DE3028569A1 - Bio:physico:chemical sensor - based on conductivity change of enzyme-coated membrane - Google Patents

Bio:physico:chemical sensor - based on conductivity change of enzyme-coated membrane

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Abstract

Device whose electrical conductivity changes in response to change in the surrounding conditions comprises an enzyme-coated membrane immersed in an electrically conductive liq. medium contg. a substrate which undergoes an enzyme-catalysed reaction to produce at least one prod. which alters the conductivity of the membrane. The improvement comprises selecting the effective concn. of enzyme mols. on the active surface of the membrane and the effective concn. of substrate mols. (or clusters thereof) in the liq. medium, taking into account the diffusion rate of the substrate and the rate of the enzyme- catalysed reaction, so as to produce pulsed changes in the conductivity of the membrane. The device can be used to monitor enzyme reactions or to measure pH, temp, electric filed strength or flow rate. The device operates with much lower enzyme and substrate concns. than known devices of this type (cf. Experientia, 28, 256, 1972).

Description

Biophysikochemische Anordnung, Verfahren zu ihrerBiophysicochemical arrangement, procedures for their

Herstellung sowie Fühler mit einer solchen Anordnung Beschreibung Die Erfindung betrifft eine biophysikochemische Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Fühler mit einer solchen Anordnung.Manufacture as well as sensors with such an arrangement description The invention relates to a biophysicochemical arrangement according to the preamble of claim 1, a method for their production and sensors with such Arrangement.

Eine biophysikochemische Anordnung der eingangs angesprochenen Art ist in der Zeitschrift Experientia, Band 28 (1972), Seiten 256 und 257 beschrieben. Sie reagiert auf das Zugeben von Substratmolekülen mit einer Änderung der Leitfähigkeit, welche unter Verwendung zu beiden Seiten der Membran in das flüssige Milieu eintauchendenElektroden und eines üblichen Leitfähigkeitsmessers gemessen wird.A biophysicochemical arrangement of the type mentioned at the beginning is described in the journal Experientia, Volume 28 (1972), pages 256 and 257. It reacts to the addition of substrate molecules with a change in conductivity, using electrodes immersed in the liquid medium on both sides of the membrane and a conventional conductivity meter.

Die Erhöhung der Leitfähigkeit nach Zugabe von Substratmolekülen und der Wiederabbau der erhöhten Leitfähigkeit erfolgt in Zeiträumen von größenordnungsmäßig einigen Minuten.The increase in conductivity after adding substrate molecules and the degradation of the increased conductivity takes place in periods of order of magnitude few minutes.

Es wurde nun herausgefunden, daß man eine meßbare Reaktion der Leitfähigkeit der Membran auf die durch Enzymmoleküle katalysierte Reaktion auch dann noch erhält, wenn man gemäß Anspruch 1 die Anzahl der Enzymmoleküle auf dem aktiven Bereich der Membran ganz drastisch vermindert, soweit dies nur experimentell möglich ist (Konzentrationen von 10 -10 3 Enzymmolekülen pro Molekül des Membranmateriales lassen sich ohne experimentelle Schwierigkeiten einstellen), und auch die Konzentration der im flüssigen Milieu vorhandenen Substratmoleküle drastisch herabsetzt, was ohne Schwierigkeiten möglich ist. Man erhält dann sehr rasche, impulsförmige Änderungen der Leitfähigkeit der Membran, welche direkt der katalytischen Zersetzung eines Substratmoleküles bzw. eines Clusters (haufenförmige Zusammenballung) von Substratmolekülen zugeordnet werden kann.It has now been found that there is a measurable response in conductivity the membrane still receives the reaction catalyzed by enzyme molecules, when one according to claim 1, the number of enzyme molecules on the active area of the Membrane drastically reduced, as far as this is only possible experimentally (concentrations from 10 -10 3 enzyme molecules per molecule of the membrane material can be obtained without experimental Difficulties set), and also the concentration of in the liquid medium existing substrate molecules drastically reduces, which is possible without difficulty is. One then obtains very rapid, pulse-shaped changes in the conductivity of the Membrane, which is directly involved in the catalytic decomposition of a substrate molecule or assigned to a cluster (heap-like agglomeration) of substrate molecules can be.

Eine erfindungsgemäße biophysikochemische Anordnung gestattet nicht nur eine Untersuchung der Dynamik von durch oberflächengebundene Enzymmoleküle katalysierten Reaktionen, man kann derartige biophysikochemische Anordnungen auch direkt als preiswertes, sehr einfach und rasch in großen Stückzahlen herzustellendes Modell für Nervenmembranen verwenden.A biophysicochemical arrangement according to the invention is permitted not just an investigation of the dynamics of catalyzed by surface-bound enzyme molecules Reactions, such biophysicochemical arrangements can also be used directly as inexpensive, Model for nerve membranes that is very easy and quick to produce in large numbers use.

Bei der erfindungsgemäßen biophysikochemischen Anordnung werden nämlich bei Verwendung der auch in den lebenden Nervenzellen angefundenen Enzyme, Substrate und Membranmaterialien in vergleichbarem Milieu genau die gleichen Leitfähigkeitskanäle wie bei synaptischen oder axonalen Membranen in vivo gefunden. Dies bedeutet bei der Prüfung der Wirkung von pharmakologischen Wirkstoffen auf Nerven eine erhebliche Vereinfachung der in großer Anzahl durchzuführenden Versuche und erlaubt auch eine Untersuchung der Dynamik der Wechselwirkung zwischen Wirkstoff und Nervenmembran.In the case of the biophysicochemical arrangement according to the invention, namely when using the enzymes, substrates, which are also found in living nerve cells and membrane materials in a comparable environment have exactly the same conductivity channels as found in synaptic or axonal membranes in vivo. This means at the examination of the effect of pharmacological agents on nerves is a considerable Simplification of the experiments to be carried out in large numbers and also allows one Investigation of the dynamics of the interaction between active substance and nerve membrane.

Vorteilhafte Einzelheiten im Aufbau einer erfindungsgemäßen biophysikochemischen Anordnung sind in Unteransprüchen angegeben.Advantageous details in the structure of a biophysicochemical according to the invention Arrangement are specified in subclaims.

Dabei wird insbesondere mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 eine noch näherkommende Nachbildung einer natürlichen Nervenmembran erreicht. Eine biophysikochemische Anordnung gemäß Anspruch 9 läßt sich durch Zugabe von Substratmolekülen genauso elektrisch erregen wie dies bei Nervenmembranen der Fall ist.In particular, with the development of the invention according to Claim 9 achieves an even closer replica of a natural nerve membrane. A biophysicochemical arrangement according to claim 9 can be achieved by adding substrate molecules just as electrically excite as is the case with nerve membranes.

Da eine biophysikochemische Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung Elemtarereignisse, nämlich die durch ein Enzymmolekül katalytisch hervorgerufene Reaktion eines Substratmoleküles oder eines Substratmolekülclusters zu messen gestattet, hat man in ihr allgemein einen sehr empfindlichen Fühler, welcher sich auch auf verschiedene Weise zur Realisierung klassischer Fühler verwenden läßt, z.B. in einer Versuchsanordnung zur Untersuchung von Reaktionsabläufen an Enzymen (vergl. Anspruch 12), in einem pH-Messer (vergl Anspruch 14), in einem Temperaturmesser (vergl. Anspruch 16), in einem Meßgerät für die elektrische Feldstärke (vergl. Anspruch 17) oder in einem Strömungsmesser (vergl.As a biophysicochemical arrangement according to the present invention Elementary events, namely those catalytically induced by an enzyme molecule Measurement of the reaction of a substrate molecule or a substrate molecule cluster, one has in it generally a very sensitive antenna, which is also on can be used in various ways to implement classic sensors, e.g. in a Experimental arrangement for the investigation of reaction processes of enzymes (cf. claim 12), in a pH meter (cf. claim 14), in a temperature meter (cf. claim 16), in a measuring device for the electric field strength (cf. claim 17) or in a flow meter (cf.

Anspruch 19).Claim 19).

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 wird erreicht, daß eine direkte Kreuzreaktion zwischen dem zu untersuchenden Enzym/Substratsystem und dem Enzym/Substratsystem der biophysikochemischen Anordnung nicht möglich ist.With the development of the invention according to claim 13 it is achieved that a direct cross-reaction between the enzyme / substrate system to be investigated and the enzyme / substrate system of the biophysicochemical arrangement is not possible.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 15 wird erreicht, daß zusätzlich in der Flüssigkeit deren pH-Wert bestimmt werden soll, enthaltene Stoffe nicht auf das Enzym/ Substratsystem der biophysikochemischen Anordnung einwirker kann.With the development of the invention according to claim 15 it is achieved that the pH value of the liquid should also be determined Substances do not have an effect on the enzyme / substrate system of the biophysicochemical arrangement can.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen 1E und 24 wird die Empfindlichkeit des betreffendes Fühlers noch einmal verbessert.With the development of the invention according to claims 1E and 24 the sensitivity of the sensor in question is further improved.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 20 und 21 ist im Hinblick auf eine sparsame Verwendung von Substratmolekülen von Vorteil und fördert auch die Empfindlichkeit des Strömungsmessers, da dessen Ausgangssignal von dem Unterschied zwischen der Diffusionsgeschwindigkeit der Substratmolekülf senkrecht zur Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit selbst abhängt.The development of the invention according to claim 20 and 21 is in view an economical use of substrate molecules is beneficial and also promotes the sensitivity of the flow meter as its output depends on the difference between the diffusion speed of the substrate molecules perpendicular to the direction of flow and the flow velocity itself depends.

Ein Strömungsmesser gemäß Anspruch 22 eignet sich besonders gut zur Erfassung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ihm ist die Zufuhr von Substratmolekülen und ggf. Ionen in den zu messenden Flüssigkeitsstrom absolut gleichbleibend.A flow meter according to claim 22 is particularly suitable for Detection of small flow velocities. With him is the supply of substrate molecules and, if necessary, ions in the liquid flow to be measured remain absolutely constant.

Ein Strömungsmesser gemäß Anspruch 23 eignet sich dagegen besonders gut zur Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten.In contrast, a flow meter according to claim 23 is particularly suitable good for measuring high flow velocities.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen: Figur 1: einen vertikalen Schnitt durch eine biophysikochemische Anordnung, welche zur Messung durch oberflächengebundene Enzyme katalysierter Reaktionen und zur pH-Messung geeignet ist, in einem Zwischenstadium ihrer Herstellung; Figur 2: einen vertikalen Schnitt durch den aktiven Bereich der Membran und eines benachbarten Abschnittes einer Membranträgerfolie in stark vergrößertem Maßstabe; Figur 3: eine schematische Darstellung eines Acetylcholinesterasemoleküles; Figur 4: einen Längsschnitt durch einen Strömungsmesser, welcher mit einer biophysikochemischen Anordnung arbeitet; Figur 5: einen Schnitt durch eine Versuchsanordnung zur Untersuchung durch oberflächengebundene Enzyme katalysierter Substratreaktionen; Figur 6: eine grafische Darstellung der Leitfähigkeit der Membran einer biophysikochemischen Anordnung nach Figur 1 in Abhängigkeit von der Zeit bei sehr geringer Konzentration der Enzymmoleküle auf dem aktiven Bereich der Membran und sehr geringer Konzentration der Substratmoleküle im flüssigen Milieu; und Figur 7: eine ähnliche Ansicht wie Figur 6, wobei jedoch die Konzentration der Enzymmoleküle und der Substratmoleküle etwas größer gewählt ist.The invention is explained below with the aid of exemplary embodiments Explained in more detail with reference to the accompanying drawing. In this show: figure 1: a vertical section through a biophysicochemical arrangement which is used for Measurement of reactions catalyzed by surface-bound enzymes and for pH measurement is suitable in an intermediate stage of their manufacture; Figure 2: a vertical one Section through the active area of the membrane and an adjacent section a membrane carrier film on a greatly enlarged scale; Figure 3: a schematic Representation of an acetylcholinesterase molecule; Figure 4: a longitudinal section through a flow meter using a biophysicochemical arrangement; FIG. 5: a section through an experimental arrangement for investigation through surface-bound Enzymes of catalyzed substrate reactions; Figure 6: a graphic representation of the Conductivity of the membrane of a biophysicochemical arrangement according to FIG. 1 as a function of the time with very low concentration of the enzyme molecules on the active area the membrane and very low concentration of substrate molecules in the liquid medium; and FIG. 7: a view similar to FIG. 6, but with the The concentration of the enzyme molecules and the substrate molecules is chosen to be somewhat larger.

Figur 1 zeigt einen schalenförmigen Behälter 10, in dessen Boden ein über die gesamte Breiteverlaufender Schlitz 12 vorgesehen ist. Im Schlitz 12 ist eine Trennwand 14 strömungsmitteldicht verschiebbar, welche mit ihren seitlichen Rändern ebenfalls strömungsmitteldicht verschiebbar an den Seitenwänden des Behälters 12 anliegt. Zur zusätzlichen Abdichtung kann an den Dichtstellen Silokonfett vorgesehen sein. Auf diese Weise sind durch den Behälter 10 und die Trennwand 14 zwei Abteile 16 und 18 vorgegeben, welche jeweils mit einer wässrigen Salzlösung gefüllt sind, z.B. mit einer wässrigen, 1-molaren (Ionenstärke) K+Cl oder Na+C1 -Lösung, welche auf einen pH-Wert zwischen 7 und 7,5 gepuffert ist und auf eine Temperatur von 292 - 2960 K eingestellt ist.Figure 1 shows a bowl-shaped container 10, in the bottom Full width slot 12 is provided. In the slot 12 is a partition 14 fluid-tightly displaceable, which with its lateral The edges can also be moved in a fluid-tight manner on the side walls of the container 12 is present. For additional sealing, silicone grease can be provided at the sealing points be. In this way, through the container 10 and the partition 14, there are two compartments 16 and 18, which are each filled with an aqueous salt solution, e.g. with an aqueous, 1-molar (ionic strength) K + Cl or Na + C1 solution, which is buffered to a pH between 7 and 7.5 and to a temperature of 292 - 2960 K is set.

Die Trennwand 14 ist in ihrem oberen Abschnitt mit einer auf einer Seite schräg geneigte Wände aufweisendm Offnung 20 versehen; welche durch eine dünne Folie 22 aus Tetrafluoräthylen überdeckt ist. Die Dicke der Folie 22 beträgt 25 ii , und in ihrer Mitte ist eine Arbeitsöffnung 24 mit einem Durchmesser von etwa 100 A angeordnet, z.B. mit einer dünnen Nadel eingestochen.The partition 14 is in its upper portion with one on one Side inclined walls exhibiting the opening 20 provided; which through a thin Foil 22 made of tetrafluoroethylene is covered. The thickness of the film 22 is 25 ii, and in its center is a working opening 24 with a diameter of about 100 A, e.g. pierced with a thin needle.

Auf die Oberfläche der in den Abteilen 16 und 18 befindlichen wässrigen Lösung wird jeweils eine monomolekulare Schicht 26 bzw. 28 eines Lipides, vorzugsweise aus Sojabohnen hergestelltes L- ob -Phophatidylcholin aufgespreitet.On the surface of the aqueous in compartments 16 and 18 Solution is in each case a monomolecular layer 26 or 28 of a lipid, preferably L-ob -phophatidylcholine made from soybeans spread.

Die Lipidschicht 26 ist ferner mit einer weiteren Schicht überschichtet, welche Enzymmoleküle, beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel Acetylcholinesterase, enthält und durch Spreiten eines Lösungstropfens 30 erhalten wird.The lipid layer 26 is also covered with a further layer, which enzyme molecules, in the embodiment under consideration here, acetylcholinesterase, and is obtained by spreading a drop of solution 30.

Senkt man die Trennwand 14 sehr langsam mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 mm/min ab, so wird von der Vorderseite und der Rückseite der Folie 22 die benachbarte Lipidschicht 26 bzw. 28 mitgenommen, und man erhält im Bereich der Arbeitsöffnung 24 eine molekulare Doppelschicht, welche eine Membran 32 bildet.If the partition 14 is lowered very slowly at one speed from about 0.5 mm / min, so is from the front and the back of the film 22 the adjacent lipid layer 26 or 28 taken along, and one obtains in the area of the working opening 24 a molecular double layer, which forms a membrane 32.

Weitere Einzelheiten bezüglich der an sich bekannten Methode zur Membranherstellung sind in der Zeitschrift Proc. Nat.Further details relating to the method known per se for producing membranes are in the journal Proc. Nat.

Acad. Sci. USA, Band 69 (1972), Seiten 3561'- 3566 beschrieben.Acad. Sci. USA, Vol. 69 (1972), pp. 3561'- 3566.

Der Lösungstropfen 30 enthält insgesamt 10 6g (entspricht 10 12mol) einer geschwänzten nativen Acetylcholinesterase, welche aus dem elektrischen Gewebe des Aales Electrophorus Electricus isoliert ist und durch Affinitätschromatographie in hochreinen Zustand gebracht ist. Dieses Reinigungsverfahren ist in der Zeitschrift Biochemical and Biophysical Research Communications, Band 79 (1977), Seiten 640 - 647 näher beschrieben. Bei der Reinigung wird darauf geachtet, daß nur die Enzymfraktionen mit den Sedimentationskoeffizienten S von 14 und 18 ins gereinigte Produkt gelangen.The solution drop 30 contains a total of 10 6g (corresponds to 10 12mol) a tailed native acetylcholinesterase, which is produced in the electrical tissue des eels Electrophorus electricus and isolated by affinity chromatography is brought into a highly pure state. This cleaning procedure is in the magazine Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 79 (1977), pages 640 - 647 described in more detail. When cleaning, care is taken that only the enzyme fractions with the sedimentation coefficients S of 14 and 18 get into the purified product.

Figur 2 zeigt schematisch einen in keiner Weise maßstäblichen Schnitt durch die Folie 22 im Bereich der Arbeitsöffnung 24. Man erkennt die beiden aus Lipidmolekülen 34 aufgebauten Lipidschichten 26 und 28, welche sich im Bereich der Arbeitsöffnung zu der Membran 32 vereinen. In die Lipidschicht 26 sind zusätzlich die Acetylcholinesterase-Enzymmoleküle 36 eingebaut. Auf etwa 10 Lipidmoleküle 34 kommt im Mittel ein Enzymmolekül 36.FIG. 2 shows schematically a section that is in no way to scale through the film 22 in the area of the working opening 24. The two can be seen Lipid molecules 34 built up lipid layers 26 and 28, which are located in the area of Combine the working opening to form the membrane 32. In the lipid layer 26 are additional the acetylcholinesterase enzyme molecules 36 incorporated. For about 10 lipid molecules 34 on average there is one enzyme molecule 36.

Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau eines Acetylcholinesterasemoleküles, wie er aus der oben genannten Veröffentlichung in Biochemical and Biophysical Research Communications bekannt ist. Ein "*" bzw. ein "**" kennzeichnen unterschiedliche Stellen des Enzymmoleküles, an denen dieses durch Protolyse gespalten werden kann. Der lange Schwanz 38 des Enzymmoleküls 36 kann Verbindungen mit Lipidmolekülen eingehen; mit Kreisen sind jeweils katalytische Untereinheiten 40 gekennzeichnet, welche in Form dreier Tetramere vorliegen.Figure 3 shows schematically the structure of an acetylcholinesterase molecule, as stated in the above publication in Biochemical and Biophysical Research Communications is known. Mark a "*" or a "**" different places on the enzyme molecule at which it is split by protolysis can be. The long tail 38 of the enzyme molecule 36 can bind to lipid molecules enter; catalytic subunits 40 are marked with circles, which are in the form of three tetramers.

Bei der in Figur 1 wiedergegebenen biophysikochemischen Anordnung sind jeweils in eines der beiden Abteile 16, 18 eintauchende Kallomel-Elektroden 42, 44 vorgesehen, welche mit den Klemmen einer Betriebsschaltung 46 verbunden sind.In the biophysicochemical arrangement shown in FIG are each in one of the two compartments 16, 18 dipping kallomel electrodes 42, 44 are provided, which are connected to the terminals of an operating circuit 46.

Diese enthält einen mit einer Gleichspannungsquelle zug UB verbundenen Vorwiderstand 48 und einen Gleichstromverstärker 50. Der Ausgang des Gleichstromverstärkers 50 ist mit dem Y-Eingang eines Y-t-Schreibers 52 und mit dem Eingang eines Frequenzzählers 54 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 50 ist somit der Gesamtimpedanz des durch die Elektroden, die wässrige Lösung und die Membran gebildeten Strompfades zugeordnet. Diese hängt praktisch nur von der Impedanz der hochohmigen Membran 32 ab. Damit gibt das Ausgangssignal des Verstärkers 50 direkt die Leitfähigkeit der Membran 32 wieder.This contains a train UB connected to a DC voltage source Series resistor 48 and a DC amplifier 50. The output of the DC amplifier 50 is connected to the Y input of a Y-t recorder 52 and to the input of a frequency counter 54 connected. The output of amplifier 50 is thus the total impedance of the current path formed by the electrodes, the aqueous solution and the membrane assigned. This practically only depends on the impedance of the high-resistance membrane 32 away. Thus, the output signal of the amplifier 50 directly indicates the conductivity of the Membrane 32 again.

Bringt man nun zusätzlich in das Abteil 16 eine geringe Menge ungerührten Acetylcholins ein, z.B. in Form einer 5 x 10-6- olaren wässrigen Lösung von Acetylcholin+ Cl-, so erhält man auf dem Schreiber 52 diskrete Leitfähigkeitsimpulse mit einer Halbwertsbreite von 5 x 10-2 sec und einer auf die K+ Cl--Konzen trat ion des wässrigen Milieus normierte Höhe von etwa 2 x 10'10 (Ohm x M K+C1 -1, wie in Figur 6 gezeigt ist. Bei noch genauerer Untersuchung der einzelnen Leitfähigkeitsimpulse mit höherer zeitlicher Auflösung kann man feststellen, daß diese ihrerseits eine rasche Aufeinanderfolge von sehr raschen Impulsen mit einer Halbwertsbreite von einigen 10 4 sec darstellen. Letztere werden vermutlich jeweils dann erhalten, wenn ein Acetylcholinmolekül in den Einflußbereich eines Acetylcholinesterasemoleküls gelangt und dann katalytisch hydrolisiert und hierbei ein Proton freisetzt. Die Impulsfolge mit einer Gesamtdauer von 5 x 10 2 sec entspricht dagegen vermutlich der sukzessiven Hydrolyse einzelner zu einem Cluster gehöriger Acetylcholinmoleküle, wobei bei gegebenem Lösungsmittel die Anzahl der sich zu einem Cluster zusammenfindender Moleküle im wesentlichen konstant ist.If you now also bring a small amount of unstirred into compartment 16 Acetylcholine, e.g. in the form of a 5 x 10-6- olar aqueous solution of acetylcholine + Cl-, discrete conductivity pulses with a Half-value width of 5 x 10-2 sec and one step on the K + Cl concentration of the aqueous Milieu normalized height of about 2 x 10'10 (Ohm x M K + C1 -1, as shown in FIG. 6 is. With an even closer examination of the individual conductivity impulses with higher With a temporal resolution, one can see that this in turn is a rapid succession of very rapid impulses with a half width of a few 10 represent 4 sec. The latter are presumably received when a Acetylcholine molecule comes under the influence of an acetylcholinesterase molecule and then catalytically hydrolyzed, releasing a proton. The pulse train with a total duration of 5 x 10 2 sec, on the other hand, probably corresponds to the successive one Hydrolysis of individual acetylcholine molecules belonging to a cluster, with given Solvent is the number of molecules in the cluster that come together to form a cluster is essentially constant.

Sowohl die Leitfähigkeitsimpulse mit einer Halbwertsbreite von etwa 5 x 10 2 sec als auch die bei größerer zeitlicher Auflösung sichtbaren Leitfähigkeitsimpulse mit einer Halbwertsbreite von etwa 10 sec, wurden bisher nicht erhalten, da mit großen Konzentrationen an Enzymmolekülen und Substratmolekülen gearbeitet wurde.Both the conductivity pulses with a half width of about 5 x 10 2 sec as well as the conductivity impulses visible with greater temporal resolution with a half-width of about 10 sec, have not yet been obtained because with large concentrations of enzyme molecules and substrate molecules was worked on.

Um einzelne Leitfähigkeitsimpulse zu erhalten, muß die Häufigkeit, mit der ein Auftreffen eines Substratmoleküles oder eines Substratmolekülclusters auf ein Enzymmolekül erhalten wird, so klein gehalten werden, daß sich die einzelnen Leitfähigkeitsimpulse in der weitaus überwiegenden Anzahl der Fälle zeitlich nicht überlappen. Diese Häufigkeit wächst offensichtlich mit der Konzentration der oberflächengebundenen Enzymmoleküle, mit der Konzentration der im wässrigen Milieu verteilten Substratmoleküle, mit der Größe des aktiven Membranbereiches und mit der Beweglichkeit der Substratmoleküle im jeweiligen flüssigen Milieu.In order to receive individual conductivity impulses, the frequency with an impact of a substrate molecule or a substrate molecule cluster on an enzyme molecule is obtained, so small that the individual Conductivity impulses in the vast majority of cases do not occur in time overlap. This frequency obviously increases with the concentration of the surface-bound ones Enzyme molecules, with the concentration of the substrate molecules distributed in the aqueous medium, with the size of the active membrane area and with the mobility of the substrate molecules in the respective liquid environment.

In erster Linie über die verschiedenen Konzentrationen, aber auch über die Wahl der Temperatur der im Abteil 16 befindlichen Flüssigkeit sowie über die Größe des aktiven Membranbereiches läßt sich im Einzelfalle durch einfache Versuche sicherstellen, daß an der Membran diskrete ein- zelne Leitfähigkeitsimpulse erhalten werden, andererseits der mittlere zeitliche Abstand der einzelnen Leitfähigkeitsimpulse nicht unnötig groß wird. Bei der Erhöhung der Impulsfrequenz durch Erhöhung der Konzentration an Substratmolekülen und/oder Enzymmolekülen kann man ohne weiteres so weit gehen, bis in seltenen Ausnahmefällen ein Impuls schon in die abfallende Flanke eines vorhergehenden Impulses fällt. Ein entsprechender Impulszug ist in Figur 7 wiedergegeben, in der die Einheiten auf den Koordinatenachsen genauso groß sind wie bei der Darstellung von Figur 6.First and foremost about the different concentrations, but also on the choice of the temperature of the liquid located in the compartment 16 and on the size of the active membrane area can be determined in individual cases by simple experiments ensure that there are discrete individual conductivity impulses can be obtained, on the other hand, the mean time interval between the individual conductivity pulses does not become unnecessarily large. When increasing the pulse frequency by increasing the Concentration of substrate molecules and / or enzyme molecules can be easily achieved go so far as, in rare exceptional cases, an impulse already falls into the falling one Edge of a previous pulse falls. A corresponding pulse train is in Figure 7 reproduced in which the units on the coordinate axes are just as large are as in the illustration of FIG. 6.

Die in Figur 1 gezeigte Anordnung läßt sich direkt auch zur Messung des pH-Wertes der im Abteil 16 befindlichen Flüssigkeit verwenden, da die Geschwindigkeit der Hydrolyse von Acetylcholin in Gegenwart von Acetylcholinesterase vom jeweils angefundenen pH-Wert abhängt. Die von der Betriebsschaltung 46 abgegebene Frequenz bzw. die Anzeige des Frequenz zählers 54 ist so direkt ein Maß für den pH-Wert und braucht allenfalls für größere Abweichungen des gemessenen pH-Wertes vom pH-Bereich 7 - 7,5 unter zusätzlicher Verwendung von durch einen Versuch einmal leicht zu erstellenden Korrekturtafeln modifiziert zu werden.The arrangement shown in FIG. 1 can also be used directly for measurement of the pH of the liquid in compartment 16, as the speed the hydrolysis of acetylcholine in the presence of acetylcholinesterase from each found pH depends. The frequency output by the operating circuit 46 or the display of the frequency counter 54 is a direct measure of the pH and only needed for larger deviations of the measured pH value from the pH range 7 - 7.5 with the additional use of which can be easily created once through an experiment Correction tables to be modified.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Strömungsmesser, welcher einen in einen Wasserstrom schaltbaren Rohrkörper 56 aufweist. Dieser ist in seiner Wand mit einer Öffnung 58 versehen, welche von einer Folie 60 überdeckt ist. Diese weist wiederum eine von einer Membran überdeckte Arbeitsöffnung auf, wie in Figur 2 gezeigt.Figure 2 shows a longitudinal section through a flow meter, which has a tubular body 56 which can be switched into a water flow. This is in his Wall provided with an opening 58 which is covered by a film 60. These again has a working opening covered by a membrane, as in FIG 2 shown.

Auf die Rohraußenseite ist ein Behälter 62 aufgesetzt.A container 62 is placed on the outside of the pipe.

In ihm befindet sich eine wässrige Salzlösung, z.B. eine 1-molare KCl-Lösung, in welche eine Kallomel-Elektrode 64 eintaucht. Eine zweite Kallomel-Elektrode 66 ist von dem Wasserstrom im Inneren des Rohrkörpers 56 umspült. Die Elektroden sind wie in Figur 1 mit einer Betriebsschaltung 46 verbunden, deren Ausgang wieder mit dem Eingang eines Frequenzzählers 54 verbunden ist. Dieser hat eine Periode von größenordnungsmäßig einer Sekunde, so daß für jede Ablesung eine große Anzahl von Leitfähigkeitsimpulsen erfaßt wird.It contains an aqueous salt solution, e.g. a 1 molar KCl solution into which a kallomel electrode 64 is immersed. A second kallomel electrode 66 is from that Water flow in the interior of the tubular body 56 washes around. As in FIG. 1, the electrodes are connected to an operating circuit 46 whose Output is again connected to the input of a frequency counter 54. This one has a period of the order of a second so that for each reading one large number of conductivity pulses is detected.

Stromauf der Öffnung 58 ist in der Wand des Rohrkörpers 56 eine weitere Öffnung 68 vorgesehen, in welche ein Körper 70 aus offenporigem Material eingesetzt ist. Die Öffnung 68 steht in Verbindung mit dem Inneren eines auf die Außenseite des Rohrkörpers 56 dicht aufgesetzten Vorratsbehälters72, welcher eine wässrige Lösung von Acetylcholin enthält, und ggf. zusätzlich von KCl, falls der zu messende Wasserstrom elektrisch sehr schlecht leitet.Upstream of the opening 58 in the wall of the tubular body 56 is another one Opening 68 is provided, into which a body 70 made of open-pore material is inserted is. The opening 68 is in communication with the inside of an outside of the tubular body 56 tightly fitted storage container 72, which is an aqueous Contains solution of acetylcholine, and possibly also of KCl, if the one to be measured Electrically conducts water very poorly.

Das Innere des Vorratsbehälters 72 ist über ein Druckregelventil 74 mit einer Vorratsflasche 76 für unter Druck stehendes Inertgas verbunden, so daß pro Zeiteinheit eine vorgegebene Menge Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 72 in den Flüssigkeitsstrom abgegeben wird, und zwar in dessen äußerste Randschicht.The interior of the storage container 72 is via a pressure regulating valve 74 connected to a supply bottle 76 for pressurized inert gas so that a predetermined amount of liquid per unit of time from the storage container 72 in the flow of liquid is released, namely in its outermost peripheral layer.

Der oben beschriebene Strömungsmesser arbeitet folgendermaßen: Beim Vorbeiströmen des im Rohrkörper 56 laminar fließenden Wassers nimmt dessen Randschicht aus dem Körper 70 Acetylcholincluster mit. Diese können nun im Wasserstrom in zur Strömungsrichtung senkrechter Richtung, also von der Wand des Rohrkörpers zur Rohrkörperachse diffundieren. Je langsamer die Strömung ist, umso mehr Acetylcholincluster sind von der Rohrkörperwand wegdiffundiert, wenn die Randschicht des Wasserstromes die Folie 60 erreicht, umso weniger Leitfähigkeitsimpulse werden vom Frequenzzähler 54 registriert. Der Stand des Frequenzzählers 54 ist somit direkt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers.The flow meter described above works as follows: When The water flowing past in a laminar flow in the tubular body 56 removes its outer layer from the body 70 acetylcholine clusters with. These can now be in the water flow Direction of flow in the perpendicular direction, i.e. from the wall of the pipe body to the pipe body axis diffuse. The slower the flow, the more acetylcholine clusters there are diffused away from the pipe body wall when the boundary layer of the water flow the Slide 60 reached, all the more fewer conductivity impulses are generated by the Frequency counter 54 registered. The reading of the frequency counter 54 is thus direct a measure of the flow velocity of the water.

Für verglichen mit der Diffusionsgeschwindigkeit der Acetylcholincluster sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten kann man gerade umgekehrt die Einrichtung zum Einspeisen von Acetylcholinclustern in den Wasserstrom so ausbilden, daß die Abgaberate der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zugeordnet ist. Dies kann ähnlich wie bei einem Kraftfahrzeugvergaser unter Verwendung einer Venturidüse erfolgen, welche eine in der Düsenwand ausgebildete Zuführ-Öffnung für die Acetylcholin-Lösung aufweist, die mit dem Vorratsbehälter 72 in Verbindung steht. Bei einem solchen Strömungsmesser wächst dann ebenfalls die Anzahl der pro Zeiteinheit bei der Folie 60 ankommenden Acetylcholincluster mit der Strömungsgeschwindigkeit.For compared to the diffusion rate of the acetylcholine cluster very high flow velocities can be used to reverse the device Feeding acetylcholine clusters into the water stream so that the rate of release is assigned to the flow velocity of the water. This can be similar to a motor vehicle carburetor using a Venturi nozzle, which has a feed opening formed in the nozzle wall for the acetylcholine solution, which is connected to the storage container 72. With such a flow meter The number of those arriving at the film 60 per unit of time then also increases Acetylcholine cluster with the flow rate.

Hat man dagegen verglichen mit der Diffusionsgeschwindigkeit der Acetylcholincluster sehr kleine Geschwindigkeiten des Wasserstromes zu messen, so kann man den Strömungsmesser nach Figur 4 um die dort gestrichelt eingezeichneten Bauteile erweitern, welche eine zweite biophysikochemische Anordnung darstellen und jeweils einem schon oben beschriebenen Bauteil entsprechen. Aus diesem Grunde sind diese Bauteile mit entsprechenden, jedoch zusätzlich mit einem Beistrich versehenen Bezugszeichen versehen.On the other hand, if one has compared it with the diffusion rate of the acetylcholine clusters To measure very small velocities of the water flow, one can use the flow meter expand according to Figure 4 by the components shown there in dashed lines, which represent a second biophysicochemical arrangement and already one above correspond to the component described. For this reason, these components are equipped with appropriate, however, additionally provided with a reference number provided with a comma.

Der Frequenzzähler 54 ist dann als Auf/Abzähler ausgebildet, dessen Aufwärtszählklemme + mit dem Ausgang der Betriebsschaltung 46 und dessen Abwärtszählklemme - mit dem Ausgang der Betriebsschaltung 46' verbunden ist.The frequency counter 54 is then designed as an up / down counter, its Up-counting terminal + with the output of the operating circuit 46 and its down-counting terminal - Is connected to the output of the operating circuit 46 '.

Der Zählerstand des Frequenz zählers 54 entspricht somit direkt der Abweichung der Bewegung der Acetylcholincluster vom bei Strömungsgeschwindigkeit Null erhaltenen völlig symmetrischen Diffusionsmuster und ist somit direkt der kleinen Driftgeschwindigkeit des Wasserstromes zugeordnet.The count of the frequency counter 54 thus corresponds direct the deviation of the movement of the acetylcholine clusters from the flow velocity Zero obtained completely symmetrical diffusion pattern and is thus directly the small one Assigned drift speed of the water flow.

Man erkennt, daß bei den oben beschriebenen Strömungsmessern die Empfindlichkeit leicht durch Einstellung des Druckregelventiles 74 geändert werden kann, während mechanische Änderungen nicht notwendig sind. Man erkennt ferner, daß das Meßergebnis wiederum in für eine rauschfreie und rasche Signalaufbereitung vorteilhafter Frequenzmodulierung bereitgestellt wird.It can be seen that the sensitivity of the flow meters described above can be easily changed by adjusting the pressure control valve 74 while mechanical changes are not necessary. It can also be seen that the measurement result again in frequency modulation which is advantageous for noise-free and rapid signal processing provided.

Der in Figur 4 gezeigte Strömungsmesser läßt sich mit ganz wenigen Abwandlungen auch zum Messen eines elektrischen Feldes verwenden, da das Acetylcholin üblicherweise in Form eines polaren Salzes, z.B. Acetylcholin Cl zugegeben wird und die Wanderung des Acetylcholin -Ionen durch ein äußeres elektrisches Feld in ähnlicher Weise beeinflußt wird wie durch die Mitnahme durch einen Wasserstrom.The flow meter shown in Figure 4 can be with very few Modifications can also be used to measure an electric field, as acetylcholine is usually added in the form of a polar salt, e.g. acetylcholine Cl and the migration of acetylcholine ions through an external electric field in It is influenced in a similar way as by being entrained by a stream of water.

Hierzu braucht man nur auf die Enden des Rohrkörpers 56 in Figur 4 strichpunktiert eingezeichnete Deckel 78 aufzusetzen. Dann erhält man durch das angelegte äußere elektrische Feld wieder eine Unsymmetrie des Diffusionsfeldes der vom Körper 70 abgegebenen Acetylcholin+ -Cluster, so daß die Betriebsschaltungen 46 und 46' mit unterschiedlicher Frequenz Impulse abgeben. Um eine Rückdiffusion von Acetylcholinclustern, welche an der Folie 60 unzersetzt vorbeilaufen, zu verhindern, kann man die Innenseite der Deckel 78 mit einer eine große Anzahl von Acetylcholinesterasemolekülen tragenden Membran überziehen, so daß die dort ankommenden Acetylcholincluster auf jeden Fall zersetzt werden.To do this, one only needs on the ends of the tubular body 56 in FIG. 4 Put on cover 78 shown in dash-dotted lines. Then through the applied external electric field again an asymmetry of the diffusion field of the acetylcholine + clusters released by body 70, so that the operating circuits 46 and 46 'emit pulses at different frequencies. A back diffusion to prevent acetylcholine clusters, which run past the foil 60 undecomposed, One can get the inside of the lid 78 with a large number of acetylcholinesterase molecules covering the supporting membrane, so that the acetylcholine clusters arriving there on will be decomposed in any case.

Der soeben beschriebene Feldstärkemesser dient sowohl zur Ermittelung der Feldrichtung als auch zur Ermittelung der Feldstärke, wozu man zunächst den Rohrkörper 56 so dreht, daß am Frequenzzähler 54 eine möglichst große Ablesung erhalten wird, und dann den Wert der Maximalablesung notiert.The field strength meter just described is used for both Investigation the direction of the field as well as to determine the field strength, for which one must first use the Tubular body 56 rotates so that as large a reading as possible is obtained on the frequency counter 54 and then note the value of the maximum reading.

Durch die oben beschriebene Anordnung wird automatisch auch der Einfluß einer etwa durch die entstehenden Reaktionsprodukte hervorgerufenen Verlangsamung der Reaktion kompensiert, da von dieser Verlangsamung beide Folien 60 und 60' in gleicher Weise betroffen sind. Nach längerer Meßdauer wird die verbrauchte, Acetat-reiche Lösung im Inneren des Rohrkörpers 56 verworfen und durch neue Lösung ersetzt, wozu entsprechende Anschlüsse am Rohrkörper 56 vorgesehen werden.With the arrangement described above, the influence is also automatically a slowdown caused by the resulting reaction products of the reaction, since both foils 60 and 60 'in are affected in the same way. After a longer measurement period, the used, acetate-rich Solution inside the tubular body 56 is discarded and replaced by a new solution, for which purpose corresponding connections are provided on the tubular body 56.

Figur 5 zeigt einen Aufbau zur Untersuchung von Reaktionen an oberflächengebundenen Enzymmolekülen, welcher ähnlich zu dem in Figur 1 gezeigten ist; entsprechende Teile sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und brauchen nicht noch einmal im einzelnen beschrieben zu werden. Die Anordnung ist im betriebsbereiten Zustand, also nach Herstellung der durch Lipid-Doppelschichten gebildeten Membranen wiedergegeben, die im übrigen nicht näher gezeigt sind.FIG. 5 shows a set-up for investigating reactions on surface-bound Enzyme molecules similar to that shown in Figure 1; corresponding parts are again provided with the same reference symbols and do not need to be repeated to be described in detail. The arrangement is ready for operation, thus reproduced after the production of the membranes formed by lipid bilayers, which are otherwise not shown in detail.

Der Boden des Behälters 10 weist nun einen zweiten Schlitz 12' auf, in welchem eine zweite Trennwand 14t genauso verschiebbar angeordnet ist wie die Trennwand 14 im Schlitz 12. Die Trennwand 14' hat eine oeffnung 20', welche von einer Folie 22' überdeckt ist. Insoweit besteht völlige Übereinstimmung mit den schon oben beschriebenen Anordnungsteilen.The bottom of the container 10 now has a second slot 12 ', in which a second partition 14t is just as displaceably arranged as the Partition 14 in the slot 12. The partition 14 'has an opening 20', which of a film 22 'is covered. In this respect there is complete agreement with the assembly parts already described above.

Die in Figur 5 nicht wiedergegebene Arbeitsöffnung der Folie 22' ist wiederum von einer Membran überdeckt, welche durch eine Lipid-Doppelschicht gebildet ist. Diese Membran trägt nun aber ihrerseits andere Enzymmoleküle als die Membran der Folie 22, nämlich solche, die in ihrem Zusammenwirken mit ihnen zugeordneten Substratmolekülen untersucht werden sollen. Diese Substratmoleküle befinden sich ebenfalls in dem wässrigen Milieu des Abteiles 16. Um zu verhindern, daß sie direkt mit den Substratmolekülen für die Enzymmoleküle der Membran der Folie 22 reagieren, und um zu verhindern, daß Substratmoleküle für die Enzymmoleküle der Membran der Folie 22 mit den Enzymmolekülen der Membran der Folie 22' reagieren, ist das Abteil 16 durch eine Wand 80 unterteilt, welche nur für die Reaktionsprodukte der katalytischen Zersetzung von Substratmolekülen an der Membran der Folie 22' durchlässig ist, z.B.The working opening of the not shown in FIG foil 22 'is in turn covered by a membrane which is covered by a lipid double layer is formed. However, this membrane in turn carries other enzyme molecules than that Membrane of the film 22, namely those associated with them in their interaction Substrate molecules are to be investigated. These substrate molecules are located also in the aqueous medium of compartment 16. In order to prevent them directly react with the substrate molecules for the enzyme molecules of the membrane of the film 22, and to prevent substrate molecules for the enzyme molecules from the membrane of the Foil 22 reacting with the enzyme molecules of the membrane of foil 22 'is the compartment 16 divided by a wall 80, which only for the reaction products of the catalytic Decomposition of substrate molecules on the membrane of the film 22 'is permeable, e.g.

für Protonen.for protons.

Die in Figur 5 gezeigte Anordnung besteht somit aus einem links der Wand 80 liegenden Versuchsteil und einem rechts der Wand 80 liegenden Meßteil. Man erkennt, daß die Versuchsanordnung nach Figur 5 sehr einfachen Aufbau aufweist und auch den Verlauf von durch Enzyme katalysierten Reaktionen von Substratmolekülen zu untersuchen gestattet, wenn die Enzymmoleküle von Membranen getragen werden sollen, die selbst keine oder nur eine sehr geringe Leitfähigkeitsänderung zeigen. Man kann so unter anderem auch Reaktionen an molekularen Einfachschichten untersuchen.The arrangement shown in Figure 5 thus consists of a left of the Wall 80 lying test part and a measuring part lying to the right of wall 80. Man recognizes that the test arrangement according to Figure 5 has a very simple structure and also the course of reactions of substrate molecules catalyzed by enzymes to be examined if the enzyme molecules are to be carried by membranes, which themselves show no or only a very slight change in conductivity. One can thus, among other things, investigate reactions on molecular single layers.

Auch einen Temperaturmesser kann man mit einer obenstehend beschriebenen biophysikochemischen Anordnung leicht realisieren, da bei festgehaltenen übrigen Betriebsparametern die Beweglichkeit der Substratmoleküle bzw. - Cluster im flüssigen Milieu von der Temperatur abhängt.A temperature meter can also be used with one described above Easily realize the biophysicochemical arrangement, since the rest of them are retained Operating parameters, the mobility of the substrate molecules or - clusters in the liquid Environment depends on the temperature.

So ist bei der Anordnung nach Figur 1 bei fester Konzentration von Substratmolekülen und Enzymmolekülen, gleichem flüssigem Milieu und gleicher Geometrie die Frequenz der Leitfähigkeitsimpulse ein Maß für die Temperatur des flüssigen Milieus im Abteil 16, da die an der Membran 32 durch die Enzymmoleküle 36 zersetzten Substratmoleküle durch temperaturabhängige Diffusion aus dem Volumen des flüssigen Milieus ersetzt werden müssen. Das Abteil 16 braucht also bei Verwendung der Anordnung nach Figur 1 nur thermisch an den Gegenstand angekoppelt zu werden, dessen Temperatur gemessen werden soll.In the arrangement according to FIG. 1, this is the case with a fixed concentration from Substrate molecules and enzyme molecules, the same liquid medium and the same geometry the frequency of the conductivity impulses a measure of the temperature of the liquid Milieus in compartment 16, since the enzyme molecules 36 decompose on membrane 32 Substrate molecules through temperature-dependent diffusion from the volume of the liquid Milieus need to be replaced. The compartment 16 therefore needs when using the arrangement according to Figure 1 to be only thermally coupled to the object, its temperature should be measured.

Claims (24)

Patentansprüche 1. Auf Änderungen der Umgebungsbedingungen durch Änderung ihrer elektrischen Leitfähigkeit ansprechende biophysikochemische Anordnung, bestehend aus einer in ein elektrisch leitendes flüssiges Milieu eintauchenden Membran, deren elektrische Leitfähigkeit von dem sie umgebenden Milieu abhängt, aus von der Membran getragenen Enzymmolekülen und aus in dem flüssigen Milieu verteilten Substratmolekülen, welche sich in dem Milieu unter Katalyse durch die Enzymmoleküle an einer Reaktion beteiligen, welche zumindest ein Reaktionsprodukt ergibt, welches die elektrische Leitfähigkeit der Membran beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Konzentration von Enzymmolekülen (36) auf der aktiven Oberfläche der Membran (32) und die effektive Konzentration von Substratmolekülen bzw. Clustern aus Substratmolekülen unter Berücksichtigung der Wanderungsgeschwindigkeit der Substratmoleküle oder Substratmolekülcluster sowie unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der durch die Enzymmoleküle katalytisch geförderten Reaktion so gewählt sind, daß einzelne impulsförmige Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der Membran (32) erhalten werden. Claims 1. To changes in the environmental conditions Change in their electrical conductivity in an appealing biophysicochemical arrangement, consisting of a membrane immersed in an electrically conductive liquid medium, whose electrical conductivity depends on the surrounding environment, from the Membrane-borne enzyme molecules and substrate molecules distributed in the liquid environment, which takes part in a reaction in the medium under catalysis by the enzyme molecules participate, which gives at least one reaction product, which the electrical The conductivity of the membrane is influenced, characterized in that the effective Concentration of enzyme molecules (36) on the active surface of the membrane (32) and the effective concentration of substrate molecules or clusters of substrate molecules taking into account the migration speed of the substrate molecules or substrate molecule clusters as well as taking into account the rate of catalytic activity by the enzyme molecules sponsored response are chosen so that individual pulse-shaped changes in the electrical conductivity of the membrane (32) can be obtained. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (32) aus zwei Lipidschichten (26, 28) besteht.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the membrane (32) consists of two lipid layers (26, 28). 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Dipalmitoyl-Phosphatidylcholin, Sphingomyelin oder Phcsphatidylserin besteht.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the membrane consists of dipalmitoyl-phosphatidylcholine, sphingomyelin or phcsphatidylserine. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus aus Sojabohnen gewonnenem L-«-Phosphatidylcholin besteht.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the membrane consists of L - «- phosphatidylcholine obtained from soybeans. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Azetylcholin- und das Enzym Acetylcholinesterase ist und daß das Milieu ein Ionen enthaltendes wässriges Milieu ist. 5. Arrangement according to one of claims 1 - 4, characterized in that that the substrate is acetylcholine and the enzyme is acetylcholinesterase and that the Milieu is an aqueous medium containing ions. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Acetylcholinesterase eine hochreine, native Acetylcholinesterase ist. 6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the acetylcholinesterase is a highly pure, native acetylcholinesterase. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Acetylcholinesterase durch Affinitätschromatographie aus dem elektrischen Organ von Electrophorüs Electricus hergestellt ist. 7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the acetylcholinesterase by affinity chromatography from the electrical organ of Electrophorüs Electricus is made. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Milieu zusätzlich AIP, i.e. Adenosintriphosphat und die Membran (32) zusätzlich Na+-K -ArPase enthält. 8. Arrangement according to one of claims 1 - 7, characterized in that that the liquid medium additionally AIP, i.e. Adenosine triphosphate and the membrane (32) additionally contains Na + -K -ArPase. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der ATPase etwa 10 - 10 3 Moleküle pro Molekül des Membranmateriales beträgt. 9. Arrangement according to claim 8, characterized in that the concentration of the ATPase is about 10-10 3 molecules per molecule of the membrane material. 10. Verfahren zur Herstellung einer Membran nach einem der Ansprüche 2 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des flüssigen Milieus zu beiden Seiten einer Trägerfolie, welche mit einer Arbeitsöffnung versehen ist, die zunächst über der freien Oberfläche des flüssigen Milieus liegt, durch Spreiten eine monomolekulare Lipidschicht hergestellt wird, auf einer der Lipidschichten durch Seiten einer verdünnten Enzymlösung die Enzymmoleküle aufgebracht werden und die Trägerfolie dann mit ihrer Arbeitsöffnung langsam in das Milieu hineinbewegt wird.10. A method for producing a membrane according to any one of the claims 2 - 9, characterized in that on the surface of the liquid medium to both Sides of a carrier film, which is provided with a working opening, which initially above the free surface of the liquid medium lies, by spreading a monomolecular Lipid layer is made on one of the lipid layers by diluting one side Enzyme solution, the enzyme molecules are applied and then the carrier film with their Working opening is slowly moved into the milieu. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Lipid L- «-Phosphatidylcholin verwendet wird und als wässriges Milieu eine auf pH 7 - 7,5 gepufferte wässrige K Cl oder Na Cl -Lösung verwendet wird, deren Temperatur zwischen 292 und 296° K beträgt.11. The method according to claim 10, characterized in that as Lipid L- «-phosphatidylcholine is used and an aqueous medium to pH 7 - 7.5 buffered aqueous K Cl or Na Cl solution is used, its temperature is between 292 and 296 ° K. 12. Biologische Versuchsanordnung zur Untersuchung der Reaktionsabläufe an Ehzymen, welche von der Oberfläche einer Membran getragen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine biophysikochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 9 oder eine biophysikochemische Anordnung, die nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist, aufweist, welche einen Abschnitt einer Trennwand (14) eines Behälters (10) bildet, der mit dem flüssigen Milieu gefüllt ist und dessen Abteile (16, 18) mit einem Leitfähigkeitsmesser (46, 52 bzw. 54) verbunden sind, und daß die das zu untersuchende Enzym tragende Membran in dasjenige Abteil (16) eintaucht, welches mit den zur biophysikochemischen Anordnung gehörenden Enzymmolekülen in Verbindung steht.12. Biological test set-up to investigate the reaction processes on enzymes carried by the surface of a membrane, characterized in that that they have a biophysicochemical arrangement according to one of claims 1-9 or one biophysicochemical arrangement which is produced according to claim 10 or 11, which forms a portion of a partition (14) of a container (10) with the liquid medium is filled and its compartments (16, 18) with a conductivity meter (46, 52 or 54) are connected, and that the enzyme to be examined carries Membrane is immersed in that compartment (16) which is connected to the biophysicochemical Arrangement belonging to the enzyme molecules. 13. Versuchsanordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine nur für die Produkte der durch das zu untersuchende Enzym gesteuerten Reaktion durchlässigen Trennwand (80), welche zwischen der biophysikochemischen Anordnung und demjenigen Milieu angeordnet ist, in welches die Membran mit dem zu untersuchenden Enzym eintaucht.13. Experimental arrangement according to claim 12, characterized by a only permeable to the products of the reaction controlled by the enzyme to be examined Partition wall (80), which between the biophysicochemical arrangement and that Milieu is arranged in which the membrane with the enzyme to be examined is immersed. 14. pH-Messer, dadurch gekennzeichnet, daß er eine biophysikochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 9 oder eine biophysikochemische Anordnung, die nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist, und einen zwei Abteile (16, 18) aufweisenden Behälter (10) für das flüssige Milieu aufweist, dessen die Abteile begrenzende Trennwand (14) zum Teil durch die Membran (32) der biophysikochemischen Anordnung gebildet ist, daß die Abteile (10, 18) des Be- hälters (10) mit einem Leitfähigkeitsmesser (46, 52 bzw.14. pH meter, characterized in that it is a biophysicochemical Arrangement according to one of claims 1-9 or a biophysicochemical arrangement, which is made according to claim 10 or 11, and one having two compartments (16, 18) Has container (10) for the liquid medium, whose partition delimiting the compartments (14) formed in part by the membrane (32) of the biophysicochemical arrangement is that the compartments (10, 18) of the loading holder (10) with a conductivity meter (46, 52 resp. 54) verbunden sind und daß dasjenige Abteil (16) des Behälters, das mit den Enzymmolekülen der biophysikochemischen Anordnung kommuniziert, zugleich mit der Flüssigkeit in Verbindung steht, deren pH-Wert gemessen werden soll. 54) are connected and that that compartment (16) of the container that communicates with the enzyme molecules of the biophysicochemical arrangement, at the same time is in communication with the liquid whose pH is to be measured. 15. pH-Messer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Abteil (16), das mit den Enzymmolekülen der biophysikochemischen Anordnung kommuniziert, über eine für Wasserstoffionen durchlässige weitere Membran mit der Flüssigkeit kommuniziert, deren pH-Wert gemessen werden soll.15. pH meter according to claim 14, characterized in that the compartment (16), which communicates with the enzyme molecules of the biophysicochemical arrangement, with the liquid via another membrane permeable to hydrogen ions communicates whose pH value is to be measured. 16. Temperaturmesser, dadurch gekennzeichnet, daß er eine biophysikochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9 oder eine biophysikochemische Anordnung, die nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist, und einen zwei Abteile (16, 18) aufweisenden Behälter (10) für das flüssige Milieu aufweist, dessen die Abteile (16, 18) begrenzende Trennwand (14) zum Teil durch die Membran (32) der biophysikochemischen Anordnung gebildet ist, daß die Abteile (16, 18) des Behälters (10) mit einem Leitfähigkeitsmesser (46, 52 bzw. 54) verbunden sind, und daß zumindest dasjenige Abteil (16) des Behälters (10), das mit den Enzymmolekülen der biophysikochemischen Anordnung kommuniziert, thermisch an denjenigen Gegenstand ankoppelbar ist, dessen Temperatur gemessen werden soll.16. Temperature meter, characterized in that it is a biophysicochemical Arrangement according to one of claims 1 - 9 or a biophysicochemical arrangement, which is made according to claim 10 or 11, and one having two compartments (16, 18) Has a container (10) for the liquid medium, of which the compartments (16, 18) delimiting Partition (14) partly through the membrane (32) of the biophysicochemical arrangement is formed that the compartments (16, 18) of the container (10) with a conductivity meter (46, 52 or 54) are connected, and that at least that compartment (16) of the container (10), which communicates with the enzyme molecules of the biophysicochemical assembly, can be thermally coupled to that object whose temperature is being measured target. 17. Elektrischer Feldstärkemesser, dadurch gekennzeichnet, daß er eine biophysikochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9 oder eine biophysikochemische Anordnung, die nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist, und einen zwei Abteile(56, 62, 62') aufweisenden Behälter aus dielektrischem Material für das flüssige Milieu aufweist, dessen die Abteile begrenzende Trennwand zum Teil durch die Membran der biophysikochemischen Anordnung gebildet ist, daß die Abteile des Behälters mit einem Leitfähigkeitsmesser (46, 46', 54) verbunden sind, daß zumindest dasjenige Abteil (56) des Behälters, das mit den Enzymmolekülen der biophysikochemischen Anordnung kommuniziert, in den felderfüllten Raum bewegbar ist, und daß die Substratmoleküle im flüssigen Milieu in ionisierter Form vorliegen.17. Electrical field strength meter, characterized in that it a biophysicochemical arrangement according to any one of claims 1-9 or a biophysicochemical one An arrangement made according to claim 10 or 11 and a two compartment (56, 62, 62 ') having container made of dielectric material for the having a liquid medium, the dividing wall delimiting the compartments partly through the membrane of the biophysicochemical arrangement is formed that the compartments of the Container with a conductivity meter (46, 46 ', 54) are connected that at least that compartment (56) of the container which contains the enzyme molecules of the biophysicochemical Arrangement communicates, is movable in the field-filled space, and that the substrate molecules exist in ionized form in a liquid medium. 18. Feldmesser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei biophysikochemische Anordnungen (58 - 66; 58' - 66') symmetrisch zu beiden Seiten einer Quelle (68 - 76) für ionisierte Substratmoleküle angeordnet sind und den beiden biophysikochemischen Anordnungen zugeordnete Betriebsschaltungen (46, 46') ausgangsseitig mit einem Differenzrechner (54) verbunden sind.18. Surveyor according to claim 17, characterized in that two biophysicochemical arrangements (58 - 66; 58 '- 66') symmetrical on both sides a source (68-76) for ionized substrate molecules are arranged and the two Operating circuits (46, 46 ') assigned to biophysicochemical arrangements on the output side are connected to a difference computer (54). 19. Strömungsmesser, dadurch gekennzeichnet, daß er eine biophysikochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9 oder eine biophysikochemische Anordnung, die nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist, einen Rohrkörper (56) für den zu messenden Flüssigkeitsstrom und einen auf die Wand des Rohrkörpers (56) aufgesetzten Behälter (62) aufweist, daß die Membran der biophysikochemischen Anordnung eine in der Trennwand zwischen Rohrkörper (56) und Behälter (62) vorgesehene Öffnung (60) zumindest zum Teil verschließt, daß das Innere des Rohrkörpers (56) und das Innere des Behälters (62) mit einem Leitfähigkeitsmesser (46, 54) verbunden ist und daß stromauf der Membran der biophysikochemischen Anordnung eine Einrichtung (68 - 76) zum Einspeisen von Substratmolekülen und ggf. Ionen in den zu messenden Flüssigkeitsstrom vorgesehen ist.19. Flow meter, characterized in that it is a biophysicochemical Arrangement according to one of claims 1 - 9 or a biophysicochemical arrangement, which is made according to claim 10 or 11, a tubular body (56) for the to be measured Liquid flow and a container placed on the wall of the tubular body (56) (62) has that the membrane of the biophysicochemical arrangement is one in the partition Opening (60) provided between the tubular body (56) and the container (62) at least for the Part that closes the interior of the tubular body (56) and the interior of the container (62) is connected to a conductivity meter (46, 54) and that upstream of the Membrane of the biophysicochemical arrangement a device (68-76) for feeding of substrate molecules and possibly ions provided in the liquid flow to be measured is. 20. Strömungsmesser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeiseeinrichtung (68 - 76) die Substratmoleküle und ggf. die Ionen in die Randschicht des im Rohrkörper laminar geführten Flüssigkeitsstromes einspeist.20. Flow meter according to claim 19, characterized in that the feed device (68-76) feeds the substrate molecules and possibly the ions into the Feeds the edge layer of the liquid flow, which is guided in a laminar manner in the tubular body. 21. Strömungsmesser nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeiseeinrichtung einen mit der Randschicht des Flüssigkeitsstromes kommunizierenden offenporigen Körper (70) aufweist, der mit dem Innenraum eines Vorratsbehälters in Verbindung steht, welcher eine Substratmoleküle und ggf. Ionen enthaltende Lösung enthält.21. Flow meter according to claim 20, characterized in that the feed device communicates with the boundary layer of the liquid flow has open-pore body (70) which is connected to the interior of a storage container which is a solution containing substrate molecules and possibly ions contains. 22. Strömungsmesser nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (74, 76) zum Aufrechterhalten eines konstanten Oberdruckes im Vorratsbehälter (72).22. Flow meter according to claim 21, characterized by a device (74, 76) for maintaining a constant overpressure in the storage container (72). 23. Strömungsmesser nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeiseeinrichtung ein von der Randschicht des Flüssigkeitsstromes durchströmtes Venturirohr aufweist, welches eine mit einem Vorratsbehälter für Substratmoleküle und ggf. Ionen in Verbindung stehende Öffnung in der Düsenwand aufweist.23. Flow meter according to claim 20, characterized in that the feed device is traversed by the boundary layer of the liquid stream Has Venturi tube, which one with a storage container for substrate molecules and optionally having ion-communicating opening in the nozzle wall. 24. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 19 - 23, dadurch gekennzeichnet, daS stromauf der Einspeiseeinrichtung eine zweite biophysikochemische Anordnung (58' - 66') angeordnet ist und die Ausgänge zweier den beiden biophysikochemischen Anordnungen (58 - 66 bzw. 58' - 66') zugeordneter Betriebsschaltungen (46, 46') mit den Eingängen eines Differenzrechners (54) verbunden sind.24. Flow meter according to one of claims 19-23, characterized in that a second biophysicochemical arrangement upstream of the feed device (58 '- 66') and the outputs of two of the two biophysicochemical Arrangements (58 - 66 or 58 '- 66') of assigned operating circuits (46, 46 ') are connected to the inputs of a differential computer (54).
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