WO0202796A2

Disposable electrochemical bio-sensor for the quantitative determination of analyte concentrations in fluids

Abstract

The invention relates to a disposable bio-sensor, comprising a support material (1), upon which electrical conductors (2) and an electrode system, comprising a counter electrode (6) and a working electrode (5) formed from a reaction layer, are deposited, a dielectric insulating layer (3), covering the support material (1) and the electrical conductors (2), recesses for forming contacts (4) for a potentiostat unit and the electrode system and a bio-component for recognition of the analyte. The reaction layer of said disposable bio-sensor comprises a lightly subliming electron-transfer mediator along with an electron-conducting material. The electrode system of said bio-sensor is covered by a polymeric protective coat (8). The invention further relates to a method for the determination of analytes in a fluid sample, by means of the said bio-sensor, the use of lightly subliming compounds as electron-transfer mediators in an electrochemical sensor for the transfer of electrons from an enzyme to an electron conducting material and the use of said bio-sensors for the determination of analyte concentrations in body or sample fluids.

WO0202796A2, drawing sheet 1
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30 claims: 30 independent, 0 dependent

  1. 1
    PATENT CLAIMS 1. Disposable biosensor comprising a carrier material (1) on which electrical conductor tracks (2) and an electrode system comprising a counter electrode (6) and a working electrode (5) formed from a reaction layer are applied, a dielectric insulator layer (3) which supports the carrier material (1) and also covers the electrical conductor tracks (2) and has cutouts for the contacting (4) of a potentiostat unit and for the electrode system, and an analyzer-recognizing biocomponent, characterized in that - the reaction layer contains, in addition to an electron-conducting material, a slightly sublimating electron transfer mediator and - the electrode system is covered by a polymeric protective layer (8). PATENTANSPRÜCHE 1. Einwegbiosensor umfassend ein Trägermaterial (1 ), auf dem elektrische Leiterbahnen (2) sowie ein Elektrodensystem umfassend eine Gegenelektrode (6) und eine aus einer Reaktionsschicht gebildete Arbeitselektrode (5) aufgebracht sind, eine dielektrische Isolatorschicht (3), welche das Trägermaterial (1 ) sowie die elektrischen Leiterbahnen (2) bedeckt und Aussparungen für die Kontaktierung (4) einer Potentiostateinheit und für das Elektrodensystem aufweist, sowie eine analyterkennende Biokomponente, dadurch gekennzeichnet, dass - die Reaktionsschicht neben einem elektronenleitenden Material einen leicht sublimierenden Elektronentransfermediator enthält und - das Elektrodensystem von einer polymeren Schutzschicht (8) bedeckt ist.
  2. 2
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronentransfermediator in der Reaktionsschicht eine Verbindung der Struktur (I) ist, in der die Reste R1, R2, R3 und R4 gleich oder verschieden sein können und ein Wasserstoffatom, einen C-i-Cio-AIkylrest, bevorzugt einen Cι-C5-Alkylrest, oder einen Arylrest darstellen. 2nd Disposable biosensor according to claim 1, characterized in that the electron transfer mediator in the reaction layer is a compound of structure (I), in which the residues R1, R2, R3 and R4 may be the same or different and a hydrogen atom, a Ci-Cio-alkyl radical, preferably a -C-C5-Alkylrest, or represent an aryl radical.
  3. 3
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronentransfermediator in der Reaktionsschicht entweder p-Phenylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethyl-p-Phenylendiamin (TMPD) oder p-Aminodiphenylamin /Δ ΠDΔ \ iot 3rd Disposable biosensor according to claim 1 to 2, characterized in that the electron transfer mediator in the reaction layer either p-phenylenediamine, N, N, N ', N'-tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD) or p-aminodiphenylamine / Δ ΠDΔ \ iot
  4. 4
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem zusätzlich eine Referenzelektrode (7) umfaßt. 4th Disposable biosensor according to claims 1 to 3, characterized in that the electrode system additionally comprises a reference electrode (7).
  5. 5
    Disposable biosensor according to claim 4, characterized in that the reference electrode (7) consists of a polymer paste containing silver particles, silver chloride and a readily soluble chloride salt as essential components. 5. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (7) aus einer als wesentliche Bestandteile Silberpartikel, Silberchlorid und ein leicht lösliches Chloridsalz enthaltenden Polymerpaste besteht.
  6. 6
    Disposable biosensor according to claim 1 to 5, characterized in that the carrier material (1) consists of polycarbonate, polyvinyl chloride (PVC), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene, polyester or polystyrene. 6. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) aus Polycarbonat, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephtalat (PET), Polypropylen, Polyester oder Polystyrol besteht.
  7. 7
    Disposable biosensor according to claim 1 to 6, characterized in that the conductor tracks (2) consist of a polymer paste containing carbon, silver, platinum or gold particles as essential components. 7. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) aus einer als wesentliche Bestandteile Kohlenstoff-, Silber-, Platin- oder Goldpartikel enthaltenden Polymerpaste bestehen.
  8. 8
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Reaktionsschicht eine Polymerpaste als elektronenleitendes Material verwendet worden ist, die als wesentliche Bestandteile Kohlenstoff-, Platin-, Palladium-, Rhodium- oder Goldpartikel enthält. 8th. Disposable biosensor according to claim 1 to 7, characterized in that a polymer paste has been used as the electron-conducting material for the production of the reaction layer, which contains carbon, platinum, palladium, rhodium or gold particles as essential components.
  9. 9
    Disposable biosensor according to Claims 1 to 8, characterized in that the counter electrode (6) consists of a polymer paste containing silver particles, silver chloride and a readily soluble silver salt as essential components. 9. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (6) aus einer als wesentliche Bestandteile Silberpartikel, Silberchlorid und ein leicht lösliches Silbersalz enthaltenden Polymerpaste besteht.
  10. 10
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile, polymere Schutzschicht (8) im wesentlichen aus einem Hydrogel aus Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenoxid (PEO), Stärke oder Gelatine besteht. 10th Disposable biosensor according to claims 1 to 9, characterized in that the hydrophilic, polymeric protective layer (8) consists essentially of a hydrogel made of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethylene oxide (PEO), starch or gelatin.
  11. 11
    Disposable biosensor according to Claims 1 to 10, characterized in that a plastic fabric (9) is located above the electrode system and is fixed above the electrodes with a tape (10) covering the polymer protective layer (8), the tape (10) having a recess for taking up a liquid. 11. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Elektrodensystem ein Kunststoffgewebe (9) lokalisiert ist, welches mit einem die polymere Schutzschicht (8) bedeckenden Tape (10) über den Elektroden fixiert ist, wobei das Tape (10) eine Aussparung zur Aufnahme einer Flüssigkeit aufweist.
  12. 12
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgewebe (9) aus einem Polyethylen-, Polypropylen- oder Polyamidnetz besteht. 12th Disposable biosensor according to claim 11, characterized in that the plastic fabric (9) consists of a polyethylene, polypropylene or polyamide network.
  13. 13
    Disposable biosensor according to claim 11, characterized in that the tape (10) consists of a one-sided adhesive polyester, PVC or paper adhesive film. 13. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Tape (10) aus einer einseitig klebenden Polyester-, PVC- oder Papierklebefolie besteht.
  14. 14
    Disposable biosensor according to claims 1 to 13, characterized in that the analyte-recognizing biocomponent is an enzyme. 14. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die analyterkennende Biokomponente ein Enzym ist.
  15. 15
    Disposable biosensor according to claim 14, characterized in that the enzyme is an oxidoreductase, a dehydrogenase, a β-galactosidase or an alkaline phosphatase. 15. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym eine Oxidoreduktase, eine Dehydrogenase, eine ß-Galaktosidase oder eine alkalische Phosphatase ist.
  16. 16
    Disposable biosensor according to claim 14 to 15, characterized in that the enzyme is either glucose oxidase (GOD), lactate oxidase (LOD), uricase, ascorbate oxidase, ethanol oxidase, cholesterol oxidase or peroxidase (POD). 16. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym entweder Glukoseoxidase (GOD), Laktatoxidase (LOD), Uricase, Ascorbatoxidase, Ethanoloxidase, Cholesteroloxidase oder Peroxidase (POD) ist.
  17. 17
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die analyterkennende Biokomponente ein DNA-Molekül, ein Fänger-Antikörper oder ein Rezeptor ist. 17th Disposable biosensor according to claim 1 to 13, characterized in that the analyte-recognizing biocomponent is a DNA molecule, a capture antibody or a receptor.
  18. 18
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht aus einer einzigen Schicht enthaltend die elektronenleitende Polymerpaste, den leicht sublimierenden Mediator sowie die analyterkennende Biokomponente gebildet wird. 18th Disposable biosensor according to claims 1 to 17, characterized in that the reaction layer is formed from a single layer containing the electron-conducting polymer paste, the slightly subliming mediator and the analyzer-recognizing biocomponent.
  19. 19
    Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die D η lΛno kl M --.I .r. C-. :_ -. 4. _ li. 1 -I ■ - - l - l i ι ■ ■ Polymerpaste und den leicht sublimierenden Mediator gebildet wird und dass die analyterkennende Biokomponente in der polymeren Schutzschicht (8) lokalisiert ist. 19th Disposable biosensor according to claim 1 to 17, characterized in that the D η lΛno kl M -.I. .r. C-. : _ -. 4. _ left 1 -I■ - - l - left ι ■ ■ Polymer paste and the slightly subliming mediator is formed and that the analyte-recognizing biocomponent is located in the polymer protective layer (8).
  20. 20
    Disposable biosensor according to claim 1 to 17, characterized in that the reaction layer consists of two layers, the first layer containing an electron-conducting polymer paste and a slightly subliming mediator and is covered by a second, hydrophilic polymer cover layer, which acts as a carrier of the analyte-recognizing biocomponent. 20. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht aus zwei Schichten besteht, wobei die erste Schicht eine elektronenleitende Polymerpaste sowie einen leicht sublimierenden Mediator enthält und von einer zweiten, hydrophilen polymeren Deckschicht bedeckt ist, die als Träger der analyterkennenden Biokomponente fungiert. 10 10
  21. 21
    Disposable biosensor according to claims 1 to 17, characterized in that the reaction layer consists of two layers, the first layer being formed from the electron-conducting polymer paste and being covered by a second, hydrophilic polymeric top layer, which supports the 15 analyte-recognizing biocomponent and the slightly subliming one Mediators acts. 21. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht aus zwei Schichten besteht, wobei die erste Schicht aus der elektronenleitenden Polymerpaste gebildet wird und von einer zweiten, hydrophilen polymeren Deckschicht bedeckt ist, die als Träger der 15 analyterkennenden Biokomponente und des leicht sublimierenden Mediators fungiert.
  22. 22
    Disposable biosensor according to claim 1 to 17, characterized in that the reaction layer consists of two layers, the first layer being formed from the electron-conducting polymer paste and being covered by a second, hydrophilic polymer cover layer which acts as a carrier of the slightly subliming mediator and in that the analyte-recognizing ι biocomponent is located in the polymer protective layer (8). 22. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht aus zwei Schichten besteht, wobei die erste Schicht aus der 20 elektronenleitenden Polymerpaste gebildet wird und von einer zweiten, hydrophilen polymeren Deckschicht bedeckt ist, die als Träger des leicht sublimierenden Mediators fungiert und dass die analyterkennende ι Biokomponente in der polymeren Schutzschicht (8) lokalisiert ist. 25 25
  23. 23
    Disposable biosensor according to claim 20 to 22, characterized in that the hydrophilic polymeric cover layer consists essentially of a hydrogel made of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethylene oxide (PEO), starch or gelatin. 23. Einwegbiosensor gemäß Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile polymere Deckschicht im wesentlichen aus einem Hydrogel aus Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenoxid (PEO), Stärke oder Gelatine besteht.
  24. 24
    Verfahren zur Bestimmung eines Analyten in einer flüssigen Probe unter 30 Verwendung des Biosensors gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Probe auf das Elektrodensystem des Biosensors gebracht wird und anschließend über eine Potentiostateinheit, mit der ein definiertes Meßpotential vorgegeben wird, der zur Analytkonzentration proportionale Strom, Hαc Moflβiπnal HPQ Rir><5 nQnr<-:HarQtpllt h£»<5timmt 24th Method for determining an analyte in a liquid sample using the biosensor according to claim 14, characterized in that a liquid sample is applied to the electrode system of the biosensor and then via a potentiostat unit with which a defined measurement potential is specified which is proportional to the analyte concentration Strom, Hαc Moflβiπnal HPQ Rir> <5 nQnr <-: HarQtpllt h £ »<5t
  25. 25
    Verfahren zur Bestimmung eines Analyten in einer flüssigen Probe unter Verwendung des Biosensors gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Probe, welche eine sequenzspezifische DNA, ein Antigen oder einen Liganden enthält, auf das Elektrodensystem des Biosensors gebracht wird, danach der Sensor mit einer Pufferlösung gründlich gewaschen wird, anschließend die Elektroden zunächst mit einer Lösung enthaltend ein Enzym- Konjugat, welches die sequenzspezifische DNA, das Antigen oder den Liganden erkennt, und nach erneutem Waschen mit einer Lösung enthaltend ein Substrat bedeckt werden und schließlich über eine Potentiostateinheit, mit der ein definiertes Meßpotential vorgegeben wird, der zur DNA-Konzentration, zur Antigen-Konzentration oder zur Ligand-Konzentration proportionale Strom, welcher das Meßsignal des Biosensors darstellt, bestimmt wird. 25th A method for determining an analyte in a liquid sample using the biosensor according to claim 17, characterized in that a liquid sample which contains a sequence-specific DNA, an antigen or a ligand is applied to the electrode system of the biosensor, then the sensor with a Buffer solution is washed thoroughly, then the electrodes first with a solution containing an enzyme conjugate, which contains the sequence-specific DNA, recognizes the antigen or the ligand, and after washing again with a solution containing a substrate and finally over a potentiostat unit with which a defined measurement potential is specified, the current proportional to the DNA concentration, the antigen concentration or the ligand concentration , which represents the measurement signal of the biosensor.
  26. 26
    Use of slightly subliming compounds as electron transfer mediators of an electrochemical sensor for transferring electrons from an enzyme to an electron-conducting material, the compound being located in a so-called reaction layer. 26. Verwendung von leicht sublimierenden Verbindungen als Elektronentransfermediatoren eines elektrochemischen Sensors zur Überführung von Elektronen von einem Enzym zu einem elektronenleitenden Material, wobei sich die Verbindung in einer sogenannten Reaktionsschicht befindet.
  27. 27
    27 Use of slightly subliming compounds as electron transfer mediators according to claim 26, characterized in that the compound has a structure according to formula (I), in which the residues R1, R2, R3 and R4 may be the same or different and a hydrogen atom, a Ci-Cio-alkyl radical, preferably a CC5-Alkylrest, or represent an aryl radical. 27. Verwendung von leicht sublimierenden Verbindungen als Elektronentransfermediatoren gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Struktur gemäß der Formel (I) aufweist, in der die Reste R1, R2, R3 und R4 gleich oder verschieden sein können und ein Wasserstoffatom, einen C-i-Cio-Alkylrest, bevorzugt einen C C5-Alkylrest, oder einen Arylrest darstellen.
  28. 28
    28 Use of slightly subliming compounds as Clölv + r- \ nön + r'3no αr.} Hiαtι-> ron nomüfl Δncnπ irh 9fi πnH 97 HαHur h characterized that the compound is p-phenylenediamine, N, N, N', N'-Tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD) or p-aminodiphenylamine (ADPA). 28. Verwendung von leicht sublimierenden Verbindungen als Clölv+r-\nön+r'3no αr .}Hiαtι->ron nomüfl Δncnπ irh 9fi πnH 97 HαHur h gekennzeichnet, dass es sich bei der Verbindung um p-Phenylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethyl-p-Phenylendiamin (TMPD) oder p-Aminodiphenylamin (ADPA) handelt.
  29. 29
    Use of a disposable biosensor according to 1 to 23 for determining analyte concentration in a synthetic solution, in a nutrient solution or in a body fluid such as blood, blood plasma, blood serum or urine. 29. Verwendung eines Einwegbiosensors gemäß 1 bis 23 zur Bestimmung von Analytkonzentration in einer synthetischen Lösung, in einer Nährlösung oder in einer Körperflüssigkeit wie etwa Blut, Blutplasma, Blutserum oder Urin.
  30. 30
    Verwendung eines Einwegbiosensors gemäß Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, das der Analyt Glukose, Laktat, Harnsäure, Ascorbat, Ethanol, Cholesterol oder Wasserstoffperoxid ist. 30th Use of a disposable biosensor according to claims 1 to 23, characterized in that the analyte is glucose, lactate, uric acid, ascorbate, ethanol, cholesterol or hydrogen peroxide.
Independent claims30