TW202518016A - 侵入式多電極電化學感測器 - Google Patents

Abstract

一種侵入式多電極電化學感測器，其包括一基板、多個絲狀電極、一蓋片及多個金手指，各絲狀電極包括一導電內芯及一絕緣膜，各絕緣膜實質包覆其對應的導電內芯但裸露其對應的導電內芯的一近側端及一自由端，各絲狀電極具有一基板段及一侵入段，近側端位於基板段，自由端位於侵入段，基板段設於基板上，侵入段自基板的邊緣朝外延伸，該些絲狀電極的侵入段的至少一部分彼此螺旋纏繞，各金手指具有一未被蓋片覆蓋的裸露段，裸露段在一插設方向上延伸，侵入段的前側部分的延伸方向不平行於插設方向。

Description

侵入式多電極電化學感測器

本發明是關於一種侵入式的電化學感測器。

現有的電化學感測器可用於流體的檢測，試片是其常見的結構型態，電化學感測試片通常具有一個可供滴入或浸入待測溶液的檢測區，但現有的電化學感測試片沒有辦法被應用於侵入式檢測。然而，對於許多生物生理參數的連續監測來說，侵入式的檢測器相較於現有的非侵入式電化學感測試片要來的更佳合適。

因此，如何提供一種侵入式的電化學感測器，同時又使其具有較低的製作成本，實是值得本領域人士思量的。

本發明之主要目的在於提供一種成本較低的侵入式電化學感測器。

為了達成上述及其他目的，本發明提供一種侵入式多電極電化學感測器（下文有時簡稱為電化學感測器），其包括一基板、多個絲狀電極、一蓋片及多個設於基板的金手指，各絲狀電極包括一導電內芯及一絕緣膜，各絕緣膜實質包覆其對應的導電內芯但裸露其對應的導電內芯的一近側端及一自由端，各絲狀電極具有一基板段及一侵入段，近側端位於基板段，自由端位於侵入段，基板段設於基板上，侵入段自基板的邊緣朝外延伸，該些絲狀電極的侵入段的至少一部分彼此螺旋纏繞，蓋片設於基板並將該些絲狀電極的基板段的至少一部分固定於蓋片與基板之間，該些絲狀電極的基板段中的導電內芯分別與該些金手指電性連接，各金手指具有一未被蓋片覆蓋的裸露段，該些裸露段在一插設方向上延伸，侵入段具有一前側部分，前側部分的延伸方向不平行於插設方向，自由端位於前側部分。

本發明通過前側部分與金手指裸露段的延伸方向不一致的設計，使本發明的電化學感測器得以適應更多待檢測標的的幾合特性。

請參考第1至4圖，所繪示者為本發明的第一實施例。本發明的電化學感測器可用於寄主（host）的侵入式檢測，所述寄主可以是人及其他動植物，電化學感測器可用以檢測寄主體內是否含有目標分析物、目標分析物的濃度及/或其他所需檢測的數值，所述目標分析物可為但不限於糖化血紅素、血糖、重金屬、硝酸鹽、亞硝酸鹽、過敏原、甲醛、溶氧、尿酸、多巴胺、抗壞血酸、赤血鹽、乙醯胺酚、鹵素離子、硫離子、雙氧水、三價砷離子、鉛離子、鋅離子、鉻離子、酚類、胺基酸等化合物，所述需檢測的數值可為但不限於酸鹼值、導電度等物理參數。在可能的實施方式中，本發明的電化學感測器也可應用於非侵入式的檢測環境，例如用於檢測環境水樣等水溶液。本實施例中，電化學感測器包括一基板10、三個絲狀電極20、三個金手指30及一蓋片40。

基板10的材質可為但不限於聚丙烯（polypropylene）、聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate）、聚醯亞胺（polyimide）、聚乙烯（polyethylene）、聚氨酯（polyurethane）或聚碳酸酯（Polycarbonate）。

各絲狀電極20包括一導電內芯21及一絕緣膜22（請進一步參考第5圖），各絕緣膜22實質包覆其對應的所述導電內芯21但裸露其對應的所述導電內芯21的一近側端（proximal end）211及一自由端（distal end）212。此外，各絲狀電極20具有一基板段23及一侵入段24，近側端211位於基板段23，自由端212位於侵入段24，基板段23設於基板10上，侵入段24自基板10的邊緣朝外延伸，侵入段24朝外延伸的長度可大於10 mm。本實施例中，三條絲狀電極20的侵入段24彼此螺旋纏繞，螺旋纏繞的好處在於，電極之間的距離短、電阻小，檢測准度得以提高。其中，至少一條絲狀電極20的侵入段24的導電內芯21的材質異於其他絲狀電極20的導電內芯21的材質。舉例而言，本實施例的三條絲狀電極的導電內芯分別做為工作電極、輔助電極及擬電極/參考電極，視不同的分析物，三條絲狀電極的導電內芯可為但不限於表一所列的材質。另一方面，絕緣膜22是以絕緣材料製成，避免不同絲狀電極的導電內芯之間直接電性連接而形成短路。

表一

工作電極	輔助電極	擬電極/參考電極	分析物
碳	碳	銀	尿酸、多巴胺、抗壞血酸、赤血鹽、乙醯胺酚
碳	白金	銀	尿酸、多巴胺、抗壞血酸、赤血鹽、乙醯胺酚
銀	碳	氯化銀	鹵素離子
鎳	鉑	碳	硫離子
鉑	鉑	氯化銀	雙氧水
鉑	金	氯化銀	溶氧
金	金	銀	三價砷離子、鉛離子、鋅離子、鉻離子
銅	碳	銀	酚類、胺基酸
鉍	碳	銀	三價砷離子、鉛離子、鋅離子、鉻離子

當導電內芯21的直徑Φ≦25 μm 時，可被做為金屬絲超微電極（metallic wire ultramicroelectrode，MWUME）。當導電內芯21的直徑Φ滿足下列關係式：25μm＜Φ＜1000 μm 時，可被做為金屬絲微電極（metallic wire microelectrode，MWME）。當導電內芯21的直徑Φ≧1000 μm 時，可被做為金屬絲電極（metallic wire electrode，MWE）。

金手指30設於基板10，該些絲狀電極20的基板段23中的導電內芯21（例如近側端211）分別與該些金手指30電性連接，導電內芯21與金手指211形成電性連接的方式可為但不限於焊接或黏貼導電膠帶。金手指30例如是以網板印刷方式印刷在基板10上，金手指30的材質例如是印刷碳膠或印刷銀膠，並且，在印刷碳膠或印刷銀膠上還可以再進行表面處理，例如額外濺鍍鉑、金、銅、銀等金屬材料。在本實施例中，金手指30延伸至基板10的邊緣。

蓋片40設於基板10並將該些絲狀電極20的基板段23完整固定於蓋片40與基板10之間。

請參考第5圖，所述導電內芯21的自由端可以經過表面處理，從而表現出與絕緣膜22端面齊平、突出於絕緣膜22端面、具有不規則表面及內陷於絕緣膜22端面等不同型態，並且，在其中一種實施方式中，導電內芯21的自由端211內陷於絕緣膜22的一端面221，並滿足下列關係式：H _w/Φ＜50，其中H _w為該自由端211內陷於該端面221的深度，藉此，可預留導電內芯的自由端後續進行化學修飾的空間，例如可在絕緣膜端面所形成的凹槽內填載酵素層（未繪示）。除此之外，如第6圖所示，至少其中一個導電內芯21的自由端211是由異於導電內芯21其他部分材質的材質製成的，例如，導電內芯的自由端的材質是碳而其他部分的材質是銅，從而適應不同的偵測環境。

請參考第7圖，第1至4圖所示實施例的電化學感測器可搭配電化學感測中繼器1一併使用，所述電化學感測中繼器1可分別與電化學感測器2的各金手指形成電性連接，並把電化學感測器所感測到到訊號傳送到遠端的接收元（例如智慧型手機、電腦或雲端伺服器等）進行進一步的運算及/或顯示運算結果。

需說明的是，絲狀電極的數量是可以調整的，例如在第8圖所示的實施例中，四條彼此螺旋纏繞的絲狀電極20的侵入端可用於同時偵測更多的分析物；此外，如第9圖所示，六股絲狀電極20的侵入端可繞著直線延伸的中心絲狀電極20c的侵入端螺旋纏繞，亦即，可有至少一條直線延伸的絲狀電極的侵入端做為其他絲狀電極的侵入端螺旋纏繞的軸心。

請參考第10圖，在一項再現性測試中，數個第1圖所示的電化學感測器被輪流浸入兩個不同的水溶液各三次，結果顯示本發明的電化學感測器對各別水溶液的檢測結果表現出良好的再現性。

請參考第11圖，一個有三個絲狀電極的電化學感測器被分次浸入0.1 M PBS（磷酸鹽緩衝生理鹽水）水溶液、500 μM 過氧化氫（H ₂O ₂）水溶液及1000μM 過氧化氫水溶液，絲狀電極的導電內芯的主要部分材質為碳，自由端材質為鉑，結果顯示本發明的電化學感測器確實可在不同濃度的過氧化氫水溶液測得不同的氧化、還原電位表現。

另請參考第12圖，申請人以安培法測試本發明的電化學感測器偵測過氧化氫水溶液的表現，所使用的電化學感測器具有三個絲狀電極絲狀電極的導電內芯的主要部分材質為碳，自由端材質為鉑，申請人在下表二所示的工作參數下以安培法偵測不同濃度的過氧化氫水溶液，即時間每過50秒即調整一次過氧化氫水溶液的濃度，前十次每次調升100 μM，最後五次每次調升200 μM，最終濃度為2000 μM，氧化工作電壓固定為600 mV，結果顯示，本發明的電化學感測器能靈敏地偵測過氧化氫水溶液的濃度變化，且所測得的電流值與濃度變化成高度線性（如第13圖所示），顯示本發明的電化學感測器具有良好的準確性。

表二

經過時間（s）	過氧化氫水溶液濃度（μM）
0	0
50	100
100	200
150	300
200	400
250	500
300	600
350	700
400	800
450	900
500	1000
550	1200
600	1400
650	1600
700	1800
750	2000

請參考第14圖，其與第9圖所示的實施例類似，主要差異在於，電化學感測器更包括一心軸（axle）50，且第9圖所繪示的中心絲狀電極20c被心軸50所取代，其餘絲狀電極20的侵入段24圍繞心軸50螺旋纏繞，心軸的一部分可被固定於基板（未繪示），心軸50被侵入段24螺旋纏繞的部分是直線延伸的。心軸50具有一末端51，末端51較侵入段24的自由端212突出，本實施例中，末端51是實心且尖銳的，其可用以改變侵入段24的結構強度，讓侵入段24可更容易地插入檢測標的（例如土壤、植物等）而不藉助額外的置入器。請參考第15圖，其與第14圖所示的實施例類似，主要差異在於，心軸50的末端51是空心且尖銳的，其同樣可用以改變侵入段24的結構強度，且其空心的末端51有助於擾動被插入處的組織，例如通過毛細現象而使組織更容易接觸侵入段24的自由端212以便於檢測。前述心軸50可為非金屬、非導體的線材，其材質例如可為陶瓷、氧化矽、塑膠、壓克力或聚合物（如PP、PC、PE等）。

請參考第16圖，其與第1圖所示的實施例雷同，其中金手指30未被蓋片40覆蓋的部分為裸露段31，該些裸露段31彼此平行並在一插設方向L上延伸，且金手指30是設於基板10的一工作表面11。其中，侵入段24具有一前側部分241，自由端212位於前側部分，前側部分241的的延伸方向不平行於插設方向L及工作表面11，本實施例中，前側部分241垂直於工作表面11。在其他可能的實施方式中，侵入段24具有可撓性，讓使用者可依待檢測標的的幾合特性調整前側部分241的延伸方向。

1:電化學感測中繼器 2:電化學感測器 10:基板 11:工作表面 20、20c:絲狀電極 21:導電內芯 211:近側端 212:自由端 22:絕緣膜 221:端面 23:基板段 24:侵入段 241:前側部分 30:金手指 31:裸露段 40:蓋片 50:心軸 51:末端 L:插設方向 H _w:深度 Φ:直徑

第1圖為本發明第一實施例的立體圖。

第2圖為本發明第一實施例的分解圖。

第3圖為本發明第一實施例的分解圖，其中導電內芯分別與金手指通過焊接方式形成電性連接。

第4圖為本發明第一實施例的局部放大示意圖。

第5圖為四個導電內芯自由端處的剖面示意圖。

第6圖為另一實施例的導電內芯自由端的剖面示意圖。

第7圖為本發明的電化學感測器與一電化學感測中繼器合併使用的示意圖。

第8圖為本發明的絲狀電極侵入端其中一實施方式的示意圖。

第9圖為本發明的絲狀電極侵入端另一實施方式的示意圖。

第10圖為本發明的電化學感測器的再現性測試結果。

第11圖為本發明電化學感測器在不同濃度的過氧化氫水溶液的循環伏安圖譜。

第12圖為本發明電化學感測器以安培法檢測過氧化氫水溶液的電流時間圖譜。

第13圖為本發明電化學感測器以安培法檢測過氧化氫水溶液的電流-濃度線性回歸圖。

第14圖為本發明的絲狀電極侵入端另一實施方式的示意圖。

第15圖為本發明的絲狀電極侵入端另一實施方式的示意圖。

第16圖為本發明的電化學感測器另一實施方式的示意圖。

10:基板

11:工作表面

212:自由端

24:侵入段

241:前側部分

30:金手指

31:裸露段

40:蓋片

L:插設方向端

Claims (4)

1. 一種侵入式多電極電化學感測器，包括： 一基板； 多個絲狀電極，各該絲狀電極包括一導電內芯及一絕緣膜，各該絕緣膜實質包覆其對應的所述導電內芯但裸露其對應的所述導電內芯的一近側端（proximal end）及一自由端（distal end），各該絲狀電極具有一基板段及一侵入段，該近側端位於該基板段，該自由端位於該侵入段，該基板段設於該基板上，該侵入段自該基板的邊緣朝外延伸，該些絲狀電極的所述侵入段的至少一部分彼此螺旋纏繞； 一蓋片，設於該基板並將該些絲狀電極的所述基板段的至少一部分固定於該蓋片與該基板之間；以及 多個設於該基板的金手指，該些絲狀電極的所述基板段中的所述導電內芯分別與該些金手指電性連接，各該金手指具有一未被該蓋片覆蓋的裸露段，該些裸露段在一插設方向上延伸； 其中，該侵入段具有一前側部分，該前側部分的延伸方向不平行於該插設方向，該自由端位於該前側部分。
2. 如請求項1所述的侵入式多電極電化學感測器，其中該些金手指是設於該基板的一工作表面，該前側部分的延伸方向不平行於該工作表面。
3. 如請求項1所述的侵入式多電極電化學感測器，其中該些金手指是設於該基板的一工作表面，該前側部分的延伸方向垂直於該工作表面。
4. 如請求項1所述的侵入式多電極電化學感測器，其中該些侵入段具有可撓性。

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