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Die
Erfindung betrifft eine Referenzelektrode für elektrochemische
Messungen für den Einsatz im Umfeld von biologischem Material.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen
einer solchen Referenzelektrode.
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Referenzelektroden
werden auch als Bezugselektroden bezeichnet. Sie werden insbesondere
bei elektrochemischen Messungen verwendet, um beispielsweise bei
voltammetrischen Messungen einen Bezug für eine weitere
Elektrode, der Messelektrode, zu bieten.
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Eine
Referenzelektrode soll in einem Medium ein im Wesentlichen konstantes
Gleichgewichtspotential auch über lange Zeitdauern aufweisen
und sich schnell und reproduzierbar auf ein Potential einstellen.
Bei einer Änderung der chemischen Eigenschaften des Mediums
soll eine Potentialeinstellung ebenfalls schnell und reproduzierbar
erfolgen, um dynamische Messungen zu erlauben. Die Austauschstromdichte
an der Oberfläche der Referenzelektrode soll Material bedingten
Schwankungen möglichst nicht unterliegen. Eine Referenzelektrode und
eine Messelektrode werden oft zusammen in demselben Messmedium angeordnet
und betrieben.
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Als
Referenzelektroden sind bereits Wasserstoffelektroden bekannt, die
als Referenzelektroden erster Art bezeichnet werden. Sie werden
jedoch aufgrund ihres aufwändigen Aufbaus und der komplizierten
Handhabung und Instandhaltung selten verwendet. Stattdessen kommen
in der Praxis meist so genannte Referenzelektroden zweiter Art zum
Einsatz. Diese sind etwas einfacher aufgebaut als Wasserstoffelektroden
und besitzen dabei eine relativ schnelle und reproduzierbare Einstellbarkeit
des Gleichgewichtspotentials. Referenzelektroden zweiter Art sind
Metallionenelektroden, bei denen sich Metallionen in einer Lösung
im Gleichgewicht mit einem Salz des Metalls befinden, das vorzugsweise schwer
löslich ist. Daneben enthält die Lösung
das Anion des schwer löslichen Salzes. Die Konzentration
der Anionen sowie die Löslichkeit des Salzes des Metalls
bestimmen die Konzentration der Metallionen, welche eine Messung
ermöglicht. Das Elektrodenpotential ist damit von der Anionenkonzentration der
Lösung abhängig.
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Als
Referenzelektroden kommen am häufigsten Silber-Silberchlorid
(Ag/AgCl/Cl–)-Elektroden zum Einsatz.
Referenzelektroden erster und auch zweiter Art sind aus mehreren
Komponenten aufgebaut und enthalten sowohl feste als auch flüssige
Materialien. Eine Lösung dieser Referenzelektroden kann
außerdem neben gelös ten Salzen auch Metallionen
enthalten und muss von dem Messmedium, in welches die Referenzelektrode
eingetaucht werden sollen, getrennt sein, damit die Metallionen
nicht in das Medium gelangen. Ein Ionenaustausch muss dabei aber
trotzdem möglich sein, so dass speziell angepasste Diaphragmen
zwischen der Lösung der Referenzelektrode und dem Messmedium
eingefügt werden müssen. Derartige Diaphragmen
können empfindlich gegen Trockenstress sein und besitzen aufgrund
von Verschmutzungserscheinungen nur eine beschränkte Lebensdauer.
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1 zeigt
eine Skizze einer herkömmlichen Referenzelektrode 1 zweiten
Typs, welche für eine elektrochemische Messung verwendet
werden kann. Ein Stück Silberdraht 2 weist eine äußere
Schicht aus Silberchlorid 3 auf. Das Silberchlorid 3 wird
so in eine dreimolare Kaliumchloridlösung 4 eingetaucht,
dass der reine Silberdraht 2 nicht mit der Lösung
in Berührung kommt. Die Kaliumchloridlösung 4 ist
von einem undurchlässigen Behälter 5 eingeschlossen,
in welchem ein Diaphragma 6 zum Austausch von Ionen zwischen
der Referenzelektrode 1 und einer Umgebung möglich
ist. Diese Figur zeigt, wie aufwändig eine herkömmliche
Referenzelektrode aufgebaut ist und lässt erkennen, wie
schwierig deren Miniaturisierung bzw. Planarisierung sind.
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Die
Ionenkonzentration der Lösung herkömmlicher Referenzelektroden
muss stets konstant gehalten werden und die Referenzelektroden sollen vor
jedem Einsatz kalibriert werden, so dass nicht nur die Handhabung,
sondern auch die Instandhaltung aufwändig ist.
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Bei
elektrochemischen Messungen mit herkömmlichen Referenzelektroden,
welche im Umfeld von biologischem Material eingesetzt werden sollen, können
Metalle, Metallionen oder Salze von Metallen in das Messmedium gelangen
bzw. mit einem zu untersuchenden biologischen Material in Verbindung kommen.
Dabei sind die meisten Metallionen und Salze von Metallen, vor allem
in gelöster Form, zytotoxisch, also giftig. Insbesondere
bei einer Beschädigung einer derartigen Referenzelektrode
können so größere Mengen toxischer Stoffe
in das Messmedium gelangen. Das biologische Material im Medium wird
so kontaminiert und kann sogar vollständig absterben. Außerdem
bleibt es toxisch und kann sich auf weitere biologische Umfelder
toxisch auswirken. Ferner kann sich ein Austritt von Lösungen
erheblich auf den pH-Wert und Stoffkonzentrationen im Messmedium
auswirken.
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Um
den Einsatz von Referenzelektroden im Umfeld von biologischem Material
zu erlauben, werden beispielsweise Silber-Silberchlorid-Elektroden aufwändig
passi viert, um zu verhindern, dass zytotoxisches Material das biologische
Material gefährdet. Eine derartige Passivierung ist aus M.
Brischwein et al., „Electric Cell-Substrate Impedance Sensing
with Screen Printed Electrode Structures" (Lab an a Chip 6, 819–822,
2006) bekannt.
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Da
viele Messungen im Umfeld von biologischem Material beispielsweise
der Beobachtung der Stoffwechselaktivität von lebenden
Zellen dienen, sind miniaturisierte Referenzelektroden wünschenswert.
Herkömmliche Referenzelektroden, die Metallionen, Lösungen
und Salze des Metalls aufweisen, konnten dabei bisher kaum sicherer
oder einfacher zu handhaben gemacht und nur sehr begrenzt miniaturisiert
werden. In U. Guth et al. „pH Monitoring: a review"
(Journal of Solid State Electrochemistry 10, 746–752, 2006) werden
derartige Problematiken anschaulich dargelegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Referenzelektrode für
elektrochemische Messungen anzugeben, welche biokompatibel und darüber
hinaus gut miniaturisierbar ist. Außerdem soll sie einfach
zu handhaben und instandzuhalten sein.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch eine Referenzelektrode gemäß Anspruch
1 gelöst. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe
ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
Referenzelektrode für elektrochemische Messungen im Umfeld
von biologischem Material besteht aus einem biokompatiblen Material.
Die Referenzelektrode weist dabei weder zytotoxische Metallionen,
noch giftige Salze von Metallen oder Lösungen mit zytotoxischen
Elementen auf, sondern besteht lediglich aus einem Material, welches
biokompatibel, also nicht zytotoxisch ist. Dadurch kann die Referenzelektrode
im Umfeld von biologischem Material eingesetzt werden, ohne dass
das biologische Material durch die Referenzelektrode geschädigt
wird. Die Referenzelektrode kann beispielsweise in einem Medium
mit einer Zellsuspension, innerhalb einer Zellkultur oder einem
Zellrasen sowie in oder an lebendem biologischem Gewebe angeordnet
und verwendet werden.
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Außerdem
ist eine Verwendung der Referenzelektrode in solchen Medien möglich,
welche zwar in einem Zeitraum einer Messung nicht direkt mit biologischem
Material in Kontakt kommen, jedoch im Nachgang einer derartigen
Messung, also nach einem Kontakt der Referenzelektrode mit dem Medium,
mit biologischem Material in Kontakt kommen kann. Dieser Fall kann
als indirekter Einsatz in biologischem Umfeld bezeichnet werden
und ist durch die Verwendung der Referenzelektrode ohne giftige
Materialien möglich.
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Mit
Hilfe der Referenzelektrode können beispielsweise voltammetrische
Messungen, d. h. potentiometrische oder amperometrische Messungen durchgeführt
werden. Bei einer potentiometrischen Messung wird das elektrische
Potential zwischen der Referenzelektrode und einer weiteren Elektrode,
die als Messelektrode dient, ermittelt. Dabei kann die Referenzelektrode
in dem Medium angeordnet werden, in welchem die Messung erfolgen
soll und dessen Parameter bestimmt werden sollen. Wenn die Messelektrode
ebenfalls biokompatibel ist, kann sie auch in dem Medium angeordnet
werden. Mit einer potentiometrischen Messung kann beispielsweise
der pH-Wert in dem Medium bzw. der Probe ermittelt werden. Das gemessene
Potential zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode entspricht der
Aktivität der Oxoniumionen und ist somit aussagekräftig
für den pH-Wert in dem Messmedium. Bei einer amperometrischen
Messung, beispielsweise zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration,
kann zwischen der Referenzelektrode und einer Messelektrode eine
konstante Spannung angelegt und ein Stromfluss gemessen werden.
Die Höhe des Stromes zwischen der Referenzelektrode und
der Messelektrode erlaubt einen Rückschuss auf die Sauerstoffkonzentration
im Medium. Dabei ist die Referenzelektrode stets das Bezugssystem
der für die Messung und es ist nicht notwendig, eine Hilfselektrode
als zusätzliche Elektrode für das Bezugssystem zu
verwenden.
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Aufgrund
der Einfachheit des Aufbaus der Referenzelektrode, die nur aus einem
biokompatiblen Material besteht, ist eine Miniaturisierung möglich.
Es müssen keine Flüssigkeiten oder Salze eingeschlossen
werden und die Anzahl der Bauteile ist gegenüber herkömmlichen
Referenzelektroden stark reduziert. Darüber hinaus muss
aufgrund der Biokompatibilität des Referenzelektrodenmaterials
keine aufwändige und teure Passivierung der Referenzelektrode
erfolgen, wodurch Produktionszeit und Herstellungskosten gespart
werden und die Handhabung und Instandhaltung der Referenzelektrode
wesentlich erleichtert werden. Zudem ist die aus einem biokompatiblen
Material bestehende Referenzelektrode sicher in ihrer Verwendung,
da sie sehr robust ist und keine giftigen Lösungen oder
andere Materialien bei einer Beschädigung der Referenzelektrode
in ein Messmedium gelangen können.
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Die
Referenzelektrode ist einfach aufgebaut und besteht nur aus einem
biokompatiblen Material. Dadurch muss sie nicht aufwändig
instandgehalten werden, da sie nicht empfindlich gegenüber
Trockenstress ist und keine Lösungen aufweist, welche einer diffusions-
oder temperaturbedingten Konzentrationsänderung unterliegen
können.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist das biokompatible Material der Referenzelektrode
ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung. Da das Edelmetall
oder die Edelmetalllegierung biokompatibel, also nicht zytotoxisch
ist, weist es beispielsweise kein Quecksilber oder Silber auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist das biokompatible Material,
aus welchem die Referenzelektrode besteht, eines der Edelmetalle
Platin, Gold, Palladium, Rhodium, Rhenium, Ruthenium, Osmium oder
Iridium oder ein anderes Edelmetall. Da die Referenzelektrode somit
beispielsweise lediglich aus Platin bestehen kann, ist sie als sehr
dünner Platinfilm herstellbar. Dies erlaubt eine signifikant
flachere Bauform als beispielsweise eine Silber-Silberchloridelektrode,
welche trotz Salz, Lösung und Passivierung flach hergestellt
werden soll.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform besteht die Referenzelektrode
aus platiniertem Platin. Dazu kann ein Stück Platin platiniert
werden, wodurch eine vergrößerte Oberfläche
und eine erhöhte Austauschstromdichte der Referenzelektrode
erreicht werden. Da die Referenzelektrode aus nur einem Material,
nämlich dem biokompatiblen Edelmetall Platin besteht, kann
sie nach Bedarf weiter platiniert werden, falls eine weiter vergrößerte
Oberfläche bzw. Austauschstromdichte der Referenzelektrode erreicht
werden soll.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist die Referenzelektrode auf
einem Substrat ausgebildet. Dabei kann das Substrat beispielsweise
aus Silizium, Glas oder Kunststoff bestehen. Das Substrat kann als
Träger sowohl für die Referenzelektrode, als auch
für weitere elektronische oder mechanische Bauelemente,
wie beispielsweise für eine Messelektrode, und zusätzlich
dazu auch als Träger für eine Probe dienen. Die
Probe kann ein flüssiges Medium, beispielsweise mit einer
Zellsuspension sein, in welchem eine Messung mithilfe der Referenzelektrode durchgeführt
werden soll. Somit ist das Medium direkt auf der Referenzelektrode
anordenbar, so dass ein physikalischer sowie ein elektrischer Kontakt
zwischen Referenzelektrode und Medium gewährleistet sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist die Referenzelektrode planar
auf dem Substrat ausgebildet. Somit ist beispielsweise ein Zellrasen
auf dem Substrat und der Referenzelektrode aufwachsbar, wobei das
Zellwachstum und die Homogenität des Zellrasens nicht durch
eine unebene Elektrode beeinträchtigt sind. Die Planarität
der Referenzelektrode erlaubt ein ungestörtes Wachstum
der Zellkultur und erleichtert darüber hinaus auch eine
Reinigung des Substrats mit der Referenzelektrode, da die Referenzelektrode
nur eine sichtbare Oberfläche aufweist. Damit ist eine
derartige Referenzelektrode wesentlich einfacher zu simulieren,
da lediglich ein zweidimensionales Modell erstellt werden muss.
Zudem werden unregelmäßige Strömungen
an den Rändern der Referenzelektrode vermieden, welche
regelmäßig zu Beeinträchtigungen von
Messungen in flüssigen Medien führen können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist die Referenzelektrode auf
dem Substrat aufgedampft, aufgesputtert, abgeschieden oder in das Substrat
eindiffundiert. Beispielsweise kann eine biokompatible Referenzelektrode
durch das Sputtern von Platin auf ein Substrat hergestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist die Referenzelektrode in einem
Medium anordenbar, welches biologisches Material enthält.
Selbst wenn die Referenzelektrode nicht planar auf einem Substrat
ausgebildet ist, kann sie stets in einem biologischen Material angeordnet
werden, beispielsweise indem sie einfach in das Medium eingetaucht
wird. Insbesondere durch die Verwendung lediglich eines Materials
als Referenzelektrodenmaterial ist eine Miniaturisierung der Referenzelektrode
einfach durchführbar. Es ist also beispielsweise möglich,
einen sehr dünnen Draht aus Platin als Referenzelektrode in
eine Probe von wenigen Mikrolitern bzw. Kubikmillimetern Probenvolumen
einzubringen.
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Ein
Sensorchip für elektrochemische Messungen im Umfeld von
biologischem Material kann eine der oben beschriebenen Referenzelektroden aufweisen.
Vorzugsweise besteht die Oberfläche des Sensorchips wie
die Referenzelektrode aus biokompatiblem Material, so dass Zellkulturen
auf dem Sensorchip aufwachsbar sind, oder der Sensorchip in ein Messmedium
getaucht werden kann, in welchem elektrochemische Messungen durchgeführt
werden sollen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode für den
Einsatz im Umfeld von biologischem Material weist mehrere Schritte
auf. Ein biokompatibles Edelmetall wird auf einem Substrat angebracht.
Außerdem wird das biokompatible Edelmetall mit einer Kontaktierung
kontaktiert. Auf diese Weise ist eine elektrische Verbindung der
Referenzelektrode mit einer weiteren Einheit, welche mit der Kontaktierung
kontaktiert wird, möglich. Dadurch kann beispielsweise
ein absolutes Potential an der Referenzelektrode oder ein Potential
gegenüber einer Messelektrode bestimmt werden.
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Gemäß einem
weiteren Verfahren wird das biokompatible Edelmetall durch Aufsputtern,
Aufdampfen oder Abscheiden auf dem Substrat angebracht. Als biokompatibles
Edelmetall kann dabei beispielsweise Platin auf dem Substrat angebracht werden.
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Das
biokompatible Edelmetall kann planar auf dem Substrat angebracht
werden.
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Das
biokompatible Edelmetall kann auf einem Sensorchip angebracht werden,
um eine biokompatible Referenzelektrode auf dem Sensorchip bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird
ein biokompatibles Edelmetall als alleiniges Material für
eine Referenzelektrode für den Einsatz im Umfeld von biologischem Material
verwendet.
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend
anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
in skizzierter Form dargestellte Referenzelektrode gemäß dem
Stand der Technik;
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2 eine
in skizzierter Form dargestellte Referenzelektrode gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung; und
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3 einen
in skizzierter Form dargestellten Sensorchip gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt
eine Skizze mit einer Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Referenzelektrode 7, welche mit einer Kontaktierung 8 kontaktiert
ist. Die Referenzelektrode 7 besteht aus einem Material, welches
biokompatibel, also ungiftig ist. In dieser Darstellung besteht
die Referenzelektrode 7 aus einem biokompatiblen Edelmetall
und weist keine weiteren Elemente oder Bauteile auf.
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3 zeigt
eine Skizze mit einer Draufsicht eines Sensorchips 9, der
eine Referenzelektrode 10 aufweist. Die Referenzelektrode 10 ist
planar in dem Sensorchip 9 eingefasst und wurde in dieser
Darstellung in einem der Prozessschritte zum Herstellen des Sensorchips 9 angebracht.
Eine nachträgliche Anordnung der Referenzelektrode 10 oder
einer weiteren Referenzelektrode ist jedoch auch möglich, ebenso
wie eine nachträgliche Platinierung der planaren Referenzelektrode 10.
Durch die Planarität der Referenzelektrode 10 kann
deren Herstellung auf dem Sensorchip 9 einfach in dem Herstellungsprozess
des Sensorchips 9 vorgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - M. Brischwein
et al., „Electric Cell-Substrate Impedance Sensing with
Screen Printed Electrode Structures" (Lab an a Chip 6, 819–822,
2006) [0009]
- - U. Guth et al. „pH Monitoring: a review" (Journal of
Solid State Electrochemistry 10, 746–752, 2006) [0010]