DE102017219529A1

DE102017219529A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors, elektrochemischer Sensor und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102017219529A1
Application number: DE102017219529.0A
Authority: DE
Inventors: Lay Kuan Teh; Nahong Zhao
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung offenbart, umfassend ein Messen einer ersten und einer zweiten elektrochemischen transienten Kurve; Bestimmen einer ersten Übergangszeit von einem Wendepunkt der ersten elektrochemischen transienten Kurve und einer zweiten Übergangszeit von einem Wendepunkt der zweiten elektrochemischen transienten Kurve; und Verwenden der Übergangszeiten zum Bestimmen der ionischen Konzentration. Die erste (zweite) elektrochemische transiente Kurve ist von der Transiente des Potentials abgeleitet, das während des Anlegens eines ersten (zweiten) Prüfstromimpulses gemessen wird. Die ersten und die zweiten Prüfstromimpulse sind jeweils ein Stromimpuls einer entsprechenden ersten Magnitude und der zweiten Magnitude, die sich voneinander unterscheiden. Jedem Prüfstromimpuls geht ein Vorkonditionierungsstromimpuls voran.

Description

TECHNOLOGISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung, einen elektrochemischen Sensor zum Durchführen des Verfahrens und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrochemische lonensensoren werden weitreichend in der klinischen Analyse und Umwelttestung verwendet. Derzeitige ionenselektive Elektroden(ISE)-Sensoren wenden vorwiegend eine Potentiometrie-Erfassungstechnologie an und beinhalten eine häufige Rekalibrierung zur Sicherstellung exakter und wiederholbarer Messungen. Laut Nernst-Gleichung wird eine Steilheit von 59 mV/dec (Nernst) bei Standardbedingung für einwertiges Ion von einer ISE Ansprechkurve abgeleitet, d.h. ein lineares logarithmisches Verhältnis zwischen gemessenem Potential und Probenaktivität. Somit entspricht eine bloße Verschiebung in der elektromotorischen Kraft (EMF) von etwa 2,4 mV einer 10% Änderung in der Konzentration für ein einwertiges Ion. Falls ein Gesamtfehler von nur 6% erforderlich ist, dann ist nur eine 1,5 mV Verschiebung zulässig. Daher wird eine Implementierung einer schnellen und leichten potentiometrischen lonenerfassung in Nicht-Laboranordnungen durch diese Schwellenwerte wie auch durch die Notwendigkeit einer häufigen Kalibrierung zur Herausforderung.
Demnach besteht ein Bedarf, eine Lösung für bessere elektrochemische lonenmessungen und Sensoren bereitzustellen, die leichter im Bereich von Nicht-Laboranordnungen anzuwenden ist.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Messen einer ersten und einer zweiten elektrochemischen transienten Kurve; Bestimmen einer ersten Übergangszeit von einem Wendepunkt der ersten elektrochemischen transienten Kurve und einer zweiten Übergangszeit von einem Wendepunkt der zweiten elektrochemischen transienten Kurve; und Verwenden der ersten Übergangszeit und der zweiten Übergangszeit zum Bestimmen einer ionischen Konzentration. Die erste elektrochemische transiente Kurve wird von der Transiente des Potentials abgeleitet, das während der Anwendung eines ersten Prüfstromimpulses gemessen wird. Die zweite elektrochemische transiente Kurve wird von der Transiente des Potentials abgeleitet, das während des Anlegens eines zweiten Prüfstromimpulses gemessen wird. Der erste Prüfstromimpuls ist vorzugsweise ein konstanter Stromimpuls mit einer ersten Magnitude und der zweite Prüfstromimpuls ist vorzugsweise ein konstanter Stromimpuls mit einer zweiten Magnitude. Ein Vorkonditionierungsstromimpuls geht jedem der Prüfstromimpulse voran. Somit bilden jeder Vorkonditionierungsstromimpuls und sein entsprechender Prüfstromimpuls einen Doppelimpuls.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung sein kann, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Datensatzes, der aus Datenpaaren t^+1/2, c gebildet ist, wobei der Datensatz als eine vorab erstellte Standardkurve verwendet wird; und Erhalten einer Übergangszeit A, wobei die Übergangszeit A von einem Wendepunkt einer entsprechenden elektrochemischen Transiente erhalten wird, die von einer entsprechenden Transiente aus der Potentialmessung während des Anlegens eines entsprechenden Prüfimpulses abgeleitet wird; wobei dem Prüfimpuls ein entsprechender Vorkonditionierungsimpuls vorangeht; und Bestimmen der ionischen Konzentration der Lösung durch Korrelieren zumindest einer Übergangszeit A mit der vorab erstellten Standardkurve t+1/2 gegenüber c. Jedes Datenpaar umfasst einen Wert t^+1/2 und eine definierte Konzentration c, wobei t die Übergangszeit ist. Dem Fachmann wird aus der vorliegenden Offenbarung klar, dass die vorab erstellte Standardkurve ein Datensatz t^+1/2 ist, der für verschiedene Konzentrationen bestimmt wird, z.B. durch Messen von t in Referenzlösungen mit unterschiedlichen ionischen Konzentrationen.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung sein kann, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Datensatzes, der aus Datenpaaren E, log(c) gebildet ist (wobei der Datensatz als eine vorab erstellte Standardkurve verwendet wird), und Erhalten einer Übergangszeit A, wobei die Übergangszeit A von einem Wendepunkt einer entsprechenden elektrochemischen Transiente erhalten wird, die von einer entsprechenden Transiente aus der Potentialmessung während des Anlegens eines entsprechenden Prüfimpulses abgeleitet wird, wobei dem Prüfimpuls ein entsprechender Vorkonditionierungsimpuls vorangeht, und Bestimmen der ionischen Konzentration der Lösung durch Korrelieren zumindest des elektrochemischen Potentials E, das zur Übergangszeit A gemessen wird, mit der vorab erstellten Standardkurve E gegenüber log(c); jedes Datenpaar ein Potential E und eine definierte Konzentration c umfasst. Dem Fachmann wird aus der vorliegenden Offenbarung klar, dass die vorab erstellte Standardkurve ein Datensatz E ist, der für verschiedene Konzentrationen bestimmt wird, z.B. durch Messen der Transiente und Bestimmen von E in Referenzlösungen mit verschiedenen ionischen Konzentrationen.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrochemischer Sensor zum Durchführen elektrochemischer Messungen bereitgestellt. Der Sensor umfasst: ein Substrat; zumindest einen ersten Satz aus einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode und einen zweiten Satz aus einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode, wobei die Elektrodensätze auf dem Substrat angeordnet sind.
Der Sensor umfasst vorzugsweise ferner eine Referenzelektrode. Die Elektrodensätze sind so konfiguriert, dass die Referenzelektrode für die Sätze als gemeinsame Referenzelektrode verwendet werden kann. Der Sensor ist besonders zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen einer ionischen Konzentration, wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben, geeignet. Der Sensor behebt Probleme einer langsamen Regeneration und/oder Verschlechterung einer ionenselektiven Membrane in gepulsten Messzyklen.
In einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Sensor zum Durchführen elektrochemischer Messungen umfasst und konfiguriert ist, ein Verfahren zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung durchzuführen. Die Vorrichtung ist besonders zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen einer ionischen Konzentration wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben geeignet. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum Durchführen eines Verfahrens konfiguriert, wobei der Vorkonditionierungsimpuls und sein entsprechender Prüfimpuls so konfiguriert sind, dass der Prüfimpuls in einer flachen anfänglichen Potentialtransiente resultieren kann. Die Vorrichtung ist besonders zum Verwenden des elektrochemischen Sensors zum Durchführen elektrochemischer Messungen wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben geeignet.
Ein Sensor gemäß der Erfindung ermöglicht, dass das Verfahren und auch die Vorrichtung kalibrierungsfrei arbeiten, insbesondere für Kaliumionen-selektive Membranen.
Figurenliste
In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:

1 eine grafische Darstellung 101 einer ersten 104, einer zweiten 105 und einer dritten 106 elektrochemischen transienten Kurve zeigt, jeweils in Form einer Potentialmessung 102 gegenüber Zeit 103 bei drei verschiedenen Strommagnituden der Stromimpulse gemäß der Erfindung;
2 die Ableitungen 114, 115, 116 der elektrochemischen transienten Kurven 101, 104, 105 von 1 zeigt, wobei die Wendepunkte 117, 118, 119 erkennbar sind;
3 eine grafische Darstellung 121 der Übergangszeiten 124, 125, 126, die aus den entsprechenden Wendepunkten 117, 118, 119 bestimmt sind, gegenüber der Strommagnitude 123 in Mikroampere zeigt;
4 eine schematische Darstellung des Prüfimpulses 134 und des Vorkonditionierungsimpulses 137 zeigt. Die Magnitude des Stroms 132 ist der einfacheren Erklärung wegen als absoluter Wert dargestellt.
5a bis 5b zeigen die Messungen gemäß einem Vergleichsbeispiel.
6a bis 6b zeigen die Messungen gemäß einem anderen Vergleichsbeispiel.
7a zeigt einen gemessenen Stromvorkonditionierungsimpuls und Prüfimpuls und das entsprechende gemessene Potential. 7b zeigt die ersten Millisekunden, wo der Übergang vom Vorkonditionierungsimpuls zum Prüfimpuls erkennbar ist.
8 zeigt die Verfahrensschritte und die entsprechenden Ergebnisse für das Verfahren gemäß der Erfindung, die für 5 verschiedene lonenkonzentrationen erhalten wurden.
9 zeigt einen Sensor 200 gemäß der Erfindung.
10 zeigt eine Schichtstruktur, die in der (den) Arbeitselektrode(n) eines Sensors gemäß der Erfindung enthalten ist.
11 zeigt die lineare Regression an den Ergebnissen, die gemäß einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wurden.
12 zeigt Standardkurven, die zum Bestimmen der lonenkonzentration verwendet werden.
13 zeigt Super-Nernst-Kurven, die zum Bestimmen der lonenkonzentration verwendet werden können.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung beschreibt spezielle Einzelheiten und Ausführungsformen, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen sind in ausreichender Einzelheit beschrieben, um dem Fachmann eine Ausführung der Erfindung zu ermöglichen. Andere Ausführungsformen können verwendet werden und Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die verschiedenen Ausführungsformen sind nicht unbedingt wechselseitig ausschließend, da einige Ausführungsformen mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen zur Bildung neuer Ausführungsformen kombiniert werden können.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben sind, können entsprechend bei denselben oder ähnlichen Merkmalen in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein. Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben sind, können entsprechend bei den anderen Ausführungsformen anwendbar sein, selbst wenn sie in diesen anderen Ausführungsformen nicht ausdrücklich beschrieben sind. Ferner können Hinzufügungen und/oder Kombinationen und/oder Alternativen, wie für ein Merkmal im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben, entsprechend bei demselben oder einem ähnlichen Merkmal in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein.
Der Begriff „Kurve“ bezieht sich auf den Datensatz, der für eine Bestimmung(en) und/oder Berechnung(en) erforderlich ist. Sie kann jede geeignete Darstellungsform zum Durchführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung annehmen. Die grafische Version der Kurven ist in der vorliegenden Offenbarung in Form grafischer Darstellungen dargestellt, um die Erklärung der Erfindung zu erleichtern.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff „im Grunde“ oder „im Wesentlichen“ in einem Vergleich gleich oder identisch, wobei typische geringfügige Variationen in der Produktionslinie, mit gewissen kleinen Toleranzen akzeptabel sind.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung bezieht sich ein Verweis auf einen entsprechenden Impuls auf den Impuls des Paares aus Vorkonditionierungs- und Prüfimpuls, wobei jedes Paar einen Doppelimpuls bildet. Zum Beispiel ist aus Vorkonditionierungsimpulsen und Prüfimpulsen der Vorkonditionierungsimpuls entsprechend einem Prüfimpuls der Vorkonditionierungsimpuls, der dem Prüfimpuls mit der geringsten Verzögerung zwischen zwei Impulsen vorangeht, vorzugsweise dem Prüfimpuls ohne wesentliche Verzögerung unmittelbar vorangeht, was mit anderen Worten bedeutet, dass sich die Strommagnitude von der Magnitude des Vorkonditionierungsimpulses zur Magnitude des Prüfimpulses ändert. Die Einschwingzeiten sind typischerweise viel schneller als die Dauer des Vorkonditionierungsimpulses und können als Teil der Toleranz angesehen werden.
„Abgeleitet“ bedeutet zum Beispiel, dass die entsprechende transiente Kurve aus den Daten einer verarbeiteten Messung des Potentials im Laufe der Zeit oder der unverarbeiteten Messung des Potentials im Laufe der Zeit oder einem äquivalenten Datensatz im Laufe der Zeit besteht. Vorzugsweise stellt jede der elektrochemischen transienten Kurven das gemessene elektrochemische Potential im Laufe der Zeit während des Prüfimpulses dar.
Die hier zur Veranschaulichung beschriebene Erfindung kann zweckdienlich in Abwesenheit eines Elements oder von Elementen, einer Einschränkung oder Einschränkungen ausgeführt werden, die hier nicht im Speziellen offenbart sind. Somit sind zum Beispiel die Begriffe „umfassend“, „enthaltend“, „beinhaltend“ usw. weitreichend und ohne Einschränkung zu verstehen. Das Wort „umfassen“ oder Variationen wie „umfasst“ oder „umfassend“ ist daher so zu verstehen, dass es die angegebene ganze Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen beinhaltet, aber nicht jede andere ganze Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen ausschließt. Zusätzlich werden die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke als Begriffe zur Beschreibung und nicht Einschränkung verwendet und es besteht keine Absicht bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke etwaige Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder Teile derselben auszuschließen, sondern es ist anerkannt, dass verschiedene Abänderungen im Umfang der beanspruchten Erfindung möglich sind. Somit sollte klar sein, dass, obwohl die vorliegende Erfindung im Speziellen durch beispielhafte Ausführungsformen und optionale Merkmale offenbart ist, Fachleute auf dem Gebiet auf eine Abänderung und Variation der hier offenbarten, verkörperten Erfindungen zurückgreifen können und dass solche Abänderungen und Variationen als im Umfang dieser Erfindung liegend anzusehen sind.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung wird das Symbol „-“ oder der Begriff „gegenüber“ untereinander austauschbar verwendet und bedeutet, dass es eine Beziehung zwischen der vorangehenden und folgenden Variable gibt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung kann die Einheit Mikroampere als „uA“ dargestellt werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung kann das Symbol α (Alpha) die lineare Steilheit darstellen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung ist der Begriff „Prüfimpuls“ eine abgekürzte Form und hat dieselbe Bedeutung wie „Prüfstromimpuls“. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung ist der Begriff „Vorkonditionierungsimpuls“ eine abgekürzte Form und hat dieselbe Bedeutung wie „Vorkonditionierungsstromimpuls“.
Verfahren
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Messen einer ersten und einer zweiten elektrochemischen transienten Kurve. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen der ersten Übergangszeit vom Wendepunkt der ersten elektrochemischen transienten Kurve und der zweiten Übergangszeit vom Wendepunkt der zweiten elektrochemischen transienten Kurve und Verwenden der ersten Übergangszeit und der zweiten Übergangszeit zum Bestimmen einer ionischen Konzentration. Die erste elektrochemische transiente Kurve ist von der Transiente des Potentials abgeleitet, das während des Anlegens eines ersten Prüfstromimpulses gemessen wird. Die zweite elektrochemische transiente Kurve ist von der Transiente des Potentials abgeleitet, das während des Anlegens eines zweiten Prüfstromimpulses gemessen wird. Der erste Prüfstromimpuls ist vorzugsweise ein konstanter Stromimpuls mit einer ersten Magnitude und der zweite Prüfstromimpuls ist vorzugsweise ein konstanter Stromimpuls mit einer zweiten Magnitude. Ein entsprechender Vorkonditionierungsstromimpuls geht jedem der Prüfstromimpulse voran. Somit definiert jedes Paar aus entsprechendem Vorkonditionierungsstromimpuls und Prüfimpuls einen Doppelimpuls.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner: Messen zumindest einer dritten elektrochemischen transienten Kurve und Bestimmen der Übergangszeit vom Wendepunkt der dritten elektrochemischen transienten Kurve. Die dritte elektrochemische transiente Kurve wird von der Transiente der Potentialmessung abgeleitet, die während des Anlegens eines dritten Prüfstromimpulses gemessen wurde. Der dritte Prüfstromimpuls ist vorzugsweise ein konstanter Stromimpuls mit einer dritten Magnitude. Dem dritten Prüfstromimpuls geht ein dritter Vorkonditionierungsimpuls voran, wodurch ein dritter Doppelimpuls gebildet wird. Eine weitere Übergangszeit kann auch auf dieselbe Weise gemessen werden. Die dritte oder weitere Übergangszeit wird vorzugsweise auch zum Bestimmen der lonenkonzentration verwendet. Drei Punkte stellen bereits einen guten Datensatz für die lineare Anpassung bereit. Drei oder mehr Datenpunkte können die Genauigkeit der Bestimmung der lonenkonzentration verbessern.
In verschiedenen Ausführungsformen ist (sind) der (die) Vorkonditionierungsimpuls(e) vorzugsweise konstante Stromimpulse, d.h., Stromimpulse mit konstanter Magnitude.
In einigen Ausführungsformen haben alle angelegten ersten, zweiten, dritten und weiteren Stromprüfimpulse, entsprechenden Vorkonditionierungsimpulse und entsprechenden Messungen eines elektrochemischen transienten Potentials an derselben Lösung zu erfolgen. In einigen Ausführungsformen unterscheiden sich die erste Magnitude, die zweite Magnitude und, falls bereitgestellt, die dritte und weitere Magnituden der entsprechenden Prüfimpulse voneinander. Dies ermöglicht die Bestimmung des Datensatzes (der Datensätze), der verschiedene Ströme beinhaltet, beispielsweise um eine t^-1/2 gegenüber i Kurve zu erstellen und die t^-1/2 gegenüber der i Kurve zum Bestimmen der lonenkonzentration, zum Beispiel mit der Sand-Gleichung, eines Ions derselben Lösung zu verwenden. Ein Beispiel ist in Verbindung mit 11 angegeben und weiter unten naher beschrieben, „i“ bezieht sich zum Beispiel auf die Magnitude des Prüfimpulses in absoluten Werten.
In einigen Ausführungsformen sind die erste Magnitude, die zweite Magnitude und, falls bereitgestellt, die dritte und weitere Magnituden der Prüfimpulse identisch. Dies ermöglicht die Bestimmung des Datensatzes (der Datensätze), der unterschiedliche Konzentrationen beinhaltet, aus Referenzlösungen, zum Beispiel um eine t^+1/2 gegenüber einer c Kurve zu erstellen (wobei c die Konzentration, in diesem Fall der jeweiligen Referenzlösung ist) und die t^+1/2 gegenüber der c Kurve (als eine vorab erstellte Standardkurve) und eine transiente Zeit A zur Bestimmung der lonenkonzentration der Lösung zu verwenden. Die transiente Zeit A wird auf dieselbe Weise wie die anderen transienten Zeiten gemessen, jedoch an der Lösung. Die t^+1/2 gegenüber der c Kurve, die wie hier erklärt verwendet wird, wird als vorab erstellte Standardkurve verwendet. Ein Beispiel ist in Verbindung mit 12 angegeben und in der Folge näher beschrieben.
Alternativ erlaubt die Verwendung identischer Magnituden von Prüfimpulsen mit Referenzlösungen auch die Bestimmung des Datensatzes (der Datensätze), die verschiedene Potentiale enthalten, zu der entsprechenden Transitzeit, um beispielsweise eine Potential E (zu der Transitzeit) gegenüber der log(c) Kurve für dieselbe Strommagnitude der Prüfströme zu erstellen, sogenannte Super-Nernst-Kurven, und die Super-Nernst-Kurve und ein Potential, das aus einer transienten Zeit A gemessen wurde, zum Bestimmen der lonenkonzentration der Lösung zu verwenden. Die Super-Nernst-Kurve, die wie hier erklärt verwendet wird, wird als eine vorab erstellte Standardkurve verwendet. Ein Beispiel ist in Verbindung mit 13 angegeben und in der Folge näher beschrieben.
Der Ausdruck „Referenzlösung“ oder „Referenzlösungen“ bezieht sich auf eine Lösung(en), die als Referenz verwendet wird (werden), im Gegensatz dazu bezieht sich der Begriff „Lösung“(en) ohne vorangehendes „Referenz“ auf die Lösung, die den zu messenden Analyten enthält.
Vorzugsweise sind die Referenzlösungen nur zum Bestimmen der Standardkurve für einen spezifischen Sensor notwendig. Danach werden die Referenzlösungen nicht mehr für die Messungen der lonenkonzentration benötigt.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste elektrochemische transiente Kurve von der Transiente der Potentialmessung abgeleitet werden, die an einer ersten Arbeitselektrode des Sensors gemessen wird.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite elektrochemische transiente Kurve von der Transiente der Potentialmessung abgeleitet werden, die an der ersten Arbeitselektrode oder an einer zweiten Arbeitselektrode des Sensors gemessen wird.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die dritte (oder weitere) elektrochemische transiente Kurve von der Transiente der Potentialmessung abgeleitet werden, die an der ersten, an der zweiten oder an einer dritten Arbeits- (oder weiteren) Elektrode des Sensors gemessen wird.
Eine Vornahme der Messung der transienten Kurven an derselben Arbeitselektrode erlaubt die Verwendung eines einzigen Satzes von Elektroden.
Eine Vornahme der Messung der transienten Kurven an verschiedenen Arbeitselektroden, Verwenden einer Arbeitselektrode, vorzugsweise eines Satzes von Arbeits- und Gegenelektrode, für sämtliche Messungen hat den Vorteil, dass keine Elektrodenregeneration notwendig ist und Messungen rascher erfolgen können. Diese Vielzahl von Elektroden, eine Arbeitselektrode für jede transiente Kurve, sind vorzugsweise im Grunde von identischer Konstruktion, wodurch eine direkte Verwendung der Ergebnisse möglich ist, ohne andere Elektrodendifferenzierungsfaktoren zu benötigen (wie eine andere effektive Fläche).
Jede Arbeitselektrode hat eine entsprechende Gegenelektrode, die einen Satz von Elektroden bildet. Somit enthält der ersten Elektrodensatz die erste Arbeitselektrode und die erste Gegenelektrode, der zweite Elektrodensatz enthält die zweite Arbeitselektrode und die zweite Gegenelektrode. Der dritte (oder weitere) Elektrodensatz enthält die dritte (oder weitere) Arbeitselektrode und die dritte (oder weitere) Gegenelektrode.
In verschiedenen Ausführungsformen ist bevorzugt, dass eine Referenzelektrode bereitgestellt wird, wobei in einem solchen Fall das Potential vorzugsweise gegen die Referenzelektrode gemessen wird.
In verschiedenen Ausführungsformen bedeutet Verwenden der (ersten, zweiten oder weiteren) Übergangszeit zum Bestimmen einer ionischen Konzentration, dass die Übergangszeit in einer Berechnung verwendet wird, zum Beispiel unter Verwenden der Sand-Gleichung. Oder dass die Übergangszeit zum Bestimmen des Potentials zu der Übergangszeit der Transiente der Potentialmessung verwendet wird. Das jeweilige bestimmte Potential kann dann beispielsweise in einer Berechnung unter Verwendung einer Super-Nernst-Gleichung verwendet werden. Andere Verwendungen der Übergangszeit zum Bestimmen der ionischen Konzentration können in Betracht gezogen werden.
In verschiedenen Ausführungsformen wird das Verfahren vorzugsweise zum Bestimmen einer lonenkonzentration in einer Blutprobe, vorzugsweise der Blutkaliumkonzentration verwendet.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die effektive Fläche der Elektrode konstant gehalten. „Effektiv“ bezeichnet hier die Fläche, die an der elektrochemischen Messung beteiligt ist, und schließt Flächen aus, in welchen eine oder mehrere Schichten der Elektrode vorhanden sein können aber nicht aktiv sind. Falls verschiedene effektive Elektrodenflächen für jede Messung verwendet werden, sollte jeder der Prüfstromimpulse eine andere Magnitude einer Stromdichte (i/A) anstelle einer anderen Strommagnitude haben.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jeder der Vorkonditionierungsimpulse eine Länge von etwa 1 bis etwa 10 Millisekunden, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 3 Millisekunden (einschließlich Endpunkte) aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jeder der Prüfimpulse eine Länge von etwa 11 bis etwa 20 Sekunden, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 10 Sekunden (einschließlich Endpunkte) aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist bevorzugt, dass der Prüfimpuls auf den Vorkonditionierungsimpuls ohne Unterbrechung im Anlegen des Impulses folgt. Vorzugsweise ändert sich der Strom von der Magnitude des Vorkonditionierungsimpulses zum Prüfimpuls.
Verschiedene Ausführungsformen beruhen auf einer Nicht-Gleichgewicht-Stromtechnik unter Verwendung von ISE-Sensoren, ohne eine häufige Rekalibrierung zu benötigen. Da der angelegte Strom die Magnitude und Richtung des lonenflusses in die ionenselektive Membrane ohne intrinsische lonenaustauscheigenschaften steuert, kann die gepulste Stromtechnik zum exakten Steuern des Ausmaßes der Konzentrationspolarisation nahe der Oberfläche der Membrane verwendet werden. Basierend auf der folgenden Sand-Gleichung kann bei einem elektrochemischen transienten Status eine lineare Beziehung der Quadratwurzel einer Ionenverarmungszeit (Übergangszeit) gegenüber lonenkonzentration (c) erstellt werden, wodurch die Bedingungen eines diffusionsgesteuerten Prozesses, eines schnellen Ladungstransfers und keiner offensichtlichen lonenmigration, die zum Strom beiträgt, erfüllt sind. Mit dieser linearen Beziehung kann eine unbekannte lonenkonzentration aus einer grafischen Darstellung t^1/2 gegenüber c bestimmt werden. Zum Bestimmen der ionischen Konzentration verwendet das Verfahren vorzugsweise die Sand-Gleichung: $i = \frac{n F A c}{2} \sqrt{\frac{π D_{a q}}{t}}$
wobei i der Strom ist, n die Ladung am Analytenion ist, F die Faraday-Konstante ist, c die lonenkonzentration ist, D_aq der Diffusionskoeffizient des Analytenion in der Analytenlösung z.B. in wässriger Lösung ist und t die Übergangszeit ist, die am Wendepunkt gemessene Zeit. Die Übergangszeit (t) ist die Zeit, in welcher der Strom für eine lonenverarmung angelegt wird.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Lösung eine wässrige Lösung sein und Daq ist der Diffusionskoeffizient für das Analytenion in einer wässrigen Lösung. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Falls eine andere Art von Lösungen verwendet wird, sollte der Diffusionskoeffizient für das Analytenion in der entsprechenden Lösung verwendet werden.
Einzelimpuls-Chronopotentiometrie hat den Nachteil nur einen engen Konzentrationsbereich von Ionen mit Super-Nernst-Empfindlichkeit oder gemäß der Sand-Gleichung zu zeigen. Insbesondere scheint die Chronopotentiometriereaktion von K+ Ionen auf 0,01 bis 0,07 mM bei konstantem Strom von 5 Mikroampere begrenzt zu sein, was für sämtliche praktische Anwendungen zu schmal ist.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch Verwendung eines Doppelimpulses, d.h. eines Vorkonditionierungsimpulses vor dem Prüfimpuls, der Super-Nernst-Konzentrationsbereich für die Bestimmung der lonenkonzentration erweitert werden konnte. Die Erweiterung erwies sich für einen zur Gänze massiven Sensor als besonders stark.
Die Magnitude und das Verhältnis der entsprechenden Vorkonditionierungsstromimpulse und Prüfstromimpulse sind für den Sensor und seine Struktur oder Konfiguration speziell.
Es hat sich gezeigt, dass die Magnitude der entsprechenden Vorkonditionierungsstromimpulse und Prüfstromimpulse so abgestimmt werden können, dass der Prüfstrom in einer flachen anfänglichen Potentialtransiente resultiert. Da die Eigenschaften der Impulse vom Sensor abhängig sind, kann eine Probenfolge von Messungen an identischen Proben vorgenommen werden, um die optimale Impulsmagnitude und -länge für die Vorkonditionierungs- und Prüfimpulse zu bestimmen.
Das Verhältnis der Vorkonditionierungsimpulslänge und der Prüfimpulslänge wie auch das Verhältnis der Vorkonditionierungsimpulsmagnitude und der Prüfimpulsmagnitude können variiert werden, um die optimalen Messbedingungen zu erhalten. Die Bestimmung der optimalen Impulsverhältnisse innerhalb eines Doppelimpulses kann leicht erfolgen, zum Beispiel durch Auswählen eines Prüfimpulses und Variieren der Magnitude oder der Länge des Vorkonditionierungsimpulses, bis die Transiente der Potentialmessung zu Beginn ein flaches Potential, d.h. eine flache anfängliche Potentialtransiente, hat. Ein „flaches Potential“ bedeutet auch, dass die Ableitung der Transiente des Potentials frei von störenden kinetischen Spitzen ist. Beispiele sind in 1 dargestellt und Vergleichsbeispiele sind in 5 und 6 dargestellt. Es muss festgehalten werden, dass eine zu negative Magnitude des Prüfimpulses vermieden werden sollte.
Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass ein Doppelschichtladungsprozess der Grund zum Auslösen störender Kinetik sein könnte. Der Doppelschichtladungsprozess findet zu Beginn eines Nicht-Gleichgewichtsprozesses eines galvanischen Impulses statt, wie zu Beginn eines angelegten Stroms. Es scheint, dass dieser Prozess die korrekte Potentialbeugung der lonenverarmung stört. Ferner scheint, dass die Doppelschichtkapazität zur Potentialpolarisation beiträgt, die eine andere störende Kinetik auslösen oder verstärken kann.
In einer Methode zum Bestimmen der lonenkonzentration unterscheiden sich die erste Magnitude, die zweite Magnitude und, falls vorhanden, die dritte Magnitude voneinander. Die elektrochemischen transienten Kurven stammen alle von derselben Lösung. Die lonenkonzentration wird mit der Sand-Gleichung unter Verwendung der bestimmten transienten Zeiten und entsprechender Prüfströme bestimmt. Vorzugsweise wird ein Datensatz aus Paaren von t^-1/2 gegenüber den Magnituden der Prüfströme (i) und dem Winkelkoeffizienten der linearen Regression gemeinsam mit der Strommagnitude, der Fläche (A) der Arbeitselektrode, den anderen Konstanten und vorbestimmten Variablen in der Sand-Gleichung zum Bestimmen der Konzentration c verwendet. Daher kann die lonenkonzentration unter Verwendung der Steilheit (Winkelkoeffizienten) einer Kurve, die an eine Messung von transienten Zeiten für verschiedene Prüfstrommagnituden angepasst ist, von t^-1/2 gegenüber der Prüfstrommagnitude berechnet werden. Die Steilheit kann mit Referenzdaten zum Bestimmen der Konzentration korreliert werden oder die Konzentration in der gewünschten Einheit kann mit der Sand-Gleichung berechnet werden. Referenzdaten bedeuten z.B. eine Tabelle oder Kurve bekannter Steilheit und Konzentrationsdatenpaare.
Wie ebenso oben erklärt, gibt es zumindest zwei andere weitere bevorzugte Methoden zum Bestimmen des Stroms. Jede der beiden Methoden verwendet eine vorab erstellte Standardkurve. Der Begriff „vorab erstellt“ bedeutet, dass der Datensatz (die Kurve) an Lösungen bekannter lonenkonzentration vor (somit „vorab“) Durchführung einer Messung an der Lösung bestimmt wird, für welche die lonenkonzentration bestimmt werden soll. Die Standardkurve kann vor Ort, was bedeutet, an derselben Stelle, aber vor der Bestimmung der unbekannten lonenkonzentration bestimmt werden.
In der ersten weiteren Methode wird ein Datensatz aus Datenpaaren gebildet, wobei der Datensatz als eine vorab erstellte Standardkurve verwendet wird, und wobei die Bestimmung der ionischen Konzentration der Lösung, die nicht jene einer Referenzlösung ist, durch Korrelieren zumindest einer Übergangszeit A mit der vorab erstellten Standardkurve t^+1/2 gegenüber c erfolgt. t ist die Übergangszeit und c ist die Konzentration. Die Konzentration ist die lonenkonzentration der entsprechenden Referenzlösung. Die Korrelation bedeutet ein Bestimmen der Konzentration entsprechend der Quadratwurzel der Übergangszeit A. Zum Beispiel kann ein Nähevergleich bei dem Datensatz verwendet werden. In einem anderen Beispiel können Interpolation und/oder Extrapolation verwendet werden. In noch einem weiteren Beispiel kann eine lineare Regression des Datensatzes verwendet werden. Andere mathematische Verfahren können nach Wunsch implementiert werden. Die erste Übergangszeit, die zweite Übergangszeit und optional die dritte oder weitere Übergangszeit bilden den Datensatz als Paare der t^+1/2 und einer entsprechenden Konzentration einer Referenzlösung. Die Übergangszeit A wird von einem Wendepunkt einer entsprechenden elektrochemischen Transiente A erhalten, die von einer entsprechenden Transiente aus der Potentialmessung A während des Anlegens eines entsprechenden Prüfimpulses A abgeleitet wird. Die erste Magnitude, die zweite Magnitude und optional die dritte und weitere Magnitude der Prüfimpulse sind gleich der Magnitude des Prüfimpulses A. Die Vorkonditionierungsimpulse, die dem ersten Prüfimpuls, zweiten Prüfimpuls, dem Prüfimpuls A und optional dem dritten und weiteren Prüfimpuls, falls vorhanden, entsprechen, stellen vorzugsweise dieselbe Impulslänge und Magnitude dar. Die Prüfimpulse sind vorzugsweise im Grunde alle identisch. Daher kann dieselbe elektronische Schaltung verwendet werden und die Ergebnisse sind leichter zu vergleichen. Die Vorkonditionierungsimpulse sind vorzugsweise im Grunde alle identisch, bevorzugter in Verbindung mit einem identischen Elektrodensatz. Dies hat den Vorteil, dass nur eine elektronische Schaltung mit einem Satz von Schaltungsparametern für eine spezielle Konfiguration der Elektroden notwendig ist, die zum Beispiel zwischen den Elektrodensätzen geschaltet werden kann. Die Ergebnisse sind auch von höherer Qualität, da weniger oder keine Umwandlungsfaktoren berücksichtigt werden müssen. Die vorab erstellte Standardkurve kann vorab bereitgestellt werden. Die vorab erstellte Standardkurve kann durch andere Mittel, wie hier beschrieben, berechnet oder gemessen werden, wobei jedoch das Verfahren wie hier beschrieben eine einfache Verwendung mit reproduzierbaren Ergebnissen bereitstellt. Die Standardkurve kann eine vor Ort bestimmte Standardkurve sein.
In der zweiten weiteren Methode wird ein Datensatz aus Datenpaaren gebildet, wobei der Datensatz als eine vorab erstellte Standardkurve verwendet wird, und wobei die Bestimmung der ionischen Konzentration der Lösung, die keine der Referenzlösungen ist, durch Korrelieren zumindest des elektrochemischen Potentials, das zur Übergangszeit A gemessen wird, mit der vorab erstellten Standardkurve E gegenüber log(c) erfolgt. Die Konzentration c ist die lonenkonzentration der entsprechenden Referenzlösung. Die Korrelation bedeutet ein Bestimmen des Logarithmus der Konzentration entsprechend dem Potential E der Übergangszeit A. Zum Beispiel kann eine Nahevergleich mit dem Datensatz verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann eine Interpolation und/oder Extrapolation verwendet werden. In noch einem weiteren Beispiel kann eine lineare Regression des Datensatzes verwendet werden. Andere mathematische Verfahren können nach Wunsch implementiert werden. Die elektrochemischen Potentiale, die zur ersten Übergangszeit, zweiten Übergangszeit und optional dritten oder zu weiteren Übergangszeiten gemessen werden, bilden den Datensatz als Paare des Potentials und des Logarithmus auf Dezimalbasis der entsprechenden Konzentration einer Referenzlösung. Die Übergangszeit A wird von einem Wendepunkt einer entsprechenden elektrochemischen Transiente A, die von einer entsprechenden Transiente aus der Potentialmessung A abgeleitet wird, während des Anlegens eines entsprechenden Prüfimpulses A erhalten. Die erste Magnitude, die zweite Magnitude und optional die dritte und weitere Magnitude sind gleich der Magnitude des Prüfimpulses A. Die Vorkonditionierungsimpulse, die dem ersten Prüfimpuls, dem zweiten Prüfimpuls, dem Prüfimpuls A und optional dem dritten und weiteren Prüfimpuls, falls vorhanden, entsprechen, weisen dieselbe Impulslänge und Magnitude auf. Die Vorkonditionierungsimpulse sind vorzugsweise alle identisch. Die Prüfimpulse sind vorzugsweise im Grunde alle identisch. Daher kann dieselbe elektronische Schaltung verwendet werden und die Ergebnisse sind leichter zu vergleichen. Die Vorkonditionierungsimpulse sind vorzugsweise im Grunde alle identisch, bevorzugter in Verbindung mit einem identischen Elektrodensatz. Dies hat den Vorteil, dass nur eine elektronische Schaltung mit einem Satz von Schaltungsparametern für eine spezielle Konfiguration der Elektroden erforderlich ist, die zum Beispiel zwischen den Elektrodensätzen geschaltet werden kann. Die Ergebnisse sind auch von höherer Qualität, da weniger oder keine Umwandlungsfaktoren (wie eine andere effektive Fläche) berücksichtigt werden müssen. Die vorab erstellte Standardkurve kann vorab bereitgestellt sein. Die vorab erstellte Standardkurve kann durch andere Mittel wie hier beschrieben berechnet oder gemessen werden, wobei jedoch das Verfahren wie hier beschrieben eine einfache Verwendung mit reproduzierbaren Ergebnissen bereitstellt. Die Standardkurve kann eine vor Ort bestimmte Standardkurve sein.
Sensor
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein elektrochemischer Sensor zum Durchführen elektrochemischer Messungen bereitgestellt. Der Sensor enthält: ein Substrat; zumindest einen ersten Satz aus einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode und einen zweiten Satz aus einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode, wobei die Elektrodensätze auf dem Substrat angeordnet sind. Der Sensor enthält ferner vorzugsweise eine Referenzelektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die Elektrodensätze sind derart konfiguriert, dass die Referenzelektrode für die Sätze als gemeinsame Referenzelektrode verwendet werden kann. Der Sensor ist besonders zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen einer ionischen Konzentration wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben geeignet.
Ein Vorteil, über zwei oder mehr Sätze zu verfügen, von welcher jeder aus einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode besteht, ist, dass die erste elektrochemische transiente Kurve unter Verwendung des ersten Elektrodensatzes infolge des Anlegens des ersten Prüfimpulses an den ersten Elektrodensatz bestimmt werden kann und die zweite elektrochemische transiente Kurve unter Verwendung des zweiten Elektrodensatzes infolge des Anlegens des zweiten Prüfimpulses an den zweiten Elektrodensatz bestimmt werden kann. Daher besteht keine Notwendigkeit, die ionenselektive Membrane für aufeinanderfolgende Messungen zu regenerieren und die Messungen können viel schneller sein. Eine dritte oder weitere elektrochemische transiente Kurve kann unter Verwendung eines dritten oder weiteren Elektrodensatzes, falls bereitgestellt, bestimmt werden, was die Anzahl von Punkten erhöht, die zum Bestimmen der lonenkonzentration verfügbar sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat eben sein.
In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Elektrodensätze ferner zumindest einen dritten Satz aus einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jeder der Elektrodensätze mit im Grunde derselben Geometrie bereitgestellt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jeder der Elektrodensätze mit zumindest einem der folgenden bereitgestellt sein: im Grunde denselben Materialien, im Grunde derselben Zusammensetzung und im Grunde derselben Schichtstruktur.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Elektrodensatze im Grunde in Bezug auf ein Bereitstellen im Grunde gleicher elektrochemischer Messungen identisch sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Arbeitselektroden von der Referenzelektrode gleich beabstandet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Gegenelektroden von der Referenzelektrode gleich beabstandet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Sätze radial um die Referenzelektrode angeordnet sein und vorzugsweise hat die Anordnung Rotationssymmetrie.
In verschiedenen Ausführungsformen kann (können) die Arbeitselektrode(n) eine ionenselektive Membrane umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor eine ionenselektive Membrane über der Arbeitselektrode umfassen und kann ferner eine Schicht einer Messumformerschicht zwischen der Elektrode und der ionenselektiven Membrane umfassen. Die Messumformerschicht steht vorzugsweise mit der Elektrode und der ionenselektiven Membrane in Verbindung.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Messumformerschicht ein leitendes Polymer sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Messumformerschicht eine Gelelektrolytenschicht sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird der Sensor vorzugsweise zum Bestimmen einer lonenkonzentration im Blut, vorzugsweise der Blutkaliumkonzentration, verwendet.
Vorrichtung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Sensor zum Durchführen elektrochemischer Messungen umfasst, und die konfiguriert ist, ein Verfahren zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung durchzuführen. Die Vorrichtung ist vorzugsweise konfiguriert, ein Verfahren durchzuführen, wobei der Vorkonditionierungsimpuls und sein entsprechender Prüfimpuls so konfiguriert sind, dass der Prüfimpuls zu einer flachen anfänglichen Potentialtransiente führen kann. Die Vorrichtung ist insbesondere zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen einer ionischen Konzentration wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben geeignet. Die Vorrichtung ist besonders zum Verwenden des elektrochemischen Sensors zum Durchführen elektrochemischer Messungen wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben geeignet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann einer, vorzugsweise jeder, der Vorkonditionierungsimpulse und deren entsprechende Prüfimpulse so konfiguriert sein, dass der Prüfimpuls zu einer flachen anfänglichen Potentialtransiente führen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die Vorrichtung vorzugsweise zum Bestimmen einer lonenkonzentration in einer Blutprobe, vorzugsweise der Blutkaliumkonzentration, verwendet.
Der Sensor gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in chronopotentiometrischen Messungen verwendet, bevorzugter gemäß dem in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in chronopotentiometrischen Messungen verwendet, bevorzugter gemäß dem in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren.
Folgendes bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezielle Einzelheiten und Ausführungsformen zeigen, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben sind, können entsprechend bei denselben oder ähnlichen Merkmalen in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein. Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben sind, können entsprechend bei den anderen Ausführungsformen anwendbar sein, selbst wenn sie nicht ausdrücklich in diesen anderen Ausführungsformen beschrieben sind. Ferner können Hinzufügungen und/oder Kombinationen und/oder Alternativen, wie für ein Merkmal im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben, entsprechend bei demselben oder einem ähnlichen Merkmal in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein.
In verschiedenen Ausführungsformen ist eine bevorzugte Struktur für die Arbeitselektrode des Sensors eine Silberelektrode auf einem Substrat, eine leitende Polymer-Messumformerschicht über der Silberelektrode und eine ionenempfindliche Membrane über der Messumformerschicht. Falls die Messumformerschicht ein Gelelektrolyt ist, ist bevorzugt, eine Ag/AgCI Arbeitselektrode zu verwenden. Für die vorliegenden Beispiele ist die verwendete Struktur („die ISE-Vorrichtung“) unten beschrieben.
Eine Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonat(PEDOT:PSS)-Schicht wurde als die Messumformerschicht verwendet (Dicke 1 bis 50 Mikrometer). Die Zusammensetzung der ionenselektiven Membrane war: K⁺ ISE-Membrane (Dicke 5-50 Mikrometer) und mit Matrixkomponenten 33% PVC + 67% Dioctylsebacat (DOS) Weichmacher, enthaltend 1-5% Valinomycin, 1-2% KTCIPB und 1-5% Tetrakis(4-chlorphenyl)borat-Tetradodecylammoniumsalz (ETH500 Salz).
Anstelle der PEDOT:PSS-Schicht könnte ein Gelelektrolyt verwendet werden, beispielsweise eine 1 bis 50 Mikrometer Hydrogel + 1M KCl Lösung. Alle festen Schichten können in Tropfen gegossen werden. Beispielsweise können die Messumformerschicht oder der Gelelektrolyt (mit einer Dicke von 1 bis 50 Mikrometer) und die K+ ionenselektive Membrane (mit einer Dicke von 5 Mikrometer bis 50 Mikrometer) in Serie auf die Oberseite der Ag oder Ag/AgCI Arbeitselektrode in Tropfen gegossen oder siebgedruckt werden. Ein Standardtestvehikel eines siebgedruckten Elektrodenstreifens von Dropsens wird hier für die beispielhaften Messungen mit den folgenden Spezifikationen verwendet: Durchmesser der Arbeitselektrode ist 1,6 mm; Silber-Pseudo-Referenzelektrode und Kohlenstoff-Gegenelektrode werden aufgebracht. Das Hydrogel im Gelelektrolyten kann eines aus der Gruppe sein, enthaltend Polyhydroxyethylmethacrylatgelatine, Agarose, Poly(acrylamid), Poly(vinylpyrrolidon), Poly(hydroxyethylmethacrylat), Poly(hydroxyethylacrylat), Poly(acrylsäure) oder eine Kombination davon.
1 zeigt eine grafische Darstellung 101 der ersten 104, einer zweiten 105 und einer dritten 106 elektrochemischen transienten Kurve, jede in der Form einer Potentialmessung 102 gegenüber Zeit 103 bei drei verschiedenen Prüfstrommagnituden gemäß der Erfindung.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine erste elektrochemische transiente Kurve 104 von der Transiente der Potentialmessung 104 eines ersten Satzes von Arbeits- und Gegenelektroden des Sensors während des Anlegens eines ersten Prüfstromimpulses abgeleitet. Eine erste elektrochemische transiente Kurve 105 wird von der Transiente der Potentialmessung 105 des ersten Satzes von Arbeits- und Gegenelektroden des Sensors, während des Anlegens eines zweiten Prüfstromimpulses abgeleitet. Eine dritte elektrochemische transiente Kurve 106 wird von der Transiente der Potentialmessung 106 des ersten Satzes von Arbeits- und Gegenelektroden des Sensors während des Anlegens eines dritten Prüfstromimpulses abgeleitet. In verschiedenen Ausführungsformen können zwei, drei oder mehr elektrochemische Transienten verwendet werden.
Die elektrochemische transiente Kurve kann die Kurve sein, die die Transiente des Potentials selbst darstellt, wie beispielhaft in 1 in einer grafischen Darstellung des Potentials E 102 in V gegenüber der Zeit 103 in Sekunden gezeigt.
Wenn jedem Prüfimpuls ein entsprechender Vorkonditionierungsimpuls gemäß der Erfindung vorangeht, sind die gemessenen Transienten im Grunde frei von störender Kinetik. Dies ist in der grafischen Darstellung 111 von 2 erkennbar, die die Zeitableitung dE/dt 112 gegenüber Zeit 113 in Sekunden zeigt. Die Ableitungen 114, 115, 116 sind den elektrochemischen transienten Kurven 101, 104, 105 von 1 entnommen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Bestimmen der ersten Übergangszeit vom Wendepunkt 117 der ersten elektrochemischen transienten Kurve 104 und der zweiten Übergangszeit vom Wendepunkt 118 der zweiten elektrochemischen transienten Kurve 105 enthalten. Und eine dritte oder weitere Übergangszeit von einem dritten 119 oder weiteren Wendepunkt kann zur Verbesserung der Genauigkeit des Verfahren genutzt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen können die bestimmten Übergangszeiten zum Bestimmen der ionischen Konzentration der Lösung verwendet werden. Zum Beispiel zeigt 3 die grafische Darstellung des Kehrwerts der Quadratwurzel der Übergangszeiten (vertikale Skala 122 ist in Sekunden^-1/2) gegenüber der Strommagnitude des entsprechenden Prüfimpulses.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkelkoeffizient einer linearen Anpassung zum Bestimmen der lonenkonzentration verwendet werden, vorzugsweise mit der Sand-Gleichung. Ein Beispiel einer linearen Anpassung 127 ist in 3 dargestellt.
In den Beispielen von 1, 2 und 3 hatte jeder Vorkonditionierungsimpuls eine Magnitude von 6 Mikroampere und eine Zeit (Impulslänge) von etwa 1 bis etwa 10 Millisekunden, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 3 Millisekunden (einschließlich Endpunkte). Die erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration, wie oben beschrieben, wurde in eine 3,5 mM KCL + 140 mM NaCl Lösung eingetaucht. Die Magnitude der Prüfimpulse war 1 Mikrosekunde, 1,5 Mikrosekunden und 2 Mikrosekunden für den ersten, zweiten bzw. dritten Prüfimpuls. Die Prüfpulslänge war zwischen 3 und 5 Sekunden. Unter Bezugnahme nun auf 2 können die Wendepunkte 117, 118, 119 klar identifiziert werden und die entsprechenden transienten Zeiten (die Zeit bei der horizontalen Achse für die Spitze des Wendepunkts) können bestimmt werden. Aus den transienten Zeiten kann die lonenkonzentration bestimmt werden, wie in 3 dargestellt.
4 zeigt eine schematische grafische Darstellung des absoluten Werts der Strommagnitude 132 im Laufe der Zeit 136, sie zeigt einen Prüfimpuls 134 und den Vorkonditionierungsimpuls 137. Die Magnitude des Stroms 132 ist der einfachen Erklärung wegen als absoluter Wert dargestellt (es haben jedoch beide Impulse ein negatives Signal). Alle Strommagnituden sind hier ohne Signal gegeben, aber der Fachmann auf dem Gebiet weiß, wie die elektronische Schaltung mit den Elektroden zu verbinden ist. Wenn zum Beispiel der Impuls Kaliumionen verarmen soll, muss ein negativer Strom angelegt werden, um die oberflächlichen positiven Kaliumionen zu verbrauchen. Der Vorkonditionierungsimpuls 137 hat eine entsprechende Magnitude 138 und eine entsprechende Impulslänge (Impulsdauer) 139. Der Prüfimpuls 134 hat eine entsprechende Impulsmagnitude 135 und eine entsprechende Impulslänge 136, die Impulslänge oder Dauer 136 des Prüfimpulses beginnt am Ende des entsprechenden Vorkonditionierungsimpulses 137 zu zählen.
5a bis 5c zeigen die Messungen gemäß einem Vergleichsbeispiel unter Verwendung eines Verfahrens ohne den Vorkonditionierungsimpuls. In 5a) stellt die Achse 151 das Potential E (auch als Spannung bezeichnet) in Volt dar und die Achse 152 stellt die Zeit (t) in Sekunden dar. In 5b) stellt die Achse 154 die Ableitung dE/dt dar und die Achse 153 stellt die Zeit (t) in Sekunden dar. In 5c) stellt die Achse 164 t^1/2 in der Einheit von Sekunden^-1/2 dar, die Achse 163 stellt den Strom in Mikroampère dar. Die Datenpunkte sind durch Punkte 165 dargestellt und die lineare Anpassung durch Linie 166. Es wurde dieselbe Elektrodenkonfiguration wie bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel verwendet. Testanalytenlösungen einer KCI-Konzentration von 0,2 mM KCL und 140 mM NaCl Hintergrundelektrolyt wurden für Messungen verwendet, die in 5a-5c dargestellt sind. 5b zeigt eine grafische Darstellung der Zeitableitung des Potentials als Funktion der Zeit elektrochemischer transienter Kurven aus einem Vergleichsbeispiel. Die Region, die durch die zwei Ellipsen angegeben ist, zeigt stark hervorstechende interferierende Beugungsspitzen. Obwohl 2b ein lineares Verhältnis zeigt, wenn ein einzelner Impuls zum Messen geringer Konzentrationen ≤ 0,2 mM KCl mit 140 mM NaCl Hintergrundelektrolyt verwendet wird, tauchen unvermeidlich starke störende Spitzen vor und nach der lonenverarmung auf, wie in der Figur dargestellt. Wenn ein einzelner Impuls an 1 mM KCl mit 140 mM NaCl Hintergrundelektrolyt angelegt wird, erschweren störende Spitzen das Erkennen des Wendepunkts von Übergangszeiten.
6a bis 6c zeigen die Messungen gemäß einem Vergleichsbeispiel wie in 5a bis 5c, wobei jedoch eine KCI-Konzentration von 1 mM KCL und 140 mM NaCl Hintergrundelektrolyt für die Testanalytenlösung verwendet wurden. In 6a) stellt die Achse 174 das Potential E (auch als Spannung bezeichnet) in Volt dar und die Achse 173 stellt die Zeit (t) in Sekunden dar. In 6b) stellt die Achse 184 die Ableitung dE/dt dar und die Achse 183 stellt die Zeit (t) in Sekunden dar. In 6c) stellt die Achse 194 t^-1/2 in der Einheit von Sekunden^-1/2 dar, die Achse 193 stellt den Strom in Mikroampere dar. Die Datenpunkte sind durch Punkte 195 dargestellt und die lineare Anpassung durch Linie 196. Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass der Strom zu Beginn eines Stromimpulses verbraucht werden sollte, um die Doppelschicht in der Schaltung zu laden. Dies könnte der Grund sein, der der störenden Spitze vor der Spitze der Übergangszeit in der grafischen Darstellung von dE/dt zugeschrieben wird (5b und 6c).
Unter Bezugnahme auf 2 ist erkennbar, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung den Vorteil hat, dass der Wendepunkt und somit die Bestimmung der Übergangszeit exakter als in den Vergleichsbeispielen von 5 und 6 bestimmt werden kann, da die störenden Spitzen vermieden werden können.
7a zeigt einen gemessenen Stromvorkonditionierungsimpuls und -prüfimpuls und das entsprechende gemessene Potential. Die Achse 304 stellt das Potential in Volt (quadratische Punkte) dar, die Achse 303 stellt die Zeit in Sekunden dar. Der Strom ist durch die Achse 305 an der rechten Seite in Mikroampere dargestellt, der Vorkonditionierungsstromimpuls ist Impuls 307 und der Prüfstromimpuls ist Impuls 308. Der Vorkonditionierungsimpuls 307 hat eine Magnitude von 6 Mikroampere und der Prüfimpuls 308 hat eine Magnitude von 1 Mikroampere. Die ISE-Vorrichtung wird in eine Analytenlösung von 3,5 mM KCL + 140 mM NaCl eingetaucht. 7b zeigt die ersten Millisekunden (punktiertes Rechteck von 7a), wo der Übergang vom Vorkonditionierungs- zum Prüfimpuls erkennbar ist. Das Potential in Volt ist durch Achse 314 dargestellt, die Zeit in Sekunden ist durch Achse 313 dargestellt und der Strom in Mikroampere ist durch Achse 315 dargestellt. 7b zeigt auch die Transiente der Potentialmessung, die eine flache Potentialkurve zu Beginn des Prüfimpulses zeigt, die eine erfolgreiche Eliminierung einer Doppelschichtladung für einen Strombeitrag angibt. In 7a ist ein klarer Potentialinflationspunkt (durch den Pfeil angegeben) in der Potentialmessung während des Prüfimpulses erkennbar, der die klare Darstellung einer Kaliumionenverarmung an der Oberfläche der ISE-Membrane angibt. Diese reine Kurve und Angabe wurde mit einer solchen hohen K⁺ Konzentration unter Verwendung eines einzigen Stromimpulses nicht erreicht. Außerdem erscheint die gesamte Potentialkurve entsprechend dem Prüfimpuls in der Fläche von weniger als -1 V, was auf eine große Abnahme einer Potentialpolarisation nach Entfernung des Doppelschichtladungsprozesses angibt. Es stellt einen großen Vorteil dar, andere Kinetiken bei hohem Potential zu eliminieren.
8 zeigt die Schritte und die Ergebnisse für das Verfahren gemäß der Erfindung, die für 5 verschiedene lonenkonzentrationen erhalten wurden. Für jeden Satz von Grafiken stellt die Achse 221 das Potential in Volt dar, Achse 220 stellt die Zeit in Sekunden dar, Achse 223 stellt die Ableitung des Potentials dE/dt dar und Achse 222 stellt die Zeit in Sekunden dar, Achse 225 stellt die t^1/2 in Sekunden^-1/2 dar und Achse 224 stellt den Strom in Mikroampere dar. 226 sind die bestimmten Punkte und 227 stellen die lineare Anpassung dar. Für eine Demonstration des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung für einen weiteren KCl-Konzentrationsbereich (140 mM NaCl Hintergrundelektrolyt) wurden mehr Experimente an einer ISE-Vorrichtung durchgeführt. Der Vorkonditionierungsimpuls ist bei 5 Mikroampere festgesetzt und die verwendeten Prüfimpulsmagnituden sind 0,27 Mikroampere, 0,3 Mikroampere und 0,33 Mikroampere. Die verwendete Lösung hatte KCl-Konzentrationen von 3,5 mM, 4,0 mM, 4,5 mM, 5,0 mM und 5,5 mM mit 140 mM NaCl Hintergrundelektrolyt. Die 5 Rahmen von 9 zeigen die Potential ~ Zeit Kurven, dE/dt ~ Zeit Kurven bzw. das t^-1/2 ~ i lineare Verhältnis (i ist die Strommagnitude des Prüfimpulses).
9 zeigt einen Sensor 200 gemäß der Erfindung. Die Anordnung von Elektroden ist eine bevorzugte Ausführungsform, aber nicht darauf beschränkt. 9 zeigt einen elektrochemischen Sensor 200. Der Sensor 200 umfasst ein Substrat 211, zumindest einen ersten Satz 201 einer Arbeitselektrode 202 und einer Gegenelektrode 203 und einen zweiten Satz 204 einer Arbeitselektrode 205 und einer Gegenelektrode 206. Vorzugsweise ist ein dritter Elektrodensatz enthalten, wie in 9 dargestellt, als ein dritter Satz 207 einer dritten Arbeitselektrode 208 und einer dritten Gegenelektrode 209. Optional können mehr solche Elektrodensätze bereitgestellt sein. Die Sätze 201, 204, 207 von Elektroden sind auf dem Substrat 211 angeordnet. Das Substrat 211 umfasst ferner eine Referenzelektrode 210. Die Elektrodensätze 201, 204, 207 sind derart konfiguriert, dass die Referenzelektrode 210 für die Sätze 201, 204, 207 als eine gemeinsame Referenzelektrode 210 verwendet werden kann. Der Sensor ist insbesondere zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen einer ionischen Konzentration wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben geeignet.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Elektrodensätze im Grunde dieselbe Geometrie aufweisen. Dies ist in der in 9 gezeigten Ausführungsform der Fall. Aufgrund derselben Geometrie sind die Messergebnisse unter zwei oder mehr Elektrodensätzen leichter vergleichbar, ohne mathematische Einstellungen aufgrund unterschiedlicher Geometrien zu benötigen. Ferner können dieselben Strommagnituden für den Vorkonditionierungsimpuls verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Arbeitselektroden von der Referenzelektrode gleich beabstandet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Gegenelektroden von der Referenzelektrode gleich beabstandet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Sätze radial um die Referenzelektrode angeordnet sein und vorzugsweise hat die Anordnung Rotationssymmetrie. Die äußerst symmetrische Anordnung der Elektroden bietet vergleichende Messungen unter den Elektrodensätzen.
Falls sich die Geometrien z.B. der Arbeitselektroden voneinander unterscheiden, müssen die verschiedenen Flächen bei einem Vergleich der Strommagnituden oder Verwendung der Strommagnituden in einer Kurve berücksichtigt werden.
Falls sich die Geometrien z.B. der Arbeitselektroden voneinander unterscheiden, muss die unterschiedliche Fläche A in der Sand-Gleichung berücksichtigt werden.
Unter Bezugnahme auf 9 und 10 wird die Schichtstruktur über der (den) Arbeitselektrode(n) anhand eines nicht einschränkenden Beispiels beschrieben. Die ionenselektive Membrane 214 ist über den Arbeitselektroden 202, 205, 208 bereitgestellt. Die Arbeitselektrode(n) 202, 205, 208 ist (sind) Teil der Elektrodenschicht 212. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Sensor 211 eine Schicht einer ionenselektiven Membrane 214 über der Elektrodenschicht 212 und umfasst ferner eine Messumformerschicht 213 zwischen der Elektrodenschicht 212 und der ionenselektiven Membrane 214. Die Messumformerschicht 213 steht vorzugsweise mit der Elektrodenschicht 212 und der ionenselektiven Membrane 214 in Verbindung. Die ionenselektive Membrane 214 umfasst eine ionenselektive Zusammensetzung, die Zusammensetzung umfasst ein ionenselektives Material.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Messumformerschicht ein leitendes Polymer wie PEDOT:PSS. Beispielhafte Schichtdicken liegen zwischen 1 Mikrometer und 50 Mikrometern.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Messumformerschicht eine Gelelektrolytenschicht. Beispielhafte Gelelektrodenmaterialien können aus Agarose, Poly(2-hydroxyethylmethacrylat) und deren Ableitungen ausgewählt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die ionenselektive Membrane eine Schichtdicke zwischen 5 Mikrometer bis 50 Mikrometer haben.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die ionenselektive Membrane vorzugsweise eine kaliumselektive Membrane. Ein beispielhaftes ionenselektives Material für die ionenselektive Membrane ist Valinomycin.
Eine bevorzugte Zusammensetzung der ionenselektiven Membrane ist Poly(vinylchlorid) (PVC), enthaltend Valinomycin, Kaliumtetrakis(4-chlorphenyl)borat (KTCIPB), aufgelöst in einem organischen Lösemittelweichmacher, und ein lipophiler ionischer Leiter. Eine beispielhafte Zusammensetzung der ionenselektiven Membrane ist 33% Poly(vinylchlorid) (PVC) + 67% Dioctylsebacat(DOS)-Weichmacher als Matrixkomponenten; enthaltend 1-5% Valinomycin, 1-2% KTCIPB und 1-5% Tetrakis(4-chlorphenyl)borattetradodecylammoniumsalz (ETH500).
11 zeigt die lineare Regression an den Ergebnissen, die nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Sensor gemäß der Erfindung gemessen werden, zum Beispiel an dem Sensor von 9. In 11 stellt die Achse 331 t^-1/2 in Sekunden^-1/2 dar und die Achse 330 stellt den Strom in Mikroampere dar. 11 zeigt die t^-1/2 ~ i linearen Regressionskurven für Messungen, die an einem ersten, einem zweiten und einem dritten Satz von Arbeits- und Gegenelektroden vorgenommen werden. Die Elektroden hatten dieselbe Flache und waren so konfiguriert, dass die Messungen verglichen werden können, ohne geometrische Korrekturfaktoren zu benötigen. Es können jedoch andere Konfigurationen bereitgestellt sein, bei welchen beispielsweise die geometrischen Faktoren (z.B. Flache) berücksichtigt werden. Der in dem Beispiel verwendete Sensor hat 3 Paare von Arbeitselektroden und Gegenelektroden. Sie teilen sich eine gemeinsame Referenzelektrode. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann eine andere Anzahl von Elektrodensätzen verwendet werden. Es kann eine andere Art von geeigneten Sensoren verwendet werden. Wenn eine unbekannte KCI-Lösung bei dem Sensor des Beispiels angewendet wird, werden 3 Sätze von Vorkonditionierungs- und Prüfimpulsstrom, jeder Satz von Impulsen bei jedem Satz von Arbeits- und Gegenelektroden, angewendet. Somit besteht kein Bedarf an einer Regeneration der ISE-Membrane für aufeinanderfolgende gepulste Messungen. Dann werden eine Differenzial- und lineare Beziehungsanalyse, wie in der vorliegenden Erfindung offenbart, vorzugsweise durch eine elektronische Vorrichtung durchgeführt. Die elektronische Vorrichtung kann die bestimmte Steilheit mit den Werten aus den vorab erstellten Standardkurven in der Datenbank abstimmen und dann die Konzentration des fraglichen Ions (z.B. K⁺) der Lösung in der gewünschten Einheit (z.B. Millimol (mM)) bestimmen.
12 zeigt eine andere Methode zum Bestimmen der lonenkonzentration unter Verwendung von t^1/2 gegenüber c (c ist die lonenkonzentration in dem Beispiel: [K⁺]) Standardkurven. In 12 stellt die Achse 341 die Quadratwurzel von t (t^1/2) in Sekunden^1/2 dar und die Achse 340 stellt die Konzentration in mM dar. Diese Methode verwendet auch die Sand-Gleichung. Die dargestellten Standardkurven wurden an einer Reihe identischer Sensoren gemessen, wobei die Sensoren gemäß der vorliegenden Offenbarung sind und jeder zumindest drei Elektrodensätze aufweist. Das Beispiel ist jedoch nicht auf eine solche Art von Sensor beschränkt und die Standardkurve könnte erstellt und mit einer anderen Art von Sensoren verwendet werden. Für jeden Elektrodensatz wurde eine andere Magnitude des Prüfimpulses verwendet, nämlich 0,27 Mikroampere, 0,30 Mikroampere und 0,33 Mikroampere. Die Magnitude des Vorkonditionierungsimpulses war 5 Mikroampere mit einer Impulslänge von etwa 1,3 Millisekunden. Die Vorkonditionierungsimpulscharakteristik ist vorzugsweise für jede Messung zum Bestimmen des Datenpunkts identisch. 12 zeigt t^1/2 (t ist die Übergangszeit) für mehrere verschiedene lonenkonzentrationen, die in diesem nicht einschränkenden Beispiel 5 waren, nämlich 3,5, 4, 4,5, 5 und 5,5 mM. Es ist erkennbar, dass der Datenpunkt für den Prüfstrom von 0,25 Mikroampere die beste Linearität der bestimmten Datenpunkte hat. Diese Kurve kann verwendet werden, um aus einer gemessenen Transitzeit unter Verwendung der Strommagnitude des Prüfimpulses (in diesem Beispiel 0,25 Mikroampere) die lonenkonzentration in der gewünschten Einheit (z.B. Millimol (mM)) zu erhalten. Die lineare Regression (zum Beispiel in der Form einer Funktion) der Kurve kann auch verwendet werden. Ein interpolierter und/oder extrapolierter Datensatz kann ebenso verwendet werden. In diesem Beispiel sind 0,25 Mikroampere als ein Beispiel dargestellt, eine angemessene Kurve könnte jedoch auf eine andere Strommagnitude bezogen werden, die leicht mit Messungen bestimmt werden kann.
Eine weitere Methode zum Bestimmen der lonenkonzentration unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet eine Super-Nernst-Beziehung. Ein Beispiel für Super-Nernst-Kurven ist in 13 dargestellt. In 13 stellt die Achse 351 das Potential in Volt dar und die Achse 350 stellt log(c)/dec dar. 13 zeigt eine grafische Darstellung des Potentials E zur Transitzeit gegenüber log(c)/dec (c ist die lonenkonzentration im Beispiel: [K⁺]). Wie aus 13 erkennbar ist, wurde eine Super-Nernst-Steilheit nahe dem 10-Fachen einer typischen Nernst-Steilheit durch das Verfahren gemäß der Erfindung erhalten. Mit der bei einer Testung einer unbekannten ionischen Lösung bei 0,33 Mikroampere gemessenen Kurve als Beispiel kann das Potential zur Übergangszeit aus der zweiten elektrochemischen transienten Kurve analysiert werden. Die Standardkurve kann dann zum Bestimmen der entsprechenden lonenkonzentration in der gewünschten Einheit (z.B. Millimol (mM)) verwendet werden.
Die Methoden zum Bestimmen der lonenendkonzentration (z.B. in der gewünschten Einheit) können in Verbindung mit dem Verfahren unter Verwendung eines Vorkonditionierungsimpulses und eines Prüfimpulses wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben verwendet werden.
Ein Sensor gemäß der Erfindung erlaubt, dass das Verfahren und auch die Vorrichtung kalibrierungsfrei arbeiten, insbesondere für kaliumionenselektive Membranen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen kalibrierungsfreien Sensor und Messungen damit durch Verwenden eines zu Gänze massiven ionenselektiven Sensors und einer Vorrichtung zu erreichen, wobei die Vorrichtung eine elektronische Schaltung umfasst und konfiguriert ist, einen Vorkonditionierungsimpuls und einen Prüfimpuls und ein entsprechendes Messprogramm basierend auf der Sand-Gleichung zu verwenden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors zum Bestimmen einer ionischen Konzentration, wobei das Verfahren umfasst: Messen einer ersten und einer zweiten elektrochemischen transienten Kurve; Bestimmen einer ersten Übergangszeit von einem Wendepunkt der ersten elektrochemischen transienten Kurve und einer zweiten Übergangszeit von einem Wendepunkt der zweiten elektrochemischen transienten Kurve; und Verwenden der ersten Übergangszeit und der zweiten Übergangszeit zum Bestimmen einer ionischen Konzentration; und wobei die erste elektrochemische transiente Kurve von der Transiente der Potentialmessung, gemessen während des Anlegens eines ersten Prüfstromimpulses, abgeleitet ist; und wobei die zweite elektrochemische transiente Kurve von der Transiente der Potentialmessung, gemessen während des Anlegens eines zweiten Prüfstromimpulses, abgeleitet ist; und wobei der erste Prüfstromimpuls ein Stromimpuls mit einer ersten Magnitude ist und der zweite Prüfstromimpuls ein Stromimpuls mit einer zweiten Magnitude ist und wobei jedem Prüfstromimpuls ein Vorkonditionierungsstromimpuls vorangeht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Messen zumindest einer dritten elektrochemischen transienten Kurve; Bestimmen einer dritten Übergangszeit vom Wendepunkt der dritten elektrochemischen transienten Kurve; wobei die dritte elektrochemische transiente Kurve von der Transiente der Potentialmessung abgeleitet ist, die während des Anlegens eines dritten Prüfstromimpulses gemessen wurde; und wobei der dritte Prüfstromimpuls ein konstanter Stromimpuls mit einer dritten Magnitude ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die erste Magnitude, die zweite Magnitude und, falls vorhanden, die dritte Magnitude alle voneinander unterscheiden, und wobei die lonenkonzentration unter Verwendung der transienten Zeiten und entsprechenden Prüfströme bestimmt wird, vorzugsweise wobei ein Datensatz aus Paaren von t^-1/2 gegenüber den Magnituden der Prüfströme gebildet ist und der Winkelkoeffizient der linearen Regression mit Referenzdaten verglichen oder in der Sand-Gleichung verwendet wird.
Verfahren zum Bestimmen einer ionischen Konzentration einer Lösung, das Verfahren umfassend Bereitstellen eines Datensatzes, der aus Datenpaaren gebildet ist, wobei der Datensatz als eine vorab erstellte Standardkurve verwendet wird, und wobei die Bestimmung der ionischen Konzentration der Lösung: i) durch Korrelieren zumindest einer Übergangszeit A mit der vorab erstellten Standardkurve t^+1/2 gegenüber c erfolgt; oder ii) durch Korrelieren zumindest des elektrochemischen Potentials, das zur Übergangszeit A gemessen wird, mit der vorab erstellten Standardkurve E gegenüber log(c) erfolgt; wobei die Übergangszeit A von einem Wendepunkt einer entsprechenden elektrochemischen Transiente A, die von einer entsprechenden Transiente aus der Potentialmessung A abgeleitet wird, während des Anlegens eines entsprechenden Prüfimpulses A erhalten wird, wobei der Datensatz optional durch ein Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 bestimmt wird, wobei die erste Magnitude, die zweite Magnitude und, falls vorhanden, die dritte Magnitude gleich der Magnitude des Prüfimpulses A sind, und wobei die Vorkonditionierungsimpulse entsprechend dem ersten Prüfimpuls, zweiten Prüfimpuls, dem Prüfimpuls A und, falls vorhanden, dem dritten Prüfimpuls vorzugsweise dieselbe Impulslänge und Magnitude aufweisen und wobei die erste, die zweite und, falls vorhanden, die dritte Übergangszeit für Lösungen verschiedener vorbestimmter Konzentrationen bestimmt werden.
Elektrochemischer Sensor (200) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, der Sensor umfassend: ein Substrat (211); zumindest einen ersten Satz (201) aus einer Arbeitselektrode (202) und einer Gegenelektrode (203) und einen zweiten Satz (204) aus einer Arbeitselektrode (205) und einer Gegenelektrode (206), wobei die Elektrodensätze (201, 204) auf dem Substrat (211) angeordnet sind; eine Referenzelektrode (210); und vorzugsweise wobei die Elektrodensätze (201, 204) so konfiguriert sind, dass die Referenzelektrode (210) für die Sätze als gemeinsame Referenzelektrode verwendet werden kann.
Sensor (200) nach Anspruch 5, wobei die Elektrodensätze (201, 204) ferner einen dritten Satz (207) aus einer Arbeitselektrode (208) und einer Gegenelektrode (209) umfassen.
Sensor (200) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Arbeitselektroden (202, 305, 208) von der Referenzelektrode (210) gleich beabstandet sind und/oder die Gegenelektroden (203, 206, 209) von der Referenzelektrode (210) gleich beabstandet sind.
Sensor (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 wobei die Sätze (201, 204, 207) radial um die Referenzelektrode (210) angeordnet sind und wobei vorzugsweise die Anordnung Rotationssymmetrie hat.
Sensor (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ferner umfassend eine ionenselektive Membrane (214) über der Arbeitselektrode (212) und ferner umfassend eine Messumformerschicht (213) zwischen der Arbeitselektrode (212) und der ionenselektiven Membrane (214).
Vorrichtung, umfassend einen Sensor (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 10 und konfiguriert, das Verfahren nach einem der Schritte der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wobei beliebige, vorzugsweise alle, der Vorkonditionierungsimpulse und ihrer entsprechenden Prüfimpulse so konfiguriert sind, dass die entsprechenden Prüfimpulse in einer flachen anfänglichen Potentialtransiente resultieren können.