DE3930768A1 - Chemo- and bio-sensor system for ion conc. determn. without contact - by measuring interface potential with variable capacity - Google Patents
Chemo- and bio-sensor system for ion conc. determn. without contact - by measuring interface potential with variable capacityInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Vorrichtung eines Chemo- und Bio- Sensorsystems zur Bestimmung von Ionenkonzentrationen in Flüssigkeiten aus einem Multisensorelement und einer Meßappa ratur sowie ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der einzelnen Sensorpotentiale.The invention relates to the device of a chemo- and bio- Sensor system for the determination of ion concentrations in Liquids from a multi-sensor element and a measuring device and a method for the contactless determination of the individual sensor potentials.
Die Sensorelemente sollen so gestaltet sein, daß auf kompli zierte Schichtenfolgen mit festen Elektrolyten und ebenso auf Edelmetallschichten verzichtet werden kann, und gleichzeitig thermodynamische Nichtgleichgewichtszustände vermieden werden.The sensor elements should be designed so that compli decorated layer sequences with solid electrolytes and on Precious metal layers can be dispensed with, and at the same time thermodynamic non-equilibrium conditions avoided will.
Solche Sensorsysteme mit äußerst einfachen und sehr kosten
günstigen Chemo- bzw. Bio-Sensorelementen zum "Einmalge
brauch" sowie der dazugehörigen Meßapparatur können u.a. in
folgenden Bereichen eingesetzt werden:
Medizin, Tiermedizin, Biotechnik, Landwirtschaft, Nahrungs
mitteltechnologie, Umwelttechnik.Such sensor systems with extremely simple and very inexpensive chemical or bio sensor elements for "single use" and the associated measuring equipment can be used in the following areas, among others:
Medicine, veterinary medicine, biotechnology, agriculture, food technology, environmental technology.
Es ist bekannt, daß Chemosensoren aus ionenselektiven Membra nen mit einem inneren elektrischen Kontakt sowie einer Refe renzelektrode als Filmsensoren aufgebaut werden (1, 2). Bei Biosensoren ist die ionenselektive Membran zusätzlich z. B. mit einem Enzym belegt, so daß Produkte von Enzymreaktionen m.H. der ionenselektiven Membraneigenschaften nachgewiesen werden können (3). Ebenso lassen sich Membranen mit Antikör pern und Mikroorganismen überziehen.It is known that chemosensors from ion-selective membranes with an internal electrical contact and a reference electrode are constructed as film sensors ( 1, 2 ). In biosensors, the ion-selective membrane is additionally e.g. B. coated with an enzyme so that products of enzyme reactions mH the ion-selective membrane properties can be detected ( 3 ). Membranes can also be coated with antibodies and microorganisms.
Das Sensorprinzip der ionenselektiven Elektrode beruht dar auf, daß sich an einer Membran, die mit einem Elektrolyten (z. B. der zu untersuchenden Flüssigkeit) in Kontakt gebracht wird, eine elektrische Potentialdifferenz ausbildet. Diese Galvanispannung tritt an der Phasengrenze zwischen Elektrolyt und Membran auf und läßt sich für den Fall des thermodynami schen Gleichgewichtes als Nernst-Gleichung schreiben:The sensor principle of the ion-selective electrode is based on this on that on a membrane with an electrolyte (e.g. the liquid to be examined) an electrical potential difference is formed. These Electroplating voltage occurs at the phase boundary between the electrolyte and membrane and can be used in the case of thermodynami write equilibrium as Nernst equation:
ϕ = ϕ₀ + R T/(z F) ln(ai1/ai2)ϕ = ϕ₀ + RT / (z F) ln (a i1 / a i2 )
ϕ₀ ist das Standardelektrodenpotential, R die universelle Gaskonstante, F die Faradaykonstante, z die Wertigkeit des Meßions, ai1 die Aktivität des Ions in Phase 1 und ai2 die Aktivität des Ions in Phase 2.ϕ₀ is the standard electrode potential, R the universal gas constant, F the Faraday constant, z the valence of the measurement ion, a i1 the activity of the ion in phase 1 and a i2 the activity of the ion in phase 2 .
Das Ansprechverhalten solcher Membranen ist je nach Membran material für verschiedene Ionensorten unterschiedlich ausge prägt. So lassen sich z. B. mit Si3N4-Schichten H3O⁺- und mit Na-Al-Silikatschichten Na⁺-Ionenkonzentrationen bestimmen.The response of such membranes is different depending on the membrane material for different types of ions. So z. B. with Si 3 N 4 layers H 3 O⁺ and with Na-Al silicate layers determine Na⁺ ion concentrations.
Neben solchen Festkörpermembranen haben Membranen aus organi schen Materialien eine besondere Bedeutung erlangt. So können z. B. PVC-Membranen durch die Zugabe von Ionophoren selektiv für bestimmte Ionensorten gemacht werden, deren Konzentratio nen potentiometrisch bestimmt werden kann.In addition to such solid-state membranes, membranes made of organic materials gain particular importance. So can e.g. B. PVC membranes selectively by adding ionophores be made for certain types of ions, their concentration NEN can be determined potentiometrically.
In Fig. 1 ist eine ionenselektive "coated-film"-Elektrode dar gestellt, die nur aus einem Kunststoffträger (T), einer Sil berschicht (S) und einer ionenselektiven Membran (M) besteht. Das Potential der Membranunterseite kann hier über den Poten tialabgriff (PA) abgenommen werden. Bei der Messung ist die Oberseite der Membran mit der Meßlösung in Kontakt, und die Galvanispannung kann zwischen Potentialabgriff und einer Referenzelektrode potentiometrisch bestimmt werden.In Fig. 1, an ion-selective "coated-film" electrode is provided, which consists only of a plastic carrier (T), a silver layer (S) and an ion-selective membrane (M). The potential of the underside of the membrane can be tapped via the potential tap (PA). During the measurement, the top of the membrane is in contact with the measurement solution, and the galvanic voltage can be determined potentiometrically between the tap and a reference electrode.
Bei solchen einfachen Sensorelementen kann es an der Grenz fläche zwischen Silberschicht (S) und der ionenselektiven Membran (M) zu thermodynamischen Nichtgleichgewichtszuständen kommen (1), die die Messung der Ionenkonzentration verfäl schen.With such simple sensor elements, thermodynamic non-equilibrium states can occur at the interface between the silver layer (S) and the ion-selective membrane (M) ( 1 ), which falsify the measurement of the ion concentration.
Dieses Problem wird bei Dünnfilmelektroden (2) (Fig. 2) da durch vermieden, daß zwischen Membran (M) und Silberschicht (S) noch eine Festelektrolyt- (FE) und eine Silberchlorid schicht (SC) eingebracht werden.This problem is avoided in thin-film electrodes ( 2 ) ( FIG. 2) because a solid electrolyte (FE) and a silver chloride layer (SC) are introduced between the membrane (M) and the silver layer (S).
Die Messung der Galvanispannung kann gemäß Fig. 3 zwischen einer ionenselektiven Elektrode (SE) und einer stabilen Refe renzelektrode (RE) oder nach Fig. 4 zwischen zwei unter schiedlichen ionenselektiven Elektroden (SE1, SE2) unter Ein beziehung einer Pseudo-Referenzelektrode (PRE) erfolgen. The measurement of the Galvani potential can of FIG. 3 between an ion selective electrode (SE) and a stable Refe rence electrode (RE) or Fig. 4 between two difference union ion-selective electrodes (SE 1, SE 2) under a pseudo-reference electrode relation ( PRE).
Sollen mehrere ionenselektive Elektroden auf einem Träger zu einem Multisensorelement zusammengefaßt werden, so muß jede Elektrode einzeln auf der Rückseite entweder nach Art der "coated-film"- oder der Dünnschicht-Elektrode kontaktiert und mit der externen Signalelektronik verbunden werden.Should several ion-selective electrodes on one carrier a multi-sensor element, so each must Electrode individually on the back either according to the type of "coated-film" - or the thin-film electrode contacted and be connected to the external signal electronics.
(1) P.Berveld
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF CHEMICAL SENSORS IN LIQUIDS
in: Sensors and Sensory Systems for Advanced Robots, NATO ASI
Series, Vol. F43, Edited by P. Dario,Springer-Verlag Berlin
Heidelberg 1988
(2) US-Patent No 42 14 968, Jul.29,1980
(3) K. Cammann
BIO-SENSORS BASED ON ION-SELECTIVE ELECTRODES
Fresenius Z. anal. Chem. 287, 1-9 (1977)(1) P.Berveld
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF CHEMICAL SENSORS IN LIQUIDS in: Sensors and Sensory Systems for Advanced Robots, NATO ASI Series, Vol. F43, Edited by P. Dario, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
(2) US Patent No 42 14 968, Jul.29,1980
( 3 ) K. Cammann
BIO-SENSORS BASED ON ION-SELECTIVE ELECTRODES Fresenius Z. anal.Chem. 287, 1-9 (1977)
Beim derzeitigen Stand der Technik ist es nachteilig, daß für ionenselektive Elektroden entweder komplizierte Schichtenfol gen oder aber thermodynamische Nichtgleichgewichtszustände in Kauf genommen werden müssen.In the current state of the art, it is disadvantageous that for ion-selective electrodes either complicated layer fol conditions or thermodynamic non-equilibrium states in Purchase must be made.
Ferner ist die Verwendung von Edelmetallschichten (z. B. Sil ber) insbesondere bei der Herstellung von "Einmalsensoren" aus wirtschaftlichen Gründen ungünstig.Furthermore, the use of precious metal layers (e.g. Sil ber) especially in the production of "disposable sensors" unfavorable for economic reasons.
Bei Multisensorelementen ist es darüber hinaus notwendig, eine Vielzahl von Anschlußkontakten nach außen zur Verfügung zu stellen.With multi-sensor elements, it is also necessary to a large number of external contacts are available deliver.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Multisensorele mente von Chemo- und Bio-Sensoren als Minimalkonfiguration für den Einmalgebrauch ohne feste Elektrolyt- und Edelmetall schichten so auszubilden, daß die Sensorsignale m.H. einer Meßapparatur berührungslos d. h. ohne galvanische Kontaktie rung bestimmt werden können.The invention is based, the multisensorele the task elements of chemical and bio sensors as a minimal configuration for single use without solid electrolyte and precious metal layers so that the sensor signals m.H. one Non-contact measuring equipment d. H. without galvanic contact tion can be determined.
Die Ausgestaltung der Erfindung soll darüber hinaus eine automatische Handhabung der Multisensorelemente sowie die Un tersuchung von kleinen Flüssigkeitsmengen bis hinunter zu 0,1 ml erlauben.The embodiment of the invention is also intended to be a automatic handling of the multi-sensor elements as well as the Un testing from small amounts of liquid down to Allow 0.1 ml.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Multisensorelement eines Chemo- oder Bio-Sensors aus einem elektrisch nicht leitenden Trägermaterial sowie einer oder mehreren verschiedenen darauf befindlichen ionenselektiven Membranen besteht, die gegebenenfalls mit einem biologisch aktiven Material überzogen sind, und die Potentiale an der Membran-Trägermaterial-Grenzfläche bzw. der Elektrolyt-Trägermaterial-Grenzfläche m. H. einer von außen angebrachten zeitlich veränderlichen Kapazität dadurch bestimmt werden, daß eine oder mehrere die Kapazitäten bildenden beweglichen Elektroden um einen vorgegebenen Abstand vor den Sensorele menten schwingen, oder eine oder mehrere die Kapazitäten bildenden Elektroden z. B. m. H. einer rotierenden Scheibe so an den Sensormembranen vorbeigeführt werden, daß sich die effektive Fläche der Kapa zität zeitlich ändert.This object is achieved in that the Multi-sensor element of a chemical or bio sensor from one electrically non-conductive carrier material and one or several different ion selective on it There is membranes, optionally with a biological active material are coated, and the potentials at the membrane-substrate interface or the electrolyte-substrate interface m. H. one of externally attached time-varying capacity be determined that one or more moveable capacities Electrodes by a predetermined distance in front of the sensor elements swinging, or one or more electrodes forming the capacitors e.g. B. m. H. a rotating disc on the sensor membranes be led past that the effective area of the Kapa change with time.
Zur Bestimmung der Membranpotentiale wird das elektrische Po tential an der beweglichen Elektrode oder am Multisensorele ment m.H. einer Gegenspannung so nachgeregelt, daß die Poten tialdifferenz zwischen den jeweils wirksamen Elektroden der Kapazität und damit der in den Kapazitätszuleitungen auftre tende Wechselstrom minimal wird.To determine the membrane potential, the electrical Po potential on the movable electrode or on the multi-sensor element ment m.H. adjusted a counter voltage so that the pots tial difference between the effective electrodes of the Capacity and thus that which occurs in the capacity supply lines alternating current is minimal.
Hierbei ist das Potential der beweglichen Kapazitätselektrode so groß wie das Membranpotential bzw. Grenzflächenpotential, das dieser gegenüber steht. Somit kann die nachregelbare Ge genspannung als Sensorausgangssignal genutzt werden.Here is the potential of the movable capacitance electrode as large as the membrane potential or interface potential, that this is opposite. The adjustable Ge voltage can be used as a sensor output signal.
Ist die zeitlich veränderliche Kapazität m. H. einer auf einer rotierenden Scheibe befindlichen Gegenelektrode verwirklicht, so können auf diese Weise mehrere Grenzflächenpotentiale zeitlich versetzt abgetastet und die Gegenspannung mit einer getasteten Regelung abgeglichen werden. Is the time-varying capacity m. H. one on one realized rotating disc counter electrode, in this way several interface potentials can be created sampled at different times and the counter voltage with one keyed regulation.
Die Signale der einzelnen Sensorelemente des Multisensors können für Differenzmessungen z. B. paarweise verglichen werden.The signals from the individual sensor elements of the multisensor can for z. B. be compared in pairs.
Damit das Potential des Elektrolytes während der Messung zeitlich konstant bleibt, wird eine zeitlich unveränderliche Kapazität gegenüber dem Elektrolyt angeordnet. Ist der Wert dieser Kapazität groß gegenüber den Werten der veränderlichen Kapazitäten, so bleibt das Potential des Elektrolytes annähernd konstant.So that the potential of the electrolyte during the measurement remains constant over time, becomes one that cannot change over time Capacity arranged opposite the electrolyte. Is the value this capacity is large compared to the values of the variable Capacities, the potential of the electrolyte remains approximately constant.
Alternativ kann das Elektrolyt m. H. einer Pseudo-Referenzelektrode in Form einer elektrisch leitenden Schicht kontaktiert und damit dessen elektrisches Potential während der Messung konstant gehalten werden.Alternatively, the electrolyte m. H. a pseudo reference electrode contacted in the form of an electrically conductive layer and thus its electrical potential during the Measurement can be kept constant.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Multisensorelement nur noch aus dem Trägermaterial sowie den ionenselektiven Membranen besteht. Eine solche Minimalkonfiguration bewirkt minimale Herstellungskosten, die für Einmalsensoren dieser Art von größter Bedeutung sind.The advantages achieved with the invention are in particular in that the multisensor element only consists of the carrier material as well as the ion-selective membranes. A such a minimal configuration results in minimal manufacturing costs, which is of paramount importance for disposable sensors of this type are.
Da die ionenselektiven Membranen auf den Rückseiten keine galvanischen Kontakte besitzen, entfallen hier auch die durch thermodynamische Nichtgleichgewichtszustände verursachten Instabilitäten.Since the ion-selective membranes on the back are none have galvanic contacts, there are also no through thermodynamic non-equilibrium states caused instabilities.
Darüber hinaus kann bei den Multisensorelementen wegen der kapazitiven, d. h. berührungslosen Bestimmung der Sensorpotentiale auf eine Vielzahl von elektrischen Anschlußkontakten verzichtet werden.In addition, because of the capacitive, d. H. non-contact determination of sensor potentials on a variety of electrical connection contacts to be dispensed with.
Die Ausgestaltung der Multisensorelemente erlaubt eine automatische Handhabung sowie die Untersuchung auch von kleinen Flüssigkeitsmengen bis hinunter zu 0,1 ml.The design of the multi-sensor elements allows automatic Handling as well as examining even small ones Amounts of liquid down to 0.1 ml.
Die Fig. 5a zeigt ein Multisensorelement in der Draufsicht bzw. im Schnitt (Fig. 5b). Das Multisensorelement besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Trägermaterial (T), auf dem mehrere ionenselektive Membranen (N) angebracht sind. Das Elektrolyt bzw. die Meßlösung (E) wird von oben auf das Mul tisensorelement aufgebracht. Die Vertiefungen auf dem Träger (T) dienen dazu, für diese Bereiche größere Kapazitäten ge genüber einer später angebrachten beweglichen Elektrode auf der Rückseite zu realisieren. Dies ist insbesondere bei Meß verfahren mit einer rotierenden Scheibe notwendig, um gerade die Bereiche näher an die bewegliche Elektrode zu bringen, deren Grenzflächenpotentiale bestimmt werden sollen.The Fig. 5a shows a multi-sensor element in the plan view and in cross-section (Fig. 5b). The multisensor element consists of an electrically non-conductive carrier material (T) on which several ion-selective membranes (N) are attached. The electrolyte or the measurement solution (E) is applied to the multi-sensor element from above. The depressions on the carrier (T) serve to realize larger capacities for these areas compared to a movable electrode on the back, which is attached later. This is particularly necessary when measuring with a rotating disk in order to bring the areas closer to the movable electrode whose interface potentials are to be determined.
Andererseits ist es aber auch gemäß Fig. 6 möglich, diese Be reiche m. H. einer elektrischen Rückseitenabschirmung (AS) ab zugrenzen. In dieser Figur besteht das Multisensorelement wieder aus einem Träger (T) sowie mehreren ionenselektiven Membranen (M).On the other hand, it is also possible according to FIG. 6, this Be rich m. H. to delimit an electrical rear shield (AS). In this figure, the multisensor element again consists of a carrier (T) and several ion-selective membranes (M).
Wird hingegen mit mehreren schwingenden Elektroden unter den Membranen gearbeitet, so kann die Abschirmung (AS) auch ent fallen.However, with several vibrating electrodes under the Membranes worked, the shield (AS) can also ent fall.
Bei Differenzmessungen können die Potentiale auf den Rücksei ten verschiedener Membranen verglichen werden. Außerdem ist es möglich, Differenzmessungen m. H. eines Sensorelementes (SE) und eines rudimentären Sensorelementes (RSE) ohne ionen selektive Membran durchzuführen (Fig, 5b, Fig. 6).In the case of differential measurements, the potentials on the backs of different membranes can be compared. It is also possible to make differential measurements m. (B Fig 5, Fig. 6) perform H. a sensor element (SE) and a rudimentary sensor element (RSE) without ion-selective membrane.
Zur Messung, d. h. zur Bestimmung der Sensorpotentiale wird das Multisensorelement (MSE) auf die Meßapparatur (MA) ge bracht (Fig. 7). Dabei bedeckt die Meßlösung (E) das Multisen sorelement. Unter dem Multisensorelement befinden sich in der Meßapparatur eine oder mehrere Gegenelektroden, die die ver änderlichen Kapazitäten bilden.To measure, ie to determine the sensor potentials, the multisensor element (MSE) is placed on the measuring apparatus (MA) ( FIG. 7). The measuring solution (E) covers the multisensor element. Under the multisensor element there are one or more counter electrodes in the measuring apparatus, which form the variable capacitances.
Ebenso ist es möglich, die Anordnung nach Fig. 7 um eine hori zontale Achse um 180° zu drehen, so daß das Multisensorelement von oben auf die Meßlösung gebracht wird.It is also possible to rotate the arrangement according to FIG. 7 about a horizontal axis by 180 °, so that the multisensor element is brought onto the measurement solution from above.
In Fig. 8 ist ein Multisensorelement mit mehreren ionenselek tiven Membranen (M), einem rudimentären Sensorelement (RSE) sowie einer vereinfachten Meßanordnung gezeigt. Unter den Membranen sind bewegliche Elektroden (BE1, BE2, BE3 . . .) ange ordnet, deren Abstände zum Multisensorelement periodisch ver ändert werden. Diese beweglichen Gegenelektroden bilden zu den Membranrückseiten die veränderlichen Kapazitäten (Cs1, Cs2, Cs3 . . .) . In FIG. 8, a multi-sensor element with a plurality ionenselek tive membranes (M), a rudimentary sensor element (RSE) as well as a simplified measuring arrangement is shown. Movable electrodes (BE 1 , BE 2 , BE 3 ...) Are arranged under the membranes, the distances to the multisensor element are changed periodically. These movable counter electrodes form the variable capacitances (C s1 , C s2 , C s3... ) On the back of the membrane.
Hat das Grenzflächenpotential an der Membranrückseite einen anderen Wert als das Potential der beweglichen Gegenelek trode, so liegt an der Kapazität Cs eine elektrische Spannung Us. Bei einer Veränderung des Abstandes d zwischen der Gegen elektrode und dem Sensorelement verändert sich die Kapazität Cs und es fließt ein zeitlich veränderlicher Strom i:If the interfacial potential at the membrane trode back a different value than the potential of the movable Gegenelek so located on the capacitance C s, an electric voltage U s. When the distance d between the counter electrode and the sensor element changes, the capacitance C s changes and a time-varying current i flows:
i = dQ/dt = (dCs/dt) Us i = dQ / dt = (dC s / dt) U s
mit Cs = εo εr A/d und d = d₁ ± Δdwith C s = ε o ε r A / d and d = d₁ ± Δd
Q = elektrische Ladung
t = Zeit
εo = Dielektrizitätskonstante des leeren Raumes
εr = relative Dielektrizitätskonstante
A = Fläche der Kapazität
d = Abstand der Elektroden der KapazitätQ = electrical charge
t = time
ε o = dielectric constant of empty space
ε r = relative dielectric constant
A = area of capacity
d = distance of the electrodes of the capacitance
Mit Hilfe einer Gegenspannung Uk kann die Potentialdifferenz Us und damit der Wechselstrom i auf den Wert Null geregelt werden. Die Spannung Uk stellt nun das Sensorsignal dar, das mit dem Signal eines anderen Sensorelementes in Form einer Differenzmessung verglichen werden kann: Udiff = Us1 - Us2 Die Differenzmessung kann auch m. H. eines rudimentären Sen sorelementes (RSE) ohne ionenselektive Membran durchgeführt werden. Dabei wird das Grenzflächenpotential an der Phasen grenze zwischen Elektroly (E) und Trägermaterial (T) erfaßt.With the help of a counter voltage Uk, the potential difference U s and thus the alternating current i can be regulated to the value zero. The voltage Uk now represents the sensor signal, which can be compared with the signal of another sensor element in the form of a difference measurement: U diff = U s1 - U s2 The difference measurement can also be m. H. a rudimentary sensor element (RSE) without an ion-selective membrane. The interface potential at the phase boundary between electrolytes (E) and carrier material (T) is detected.
Bei der Bestimmung der einzelnen Sensorpotentiale ist es von Bedeutung, daß sich das elektrische Potential des Elektroly tes nicht wesentlich verändert.When determining the individual sensor potentials it is of Meaning that the electrical potential of the electroly not changed significantly.
In der Anordnung nach Fig. 8 wird dies dadurch erreicht, daß das elektrische Potential des Elektrolytes m. H. der Kapazität Cg nahezu konstant gehalten wird. Für große Kapazitätswerte (Cg»Cs1+Cs2+Cs3...) ist dies auch dann gewährleistet, wenn an den Punkten S1, S2, S3... der Schaltung veränderliche Poten tiale auftreten. Die Kapazität Cg wird zwischen dem Elektro lyt (E) und einer festen Gegenelektrode (GE) im Bereich der Wanne (W) gebildet. Es ist aber ebenso möglich, das elektri sche Potential des Elektrolyts m. H. einer Pseudo-Referenz elektrode (PRE) in Form einer elektrisch leitenden Schicht konstant zu halten (Fig. 9).In the arrangement according to FIG. 8 this is achieved in that the electrical potential of the electrolyte m. H. the capacity C g is kept almost constant. For large capacitance values (C g »C s1 + C s2 + C s3 ...) this is also guaranteed if changing potentials occur at points S 1 , S 2 , S 3 ... of the circuit. The capacitance C g is formed between the electrolyte (E) and a fixed counter electrode (GE) in the area of the tub (W). However, it is also possible to use the electrical potential of the electrolyte m. H. to keep a pseudo-reference electrode (PRE) in the form of an electrically conductive layer constant ( Fig. 9).
Für Messungen an Multisensorelementen nach Fig. 8 und Fig. 9 ist es nötig, unter jeder Sensormembran eine schwingende Elektrode (BE) anzuordnen.For measurements on multi-sensor elements according to Fig. 8 and Fig. 9, it is necessary to arrange a vibrating electrode (BE) under each sensor membrane.
Die schwingenden Elektroden können z. B. m. H. eines elektro magnetischen oder piezoelektrischen Systems angetrieben werden.The vibrating electrodes can e.g. B. m. H. an electro magnetic or piezoelectric system driven will.
Darüber hinaus kann das Multisensorelement auch gegenüber einer schwingenden Gegenelektrode räumlich verschoben werden.In addition, the multi-sensor element can also face a vibrating counter electrode are spatially shifted.
Dabei werden die einzelnen Sensorpotentiale nacheinander er faßt.The individual sensor potentials are successively sums up.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 wird die veränderliche Ka pazität dadurch realisiert, daß eine bewegliche Elektrode (BE) seitlich unter den Sensormembranen verschoben wird. Die Kapazitätsänderung ΔCs wird hier durch eine Flächenänderung ΔA erreicht, wobei A die Größe der Fläche angibt, mit der sich die bewegliche Elektrode (BE) und die jeweilige Membran räumlich überlagern.In the exemplary embodiment according to FIG. 10, the variable capacitance is realized in that a movable electrode (BE) is moved laterally under the sensor membranes. The change in capacitance ΔC s is achieved here by a change in area ΔA, where A indicates the size of the area with which the movable electrode (BE) and the respective membrane are spatially superimposed.
Wird die bewegliche Elektrode (BE) nacheinander an den ver schiedenen Membranen M vorbeigeführt, so werden die Poten tiale an den Membranrückseiten zeitlich nacheinander erfaßt.If the movable electrode (BE) is connected to the ver passed different membranes M, so the pots tiale recorded on the back of the membrane sequentially.
Mit Hilfe der Gegenelektrode (GE) wird auch hier im Bereich der Wanne (W) eine zeitlich unveränderliche Kapazität Cg ge genüber dem Elektrolyt gebildet, damit dessen elektrisches Potential annähern konstant bleibt.With the help of the counter electrode (GE), a time-constant capacitance C g compared to the electrolyte is formed in the region of the trough (W) so that its electrical potential remains approximately constant.
Fig. 11 zeigt die zeitlichen Verläufe der Kapazität Cs (Fig. 11b) sowie des Stromes i (Fig. 11c) für den Fall, daß die bewegliche Elektrode (BE) an einer Membran (M) vorbeigeführt wird. Die Stromamplitude richtet sich nach der Größe der Po tentialdifferenz an der Kapazität Cs. Ist der Abgleich der Gegenspannung erfolgt, so gilt: i→O FIG. 11 shows the time profiles of the capacitance C s ( FIG. 11b) and the current i ( FIG. 11c) in the event that the movable electrode (BE) is guided past a membrane (M). The current amplitude depends on the size of the potential difference in the capacitance C s . If the counter voltage has been adjusted, the following applies: i → O
In Fig. 12a ist das Multisensorelement (MSE) aus Fig. 10 in der Draufsicht dargestellt. Unter diesem ist eine rotierende Scheibe (RSC) mit einer oder mit mehreren beweglichen Elek troden (BE) so angeordnet, daß die bewegliche Elektrode nach einander an den Membranen M1, M2, M3... vorbeigeführt wird, wobei zeitlich versetzt die Stromsignale der einzelnen Sens orelemente in der elektrischen Zuleitung der beweglichen Elektrode (BE) oder der festen Gegenelektrode (GE) auftreten (Fig. 12b).The multi-sensor element (MSE) from FIG. 10 is shown in plan view in FIG. 12a. Below this, a rotating disc (RSC) with one or more movable electrodes (BE) is arranged so that the movable electrode is passed one after the other at the membranes M 1 , M 2 , M 3 ..., the time offset Current signals of the individual sensor elements in the electrical lead of the movable electrode (BE) or the fixed counter electrode (GE) occur ( Fig. 12b).
Die Sensormembranen können auch gemäß Fig. 13 in zwei oder mehreren Reihen angeordnet und mit zwei oder mehreren beweg lichen Elektroden (BE1, BE2) abgetastet werden. In Fig. 13b ist der entsprechende Stromverlauf i über der Zeit t darge stellt.The sensor membranes can also be arranged according to FIG. 13 in two or more rows and scanned with two or more movable electrodes (BE 1 , BE 2 ). In Fig. 13b, the corresponding current waveform i is over the time t is Darge.
Die rotierende Scheibe (RSC) läßt sich z. B. aus Kunststoff oder Glas herstellen und m. H. eines Elektromotors antreiben. Die beweglichen Elektroden (BE) können aus einer dünnen Me tallschicht bestehen, die z. B. m. H. des Aufdampfverfahrens auf die Scheibe aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich, feste Metallelektroden in die Scheibe einzuschrauben, ein zugießen oder aufzukleben.The rotating disc (RSC) can be z. B. made of plastic or make glass and m. H. drive an electric motor. The movable electrodes (BE) can be made from a thin Me tallschicht exist, the z. B. m. H. the vapor deposition process be applied to the disc. It is also possible screwing solid metal electrodes into the disc pour in or stick on.
Die unbewegliche Gegenelektrode (GE) kann fest mit der Halte rung verbunden werden, die das Multisensorelement (MSE) in der Meßapparatur (MA) aufnimmt.The immovable counter electrode (GE) can be firmly attached to the holder tion that the multi-sensor element (MSE) in the measuring apparatus (MA).
Fig. 14 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild für die Sig nalelektronik. Die nacheinander gemäß Fig. 12b oder Fig. 13b auftretenden Strompulse werden für jedes Sensorelement be stimmt und die Gegenspannung pulsweise m. H. der getasteten Regelung so eingestellt, daß die Ausgangsspannungspulse us zeitlich versetzt die Höhe der einzelnen Sensorpotentiale wiedergeben. Fig. 14 shows the simplified block diagram for the signal electronics. The successive current pulses according to FIG. 12b or FIG. 13b are determined for each sensor element and the counter voltage is pulsed m. H. the keyed control set so that the output voltage pulses u s reflect the height of the individual sensor potentials.
Treten an einer Scheibe nach Fig. 12a bzw. 13a mit einem Durchmesser von ca. 10 cm Umdrehungsgeschwindigkeiten von 20 000 Umdrehungen pro Minute auf, so können an ionenselekti ven Membranen mit einer Fläche von 0,1 cm2 Sensorpotentiale in der Größe von 1 mV aufgelöst werden.Occur on a disc according to Fig. 12a and 13a having a diameter of about 10 cm rotation speeds of 20, 000 revolutions per minute, so can at ionenselekti ven membranes with a surface area of 0.1 cm 2 sensor potential in the size of 1 mV be resolved.
Eine Kalibrierung der Sensorelemente ist nach den bekannten Verfahren m. H. von Testlösungen mit bekannten Ionenkonzentra tionen möglich. The sensor elements are calibrated according to the known ones Procedure m. H. of test solutions with known ion concentration possible.
Die Auswertung des Ausgangssignals kann anschließend z. B. mit Hilfe eines Rechners (PC) erfolgen.The evaluation of the output signal can then z. B. with With the help of a computer (PC).
Ionenselektive Multisensorelemente können auf unterschiedli che Weisen hergestellt werden.Ion-selective multisensor elements can be different ways are made.
Multisensorelemente nach Fig. 5 lassen sich dadurch erzeugen, daß in die vorgesehenen Vertiefungen des Trägermaterials (T) eine Flüssigmembranlösung z. B. m. H. eines Dosiersystems ein gebracht wird. Nach Verflüchtigung des Lösungsmittels bilden sich in den Vertiefungen die Sensormembranen.Multi-sensor elements according to Fig. 5 can thereby generate that in the corresponding grooves of the carrier material (T) for a liquid membrane solution. B. m. H. a dosing system is brought. After the solvent has evaporated, the sensor membranes form in the wells.
Als Trägermaterial können Kunststoffe (Teflon, Polycarbonat, PVC oder andere) aber auch Glas oder Keramik verwendet wer den.Plastic (Teflon, polycarbonate, PVC or others) but also glass or ceramics the.
Für die Membranen lassen sich die bekannten Flüssigmembranma terialien einsetzen. Ionenselektive Polyvinylchlorid- (PVC) Membranen können zum Beispiel folgende Zusammensetzung haben: 33 Gewichts-% PVC, 66 Gewichts-% Weichmacher und 1 Gewichts-% Ionophore.The known liquid membrane ma can be used for the membranes use materials. Ion selective polyvinyl chloride (PVC) For example, membranes can have the following composition: 33% by weight PVC, 66% by weight plasticizer and 1% by weight Ionophore.
Für die Herstellung von Bio-Sensoren werden die Membranen nach den bekannten Verfahren zusätzlich z. B. mit Enzymen oder Mikroorganismen belegt.The membranes are used for the production of bio-sensors according to the known methods in addition z. B. with enzymes or Microorganisms documented.
Sollen vorgefertigte Membranen verwendet werden, so können die Membranen in die Vertiefungen des Trägermaterials (T) eingeklebt werden.If prefabricated membranes are to be used, then the membranes into the recesses of the carrier material (T) be glued in.
Gemäß Fig. 15 kann der Träger (T) auch aus einem Unterteil (TU) und einem Oberteil (TO) bestehen.Referring to FIG. 15 of the carrier (T) can also consist of a lower part (TU) and an upper part (TO) are made.
Ober- und Unterteile lassen sich wieder aus den oben genann ten Materialien herstellen.Upper and lower parts can again be called from the above Manufacture materials.
Auf das Trägerunterteil (TU) können z. B. vorgefertigte Flüs sigmembranen aufgelegt werden, die anschließend m. H. des auf geklebten Oberteiles (TO) am Membranrand befestigt werden.On the lower beam (TU) z. B. prefabricated rivers sigmembranen are placed, which then m. H. of the glued upper part (TO) are attached to the membrane edge.
Ebenso ist es möglich, Festkörpermembranen z. B. aus SiO2, Si3N4 oder TixOy auf dem Trägerunterteil zu erzeugen. Hierfür können z. B. folgende bekannte Verfahren der Festkörpertechno logie eingesetzt werden:It is also possible to use solid-state membranes e.g. B. from SiO 2 , Si 3 N 4 or Ti x O y on the lower support part. For this, e.g. B. the following known methods of solid state technology can be used:
Bedampfung im Vakuum, CVD-Verfahren, Spin-On-Verfahren, Sieb druck. Evaporation in a vacuum, CVD process, spin-on process, sieve print.
Die Ausgestaltung der Multisensorelemente nach Fig. 5 Fig. 9 Fig. 10 sowie Fig. 15 verhindert in besonders vorteilhafter Weise den Kontakt zwischen Elektrolyt (E) und den Membranrän dern bzw. der Membranrückseite.The configuration of the multi-sensor elements according to Fig. 5 Fig. 9 Fig. 10 and Fig. 15 prevented in a particularly advantageous manner the contact between the electrolyte (E) and the Membranrän countries or membrane rear.
Die Multisensorelemente (MSE) können nach Fig. 16 auch einen Rand (R) besitzen, der die Meßflüssigkeit (E) am seitlichen Abfließen hindert. Darüber lassen sich die Multisensorele mente auch mit einer Abdeckung (AD) versehen (Fig. 17).The multi-sensor elements (MSE) can according to Fig. 16 also has a rim (R) own which prevents the measuring liquid (E) at the lateral drainage. In addition, the multisensor elements can also be provided with a cover (AD) ( Fig. 17).
Auch ist es gemäß Fig. 18 möglich, die Gegenelektrode (GE) auf der Abdeckung (AD) anzubringen.It is also shown in FIG. 18 possible to mount the counter electrode (GE) on the cover (AD).
Ebenso kann die gesamte Anordnung um eine horizontale Achse um 180° gedreht werden.Likewise, the entire arrangement around a horizontal axis can be rotated by 180 °.
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