DE4115792A1 - Anordnung fuer ein biosensorsystem zur analyse von in fluessiger form vorliegenden stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein Biosensorsystem zur Analyse von in flüssiger Form vorliegenden Stoffen unter Verwen­ dung einer membranbedeckten Miniaturelektrode und einer Membran­ spann- und Membranwechselvorrichtung. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für kleine handliche Analysemeßgeräte in der Medizin- und Umwelttechnik anwendbar.

Anordnungen für Biosensorsysteme sind unter Verwendung von Zwei-, Drei- oder Mehrfachelektroden mit über dem Elektrodenkopf ge­ spannter Membran und mit Membranspannvorrichtungen bekannt.

Aus der DD-PS 2 43 117 ist eine rotierende Mehrfachelektrodenanord­ nung mit mehreren Elektrolyten und Befestigungsmitteln für eine Membran bekannt. Dabei wird die Membran über den ringförmigen Rand eines Isolierkörpers mittels Druckring und Überwurfmutter gespannt. Aufgrund der konstruktiven Ausführung ist diese Lösung nicht für Biosensorsysteme, welche ohne Elektrolyt arbeiten, ge­ eignet. Da die Membran nicht an der Elektrode anliegt, sind kei­ ne kleinen Meßzeiten, keine hohe Meßgenauigkeit und keine Lang­ zeitstabilität erreichbar.

Aus der GB-PS 20 17 930 ist eine Zweielektrodenausführung für einen Biosensor, welcher mit Elektrolyt arbeitet, bekannt. Dabei wird die Membran mittels eines Gummiringes über das kegelförmige Ende eines Trägerteils mit Mittelbohrung gespannt. In der Mittelboh­ rung befindet sich die Meßelektrode, welche aus mehreren Teilen besteht und dessen oberstes Teil abgerundet ist und mit dem ke­ gelförmigen Ende des Trägerteiles abschließt. Die Gegenelektrode besteht aus einem um das untere Ende des Trägerteiles gewickelten Draht. Das Trägerteil wird fest in ein Gehäuse eingepaßt. Nach­ teilig bei dieser Anordnung ist der aufwendige Elektrodenaufbau, der eine Miniaturisierung nicht zuläßt und für Biosensorsysteme ohne Elektrolyt nicht geeignet ist. Weiterhin kann die Membran erst nach Entnahme des Trägerteils ausgewechselt werden, was aber bei der gegebenen Konstruktion nicht vorgesehen ist.

Die Membranspannung wird entweder durch den Gummiring oder zu­ sätzlich durch einen Klemmring erreicht, wobei der Klemmring fest eingeklebt wird und somit das Wechseln der Membran nicht mehr möglich ist. Wesentlich nachteilig ist, daß keine Maßnahmen ge­ troffen wurden, um Rückstände aus dem Meßmedium auf der Oberflä­ che der Meßelektrode zu vermindern oder zu beseitigen.

Aus der US-PS 46 20 918 ist eine ähnliche Konstruktion für einen Biosensor wie aus der GB-PS 20 17 930 bekannt, wobei die Membran nur durch das runde Ende einer Meßelektrode gespannt und zwischen einer Kappe mit Mittelloch und einem inneren Ring eingeklemmt ist. Die Gegenelektrode ist am unteren Teil der Meßelektrode in Form eines Hohlzylinders angeordnet. Auch hier ist ein Wechseln der Membran nicht vorgesehen. Alle bereits bei der GB-PS 20 17 930 genannten Nachteile treffen auch für die US-PS 46 20 918 zu.

Aus der DE-OS 38 22 886 ist eine Dreielektrodenanordnung bekannt, welche ohne Elektrolyt arbeitet und bei der einer Bezugselektrode ein vorspannungspotential zugeführt wird. Der Kopf dieser Elek­ trodenanordnung ist leicht nach außen gewölbt und Bezugselektrode sowie Gegenelektrode sind um die Meßelektrode in Form von Hohlzy­ lindern angeordnet. Maßnahmen zum Erreichen einer optimalen Mem­ branspannung und Mittel zum Wechseln der Membran werden dabei nicht genannt. Zur Verminderung der Rückstandsbildung auf den Elektrodenoberflächen werden ebenfalls keine Maßnahmen genannt. Des weiteren ist der Herstellungsaufwand gegenüber Zweielektroden­ anordnungen höher.

Aus den JP-A 63-2 43 863 und JP-A 63-3 00 953 sind Zweielektrodenan­ ordnungen bekannt, wobei der Elektrodenkopf leicht gewölbt ist und die Gegenelektrode in Form eines Hohlzylinders um die Meß­ elektrode herum angeordnet ist. Gemäß der JP-A 63-2 43 863 wird eine Membran mittels einer Kappe über den Elektrodenkopf befe­ stigt und eine zweite Membran mittels einer weiteren Kappe mit Innengewinde darüber angeordnet. Nach JP-A 3 00 953 ist eine Mem­ bran mittels eines Ringes auf der Elektrodenoberfläche befestigt und zur Vermeidung eines Oxidfilmes auf der Elektrodenoberfläche, wenn nicht gemessen wird, wird eine Umkehrspannung an die Elek­ troden gelegt. Nachteilig bei beiden JP-A ist, daß keine Maßnah­ men getroffen wurden, um eine optimale Membranspannung zu errei­ chen und ein einfaches Wechseln der Membran zu ermöglichen. Die Bildung von Rückständen auf der Elektrodenoberfläche wird auch durch eine angelegte Umkehrspannung außerhalb der Meßzeit nicht vermindert.

Eine ähnliche Lösung ist aus der DE-OS 38 22 911 bekannt, wobei Rückstände auf der Elektrodenoberfläche vor jeder Messung durch eine Umkehrspannung beseitigt werden. Dafür wird jedoch eine sehr aufwendige elektronische Zustandserkennungs- und Steuerungsschal­ tung benötigt. Die o.g. Nachteile hinsichtlich Membranspannung und Membranwechsel sind auch bei dieser Lösung zutreffend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für ein Biosensorsystem zu schaffen, die für alle bekannten biochemischen Meßverfahren unter Verwendung einer membranbedeckten Miniatur­ elektrode geeignet ist, und eine hohe Langzeitstabilität, eine geringe Störanfälligkeit, einen geringen Herstellungsaufwand so­ wie ein problemloses Wechseln der Membran ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in Anspruch 1 bis 3 ge­ nannten Merkmale gelöst.

Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Anordnung eines Biosensorsystems ohne Verwendung von Elektrolyt näher erläutert werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die für die erfindungsgemäße Anordnung verwendete Miniaturelek­ trode 5 besitzt eine Gegenelektrode 3, welche aus Silberblech gezogen ist und deren Kopf die Form einer Kugelkalotte mit einer Mittelöffnung 4 aufweist. Der Kopf der Meßelektrode 1, welche z. B. aus Platindraht besteht und des Elektrodenkörpers 2 sind der Kalottenform angepaßt, wobei der Kopf der Meßelektrode 1 inner­ halb der Mittelöffnung 4 der Gegenelektrode 3 angeordnet ist. Durch die Form des Kopfes der Miniaturelektrode 5 wird ein opti­ males Anliegen der darübergespannten Membran 7 möglich, so daß sehr kurze Meßzeiten erreicht werden können. Dafür hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß der Kalottendurchmesser gleich dem Durchmesser der Miniaturelektrode 5 ist. Im Fall einer Anordnung zur Messung von Blutbestandteilen in der Medizin werden z. B. entsprechend biologisch aktive Membranen verwendet.

Der Durchmesser der Mittelöffnung 4 der Gegenelektrode 3 ist gleich oder kleiner dem doppelten Durchmesser der Meßelektrode 1, so daß der Abstand zwischen Gegenelektrode 3 und Meßelektrode 1 derart gering ist, daß durch den Stromfluß störende Bestandteile des Meßmediums abtransportiert werden und sich nicht auf der Elektrodenoberfläche festsetzen können. Im Fall der kontinuierli­ chen Messung von Blutzucker wurde eine hohe Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse über einen Zeitraum von 4 Wochen festgestellt, wonach ein Wechsel der biologisch aktiven Membran ohnehin erfol­ gen muß und dabei die Elektrodenoberfläche von eventuellen Rück­ ständen problemlos gereinigt werden kann.

Die ebenfalls erfindungsgemäße Membranspann- und Membranwechsel­ vorrichtung besteht aus einem klappbaren Unterteil 8 und einem damit verbundenen aufklappbaren Oberteil 9. Das Unterteil 8 be­ sitzt eine Durchgangsbohrung 10 und auf seiner Unterseite eine die Durchgangsbohrung 10 erweiterte zylindrische Aussparung 11 Die Durchgangsbohrung 10 im Unterteil 8 weist in der dem Oberteil 9 gegenüberliegenden Oberseite des Unterteils 8 eine das Meßme­ dium aufnehmende Mittelsenkung 12 auf. Die Mittelsenkung 12 reicht bis zum Boden der zylindrischen Aussparung 11 im Unterteil 8. Die zylindrische Aussparung 11 im Unterteil 8 nimmt die Mem­ bran 7 und einen Teflonring 13 mit einer Mittelbohrung auf.

Dabei ist die Membran 7 größer als der Durchmesser des Teflonrin­ ges 13, so daß die Membran 7 beim Eindrücken des Teflonringes 13 in die zylindrische Aussparung 11 des Unterteils 8 über den Tef­ lonring 13 gespannt und durch den Teflonring 13 gegen den Boden der zylindrischen Aussparung 11 abgedichtet wird. Das Unterteil 8 ist vorteilhafterweise ein Plastspritzteil. Das sehr einfache Spannen der Membran 7 mittels des Teflonringes 13 ist vor allem wegen der guten Gleiteigenschaften des Teflonmaterials möglich.

Die Mittelbohrung des Teflonringes 13 nimmt die Miniaturelektrode 5 mit dem Isolierkörper 6 auf, wobei der Kopf der Miniaturelek­ trode 5 mit der darüber gespannten Membran 7 in die Mittelsenkung 12 in der Oberseite des Unterteils 8 hineinragt, so daß die Mem­ bran 7 nochmals gespannt wird, am Kopf der Miniaturelektrode 5 eng anliegt und diesen vollständig umschließt. Die Oberkante 14 des im wesentlichen zylindrischen Isolierkörpers 6 dichtet die Membran 7 gegen den Boden der zylindrischen Aussparung 11 im Un­ terteil 8 nochmals ab, so daß keine Meßflüssigkeit in das Innere des Biosensorsystems eindringen kann. Vorteilhaft bestehen der Isolierkörper 6 und der Elektrodenkörper 2 der Miniaturelektrode 5 aus einem Stück, welches z. B. durch Vergießen der Miniaturelek­ trode 5 mit einer Isoliermasse entsteht.

Das Unterteil 8 ist im eingebauten Zustand des Biosensorsystems fest justiert, während das Oberteil 9 bei der Messung am Unter­ teil 8 eingerastet ist. Nach der Messung wird das Oberteil 9 auf­ geklappt, die Meßflüssigkeit entfernt und in die Mittelsenkung 12 kann z. B. eine Regenerationslösung für die biologisch aktive Mem­ bran gebracht werden. Zum Wechseln der Membran 7 wird das Biosen­ sorsystem aus der Justierung gezogen und das Unterteil 8 hochge­ klappt, so daß die Membran 7 leicht entfernt werden kann. Eine Mittelsenkung in der Durchgangsbohrung des Teflonringes 13 ermög­ licht dabei das problemlose Hochklappen des Unterteils 8. Nach dem Eindrücken des Teflonringes 13 mit der darübergespannten neu­ en Membran 7 wird das Unterteil 8 heruntergeklappt und die Minia­ turelektrode 5 nimmt ihre Anordnung wie bereits oben beschrieben ein.

Durch konstruktive Gestaltung des Isolierkörpers 6 kann ein zur Aufnahme eines Elektrolyten geeigneter Hohlraum geschaffen wer­ den, so daß das erfindungsgemäße Biosensorsystem auch für Messun­ gen mit Elektrolyten geeignet ist.

Durch die optimale Spannung der Membran 7 und die besondere Ge­ staltung der Miniaturelektrode 5, welche eine hohe Leitfähigkeit im Meßraum garantiert, wurde mit dem beschriebenen Biosensorsys­ tem eine geringe Störanfälligkeit sowie eine hohe Meßstabilität und Langzeitstabilität erreicht. Des weiteren wird auch bei stark verunreinigten Meßmedien eine gute Reproduzierbarkeit der Meßer­ gebnisse erreicht, ohne eine zusätzliche Umkehrspannung anzule­ gen.

Claims (3)

1. Anordnung für ein Biosensorsystem zur Analyse von in flüssiger Form vorliegenden Stoffen, bestehend aus einer in einem Iso­ lierkörper befestigten Miniaturelektrode mit einer über den Kopf der Miniaturelektrode gespannten Membran, wobei die Mini­ aturelektrode eine Meßelektrode aufweist, die von einem hoch­ isolierenden festen Elektrodenkörper und dieser wiederum von einer Gegenelektrode umgeben ist, und aus einer Membranspann­ vorrichtung, welche gleichzeitig als Membranwechselvorrichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kopf der Gegenelektrode (3) der Miniaturelektrode (5) die Form einer Kugelkalotte mit einer Mittelöffnung (4) auf­ weist und der Kopf der Meßelektrode (1) und des Elektrodenkör­ pers (2) dieser Form angepaßt sind, wobei der Kopf der Meß­ elektrode (1) innerhalb der Mittelöffnung (4) der Gegenelek­ trode (3) angeordnet ist und der Durchmesser der Mittelöffnung (4) der Gegenelektrode (3) gleich oder kleiner dem doppelten Durchmesser der Meßelektrode (1) ist,
daß die Membranspann- und Membranwechselvorrichtung aus einem zum Wechseln der Membran (7) klappbaren Unterteil (8) und ei­ nem damit verbundenen aufklappbaren Oberteil (9) besteht, wo­ bei das Unterteil (8) eine Durchgangsbohrung (10) und auf sei­ ner Unterseite eine die Durchgangsbohrung (10) erweiternde zylindrische Aussparung (11) aufweist,
daß die Durchgangsbohrung (10) im Unterteil (8) in der dem Oberteil (9) gegenüberliegenden Oberseite eine das Meßmedium aufnehmende Mittelsenkung (12) besitzt, welche bis zum Boden der zylindrischen Aussparung (11) im Unterteil (8) reicht,
daß die zylindrische Aussparung (11) im Unterteil (8) einen die Membran (7) vorspannenden und abdichtenden Teflonring (13) mit einer Mittelbohrung aufnimmt und
daß die Mittelbohrung des Teflonringes (13) die Miniatur­ elektrode (5) mit dem Isolierkörper (6) aufnimmt, wobei der Kopf der Miniaturelektrode (5) mit der darüber gespannten Mem­ bran (7) in die Mittelsenkung (12) in der Oberseite des Unter­ teils (8) hineinragt und die Oberkante (14) des Isolierkörpers (6) die Membran (7) gegen den Boden der zylindrischen Ausspa­ rung (11) im Unterteil (8) abdichtet.

2. Anordnung für ein Biosensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (3) aus gezogenem Sil­ berblech und die Meßelektrode (1) aus Platindraht besteht.

3. Anordnung für ein Biosensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (6) und der Elektrodenkörper (2) aus einem Stück bestehen.