[发明专利]具有最小化欧姆电阻的微流体器件

说明书

发明背景

分析器件微型化已成为分析化学的发展趋势，主要原因有两个：缩短单次分析所需的时间；减小样品/废物的尺寸。过去几年，微流体器件的制造及其在开发分析方法上的应用方面已经取得许多进展。

分析系统微型化的一个薄弱环节是要确保数量较少的分子在容量较小的微流体器件中的检测下限。包括光学检测、质谱检测或电化学检测在内的不同检测手段已经成功应用于检测浓度较高的分析物。例如，微流体器件中有许多微系统可以检测葡萄糖，例如由Therasense开发的系统可以在仅有0.3微升的微血管血液中进行库仑检测。要在确保较大的动态范围的同时降低检测浓度，就需要优化微流体器件的几何特征和检测方法。本发明将目标涉定在一种具体方法及相关器件，这种方法和器件能够检测较低浓度的氧化还原活性分子，特别适用于酶测定和免疫性测定(免疫测定)。

发明概述

本发明涉及电化学微流体器件和对微结构(以及优选的微通道或微通道网络)中的电化学检测进行优化的方法。该器件的基本特征是使微结构的欧姆电阻最小。微结构的欧姆电阻(甚至阻抗)的最小化有利于改进电化学检测，尤其有利于电流测定，原因是为补偿欧姆电阻而施加的过电压也可以最小化，从而提高了电信号的质量。

因此，本发明的一个目标是优化在微流体器件中的电化学检测。对于氧化还原活性分子的小容量检测，微流体器件中的电化学检测已被证明是一种有吸引力的解决方案。例如，此技术可用作分离后检测手段，或用作酶分析或免疫分析中的检测手段。微流系统的局限之一是微结构的典型尺寸非常不利于电流的传导。实际上，举例而言，假使微结构由具有典型尺寸，即长(L)1厘米或几厘米、直径(d)为几十微米的毛细管组成，即使溶液的电阻率(ρ)很低，微结构的欧姆电阻(R)也相当大，可用以下欧姆定律方程1表示：

           R＝ρL/A                         方程1

其中A是毛细管的横截面积，A＝πd²/4。

例如，当毛细管半径为20微米，毛细管输送溶液的长度是1厘米时，因子L/A等于8×10⁶厘米^-1。如果溶液是浓度为100mM的磷酸盐，沿该微通道上的电阻已达10⁶欧姆，所以只有较小的电流密度通过此通道。

微流系统中存在的大电阻是其电化学应用的重要障碍。实际上，这种电阻可能使响应失真，需要施加反馈电压以补偿欧姆电阻造成的电压降，甚至妨碍大信号的准确测定。因此，对于这种电化学应用，特别是电化学生物传感器，如果有电阻较小的微流系统，那将极为有利。

在我们的发明中，微结构的尺寸与上述实例中给出的尺寸在同一数量级(通道长度在厘米范围，通道直径为几十微米)。然而，在该微结构的一部分或沿整个微通道设置了导电部件(means)，用以将电流从通道的一个点传导到另一个点。在这种情况下，电流不再仅靠离子流输送而通过通道，还可以通过所述导电部件输送。

在微通道尺寸类似于上述尺寸的微结构中采用导电部件和不采用导电部件的实验显示，在微结构包含导电部件的情况，在没有欧姆电阻(或“iR降”)条件下可以通过的电流密度要大一些。在一些情况下，导电部件可以作为反电极连接，使通道内部发生逆向反应，并因此在工作电极重新生成反应产物。

如下面将要更详细说明的，也已经证实，即使没有连接导电部件，且导电部件不是用来检测的电极组合件(以下亦称“电极系统”)的一部分，仍然可以得到优异的电化学响应。为便于清楚说明，双电极系统只包括工作电极和假参比电极(pseudo-reference electrode)，三电极系统包括工作电极、反电极和参比电极。在本发明中，微流体器件包括除双电极或三电极组合件之外存在的导电部件，并且这种导电部件不与其中任何一个电极相连。在这种情况下，当在微流体器件中注入了溶液时，电极组合件与导电部件之间就会发生接触，这样导电部件就成为整个电路的一部分。在本发明中，导电部件本身可构成反电极或假参比电极，因而成为电极组合件的一部分。在上述两种构造中，导电部件应当适合为电流提供电阻极低的路径，使微结构的总电阻最小化，即便微结构的横截面非常小也如此。如下面将要进一步描述的，即使导电部件没有直接相连，微结构的电阻仍因此表现为下降。