DE102004004392B4

DE102004004392B4 - Messmethode mit Hilfe eines chemischen Sensors und eines chemischen Sensormessgerätes

Info

Publication number: DE102004004392B4
Application number: DE102004004392A
Authority: DE
Inventors: Saito Tokio Soichi; Ito Tokio Narushi
Original assignee: Tanita Corp
Current assignee: Tanita Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: US20040182723A1; DE102004004392A1; US7641784B2

Abstract

Verfahren zum Messen einer Konzentration einer speziellen Substanz, die in einer Messprobe enthalten ist, unter Verwendung eines chemischen Sensors mit mindestens einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, bei der das Verfahren als Messverfahren entsprechend einem derartigen Ablauf ausgelegt ist, dass der chemische Sensor in einer Pufferlösung einer vorbestimmten Zusammensetzung, die als Speicherlösung eingesetzt wird, während eines Standby-Betriebs eingetaucht wird, eine vorbestimmte Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, während der chemische Sensor in der Pufferlösung ist, angelegt wird und der chemische Sensor in die Messprobe anstelle der Pufferlösung eingetaucht wird und die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegte Messspannung verwendet wird, um die Konzentration der speziellen Substanz, die in der Messprobe enthalten ist, bezogen auf eine Veränderung der Stromstärke, die durch eine elektro-chemische Reaktion während der Messung erzeugt wird, zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass man für den Ersteinsatz den im trockenen Zustand gehaltenen chemischen Sensor in...

Description

Technisches Umfeld
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messmethode mit Hilfe eines chemischen Sensors und eines chemischen Sensormessgerätes, das auf dieser Messmethode beruht, deutlicher noch auf eine Messmethode unter Benutzung eines amperometrischen chemischen Sensors und eines amperometrischen chemischen Sensors und eines amperometrischen chemischen Messgerätes, welches auf dieser Messmethode beruht, insbesondere auf einer Messmethode durch Benutzung eines amperometrischen chemischen Sensors, der dazu eine Enzymelektrode als amperometrischen chemischen Sensor einsetzt.
Hintergrund
Die Beispiele einer Methode zum Messen einer Konzentration einer spezifischen Substanz, die in einer flüssigen Probe enthalten ist, beinhaltet eine Methode, in der Strom durch Oxidation oder Reduktion einer spezifischen Substanz mit Hilfe einer elektrochemischen Reaktion ermittelt wird, insbesondere eine Messmethode mittels eines amperometrischen chemischen Sensors. In einem solchen Fall wird tatsächlich eine Methode verwendet, bei der die Konzentration einer gewissen spezifischen Substanz als Messgegenstand indirekt so gemessen wird, dass die Wirkung eines Enzyms auf eine spezifische Substanz als Messgegenstand ein quantitatives enzymatisches Reaktionsergebnis daraus durch die enzymatische Reaktion und den Strom entwickeln darf, der mit der Oxidation in Verbindung steht oder mit der Reduktion des enzymatischen Reaktionsproduktes, das mit Hilfe der elektrochemischen Reaktion darauf ermittelt wird. Das bedeutet, dass eine Enzymelektrode, die eine Enzymfilmschicht enthält, welche auf einer Elektrode für die Verwendung in der enzymatischen Reaktion angeordnet ist, beispielsweise eine immobilisierte Enzymelektrode, in der ein Enzym auf der Elektrode aus Platin oder Kohlenstoff immobilisiert ist, wodurch darauf eine immobilisierte Enzymfilmschicht gebildet wird, als Arbeitselektrode hierin verwendet wird. Es wird eine vorbestimmte Spannung zwischen der Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode angelegt. Die elektrochemische Reaktion bezüglich des Produkts, das aus der speziellen Substanz, die in der flüssigen Probe enthalten ist, durch die Funktion der enzymatischen Reaktion erhalten worden ist, wird durch die Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode gestartet. Hierdurch wird ein Strom im quantitativen Verhältnis zu einer Menge des enzymatischen Reaktionsprodukts durch die elektrochemische Reaktion erzeugt.
Der chemische Sensor mit der Enzymelektrode wird in die flüssige Probe, üblicherweise eine wässrige Probenlösung eingetaucht. Wenn die wässrige Probenlösung in die Enzymschicht permeiert und/oder diese durchdringt, tritt ein Phänomen auf, bei dem Fremdstoffe und Verunreinigungen, die die Probe kontaminieren, auf der Oberfläche der Enzymschicht adsorbiert werden, oder bei dem die Oberfläche der Elektrode, die unterhalb der Enzymschicht auf der Enzymelektrode angeordnet ist, verunreinigt oder gelegentlich abgebaut wird. Wenn die Fremdstoffe oder Verunreinigungen auf der Oberfläche der Enzymfilmschicht adsorbiert werden, stellt dies einen Faktor zur Senkung der Wirksamkeit der enzymatischen Reaktion mit der speziellen Substanz dar, was Messobjekt ist. Dies ist ebenfalls ein Faktor für die allmähliche Abnahme des Verhältnisses der Strommenge (Sensorempfindlichkeit), gemessen hinsichtlich der speziellen Substanzkonzentration, nach einer gewissen Zeit. Andererseits, selbst wenn die Wirksamkeit der enzymatischen Reaktion aufrecht erhalten wird, jedoch die Elektrodenoberfläche kontaminiert wurde und ihre Eigenschaften geändert hat, wird hierdurch die Wirksamkeit der elektrochemischen Reaktion zur Messung des enzymatischen Reaktionsproduktes beeinflusst. Im Ergebnis ist dies ein weiterer Faktor bei der Verschlechterung des Verhältnisses der Strommenge (Sensorempfindlichkeit), gemessen im Verhältnis zur speziellen Substanzkonzentration, nach einer gewissen Zeit. Es wurden unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, um die beeinträchtigte Sensorempfindlichkeit wieder herzustellen, was im Laufe des Einsatzes des amperometrischen chemischen Sensors mit der vorstehend beschriebenen Enzymelektrode auftritt, was beispielsweise durch die Kontamination und den Abbau der Oberfläche der Elektrode bei Verwendung als Arbeitselektrode erzeugt wurde. Eine der vorgeschlagenen Methoden ist diejenige, bei der der amperometrische chemische Sensor mit der Enzymelektrode verwendet wird, wobei jeweils nach der Verwendung für einen vorbestimmten Zeitraum eine Spannung mit umgekehrten Vorzeichen zu der Spannung, die üblicherweise zwischen der Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode während der Messung angelegt ist, zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode für einen kurzen Zeitraum angelegt wird. Hierdurch wird die Kontamination und der Abbau der Elektrodenoberfläche verhindert, wodurch die Enzymelektrode reaktiviert wird ( JP 57-060255 A , 60-155959 A und 1-15649 A ).
Zusätzlich wird bei einer solchen Methode jeweils nach Verwendung für einen vorbestimmten Zeitraum die Spannung mit umgekehrten Vorzeichen zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode kurzzeitig angelegt. In einigen Fällen, abhängig von der gewählten Höhe der angelegten Umkehrspannung, führt dies zu einem Zustand, bei dem elektrochemisch Wasserstoffgas in einer wässrigen Pufferlösung erzeugt wird, in der der elektrochemische Sensor gelagert ist. Die hierdurch erzeugten feinen Wasserstoffblasen haften auf der Oberfläche der Elektrode an, die als Arbeitselektrode für die Enzymelektrode verwendet wird. Alternativ fließt manchmal ein Überstrom durch die Elektroden. In einem solchen Fall wird die Elektrodenoberfläche, die als Arbeitselektrode verwendet wird, gelegentlich beschädigt.
Ein Verfahren zur Verbesserung unterschiedlicher Defekte des Verfahrens, bei dem die Umkehrspannung kurzzeitig angelegt wird, ist in der JP 4-54175 B beschrieben, und zwar als Methode zur Wiederherstellung der eingeschränkten Empfindlichkeit in dem chemischen Sensor in Folge wiederholter Messungen. Bei dem beschriebenen Verfahren wird am amperometrischen chemischen Sensor, der als Enzymelektrode eingesetzt wird, eine dreiecksförmige Kippspannung hinsichtlich der Spannung angelegt, die zwischen der Arbeitselektrode (Enzymelektrode) und der Gegenelektrode nach der Messung angelegt ist, um die Enzymelektrode zu reaktivieren. Dementsprechend wird eine Verbesserung hinsichtlich der Einschränkung der Sensoraktivität, die nach einer gewissen Zeit eintritt, erzielt.
Beispielsweise weist ein Messsystem, wie in 8 gezeigt, einen chemischen Sensor auf, der aus einer Zelle 101 mit einem Einlass und einem Auslass, einer Arbeitselektrode 103 mit einer Enzymelektrode, die eine Pt-Elektrode aufweist, auf deren Oberfläche ein Enzymfilm 102 immobilisiert ist, und aus einer Gegenelektrode 104 aufgebaut ist, die aus einer Pt-Elektrode besteht. Die Zelle 101 ist mit der Pufferlösung gefüllt, die kein Substrat für die enzymatische Reaktion aufweist. Die Spannung ist zwischen der Arbeitselektrode 103 und der Gegenelektrode 104 zum Zeitpunkt der Messung derart angelegt, dass die Gegenelektrode 104 geerdet ist und eine Spannung von +0,6 V auf der Basis einer gesättigten Kalomel-Elektrode (SCE), die als Bezug eingesetzt wird, an die Arbeitselektrode 103 angelegt wird. Wenn eine Probenflüssigkeit durch die Zelle 101 mit einer konstanten Flussrate fließt, wird ein enzymatisches Reaktionsprodukt aus einer speziellen Substanz (Enzymsubstratmaterial), die in der Probenflüssigkeit vorliegt, mit der enzymatischen Reaktion in dem Enzymfilm 102 hergestellt. Das enzymatische Reaktionsprodukt verursacht die elektrochemische Reaktion und in Folge dessen fließt ein Reaktionsstrom in Richtung der angelegten Spannung. Da ein Unterschied zwischen dem Reaktionsstrom und einem basalen Strom, der zum Zeitpunkt des Flusses der Pufferlösung beobachtet wird, proportional zu einer Menge des enzymatischen Reaktionsprodukts ist und daher auch proportional zur Menge der spezifischen Substanz (Enzymsubstratmaterial) ist, die der enzymatischen Reaktion ausgesetzt ist, wird die Konzentration der speziellen Substanz (Enzymsubstratmaterial), die in der Probenflüssigkeit vorliegt, anhand einer Kalibrierkurve, die vorher erzeugt worden ist, quantitativ erfasst. Nach der Messung wird die Zelle 101 mit Pufferlösung gespült und gewaschen. Als Ergebnis kehrt das Enzymelektrodensystem in den Ausgangszustand zurück. Wenn diese Reinigungsoperation wiederholt wird, werden Messungen für unterschiedliche Probenflüssigkeiten wiederholt durchgeführt.
Nach wiederholter Messung haften Komponenten mit einem vergleichsweise hohen Molekulargewicht, wie Protein oder Lipid, die sich von der speziellen Substanz (Enzymsubstratmaterial) als Messobjekt unterscheiden, leicht an der Oberfläche der Enzymfilmschicht an. Weiterhin können Komponenten mit vergleichsweise niedrigem Molekulargewicht, wie Amine oder organische Säuren, in das Innere der Enzymfilmschicht eindringen oder diese durchdringen und werden an der Elektrodenoberfläche adsorbiert. Andererseits wird manchmal ein Oxidbeschichtungsfilm auf der Oberfläche der Elektrode gebildet. Bei dem Verfahren gemäss JP 4-54175 A wird beispielsweise eine Platinelektrode sowohl als Arbeitselektrode als auch als Gegenelektrode eingesetzt. Dabei wird die angelegte Spannung wiederholt derart in einem Bereich gekippt, dass keine Elektrolyse von Wassermolekülen oder Oxidation/Reduktion-Reaktion der Komponenten oder eines Trägerelektrolyts, der in der Pufferlösung vorliegt, in der Pufferlösung auftritt. Das Kippen erfolgt in einem Bereich von –0,5 V bis +1,3 V (angelegte Spannung bezogen auf die SCE-Basis) derart, dass die angelegte Spannung zuerst auf eine obere Grenzspannung von einer Ausgangsspannung von +0,6 V zum Zeitpunkt der Messung mit einer Kipprate von 0,1 bis 1 V/s angehoben wird und anschließend die angelegte Spannung auf eine untere Grenzspannung abgesenkt wird und danach die dreiecksförmige Wellenspannung kontinuierlich zwischen der unteren und der oberen Grenzspannung während einer bestimmten Zeitdauer gekippt wird. Zum Schluss wird nach wiederholtem Kippen mit der dreieckförmigen Spannung die Kippoperation dann beendet, wenn die angelegte Spannung +0,6 V beträgt, d. h., die Ausgangspannung für die Messung erreicht ist. Wenn eine Reaktivierungsbehandlung der Enzymelektrode durch das Kippen mit einer dreieckförmigen Spannung jeweils nach vorbestimmten Messzeiten durchgeführt wird, wird die Sensorempfindlichkeit, die im Laufe der Zeit abgenommen hat, wieder hergestellt. Hierdurch kann ein lang andauernder Zustand erreicht werden, bei dem die Sensorempfindlichkeit nicht übermäßig abfällt. Wenn, wie in 9 gezeigt, die dreieckförmige Kippspannung zwischen den oberen und den unteren Grenzwerten erfolgt und alternierend wiederholt eine Vorwärts/Umkehrspannung angelegt wird, werden die Komponenten, die auf der Elektrodenoberfläche während der Messung elektrostatisch adsorbiert worden sind, durch das Umschalten der Spannung entfernt. Zusätzlich wird der Oxidbeschichtungsfilm, der auf der Platinoberfläche der Arbeitselektrode 103 gebildet worden ist, schrittweise im Laufe der Wiederholung der Zustände entfernt, in denen die Vorwärts/Umkehrspannung alternierend angelegt worden ist.
Die europäischen Patentschriften EP 0601720 B1 , EP 0361810 B1 , EP 1051621 B1 , EP 1254366 B1 und EP 0626577 B1 beschreiben elektrochemische Sensoren und Verfahren zur Detektion bzw. Analyse der Konzentration von Verbindungen in flüssigen Proben unter Verwendung eines solchen Sensors, die sich jedoch hinsichtlich des Sensoraufbaus und des konkreten Messverfahrens von der nachstehend offenbarten Erfindung unterscheiden.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren der Reaktivierungsbehandlung der Enzymelektrode ist ein wirksames Hilfsmittel zur Wiedererlangung der Sensorempfindlichkeit, die im Laufe der Zeit durch wiederholte Messung abgenommen hat. Andererseits wird für den amperometrischen chemischen Sensor, der die Enzymelektrode einsetzt, die Enzymfilmschicht, die sich auf der Enzymelektrode in einem Herstellungsverfahren gebildet hat, zunächst einmal in einen trockenen Zustand überführt. Zum Zeitpunkt der Erstbenutzung des Sensors wird der gesamte chemische Sensor in die Pufferlösung eingetaucht, und zwar derart, dass die Enzymfilmschicht eine Feuchtbehandlung erfährt. Dabei wird die Pufferlösung zwischen den Oberflächen der Arbeits- und Bezugselektroden vorgelegt. Danach wird eine vorbestimmte Spannung, die zum Messzeitpunkt angelegt werden soll, zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt.
Die. Erfinder haben festgestellt, dass ein Anfangswert des Reaktionsstroms niedrig ist, wenn der chemische Sensor bei der Erstbenutzung entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren eingesetzt wird. Wenn die vorbestimmte Spannung kontinuierlich für einen oder mehrere Tage angelegt wird, steigt der Pegel des Reaktionsstroms allmählich an und erreicht den konstanten Pegel eines bestimmten Werts. Es ist bevorzugt, dass die anfängliche Instabilität der Sensorempfindlichkeit, die unmittelbar nach dem Start des Einsatzes generiert wird, durch eine einfache Behandlung aufgehoben wird, um schnell einen gewünschten Pegel der Sensorempfindlichkeit zu erreichen. Dies stellt ein neues Problem dar, das bisher nicht erkannt worden ist.
Es wurde weiterhin festgestellt, dass die anfängliche Instabilität der Sensorempfindlichkeit üblich ist, beispielsweise sogar bei dem amperometrischen chemischen Sensor, bei dem eine Arbeitselektrode 2 und eine Bezugselektrode 4 auf einem isolierenden Substrat 1 gebildet sind, eine Haftschicht 6, die mit der Lösung getränkt werden kann, derart angeordnet ist, dass sie die Oberflächen beider Elektroden überzieht, und die hierin eingesetzte Enzymelektrode mit einer Enzymfilmschicht 5 gebildet ist, die über die Haftschicht 6 immobilisiert ist. Zusätzlich, wie in 5 gezeigt, ist bei dem amperometrischen chemischen Sensor mit der derart aufgebauten Enzymelektrode zwischen der Haftschicht 6 und der Enzymfilmschicht 5 eine selektive Permeationsfilmschicht 12 eingeschoben. Diese Filmschicht 12 hat soll bewirken, dass die Permeation von Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht behindert wird, die eine andere elektrochemische Reaktion als die des enzymatischen Reaktioinsproduktes auf der Oberfläche der Arbeitselektrode 2 bewirken und dadurch als Störungskomponente agieren. Weiterhin ist ein begrenzender Permeationsfilm 11, der eine Permeation der Substratverbindung begrenzen soll, die in die enzymatische Reaktion einbezogen ist, auf der Oberfläche der Enzymfilmschicht 5 vorgesehen. Es wurde weiterhin festgestellt, dass die anfängliche Instabilität der Sensorempfindlichkeit stärker beobachtet wurde.
Die Erfindung soll die neuen vorstehend beschriebenen Probleme lösen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen einer Konzentration einer speziellen Substanz, die in einer Flüssigkeitsprobe enthalten ist, mittels eines chemischen Sensors, insbesondere eines amperometrischen chemischen Sensors mit einer Enzymelektrode zur Verfügung zu stellen. Diese Messmethode mit dem chemischen Sensor umfasst im Erstbenutzungszustand einen amperometrischen chemischen Sensor mit einer Enzymelektrode auf, die nach der Herstellung im trockenen Zustand aufbewahrt worden ist. Dieser Sensor wird in eine vorbestimmte Pufferlösung eingetaucht. Anschließend wird eine Spannung für die Messung zwischen einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode hierin angelegt. Durch eine solche Behandlung zu Beginn der Einsatzes des Sensors soll die anfängliche Instabilität der Sensorempfindlichkeit innerhalb eines kurzen Zeitraumes auf einfache Weise beseitigt und ein Zustand erreicht werden, der eine stabilisierte Sensorempfindlichkeit anzeigt. Es soll ein chemisches Sensormessgerät einschließlich eines Systems zur Verfügung gestellt werden, das in geeigneter Weise den Anfangsbehandlungsschritt durchführen kann, um die Messmethode zu starten.
Die Erfinder haben aufgrund intensiver Untersuchungen die vorstehenden Probleme gelöst und bestätigt, dass derartige Phänomene, wie folgt, im Allgemeinen zum einen oder anderen Grad bei amperometrischen chemischen Sensoren mit einer Enzymelektrode beobachtet werden, die den gleichen Aufbau hat wie er in einem üblichen Verfahren verwendet wird. Bei dem gewählten Verfahren wird als Behandlung für den anfänglichen Aufbau für den chemischen Sensor vor seinem ersten Einsatz eine Enzymfilmschicht, die auf der Enzymelektrode gebildet worden ist, zunächst in einen getrockneten Zustand vor der Verwendung des amperometrischen chemischen Sensors zusammen mit der Enzymelektrode gebracht. Bei der Erstbenutzung des Sensors wird der gesamte chemische Sensor in eine Pufferlösung eingetaucht, die als Aufbewahrungsflüssigkeit in der Bereitstellungszeit dient, eingetaucht, um die Enzymfilmschicht zu benetzen/behandeln. Hierbei wird die Pufferlösung zwischen die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode eingebracht. Anschließend wird eine vorbestimmte Spannung, die zum Messzeitpunkt angelegt werden soll, zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt. Es wird dabei ein Phänomen beobachtet, dass ein Reaktionsstrom anfänglich niedrig ist, jedoch, wenn er im Standby-Zustand gehalten wird, in dem die vorbestimmte Spannung kontinuierlich angelegt ist, allmählich im Laufe von einem bis mehreren Tagen ansteigt und dann einen konstanten Pegel mit einem bestimmten Wert letztendlich erreicht. Wenn man, wie vorstehend erläutert, einen Vergleich zwischen dem amperometrischen chemischen Sensor mit einem Aufbau, wie er in 1 gezeigt ist, und dem amperometrischen chemischen Sensor unter Verwendung der Enzymelektrode mit dem Aufbau, wie er in 5 gezeigt ist, durchgeführt hat, wurde eine Tendenz bestätigt, dass trotz eines anfänglichen Abfalls der Sensorempfindlichkeit, die auf einen signifikanten Unterschied zwischen dem Aufbau der chemischen Sensoren zurückzuführen ist, der Pegel des Reaktionsstroms allmählich ansteigt und den konstanten Pegel eines bestimmten Wertes erreicht, der in dem Standby-Zustand gehalten wird, in dem die vorbestimmte Spannung angelegt wird, wobei dieser Zustand an beiden Elektroden üblich ist. Ein derartiges Phänomen wurde aufgezeigt. Während der gesamte amperometrische chemische Sensor unter Verwendung der Enzymelektrode in den trockenen Zustand gebracht und unter atmosphärischer Luft bis zu seiner ersten Verwendung gelagert wurde, hat sich eine bestimmte Überzugsschicht auf der Oberfläche eines leitenden Materials der Arbeitselektrode gebildet. Hierdurch wurde ein Abfall der Sensorempfindlichkeit durch die Überzugsschicht in einem frühen Stadium beobachtet. Wenn jedoch der Sensor in der Pufferlösung bei kontinuierlichem Anlegen der vorbestimmten Spannung für die Verwendung in der Messung gehalten wird, wird die Überzugsschicht, die sich auf der Oberfläche des leitenden Materials gebildet hat, in der gewünschten Weise entfernt, wodurch sich die Sensorempfindlichkeit vom abgesenkten Pegel auf ihren Standardpegel erholt.
Auf der Basis dieser Ergebnisse haben die Erfinder ihre Entwicklung durchgeführt. Als Ergebnis haben die Erfinder festgestellt, dass der Prozess der Entfernung der Überzugsschicht, die auf der Oberfläche des leitenden Materials gebildet worden ist, stark beschleunigt werden konnte im Vergleich zu der vorbestimmten Spannung (Spannung in der Vorwärts-Richtung) für die Verwendung in der Messung, wenn eine Vorwärtsspannung mit weiter angehobenem Pegel an den in der Pufferlösung gehaltenen Sensor angelegt wird. Wenn der Sensor mit der Vorwärtsspannung dieses weiterhin angehobenen Pegels in der Pufferlösung gehalten worden ist, und der chemische Sensor in den Messzustand dadurch überführt wird, dass unmittelbar die Spannung zurück auf die vorbestimmte Spannung für die Messung gesetzt wird, wurden zusätzlich einige Fälle in Abhängigkeit von den Umständen festgestellt, dass der Reaktionsstrom auf einen höheren als den angepeilten Pegel eines spezifischen Wertes angehoben worden ist. Zusätzlich wurde festgestellt, dass der angepeilte Pegel des spezifischen Wertes erreicht wird, wenn der chemische Sensor zur Messung eingesetzt wird, nachdem er in der Pufferlösung für eine bestimmte Zeit unter solchen Bedingungen gehalten worden ist, dass die angewandte Spannung zur vorbestimmten Spannung für die Messung zurückgekehrt ist. Folgende Vorteile konnten die Erfinder bestätigen:
Um den chemischen Sensor für seinen ersten Einsatz einsetzbar zu machen, wird der amperometrische chemische Sensor unter Verwendung der Enzymelektrode, der in trockenen Zustand gelagert worden ist, in die Pufferlösung eingetaucht, um die Enzymfilmschicht zu benetzen/behandeln. Dabei wird die Pufferlösung mindestens zwischen die Oberflächen der Arbeits- und Bezugselektroden eingefüllt. Nachfolgend wird der chemische Sensor in der Pufferlösung in einem solchen Zustand gehalten, dass eine größere Spannung (in Vorwärts-Richtung) zwischen den Arbeits- und Bezugselektroden angelegt wird, im Vergleich zu der vorbestimmten Spannung (in Vorwärts-Richtung), die während der Messung angelegt werden soll. Hierdurch wird der Prozess der Entfernung der Überzugsschicht, die sich auf der Oberfläche des leitenden Materials gebildet hat, stark beschleunigt. Wenn also die Behandlung für einen vorbestimmten Zeitraum oder länger, was von dem höheren Wert der Spannung (in Vorwärts-Richtung) abhängig ist, zu Beginn erfolgt, wird die Überzugsschicht komplett entfernt. Wenn andererseits die erhöhte Spannung (in Vorwärts-Richtung) übermäßig lang angelegt wird und der chemische Sensor für die Messung unmittelbar nach dem Zurücksetzung der angelegten Spannung zur vorbestimmten Spannung eingesetzt wird, wird ein Phänomen beobachtet, das den Pegel des Reaktionstroms konvers auf den höheren als den erwünschten Pegel des spezifischen Wertes anhebt. Wenn jedoch in einem weiteren Schritt der Sensor in der Pufferlösung für eine bestimmte Zeit in einem solchen Zustand gehalten wird, bei dem sich die angelegte Spannung wiederum bei der vorbestimmten Spannung für die Messung befindet, und der chemische Sensor danach für die Messung eingesetzt wird, dann wird der gewünschte Pegel des spezifischen Wertes für den Reaktionsstrom des chemischen Sensors für die Messung erhalten.
Weiterhin haben die Erfinder gefunden, dass das Phänomen des allmählichen Abfalls der Sensorempfindlichkeit auch im Laufe des üblichen Einsatzes dort auftritt, wo Messungen unter Einsatz des amperometrischen chemischen Sensors mit Verwendung der Enzymelektrode nach Beendigung des Behandlungsprozesses für den erstmaligen Einsatz des chemischen Sensors wiederholt werden. Wenn der Abfall der Sensorempfindlichkeit aus wiederholten Messungen resultierte, wird eine solche Behandlung durchgeführt, bei der chemische Sensor zunächst für eine bestimmte Zeit in die Pufferlösung eingetaucht wird, die angehobene Spannung in der Vorwärts-Richtung angelegt wird, bezogen auf die vorbestimmte Spannung (Spannung in Vorwärts-Richtung) für den Einsatz in der Messung und nachfolgend der chemische Sensor für einen bestimmten Zeitraum bei der angewandten Spannung gehalten wird, die auf die vorbestimmte Spannung (Spannung in Vorwärts-Richtung) zurückgesetzt ist. Hierdurch kann die gesunkene Sensorempfindlichkeit wieder hergestellt werden.
Die Erfinder haben die Erfindung auf der Basis der Reihenfolge der vorstehenden Ergebnisse vervollständigt. Es wird daher zur Verfügung gestellt ein Verfahren zum Messen einer Konzentration einer speziellen Substanz, die in einer Messprobe enthalten ist, unter Verwendung eines chemischen Sensors mit mindestens einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, bei der die Methode als Messmethode entsprechend einem derartigen Ablauf ausgelegt ist, dass der chemische Sensor in einer Pufferlösung einer vorbestimmten Zusammensetzung, die als Speicherlösung eingesetzt wird, während eines Standby-Betriebs eingetaucht wird, eine vorbestimmte Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode während des Haltens des chemischen Sensors in der Pufferlösung angelegt wird und der chemische Sensor in die Messprobe anstelle der Pufferprobe eingetaucht wird und die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegte Spannung verwendet wird, um die Konzentration der speziellen Substanz, die in der Messprobe enthalten ist, bezogen auf eine Veränderung des Stroms war, der durch eine elektro-chemische Reaktion während der Messung erzeugt wird, zu messen, wobei man beim Ersteinsatz des chemischen Sensors nach dem Eintauchen des chemischen Sensors, der im trockenen Zustand gehalten worden ist, in die Pufferlösung, um die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode mit der Pufferlösung in Kontakt zu bringen, in einem ersten Einsatzbehandlungsschritt eine erste Einsatzbehandlungsspannung mit dem gleichen Vorzeichen wie die Messspannung, die jedoch einen größeren absoluten Wert als die Messungsspannung aufweist, zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, um den chemischen Sensor in der Pufferlösung für eine vorbestimmte erste Einsatzbehandlungszeit zu halten, bei einem zweiten Einsatzbehandlungsschritt die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anzulegende Spannung auf eine zweite Einsatzbehandlungs-spannung verändert, die derjenigen der Messspannung gleich ist, nachdem der erste Einsatzbehandlungsschritt beendet ist, wobei der chemische Sensor in die Pufferlösung eingetaucht ist und in einem Standby-Betrieb gehalten wird, und man nach Beendigung des zweiten Einsatzbehandlungsschritt den chemischen Sensor für die erstmalige Verwendung zur Messung der Messprobe einsetzt.
Bei diesem Verfahren ist es bevorzugt, dass nach Beendigung des ersten Einsatzbehandlungsschritts in dem zweiten Einsatzbehandlungsschritt der chemische Sensor im Standby-Betrieb für eine vorbestimmte zweite Einsatzbehandlungszeit gehalten wird.
Zusätzlich wird bei dem Messverfahren unter Verwendung des chemischen Sensors nach dem ersten Aspekt der Erfindung das Verfahren vorzugsweise derart ausgeführt, dass der chemische Sensor weiterhin die Gegenelektrode zusätzlich zur Arbeitselektrode und zur Bezugselektrode aufweist, die Bezugselektrode aus einem Material gebildet ist, das eine vorbestimmte chemische Potentialdifferenz zur Arbeitselektrode aufweist, wenn sie mit der Pufferlösung in Kontakt gebracht wird, die Bezugselektrode als Bezug verwendet wird, wobei die Spannung für die Arbeitselektrode derart gesetzt wird, dass eine gewünschte Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt wird, und das Anlegen der Messspannung, der ersten Einsatzbehandlungsspannung bzw. der zweiten Einsatzbehandlungsspannung derart gewählt wird, dass die Differenz zwischen den Spannungen der Bezugselektrode und der Arbeitselektrode in der Pufferlösung die Spannungsdifferenz zur Messspannung, zur ersten Einsatzbehandlungsspannung und zur zweiten Einsatzbehandlungsspannung darstellt.
In diesem Fall ist es beispielsweise bevorzugt, dass eine Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und eine Platinelektrode als Arbeitselektrode und als Gegenelektrode eingesetzt werden und die Messspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode während der Messung angelegt wird, eine angelegte Spannung ist, die durch die Spannung der Arbeitselektrode, gewählt in einem Bereich von 400 bis 700 mV auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode erhalten wird, die als Bezugselektrode in der Pufferlösung verwendet wird.
Alternativ ist es bevorzugt, dass im ersten Einsatzbehandlungsschritt eine angelegte Spannung, bei der eine Elektrolysereaktion von Wasser an der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode in der Pufferlösung einsetzt, als ein oberer Grenzwert der angelegten Spannung definiert wird und die Messspannung als ein unterer Grenzwert der angelegten Spannung auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode, die als Bezugselektrode verwendet wird, definiert wird und bei Verwendung einer oberen/unteren Grenzspannungsdifferenz, die durch eine Differenz zwischen den oberen und unteren Grenzwerten der angelegten Spannungen definiert wird, die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt wird, in einem Bereich der angelegten Spannung gewählt wird, die größer ist als die Messspannung um 10% oder mehr gegenüber der oberen/unteren Grenzspannungsdifferenz und die kleiner ist als der obere Grenzwert der angelegten Spannung und zwar mindestens 200 mV oder mehr.
Weiterhin ist es ebenfalls zu bevorzugen, dass beim Einsatz eines Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und einer Platinelektrode als Arbeitselektrode und Gegenelektrode in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode angelegt wird, in einem Bereich der angelegten Spannung gewählt wird, die größer ist als die Messspannung um mindestens 100 mV oder mehr und die 900 mV nicht überschreitet auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode, die als Bezugselektrode in der Pufferlösung eingesetzt wird.
Beispielsweise ist es mehr bevorzugt, dass bei Verwendung einer Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und einer Platinelektrode als Arbeitselektrode und Gegenelektrode in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode eingelegt wird, in einem Bereich von mindestens 750 mV bis 900 mV auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode, die als Bezugselektrode in der Pufferlösung eingesetzt wird, und die erste Einsatzbehandlungszeit in einem Bereich von vier Stunden oder weniger, jedoch nicht weniger als eine Stunde gewählt wird.
Andererseits ist es wünschenswert, dass die zweite Einsatzbehandlungszeit nicht weniger als eine Stunde beträgt.
Zusätzlich ist es mehr erwünscht, dass die erste Einsatzbehandlungszeit und die zweite Einsatzbehandlungszeit insgesamt aus einem Bereich von 6 Stunden oder weniger gewählt werden.
Anzumerken ist, dass es bei dem Messverfahren mit dem chemischen Sensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mehr bevorzugt ist, dass der chemische Sensor ein amperometrischer chemischer Sensor ist, der drei Elektroden einschließlich der Gegenelektrode zusätzlich zur Arbeitselektrode und der Bezugselektrode aufweist, wobei die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Bezugselektrode insgesamt auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind und eine Enzymelektrode, die mindestens eine immobilisierte Enzymfilmschicht aufweist, die auf der Oberfläche der Arbeitselektrode angeordnet ist, für die Stromermittlung eingesetzt wird.
Weiterhin ist ein Messverfahren mit einem chemischen Sensor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, also ein Verfahren zum Messen einer Konzentration einer speziellen Substanz, die in einer Messprobe enthalten ist, unter Verwendung eines chemischen Sensors mit mindestens einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, bei der die Methode als Messmethode entsprechend einem derartigen Ablauf ausgelegt ist, dass der chemische Sensor in einer Pufferlösung einer vorbestimmten Zusammensetzung, die als Speicherlösung eingesetzt wird, während des Standby-Betriebs eingetaucht wird und eine vorbestimmte Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode während des Haltens des chemischen Sensors in der Pufferlösung angelegt wird und der chemische Sensor in die Messprobe anstelle der Pufferprobe eingetaucht wird und die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegte Spannung verwendet wird, um die Konzentration der speziellen Substanz, die in der Messprobe enthalten ist, bezogen auf eine Veränderung des Stromwerts, der durch eine elektro-chemische Reaktion während der Messung erzeugt wird, zu messen, wobei man zu jedem Zeitpunkt nach fortgesetzten Einsatz des chemischen Sensors für einen vorbestimmten Zeitraum in einem Zustand in dem der chemische Sensor im Standby-Betrieb in die Pufferlösung eingetaucht ist, und die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode mit der Pufferlösung in Kontakt zu bringen, in einem ersten Auffrischungsbehandlungsschritt eine erste Auffrischungsbehandlungsspannung mit dem gleichen Vorzeichen wie die Messspannung, die jedoch einen größeren absoluten Wert als die Messungsspannung aufweist, zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anlegt, um den chemischen Sensor in der Pufferlösung für eine vorbestimmte erste Auffrischungsbehandlungszeit zu halten, bei einem zweiten Auffrischungsbehandlungsschritt die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anzulegende Spannung auf eine zweite Auffrischungsbehandlungsspannung verändert, die derjenigen der Messspannung gleich ist, nachdem der erste Auffrischungsbehandlungsschritt beendet ist, wobei der chemische Sensor in die Pufferlösung eingetaucht ist und in einem Standby-Betrieb gehalten wird, und man nach Beendigung des zweiten Auffrischungsbehandlungsschritt den chemischen Sensor für die Verwendung zur Messung der Messprobe erneut einsetzt.
Andererseits ist eine einen chemischen Sensor aufweisende Messvorrichtung der Erfindung vorgesehen, die zur Durchführung des Messverfahren unter Verwendung des chemischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, d. h. die den chemischen Sensor aufweisende Messvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist eine einen chemischen Sensor aufweisende Messvorrichtung, mit der eine Messung mit dem vorstehenden Messverfahren unter Verwendung eines chemischen Sensors entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung durchführbar ist, aufweisend einen chemischen Sensor, der mindestens eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist;
eine Signaldetektionschaltung einschließlich mindestens eines Mittels zum Anlegen einer Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode und eines Mittels zum Detektieren eines Signal, das durch den chemischen Sensor gemessen wird; und eine Anzeigeeinrichtung, aufweisend
ein System zum Anlegen einer ersten Einsatzbehandlungsspannung, die das gleiche Vorzeichen wie diejenige der Messspannung aufweist und einen Absolutwert besitzt, der größer ist als derjenige der Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, für einen vorbestimmten ersten Einsatzbehandlungszeitraum in einem Zustand, in dem der chemische Sensor, der im trockenen Zustand gehalten worden ist, in eine Pufferlösung eingetaucht wird, um die Oberflächen der Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode mit der Pufferlösung zum Zeitpunkt des Ersteinsatzes des chemischen Sensors in Berührung zu bringen;
ein System zum Verändern der Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anzulegen ist, auf eine zweite Einsatzbehandlungsspannung, die der Messspannung gleicht, wobei die zweite Einsatzbehandlungsspannung für eine zweite Einsatzbehandlungsspannungszeit angelegt wird, während der chemische Sensor kontinuierlich in die Pufferlösung eingetaucht wird; und
ein System zum Anzeigen, dass der chemische Sensor zum Messeinsatz am Ende dieser zweischrittigen Einsatzbehandlungsoperation einsetzbar ist.
Weiterhin ist eine einen chemischen Sensor aufweisende Messvorrichtung entsprechend dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, mit der eine Messung gemäß dem vorstehend erwähnten Messverfahren unter Verwendung eines chemischen Sensors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung durchführbar ist, wobei eine Messoperation gemäß dem Messverfahren durch einen chemischen Sensor nach Anspruch 11 möglich ist, aufweisend
einen chemischen Sensor, der mindestens eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist;
eine Signaldetektionsschaltung einschließlich mindestens eines Mittels zum Anlegen einer Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode und eines Mittels zum Detektieren eines Signal, das durch den chemischen Sensor gemessen wird; und eine Anzeigeeinrichtung, aufweisend
ein System zum Anlegen einer ersten Auffrischungsbehandlungsspannung, die das gleiche Vorzeichen wie diejenige der Messspannung aufweist und einen Absolutwert besitzt, der größer ist als derjenige der Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, für einen vorbestimmten ersten Auffrischungsbehandlungszeitraum in einem Zustand, in dem der chemische Sensor, im Standby-Betrieb in eine Pufferlösung eingetaucht wird und die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode mit der Pufferlösung für jeden Einsatz des chemischen Sensors in Berührung gebracht werden sollen
ein System zum Verändern der Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anlegt ist, auf eine zweite Auffrischungsbehandlungsspannung, die der Messspannung gleicht, wobei die zweite Auffrischungsbehandlungsspannung für eine zweite Auffrischungsbehandlungszeit angelegt wird, während der chemische Sensor kontinuierlich in die Pufferlösung eingetaucht wird; und
ein System zum Anzeigen, dass der chemische Sensor erneut zum Messeinsatz am Ende dieser zweischrittigen Auffrischungsbehandlungsoperation einsetzbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein Beispiel eines Aufbau eines chemischen Sensors unter Verwendung einer Enzymelektrode gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Ansicht, die den gesamten Aufbau einer einsetzbaren Messvorrichtung des chemischen Sensortyps mit einem Hauptkörper und einer Kartusche, die einen chemischen Sensorbereich aufweist, gemäß den ersten bis dritten Ausführungsformen der Erfindung;
3 eine Spannungskurve, die ein Beispiel zeigt, bei dem die angelegte Spannung zwischen einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode des chemischen Sensors bei einer Einsatzbehandlung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
4 eine grafische Darstellung für den Vergleich des Unterschieds einer Veränderung eines Messergebnisses (Reaktionsstrom) mittels des chemischen Sensors in Abhängigkeit von der Zeit, was auf die Einsatzbehandlungsbedingungen zum Zeitpunkt der Erstbenutzung des chemischen Sensors im Beispiel 1 zurückzuführen ist;
5 eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel des Aufbaus eines chemischen Sensors mit einer Enzymelektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 eine grafische Darstellung zum Vergleich der Unterschiede der Veränderung des Messergebnisses (Reaktionsstrom) mit dem chemischen Sensor im Verlauf der Zeit, was auf die Anfangsbehandlungsbedingungen zum Zeitpunkt der Erstbenutzung des chemischen Sensors gemäss Beispiel 2 zurückzuführen ist;
7 eine grafische Darstellung zum Vergleich des Unterschieds der Änderung des Messergebnisses (Antwortstrom) am chemischen Sensor im Verlauf der Zeit, was durch die Gegenwart (Abwesenheit) einer periodischen Auffrischungsbehandlung durch die Erfindung gemäss Beispiel 3 zurückzuführen ist, nachdem der chemische Sensor erstmalig benutzt worden ist;
8 eine Schnittansicht, die im Beispielsfall den Aufbau einer üblichen Zelle des chemischen Sensortyps zeigt, in der eine Arbeitselektrode einschließlich einer Enzymfilmschicht separat von einer Gegenelektrode angeordnet ist; und
9 eine Spannungskurve, die ein Beispiel einer angelegten Spannung zeigt, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode des chemischen Sensors zur Verwendung in einer Enzymelektrodenaktivierung mit einem dreieckförmigen Wellenkippsystem kippt.
Die bevorzugte Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert und auf die Zeichnungen bezogen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt einen schematischen Schnitt der Einrichung eines chemischen Sensors in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der chemische Sensor, wie in 1 gezeigt, besteht aus einem chemischen Sensor mit drei Elektroden, einer Arbeitselektrode 2, einer aus drei Leitern gebildeten Gegenelektrode 3, und einer Referenzelektrode 4, die auf einem Isolationssubstrat 1 gebildet werden. Eine Enzymschicht 5 entsteht auf einem Elektrodensystem mit drei Elektrodenarten und bildet einen sogenannten enzymelektrodischen chemischen Sensor. Es ist festzustellen, dass in der Enzymelektrode eine Haftschicht 6 zwischen dem Elektrodensystem und der Enzymschicht 5 angeordnet ist, um die Enzymschicht 5 zu immobilisieren. Da das Isolationssubstrat 1 keine Flüssigkeit durchlässt, wird der Kontakt über Enzymschicht 5 und Haftschicht 6 hergestellt, die Flüssigkeit hindurchlassen.
Bei diesem chemischen Sensortyp werden Signale, wie zu messende Ströme, in einen Zustand detektiert, bei dem eine vorbestimmte Spannung zwischen den jeweiligen Elektroden des Drei-Elektrodentyps angelegt wird. Deshalb wird der Sensor in eine Sensorkartusche einschließlich eines Leiteranschlusses für jede Elektrode einverleibt. Nach der Herstellung des chemischen Sensors und der Durchführung einer vorbestimmten charakteristischen Behandlungsinspektion wird der Sensor getrocknet, in eine luftdichte Verpackung (Beutelmaterial) zusammen mit einem Trocknungsmittel eingeschweißt, um den Enzymfilm 5 oder die Haftschicht 6 daran zu hindern, unnötige Feuchtigkeit (Nässe) zu absorbieren und anschließend in den Umlaufprozess gebracht.
Wenn ein Benutzer einen chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps, der in der Verpackung eingeschweißt ist, benutzt, wird die Verpackung erstmalig geöffnet und es werden die Elektrodenanschlüsse, die einander entsprechend angeordnet sind, jeweils zwischen dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps und einer Messschaltung verbunden. Danach wird der chemische Sensor des Enzymelektrodentyps in eine Aufbewahrungsflüssigkeit in einem Zustand eingetaucht, indem keine Spannung angelegt ist. Dabei wird eine Pufferlösung einer speziellen Zusammensetzung üblicherweise als diese Aufbewahrungslösung eingesetzt. Beim Eintauchen in die Pufferlösung, die als Aufbewahrungslösung verwendet wird, werden der Enzymfilm 5 und die Haftschicht 6, die im trockenen Zustand gehalten worden sind, mit der Lösung getränkt und wechseln in einen feuchten Zustand. Zu diesem Zeitpunkt beispielsweise bei Permeation der Lösung, wird der Enzymfilm 5 in eine ursprünglich gequollene Schicht aus einem verdunsteten Zustand überführt. Aus mikroskopischer Sicht werden bei einem Enzymprotein, das den Enzymfilm 5 bildet, und organischen Materialien, wie einem Matrixmaterial zum Immobilisieren des Films, ein Kupplungszustand zwischen den Molekülen, eine relative Anordnung unter den Molekülen und eine Ausrichtung leicht entsprechend dem Permeationsgrad der Pufferlösung verändert.
Wenn dann die gesamten Oberflächen der Arbeitselektrode 2, der Gegenelektrode 3 und der Bezugselektrode 4 mit der Pufferlösung in Berührung sind, die in die Haftschicht 6 eingedrungen sind und diese gefüllt haben, wird eine vorbestimmte Spannung an das Elektrodensystem angelegt. Wenn die Spannung zwischen der Arbeitselektrode 2, die aus Leitern wie eine Platinelektrode hergestellt ist, und der Bezugselektrode 4, die aus Silber/Silberchlorid besteht, angelegt ist, stellt die Arbeitselektrode 2 und die Bezugselektrode 4 einen Kondensator über die Pufferlösung dar, die als eine elektrolytische Lösung funktioniert. Im Ergebnis findet ein Prozess der elektrischen Aufladung des Kondensators statt, und die elektrischen Ladungen sammeln sich auf der Oberfläche der Arbeitselektrode, unter Bildung von elektrischen Doppelschichten. Ein induzierter Strom fließt pulsförmig unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung. Danach sinkt der Strom auf einen bemerkenswert schwachen Strom ab, und es wird eine Übergangszeit von etwa mehreren Minuten benötigt, bis der Strom konstant wird.
In diesem Fall, wenn eine Oberflächenbeschichtungsschicht, die auf einem dielektrischen Material gebildet worden ist, auf der Oberfläche der Arbeitselektrode 2 existiert, die aus Leitern wie einer Platinelektrode gebildet ist, hängt ein Reaktionsgrad einer elektrochemischen Reaktion in diesem chemischen Sensor beispielsweise auch von der Ausbeute des Flusses der elektrischen Ladungen auf die Oberfläche ab, die die Lösung von der Arbeitselektrode 2 durch die Oberflächenbeschichtungsschicht berührt, und ist deshalb durch die Dicke und Anwesenheit/Abwesenheit der Oberflächenbeschichtung beeinflusst. Wenn sich deshalb die Dicke und die mikroskopische Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtungsschicht, die auf der Oberfläche der Arbeitselektrode 2 gebildet worden ist, sich von denjenigen der Oberflächenbeschichtungsschicht in einem „stationären Zustand” unterscheidet, der während des Stabilhaltens des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps in einem Standby-Zustand beim Aufbewahren dieses Sensors im trockenen Zustand erreicht wird, weicht der Reaktionsgrad der elektrochemischen Reaktion im chemischen Sensor von demjenigen ab, der im „stationären Zustand” unmittelbar nach Startbeginn erzielt wird. Bei kontinuierlichem Anlegen der Spannung im Standy-Zustand wird die Dicke und die mikroskopische Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtungsschicht in dem „stationären Zustand” allmählich in der Oberfläche der Arbeitselektrode verändert.
Vermutlich reflektiert die Instabilität der Leistung der Sensorempfindlichkeit, die zum Ersteinsatz des chemischen Sensors festgestellt wird, das vorstehend beschriebene Übergangsphänomen. Einzelheiten der elektrochemischen Reaktion an einem Grenzbereich beim Wechsel der mikroskopischen Bedingungen an den Flächen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 in dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps, der im trockenen Zustand gespeichert worden ist, zu demjenigen der Oberfläche der Arbeitselektrode 2 im „stationären Zustand”, sind bisher noch nicht geklärt. Es wurde jedoch bestätigt, dass die Reaktion, wenn die Spannung (Spannung in Vorwärtsrichtung) mit der gleichen Richtung/dem gleichen Vorzeichen wie die Messspannung zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode sogar im Standby-Zustand angelegt wird, fortschreitet. Wenn zusätzlich die Spannung (Vorwärtsrichtungsspannung) das gleiche Vorzeichen wie die Messspannung hat und einen Absolutwert besitzt, der größer ist als derjenige, der messbar angelegt ist, wird eine elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit in der Grenzschicht rasch beschleunigt.
Wenn zusätzlich die Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 angelegt wird, übermäßig ansteigt, wird eine Oxidations-/Reduktionsreaktion an der Oberfläche der Elektrode in der eingesetzten Pufferlösung entsprechend einem Lösungstyp, dem Pufferlösungskomponenten und dem Trägerelektrolyten gestartet. Deshalb muss die angelegte Spannung in einem Bereich (sogenannten „Spannungsfensterbereich”) gewählt werden, indem keine unnötige elektrochemische Reaktion, die aus der eingesetzten Pufferlösung kommt, stattfindet. Wenn man bei Anlegen der Spannung, die nicht den Obergrenzwert des „Spannungsfensterbereichs” erreicht, jedoch einen hohen Spannungswert in Vorwärtsrichtung zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 hat, stellt ein Mikrostrom, der zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 fließt, einen „Dunkelstrom” dar, der rasch anwächst und manchmal zu Störungen des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps und damit zu einer Störung der Enzymfilmschicht führt.
Um bei dem Messverfahren mit dem ersten chemischen Sensor gemäß der Erfindung rasch die mikroskopischen Bedingungen auf den Oberflächen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 an diejenigen der Oberflächen der Arbeitselektrode 2 und Bezugselektrode 4 im „stationären Zustand” im chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps im trockenen Zustand zu verändern, wird der Sensor in die Pufferlösung eingetaucht, die als Lagerlösung dient. Danach wird erst die Spannung (Erstbehandlungsspannung) angelegt, die die gleiche Richtung wie die Messspannung (Vorwärtsrichtungsspannung) aufweist, jedoch einen absolut größeren Wert als diejenige der Messspannung besitzt. Die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion in der Grenzschicht wird hierdurch beschleunigt. Beispielsweise kann die Reaktion, die ein bis drei Tage benötigt, in der Erstbehandlungszeit erzielt werden, wenn hierfür vier Stunden im Standby-Betrieb gewählt werden, in der die Messspannung angelegt wird, wobei die Erstbehandlungsspannung während der Erstbehandlungszeit angelegt ist. Danach wird die Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 angelegt wird, zur zweiten Einsatzbehandlungsspannung, die der Messspannung gleicht, geändert und es wird die zweite Einsatzbehandlungsspannung angelegt. Danach wird die Menge der Ladungen, die sich auf den gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 unter Bildung der elektrischen Doppelschicht während der Anlage der ersten Einsatzbehandlungsspannung angereichert haben, zu einer solchen Menge vermindert, die sich in einem Zustand ansammelt, in dem die zweite Einsatzbehandlungsspannung (Messspannung) angelegt ist. Ein Entladungsprozess der Elektrode ist in kurzer Zeit in der gleichen Weise abgeschlossen wie der Aufladungsprozess. Andererseits muss bei dem Enzymfilm 5 und der Haftschicht 6 zusätzlich zu der elektrischen Doppelschicht durch die Ladungen, die sich auf den Oberflächen der gegenüberliegenden Elektroden angesammelt haben, die Veränderung, die sich durch ein elektrostatisches Feld eingestellt hat, erneut einstellen. Da die erneute Einstellung der elektrostatischen Änderung, die in dem Enzymfilm 5 und der Haftschicht 6 stattgefunden hat, gemäßigter fortschreitet, wird die Zeit zum Anlegen und zum Halten der zweiten Einsatzbehandlungsspannung (Messspannung) vorzugsweise bei Beendigung des Verschiebens zu einem Zustand gewählt, der dem zur Standby-Zeit in dem angestrebten „stationären Zustand” in dem gesamten chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps ähnelt. Auch wenn die zweite Anfangsbehandlung abgekürzt wird, werden größere Faktoren der Instabilität der Sensorempfindlichkeitsleistungen, die in dem Einsatzpunkt bei Benutzungsaufnahme des chemischen Sensors gefunden werden, in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt aufgehoben. Es besteht die Möglichkeit der Abweichung von dem stabilen Messergebnis des angestrebten „stationären Zustand” in der Messung, die unmittelbar nach diesem Schritt durchgeführt wird. Jedoch wird der chemische Sensor in einem Zustand gehalten, indem die zweite Anfangsbehandlungsspannung (Messspannung) angewandt wird, entsprechend dem zweiten Anfangsbehandlungsschritt, wobei der Standby-Zustand gehalten wird, bevor die zweite Messung durchgeführt wird.
In dem chemischen Sensor des Dreielektrodentyps, wie in 1, wird eine Silber/Silberchloridelektrode als Bezugselektrode 4 benutzt. Wenn die Arbeitselektrode 2 und die Gegenelektrode 3 aus einer Platinelektrode gebildet sind, entspricht der Bereich, auf den als „Spannungsfensterbereich” Bezug genommen worden ist, einem Bereich der Spannung der Arbeitselektrode 2, der aus –0,6 V bis 1,2 V auf der Basis der Silber/Silberchloridelektrode gewählt wurde, die die Bezugselektrode 4 darstellt. Anzumerken ist, dass als eingesetzte Speicherflüssigkeit Pufferlösungen in einem Neutralzustand, wie N-tris-(Hydroxymethyl)methyl-2-aminoethansulfonsäure (TES) mit einem Gehalt von 150 mM an Natriumchlorid und einem pH = 7 eingesetzt werden können.
Die Lagerlösung, die für den chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps einsetzbar ist, ist eine Pufferlösung, in der die Enzymaktivität eines eingesetzten Enzymproteins aufrechterhalten werden kann und die üblicherweise einen Trägerelektrolyten, der aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Kalziumchlorid ausgewählt ist, und eine Pufferagenskomponente enthält, indem ein gewünschter pH aufrechterhalten wird. Soweit die Pufferagenskomponenten betroffen sind, wird ein aufrechterhaltener pH-Wert auch hinsichtlich eines indizierten pH für das eingesetzte Enzym gewählt. In vielen Fällen können eine allgemeine Phosphorsäurelösung oder eine Gruppe good-Pufferlösungen für die Verwendung in unterschiedlichen enzymatischen Reaktionen eingesetzt werden, wie ein Aminopropansulfonsäurederivat (MOPS, etc.), ein Aminoethansulfonsäurederivat (MES, etc.), HEPES und PIPES.
Eine Pufferlösung, die einen geringen Basisstrom hat, der durch den chemischen Sensor im Standby-Betrieb fließt, wird üblicherweise in der Lagerflüssigkeit ausgewählt. Dementsprechend wird eine Störung der Elektrode des chemischen Sensors verhindert. Andererseits wird in der Anfangsbehandlungsoperation der Erfindung die Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anzulegen ist, angehoben und die Strommenge, die in die Pufferlösung von der Elektrode wegfließt, wird merklich angehoben. Bei einem Mechanismus, bei dem das Verfahren zur Entfernung des Oberflächenbeschichtungsfilms, der auf der Elektrodenoberfläche angeordnet ist, entsprechend bei der Verwendung einer Pufferlösung mit einem höheren fließenden Strom beschleunigt wird, ist auch eine Wirkung auf die Beschleunigung bei der Entfernung des Oberflächenbeschichtungsfilms gegeben. Wenn die gleiche Spannung, die zwischen die Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt werden soll, auch mit der Pufferlösung, unter Aufrechterhaltung des gleichen pH-Werts, gewählt wird, ist manchmal ein Unterschied in der Strommenge, die in die Pufferlösung von der Elektrode abfließt, in Abhängigkeit von den Pufferagenskomponenten gegeben. Beispielsweise haben Chemikalien für die Verwendung in Pufferagenskomponenten molekulare Formen oder Größen, bei denen Elektronen leicht zur Elektrode transmittiert oder von diesen aufgenommen werden oder durch die die Oberfläche der Elektrode leicht zugänglich ist. Daher ist der Anstieg der Menge des Stroms, der in die Pufferlösung von der Elektrode über die Elektronentransmission/Aufnahme bezüglich der chemischen Substanz fließt, vorweggenommen. Gemäß dem Studium der Erfinder existiert konkret ein Effekt derart, das der Basisstrom in einer (2-Hydroxyethyl)imino-tris-(hydroxymethyl)methan-Pufferlösung (Bi-Tr, Bis) angehoben wird. Beispielsweise wird in dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps, wie er nachstehend in Beispiel 1 beschrieben ist, bei der Messspannung, wenn 0,1 M Bi-Tr, Bis, 0,15 M NaCl, pH = 7 als eine Lagerflüssigkeitszusammensetzung bei Anlegen einer Spannung von 0,45 V an die Arbeitselektrode eingesetzt werden, eine größere Menge Basisstrom im Standby-Betrieb um etwa 10 nA erzeugt, verglichen mit einer TES-Pufferlösung, die 150 mM Natriumchlorid enthält.
Wenn beispielsweise die Arbeitselektrode 2 und die Gegenelektrode 3 aus Platinelektroden gebildet sind, beträgt die Spannung der Arbeitselektrode 2, bei der die elektrochemische Reaktion von Wasserstoffperoxid beginnt, das in die Pufferlösung zugesetzt worden ist, etwa 350 mV auf der Basis der Silber/Silberchloridelektrode, die die Bezugselektrode darstellt. Wenn der chemische Sensor des Enzymelektrodentyps, wie in 1 gezeigt, ein System zum Messen von Wasserstoffperoxid aufweist, das durch die enzymatische Reaktion aus Glucose als Substrat durch ein Glucoseoxidaseenzym erzeugt worden ist, wird als Messspannung die Spannung der Arbeitselektrode 2 in einem Bereich von 400 mV bis 700 mV auf der Basis der Silber/Silberchloridelektrode, die die Bezugselektrode darstellt, gewählt. Bei der Erzeugung des Reaktionsstroms, der die elektrochemische Reaktion von Wasserstoffperoxid begleitet, wird eine maximale Wirkung in der Nähe von 700 mV erzielt. Jedoch steigen die Einflüsse von Störkomponenten, wie Vitamin C (Ascorbinsäure) rasch an, wenn die Spannung der Arbeitselektrode 2 bei 700 mV oder mehr gewählt wird. In Anbetracht dieses Falls, ist der oben beschriebene Bereich als Messspannung bevorzugt.
Andererseits wird in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 angelegt wird, vorzugsweise als ein Wert gewählt, der signifikant größer ist als derjenige der Messspannung. Wenn deshalb die Silber/Silberchloridelektrode als Bezugselektrode verwendet wird und die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode aus Platinelektrodenelektroden gebildet sind, wird die erste Einsatzbehandlungsspannung vorzugsweise in einem solchen Bereich ausgewählt, dass die Spannung um mindestens 100 mV oder mehr größer ist als die Messspannung und nicht 900 mV auf der Basis der Silber/Silberchloridelektrode, die die Bezugselektrode darstellt, in der Pufferlösung überschreitet. Beispielsweise wird die Spannung der Arbeitselektrode 2 in einem Bereich von mindestens 750 mV bis 900 mV gewählt und die erste Einsatzbehandlungszeit in einem Bereich von vier Stunden oder weniger, jedoch nicht weniger als mindestens eine Stunde auf der Basis der Silber/Silberchloridelektrode, die die Bezugselektrode darstellt, in der Pufferlösung gewählt.
Danach wird eine Zeit, bei der die angelegte Spannung geändert wird und die zweite Einsatzbehandlungsspannung (Messspannung) angelegt und gehalten wird (zweite Einsatzbehandlungszeit), vorzugsweise etwas länger gewählt mit dem Anstieg der Spannungsänderungswerte der ersten Einsatzbehandlungsspannung und der zweiten Einsatzbehandlungsspannung (Messspannung). Jedoch wird die Richtung der angelegten Spannung zum Zeitpunkt der Spannungsänderung nicht umgekehrt. Der Spannungsänderungswert liegt höchstens bei etwa 500 mV und es wird ein ausreichend stabiler Zustand in einer zweiten Einsatzbehandlungszeit von einer Stunde oder weniger erhalten.
Diese Prozeduren werden in einer Software des Hauptkörpers der Messvorrichtung gespeichert, die einen chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps verwendet. Wenn eine Reihe von Anfangsbehandlungsoperationen vervollständigt sind und der Standby-Zustand, der bei der Messspannung gehalten wird, erreicht ist, kann eine Anzeigeeinrichtung anzeigen, dass die Messung möglich ist. Anzumerken ist, dass als Anzeigemittel Displays, wie LCD, Ton, Vibration und dergleichen eingesetzt werden können. Wenn ein Mechanismus für die Messvorrichtung unter Verwendung eines chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps zuvor hinzugefügt worden ist, kann ein Anwender die Vorrichtung mit einer neuen Sensorkartusche verbinden und eine Messung mit guter Reproduzierbarkeit in einer ersten Messung durchführen.
Anzumerken ist, dass in der vorstehenden Beschreibung das Verfahren für den chemischen Sensor eines Enzymelektrodentyps beschrieben worden ist. Es kann jedoch eine ähnlich Methode an chemischen Sensoren, wie einem Milchsäuresensor, und einem Wasserstoffperoxidsensor unter Verwendung eines selektiven Permeationsfilms, der aus einem organischen Material gebildet worden ist, angewandt werden. Auch wenn die Spannung der Arbeitselektrode als Messspannung an eine Negativseite wie in einem Sauerstoffsensor angelegt ist, kann weiterhin die Erfindung auch unter Verwendung der Spannung angewandt werden, die dasselbe Vorzeichen aufweist wie diejenige der Messspannung, jedoch einen größeren absoluten Wert besitzt.
(Beispiel 1)
Ein Glukose Sensor, der aufgebaut ist, wie in 1 gezeigt, wird als chemischer Sensor des Enzymelektrodentyps eingesetzt. Ein Elektrodensystem des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps weist einen 3-Elektrodentyp auf, der aus der Arbeitselektrode 2, der Gegenelektrode 3 aus Pt und der Bezugselektrode 4 aus Ag/AgCl besteht. Der Enzymfilm 5 wird dadurch hergestellt, das man Glykoseoxidase in einer Matrix aus Albumin und Glutaraldehyd immobillisiert. Ein Silan-Kupplungsagens wird als Haftschicht 6 zwischen dem Enzymfilm 5 und der Elektrode angeordnet. Der chemische Sensor des Enzymelektrodentyps wird in eine Kartusche 7 aus Plastik flüssigkeitsdicht eingeschweißt und dann verwendet. Ein Fenster 8 ist in der Kartusche 7 vorgesehen, so dass nur ein empfindlicher Bereich des Glukosesensors mit der Lösung Kontakt hat. Sofern nicht speziell genannt, stellt die Kartusche 7 den chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps dar.
Im vorliegenden Beispiel wird ein Hauptkörper 9 eingesetzt, der als Messschaltung exklusiv für den Glucosesensor einschließlich des 3-Elektrodentyps dient. Im Hauptkörper 9 weist die Arbeitselektrode 2 eine potentiostatische Schaltung zum Anlegen einer vorbestimmten konstanten Spannung und eine Messschaltung auf; des weiteren ist eine Anzeigeeinheit 10 vorgesehen. 2 zeigt eine schematische Ansicht der Messvorrichtung.
Die Messung wird folgendermaßen durchgeführt.
Zuerst wird die Kartusche 7, die im trockenen Zustand ein Jahr gelagert worden ist, zusammen mit einem Trocknungsmittel entnommen und mit dem Hauptkörper 9 verbunden. Danach wird die Kartusche in die Speicherflüssigkeit eingetaucht, so dass der empfindlicher Bereich mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht wird. Es ist anzumerken, dass die eingesetzte Speicherflüssigkeit eine Pufferlösung aus N-tris-(Hydroxymethyl)methyl-2-aminoethansulfonsäure (TES) ist, die 150 mM Natriumchlorid bei pH 7 enthält.
Wenn der chemische Sensor in die Pufferlösung eingetaucht ist, wird eine Spannung von 800 mV an die Arbeitselektrode 2, bezogen auf die Bezugselektrode 4, eine Stunde angelegt. Danach wird die an die Arbeitselektrode 2 angelegt Spannung auf 700 mV geändert, was die Messspannung darstellt. Nachdem der Sensor eine Stunde so gehalten worden ist, wird die Messung gestartet. 3 zeigt ein Bild der eingesetzten Spannung an der Arbeitselektrode 2 zum Zeitpunkt des Einsatzes der Startoperation, wenn der chemische Sensor, der dieser Anfangsbehandlung unterzogen worden ist, verwendet wird, um eine Glukoselösung mit einer Konzentration mit 50 mg/dl zu messen, wird ein Reaktionsstromwert von 610 nA erhalten. Es ist anzumerken, dass bei dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps der Reaktionsstromwert, der an der Glukoselösung mit einer Konzentration von 50 mg/dl gemessen wird, 600 nA in einem typischen Test war, der vor dem Trocknen/Speichern durchgeführt wurde. Am nächsten Tag, nach dem Halten des Sensors im Standby-Zustand für 24 Stunden, wird die gleiche Messung wiederholt. Nach Ablauf eines Tages beträgt der gemessene Reaktionsstromwert 600 nA. Weiterhin wird die gleiche Messung jeden Tag über drei Tage hinweg wiederholt und die Anwesendheit/Abwesendheit eines Wechsels zeitabhängig ausgewertet. Als Ergebnis weist der gemessene Reaktionsstromwert einen Wechsel in einem Bereich von 590 bis 610 nA auf.
Zum Vergleich wird der Glukosesensor mit der gleichen Herstellungsnummer, der im trockenen Zustand gespeichert worden ist, in die Pufferlösung eingetaucht. Danach wird die gleiche Spannung von 700 mV als Messspannung an die Arbeitselektrode 2 unter Bezug auf die Bezugselektrode 4 angelegt. Der Sensor wird dann zwei Stunden so gehalten. Wenn der chemische Sensor, der dieser Behandlung unterzogen worden ist, zum Messen der Glukoselösung mit einer Konzentration mit 50 mg/dl eingesetzt wird, wird ein Reaktionsstromwert von 510 nA erhalten. Es ist anzumerken, das bei diesem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps der Reaktion- oder Messstromwert, der an der Glukoselösung mit einer Konzentration von 50 mg/dl gemessen wird, 600 nA in dem typischen Test betragen hat, der vor dem Trocknen/Speichern durchgeführt worden ist. Am nächsten Tag nach dem Halten des Sensors im Standby-Betrieb für 24 Stunden wird die gleiche Messung wiederholt. Nach Ablauf eines Tages betrug der gemessene Stromwert 580 nA. Weiterhin wird die gleiche Messung jeden Tag für drei Tage wiederholt, um die Anwesenheit/Abwesenheit einer Veränderung im Verlauf der Tage auszuwerten. Im Ergebnis wird ein gemessener Stromwert erhalten, der einem Wechsel in einem Bereich 590–600 nA unterliegt. Wenn bei der Behandlung, bei der nach dem Trocknen/Lagern und dem Eintauchen des Sensors in die Pufferlösung die gleiche Spannung von 700 mV als Messspannung an die Arbeitselektrode 2, bezogen auf die Bezugselektrode 4, angelegt wird, und der Sensor zwei Stunden so gehalten wird, wurde festgestellt, dass die Sensorempfindlichkeit signifikant geringer war als der ursprüngliche Wert und nicht zum ursprünglichen Wert zurückkehrt, auch wenn der Sensor insgesamt 24 Stunden im Standby-Betrieb gehalten worden ist. Festzustellen ist also, dass die Sensorempfindlichkeit zum ursprünglichen Wert dann zurückkehrt, wenn der Sensor im Standby-Betrieb insgesamt 48 Stunden gehalten wird.
Andererseits wird der Glucosesensor, der aus der gleichen Herstellungscharge stammt und im trocknen Zustand gelagert worden ist, der Behandlung unterzogen, bei der der Sensor in die Pufferlösung eingetaucht wird. Es wird ein Strom von 800 mV an die Arbeitselektrode 2, bezogen auf die Bezugselektrode 4, angelegt und der Sensor dann für 2 Stunden behandelt. Bei einem derart behandelten chemischen Sensor wird die Spannung, die an die Arbeitselektrode 2 angelegt wird, auf 700 mV geändert, die die Messspannung darstellt. Nach drei Minuten wurde der Basisstrom, der zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 fließt, konstant. Zu diesem Zeitpunkt wird als Ergebnis der Messung des Glukosesensors bei einer Konzentration von 50 mg/dl ein Messstrom von 720 nA erhalten. Es ist festzustellen, dass bei diesem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps der Messstromwert, der bezüglich einer Glukoselösung mit einer Konzentration von 50 mg/dl gemessen wurde, 600 nA in einem charakteristischen Test beträgt, der vor dem Trocknen/Speichern durchgeführt worden ist. Am nächsten Tag, nachdem der Sensor im Standby-Betrieb für 24 Stunden gehalten worden ist, wird die gleiche Messung wiederholt. Nach Ablauf eines Tages beträgt der gemessene Messstromwert 600 nA. Weiter wird die gleiche Messung jeden Tag drei Tage lang wiederholt, um die Anwesenheit/Abwesenheit einer Veränderung im Verlauf der Tage zu ermitteln. Im Ergebnis unterliegt der gemessene Messstromwert einer Veränderung in einem Bereich von 590–610 nA. Wenn bei einer Behandlung, bei der nach dem Trocknen/Lagern und Eintauchen des Sensors in die Pufferlösung eine Spannung von 800 mV an die Arbeitselektrode 2, bezogen auf die Bezugselektrode 4, angelegt wird und der Sensor zwei Stunden so behandelt wird, wurde festgestellt, dass die Sensorempfindlichkeit unmittelbar nach der Behandlung signifikant höher ist als der ursprüngliche Wert. Wenn jedoch anschließend die Spannung, die an die Arbeitselektrode 2 angelegt wird, auf 700 mV verändert wird, die die Messspannung darstellt und der Sensor im Standby-Betrieb gehalten wird, wird festgestellt, dass die Sensorempfindlichkeit sich spätestens nach einem Tag beim ursprünglichen Wert stabilisiert hat.
4 zeigt die Ergebnisse der Auswertung der Veränderungen der Sensorempfindlichkeiten (Messstromwert) des Glukose-Sensors, der den vorstehenden beschriebenen drei Behandlungstypen zum Einsatzzeitpunkt im Ablauf von Tagen im Verhältnis zueinander unterzogen worden ist. Bei Vergleich dieser Resultate ist folgendes festzustellen. Während des Haltens im Standby-Betrieb verschieben sich die mikroskopischen Bedingungen der Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode des chemischen Sensors des Typs der Enzymelektrode zu einen Zustand, der sich unterscheidet von dem Zustand, in dem der Messstrom angelegt wird und der Sensor in die Speicherflüssigkeit für 24 Stunden oder mehr eingetaucht wird. Wenn jedoch bei der Behandlung eine signifikant höhere Spannung als die Messspannung angelegt wird und der Sensor in der Speicherflüssigkeit eingetaucht und dort gehalten wird, kann sich der Zustand der Elektrodenoberfläche zum ursprünglichen stabilisierten Zustand erholen. Es ist anzumerken, das nach der Veränderung der angelegten hohen Spannung zur üblichen Messspannung die elektrischen Doppelschichten, die durch Ladungen verursacht wurden, die sich an der Elektrodenoberfläche angesammelt haben, sich rasch ändern und der Basisstrom, der zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode fließt, konstant wird. Es wird jedoch mehr Zeit zur Stabilisierung für den elektrostatisch ungewöhnlichen Zustand in dem gesamten chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps benötigt. Es ist festzustellen, dass der Sensor nach höchstens einer Stunde den Zustand stabilisieren kann, der von der Wechselgröße der angelegten Spannung abhängt.
Es wird daher bestätigt, dass die ursprüngliche Sensorempfindlichkeit des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps in kurzer Zeit stabilisiert werden kann, wenn die Einsatzbehandlung entsprechend dem ersten Messverfahren der Erfindung durchgeführt wird, um den Einsatz des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps, der im trockenen Zustand hergestellt worden ist, zu starten. Nach Beendigung der Ersteinsatzbehandlung ist die Sensorempfindlichkeit stabilisiert. Auch wenn die Empfindlichkeitskalibrierung nicht für einen speziellen Zeitraum durchgeführt worden ist, kann die Messung zufriedenstellend genau und reproduzierbar durchgeführt werden.
Um weiterhin die angelegte Spannung und die Haltezeit hinsichtlich des Hauptkörpers 9 der Messvorrichtung für den chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps festzusetzen, werden Funktionen zu einer Software hinzugefügt, die auf den vorstehend beschriebenen Ergebnissen beruhen. Dementsprechend wird zur Hardware ein System zum Anzeigen hinzugefügt, wonach eine Reihe der vorstehend beschriebenen Einsatzbehandlungen durchgeführt worden ist, so dass eine stabile Messung möglich ist.
Beispielsweise ist im Hauptkörper 9 der Messvorrichtung, zu dem die vorstehend beschriebene Funktion der Einsatzbehandlung hinzugesetzt worden ist, eine Softwareänderung, einschließlich einer zeitabhängigen Steuerung der Spannungsanwendung, und eine Hardwareänderung, einschließlich des Zusatzes eines Detektionssystems, wie beispielsweise ein Leitungsschalter für die Anwendung in der Steuerung und ein Indikatorbereich für den Hauptkörperbereich der Messeinheit, angeordnet.
Nach dem Anschluss des Sensors im trockenen Zustand an den Hauptkörper 9 der Messvorrichtung wird

1. der Sensor in einer Position angeordnet, wo er in die Speicherflüssigkeit eingetaucht ist (detektiert durch den Leitungsschalter und der gleichen);
2. der Sensor für fünf Minuten ohne Anlegen der Spannung gehalten; (dieser Schritt wird deshalb durchgeführt, weil der Film zusammenfällt, wenn Spannung in einem Zustand angelegt wird, in dem der gesamtorganische Film nicht ausreichend durch die Speicherflüssigkeit benetzt worden ist).
3. der Sensor bei 750 mV für drei Stunden gehalten;
4. der Sensor danach bei 450 mV für eine Stunde gehalten; und
5. 450 mV nicht verändert, wobei der Indikator des Hauptkörpers der Messeinheit „messbar” anzeigt.

(Zweite Ausführungsform)
5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Beispiels eines chemischen Sensoraufbaus für die Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der chemische Sensor, wie er in 2 gezeigt ist, ist aus dem chemischen Sensor des 3-Elektrodetyps aufgebaut. Dabei werden die Arbeitselektrode 2 und die Gegenelektrode 3, die aus Leitern gebildet sind, und die Bezugselektrode 4 auf dem isolierenden Substrat 1 gebildet. Der Enzymfilm 5 ist auf dem Elektrodensystem einschließlich des 3-Elektrodentyps gebildet und stellt somit einen chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps dar.
Festzuhalten ist, dass in der Enzymelektrode ein begrenzender Permeationsfilm 11 auf der Oberfläche des Enzymfilms 5 gebildet ist und ein selektiver Permeationsfilm 12 auf der Elektrode des Enzymfilms 5 angeordnet ist. Um diese Filme zu immobillisieren, ist die Haftschicht 6 zwischen dem Elektrodensystem und dem selektiven Permeationsfilm 12 angeordnet. Das isolierende Substrat 1 weist keine Permeabilität für die Flüssigkeit auf. Der Kontakt des Elektrodensystems mit der Lösung wird durch den begrenzenden Permeationsfilm 11, den Enzymfilm 5, den selektiven Permeationsfilm 12 und die Haftschicht 6 erhalten, die für die Flüssigkeit permeabel ist. Ein konkretes Beispiel des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps mit der Enzymelektrode einschließlich des begrenzenden Permeationsfilms auf der Außenoberfläche ist beispielsweise in JP 2943700 B offenbart.
Der selektive Permeationsfilm 12 nimmt an der elektrisch chemischen Reaktion in der Elektrodenoberfläche des chemischen Sensors teil und hat die Funktion, die Permeation derjenigen Substanz zu verhindern, die sich von der Substanz unterscheidet, die letztlich das Messobjekt ist. Diese Funktion wird mittels einer Filmstruktur erhalten, in der die Permeation von Molekülen mit einem großen Molekulargewischt durch eine Gitterstruktur behindert wird oder Ionen durch elektrostatische Abstoßungswirkung am Eindringen gehindert werden.
Andererseits schränkt der begrenzende Permeationsfilm 11 die Permeabilität der Messsubstanz in der Enzymelektrode ein. Wenn die Permeabilität des Substratmaterials der enzymatischen Reaktion in dem Enzymfilm 5 gesenkt ist, und wenn sogar eine Substratmaterialkonzentration in der Messprobe hoch ist, kann die Menge des Substratmaterials, die den Enzymfilm 5 pro Zeiteinheit erreicht, quantitativ zu einem Reaktionsprodukt durch ein Enzym umgewandelt werden, das in dem Enzymfilm 5 enthalten ist. Im Allgemeinen, wenn die Menge des Substratmaterials, die den Enzymfilm 5 erreicht, übermäßig ist, hat die Menge des Reaktionsprodukts, das durch eine begrenzte Menge des Enzyms im Enzymfilm 5 je Zeiteinheit umgewandelt worden ist, eine bestimmte Obergrenze. Insofern geht eine quantitative Beziehung zwischen der Menge des Substratmaterials und der Menge des Reaktionsprodukts verloren. Daraus resultiert ein Zustand, der als Sättigung der Sensorausgangsleistung definiert ist. Durch die Verwendung der Anordnung einschließlich des begrenzenden Permeationsfilms 10, wie er in 5 gezeigt ist, kann die Konzentration des Substratmaterials in der Messprobe, die die Sättigung der Sensorausgangsleistung erreicht, bemerkenswert gesteigert werden. Dies ist auf eine Funktion der Vergrößerung eines Konzentrationsbereichs, des so genannten dynamischen Bereichs des Substratmaterials, in der Messprobe zurückzuführen, die mit einer hohen quantitativen Beziehung gemessen werden kann. Weiterhin hat der begrenzende Permeationsfilm 11 eine Funktion, mit der die Permeabilität nicht nur des Substratmaterials in der Messprobe, sondern auch unterschiedliche Fremdsubstanzen, die in einer aktuellen Messprobe enthalten sind, beschränkt werden kann. Der Film stellt daher eine Funktion eines chemisch/physikalischen Schutzfilms gegen unterschiedliche Fremdsubstanzen dar, die störende Faktoren für die Funktion des Enzymfilms 5 sind.
Beispielsweise enthält die Messprobenlösung, die das Messobjekt des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps, wie ein Glukosesensor ist, Fremdsubstanzen, die sich von der Messsubstanz unterscheiden, wie Blut, Urin und Dränageflüssigkeit. In der Struktur, einschließlich nur eines Enzymfilms und Elektrode, wie in 3 gezeigt, wird die Messprobe leicht durch diese Fremdsubstanzen beeinflusst, behindert oder gestört. Dies hat eine merkliche Veränderung der Sensorleistung in ziemlich vielen Fällen zur Folge. Wenn der selektive Permeationsfilm 12 und der begrenzende Permeationsfilm 11 angeordnet sind, kann der chemische Sensor des Enzymelektrodentyps stabile Leistungen aufrechterhalten und eine hohe quantitative Beziehung sogar in dieser beeinträchtigenden Umgebung erfüllen.
In der Anordnung, in der der selektive Permeationsfilm 12 der begrenzende Permeationsfilm 11 angeordnet sind, werden erwünschte Permeationseigenschaften hinsichtlich niedermolekularer Stoffe, wie Wasser als Lösungsmittel, Wasserstoffperoxidmoleküle und Hydroxid-Ionen (OH^–) sichergestellt. Jedoch sind die Permeationsleistungen im großen Umfang sogar gegenüber Ascorbinsäure (Vitamin C), löslichen Substanzen mit einer molekularen Größe, die nahezu derjenigen von Glukose als Substrat gleicht, oder ionischen Verbindungen begrenzt. Wenn man die Anordnung mit nur einem Enzymfilm und einer Elektrode, wie in 3 gezeigt, mit der Anordnung mit dem selektiven Permeationsfilm 12 und dem begrenzenden Permeationsfilm 11, wie in 5 gezeigt beispielsweise sogar, wenn die Oberflächenbezugsschicht, die auf der Oberfläche der Arbeitselektrode 2 oder der Bezugselektrode 4 existiert, in die lösliche Substanz umgewandelt ist, tendiert die Zeit, die zur Ausscheidung der Substanz außerhalb des Sensors von der Nachbarschaft der Oberfläche der Arbeitselektrode 2 oder der Bezugselektrode 4 durch den selektiven Permeationsfilm 12 oder dem begrenzenden Permeationsfilm 11 benötigt wird, zur Verlängerung.
Auch bei dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps mit der Struktur, wie in 5 gezeigt, wird zur erstmaligen Benutzung des Sensors, der im trockenen Zustand gelagert worden ist, entsprechend dem ersten Messverfahren der Erfindung im Ersteinsatzbehandlungsschritt eine Spannung, die bei einem signifikant höheren Wert als die Messspannung gewählt wird, beispielsweise um mindestens 100 mV, und in einem Bereich, der jedoch 900 mV nicht übersteigt, zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4, die aus der Platinelektrode auf der Basis der Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode gebildet ist, in der Pufferlösung als Speicherlösung angelegt. Wenn der chemische Sensor so gehalten ist, kann die Schicht auf den Oberflächen der Arbeitselektrode 2 oder der Bezugselektrode 4 schnell entfernt werden. Anzumerken ist, dass ein bevorzugter Bereich der ersten Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt bei der Anordnung, die nur die Enzymfilmschicht und die Elektrode gemäß 3 einschließt, im Wesentlichen gleich ist mit derjenigen bei der Anordnung, die den selektiven Permeationsfilm 12 und den begrenzenden Permeationsfilm 11 gemäß 5 einschließt, soweit die Speicherflüssigkeit für die Anwendung und die leitenden Materialien der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 gleich sind.
Weiterhin ist der Zeitraum, der benötigt wird, um die Oberflächenbeschichtung, die auf den Oberflächen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 existiert, in eine lösliche Substanz umzuwandeln, damit diese Substanz zur Aussenseite des Sensors durch den selektiven Permeationsfilm 12 oder den begrenzenden Permeationfilm 11 ausgeschieden wird, lang verglichen mit der Anordnung, die nur den Enzymfilm und die Elektrode, wie in 3 gezeigt ist, umfasst. Jedoch kann diese erste Einsatzbehandlungszeit in einem solchen Bereich gewählt werden, dass sie vier Stunden nicht überschreitet.
Danach wird andererseits ein Zeitraum (zweite Anfangsbehandlungszeit) zur Veränderung der angelegten Spannung und zum Anlegen/Halten der zweiten Einsatzbehandlungsspannung (Messspannung) vorzugsweise so lang gewählt, dass die Spannungswechselwerte der ersten Einsatzbehandlungsspannung und der zweiten Einsatzbehandlungsspannung (Messspannung) sogar bei dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps, wie in 5 gezeigt ist, ansteigen. Jedoch wird bei der Spannungsänderung die Einsatzspannungseinrichtung nicht umgekehrt, der Spannungsänderungswert beträgt höchstens etwa 500 mV und der stabile Zustand kann in einer zweiten Einsatzbehandlungszeit von einer Stunde oder weniger wirksam erzielt werden.
Anzumerken ist, dass für den Beginn des Einsatzes des Sensors, der im trockenen Zustand gelagert worden ist, sogar bei der Anordnung einschließlich des selektiven Permeationsfilm 12 und des begrenzenden Permeationsfilm 11 gemäß 5 die gleiche Spannung wie die Messspannung zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 4 in der Pufferlösung angelegt werden, die als Speicherflüssigkeit dient. Danach wird der Sensor längere Zeit dort gehalten. Im Anschluss kehrt die Sensorempfindlichkeit allmählich zur ursprünglichen Empfindlichkeit zurück. Der Zeitraum für den Erholungsprozess dauert nicht weniger als einen Tag. Abhängig von den Umständen stabilisiert sich nach dem Verlauf von wenigen Tagen die ursprüngliche Sensorempfindlichkeit allmählich. Andererseits wird bei der Anordnung mit dem selektiven Permeationsfilm 12 und dem begrenzenden Permeationsfilm 11 gemäß 5, verglichen mit der Anordnung, die nur den Enzymfilm und die Elektrode gemäß 3 umfasst, ein langer Zeitraum benötigt. Wenn jedoch die Einsatzbehandlung entsprechend dem ersten Messverfahren der Erfindung durchgeführt wird, kann der Zeitraum zum Stabilisieren auf die ursprüngliche Sensorempfindlichkeit beträchtlich auf längstens 6 Stunden oder weniger vermindert werden, verglichen mit dem Fall, bei dem keine Einsatzbehandlung durchgeführt wird.
(Beispiel 2)
Ein Glukosesensor wie er in 5 gezeigt ist, wird als chemischer Sensor des Enzymelektrodentyps in 2 eingesetzt. Das Elektrodensystem des chemischen Sensors des Enzymelektrodentyps wird als 3-Elektrodentyp gewählt, der aus der Arbeitselektrode 2 und einer Gegenelektrode 3 aus Pt und der Bezugselektrode 4 aus Ag/AgCl besteht. Der Enzymfilm 5 war ein immobilisierter Enzymfilm, der durch Immobilisieren von Glukoseoxidase in der Matrix von Albumin und Glutaraldehyd erhalten worden ist. Das Silan-Kupplungsagens wird als Haftschicht 6 auf der Elektrode angeordnet. Der selektive Permeationsfilm 12 ist aus einem Ionenaustauschharz gebildet. Darauf ist der Enzymfilm 5 angeordnet, während die Außenoberfläche mit dem begrenzenden Permeationsfilm überzogen worden ist, der aus einem Fluorharz gebildet ist. Der chemische Sensor des Enzymelektrodentyps ist flüssigkeitsdicht in der Kartusche 7 eingeschweißt, die aus einem Plastikmaterial gebildet ist, und wird so verwendet. Das Fenster 8 ist in der Kartusche 7 so angelegt worden, dass nur der empfindliche Bereich des Glukosesensors mit der Lösung in Berührung steht.
In dem Sensor, in dem der begrenzende Permeationsfilm 11 angeordnet ist, ist der Konzentrationsbereich der messbaren Glukose erweitert. Deshalb ist die Messung mit hoher quantitativer Auflösung sogar möglich, ohne dass die Probenlösung, die unterschiedliche Glukose-Konzentrationen anzeigt, vorher auf eine bestimmte Glukosekonzentration durch Verdünnen eingestellt werden muss. Weiterhin passiert durch die Funktion des selektiven Permeationsfilms 12 Wasserstoffperoxid, das ein enzymatisches Reaktionsprodunkt durch Erzeugen aus Glukose als Substrat ist, den selektiven Permeationsfilm 12 und unterliegt nur geringen Einflüssen durch andere wechselwirkende Substanzen, wie Ascorbinsäure (Vitamin C).
Wenn das Verfahren zur Einsatzbehandlung der Erfindung in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, angewandt wird, können die Bedingungen optimiert werden. Bei dem Ergebnis wurde folgendes festgestellt. Wenn eine Spannung von 450 mV als Messspannung an die Arbeitselektrode 2, bezogen auf die Bezugselektrode 4, angelegt wird, wird zunächst eine Spannung von 750 mV als erste Behandlungsspannung an die Arbeitselektrode 2, bezogen auf die Bezugselektrode 4, angelegt. Der Sensor wird dann vier Stunden als erste Einsatzbehandlungszeit gehalten. Anschließend wird die an die Arbeitselektrode 2 angelegte Spannung auf 450 mV geändert und der Sensor bei einer zweiten Einsatzbehandlungszeit gehalten. Danach wird die Messung gestartet. Die Sensorempfindlichkeit stabilisiert sich bei der ursprünglichen Empfindlichkeit mit höherer Produzierbarkeit. Wenn die Glukoselösung mit einer Konzentration von 500 mg/dl gemessen wird, wird ein gemessener Stromwert von 100 nA erhalten. Anzumerken ist, dass bei dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps der gemessene Stromwert hinsichtlich der Glukoselösung mit einer Konzentration von 500 mg/dl 100 nA in einem charakteristischen Test betragen hat, der vor dem Trocken/Lagern durchgeführt worden ist. Weiterhin wurde 4 Tage lang jeweils täglich die gleiche Messung wiederholt, um die Gegenwart/Abwesenheit einer Veränderung im Verlauf der Tage festzustellen. Danach betrug der Wechsel des gemessenen Stromwerts 100 nA ±5 nA.
Zum Vergleich wurde der Glukosesensor aus der gleichen Herstellungschargenummer, der ebenfalls im trockenen Zustand gelagert worden ist, in die Pufferlösung eingetaucht. Danach wurde die gleiche Spannung von 450 mV als Messspannung an die Arbeitselektrode 2 gegenüber der Bezugselektrode 4 angelegt. Die Glukoselösung mit einer Konzentration von 50 mg/dl wurde gemessen, wobei der anfänglich gemessene Wert weniger als 40 nA betragen hat. Es ist anzumerken, dass auch bei diesem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps der gemessene Stromwert hinsichtlich der Glukoselösung mit einer Konzentration von 50 mg/dl 100 nA in dem charakteristischen Test betragen hat, der vor dem Trocknen/Speichern durchgeführt worden ist. Fernerhin wurde vier Tage jeweils täglich die gleiche Messung wiederholt, um die Gegenwart/Abwesenheit einer Veränderung im Verlauf der Tage festzustellen. Nach Ablauf eines Tages hat sich der gemessene Stromwert auf 80 nA erholt. Es konnte jedoch bestätigt werden, dass sich die Sensorempfindlichkeit letztendlich bei dem ursprünglichen Wert stabilisiert hat.
6 zeigt die Ergebnisse der Auswertung der Veränderungen der Sensorempfindlichkeiten (gemessener Stromwert) des Glukosesensors, der den vorstehend beschriebenen zwei Behandlungstypen zum Einsatzzeitpunkt mit Ablauf von Tagen im Vergleich zu einander unterzogen worden ist. Bei diesem Vergleich wurde festgestellt, dass das Einsatzbehandlungsverfahren für den Einsatzbeginn entsprechend dem ersten Messverfahren der Erfindung vorteilhafter ist bei dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps mit der Anordnung, die den selektiven Permeationsfilm 12 und den begrenzenden Permeationsfilm 11 gemäß 5 umfasst.
(Dritte Ausführungsform)
Es wurde festgestellt, dass bei dem chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps, einschließlich des selektiven Permeationsfilms 12 und des begrenzenden Permeationsfilms 11, wie in 5 gezeigt, nach der Behandlung, wie bei der zweiten Ausführungsform gezeigt, eine stabile Sensorempfindlichkeit wie bei der zweiten Ausführungsform gezeigt, eine stabile Sensorempfindlichkeit vom Beginn des Einsatzes erhalten wird, die Sensorempfindlichkeit jedoch nach längerer Benutzung allmählich abnimmt.
Die Abnahme der Sensorempfindlichkeit nach einer langen Benutzungsdauer wird beispielsweise vermutlich durch die Adsorption von störenden Substanzen auf der Oberfläche des chemischen Sensors oder der Elektrode, die lediglich ein Faktor ist, durch wiederholte Messung verursacht. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass die Sensorempfindlichkeit in ähnlicher Weise im Verlaufe der Zeit sogar abfällt, wenn die Messspannung angelegt ist, und der Sensor nur in der Speicherflüssigkeit (gehalten im Standby-Betrieb) aufbewahrt ist, ohne dass die Messung durchgeführt wird. Es wurde festgestellt, dass sich die Oberflächenbeschichtungsschicht langsam auf der Elektrodenoberfläche wiedergebildet hat, was zu einem bestimmten Abfall der Sensorempfindlichkeit führt. Dies geschah während des Anlegens der Messspannung und der Aufbewahrung des Sensors in der Pufferlösung (während des Haltens im Standby-Betrieb), auch wenn keine unterschiedlichen störenden Substanzen in der tatsächlichen Messprobe vorlagen.
Gegen diesen Abfall der Sensorempfindlichkeit, der durch die Adsorption von störenden Substanzen auf der Oberfläche des chemischen Sensors oder der Oberfläche der Elektrode zurückzuführen sind, können unterschiedliche Reaktivierungsbehandlungen der Enzymelektrode, die vorstehend beschrieben worden ist, eingesetzt werden. Dies stellt jedoch einen internen Faktor dar, d. h., die Bildung einer Oberflächenschicht in der Pufferlösung als Speicherflüssigkeit als Gegensatz zu einem externen Faktor, der die störende Substanz ist. Hierfür ist eine Auffrischungsbehandlung entsprechend einem zweiten Messverfahren der Erfindung wirksam.
Konkret wird bei jeder Verwendung für einen vorbestimmten Zeitraum der chemische Sensor im Standby-Betrieb einem ersten Auffrischungsbehandlungsschritt dadurch unterzogen, dass eine erste Auffrischungsbehandlungsspannung mit dem gleichen Vorzeichen wie die Messspannung und einem größeren Absolutwert als die Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt wird. Der chemische Sensor wird dann für eine vorbestimmte erste Auffrischungsbehandlungszeit gehalten. Nach dem Ende des ersten Auffrischungsbehandlungsschritts wird ein Auffrischungs-Standby-Behandlungsschritt durchgeführt, bei dem die Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode zu einer zweiten Auffrischungsbehandlungsspannung geändert wird, die der Messspannung gleicht. Hierbei wird der chemische Sensor im Standby-Zustand für eine zweite Auffrischungsbehandlungzeit gehalten. In entsprechender Weise erholt sich die Sensoraktivität, die durch den internen Faktor gefallen ist, wieder.
Die erste Auffrischungsbehandlungsspannung zur Verwendung bei der Auffrischungsbehandlung wird vorzugsweise in einem Bereich gewählt, der dem Bereich der ersten Einsatzbehandlungsspannung zum Einsatzbeginn ähnelt, d. h., beide bevorzugten Bereiche entsprechen einander. Andererseits kann die erste Auffrischungsbehandlungszeit merklich verringert sein verglichen zur ersten Einsatzbehandlungszeit. Im Einzellfall kann als erste Auffrischungsbehandlungszeit etwa eine Stunde gewählt werden. Andererseits ist die zweite Auffrischungsbehandlungszeit die Zeit, die zur Beseitigung des elektrostatischen Wechsels in Verbindung mit dem Wechsel der angelegten Spannung notwendig ist. Sie kann im Wesentlichen ausgewählt werden aus einem Bereich, der demjenigen der zweiten Einsatzbehandlungszeit ähnelt. Auch wenn die erste Auffrischungsbehandlungszeit viel kürzer ist als die erste Einsatzbehandlungszeit, ist festzustellen, dass dies kein Problem darstellt, auch wenn die zweite Auffrischungsbehandlungszeit etwas kürzer gewählt wird als die zweite Einsetzbehandlungszeit, also etwa 30 Minuten.
Die Auffrischungsbehandlung entsprechend der zweiten Messmethode der Erfindung wird dazu durchgeführt, dass sich die Sensoraktivität erholt, die durch den internen Faktor abgefallen ist. Im Unterschied zur konventionellen Reaktivierungsbehandlungstechnik der Enzymelektrode, bei der die Behandlung nach jeder Messung zur Erholung der Sensoraktivität, die durch den externen Faktor (Störung von Substanzen, die aus der Messprobe erzeugt worden sind) verursacht wurde, wird in Abhängigkeit von der Zahl der durchzuführenden Messungen die Auffrischungsbehandlung periodisch wirksam entsprechend dem zweiten Messverfahren in den Betrieb integrieret. Wenn die Auffrischungsbehandlung periodisch durchgeführt wird, erholt sich die Sensorempfindlichkeit, die durch den internen Faktor abgefallen ist. Hierdurch kann die Sensorempfindlichkeit für eine lange Zeit aufrechterhalten werden.
(Beispiel 3)
Zehn Glukosesensoren mit der gleichen Struktur wie in Beispiel 2 werden periodisch zur Messung von Kontrollurin mit einer nominalen Glukosekonzentration von 280 mg/dl (abnormal hergestellt von Baio Rad Co.) über zwei Monate verwendet. Die zehn Sensoren werden in Gruppen zu jeweils 5 Sensoren aufgeteilt. Bei der einen Gruppe wird die Auffrischungsbehandlung jeweils wöchentlich durchgeführt. Eine Spannung von 750 mV, die höher ist als die Messspannung, wird an die Arbeitselektrode 2 bezogen auf die Bezugselektrode 4, angelegt. Nachdem die Sensoren 30 Minuten gehalten wurden, wird die Spannung, die an die Arbeitselektrode 2 angelegt werden soll, auf die gleiche Spannung von 450 mV wie die Messspannung geändert. Die Messung wird nach dem Ablauf von 30 Minuten oder mehr durchgeführt. Andererseits wird die andere Gruppe nicht der Auffrischungsbehandlung unterzogen. Die gleiche konstante Form von 450 mV wie die Messspannung wird kontinuierlich an die Arbeitselektrode 2, auch während des Standby-Zustands angelegt.
Bei diesen beiden Gruppen werden die Veränderungen der periodischen Messergebnisse des Kontrollurins mit dem Ablauf der Zeit verglichen.
7 zeigt ein Beispiel des Vergleichsergebnisses. Aus beiden Gruppen ist eine leichte Abflachung in jedem Sensor ersichtlich, jedoch entsprechen die Veränderungstendenzen mit dem Ablauf der Zeit in den Gruppen einander. Das bedeutet, dass in der Gruppe, die der periodischen Auffrischungsbehandlung unterzogen worden ist, im Wesentlichen der gleiche gemessene Wert in diesem Zeitraum erhalten worden ist, und die Sensorempfindlichkeit gehalten worden ist. Andererseits fällt auf, in der Gruppe, in der keine Auffrischungsbehandlung durchgeführt wurde, der gemessene Wert im Laufe der Zeit abnimmt und 2/3 des ursprünglich gemessenen Wert nach 2 Monaten beträgt.
Festzuhalten ist, dass der Abfall der Sensorempfindlichkeit durch den internen Faktor, der nur durch die Behandlung im Standby-Betrieb in der Pufferlösung als Speicherflüssigkeit auftrat, separat bestätigt wurde zusätzlich zum Abfall der Sensorempfindlichkeit durch Störungssubstanzen, die auf den externen Faktor zurückzuführen sind und die periodische Messung des Kontrollurins begleiten. Sogar wenn die Sensorempfindlichkeit durch den internen Faktor fällt, kehrt die Sensorempfindlichkeit zum Ausgangswert durch die Auffrischungsbehandlung zurück, die nach den vorstehend beschriebenen Bedingungen durchgeführt wird.
Aufgrund des vorstehend beschriebenen Ergebnisses ist die Auffrischungsbehandlung entsprechend dem zweiten Messverfahren der Erfindung für die Reaktivierung der Enzymelektrode wirksam, auch wenn die Sensorempfindlichkeit durch Störungssubstanzen fällt, die den externen Faktor darstellen, der die periodische Messung des Kontrollurins begleitet. Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass es ein Optimum ist, wenn die Auffrischungsbehandlung periodisch durchgeführt wird, und zwar unabhängig davon, ob eine Messung durchgeführt wird oder nicht, um die Sensorempfindlichkeit über einem langen Zeitraum aufrecht zu erhalten.
Auch von den vorstehenden Feststellungen bezüglich des Hauptkörpers 9 der Messvorrichtung für den chemischen Sensor des Enzymelektrodentyps wurden die Funktionen zum Festlegen der angelegten Spannung und die Bedingungen für die Behandlungszeit zur Software hinzugefügt, um die Auffrischungsbehandlung automatisch durchzuführen, wenn die Anzahl der Messungen eine vorbestimmte Zahl überschreitet oder wenn eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist. In entsprechender Weise ist das System zum Anzeigen, dass eine Reihe von Auffrischungsbehandlungen vervollständigt wurde, so dass die stabile Messung ermöglicht wird, zur Hardware hinzugefügt worden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend erwähnt, können entsprechend der Erfindung die Einsatzleistungen des chemischen Sensors über einen langen Zeitraum aufrecht erhalten werden. Da weiterhin keine spezielle Standby-Zeit notwendig ist außer der Zeit unmittelbar nach der Auffrischbehandlung, kann die Messung wiederholt üblicherweise in einem kurzen Zeitraum durchgeführt werden.
Zusätzlich können erfindungsgemäß die Leistungen der Enzymelektrode, die im trockenen Zustand über eine lange Zeitdauer aufbewahrt worden ist, schnell zu ihrer Leistung unmittelbar nach der Behandlung zurückgeführt werden. Da die Empfindlichkeit immer konstant sein kann, ist es möglich, die Messung mit guter Genauigkeit über einen langen Zeitraum durchzuführen, ohne das im Wesentlichen irgendeine Kalibrierung durchgeführt werden muss. Es ist ebenso möglich, die Messung wiederholt in einem kurzen Zeitraum, verglichen mit dem Stand der Technik, durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Messen einer Konzentration einer speziellen Substanz, die in einer Messprobe enthalten ist, unter Verwendung eines chemischen Sensors mit mindestens einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, bei der das Verfahren als Messverfahren entsprechend einem derartigen Ablauf ausgelegt ist, dass der chemische Sensor in einer Pufferlösung einer vorbestimmten Zusammensetzung, die als Speicherlösung eingesetzt wird, während eines Standby-Betriebs eingetaucht wird, eine vorbestimmte Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, während der chemische Sensor in der Pufferlösung ist, angelegt wird und der chemische Sensor in die Messprobe anstelle der Pufferlösung eingetaucht wird und die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegte Messspannung verwendet wird, um die Konzentration der speziellen Substanz, die in der Messprobe enthalten ist, bezogen auf eine Veränderung der Stromstärke, die durch eine elektro-chemische Reaktion während der Messung erzeugt wird, zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass man für den Ersteinsatz den im trockenen Zustand gehaltenen chemischen Sensor in die Pufferlösung eintaucht, um die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode mit der Pufferlösung in Kontakt zu bringen, in einem ersten Einsatzbehandlungsschritt eine erste Einsatzbehandlungsspannung mit dem gleichen Vorzeichen wie die Messspannung anlegt, die jedoch einen größeren absoluten Wert als die Messungsspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode aufweist, wobei der chemische Sensor in der Pufferlösung für eine vorbestimmte erste Einsatzbehandlungszeit bleibt, bei einem zweiten Einsatzbehandlungsschritt die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anzulegende Spannung zu einer zweiten Einsatzbehandlungsspannung verändert, die derjenigen der Messspannung gleich ist, nachdem der erste Einsatzbehandlungsschritt beendet ist, wobei der chemische Sensor in die Pufferlösung eingetaucht ist und im Standby-Betrieb gehalten wird, und man nach Beendigung des zweiten Einsatzbehandlungsschritts den chemischen Sensor für die erstmalige Verwendung zur Messung der Messprobe einsetzt.
Verfahren nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des ersten Einsatzbehandlungsschritts in dem zweiten Einsatzbehandlungsschritt der chemische Sensor im Standby-Betrieb für eine vorbestimmte zweite Einsatzbehandlungszeit gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Sensor ein chemischer Sensor ist, der drei Elektroden aufweist, wobei die drei Elektroden die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Bezugselektrode sind, die Bezugselektrode aus einem Material gebildet ist, das eine vorbestimmte chemische Potentialdifferenz zur Arbeitselektrode aufweist, wenn sie mit der Pufferlösung in Kontakt gebracht wird, die Bezugselektrode als Bezug verwendet wird, wobei die Spannung für die Arbeitselektrode derart gesetzt wird, dass eine gewünschte Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt wird, und das Anlegen der Messspannung, der ersten Einsatzbehandlungsspannung bzw. der zweiten Einsatzbehandlungsspannung derart gewählt wird, dass die Differenz zwischen den Spannungen der Bezugselektrode und der Arbeitselektrode in der Pufferlösung die Spannungsdifferenz zur Messspannung, zur ersten Einsatzbehandlungsspannung und zur zweiten Einsatzbehandlungsspannung darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und eine Platinelektrode als Arbeitselektrode und als Gegenelektrode eingesetzt werden und die Messspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode während der Messung angelegt wird, eine angelegte Spannung ist, die durch die Spannung der Arbeitselektrode, gewählt in einem Bereich von 400 bis 700 mV auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode erhalten wird, die als Bezugselektrode in der Pufferlösung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Einsatzbehandlungsschritt eine angelegte Spannung, bei der eine Elektrolysereaktion von Wasser an der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode in der Pufferlösung einsetzt, als ein oberer Grenzwert der angelegten Spannung definiert wird und die Messspannung als ein unterer Grenzwert der angelegten Spannung auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode, die als Bezugselektrode verwendet wird, definiert wird und bei Verwendung einer oberen/unteren Grenzspannungsdifferenz, die durch eine Differenz zwischen den oberen und unteren Grenzwerten der angelegten Spannungen definiert wird, die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegt wird, in einem Bereich der angelegten Spannung gewählt wird, die größer ist als die Messspannung um 10% oder mehr gegenüber der oberen/unteren Grenzspannungsdifferenz und die kleiner ist als der obere Grenzwert der angelegten Spannung und zwar mindestens 200 mV oder mehr.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz einer Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und einer Platinelektrode als Arbeitselektrode und Gegenelektrode in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode angelegt wird, in einem Bereich der angelegten Spannung gewählt wird, die größer ist als die Messspannung um mindestens 100 mV oder mehr und die 900 mV nicht überschreitet auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode, die als Bezugselektrode in der Pufferlösung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und einer Platinelektrode als Arbeitselektrode und Gegenelektrode in dem ersten Einsatzbehandlungsschritt die erste Einsatzbehandlungsspannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode eingelegt wird, in einem Bereich von mindestens 750 mV bis 900 mV auf der Bezugsbasis der Silber/Silberchlorid-Elektrode, die als Bezugselektrode in der Pufferlösung eingesetzt wird, und die erste Einsatzbehandlungszeit in einem Bereich von vier Stunden oder weniger, jedoch nicht weniger als eine Stunde gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einsatzbehandlungszeit nicht weniger als eine Stunde beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einsatzbehandlungszeit und die zweite Einsatzbehandlungszeit insgesamt aus einem Bereich von 6 Stunden oder weniger gewählt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Sensor ein amperometrischer chemischer Sensor ist, der drei Elektroden aufweist, wobei die drei Elektroden die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Bezugselektrode sind, wobei die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Bezugselektrode insgesamt auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind und eine Enzymelektrode, die mindestens eine immobilisierte Enzymfilmschicht aufweist, die auf der Oberfläche der Arbeitselektrode angeordnet ist, für die Stromermittlung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei man ferner zu jedem Zeitpunkt nach fortgesetztem Einsatz des chemischen Sensors für einen vorbestimmten Zeitraum in einem Zustand, in dem der chemische Sensor im Standby-Betrieb in die Pufferlösung eingetaucht ist, wobei die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode mit der Pufferlösung in Kontakt stehen, in einem ersten Auffrischungsbehandlungsschritt eine erste Auffrischungsbehandlungsspannung mit dem gleichen Vorzeichen wie die Messspannung, die jedoch einen größeren absoluten Wert als die Messspannung aufweist, zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anlegt, und den chemischen Sensor in der Pufferlösung für eine vorbestimmte erste Auffrischungsbehandlungszeit hält, bei einem Standby-Auffrischungsbehandlungsschritt die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode angelegte Spannung zu einer zweiten Auffrischungsbehandlungsspannung verändert, die derjenigen der Messspannung gleich ist, nachdem der erste Auffrischungsbehandlungsschritt beendet ist, wobei der chemische Sensor in die Pufferlösung eingetaucht ist, und im Standby-Betrieb für eine zweite Auffrischungsbehandlungszeit gehalten wird, und man nach Beendigung des Standby-Auffrischungsbehandlungsschrittes den chemischen Sensor für die Verwendung zur Messung der Messprobe erneut einsetzt.
Einen chemischen Sensor aufweisende Messvorrichtung, mit der eine Messung mit dem Messverfahren unter Verwendung eines chemischen Sensors gemäß Anspruch 2 durchführbar ist, aufweisend einen chemischen Sensor, der mindestens eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist; eine Signaldetektionsschaltung einschließlich mindestens eines Mittels zum Anlegen einer Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode und eines Mittels zum Detektieren eines Signals, das durch den chemischen Sensor gemessen wird; und eine Anzeigeeinrichtung, aufweisend ein System zum Anlegen einer ersten Einsatzbehandlungsspannung, die das gleiche Vorzeichen wie diejenige der Messspannung aufweist und einen Absolutwert besitzt, der größer ist als derjenige der Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, für einen vorbestimmten ersten Einsatzbehandlungszeitraum in einem Zustand, wobei der im trockenen Zustand gehaltene chemische Sensor in eine Pufferlösung eingetaucht wird, um die Oberflächen der Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode mit der Pufferlösung zum Zeitpunkt des Ersteinsatzes des chemischen Sensors in Berührung zu bringen; ein System zum Verändern der Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anzulegen ist, auf eine zweite Einsatzbehandlungsspannung, die der Messspannung gleicht, wobei die zweite Einsatzbehandlungsspannung für eine zweite Einsatzbehandlungsspannungszeit angelegt wird, während der chemische Sensor kontinuierlich in die Pufferlösung eingetaucht ist; und ein System zum Anzeigen, dass der chemische Sensor zum Messeinsatz am Ende dieser zweischrittigen Einsatzbehandlungsoperation einsetzbar ist, wobei die Abläufe und Bedingungen des ersten Einsatzbehandlungsschrittes und des zweiten Einsatzbehandlungsschrittes in einer Software der Vorrichtung gespeichert sind, um automatisch die Serie von Einsatzbehandlungsoperationen gemäß dem in Anspruch 2 beanspruchten Messverfahren durchführen zu können.
Einen chemischen Sensor aufweisende Messvorrichtung, mit der eine Messung mit dem Messverfahren unter Verwendung eines chemischen Sensors gemäß Anspruch 11 durchführbar ist, aufweisend einen chemischen Sensor, der mindestens eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist; eine Signaldetektionsschaltung einschließlich mindestens eines Mittels zum Anlegen einer Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode und eines Mittels zum Detektieren eines Signal, das durch den chemischen Sensor gemessen wird; und eine Anzeigeeinrichtung, aufweisend ein System zum Anlegen einer ersten Auffrischungsbehandlungsspannung, die das gleiche Vorzeichen wie diejenige der Messspannung aufweist und einen Absolutwert besitzt, der größer ist als derjenige der Messspannung zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode, für einen vorbestimmten ersten Auffrischungsbehandlungszeitraum in einem Zustand, in dem der chemische Sensor im Standby-Betrieb in eine Pufferlösung eingetaucht wird und die Oberflächen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode mit der Pufferlösung für jeden Einsatz des chemischen Sensors in Berührung stehen, ein System zum Verändern der Spannung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anlegt ist, zu einer zweiten Auffrischungsbehandlungsspannung, die der Messspannung gleicht, wobei die zweite Auffrischungsbehandlungsspannung für eine zweite Auffrischungsbehandlungszeit angelegt wird, während der chemische Sensor kontinuierlich in die Pufferlösung eingetaucht wird; und ein System zum Anzeigen, dass der chemische Sensor erneut zum Messeinsatz am Ende dieser zweischrittigen Auffrischungsbehandlungsoperation einsetzbar ist, wobei die Abläufe und Bedingungen des ersten Auffrischungsbehandlungsschrittes und des Standby-Auffrischungsbehandlungsschrittes in einer Software der Vorrichtung gespeichert sind, um automatisch die Auffrischungsbehandlungsoperation gemäß dem in Anspruch 11 beanspruchten Messverfahren durchführen zu können.