专利名称：电化学测量生物化学反应的装置和方法以及该装置的制造方法
电化学测量生物化学反应的装置和方法以及该装置的制造
方法本发明涉及用于电化学测量生物化学反应的装置，具体涉及基于电路板并且包括流动吸收池(Durchflusszell)和涂覆辅助物(Beschichtungshilfe)的生物传感器。本发明还涉及制造该装置的方法和通过上述装置电化学测量生物化学反应的方法。电化学生物传感器在生物传感器技术中应用较广，例如检测病毒或抗体或进行 DNA分析。大量检测反应需特定的温度条件以及必须经受特定的温度循环。因此电化学生物传感器不仅需要进行电接触和流体接触也需要进行热接触。电化学传感器通常包含金属表面，该金属表面是被涂覆的或未被涂覆的，并且其在待分析的溶液中必须是稳定的。传感器以阵列的形式设置在底板上，从而可以进行平行测试，并且同时分析大量单个成分。当使用传感器阵列时，每种传感器位点或电化学传感器必须用不同的识别分子进行涂覆。特异性涂覆可以通过光刻方法或点样来进行。由于每次施涂时均需制备光刻掩模并且涂覆用的化学反应包括多个步骤，因此光刻方法的成本非常高且非常复杂。更简单的和更经济的是，通过点样包含待施涂的识别分子的溶液特异性地涂覆传感器，其中该识别分子包含结合基团。当使用金电极时，结合基团可以包括硫醇化合物，其可以定向结合金表面上的识别分子。可选地，电极可以包括钼，其在很多溶液中是非常化学稳定的，虽然在电化学测量中钼可能导致所使用的溶液中发生电位漂移。电极可以机械稳定地设置在由玻璃、硅或塑料制造的底板上。在该情况中，金属电极通过薄膜或厚膜工艺施涂在底板上且通过接线片(Mege)进行电接触。在硅底板的情况中，测量和评估电子设备可以以整合电路的形式容纳在底板上。硅是非常昂贵的，而在硅上制造整合电路同样是昂贵且复杂的。可选地，底板可以包括印刷电路板(PCB，printed circuit board)。制造印刷电路板是特别简单和经济的。电导线和电触点以铜层的形式形成电路板上且通过清漆(Lack)与环境电绝缘。当使用夹层时，电极可以通过使用例如金涂覆铜而形成，并且无清漆层覆盖。通过将包含不同识别分子的液体点样至阵列的不同电极上，可以制备用于特异性检测不同生物分子的电极。对于每个电极，点样一滴含特定识别分子的溶液，并且识别分子结合电极。溶剂可以例如通过蒸发除去。然而，在点样过程中必须抑制的是，一个电极的点样溶液扩散至底板的表面上从而与第二电极接触。扩散(Verlaufen)将引起相邻电极不按期望方式涂覆，该相邻电极将不由识别分子特异性涂覆且不能进行特异性检测。为了抑制点样溶液扩散，可以在电极周围使用底板的疏水涂层。该方法的成本较高，不是非�？煽康那医龅钡阊倭咳芤菏逼鹱饔�。可选地，可以提供凹部(Vertiefimg)，在该凹部中电极作为凹部的基面嵌入在该凹部中。为了提供凹部，例如，可以将塑料环固定在底板上电极的周围或可以在电极的位置处将具有留空的结构化膜引入或粘附在底板上。由此形成了高出底板的表面平面的凸起， 其用作涂覆辅助物。然而这些涂覆辅助物在流体流过传感器时将形成和固定会干扰电化学测量和导致错误的测量结果的气泡。通过装配以机械方式连接生物传感器的流动池(Flusszell)实现电化学生物传感器的流体接触。流动池包含流入口和流出口。从而可以抽取待研究的液体使其经过流动池，即流经底板上的传感器阵列，且当生物分子结合在传感器阵列的单个传感器时，通过电化学信号测量该结合。在此，从底板上设置传感器阵列的一面实现流体接触。从底板上设置传感器阵列的一面的相对面实现热接触。在包含生物传感器的底板上装配流动吸收池和通过密封环进行密封将经常导致操作问题和密封问题。通过底板上的生物传感器和所装配的流动吸收池构造装置一般是非常复杂的，其中包含大量需要精细制造的单个组件。具体地，，特别通过碾磨制造的常用于流动吸收池中的结构细小的微腔在制造过程中是非常复杂的。本发明的目的是提供一种装置以及通过该装置电化学测量生物化学反应的方法， 通过该装置进行的测量成本不高，其中可以将该装置制造为对流体是密封的并且允许进行可靠的特异性研究，以及从热控制装置的背面。具体地，本发明的目的是确保简单的操作， 实现使用尽可能少的组件简单且低成本地制造装置，但是仍然可以提供密封的、具有功能性的生物传感器。本发明的另一目的是提供制造该装置的方法，该方法在涂覆电极时抑制了液体扩散，并且在使用装置时由于装置表面上的平坦表面而且没有高的凸起从而确保了层流。在上述目的中，关于用于电化学测量生物化学反应的装置通过权利要求1的特征实现，关于使用该装置进行测量的方法通过权利要求9的特征实现，以及关于制造该装置的方法通过权利要求10的特征实现。根据本发明的用于电化学测量生物化学反应的装置的有利结构可从分别给出的从属权利要求获得。独立权利要求的特征可以组合从属权利要求的特征和/或从属权利要求的特征可以相互组合。根据本发明的用于电化学测量生物化学反应的装置包含底板和具有至少两个传感器的传感器阵列，其中所述传感器形成在底板的第一表面上，并且具有用于检测生物化学反应的活性表面。该装置另外包括底板第一表面的涂层，以及具有至少一个留空的密封膜，通过密封膜以机械方式连接底板和/或底板的涂层从而在传感器阵列上方形成流动吸收池，以及流动吸收池的至少一个流入口和流出口，其以连续开孔的方式形成在底板中。传感器活性表面至少部分地被涂覆，或完全无涂覆，以及底板的靠近传感器的区域由涂层覆
至
ΓΤΠ ο使用密封膜取代如现有技术中使用的密封环，可以得到更简单的结构且使得装配装置时的操作更为简单。抑制了密封环的滑动，因而可以更可靠地密封流动吸收池。传感器阵列上方的流动吸收池可以通过底板和/或底板的涂层以及通过连接盖板的密封膜形成，其中该盖板设置在密封膜上且与底板第一表面相对。可以通过盖板将力施加在密封膜上，进而挤压膜。由此很好地密封了流动吸收池。传感器的活性表面和底板的涂层相互隔开一定间距，从而在传感器的周围形成了沟槽。沟槽形成了涂覆辅助物，当点样特异性识别分子时该涂覆辅助物确保所点样的液体点不会同时在大量电极上扩散。沟槽将所点样的液滴固定在其边缘上且将它“保持”在所点样的电极的上方。液滴的液体在毛细管力的作用下被吸入沟槽中，液滴的表面张力抑制其进一步扩散至所点样的电极区域之外的表面上。液滴的溶剂可以蒸发，识别分子结合至电极上。传感器的活性表面和底板的涂层之间的间距可以在毫米或微米的范围的值，特别是在50 μ m的范围。电极可以以具有指型接线片的叉型电极的方式形成，在该情况中接线片的宽度在100 μ m的范围以及电极的总电极直径为在500 μ m的范围。传感器周围的沟槽可以形成为完全连续直至底板，并且其宽度值和深度值的范围具有在毫米或微米范围的值，特别地，深度值在40 μ m的范围以及宽度值在50 μ m的范围。 在该尺寸范围内，能够固定液滴用的毛细管力在沟槽中起作用。传感器的活性表面可以与涂层的至少一个表面基本上在共同平面上形成。当液体流经具有传感器阵列的底板表面或涂层的表面和传感器时，产生了层流的平表面，其基本上形成在共同平面上。这改进了传感器的测量精度，并且抑制或避免了气泡在表面上的传感器的上方形成和固定。作为形成沟槽的备�。衅骰钚员砻娴谋咴登蚩梢杂赏坎阃扛�。在这种情况中，可以利用金属表面和涂层的不同的亲水作用，从而将液体固定在电极的上方。电极上的涂层引起的微米范围的轻微凸起可以在呈圆形的情况下实现层流，并且抑制气泡固定在电极上方。密封膜可以是自粘膜，特别是这样的自粘膜，该膜的双面涂层具有胶粘层。从而可以特别简单地将膜固定在底板上，并且在装配流动吸收池时抑制密封膜的滑动。根据本发明的使用上述装置进行电化学测量生物化学反应的方法包括以下步骤 将设置有盖板的密封膜放入夹持器中，该夹持器挤压密封膜从而在盖板和底板之间形成流动吸收池的密封。夹持器的针状的流入口和流出口可以置于底板的开孔中。通过挤压密封膜实现了对流动吸收池的可靠密封。设置流入口和流出口并使其贯穿底板，从而使得盖板可以完全接近底板的前面。无需准确调节盖板，因为流入口和流出口不会干扰。整个前面可以被盖板覆盖，从而挤压整个密封膜。根据本发明的用于制造上述装置的方法包括将液体提供在传感器的活性表面上， 从而底板第一表面的涂层基本上未润湿。传感器的活性表面包括用于结合和/或检测生物分子的分子。用于结合和/或检测生物分子的分子可以结合至传感器的活性表面上。由于涂层是非润湿的，液体不会扩散至更多的传感器上，从而确保了单个传感器的特异性功能化。根据本发明的电化学测量生物化学反应的方法和根据本发明的电化学测量生物化学反应的装置的制造方法具有上述的与使用本发明装置电化学测量生物化学反应相关的优势。本发明的优选实施方案以及根据从属权利要求的特征的有利改进将借助附图在下文中详细说明，但是不限于此。
图1示出了根据本发明的用于电化学测量生物化学反应的装置的截面图，该装置包括底板和密封膜，和图2示出了图1中所示的装置的俯视图，其包含电极和接线端。图3示出了根据第一实施方案的包括沟槽的传感器阵列的放大截面图，图4示出了图3中所示的第一实施方案的传感器阵列的俯视图，图5示出了根据第二实施方案的传感器阵列的放大截面图，其中包括与灵敏电极表面重叠的涂层，以及图6示出了图5中所示的第二实施方案的传感器阵列的俯视图。图1示出了根据本发明的包括底板1和密封膜2的装置的截面图。盖板3可以设置在密封膜2上，从而形成流动吸收池。图2示出了图1中所示的装置的俯视图，为了更清楚起见，未示出盖板3。在底板1上形成传感器阵列4，其包括设置为阵列形式的且间距均勻的传感器活性表面5。在工作电极TO 6之间的中心处形成桥形(Stegfbrmig)的参考电极RE 8。对电极GE 7在空间上包括工作电极6的阵列，对电极7包括两个相互指向的梳形结构。所得的用于电化学测量的三电极装置通过电流和电压测量的去耦装置得到特别可靠的测量结果。电极6，7，8分别通过底板1上的电连接(未示出)连接至电接线端9，测量信号可以通过该电接线端由外部读取单元获得。电连接(未示出)由保护清漆12覆盖，其中该保护清漆12与可能流经传感器阵列4的液体电绝缘。底板1设计为印刷电路板(Printed Circuit Board)的形式。通常，底板包含PVC 或纤维复合材料，电连接和电接线端9用铜层例如通过蚀刻二维结构制造。电极6，7，8也用铜层制造，另外它们用例如金涂覆。参考电极8也可以通过涂覆Ag/AgCl糊料来制造。 为了获得更好的粘附性，一般在铜层和例如金层或Ag/AgCl糊料之间设置由镍形成的粘合层。在各情况中，在空间上与传感器阵列4隔开距离在底板1中形成两个连续孔 (durchgehende Bohrung)。该孔用作流入口和流出口 10。传感器阵列4设置在底板1表面上的位于孔之间的中心处。密封膜2设置在底板1的传感器阵列4和电接线端9的一侧上。它可以置于底板 1的表面上，或者作为自粘膜平铺粘附至底板1的表面上。在图2的俯视图中，密封膜2中的留空11包括流入口和流出口 10和传感器阵列4。因此，流入口和流出口 10以及传感器阵列4未被密封膜2覆盖。如图1中所示，盖板3可以施用至密封膜2上，其中形成为双面胶带的密封膜2可以粘合盖板3。备选地或额外地，也可以例如借由夹紧设备将盖板3固定在密封膜2上。密封膜2中的留空11以及流入口和流出口 10形成了流动吸收池，其以具有传感器阵列4的底板1和密封膜2以及盖板3为界。当通过盖板3向密封膜2上施加力时，例如通过夹紧设备，可以轻度挤压密封膜2，且可以制造密封液体的流动吸收池。流体，例如包含待研究生物分子的待分析流体，可以通过流入口和流出口 10供应和排出，并流经传感器阵列4。由此可以通过传感器活性表面5电化学检测生物分子，其中所述传感器活性表面5可以用特异性识别分子或捕获分子涂覆，并且测量信号可以通过电接线端9由外部测量和评估单元 (未示出)采集和评估。图3和4示出了根据本发明的装置的第一实施方案，该装置在底板1的清漆层12 中包含沟槽13。图3示出了在传感器阵列4的区域沿着剖面线14经过底板1的截面图。 图4示出了设置在底板1上的传感器阵列4的俯视图。传感器阵列4包括8个工作电极6， 特别是环状的工作电极，其以两个平行的排设置，每行包含4个工作电极6。在两排的中心处设置指状参考电极8，其平行所述排。在附图的平面上，传感器阵列4在空间上被对电极 7围绕。对电极7由两个梳状结构构成，该梳状结构的梳齿相互朝向。在一侧上，这两个梳状结构以接触方式连接。
如图3所示，电极6，7，8的活性表面5作为例如金层设置在底板1上。为了简便起见，未示出设置在底板1上的电极6，7，8和电接线端9之间的电连接。底板1上未被电极6，7，8的活性表面5和电接线端9覆盖的区域用清漆12涂覆。将清漆12作为涂层直接地涂覆在底板1上，或间接地、即涂覆在电连接上。在电极6，7，8的活性表面5和清漆层12之间形成沟槽13。这表示了清漆层12和电极6，7，8的活性表面5在空间上相互隔开。沟槽13的典型宽度在50 μ m的范围，深度在 40 μ m的范围。当活性表面5被涂覆时，例如通过点样存在于溶液中的特异性捕获分子进行涂覆时，沟槽13用作涂覆辅助物。活性表面5上的一滴溶液的液体在毛细管力的作用下进入沟槽13，并且通过表面张力固定在活性表面5上。这将抑制传感器6的第一活性表面5 上的液滴扩散至相邻传感器6'的第二活性表面5'上。由此可以用不同的捕捉分子或识别分子特异性涂覆传感器6，6'。可以蒸发溶剂，从而产生传感器阵列4的特异性涂覆的传感器6，6'或工作电极。沟槽13可以连续形成直到底板1。通常，至少电极6，7，8和电接线端9之间的电连接被清漆12完全覆盖。在这个情况中，在沟槽13的底部存在非常薄的清漆层，特别具有的厚度仅在几微米的范围，该清漆层基本上薄于底板1上沟槽13外部的清漆层12。图5和6示出了根据本发明装置的可选第二实施方案，该装置包括在底板1上的清漆层12且不含沟槽13。图5示出了沿着剖面线14经过底板1的传感器阵列4区域的截面图。图6示出了设置在底板1上的传感器阵列4的俯视图。这里的传感器阵列4可以与图4中的传感器阵列4类似的方式构造。作为备�。�6示出了不含参考电极8和对电极7的传感器阵列4。传感器阵列4包括12个工作电极6，其在底板1上设置为相对布置的三排。电极6以与第一实施方案中类似的方式通过底板1上的连接(未示出)连接至电接线端9。底板1用清漆12涂覆。清漆12仅在边缘区域覆盖电极6。未被清漆12覆盖的表面形成传感器活性表面5。当活性表面5例如通过点样被具体的捕捉分子涂覆时，清漆层12 用作涂覆辅助物。清漆12形成一种井(Topf)，其中传感器的活性表面5用作井底(Boden)。 传感器6的金属表面比清漆12对液体的亲合性更大。清漆12抑制一滴特异性捕捉分子溶液扩散至传感器6的活性表面5之外的区域上。根据本发明用于电化学测量生物化学反应的装置可以通过用于制造印刷电路板的标准方法制造。底板1的基底是柔性或刚性的塑料，并且例如包括环氧树脂玻璃-硬结构(Epoxyharzglas-hartgewebe)。传感器阵列4首先以导电铜层的形式实现，其然后由金电解涂覆从而使它们适用于电化学测量。为了在传感器6，7，8的上方或周围实现用作涂覆辅助物的凹部，例如通过沟槽13提供的凹部，涂覆并构成阻焊物(L0tstopplack)。例如， 2-成分环氧树脂清漆可以用作该材料，如在印刷电路板中常见的那样。由于底板1包含塑料，可以通过标准方法在电路板中钻出孔，该钻孔可以用作流动吸收池的流入口和流出口 10。然后，设置两个孔使它们位于传感器阵列4的相对面上。包含例如有机硅衬垫或双面胶带的密封膜2按如下方式形成，在密封膜2内部于电极6，7，8和孔10的上方保留一定空间。然后在上方设置盖板3，其中盖板3没有必要进行结构化。简易的塑料小板可以用作盖板3。然后将所述包含印刷电路板1、密封膜2和盖板3的简单层结构引入夹持器中，该夹持器将针尖设置在底板1的下方使得针尖准确地落在孔10中。当有机硅衬垫用作密封膜2时，夹持器必须以机械方式一起挤压层结构以确保流体密封性。 针对多种应用情况，2-成分环氧树脂树脂清漆(Harzlack)具有足够的生物相容性。在具体的光致抗蚀剂(Fotolack) 12不延伸至电极6，7，8上或仅(例如水平地)覆盖边缘区域的实施方案中，产生了涂覆辅助物，在后续使用时该涂覆辅助物实现了特别稳定的流体。由此抑制了气泡在传感器活性表面5上方的形成和固定。可以通过电路板或底板 1中的钻孔10特别简单地实现流动吸收池。通过夹持装置中的简单中空针尖结合底板1、 密封膜2和盖板3形成该流动吸收池。
权利要求
1.用于电化学测量生物化学反应的装置，其包括-底板(1)，-具有至少两个传感器(6)的传感器阵列G)，该传感器形成在底板(1)的第一表面上并且具有用于检测生物化学反应的活性表面(5)，-底板(1)第一表面的涂层(12)，其中至少部分或全部的所述传感器的活性表面(5) 未被涂层(1 覆盖，并且底板(1)靠近传感器(6)的区域被涂层(1 覆盖，-具有至少一个留空(11)的密封膜O)，通过该密封膜O)以机械方式连接底板(1) 和/或底板(1)的涂层(1 从而在传感器阵列(4)上方形成流动吸收池，以及包括-流动吸收池的至少一个流入口和一个流出口(10)，其以连续开孔的形式形成在底板 (1)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述在传感器阵列(4)上方的流动吸收池由底板⑴和/或底板⑴的涂层(1 以及由连接盖板⑶的密封膜⑵构成，其中所述盖板C3)设置在密封膜( 上并与底板(1)的第一表面相对。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感器的活性表面( 与所述底板⑴的涂层(12)彼此间隔一间距，从而围绕传感器(6)形成沟槽(13)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器的活性表面( 和所述底板 (1)的涂层(12)的间距的值在毫米或微米的范围，特别是在50μπι的范围。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述传感器(6)周围的沟槽(13)完全连续地形成至底板(1)，并且深度值在毫米或微米的范围，特别是在40 μ m的范围。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传感器的活性表面(5) 与涂层(1 的至少一个表面基本上形成在共同的平面上。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述涂层(1 涂覆所述传感器的活性表面(5)的边缘区域。
8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述密封膜( 是自粘膜，特别是这样的自粘膜，该膜的双面涂层(1 具有胶粘层。
9.通过根据上述权利要求中任一项所述的装置电化学测量生物化学反应的方法，其特征在于，将设置有盖板C3)的所述装置放入夹持器中，所述夹持器挤压密封膜( 从而密封在盖板⑶和底板⑴之间的流动吸收池，和/或将夹持器的针状的流入口和流出口置于底板(1)的开孔中。
10.权利要求1至8中任一项所述的装置的制造方法，其特征在于，将液体提供在所述传感器的活性表面( 上，其中该液体含有用于结合和/或检测生物分子的分子，所述底板 (1)的第一表面的涂层(1 基本上未润湿，并且所述用于结合和/或检测生物分子的分子结合至所述传感器的活性表面( 上。
全文摘要
本发明涉及一种装置、使用该装置进行测量的方法以及制造该装置的方法。该装置用于电化学测量生物化学反应，包括底板(1)、位于底板(1)上的传感器阵列(4)、底板(1)的涂层(12)以及具有至少一个留空(11)的密封膜(2)。该留空(11)以机械方式连接底板(1)和/或底板(1)的涂层(12)，并且在传感器阵列(4)的上方形成流动吸收池。流动吸收池的流入口和流出口(10)在底板(1)中以连续开孔的形式形成。传感器的活性表面(5)没有涂层(12)，并且以及底板(1)靠近传感器(6)的区域被涂层(12)覆盖。
文档编号G01N27/403GK102369432SQ201080015573
公开日2012年3月7日 申请日期2010年1月26日 优先权日2009年2月4日
发明者H.巴拉格 申请人:西门子公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
