AT403528B - Mikro-mehrelektrodenstruktur für elektrochemische anwendungen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

AT 403 528 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikro-Mehrelektrodenanordnung für elektrochemische Messung und Erzeugung elektroaktiver Spezies, bei welcher die Elektroden auf einem Träger angeordnet sind, wobei wenigstens zwei Elektroden eine Elektrode zumindest teilweise umgeben und die Elektroden aus wenigstens teilweise kreisringförmigen Segmenten ausgebildet sind und die Fläche der nichtaktiven Trennbereiche klein gegenüber der Fläche der aktiven Elektrodensegmente ist. Für die sichere Detektion und Erzeugung geringster Mengen elektroaktiver Spezies sind bisher keine geeigneten Mikro-Mehrelektrodenanordnungenbekannt geworden. Ein wesentliches Problem bei der Untersuchung elektrochemischer Prozesse für die Messung und Erzeugung elektroaktiver Spezies, insbesondere auf dem Gebiet der Biologie, besteht darin, eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie der verwendeten Elektroden bzw. Elektrodenmaterialien zu erzielen. Nur gleichmäßige und weitgehend reproduzierbare homogene Morphologie kann eine einheitlich ablaufende Elektrodenreaktion ermöglichen, wie dies für Messungen geringer Ströme und Messungen unter räumlich besonders beengten Verhältnissen von Bedeutung ist.

Miniaturisierte Elektroden für die vorgesehenen Verwendungszwecke müssen bei Oberflächen im Quadratmikrometerbereich eine bestimmte Materialbeschaffenheit der Oberfläche aufweisen. Für Messungen im biologischen Bereich muß sichergestellt werden, daß durch entsprechend niederen Stoffumsatz das elektrochemische System nicht gestört wird, wodurch allerdings in Kauf genommen werden muß, daß durch die Elektroden äußerst geringe Ströme fließen. Bei potentiodynamischen Messungen muß eine derartige Mikroelektrodenanordnung bei Anstiegsgeschwindigkeiten des Potentials von bis zu 100 mV/s noch diffusionskontrollierte Ströme ermöglichen, deren Höhe ähnlich den Vorgängen bei der Polarographie direkt proportional der Konzentration der elektroaktiven Spezies in der untersuchten Elektrolytlösung ist.

Mit den geforderten Mikro-Mehrelektrodenanordnungen soll in erster Linie die Möglichkeit geschaffen werden, elektrochemische Untersuchungen in Bereichen durchzuführen, die bisher einer Untersuchung nicht zugänglich waren. Neben Untersuchungen in biologischen Geweben sind hiebei auch Untersuchungen in elektrochemischen Reaktoren, in Batteriesystemen und bei Korrosionsuntersuchungen von besonderer Bedeutung, bei welchen bisher mit konventionellen Makroelektroden Messungen nicht durchführbar waren.

Es ist bereits bekannt, einzelne Mikroelektroden einzusetzen und für Messungen eine Mehrzahl derartiger Einzel-Mikroelektroden zu verwenden. Derartige Einzel-Mikroelektroden wurden für potentiostatische und potentiodynamische Messungen vorgeschlagen, wobei mitunter mehrere planare Elektroden parallel zueinander angeordnet wurden. Aus der CH-PS 524 142 ist eine Mikro-Mehrelektrodenanordnung für elektrochemische Messung und Erzeugung elektroaktiver Spezies bekannt, bei welcher die Elektroden auf einem Träger angeordnet sind. Bei dieser elektrochemischen Prüfanordnung ist auf einem elektrisch isolierenden Trägerglied ein Paar von in Abstand voneinander angeordneten, elektrisch leitenden Elektrodenelementen vorgesehen,und es steht ein für eine zu bestimmende Substanz spezifisches Prüfreagens in fixierter Form mit den Elektrodenelementen in Kontakt. Eine räumliche Staffelung bzw. eine Anordnung in Hohlräumen von Mikroelektroden kann z.B. der US-PS 4 062 759 und der EP-A2-299 778 entnommen werden. Eine nadelförmige Ausbildung dieser Sensoren ist z.B. aus der CH-PS 632 341 oder der EP-A2-276 979 bekannt. Derartige Elektrodenanordnungen, bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Mikroelektroden, haben jedoch den gravierenden Nachteil, daß zwischen Meß- und Gegenelektrode bzw. Referenzelektrode ein großer Spannungsabfall beobachtet wird und daß die Stromdichte- Verteilung in keiner Weise homogen ist. Mit derartigen einzelnen Mikroelektroden läßt sich eine definierte Geometrie der Elektrodenoberflächen zueinander nicht ohne weiteres aufrechterhalten, und es sind daher reproduzierbare Messungen nicht ohne weiteres möglich.

Ziel der Erfindung ist es, eine Mikro-Mehrelektrodenanordnung zu schaffen, welche sich durch definierte Geometrie und bei elektrochemischen Messungen reproduzierbare Meßwerte auszeichnet und gleichzeitig die Störanfälligkeit verringert und weitgehend rauschfreie Messungen ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Mikro-Mehrelektrodenanordnung im wesentlichen darin, daß die innere Elektrode als Referenzelektrode ausgebildet und beschältet ist. Dadurch, daß eine innere Elektrode als Referenzelektrode geschaltet ist und die weiteren Elektroden, welche wahlweise als Meßelektroden oder Gegenelektroden zum Einsatz gelangen können, diese innere Elektrode zumindest teilweise umgeben, wird eine weitestgehende Abschirmung der inneren Elektrode erzielt, wodurch wesentlich rauschfreiere Messungen ermöglicht werden. Gleichzeitig wird durch eine derartige Mikro-Mehrelektrodenanordnung die Möglichkeit geschaffen, eine definierte Geometrie festzulegen, bei welcher wesentlich geringere Abstände der Elektroden voneinander eingehalten werden können. Der wesentlich geringere Abstand ist hiebei durch die Geometrie der Mikro-Mehrelektrodenanordnung eindeutig definiert und es kann aufgrund eines derartigen geringen Abstandes der Elektroden voneinander der Einfluß schlecht leitender Elektrolytlösungen, wie z.B. physiologischer Lösungen, weitestgehend verringert werden. Mit derartigen, einen minimierten und definierten Abstand zwischen den einzelnen Elektroden aufweisenden Mikro-Mehrelektrodenanordnungen gelingen 2

AT 403 528 B somit nicht nur rauschfreie Messungen, sondern es gelingen auch erstmals Messungen in Systemen, die bisher überhaupt nicht oder nur unter Einsatz aufwendiger Korrekturverfahren einer Untersuchung zugänglich waren, ohne daß hiebei übermäßiger instrumenteller Aufwand erforderlich wird. Auch in organischen Elektrolyten, in denen bisher nicht ohne Zusätze von Leitsalzen Messungen vorgenommen werden können, gelingt mit einer derartigen Mikro-Mehrelektrodenanordnung nunmehr direkt eine analytische und reaktionskinetische Untersuchung. Durch die quasi-Abschirmung der mittigen Referenzelektrode werden Strommessungen weitgehend rauschfrei und auch in Dreielektrodentechnik bis in den Pikoampere-Bereich möglich. Der minimierte Abstand der einzelnen Elektroden untereinander führt hiebei zu minimalen Potentialfehlern durch den elektrolytbedingten Spannungsabfall (iR-Abfall) und ermöglicht gleichzeitig aufgrund der minimalen Abmessungen der elektrochemischen Zellen, wie sie mit dem jeweils vorliegenden Elektrolyten gebildet werden, die Untersuchung und Bestimmung lokaler Konzentrationsgradienten oder die gleichzeitige simultane Überwachung und Bestimmung mehrerer elektroaktiver Spezies. Auch potentiodynamische Messungen in Dreielektrodenanordnungen mit relativ hohen Anstiegsgeschwindigkeiten des Potentials bis über 1 V/s können mit derartigen Mikro-Mehrelektroden durchgeführt werden, da kapazitive Effekte, die bei makroskopischen Anordnungen überwiegen, weitgehend ausgeschlossen werden.

Mit der erfindungsgemäßen Mikro-Mehrelektrodenanordnung ist es erstmalig gelungen, mit einer einfachen Dreielektrodenstruktur mit Gold als Elektrodenmaterial unterschiedliche Neurotransmitter quantitativ nebeneinander zu bestimmen. Mit Platin als Elektrodenmaterial und einem auf dem Eiektrodenmaterial immobilisierten Enzym ist es beispielsweise gelungen, einen miniaturisierten, zuverlässigen Glucosesensor zu realisieren. Ferner ist es mit Platin als Elektrodenmaterial und einer die Elektroden bedeckenden Nachfuhrmembran möglich, Sauerstoffkonzentrationen in unterschiedlichen Elektrolyten zu messen.

Die erfindungsgemäße Mikro-Mehrelektrodenanordnung läßt sich in einfacher Weise auch für Strukturen verwenden, bei welchen außer einer Referenzelektrode und wenigstens zwei weiteren Elektroden zusätzliche Elektroden auf engstem Raume untergebracht werden, wobei eine Mehrzahl unterschiedlich elektrochemisch aktiver Spezies gleichzeitig detektierbar werden. Neben einer simultanen Messung unterschiedlicher Substanzen wird hiebei auch die laterale Auflösung der Konzentration des zu messenden Stoffes möglich.

Die einzelnen Elektroden können auf das Trägermaterial aufgetragen sein, wobei die Kontaktierung beispielsweise durch Leiterbahnen am Trägermaterial erfolgen kann. Um zwischen benachbarten Elektroden Ablagerungen und damit eine Veränderung der Charakteristik der Meßergebnisse mit der Zeit zu verhindern, kann mit Vorteil die Ausbildung so getroffen sein, daß die Elektroden bildende Schichten durch wenigstens eine Isolierschicht getrennt sind.

Eine konzentrische Anordnung von Elektroden kann im Prinzip unterschiedliche geometrische Ausbildungen der zu einem Zentrum konzentrisch angeordneten Elektroden ermöglichen. Im Sinne einer weitgehenden Homogenität der Stromdichteverteilung ist, wie bereits aus der DE-OS-29 06 208 und der DD-PS-148 988 bekannt, die Ausbildung so getroffen, daß die Elektroden aus wenigstens teilweise kreisringförmigen Segmenten ausgebildet sind, und daß die Fläche der nichtaktiven Trennbereiche klein gegenüber der Fläche der aktiven Elektrodensegmente ist, wobei durch die Maßnahme, die Fläche der nichtaktiven Trennbereiche klein gegenüber der Fläche der aktiven Elektrodensegmente zu halten, sichergestellt ist, daß kapazitive Effekte weitgehend ausgeschlossen werden können. Für eine Reihe von Messungen ist es vorteilhaft, eine im wesentlichen planare Anordnung zu wählen, wobei das zu messende, die elektroaktive Spezies enthaltende Material auf die Elektroden in Form von Tropfen aufgebracht werden kann. Eine besonders bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Mikro-Mehrelektrodenanordnung besteht hiebei im wesentlichen darin, daß die Elektroden in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Kontaktierung der Elektroden kann bei einer derartigen Ausbildung mit Vorteil so getroffen werden, daß die einzelnen Elektroden über Durchbrechungen des Trägers an der den Elektroden abgewandten Seite des Trägers mit Kontakten verbunden sind.

Neben der durch die konzentrische Anordnung der weiteren Elektroden zur inneren Elektrode, welche als Referenzelektrode beschältet ist, erzielbaren Abschirmung der inneren Elektrode, lassen sich naturgemäß auch Arbeitselektroden noch durch weitere Elektroden abschirmen. Die innere Elektrode kann aber bei entsprechender Beschaltung neben ihrer Funktion als Referenzelektrode auch die Funktion einer Gegenelektrode übernehmen. Eine besonders wirksame Abschirmung derartiger innerer Elektroden gelingt dann, wenn die Ausbildung so getroffen ist, daß die innere Elektrode auf dem Trägermaterial angeordnet ist und wenigstens eine weitere Elektrode unter Zwischenschaltung von wenigstens einer Isolierschicht in Abstand von der die innere Elektrode tragenden Fläche des Trägers angeordnet ist. Auf diese Weise kann der räumlichen Ausdehnung der inneren Elektrode Rechung getragen werden und eine bessere Abschirmung und damit Rauschfreiheit der Messung gewährleistet werden.

Zusätzlich zu Arbeitselektroden kann aber auch eine Gegenelektrode angeordnet werdend wobei die Ausbildung mit Vorteil so getroffen ist, daß wenigstens zwei Arbeitselektroden und eine Gegenelektrode in 3

AT 403 528 B radialem Abstand von der Referenzelektrode angeordnet sind und daß die Gegenelektrode größer als die Arbeitselektrode(n) ist und in größerem zentralen Abstand von der inneren Referenzelektrode angeordnet ist als die Arbeitselektroden. Auf diese Weise wird eine wirkungsvolle Abschirmung auch der Arbeitselektroden sichergestellt, so daß eine weitere Rauschverringerung der Messungen sichergestellt werden kann.

Um voluminöse Referenzelektroden mit hoher Langzeitstabilität auszubilden, kann mit Vorteil die Ausbildung so getroffen sein, daß die innere Elektrode von einer nadelförmigen Elektrode gebildet ist, daß wenigstens eine weitere Elektrode unter Zwischenschaltung wenigstens einer Isolierschicht die innere Elektrode wenigstens teilweise umschließt und daß die innere Elektrode über eine Durchbrechung in der Isolierschicht mit dem jeweiligen Elektrolyten verbunden ist (Abb. 8).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Ausbildung so getroffen, daß die innere Elektrode in einem von Isolierschichten gebildeten Hohlraum angeordnet ist und daß wenigstens eine weitere Elektrode in die Isolierschicht eingebettet ist und in den Hohlraum mündet und/oder auf der Oberfläche der Isolierschicht angeordnet ist (Abb. 10 bis 13), wobei auch mit einer derartigen Ausbildung eine mehrfach verwendbare innere Elektrode in guter Langzeitbeständigkeit realisiert werden kann.

Die selektive Erfassung bestimmter elektroaktiver Spezies gelingt durch Anwendung entsprechend permeabler Membranen, wobei erfindungsgemäß mit Vorteil die Ausbildung so getroffen ist, daß über den Elektroden wenigstens eine Membran angeordnet ist.

In an sich bekannter Weise können als Elektrodenmaterialien Metalle, insbesondere Gold, Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Molybdän und Wolfram, oder kohlenstoffhaltige, leitfähige Substanzen, insbesondere glasartiger Kohlenstoff, Polythiophen oder Polypyrrol, verwenden werden, wobei für die gewünschte Miniaturisierung mit Vorteil die Abmessungen der Elektroden zwischen Bruchteilen von Mikrometern und Millimetern liegen.

Zur selektiven Erfassung von Metaboliten und für andere biologische Messungen kann mit Vorteil die Ausbildung so getroffen sein, daß auf der Elektrodenanordnung biologisch aktive Moleküle und Substanzen, insbesondere Enzyme und Antikörper, immobilisiert sind, wobei die Handhabung der erfindungsgemäßen Mikro-Mehrelektrodenanordnung dadurch besonders einfach gestaltet werden kann, daß die Elektrodenanordnung auf einem als Einstichsensor ausgebildeten Träger aufgebracht ist.

Um eine Überwachung über längere Zeiträume, insbesondere in Gefäßen oder inneren Organen, zu ermöglichen, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß die Elektrodenanordnung auf einem als Einstichsensor ausgebildeten Träger aufgebracht ist und daß die Elektrodenanordnung in einen als Katheter ausgebildeten Träger eingebaut ist (Abb. 15 und 16).

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei in der speziellen Erläuterung der einzelnen Ausbildungsformen noch weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Ausbildung dargelegt werden.

In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikro-Mehrelektrodenanordnung; Fig. 2 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles II auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in verkleinertem Maßstab, wobei Fig. 1 einen Schnitt nach der Linie l-l der Fig. 2 darstellt; Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform in einer zur Darstellung der Fig. 2 ähnlichen Ansicht; Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikro-Mehrelektrodenanordnung; Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles V auf die Ausbildung gemäß Fig. 4 in verkleinertem Maßstab, wobei Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 5 darstellt; Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform mit mehrschichtigem Aufbau in einer Darstellung analog zu den Fig. 1 und 4; Fig. 7 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles VII auf die Ausbildung gemäß Fig. 6 in verkleinertem Maßstab, wobei Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie Vl-Vl der Fig. 7 darstellt; Fig. 8 einen Schnitt durch eine nadelförmige erfindungsgemäße Elektrodenanordnung; Fig. 9 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform in einer zu Fig. 2, 3, 5 oder 7 ähnlichen Darstellung; die Fig. 10 bis 13 weitere abgewandelte Ausführungsformen im Schnitt, wobei die Elektroden zumindest teilweise in eine Isolierschicht eingebettet sind und in einen in der bzw. den Isolierschichten ausgebildeten Hohlraum münden; die Fig. 14 und 15 Draufsichten auf unterschiedliche Ausbildungsformen von Trägern für erfindungsgemäße Mikro-Mehrelektrodenanordnungen, wobei mehrere Systeme von Mikroelektroden auf jeweils einem gemeinsamen Träger angeordnet sind; und die Fig. 16 und 17 weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Mikro-Mehrelektrodenanordnung, wobei die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 in einem Katheter eingebaut ist und bei der Ausbildung gemäß Fig. 17 in einem Durchflußmeßsystem Verwendung findet.

In den Fig. 1 und 2 sind die Elektroden 1, 2 und 3 auf einem inerten Träger 5 angeordnet und jeweils mit einer Isolierschicht 4 voneinander elektrisch getrennt. Wesentlich für die Funktion ist der Umstand, daß die innere Elektrode 1, als Referenzelektrode verwendet, von der nächst äußeren Elektrode 2 zumindest teilweise umgeben wird, wobei auch durchaus eine unterbrochene Elektrodenstruktur aus wenigstens 4

AT 403 528 B teilweise kreisförmigen Segmenten 2a, 2b, 3a, 3b, wie dies in Abb. 2 dargestellt ist, verwendet werden kann, wobei die nichtaktiven Trennbereiche kleiner sind als die aktiven Elektrodenflächen.

Bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 wird die innere Elektrode 1 von zwei, auf gleichem Radius liegenden, nahezu halbkreisförmigen Elektroden 2 umgeben, wobei die innere Elektrode 1 neben der Funktion der Referenzelektrode auch als Gegenelektrode zu den Meß- bzw. Arbeitselektroden geschaltet werden kann.

Bei der Ausbildung gemäß Fig. 4 und 5 befinden sich wiederum auf einem inerten Trägermaterial 5 die einzelnen Elektroden 1 bis 3, wobei wieder die Referenzelektrode 1 von der Meßelektrode bzw. Arbeitselektrode 2 konzentrisch umgeben ist. Die Gegenelektrode 3 umschließt wieder die Meßelektrode 2. Die Ableitung und Kontaktierung erfolgt durch den inerten Träger 5 mit Hilfe von Durchführungskontaktierungen 6. Durch diese Anordnung ist eine geschlossene Elektrodenstruktur möglich.

Bei der Ausbildung gemäß Fig. 6 und 7 wird auf einem inerten Träger 5 in der Mitte der Struktur die Referenzelektrode 1 aufgebracht. Die Referenzelektrode 1 wird dann von einer Isolierschicht 4 umschlossen, welche gleichzeitig die elektrisch kontaktierende und schematisch mit 15 bezeichnete Leiterbahn zu einem nicht naher dargestellten externen Anschluß isoliert. Auf dieser Isolierschicht 4 wird in einem nächsten Verfahrensschritt wenigstens eine Meßelektrode 2 aufgebracht, diese und die Kontaktleiterbahn werden wiederum von einer Isolierschicht 4 umgeben. Auf dieser Isolierschicht 4 befindet sich konzentrisch angeordnet die Gegenelektrode 3. In der Projektion auf den Träger 5 wird somit die innere Elektrode 1 von den weiteren Elektroden 2 und 3 umgeben. Durch diese, in Fig. 6 dargestellte Anordnung wird wiederum eine nicht unterbrochene Elektrodenstruktur ermöglicht.

Die jeweiligen Elektroden sind voneinander elektrisch isoliert und mit einer Ableitung elektrisch leitend zu einem Steckkontakt verbunden. Die innere Elektrode wird bei einer derartigen Konstruktion von der jeweils äußeren quasi abgeschirmt, wodurch bei vielen Meßverfahren auch die Bestimmung kleinster Meßgrößen weitgehend rauscharm ermöglicht wird.

Zusätzlich läßt sich die äußere Elektrode aufgrund der Geometrie leicht größer als die nächst innere Elektrode ausbilden, wodurch die Forderung nach einer inerten Gegeneiektrode, die größer als die jeweilige Meßelektrode sein sollte, erfüllt werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der Elektroden ist die Realisierbarkeit der kleinsten, optimalen geometrischen ebenen Bauform einer Mehrelektrodenstruktur. Dadurch kann eine Miniaturisierung bis in den Submikrometerbereich erreicht werden.

Eine weitere mögliche dreidimensionale Anordnung zeigt im Schnitt Fig. 8. Auf einem leitenden nadelförmigen Träger 1, der als Glas- oder als Metallmikroelektrode ausgebildet ist, wird eine Isolierung 4 aufgebracht, die eine Öffnung 7 zur Meßumgebung aufweist. Konzentrisch dazu ist die bzw. eine Meßelektrode 2 angeordnet und durch eine Isolierschicht 4 von der Gegenelektrode 3 getrennt. Die gesamte Struktur wird dann außen von einer Isolierschicht 4 umgeben. Diese Anordnung könnte vorteilshafterweise als Einstichsensor verwendet werden.

In Fig. 9 ist eine weitere Mehrelektrodenanordnung dargestellt. Die Elektrode 1, als Referenzelektrode verwendet, wird von zwei Meßelektroden 2a und 2b konzentrisch umgeben. Die Gegenelektrode 3 umschließt die Gesamtstruktur. Diese Anordnung hat einerseits den Vorteil der Detektionsmöglichkeit zweier unterschiedlicher elektrochemisch aktiver Spezies und andererseits kann ein an der Elektrode 2a entstehendes Produkt wieder an der Elektrode 2b umgesetzt werden, wodurch eine Charakterisierung der Spezies möglich wird. Die Anordnung gemäß Fig. 9 hat gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 den Vorteil einer günstigen Diffusionsgeometrie.

Durch geeignete konstruktive Maßnahmen und spezielle Verarbeitungstechniken gelingt es außerdem, die auf der jeweiligen Elektrode aufgebrachten isolierenden Schichten möglichst dünn zu halten, so daß ein optimaler An- und Abtransport der elektroaktiven Spezies bzw. der entstehenden Produkte möglich ist. Es tritt bei diesen Anordnungen keine Anreicherung von Reaktionsprodukten im Bereich von Ecken und Kanten an der Übergangszone Isolierschicht - Elektrodenmaterial auf.

Falls aber eine Anreicherung von Reaktionsprodukten oder elektroaktiven Spezies im Bereich von Elektroden oder eine homogene Stromdichteverteilung erwünscht ist, kann durch Herstellung dicker Isolierschichten oder durch dreidimensionale Aufbauten gemäß den Fig. 10 bis 13 eine definierte Menge dieser Substanzen vor der Metallelektrode aufgebracht und hinsichtlich der Konzentration dieser Substanz über längere Zeit hinweg konstant gehalten werden. Darüber hinaus können solche dreidimensionale Aufbauten dazu genutzt werden, Schutz- und Diffusionsmembranen an einem bestimmten Platz in definierter Menge über längere Zeit hinweg in Funktion zu halten.

Fig. 10 zeigt eine der möglichen Konstruktionen, wo auf einem inerten Träger 5 unmittelbar die Elektrode 1 aufsitzt. Umgeben wird die Elektrode 1 von der Isolierschicht 4. Auf diese Isolierschicht 4 wird eine Elektrode 2 aufgebracht. Darauf folgt wieder eine Isolierschicht 4 und darauf wird die Elektrode 3 aufgebracht. Die Elektrode 3 wird günstigerweise als Gegenelektrode eingesetzt. 5

Claims (16)

1. AT 403 528 B Die Anordnung der Elektrode 3 kann in verschiedenen Varianten erfolgen, wobei eine weitere Variante in der Fig. 11 dargestellt ist. Die Elektrode 3 folgt einer Isolierschicht 4 direkt auf der Elektrode 2. Dadurch wird ein dreidimensionaler Aufbau in einer quasi zylinderförmigen Pore erreicht. Durch die Verwendung spezieller Isolierschichten, wie z.B. Polyimid, können Aufbauhöhen und damit quasi Porenlängen bis zu mehreren 100 Mikrometern erreicht werden. Fig. 12 wiederum zeigt eine quasi geschlossene Variante einer Elektrodenanordnung. Auf einem inertem Träger 5 befindet sich die Elektrode 1 konzentrisch von Isolierschicht 4 umgeben. Auf der Isolierschicht 4 befindet sich die als Meßelektrode verwendete Elektrode 2, darauf eine Isolierschicht 4' und darüber die Elektrode 3. Die Isolierschicht 4' kann als mikrobearbeitetes Silizium ausgebildet sein. Analog zur Variante gemäß Fig. 12 kann auch hier eine Variante gemäß Fig. 13 mit unterschiedlicher Anordnung der Elektrode 3 realisiert werden. Als Elektrodenmaterialien können alle leitfähigen Stoffe, insbesondere Metalle, leitfähige Polymere und glasartiger Kohlenstoff, verwendet werden, wobei dünnschichtlitographisch verarbeitbare Edelmetalle, wie Gold, Platin, Palladium und Silber, bevorzugt in Frage kommen. Für spezielle Anwendungen können auch andere Metalle als Elektrodenmaterial eingesetzt werden. Weiters können auch unterschiedliche Elektrodenmaterialien für eine Mikro-Mehrelektrodenanordnung verwendet werden. So können jeweils die Elektroden 1 bis 3 aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien aufgebaut sein. Zusätzlich zu den einfachen Elektrodenanordnungen können auch mehrere dieser Anordnungen miteinander kombiniert und auf diese Art und Weise planare Vielfachelektroden hergestellt werden. Beispiele zeigen die Fig. 14 und 15. Auf einem inerten Träger 5 werden mindestens zwei der Elektrodenstrukturen gemäß den Fig. 1 bis 7 oder 10 bis 13 angeordnet. Im einfachsten Fall können diese Mikroelektrodenstrukturen als Dreielektrodenanordnung für alle elektrochemischen Meßverfahren in all jenen Systemen eingesetzt werden, die einer makroskopischen Untersuchung nicht zugänglich sind. Es handelt sich dann um einen voltammetrischen Sensor. Gleichzeitig oder getrennt davon kann die Struktur auch als miniaturisierte Referenzelektrode, pH-Sensor oder konduktometrischer Sensor eingesetzt werden. Darüberhinaus können solche Strukturen als elektrochemische Aktuatoren verwendet werden, z.B. zur Sauerstoff- oder Wasserstoffproduktion oder als Reizelektroden. Weiters können solche Strukturen als Mikrosensoren für die Impedanzspektroskopie eingesetzt werden. Ebenso konnte die Verwendung als Biosensor nachgewiesen werden. Dazu werden auf einer der Elektroden Enzyme immobilisiert. Es können auch mehrere Elektroden, beispielsweise gemäß den Fig. 2, 3 oder 9, mit unterschiedlichen Enzymen belegt werden. Die Elektrodenstruktur gemäß Fig. 14 kann auch dazu verwendet werden, eine Differenzmessung auf kleinstem Raum zwischen aktiven und denaturierten Enzymen im jeweiligen Meßmedium vorzunehmen. Durch die damit erzielte Störungsunterdrückung wird eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen erreicht. Ein weiterer Vorteil der Elektrodenanordnung besteht in der Möglichkeit, Schutzmembranen auf jeweils eine oder andere Elektroden aufzubringen, wobei günstigerweise dreidimensionale Elektrodenanordnungen und Aufbauten gemäß den Fig. 10 bis 13 zum Einsatz kommen können, wobei beispielsweise bei der Ausbildung gemäß Fig. 11 und 13 die oberste Schicht anstelle einer Isolierschicht 4 bzw. 4' von einer Schutzmembran gebildet sein kann. Als Handhabungsmöglichkeit kann die Form eines Einstichsensors (Fig. 15) realisiert werden, ebenso die Variante als Sensor, z.B. Glucosesensor 9, auf einem Katheter 10 (Fig. 16) mit Zuleitungen 11, wodurch Untersuchungen von Substanzkonzentrationen z.B. in Körperhöhlen direkt möglich werden. Außerdem können diese Mikro-Mehrelektrodenanordnungen auf einem Meßchip 12 integriert in einem Kanal 13 als Durchflußsensor z.B. in einem medizinischem Analysator, eingebaut werden (Fig. 17), wobei der Meßchip 12 in einer Vergußmasse 14 aufgenommen ist. Die Mikroelektrodenstrukturen können als Sensoren in einem zweidimensionalen Array angeordnet für die Untersuchung von Zellkulturen ebenso wie für die Bestimmung von Gasen, z.B. Sauerstoff im Blut, direkt verwendet werden. Patentansprüche 1. Mikro-Mehrelektrodenanordnung für elektrochemische Messung und Erzeugung elektroaktiver Spezies, bei welcher die Elektroden auf einem Träger angeordnet sind, wobei wenigstens zwei Elektroden eine Elektrode zumindest teilweise umgeben und die Elektroden aus wenigstens teilweise kreisringförmigen Segmenten ausgebildet sind und die Fläche der nichtaktiven Trennbereiche klein gegenüber der Fläche der aktiven Elektrodensegmente ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) als Referenzelektrode ausgebildet und beschältet ist. 6 AT 403 528 B
2. 2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1,2,3) bildende Schichten durch wenigstens eine Isolierschicht (4) getrennt sind.
3. 3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1,2,3) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
4. 4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektroden (1,2,3) über Durchbrechungen (6) des Trägers (5) an der den Elektroden abgewandten Seite des Trägers (5) mit Kontakten verbunden sind.
5. 5. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) auf dem Trägermaterial (5) angeordnet ist und wenigstens eine weitere Elektrode (2,3) unter Zwischenschaltung von wenigstens einer Isolierschicht (4) in Abstand von der die innere Elektrode (1) tragenden Fläche des Trägers (5) angeordnet ist.
6. 6. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Arbeitselektroden (2a,2b) und eine Gegenelektrode (3) in radialem Abstand von der Referenzelektrode (1) angeordnet sind.
7. 7. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (3) größer als die Arbeitselektrode(n) (2) ist und in größerem zentralen Abstand von der inneren Referenzelektrode (1) angeordnet ist als die Arbeitselektroden (2).
8. 8. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) von einer nadelförmigen Elektrode (1) gebildet ist, daß wenigstens eine weitere Elektrode (2,3) unter Zwischenschaltung wenigstens einer Isolierschicht (4) die innere Elektrode (1) wenigstens teilweise umschließt und daß die innere Elektrode (1) über eine Durchbrechung (7) in der Isolierschicht (4) mit dem jeweiligen Elektrolyten verbunden ist. (Abb. 8)
9. 9. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) in einem von Isolierschichten (4,4') gebildeten Hohlraum angeordnet ist und daß wenigstens eine weitere Elektrode (2,3) in die Isolierschicht (4) eingebettet ist und in den Hohlraum mündet und/oder auf der Oberfläche der Isolierschicht (4) angeordnet ist. (Abb. 10 bis 13)
10. 10. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über den Elektroden (1,2,3) wenigstens eine Membran angeordnet ist.
11. 11. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenmaterialien Metalle, insbesondere Gold, Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Molybdän und Wolfram, oder kohlenstoffhaltige, leitfähige Substanzen, insbesondere glasartiger Kohlenstoff, Polythio-phen oder Polypyrrol, verwendet werden.
12. 12. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Elektroden (1,2,3) zwischen Bruchteilen von Mikrometern und Millimetern liegen.
13. 13. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Elektrodenanordnung biologisch aktive Moleküle und Substanzen, insbesondere Enzyme und Antikörper, immobilisiert sind.
14. 14. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung auf einem als Einstichsensor ausgebildeten Träger aufgebracht ist. (Abb. 15)
15. 15. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Eiektrodenanordnung in einen als Katheter ausgebildeten Träger eingebaut ist. (Abb.
16. 16) Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 7