DE19781229C2 - Elektrochemische Testvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemi­ sche Testvorrichtung zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration chemischer oder biochemischer Komponenten (Analyten) in wässerigen Fluidproben oder Körperfluida, wie beispielsweise in Vollblut. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Testvorrichtung.

Medizinische Studien haben gezeigt, daß durch eine sorgfältige Kontrolle von Blutglucosepegeln das Auftreten ernsthafter Komplikationen bei Diabetes, wie beispielsweise Sehkraftverlust und Nierenfehlfunktion, erheblich reduziert werden kann. Deshalb verwenden Millionen von Diabetikern täglich Glucosetestvorrichtungen, um ihre Blutglucosekonzen­ trationen zu überwachen. Außerdem werden zahlreiche ver­ schiedene andere Bluttestvorrichtungen verwendet, um das Vorhandensein oder die Konzentration anderer Analyten, wie beispielsweise Alkohol oder Cholesterin, in wässerigen Pro­ ben, z. B. in Blut, zu bestimmen.

In solchen Bluttestvorrichtungen wird entweder ein Trockenchemiereagenssystem bzw. Trockenreagenssystem oder ein elektrochemisches Verfahren zum Testen des Analyten in der Fluidprobe verwendet. In den letzten Jahren wurden elek­ trochemische Testsysteme aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer einfachen Handhabung zunehmend populärer. In solchen elektrochemischen Testvorrichtungen werden typischerweise elektrochemische Eigenschaften oder Reaktionen ausgenutzt, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit der Konzen­ tration des Analyten in der wässerigen Probe korreliert ist.

Es sind zahlreiche elektrochemische Testsysteme und da­ mit in Beziehung stehende Verfahren bekannt. Beispielsweise werden in der EP-B-0255291 von Birch et al. Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausführen elektrochemischer Messungen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zum Ausführen mi­ krochemischer Tests für kleine Mengen von Flüssigkeitsproben biologischen, z. B. klinischen, Ursprungs beschrieben.

In der EP-B-0351891 von Hill et al. wird ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Sensors durch ein Druckverfahren beschrieben. Der Sensor wird zum Erfassen, Messen oder Überwachen eines vorgegebenen gelösten Substrats in einem Gemisch aus gelösten Substraten, insbesondere Glu­ cose in Körperfluid, verwendet.

Im US-Patent Nr. 5391250 von Cheney II et al. wird ein Verfahren zum Herstellen elektrochemischer Dünnschichtsenso­ ren zum subkutanen oder transdermalen Messen von Glucose be­ schrieben. Dieses Verfahren zum Herstellen von Sensoren weist das Anordnen einer dünnen Basisschicht aus Isolierma­ terial auf einem starren Substrat auf. Auf der Basisschicht werden unter Verwendung eines Kontaktmaskenphotolithogra­ phieverfahrens Leiterelemente für die Sensoren ausgebildet, und eine dünne Überzugs- oder Abdeckschicht wird ausgebil­ det.

Im US-Patent Nr. 5437999 von Diebold et al. wird ein Verfahren zum Herstellen elektrochemischer Dünnschichtvor­ richtungen, die für biologische Anwendungszwecke geeignet sind, unter Verwendung von Photolitographieverfahren zum De­ finieren der Elektrodenbereiche beschrieben. Auf die vorste­ henden Patentveröffentlichungen wird hierin durch Verweis bezug genommen.

Eine sehr gute Übersicht über Materialien und Verfahren zum Herstellen elektronischer Komponenten gibt das "Handbook of Materials and Processes for Electronics", Charles A. Har­ per, 1984, Library of Congress card number 76-95803. Darin sind detaillierte Informationen über Dickschicht-, Dünn­ schicht- und Photoresistverfahren dargestellt.

Yokoyama, Kenji et al. beschreibt in seinem Artikel "Amperometric Glucose Sensor Using Silicon Oxide Deposited Gold Electrodes" in Electroanalysis, 3 (1991), Seiten 469-475 eine elektrochemische Testvorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe. Diesbezüglich wird auch auf den Artikel "Development Of A Thin-Film Biosensor Using Semiconducting Amorphous Carbons" von A. D. Clark et al. in Biosensors & Bioelectronics, 10 (1995), Seiten 237-241 verwiesen. Darüber hinaus beschreibt die EP-A-0 470 290 einen elektrochemisch-enzymatischen Sensor zur Bestimmung von Substanzen, insbesondere Glukose, in Körperflüssigkeiten mit einer Sensorelektrode aus elektrokatalytisch inaktivem Kohlenstoff, einer Gegenelektrode, einer Bezugselektrode, einer vor der Sensorelektrode befindlichen enzymenthaltenden Schicht und einer die Enzymschicht zur Körperflüssigkeit hin abdeckenden und das Enzym zurückhaltenden Membran aus biokompatiblem, hydrophilem, sauerstoffdurchlässigem Material. Die EP-A-0 387 026 betrifft eine Biosensorvorrichtung mit zwei voneinander beabstandeten Elektrodenpaaren, die auf einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden Materials auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen sind. Eines der Elektrodenpaare weist einen Körper eines Reagenzmaterials auf, wobei der Körper zwischen den beiden Elektroden dieses Paares als Arbeitselektrode positioniert ist. Die EP-A-0 592 805 betrifft eine Testvorrichtung, die als Kohlenstoffelektrode aufgebaut ist. Die Zusammenfassung der JP-A-1-176934 beschreibt eine elektrochemische Testvorrichtung, die auf einem Glassubstrat eine amorphe Siliziumschicht aufweist.

Verfügbare elektrochemische Testsysteme unterliegen je­ doch aus der Sicht des Endverbrauchers oder des Herstellers bestimmten Beschränkungen. Beispielsweise sind einige elek­ trochemische Testsysteme schwierig oder nur unter hohem Ko­ stenaufwand herstellbar. Dadurch sind solche Vorrichtungen zu teuer, um sie, wie beispielsweise für Diabetiker erfor­ derlich, täglich zu verwenden. Andere elektrochemische Test­ systeme sind nicht ausreichend genau, um bestimmte Analyten, die in sehr geringen Konzentrationen vorhanden sind, zu er­ fassen oder die Analytkonzentration zuverlässig anzugeben.

Außerdem sind viele elektrochemische Vorrichtungen zu groß­ formatig, so daß sie von Personen, die ihr Blut regelmäßig im Verlauf des Tages kontrollieren müssen, nicht leicht ge­ tragen werden können. Daher besteht Bedarf an verbesserten elektrochemischen Testvorrichtungen. Dieser Bedarf wird mit der Testvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 17 gedeckt. Bevorzugte Ausführungs­ formen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Bei der vorliegenden Erfindung werden amorphe Halblei­ termaterialien und Herstellungstechniken für Halbleiter und gedruckte Schaltungen (PCB) verwendet, um eine elektrochemi­ sche Testvorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration von Ana­ lyten in wässerigen Fluidproben. Durch die Verwendung von amorphen Halbleitermaterialien und von PCB-Herstellungs­ techniken können einheitliche elektrochemische Testvorrich­ tungen mit geeignet definierten reproduzierbaren Elektroden­ bereichen oder -flächen wirtschaftlich hergestellt werden.

Im einzelnen weisen die erfindungsgemäßen Testvorrich­ tungen sehr gleichmäßige oder einheitliche Oberflächen auf, wodurch Abweichungen bei elektrochemischen Tests reduziert werden. Diesbezüglich hat sich gezeigt, daß die Oberfläche der Elektroden and die Genauigkeit beim Aufbringen der Rea­ genzien kritische Faktoren bei der Herstellung eines geeig­ neten Tests sind. Wenn die Oberfläche von Test zu Test nicht reproduzierbar ist, muß jede der Testvorrichtungen einzeln kalibriert werden, um geeignete Meßergebnisse zu gewährlei­ sten. Durch die erfindungsgemäßen Testvorrichtungen wird ge­ währleistet, daß hochgenaue elektrochemische Analytmessungen bezüglich sehr kleinen Mengen wässeriger Fluidproben ausge­ führt werden können, ohne daß jede Testvorrichtung einzeln kalibriert werden muß. Durch die vorliegende Erfindung kön­ nen die Testvorrichtungen unter Verwendung gesteuerter Auf­ bring- oder Aufdampfverfahren, z. B. Sputtern, und chemischer Bearbeitungsverfahren genau reproduzierbar hergestellt wer­ den, um die Geometrien mit reproduzierbarer Größe und Form von Vorrichtung zu Vorrichtung in Fließfertigung auszubil­ den. Die Vorrichtungen können außerdem aufgrund geringerer Kosten und der flexiblen Natur der amorphen Halbleitermate­ rialien einfach hergestellt werden, wodurch die Fertigung durch kontinuierliche Walzenverarbeitung im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Repetierdruckverfahren erleichtert wird. Aufgrund der Möglichkeit der Verwendung einer kontinu­ ierlichen Fertigung zum Herstellen der Vorrichtung, z. B. ei­ ner kontinuierlichen Fertigung unter Verwendung eines konti­ nuierlichem Walzbeschichtungsverfahrens, eines kontinuierli­ chen Walzensputterverfahrens, kontinuierlicher Photolitogra­ phiesysteme unter Verwendung von Kontaktmasken und Durch­ flußbädern, wird im Vergleich zu einem Repetierdruckverfah­ ren eine hohe Produktivität bei wesentlichen Kosteneinspa­ rungen erhalten. Außerdem werden durch die amorphe Natur der Leiterelektroden, die erfindungsgemäß konstruiert und ver­ wendet werden, die bei herkömmlichen Testvorrichtung vorhan­ denen Probleme eliminiert, in denen herkömmliche Leiter- und Halbleitermaterialien verwendet werden, die kristalliner Na­ tur oder Edelmetalle sind, und für die flache und starre Substrate erforderlich sind, um Rißbildungen während der Herstellung, des Vertriebs oder der Verwendung zu verhin­ dern.

Trockenelektrochemische Testvorrichtungen können in zwei Kategorien eingeteilt werden. In der ersten Kategorie werden zwei Elektroden verwendet, d. h. eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode. In der zweiten Kategorie werden drei Elektroden verwendet, d. h. eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Bezugs- oder Referenzelektrode. Durch die Verwendung der Referenzelektrode und eines Refe­ renzmaterials wird ein fester Referenzwert für den Test bereitgestellt. Die erfindungsgemäßen Testvorrichtungen können eine beliebige dieser Konfigurationen aufweisen.

Daher wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung eine elektrochemische Testvorrichtung zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration eines Analyten in ei­ ner wässerigen Fluidprobe bereitgestellt, wobei die elektro­ chemische Testvorrichtung aufweist:

• a) eine nichtleitfähige Oberfläche;
• b) eine Arbeitselektrode aus einem auf die nichtleit­ fähige Oberfläche aufgebrachten amorphen Halbleitermaterial, wobei die Arbeitselektrode eine erste Elektrodenfläche, eine erste Zuleitung und eine erste Kontaktfläche aufweist;
• c) eine Gegenelektrode aus einem auf die nichtleitfä­ hige Oberfläche aufgebrachten amorphen Halbleitermaterial, wobei die Gegenelektrode eine zweite Elektrodenfläche, eine zweite Zuleitung und eine zweite Kontaktfläche aufweist; und
• d) ein Reagens, das dazu geeignet ist, mit dem Analy­ ten zu reagieren, um eine meßbare Potentialänderung zu er­ fassen, die mit der Konzentration des Analyten in der Fluidprobe in Korrelation gebracht werden kann, wobei das Reagens mindestens auf einem Teil der ersten Elektrodenflä­ che der Arbeitselektrode angeordnet ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Testvorrichtung ferner eine Referenz­ elektrode aus einem auf die nichtleitfähige Oberfläche auf­ gebrachten amorphen Halbleitermaterial auf, wobei die Refe­ renzelektrode einen dritte Elektrodenfläche, eine dritte Zu­ leitung und eine dritte Kontaktfläche aufweist, und wobei mindestens ein Teil der dritten Elektrodenfläche mit einem Referenzmaterial überzogen ist. Das Referenzmaterial ist vorzugsweise eine Silber/Silberchloridschicht, eine Queck­ silber/Quecksilberchloridschicht oder ein Platin/Wasser­ stoffmaterial.

Die in der erfindungsgemäßen Testvorrichtung verwendete nichtleitfähige Oberfläche kann ein beliebiges starres oder flexibles Material sein, das geeignete isolierende und di­ elektrische Eigenschaften aufweist, wie beispielsweise Kera­ mikmaterialien, Polymerplattenmaterialien, flexible Polymer­ platten oder -folien und ähnliche.

Vorzugsweise wird die nichtleitfähige Oberfläche durch eine auf eine Seite eines flexiblen Substrats aus einem Me­ tallplatten- oder -lagenmaterial oder einem Polymerplatten- oder -lagenmaterial, z. B. Polyester, Polycarbonat und Poly­ imidplatten oder -filme, aufgebrachte nichtleitfähige Be­ schichtung gebildet. Bevorzugte Metallagenmaterialien sind Metallfolien, wie beispielsweise Aluminium- oder Kupferfoli­ en oder Folien aus rostfreiem Stahl. Aluminiumfolien und Fo­ lien aus rostfreiem Stahl sind besonders bevorzugt.

Die bei der elektrochemischen Testvorrichtung verwende­ te nichtleitfähige Beschichtung ist vorzugsweise ein Epoxid­ harz. Diese Beschichtung dient dazu, eine nichtleitfähige Barriere oder Sperre zwischen dem Basismaterial und der leitfähigen Schicht zu bilden, und die Flachheit der Ober­ flächenmorphologie der nichtleitfähigen Oberfläche, auf der die erfindungsgemäßen amorphen Halbleiterelektroden ausge­ bildet werden, zu verbessern. Durch eine bessere Oberflä­ chenmorphologie der nichtleitfähigen Schicht und die amor­ phen Halbleiterelektroden werden genauere Testergebnisse und ein reproduzierbares Leistungsvermögen erhalten.

Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Halblei­ ternmaterial ist vorzugsweise amorphes Siliciumoxid. Das amorphe Siliciumoxid ist noch bevorzugter mit Lithium, Kali­ um oder einem ähnlichen leitenden Ion dotiert, um die Leit­ fähigkeit zu verbessern. Eine Dotierung mit Lithium ist be­ sonders bevorzugt. Amorpher Kohlenstoff, Gold, Silber oder andere Leitermaterialien, die die Elektrochemie des Reagenssystems nicht beeinflussen, sind ebenfalls geeignet. Das amorphe Halbleitermaterial kann unter Verwendung verschie­ denartiger Techniken aufgebracht werden, wie beispielsweise durch Sputtern, Aufdampfen, Dampfphasenbeschichtung oder an­ dere Dünnschichtbeschichtungstechniken, um eine leitfähige Schicht auf der nichtleitfähigen Oberfläche auszubilden, und eine Technik kann zum Ausbilden der Elektroden verwendet werden. Dickschichttechniken können auch verwendet werden, wenn Verfahren angewandt werden, durch die das Aufbringen des Materials gesteuert und eine gleichmäßige Oberflächen­ morphologie erzeugt wird. Die Oberflächenstruktur des amor­ phen Halbleitermaterials hat vorzugsweise eine Rauhigkeit von 13 Mikroinch oder 0,33 µm. In Abhängigkeit von der Ge­ nauigkeit der gewünschten Testvorrichtung können jedoch grö­ bere Strukturen verwendet werden.

Das in der elektrochemischen Testvorrichtung verwendete Reagens wird typischerweise basierend auf dem zu testenden Analyten und den gewünschten Nachweisgrenzwerten ausgewählt. Das Reagens weist vorzugsweise ein Enzym und einen Redoxbe­ schleuniger oder -vermittler auf. Wenn der zu erfassende oder zu messende Analyt Glucose ist, ist das Enzym vorzugs­ weise Glucoseoxidase, und der Redoxbeschleuniger oder - vermittler ist Kaliumferrocyanid.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Testvorrichtung ferner eine Bluttren­ nungsmembran auf. Die Bluttrennungsmembran trennt Vollblut­ proben vor der Analyse in hochgradig gefärbte und relativ klare Fluidanteile. Die Bluttrennungsmembran blockiert oder filtert effektiv rote Blutzellen und ermöglicht, daß im we­ sentlichen klares Fluid zu den Testelektroden durchgelassen wird. Dadurch wird der Analyt im klaren Fluidanteil der Pro­ be gemessen, die mit den Elektroden in Kontakt kommt, wo­ durch im wesentlichen verhindert wird, daß rote Blutzellen an der Reaktion teilnehmen, und wodurch der Einfluß der im Blut vorhandenen roten Blutzellen minimiert wird. Diese Aus­ führungsform hat den zusätzlichen Vorteil, daß verhindert wird, daß der Testabschnitt austrocknet, wodurch das Lei­ stungsvermögen der für kleine Probenformate, z. B. im Bereich von 1 bis 5 µl, konstruierten Testvorrichtungen verbessert wird.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Testvorrichtung wird zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration eines Analyten in einer wässerigen Fluidprobe verwendet.

Ein Verfahren zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Kon­ zentration eines Analyten in einer wässerigen Fluidprobe weist insbesondere die folgenden Schritte auf:

• a) Bereitstellen einer elektrochemischen Testvorrich­ tung mit: (i) einer nichtleitfähigen Oberfläche; (ii) einer Arbeitselektrode aus einem auf die nichtleitfähige Oberflä­ che aufgebrachten amorphen Halbleitermaterial, wobei die Ar­ beitselektrode eine erste Elektrodenfläche, eine erste Zu­ leitung und eine erste Kontaktfläche aufweist; (iii) einer Gegenelektrode aus einem auf die nichtleitfähige Oberfläche aufgebrachten amorphen Halbleitermaterial, wobei die Gegen­ elektrode eine zweite Elektrodenfläche, eine zweite Zulei­ tung und eine zweite Kontaktfläche aufweist; und (iv) einem Reagens, das mit dem Analyten reagieren kann, um eine meßba­ re Potentialänderung zu erzeugen, die mit der Konzentration des Analyten in der Fluidprobe in Korrelation gebracht wer­ den kann, wobei das Reagens mindestens auf einem Teil der ersten Elektrodenfläche der Arbeitselektrode angeordnet ist;
• b) Einsetzen der elektrochemischen Testvorrichtung in ein Meßgerät;
• c) Aufbringen einer wässerigen Fluidprobe auf die er­ ste Elektrodenfläche der Arbeitselektrode; und
• d) Ablesen des Meßgeräts, um das Vorhandensein oder die Konzentration des Analyten in der Fluidprobe zu bestim­ men.

Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die bei die­ sem Verfahren verwendete Testvorrichtung eine Referenzelek­ trode aus einem auf die nichtleitfähige Oberfläche aufge­ brachten amorphen Halbleitermaterial auf, wobei die Refe­ renzelektrode eine dritte Elektrodenfläche, eine dritte Zu­ leitung und eine dritte Kontaktfläche aufweist, und wobei mindestens auf einem Teil der dritten Elektrodenfläche ein Referenzmaterial aufgebracht ist. Das Referenzmaterial ist vorzugsweise eine Silber/Silberchloridschicht, eine Queck­ silber/Quecksilberchloridschicht oder ein Platin/Wasser­ stoffmaterial. Silber/Silberchlorid ist ein besonders bevor­ zugtes Referenzmaterial.

Die nichtleitfähige Oberfläche kann ein beliebiges starres oder flexibles Material mit geeigneten isolierenden und dielektrischen Eigenschaften sein, wie vorstehend be­ schrieben. Vorzugsweise wird die nichtleitfähige Oberfläche hergestellt durch Aufbringen einer nichtleitfähigen Be­ schichtung auf eine Seite eines Substrats, wobei das Sub­ strat vorzugsweise ein flexibles Metall- oder Polymerlagen- oder -folienmaterial ist.

Wie vorstehend beschrieben, werden in der vorliegenden Erfindung amorphe Halbleitermaterialien und PCB-Herstel­ lungstechniken verwendet, um elektrochemische Testvorrich­ tungen herzustellen. Diese Beschichtungs- oder Dickschicht­ verfahren und -techniken können verwendet werden, um die er­ findungsgemäßen leitfähigen Schichten und Elektroden aus amorphen Halbleitermaterialien herzustellen. Daher wird ge­ mäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Testvorrichtung be­ reitgestellt, die geeignet ist zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration eines Analyten in einer wässe­ rigen Fluidprobe, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

• a) Bereitstellen einer nichtleitfähigen Oberfläche;
• b) Aufbringen eines amorphen Halbleitermaterials auf die Oberfläche, um eine leitfähige Schicht zu bilden;
• c) chemisches Bearbeiten der leitfähigen Schicht, um eine Arbeitselektrode mit einer ersten Elektrode mit einer ersten Elektrodenfläche, einer ersten Zuleitung und einer ersten Kontaktfläche und eine Gegenelektrode mit einer zwei­ ten Elektrode mit einer zweiten Elektrodenfläche, einer zweiten Zuleitung und einer zweiten Kontaktfläche zu bilden;
• d) Aufbringen eines Reagens auf mindestens einen Teil der ersten Elektrodenfläche der Arbeitselektrode, wobei das Reagens mit einem Analyten in einer wässerigen Fluidprobe reagieren kann, um eine meßbare Potentialänderung zu erzeu­ gen, die mit der Konzentration des Analyten in der Fluidpro­ be in Korrelation gebracht werden kann.

Bei einer anderen Ausführungsform weist Schritt (c) dieses Verfahrens ferner das Ausbilden einer Referenzelek­ trode mit einer dritten Elektrode mit einer dritten Elektro­ denfläche, einer dritten Zuleitung und einer dritten Kon­ taktfläche auf.

Vorzugsweise wird die nichtleitfähige Oberfläche durch Aufbringen einer nichtleitfähigen Beschichtung auf eine Sei­ te eines Substrats bereitgestellt, wobei das Substrat vor­ zugsweise ein flexibles Metall- oder Polymerlagen- oder -fo­ lienmaterial ist. Daher weist Schritt (a) bei einer bevor­ zugten Ausführungsform die Schritte auf:

• a) Bereitstellen eines flexiblen Substrats und
• b) Aufbringen einer nichtleitfähigen Beschichtung auf dem Substrat, um eine nichtleitfähige Oberfläche zu bilden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist Schritt (c) die Schritte auf.

• a) Aufbringen einer lichtunempfindlichen Deckmasse bzw. eines Photoresistmaterials auf die leitfähige Schicht, um eine erste Photeresistschicht zu bilden;
• b) Anordnen einer ersten Entwicklermaske auf der er­ sten Photoresistschicht;
• c) Belichten der unmaskierten Abschnitte der ersten Photoresistschicht durch Ultraviolettlicht, um einen ersten strukturierten oder gemusterten Photoresistbereich zu bil­ den;
• d) Entfernen der ersten Entwicklermaske;
• e) Entfernen des nicht durch Ultraviolettlicht belich­ teten ersten Photoresistschichtmaterials durch einen Ent­ wickler, um eine erste freigelegte leitfähige Schicht zu bilden
• f) Inkontaktbringen der ersten freigelegten leitfähi­ gen Schicht mit einer chemischen Ätzflüssigkeit, um die er­ ste freigelegte leitfähige Schicht zu entfernen; und
• g) Entfernen des ersten strukturierten Photoresistbe­ reichs durch ein Lösungsmittel, um eine zweite freigelegte leitfähige Schicht zu bilden, wobei die zweite freigelegte leitfähige Schicht aufweist: (i) eine Arbeitselektrode mit einer ersten Elektrode mit einer ersten Elektrodenfläche, einer ersten Zuleitung und einer ersten Kontaktfläche, (ii) eine Gegenelektode mit einer zweiten Elektrode mit einer zweiten Elektrodenfläche, einer zweiten Zuleitung und einer zweiten Kontaktfläche; und wahlweise (iii) eine Referenze­ lektrode mit einer dritten Elektrode mit einer dritten Elek­ trodenfläche, einer dritten Zuleitung und einer dritten Kon­ taktfläche.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist Schritt (c) ferner die Schritte auf:

• a) Aufbringen eines Photoresists auf die zweite frei­ gelegte leitfähige Schicht, um eine zweite Photore­ sistschicht zu bilden;
• b) Anordnen einer zweiten Entwicklermaske auf der zweiten Photoresistschicht, so daß der die dritte Elektro­ denfläche abdeckende Bereich der zweiten Photoresistschicht maskiert wird;
• c) Belichten des unmaskierten Bereichs der zweiten Photorestistschicht durch Ultraviolettlicht, um eine zweite strukturierte Photoresistschicht zu bilden;
• d) Entfernen der zweiten Entwicklermaske;
• e) Entfernen des nicht durch Ultraviolettlicht belich­ teten zweiten Photoresistschichtmaterials durch einen Ent­ wickler, um die dritte Elektrodenfläche freizulegen;
• f) Aufbringen eines Referenzmaterials auf die dritte Elektrodenfläche; und
• g) Entfernen der zweiten strukturierten Photore­ sistschicht durch ein Lösungsmittel.

Das zum Herstellen der erfindungsgemäßen Testvorrich­ tungen verwendete Verfahren ist vorzugsweise ein kontinuier­ liches Verfahren. Durch die Möglichkeit der Verwendung einer kontinuierlichen Verarbeitung zum Herstellen der Testvor­ richtungen, z. B. eines kontinuierlichen Walzbeschichtungs­ verfahrens, eines kontinuierlichen Walzensputterverfahrens, eines kontinuierlichen Photolithographiesystems unter Ver­ wendung von Kontaktmasken und Durchflußbädern, wird im Ver­ gleich zu Repetierverfahren eine hohe Produktivität erhalten und werden erhebliche Kosteneinsparungen erreicht.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf be­ vorzugte Ausführungsformen anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1A, 1B, 1C und 1D zeigen das Herstellungsver­ fahren von der Bereitstellung eines Substrats oder einer nichtleitfähigen Oberfläche bis zum Aufbringen eines Photo­ resistmaterials;

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D zeigen das Herstellungsver­ fahren von der Aufbringung des Photoresistmaterials bis zur Aufbringung eines Lösungsmittels, wodurch eine fertige Ar­ beits- oder Gegenelektrode erhalten wird;

Fig. 3 zeigt die fertige Referenzelektrode;

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht einer Testvorrichtung mit einer Arbeits-, einer Gegen- und einer Referenzelektrode; und

Fig. 5A, 5B und 5C zeigen die Vorrichtung von Fig. 4 mit einer Bluttrennungsmembran.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In der vorliegenden Erfindung werden amorphe Halblei­ termaterialien und Herstellungsverfahren für Halbleiter und gedruckte Schaltungen (PCB) verwendet, um eine elektrochemi­ sche Testvorrichtung herzustellen, die zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration von Analyten in wässe­ rigen Fluidproben geeignet sind. Durch Verwendung von amor­ phen Halbleitern und von PCB-Herstellungsverfahren können einheitliche elektrochemische Testvorrichtungen mit gut de­ finierten reproduzierbaren Elektrodenflächen wirtschaftlich hergestellt werden. Diese Flächen weisen eine sehr gleichmä­ ßige oder einheitliche Oberflächenmorphologie auf, wodurch Abweichungen bei elektrochemischen Tests reduziert werden. Die Oberflächenmorphologie steht in direktem Zusammenhang mit der Oberfläche der Elektroden. Die Menge und die Konzen­ tration der aufgebrachten Reagenzien sind bei der Herstel­ lung eines genauen Tests ebenfalls kritische Größen. Wenn die Oberfläche von Vorrichtung zu Vorrichtung nicht reprodu­ zierbar ist, müssen die einzelnen hergestellten Vorrichtun­ gen einzeln kalibriert werden, um exakte Anzeigen oder Meßwerte in einem Meßgerät zu gewährleisten. Durch die erfin­ dungsgemäßen Testvorrichtungen können aufgrund der exakten Reproduktion der Testvorrichtungen unter Verwendung kontrol­ lierter Aufdampf- oder Beschichtungs- bzw. Aufbringungsver­ fahren, z. B. durch Sputtern, Dampfphasenbeschichtung, Glim­ mentladungsverfahren oder Aufdampfen und chemische PCB- Herstellungsverfahren zum Ausbilden der Geometrien präzise elektrochemische Analytmessungen für sehr kleine Mengen wäs­ seriger Fluidproben durchgeführt werden. Diese Vorrichtungen können außerdem aufgrund der geringeren Kosten und der fle­ xiblen Natur der amorphen Halbleitermaterialien, wodurch ei­ ne Mengenherstellung in Fließfertigungsverfahren ermöglicht wird, schnell und leicht hergestellt werden.

Dünnschichttechniken sind zum Herstellen der amorphen Halbleitermaterialschicht oder -beschichtung bevorzugt, wie beispielsweise Sputtern, Dampfphasenbeschichtung, Glimment­ ladungsverfahren oder Aufdampfen. Durch diese Verfahren kön­ nen Beschichtungen bis zu einer Dicke von einigen µm herge­ stellt und Beschichtungen gleichmäßig auf der gesamten Ober­ fläche aufgebracht werden. Gegebenenfalls können durch Dick­ schichttechniken wesentlich dickere Schichten im Bereich von weniger als 0,005 Zoll ausgebildet werden. Obwohl durch bei­ de Verfahren gleichmäßige Oberflächen hergestellt werden können, ist die Dünnschichtmorphologie abhängig von der Oberflächenrauhigkeit des darunterliegenden Substrats, wo­ hingegen durch Dickschichttechniken die endgefertigte Ober­ flächenmorphologie der Vorrichtung aufgrund ihrer dickeren Struktur verändert werden kann.

In der erfindungsgemäßen elektrochemischen Testvorrich­ tung werden mindestens zwei Elektrodentypen verwendet. Der erste Elektrodentyp wird als "Arbeits- oder Anzeigeelektro­ de" bezeichnet, und der zweite Elektrodentyp wird als "Ge­ gen- oder gegenüberliegende Elektrode" bezeichnet. Durch diese Elektroden können Potentialänderungen zwischen den Elektroden exakt gemessen werden, wenn der Analyt quer über die Elektroden aufgebracht wird, wobei auf der Oberfläche einer der Elektroden ein Reagens aufgebracht ist, das mit dem Analyten reagieren kann. Wahlweise kann die Testvorrich­ tung auch eine Referenzelektrode aufweisen. Durch die Refe­ renzelektrode können exakte Potentialmessungen bezüglich ei­ nes festen Bezugs- oder Referenzpunktes vorgenommen werden. Es kann eine beliebige geeignete Referenzelektrode verwendet werden, z. B. Silber/Silberchlorid-, Quecksilber/Quecksilber­ chlorid- und Platin/Wasserstoffreferenzelektroden. Vorzugs­ weise ist die Referenzelektrode eine Silber/Silberchlorid­ referenzelektrode, und die Arbeitselektrode weist ein Poten­ tial im Bereich von etwa +1 bis -1 Volt gegen die Referenze­ lektrode auf. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Referenzelektroden sind in Transducers for Biome­ dical Measurements: Principles and Applications, R.S.C. Cob­ bold, Seiten 343-349, John Wiley & Sons (New York), näher beschrieben.

Die Elektroden in der erfindungsgemäßen Testvorrichtung werden vorzugsweise auf einem flexiblen Trägermaterial oder Substrat gehalten. Als Substrat kann ein beliebiges geeigne­ tes dielektrisches Material verwendet werden. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Polymerplatten, -film- oder -folienmaterial, z. B. aus einem Polyester, einem Polycarbo­ nat oder einem Polyimidträgermaterial, ausgewählt werden. Solche Polymermaterialien sind bekannt und kommerziell er­ hältlich. Typischerweise werden solche Polymerträgermateria­ lien vor der Verwendung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200 bis etwa 220°F (90 bis etwa 105°C) erwärmt. Durch einen solchen Erwärmungsvorgang wird das Substrat vorge­ schrumpft, um die Auswirkungen bzw. den Einfluß des Schrump­ fens während einer nachfolgenden Bearbeitung zu reduzieren.

Alternativ kann das Substrat eine Metallfolie mit einer Dic­ ke im Bereich von etwa 0,0005 Zoll bis etwa 0,005 Zoll sein. Es können flexible Metallplatten- oder -lagenmaterialien verwendet werden, die jedoch mit einer dielektrischen Be­ schichtung beschichtet werden müssen. Bevorzugte Metallagen­ materialien sind beispielsweise Folien, z. B. Folien aus Alu­ minium, aus Kupfer und aus rostfreiem Stahl. Folien aus Alu­ minium und aus rostfreiem Stahl sind besonders bevorzugt.

Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Substrat, z. B. ein Keramik-, Polymer- oder Metallsubstrat, wird vor­ zugsweise vor einer weiteren Verwendung mit einem Oberflä­ chenbeschichtungsmaterial beschichtet, um die Oberflächen­ morphologie des Substrats zu verbessern. Geeignete Oberflä­ chenbeschichtungsmaterialien sind z. B. Tinten oder Farben, Lacke, auf Ton basierende Beschichtungsmaterialien und Epoxidharze. Wenn Metallfolie als Substrat verwendet wird, ist die Oberflächenbeschichtung vorzugsweise eine Epoxidbe­ schichtung. Bevorzugte Epoxidharze weisen eine hohe Tempera­ turbeständigkeit auf und sind beispielsweise Epoxidanhydride (Dicy), Phenolepoxidharze und Polyamidepoxidharze (z. B. VERSAMIDES), die von Conat Inc. erhältlich sind.

Das Oberflächenbeschichtungsmaterial kann durch ein be­ liebiges herkömmliches Verfahren auf das Substrat aufge­ bracht werden, z. B. durch Walzbeschichten, Walzrakelstrei­ chen, Spaltbeschichten, Umkehr-Walzenbeschichten, Lippen- oder Messerbeschichten, Umlauf- oder Spinbeschichten oder ein anderes Beschichtungsverfahren bzw. eine andere Be­ schichtungstechnik, durch die eine dünne Schicht eines Ober­ flächenbeschichtungsmaterials aufgebracht wird, die ausrei­ chend ist, um die Oberflächenvertiefungen des Substrats zu verfüllen. Vorzugsweise wird das Oberflächenbeschichtungsma­ terial so auf das Substrat aufgebracht, daß die Oberflächen­ beschichtung eine Dicke von weniger als etwa 0,005 Zoll aufweist. Außer daß eine verbesserte Flachheit der Oberfläche durch Reduzieren der Schwankung oder Streubreite der Ober­ flächenmorphologie erhalten wird, wird durch die Oberflä­ chenbeschichtung die Verbindung der leitfähigen Schicht mit dem Substrat verbessert und wird eine nichtleitfähige Bar­ riere oder Sperre zwischen dem Substrat und den auf dem Oberflächenbeschichtungsmaterial ausgebildeten Elektroden erhalten.

Daraufhin werden die Elektroden unter Verwendung von Techniken zum Herstellen von Halbleitern und gedruckten Schaltungen auf dem beschichteten Substrat ausgebildet. Ty­ pischerweise wird zunächst eine leitfähige Schicht auf das beschichtete Substrat aufgedampft oder aufgebracht. Die leitfähige Schicht wird aus einem amorphen Halbleitermateri­ al gebildet, wie beispielsweise aus amorphem Siliciumoxid, amorphem Kohlenstoff, Gold oder Silber und ähnlichen Mate­ rialien. Amorphe Metalle können hergestellt werden, indem ermöglicht wird, daß während des Sputterprozesses eine ge­ ringe Menge von Heliumgas in die Sputterkammer entweicht. Solche Materialien sind bekannt. Beispielsweise wird die Herstellung geeigneter amorpher Halbleitermaterialien im US- Patent Nr. 4226898 von Ovshinsky beschrieben, auf das hierin durch Verweis bezug genommen wird.

Vorzugsweise ist das bei der vorliegenden Erfindung verwendete amorphe Halbleitermaterial mit Lithium, Kalium oder einem ähnlichen leitfähigen Ion dotiert, um die Leitfä­ higkeit zu erhöhen. In den US-Patenten Nr. 3983076 und 4178415 von Ovshinsky werden geeignete Verfahren zum Beimi­ schen verschiedener Substanzen zum amorphen Halbleitermate­ rial beschrieben, um seine Leitfähigkeit zu erhöhen. Auf diese Patente wird hierin durch Verweis bezug genommen.

Das amorphe Halbleitermaterial wird vorzugsweise auf die nichtleitfähige Beschichtung oder auf das Substrat aufgebracht oder aufgedampft, um eine leitfähige Schicht mit einer Dicke von weniger als etwa 0,005 Zoll und bevorzugter mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 5 µm herzustellen. Das amorphe Halbleitermaterial kann unter Verwendung eines be­ liebigen herkömmlichen Verfahrens zum Ausbilden einer leit­ fähigen Schicht auf die nichtleitfähige Schicht oder auf das Substrat aufgebracht werden, z. B. durch Sputtern, Dampfpha­ senbeschichten, Glimmentladungsbeschichten, Aufdampfen und ähnliche Verfahren. Alternativ können andere Beschichtungs- oder Aufbringungsverfahren verwendet werden, z. B. Elek­ troplattieren oder Galvanisieren, Dickschichtlaminieren, Walzenübertragung und ähnliche Verfahren. Dünnere Schichten werden am besten hergestellt durch Sputtern, Aufdampfen, Dampfphasenbeschichtung, Glimmentladungsverfahren oder ande­ re Dünnschichtverfahren, wohingegen dickere Schichten am be­ sten unter Verwendung von Dickschichtverfahren hergestellt werden, z. B. durch Elektroplattieren oder Galvanisieren, Dickschichtlaminieren, Walzenübertragung und ähnliche Ver­ fahren.

Vorzugsweise wird das amorphe Halbleitermaterial unter Verwendung von Dampfphasenbeschichtungs- oder Sputtertechni­ ken aufgebracht. Bei einer besonders bevorzugten Ausfüh­ rungsform wird das amorphe Halbleitermaterial durch gleich­ zeitiges Aufbringen des amorphen Halbleitermaterials und des Dotiermaterials gebildet, z. B. durch gleichzeitiges Aufdamp­ fen oder gleichzeitiges Sputtern. Gleichzeitiges Sputtern kann in einem herkömmlichen Hochfrequenz-Sputtersystem aus­ geführt werden, wie beispielsweise in einem von ULVAX Vacuum Systems erhältlichen System. Bei diesem Vorgang wird eine Kathode oder ein Target, das aus dem aufzubringenden oder aufzudampfenden Halbleitermaterial besteht, an einer Stan­ dard-Aluminiumträgerplatte befestigt. Außerdem werden Stücke des Dotiermaterials an der Kathode oder am Target befestigt. Substrate, auf die das amorphe Halbleitermaterial und das Dotiermaterial aufgebracht oder aufgedampft werden sollen, werden durch einen Halter gehalten, der bei einer Kathode mit einem Durchmesser von 3 1/3" in einem Abstand von etwa 3,5 cm vom Target beabstandet ist, oder kontinuierlich vom Target passiert.

Die Sputtervorrichtung wird zunächst auf einen Vakuum- oder Unterdruck evakuiert, der geringer ist als etwa 6 × 10^-6 Torr, um einen Basisunterdruck zu erzeugen. Argon wird in die Vorrichtung eingeleitet, um einen Betriebsdruck von etwa 5 × 10^-3 Torr gemäß der Anzeige eines Pirani-Vakuummessers zu erzeugen, wobei in der Vorrichtung ein tatsächlicher Unter­ druck von etwa 7 × 10^-3 Torr vorherrscht. Die Oberfläche der Kathode oder des Targets und die Dotiermaterialstücke werden zunächst durch Sputtern gegen den Verschlußschieber oder die Schleusenklappe der Vorrichtung in der Nähe der Substrate für etwa 30 Minuten gereinigt. Anschließend wird der Ver­ schlußschieber bzw. die Schleusenklappe geöffnet, und das Halbleitermaterial des Targets und die Dotiermaterialstücke auf dem Target werden gemeinsam auf die nichtleitfähige Be­ schichtung oder auf das Substrat aufgesputtert. Die Kathode oder das Target und der Halter für die Substrate werden bei­ de wassergekühlt, so daß ihre Temperatur während des Sput­ tervorgangs niedrig ist, z. B. etwa 50°C beträgt. Die Hoch­ frequenzleistung der Vorrichtung kann eine Frequenz von etwa 13,56 MHz und eine Vorwärtsspannung von etwa 1000 V aufweisen, wobei für eine Kathode oder ein Target mit einem Durch­ messer von 3,5" etwa 50-70 Watt erforderlich sind.

Die Aufbring- oder Aufdampfraten sind von den auf­ zusputternden Materialien abhängig, und die Aufbring- oder Aufdampfzeit wird variiert, um die gewünschte Schichtdicke zu erhalten. Die Dicke der gleichzeitig mit dem darin ange­ ordneten Dotiermaterial aufgebrachten amorphen Halbleiter­ schicht kann in Abhängigkeit vom vorgesehenen Verwendungs­ zweck der amorphen Halbleiterschicht von wenigen 100 Å bis zu etwa 5 µm variieren. Das amorphe Halbleitermaterial wird auf die nichtleitfähigen Beschichtungen oder Substrate in amorpher Form aufgebracht oder aufgedampft.

Die Menge des im amorphen Halbleitermaterial homogen eingebrachten Dotiermaterials ist allgemein durch die Fläche der auf das Halbleitermaterial der Kathode oder des Targets aufgebrachten Dotiermaterialstücke bestimmt. Der gewünschte Prozentanteil eines dem amorphen Halbleitermaterial beige­ mischten Modifiziermaterials kann dadurch geeignet gesteuert werden. Durch Verwendung eines hierin allgemein beschriebe­ nen gleichzeitigen Sputterverfahrens wird das Dotiermaterial im wesentlichen homogen in das Halbleitermaterial eingefügt, um die vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erhalten.

Vorzugsweise wird das amorphe Halbleitermaterial durch herkömmliche kontinuierliche Verfahren kontinuierlich auf die nichtleitfähige Beschichtung oder das Substrat aufge­ bracht. Solche kontinuierlichen Verfahren sind beispielswei­ se in den US-Patenten Nr. 3983076 von Rockstad, 3271591 und 4178415 von Ovshinsky beschrieben, auf die hierin durch Ver­ weis bezug genommen wird. Dadurch daß kontinuierliche Ver­ fahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Testvorrichtun­ gen verwendet werden können, wie beispielsweise kontinuier­ liches Walzbeschichten, kontinuierliches Walzensputtern, kontinuierliche Photolitographiesysteme unter Verwendung von Kontaktmasken und Durchflußbädern, wird eine Mengenherstel­ lung ermöglicht und werden im Vergleich zu herkömmlichen Re­ petierverfahren erhebliche Kosteneinsparungen erreicht. Ge­ eignete Vorrichtungen für solche kontinuierlichen Verfahren werden von Ulvac Vacuum Systems, Japan, hergestellt.

Nachdem das amorphe Halbleitermaterial auf der nicht­ leitfähigen Beschichtung oder auf dem Substrat aufgebracht wurde, werden herkömmliche Photolithographietechniken oder andere Techniken zum Herstellen elektronischer Schaltungen verwendet, um die Elektroden auszubilden. Im ersten Schritt eines typischen Verfahrens wird ein Photoresistmaterial bzw. eine lichtunempfindliche Deckmasse auf die leitfähige Schicht aufgebracht und getrocknet. Es kann ein beliebiges geeignetes Photoresistmaterial verwendet werden, einschließ­ lich negative und positive Photoresistmaterialien. Ein be­ vorzugtes Material ist ein von Dupont unter der Handelsbe­ zeichnung "Resiston" erhältliches, negatives, halbwässeriges Resist.

Daraufhin wird eine Entwicklermaske auf der Photore­ sistschicht angeordnet. Die Maske kann eine Kontaktmaske oder eine Nichtkontakt- oder kontaktfreie Maske sein. Bei den zum Herstellen der Elektrodenformen, der Leiterbahnen, der Kontaktflächen usw. verwendbaren Strukturierungs- und Maskierungsverfahren können erfindungsgemäß mechanische Mas­ ken, Kontaktmasken und ähnliche sowie andere geeignete Ver­ fahren verwendet werden.

Die Entwicklermaske, die Ausschnitte in der Form der Elektroden aufweist, bedeckt nur einen Teil der Photoresistschicht, so daß ein anderer Teil der Photore­ sistschicht freiliegt. Die unbedeckte oder freiliegende Photoresistschicht wird dann mit Ultraviolett(UV)-licht be­ strahlt. Durch Belichten mit Ultraviolettlicht wird das Pho­ toresistmaterial im Entwicklerlösungsmittel unlöslich. Das dem UV-Licht ausgesetzte, unlösliche Photoresistmaterial wird als "strukturiertes Photoresistmaterial" bezeichnet. Daraufhin wird die Entwicklermaske entfernt, und die Photo­ resistschicht wird mit einem Entwickler in Kontakt gebracht, um das zuvor durch die Entwicklermaske abgedeckte Photore­ sistmaterial zu entfernen. Die Art des in diesem Schritt verwendeten Entwicklers ist abhängig von dem bestimmten ver­ wendeten Photoresistmaterial. Typischerweise wird der zur Verwendung mit einem bestimmten Photoresist geeignete Ent­ wickler durch den Hersteller des Resistmaterials spezifi­ ziert. Wenn "Resiston" als Photoresist verwendet wird, soll­ te die von Dupont empfohlene Entwickler/Lösungsmittel- Kombination verwendet werden, wobei die empfohlenen Verfah­ ren sorgfältig beachtet werden sollten. Wenn ein anderes Photoresist ausgewählt wird, z. B. Shipley "AZ-11", würde ein anderer Entwickler verwendet, um das nichtbelichtete Photo­ resistmaterial zu entfernen.

Daraufhin wird eine chemische Ätzflüssigkeit verwendet, um das durch das Photoresistmaterial nicht mehr geschützte leitfähige Schichtmaterial zu entfernen. Das leitfähige Schichtmaterial, das weiterhin durch die übrige belichtete, unlösliche Photoresistschicht geschützt ist, wird durch die chemische Ätzflüssigkeit nicht entfernt. Geeignete chemische Ätzflüssigkeiten sind beispielsweise Fluorwasserstoffsäure- (HF) oder Ammoniumfluorid/Fluorwasserstoffsäure-(NH₄F-HF)- Gemische. Daraufhin, wird ein Lösungsmittel auf die die Elek­ troden definierenden strukturierten Photoresistbereiche auf­ gebracht, um die strukturierte Photoresistschicht zu entfer­ nen. Geeignete Lösungsmittel zum Entfernen der Photore­ sistschicht sind beispielsweise Schwefelsäure/Dichromat oder Ammoniak/Wasserstoffperoxid. Durch Behandlung mit dem Lö­ sungsmittel wird die Oberfläche der amorphen Halbleiterelek­ troden freigelegt. Jede Elektrode weist drei Bereiche oder Flächen auf: eine Kontaktfläche, eine Zuleitung und eine Elektrodenfläche. Vorzugsweise werden die Zuleitungen jeder Elektrode, nachdem die Elektroden freigelegt wurden, durch Aufbringen eines Epoxidharzmaterials auf die Zuleitungen isoliert.

Wahlweise wird daraufhin eine dritte Elektrode, falls diese vorgesehen ist, durch Aufbringen eines geeigneten Re­ ferenzmaterials als Referenzelektrode ausgebildet. Geeignete Referenzmaterialien sind beispielsweise Silber/Silberchlo­ rid-, Quecksilber/Quecksilberchlorid- und Platin/Wasser­ stoffmaterialien. Diese Materialien können durch ein belie­ biges vorstehend beschriebenes Dünnschichtverfahren auf die dritte Elektrodenfläche der Referenzelektrode aufgebracht werden.

Ein besonders bevorzugtes Referenzmaterial ist Sil­ ber/Silberchlorid. Um von Vorrichtung zu Vorrichtung repro­ duzierbare Ergebnisse zu erhalten, muß die Sil­ ber/Silberchloridschicht so aufgebracht werden, daß die Sil­ ber/Silberchloridschicht in jeder hergestellten Vorrichtung im wesentlichen den gleichen Oberflächenbereich abdeckt. Vorzugsweise wird dies unter Verwendung von Photolitogra­ phieverfahren erreicht, wie vorstehend beschrieben, um nach dem Entwicklungsvorgang einen exakte Fläche der Elektrode freizulegen. Daraufhin wird vorzugsweise durch Sputtern oder ein anderes reproduzierbares Beschichtungsverfahren eine dünne Silberschicht auf den freigelegten Bereich aufge­ bracht. Die Silberschicht ist vorzugsweise weniger als 0,001 Zoll, und bevorzugter etwa 1 µm bis etwa 5 µm dick. Alterna­ tiv kann unter Verwendung von Kissendruckverfahren, Tinten­ strahlverfahren, Walzenübertragungsdruckverfahren oder ähnlichen Verfahren eine Silberschicht auf die Elektrodenfläche der Referenzelektrode aufgebracht werden. Daraufhin wird die Silberschicht mit einer FeCl₃-Lösung in Kontakt gebracht, um die Silberoberfläche in Silberchlorid umzuwandeln, wodurch eine Silber/Silberchloridschicht gebildet wird. Durch an­ schließendes Entfernen des Photoresistmaterials unter Ver­ wendung eines Lösungsmittels wird die Herstellung der Refe­ renzelektrode abgeschlossen.

Die elektrochemische Testvorrichtung wird dann fertig­ gestellt durch Aufbringen eines geeigneten Reagens auf die Arbeitselektrode. Geeignete Reagenzien zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration verschiedener Analyten sind bekannt und werden nachstehend ausführlicher beschrie­ ben.

Bevorzugtes Verfahren zum Herstellen der Elektroden

Wie vorstehend beschrieben, werden die Elektroden der erfindungsgemäßen elektrochemischen Testvorrichtung unter Verwendung amorpher Halbleitermaterialien und unter Verwen­ dung von Verfahren zum Herstellen von Halbleitern und ge­ druckten Schaltungen hergestellt. Vorzugsweise werden solche Elektroden durch kontinuierliche Verfahren hergestellt. Ein für die vorliegende Erfindung geeignetes bevorzugtes Verfah­ ren zum Herstellen der Elektroden ist in den Fig. 1-5 dargestellt.

Wie in der Querschnittdarstellung von Fig. 1A darge­ stellt, wird ein dünnes Trägermaterial 1 aus Aluminiumfolie mit einer Dicke von 0,005 Zoll verwendet.

Die Querschnittansicht von Fig. 1B zeigt das Substrat, nachdem es unter Verwendung einer von Hirano erhältlichen Lippen- oder Messerbeschichtungsvorrichtung mit Epoxidharz 2 beschichtet wurde. Die Dicke der Epoxidschicht 2 beträgt 0,001 bis 0,005 Zoll. Das Epoxidharz wird vor dem nächsten Verarbeitungsschritt sorgfältig getrocknet.

Die Querschnittansicht von Fig. 1C zeigt das aus dem Trägermaterial 1 und dem Epoxidharz 2 in einer Sputtervor­ richtung gebildete Substrat, wobei eine amorphe Silicium­ oxidschicht 5 auf das Epoxidharz 2 aufgebracht wird. Durch das Target 3 und ein Plasma 4 wird eine amorphe Silicium­ oxidschicht 5 mit einer Dicke von weniger als etwa 0,005 Zoll und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 µm gebildet.

Wie in der Querschnittansicht von Fig. 1D dargestellt ist, wird nach dem Aufbringen der amorphen Siliciumoxidschicht 5 eine Photoresistschicht 6 auf das Verbundelement aufge­ bracht. Hierbei ist ein negatives halbwässeriges Resist von Dupont mit der Handelsbezeichnung "Resiston" zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Das Resist wird durch ein Warmwalzlaminierungsverfahren aufgebracht.

Wie in der Querschnittansicht von Fig. 2A dargestellt, wird dann eine Photomaske 7 mit einem ausgewählten Aus­ schnittmuster für die gewünschte Elektrode und Leiterbahnen auf das Verbundelement aufgebracht, und das Verbundmaterial wird anschließend mit Ultraviolettlicht bestrahlt und gemäß den Dupont-Produktrichtlinien getrocknet. Das Photoresist, das dem Ultraviolettlicht ausgesetzt war, ist nun für den Entwickler unlöslich.

Die Querschnittansicht von Fig. 2B zeigt das Verbund­ material, nachdem es durch den Entwickler behandelt wurde, um Abschnitte der amorphen Siliciumoxidschicht 5 freizule­ gen. Das gesamte Verbundmaterial wird dann in einem chemi­ schen Ätzflüssigkeitsbad angeordnet, und die freiliegenden Flächen der in Fig. 2B dargestellten amorphen Silicium­ oxidschicht 5 werden entfernt.

Wie in der Querschnittansicht von Fig. 2C dargestellt, werden durch das chemische Ätzflüssigkeitsbad die unerwünschten Abschnitte der amorphen Siliciumoxidschicht 5 ent­ fernt, wodurch ein Verbundelement aus dem Trägermaterial 1, Epixidharz 2 und ausgewählten Bereichen der amorphen Silici­ umoxidschicht 5 und des Photoresistmaterials 6 übrigbleibt. Durch die Ätzflüssigkeit kann der durch die Photore­ sistschicht 6 abgedeckte Bereich der amorphen Silicium­ oxidschicht 5 nicht gelöst werden.

Wie in der Querschnittansicht von Fig. 2D dargestellt ist, wird daraufhin die aktivierte oder strukturierte Photo­ resistschicht 6 durch Aufbringen eines Lösungsmittels ent­ fernt, durch das die amorphe Siliciumoxidschicht s freigelegt wird, wobei die gewünschte Elektrode und die gewünschten Leiterbahnen oder Leitungen auf dem Epoxidharz 2 verbleiben.

Die Querschnittansicht von Fig. 3 zeigt die Referenz­ elektrode 21, nachdem eine Siber/Silberchloridmaterial­ schicht 9 aufgebracht wurde. Hierbei ist äußerst wichtig, daß die Silber/Silberchloridschicht präzise aufgebracht wird, und die Aufbringung muß kontrolliert erfolgen, so daß die Oberfläche von Vorrichtung zu Vorrichtung konstant und reproduzierbar ist. Dies wird erreicht, indem ein Photore­ sistmaterial ähnlich wie bei den vorangehenden Schritten und der Ausbildung der Elektroden aufgebracht wird, so daß nur die Referenzelektrode 21, wie in Fig. 4 dargestellt, nach dem Entwickeln freigelegt wird. Daraufhin wird durch Sput­ tern eine dünne Silberschicht mit einer Dicke von weniger als 0,001 Zoll auf der aus amorphem Siliciumoxid 5 gebilde­ ten Referenzelektrode 21 aufgebracht. Die bevorzugte Dicke der Silberschicht beträgt 1 bis 5 µm. Es können dünnere Lei­ terschichten verwendet werden, so lange das System kontrol­ liert wird und die Oberflächenmorphologie reproduzierbar ist. Der Schichtbereich wird dann mit FeCl₃ behandelt, um die Silberoberfläche in Silberchlorid 9 umzuwandeln.

Die Draufsicht von Fig. 4 zeigt die freigelegte amor­ phe Siliciumschicht 5, die die Elektroden definiert, ein­ schließlich der Kontaktflächen 15, der Zuleitungen 18 und der Arbeitselektrode 20, der Referenzelektrode 21 und der Gegenelektrode 23. Die Zuleitungen 18 werden dann durch Auf­ bringen eines Epoxidharzes 22 isoliert. Nachdem die Sil­ ber/Silberchloridschicht auf die Referenzelektrode 21 aufge­ bracht wurde, wird ein Reagens 10 auf die Arbeitselektrode 20 aufgebracht.

Die Draufsicht von Fig. 5A zeigt die bevorzugte Aus­ führungsform der Erfindung, bei der eine Bluttrennungsmem­ bran 30 verwendet wird. Die Membran 30 weist vorzugsweise eine Hautseite 31 auf, die dazu geeignet ist, rote Blutzel­ len zu blockieren oder herauszufiltern, und eine Nicht- Hautseite oder gegenüberliegende Seite 37. Die Querschnitt­ ansicht von Fig. 5B zeigt, daß die Hautseite 31 der Membran 30 so angeordnet ist, daß die Blutprobe 32 auf die Hautseite aufgebracht werden kann. Die perspektivische Ansicht von Fig. 5C zeigt, daß die Membran 30 geprägt oder mit Buckeln versehen ist und in eine Öffnung 34 in einem Halter oder ei­ ner Abdeckung 36 gezwungen wird. Der Halter 36 besteht aus einem beliebigen geeigneten, dielektrischen Material, wie beispielsweise PET, Polystyrol oder Acryl, und muß so dick sein wie die Membran. Die Membran wird von der Unterseite des Halters 36 mit dem Halter 36 und mit der Epoxidschicht 22, durch die die Zuleitungen 36 isoliert sind, wie in Fig. 5B dargestellt, durch einen Klebstoff 38 verklebt. Die Mem­ bran wird mit einem Trennungsmittel getränkt und getrocknet, bevor die Membran angebracht wird, wie in Fig. 5C darge­ stellt. Bei dieser Ausführungsform steht die der Hautseite 31 der Membran 30 gegenüberliegende Seite 37 mit den in Fig. 5A dargestellten Elektroden 20, 21 und 23 in Kontakt. Um den Kontakt zwischen den beiden Schichten zu ermöglichen, ist bei der Montage während des Herstellungsprozesses ein Schritt zum Ausüben eines mechanischen Drucks auf die Haut­ seite 31 der Membran 30 vorgesehen, um die beiden Schichten zusammenzuzwingen, so daß sie miteinander in Kontakt kommen, wie in Fig. 5B dargestellt.

Reagenzien

Auf die Elektroden können verschiedenartige analytische oder elektrochemische Sensorreagenzien aufgebracht werden. Um eine zweckmäßige elektrochemische Testvorrichtung herzu­ stellen, muß eine geeignete Reagenschemie basierend auf dem zu testenden Analyten und den gewünschten Erfassungsgrenzen ausgewählt werden. Vorzugsweise wird das Reagens auf den be­ stimmten Elektroden so aufgebracht, daß von Sensor zu Sensor eine gleiche oder einheitliche Menge aufgebracht wird und das Reagens gleichmäßig auf den geeigneten Elektroden aufge­ bracht wird. Das Reagens kann unter Verwendung eines belie­ bigen herkömmlichen Verfahrens aufgebracht werden, z. B. durch ein Siebdruck- oder ein Tintenstrahldruckverfahren, oder durch diskretes Aufbringen unter Verwendung von IVEK- Pumpen oder eines beliebigen anderen Drop-on-demand-Systems, durch das reproduzierbare und gleichmäßige oder einheitliche Reagensmengen abgegeben und zugeführt werden können.

Die spezifischen zu beschichtenden Elektroden sind ab­ hängig von dem (den) spezifischen Reagens (Reagenzien). Ty­ pischerweise wird das Reagens auf die Arbeitselektrode auf­ gebracht, kann jedoch in einigen Fällen auch auf die anderen Elektroden aufgebracht werden. Nachdem das Reagens auf den geeigneten Elektroden aufgebracht wurde, wird es typischer­ weise getrocknet. Daraufhin wird das Reagens, wenn die Test­ vorrichtung verwendet wird, durch die Testprobe aus einem wässerigen Fluid, z. B. Blut, rehydriert, und dann wird ein Potential an die Elektroden angelegt, über die eine Strom­ messung durch ein Meßgerät vorgenommen werden kann.

Ein Beispiel eines zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Reagensgemischs ist nachstehend be­ schrieben. Dieses Reagens kann auch zum Bestimmen des Vor­ handenseins oder der Konzentration von Glucose in einer wäs­ serigen Fluidprobe verwendet werden. Vorzugsweise wird die­ ses Reagensgemisch in Verbindung mit einem elektrochemischen Sensor mit einer Gegenelektrode 20, einer Arbeitselektrode 23 und einer Referenzelektrode 21 verwendet.

Reagensgemisch

Material
Menge/Konzentration
2-(N-Morpholin)ethansulfosäure (MES-Puffer)	100 Millimol (mM)
Triton X-100	0,08 Gew.-%/Gew.
Polyvinylalkohol (PVA) Molekulargewicht 10 K, 88% hydrolisiert	1,00 Ge.-%/Gew.
Imidazolosmiumvermittler, reduziert, definiert gem. US-Patent Nr. 5437999	6,2 mM
Glucoseoxidase	6000 Einheiten/ml

Das vorstehend dargestellte Reagensgemisch kann durch folgende Verfahren hergestellt werden:

• a) 1,952 g MES-Puffer wird 85 ml Wasser im Nano- Gütegrad beigemischt. Das Gemisch wird verrührt, bis die Komponenten sich auflösen. Der pH-Wert der Lösung wird durch NaOH auf 5,5 eingestellt. Das Volumen der Lösung wird dann auf 100 ml einer Endpufferlösung gebracht.
• b) 0,08 g Triton X-100 und 1 g PVA werden in ein Be­ cherglas gegeben, das alle Komponenten aufnehmen kann (z. B. ein 200 ml-Becherglas). Die Pufferlösung wird hinzugegeben, um ein Gesamtlösungsgewicht von 100 g zu erhalten. Das Gemisch wird auf den Siedepunkt erwärmt und verrührt, um das PVA zu lösen.
• c) 4,0 mg des reduzierten Osmiumvermittlers werden 1 ml der in Schritt (b) erhaltenen Lösung beigemischt. Das Ge­ misch wird verrührt, um den Vermittler zu lösen.
• d) Das Gemisch wird stehengelassen und auf Raumtempe­ ratur abgekühlt.
• e) 6000 Einheiten Glucoseoxidase werden beigemischt, und das Gemisch wird gerührt, bis das Enzym gelöst ist.

Das vorstehend beschriebene Reagensgemisch kann zum Be­ stimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration von Gluco­ se in einer wässerigen Fluidprobe verwendet werden. Für Fachleute ist offensichtlich, daß andere Reagensgemische zum Testen anderer Analyten verwendet werden können. Solche Rea­ gensgemische sind bekannt. Typischerweise sind solche Rea­ gensgemische so zusammengesetzt, daß sie spezifisch mit dem gewünschten Analyten reagieren, um ein meßbares elektroche­ misches Signal zu erhalten.

Ohne Einschränkungen der Theorie wird angenommen, daß im vorstehend beschriebenen Beispiel eines Reagensgemischs Glucose unter dem Einfluß des Enzyms und des Redoxvermitt­ lers anaerob oxidiert oder reduziert wird. Ein solches Sy­ stem wird manchmal als amperometrischer Biosensor bezeich­ net. Amperometrie bezeichnet eine Strommessung bei einer an die Arbeitselektrode angelegten konstanten Spannung. In ei­ nem solchen System ist der fließende Strom durch Massen­ transport begrenzt. Daher ist der Strom der Glucose- Massenkonzentration proportional. Der Analyt, das Enzym und der Vermittler nehmen an einer Reaktion teil, in der der Vermittler entweder reduziert wird (d. h. mindestens ein Elektron aufnimmt) oder oxidiert wird (mindestens ein Elek­ tron abgibt). Die Glucosereaktion ist abgeschlossen, wenn Glucoseoxidase oxidiert und der Vermittler reduziert ist.

Daraufhin wird der Vermittler durch die angelegte Potential­ differenz an der Oberfläche der Arbeitselektrode oxidiert. Änderungen der Amperezahl oder der Stromstärke des Systems ergeben sich durch Änderungen des Verhältnisses der oxidier­ ten/reduzierten Form des Redoxvermittlers. Die Amperezahl- oder Stromstärkeänderung ist direkt korreliert mit der Er­ fassung oder Messung von Glucose in der Testprobe.

In den bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Rea­ gensgemischen können verschiedenartige Enzyme verwendet wer­ den. Welches Enzym verwendet wird ist abhängig vom zu erfas­ senden oder zu messenden Analyten. Bevorzugte Enzyme sind beispielsweise Glucoseoxidase, Glucosedehydrase, Choleste­ rinesterase und Alkoholoxidase. Die verwendete Enzymmenge beträgt allgemein etwa 0,5 bis etwa 3,0 Millionen Enzymein­ heiten pro Liter Reagensgemisch.

Das Reagensgemisch enthält außerdem typischerweise ei­ nen Redoxvermittler. Der Redoxvermittler wird allgemein so ausgewählt, daß er mit dem verwendeten Enzym verträglich ist, wobei Kombinationen aus Redoxvermittlern und Enzymen bekannt sind. Geeignete Redoxvermittler sind beispielsweise Kaliumferricyanid- und -ferrocenderivate, z. B. 1,1'-Di­ methylferrocen. Die im Reagensgemisch verwendete Redoxver­ mittlermenge beträgt typischerweise etwa 0,15 M bis etwa 0,7 M. Weitere zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ge­ eignete Vermittler sind beispielsweise Methylenblau, p- Benzochinon, Thionin, 2,6-Dichlorindophenol, Gallocyanin, Indophenol, Polyviologen, Osmium-bis(2,2'-Bipyridin)dihydro­ chlorid und Riboflavin-5'-Phosphatester. Wahlweise können diese Vermittler durch bekannte Verfahren in einer Matrix, z. B. in einer Polymermatrix, eingebunden oder eingeschlossen sein.

Beispiele von zur Verwendung in der vorliegenden Erfin­ dung geeigneten Enzym/Vermittler-Kombinationen sind, jedoch nicht ausschließlich, folgende:

Für eine bevorzugte Reagenschemie wird Kaliumferricya­ nid als Vermittler verwendet.

Außer einem Enzym und einem Redoxvermittler weist die Reagensschicht auf der Elektrode vorzugsweise außerdem einen Puffer, einen Stabilisator, ein Dispergens oder Dispergier­ mittel, ein Verdickungsmittel oder einen grenzflächenaktiven Stoff auf. Diese Materialien werden typischerweise in Mengen verwendet, durch die die Reaktion der Reagenzien mit dem Analyten optimiert wird. Die Konzentrationsbereiche dieser nachstehend dargestellten Komponenten beziehen sich auf das Reagensgemisch, bevor dieses auf der Elektrodenoberfläche getrocknet ist.

Im Reagensgemisch wird vorzugsweise ein Puffer verwen­ det, um einen geeigneten pH-Wert für die Enzymfunktion be­ reitzustellen. Der verwendete Puffer muß ein höheres Oxida­ tionspotential aufweisen als die reduzierte Form des Redox­ vermittlers. Ein zur Verwendung in der vorliegenden Erfin­ dung bevorzugter Puffer ist ein Phosphatpuffer mit einer Konzentration im Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 0,5 M. An­ dere geeignete Puffer sind beispielsweise BES-, BICINE-, CAPS-, EPPS-, HEPES-, MES-, MOPS-, PIPES-, TAPS-, TES- und TRICINE-Puffer (die zusammengefaßt als "gute" Puffer be­ zeichnet werden), Citrat, TRIS-Puffer und ähnliche. Die "gu­ ten" und TRIS-Puffer sind kommerziell erhältlich von Sigma- Aldrich Inc. (St. Louis, Missouri, USA).

Außerdem kann im Reagensgemisch ein Stabilisator zum Stabilisieren des Enzyms verwendet werden. Wenn das verwen­ dete Enzym Glucoseoxidase ist, ist ein bevorzugter Stabili­ sator Kaliumglutamat in einer Konzentration im Bereich von etwa 0,01 bis 4,0 Gew.-%. Andere geeignete Stabilisatoren sind beispielsweise Succinat, Aspartat, Blaudextran und ähn­ liche.

Es können außerdem Dispergiermittel im Reagensgemisch verwendet werden, um die Dispersion des Redoxvermittlers zu verbessern und seine Rekristallisation zu verhindern. Geeig­ nete Dispergiermittel sind, beispielsweise mikrokristalline Cellulose, Dextran, Chitin und ähnliche. Typischerweise wird das Dispergiermittel im Reagensgemisch in einer Menge von etwa 1,0 bis etwa 4,5 Gew.-% verwendet. Bevorzugte Disper­ giermittel sind beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, AVICEL RC-591 (eine mikrokristalline Cellulose, erhältlich von FMC Corp.) und NATROSOL-250 M (eine mikrokristalline Hy­ droxyethylcellulose, erhältlich von Aqualon).

Außerdem kann ein Verdickungsmittel im Reagensgemisch verwendet werden, um das Reagens auf der Elektrodenoberflä­ che zu halten. Geeignete Verdickungsmittel sind beispiels­ weise wasserlösliche Polymere, z. B. Polyvinylpyrrolidon.

Außerdem kann dem Reagensgemisch ein grenzflächenakti­ ver Stoff beigemischt werden, um eine schnelle und vollstän­ dige Befeuchtung der Elektrodenoberfläche zu ermöglichen. Vorzugsweise enthält das Reagensgemisch einen nichtionischen grenzflächenaktiven Stoff in einer Menge von etwa 0,01 bis 0,3 Gew.-%. Ein bevorzugter grenzflächenaktiver Stoff ist TRITON X-100, erhältlich von Sigma-Aldrich Inc.

Verwendung einer Bluttrennungsmembran

Die erfindungsgemäße elektrochemische Testvorrichtung kann zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration eines Analyten in einer Blutprobe verwendet werden. Bei ei­ ner bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße elektrochemische Testvorrichtung außerdem eine Trennungsmem­ bran auf, die Vollblutproben vor der Analyse in hochgradig gefärbte und relativ klare Fluidanteile trennt. Dies ermög­ licht eine Messung des Analyten im klaren Fluidanteil der Probe, die mit den Elektroden in Kontakt kommt, wodurch im wesentlichen verhindert wird, daß rote Blutzelle an der Re­ aktion teilnehmen.

Vollblut kann unter Verwendung eines kleinen Stücks ei­ ner Polyethersulfonmembran, z. B. Gelman P/N 200 D und ähnli­ che, getrennt werden, die mit Trennungsmitteln behandelt und getrocknet wurde.

Zur Verwendung mit der Membran ge­ eignete Trennungsmittel sind beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, Polyvinylsulfosäure (PVSA), Polyethylengly­ col (PEG), Polystyrolsulfosäure (PSSA), Hydroxypropylcellu­ lose (kommerziell erhältlich als Klucel^TM-EF), Polyvinylalko­ hol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyacrylsäure (PAA), wasserlösliche Salze, Citrate, Formiate, Sulfate, Aminosäu­ ren, Chitosan (Aminozucker), Zitronensäure, Phytinsäure, Ap­ felsäure und ähnliche. Diese Materialien sind im US-Patent Nr. 5306623 von Kiser et al. näher beschrieben, auf das durch Verweis bezug genommen wird.

Verwendung der elektrochemischen Testvorrichtung

Um die Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrochemi­ schen Testvorrichtung darzustellen, wird der nachstehende Glucosetest beschrieben. Durch Auswahl eines geeigneten Reagens, können durch Verwendung dieser Verfahren auch andere Analyten bestimmt werden.

Die Elektroden der elektrochemischen Testvorrichtung sind wie vorstehend beschrieben hergestellt, und die Ar­ beitselektrode wurde mit 0,1 µl des vorstehend beschriebenen Reagensgemischs beschichtet und getrocknet.

Die elektrochemische Testvorrichtung wird dann in ein Meßgerät eingeführt, bevor der Testablauf gestartet wird. Es kann ein beliebiges Meßgerät mit Anschlüssen verwendet wer­ den, die geeignet mit den Kontaktflächen 15 der Testvorrich­ tung (vergl. Fig. 5A) in Kontakt kommen. Solche Meßgeräte sind bekannt. Das Meßgerät weist normalerweise eine Meß­ schaltung auf und ist dazu geeignet, einen geeigneten Algo­ rithmus auf die Strommessung anzuwenden, wodurch der Ana­ lytpegel erhalten und optisch angezeigt werden kann. Bei­ spiele geeigneter Stromquellen und Meßgeräte sind in den US- Patenten Nr. 4963814, 4999632 und 4999582 von Parks et al., im US-Patent Nr. 5243516 von White et al. und in der Euro­ päischen Patentveröffentlichung EP 0 351 891 B1 von Hill et al. beschrieben. Die Offenbarungen dieser Patente sind durch Verweis hierin miteinbezogen.

Daraufhin wird eine kleine Menge einer Blutprobe oder einer anderen Fluidprobe auf die Testvorrichtung aufge­ bracht. Der Strom wird etwa 10 bis 30 Sekunden nach dem Auf­ bringen der Probe gemessen. Der Strom wird durch das Meßge­ rät zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode gemessen, und eine Vergleichsmessung wird unter Bezug auf die Refe­ renzelektrode durchgeführt, falls diese vorhanden ist. Das Meßgerät wendet dann den Algorithmus auf die Strommessung an und wandelt die Meßwerte in eine Analytkonzentration um. Dieser Analytpegel wird durch das Meßgerät optisch ange­ zeigt.

Claims (35)

1. Elektrochemische Testvorrichtung zum Bestimmen des Vor­ handenseins oder der Konzentration eines Analyten in einer wässerigen Fluidprobe, wobei die elektrochemische Testvorrichtung aufweist:

• a) eine nichtleitfähige Oberfläche;
• b) eine Arbeitselektrode aus einem auf die nicht­ leifähige Oberfläche aufgebrachten amorphen Halbleiter­ material, wobei die Arbeitselektrode eine erste Elek­ trodenfläche, eine erste Zuleitung und eine erste Kon­ taktfläche aufweist;
• c) eine Gegenelektrode aus einem auf der nicht­ leitenden Oberfläche aufgebrachten amorphen Halbleiter­ material, wobei die Gegenelektrode eine zweite Elek­ trodenfläche, eine zweite Zuleitung und eine zweite Kontaktfläche aufweist; und
• d) ein Reagens, das mit dem Analyten reagieren kann, um eine meßbare Potentialänderung zu erzeugen, die mit dem Vorhandensein oder der Konzentration des Analyten in der Fluidprobe in Korrelation gebracht wer­ den kann, wobei das Reagens auf mindestens einem Teil der ersten Elektrodenfläche der Arbeitselektrode aufge­ bracht ist.

2. Testvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner eine Referenzelektrode aus einem auf der nicht­ leitfähigen Oberfläche aufgebrachten amorphen Halblei­ termaterial aufweist, wobei die Referenzelektrode eine dritte Elektrodenfläche, eine dritte Zuleitung und eine dritte Kontaktfläche aufweist, und wobei mindestens auf einem Teil der dritten Elektrodenfläche ein Referenzma­ terial aufgebracht ist.

3. Testvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Referenzma­ terial Silber/Silberchlorid ist.

4. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die nichtleitfä­ hige Oberfläche durch eine auf eine Seite eines flexi­ blen Metallmaterials aufgebrachte nichtleitfähige Be­ schichtung gebildet ist.

5. Testvorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 4, wobei die nichtleitfä­ hige Oberfläche aus einem flexiblen Polymerplattenmate­ rial oder aus einer auf eine Seite eines flexiblen Po­ lymerplattenmaterials aufgebrachten nichtleitfähigen Beschichtung gebildet wird.

6. Testvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Polymerplat­ tenmaterial aus der Gruppe aus Polyestern, Polycarbona­ ten und Polyimiden ausgewählt wird.

7. Testvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die nichtleitfä­ hige Beschichtung ein Epoxidharz ist.

8. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das amorphe Halbleitermaterial amorphes Siliciumoxid ist.

9. Testvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das amorphe Si­ liciumoxid mit einem Ion dotiert ist, um die Leitfähig­ keit zu erhöhen.

10. Testvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das amorphe Si­ liciumoxid mit Lithium dotiert ist.

11. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das amorphe Halbleitermaterial Gold ist.

12. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das amorphe Halbleitermaterial Silber ist.

13. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei das Reagens ein Enzym und einen Redoxvermittler aufweist.

14. Testvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Enzym Glu­ coseoxidase ist.

15. Testvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Redoxver­ mittler Kaliumferricyanid ist.

16. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die elektroche­ mische Testvorrichtung ferner eine Bluttrennungsmembran aufweist.

17. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Test­ vorrichtung zum Bestimmen des Vorhandenseins oder der Konzentration eines Analyten in einer wässerigen Fluidprobe, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

• a) Bereitstellen einer nichtleitfähigen Oberflä­ che;
• b) Aufbringen eines amorphen Halbleitermaterials auf die Oberfläche, um eine leitfähige Schicht zu bil­ den;
• c) chemisches Bearbeiten der leitfähigen Schicht, um eine Arbeitselektrode mit einer ersten Elektrode mit einer ersten Elektrodenfläche, einer ersten Zuleitung und einer ersten Kontaktfläche und eine Gegenelektrode mit einer zweiten Elektrode mit einer zweiten Elektrodenfläche, einer zweiten Zuleitung und einer zweiten Kontaktfläche zu bilden; und
• d) Aufbringen eines Reagens auf mindestens einen Teil der ersten Elektrodenfläche der Arbeitselektrode, wobei das Reagens dazu geeignet ist, mit einem Analyten in einer wässerigen Fluidprobe zu reagieren, um eine meßbare Potentialänderung zu erzeugen, die mit der Kon­ zentration des Analyten in der Fluidprobe in Korrelati­ on gebracht werden kann.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei Schritt (c) ferner das Ausbilden einer Referenzelektrode mit einer dritten Elektrode mit einer dritten Elektrodenfläche, einer dritten Zuleitung und einer dritten Kontaktfläche auf­ weist.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei Schritt (a) die Schritte aufweist:

• a) Bereitstellen eines flexiblen Substrats;
• b) Aufbringen einer nichtleitfähigen Beschichtung auf das Substrat, um eine nichtleitfähige Oberfläche zu erzeugen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das flexible Substrat ein Metallplattenmaterial oder ein Polymerplattenmate­ rial ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Polymerplattenma­ terial aus der Gruppe aus Polyestern, Polycarbonaten und Polyimiden ausgewählt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die nichtleitfähige Oberflächenbeschichtung ein Epoxidharz ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das amorphe Halbleitermaterial amorphes Siliciumoxid ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das amorphe Siliciu­ moxid mit einem Ion dotiert ist, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das amorphe Siliciu­ moxid mit Lithium dotiert ist.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das amorphe Halbleitermaterial Gold ist.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das amorphe Halbleitermaterial Silber ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, wobei das Reagens ein Enzym und einen Redoxvermittler aufweist.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Enzym Glucoseoxi­ dase ist.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Redoxvermittler Kaliumferricyanid ist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 30, wobei die elektrochemische Testvorrichtung ferner eine Bluttrennungsmembran aufweist.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 31, wobei Schritt (c) ferner die Schritte aufweist:

• a) Aufbringen eines Photoresistmaterials auf die leitfähige Schicht, um eine erste Photoresistschicht zu bilden;
• b) Anordnen einer ersten Entwicklermaske auf der ersten Photoresistschicht;
• c) Belichten des nicht maskierten Teils der er­ sten Photoresistschicht durch ultraviolettes Licht, um einen ersten strukturierten Photoresistbereich zu bil­ den;
• d) Entfernen der ersten Entwicklermaske;
• e) Entfernen des nicht durch Ultraviolettlicht belichteten Teils der ersten Photoresistschicht durch einen Entwickler, um eine erste freigelegte leitfähige Schicht zu bilden;
• f) Inkontaktbringen der ersten freigelegten leit­ fähigen Schicht mit einer chemischen Ätzflüssigkeit, um die erste freigelegte leitfähige Schicht zu entfernen;
• g) Entfernen des ersten strukturierten Photore­ sistbereichs durch ein Lösungsmittel, um eine zweite freigelegte leitfähige Schicht zu bilden, wobei die zweite freigelegte leitfähige Schicht aufweist: (i) ei­ ne Arbeitselektrode mit einer ersten Elektrode mit ei­ ner ersten Elektrodenfläche, einer ersten Zuleitung und einer ersten Kontaktfläche, (ii) eine Gegenelektrode mit einer zweiten Elektrode mit einer zweiten Elektro­ denfläche, einer zweiten Zuleitung und einer zweiten Kontaktfläche, und wahlweise (iii) eine Referenzelek­ trode mit einer dritten Elektrode mit einer dritten Elektrodenfläche, einer dritten Zuleitung und einer dritten Kontaktfläche.

33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei Schritt (c) ferner die Schritte aufweist:

• a) Aufbringen eines Photoresistmaterials auf die zweite freigelegte leitfähige Schicht, um eine zweite Photoresistschicht zu bilden;
• b) Anordnen einer zweiten Entwicklermaske auf der zweiten Photoresistschicht, so daß der die dritte Elek­ trodenfläche abdeckende Teil der zweiten Photore­ sistschicht maskiert ist;
• c) Belichten des unmaskierten Teils der zweiten Photoresistschicht durch Ultraviolettlicht, um eine zweite strukturierte Photoresistschicht zu bilden;
• d) Entfernen der zweiten Entwicklermaske;
• e) Entfernen des nicht durch Ultraviolettlicht belichteten Teils der zweiten Photoresistschicht durch einen Entwickler, um die dritte Elektrodenfläche frei­ zulegen;
• f) Aufbringen eines Referenzmaterials auf die dritte Elektrodenfläche;
• g) Entfernen der zweiten strukturierten Photore­ sistschicht durch ein Lösungsmittel.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, wobei das Referenzmaterial Silber/Silberchlorid ist.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 34, wobei das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren ist.