蝕處理。該專利的圖7A和8A示出了用于測(cè)量葡萄糖的帶有暴露周邊的結(jié)構(gòu)，但是葡萄糖是通過(guò)一個(gè)多硅氧烷共聚物層傳輸?shù)摹?br> 在上述NO．5，200，051專利之前，在臨床設(shè)施中還沒(méi)有使用過(guò)完全微加工制做的傳感器，也即沒(méi)有使用過(guò)用薄膜技術(shù)和微加工技術(shù)統(tǒng)一批量生產(chǎn)的傳感器。該專利表明，批量生產(chǎn)具有商業(yè)價(jià)值的生物傳感器所涉及的復(fù)雜程度，要遠(yuǎn)比一般了解本技術(shù)領(lǐng)域的人們?cè)?jīng)認(rèn)為的大得多。其中主要的關(guān)鍵是，當(dāng)時(shí)已有的商用微加工技術(shù)方法難以兼容于生物傳感器所固有物理化學(xué)處理苛刻要求。
Elaccion的論文(M．Electronics 1986，June 2，26-30)描述了當(dāng)時(shí)微傳感器最新技術(shù)狀況，并簡(jiǎn)述了一些活躍的研究領(lǐng)域，包括對(duì)一些特定離子、氣體和生物物質(zhì)的探測(cè)。注意到了場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的進(jìn)展，討論了當(dāng)時(shí)制做方法的問(wèn)題和局限性。
指出這樣一個(gè)事實(shí)也是重要的目前的臨床醫(yī)生常常要求化驗(yàn)例如全血這樣的復(fù)雜生物液體的一個(gè)或多個(gè)成份。目前，這種化驗(yàn)要求對(duì)全血進(jìn)行一些處理，例如過(guò)濾和離心分離，以防止儀器的污染或簡(jiǎn)化后續(xù)的測(cè)量。經(jīng)常的做法是把血液樣品送交給一個(gè)非現(xiàn)場(chǎng)的中央實(shí)驗(yàn)室并在那里進(jìn)行化驗(yàn)。這樣患者和醫(yī)生不能及時(shí)得到有價(jià)值的信息，在多數(shù)情況中需要等待幾個(gè)小時(shí)，有時(shí)要幾天。顯然，如果能對(duì)未稀釋的樣品進(jìn)行化驗(yàn)，并且如果能夠有可實(shí)時(shí)測(cè)量的儀器或傳感器，那么其好處是明顯的?，F(xiàn)在利用美國(guó)專利NO．5，096，669(授予i-STAT公司)所描述的現(xiàn)場(chǎng)(point-of-care)血液分析系統(tǒng)就可以做到這一點(diǎn)。
盡管以美國(guó)專利NO．5，200，051和NO．5，096，669為代表的化學(xué)傳感器技術(shù)取得了最新和明顯的進(jìn)展，但仍然在該領(lǐng)域中存在著改進(jìn)微加工技術(shù)和更好地控制被化驗(yàn)物流量的需要。還存在著減少或排除干涉素分子對(duì)傳感器測(cè)量的影響的需要。
本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容于是，本發(fā)明的一個(gè)方向是提供一種能精密控制被分析物擴(kuò)散率或流量的化學(xué)傳感器。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，其中含有一個(gè)帶有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口的層，用于控制擴(kuò)散流量率和進(jìn)入一個(gè)含酶層的共反應(yīng)物與被分析物的化學(xué)份量的比例。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種傳感器，其輸出特性不受含在樣品中的共反應(yīng)物的濃度的限制，并且其中傳感器的響應(yīng)在樣品一般所含被分析物的整個(gè)濃度范圍內(nèi)都基本上是線性的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，它是專用的并能在干燥狀態(tài)下保存，但當(dāng)接觸到一種標(biāo)定劑液體時(shí)即可快速的濕潤(rùn)。
本發(fā)明的又一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，它能在物理尺寸和輸出特性方面以高度的裝置間的一致性制做。
本發(fā)明的再一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，它含有一個(gè)微加工制做的具有受控幾何形狀和特性的擴(kuò)散層或阻擋層，該層對(duì)于一種選定的被分析物分子具有可滲透性，設(shè)置在一個(gè)微加工制做的開(kāi)口與一個(gè)含有能與被分析物分子相互作用的催化劑(可任選為酶)的層之間。
本發(fā)明的再一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，它含有一個(gè)能在干擾素到達(dá)含酶層之前濾除掉干擾素的特殊濾層。
本發(fā)明的再一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，它是專用的并能置入一個(gè)一次性卡盒，用于在病床旁邊或非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試血液樣品。
本發(fā)明的再一個(gè)方面是提供一種化學(xué)傳感器，它利用了電化學(xué)、光學(xué)和其他傳感技術(shù)，并能基本上用平面制做技術(shù)制做，例如是一種聲波傳感器。
本發(fā)明的再一個(gè)方面是提供一種制做上述化學(xué)傳感器的方法。
上述各個(gè)方面以及下面將更充分地提出的其他方面都是用一種微加工技術(shù)制做的裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置用于探測(cè)一個(gè)液體樣品中的一種被分析物分子，在該液體樣品中含有一種共反應(yīng)物，例如氧，該裝置包括一個(gè)傳感元件；一個(gè)第一層，其第一側(cè)與上述傳感元件表面相接觸，該第一層包括一個(gè)支持基底(matix)，其中至少含有一種能催化上述被分析物和共反應(yīng)物轉(zhuǎn)換成一個(gè)可被傳感元件探測(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物的酶；一個(gè)與第一層相接觸的第二層，該第二層允許被分析物分子和共反應(yīng)物的傳輸；以及一個(gè)第三層，它覆蓋了第一層和第二層，該第三層對(duì)于共反應(yīng)物是可滲透的，但對(duì)被分析物分子基本上是不可滲透的，它至少含有一個(gè)穿過(guò)它的微加工制做的開(kāi)口，該開(kāi)口使被分析物能受控地向第一層傳輸。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明為字充分地理解本發(fā)明，應(yīng)該結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明，在附圖中圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意圖，它說(shuō)明這樣一種結(jié)構(gòu)，其中被酶作用物(被分析物分子)僅能通過(guò)一個(gè)端面擴(kuò)散層進(jìn)入含酶層，而氧(共反應(yīng)物)則通過(guò)一個(gè)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖2是說(shuō)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅能通過(guò)一個(gè)端面干擾素去除層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)一個(gè)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖3是說(shuō)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅通過(guò)一個(gè)端面干擾素去除和擴(kuò)散層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)一個(gè)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖4是說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅能通過(guò)一個(gè)端面干擾素去除和擴(kuò)散層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)一個(gè)滲氣層進(jìn)入含酶層。在該實(shí)施例中干擾素去除層延伸到了滲氣層的外面。
圖5是說(shuō)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅能通過(guò)一個(gè)開(kāi)設(shè)在滲氣層中的針孔開(kāi)口或狹縫開(kāi)口和擴(kuò)散層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖6是說(shuō)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅能通過(guò)一個(gè)開(kāi)設(shè)在滲氣層中的針孔開(kāi)口或狹縫開(kāi)口和干擾素去除層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖7是說(shuō)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅能通過(guò)一個(gè)開(kāi)設(shè)在滲氣層中的針孔開(kāi)口或狹縫開(kāi)口和干擾素去除層及擴(kuò)散層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)滲氣層，而氧則通過(guò)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖8是說(shuō)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中被酶作用物僅能通過(guò)一個(gè)開(kāi)設(shè)在滲氣層中的針孔開(kāi)口或狹縫開(kāi)口和擴(kuò)散層進(jìn)入含酶層，而氧則通過(guò)滲氣層進(jìn)入含酶層。
圖9是示出圖3實(shí)施例對(duì)肌酸和肌酸酐的響應(yīng)的圖，其中干擾素去除層設(shè)計(jì)成能去除肌酸。該圖表明對(duì)生理學(xué)范圍內(nèi)的等摩爾肌酸酐和肌酸濃度的響應(yīng)基本上是線性的，并且表明約90％的肌酸已被去除。注意，增加去除層的長(zhǎng)度和酶載量可以進(jìn)一步改善對(duì)肌酸的去除，從而提高該裝置對(duì)肌酸酐的專一性。
圖10是示出對(duì)于實(shí)際的患者采集的血樣，圖3實(shí)施例與非微加工制做的可購(gòu)得的肌酸酐化驗(yàn)器的對(duì)比的圖。這些數(shù)據(jù)表面新的裝置能給出等價(jià)的結(jié)果因而可臨床應(yīng)用。數(shù)據(jù)是根據(jù)美國(guó)專利NO．5，112，455的教導(dǎo)而獲得的。
圖11是示出本發(fā)明的一種乳酸脂傳感器的響應(yīng)的圖。
圖12是示出對(duì)于全血液樣品本發(fā)明乳酸脂傳感器與一種乳酸脂化驗(yàn)器的相關(guān)性的圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明涉及可用于測(cè)量各種液體中的組份(被分析物)的完全微加工制做的化學(xué)傳感器。雖然下面的詳細(xì)說(shuō)明都涉及把化學(xué)傳感器應(yīng)用于測(cè)量例如血液等生物液體中的被分析物，但應(yīng)該理解，本發(fā)明同樣也涵括了非生物應(yīng)用中的傳感器使用。類似地，“被分析物”一詞也應(yīng)廣義地理解為包括了含在或溶解于液體(包括懸浮液)中的離子性、非離子性物質(zhì)或分子。下面，“化學(xué)傳感器”和“生物傳感器”兩詞將可互換地使用。
本發(fā)明的微加工處理以能夠重復(fù)再現(xiàn)和控制重疊結(jié)構(gòu)的尺寸特性的方式，在一個(gè)平面基片上制做多層薄膜和相關(guān)的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，這種可重現(xiàn)性和尺寸控制已經(jīng)在化學(xué)傳感器批量生產(chǎn)的基片水平上得到實(shí)現(xiàn)，其中的化學(xué)傳感器利用了為把選定的被分析物分子轉(zhuǎn)換成較易探測(cè)所需的生物活性宏分子和其他反應(yīng)物。
本發(fā)明還涉及新的電化學(xué)化驗(yàn)步驟和新的完全微加制做的生物傳感器，后者可用于確定目標(biāo)生物裝置(被分析物)的存在和／或濃度，本發(fā)明還涉及這樣一種被酶作用物或被分析物，它并非經(jīng)歷直接可探測(cè)的電化學(xué)氧化或還原過(guò)程，而是經(jīng)歷了與一種通常為酶的變換劑的反應(yīng)，從而產(chǎn)生了電活性濃度的變化或者產(chǎn)生了一種可光學(xué)深測(cè)的物質(zhì)。這些變化被測(cè)量出來(lái)并與目標(biāo)被分析物的濃度成比例地聯(lián)系起來(lái)。此外，本發(fā)明還涉及制做這種傳感器的方法。
本發(fā)明的完全微加工制做化學(xué)傳感器包括多個(gè)元件。下面是對(duì)制做本發(fā)明化學(xué)傳感器的過(guò)程的一個(gè)總的說(shuō)明。
傳感元件被形成在一個(gè)基本為平面的表面上，該表面通常是一個(gè)硅基片(硅晶片)或者一個(gè)光學(xué)透明材料。對(duì)于基于光學(xué)探測(cè)的生物傳感器，傳感元件可以是其上加上了另外一些層的光學(xué)透明表面。在這種表面上提供激勵(lì)波長(zhǎng)和設(shè)置光學(xué)探測(cè)器的方法在本技術(shù)領(lǐng)域是眾知的。對(duì)于基于電化學(xué)探測(cè)，例如電流探測(cè)、電位探測(cè)和電導(dǎo)探測(cè)的生物傳感器，美國(guó)專利NO．5，200，051公開(kāi)了在一個(gè)平面表面上微加工制做這些基本傳感或傳感元件的方法，該專利的全部?jī)?nèi)容在此引入和作為參考。然后在得到的傳感元件上制做另外一些結(jié)構(gòu)，其中可以包含一個(gè)半滲透固體膜或一個(gè)選擇性滲透層，后者能作為對(duì)起干擾作用的化學(xué)物質(zhì)的阻擋層，同時(shí)又讓較小的感興趣可探測(cè)化學(xué)成份通過(guò)，這些可探測(cè)化學(xué)成份典型地是一些電活性分子，可以包括分子量的離子物質(zhì)、氧、過(guò)氧化氫和本技術(shù)領(lǐng)域已知的小氧化還原劑分子。或者，可探測(cè)化學(xué)成份也可以是通常用于酶化驗(yàn)并為本技術(shù)領(lǐng)域所周知的染料或其他可光學(xué)探測(cè)的物質(zhì)。
半滲透固體膜還可以包含這樣一些物質(zhì)、化合物或分子，它們可以用來(lái)使基本傳感器敏化于預(yù)先選定的離子物質(zhì)(例如氨離子)。最值得注意的是本發(fā)明中所描述的支持基底，這種基底具有支持各種生物活性分子所需的物理和化學(xué)特性，這些生物活性分子是使給定被分析樣品中的特定被分析物在傳感元件處轉(zhuǎn)換成可探測(cè)和／或可定量測(cè)量的物質(zhì)的主要因素。這里公開(kāi)了在完全微加工制做生物傳感器的某些希望區(qū)域上使上述基底定位或成形的技術(shù)，該技術(shù)能對(duì)生產(chǎn)層的尺寸特性進(jìn)行最優(yōu)控制，并提供能適應(yīng)于寬廣范圍的生物活性分子的靈活性。
此外，本發(fā)明還公開(kāi)了這樣一些材料，在本發(fā)明生物傳感器的一些特定實(shí)施例中這些材料被作用作重疊結(jié)構(gòu)，對(duì)樣品中具有高濃度的選定被分析物的傳輸起著阻擋層的作用。這種被分析物阻擋(AB)層通過(guò)開(kāi)設(shè)一些具有規(guī)定尺寸并位于特定位置處的開(kāi)口來(lái)控制被分析物的擴(kuò)散流量，從而使傳感器在寬廣的被分析物濃度范圍內(nèi)具有線性的響應(yīng)。而且，最好是由硅氧烷-非硅氧烷共聚物制成的上疊AB層還能排除掉十分大的分子或者樣品中的其他污染成份。這些成份與下面結(jié)構(gòu)的直接接觸將造成對(duì)生物傳感器的干擾或污染，最終降低生物傳感器的可靠性。美國(guó)專利NO．5，200，051說(shuō)明了制做AB層的合適材料，其中包括這里給出的硅氧烷-非硅氧烷共聚物。除了這些共聚物之外，可以采用的還有各種聚氨酯、醋酸纖維素、四氟乙烯聚合物、有機(jī)負(fù)性或正性光致抗蝕劑、聚酰亞胺和可光刻成形的聚酰亞胺。
如果AB層具有合適的結(jié)構(gòu)和組份，它還可以起到滲氣膜的作用。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，這種滲氣膜的一個(gè)實(shí)際優(yōu)點(diǎn)是僅允許十分小的分子通過(guò)。這些分子在被分析物分子被轉(zhuǎn)換成可在傳感元件處探測(cè)的物質(zhì)的反應(yīng)中將起到共反應(yīng)的作用。
在生物傳感器自動(dòng)化基片水平批量生產(chǎn)的意義上，本發(fā)明的AB層是以尺寸、位置和幾何形狀受控的方式制做在基片或任何插入結(jié)構(gòu)上的，并且其步驟與本發(fā)明完全微加工制做的其他步驟是相容的。
除了上述的AB層之外，在一些可用本發(fā)明方法制做的薄層中還有一個(gè)能起到敏感于分子量的透過(guò)膜作用的半滲透固體膜，或者稱作選擇性滲透層。根據(jù)這個(gè)膜層的組份和最終的厚度，可以有效地排除分子量超過(guò)了某一給定閥值的分子，使之不能進(jìn)入該膜層和通過(guò)膜層擴(kuò)散。作為這種選擇性滲透層的功能和用途的一般例子，分子量約等于或大于120的分子將被一個(gè)厚度約為5nm至1Onm的固體膜阻擋。對(duì)于厚度約在2nm至50nm范圍內(nèi)的固體膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被排隊(duì)分子的尺寸以及對(duì)能通過(guò)固體膜擴(kuò)散的較小分子的傳輸速率進(jìn)行各種程序的控制。當(dāng)使用某些類型的材料時(shí)，選擇性滲透層可以薄到1nm或者厚到1OOnm。
在一種電流測(cè)量式葡萄糖生物傳感器的優(yōu)選實(shí)施例中，在一個(gè)硅基片上濺射了一個(gè)銥層，然后使用本發(fā)明微加工技術(shù)使其成形，形成一個(gè)電極(直徑200μm)作為傳感元件。然后根據(jù)美國(guó)專利NO．5，212，050的方法在該銥電極上成形一個(gè)能透過(guò)過(guò)氧化氫的選擇性滲透層，該專利的全部?jī)?nèi)部在此引用作為參考。然后根據(jù)美國(guó)專利NO．5，200，051的教導(dǎo)，用旋轉(zhuǎn)甩涂法在該基底上鍍以可光刻成形的重鉻酸鹽明膠和葡萄糖氧化酶的混合物，并通過(guò)成形直接在電極上形成一個(gè)厚度約為1．Oμm的薄層。其后，形成一個(gè)部分地覆蓋了含酶層并從含酶層周圍伸出50μm的第二個(gè)明膠擴(kuò)散通道(或者厚度約為1．Oμm的層)。然后根據(jù)美國(guó)專利NO．5，200，051所公開(kāi)的方法，在上述基片上以旋轉(zhuǎn)甩涂法用硅氧烷-非硅氧烷共聚物形成一個(gè)厚的AB層并予以成形，得到一個(gè)包圍了前兩層的層。
不過(guò)與美國(guó)專利NO．5，200，051中的實(shí)施例不同的是，AB層的厚度(例如約1．Oμm)足以排除涂掉直接滲透過(guò)該層的可探測(cè)葡萄糖。然而氧仍然可自由地滲過(guò)這個(gè)AB層。然后，用與上述專利所述相同的方法再制做一個(gè)由重鉻酸鹽明膠組成的蓋層，所以不同的是采用了一種新型的掩模設(shè)計(jì)，以便能在AB層中的一些特定位置處形成一些開(kāi)口。當(dāng)使用上述專利所公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)AB層進(jìn)行蝕刻時(shí)，在AB層的位于擴(kuò)散阻擋層上方的區(qū)域(而不是直接在含酶層上方的區(qū)域)中將出現(xiàn)一些小開(kāi)口直徑例如為5μm)葡萄糖可以透過(guò)這些開(kāi)口。若開(kāi)口為矩形的，則其尺寸最好至少約為0．01μm× 1．0μm；若開(kāi)口為圓形的，則其直徑最好約0．5μm至100μm，直徑更好是約從2μm至1Oμm。矩形開(kāi)口的短邊可以從約1μm至約20μm，長(zhǎng)邊可以約從10μm至3000μm。更好的是，矩形開(kāi)口的短邊約從3μm至12μm，長(zhǎng)邊約50μm至2000μm。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，矩形開(kāi)口的尺寸約為5μm×1000μm。
這些開(kāi)口也可以做成為圓環(huán)形的，其寬度的變化范圍類似于上面給出的直徑尺寸。
在某些情況下，希望擴(kuò)散層的一部分還含有一種或幾種可以排除掉某些特定干擾素分子，如抗壞血酸鹽和尿酸鹽的酶。例如，擴(kuò)散中可含有抗壞血酸鹽氧化酶或尿酸鹽酶之類的酶。
如美國(guó)專利NO．5，200，051所公開(kāi)的，本發(fā)明的生物傳感器可以通過(guò)與一個(gè)位于裝置外部或者設(shè)置在銥電極附近的銀-氯化銀參考電極相結(jié)合，以電流的方式工作。美國(guó)專利NO．5，112，455公開(kāi)了激活微加工制做傳感器和在水樣和全血樣品中獲得可靠數(shù)據(jù)的方法。該專利的全部?jī)?nèi)容在引用作為參考。一般地說(shuō)，該方法包括，比較帶有參考電極的傳感器在定標(biāo)液體和樣品液體中的響應(yīng)，與信號(hào)的測(cè)量關(guān)聯(lián)起來(lái)，然后根據(jù)信號(hào)關(guān)系確定樣品液體中被分析物的濃度。這里所描述的裝置可以給出靜脈全血中可靠的葡萄糖測(cè)量，在糖尿病患者血樣的全部葡萄糖(被分析物分子)濃度范圍內(nèi)(約1mM～30mM)，靜脈全血的氧(共反應(yīng)物)濃度一般十分低(約50μm)。
對(duì)于這些新的裝置，使開(kāi)口的尺寸在x-y兩個(gè)方向上或僅在其中一個(gè)方向上為微米量級(jí)都是可以的。例如，開(kāi)口可以是5μm的圓孔，或者5μm×1000μm的圓環(huán)。此外，開(kāi)口可以直接位于傳感元件上方，或者與傳感元件相鄰，或者通過(guò)使AB層小于擴(kuò)散層從而暴露出后者的外周而形成。
另一種選擇是使開(kāi)口在z-x或z-y方向上。這可以通過(guò)把AB層構(gòu)型為能露出另一層的側(cè)端面。這時(shí)另一層的高度(即z方向的厚度)將控制開(kāi)口一個(gè)方向上的尺寸，而暴露出的側(cè)端面長(zhǎng)度則控制開(kāi)口另一個(gè)方向上的尺寸。由于這另一層用旋轉(zhuǎn)甩涂法制做在基片上時(shí)其厚度可以在O．01μm至2mm的范圍內(nèi)控制(在微加工技術(shù)中這是眾知的)，所以用這種方法可以制做z方向尺寸小達(dá)0．O1μm、x方向尺寸小達(dá)1．0μm的z-x或z-y平面內(nèi)的基本為矩形的開(kāi)口。這提供了控制被分析物分子到達(dá)含酶層的流量的又一種手段。熟練的技術(shù)人員可以確定開(kāi)口的特定尺寸，該尺寸主要取決于希望的被分析物流量和反應(yīng)的化學(xué)方程式。
這種幾何布局下的精確尺寸控制只能用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)?？梢杂秘?fù)性或正性的有機(jī)光致抗蝕劑、聚氨脂、醋酸纖維素、聚酰亞胺和可光刻成形的聚酰亞胺之類材料代替硅氧烷-非硅氧烷共聚物，來(lái)制做能滲透共反應(yīng)物但不能滲透被分析物的AB層。對(duì)于可光刻成形的材料，可以通過(guò)曝光和顯影(develope)來(lái)直接形成開(kāi)口。否則就要像前述硅氧烷-非硅氧烷共聚物的情況那樣，需要某種成形方法。
除了美國(guó)專利NO．5，200，051所描述的重鉻酸鹽明膠、含氯化鐵明膠和其他光學(xué)活性材料之外，還有可能用各種其他的水凝膠材料，例如可光刻成形的聚乙烯醇材料，來(lái)形成含酶層和擴(kuò)散層(或干擾素阻擋層)。對(duì)于某些酶，例如肌酸酶，擴(kuò)散層可以保持較高的活性。
適用于生物傳感器的一般理論在本技術(shù)領(lǐng)域是眾知的。例如，美國(guó)專利NO．4，484，987公開(kāi)了一個(gè)聯(lián)系初始濃度與含酶層內(nèi)濃度的關(guān)系式。與該專利不同的是，本發(fā)明的實(shí)施例包含了一個(gè)被分析物擴(kuò)散層。如果在明膠或聚乙烯醇層中對(duì)一種典型被分析物分子的擴(kuò)散系數(shù)D是1O-6cm-2s-1，則擴(kuò)散長(zhǎng)度1=(2Dt)1／2，這意味著這些分子在層平面內(nèi)第一種(second)可以擴(kuò)散約10μm。應(yīng)該指出，擴(kuò)散系數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)層中的交聯(lián)程度來(lái)控制，例如基底中光敏中心或交聯(lián)劑的多少，或者用戊二醛或另外的交聯(lián)劑進(jìn)行后處理。增加多孔性和擴(kuò)散系數(shù)的一個(gè)方法是在成形之前在基底中加入蛋白素或其他球形蛋白質(zhì)。這樣，通過(guò)改變擴(kuò)散層的長(zhǎng)度、厚度和組份，便可能即使在共反應(yīng)物的量較少時(shí)去控制響應(yīng)時(shí)間和裝置測(cè)量被分析物分子的線性響應(yīng)范圍。例如已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)口與傳感元件上方的含酶層之間采用一個(gè)10μm-200μm的平面擴(kuò)散層是益的。為了得到精密的控制和具有滿足商用要求的可重復(fù)性的高水平裝置，只有采用微加工技術(shù)才有可能，而以往技術(shù)的方法則不可能實(shí)現(xiàn)這一目的。
附圖中示出了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，在圖1所示的第一個(gè)實(shí)施例中，生物傳感器總的由代號(hào)10表示。在平面表面14上設(shè)置了傳感元件12，其上又設(shè)置了一個(gè)含酶層16。含酶層16和傳感元件12的周圍是一個(gè)擴(kuò)散層18，它有一個(gè)側(cè)端面20。含酶層16和擴(kuò)散層18上面則設(shè)置了一個(gè)被分析物阻擋層22。例如葡萄糖或肌酸酐等被分析物和氧都能從側(cè)端面20通過(guò)擴(kuò)散層18擴(kuò)散。然而被分析物阻擋層22只允許氧(和其他小尺寸分子)通過(guò)，而不讓包括被分析物在內(nèi)的較大的分子通過(guò)。因此，與被分析物的擴(kuò)散相比，氧能夠通過(guò)大得多的面積向含酶層擴(kuò)散，從而補(bǔ)償了血液樣品中濃度低于被分析濃度的情況，于是在含酶層16處氧與被分析物的濃度基本上符合化學(xué)反應(yīng)的比例。AB層22中含有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口(未示出)，使含酶層15和／或擴(kuò)散層18暴露于被分析物。
圖2示出圖1生物傳感器的一種改型。在該實(shí)施例中圖11的擴(kuò)散層18被一個(gè)干擾素去除層30所取代，后者含有一種或幾種酶或催化劑，它們能與可能會(huì)干擾化驗(yàn)的分子發(fā)生反應(yīng)。干擾素去除層30可以用與擴(kuò)散層18相同的材料構(gòu)成，從而提供擴(kuò)散層和干擾素去除層的雙重作用。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，圖2傳感器的各個(gè)元件包括一個(gè)含有貴金屬電極的傳感器，該電極對(duì)H2O2的電氧化起著電催化的作用；一個(gè)伽瑪氨基硅烷層，它起著防止例如抗壞血酸鹽和尿酸鹽等大于過(guò)氧化氫的氧化還原活性劑到達(dá)電極表面；一個(gè)含酶層，用于把非電化學(xué)反應(yīng)的被分析物分子轉(zhuǎn)換成過(guò)氧化氫；一個(gè)擴(kuò)散層；以及一個(gè)約0．1μm-2μm厚的AB層，它能防止例如葡萄糖和肌酸酐等被分析物分子直接滲入含酶層，但仍能讓氧和水自由地滲透。與標(biāo)準(zhǔn)的葡萄糖處理器一樣，建立一個(gè)蓋層，但它也起著掩模的作用，以便能在某些特定位置處形成開(kāi)口。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)方法蝕刻AB層時(shí)，其中將形成一些開(kāi)口，被分析物分子可以通過(guò)這些開(kāi)口。所以在這個(gè)設(shè)計(jì)中，擴(kuò)散到含酶層中的被酶作用物將被AB層中開(kāi)口的數(shù)目和大小以及擴(kuò)散路徑的長(zhǎng)度所調(diào)節(jié)。
圖3示出的實(shí)施例與圖1和圖2的類似，只是這里同時(shí)含有一個(gè)擴(kuò)散層40和一個(gè)干擾素去除層42。
圖4的實(shí)施例也含有分開(kāi)的擴(kuò)散層和干擾素去除層，這一點(diǎn)是與圖3相似的。不過(guò)在該實(shí)施例中干擾素去除層50在AB層52和蓋層54的側(cè)面伸展，并蓋住了蓋層54的上表面56的一部分。
在圖5的實(shí)施例中，AB層60覆蓋了含酶層62。穿過(guò)蓋層66和AB層60開(kāi)設(shè)了一個(gè)針孔64，使被酶作用物能與擴(kuò)散層68接觸。在該實(shí)施例中，電極66和含酶層62是設(shè)置在擴(kuò)散層68的外側(cè)的。
圖6示出一個(gè)類似于圖5的實(shí)施例，只是這里的擴(kuò)散層被散干擾素去除層70所取代。
圖7示出一個(gè)結(jié)構(gòu)類似于圖5和圖6的實(shí)施例，但它同時(shí)含有干擾素去除層80和擴(kuò)散層82。
圖8實(shí)施例中的干擾素去除層90位于蓋層92的上面，而其AB層94則覆蓋了含酶層96的側(cè)面部分。
處理參數(shù)與美國(guó)專利NO．5，200，051所公開(kāi)的相同。鉑電極和銥電極(直徑200μm-360μm)都經(jīng)由美國(guó)專利NO．5，212，050所述的標(biāo)準(zhǔn)伽瑪氨基硅烷處理。葡萄糖氧化酶被固定在厚度為0．1μm-2．0μm的重鉻酸鹽明膠中。標(biāo)準(zhǔn)的AB層蝕刻時(shí)間被優(yōu)化得能保證對(duì)開(kāi)口既不蝕刻不足，又不蝕刻過(guò)度，也即能精確控制開(kāi)口的直徑。
肌酸酐是需要濾除層以去除干擾素的被化驗(yàn)物的一個(gè)良好的例子。肌酸酐的測(cè)量利用了三種酶把肌酸酐轉(zhuǎn)換成過(guò)氧化氫。這三種酶是CNH(肌酸酐氨基氫化酶，又稱肌酸酐酶)、CRH(肌酸氨基氫化酶，又稱肌酸酶)和SAO(肌氨酸氧化酶)，它們分別在下述反應(yīng)中起催化作用。
肌酸酐→肌酸+H2O肌酸→肌氨酸+尿素肌氨酸+氧→甘氨酸+甲醛+H2O2由于血液中自然地既含有肌酸酐又含有肌酸，使反應(yīng)變得復(fù)雜化，所以在肌酸酐能被精確測(cè)量之前必須去除原含的肌酸。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們都可理解，任何到達(dá)含酶層的肌酸酐都將在確定肌酸酐時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的背景信號(hào)。解決這一問(wèn)題的方法是生成一個(gè)肌酸濾除層作為肌酸酐傳感器的一個(gè)部分。
例如，圖3所示的裝置是一個(gè)肌酸酐傳感器，它含有一個(gè)擴(kuò)散層和一個(gè)對(duì)肌酸的干擾素去除層。其作用是通過(guò)把血液中原含肌酸轉(zhuǎn)換成非干擾物質(zhì)來(lái)防止這種肌酸向含酶層的擴(kuò)散。該干擾素去除層含有酶CRH、SAO和催化酶(CAT)。后者將過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)換成水和氧，從而防止過(guò)氧化氫擴(kuò)散到傳感元件中。注意，這樣的酶組合可讓肌酸酐不起反應(yīng)地?cái)U(kuò)散穿過(guò)濾除層，從而到達(dá)含酶層。
在這個(gè)例子中，兩個(gè)層中的酶都被固定在具有苯乙烯吡啶翁群的可光刻成形的聚乙烯醇(PVA-AbQ)中。含酶層被限制在下方鉑電極的周邊區(qū)域內(nèi)，而擴(kuò)散層和干擾素去除層則從電極的周邊伸出(20μm至50μm)。然后用旋轉(zhuǎn)甩涂法在這兩個(gè)層上鍍以一個(gè)AB層(約1μm至2μm)。該AB層的厚度足以防止肌酸酐(和肌酸)滲入含酶層，但仍可讓氧和水自由地滲透。然后對(duì)AB層成形，使它不再完全包圍著濾除層，從而為肌酸酐(和肌酸)提供一條擴(kuò)散路徑，附表中給出了肌酸酐(傳感器)的全部微加工制做過(guò)程。
在另一個(gè)實(shí)施例中，為了傳感器能可靠地工作，需要在含酶層或?yàn)V除層中有除了酶之外的反應(yīng)劑，例如ATP、丙三醇、氧化還原劑分子和有機(jī)染料分子等，這些材料可以用以下任一種方式導(dǎo)入作為含酶層或?yàn)V除層基底淀積處理的一部分；在形成了這兩個(gè)層之后但在淀積AB層之前注入；在形成了開(kāi)口之后通過(guò)它們吸收；或者甚至在傳感器與樣品接觸之前作為定標(biāo)過(guò)程的一部分而通過(guò)這些開(kāi)口吸收。
乳酸脂的轉(zhuǎn)換是由乳酸脂氧化酶這樣的酶催化的，轉(zhuǎn)換后將產(chǎn)生過(guò)氧化氫，在鉑電極處得到探測(cè)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，鉑電極(直徑360μm)被鍍以一個(gè)伽瑪氨基硅烷層(前面已有說(shuō)明)，其上再形成一個(gè)含酶層(直徑360μm，含有苯乙烯吡啶翁群的聚乙烯醇和乳酸脂氧化酶)。在含酶層上又形成一個(gè)擴(kuò)散層(直徑560μm，厚度1．0μm)，該擴(kuò)散層伸展到含酶層邊界之外。最后形成一個(gè)硅氧烷-非硅氧烷層，使之包圍上述整個(gè)結(jié)構(gòu)，但中間留有一個(gè)居中的環(huán)形開(kāi)口(寬度40μm)，讓乳酸脂能進(jìn)入含酶邊界外界40μm的擴(kuò)散層。圖11表明，在生物樣品內(nèi)可能乳酸脂濃度范圍內(nèi)，該傳感器對(duì)于水樣樣品的響應(yīng)基本上是線性的。圖12表明，該傳感器對(duì)全血樣品給出的結(jié)果與市場(chǎng)上的乳酸脂化驗(yàn)器的結(jié)果之間有良好的相關(guān)性。
對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們來(lái)說(shuō)，基于本公開(kāi)的其他各種有關(guān)
權(quán)利要求
1.一種用于探測(cè)含有共反應(yīng)物的樣品中的一種被分析物分子的微加工制做裝置，它包括(a)一個(gè)傳感元件；(b)一個(gè)與上述傳感元件的表面相接觸的第一層，上述第一層包括一個(gè)含有至少一種催化劑的支持基底，該催化劑能催化上述被分析物和共反應(yīng)物轉(zhuǎn)換成一種可被上述傳感元件探測(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物；(c)一個(gè)與上述第一層相接觸的第二層，該第二層能傳輸上述被分析物分子和共反應(yīng)物；以及(d)一個(gè)覆蓋了上述第一和第二層的第三層，上述第三層對(duì)于其反應(yīng)物是可滲透的，但對(duì)上述被分析物分子基本是不可滲透的，該第三層至少含有一個(gè)穿過(guò)它的微加工制做開(kāi)口，該開(kāi)口允許上述被分析物傳輸?shù)缴鲜龅谝粚印?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第二層伸展超出了第一層的周邊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中上述第三層中的至少一個(gè)開(kāi)口延伸到第一層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中開(kāi)口位于第三層的平面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中開(kāi)口位于第二層的周邊中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的微加工制做裝置，其中第二層中的開(kāi)口至少約為0．01μm×1．0μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中上述第三層中的至少一個(gè)開(kāi)口伸展到第二層的一個(gè)表面處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，它在上述第三層中含有多個(gè)開(kāi)口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的微加工制做裝置，其中多個(gè)開(kāi)口基本上都是圓形的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中開(kāi)口的直徑從約0．5μm至約100μm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中上述開(kāi)口的直徑從約2μm至約10μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中上述開(kāi)口的直徑約為5μm。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中開(kāi)口是矩形的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的微加工制做裝置，其中開(kāi)口的短邊從約1μm至約20μm，長(zhǎng)邊從約10μm至約3000μm。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的微加工制做裝置，其中開(kāi)口的短邊從約3μm至約12μm，長(zhǎng)邊從約50μm至約2000μm。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的微加工制做裝置，其中開(kāi)口的短邊約5μm，長(zhǎng)邊約1000μm。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中多個(gè)開(kāi)口基本上都是圓環(huán)形的。
18.根據(jù)權(quán)利要求7的微加工制做裝置，它包括多個(gè)延伸到第二層一個(gè)表面上的開(kāi)口。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第一層包括一種可光刻成形的材料，其基底成份從下述材料中選出蛋白質(zhì)材料、明膠、水凝膠、親水性有機(jī)聚合物、和聚乙烯醇；其光敏活性材料從下述材料中選出重鉻酸鹽、氯化鐵、苯乙烯吡啶翁鹽、和Stilbizonium鹽。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第二層包括一種可光刻成形的材料，其基底成份從下述材料中選出蛋白質(zhì)材料、明膠、水凝膠、親水性有機(jī)聚合物、和聚乙烯醇，其光敏活性材料從下述材料中選出重鉻酸鹽、氯化鐵、苯乙烯吡啶翁鹽、和Stilbizonium鹽。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中催化劑是酶或幾種酶的組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的微加工制做裝置，其中酶或酶的組合是從下述酶中選出的葡萄糖氧化酶、乳酸脂氧化酶、丙酮酸脂氧化酶、膽甾醇氧化酶、膽紅素氧化酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶、和肌酸酐酶膽甾醇脂酶。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第二層包括一個(gè)可光刻成形的明膠層或聚乙烯醇層。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第三層是從下述材料中選出的硅共聚物、聚氨酯、醋酸纖維素、硅氧烷-非硅氧烷共聚物、四氟乙烯聚合物、有機(jī)負(fù)性光致抗蝕劑、有機(jī)正性光致抗蝕劑、聚酰亞胺、或可光刻成形的聚酰亞胺。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中共反應(yīng)物是氧。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的微加工制做裝置，其中被分析物分子是從下述物質(zhì)分子中選出的葡萄糖、肌酸、膽甾醇、乳酸脂、丙酮酸脂、肌氨酸、或膽紅素。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第一層的厚度從約0．01μm至約2mm，第二層的厚度從約O．01μm至約2mm，第三層的厚度從約0．01μm至約2mm。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中催化反應(yīng)產(chǎn)生一種可電化學(xué)探測(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的微加工制做裝置，其中可純化學(xué)探測(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物是從下述產(chǎn)物中選擇的氧、過(guò)氧化氫、氧化還原劑、二氧化碳、氫離子、鉀離子、鈉離子、氨離子、鈣離子、氟離子。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中傳感元件是一個(gè)電流計(jì)電極、電位計(jì)電極、或電導(dǎo)計(jì)電極。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中催化反應(yīng)產(chǎn)生一種可光學(xué)探測(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中上述傳感元件是一個(gè)光學(xué)探測(cè)器。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第二層完全覆蓋、部分覆蓋、或鄰接第一層的側(cè)端面。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第二層中含有一種或幾種用來(lái)把一種或幾種干擾素轉(zhuǎn)換成非干擾物質(zhì)的反應(yīng)劑。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的微加工制做裝置，其中第二層中一個(gè)不直接與第一層相接觸的部分含有一種或幾種用來(lái)把一種或幾種干擾素轉(zhuǎn)換成非干擾物質(zhì)的反應(yīng)劑。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35的微加工制做裝置，其中一種或幾種反應(yīng)劑是從下述反應(yīng)劑中選出的抗壞血酸鹽氧化酶、尿素酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶、過(guò)氧化氫酶(catalase)、膽紅素氧化酶、乳酸脂氧化酶、丙酮酸脂氧化酶、和葡萄糖氧化酶。
37.一種制做用于探測(cè)一個(gè)含氧液體樣品中的一種被分析物分子的平面型微加工制做裝置的方法，它包括在一個(gè)平面表面上用微加工技術(shù)制做一個(gè)傳感元件；在上述傳感元件上用微加工技術(shù)制做一個(gè)包括一種酶和支持基底的第一層，上述酶以一種能在上述傳感元件處被探測(cè)到的方式轉(zhuǎn)換上述被分析物和氧；在上述第一層上用微加工技術(shù)制做一個(gè)第二層，該第二層對(duì)被分析物分子和氧都是可滲透的；在上述第一層上制做一個(gè)第三層，該第三層包括一種對(duì)氧有滲透性而對(duì)上述被分析物沒(méi)有透透性的聚合物；在上述第三層上制做一個(gè)可光刻成形的層；通過(guò)一個(gè)掩模對(duì)上述可光刻成形的層中的預(yù)定位置處形成一個(gè)或幾個(gè)幾何形狀受到控制的開(kāi)口；對(duì)上述圖案顯影；用一種腐蝕劑接觸上述可光刻成形的層，該腐蝕劑能蝕透上述第三層從而產(chǎn)生一個(gè)含有一個(gè)或幾個(gè)位于預(yù)定位置處的其幾何形狀受到控制的微加工制做開(kāi)口，這一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)口允許上述被分析物傳輸?shù)缴鲜龅谝粚由稀?br> 38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中第一層包括一種可光刻成形的材料，其基底成份從下述材料中選出蛋白質(zhì)材料、明膠、水凝膠、親水性有機(jī)聚合物和聚乙烯醇；其光敏活性材料從下述材料中選出重鉻酸鹽、氯化鐵、苯乙烯吡啶翁鹽和Stilbizonium鹽。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中第二層包括一種可光刻成形的材料，其基底成份從下述材料中選出蛋白質(zhì)材料、明膠、水凝膠、親水性有機(jī)聚合物和聚乙烯醇；其光敏活性材料從下述材料中選出重鉻酸鹽、氯化鐵、苯乙烯吡啶翁鹽和Stilbizonium鹽。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中酶或幾種酶的組合從下述酶中選出葡萄糖氧化酶、乳酸脂氧化酶、膽甾醇氧化酶、膽紅素氨化酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶和肌酸酐酶膽甾醇酯酶。
41.根據(jù)權(quán)利要求37的微加工制做器件，其中第三層從下述材料中選出硅共聚物、聚胺酯、醋酸纖維素、硅氧烷-非硅氧烷共聚物、四氟乙烯聚合物，有機(jī)負(fù)性光致抗蝕刻，有機(jī)正性光致抗蝕劑、聚酰亞胺或可光刻成形的聚酰亞胺。
42.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中被分析物分子從下述物質(zhì)分子中選出葡萄糖、肌酸、膽甾醇、乳酸脂、丙酮酸脂、肌氨酸或膽紅素。
43.一種制做用于探測(cè)一個(gè)含氧液體樣本中的被分析物分子的平面型微加工制做裝置的方法，它包括在一個(gè)平面表面上用微加工技術(shù)制做一個(gè)傳感元件；在上述傳感元件上用微加工技術(shù)制做一個(gè)包括一種酶和支持基底的第一層，上述酶以一種能在上述傳感元件處理被探測(cè)到的方式轉(zhuǎn)換上述被分析物和氧；在上述第一層上用微加工技術(shù)制做一個(gè)第二層，該第二層對(duì)被分析物分子和氧都是可滲透的；在上述第一層上制做一個(gè)可光刻成形的第三層，該第三層對(duì)氧是可滲透的，但對(duì)上述被分析物是不可滲透的；通過(guò)一個(gè)掩模對(duì)上述可光刻成形的層曝光，上述掩模含有一個(gè)圖案，用于形成一個(gè)或幾個(gè)位于預(yù)定位置處的其身體形狀受到控制的開(kāi)口；對(duì)上述圖案顯影，以產(chǎn)生一個(gè)含有一個(gè)或幾個(gè)位于預(yù)定位置處的其幾何形狀受到控制的微加工制做開(kāi)口的第三層，這一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)口能允許上述被分析物傳輸?shù)缴鲜龅谝粚由稀?br> 44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中第一層包括一種可光刻成形的材料，其基底成份從下述材料中選出蛋白質(zhì)材料、明膠、水凝膠、親水性有機(jī)聚合物和聚乙烯醇；其光敏活性材料以下述材料中選出重鉻酸鹽，氯化鐵、苯乙烯吡啶翁鹽和Stilbizonium鹽。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中第二層包括一種可光刻成形的材料，其基底成份從下述材料中選出蛋白質(zhì)材料、明膠、水凝膠、親水性有機(jī)聚合物和聚乙烯醇；其光敏活性材料以下述材料中選出重鉻酸鹽，氯化鐵、苯乙烯吡啶翁鹽和Stilbizonium鹽。
46.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中酶或幾種酶的組合從下述酶中選出葡萄糖氧化酶，乳酸脂氧化酶、丙酮酸脂氧化酶、膽甾醇氧化酶、膽紅素氧化酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶和肌酸酐膽留酯酶。
47.根據(jù)權(quán)利要求43的微加工制做裝置，其中第三層從下述材料中選出硅共聚物、聚氨酯、醋酸纖維素、硅氧烷-非硅氧烷共聚物、四氯乙烯聚合物、有機(jī)負(fù)性光致抗蝕刻、有機(jī)正性光致抗蝕刻、聚酰亞胺或可光刻成形的聚酰亞胺。
48.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中被分析物分子從下述物質(zhì)分子中選出葡萄糖、肌酸、膽甾醇、乳酸脂、丙酮酸脂、肌氨酸或膽紅素。
全文摘要
一種化學(xué)傳感器包含一個(gè)含酶層(62)、一個(gè)擴(kuò)散層(68)和一個(gè)位于擴(kuò)散層上方的被分析物阻擋層(60)。用微加工技術(shù)在被分析物阻擋層中形成一些開(kāi)口(64),使被分析物受控制是流向擴(kuò)散層。
文檔編號(hào)G01N27/327GK1292086SQ99803465
公開(kāi)日2001年4月18日 申請(qǐng)日期1999年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月23日
發(fā)明者格雷厄姆·戴維斯, 林超, 伊曼茨·R·勞克斯, 雷蒙德·J·皮爾斯 申請(qǐng)人:艾－斯塔特公司