DD282527B5 - Enzyme electrode arrangement for biosensors - Google Patents
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Die Erfindung betrifft eine leicht applizierbare Enzymelektrodenanordnung, die sich für die langzeitige kontinuierliche Erfassung biologischer Parameter, vorzugsweise der Glukose, im menschlichen und tierischen Körper und für die Anwendung bei sehr kleinen Probenvolumina in der klinischen Diagnostik, meßwertgesteuerten Insulintherapie und in der Lebensmittelindustrie eignet.The invention relates to an easily applied enzyme electrode assembly, which is suitable for the long-term continuous detection of biological parameters, preferably glucose, in the human and animal body and for use in very small sample volumes in clinical diagnostics, measurement-controlled insulin therapy and in the food industry.
In „lon and Enzyme Electrodes in Biology and Medicine", Park Press, 1976, Seite 161-172 beschreiben L. C. Clark und C.R.Emory, daß Enzymelektroden durch die Kombination enzymatischer und elektrochemischer Reaktionen die Möglichkeit der spezifischen Bestimmung von Substratkonzentrationen bieten. Im Falle der Glukosekonzentrationsmessung wird zumeist eine modifizierte Clark-Elektrode verwendet. Diese Clark-Elektrode (US-PS 3539455) besteht aus einer Meßelektrode aus Platin und einer Referenzelektrode aus Silber/Silberchlorid in einer konzentrischen Anordnung, wobei die Meßelektrode in der Meßebene von der Referenzelektrode umgeben ist.In "Ion and Enzyme Electrodes in Biology and Medicine", Park Press, 1976, pages 161-172, LC Clark and CREmory describe that enzyme electrodes provide the ability to specifically determine substrate concentrations through the combination of enzymatic and electrochemical reactions This Clark electrode (US-PS 3539455) consists of a measuring electrode of platinum and a reference electrode of silver / silver chloride in a concentric arrangement, wherein the measuring electrode is surrounded in the measuring plane of the reference electrode.
Weiterhin sind auch Streifen-Elektroden (The Exatech-System, Prospekt der Firma Baxter Healthcare Corp., Deerfield, Illinois, USA) bekannt, bei denen Meß- und Referenzelektroden in einer Ebene parallel geführt sind.Furthermore, strip electrodes (The Exatech system, brochure of the company Baxter Healthcare Corp., Deerfield, Illinois, USA) are known in which measuring and reference electrodes are guided in a plane parallel.
Um eine eindeutige Funktion dieser Anordnung gewährleisten zu können, ist eine ausreichende Isolation von größer 100 MOhm zwischen Meßelektrode und Referenzelektrode erforderlich. Das bedeutet, daß zur Herstellung solcher Anordnungen hochwertige Isolationsmaterialien eingesetzt werden müssen in Verbindung mit aufwendigen Technologien auf den Gebieten der Glas- und Kunstharzverarbeitung, der Metallbedampfung und der Kontaktierung der notwendigen Anschlußleitungen. Der Mangel dieser Anordnung besteht darüber hinaus darin, daß bereits bei kleinsten Isolationsfehlern, wie Haarrissen u.a.m., die gesamte Elektrodenanordnung verworfen werden muß.In order to ensure a clear function of this arrangement, a sufficient isolation of greater than 100 MOhm between the measuring electrode and reference electrode is required. This means that for the production of such arrangements high-quality insulation materials must be used in conjunction with complex technologies in the fields of glass and resin processing, Metallevampfung and contacting the necessary leads. The lack of this arrangement is moreover that even with very small insulation errors, such as hairline cracks, etc., the entire electrode assembly must be discarded.
Die Modifizierung der Elektrodenanordnung zur Enzymelektrode erfolgt in der Regel durch das Aufbringen eines Elektrolyten, dessen Abdeckung mit einer je nach Meßverfahren hydrophoben oder hydrophilen Membran realisiert wird. Auf diese Membran wird das Enzym, im Falle der Glukosemessung die Glukoseoxidase GOD, zumeist in immobilisierter Form aufgebracht und mit mindestens einer die Diffusion von Substrat und Kosubstrat realisierenden Membran (U. Fischer und P.Abel in „A Membrane Com bin at ion for Implantable Glucose Sensors, Measurements in Undiluted Biological Fluids", Vol. XXVIII, Trans. Am. Soc. Art if. Intern. Organs, 1982, S. 245-248 bzw. US-PS 4484987) abgedeckt. Bedingt durch die geometrische Anordnung und die erforderliche Präparation nachdem Sandwich prinzip mit flächigen Membranen oder durch mehrfaches Tauchen der Anordnung in polymere Lösungen haben funktionsfähige Enzymelektroden einen Außendurchmesser von 1 bis 4mm (DD-WP 227029) und aus Gründen der Leitungskontaktierung und der Handhabbarkeit zur Prä parat ion eine Länge von größer 20mm und sind auf Grund dieser Abmessungen für die Applikation beim Menschen und Tier nicht akzeptabel. Darüber hinaus führt die Anwesenheit dieses relativ großen Fremdkörpers in den hauptsächlich zu betrachtenden Meßkompartimenten, dem Blut bei Implantation in einem Blutgefäß oder der interstitiellen Flüssigkeit bei Implantation unter die Haut, sehr schnell zu negativen Einflüssen auf das biologische Umfeld.The modification of the electrode arrangement to the enzyme electrode is generally carried out by the application of an electrolyte whose coverage is realized with a hydrophobic or hydrophilic membrane depending on the measuring method. The enzyme, in the case of glucose measurement, the glucose oxidase GOD, is usually applied to this membrane in immobilized form and with at least one membrane which realizes the diffusion of substrate and co-substrate (U. Fischer and P. Albel in "A Membrane Com bin ion for Implantable Glucose Sensors, Measurements in Undiluted Biological Fluids ", Vol. XXVIII, Trans. Am Soc., Art, Inc., Intern. Organs, 1982, pp. 245-248 and US Patent 4484987.) Due to the geometric arrangement and the required preparation after sandwich principle with laminar membranes or by multiple immersion of the arrangement in polymeric solutions have functional enzyme electrodes an outer diameter of 1 to 4mm (DD-WP 227029) and for reasons of line contacting and handling for Preparat ion a length greater than 20mm and Due to these dimensions, they are not acceptable for human and animal applications, and their presence also means that relatively large foreign body in the mainly to be considered Meßkompartimenten, the blood when implanted in a blood vessel or the interstitial fluid when implanted under the skin, very quickly to negative influences on the biological environment.
Versuche, die Enzymelektroden wesentlich kleiner zu gestalten, scheiterten zumeist daran, daß die Isolation zwischen Anode und Kathode unzureichend war oder während des Betriebes wurde und daß nicht ausreichende Mengen des Enzyms auf der Meßfläche untergebracht werden konnte, was zu einer Begrenzung der Reaktion führte.Attempts to make the enzyme electrodes much smaller, failed mostly because the anode-cathode isolation was insufficient or during operation and that insufficient amounts of the enzyme could be placed on the measurement surface, resulting in a limitation of the reaction.
Das Ziel der Erfindung ist ein Enzymsensor, der sich kostengünstig herstellen läßt und sich durch hohe Zuverlässigkeit bei der langzeitigen, kontinuierlichen Erfassung biologischer Parameter, vorzugsweise der Blutglukose, in der klinischen Diagnostik, der meßwertgesteuerten Insulintherapie und in der Industrie auszeichnet.The object of the invention is an enzyme sensor which can be produced inexpensively and is characterized by high reliability in the long-term, continuous detection of biological parameters, preferably blood glucose, in clinical diagnostics, measurement-controlled insulin therapy and in industry.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine implantierbare und in extrakorporalen Meßanordnungen bei sehr kleinen Probevolumina anwendbare Enzymelektrodenanordnung anzugeben, deren Konstruktionsprinzip sich durch die Wahl geeigneter Elektrodengeometrie gegenüber dem bekannten Stand der Technik auszeichnet und bei der alle genannten Mängel beseitigt sind.The object of the invention is therefore to provide an implantable and applicable in extracorporeal measurement arrangements at very small sample volumes Enzyme electrode assembly whose design principle is characterized by the choice of suitable electrode geometry over the prior art and in which all the above deficiencies are eliminated.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Meßelektrode und Referenzelektrode des Biosensors räumlich voneinander getrennt angeordnet sind und daß nur die Meßelektrode als Enzymelektrode präpariert ist. Die räumliche Trennung von Meßelektrode und Referenzelektrode hat zur Folge, daß bei der Anwendung der Enzymelektrodenanordnung als Implantat die Meßelektrode und die Referenzelektrode an getrennten Orten vorzugsweise in Form von sehr dünnen Nadeln appliziert werden können. Des weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung im Falle der subkutanen Anwendung, daß nur die Meßelektrode an den Meßort implantiert wird, während die Referenzelektrode unter Verwendung eines Elektrolyten von außen in der Nähe des Implantationsortes der Meßelektrode auf der Haut befestigt wird. Bei extrakorporalen Messungen der biologischen Parameter ist die Wandung des Probengefäßes als Referenzelektrode ausgelegt, so daß lediglich der Kontakt der Meßelektrode mit der Probe herzustellen ist.According to the invention, this object is achieved in that measuring electrode and reference electrode of the biosensor are arranged spatially separated from each other and that only the measuring electrode is prepared as an enzyme electrode. The spatial separation of measuring electrode and reference electrode has the consequence that when using the enzyme electrode assembly as an implant, the measuring electrode and the reference electrode can be applied at separate locations, preferably in the form of very thin needles. Further, in the case of subcutaneous application, the arrangement of the present invention enables only the measuring electrode to be implanted at the measuring site while the reference electrode is fixed to the skin using an electrolyte from the outside in the vicinity of the implantation site of the measuring electrode. In extracorporeal measurements of biological parameters, the wall of the sample vessel is designed as a reference electrode, so that only the contact of the measuring electrode is to be made with the sample.
Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es, den Außendurchmesser der Enzymelektrode erstmalig auf den Durchmesser der Meßelektrode zuzüglich der für die Isolation benötigten Schichtdicke zu begrenzen. Die Enzymelektrode ist als Mikroelektrode mit einem Außendurchmesser von klein/gleich 0,04 mm herstellbar. Die Länge der Enzymelektrode kann variabel gewählt werden. Infolge der flexiblen Auslegung ihrer Gestaltung ist eine extrem gute Anpassung an die Umgebung an allen in Frage kommenden Implantationsorten gewährleistet.The arrangement according to the invention makes it possible for the first time to limit the outside diameter of the enzyme electrode to the diameter of the measuring electrode plus the layer thickness required for the insulation. The enzyme electrode can be produced as a microelectrode with an external diameter of 0.04 mm. The length of the enzyme electrode can be chosen variably. Due to the flexible design of their design an extremely good adaptation to the environment is guaranteed at all possible implantation sites.
Darüber hinaus ist gesichert, daß die Anwendung von Biosensoren in bisher nicht oder nur schwer erreichbaren biologischen Kompartimenten möglich ist. Mit der erfindungsgemäßen Enzymelektrodenanordnung wird erstmalig realisiert, daß nur im Falle der Funktionsbegrenzung ausschließlich die Meßelektrode ausgewechselt bzw. neu präpariert werden muß, während die Referenzelektrode am Ort verbleiben kann.In addition, it is ensured that the use of biosensors in previously unattainable or difficult to reach biological compartments is possible. With the enzyme electrode arrangement according to the invention, it is realized for the first time that only in the case of functional limitation, only the measuring electrode has to be exchanged or newly prepared, while the reference electrode can remain in place.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen für einen Biosensorzur Bestimmung der Blutzuckerkonzentration näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung ist dargestellt:The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments for a biosensor for determining the blood sugar concentration. The accompanying drawing shows:
Fig. 1: erfindungsgemäße EnzymelektrodenanordnungFIG. 1: Enzyme electrode arrangement according to the invention
Fig. 2: implantierte AnordnungFig. 2: implanted arrangement
Fig. 3: implantierte Anordnung mit extrakorporaler Referenzelektrode3: implanted arrangement with extracorporeal reference electrode
Fig.4: miniaturisierte Enzymelektrodenanordnung4: miniaturized enzyme electrode arrangement
Der Biosensor zur Bestimmung der Blutzuckerkonzentration besitzt die erfindungsgemäße Enzymelektrodenanordnung gemäß Fig. 1 und arbeitet auf der Basis folgender ReaktionenThe biosensor for determining the blood sugar concentration has the enzyme electrode arrangement according to the invention shown in FIG. 1 and operates on the basis of the following reactions
- enzymatische Glukoseoxidation- enzymatic glucose oxidation
ß-D-Glukose + H2O + O2 > Glukonsäure + H2O2 β-D-glucose + H 2 O + O 2 > gluconic acid + H 2 O 2
- elektrochemische anodische Oxidation des bei der Glukoseoxidation entstandenen Wasserstoffperoxides H2O2-^O2 + 2e~ + 2H+.- electrochemical anodic oxidation of the hydrogen peroxide H 2 O 2 - ^ O 2 + 2e ~ + 2H + formed in the glucose oxidation.
Die Meßelektrode 1 aus Platin wirkt als Anode und ist von der sehr dünnwandigen, hydrophoben Isolationsschicht 2 aus beispielsweise Zelluloseazetat oder Polyurethan ummantelt.The measuring electrode 1 of platinum acts as an anode and is coated by the very thin-walled, hydrophobic insulating layer 2 of cellulose acetate or polyurethane, for example.
Die Isolationsschicht 2 ist an der Spitze und Längsseite der Meßelektrode 1 unterbrochen. Die Flächen der Durchbrüche lassen eine beliebig groß wählbare aktive Meßfläche 3 entstehen. Diese Meßfläche 3 wird mittels Tauchvorgängen in das immobilisierte Enzym Glukoseoxidase 4 und polymere Lösungen präpariert. Über die Variation der aktiven Meßfläche 3 der Meßelektrode 1 ist der Substratkonzentrationsstrom einstellbar.The insulating layer 2 is interrupted at the top and longitudinal side of the measuring electrode 1. The surfaces of the apertures allow an arbitrarily large selectable active measuring surface 3 arise. This measuring surface 3 is prepared by immersion in the immobilized enzyme glucose oxidase 4 and polymeric solutions. About the variation of the active measuring surface 3 of the measuring electrode 1, the substrate concentration stream is adjustable.
Die Referenzelektrode 5 der erfindungsgemäßen Enzymelektrodenanordnung des Biosensors besteht aus chloriertem Silbermaterial und besitzt keine Ummantelung.The reference electrode 5 of the enzyme electrode assembly of the biosensor according to the present invention is made of chlorinated silver material and has no sheath.
Zwischen der Meßelektrode 1 und der Referenzelektrode 5 liegt ein Potential von etwa 0,7 V an, welches dem Arbeitspunkt in der polarographischen Stufe entspricht. An den Elektroden 1 und 5 der Enzymelektrodenanordnung ist jeweils die abgechirmte Leitung 6 angeschlossen, welche auf kürzest möglicher Distanz zu der zweiadrigen, geschirmten Leitungsführung zusammengeführt sind, um den störenden Einfluß äußerer Fremdfelder zu minimieren.Between the measuring electrode 1 and the reference electrode 5 is a potential of about 0.7 V, which corresponds to the operating point in the polarographic stage. At the electrodes 1 and 5 of the enzyme electrode assembly, the shielded line 6 is connected in each case, which are combined at the shortest possible distance to the two-core, shielded cable routing to minimize the disturbing influence of external external fields.
Die Leitung 7 ist mit den Eingangsklemmen des Vorverstärkers 8 für die Verstärkung des Meßsignals des Biosensors verbunden.The line 7 is connected to the input terminals of the preamplifier 8 for the amplification of the measuring signal of the biosensor.
Die erfindungsgemäße Enzymelektrodenanordnung wird gemäß Fig. 2 in der Weise angewendet, daß die Meßelektrode 1 mittels der feinen Kanüle 9 an dem vorgesehenen Meßort beim Patienten oder Tier implantiert wird, während die Referenzelektrode 5 an einem anderen geeigneten Ort, der lediglich eine elektrolytische Ionen leitende Verbindung zum Meßkompartiment haben muß, ebenfalls implantiert sein kann.The enzyme electrode assembly according to the invention is applied as shown in FIG. 2 in such a way that the measuring electrode 1 is implanted by means of the fine cannula 9 at the intended location in the patient or animal, while the reference electrode 5 at another suitable location, the only one electrolytic ion conductive compound to the Meßkompartiment must also be implanted.
Demgegenüber kann erfindungsgemäß die Referenzelektrode 5 auch gemäß Fig. 3 als aufsetzbare Elektrodenform 10 ausgeführt sein und wird auf der Haut des Probanden appliziert.In contrast, according to the invention, the reference electrode 5 can also be designed as an attachable electrode mold 10 according to FIG. 3 and is applied to the subject's skin.
Soll die Messung bei fließender Probe sehr geringer Volumina erfolgen, so ist gemäß Fig. 4 vorgesehen, daß zur extrakorporalen Anwendung der erfindungsgemäßen Enzymelektrodenanordnung die Wandung des Probegefäßes 11, z.B. eine Kapillare, als Referenzelektrode 5 dient. Die dazugehörige nadeiförmige Meßelektrode 1 kann extrem klein ausgeführt sein und ist in das Meßmedium eingeführt, ohne dabei den Probenfluß wesentlich zu stören. Das Meßkompartiment übernimmt bei dieser Enzymelektrodenanordnung nach der enzymatischen und elektrochemischen Reaktion selbst die notwendige lonenleitung. Durch die erfindungsgemäße Enzymelektrodenanordnung für den Biosensor ist gesichert, daß auch bei langzeitiger Anwendung kein Elektrolytdefizit auftreten kann. Auf Grund der jeweiligen Elektrodengeometrie baut sich ein elektrisches Feld zwischen Meßelektrode 1 und Referenzelektrode 5 in der Weise auf, daß eine schnelle konzentrationsabhängige Veränderung des Meßsignals sicher erfaßt wird. Da nur die Meßelektrode 1 mit dem Enzym 4 bedeckt ist, ist nur noch diese Elektrode im Falle der Implantation zur notwendigen Erneuerung des Enzyms 4 und/oder der Diffusionsmembran zu explantieren. Die getrennte Anordnung von Meßelektrode 1 und Referenzelektrode 5 gestattet erstmalig die Enzym beschichtung der gesamten Meßelektrode und nicht nur der Querschnittsfläche an der Spitze der Elektrodenanordnung wie bei den herkömmlichen Biosensoren.If the measurement is to be carried out with a flowing sample of very small volumes, it is provided according to FIG. 4 that, for the extracorporeal application of the enzyme electrode arrangement according to the invention, the wall of the sample vessel 11, e.g. a capillary, serves as a reference electrode 5. The associated needle-shaped measuring electrode 1 can be made extremely small and is introduced into the measuring medium without significantly disturbing the sample flow. The Meßkompartiment takes in this enzyme electrode assembly after the enzymatic and electrochemical reaction itself the necessary ion conduction. The enzyme electrode arrangement according to the invention for the biosensor ensures that no electrolyte deficit can occur even with long-term use. Due to the respective electrode geometry, an electric field between the measuring electrode 1 and the reference electrode 5 builds up in such a way that a rapid concentration-dependent change of the measuring signal is reliably detected. Since only the measuring electrode 1 is covered with the enzyme 4, only this electrode is to be explanted in the case of implantation for the necessary renewal of the enzyme 4 and / or the diffusion membrane. The separate arrangement of measuring electrode 1 and reference electrode 5 allows for the first time the enzyme coating of the entire measuring electrode and not only the cross-sectional area at the top of the electrode assembly as in the conventional biosensors.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD32782289A DD282527B5 (en) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | Enzyme electrode arrangement for biosensors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD32782289A DD282527B5 (en) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | Enzyme electrode arrangement for biosensors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD282527B5 true DD282527B5 (en) | 1995-04-20 |
Family
ID=5608607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DD32782289A DD282527B5 (en) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | Enzyme electrode arrangement for biosensors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DD (1) | DD282527B5 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4314007A1 (en) * | 1993-04-26 | 1994-10-27 | Elbau Elektronik Bauelemente G | Measuring electrode arrangement |
-
1989
- 1989-04-20 DD DD32782289A patent/DD282527B5/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4314007A1 (en) * | 1993-04-26 | 1994-10-27 | Elbau Elektronik Bauelemente G | Measuring electrode arrangement |
| DE4314007C2 (en) * | 1993-04-26 | 1999-05-27 | Elbau Elektronik Bauelemente G | Measuring electrode arrangement |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RPI | Change in the person, name or address of the patentee (searches according to art. 11 and 12 extension act) | ||
| RPV | Change in the person, the name or the address of the representative (searches according to art. 11 and 12 extension act) | ||
| RPV | Change in the person, the name or the address of the representative (searches according to art. 11 and 12 extension act) | ||
| B5 | Patent specification, 2nd publ. accord. to extension act | ||
| BAUF | Maintained restricted (sect. 12/3 extension act) | ||
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