基于芯片的多通道电化学转换器及其使用方法技术

实施例涉及一种单片装置，其包括一个或多个电化学响应电极，该电极被配置成产生与流体样品的特征有关的信号；和用于处理由该至少一个电极产生的信号的一个或多个电子电路。可选地，该单片装置包括被配置成实现恒电位和/或恒电流测量技术的多个电极。可选地，该多个电极中的至少两个具有不同的电化学材料层，以获得相应不同的电极功能化。

Chip based multichannel electrochemical converter and its application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于芯片的多通道电化学转换器及其使用方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年6月11日提交的题为“基于芯片的多通道转换器和分析系统”的美国临时专利申请No.62/517，968的优先权，并且其全部内容通过引用明确地结合于此。
本公开涉及同时测量流体样品中的多种化学目标分析物(诸如离子、原子和/或分子)的浓度。
技术介绍
流体或潮湿材料的化学分析是普遍的问题，对此存在大量的研究技术。电化学方法特别简单且易于使用。电化学技术包括一类分析化学方法，其通过测量其中有存在于流体样品中的分析物的电化学电池中的电势和/或电流来测量化学分析物的浓度，实际上，电化学的两个主要类别是电位分析法和电流测定法(也称为安培法或伏安分析法)。电位分析法通过所谓的恒电位计来实现，其测量双电极电化学电池中的工作电极(WE)和参考电极(RE)之间的电压差。电位分析法用于测量流体样品中离子(带电原子或分子)的浓度。电流测定法通过所谓的恒电流计来实现，其在三电极电化学电池中测量对电极与工作电极之间的电流，同时控制参考电极与工作电极之间的电势。电流测定法用于通过将分析物从一种氧化态转变为另一种氧化态来测量液体样品中不带电荷的分析物的浓度。通过测量在该氧化还原反应中转移的电子数，可以确定样品中分析物的浓度。以下列出了可以被认为与当前公开的主题有关的参考文献：L.I.Baichen的国际专利申请WO2016/070083，“多通道恒电位计分析器系统和方法”公开了(摘要)：“本公开概述了一种具有多通道恒电位计电路和用于控制该多通道恒电位计电路的微控制器的装置。该多通道恒电位计电路包括对电极，参考电极以及在对电极和参考电极之间的第一开关。该多通道恒电位计电路还包括耦联至相应第二开关的多个测量电路，该微控制器可以配置为向多通道恒电位计电路提供第一信号以控制第一开关，其中，所述第一开关的状态改变所述多通道恒电位计电路的操作模式。所述微控制器还被配置为向所述多通道恒电位计电路提供第二信号，以控制所述第二开关中的至少一个以耦联所述多个测量电路中的至少一个到工作电极。”Marshall的标题为“电化学传感器系统及传感方法”的欧洲专利申请EP2980577公开了(摘要)：“公开了一种用于评估液体介质中目标物质的传感器系统。该传感器系统包括一个传感器元件，该传感器元件被插入要测试的液体介质样品。该传感器元件具有三个或更多电极，并从恒电位计接收预定电势。该电势被确定为与目标物种的液体介质中的电化学反应特性相关的电势，该传感器系统还包括一个输出，用于显示与流过液体介质的电流相对应并表示目标物种的浓度的数据，以及由发生的电化学反应产生的数据。”Ritter等人的标题为“离子敏感膜电极”的欧洲专利申请US4670127公开了(摘要)：“为了生产对其他阴离子和亲脂性离子或干扰物质具有高选择性的灵敏膜电极，该膜基于未增塑的聚合物基质，其电活性成分的含量在50％至90％重量之间。”Maalouf等在“通过电化学阻抗谱仪进行无标签细菌检测：与表面等离振子共振的比较”中披露了该方法。Anal.Chem.2007，79，4879-4886：(结论)：“本研究表明，生物素硫醇和羟基硫醇的混合SAM成功沉积在金电极上，从而能够通过强大的生物素-中性亲和素相互作用将生物素化的抗E抗体大肠杆菌固定下来。”在此对以上参考文献的确认不应被推断为意味着这些参考文献以任何方式与当前公开的主题的可专利性有关。此外，以上描述是作为本领域中的相关技术的一般概述而呈现的，并且不应解释为承认其包含的任何信息构成针对本专利申请的现有技术。附图说明附图通常以示例的方式而不是以限制的方式示出了本文档中讨论的各种实施例。为了图示的简单和清楚起见，附图中所示的元件不必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大。此外，附图标记可以在附图之间重复，以指示对应或类似的元件。对在先出现的元件的引用意味着不必进一步引用出现它们的附图或描述。附图中所示的元件的数量绝不应被解释为限制性的，并且仅用于说明性目的。这些附图在下面列出。图1A是根据一些实施例的用于基于恒电位计的电化学分析的电化学电池的示意图；图1B是根据一些实施例的适合于进行基于恒电位计的电化学分析的电子电路的示意图；图2A是根据一些实施例的适用于基于恒电流计的电化学分析的基于三电极的电化学电池的示意图；图2B是根据
技术介绍
的适于进行基于恒电流计的电化学分析的电子电路图的示意图；图3是根据一些实施例的单芯片多通道转换器的示意性三维(3D)视图实例；图4是根据一些实施例的单芯片多通道恒电位计的示意性俯视图；图5是根据一些其他实施例的单芯片多通道恒电位计的示意性俯视图；图6是根据一些实施例的单芯片多通道恒流计的示意性俯视图；图7是根据一些实施例的单芯片多通道恒流计的替代实施例的示意性俯视图；图8是根据一些实施例的单芯片多通道转换器的示意性截面图；图9是根据一些实施例的单芯片多通道转换器的示意性3D视图实例；图10是根据一些实施例的单芯片多通道转换器的示意性截面图；图11是根据一些实施例的多通道转换器和分析系统的示意图；和图12是根据一些实施例的用于制造单芯片多通道转换器的方法的流程图。具体实施方式所披露的实施例的某些方面涉及使用基于芯片(例如，单芯片)的多通道电化学转换器同时测量与流体溶液有关的性质(也包括：特征)，包括例如流体样品的离子(例如，用于pH测量)、原子(例如，重金属原子)和/或分子(例如，未荷电分子)的一个或多个化学目标分析物的浓度水平，及其使用方法。分析物(还包括：目标分析物)可包括例如以下各项之一：氢离子(定义pH)；葡萄糖；乳酸盐；镁；钙；氯化钾；氯化物；氯化钠；钠；磷酸盐；铅；钾；皮质醇；钙；任何氨基酸；尿酸；乙醇；肌酐；过氧化氢；细胞因子和/或激素。本文所用的术语“性质”可以指被监测的流体样品所具有的固有性质和非本征性质。例如，分析物的浓度水平可以被认为是一种非本征性质，因为这种性质可能取决于多种环境因素，而一种元素的原子量可以被认为是该元素的内在性质。术语“流体”可以指能流动的任何物质，如液体、气体和/或空气。基于芯片的多通道转换器在本文中可以被认为是包含一个或多个电化学响应电极的多通道集成电路或基于IC的电化学(MTIC)转换器。在此，MTIC转换器的多个电极可称为“电极装置”。在一个实施例中，单片芯片结构(也称为：单片装置)包括一个或多个MTIC转换器。换言之，将一个或多个MTIC转换器制作在单个晶圆上。在一个实施例中，所述单片芯片结构包括半导体材料。在一些实施例中，所述单片装置包括用于实现MTIC转换器的至少一个电极和至少一个电子电路。可选地，该电极是电子电路的一部分。在一个实施例中，至少一个电极被构造成电化学响应的。这种电极具有电化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单片装置，包括：/n至少一个电化学响应电极，所述电化学响应电极被配置成产生与流体样品的特征有关的信号；和/n用于处理由所述至少一个电极产生的信号的至少一个电子电路。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170611 US 62/517,9681.一种单片装置，包括：
至少一个电化学响应电极，所述电化学响应电极被配置成产生与流体样品的特征有关的信号；和
用于处理由所述至少一个电极产生的信号的至少一个电子电路。


2.根据权利要求1所述所述的单片装置，其特征在于，所述至少一个电子电路包括所述至少一个电极。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的单片装置，其特征在于，包括多个电极。


4.根据权利要求3所述的单片装置，其特征在于，所述多个电极配置成实施恒电位和/或恒电流测量技术。


5.根据权利要求3或4所述的单片装置，其特征在于，所述多个电极的至少两个具有不同的电化学材料层，以相应获得不同的电极功能化。


6.根据上述权利要求中任一项所述的单片装置，其特征在于，所述至少一个电子电路进行由所述至少一个电极的导电连接线承载的模拟信号的A/D转换，以提供与所述流体样品的特征有关的数字输出信号。


7.根据权利要求6所述的单片装置，其特征在于，所述至少一个电子电路放大所述数字输出信号。


8.根据权利要求6或7所述的单片装置，其特征在于，给定的数字输出可以携带与至少两个电极的模拟信号有关的数据。


9.根据上述权利要求中任一项所述的单片装置，其特征在于，所述至少一个电子电路执行可操作的分析功能，以分析至少一个电极产生的信号并根据所所完成的分析输出与样品有关的信息。


10.一种电化学转换器，包括：
至少一个电化学响应电极，所述电化学响应电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·斯特兹，
申请(专利权)人：彼得·斯特兹，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH