KR20070027607A - 전기화학 셀 및 전기화학 셀 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
경계(bound) 개구부fmf 구비한 전기 저항 시트(resistive sheet)를 제 1 전기 도전성 시트(conductive sheet)에 부착함으로써 정밀하고 정확하게 전가화학 테스트 셀이 제조된다. 노치 개구부(notching opening)는 다음으로 전기 저항 시트 및 제 1 전기 도전성 시트를 관통하도록 천공된다. 노치 개구부는 전기 저항 시트의 제 1 경계 개구부를 절단하여, 제 1 경계 개구부를 전기 저항 시트의 노치로 변환시킨다. 제 2 전기 도전성 시트가 천공되어 제 1 전기 도전성 시트의 노치 개구부에 대응하는 노치 개구부를 가지며, 제 2 전기 도전성 시트는 노치 개구부들이 얼라인되도록 전기 저항 시트의 다른 면에 부착된다. 상기 구조는 주위 재료로부터 분리되어 제 1 및 제 2 도전성 시트 및 전기 저항 시트의 노치에 의해 한정되는 시료 수용 공간을 구비한 전기화학 셀을 형성한다.
Description
본 출원은 2004년 5월 21일 출원된 미국 임시 출원 60/521,555호의 이익을 주장하며, 상기 출원은 인용에 의해서 여기에 통합된다.
본 발명은 액상 시료에서 하나 이상의 성분의 존재를 탐지하고, 하나 이상의 성분의 양을 측정하고, 또는 하나 이상의 성분의 수준을 모니터하는 전기화학 셀 및 전기화학 셀의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 셀은 시료와 접촉하는 2 이상의 전극 사이의 전기화학적 파라계량기 (즉, 전위, 전류, 저항, 등)를 계산함으로써 전기화학적 측정을 수행한다. 전극 센서는 전형적으로 작업 전극(working electrode) 및 상대 전극 또는 기준(reference)/상대(counter) ("기준(reference)") 전극을 포함한다.
본 발명은 화학 산업에 이용될 수 있으나, 특히 복잡한 혼합물을 접하게 되는 경우 (예를 들어 식품 화학 또는 생화학 공학 분야에서) 본 발명은 생물학적 조사 및 조절 기술에서 특히 유용하다. 더 바람직하게, 본 발명은 동물 또는 인체 약제에 적합하며, 특히 체액(body fluids)내 성분을 시험관 내에서 측정하거나 모니터하는데 적합하다. 편의상, 본 발명을 인체내 포도당(glucose) 측정 같은 과정을 참고로 하여 설명할 것이다.
인체내 포도당를 측정하기 위해서, 혈액 시료를 피실험자로부터 뽑고 시료를 전형적으로 효소 및 산화환원 매개체를 포함하는 시약과 혼합한다. 그러한 측정 장치에 사용되는 화학은 전형적으로 다음과 같다:
포도당 + GODox ---> 글루코노락톤(gluconolactone) + GODred
GODred + 2 페리시아나이드(ferricyanide) ---> GODox + 2 페로시아나이드(ferrocyanide)
여기서 GODox는 산화 상태 글루코스 옥시다제(glucose oxidase) 효소이고, GOD red는 환원 상태 효소이다. 페리시아나이드([Fe(CN)6]3-)는 포도당 분자를 더 산화시킬 수 있도록 GODred를 산화시키는 산화된 매개체이다. 페로시아나이드([Fe(CN)6]4-)는 매개체의 환원된 형태이고 전자를 전극에 전달한다(이로써 페리시아나이드를 재생시킨다). 따라서, 페로시아나이드의 생성은(전기화학적으로 측정되는) 시료에서 포도당의 농도를 가리킨다. 글루코스 디하이드로게나제(dehydrogenase) 같은, 다른 효소가 또한 사용되었다.
당뇨병 환자에 대한 포도당 모니터링은 바람직하게 하루에 여러 번 행해지고, 가정용의 통상적인 기구를 사용하는 테스트는 혈액 또는 간질액 (interstitial fluid)을 채취하기 위한 핑거 스틱 (finger stick)을 필요로 하기 때문에, 사용자 에게 매우 편리하고 저가인 기구 쪽으로 개선 압력이 있었다. 결국, 소량 시료 테스트 부피를 구비한 전기화학 셀이 개시되었다. 예를 들어 미국 특허 6,576,101; 6,551,494; 6,129,823 및 5,437,999호를 보라. 그러나, 시료 셀의 크기가 작아질수록, 제조 오차 허용도내의 작은 에러로부터 오는 전극 영역 및 셀 부피에서의 퍼센트 변화는 더 커진다. 이는 신호의 정도가 전극 영역 및 셀 부피에 의존할 수 있기 때문에 중요하다. 그래서, 더 엄격한 제조 관리가 셀 크기에 있어서 필요한 정밀도를 달성하기 위해 요구되는데, 그러나 이러한 더 엄격한 관리는 비용 감소 목적과 양립하지 않는다.
첫번째 태양에 있어서, 본 발명은 작고 일관된 시료 부피 및 전극 영역을 구비한 셀의 제조에 특히 적용할 수 있는 전기화학 셀을 제조하는 단순한 방법을 제공한다. 그렇게 제조된 전기화학 셀은 전기 저항 시트에 의해 분리되어 있는 마주보는 제 1 및 제 2 전극을 포함한다. 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다:
(a) 전기 저항 시트에 제 1 경계 개구부(bound opening)를 형성하여 천공된 전기 저항 시트를 형성하는 단계;
(b) 상기 천공된 전기 저항 시트를 제 1 전기 도전성 시트에 부착하여 결합 시트 (combined sheet)를 형성하는 단계로서, 제 1 전기 도전성 시트의 도전면 (conductive surface)의 제 1 부분은 상기 제 1 경계 개구부를 통하여 노출되어 있고, 전기 도전성 시트의 도전면의 제 2 부분은 전기 저항 시트내의 제 2 경계 개구부를 통하여 노출되어 있거나 또는 전기 저항 시트의 가장자리를 넘어 연장되어 노출되어 있는 단계;
(c) 결합 시트의 전기 저항 시트 및 제 1 전기 도전성 시트를 관통하는 노칭 개구부 (notching opening)을 천공하는 단계로서, 여기서 노칭 개구부는 전기 저항 시트내의 제 1 경계 개구부를 가로지르고 이로써 제 1 경계 개구부를 전기 저항 시트의 노치 (notch)로 변형시키는 단계, 또한 상기 전기 도전성 시트의 제 2 노출 부분을 관통하여 제 1 접촉 영역 개구부를 천공하여 보이도록 하여 제 1 전기적 접촉을 형성함으로써, 천공된 결합 시트를 형성하는 단계;
(d) 제 2 전기 도전성 시트를 펀치 또는 펀치들로 천공하여 천공된 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부 및 제 2 전기 도전성 시트내에 제 2 접촉 영역을 구비한 전기 도전성 시트를 형성함으로써, 마주보는 전극 시트를 형성하는 단계;
(e) 전기 도전성 표면이 상기 전기 저항 시트를 향하도록 상기 마주보는 전극 시트를 천공된 결합 시트의 전기 저항 시트 부분에 부착하는 단계로서, 상기 마주보는 전극 시트는 상기 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부이 상기 결합 시트의 노칭 개구부와 얼라인(align)되고, 상기 제 2 접촉 영역이 상기 제 2 경계 개구부와 얼라인되도록 부착됨으로써, 전기화학 시트를 형성하는 단계, 및
(f) 상기 전기화학적 시트를 분리함으로써 폐 (spent) 전기화학적 시트 및 상기 제 1 및 제 2 도전성 시트 및 상기 전기 저항 시트의 노치에 의해 한정되는 시료를 받아들이는 시료 공간 및 계량기(meter)와 상기 제 1 및 제 2 전극 부분을 연결하기 위하여 상기 시료 공간에 노출된 상기 제 1 및 제 2 도전성 시트의 전극 부분과 전기 도전성 접촉을 하는 제 1 및 제 2 접촉 영역을 구비한 자유 (free) 전기화학 셀을 형성하는 단계.
제조되는 테스트 스트립에 대해 적합한 경우, 상기 설명한 테스트 스트립의 제조 동안 시약이 첨가될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 제 1 주개구 (first major open) 영역의 양 말단부 모두는 단계 (c)에서 절단되어 양 말단부에서 개방되어 있고, 측면에서 한정되는 시료 공간을 형성한다. 시료 공간의 한 개구부는 장치의 시료-수집 팁의 외부 가장자리에 있고 나머지 한 개구부는 장치의 상기 팁 가까이 형성된 홀에 인접한다.
본 발명의 방법은 전기화학 셀의 구조에 대한 종래 기술 방법에 비하여 많은 장점을 제공한다. 첫째, 상기 방법은 동일한 크기일 수 있고, 최종적으로 제조되는 셀보다 상당히 더 큰 재료의 시트를 오직 한정된 수만큼 활용한다. 둘째, 본 발명의 방법은 시료 공간 부피 및 전극 영역을 한정하기 위해서 또는 전극 도선 및 연결을 형성하기 위해 어떠한 프린팅 또는 리소그래피 (lithography) 기술도 요구하지 않는다. 셋째, 장치의 중요한 치수 (dimension)는 다이 커팅 (die cutting) 또는 유사한 천공 작업으로 한정될 수 있기 때문에, 제조 과정의 정확도 및 정밀도는 거시적인 과정이어도 우수하다. 이점은 제조 비용의 상당한 증가 없이 매우 작은 시료 부피으로 작동하는 전기화학 셀의 제조를 가능하게 한다. 넷째, 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 전기화학 셀은 셀의 정밀도를 감소시키는 전극 "가장자리 (edge)" 영향을 감소시켰다. 따라서, 본 발명의 방법은 효과적인 비용을 제공하며 따라서 단지 최소량의 시료만으로도 측정 동안 훌륭한 정밀도를 보이는 사용 후 버릴 수 있는(1 회용) 전기화학 셀을 제공한다.
상기 방법을 수행하면 단순한 구조의 전기화학 셀이 제조된다. 따라서, 본 발명의 다른 태양에서, 시료 수용 말단부 및 다음을 순서대로 포함하는 커넥터 말단부를 구비한 전기화학 셀을 제공한다:
(a) 제 1 지지체으로서, 상기 제 1 지지체의 제 1 표면에 도포된 도전성 재료의 비패턴 층을 구비한 제 1 지지체;
(b) 전기적 저항 중간층, 및
(c) 제 2 지지체으로서, 상기 제 2지지체의 제 1 표면에 도포된 도전성 재료의 비패턴 층을 구비한 제 2 지지체;
여기서 상기 제 1 지지체의 제 1 표면 및 상기 제 2 지지체의 제 1 표면이 전기적 저항 중간층에 부착되어 있고;
여기서 상기 셀은, 시료 수용 말단부 가까이에 배치되어 있으나, 셀의 자유(free) 가장자리로부터 일정한 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 제 1 지지체, 상기 전기적 저항 중간층, 및 상기 제 2 지지체을 관통하는 홀을 구비하고 있으며,
여기서 상기 셀은, 전기적 저항 중간층을 관통하며 또한 마주보는 측면에서 상기 제 1 지지체의 비패턴 (unpatterned) 도전성 재료 및 상기 제 2 지지체의 비패턴 도전성 재료와 경계를 접하고 있으며 셀의 자유 가장자리에서 홀까지 뻗어 있고 양 말단부 모두에서 개방된 시료 공간을 구비하고 있다. 제조되는 셀에 적합한 경우, 전기화학 셀은 또한 시료 공간에 시약을 포함할 수도 있다.
본 발명의 구현예에 따라 다음 단계를 포함하는 전기화학 셀 제조 방법이 제공된다:
(a) 전기 저항 시트에 하나 이상의 경계 개구부를 천공하여 이로써 천공된 전기 저항 시트를 형성하는 단계로서, 상기 하나 이상의 경계 개구부는 제 1 및 제 2 주개구 영역을 한정하는 단계,
(b) 천공된 전기 저항 시트를 제 1 전기 도전성 시트에 부착하여 이로써 결합 시트를 형성하는 단계로서, 여기서 제 1 전기 도전성 시트의 도전표면이 천공된 전기 저항 시트내의 하나 이상의 개구부를 통하여 보이는 단계,
(c) 상기 결합 시트의 전기 저항 시트 및 제 1 전기 도전성 시트를 관통하는 노칭 개구부를 천공하는 단계로서, 여기서 상기 노칭 개구부는 전기 저항 시트내의 제 1 주개구 영역을 가로질러서 이로써 상기 제 1 주개구 영역을 전기 저항 시트에 노치로 변환시키고, 또한 전기 저항 시트의 제 2 주개구 영역을 통해 보이는 전기 도전성 시트의 부분을 관통하는 제 1 접촉 영역 개구부를 천공하여 제 1 전기적 접촉을 형성함으로써, 천공된 결합 시트를 형성하는 단계;
(d) 제 2 전기 도전성 시트를 펀치 또는 펀치들로 천공하여 천공된 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부 및 제 2 전기 도전성 시트내에 제 2 접촉 영역을 구비한 전기 도전성 시트를 형성함으로써, 마주보는 전극 시트를 형성하는 단계;
(e) 전기 도전성 표면이 상기 전기 저항 시트를 향하도록 상기 마주보는 전극 시트를 천공된 결합 시트의 전기 저항 시트 부분에 부착하는 단계로서, 상기 마주보는 전극 시트는 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 개구부가 결합 시트의 노칭 개구부와 얼라인되고, 제 2 접촉 영역이 제 2 경계 개구부와 얼라인되도록 부착됨으로써, 전기화학 시트를 형성하는 단계, 및
(f) 상기 전기화학적 시트를 분리함으로써 폐 (spent) 전기화학적 시트 및 상기 제 1 및 제 2 도전성 시트 및 상기 전기 저항 시트의 노치에 의해 한정되는 시료를 받아들이는 시료 공간 및 계량기(meter)와 상기 제 1 및 제 2 전극 부분을 연결하기 위하여 상기 시료 공간에 노출된 상기 제 1 및 제 2 도전성 시트의 전극 부분과 전기 도전성 접촉을 하는 제 1 및 제 2 접촉 영역을 구비한 자유 (free) 전기화학 전지를 형성하는 단계.
본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서의 수치는, 중요한 동일한 수치로 한정되는 경우 및 본 발명에서 값을 측정하기 위해 설명된 형태의 통상적인 측정 기술의 실험 에러 이하 정도로 언급한 수치와 차이가 있는 수치로 한정되는 경우 동일한 수치를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 것으로서, 다음의 용어들은 다음과 같이 사용되며 이해되어야 한다:
본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 용어 "분석물(analyte)"은 측정되는 시료의 성분을 나타낸다. 구체적인 분석물의 비제한적인 예는 포도당, 헤모글로빈, 콜레스테롤, 및 비타민 C를 포함한다.
본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 용어 "산화 환원 매개체(redox mediator)"는, 분석물 이외의 화학종을 나타내는 것으로서, 이는 분석물로부터 받거나 분석물에 전달한 전자를 전기화학 셀의 전극에 전달하는 다단계 과정에서 산화되고(산화되거나) 환원된다. 매개체의 비제한적인 예는 다음을 포함한다:
1,1'-Fc(CH2OH)2
여기서 Et는 에틸, bpy는 바이피리딜, dmbpy는 디메틸 바이피리딜, MeIm은 N-메틸 이미다졸, MeHIm은 메틸 이미다졸, Him은 이미다졸, phen은 페난트롤린, mphen은 메틸 페난트롤린, dmphen는 디메틸 페난트롤린, tmphen은 테트라메틸 페난트롤린, dmdpphen은 디메틸 디페닐 페난트롤린, phphen은 페닐 페난트롤린이다. 또한, 상기 매개체들의 환원되거나 산화된 형태는 단독으로 또는 다른 것과 조합하여 사용될 수 있음은 물론이다.
특정 매개체에 관한 특허는 미국 4,318,784, 4,526,661, 4,545,382, 4,711,245, 5,589,326, 5,846,702, 6,262,264, 6,352,824, 6,294,062, 4,942,127, 5,410,059, 5,378,628, 5,710,011, 및 6,605,201를 포함하며 이는 인용에 의하여 여기에 통합된다.
본 출원의 상세한 설명 및 청구 범위에서 사용되는 "직선으로 둘러싸인 단면을 구비한 개구부(opening having a rectilinear cross-section)"라는 용어는 4 개의 곧은 측면 (straight sides)을 구비한 개구부이다. 곧은 측면은 보여질 때 명백히 굽은 것이 아닌 것을 말하며 천공 과정에서 완전한 직선도의 임계성을 말하는 것은 아니다. 직선으로 둘러싸인 단면 개구부의 비제한적인 예는 사다리꼴, 평행사변형, 정사각형 및 직사각형이다. 직선으로 둘러싸인 개구부(rectilinear openings)의 코너는 바람직하게는 둥글다. 곧은 가장자리는 절단시 에러가 적고, 둥근 코너는 덜 찢어지는 경향이 있기 때문에 이러한 모양의 개구부이 바람직하다.
"경계 개구부"라는 용어는 전기 저항 시트의 재료로 둘러싸인 개구부를 나타내는 것으로, 여기서 개구부 및 저항 시트의 주변(periphery) 사이에 직접적인 연결은 없다. 아래에 더 상세히 설명된 바와 같이, 경계 개구부는, 예를 들어 직선으로 둘러싸인 단면을 구비한 개구부 같은, 단독의 주개구 영역 (single major open area)을 가질 수 있거나 또는 일반적으로 더 좁은 연결 부분에 의해 연결된 하나 이상의 주개구 영역을 가질 수 있다.
"주개구 영역(major open area)"이라는 용어는 경계 개구부의 한 부분을 나타내는 것으로서 여기서 시료 공간 또는 전기화학 셀의 커넥터가 형성된다.
"마주보는 전극(opposing electrodes)"이라는 용어는 시료 셀의 형성에 사용되는 다른 지지체 위에 배치된 전극을 나타내는 것으로서, 셀의 상부 및 하부 위의 다른 평면 위에(또는 2 개의 측면 위에) 배치되며, 전극의 평면에 일반적으로 수직인 방향으로 전하 캐리어의 이동이 일어난다. 그래서 "마주보는 전극"은 전극쌍이 공통 평면에서 공통 표면 위에 배치되어 전하 캐리어의 이동이 양 전극의 평면에 일반적으로 평행한 나란한 전극(side-by side electrodes)과 다르다.
본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 "천공(punching)"이라는 용어는 주 표면에 실질적으로 수직 방향으로 재료 시트를 절단하여 개구부를 내는 것을 나타낸다. 이 경우 "실질적으로"라는 용어는 절대적인 수직으로부터 약간의 제조 오차가 있을 수 있다는 것을 인정하는 것이나, 이는 생성된 개구부의 치수에 있어서 하부에 대한 상부 불일치를 피하기 위하여 최소화되어야 한다. 천공은 다이 절단 기구 또는 층을 원하는 모양으로 물리적으로 절단하는 다른 기구를 사용하여 수행될 수 있다. 열 발생 및/또는 휘발 성분의 생성이 없는 레이져 절단도 또한 적용될 수 있다. 재료를 관통시키는 화학적 에칭도 또한 적용될 수 있다.
"도전성 재료의 비패턴 층(unpatterned layer of conductive material)"이라는 용어는 전극 영역을 한정하는 어떠한 제한된 패터닝없이 재료의 표면 위에, 예를 들어 페인팅, 스퍼터링, 증발, 스크린 프린팅, 화학기상증착(chemical vapor deposition), 또는 무전해 증착(electroless deposition)으로 도전성 재료를 증착하는 것을 나타낸다. 패터닝은 접촉 패드(contact pads) 또는 커넥터 트랙에 대해 사용될 수 있으나, 완전히 비패턴 층은 모든 도전 요소들에 대해 사용될 수 있고, 더 적은 제조 단계가 수반되므로 완전히 비패턴 층이 바람직하다. 비패턴 또는 완전히 비패턴 층은 바람직하게 균일한 코팅인데, 취급 또는 제조 과정에서 발생할 수 있는 무작위적인 스크래치, 개구부 또는 다른 결함들이 도전성 재료를 패턴 형태가 되지는 않게 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 방법에 의해 제조된 전기화학 셀의 같은 크기의 모습을 보여준다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따라 제조된 전기화학 셀의 다른 구현예의 시료 수용 팁 말단부 및 시료 공간을 보여준다.
도 3a-d는 시료 수용 팁 말단부의 구현예의 상부 모습을 보여준다.
도 4a-c는 본 발명에 따라 제조된 전기화학 셀의 커넥터 말단부의 다른 구현예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 단계들의 개략도를 보여준다.
도 6a 및 6b는 경계 개구부를 구비한 전기 저항 시트의 구현예를 보여준다.
도 7은 본 발명의 방법으로 형성된 결합된 천공 시트의 상세도를 보여준다.
도 8은 본 발명의 방법으로 형성된 천공된 제 2 도전성 시트의 상세도를 보여준다.
도 9는 본 발명의 방법으로 유용한 천공된 결합 시트의 상세도를 보여준다.
도 10은 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 분리된 전극의 모습을 보여준다.
도 11은 본 발명의 방법을 사용한 다중-테스트 장치의 형성을 나타낸다.
도 12a 및 12b는 도 11에서처럼 형성된 다중-테스트 장치의 단면도를 보여준다.
도 13은 본 발명의 방법을 사용한 다중-테스트 장치의 다른 구현예의 형성을 나타낸다.
도 14는 다른 다중-셀 테스트 장치를 보여준다.
도 15는 다중-셀 테스트 장치를 보여준다.
본 발명의 방법은 전기화학 셀을 제조하기 위해 사용된다. 도 1a는 그러한 셀의 개략도를 보여준다. 셀은 하부층(130), 상부층(131), 및 중간층(132)로 형성된다. 상부층 및 하부층은 전기적으로 도전성이고, 적어도 중간층(132)을 향하는 표면 위에 있다. 바람직한 구현예에서, 상부층(131) 및 하부층(130)은 절연 지지체이며 상기 지지체 위에는 도전층이 코팅되어 있었다. 상부층 (131)이 제거된 도 1b에서 더 명확히 보이는 것처럼, 중간층(132)은 한 가장자리에 형성된 노치(133)를 가진다. 노치(133), 및 상부층(131) 및 하부층(130)은 함께 전기화학 셀이 사용될 때 시료 수용 공간을 한정한다. 따라서 상기 공간의 부피은 중간층(132)의 두께 및 노치의 치수에 의해 한정된다. 또한 전기화학 셀은 접촉 영역 (134, 135)을 가지며 이는 계량기 및 시료 수용 공간에 노출되는 상부층(131) 및 하부층(130)의 부분 사이에 전기적 연결을 제공하는 계량기(meter)에 부착될 수 있다.
중간층(132)은 전기적 저항성 재료로서 이는 도전층을 절연시켜 전기적으로 도전성인 상부층(131) 및 하부층(130) 사이의 전기적 도전성을 막는데, 그렇지 않으면 상부층(131) 및 하부층(130)은 시료 수용 공간에 배치된 시료를 통하여 연결된다. 상기 층으로 사용되는 재료의 비제한적인 예는 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리카보네이트, 유리, 유리섬유 또는 소망의 절연성을 제공하는 다른 비도전성 재료를 포함한다. 중간층(132)은 적합하게는 500 내지 50 ㎛의 두께를 갖는다. 더 큰 시료 부피가 수용될 수 있는 경우 더 두꺼운 재료가 사용될 수 있다. 더 얇은 재료가 사용될 수 있으나, 취급하기에 곤란함을 일으킬 수 있고, 상기 두께가 시료 공간의 한 치수를 결정하기 때문에 시료를 마감된 셀 안으로 끌어들이는데 많은 어려움을 일으킬 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 시료 공간 부피은 5 ㎕이하이며 더욱 바람직하게는 1 ㎕이하이다. 본 발명의 구체적 구현예에서, 시료 공간의 부피은 500, 300, 200, 100 또는 50 nl이다.
상부층(131) 및 하부층(130)의 도전성 부분은 전기화학 셀이 탐지하려는 특정 분석물과 양립하도록 선택된다. 적합한 도전성 전극 재료의 구체적인 예는 금, 탄소, 은, 팔라듐 및 플라티늄을 포함한다. 상부층(131) 및 하부층(130)에 사용되는 도전성 재료는 같을 수도 있거나 또는 서로 다를 수도 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에서 도전성 재료는 금이다. 상부층 및 하부층의 도전성 부분은 바람직하게는 절연 지지체 시트의 일 표면 위의 박막 코팅이다. 중간층(132)으로 사용되는 재료는 마찬가지로 상기 지지체으로 사용될 수 있다.
탐지되는 분석물에 따라, 전기화학 셀은 시료 수용 공간 내부에 배치되는 시약 성분을 포함할 수 있다. 포도당 탐지용 전기화학 셀의 경우, 상기 시약 성분은 바람직하게 포도당를 산화시키기에 효과적인, 예를 들어 글루코스 옥시다제 같은, 효소를 포함하며, 예를 들어 페리시아나이드 같은, 산화 환원 매개체를 포함한다. 상기 목적의 시약 성분들은 종래 기술에서 알려져 있는데, 예를 들어 Higgins 등의 미국 4,711,245 및 Diebold 등의 미국 5,437,999로부터 알수 있고, 이들은 인용에 의해 여기에 통합된다. 시약의 바람직한 구현예는 글루코스 옥시다제 및 페리시아나이드를 포함한다.
시약 성분의 전기화학적 작용에 덧붙여, 시약 성분이 존재하는 경우, 시약 성분은 시료 공간의 소수성을 극복하도록 도움을 줄 수 있어서, 혈액 또는 다른 수용성 시료가 시약의 친수성에 의해 상기 공간 내부로 끌려들어올 수 있다. 시약이 사용되지 않는 경우, 소수성을 감소시키고 시료 도입을 촉진시키기 위해, 예를 들어 트리톤 (Triton) 또는 다른 계면 활성제로 시료 부피의 표면 처리가 바람직할 수 있다.
도 2a-b는 본 발명에 따른 전기화학 셀의 다른 구현예의 시료 수용 팁 말단부 및 시료 공간을 보여준다. 도 2a에서, 장치는 완전히 조립된 상태이다. 시료 공간(22)는 장치의 팁(23)에서 홀(24)로 뻗어 있다. 시료 챔버의 길이 1은 1 mm 단위로서, 예를 들어 1.5 mm 내지 0.5 mm인데, 그럼에도 불구하고 더 큰 부피의 시료 공간을 구비하기 위해 더 긴 길이가 사용될 수 있다. 도 2b는 상부층이 제거된 도 2a의 팁 부분을 보여준다. 하부층(26)의 도전면(25)이 시료 공간(22)의 하부에 분명하게 보인다. 시료 공간(22)은 시트(26)의 도전면(25) 하부 및 저항 시트(27)의 측면에 한정된다. 시료 공간의 말단부는 장치의 말단부 및 홀(24)에 개방되어 있다.
도 3a는 도 2a의 시료 수용 팁 영역의 변형의 상부도를 보여준다. 이 경우, 홀(34)의 원위 (distal) 부분(즉, 팁 말단부를 향한 부분)은 적어도 팁 말단부의 모양에 상보적인 모양이다. "상보적 "이라는 용어는 스트립(36) 정면의 프로파일이 홀(38) 정면의 프로파일과 동일하여, 전자가 시료 공간 또는 채널(22)의 길이 방향으로 이동에 의해 후자로 치환(displacement)된다는 것을 뜻한다. 이러한 구성은 나머지 장치를 구비한 시료 공간의 배열이 불완전한 경우라도 시료 공간에 대한 일 관된 부피, 및 전극의 일관된 영역을 유지하게에 적합하다(도 3b). 또한 도 3c 및 3d에서 보이는 것처럼, 상기 구성은 동일한 장점을 갖는 장치의 팁에서 다수의 시료 공간이 가능하도록 한다.
도 4a-c는 본 발명에 따라 제조된 전기화학 셀의 커넥터 말단부의 다른 구현예를 보여준다. 도 4a에서, 커넥터 탭(41)은 장치의 말단부에서 보이는 방향에서 아래로 향하는 도전면을 갖는 제 1 도전층(42)의 연장(extension)으로서 뻗어 있다. 커넥터 탭(43)은 장치의 말단부에서 보이는 방향에서 위로 향하는 도전면을 갖는 제 2 도전층(44)의 연장(extension)으로서 뻗어 있다. 전기적으로 저항성 층(45)이 도전층(42, 44) 사이에 보인다. 도 4b는 다른 구현예를 보여주는데 여기서 두 개의 주위에 위치한 탭(141, 141')은 상부 도전층에서 뻗어 있고 1 개의 중앙에 위치한 탭(46)은 하부 도전층에서 뻗어 있다. 도 4c는 또다른 구현예를 보여주는데 여기서 두 개의 주위에 위치한 탭(141, 141')은 상부 도전층에서 뻗어 있고 두 개의 중앙에 위치한 탭(146, 146')은 하부 도전층에서 뻗어 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 상기 설명한 전기화학 셀은 전기 저항 시트에 하나 이상의 경계 개구부를 천공해서 하나 이상의 경계 개구부를 구비한 천공된 전기 저항 시트를 형성함으로써 제조된다. 본 발명의 방법에서는 경계 개구부이 바람직한데 왜냐하면 그러한 개구부는 시트의 가장자리 내부로 노치 컷(notch cut)보다 더 큰 치수 안정성을 가져서, 시료 수용 공간의 크기에 더 작은 제조 변동을 가져오기 때문이다. 본 발명의 구현예에서 전기 저항 시트의 경계 개구부는 "직선으로 둘러싸인 단면"이다.
천공된 전기 저항 시트는 제 1 전기 도전성 시트에 접착되어 있고 이로써 결합 시트를 형성하며 여기서 제 1 전기 도전성 시트의 도전면은 천공된 전기 저항 시트 내의 제 1 및 제 2 개구부를 통하여 볼 수 있다. 접착에 사용되는 구체적인 재료는 결정적이지는 않은데, 그럼에도 불구하고 시료 수용 공간의 크기에 변동을 가져올 수 있는 접착제의 두꺼운 층은 바람직하지 않다. 접착제로 코팅된 전기 저항 시트의 바람직한 예는 Adhesives Research가 제조한 ARCARE 7841 같은 감압성 아크릴계 접착제로 제조된 것이다. 폴리에스테르 지지체에 도포되는 상업적으로 이용가능한 접착제의 다른 예는 3M이 만드는 것으로서: 3M #444, 3M #443 및 3M #1512등이 있다. 적어도 부분적으로, 시료 공간의 소망의 높이에 의해 접착제 제품을 선택하는데 상기 높이는 지지체 더하기 접착제 코팅으로 정의된다. 접착제는 바람직하게 전기적 저항성 층 전체에 도포되어 균일한 코팅을 형성하는 바, 상업적인 양면 "테이프"로서 이용가능하다. 초음파 용접 같은 냉각 기술만이 아니라 가열 밀봉 (heat sealing) 또한 사용될 수 있다.
다음 단계는 전기 저항 시트 및 결합 시트의 제 1 전기 도전성 시트를 관통하여 노칭 개구부를 천공하는 단계이다. 노칭 개구부는 전기적 저항성 재료의 제 1 경계 개구부를 횡단하여 절단하는데, 즉, 두 면을 통하여 절단하고, 바람직하게는 제 1 경계 개구부의 직선으로 둘러싸인 제 1 경계 개구부 내에서 두 개의 마주보는 면을 절단하며, 이로써 제 1 경계 개구부를 전기 저항 시트의 노치로 변형시킨다. 이로써 제 1 전극 영역이 형성되는데 상기 제 1 전극 영역은 결합 시트의 노칭 펀치및 전기 저항 시트 내의 노치에 의해 경계가 정해진다. 또한, 제 1 전기적 접촉 은 전기 저항 시트의 제 2 경계 개구부를 통해서 보이는 전기 도전성 시트 부분을 관통하는 천공으로써 형성되는데, 이로써 천공된 결합 시트를 형성한다. 바람직한 구현예에서, 단독 천공 단계가 사용되어 노칭 개구부 및 제 1 전기적 접촉 모두를 형성한다.
펀치로 천공된 제 2 전기 도전성 시트는 천공된 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부를 갖는 전기 도전성 시트를 형성하는데, 이로써 제 2 전기 도전성 시트 내에서 제 2 전극 영역 및 제 2 접촉 영역을 갖는 마주보는 전극 시트를 형성한다. 본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 것으로서, 천공된 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부를 구비한 전기 도전성 시트는, 제 2 전기 도전성 시트가 천공된 결합 시트에 접착되었을 때, 만들어진 마주보는 전극 시트 내에 개구부이 실질적으로 천공된 결합 시트의 개구부 및 노치와 나란하게 되는 시트이다. 실제로, 쉽게 제조하게 위해, 동일한 펀치(즉, 동일한 물리적 단위, 또는 동일한 치수를 갖는 펀치)가 천공된 결합 시트를 형성하기 위해 사용된 것처럼 마주보는 전극 시트를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은, 그러나, 다른 치수의 작업 전극 및 상대 전극을 제공하기 위해 마주보는 전극 시트의 치수가 의도적으로 다르게 제조되는 구현예를 배제하지 않는다.
시약을 첨가하는 선택적인 단계가 수행될 수 있다. 제조의 용이함을 위해 소망의 시약이 천공된 결합 시트에 첨가될 수 있는데, 여기서 전기 저항 재료의 노치는 첨가된 시약을 잡고 있는 저장소 역할을 한다. 다르게 시약은 펀치되기 전이나 펀치된 후에 제 1 또는 제 2 전기 도전성 재료에 첨가될 수 있거나 또는 모두에 첨 가될 수 있다. 또다른 구현예에서는 어떤 시약도 전기화학 셀 제조 동안 첨가되지 않는다. 그런 경우, 시약이 요구되는 경우 전기화학 셀 내부에서 시료에 직접 첨가될 수 있거나 셀에 시료를 도입하기 전에 시료에 직접 첨가될 수 있다.
요구되는 경우, 다른 시약들이 두 개의 마주보는 전극에 도포될 수 있다. 전극의 분리는 작기때문에, 시약의 확산은 시료가 존재하는 경우 빠르나, 이러한 접근은 두 개의 반응성 있는 시약을 시료가 첨가될 때까지 서로 떨어져 있도록 한다. 예를 들어, 효소 억제제의 존재가 효소 활성도 상실을 통해 결정된다면, 효소 함유 시약 및 지지체을 하나로 하는 것은 증착 과정 동안 반응할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 것이다. 특히, 인산염 기질을 쪼개어 전기화학적으로 탐지가능한 생성물 (p-아미노페놀 같은)을 생성시키기 위해서 알칼리성 인산염(alkaline phosphate) 같은 포스파타제(phosphatase)가 사용될 수 있다. 상기 반응은 과량의 인산염, 비산염(arsenates) 및 조개 독소(shellfish toxins)에 의해 억제될 수 있어서, 여러 특정-분석물 장치에 있어 유용하다. 또한 분리된 시약 도포가 완충제(buffering agent)로부터 효소를 분리시키기 위해 사용될 수 있었는데, 시료 첨가 및 시약의 배합 후 효소는 반응에서 정확한 pH에서만 존재했기 때문이었다.
대응하는 개구부의 형성 및 제 2 전기 도전성 시트에서 제 2 전기적 접촉의 형성 후에, 생성된 마주보는 전극 시트는 전기 저항 시트를 향하고 있는 전기 도전을 구비한 천공된 결합 시트의 전기 저항 시트 부분에 부착된다. 마주보는 전극 시트는 결합 시트에서 노칭 개구부에 대응하는 마주보는 전극 시트내의 천공된 개구부이 결합 시트에서 노칭 개구부와 나란하도록, 제 2 접촉 영역은 결합 시트의 제 2 경계 개구부와 나란하도록 부착된다. 이로써 전기화학적 시트가 형성되는데 여기서 제 2 전극 영역은 전기 저항 시트의 노치 및 제 2 전기 도전성 시트의 펀치의 치수에 의해 마주보는 전극 시트 위에서 경계가 정해진다.
마지막으로, 전기화학적 시트는 분리되어 주위의 재료로부터 폐(spent) 전기화학적 시트 및 제 1 및 제 2 전극 및 전기 저항 재료의 노치에 의해 한정되는 시료 수용 공간 및 계량기와 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 연결하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기 도전성 접촉을 하는 제 1 및 제 2 접촉 영역을 구비한 자유(free) 전기화학 셀을 형성한다. 상기 단계는 하나의 셀에서 한번에 수행될 수 있거나, 셀의 한 시트에서 한 번에 수행될 수 있거나, 또는 복수 셀 또는 시트에서 결합된 작동으로 수행될 수 있다.
복수 셀은 복수의 세트의 서로 인접한 펀치들의 형성에 의해 재료의 각각의 시트로부터 형성될 수 있다는 것을 알 것이다. 또한 복수의 셀은 서로에게 인접하여 즉시 형성될 수 있어서, 복수의 셀이 분리될 때, 여분의 물질이 남지 않는다는 것을 알 것이다. 또한 복수 스트립은 단독 시트로부터 "돌출부에서 꼬리(nose to tail)" 또는 "돌출부에서 돌출부 및 꼬리에서 꼬리" 배열로 형성될 수 있어서 단독 경계 개구부의 천공은 한 번에 하나의 스트립의 돌출부 및 다음 스트립의 꼬리를 형성하거나, 또는 돌출부 및 돌출부, 또는 꼬리 및 꼬리를 형성한다.
본 발명의 구현예에서 시료는 건조된, 용해성 시약의 친수성 특성에 의해 전기화학 셀 내부로 들어온다. 충전을 방해하는 에어 락(air lock)을 예방하기 위해, 시료가 셀 내부로 들어올 때 셀로부터 가스를 배출하기 위해 배출구(vent)가 종종 요구된다. 그러한 경우에 천공된 결합 시트는 전기 저항 시트 및 제 1 전기 도전성 시트를 관통하여 천공된 배출 개구부를 더 포함할 수 있는데, 여기서 배출 개구부는 전기 저항 시트의 노치와 얼라인되어 시료 수용 공간의 내부로 연결된 공기용 통로를 형성한다.
다르게 배출 개구부는 결합 시트의 제 2 전기 도전성 시트를 관통하여 천공될 수 있는데, 여기서 배출 개구부는 전기 저항 시트의 노치를 구비한 결합된 셀에서 나란히 있어서 시료 수용 공간의 내부로 연결된 공기용 통로를 형성한다. 또다른 구현예에서 양쪽 배출 개구부가 천공될 수 있다. 시료는 배출구를 통하여 시료 영역 내부로 들어가거나 전기 도전성 시트들 사이의 개구부를 통하여 시료 영역 내부로 들어갈 수 있다.
도 2a, 2b 및 3에 도시된 본 발명의 바람직한 구현예에서, 배출구 홀(24, 34)은 노치를 통과해 가로질러 절단하도록 형성되어 있는데 이로써 시료 공간(22)의 인접 말단부(proximal end)(즉 내부 말단부)를 한정한다. 이러한 경우, 인접 "배출구 홀"은 실제로 배출구 작용을 하는 원위 개구부(distal opneing)와 함께 시료 도입의 지점으로서 작용한다는 것을 알 것이다. 상기 유형의 배출구 홀은 장치 전체를 통하여(즉, 제 1 도전성 시트, 전기 저항 시트 및 제 2 도전성 시트를 통하여) 형성될 수 있거나, 또는 단지 하나의 도전성 시트 및 전기 저항 시트를 통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 방법의 구체적 구현예가 도 5에 나타나있다. 다음 단계들은 두 개의 전기화학 셀을 제조하는 공정을 나타낸다. 그러나, 공정은 한 번에 하나의 셀을 제조하도록 변경될 수 있거나, 또는 대량 생산 공정에서 동일한 단계를 이용하여 두 개 이상의 전기화학 셀을 제조하도록 변경될 수 있다는 것을 알 것이다.
단계 1: 전기 저항 시트가 제공된다. 전기 저항 시트(51)의 양쪽 주 표면(major surfaces) 위가 접착제로 코팅된다.
단계 2: 도 6A에 상세히 나타난 것처럼, 두 개의 레지스트레이션(registration) 홀(61)이 얼라인먼트를 형성하기 위해 단계 1로부터의 전기 저항 시트(51)에 제공되며 이는 최종 장치의 부분이 되지는 않는다. 전기 저항 시트(51)는 다이 어셈블리(die assembly) (미도시) 내에 놓여지며 여기서 다이 어셈블리는 두 개의 레지스트레이션 홀을 통하여 전기 저항 시트의 얼라이먼트를 맞춘다. 다음 전기 저항 시트(51)는 천공되고 이로써 시트를 관통하는 두 개의 큰 개구부 및 두 개의 작은 개구부를 갖춘 천공된 전기 저항 시트(52)를 형성한다. 큰 개구부(62)은 전기적 커넥터가 형성될 개구부이다. 작은 개구부(63)를 가로질러 노칭 개구부 및 배출 개구부가 만들어질 것인데, 작은 개구부(63)는 시료 공간을 한정한다. 도 6b는 다른 구조를 보여주는데 여기서 도전층은 저항성 층의 가장자리를 넘어서 연장되어 있고, 커넥터는 상기 연장부에 형성된다. 따라서, 시료 공간의 형성에 관계되는, 단 하나의 경계 개구부가 필요하다.
단계 3: 다음 천공된 전기 저항 시트(52)는 제 1 전기 도전성 시트(53)에 접착되고 이로써 결합 시트(54)를 형성한다. 전기 도전성 시트는 예를 들어 금 같은, 도체로 코팅된 하나 이상의 표면을 가지며, 이는 천공된 전기 저항 시트(52)를 향하고 있으며, 전기 저항 시트(52)의 레지스트레이션 홀과 얼라인된 두 개의 레지스 트레이션 홀을 포함한다. 일단 결합 시트(54)가 형성되면, 제 1 전기 도전성 시트(53)의 도전표면은 천공된 전기 저항 시트(52)의 개구부를 통하여 보인다.
단계 4: 결합 시트(54)가 천공되고, 이로써 천공된 결합 시트(55)를 형성한다. 도 7은 상기 천공된 결합 시트(55)를 더 상세히 보여준다. 천공된 결합 시트(55)는 직사각형 개구부(63)의 인접 및 원위 말단부(proximal and distal ends) 모두가 잘려 나가도록 절단되어, 일반적인 직사각형/정사각형의 시료 공간(71)의 시초를 남긴다. 단계 4의 펀치는 또한 제 1 전기적 커넥터(72)의 윤곽을 명확히 하는데 이를 통해서 제 1 전기 도전성 시트로부터 형성된 전극은 측정 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
단계 5: 시약(513)이 시료 공간(71) 위로 천공된 결합 시트(55)에 첨가되어, 이로써 시약 시트(56)을 형성한다. 포도당 센서용으로, 천공된 결합 시트(55)에 첨가되는 시약은 바람직하게 글루코스 옥시다제 및 페리시아나이드를 포함하는 산화 환원 매개체를 포함한다. 바람직하게, 매개체는 시료 공간의 50% 이상, 및 더욱 바람직하게는 시료 공간의 더 큰 부분을 채우기에 충분한 부피를 갖는 액상 캐리어로 첨가된다. 이로써 시료 공간의 벽면 위에 더 높고, 따라서 제 2 전극에 더 근접한 매개체 코팅이 형성된다. 이는 사용하는 동안 매개체가 제 2 전극에 도달하는 시간을 감소시키고, 따라서 장치의 응답 시간을 향상시킨다.
단계 6: 두 개의 레지스트레이션 홀이 전기 도전성 재료(57)의 제 2 시트에 제공된다. 두 개의 레지스트레이션 홀은 얼라인먼트를 형성하기 위한 것이며 이는 최종 장치의 부분이 되지는 않는다. 전기 도전성 시트(57)는 다이 어셈블리(미도 시) 내부에 놓여져서 천공되고, 이로써 마주보는 전극 시트(58)을 형성한다. 사용된 펀치는 시료 공간을 위한 상부 전극의 윤곽을 명확히 한다. 따라서, 도 8에서 보이는 것처럼, 천공된 개구부(81)는 천공된 결합 시트(55)의 것들과 동일한 형태를 갖는 장치 팁(82) 및 배출구 홀(83)의 윤곽을 명확히 한다. 펀치는 또한 제 2 커넥터 영역(84)의 윤곽을 명확히 하는데, 이는 전기 도전성 재료의 제 2 시트로부터 형성된 전극을 연결하기 위한 것이다. 제 2 커넥터 영역(84)을 형성하는 펀치는 커넥터 영역(72)을 형성하는 펀치와 동일할 필요는 없다. 요구되는 것은 서로 전기적 접촉을 하지 않는 이용가능한 접촉(accessible contact)의 최종 두 세트이다.
제 2 전기 도전성 시트(57)는 바람직하게 제 1 전기 도전성 시트(53)와 동일 재료 및 구조이나, 그럼에도 불구하고 다른 재료로 만들어질 수 있거나, 또는 라벨(label)을 포함할 수 있다.
단계 7: 마주보는 전극 시트(58)는 단계 5의 시약 시트(56)에 부착되어 전기화학적 시트(59)를 형성하는데, 여기서 마주보는 전극 시트의 레지스트레이션 홀은 시약 시트의 레지스트레이션 홀과 얼라인 된다. 마주보는 전극 시트(58)의 도전성 부분은 시약 시트(56)의 전기 저항 시트와 접촉한다. 상기 단계로써 시료 공간이 상부 및 하부 위의 두 개의 전기 도전성 시트, 및 측면 위의 전기 저항 시트에 의해 경계를 이루고, 각각의 말단부에 개구부를 구비하도록 한정된다.
단계 8: 단계 7의 전기화학적 시트(59)는 분리되어 폐(spent) 전기화학적 시트(510) 및 두 개의 자유 전기화학 셀(511, 512)를 형성한다. 상기 구현예의 단계가 어떻게 두 개 초과의 또는 두 개 미만의 전기화학 셀을 제조하는 과정으로 변경 될 수 있는지를 알 수 있을 것이다.
도 9는 도전성 코팅의 부분을 분할하는 메카니즘을 보여주는데 도전성 코팅은 두 개의 다리를 형성하는 시료 공간 내부에 전극 표면을 형성하지 않는다. 바늘(stylus)(91)은 금(gold)(58)의 도전표면(92)을 따라 끌어 당겨져서 비-도전성 라인 또는 갭(93)을 형성하는데 이는 도전면을 배출구 홀(94)에서 커넥터(95) 스트립의 말단부까지 분할한다. 상기 비-도전성 라인 또는 갭(93)은 천공으로 커넥터및 배출구 홀의 윤곽을 명확히 한 후에, 또는 그 전에 형성될 수 있는데, 그어진 라인이 올바르게 위치하는지를 확실히 하기 위해 레지스트레이션 홀을 가이드로 사용한다. 후자의 경우, 그어진 라인은 천공으로 제거될 영역까지 확장될 수 있다. 제 1 시트에 대한 비-도전성 라인은 전기 저항 시트가 제 1 도전성 시트에 부착되기 전(단계 3)에 형성되어야 한다. 표면 위에 단지 바늘을 끌어 당기는 것 이외에 비-도전성 라인 또는 갭(93)을 형성하는 다른 방법은 도전층 전체를 통과할 수 있는 컷팅 휠(cutting wheels), 레이저 절제 및 화학적 에칭을 포함한다.
도전성 시트 하나 또는 양쪽 모두를 천공하는데 사용되는 상기 포맷이 사용되는 경우, 품질관리절차(quality control procedure)의 부분으로서 전기적 연속성을 시험하는데 쉽게 사용될 수 있는 도 10에 나타난 것과 같은 셀이 된다. 도 10은 도 9에서 보이는 것과 같은 천공 패턴 및 그어진 라인(scribed line)이 사용되는 경우 셀의 전극 층을 보여준다. 시료 공간(122)의 위치는 점선으로 나타나 있다. 전기적 결합 (예를 들어 도전성 측정을 통해)이 커넥터(101, 102) 사이에 평가되는 경우, 전극층의 다리 또는 루프(loop) 부분을 완전히 가로질러 뻗어 있는 손상이 도전 시트에 없다면 양호한 연결(connection)이 결정될 것이다. 예를 들어, 스크래치 (103) 또는 스크래치(104)는 불량(fail)으로 탐지될 것이나, 반면 스크래치(105)는 불량으로 탐지되지 않을 것이다. 시료 공간(122) 위의 전극 부분 및 커넥터(101) 또는 커넥터(102) 중의 하나와 연결만으로 효과적인 시험 결과가 얻어지므로, 이는 작동 장치의 요구조건보다 실제로 더 엄격한 품질관리(quality control)가 쉽게 달성되고, 비파괴적인 형태가 되도록 한다. 또한 두 개의 중간(intermediate) 커넥터 탭은 탭을 형성하기 위해 절단할 필요없이 도 9에서 보이는 바와 같이 상기 표면의 길이를 따라 중간에 선을 그어서 형성될 수 있다.
본 발명의 방법은 또한 다중-테스트 셀 장치 제조에 사용될 수 있다. 도 11은 이러한 장치를 제조하기 위한 제 1 방법을 나타내는데, 여기서 두 개의 테스트 셀은 다른 것의 상부에 적층된 것이다. 상기 방법에서, 두 개의 천공된 결합 시트(1101, 1102)가 앞서 설명한 바와 같이 형성된다. 시약이 테스트하려는 분석물과 양립하는 각각의 천공된 결합 시트(1101, 1102)에 첨가된다. 시트(1101, 1102)에 첨가된 시약은 동일할 수 있거나 두 개의 분석물을 동시에 테스트할 수 있도록 다를 수 있다. 천공된 결합 시트(1101, 1102)는 각각 접착제 내부 표면(1103, 1103')을 가지며 상기 표면을 통해 양 면이 도전층으로 코팅된 전기적 절연 재료로부터 형성된 중간의 천공된 시트(1104)에 부착된다. 시트로부터 셀을 분리하면, 두 개의 적층된 테스트 셀을 구비한 테스트 장치가 된다. 도 12a는 제조된 다중-셀 장치의 시료 공간및 배출 개구부으로부터 멀리 떨어진 지점에서의 단면도를 보여준다. 도 12b는 시료 공간(1222, 1222') 및 배출구 홀(1224)을 절단하는 지점으로서 제조된 다중-셀 장치의 단면도를 보여준다. 각각의 도면에서, 도전면은 웨이브 라인으로 표시된다. 테스트 셀의 작은 크기, 및 개구부의 근접성 때문에, 시료는 양쪽 셀 모두에 동시에 쉽게 도입될 수 있다.
도 13은 다중-테스트 셀 장치를 제조하는 방법의 다른 구현예를 나타낸다. 상기 구현예에서, 2 이상의 인접한 시료 공간이 형성된다. 도 13에서 나타난 바와 같이, 두 개의 개구부이 상기 설명한 구현예에서 시료 공간을 한정하기 위해 사용된 단독의 제 1 경계 개구부 대신에 형성된다. 도 13 에서 나타난 구체적 구현예에서, 장치의 장축에 수직인 두 개의 동일직선상의 개구부(1301, 1302)가 전기 저항 시트에 형성된다. 결합된 스트립이 쇄선(dashed lines)을 따라 천공되어 장치 돌출부(1304) 및 배출구 홀(1305)을 형성할 때, 양쪽 개구부의 말단부가 분리되어, 두 개의 시료 공간이 생성된다. 상기 구성에서, 시료 공간은 배출구 홀로부터 적합하게 채워진다. 두 개의 시료 공간을 전기적으로 절연시키기 위해 조립하기 전에 전기 도전성 시트를 절단하거나 점선(1306)을 따라 선을 긋는다. 개구부(1301) 및 개구부(1302)을 연결하여 개구부 사이의 배출구 홀 영역을 가로질러 뻗은, 하나의 신장된 개구부으로 동일한 결과가 달성될 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, 상기 구현예에서 형성된 개구부의 상대적인 구체적 위치는 결정적인 것이 아니며 각각의 시료 공간에 절연된 전기적 결합이 만들어질 수 있다면 동일직선(colinear)상일 필요가 없다는 것을 알 것이다(예를 들어 도 3c).
본 발명의 방법의 다른 구현예에서, 도 11 및 도 12에 나타난 방법과 도 13에 나타난 방법을 결합하여 다중-테스트 장치가 만들어질 수 있다. 상기 구현예에 서, 제조된 장치는 각각의 적층된 단계에서 하나 이상의 셀을 구비할 수 있다.
도 13 셀의 본 발명의 또다른 구현예에서, 개구부(1301, 1302)를 제거하고, 분리된 배출구 홀을 제공함으로써, 두 개의 시료 공간이, 하나의 공간만이 외측 가장자리로부터 채워질 수 있고 다른 하나의 공간은 내측 가장자리로부터 채워질 수 있는 방식으로 형성될 수 있다. 컷(1306)이 없는 경우, 어느 시료 공간이 채워졌는지는 중요하지 않다. 이는 사용자를 더 편리하게 하는데, 왜냐하면 시료 수집 방식(스트립이 사용되는 방식)이 상기 결과에 악영향을 주지는 않기 때문이다. 양쪽 공간을 채우는 것은 효과적인 전극 영역을 정하는 기준에서 하나의 공간만을 채우는 것과 구별될 수 있는데, 이는 예를 들어 미국 특허 공개 2005-0069892 A1 및 2005년 4월 15일에 출원된 미국 특허 출원 10/907,813호에 개시되어 있고, 상기 내용은 인용에 의해 여기에 통합된다.
도 14 및 도 15는 다중-셀 테스트 장치의 다른 두 개의 구현예를 보여준다. 도 14에서, 네 개의 시료 공간(1401)이 형성되며, 모두 공통 표면을 통하여 접근가능하다. 이 공간의 모두 또는 어느 하나를 채움으로써(또는 부분적으로 채움으로써) 충분한 측정이 될 수 있기 때문에, 상기 구성은 장치 팁의 특정 부분이 혈액/액체 방울(1402)과 얼라인시킬 필요성을 감소시킨다. 도 15에서, 여섯 개의 시료 공간(1501)이 육각형 다중-스트립 둘레에 원을 이루어 배열되어 원의 외측에서 배출구 공간(1502)까지 뻗어 있다. 상기 장치는 그어진 선(1503)에 의해 분리되어 있으며 중심축을 향하는 커넥터 탭(1504)을 구비하고 있다. 도 15에서, 오직 하나의 도전층 및 스페이서(spacer)층이 보인다. 도전표면을 구비한 상부층은 다른 전극 및 그것의 연합된 커넥터 탭(들)과 장치를 완전히 이루게 될 것이다.
따라서, 본 발명의 방법은 다수 시료 공간을 포함하는 전기화학적 테스트 셀 형성에 유연성을 제공한다는 것을 알 수 있다. 상기 시료 공간들은 평행하게 정열될 수 있는 방식으로, 돌출부에서 꼬리(nose-to-tail) 배열로, 바퀴의 살(spokes) 같이, 바퀴 방식으로 또는 다른 어떤 요구되는 구성으로도 동일 평면에 있을 수 있다. 시료 공간은 또한 다수 평면을 차지할 수도 있다.
본 발명의 방법은 전기화학 셀의 구조에 대한 종래 기술 방법에 비하여 많은 장점을 제공한다. 첫째, 상기 방법은 동일한 크기일 수 있고, 최종적으로 제조되는 셀보다 상당히 더 큰 재료의 시트를 오직 한정된 수만큼 활용한다. 둘째, 본 발명의 방법은 시료 공간 부피 및 전극 영역을 한정하기 위해서 또는 전극 도선 및 연결을 형성하기 위해 어떠한 프린팅 또는 리소그래피 (lithography) 기술도 요구하지 않는다. 셋째, 장치의 중요한 치수 (dimension)는 다이 커팅 (die cutting) 또는 유사한 천공 작업으로 한정될 수 있기 때문에, 제조 과정의 정확도 및 정밀도는 거시적인 과정이어도 우수하다. 이점은 제조 비용의 상당한 증가 없이 매우 작은 시료 부피으로 작동하는 전기화학 셀의 제조를 가능하게 한다. 넷째, 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 전기화학 셀은 셀의 정밀도를 감소시키는 전극 "가장자리 (edge)" 영향을 감소시켰다. 따라서, 본 발명의 방법은 효과적인 비용을 제공하며 따라서 단지 최소량의 시료만으로도 측정 동안 훌륭한 정밀도를 보이는 사용 후 버릴 수 있는(1 회용) 전기화학 셀을 제공한다.
Claims (26)
- 전기화학 셀 제조 방법으로서, 상기 전기화학 셀은 전기 저항 시트에 의해 분리된 마주보는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하며, 상기 방법은,(a) 전기 저항 시트에 제 1 경계 개구부(bound opening)을 형성하여 천공된 전기 저항 시트를 형성하는 단계;(b) 상기 천공된 전기 저항 시트를 제 1 전기 도전성 시트에 부착하여 결합 시트를 형성하는 단계로서, 상기 제 1 전기 도전성 시트의 도전면의 제 1 부분이 상기 제 1 경계 개구부를 통하여 노출되어 있고, 상기 전기 도전성 시트의 도전면의 제 2 부분이 상기 전기 저항 시트내의 제 2 경계 개구부를 통하여 노출되어 있거나 또는 상기 전기 저항 시트의 가장자리를 넘어 연장되어 노출되어 있는 단계;(c) 상기 결합 시트의 전기 저항 시트 및 제 1 전기 도전성 시트를 관통하는 노칭 개구부(notching opening)를 천공하는 단계로서, 상기 노칭 개구부는 상기 전기 저항 시트내의 제 1 경계 개구부를 가로지르고(intersect) 이로써 상기 제 1 경계 개구부를 상기 전기 저항 시트내의 노치(notch)로 변환시키고, 또한 상기 전기 도전성 시트의 제 2 노출 부분을 관통하여 제 1 접촉 영역 개구부를 천공하여 보이도록 하여 제 1 전기적 접촉을 형성함으로써, 천공된 결합 시트를 형성하는 단계;(d) 제 2 전기 도전성 시트를 펀치 또는 펀치들로 천공하여 상기 천공된 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부 및 상기 제 2 전기 도전성 시트내에 제 2 접촉 영역을 구비한 전기 도전성 시트를 형성함으로써, 마주보는 전극 시 트를 형성하는 단계;(e) 전기 도전성 표면이 상기 전기 저항 시트를 향하도록 상기 마주보는 전극 시트를 상기 천공된 결합 시트의 전기 저항 시트 부분에 부착하는 단계로서, 상기 마주보는 전극 시트는 상기 결합 시트의 노칭 개구부에 대응하는 노칭 개구부가 상기 결합 시트의 노칭 개구부와 얼라인(align)되고, 상기 제 2 접촉 영역이 상기 제 2 경계 개구부와 얼라인되도록 부착됨으로써, 전기화학 시트를 형성하는 단계, 및(f) 상기 전기화학 시트를 분리함으로써 폐(spent) 전기화학적 시트 및 상기 제 1 및 제 2 도전성 시트 및 상기 전기 저항 시트의 노치에 의해 한정되는 시료를 받아들이는 시료 공간 및 계량기(meter)와 상기 제 1 및 제 2 전극 부분을 연결하기 위하여 상기 시료 공간에 노출된 상기 제 1 및 제 2 도전성 시트의 전극 부분과 전기 도전성 접촉을 하는 제 1 및 제 2 접촉 영역을 구비한 자유(free) 전기화학 셀을 형성하는 단계를 포함하는 전기화학 셀 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 마주보는 전극을 형성하는 단계에서, 상기 결합 시트의 제 2 전기 도전성 시트를 관통하는 배출 개구부를 천공하는 단계를 더 포함하는 방법으로서, 여기서 상기 배출 개구부는 조립된 셀에서 상기 전기 저항 시트의 노치와 얼라인되어 상기 시료 수용 공간의 내부로 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 천공된 결합 시트를 형성하는 단계에서, 상기 결합 시트의 전기 저항 시트 및 제 1 전기 도전성 시트를 관통하는 배출 개구부를 천공하는 단계를 더 포함하는 방법으로서, 상기 배출 개구부는 상기 전기 저항 시트의 노치와 얼라인되어 상기 시료 수용 공간의 내부로 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 주개구 영역(major open area)의 일 말단부를 가로지르고 상기 노칭 개구부와 함께 상기 시료 공간의 길이를 한정하는 배출 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시료 수용 공간에 시약를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 전기화학 시트를 형성하기 전에 상기 시약이 상기 천공된 결합 시트내의 노치에 첨가되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 5항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시약이 효소 및 산화 환원 매개체(redox mediator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 효소가 글루코스 옥시다제(glucose oxidase)인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전기 도전성 시트가 금(gold)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 저항 시트의 경계 개구부(bound opening)가 직선으로 둘러싸인 단면(rectilinear cross-section)으로 된 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 저항 시트 및 상기 제 1 및 제 2 전기 도전성 시트 각각에 얼라인먼트(alignment)를 형성하기 위해 레지스트레이션(registration) 홀이 제공되고, 상기 레지스트레이션 홀은 상기 폐 전기화학 시트로 분리되어 떨어져 나가는 시트의 부분에 위치하여, 최종 장치의 부분이 되지 않는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시료 수용 공간이 1 ㎕이하의 부피를 갖거나, 바람직하게는 0.5 ㎕ 이하의 부피를 갖도록, 상기 전기 저항 시트가 두께를 가지고, 상기 노치가 치수(dimension)를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 두 개의 경계 개구부가 상기 저항 시트에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에, 상기 마주보는 전극이 두 개의 마주보는 도전면을 구비하며, 상기 마주보는 전극의 양 측면 모두가 결합된 천공 시트(combined punched sheet)에 부착되어 2 개의 적층된 시료 수용 공간을 구비한 장치를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 복수 개의 경계 개구부가 상기 전기 저항 시트에 형성되고, 이로써 복수 개의 동일 평면 시료 수용 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 전기화학 장치.
- 시료 수용 말단부 및 커넥터 말단부를 구비한 전기화학 장치로서,(a) 제 1 지지체로서, 상기 제 1 지지체의 제 1 표면에 도포된 도전성 재료의 비패턴 층을 구비한 제 1 지지체;(b) 전기 저항 중간층, 및(c) 제 2 지지체로서, 상기 제 2 지지체의 제 1 표면에 도포된 도전성 재료 의 비패턴 층을 구비한 제 2 지지체를 차례로 포함하고,상기 제 1 지지체의 제 1 표면 및 상기 제 2 지지체의 제 1 표면이 상기 전기 저항 중간층에 부착되어 있고;상기 장치는, 시료 수용 말단부 가까이에 배치되어 있으나, 상기 장치의 ㅈ자유(free) 가장자리로(free edge)부터 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 홀을 구비하며, 상기 홀은 상기 제 1 지지체, 상기 전기 저항 중간층, 및 상기 제 2 지지체를 관통하며, 상기 장치는, 제 1 시료 공간을 구비하며, 상기 제 1 시료 공간은 전기 저항 중간층을 관통하며 또한 마주보는 측면에서 상기 제 1 지지체의 비패턴(unpatterned) 도전성 재료 및 상기 제 2 지지체의 비패턴 도전성 재료와 경계를 접하고 있으며 또한 상기 시료 공간은 상기 장치의 자유 가장자리에서 상기 홀까지 연장되어 있고 양 말단부에서 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 17항에 있어서, 상기 시료 공간 내부에 배치된 시약을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 18항에 있어서, 상기 시약이 효소 및 산화 환원 매개체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 장치.
- 제 19항에 있어서, 상기 효소가 글루코스 옥시다제인 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 17항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 지지체 위의 도전성 재료가 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 21항에 있어서, 상기 제 2 지지체 위의 도전성 재료가 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 17항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층이 50 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 17항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시료 공간이 1 ㎕ 이하의 부피, 바람직하게는 500 nl 이하의 부피, 및 더욱 바람직하게는 100 내지 300 nl의 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 17항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 시료 공간에 대하여 적층된 구조(stacked configuration)로 형성된 제 2 시료 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.
- 제 17항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 시료 공간에 대하여 동일 평면 위치에 형성된 추가적인 시료 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 전기화학 장치.
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