TWI238890B - Electrochemical method for measuring chemical reaction rates - Google Patents

Description

1238890 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於藉由測量因電活性反應產物所引起之電 極之電流或電量以進行化學反應進度的測量。此方法通常 適用於進行化學反應進度的測量，尤其是用以作為偵測器 以對反應進度進行分析並決定其分析濃度。 【先前技術】 在電流的電化學中，電流在電極上的流動可以藉由電 活性種類（electroactive species)於工作電極上開始進行電 化學反應時之濃度的測量而得。在電量中，電流在電極上 的流動係整合通過全部電荷量的時間以得到在工作電極上 反應之電活性材料量的測量。此在電極上之電流流動（或 任何時間之電荷通過量）係依據電活性種類至工作電極的 轉移速率蚊。當位於電極附近的電活雜賴有效濃度 及應用於電極之電位(deetrieal _611_就触電極/溶 ，表進行電化學反應崎到電活錄_，職初之較 ^電流會巧動之過程中隨著時間的增加而減弱。對一隔 ，極而e ’其電位制於電極係為足以進行使電活性種 ===之反應’且電活性種類至電極之 太担斗2擴仃控制，此電流可依循習知之科特雷耳 電流i變的曲線科知。依據此方程式， 電活於電極附近用盡在電極此 、電活性種類將經歷更進一步的到達電極之 1238890 時間進度。 如果除了在電極上之電活性種類之電化學反應之外， 電活性種類還會受到化學反應之影響而產生於工作電極附 近，則在電極上所流過之電流類型會變的複雜。此電極反 應傾向於減少在工作電極附近之電活性種類之濃度，反 之，化學反應則傾向於增加在此區域中電活性種類之濃 度。上述兩個過程之行為受時間影響因而混合且其難以經 由在電極上之電流流動（或電荷通過）而量得化學反動 力學。 為此原因，在公開文獻中，除了在特殊儀器下之特殊 應用之外，化學反應速率一般不會利用電化學法測量。習 知之特殊儀器例如是旋轉環/盤電極(⑽此叩ring/dise electrode)。此儀器僅適合測量相對快速反應動力學，且電 極需與適當特性的液體在已知流體力學(hydiOhy_ics)之 控制速率下進行旋轉。 【發明内容】 本發明之目的係提供一種方法以利用簡單的電化學方 法及裝置即可得到所需之化學反應速率之資訊。 本發明之第一特徵中，提供一種量測化學反應速率之 電化學方法，係測量在液體試樣之成分與測試物㈣卿⑻ 之間反應產生電活性種類的化學反應速率，此方法包括提 供具有工作電極、反電極、以及至少—壁的電化學電 池；在電化學電池中之本質上不會移動之測試物之位置， 係與工作電極之間具有最小距離，且其中此最小距離係受 1238890 在電化風雷、、也中於罢極之電活性種類之轉移的擴散控制； 作電極Γ Μ 置㈣試樣且使㈣試顯測試物、工 應以#到^料播&_ ;使液體試樣之成分與測試物反 :差Γΐφ雪“^ ’應用在工作電極與反電極之間的電 ’八中電位係足以在工作電極 到電活性種類；以及藉由刺旦/丁此+/电化子反應而付 稭由成1里在工作電極上之電化學反應 產生之電抓，以得到化學反應速率之量測。 有足中2再一特徵中，工作電極與反_之間具 的雷化t此在測量電流之過程中，發生在反電極 的電化學反應之產物不會到達讀電極。工作電極與反電 =之間隔之空間的距離係為大於500微米左右、介於 500微米至5絲之間、或是介於丨絲至2毫米之間。 ，工作電極與反電極也可以位於同一平面上。 #在本發明中之另一特徵中，測試物之位置與工作電極 猎由最小輯而分離，此距賴圍介於 間、介於5〇微米至微米之間、或是介於刚 200微米之間。 在本發明中之另一特徵中，反電極可具有結合反/參考 電極之功能，如此，在電化學電池中可以更包括有參考電 極。 在本發明中之另一特徵中，當工作電極之功能係為陽 極時’其材質包括鉑(platinum)、鈀(palladium)、碳((^此〇11)、 結合有一至多種惰性黏結劑（inert binder)的碳、銥 (indium)、氧化銦(indium 〇xide)、氧化錫恤 〇xide)、結合 1238890 有氧化錫之銦、以及相關混合物。 在本發明中之另一特徵中’當工作電極為陰極時，其 材質包括鉑、鈀、碳、結合有一至多種惰性黏結劑的碳、 鉉、氧化銦、氧化錫、結合有氧化錫之銦、鋼(steel)、不 銹鋼(stainless steel)、銅(copper)、鎳(nickd)、銀㈣)、 鉻(chromium)、以及相關混合物。 山在本發明中之另一特徵中，反電極之材質包括鉑、鈀、 石反、結合有惰性黏結劑的碳、银、氧化銦、氧化錫、結合 有氧化錫之銦、鋼、不銹鋼、銅、鎳、鉻、銀、以及相關 混合物。此反電極也可以包括塗佈有諸如氯化銀(silver c^ride)、演化銀(silver bromide)、礙化銀⑽㈣Μ⑽、 氛亞鐵酸銀（silver ferrocyanide)、鐵氰化銀⑻iver ferricyanide)等本質上不溶之銀化鹽的銀。 、在本發明中之另一特徵中，測試物之位置係位於反電 極或侧壁上，即此測試物之位置與工作電極可以同時位於 同一平面上，或是此測試物之位置位於與工作電極成對向 且本質上平行於工作電極之另一平面上。 在本發明中之另一特徵中，測試物係位於高分子架構 内以貼附於電化學電池之表面、利用化學之方法拾於電化 學電池之表面、_物理之方法栓於電化學電池之表面、 或利用乾燥之方法附著於電化學電池之表面，且在可顯示 出夠低的流動性之液體試樣中，如此的測試物在本質上是 不會游離，以進行電流之測量。 、 在本發明中之另一特徵中，在此方法中更包括有氧化 1238890 還原媒介物(redox mediator)，此氧化還原媒介物包括鐵鉻 齊(ferrocinium)、聯二吼咬(bipyridine)與餓(osmium)之錯合 物、苯f_(benzophenone)、以及鐵氰化物。 在本發明中之另一特徵中，此液體試樣包括全血，其 成分包括有葡萄糖(glucose)，此測試物可包括有諸如依附 有口比洛·喧琳_g昆(pyrrolo quinoline quinone，PQQ)之葡萄糖 脫氫酶(dehydrogenase)、依附有煙醯胺腺嘌呤二核苦酸 (nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)之葡萄糖脫氫酶 (glucose dehydrogenase)、葡萄糖氧化酵素（gluc〇se oxidase)、乳酸鹽脫氫酶(lactate dehydrogenase)、醇脫氫酶 (alcohol dehydrogenase)等酶。 在本發明中之另一特徵中，其電位較佳係介於+5〇mv 至+500mV之間，且更佳係為+3〇〇mV左右。 在第二杈佳實施例中，提供一種量測化學反應速率之 電化學方法，係於全血中量測葡萄糖與依附有σ比洛·哇琳· 西昆之葡萄糖脫鼠酶之間的化學反應速率。此 具有工作電極、娜、至少一個侧壁、位== 内且包括鐵氰化物的氧化還原媒介物、以及包括依附有吼 咯-喹啉-醌之葡萄糖脫氫酶的測試物等的電化學電池，此 測試物在本質上不會在電化學電池巾軸，且其位置與工 作電極之有最小雜，之後，在電化學電池中放^全 血試樣且使此全血試樣物、氧倾補介物、 電極、以及反電極接觸；使葡萄糖與依附有鱗“純屬 之“糖脫氫酶反應以減少依时轉·料社葡萄糖 1238890 脫氫酶’此減彡之物 鐵氰化物氧化還顧介物G @ w賴脫麟與 卡）丨物進仃轉化反應以形成氰亞鐵酸鹽 (，ryamde) ’應用在工作電極與反電極之_電位差， iti位叙叫I作電極上鱗電化學域而得到氰亞 二ΐ精由測量在工作電極上之氰亞鐵酸鹽之電化 子反應所產生之電流’以得到Μ糖與依时轉·喧琳_ 酿之葡雜脫_之_化學反紐較 【實施方式】 以下之敘述係本發明之—較佳實施例為例進行詳 、二的說明’然其並翻以限定本發明，任何熟習此技藝者， ^不脫離本發明之精神和範_，當可作各種之更動與潤 飾0 本發明之報告係關於使用電化學電池所得到之至少一 種的電活性產物之產量的化學反應速率，其巾電化學電池 係藉由確認化學反應柄限於_電極之部㈣使用電化 學反應得到電活性產物。 液體樣品之電化學測量的方法與裝置之更進一步的說 明可參照西元2000年7月14日所提申之美國專利第 〇_5691號之名稱為，，抗氧化劑感應器(anti〇xidant SENSOR)’’的中請案、西元〇年7月14日所提申之美 國專利第09/616512號之名稱為，，血紅素感應器 (HEM〇GLOBINSENSOR)”的申請案、以及西元鳩年了 月Μ日所提申之美國專利第〇9/616433號之名稱為，，免疫 感應器（IMMUN0SENS0R)，，的申請案，又，將前述三個申 1238890 請案結合而得到完整的說明。 化學反應之位置完全脫離電極係因電極上之化學反應 位置電活性種類之質篁轉換以在任何時間上有效地控制電 流流入電極的量。如此之安排可於本質上確認在化學反應 位置與電極之間的線型電活性種類濃度梯度。電活性種類 之濃度藉由電化學反應而使此處之電極維持於有效地零 度。此濃度梯度之大小的時間趨勢在本質上僅受到化學反 應位置之電活性種類之濃度時間趨勢及在液體媒介物 (liquid medium)中電活性產物之擴散係數所影響。由於電 流流至電極之電流量係與電極上之電活性種類的濃度梯度 成正比，電流之時間趨勢將反映出於遠離側所發生之化學 反應之時間趨勢。如此在電極上所測得之電流（或假如電 流積聚之電荷通過量）可以用來對此位置之化學反應之速 率及对圍進行較佳之測量。 卓父佳之確認化學反應遠離工作電極的方法例如是測量 在遠離電極之固體表面上之無法移除之一至多種反應成 分。此無法移除之反應成分係藉由在乾燥的時候吸收於高 分子結構中或是使用其他方法附著於固體表面上。此反應 成分也可以藉由化學或物理鍵結之方式直接拴於固體表 ，。不論種或多種的反應齡皆可藉由簡單的乾燥固 定於固體表面而不需使用特殊_定方法。在此情形下一 3多種的反應成分係具有夠低之流動性，在填充有液態 :之電化學電池中’基本上此反應成分係不會游離其乾 喊之位置’再藉由週期性地進行必須的測量以監測電化 !238890 學電流。在此情形下，游離在基本上意指進行化學反應時 所需之最慢之遷移成分，嚴格的說，係在接近工作電極之 附近之科特雷耳式(Cottrell type)消耗動力學開始受到電流 流至電極之時間趨勢影響之際。 化學反應位置與工作電極之間的分隔距離範圍在本 較佳實施例中約小於1公分左右，較佳為小於5毫米，更 =係介於是5微米、10微米、50微米、1〇〇微米、2〇〇微 微米、以及5毫米之間，更佳係介於5微米、1〇 狂米、50微米、1〇〇微米、2〇〇微米、以及5〇〇 ::5微米、10微米、5°微米、_微米、=。 相接Γ堇是ί作電極’而且至少有一個反電極與液體樣品 同反電極整㈣化學電路。此反f極可以藉由如 意地運作Λ·考λ極之結合或分離的參考_賴供而隨 與;。 2毫米、y毫^;、以及5笔米之間，最佳係介於1毫米、 5耄未、以及10毫米之間。 之範會錢極上之電流回覆所產生干預 混合物。*工# ^氧化銦、氧倾、以及氧化錮/氧化錫 田工作電極為陰極時，則除上述材料之外之尚有 12 1238890 其他，如鋼、辦鋼、銅、錄、銀、以及鉻等的適合材料。 反電極之適當材制如是m :劑=炭、銀、氧化銦、氧化錫、氧化銦/氧化 ，、不錄鋼、銅、銻、銀、以及塗佈有諸如氯化銀、演化 鹽的^化銀、i亞鐵酸銀、鐵氰化銀等本質上秘之銀化 上

式^學反應讀置可哺局祕遠駐作電極之裸露壁 =反電極上。化學反應之位置可以為與工作電極同一之平 上或更佳為在本質上與工作電極平行且成對向的平面

=圖所示係為適合本發明之一較佳實施例使用的裝 1®巾I作電極2與反電極3係配置於電絕緣 基材i上。在第二電概基材5上配置有—層化學反應物 、、中至少有-種反應物在本f上不會在電絕緣基材5 上移動。在使狀際，於電絕緣基材卜2之壁所構成之空 間中’填滿包括有本質上可將職物4反應生成至少一種 電活性產物體。此化學反應所產生之產品將朝向工作 電極2擴散’此時’電活性種_行電化學反應而產生電 流。此電流含量、於特定時間下通過之電荷量、電流之時 間趨勢、或通過之電荷量等可簡以得賴反應物層4進 行化學反應後所得之速率或範圍。 第2圖所不係為本發明之另一較佳實施例。在第2圖 中的成分髓與第1 ®之成分相同的部分係獅相同之標 唬。在第2圖中，反應物4係配置於位於電絕緣基材5之 13 1238890 上的反電極3之上。在此較佳實施例中，反電極3之構成 材料係為不與位於反電極3上之反應物4之任一成分反 之材料。 例如使用本較佳實施例之裝置對全血内之葡萄糖進行 巧學作用與反應性之測量係使用依附有吡咯_喹啉-醌之葡 萄糖脫氳酶(GDHpqq)之酵素與氧化_媒介物。在此反應 血中的葡萄糖與依附有轉_料_醌之葡萄糖脫氯酶 反應形成葡糖酸(gluconic acid)。在此過程中，酵 會逐漸減少。姻例如是鐵鉀的媒介物氧 酵素中的吼嘻-啥琳·醌而形成氰亞鐵酸鹽。此酵 可持續與葡萄糖反應。此反應之網絡效應係 為-種電活性種類，且其可以被氧化而:電= θ，電二。此反應之其他合適的較是葡萄糖氧化酵 煙醮胺腺嗓呤二核芽酸之葡萄糖脫氫酶。對其他 :適=還原媒介物包括鐵鉻齊、 田此it血中之葡萄糖與酵素之反應可以變的很ρ，且佔 :f糊才能完成。血液試樣中的血球容：Ϊ時二 史昭第中’電化學電池之結構請 i葡萄糖^ Γη 5〇mg/ml之依附有蛛啥琳-醒 ㈣唐脫物、0.9M之鐵氰化鉀、以及5〇權且 1238890 之緩衝液等的溶液覆蓋於反電極之上，再移除水分形成乾 燥的反應物層。在此層中，依附有吼洛·喹琳-醌之葡萄糖 脫氮扭係足以有效地防止移離反電極，反之，鐵氰化物可 以在電化學電池中更均勻混合分佈於液體内。此血液試樣 導入此電化學電池中，且於工作電極與反電極之間的電位 係為+300mV。雖然，+300mV之電位係為氧化的氰亞鐵酸 鹽之最佳電位’然而’其電位也可以介於+40mV至+6〇〇mV 之間，較佳之電位係介於+50mV至+500mV之間，更佳之 電位係介於+200mV至+400mV之間。在電化學電池中， 工作電極係由金(gold)層濺鍍於聚酯基材上所構成，而反電 極係由鈀層濺鍍於聚酯基材上所構成。 請參照第3圖所示，所示係為在較低的血球容積之』 液中之較快之反應速率，且此電流圖形係紀錄了不同的』 球容積之血液試樣。在每條曲線末端之數字係表示所使月 之血液試樣的血球容積百分比，其血球容積百分比分別^ 20%、42%、65%。在每-個血液試樣中的葡萄糖標準〇

幾乎相同的，即在65%血球容積試樣中為5 4mM、42%i 球容積試樣中為5.5mM、以及2G%血球容積試樣中》 6.0mM 〇 由第3圖中所示之電流幾乎可由下列方程式得到：

i=-FADC/L

其中i為電流，F為法拉第常數（96486.7C/m〇le)，A 為電極面積，D為試樣巾之氰亞峨鹽的擴 在反應位置之氰亞鐵酸鹽的濃度，以及L為反應位置與電 15 1238890 極之間的距離。反應速率可由c對時間的變化速率得到： dC/dt=-(L/FAD)di/dt 此反應依序第3圖所描述，20%、42%、65%血球容 積試樣在6秒至8秒之間的平均di/dt分別為3.82微安培/ 秒、2.14微安培/秒、以及ι·32微安培/秒。前述2〇%、42 %、65%血球容積試樣之氰亞鐵酸鹽之擴散係數分別為2 〇 Χ10-6平方公分/秒、1·7χ10·6平方公分/秒、以及14xl〇-6平 方公分/秒。電極面及係為0.1238平方公分，且L為125 微米。前述20%、42%、65%血球容積試樣之反應產率分 別為 2.09mM/秒、1·39ηιΜ/秒、以及 〇.99mM/秒。 上述之方法可適用於任何適當的電化學系統。例如此 方法可用以測量在液體試樣中之氧化劑或還原劑。此方法 可適用於在液體試樣中任何以典型濃度存在的氧化劑或還 原劑之測量。用以分析之還原劑例如是二氧化硫(sulfur dioxide)與抗壞血酸(批⑽阶acid)。用以分析之氧化劑例如 是氣（chlorine)、溴（bromine)、碘（iodine)、過氧化氫 (peroxide)、次氣酸鹽(hypochlorite)、以及臭氧(ozone)。難 溶於水的氧化劑或還原劑只要可以製成液狀，也可以被分 析，例如使用洗潔劑(detergent)將難溶於水的物質製成乳劑 (emulsion)即可進行氧化還原反應之分析。此方法也可以應 用於抗體(antibody)/抗原(antigen)的反應或血紅素分析。 上述之敘述係揭露本發明之一些方法與材料。本發明 係可在方法及材料上進行各種之更動與潤飾，不僅可改變 製造方法及裝置’且任何熟習此技藝者，在不脫離本發明 1238890 之精神和範圍内，當可作各種之更動與 明雖以—較佳實施例揭露如上，然其。因此’本發 ，’任何熟習此技藝者’在不脫離本發 發 ^可作各種之㈣觸飾，本㈣之圍内之 申請專利範圍所界定者為準。 田視後附之 【圖式簡單說明】 …第j ®所不為本發明之—較佳實關之電 且 測試物係位於與工作電極成對向之電池側壁上。/ 第2圖所不為本發明之另一較佳實施 且測試物係位於反電極之上。 电化子罨池 第3圖所示係為反應系統中包括葡萄糖、依附有吼洛_ 喧琳-酿之㈣糖脫氫酶以及鐵氰化純化還原媒介物等 ，二種全血試樣的時間與電流之關係圖。其中此三種全血 试樣之血球容積分別為紅血球體積百分比2〇%、42%、 65% 〇 【主要元件符號說明】 1 ’ 5 :電絕緣基材 2:工作電極 3 :反電極 4 ·測试物(化學反應物) 17

Claims (1)

1238890 工間的一距離係為大於5GG微米左右。 雷>[卜^專利範圍第2項所述之量測化學反應速率之 ^子法，其中該空間的一距離係介於500微米至5毫 米之間。 雷介專利範11帛2項所述之量測化學反應速率之 之間:'其中該空間的一距離係介於1毫米至2毫米 雷化風^專利&圍第2項所述之量測化學反應速率之 /其中5亥工作電極與該反電極係位於同一平面 雷化專魏®第1項·之制化學反應速率之 於10^丨J其中該位置與該工作電極之該最小距離係介 於10微未至5毫米之間。 電化風請糊制第7顧叙量龜學反應速率之 於50^^’其中該位置與該工作電極之該最小距離係介 、50微水至500微米之間。 電化專利範圍帛7項所述之量測化學反應速率之 於刚微ί巾趣置與該工作電極之該最小距離係介 ϋ微未至200微米之間。 之電專利範圍第1項所述之量測化學反應速率 能電化予方法，其中該反電極具有反/參考電極之組合功 1238890 如申請專利範圍第1項所述之量測化學反庳进聿 之電化學方法，其中該讀電極作為化子反應速革 13.如申請專利範圍第12項所述之量 方法’其中該工作電極之材質係選自翻、;碳、 二=至_種惰性黏結劑的碳、銀、氧化銦、氧化錫、 —^氧化錫之銦、以及相關混合物所構成之族群之一。 之電化=1#專_圍第1項所述之量測化學反應速率 電化予方法，其中工作電極作為一陰極。 之雷m請專利範㈣1項所叙量測化學反應速率 ，化予方法，其中該反電極之材f係包括塗佈有實質上 不/谷之一銀鹽的銀。 夕申請專職㈣15項所述之㈣化學反應速率 方法，其中該銀鹽係選自於氯化銀、漠化銀、峨 、、氰亞鐵酸銀、鐵氰化銀所構成之族群之一。 夕巾料利範圍第1項所狀量測化學反應速率 電化予方法，其中該位置係位於該反電極之上。 士申明專利範圍第1項所述之量測化學反應速率 電化學方法，其中該位置係位於該侧壁之上。 之電IX申ft範圍第1項所述之制化學反應速率 予方法，其中該位置與該工作電極位於同一平面上。 之雷20=申請專概圍第1項所述之量測化學反應速率 參^化學方法，其中該位置係位於與該工作電極成對向且 貫質上平行於紅作電極之h平面上。 ^ 21·如申請專利範圍第1項所述之量測化學反應速率 20 1238890 之電化學方法，其中該試劑 一古八 附於該電化學電池之表面/、、㈤刀子補内’以貼 之電帛1顧叙料轉反應速率 於該電化學電池之表面。 宏及物理万綠 之電專:Tt圍第t項所述之量測化學反應速率 學電、、也:矣而該試劑係利用乾燥方法附著於該電化 使其在測量該：：ί=樣中的流動性夠低’ 之電專圍第1項所述之量測化學反應速率 之電化學方法，更包括使用—氧化還原媒介物。 之電專ΓΓ，21項所述之量測化學反應速率 ’，、中該氧化還原媒介物係選自鐵鉻齊、聯 與餓之錯合物、苯甲酮、以及鐵氰化物所構成之族 之雷申料利翻第1項所述之量測化學反應速率 之電化予方法，其中該試樣包括全血。 之雷申清專利範圍第1項所述之量測化學反應迷率 電化予方法，其中該成分包括葡萄糖。 之電圍第1項所述之量測化學反應速率 -I苗 其中此測試物包括係選自依附有0比略-嗜啉 糖句萄糖脫氫酶、依附有煙醯胺腺嗓吟二核微之葡 酶所之；糖氧化酵素、乳脫氫酶、醇脫氫酶等 21 1238890 之電I9二申第1項所述之量測化學反應速率 其中忒電位係介於+50mV至+500mv之間。 之電化^、Γ專Γ觀11第1項所述之量測化學反應速率 之電化學方法，其中該電位係包括+300mv左右。 ^ t1»^ ^ 間的化學反應速率，料ϋ萄糖脫氫酶之 提供:電化學電池，其具有—工作電極、—反電極、 側壁、位於該電化學電池内且包含—鐵氰化物的一 糖脫物、以及含有該依附有如各-喧琳-酿之葡萄 =物的—試劑’賴嶋實f上蚊在該電化學電池 、位置’城位置與該工作電極之間有―最小距離； 盘兮、電化學電池巾放置—全血職，且使該全血試樣 電==、魏化還原媒介物、該功電極、以及該反 使該葡萄糖與該依附有对.铃社葡萄糖脫氣酶 酶ΐ的依附有鱗喹啉，之葡萄糖脫氫 氰化物之氧化還原媒介物反應，以形成一氮亞^ 酉3^·鹽， 、在該工作電極與該反電極之間施加—電位，該電位係 足以使該氰亞鐵酸鹽在社作電極上發生電化學反應；以 及 測量在該工作電極上之該氰亞鐵酸鹽之電化學反應所 22 1238890 產生之一電流，以間接量測該葡萄糖與該依附有吡咯-喹琳 •醌之葡萄糖脫氫酶之間的化學反應速率， 其中，該工作電極之材質係選自鉑、鈀、碳、結合有 一至複數種惰性黏結劑的碳、銥、氧化銦、氧化錫、結合 有氧化錫之銦、以及相關混合物所構成之族群之一，且該 電位係介於+5〇mv至+500mV之間。

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