DE10001923C1

DE10001923C1 - Procedure for the determination of redox-active substances

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Publication number: DE10001923C1
Application number: DE2000101923
Authority: DE
Inventors: Paul Jeroschewski; Harald Grabow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: AU3730401A; EP1252505A2; WO2001053815A3; WO2001053815A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung redoxaktiver Stoffe durch Kombination einer membranbedeckten, elektrochemischen Meßzelle mit Redoxmediator und einer Steuereinheit. Die Meßzelle enthält mehrere Arbeitselektroden in großer räumlicher Nähe sowie Schutz- und Gegenelektroden. Die Steuereinheit umfaßt mehrere regelbare Gleichspannungsquellen zur Polarisation der Elektroden und eine Zeitsteuerung, die die Zeitabfolge der Elektrodenpolarisation und der Messung der Ströme steuert. DOLLAR A Der Analyt reagiert in der Meßzelle mit dem Redoxmediator, wobei für sehr geringe Analytkonzentrationen in einem Arbeitsmodus I an den als Anode und Kathode polarisierten Arbeitselektroden ein Redoxrecycling ausgelöst wird. Der dabei fließende Strom wird durch das Redoxrecycling verstärkt und ist der Analytkonzentration proportional. DOLLAR A Bei höheren Analytkonzentrationen wird durch eine automatische Änderung der Elektrodenpolarisation ein Arbeitsmodus II realisiert, bei dem die Meßzelle als bekannter amperometrischer Sensor mit Redoxmediator arbeitet. Damit zeichnet sich dieses Verfahren durch eine sehr tiefe Bestimmungsgrenze und einen sehr großen dynamischen Meßbereich aus.The invention relates to a method for determining redox-active substances by combining a membrane-covered, electrochemical measuring cell with a redox mediator and a control unit. The measuring cell contains several working electrodes in close proximity as well as protective and counter electrodes. The control unit comprises a plurality of controllable direct voltage sources for polarizing the electrodes and a time control which controls the time sequence of the electrode polarization and the measurement of the currents. DOLLAR A The analyte reacts with the redox mediator in the measuring cell, redox recycling being triggered for very low analyte concentrations in a working mode I on the working electrodes polarized as anode and cathode. The current flowing is amplified by the redox recycling and is proportional to the analyte concentration. DOLLAR A At higher analyte concentrations, an automatic change of the electrode polarization results in a working mode II, in which the measuring cell works as a known amperometric sensor with a redox mediator. This method is characterized by a very low limit of quantification and a very large dynamic measuring range.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von gasförmigen und gelösten Stoffen, die oxidierbar oder reduzierbar sind, mit Hilfe von Re doxmediatoren in elektrochemischen Meßzellen.The invention relates to a method for the detection and quantitative determination of gaseous and dissolved substances that can be oxidized or reduced with the help of Re DOX mediators in electrochemical measuring cells.

Elektrochemische Meßzellen werden in breitem Umfang in der Stoffanalytik eingesetzt, wo bei als wichtigste Meßprinzipien die Potentiometrie, Voltammetrie/Polarographie, Coulome trie und Konduktometrie zu nennen sind. Die amperometrische Variante, die sich von der Voltammetrie ableitet, nutzt als Meßsignal den elektrischen Strom bei einem vorgegebenen Elektrodenpotential, der bei der Oxidation bzw. Reduktion des zu bestimmenden Stoffes (Analyt) in einer elektrochemischen Meßzelle auftritt. Bei dieser Variante besteht ein direkter linearer Zusammenhang zwischen dem Meßsignal und der Analytkonzentration bis in den unteren mikromolaren Konzentrationsbereich hinein. Ein Beispiel hierfür ist der weit verbrei tete Clark-Sensor zur Sauerstoffbestimmung [DE 28 51 447 C2, EP 0205399 A2, M. L. Hitchman. Measurement of Dissolved Oxygen. John Wiley, 2. edition, 1978.]. Grund sätzliche Voraussetzungen für die Anwendung der amperometrischen Methode sind die fol genden Bedingungen: (i) Der Analyt muß unter den vorliegenden Bedingungen elektroche misch aktiv sein, d. h. an der Meßelektrode oxidiert oder reduziert werden; (ii) die Elektroden reaktionen müssen schnell ablaufen; (iii) die Elektrodenoberflächen dürfen durch den elektro chemischen Prozeß oder andere Vorgänge in der Meßzelle nicht blockiert werden (keine Pas sivierung oder Deckschichtbildung an den Elektroden). Nicht immer sind diese Voraussetzun gen voll erfüllt, so daß unter Umständen ein reversibles Redoxpaar als Redoxinediator einge setzt werden muß [US 3795589, US 5030334]. Der Redoxmediator reagiert in einer schnellen homogenen Redoxreaktion mit dem Analyten vor der Elektrodenoberfläche, um dann seinerseits durch eine elektrochemische Reduktion bzw. Oxidation regeneriert zu wer den, d. h. die Elektronenübertragung in der Meßzelle erfolgt über den Redoxmediator. Solche Meßzellen gestatten Messungen, die in Abwesenheit des Redoxmediators nur schlecht oder gar nicht möglich wären. Ein Beispiel hierfür ist die amperometrische H₂S-Bestimmung mit Hilfe von Ferri-/Ferrocyanid als Redoxmediator [DE 196 37 253 A1, P. Jeroschewski, M. Söllig, H. Berge: Amperometrische Bestimmung von Schwefelwasserstoff, Z. Chem. 28 (1988) 75]. Ein grundsätzliches Problem amperometrischer Meßzellen ist ihre Strömungsab hängigkeit, die aus dem Analytverbrauch beim Meßvorgang resultiert. Zeitlich stabile Meßsi gnale können nur erreicht werden, wenn durch Diffusionsbarrieren, z. B. in Form einer Kapillare [UK 1571282, UK 2049952 A] oder durch Rühren bzw. Anströmen konstante Transportverhältnisse an der Sensoroberfläche eingestellt werden. Bei bestimmten Meßaufga ben lassen sich solche Verhältnisse jedoch nicht ohne weiteres realisieren, wie z. B. bei Mes sungen mit einer hohen Ortsauflösung in Sedimenten oder Biofilmen. Durch Verwendung von amperometrischen Mikrosensoren kann dieses Problem umgangen werden, da durch die sphä rische Diffusion und die äußerst geringen Stoffumsätze Zehrungseffekte vernachlässigbar klein sind und nicht mehr ins Gewicht fallen [P. Jeroschewski, C. Steuckart, M. Kühl: An Amperometric Microsensor for the Determination of H₂S in Aquatic Environments, Anal. Chem. 68 (1996) 4351-4357]; jedoch sind die Meßströme unter diesen Bedingungen sehr gering und liegen im Pikoamperebereich. Die Bestimmungsgrenze amperometrischer Mikro sensoren liegt im mikromolaren Konzentrationsbereich. Sie ist durch den Aufbau der Meß zelle (sehr geringe Elektrodenoberfläche) gegeben, der neben dem Gehalt des Analyten den Umfang der elektrochemischen Reaktion bestimmt. Unterhalb des mikromolaren Konzentrati onsbereiches ist der Umfang der elektrochemischen Reaktion so gering, daß sich das Meßsi gnal nicht mehr signifikant vom Grundstrom der Meßzelle unterscheidet. Unter diesen Bedin gungen sind keine sinnvollen Messungen mehr möglich. Eine Vergrößerung des Meßsignals kann erreicht werden, wenn eine Vielzahl von parallel geschalteten Mikroelektroden zu einem Array angeordnet wird [W. E. Morf, N. F. de Rooij: Sensors and Actuators B 44 (1997) 538-541], vorausgesetzt, der Abstand der Mikroelektroden ist ausreichend groß, um eine un gestörte hemisphärische Diffusion zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen ergibt sich das Meßsignal aus der Summe des Stromes an den einzelnen Mikroelektroden im Array. Al lerdings addieren sich auch die Grundströme der einzelnen Mikroelektroden. Eine weitere Möglichkeit zur wesentlichen Vergrößerung des Meßsignals besteht in der Nutzung des Re doxrecyclingeffektes, der an interdigitalen Mikroelektrodenarrays [O. Niwa, M. Morita, H. Tabei: Anal. Chem. 62 (1990) 447-452] oder in Kapillarspaltzellen mit Elektrodenabstän den von wenigen Mikrometern [S. A. Brooks, R. T. Kennedy: J. Electroanal. Chem. 436 (1997) 27-34] in Gegenwart eines reversiblen Redoxpaares realisiert werden kann. Wegen des sehr geringen Diffusionsweges erfolgt ein rascher Stoffaustausch der oxidierten und reduzier ten Form des Redoxpaares zwischen den als Anode und Kathode geschalteten Mikroelektro den (Feedback-Diffusion). Die Elektrodenpotentiale von Anode und Kathode müssen dabei mit Hilfe einer Potentialkontrolle auf eine bestimmte Potentialdifferenz eingestellt werden, die das gewünschte Redoxrecycling ermöglicht. Eine analytische Nutzung des Redoxrecy clings zur Vergrößerung des Meßsignals und zur Verringerung der Bestimmungsgrenze ist auf diese Weise unmittelbar möglich, wenn der Analyt selbst ein reversibles Redoxpaar bilden kann [O. Niwa: Electroanalysis 7 (1995) 606-613 und J. Polonsky, M. Rievaj, D. Bustin: Chem. Anal. (Warsaw) 42 (1997) 445-450).Electrochemical measuring cells are widely used in chemical analysis, where the most important measuring principles are potentiometry, voltammetry / polarography, coulometry and conductometry. The amperometric variant, which is derived from voltammetry, uses as the measurement signal the electric current at a given electrode potential that occurs in the oxidation or reduction of the substance to be determined (analyte) in an electrochemical measuring cell. In this variant there is a direct linear relationship between the measurement signal and the analyte concentration down to the lower micromolar concentration range. An example of this is the widely used Clark sensor for determining oxygen [DE 28 51 447 C2, EP 0205399 A2, ML Hitchman. Measurement of Dissolved Oxygen. John Wiley, 2nd edition, 1978.]. The following conditions are fundamental for the use of the amperometric method: (i) The analyte must be electrochemically active under the existing conditions, ie oxidized or reduced at the measuring electrode; (ii) the electrode reactions must be rapid; (iii) The electrode surfaces must not be blocked by the electrochemical process or other processes in the measuring cell (no passivation or formation of a covering layer on the electrodes). These conditions are not always fully met, so that under certain circumstances a reversible redox pair must be used as a redox diamine [US 3795589, US 5030334]. The redox mediator reacts in a rapid, homogeneous redox reaction with the analyte in front of the electrode surface in order to be regenerated by an electrochemical reduction or oxidation, ie the electron transfer in the measuring cell takes place via the redox mediator. Such measuring cells allow measurements that would be difficult or impossible at all in the absence of the redox mediator. An example of this is the amperometric H ₂ S determination using ferric / ferrocyanide as a redox mediator [DE 196 37 253 A1, P. Jeroschewski, M. Söllig, H. Berge: Amperometric determination of hydrogen sulfide, Z. Chem. 28 ( 1988 ) 75]. A fundamental problem of amperometric measuring cells is their flow dependency, which results from the analyte consumption during the measuring process. Stable measuring signals can only be achieved if through diffusion barriers, e.g. B. in the form of a capillary [UK 1571282, UK 2049952 A] or by stirring or inflowing constant transport conditions on the sensor surface. In certain Meßaufga ben such conditions can not be easily implemented, such as. B. in measurement solutions with a high spatial resolution in sediments or biofilms. This problem can be avoided by using amperometric microsensors, since the spherical diffusion and the extremely low material turnover mean that the effects of sap are negligibly small and are no longer significant [P. Jeroschewski, C. Steuckart, M. Kühl: An Amperometric Microsensor for the Determination of H ₂ S in Aquatic Environments, Anal. Chem. 68 ( 1996 ) 4351-4357]; however, the measuring currents are very low under these conditions and are in the picoamper range. The limit of quantification of amperometric micro sensors lies in the micromolar concentration range. It is given by the structure of the measuring cell (very small electrode surface), which determines the extent of the electrochemical reaction in addition to the content of the analyte. Below the micromolar concentration range, the extent of the electrochemical reaction is so small that the measuring signal no longer differs significantly from the basic current of the measuring cell. Under these conditions, meaningful measurements are no longer possible. An increase in the measurement signal can be achieved if a plurality of microelectrodes connected in parallel are arranged in an array [WE Morf, NF de Rooij: Sensors and Actuators B 44 ( 1997 ) 538-541], provided that the distance between the microelectrodes is sufficiently large to ensure undisturbed hemispherical diffusion. Under these conditions, the measurement signal results from the sum of the current at the individual microelectrodes in the array. However, the basic currents of the individual microelectrodes also add up. Another possibility for significantly increasing the measurement signal is to use the redox recycling effect which occurs on interdigital microelectrode arrays [O. Niwa, M. Morita, H. Tabei: Anal. Chem. 62 ( 1990 ) 447-452] or in capillary gap cells with electrode spacings of a few micrometers [Brooks SA, Kennedy RT: J. Electroanal. Chem. 436 ( 1997 ) 27-34] in the presence of a reversible redox couple. Because of the very small diffusion path, the oxidized and reduced form of the redox couple is rapidly exchanged between the microelectrodes connected as anode and cathode (feedback diffusion). The electrode potentials of the anode and cathode must be set to a certain potential difference with the aid of a potential control, which enables the desired redox recycling. An analytical use of the redox recycling to increase the measurement signal and to reduce the limit of quantification is possible in this way if the analyte itself can form a reversible redox pair [O. Niwa: Electroanalysis 7 ( 1995 ) 606-613 and J. Polonsky, M. Rievaj, D. Bustin: Chem. Anal. (Warsaw) 42 ( 1997 ) 445-450).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei Mikrosensoren - bedingt durch die äußerst geringen Stoffumsätze - nur ein sehr geringer Meßstrom im Pikoamperebereich auftritt, des sen zuverlässige Messung unter realen Meßbedingungen nicht trivial und ziemlich aufwendig ist. Dadurch wird die Bestimmungsgrenze bei einer Konzentration von ca. 1 µmol/L erreicht. Die elektrische Verstärkung des Meßstromes ist nicht sinnvoll, da er bei diesen sehr kleinen Konzentrationen von einem störenden Grundstrom überlagert ist. Die Erhöhung des Meß stromes durch eine Vielzahl von Mikroelektroden verbessert das Signal/Rauschverhältnis ge genüber einer einzelnen Mikroelektrode nicht grundsätzlich, sondern verschiebt nur den Meß bereich für das Stromsignal zu meßtechnisch besser beherrschbaren Werten. Die Vergröße rung des Meßsignals durch ein Redoxrecycling setzt voraus, daß der Analyt selbst ein rever sibles Redoxpaar bildet und die Elektrodenpotentiale der Meßelektroden kontrolliert werden. Der direkte Kontakt der Meßlösung mit den Elektroden der Meßzelle kann leicht zu Störun gen der elektrochemischen Reaktionen durch Komponenten der Matrix führen, wodurch die Anwendung solcher Meßsysteme eingeschränkt ist oder vorhergehende Trennoperationen erforderlich sind. Bildet der Analyt kein reversibles Redoxpaar, könnte man zur Nutzung des Redoxrecyclingeffektes mit einem geeigneten Redoxmediator arbeiten; für kontinuierliche Messungen müßte der Redoxmediator aber in definierter Weise ständig ausgetauscht werden.The invention is based on the problem that with microsensors - due to the extreme low material turnover - only a very low measuring current occurs in the picoampere range, the reliable measurement under real measuring conditions is not trivial and quite complex is. As a result, the limit of quantification is reached at a concentration of approx. 1 µmol / L. The electrical amplification of the measuring current is not useful, since it is very small in these Concentrations of a disturbing basic current is superimposed. The increase in measurement current through a large number of microelectrodes improves the signal / noise ratio not fundamentally compared to a single microelectrode, but only shifts the measurement Range for the current signal to values that are more manageable in terms of measurement technology. The magnification tion of the measurement signal by redox recycling requires that the analyte itself is a rever forms a redox couple and the electrode potentials of the measuring electrodes are checked. The direct contact of the measuring solution with the electrodes of the measuring cell can easily cause disturbances lead to the electrochemical reactions through components of the matrix, whereby the Use of such measuring systems is restricted or previous separation operations required are. If the analyte does not form a reversible redox pair, one could use the Work with a suitable redox mediator; for continuous The redox mediator would have to be constantly exchanged in a defined manner.

Erfindungsgemäß werden die genannten Probleme durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.According to the invention, the problems mentioned are characterized by the features of claim 1 solved. Advantageous configurations result from the further claims.

Nach der Erfindung kommt ein Verfahren mit einer elektrochemischen Meßzelle und einer Steuereinheit zur Anwendung. Die elektrochemische Meßzelle besteht aus interdigitalen Mi kroelektroden bzw. Kapillarspaltelektroden als Arbeitselektroden, einer Schutzelektrode so wie einer Gegenelektrode und enthält eine einheitliche Elektrolytlösung mit einem Redoxme diator. Die Meßzelle besitzt Öffnungen im Mikrometerbereich, die mit einer für den Analyten permeablen Membran gegenüber der Meßprobe verschlossen sind, um Matrixstörungen weit gehend zu unterdrücken. Sie sind geometrisch so angeordnet, daß eine sphärische Diffusion des Analyten an jeder einzelnen Öffnung ohne eine gegenseitige Beeinflussung gewährleistet ist. Die Elektroden der Meßzelle werden mit Hilfe mehrerer Spannungsquellen aus der Steu ereinheit in einer bestimmten zeitlichen Abfolge mit vorgegebenen Gleichspannungen ohne eine äußere Potentialkontrolle polarisiert und dabei wird in bestimmten Zeitintervallen ein Strom als Meßsignal registriert, der aus einer Reaktion des Analyten mit dem Redoxmediator resultiert und der Analytkonzentration proportional ist. Daraus ergeben sich die Arbeitsmodi I und II. Diese Meßanordnung gestattet einerseits die Nutzung der bereits beschriebenen Vor teile amperometrischer Mikrosensoren mit Redoxmediator (Arbeitsmodus II), vermag aber andererseits die Bestimmungsgrenze dieser Sensoren dadurch zu verringern, daß durch ein zeitabhängiges Redoxcycling an dem interdigitalen Mikroelektrodenarray oder in der Kapil larspaltzelle eine Signalvergrößerung erreicht wird (Arbeitsmodus I). Durch die Wahl des Arbeitsmodus und des Zeitintervalls für das Redoxcycling kann die Meßeinrichtung den je weiligen Erfordernissen in einem sehr großen Konzentrationsbereich angepaßt und die Be stimmungsgrenze verringert werden. Im Arbeitsmodus I ergibt sich die Verringerung der Be stimmungsgrenze aus dem Redoxcycling des Redoxmediators, was im Prinzip einer Verstär kung des Meßstromes durch Feedbackdiffusion entspricht und durch Integration über die Zeitdauer des Redoxrecyclingprozesses erreicht wird (Anreicherungseffekt). Liegt eine größe re Analytkonzentration vor, schaltet die Meßeinrichtung automatisch in den Arbeitsmodus II um und arbeitet als membranbedeckter amperometrischer Mikrosensor. Die Kombination von Arbeitsmodus I und II gestattet quantitative Bestimmungen in einem sehr großen dynamischen Konzentrationsbereich von fünf bis sechs Zehnerpotenzen mit einer einzigen Meßeinrichtung. Die erreichbare Bestimmungsgrenze ist dabei sehr gut und liegt im nanomo laren Bereich.According to the invention there is a method with an electrochemical measuring cell and Control unit for use. The electrochemical measuring cell consists of interdigital Mi kroelektroden or capillary gap electrodes as working electrodes, a protective electrode so like a counter electrode and contains a uniform electrolyte solution with a redox diator. The measuring cell has openings in the micrometer range, which have one for the analyte permeable membrane against the test sample are closed to wide matrix disturbances going to suppress. They are geometrically arranged so that a spherical diffusion of the analyte at each individual opening without mutual interference is. The electrodes of the measuring cell are removed from the control with the help of several voltage sources unity in a certain time sequence with given DC voltages without an external potential control is polarized and is activated at certain time intervals Current registered as a measurement signal, which results from a reaction of the analyte with the redox mediator results and the analyte concentration is proportional. Working modes I result from this and II. On the one hand, this measuring arrangement allows the use of the previously described share amperometric microsensors with redox mediator (working mode II), but can on the other hand, to reduce the limit of determination of these sensors by using a time-dependent redox cycling on the interdigital microelectrode array or in the Kapil Lar gap cell a signal enlargement is reached (working mode I). By choosing the Working mode and the time interval for the redox cycling can the measuring device depending adapted to the requirements in a very large concentration range and the loading mood limit can be reduced. In working mode I there is a reduction in loading mood limit from the redox cycling of the redox mediator, which in principle is an ampl kung of the measuring current through feedback diffusion and through integration via the Duration of the redox recycling process is reached (enrichment effect). Is a size analyte concentration, the measuring device automatically switches to work mode II and works as a membrane-covered amperometric microsensor. The combination of Working modes I and II allow quantitative determinations in a very large dynamic concentration range from five to six powers of ten with a single Measuring device. The limit of quantification that can be achieved is very good and lies in the nanomo laren area.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Meßprinzips der Erfindung beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the following an embodiment of the measuring principle of the invention is described. In the accompanying drawing shows:

Fig. 1 eine Kapillarspaltelektrodenanordnung in Verbindung mit einer elektronischen Steuer einrichtung Fig. 1 is a capillary gap electrode assembly in connection with an electronic control device

Fig. 2 die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Meßparametern und Meßgrö ßen und die entsprechende Zuordnung der Betriebszustände der Meßanordnung für verschiedene Konzentrationen. Fig. 2 shows the graphic representation of the time course of measurement parameters and Meßgrö ß and the corresponding assignment of the operating states of the measuring arrangement for different concentrations.

In Fig. 1 sind die Meßzelle und Steuereinrichtung nur in ihrer prinzipiellen Anordnung darge stellt: Die elektrochemische Kapillarspaltzelle 1 enthält zwei parallel angeordnete Elektroden 2 und 3, deren Abstand nur wenige Mikrometer und deren Dicke groß gegenüber ihrem Ab stand ist. Sie sind nach außen mit einer für neutrale Moleküle durchlässigen Schicht 4 (z. B. Silikongummi oder hydrophobe mikroporöse PTFE-Membran) bedeckt, wodurch der Spalt 5 zwischen den Elektroden gegenüber dem Meßmedium verschlossen wird. An dieser Stelle erfolgt der Eintritt des Analyten in die Meßzelle. Die Unterseiten der Elektroden 2 und 3 im Inneren der Meßzelle sind mit einer isolierenden Schicht 6 versehen, so daß nur die Flächen in dem Kapillarspalt 5 elektrochemisch aktiv sind. Weiterhin befinden sich in der Meßzelle eine Schutzelektrode 7 und eine Gegenelektrode 8 sowie eine Elektrolytlösung 9, in der ein Re doxmediator gelöst ist. Der Kapillarspalt 5 ist mit der redoxmediatorhaltigen Elektrolytlösung 9 gefüllt.In Fig. 1, the measuring cell and control device are shown only in their basic arrangement Darge: The electrochemical capillary gap cell 1 contains two electrodes 2 and 3 arranged in parallel, the distance between which is only a few micrometers and the thickness of which was large. They are covered on the outside with a layer 4 which is permeable to neutral molecules (e.g. silicone rubber or hydrophobic microporous PTFE membrane), as a result of which the gap 5 between the electrodes is closed off from the measuring medium. At this point the analyte enters the measuring cell. The undersides of the electrodes 2 and 3 in the interior of the measuring cell are provided with an insulating layer 6 , so that only the surfaces in the capillary gap 5 are electrochemically active. Furthermore, a protective electrode 7 and a counter electrode 8 and an electrolyte solution 9 , in which a re dox mediator is dissolved, are located in the measuring cell. The capillary gap 5 is filled with the redox mediator-containing electrolyte solution 9 .

Die Steuereinheit 10 umfaßt zwei regelbare Gleichspannungsquellen 11 und 12 zur Polarisati on der Elektroden und eine Zeitsteuerung 16, die die Zeitabfolge der Elektrodenpolarisation und der Messung der Ströme I^I und I^II über die Schalter 13, 14 und 15 steuert.The control unit 10 comprises two controllable DC voltage sources 11 and 12 for polarizing the electrodes and a time control 16 which controls the time sequence of the electrode polarization and the measurement of the currents I ^I and I ^II via the switches 13 , 14 and 15 .

Fig. 2 zeigt die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Meßparametern und Meßgrößen und die entsprechende Zuordnung der Betriebszustände der Meßanordnung für verschiedene Konzentrationen. Während der Meßphase t₁ befinden sich Schalter 13 in ge schlossenem, Schalter 14 und 15 in offenem Zustand. Damit ist die Spannung 11 an den Ar beitselektroden 2 und 3 wirksam. Wenn zur Zeit t₁c_a = 0 (c_a = Analytkonzentration) ist und damit nur die eine Form des Redoxmediators im Spalt 5 vorliegt, findet zwischen den Arbeit selektroden 2 und 3 kein Redoxcycling statt und das Instrument I^I registriert keinen Strom fluß. Fig. 2, the graph shows the time course of measurement parameters and measurement values and the corresponding assignment of the operating states of the measuring arrangement for different concentrations. During the measuring phase t ₁ , switches 13 are in the closed position, switches 14 and 15 are in the open state. So that the voltage 11 at the Ar beitselektroden 2 and 3 is effective. If at time t ₁ c _a = 0 (c _a = analyte concentration) and thus only one form of redox mediator is present in gap 5 , no redox cycling takes place between working electrodes 2 and 3 and the instrument I ^I registers no current flow.

Wird nun während des Zeittaktes t₂ die Rückstellphase betrieben, die durch Öffnen des Schalters 13 und gleichzeitiges Schließen der Schalter 14 und 15 gekennzeichnet ist, wird die Spannung 11 an den Arbeitselektroden 2 und 3 unwirksam. Da im Spalt 5 wegen c_a = 0 keine Umwandlung des Redoxmediators erfolgte, wird auch kein Strom I^K auftreten.If the reset phase, which is characterized by opening the switch 13 and simultaneously closing the switches 14 and 15 , is now operated during the clock cycle t ₂ , the voltage 11 at the working electrodes 2 and 3 becomes ineffective. Since there was no conversion of the redox mediator in gap 5 because of c _a = 0, no current I ^{K will} occur either.

In der Meßphase t₃, die wiederum durch den geschlossenen Schalter 13 und die geöffneten Schalter 14 und 15 gekennzeichnet ist, wird für den Fall 0 < c_a < c_max durch Übergang des Analyten in den Spalt 5 und Reaktion mit dem Redoxmediator ein Redoxcycling im Spalt 5 ablaufen, dessen Umfang mit der Analytmenge, die in den Spalt 5 eintritt, zunimmt. Meßbares Ergebnis ist ein mit der Zeit ansteigender Strom I^I, dessen Höchstwert am Ende der Phase t₃ ein Maß für die Analytkonzentration ist. In the measuring phase t ₃ , which in turn is characterized by the closed switch 13 and the open switches 14 and 15 , for the case 0 <c _a <c _max, redox cycling is carried out in the gap 5 and reaction with the redox mediator Run gap 5 , the scope of which increases with the amount of analyte that enters the gap 5 . The measurable result is a current I ^I which rises over time, the maximum value at the end of phase t _{3 being} a measure of the analyte concentration.

Seine Größe ist von dem aktuellen Konzentrationsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form des Redoxmediators c(Ox)/c(Red) der Redoxmediatorkomponenten Ox und Red abhän gig. Dieses Konzentrationsverhältnis wird durch die chemische Reaktion des Analyten mit einer Komponente des Redoxmediators bestimmt, so daß der Strom I^I das konzentrationspro portionale Meßsignal darstellt. Gleichzeitig liegt an der Schutzelektrode 7 und an der Ge genelektrode 8 die Gleichspannung 12, wodurch störende Komponenten aus dem Inneren der Elektrolytlösung an der Schutzelektrode elektrochemisch umgewandelt werden und damit keinen Einfluß auf das Konzentrationsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form des Re doxmediators c(Ox)/c(Red) im Elektrodenspalt 5 ausüben können.Its size depends on the current concentration ratio of the oxidized to the reduced form of the redox mediator c (Ox) / c (Red) of the redox mediator components Ox and Red. This concentration ratio is determined by the chemical reaction of the analyte with a component of the redox mediator, so that the current I ^{I represents} the measurement signal proportional to the concentration. At the same time, the DC voltage 12 is present on the protective electrode 7 and on the counter electrode 8 , as a result of which interfering components from the interior of the electrolyte solution are converted electrochemically on the protective electrode and thus have no influence on the concentration ratio of the oxidized to the reduced form of the redox mediator c (Ox) / c (Red) in the electrode gap 5 can exercise.

Für fortlaufende Messungen ist nach einem bestimmten Zeitintervall eine Rückstellung des Konzentrationsverhältnisses c(Ox)/c(Red) auf einen vorgegebenen Ausgangswert erforderlich. Die Rückstellphase t₄ wird durch Öffnen von Schalter 13 und Schließen von Schalter 14 und 15 realisiert. In der Rückstellphase werden beide Arbeitselektroden 2 und 3 sowie die Schutzelektrode 7 durch die Spannung 12 auf ein Elektrodenpotential polarisiert, bei dem der Redoxmediatoranteil, der sich durch die Reaktion mit dem Analyten gebildet hat, wieder zu rück verwandelt wird, so daß im Spalt 5 wieder die Konzentrationsverhältnisse des Redoxme diators wie zu Beginn der Meßphase t₃ vorliegen. In der Rückstellphase dient der Strom I^K zur Überwachung der Meßeinrichtung. Er kann aber auch prinzipiell für eine Meßwertgewinnung genutzt werden, da die während der Meßphase umgewandelte Menge des Redoxmediators proportional zur Analytkonzentration ist.For continuous measurements, it is necessary to reset the concentration ratio c (Ox) / c (Red) to a specified initial value after a certain time interval. The reset phase t ₄ is realized by opening switch 13 and closing switches 14 and 15 . In the reset phase, both working electrodes 2 and 3 and the protective electrode 7 are polarized by the voltage 12 to an electrode potential at which the redox mediator portion, which has formed through the reaction with the analyte, is converted back again, so that in the gap 5 again the concentration ratios of the Redoxme diators are present as at the beginning of the measurement phase t ₃ . In the reset phase, the current I ^{K is used} to monitor the measuring device. In principle, however, it can also be used for obtaining measured values, since the amount of redox mediator converted during the measuring phase is proportional to the analyte concentration.

In der Meßphase t₅, bei der die Schalterpositionen wie in den vorausgegangenen Meßphasen sind, ist der Fall dargestellt, daß die Analytkonzentration c_a den Wert C_max annimmt und der Meßstrom I^I zum Ende der Periode von t₅ einen bestimmten Schwellwert I^IS erreicht. Der Schwellwert I^IS wird so gewählt, daß das Stromsignal noch im linearen Bereich der Strom- Konzentrations-Beziehung liegt. Das Erreichen des Schwellwertes I^IS wird von der Steuerein heit 10 ausgewertet und die sich anschließende Rückstellphase t₆ mit den Schalterstellungen wie in den vorangegangenen Rückstellphasen ausgeführt. Anschließend wird das Meßsystem durch die Steuereinheit 10 in den Arbeitsmodus II umgeschaltet, um Messungen bei größeren Analytkonzentrationen c_a ≧ c_max durchführen zu können. Im Arbeitsmodus II wird die Meß zelle als amperometrischer Mikrosensor mit Redoxmediator genutzt. In the measuring phase t ₅ , in which the switch positions are as in the previous measuring phases, the case is shown that the analyte concentration c _a assumes the value C _max and the measuring current I ^I reaches a certain threshold value I ^IS at the end of the period of t ₅ . The threshold value I ^IS is selected so that the current signal is still in the linear range of the current-concentration relationship. Reaching the threshold value I ^IS is evaluated by the control unit 10 and the subsequent reset phase t _{6 is carried out} with the switch positions as in the previous reset phases. The measuring system is then switched over to the operating mode II by the control unit 10 in order to be able to carry out measurements at larger analyte concentrations c _a ≧ c _max . In working mode II, the measuring cell is used as an amperometric microsensor with a redox mediator.

Dieser Modus II ist durch den offenen Schalter 13 und die geschlossenen Schalter 14 und 15 gekennzeichnet. Das konzentrationsproportionale Meßsignal ist dann der Strom I^II, der aus der elektrochemischen Oxidation bzw. Reduktion einer Komponente des Redoxmediators, die sich durch eine homogene Redoxreaktion des Mediators mit dem Analyten gebildet hat, an beiden Elektroden 2 und 3 des Kapillarspaltes 5 resultiert. Hierbei tritt kein Redoxcycling auf. Der Arbeitsmodus II hat Bedeutung für höhere Analytkonzentrationen. Sinkt die Analytkon zentration und erreicht der Strom I^II einen unteren Schwellwert I^IIS, so schaltet die Steuerein heit 10 die Meßeinrichtung wieder in den Arbeitsmodus I zurück. Zweckmäßigerweise wird der Übergang vom Arbeitsmodus I in den Modus II und umgekehrt mit Hysterese ausgeführt, um instabile Betriebszustände, die sich an der Umschaltgrenze ergeben könnten, zu vermei den. Damit paßt sich die Meßeinrichtung den jeweiligen Konzentrationsverhältnissen optimal an.This mode II is characterized by the open switch 13 and the closed switches 14 and 15 . The concentration-proportional measurement signal is then the current I ^II , which results from the electrochemical oxidation or reduction of a component of the redox mediator, which is formed by a homogeneous redox reaction of the mediator with the analyte, on both electrodes 2 and 3 of the capillary gap 5 . No redox cycling occurs here. Working mode II is important for higher analyte concentrations. If the analyte concentration drops and the current I ^{II reaches} a lower threshold value I ^IIS , the control unit 10 switches the measuring device back into the working mode I. The transition from working mode I to mode II and vice versa is expediently carried out with hysteresis in order to avoid unstable operating states which could result at the switchover limit. The measuring device thus adapts optimally to the respective concentration ratios.

Claims

1. A method for determining redox-active substances by a redox action of an analyte with a component of a redox mediator in membrane-covered, undivided electrochemical measuring cells ( 1 ) with working, protective and counter electrodes ( 2 , 3 , 7 , 8 ), in a working mode I for very low analyte concentrations from a redox cycling process of the redox mediator triggered by the analyte on several working electrodes connected as anode and cathode ( 2 , 3 ) and in a working mode II for higher analyte concentrations from the electrochemical back reaction of the converted by the analyte Redox mediator component on working electrodes connected as anode or cathode ( 2 , 3 ) results in a concentration-proportional current signal.

2. The method according to claim 1, characterized in that by a control unit ( 10 ) after a variably preselectable time regime, the polarization voltages for the electrodes in the measuring cell ( 1 ) are provided and the current signals are detected and that, depending on the analyte concentration, the working mode I with a Measuring and a reset phase and work mode II can be selected automatically.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that in the Arbeitsmo mode I by entering an analyte in the measuring cell ( 1 ) in a temporally variable Meßpha se between the working electrodes connected as anode and cathode ( 2 , 3 ) a redox cycling takes place, the scope of which increases with the amount of analyte entering the measuring cell ( 1 ) and thus results in an enrichment effect with a signal amplification with respect to the measured variable, and in a time-variable reset phase following the measuring phase, the concentration ratio c (Ox) / c ( Red) of the redox mediator is reset to an initial value by applying a direct voltage (U12) to the working and protective electrodes on the one hand and the counter electrodes on the other.

4. The method according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the resulting from the re doxcycling current (I ^I ), preferably at the end of the measuring phase or the amount of electricity in the reset phase are measured as concentration-proportional variables.

5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that in working mode II, the measuring cell ( 1 ) works as a known amperometric sensor with a protective electrode and redox mediator.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the working mode II by the control unit ( 10 ) depending on preselectable current threshold values is automatically switched on or off and thus a very large dynamic Be determination range is realized.