DE4131731A1

DE4131731A1 - Sensor zur bestimmung von chemischen verbindungen in fluessigkeiten und gasen

Info

Publication number: DE4131731A1
Application number: DE19914131731
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Raymond Glocker Inst fur GmbH
Current assignee: Raymond Glocker Inst fur GmbH
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1993-05-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung von chemischen Sub stanzen oder Verbindungen in Flüssigkeiten, z. B. Blut oder Gasen.

Bekannt sind Anordnungen von Metallelektroden zur amperometrischen, poten tiometrischen und konduktometrischen Bestimmung bestimmter Substanzen in Flüssigkeiten und Gasen, z. B. Sauerstoff, chemische und biochemische Verbin dungen im Blut. Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte Clark-Zelle, die zum Nach weis von Sauerstoff in wäßrigen Lösungen eingesetzt wird. Sie besteht aus zwei Metallelektroden, die in einen Elektrolyten eintauchen. Der Elektrolyt ist durch eine sauerstoffpermeable Membran von der eigentlichen Meßlösung getrennt. Eine Miniaturisierung dieser Anordnung bringt verschiedene Vorteile. Mikroelek troden dieser Art erreichen extrem kurze Ansprechzeiten. Außerdem wird das Meßsignal unabhängig von der Anströmgeschwindigkeit des Sensors. Die bisher eingesetzten Mikroelektroden liefern nur sehr geringe Signalströme und besit zen eine weit geringere Empfindlichkeit als Mikroelektroden.

Gemäß der Erfindung werden die Mikroelektroden in planarer Technik oder mit Verfahren der Mikromechanik realisiert. Die Elektroden dienen auch als Basis strukturen für eine Vielzahl von Sensoren. Gegenüber bisherigen Mikroelektro den bietet diese Technik wesentliche Vorteile. Durch Anordnung beliebig vieler Einzelelektroden in Arrays, die parallel geschaltet werden, können die Signalströ me und damit die Empfindlichkeit des Sensors um mehrere Größenordnungen er höht werden. Die Mikroelektroden können in beliebigen Geometrien angeord net werden. Eine dritte Elektrode für Dreielektrodenmessungen kann leicht inte griert werden.

Durch die Wahl von Silicium als Strukturmaterial können sowohl die Sensorarrays als auch elektronische Schaltungen auf einem Chip realisiert werden. Die Basis strukturen eignen sich für die Fixierung selektiver Membranen und den Einschluß von Elektroyten für eine Vielzahl von Meßaufgaben. Ein besonderer Vorteil die ser Technologie liegt in der Möglichkeit einer kostengünstigen Produktion in gro ßen Stückzahlen.

Bei Dreielektrodenmessungen kann die Referenzelektrode vorzugsweise mit ei nem Redoxsystem, z. B. Ferrocen/Ferrocenium versehen sein, das ein kontrollier tes Diffusionspotential an der Elektrode sicherstellt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darge stellt.

Fig. 1 zeigt eine Mikroelektrode im Querschnitt. Auf einem Substrat 10 ist unter Zwischenlage eines ersten Isolators 11 eine Arbeitselektrode 12 und eine Gegen elektrode 13 fixiert, die mittels eines zweiten Isolators 14 voneinander elektrisch isoliert sind. Die freie Fläche 15 der Arbeitselektrode 12 ist punktförmig und hat einen Durchmesser zwischen 1 und 4 µm. Derartige Arbeitselektroden 12 lassen sich in einer Vielzahl in Verbindung mit einer flächigen Gegenelektrode 13 zu ei nem Mikroelektrodenarray zusammensetzen.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen Beispiele von Mikroelektrodenarrays in Draufsicht. In Fig. 2 ist eine flächige Gegenelektrode 23 gezeigt, die eine Vielzahl, bis zu 2000 Mikrolöcher (⌀20-30 µm) aufweist, in denen jeweils die freie Fläche 15 von gleicher Zahl von Arbeitselektroden 12 liegt. Derartige Arrays lassen sich in minia turisierten Dimensionen herstellen. Die 1-3,5 µm im Durchmesser großen Arbeitselektrodenflächen 15 haben einen Abstand voneinander von etwa 130 µm, sie können aber auch dichter, bis zu 40 µm Abstand gepackt werden.

Gemäß Fig. 3 ist eine Ring-Gegenelektrode 33 vorgesehen, in deren Innenbereich 34 sich eine Vielzahl von Arbeitselektroden 15 befindet. Bei einer Gegenelektrode mit einem Durchmesser von 1600 µm können bis zu 400 Arbeits elektroden 12,15 angeordnet werden.

In den Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungen von Mikroelektrodenarrays 40, 50 gezeigt, die mit jeweils einer Referenzelektrode 41, 51 für Dreielektrodenmes sungen ausgebildet sind. In Fig. 4 ist eine aus mehreren Linien bestehende Gegen elektrode 43 vorgesehen, während gemäß Fig. 5 eine flächige, die Arbeitselektro den 15 nicht umgebende Gegenelektrode 53 gezeigt ist.

Claims

1. Sensoren zur Bestimmung von chemischen Substanzen oder Verbindungen in Flüssigkeiten, z. B. Blut und Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß Mikro elektrodenarrays (UMA) als Struktur auf Silicium-Chips in planarer Technik oder mit Verfahren der Mikromechanik realisiert werden.

2. Sensoren zur Bestimmung von Sauerstoff in wäßrigen Lösungen, z. B. Blut, und/oder zur simultanen Bestimmung chemischer und biochemischer Sub stanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung der Elektroden als Zwei-, oder Dreielektrodenstruktur erfolgt und diese entweder mit Gleich strom oder pulsierend betrieben wird.

3. Sensoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektro denmaterial für Anoden, Kathoden und Referenzelektroden auf den Si- Strukturen vorzugsweise Platin, Silber, Ir/IrO₃, Ta/Ta₂O₅ bzw. Kombinatio nen aus diesen zur Anwendung kommen, aber auch Ag/AgS₂ zur Verringe rung der Störungen durch Halothane.

4. Sensoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbrin gung von Membranen kontrollierter Dicke in trogförmigen Vertiefungen auf der Si-Chipoberfläche erfolgt und hierzu eine Barriere von vorzugsweise 100 Mikrometer Höhe durch entsprechende selektive Ätztechnik geschaffen wird.

5. Sensoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zu Anspruch 4 derartige Barrieren statt durch die Ätztechnik auch durch gal vanisch auf ringförmige metallische Strukturen um das UMA abgeschiedene Elektropolymere oder Metalle gebildet werden, welche dann auch als elek trische Abschirmungen um das UMA dienen können.

6. Sensoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere UMAs auf einem Chip mit Membranen aus unterschiedlichen Materialien und Selektivitäten angeordnet werden, zur simultanen Bestimmung ver schiedener Stoffe, besonders begünstigt durch die in Anspruch 4 und 5 ge nannten Barrieren um die einzelnen UMAs.

7. Sensoren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Fixierung von Re doxsystemen mit extrem hoher Austauschdichte an die Referenzelektro denoberflächen.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Rodoxsystem Fer rocen/Ferrocenium verwendet wird, das über Spacemoleküle mit optimier ter Länge kovalent an die Elektrodenoberfläche gebunden ist.

9. Sensoren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kovalente Bin dung durch eine photochemische Polymerisierung einer geeigneten Verbin dung realisiert ist.

10. Sensoren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein reversibles Rodoxsystem zur quantitativen Reduktion von Sauerstoff ein gebaut ist, das mit geringer Überspannung an der Kathode reduzierbar ist.

11. Sensoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine kova lente Bindung der Membran an das Trägermaterial und deren Abdichtung durch kovalente Bindung einer photopolimerisierbaren Verbindung am ge wünschen Ort des Trägers erfolgt.

12. Sensoren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Membran eine photopolimerisierbare Verbindung zugegeben wird.

13. Sensoren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran durch fokussierte Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge kovalent verdichtet und fixiert ist.

14. Sensoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiede ne Anordnungen der einzelnen UMAs Anwendung finden.