DE102018218045A1

DE102018218045A1 - Fortgeschrittene potentiometrie für einen rekalibrierungsfreien ionenselektiven elektrodensensor

Info

Publication number: DE102018218045A1
Application number: DE102018218045.8A
Authority: DE
Inventors: Nahong Zhao
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors bereitgestellt, um eine Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten zu bestimmen. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen des ionenselektiven Elektrodensensors, wobei der ionenselektive Elektrodensensor eine ionenselektive Membran umfasst; Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit dem Flüssigelektrolyten; Messen eines Ruhepotentials des Flüssigelektrolyten; und Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions vor dem Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit einem andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten. Ein nach einem solchen Verfahren betreibbarer ionenselektiver Elektrodensensor wird ebenfalls offenbart.

Description

TECHNOLOGISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten und auf einen nach einem solchen Verfahren betreibbaren ionenselektiven Elektrodensensor.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Elektrochemische lonensensoren werden in der klinischen Analytik und Umweltprüfung verwendet und ionenselektive Elektrodensensoren (ISE-Sensoren) sind eine Art von elektrochemischem Ionensensor, der für eine patientennahe Blutelektrolytmessung verwendet werden kann, beispielsweise um die Konzentration an K⁺-Ionen in einer Blutprobe zu bestimmen. Die meisten ISE-Sensoren arbeiten auf Grundlage einer potentiometrischen Messtechnologie und müssen häufig rekalibriert werden, um genaue und wiederholbare Messungen zu gewährleisten.
Herkömmlicherweise sind ISE-Einwegsensoren nicht rekalibrierungsfrei, obwohl ihre Sensorchips kein Kalibriernormal aufweisen. Das Kalibriernormal ist stattdessen auf einer Cartridge integriert, die in den ISE-Sensorchip eingebaut werden kann, so dass mit Betreiben der Cartridge die Rekalibrierung des ISE-Sensorchips automatisch ausgelöst wird. Ein rekalibrierungsfreier ISE-Sensor scheint somit im Handel nicht erhältlich zu sein.
Eine Rekalibrierung gebrauchter ISE-Sensoren ist erforderlich, da die Sensoren im Zuge mehrerer aufeinanderfolgender Potentialmessungen eine Driftneigung aufweisen, wodurch es zu Abweichungen zwischen den einzelnen Messungen kommt. Die driftbedingte Abweichung der Potentialmessungen wird tendenziell noch verstärkt, wenn die Messungen über einen kleinen Konzentrationsbereich durchgeführt werden. Beispielsweise kann bei einer Blutprobe ein Sollfehler von ±6% für die Messung der Konzentration von K⁺-Ionen gefordert sein, was aber ohne Rekalibrierung eine anspruchsvolle Aufgabe ist.
Ein anderes Problem bei fehlender Rekalibrierung ist die sensorübergreifende Abweichung der Potentialmessergebnisse bei Verwendung unterschiedlicher Sensorstreifen. Auch die Ansprechzeit des Sensors kann sich nachteilig verlängern.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Lösung, die eines oder mehrere der oben genannten Probleme mindert oder löst.
KURZFASSUNG
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten bereitgestellt, umfassend:

Bereitstellen des ionenselektiven Elektrodensensors, wobei der ionenselektive Elektrodensensor eine ionenselektive Membran umfasst;
Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit dem Flüssigelektrolyten;
Messen eines Ruhepotentials des Flüssigelektrolyten; und
Entfernen mindestens des Ions, das an der ionenselektiven Membran adsorbiert ist, vor dem Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit einem andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten.

In einem zweiten Aspekt wird ein ionenselektiver Elektrodensensor bereitgestellt, der gemäß einem Verfahren des ersten Aspekts betrieben werden kann, wobei der ionenselektive Elektrodensensor eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode einen Polymerwandler und eine ionenselektive Membran umfasst, wobei die zweite Elektrode eine Silberelektrode ist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit einem Potentiostat verbunden werden können, um eine oder mehrere Ruhepotentialmessungen an einem oder mehreren Flüssigelektrolyten zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in dem einen oder den mehreren Flüssigelektrolyten zu ermöglichen, und wobei die ionenselektive Membran so ausgestaltet werden kann, dass sie das Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions gestattet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgerecht, sondern der Schwerpunkt liegt allgemein auf der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei gilt:
1 zeigt die Lösungsgrenze 101 und die Bildung einer Doppelschicht an der Membran/Flüssigkeitsgrenze (Membrangrenze ist mit 100 bezeichnet). 1 zeigt auch ein Kurvenbild von ∅_m (ionenselektives Membranpotential an Membran/Flüssigkeitsgrenze) in Abhängigkeit von X (Abstand von der Membran/Flüssigkeitsgrenze). Das schwarze Oval stellt Valinomycin dar, der mit „+“ markierte Kreis stellt ein Kalium-Kation und der mit „-“ markierte Kreis ein Chlor-Anion dar. Die Kombination aus schwarzem Oval und mit „+“ markiertem Kreis bedeutet, dass das Kalium-Kation am Valinomycin angelagert ist.
2A zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten, das auf Grundlage eines herkömmlichen potentiometrischen Verfahrens erhalten wird. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 2A zeigt insbesondere ein Kurvenbild des gemessenen Ruhepotentials 201 (in Volt) in Abhängigkeit von der Messdauer 202 (in Sekunden). Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM. Die Kurven A bis E stellen die bei Konzentrationen von 3,5 mM bis 5,5 mM jeweils gemessenen Potentiale dar. F stellt ein Potentialgefälle von 10 mV dar, das größer als erwartet war, und G stellt ein Potentialgefälle von mehr als 10 mV dar, das größer als erwartet war.
2B zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten, das auf Grundlage eines herkömmlichen potentiometrischen Verfahrens erhalten wird. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 2B zeigt insbesondere ein Kurvenbild des gemessenen Ruhepotentials 211 (in Volt) in Abhängigkeit vom Logarithmus der Kaliumionenkonzentration 212 (log [K⁺]). Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM.
3A zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten auf Grundlage einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, das mit dem Anlegen eines rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses arbeitet. Es wird der gleiche Typ von ISE-Sensor wie für die Ergebnisse in 2A und 2B verwendet. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 3A zeigt insbesondere ein Kurvenbild des gemessenen Ruhepotentials 301 (in Volt) in Abhängigkeit von der Messdauer 302 (in Sekunden). Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM. Die Kurven i bis v stellen die bei Konzentrationen von 3,5 mM bis 5,5 mM jeweils gemessenen Potentiale dar. „vi“ stellt ein Potentialgefälle von 3 mV dar.
3B zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten auf Grundlage einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, das mit dem Anlegen eines rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses arbeitet. Es wird der gleiche Typ von ISE-Sensor wie für die Ergebnisse in 2A und 2B verwendet. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 3B zeigt insbesondere ein Kurvenbild des gemessenen Ruhepotentials 311 (in Volt) in Abhängigkeit vom Logarithmus der Kaliumionenkonzentration 312 (log [K⁺]). Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM.
3C zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten auf Grundlage einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, das mit dem Anlegen eines rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses arbeitet. Es wird der gleiche Typ von ISE-Sensor wie für die Ergebnisse in 2A und 2B verwendet. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 3B zeigt insbesondere ein Kurvenbild des gemessenen Zellenpotentials 321 (in Volt) in Abhängigkeit vom Logarithmus der Kaliumionenkonzentration 322 (log [K⁺]). Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM.
4 zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten von fünf Sensoren des gleichen Fertigungsloses. Das Ruhepotential-Ansprechverhalten ist das Ergebnis einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, das mit dem Anlegen eines rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses arbeitet. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 4 zeigt insbesondere ein Kurvenbild des gemessenen Ruhepotentials 401 (in Volt) in Abhängigkeit vom Logarithmus der Kaliumionenkonzentration 402 (log [K⁺]).
5 zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten (von zwei Sensoren des gleichen Typs) auf Grundlage einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, das mit dem Anlegen einer rückwärtslinearen Abtast-Voltammetrie (LSV) arbeitet. Es wird der gleiche Typ von ISE-Sensor wie für die Ergebnisse in 2A und 2B verwendet. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 5 zeigt insbesondere Vergleichsdiagramme des gemessenen Ruhepotentials 501, 511, 521, 531 (in Volt) in Abhängigkeit vom Logarithmus der Kaliumionenkonzentration 502, 512, 522, 532 (log [K⁺]) für zwei Sensoren, die einer herkömmlichen Potentiometrie (Diagramme links 500, 520) und einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens unter Anlegen einer Rückwärts-LSV (Diagramme rechts 510, 530) unterzogen wurden. Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM. Die beiden oberen Graphen 500, 510 betreffen Sensorstreifen 1 und die beiden unteren Graphen 520, 530 betreffen Sensorstreifen 2.
6 zeigt das Ruhepotential-Ansprechverhalten von zwei Sensoren (für ein und dieselbe Art von Flüssigelektrolyt). Der eine Sensor unterliegt der herkömmlichen Potentiometrie, während der andere Sensor der Rückwärts-LSV unterliegt. Es wird der gleiche Typ von ISE-Sensor wie für die Ergebnisse in 2A und 2B verwendet. Die Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. 6 zeigt insbesondere ein Vergleichsdiagramm des kontinuierlich gemessenen Ruhepotentials 601 (in Volt) über die Zeit 602 (in Sekunden). Der Sensor mit herkömmlicher Potentiometrie zeigte ein aufsteigendes Potential (untere Kurve), während die vom Sensor mit Rückwärts-LSV gemessenen Potentiale um eine flache Ruhepotential-Trendlinie (obere gestrichtelte Linie) schwanken. Der Konzentrationsbereich beträgt 3,5 mM bis 5,5 mM und das Konzentrationsintervall beträgt 0,5 mM.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die Begleitzeichnungen, die spezielle Details und Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktisch realisiert werden kann, veranschaulichend illustrieren. Diese Ausführungsformen werden mit einem ausreichenden Detailgrad beschrieben, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen. Es können weitere Ausführungsformen genutzt und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die verschiedenen Ausführungsformen schließen einander nicht zwingend aus, da einige Ausführungsformen mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, um neue Ausführungsformen zu bilden. Die Aufzählung oder Erörterung eines früher veröffentlichten Dokuments in dieser Patentschrift ist nicht zwingend als Anerkenntnis zu verstehen, dass das Dokument zum Stand der Technik oder zum allgemeinen Kenntnisstand gehört.
Merkmale, die im Kontext einer Ausführungsform beschrieben sind, können entsprechend für gleiche oder ähnliche Merkmale in den anderen Ausführungsformen gelten. Im Kontext einer Ausführungsform beschriebene Merkmale können dementsprechend auf die anderen Ausführungsformen anwendbar sein, selbst wenn sie in diesen anderen Ausführungsformen nicht ausdrücklich beschrieben werden. Darüber hinaus können Hinzufügungen und/oder Kombinationen und/oder Alternativen, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform für ein Merkmal beschrieben werden, entsprechend auch auf ein gleiches oder ähnliches Merkmal in den anderen Ausführungsformen zutreffen.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten und auf einen nach einem solchen Verfahren betreibbaren oder betriebenen ionenselektiven Elektrodensensor.
Ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens liegt darin, dass keine Notwendigkeit einer Rekalibrierung oder eines Mittels für die Rekalibrierung besteht. In anderen Worten, ein gebrauchter ionenselektiver Elektrodensensor muss keiner Nachkalibrierung für den nachfolgenden Einsatz unterzogen werden und der Fehler bei Nutzung eines solchen Sensors für Mehrfachmessungen lässt sich auf ±6% oder kleiner halten. Dementsprechend mindert das vorliegende Verfahren auch ohne Rekalibrierung wirksam eine etwaige Drift eines ionenselektiven Elektrodensensors.
Ein anderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass es eine sensorübergreifende Abweichung minimiert. Selbst beim Einsatz von unterschiedlichen Sensoren zeigen die Messwerte keinen Fehler von über ±6%.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens liegt darin, dass es die Ansprechzeit gebrauchter Sensoren verbessert.
Die obigen Vorteile werden auf das vorliegende Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors zurückgeführt. Zum besseren Verständnis der Vorteile und der Drift eines ionenselektiven Elektrodensensors wird auf die Funktionsweise eines ionenselektiven Elektrodensensors eingegangen.
Die Nernst-Gleichung, nach welcher ionenselektive Elektrodensensoren arbeiten sollen, lässt sich wie folgt darstellen: $E = E_{0} + \frac{2,303 \times R T}{Z_{i} F} + l o g a_{i}$
wobei gilt: R ist die universelle Gaskonstante, T bezieht sich auf die Temperatur des Flüssigelektrolyten (in Kelvin), F ist die Faraday-Konstante, Z_i bezieht sich auf die Ladung des Ions (Z_i = 1 für ein einwertiges Ion), a_i bezieht sich auf die chemische Aktivität (oder Konzentration) der Ionen im Flüssigelektrolyten, und E_o bezieht sich auf das Standard-Zellenpotential.
Auf Grundlage der Nernst-Gleichung kann für ein einwertiges Ion aus einer ionenselektiven Ansprechkurve (z. B. einer linearen Kurve des gemessenen Potentials in Abhängigkeit vom Logarithmus der Aktivität oder der Konzentration des einwertigen Ions) eine theoretische Steigung von 59 mV/dec bei Standardbedingungen (Temperatur von 298 K) abgeleitet werden. Bei Zi = 2 für ein zweiwertiges Ion kann eine theoretische Steigung von 29,5 mV/dec bei Standardbedingungen abgeleitet werden. Auf Grundlage der Steigung kann eine bloße Verschiebung der elektromotorischen Kraft von etwa 2,4 mV beispielsweise einer 10%-igen Konzentrationsänderung eines einwertigen Ions entsprechen. Falls ein Fehler von ±6 % oder weniger zulässig ist, ist nur eine Verschiebung der elektromotorischen Kraft in Höhe von 1,5 mV gestattet. Diese Schwellen sowie die Notwendigkeit einer häufigen Nachkalibrierung sind eine Herausforderung bei der Umsetzung eines schnellen und einfachen potentiometrischen Verfahrens zur Bestimmung der Konzentration eines Ions (zum Beispiel eines einwertigen Ions) vor Ort oder außerhalb von Laborumgebungen. Obwohl ein herkömmlicher ionenselektiver Elektrodensensorstreifen zur Bestimmung der Konzentration von Kalium-Ionen ein gutes lineares Ruhepotential-Ansprechverhalten aufweist, das den pathophysiologischen Bereich von 2 mM bis 9 mM mit einer sensorstreifenübergreifenden Abweichung von 2,1 mV/dec beziehungsweise 14,1 mV für Steigung und E_o abdeckt, stellt die Sicherstellung des Sollfehlers von ±6 % für die rekalibrierungsfreie Kaliummessung nach wie vor eine Herausforderung dar. Dies erfordert eine Auflösung von ±1,5 mV für Potentialmessungen auf Grundlage der Nernst-Gleichung E = E_o + 0,059×log [K⁺]. Bei Ruhepotentialmessungen in einem kleinen Konzentrationsbereich oder -intervall kann das Problem in Gestalt einer super-Nernstschen Ansprechfunktion auftreten, bei der die Steigung der Ansprechkurve der ionenselektiven Elektrode den Wert 59 mV/dec übersteigt (siehe 2A und 2B sowie Tabelle 1), was die Abweichungen bei den gemessenen Potentialen verschlechtert.
Ein Grund für das super-Nernstsche Ansprechverhalten sowie die driftbedingte Potentialmesswertabweichung und sensorübergreifende Abweichung kann ein ionenflussbasierter „Gedächtnis“-Effekt sein, der sich wie folgt beschreiben lässt.
In einem ISE-Sensor kann eine ionenselektive Membran (ISM) vorhanden sein, die zur Bestimmung der Aktivität oder Konzentration eines Ions, wie eines einwertigen Ions von K⁺, in einem Flüssigelektrolyten verwendet werden kann. Das ISM-Potential kann durch eine Doppelschicht an der Membran/Flüssigkeitsgrenze bestimmt werden. Während der Ausbildung der Doppelschicht können K⁺-Ionen in die Membran eindringen, während flüssigkeitsseitige Gegenanionen (zum Beispiel Cl^-) gegebenenfalls dicht an die Membran-Oberfläche herangezogen werden (siehe 1), bis die elektrostatische Kraft bei einer bestimmten Probenkonzentration ein Entropie-Energie-Gleichgewicht ergibt. Es kann von beiden Seiten der Membran/Flüssigkeitsgrenze ein Ionenfluss für jede Art von Ion auftreten, was als ionenflussgesteuertes Potentialansprechverhalten des ISE-Sensors bezeichnet wird. Die aus vorherigen Messungen oder Konditionierzyklen stammenden lonenspezies (zum Beispiel K⁺ und Cl^-), die beispielsweise an der ISM adsorbiert oder in bzw. an der ISM an- bzw. eingelagert werden können, können in nachfolgenden Messungen von der Membran und/oder Membran/Flüssigkeitsgrenze in die Flüssigkeit zurückwandern. Die Rückmigration von Ionen, beispielsweise aus bzw. von der Membran und/oder Membran/Flüssigkeitsgrenze, in die Flüssigkeit stellt einen Ionenaustauschprozess dar, der sich nachteilig auf die lonenaktivitäten und die Doppelschichtleistung an der Grenze zwischen der Probenflüssigkeit und der Membran auswirken kann, was sich wiederum auf das Ansprechverhalten des Sensors auswirkt. Dies führt zu einer zeitabhängigen Messabweichung, die das „Gedächtnis“ einer Sensormembran abbildet.
Die korrigierende Einwirkung auf den ionenflussbasierten „Gedächtnis“-Effekt verbessert oder löst dementsprechend die Probleme des super-Nernstschen Ansprechverhaltens, der Potentialmesswertabweichungen (Drift), der sensübergreifenden Abweichungen und der Ansprechverzögerung eines gebrauchten ionenselektiven Elektrodensensors und führt dadurch zu einem rekalibrierungsfreien ionenselektiven Elektrodensensor. Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Behandlung dieser Probleme bereit.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten bereit, umfassend: Bereitstellen des ionenselektiven Elektrodensensors, wobei der ionenselektive Elektrodensensor eine ionenselektive Membran umfasst; Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit dem Flüssigelektrolyten; Messen eines Ruhepotentials des Flüssigelektrolyten; und Entfernen mindestens des Ions, das an der ionenselektiven Membran adsorbiert ist, vor dem Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit einem andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten.
Die Potentialmessung kann vorteilhaft für mindestens 10 Sekunden ausgeführt werden, da auf diese Weise mehr Messdaten erfasst werden können und ein Durchschnitt der erfassten Messwerte verwendet werden kann, um die Konzentration des Ions, beispielsweise einwertigen Ions, zu bestimmen. In einigen Fällen kann die Messung für mindestens 10 Sekunden, mindestens 60 Sekunden, mindestens 100 Sekunden, mindestens 200 Sekunden usw. ausgeführt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Messung des Ruhepotentials mindestens 10 Sekunden dauern.
Das Ion kann ein einwertiges Ion, ein zweiwertiges Ion usw. sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ion ein einwertiges Ion sein. Der Ausdruck „einwertiges Ion“ bezeichnet im vorliegenden Sprachgebrauch ein Ion, das die Valenz eins aufweist. Anders ausgedrückt: das einwertige Ion hat eine Ladung von +1 oder -1. Ein nicht-einschränkendes Beispiel eines einwertigen Ions ist Kalium. Der Ausdruck „zweiwertiges Ion“ bezeichnet im vorliegenden Sprachgebrauch dementsprechend ein Ion, das die Valenz zwei besitzt. Anders ausgedrückt: das zweiwertige Ion hat eine Ladung von +2 oder -2. Dementsprechend bezeichnet „dreiwertiges Ion“ ein Ion mit Valenz drei (Ladung von +3 oder -3).
Der Ausdruck „adsorbieren“ und seine grammatischen Varianten bedeuten nach vorliegendem Sprachgebrauch die Adhäsion an einer Oberfläche. Wenn ein Ion beispielsweise an einer Membran „adsorbiert“ wird bzw. ist, bedeutet dies, dass das Ion an der Oberfläche der Membran anhaftet.
Der Ausdruck „Ruhepotential“ (Open Circuit Potential, kurz OCP) bezeichnet im vorliegenden Sprachgebrauch ein Potential, das mit Hilfe des ionenselektiven Elektrodensensors gemessen wird, ohne dass eine externe Last einen Stromfluss durch den Sensor bewirkt. Anders ausgedrückt: das Ruhepotential eines Flüssigelektrolyten würde sich auf das speziell am Flüssigelektrolyten gemessene Potential beziehen, ohne dass eine externe stromspeisende Last am Sensor angeschlossen ist.
Wie weiter oben beschrieben, können nach erfolgter Verwendung eines ionenselektiven Elektrodensensors die Ionen an der ionenselektiven Membran adsorbiert sein, d. h. an der Membranoberfläche angelagert sein. Die Ionen können auch in die Membran eindringen und sich in der Membran einlagern. Die Ionen können sich auch an der Membran/Flüssigkeitsgrenze anlagern. Dies führt zum super-Nernstschen Ansprechverhalten, zu Potentialmessabweichungen (Drift), sensorübergreifenden Abweichungen und Ansprechverzögerungen wie oben beschrieben. Gemäß dem vorliegenden Verfahren werden diese Probleme dadurch gelöst, dass mindestens die adsorbierten Ionen aus der ionenselektiven Membran entfernt werden. Anders ausgedrückt: das Entfernen mindestens der adsorbierten Ionen kann das Entfernen von in die Membran eingedrungenen Ionen, das Entfernen von an der Membranoberfläche angelagerten Ionen und/oder das Entfernen von an der Membran/Flüssigkeitsgrenze angelagerten Ionen umfassen. Das Entfernen kann durch verschiedene Verfahrensansätze erfolgen.
In einigen Ausführungsformen kann das Entfernen mindestens des Ions umfassen, dass ein Strom angelegt wird, der mindestens das Ion aus/von der ionenselektiven Membran entfernt, wobei der Strom kleiner als 10 nA sein kann und der Strom für mindestens 10 Sekunden angelegt werden kann. Der Strom kann kleiner als 10 nA, kleiner als 9 nA, kleiner als 8 nA, kleiner als 7 nA, kleiner als 6 nA, kleiner als 5 nA, kleiner als 4 nA, kleiner als 3 nA, kleiner als 2 nA oder kleiner als 1 nA sein. Das Anlegen eines solchen Stroms entfernt nicht nur das Ion, sondern verhindert auch eine elektrische Beschädigung des Sensors. Dies ermöglicht vorteilhaft die Einspeisung des Stroms über einen Kurzschluss (zum Beispiel über einen mit der ionenselektiven Membran verbundenen elektrischen Pfad mit niedrigem Widerstand). In der vorliegenden Offenbarung kann ein solcher Strom als begrenzter Rückwärtsstrom und ein solcher Verfahrensansatz als rückwärtsstrombegrenzter Kurzschluss bezeichnet werden. Der Begriff „rückwärts“ wird hier verwendet, weil der angelegte Strom bewirkt, dass die Ionen in einer Richtung weg von der ionenselektiven Membran ausgetragen werden, statt dass die Ionen zur ionenselektiven Membran hin wandern. Die Dauer des angelegten Stroms kann mindestens 10 Sekunden, mindestens 15 Sekunden, mindestens 20 Sekunden, mindestens 30 Sekunden, mindestens 60 Sekunden usw. betragen. In einigen Fällen können der angelegte Strom und/oder die Dauer des angelegten Stroms vom Durchmesser der ionenselektiven Membran abhängen. Der angelegte Strom kann beispielsweise kleiner als 10 nA sein, wenn der Durchmesser der ionenselektiven Membran etwa 1,5 mm beträgt. Eine ionenselektive Membran mit einem größeren Durchmesser kann das Anlegen eines höheren Stroms erfordern.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Entfernen mindestens des Ions umfassen, dass eine lineare Abtast-Voltammetrie angelegt wird, die mindestens das Ion von/aus der ionenselektiven Membran entfernt, wobei die lineare Abtast-Voltammetrie eine Abtastrate von 3 mV/s bis 5 mV/s aufweisen kann und der lineare Abtast-Voltammetriebereich 30 mV bis 50 mV betragen kann (beispielsweise kann die Startspannung der Ruhepotentialwert sein und die Stoppspannung kann der Ruhepotentialwert plus 30 mV bis 50 mV sein). Anders ausgedrückt: die lineare Abtast-Voltammetrie kann eine Abtastrate von 3 mV/s bis 5 mV/s aufweisen und der angelegte lineare Abtast-Voltammetriebereich kann einen Wert aufweisen, der in einer Spanne vom Ruhepotentialwert bis zu einem Wert 30 mV bis 50 mV höher als der Ruhepotentialwert liegen. Die Dauer des Anlegens der linearen Abtast-Voltammetrie kann auf die Abtastrate und den Abtastbereich abgestellt sein. Werden beispielsweise ein Abtastbereich von 40 mV und eine Abtastrate von 4 mV/s verwendet, kann die Anlegedauer der linearen Abtast-Voltammetrie ausgewählt werden, indem der Abtastbereich durch die Abtastrate geteilt wird (zum Beispiel 40 mV ÷ 4 mV/s = 10 Sekunden). In einigen Ausführungsformen kann die Abtastrate 3 mV/s bis 5 mV/s betragen, wenn der angelegte lineare Abtast-Voltammetriebereich 30 mV bis 50 mV beträgt (Startspannung: Ruhepotentialwert, Stoppspannung: Ruhepotentialwert plus 30 mV bis 50 mV), so dass eine 10-sekündige Abtastdauer aufrechterhalten wird. Diese besondere Dauer ist bedienerfreundlich in dem Sinne, dass sie dem Benutzer viel Zeit zur Bedienung des Instruments und zur Erfassung ausreichender Daten gibt. In der vorliegenden Offenbarung kann die angelegte lineare Abtast-Voltammetrie als rückwärtslineare Abtast-Voltammetrie bezeichnet werden. Der Begriff „rückwärts“ wird hier verwendet, weil die angewendete Voltammetrie bewirkt, dass die Ionen, zum Beispiel einwertigen Ionen, in einer Richtung weg von der ionenselektiven Membran ausgetragen werden, statt dass die Ionen zur ionenselektiven Membran hin wandern.
Die Anwendung der linearen Abtast-Voltammetrie zum Entfernen mindestens des Ions kann auch das Anlegen eines Stroms beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann der für die lineare Abtast-Voltammetrie verwendete Strom auf kleiner als 10 nA, kleiner als 9 nA, kleiner als 8 nA, kleiner als 7 nA, kleiner als 6 nA, kleiner als 5 nA, kleiner als 4 nA, kleiner als 3 nA, kleiner als 2 nA oder kleiner als 1 nA bemessen oder begrenzt sein. Der angelegte Strom kann auch vom Durchmesser der ionenselektiven Membran abhängen, wie oben bereits beschrieben. Der Strom, der angelegt wird, wenn zum Entfernen mindestens des Ions eine lineare Abtast-Voltammetrie verwendet wird, kann wiederum beispielsweise kleiner als 10 nA sein, wenn der Durchmesser der ionenselektiven Membran etwa 1,5 mm beträgt. Bei einer ionenselektiven Membran mit einem größeren Durchmesser kann ein höherer Strom für die lineare Abtast-Voltammetrie erforderlich sein. Dementsprechend kann die Anwendung der linearen Abtast-Voltammetrie beinhalten, dass kurzzeitig ein Rückwärtsstrom angelegt wird, um das/die lon(en), zum Beispiel das/die einwertige(n) lon(en), aus der ionenselektiven Membran herauszubewegen. Das Anlegen von 4 mV/s ist ein nicht-einschränkendes Beispiel bei Verwendung einer linearen Abtast-Voltammetrie von bis zu 40 mV (Startspannung: Ruhepotentialwert, Stoppspannung: Ruhepotentialwert + 40mV). Der in einem solchen Beispiel angelegte Strom kann 10 nA betragen. Der Abtastbereich der linearen Abtast-Voltammetrie, der anzulegende Strom und die Abtastdauer können bei bestimmten Ausführungsformen die Grundlage für die Auswahl der Abtastrate bilden. In einigen Ausführungsformen kann die Dauer 10 Sekunden und der Abtastbereich 30 mV bis 50 mV betragen (Startspannung: Ruhepotentialwert, Stoppspannung: Ruhepotentialwert plus 30 mV bis 50 mV), und die Abtastrate kann auf dieser Basis bei 3 mV/s bis 5 mV/s liegen.
In einigen Ausführungsformen kann das Entfernen mindestens des Ions die Anwendung einer Amperometrie umfassen, die mindestens das Ion aus der ionenselektiven Membran entfernt. In einigen Ausführungsformen kann die Anwendung der Amperometrie beinhalten, dass ein konstanter Rückwärtsstrom angelegt wird, der kleiner als 10 nA, kleiner als 9 nA, kleiner als 8 nA, kleiner als 7 nA, kleiner als 6 nA, kleiner als 5 nA, kleiner als 4 nA, kleiner als 3 nA, kleiner als 2 nA oder kleiner als 1 nA sein kann. Die Dauer des angelegten amperometrischen Stroms kann mindestens 10 Sekunden, mindestens 15 Sekunden, mindestens 20 Sekunden, mindestens 30 Sekunden, mindestens 60 Sekunden usw. betragen. In einigen Fällen kann die Dauer 10 Sekunden betragen. In bestimmten Fällen können der angelegte amperometrische Strom und/oder die Dauer des angelegten amperometrischen Stroms vom Durchmesser der ionenselektiven Membran abhängen. Der angelegte amperometrische Strom kann beispielsweise kleiner als 10 nA sein, wenn der Durchmesser der ionenselektiven Membran etwa 1,5 mm beträgt. Eine ionenselektive Membran mit einem größeren Durchmesser kann das Anlegen eines höheren Stroms erfordern. Der Ausdruck „rückwärts“ hat die gleiche Bedeutung wie oben bereits beschrieben. Die Vorteile eines solchen Stroms und einer solchen Dauer sind bereits weiter oben beschrieben.
Zur Durchführung von mehrfachen Potentialmessungen für mehr als einen Flüssigelektrolyten (zum Beispiel andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten oder auch für den gleichen Flüssigelektrolyten) kann das vorliegende Verfahren ferner umfassen: Reinigen des ionenselektiven Elektrodensensors durch Entfernen des Flüssigelektrolyten vom ionenselektiven Elektrodensensor nach dem Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions; Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit dem andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten nach dem Reinigen des ionenselektiven Elektrodensensors; Messen des Ruhepotentials des andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten; Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions vor dem Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit einem anderen Flüssigelektrolyten, der sich vom vorherigen Flüssigelektrolyten unterscheidet oder mit diesem identisch ist, wobei der vorherige Flüssigelektrolyt einer Ruhepotentialmessung unterzogen wurde; und Wiederholen von Reinigungsschritt bis Entfernungsschritt für mehrere Ruhepotentialmessungen von mehreren Flüssigelektrolyten. Für solche Mehrfachmessungen ist das Entfernen mindestens des an die ionenselektive Membran absorbierten Ions weiter oben bereits beschrieben. Das Messen des Ruhepotentials, beispielsweise für den andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten, kann eine Dauer von mindestens 10 Sekunden aufweisen und der Vorteil einer mindestens 10-sekündigen Ruhepotentialmessung wurde ebenfalls bereits weiter oben beschrieben. Diese Schritte sind vorteilhaft, da dadurch der Sensor ohne Nachkalibrierung für mehrere aufeinanderfolgende Potentialmessungen am identischen oder unterschiedlichen Flüssigelektrolyten betrieben werden kann. Der Sensor kann beispielsweise verwendet werden, um die Potentiale eines ersten Flüssigelektrolyten zu messen. Nach dem Entfernen mindestens des absorbierten Ions von der ionenselektiven Membran und nach dem Reinigen des Sensors zur Beseitigung des ersten Flüssigelektrolyten kann der Sensor ohne Rekalibrierung zum Messen der Potentiale eines zweiten Flüssigelektrolyten verwendet werden. Anschließend kann nach dem Wiederholen des Entfernungs- und Reinigungsschritts der Sensor zum Messen des Potentials eines dritten Flüssigelektrolyten betrieben werden. Zudem können beispielsweise der erste bis dritte Elektrolyt gleiche oder unterschiedliche Elektrolyte sein. Der erste bis dritte Elektrolyt können zum Beispiel gleiche Elektrolyte sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Reinigen des ionenselektiven Elektrodensensors geeignete Mittel zum Entfernen des Flüssigelektrolyten oder von Flüssigelektrolyt-Rückständen am Sensor umfassen. Das kann beispielsweise das Abwischen oder Wegtrocknen des Flüssigelektrolyten vom Sensor beinhalten. Nachdem die Ionen von der ionenselektiven Membran entfernt und in den Flüssigelektrolyten zurückgeführt wurden, werden im Flüssigelektrolyten verbliebene Restionen durch das Beseitigen des Flüssigelektrolyten vom Sensor vorteilhaft entfernt. Mit anderen Worten ist hier zu unterscheiden, dass bei diesem Reinigungsschritt Ionen entfernt werden, die im Flüssigelektrolyten vorliegen, und nicht die Ionen, die an der ionenselektiven Membran adsorbiert oder in der ionenselektiven Membran eingelagert oder an der Membran/Flüssigkeitsgrenze angelagert sind. Die adsorbierten oder angelagerten Ionen können entweder in der Matrix der ionenselektiven Membran gefangen sein oder an der Membran/Flüssigkeitsgrenze an der Doppelschicht anhaften, wobei ein solches Reinigen nicht die adsorbierten oder angelagerten Ionen beseitigt.
Nach der Gewinnung der Potentialmesswerte aus einem Flüssigelektrolyten kann die Aktivität oder Konzentration des Ions bestimmt werden. Die Bestimmung der Konzentration des Ions kann hierbei ferner umfassen: Korrelieren des vom ionenselektiven Elektrodensensor gemessenen Ruhepotentials oder Spannungswerts mit einer vorab erstellten Standardkurve, wobei die vorab erstellte Standardkurve ein Graph des Potentials in Abhängigkeit von einem Logarithmus der Konzentration des Ions beziehungsweise ein Graph der Spannung in Abhängigkeit von einem Logarithmus der Konzentration des Ions sein kann.
Das Potential beziehungsweise die Spannung ist das Potential bzw. die Spannung, das/die an einem Probeflüssigelektrolyten mit Hilfe eines durch das vorliegende Verfahren betriebenen ionenselektiven Elektrodensensors gemessen wird. Sobald die gemessenen Potential- oder Spannungsdaten vorliegen, können diese mit Hilfe der Steigung der vorab erstellten Standardkurve in Korrelation zum Logarithmus einer Konzentration des Ions gesetzt werden. Die vorab erstellte Standardkurve kann mit Hilfe der Nernst-Gleichung und/oder eines bereits bekannten Zusammenhangs zwischen den Potentialen oder Spannungen und dem Logarithmus von Konzentrationen des speziellen Ions hergeleitet werden. Das Korrelieren kann eine Interpolation oder Extrapolation umfassen. Der ionenselektive Sensor kann beispielsweise ein gemessenes Potential bereitstellen. Der entsprechende Logarithmus der Konzentration des Ions kann anhand des gemessenen Potentials aus der vorab erstellten Standardkurve abgelesen werden. Die Konzentration des Ions in einem Probeflüssigelektrolyten wird dann aus dem Logarithmus der Konzentration berechnet.
Das vorliegende Verfahren erlaubt vorteilhaft die Bestimmung einer Konzentration eines Ions in einem Probeflüssigelektrolyten mit einem Fehler von maximal ±6 %, auch ohne Rekalibrierung und für aufeinanderfolgende Mehrfachmessungen. In verschiedenen Ausführungsformen weist die Bestimmung der Konzentration des Ions im Flüssigelektrolyten einen Fehler von ±6% oder weniger, ±5% oder weniger, ±4% oder weniger, ±3% oder weniger, ±2% oder weniger, ±1% oder weniger, usw. auf. Die sensorübergreifende Abweichung kann auch auf ±6% oder weniger, ±5% oder weniger, ±4% oder weniger, ±3% oder weniger, ±2% oder weniger, ±1% oder weniger usw. reduziert werden.
Das vorliegende Verfahren erlaubt vorteilhaft Potentialmessungen, die einem kleinen Konzentrationsbereich entsprechen, ohne an einem super-Nernstschen Ansprechverhalten zu leiden. Anders ausgedrückt: das vorliegenden Verfahren unterdrückt ein super-Nernstsches Ansprechverhalten, das auftreten könnte, wenn die Konzentrationsdifferenz des jeweils gemessenen Flüssigelektrolyten zu klein, d. h. kleiner als 1 mM, ist, wodurch sich wiederum die Auflösung eines ionenselektiven Elektrodensensors erhöht. Gemäß verschiedenen nichteinschränkenden Ausführungsformen kann die Konzentration des Ions (zum Beispiel einwertigen Ions) kleiner als 9 mM, kleiner als 8 mM, kleiner als 7 mM, kleiner als 6 mM, kleiner als 5 mM, kleiner als 4 mM usw. sein. In bestimmten Ausführungsformen kann der im Rahmen des Gesundheitsmonitorings messbare Konzentrationsbereich eines Ions (zum Beispiel eines einwertigen Ions wie Blutkalium) 3,5 mM bis 5,5 mM betragen. Die Konzentration des Messions kann in einigen Ausführungsformen größer als 9 mM sein. Die zwischen den jeweiligen gemessenen Flüssigelektrolyten auftretende Konzentrationsdifferenz, die zu einem super-Nernstschen Ansprechverhalten führen kann, kann kleiner als 1 mM sein. Das vorliegende Verfahren überwindet dieses super-Nernstsche Ansprechverhalten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ion ein spezielles Ion sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ion ein einwertiges Ion, ein zweiwertiges Ion, ein dreiwertiges Ion usw. sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ion ein einwertiges Ion, ein zweiwertiges Ion und/oder ein dreiwertiges Ion umfassen oder sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das einwertige Ion ein Natrium-Ion, ein Lithium-Ion, ein Kalium-Ion und/oder ein Ammonium-Ion usw. umfassen oder sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das zweiwertige Ion ein Calcium-Ion, ein Magnesium-Ion, ein Cadmium-Ion, ein Blei-Ion usw. umfassen oder sein. Nicht-einschränkende Beispiele eines dreiwertigen Ions sind Aluminium, Bor usw. Es sind auch andere mit einer ionenselektiven Elektrode nutzungsverträgliche Ionen anwendbar.
Das vorliegende Verfahren kann verwendet werden, um die Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten zu bestimmen. Der Flüssigelektrolyt kann eine wässrige Lösung sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Flüssigelektrolyt eine Blutprobe sein.
Wie oben bereits erwähnt, erfordert das vorliegende Verfahren keine Rekalibrierung. Das bedeutet auch, dass kein Kalibriernormal (beispielsweise keine zum Kalibrieren der Potentialmessungen verwendete Substanz) erforderlich ist.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch einen ionenselektiven Elektrodensensor bereit, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens, wie hier beschrieben, betrieben werden kann oder betrieben wird. Der ionenselektive Elektrodensensor kann eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfassen, wobei die erste Elektrode einen Polymerwandler und eine ionenselektive Membran umfassen kann, wobei die zweite Elektrode eine Silberelektrode sein kann, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit einem Potentiostat verbunden werden können, um eine oder mehrere Ruhepotentialmessungen eines oder mehrerer Flüssigelektrolyten zu ermöglichen, um so eine Konzentration eines Ions in dem einen oder den mehreren Flüssigelektrolyten zu bestimmen, und wobei die ionenselektive Membran so ausgestaltet werden kann, dass sie das Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions gestattet.
Vorteile, die im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens weiter oben beschrieben sind, können auch für den vorliegenden ionenselektiven Elektrodensensor gelten, und umgekehrt.
Um mindestens das an der ionenselektiven Membran absorbierte Ion zu entfernen, kann die erste Elektrode, die die ionenselektive Membran umfasst, elektrisch mit einer Vorrichtung verbunden werden, die einen Strom anlegt, der mindestens das an der ionenselektiven Membran adsorbierte Ion entfernt, oder mit einer Vorrichtung zur Anwendung der linearen Abtast-Voltammetrie oder Amperometrie verbunden werden. Die Schritte zum Anlegen des Stroms und zur Anwendung der linearen Abtast-Voltammetrie und Amperometrie wurden bereits in verschiedenen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens beschrieben. Auch die Arten von Ionen wurden weiter oben bereits beschreiben.
In der vorliegenden Offenbarung schließt der Ausdruck „im Wesentlichen“ die Bedeutung „vollständig“ nicht aus, zum Beispiel kann eine Zusammensetzung, die „im Wesentlichen frei“ von Y ist, auch vollständig frei von Y sein. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ kann in der Definition der Erfindung gegebenenfalls weggelassen sein.
Im Kontext verschiedener Ausführungsformen beinhalten die Artikel „ein(e)“ und „der/die/das“, wenn in Bezug auf ein Merkmal oder ein Element gebraucht, auch den Bezug auf eines oder mehrere dieser Merkmale oder Elemente.
Im Kontext verschiedener Ausführungsformen sind im Begriff „etwa“ oder „ca.“, wenn für einen Zahlenwert gebraucht, auch der exakte Wert und eine angemessene Varianz mit erfasst.
Im vorliegenden Sprachgebrauch umfasst der Ausdruck „und/oder“ sämtliche Kombinationen der einen oder mehreren entsprechend aufgezählten Positionen.
Die hier illustrativ beschriebene Erfindung kann auch dann auf geeignete Weise praktisch ausgeführt werden, wenn ein Element oder Elemente, eine Einschränkung oder Einschränkungen, die hier nicht speziell offenbart sind, fehlen. Somit sind die Ausdrücke „umfassen“, „beinhalten“, „enthalten“ usw. in breiter Lesart und ohne Einschränkung zu deuten. Das Wort „umfassen“ und dessen Varianten wie „umfasst“ oder „umfassend“ sind dementsprechend so zu verstehen, dass es den Einschluss einer genannten ganzen Zahl oder einer genannten Gruppe von ganzen Zahlen, aber nicht den Ausschluss einer beliebigen anderen ganzen Zahl oder einer beliebigen anderen Gruppe von ganzen Zahlen impliziert. Darüber hinaus sind die im vorliegenden Text verwendeten Wörter und Ausdrücke beschreibend und nicht einschränkend gebraucht und die Verwendung dieser Wörter und Ausdrücke erfolgt nicht in der Absicht, etwaige Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder Teilmerkmale auszuschließen, sondern es wird anerkannt, dass innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung verschiedene Änderungen möglich sind. Es versteht sich somit, dass die vorliegende Erfindung zwar durch beispielhafte Ausführungsformen und optionale Merkmale speziell offenbart wurde, aber dennoch eine Änderung und Abwandlung der hier offenbarten derart ausgeführten Erfindungen durch fachkundige Personen vorgenommen werden kann, und dass solche Änderungen und Abwandlungen als im Umfang der Erfindung mit enthalten gelten.
BEISPIELE
In der vorliegenden Offenbarung wurde ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, um ein rekalibrierungsfreies potentiometrisches Verfahren zu realisieren, das ein super-Nernstsches Ansprechverhalten verhindert, wenn die Konzentration eines einwertigen Ions in einem kleinen Konzentrationsbereich oder -intervall bestimmt wird. Das vorliegende Verfahren reduziert auch die Ansprechzeit durch Beseitigung des ionenflussbedingten „Gedächtnis“-Effekts.
Das vorliegende Verfahren beinhaltet eine zweistufige Verfahrensweise zum (1) Ausführen einer potentiometrischen Messung und (2) einen Rückwärtsschaltungsprozess. Das vorliegende Verfahren wird als „rekalibrierungsfrei“ bezeichnet, da weder ein Kalibriernormal noch andere Rekalibrierungsmittel erforderlich sind.
Bei einer Einzelmessung könnte auf Grundlage des vorliegenden Verfahrens eine mehrmalige Wiederholung erfolgen, bevor ein Durchschnittspotential für eine bestimmte Konzentration ermittelt wird. Bei Mehrfachmessungen könnte die zweistufige Verfahrensweise für jede Konzentration vorgenommen werden.
Der Rückwärtsschaltungsprozess von (2) kann mit einem strombegrenzten Kurzschluss, einer Rückwärts-Amperometrie oder einer rückwärtslinearen Sweeping-Voltammetrie (LSV) usw. arbeiten. Ziel von (2) ist die Abführung des Grenzpotentials an der ionenselektiven Membran [d. h. das Beseitigen von Überschussladungen oder das Entfernen der an der ionenselektiven Membran (ISM) adsorbierten und/oder angelagerten lonenspezies] aus (einer) vorangegangenen Messung(en).
Das vorliegende Verfahren ermöglicht potenziell das Betreiben eines rekalibrierungsfreien mikrofluidischen ionenselektiven Elektrodensensors.
Um das Verständnis und die praktische Umsetzung der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, werden nun besondere Ausführungsformen anhand der folgenden nichteinschränkenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1: Herkömmliche Potentiometrie (für mehrere Flüssigelektrolyten)
Ein typisches herkömmliches potentiometrisches Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte:

1. Messen des Ruhepotentials eines Flüssigelektrolyten über 60 Sekunden mit Hilfe des ISE-Sensors. Der ISE-Sensor kann ein Festkontaktsensor sein. Der Ausdruck „Festkontakt“ bedeutet, dass der ISE-Sensor ein Sensor von fester Beschaffenheit ist und zur Ausführung der Messung einfach mit der Probe in Kontakt gebracht werden kann.
2. Reinigen des ISE-Sensors beispielsweise durch Abwischen des Flüssigelektrolyten vom Sensor.
3. Messen des Ruhepotentials eines anderen Flüssigelektrolyten (zum Beispiel gleichartigen oder andersartigen Flüssigelektrolyten) über 60 Sekunden mit Hilfe des ISE-Sensors.

Es wurde ein herkömmliches potentiometrisches Verfahren für mehrere Potentialmessungen anhand der obigen Verfahrensweisen ausgeführt. Die verwendete Flüssigelektrolyt-Probe enthielt Kalium-Ionen. Es wurden ein Konzentrationsbereich von 3,5 mM bis 5,5 mM und ein Konzentrationsintervall von 0,5 mM verwendet. Das Ruhepotential wurde berechnet, indem aus den Daten der letzten 10 Sekunden der Messungen der Mittelwert berechnet wurde. Die Ergebnisse sind in 2A und 2B dargestellt.
Wie aus 2A ersichtlich, zeigten die Ruhepotential-Messergebnisse ein Potentialgefälle von etwa 10 mV (dargestellt durch F) für einen kleinen Konzentrationsschritt von ≤ 0,5 mM, welches höher ist als das theoretische Potentialgefälle von etwa 3 mV auf Grundlage einer Nernstschen Steigung von 59 mV/dec. Dies führte zu einem super-Nernstschen Ansprechverhalten mit einer Steigung von 239 mV/dec und einem E_o von 847 mV. Tabelle 1 unten zeigt die Steigungen und den E_o von unterschiedlichen Sensoren aus dem gleichen Fertigungslos mit Hilfe herkömmlicher Potentiometrie. Tabelle 1 - Steigungen und E_o des Ruhepotential-Ansprechverhaltens von ISE-Sensoren des gleichen Fertigungsloses bei Prüfung mit herkömmlicher Potentiometrie

Streifen-ID Steigung E_o

6 239 847

8 86 550

9 95 537

10 394 1194

11 141 685
Alle fünf Streifen zeigen ein breit gefächertes super-Nernstsches Ansprechverhalten und ein stark abweichendes E_o bei einem Konzentrationsintervall von ≤ 0,5 mM.
Beispiel 2: Vorliegendes potentiometrisches Verfahren mit „rückwärtsstrombegrenztem“ Kurzschluss (für mehrere Flüssigelektrolyten)
Das in diesem Beispiel dargestellte vorliegende potentiometrische Verfahren beinhaltet einen Schritt zum Messen des Ruhepotentials eines Flüssigelektrolyten und Anlegen eines strombegrenzten Kurzschlusses an den ISE-Sensor. Das vorliegende Verfahren, wie in diesem Beispiel beschrieben, gilt für mehrere aufeinanderfolgende Messungen. Es folgt ein Beispiel der verwendeten speziellen Schritte.

1. Das Ruhepotential eines Kalium-Ionen enthaltenden Flüssigelektrolyten wurde über 200 Sekunden mit Hilfe eines ISE-Festkontaktsensors gemessen.
2. Dann wurde ein rückwärtsstrombegrenzter Kurzschluss für 10 Sekunden angelegt. Der Strom wurde auf kleiner als 10 nA begrenzt.
3. Der ISE-Sensor wurde anschließend gereinigt, beispielsweise durch Abwischen des Flüssigelektrolyten vom Sensor.
4. Das Ruhepotential eines anderen Flüssigelektrolyten (zum Beispiel eines gleichartigen oder andersartigen Flüssigelektrolyten) wurde für 100 Sekunden mit Hilfe des ISE-Sensors gemessen.
5. Dann wurde ein rückwärtsstrombegrenzter Kurzschluss von kleiner als 10 nA für 10 Sekunden angelegt.
6. Schritte (3) bis (5) wurden wiederholt.

Die aus dem vorliegenden Verfahren mit Hilfe des rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses erhaltenen Ergebnisse sind in 3A bis 3C dargestellt. Die Ruhepotential-Messergebnisse zeigten ein Potentialgefälle von etwa 3 mV (siehe beispielsweise das durch vi dargestellte Gefälle in 3A) für ein kleines Konzentrationsintervall von 0,5 mM, welches auf Grundlage einer Nernstschen Steigung von 59 mV/dec gleich dem theoretischen Potentialgefälle von etwa 3 mV ist. Mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens wurden die angelagerten Kalium-Ionen durch Anlegen eines rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses aus der ISM und/oder ISM-Grenze entfernt. Dies wurde an fünf ISE-Sensoren ausgeführt, die alle ein angemessenes Nernstsches Ansprechverhalten im Bereich von 415 mV bis 480 mV und 58 mV/dec bis 71 mV/dec für E_o beziehungsweise Steigung ergaben. Die Ergebnisse für die fünf Sensoren sind in 4 und Tabelle 2 unten dargestellt. Tabelle 2 - Steigungen und E_o von fünf Sensoren bei Anlegen eines rückwärtsstrombegrenzten Kurzschlusses

Streifen-ID Steigung E_o

2 71 466

5 67 457

6 58 461

7 58 415

8 62 481
Die Ruhepotentialdaten in Tabelle 2 wurden durch Mittelwertbildung aus den Daten der letzten 10 Sekunden der Messungen berechnet.
Beispiel 3: Vorliegendes potentiometrisches Verfahren mit rückwärtslinearer Abtast-Voltammetrie (für mehrere Flüssigelektrolyten)
Das in diesem Beispiel beschriebene vorliegende potentiometrische Verfahren beinhaltet einen Schritt zum Messen des Ruhepotentials eines Flüssigelektrolyten und Anlegen einer linearen Abtast-Voltammetrie (LSV) mit einer Abtastrate von beispielsweise 4 mV/s an den ISE-Sensor. Die LSV kann mit einem Abtastbereich, der einen beliebigen Wert von beispielsweise 30 mV bis 50 mV aufweist, angelegt werden. In anderen Worten kann die Startspannung den Ruhepotentialwert betragen und die Stoppspannung kann den Ruhepotentialwert plus 30 mV bis 50 mV betragen. Das vorliegende Verfahren, wie in diesem Beispiel beschrieben, gilt für mehrere aufeinanderfolgende Messungen. Es folgt ein Beispiel der verwendeten speziellen Schritte.

1. Das Ruhepotential eines Kalium-Ionen enthaltenden Flüssigelektrolyten wurde für 100 Sekunden mit Hilfe eines ISE-Festkontaktsensors gemessen.
2. Dann wurde eine Rückwärts-LSV mit einer Abtastrate von 4 mV/s angelegt, und der Abtastbereich lag im Bereich vom letzten Ruhepotentialmesswert (d. h. Ruhepotential₁) bis zu einem Potential von 40 mV höher als Ruhepotentiali.
3. Der ISE-Sensor wurde anschließend gereinigt, beispielsweise durch Abwischen des Flüssigelektrolyten vom Sensor.
4. Das Ruhepotential eines anderen Flüssigelektrolyten (zum Beispiel eines gleichartigen oder andersartigen Flüssigelektrolyten) wurde für 100 Sekunden mit Hilfe des ISE-Sensors gemessen.
5. Dann wurde eine Rückwärts-LSV mit einer Abtastrate von 4 mV/s angelegt, und der Abtastbereich lag in einem Bereich vom letzten Ruhepotentialmesswert (d. h. Ruhepotential₂) bis zu einem Potential von 40 mV höher als Ruhepotential₂.
6. Die Schritte (3) bis (5) wurden wiederholt.

Die obigen Schritte wurden bei zwei Sensoren ausgeführt und die Ergebnisse sind in 5 dargestellt, wo ein Vergleich mit zwei anderen Sensoren enthalten ist, die einer in Beispiel 1 beschriebenen herkömmlichen Potentiometrie unterzogen wurden. Die Ruhepotential-Messergebnisse sind in Tabelle 3 unten aufgeführt. Tabelle 3 - Steigungen und E_o von zwei Sensoren bei Anlegen einer Rückwärts-LSV

Streifen-ID Herkömmliche Potentiometrie Vorliegendes Verfahren mit LSV

Steigung E_o Steigung E_o

1 97 577 65 490

2 90 568 58 495
Vor dem Anlegen der Rückwärts-LSV zum Abführen der angelagerten Ionen an den ISM-Grenzdoppelschichten lieferte die herkömmliche Potentiometrie bei mehrfachen Potentialmessungen im Konzentrationsbereich von 3,5 mM bis 5,5 mM und einem Konzentrationsintervall von 0,5 mM nur ein super-Nernstsches Ansprechverhalten. Das liefert den Nachweis, dass bei Einsatz des vorliegenden Verfahrens die angelagerten Kalium-Ionen durch Anlegen der Rückwärts-LSV von der ISM und/oder ISM-Grenze entfernt wurden, wodurch das super-Nernstsche Ansprechverhalten, die sensorübergreifende Abweichung und die Messwertdrift bei mehrfachen Potentialmessungen unter Verwendung des gleichen Sensors eliminiert wurden.
Beispiel 4: Vorliegendes potentiometrisches Verfahren mit rückwärtslinearer Abtast-Voltammetrie (für einen einzelnen Flüssigelektrolyten)
Das vorliegende potentiometrische Verfahren zum Messen eines einzelnen Flüssigelektrolyten ist im Allgemeinen identisch mit dem in Beispiel 3 oben beschriebenen Verfahren. Beispielsweise gibt es einen Schritt zum Messen des Ruhepotentials eines Flüssigelektrolyten und Anlegen einer linearen Abtast-Voltammetrie (LSV) mit einer Abtastrate von beispielsweise 4 mV/s an den ISE-Sensor. Die LSV kann mit einem Abtastbereich, der einen beliebigen Wert beispielsweise von 30 mV bis 50 mV aufweist, angelegt werden (Startspannung: Ruhepotentialwert, Stoppspannung: Ruhepotentialwert plus 30 mV bis 50 mV). Es folgt ein Beispiel der verwendeten speziellen Schritte.

1. Das Ruhepotential eines Kalium-Ionen enthaltenden Flüssigelektrolyten wurde für 10 Sekunden mit Hilfe eines ISE-Festkontaktsensors gemessen.
2. Dann wurde eine Rückwärts-LSV mit einer Abtastrate von 4 mV/s angelegt, und der Abtastbereich lag im Bereich vom letzten Ruhepotentialmesswert (d. h. Ruhepotential₁) bis zu einem Potential von 40 mV höher als Ruhepotential₁.
3. Der ISE-Sensor wurde anschließend gereinigt, beispielsweise durch Abwischen des Flüssigelektrolyten vom Sensor.
4. Das Ruhepotential des gleichen Flüssigelektrolyten wurde nochmals für 10 Sekunden mit Hilfe des ISE-Sensors gemessen.
5. Dann wurde eine Rückwärts-LSV mit einer Abtastrate von 4 mV/s angelegt, und der Abtastbereich lag im Bereich vom letzten Ruhepotentialmesswert (d. h. Ruhepotential₂) bis zu einem Potential von 40 mV höher als Ruhepotential₂.
6. Die Schritte (3) bis (5) wurden 10 Mal wiederholt.

Die auf Grundlage der obigen Schritte für ein und dieselbe Art von Flüssigelektrolyt erhaltenen Ergebnisse sind in 6 dargestellt. 6 beinhaltet einen Vergleich mit einem Sensor, der einer in Beispiel 1 beschriebenen herkömmlichen Potentiometrie unterzogen wurde.
Aus 6 lässt sich ersehen, dass im Gegensatz zum beobachteten Potentialanstieg (Drift) bei kontinuierlichen aufeinanderfolgenden Ruhepotentialmessungen mittels herkömmlicher Ruhepotentialmessung (durch die untere Linie dargestellt) das vorliegende Sensorbetriebsverfahren bei einer einzelnen Flüssigelektrolytmessung eine effektive Kontrolle mittels einer flachen Trendkurve mit konstantem Ruhepotential (durch die obere Linie dargestellt) erzielte. Die beobachtete Datenpunktabweichung für wiederholte Ruhepotentialmessungen, die auf Grundlage des vorliegenden Verfahrens ausgeführt wurden, liegt in einem Bereich von ±5 mV. Die herkömmliche Potentiometrie zeigte indessen im gleichen Zeitrahmen in einem Bereich von ±5 mV ein kontinuierliches Ansteigen der Ruhepotentiale ab der vorhergehenden driftbelasteten Messung. Das vorliegende Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors ist somit vielversprechend, da ein „driftfreies“ ISE-Ansprechverhalten erreichbar ist. Dies vermeidet wiederum die Notwendigkeit einer Rekalibrierung bei der Detektion von Ionen oder bei der Konzentrationsbestimmung von Ionen in einem Flüssigelektrolyten. Es lässt sich eine kürzere Ansprechzeit sowie eine geringere Potentialabweichung erzielen. Für eine Messung an ein und derselben Art von Flüssigelektrolyt kann für den Sensor eine zyklische mikrofluidische Sensorgestaltung vorgesehen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines ionenselektiven Elektrodensensors zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in einem Flüssigelektrolyten, umfassend: Bereitstellen des ionenselektiven Elektrodensensors, wobei der ionenselektive Elektrodensensor eine ionenselektive Membran umfasst; Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit dem Flüssigelektrolyten; Messen eines Ruhepotentials des Flüssigelektrolyten; und Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions vor dem Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit einem andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst: Reinigen des ionenselektiven Elektrodensensors durch Entfernen des Flüssigelektrolyten vom ionenselektiven Elektrodensensor nach dem Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions; Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit dem andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten nach dem Reinigen des ionenselektiven Elektrodensensors; Messen des Ruhepotentials des andersartigen oder gleichartigen Flüssigelektrolyten; Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions vor dem Inkontaktbringen der ionenselektiven Membran mit einem anderen Flüssigelektrolyten, der sich vom vorherigen Flüssigelektrolyten unterscheidet oder mit diesem identisch ist, wobei der vorherige Flüssigelektrolyt einer Ruhepotentialmessung unterzogen wurde; und Wiederholen des Reinigungsschritts bis Entfernungsschritts für mehrere Ruhepotentialmessungen von mehreren Flüssigelektrolyten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messen des Ruhepotentials mindestens für 10 Sekunden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Entfernen mindestens des Ions das Anlegen eines Stroms umfasst, der mindestens das Ion aus der ionenselektiven Membran entfernt, wobei der Strom kleiner als 10 nA ist und der Strom für mindestens 10 Sekunden angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Entfernen mindestens des Ions das Anwenden einer linearen Abtast-Voltammetrie umfasst, die mindestens das Ion aus der ionenselektiven Membran entfernt, wobei die lineare Abtast-Voltammetrie eine Abtastrate von 3 mV/s bis 5 mV/s aufweist und die angewendete lineare Abtast-Voltammetrie einen Wert aufweist, der in einem Bereich vom Ruhepotentialwert bis zu einem Wert 30 mV bis 50 mV höher als der Ruhepotentialwert liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Entfernen mindestens des Ions das Anwenden einer Amperometrie umfasst, die mindestens das Ion aus der ionenselektiven Membran entfernt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bestimmen der Konzentration des Ions ferner umfasst: Korrelieren des vom ionenselektiven Elektrodensensor gemessenen Ruhepotentials oder Spannungswerts mit einer vorab erstellten Standardkurve, wobei die vorab erstellte Standardkurve ein Graph des Potentials in Abhängigkeit von einem Logarithmus der Konzentration des Ions beziehungsweise ein Graph der Spannung in Abhängigkeit von einem Logarithmus der Konzentration des Ions ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Ion ein einwertiges Ion, ein zweiwertiges Ion oder ein dreiwertiges Ion umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das einwertige Ion ein Ammonium-Ion, ein Natrium-Ion, ein Lithium-Ion oder ein Kalium-Ion umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Flüssigelektrolyt eine Blutprobe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren keine Rekalibrierung erfordert.
lonenselektiver Elektrodensensor, der nach einem Verfahren aus einem der Ansprüche 1 bis 11 betreibbar ist, wobei der ionenselektive Elektrodensensor eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode einen Polymerwandler und eine ionenselektive Membran umfasst, wobei die zweite Elektrode eine Silberelektrode ist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit einem Potentiostat verbunden werden können, um eine oder mehrere Ruhepotentialmessungen von einem oder mehreren Flüssigelektrolyten zur Bestimmung einer Konzentration eines Ions in dem einen oder den mehreren Flüssigelektrolyten zu ermöglichen, und wobei die ionenselektive Membran so ausgestaltet werden kann, dass sie das Entfernen mindestens des an der ionenselektiven Membran adsorbierten Ions gestattet.