DE202004017505U1 - Messsystem für elektrochemische Untersuchungen - Google Patents

Abstract

Messsystem für elektrochemische Untersuchungen in flüssigen Medien geringer Volumina mit hoher Reproduzierbarkeit, dadurch gekennzeichnet,
dass ein planares Keramiksubstrat (1) mit einer für die Redoxpotentialmessung geeigneten edelmetallischen Elektrode (2), mit einer weiteren edelmetallischen Elektrode (4), die aus dem gleichen oder aus einem anderen Material als (2) bestehen kann sowie mit einer dritten metallischen Elektrode (3), über der ein schwerlöslichen Salz dieses Metalls haftet, im dickschichttechnologischen Prozess beschichtet ist,
dass diese ein 3-Elektroden-Messsystem bildenden Elektroden über ebenfalls in Dickschichttechnologie ausgebildeten metallischen Leitbahnen abgeleitet werden,
dass der so gebildete Sensorchip teilweise von einer Isolierschicht (5) überdeckt ist,
dass der Sensorchip über eine spezielle zungenförmige Aufnahmevorrichtung (Zunge) (6) zum Zwecke der Messung in einer aus zwei Kunststoffteilen (A, B) bestehenden montierbaren Sensorhalterung (Sensorpad) fest verankert ist, wobei diese Verankerung über einen im Unterteil des Sensorpads (A) integrierten Hebel (9) gelöst werden kann,
dass das Sensorpad an der Berührungsstelle zum...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung des Redoxpotentials im Blut bzw. in weiteren organischen Medien, bestehend aus einem sensorischen und einem elektronischen Modul.
• Redoxpotentiale werden im Allgemeinen potentiometrisch bestimmt, d.h., es wird hochohmig die Potentialdifferenz zwischen einer Indikatorelektrode und einer elektrochemischen Referenzelektrode gemessen. Typische Indikatorelektroden bestehen im Kern z. B. aus edelmetallischen Blechen oder Drähten. Als Referenzelektroden werden u. a. Kalomelelektroden oder andere Elektroden 2. Art eingesetzt [F. Oehme: Ionenselektive Elektroden. Heidelberg: Hüthig Buch Verlag, 1991, 186]. Messgeräte stehen kommerziell sowohl für den Laboreinsatz als auch für industrielle Messungen vor allem aus der pH-Messtechnik zur Verfügung [L. Wilhelmy. Meßtechnik (1973) 87–89; P. Schuler, R. Degner: GIT-Fachz. Lab. 28 (1984) 785–790].
• Prinzipiell besteht die Möiglichkeit, die Indikator- und die Referenzelektrode (getrennte Messkette) mit jeweils einem festen Kabel auszustatten, über welches die elektrische Verbindung mit dem Messgerät hergestellt wird bzw. beide Elektroden einzeln mit Steckverbindern zu versehen oder Indikator- und Referenzelektrode zu kombinieren (Einstabmesskette) und auch hier wiederum eine feste Kabellösung oder die Steckverbindung zu realisieren.
• In der Mehrzahl der Fälle ist die zu vermessende Lösung in genügend großer Menge verfügbar, so dass sowohl getrennte als auch kombinierte Messketten in ein Volumen dieser Lösung (z. B. in ein Becherglas), beispielsweise zum Zwecke der elektrochemischen Redoxpotentialmessung, eingetaucht werden können. Kommt es zur Verunreinigung einer der beiden, meist zylinderförmigen Elektroden, können diese auf Grund ihrer Größe (häufiger Schaftdurchmesser: meist 12 ... 15 mm) relativ einfach vor- und nachbehandelt bzw. mechanisch gereinigt werden (Schleifen, Polieren u. ä.).
• Will man Blut oder andere Körperflüssigkeiten untersuchen, kommt es in der Regel darauf an, dem Patienten sowenig wie möglich Analyt zu entnehmen. Es ist daher erforderlich, eine weitestgehend miniaturisierte Messeinrichtung zu verwenden, insbesondere was deren sensorischen Teil anbelangt.
• Will man das Redoxpotential im Blut routinemäßig als diagnostischen Parameter, etwa zur Charakterisierung von dessen Antioxidanzienstatus [M. C. Polidori, W. Stahl, O. Eichler, I. Niestroj, H. Sies: Free Radical BiologyMedicine, Vol. 30, No. 5, pp. 456–462, 2001], verwenden, so ergibt sich die Notwendigkeit der sehr häufigen Messung dieser Größe jeweils an einer Vielzahl von Patienten. Hier bringt der Einsatz von kompakten edelmetallischen Halbzeugen, wie Blechen oder Drähten, als Konstruktionsmaterial für die Redoxelektrode zahlreiche Nachteile mit sich. Dominierend sind dabei die hohen Kosten der Materialien, wegen derer sich ein Verwerfen der Elektroden nach jeweils nur einem Messeinsatz (Einweg- oder Einmalsensorik), verbietet.
• Die beschriebene Problemstellung wird mit den im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
• Vorteilhaft wirkt sich die Substitution von kompakten edelmetallischen Körpern als sensorische Funktionselemente für die Redoxelektrode durch in Dickschichttechnik erzeugte Sensorstrukturen aus Gold, Platin oder Palladium neben weiteren sensorischen Strukturen auf einem planaren rechteckigen Keramiksubstrat und deren Verbindung mit- Leitbahnen, die mit einer Isolationsschicht abgedeckt sind aus, wobei zuletzt genannte gegenüber den edelmatallischen Sensorstrukturen eine größere Dicke aufweist und welche so gestaltet ist, dass das Mehrelektrodensystem frei in einer Messmulde liegt. Die Messmulde dient zur Aufnahme einer sehr geringen Flüssigkeitsmenge, wie sie z. B. von einem Blutstropfen repräsentiert wird.
• Mit den im Schutzanspruch 2 aufgeführten Merkmalen wird die Problematik der Sensorkonfektionierung gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind auch im nachfolgenden Schutzanspruch gegeben.
• Mit der Weiterbildung nach Schutzanspruch 2 wird erreicht, dass der Ort der Durchführung der Messung variabel gestaltet sein kann, d. h, der entnommene Blutstropfen oder dgl. kann, nachdem er in der Messmulde abgelegt worden ist, an unterschiedlichen Orten, z. B. auf einem Labortisch oder bei dessen Nichtverfügbarkeit auch an allen anderen Lokalitäten bestimmt werden. Die Gestaltung des hier vorgeschlagenen Sensorpads gestattet es letztendlich auch, es während der Messung in der Hand zu halten.
• Weiterbildung 3 ermöglicht es, neben der Registrierung der Messwerte auch eine bedarfsgerechte Vor- und/oder Nachbehandlung der Messelektrode durch elektrochemische Polarisation vorzunehmen und somit einen hohen Grad an Reproduzierbarkeit bei der Redoxpotentialmessung mit der in Dickschichttechnik erzeugten Redoxelektrode zu gewährleisten.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
• Das Messsystem besteht aus dem die Sensorik enthaltenden Sensorpad sowie dem Redoxscanner. Das Sensorpad dient zur Aufnahme und elektrischen Kontaktierung des Sensorchips und ist über Kabel mit dem Redoxscanner verbunden, welcher optional über eine USB-Schnittstelle mit einem PC kommuniziert.
• 1 zeigt eine mögliche Ausführung des Sensorchips, einem planaren Al₂O₃-basierten Keramiksubstrat 1 der Größe 15 mm × 25 mm, auf welchem in Dickschichttechnik eine kreisförmige Redoxelektrode 2 aus Gold, eine Silberchlorid-Referenzelektrode 3 und eine weitere Elektrode 4 aus Gold aufgebracht sind. Letztere ist schaltungstechnisch in der Weise in das Sensorkonzept eingebunden, dass sie gemeinsam mit den anderen Elektroden über den Redoxscanner an einem einfachen oder cyclischen potentiostatischen und/oder galvanostatischen Polarisationsprozess teilnehmen kann, mit dem Ziel, die Redoxelektrode 2 vor ihrem Messeinsatz zu konditionieren. Alle Elektroden sind ebenfalls dickschichttechnologisch mit Leitbahnen ausgestattet. Eine Isolierschicht 5 überdeckt das Substrat 1 in der Weise, dass die Elektroden in einer Mulde liegen, die mit ca. 100 μl Probenlösung, die z. B. durch einen Blutstropfen repräsentiert sein kann, füllbar ist.
• Das Sensorpad ist in 2 in mehreren Ansichten und Detaildarstellungen [a), b), c)] zu sehen. Es besteht aus zwei verschraubbaren Kunststoffteilen, z. B. aus POM. Die Zunge 6 des Unterteils A nimmt den Sensorchip auf. Dieser kann über den Hebel 9 (s. 2c)) ein- und ausgeschoben werden. Die in eine Nut 7 eingelegte Dichtung schützt das Innere des Sensorpads vor eindringendem Messmedium. Die Leiterbahnen auf dem Sensorchip werden im Inneren des Sensorpads mit Kabeln kontaktiert, die über Verbindungsstecker 10[s. 2c)], welche in Aufnahmebohrungen 8[s. 2a)] eingebracht sind, mit dem Redoxscanner in Verbindung gebracht werden können. Der Deckel B ist auf das Unterteil A dicht aufgeschraubt, so dass das Gesamtmodul C vorliegt.
• Der Redoxscanner ist ein Tischgerät, welches mit dem Sensorpad gemäß 3 über ein Kabel kommunizieren kann sowie über eine USB-Schnittstelle von einem PC mit Strom versorgt wird und Daten austauscht.
• Zeichnungen
• 1 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorchips zur Messung des Redoxpotentials
• 2 Sensorpad in ausgewählten Detaildarstellungen und in montierter Form: a) Unterteil b) Deckel; C: Gesamtansicht von unten
• 3 Funktionsablauf beim Tischmessgerät Redox-Scanner
• Darstellung der Bezugszeichen

1

Keramiksubstrat

2

Redoxelektrode

3

Referenzelektrode

4

zusätzliche Edelmetallelektrode

5

Isolierschicht

6

Zunge

7

Nut zur Dichtungsaufnahme

8

Bohrung zur Aufnahme eines Verbindungssteckers

9

Hebel

10

Verbindungsstecker

A

Unterteil

B

Deckel

C

vollständiges Sensorpad

Claims (3)

1. Messsystem für elektrochemische Untersuchungen in flüssigen Medien geringer Volumina mit hoher Reproduzierbarkeit, dadurch gekennzeichnet, dass ein planares Keramiksubstrat (1) mit einer für die Redoxpotentialmessung geeigneten edelmetallischen Elektrode (2), mit einer weiteren edelmetallischen Elektrode (4), die aus dem gleichen oder aus einem anderen Material als (2) bestehen kann sowie mit einer dritten metallischen Elektrode (3), über der ein schwerlöslichen Salz dieses Metalls haftet, im dickschichttechnologischen Prozess beschichtet ist, dass diese ein 3-Elektroden-Messsystem bildenden Elektroden über ebenfalls in Dickschichttechnologie ausgebildeten metallischen Leitbahnen abgeleitet werden, dass der so gebildete Sensorchip teilweise von einer Isolierschicht (5) überdeckt ist, dass der Sensorchip über eine spezielle zungenförmige Aufnahmevorrichtung (Zunge) (6) zum Zwecke der Messung in einer aus zwei Kunststoffteilen (A, B) bestehenden montierbaren Sensorhalterung (Sensorpad) fest verankert ist, wobei diese Verankerung über einen im Unterteil des Sensorpads (A) integrierten Hebel (9) gelöst werden kann, dass das Sensorpad an der Berührungsstelle zum Sensorchip eine Nut (7) enthält, in der eine Dichtung eingelegt ist, um während des Betriebes einen Zutritt von flüssigem Messmedium in das Innere des Pads zu verhindern, dass innerhalb des Sensorpads eine Kontaktierung mit den Leitbahnen des Sensorchips vorgenommen ist und dass über Verbindungsstecker (10), welche sich in Aufnahmebohrungen (8) in der Gehäusewandung des Sensorpads befinden eine elektrische Verbindung zum Redoxscanner hergestellt ist, welcher die Mess- und Betriebsschaltung für die Sensorik enthält und seinerseits mit einem PC kabelgebunden kommuniziert und über eine USB-Schnittstelle mit Strom gespeist wird.
2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Ausgangsmaterialien für die Elektroden (2) und (4) um für den dickschichttechnologischen Prozess hergestellte Gold-, Platin- oder Palladiumpasten handelt, dass Elektrode (3) aus Silber/Silberchlorid oder anderen Materialkombinationen, die eine elektrochemische Elektrode 2. Art repräsentieren besteht, und dass die Isolierschicht (5) das Keramiksubstrat (1) in der weise überdeckt, dass alle Elektroden (2, 3, 4) in einer Mulde liegen, die mit ca. 100 μl Probenlösung, die z. B. durch einen Blutstropfen repräsentiert sein kann, füllbar ist.
3. Messsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Redoxscanner um ein Tischgerät handelt, welcher neben der potentiometrischen Messschaltung für die Messung des Redoxpotentials im Blut und anderen organischen Medien und der dazugehörigen schaltungstechnischen Peripherie auch potentiostatische/galvanostatische Schaltungselektronik beinhaltet, um unter Einbeziehung der zusätzlichen, für die potentiometrische Redoxpotentialmessung nicht erforderlichen Edelmetallelektrode (4) eine elektrochemische Konditionierung des Sensorchips vor der Messung, z.B. in einer verdünnten oxidierenden Säure, vornehmen zu können.