DD259457A1

DD259457A1 - Elektrochemische sensoranordnung, insbesondere zur glucosekonzentrationsbestimmung

Info

Publication number: DD259457A1
Application number: DD30124387A
Authority: DD
Inventors: Gudrun Zahlmann; Petra Enge; Klaus Lemke
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1988-08-24

Abstract

Die Hauptanwendung der Erfindung besteht im Einsatz als Glukosesensor fuer eine kuenstliche b-Zelle, die eine bedarfsgerechte Insulinzufuehrung zur Verhinderung bzw. Herauszoegerung der Entwicklung diabetischer Spaetschaeden gewaehrleistet. Die erfindungsgemaessen Merkmale bestehen darin, dass sich alle Elektroden eines elektrochemischen Elektrodensystems auf der Oberflaeche eines Grundkoerpers befinden und zwischen dem Elektrodensystem und dem Membransandwich, das eine Schutzschicht aus Siliconkautschuk beinhalten kann, eine gelfoermige oder feste Elektrolytschicht angeordnet ist.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Sensoren insbesondere zur Glukosekonzentrationsbestimmung in unverdünnten biologischen Flüssigkeiten in vivo und in vitro über längere Zeiträume.

Hauptanwendung ist der Einsatz als Glukosesensor für eine künstliche ß-Zelle, die eine bedarfsgerechte Insulinzufuhr zur Verhinderung bzw. Herauszögerung der Entwicklung diabetischer Spätschäden gewährleistet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach Shichiri, M. u. a. Biomed. Acta 43,1984,561-568 werden eine Reaktionsschicht: 1,08mmol · 1^-1 GOD (17300IU.· mg"¹) und 0,6mmol · 1~¹ Heparin (170 IU · mg"¹) in 2,5%iger Lösung von Zellulosediazetat in Azeton-Ethanol-Gemisch (1:1); eingebracht und in 1%ige Glutaraldehydlösung getaucht, und einer 12stündigen Lufttrocknung unterzogen und eine Koppelmembran aus 4%iger Lösung von Polyurethan in Dimethylformamid/Tetrahydrofuran (1:9) und 2. Rea, P.A.u.a.; Med. Biol. Eng. Comput. 23, 1985,108/115 eine Reaktionsschicht: 0,2 ml"¹ GOD (18300IU mg"¹) und 0,025g ml"¹ Zelluloseazetat in Azeton/Ethanol (1:1); bei 45minütiger Trocknung bei Raumtemperatur und eine Koppelmembran aus 0,06mg ml"¹ Polyurethan in Dimethylformamid/ Tetrahydrofuran (1:18); unter 12-18stündiger Lüfttrocknung und Hydration verwendet.

Nachteilig ist bei diesem Schichtaufbau, daß er nur für Enzym-Substrat-Elektroden, bei denen das erzeugte Wasserstoffperoxid als Maß für die Glukosekonzentration bestimmt wird, eingesetzt werden kann. Durch die erfindungsgemäß zusätzlich direkt auf dem elektrochemischen Elektrodensystem aufgebrachte Elektrolytschicht und im Bedarfsfall einer hydrophoben Schicht kann die Tauchtechnologie auch für elektrokatalytische Sensoren (Stabilisierung des Potentials der Bezugselektrode) und Enzym-Substrat-Elektroden mit pO₂-Grundsensor, Verwendung finden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Miniaturisierung von elektrochemischen Sensoren zur kontinuierlichen Glukosekonzentrationsbestimmung, die Vereinfachung ihrer Herstellung mit unterschiedlichen Kenngrößen (Empfindlichkeit, linearer Meßbereich) und eine Verringerung bzw. Vermeidung von mechanischen Beanspruchungen sowie die Verbesserung der Biokompatibilitätseigenschaften dieser Sensoren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen elektrochemischen Sensor zur Glukosekonzentrationsbestimmung in unverdünnten biologischen Flüssigkeiten aufzubauen, wobei physiologische bis pathologische Glukosekonzentrationsbereiche kontinuierlich und mit geringer Zeitverzögerung erfaßt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß sich alle Elektroden eines elektrochemischen Elektrodensystems auf der Oberfläche eines aus Isolierstoff hergestellten Grundkörpers, der eine partielle Durchmessererweiterung zur Verhinderung des Abgleitens des Membransandwiches aufweist, befinden. Zwischen i'sm elektrochemischen Elektrodensystem und dem Membransandwich ist eine Elektroiytschicht als Gel oder in fester Foem angeordnet. Auf der mehrschichtigen Membrananordnung befindet sich eine Schutzschicht aus Siliconkautschuk. Es ist auch möglich, daß sich auf der mehrschichtigen Membrananordnung keine Schutzschicht befindet.

Weiterhin ist es möglich, daß die unterste Schicht des Membrandsandwiches aus sauerstoffdurchlässigem Material besteht, die Bezugs- und die Arbeitselektrode des elektrochemischen Elektrodensystems als galvanisch verstärkte Spiegel ausgeführt sind und in das Membransandwich eine Enzym-Gel-Schicht eingebracht ist.

Der verwendete Grundkörper besitzt 2 in Glas eingeschmolzene Platindrähte, wobei der Platindraht 1 als Kathode und der Platindraht 2 zur Kontaktierung für die Bezugselektrode dient.

Die einzelnen Membranschichten werden vorteilhafterweise mittels Tauchtechnologie übereinander aufgebracht und damit läßt sich durch entsprechende Variation der Herstellungsparameter eine Anpassung der Transporteigenschaften des Membransandwich an die Meßaufgaben erreichen.

Voraussetzung dafür ist der erfindungsgemäße Grundkörperaufbau und die Gestaltung der Elektrolytschicht.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Figur 1: Grundkörper-Aufbau

Figur 2: GOD-Glukose-Elektrode

Figur 3: katalytischer Sensor zur Glukosekonzentrationsbestimmiing

Wie in Figur 1 dargestellt, besitzt der verwendete Grundkörper Gr2 ein Glas eingeschmolzene Platindrähte Pd 1, Pd2. Der Platindraht 1 Pd 1 besitzt einen Durchmesser von 0,5-0,8 mm und dient als Kathode, der Platindraht 2 Pd 2 dient zur Kontaktierung für die Bezugselektrode Be aus Ag/AgCI. Die Bezugselektrode Be, die Kathode, in Form des Platindrahtes 1 Pd 1 und die Arbeitselektrode stellen das Elektrodensystem Es dar.

In Figur 2 ist eine GOD-Glukose-Elektrode in ihrem grundsätzlichen Aufbau dargestellt. Als Grundkörperfindetderin Fig.1 dargestellte Verwendung. Auf den Grundkörper Gr ist die Elektrolytschicht El in fester oder gelartiger Form angeordnet. Darüber befindet sich die mehrschichtige Membrananordnung Ma. Dabei besteht die über der Elektrolytschicht El liegende Schicht vorteilhafterweise aus einem hydrophoben Material. Über der mehrschichtigen Membrananordnung Ma befindet sich die Schutzschicht Schu.

In Figur 3 ist ein katalytischer Sensor zur Glukosekonzentrationsbestimmung, der den in Figur 1 dargestellten Grundkörperaufbau verwendet, dargestellt.

Das Elektrodensystem Es dient der Wandlung des chemischen Signals — Glukosekonzentration in ein elektrisches Äquivalent.

Dabei entscheidet das Membransandwich über die Kenngrößen des Sensors wie Meßbereich, Ansprechzeit und Biokompatibilität durch die Gestaltung des Permeabilitätsweges und die Materialoberflächeneigenschaften.

Aus diesem Grunde wird nach dem jeweiligen Anwendungszweck das Membran-Sandwich aus verschiedenen Schichten aufgebaut. Für die GOD-Glukose-Elektrode sind dies erfindungsgemäß eine feste und gelförmige Elektrolytschicht El, eine hydrophobe, wasserdurchlässige Membran und darüber eine oder mehrere CA-Schichten, wobei diese erfindungsgemäß entweder eine gesonderte Enzymschicht enthalten oder das Enzym als Bestandteil einer solchen Schicht enthält.

Als Materialien für die hydrophobe Membranschicht werden vorteilhafterweise PR, PUR bzw. Silikongummi verwendet.

Die Elektrolytschicht El wird erfindungsgemäß durch einen Festelektrolyten oder mittels Aggarose oder anderer Substanzen als Gelschicht ausgeführt, womit eine unabdingbare Voraussetzung für die Gestaltung der nachfolgenden Membranschichten

geschaffen wird und die Handhabung wesentlich erleichtert wird. '

Die Schutzschicht Schu erfindungsgemäß aus Silikongummi bestehend oder als eine heparinisierte CA-Schicht ausgeführt, verbessert die Biokompatibilität der Sensoranordnung und ermöglicht eine verlängerte Meßdauer in biologischen Flüssigkeiten.

Claims

1. Elektrochemische Sensoranordnung, insbesondere zur Glukosebestimmung, bestehend aus einem elektrochemischen Elektrodensystem, einer Elektrolytschicht und einem im Tauchverfahren hergestellten Membransandwich, daß das Elektrodensystem zur Meßflüssigkeit hin abschließt, gekennzeichnet dadurch, daß sich alle Elektroden des elektrochemischen Elektrodensystems (ES) auf der Oberfläche eines aus Isolierstoff hergestellten Grundkörpers (Gr), der eine partielle Durchmessererweiterung zur Verhinderung des Abgleitensdes Membransandwiches (MS) aufweist, befinden, daß zwischen dem elektrochemischen Elektrodensystem (ES) und dem Membransandwich (MS) eine Elektrolyschicht (EL) als Gel angeordnet ist und daß auf einer mehrschichtigen Membrananordnung (Ma) eine Schutzschicht (Schu) aus Siliconkautschuk aufgebracht ist. ·

2. Elektrochemische Sensoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrolytschicht (EL) in fester Form ausgeführt ist.

3. Elektrochemische Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich auf der mehrschichtigen Membrananordnung (Ma) keine Schutzschicht (Schu) befindet.

4. Elektrochemische Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die unterste Schicht des Membransandwiches (Ms) aus einem sauerstoffdurchlässigen Material besteht.

5. Elektrochemische Sensoranordnung nach Anspruch von 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Bezugselektrode (Be) und die Arbeitselektrode (Ae) des elektrochemischen Elektrodensystems (Es) als galvanisch verstärkte Spiegel ausgeführt sind.

6. Elektrochemische Sensoranordnung nach Anspruch von 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß in das Membransandwich (Ms) eine Enzym-Gel-Schicht eingebracht ist.