DE4232729A1

DE4232729A1 - Vorrichtung und Verfahren für eine extrem miniaturisierbare, potentialkonstante Bezugselektrode

Info

Publication number: DE4232729A1
Application number: DE19924232729
Authority: DE
Inventors: Karl Prof Dr Rer Nat Cammann
Original assignee: Individual
Current assignee: Institut fur Chemo- und Biosensorik Ev 48149 M
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: DE4232729C2

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es erlaubt, potential stabile und extrem miniaturisierbare Bezugselektroden zum allgemeinen Einsatz bei elektro chemischen Messungen sowie bei Chemo- und Biosensoren aufzubauen und basiert auf einer Ausnutzung des thermodynamisch und kinetisch kontrollierten Verlaufs von Strom- Spannungs-Kennlinien in der Nähe des Null-(Strom)-Durchgangs. Die Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß die potentialbildende Grenzfläche oder der Grenzflächenbereich, bei dem der Ladungstransport von der Ionen- in eine Elektronenleitung übergeht, entgegen dem Stand der Technik, der dort jegliche Strombelastung zu vermeiden sucht, stromdurchflossen ist und/oder bei Bedarf spektro-elektrochemisch mindestens eine potentialbestimmende Ladungsträgerart coulometrisch konstant gehalten wird.

In der Elektrochemie spielen Ladungstransfervorgänge an Phasengrenzflächen (Elektrodenoberflächen) eine zentrale Rolle. Hier interessiert vor allem der Zusammenhang zwischen einem angelegten Phasengrenzpotential (genauer Potentialdifferenz = elektrische Spannung) an einer sog. Arbeitselektrode, das ist die zu untersuchende Elektrodenober fläche, und dem dabei durch die Phasengrenzfläche fließenden elektrischen Strom. Da man bekannterweise die absolute Potentialdifferenz an einer Phasengrenze (z. B. Elek trode/Lösung, Halbelement, Halbzelle) nicht erfassen kann, hat man sich international geei nigt, diejenige Spannung anzugeben, welche mit einer Meßkette, die mit einer Standard- Bezugselektrode komplettiert ist, erzielt wird.

Diese primäre Bezugselektrode, deren eigene Potentialdifferenz gegenüber der Meßlösung definitionsgemäß bei allen Temperaturen gleich Null gesetzt wird, stellt die sog. Standard- Wasserstoff-Elektrode dar. Sie besteht aus einem platinisierten Platinblech, das in einer Lösung vom pH-Wert Null taucht und mit Wasserstoffgas von 1,013×10⁵ Pa bespült wird. Alle sog. Normalpotentiale sind auf diese Bezugselektrode bezogen und stellen die Spannun gen dar, die man bei Kombination der jeweils vorliegenden Elektrode (oder Redoxreaktion an einer inerten Metallelektrode) mit dieser Wasserstoffelektrode messen würde. Für die tägliche Meßpraxis haben sich jedoch die leichter handhabbaren Elektroden zweiter Art durchgesetzt. Sie bestehen aus einer Metallelektrode, die mit einer dünnen Schicht eines ihrer schwerlösli chen Salze überzogen ist. Die bekanntesten Beispiele stellen die Silber/Silberchlorid- oder die sog. Kalomel-Elektrode dar, die sich durch folgende Phasengrenze symbolisieren lassen:

Ag/ACl bzw. Hg/Hg₂Cl₂

Im Falle des chloridisierten Silberdrahtes läßt sich die folgende elektrochemische Gleich gewichtsreaktion formulieren:

Ag ↔ Ag⁺ + e^- (1)

Ein weiteres, rein chemisches Gleichgewicht ist durch den Überzug mit dem schwerlöslichen Salz involviert:

Ag⁺ + Cl^- ↔ AgCl (2)

Nach dem Massenwirkungsgesetz ist das Produkt aus der Silberionenaktivität und der Chloridionenaktivität bei vorliegender zweiter Phase aus Silberchlorid konstant und man kann über die Gleichung:

a_Ag⁺ = K₁ / a_Cl _⁻ (3)

mit: K₁ = Löslichkeitsprodukt
die Konzentration an freien Silberionen ausrechnen. Einsetzen in die bekannte Nernst-Glei chung für Silbermetall als Elektrode erster Art ergibt die Nernst-Gleichung für diese Elektrode zweiter Art (weil zwei Gleichgewichte involviert sind):

Φ_gl = Φ_gl° - R T / F ln a_Cl _⁻ (4)

mit:
Φ_gl° = Standardgleichgewichts-Einzelelektrodenpotential
R = allg. Gaskonstante
T = Absolute Temperatur
F = Faraday-Konstante
a_Cl⁻ = Chloridionenaktivität.

Elektroden zweiter Art lassen sich leichter herstellen und aufbauen als die Standardwasser stoff-Elektrode. Da sie gegenüber letzterer eine genau bekannte Spannungsdifferenz aufwei sen, kann man bei elektrochemischen Messungen mit Hilfe dieser sekundären Bezugselek troden sehr einfach auf die Standardwasserstoff-Elektrode umrechnen.

Nach Gleichung (4) hängt natürlich die nicht meßbare Einzel-Elektrodenpotentialdifferenz (= Galvanispannung über eine Phasengrenze Φ) von der Chloridionenaktivität in der Meß lösung ab. Bei einer direkten Verwendung dieser Elektrode zweiter Art (Aufbau einer Meß kette: Meßelektrode - Bezugselektrode ohne Überführung) muß also im vorliegenden Fall die Chloridionenaktivität in den Meßlösungen unbedingt konstant gehalten werden. Weil dies in der täglichen Meßpraxis nie gegeben ist, wird zwischen der Elektrode zweiter Art (= Halbelement) und der Meßlösung ein Stromschlüssel zwischengeschaltet, der meist aus konzentrierter KCl-Lösung besteht (= Aufbau einer Meßkette mit Überführung). Dadurch wird zum einen die Chlorid-Aktivität konstant gehalten und zum anderen ergibt die ähnliche Ionen beweglichkeit des Kalium- und Chloridions an der Kontaktstelle dieses Elektrolyten mit der Meßlösung (innerhalb eines Diaphragmas, das die rasche Vermischung des Stromschlüssel- Elektrolyten mit den Meßlösungen verhindern soll) das geringste Diffusionspotential. Letzteres geht ebenfalls in jede Messung ein, die mit einer derartigen Meßkette mit Überführung gemacht wird. Seine Konstanz ist für die Meßgenauigkeit entscheidend.

Die klassischen Bezugselektroden der elektrochemischen Meßtechnik sind in diesem Zusammenhang die Silber/Silberchlorid- und die Kalomel-Elektrode (vgl. oben), die beide mit einem KCl-Stromschlüssel versehen sind. Da bei elektrochemischen Untersuchungen (z. B. in der galvanotechnischen Industrie, der Korrosions-, der Batterie- und Akkumulatoren forschung, bei der elektrochemischen Synthese usw.) das Arbeitselektrodenpotential eine entscheidende Rolle spielt, besteht für gut funktionierende Bezugselektroden ein großer Markt. Die Einsatzgebiete steigen darüber hinaus stetig an. Da ca. 80% der bei Chemo- und Biosensoren verwendeten Signaltransducer elektrochemischer Natur sind, werden vor allem miniaturisierbare Bauformen gesucht.

Bezugselektroden funktionieren für die oben erwähnten Einsatzgebiete nur dann gut, wenn sie ohne Rücksicht auf die Zusammensetzung der Meßlösung oder des sog. Grundelektroly ten ihr Potential gegenüber der Standard-Wasserstoff-Elektrode konstant halten und keine oder nur sehr geringe Temperatur- und Drifteffekte zeigen. Die physiklisch-chemisch unver meidbaren Variationen des Diffusionspotentials am stets vorhandenen Diaphragma [1] beim Angrenzen einer Meßlösung mit extremen pH-Werten an die KCl-Füllösung der Bezugselek trode, die durchaus < 10 mV betragen können, sind bei vielen technischen Anwendungsfeldern der Bezugselektrode tolerierbar (z. B. bei Elektrolysen), nicht jedoch bei analytisch-chemischen Anwendungen der Elektrochemie.

Die elektrochemischen Analysenmethoden sind äußerst vielfältig. Nach einem Klassifizie rungs- und Nomenklaturvorschlag der dafür zuständigen International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) kann man über 60 unterschiedliche Methoden auflisten. Die wich tigsten Oberbegriffe auf den für die Sensorforschung wichtigen Gebieten sind: die Potentio metrie, die Polarographie und Voltammetrie, die Amperometrie und die Coulometrie. Die höchsten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit von Messungen mit Bezugselektroden werden von der ionenselektiven Potentiometrie gestellt.

Bei der ionenselektiven Potentiometrie wird mit Hilfe einer ionenselektiven Meßelektrode und einer potential-konstanten Bezugselektrode eine elektrochemische Meßkette aufgebaut, deren meßbare Spannung gemäß der Nernst-Gleichung von der Aktivität der freien, nicht gebundenen Meßionen in der Probe abhängt. Bekanntestes Beispiel ist die elektrometrische pH-Wert-Messung, die seit den 40er Jahren zu den am häufigsten durchgeführten Bestim mungen überhaupt gehört und einen entsprechenden Markt besitzt. In der pH-Meßtechnik werden häufig auch sog. Einstabmeßketten eingesetzt. Bei ihnen ist die Meß- und Bezugs elektrode in einem Elektrodenkörper vereinigt.

Einen weiteren Marktvorteil erreichte die ionenselektive Potentiometrie in den 60er Jahren durch die Entwicklung neuer ionenselektiver Elektroden für eine Vielzahl von Kationen und Anionen. Bei allen ist die Meßgenauigkeit durch die Güte der Bezugselektrode vorgegeben. Genaueste Messungen (Meßgenauigkeit besser als 0,1 mV) sind nur bei thermostatisierten Meßketten ohne Überführung möglich, d. h. man versucht als Bezugselektrode eine zweite ionenselektive Meßelektrode zu verwenden und die Konzentration des dazugehörigen poten tialbestimmenden "Referenz"-Ions konstant zu halten.

In den 70er Jahren wurden mit Hilfe ionenselektiver Meßketten die ersten Biosensoren ent wickelt, so daß diese Meßtechnik inzwischen auch für viele nicht-ionische Verbindungen, wie etwa Harnstoff, Glucose, viele "Biomoleküle" usw. eine zentrale Bedeutung erlangt hat [2]. Für die Weiterentwicklung der Biosensoren zum sog. Biochip ist die Frage der Miniaturisierung sehr wichtig. Hier sind jedoch den elektrochemischen Zellen, sei es den potentiometrischen oder den amperometrischen, Grenzen gesetzt, die in erster Linie die Gestaltung der Bezugs elektrode betreffen. Jede Verkleinerung ihrer Dimensionen führt zunächst am inneren Ableit element (üblicherweise Ag/AgCl- oder Hg/Hg₂Cl₂-Halbzelle), dessen Potentialdifferenz vom Stromschlüssel-Elektrolyten nach Gl. (4) von der Chloridionenaktivität abhängt, wegen der reduzierten Oberfläche selbst zu einer höheren Stromdichte-Belastung, die zu Polarisations erscheinungen und damit zu verfälschenden Potentialverschiebungen führen kann.

Nachteiliger und gravierender, weil die Lebensdauer drastisch verkürzend, ist aber in erster Linie die bei der Miniaturisierung unvermeidbare Verkleinerung des Stromschlüssel-Elektrolyt- Reservoirs, genauer gesagt der Diffusionsstrecke zwischen dem Bezugshalbelement, dessen Potentialdifferenz konstant gehalten werden muß, und der Meßlösung, so daß potentialverfäl schende Stoffe aus der Meßlösung zu rasch zu dieser Phasengrenze diffundieren und dort störend wirken können.

Bei Bezugselektroden üblicher Bauart wird ein Eindringen von potentialverfälschender Meß lösungsmatrix konstruktiv dadurch verhindert, daß der Stromschlüssel-Elektrolyt während der Messung stets aus der Bezugselektrode in die Meßlösung strömt, so daß die dadurch auf rechterhaltene Mikrokonvektionsströmung die Diffusion von störenden Stoffen in den Bezugselektroden-Körper (genauer: zur Oberfläche des Halbelements) verhindert. Störende Stoffe können in diesem Zusammenhang sein: Redox-Systeme aus der Probenmatrix (z. B. Fe(II)/(III)-Verbindungen, die ihr Redoxpotential dem immer noch elektronenleitenden inneren Ableitelement aufprägen), Komplexierungsmittel für Ag-Ionen, Anionen, die mit Silber- oder Quecksilberionen schwerer lösliche Salze als die Chloridionen des Elektrolyten bilden (z. B. Sulfid, Jodid, Bromid etc.). Das Ausströmen des Bezugselektroden-Stromschlüssel-Elektro lyten in die Meßlösung hat trotz der Verunreinigung der Meßlösung mit diesen Ionen (vorzugsweise K⁺ und Cl⁻) auch diffusionspotential-stabilisierende Vorteile. Es kann aber ab einem gewissen Miniaturisierungsgrad wegen der Begrenztheit des Stromschlüsselelektrolyt Reservoirs nicht über längere Zeit aufrecht erhalten werden, so daß wegen der kurzen Dif fusionsstrecken Fremdstoffe aus dem Probemedium eindringen und das Potential am Bezugs- oder Ableitelement (Halbzelle) verfälschen, so daß die geforderte Langzeit-Potential konstanz nicht mehr gewährleistet werden kann. Versucht man aber andererseits die Eindif fusion von störenden Stoffen aus dem Meßmedium durch eine sehr dichte Diaphragma-Zone zu verlangsamen, treten innerhalb dieser Zone große und instabile Diffusionspotentiale auf (< 5 mV), die die Konstanz des Bezugselektrodenpotentials nicht gewährleisten. Bei Diffusi onskanälen im molekularen Bereich (z. B. Dialysemembran etc.) treten zusätzlich bei Proben, die geladene Makromoleküle (z. B. eiweißhaltige Medien, biologische Flüssigkeiten, wie Blut, Serum etc.) enthalten, sog. Donnanpotentiale auf, die ebenfalls konstant gehalten werden müssen, was besondere Probenvorbereitungstechniken erfordert.

Die rasch fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Mikroelektronik hat in den letzten Jahren weltweit zu einer großen Verbreitung miniaturisierter Meßwertaufnehmer beigetragen. Insbesondere Bio- und Chemosensoren auf der Basis von Mikroelektroden bzw. Ionenselekti ven Feldeffekt-Transistoren (ISFETs) erlangen zur Zeit eine immense Bedeutung auch für die Analytische Chemie, die Klinische Chemie, die Lebensmittelanalytik, die Biotechnologie und den Umweltschutz. Als Meßtechniken werden zumeist die Potentiometrie und die Amperome trie verwendet. Der erwünschten Miniaturisierung sämtlicher elektrochemischer Transducer oder Sensoren steht insbesondere entgegen, daß es bis heute nicht zufriedenstellend gelun gen ist, potentialstabile Mikro-Bezugselektroden zu entwickeln.

Daher steht die Miniaturisierung elektrochemischer Meßketten und Halbzellen (Mikroelektroden) weltweit im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung. Insbesondere als 1970 durch Bergveld der ionenselektive Feldeffekt-Transistor (ISFET) entwickelt wurde [3]. Er vereinigte in idealer Weise die Forderungen nach Miniaturisierbarkeit, Mikroelektronik-Kompa tibilität, Massenproduktionsfähigkeit und damit verbundener Kostenersparnis bei gleichzeitig geringsten Schwankungen in der Produktionsqualität. Die Techniken der Mikroelektronik haben inzwischen auch schon zu extrem miniaturisierten amperometrischen Meßzellen geführt, die wie die ISFETs die Basis für eine Vielzahl von neuen, kompakten Chemo- oder Biosensoren legen. Alle zeichnen sich jedoch durch den Makel aus, daß sie bei Langzeit messungen (über mehrere Stunden) eine traditionelle Makro-Bezugselektrode benötigen. Diesen großen Bedarf zu befriedigen und die Nachteile der Elektroden zweiter Art als Bezugs elektroden-Ableitelemente abzustellen, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.

Die Aufgabe der Erzeugung eines stabilen Referenz- oder Bezugspotentials gegenüber belie bigen Meßlösungen bei elektrochemischen Messungen gleich welcher Art mittels einer extrem miniaturisierbaren Anordnung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine ausgewählte Kombi nation von Schritten, die für sich allein oder kombiniert eine Vorrichtung und ein Verfahren ergeben, die zusammen den gewünschten Effekt der Potentialkonstanz bei kleinster Bau größe erzielen. In einem Verfahren wird durch einen kleinen kontrollierten Wechselstrom die Austauschstromdichte eines vorgegebenen Redoxsystems künstlich erhöht, um das sich ein stellende Bezugspotential zu stabilisieren; in einem weiteren wird die Spektro-Elektrochemie zur Konstanthaltung der grenzflächennahen Konzentration mindestens eines potential bestimmenden, dort immobilisierten Ladungsträgers ausgenutzt, was coulometrisch durch geeignete Stromimpulse richtigen Vorzeichens erreicht werden kann.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine gezielte Kombination von thermodynamischen mit kinetischen Erfordernissen, die - entgegen dem derzeitigen Stand der Technik bei der Kon struktion von Bezugselektroden - zusammen erfüllt sein müssen, um eine potentialkonstante Phasengrenzfläche aufbauen zu können. Der Stand der Technik bei Bezugs-Halbelementen vernachlässigt die Phasengrenzkinetik des potentialbildenden Prozesses, verwendet zur Cha rakterisierung geeigneter Systeme nur unklare Begriffe, wie "reversible Elektrodenreaktion" und zeigt keinen Weg auf, die extrem wichtige Kinetik der Potentialbildung an der Phasen grenze des Bezugshalbelements gezielt zu steigern, durch externe Maßnahmen (wie bei spielsweise Stromfluß) geeignet zu verstärken oder hinsichtlich der Konstanz des logarithmi schen Terms in der Nernst-Gleichung zu kontrollieren.

Ausgangsbasis für diese Erfindung ist einmal die Ausnutzung voltammetrischer Strom-Span nungs-Kurven (current-voltage, C-V-Diagramm) in der Nähe ihres Null(Strom)-Durchganges. Der exakte Verlauf jeder elektrochemisch kontrollierten Strom-Spannungs-Kennlinie an einer nicht blockierten Elektroden-Phasengrenzfläche hängt sowohl von thermodynamischen als auch von kinetischen Parametern ab. Die sog. Ruhe-Spannung, d.i. der Punkt auf der Span nungs- oder Potentialachse des C-V-Diagramms, bei dem kein anodischer oder kathodischer Strom fließt, die bei jeder hochohmigen potentiometrischen Meßanordnung gemessen wird, ist thermodynamisch festgelegt. Entscheidend ist hier die freie Enthalpie des Phasentransfers des betreffenden potentialbestimmenden Ladungsträgers. Die Erfindung grenzt sich von allen anderen Vorschlägen für potentialkonstante Bezugs-Halbelemente, die bewußt nicht mit einem Strom belastet werden und daher i.d.R. in einem hochohmigen Meßkreis (< 10¹⁰ Ohm) betrieben werden, dadurch ab, daß hier erfindungsgemäß ein kontrollierter Wechsel strom oder spektrochemisch gesteuerte Stromimpulse aufgeprägt werden.

Erfindungsgemäß werden nur diejenigen Phasentransfer-Reaktionen genutzt, bei denen die Zusammensetzung der Meßlösung an dieser energetischen Situation des die Phase wechselnden Ladungsträgers (freie Transfer-Enthalpie des Phasenüberganges Lösung/Elektrodenphase) nichts oder kaum etwas ändert. Dazu müssen besondere Vorkeh rungen getroffen werden, die erfindungsgemäß optimiert werden. Die das Referenzpotential einstellenden Ladungsträger (Elektronen von Redoxsystemen oder bestimmte Ionen, die über der potentialbildenden Phasengrenze ein Verteilungsgleichgewicht einstellen) müssen soweit wie möglich vom Einfluß weiterer Inhaltsstoffe der Meßlösung "abgeschirmt" werden. Bei der erfindungsgemäßen vorteilhaften Auswahl dieses potentialbestimmenden Systems stören andere Stoffe weit weniger als bei tradionellen Halbelementen, wo beispielsweise schon extrem geringe Spuren von Sulfidanionen das Referenzpotential von Ag/AgCl und Hg/Hg₂Cl₂-Bezugs-Halbelementen stark negativ verfälschen. Demgegenüber tritt erfin dungsgemäß noch ein weiterer wichtiger selektivitätsgebender Faktor in Erscheinung. Da als potentialbestimmende Phasengrenzreaktionen erfindungsgemäß nur diejenigen mit der schnellsten Kinetik, d. h. höchsten Standardaustauschstromdichte gewählt werden, stören selbst gleichhohe Konzentrationen an Fremdstoffen nicht, da sie i.d.R. eine schlechtere Pha sentransfer-Kinetik der Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) haben und zusammen mit dem gewählten potentialbestimmenden System kaum zu einem ausgeprägten (< 1 mV) Mischpotential (= Verschiebung des Bezugspotentials) führen. In diesem Sinne ist es schlecht möglich, erfindungsgemäß einige wenige geeignete Systeme festzuschreiben, da es stets andere oder neu entwickelte mit einer ähnlichen vorteilhaften oder besseren Phasen grenzkinetik geben wird.

Da die beim Phasenübergang stattfindende Desolvatation oder besser Umsolvatation der potentialbestimmenden Ladungsträger nur von der Art des Lösungsmittels und dessen Akti vität abhängig ist, wobei letztere bei üblichen Konzentrationen gelöster Stoffe als konstant anzusehen ist, ergeben sich auch konstante thermodynamische Bedingungen und damit ein konstantes Bezugs-Potential vom Wert U_o, das durch die Nernst-Gleichung bestimmt wird.

Die Steilheit der Strom-Spannungs-Kennlinie in der Nähe dieser Ruhe-Spannung U_o hängt hingegen von den kinetischen Faktoren des Phasentransfers sowie von den Konzentrationen der Ladungsträger in beiden Phasen ab. Abweichungen von der Ruhe-Spannung elektroche mischer Systeme werden als Überspannung bezeichnet. Bei Überspannungen < 10-25 mV kann die jeder elektrochemischen Kennlinie zugrundeliegende exponentielle Butler-Vollmer- Gleichung linearisiert werden und man erhält eine direkte Proportionalität der Steigung (ausgedrückt in Differentialinkrementen der Stromdichte-Änderung dI nach der Spannungs- Änderung dU, d. h. R_t = dU/dI) mit R_t als sog. Transferwiderstand (umgekehrt proportional zu der sog. Austauschstromdichte des betreffenden Ladungsträgers an dieser Phasengrenz fläche). Erst bei weit größeren Überspannungen < 50 mV kann die Kennlinie elektrochemi scher Systeme in Sättigungsbereiche hineinlaufen, die dann nicht mehr kinetisch sondern durch Diffusion limitiert sind. Dies führt zu den bekannten stufenförmigen Voltammogrammen (Polarogrammen bei Quecksilber als Arbeitselektrode), bei denen der Wendepunkt der Stufe eine Identifizierung und die Stufenhöhe eine Quantifizierung erlaubt, was elektroanalytisch genutzt wird.

Die Erfindung geht einmal davon aus, daß die allen elektrochemischen Phasengrenzvorgän gen (Reaktionen, Ladungstransfers) zugrundeliegende Strom-Spannungs-Kennlinie, wie bei allen gesetzmäßigen Abhängigkeiten üblich, unabhängig voneinander aufgenommen werden kann. Entweder kann die Überspannung an einer Elektrodengrenzfläche vorgegeben werden, was in der Elektrochemie üblich ist, oder es kann die Stromdichte vorgegeben werden und die korrespondierende Spannung stellt sich wie bei entsprechenden elektronischen Bauteilen entsprechend der zugrundeliegenden Strom-Spannungs-Beziehung ein. Beispiel für letzteres ist die sog. Dead-stop Titrationsmethode zur Indikation des Endpunkts, bei der die Span nungsänderung zwischen zwei mit einer konstanten Stromdichte polarisierten Platin-Elektro den beobachtet wird.

Erfindungsgemäß muß zur Erzielung reproduzierbarer Überspannungen von weniger als ca. +/- 25 mV, die über eine lineare Strom-Spannungs-Beziehung mit der Ruhespannung ver bunden sind, bzw. symmetrisch zu ihr liegen (s. Abb. 1), die Stromdichte an der als Bezugs- Halbelement fungierenden Phasengrenzfläche vorgegeben werden. Dies hat erfindungs gemäß galvanostatisch, d. h. unter strikter und genauer Stromkontrolle zu erfolgen. Zur Ver meidung von elektrolytischen Netto-Umsätzen, die zu Verarmungs- oder Anreicherungszonen führen können, die wiederum unerwünschte Diffusionserscheinungen oder -überspannungen verursachen, müssen hierzu erfindungsgemäß Wechselströme angewandt werden. Die genaue Form der dabei anzuwendenden und elektronisch zu regelnden Strom-Zeit-Funktion ist unerheblich. Wegen der an Phasengrenzen stets vorhandenen elektrochemischen Doppel schichtkapazität in der Größenordnung von ca. 20 µF/cm² sind sich langsam und stetig ändernde Stromdichte-Zeit-Funktionen aber vorzuziehen. Gleichermaßen vorteilhaft zur Erzielung möglichst hoher Wechselstrom-Frequenzen ist erfindungsgemäß eine Verkleinerung der Phasengrenzfläche durch Miniaturisierung. Dies steht im Gegensatz zu der herkömmli chen Konstruktion von Bezugs-Halbelementen, bei denen man eine mögliche Strombelastung durch eine möglichst große Elektrodenoberfläche so gering wie möglich halten muß. Ideal ist für die erfindungsgemäße Anordnung die Verwendung zusammengeschalteter Mikro-Elektro den in Form eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays (UMAs, bei dem mehrere Ultra-Mikroelektro den mit Durchmessern < 10 µm parallel geschaltet sind), da hier das Verhältnis von faraday schen zu kapazitiven Strom besonders vorteilhaft ist.

Bei linearen Rampen der Stromdichte-Zeitfunktion mit Stromrichtungswechsel (Dreieck-Funk tion) erhält man galvanostatisch gesteuerte Cyclovoltammogramme mit den charakteristi schen Peakpotentialen (oder Stufen bei gerührten Lösungen bzw. UMAs). Beide sind erfin dungsgemäß als Referenz-Potentiale geeignet und können elektronisch entsprechend verar beitet werden. Bei schnelleren, repetitiven Strom-Zeit-Funktionen resultieren daraus entspre chende phasenverschobene Spannungs-Zeit-Funktionen mit Amplituden um die Ruhespannung, die durch die beaufschlagte Stromdichte und die C-V-Kennlinie gegeben sind (s. Abb. 2).

Das Problem, bei galvanostatischer Arbeitsweise mit Stromumkehr gerade nur die gewünschten Ladungsträger zwischen der Phasengrenze Lösung/Halbelement (Elektrode oder Elektrodenmembran) hin und her oszillieren zu lassen, um dadurch das Referenzpoten tial zusätzlich zu stabilisieren und nicht andere elektrochemische Reaktionen, wie z. B. die Zer setzung des Lösungsmittels (Wasserelektrolyse) einzuleiten (was durch die Mehrdeutigkeit der galvanostatisch aufgenommenen Cyclovoltammogramme möglich wäre) wird durch eine weitere erfindungsgemäße Vorkehrung gelöst.

Zu Beginn jeder Inbetriebnahme der Mikrobezugselektrode muß sich die erforderliche Strom dichte, die von der Art und Menge der angebotenen Ladungsträger abhängt, von größeren Stromdichtewerten anfangend schnell auf einen galvanostatisch kontrollierten Wechselstrom von einer solchen Größe reduzieren, daß daraus über die betrachtete Phasengrenze eine phasenverschobene Wechselspannung von nur ca. 30 mV (Amplitude zu Amplitude) resul tiert. Nach Abb. 1 bewegt man sich dann in einem Arbeitsbereich von ca. +/- 15 mV Über spannung zur Ruhe-Spannung des betreffenden elektrochemisch aktiven Systems. Da innerhalb dieses kleinen Bereiches die Strom-Spannungs-Kennlinie linear verläuft, resultieren z. B. bei sinusförmigen Stromdichten auch sinusförmige Spannungsänderungen um die Ruhe spannung, wie in Abb. 2 gezeigt wird.

Die anfängliche größere Stromdichte sorgt erfindungsgemäß dafür, daß ein ausreichendes Verhältnis [Ox]/[Red] bzw. eine ausreichende Ionenverteilung für die späteren, geringeren Stromdichten vorliegt (Schaffung einer Pufferkapazität). Mit anderen Worten: der Punkt der maximalen Redoxpufferkapazität [Ox] = [Red] kann durch diese höheren Stromdichten, die sich coulometrisch von Puls zu Puls entsprechend verkleinern, vorgeformt werden, falls keine anderen Vorkehrungen zur Konstanz des Verhältnisses oxidierte Form zu reduzierter Form eines Redoxsystems oder einer Ionenverteilung getroffen werden, wie z. B. bei der ebenfalls erfindungsgemäß vorgeschlagenen spektroelektrochemischen Methode.

Analog den Peak-Potentialen im Cyclovoltammogramm bzw. den voltammetrischen Stufen potentialen bei gerührten Lösungen oder beim Einsatz von Ultra-Mikrolektroden-Arrays, die von dem Ausgangsverhältnis der Ladungsträgerkonzentrationen unabhängig sind, da nur der Teil gemessen wird, der zusätzlich oxidiert oder reduziert bzw. danach wieder reduziert oder oxidiert wird, schwankt die an einem erfindungsgemäßen Halbelement gemessene Wechsel spannung periodisch um die gewünschte Ruhespannung U_o, die die gewünschte konstante Referenz-Spannung darstellt. Die Frequenz der Stromdichte-Zeit-Funktion muß erfindungs gemäß ausreichend hoch gewählt werden, damit nicht störende, aber weniger reversible Redox-Systeme aus der Probenmatrix, die an die Elektrodenoberfläche gelangen, dort stö rend wirken können.

Erfindungsgemäß sollen derartige Störungen durch die gezielte Auswahl des potential bestimmenden, chemisch stabilen Redox- oder Ladungstransfer-Systems mit der höchsten Standardaustauschstromdichte sowie Positionierung in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze vermindert werden. Dann können störende Ladungstransfervorgänge erstens wegen man gelnder Kinetik (sie können der Stromdichte-Zeit-Frequenz nicht schnell genug folgen) und zweitens wegen schlechter Erreichbarkeit der Phasengrenze, die in erster Linie durch das potentialbestimmende System blockiert ist, nicht störend wirken.

Parallel müssen Elektronenaustauschvorgänge zwischen störenden Redoxsystemen und dem auf oder in der Nähe der Phasengrenze immobilisierten potentialerzeugenden System in homogener Lösung verhindert oder zeitlich unterlaufen werden. Durchgeführte Untersuchun gen haben ergeben, daß oberflächennah immobilisierte Redoxsysteme schlagartig oxidiert/reduziert und zurückreduziert/zurückoxidiert werden, was sich nach Abb. 3 durch scharfe Peaks ohne Diffusionsanteile im Cyclovoltammogramm äußert.

Der Absolutbetrag der sich am Bezugs-Halbelement einstellenden Spannung Uo plus/minus der ca. 15 mV Überspannung der aus dem erzwungenen Stromfluß resultierenden Wechsel spannung stellt die konstante Bezugselektroden-Spannung dar und kann durch elektronische Mittelwertbildung oder andere bekannte schaltungstechnische Schritte auf ca. 0,1 mV geglättet erhalten werden.

Erfindungsgemäß muß die Vorgabe der geeigneten Stromdichten zur Erzielung des oben erläuterten Effekts eng mit der vorliegenden Konzentration der die Phase wechselnden Ladungsträger verknüpft werden, damit nicht andere, unerwünschte Vorgänge potential bestimmend werden. Zur Erzielung des erfindungsgemäßen Effektes ist es daher entschei dend, daß eine möglichst hohe Ladungsträgerdichte in unmittelbarer Nähe zur Phasengrenz fläche dauerhaft aufrechterhalten wird. Mit unmittelbarer Nähe sind hier Bereiche in beiden Helmholtzflächen oder unmittelbar dazu benachbart gemeint. Die Art der Positionierung (Immobilisierung, Depot o. ä.) ist dabei unerheblich. Wichtig ist nur, daß die Stromdichten erfindungsgemäß so hoch gewählt werden, daß nur der gewünschte, potentialbildende Ladungstransfer abläuft und andere elektrochemische Reaktionen aus Gründen der Behinde rung beim Erreichen der Phasengrenzfläche (d. h. Diffusionsgrenzstrom der störenden Systeme wirkt limitierend) in Verbindung mit der schnellen Stromumkehr, die nur Systeme mit sehr hohen Standardaustauschstromdichten erfassen kann, nicht stören können.

Ladungsträger, die erfindungsgemäß die oben erwähnten Bedingungen erfüllen, sind Elektro nen aus reversiblen Redox-Systemen sowie Ionenpaare, die sich zwischen einer Phasen grenze: Nichtwäßrige Phase/wäßrige Meßlösung verteilen können, wobei in beiden Fällen eine möglichst hohe Standardaustauschstromdichte vorliegen muß, oder aber durch Mediato ren, wie beispielsweise elektrisch leitfähige Polymere vermittelt werden muß.

Im ersten Fall sind die bekannten Redox-Elekroden angesprochen, die aber erfindungsgemäß in einer neuen Weise unter Wechselstrombeaufschlagung genutzt werden. Im zweiten Fall sind die sog. "Interfaces between two immiscible Electrolyte Solutions (I.T.I.E.S.)" [4, 5] gemeint, wobei praktischerweise auch Polymermembran-Phasen zu den nichtwäßrigen Lösungen gerechnet werden. In beiden Fällen spielen chemisch modifizierte Oberflächen mit Ladungsträger-Depotwirkung und/oder die Verwendung leitfähiger Polymere mit eingebauten Ladungsträger-Depots eine große Rolle.

Die Verwendung von Redox-Elektroden in der klassischen, analytisch-chemisch genutzten Potentiometrie ist nicht neu. Bekanntestes Beispiel ist die sog. Chinhydron-Elektrode, mit der man seit vielen Jahren innerhalb gewisser Grenzen den pH-Wert einer Probe bestimmen kann [6]. Basis ist eine inerte Metall-Elektrode (meist Platin) und eine 1 : 1 molare Mischung von Chinon und Hydrochinon in mikrokristalliner Form. Letztere wird Chinhydron genannt und muß der Meßzelle, bestehend aus einer Metall-Meßelektrode und einer traditionellen Bezugs elektrode, zugefügt werden. Wegen der geringen Wasserlöslichkeit genügt dazu die Zugabe einer spatelspitzegroßen Menge. Als inerte Metallelektroden haben sich insbesondere Platin und Gold sehr gut bewährt. Das Redox-Potential an der Metallelektrode wird durch das Gleichgewicht:

Chinon + 2 H⁺ + 2 e^- ↔ Hydrochinon (5)

bestimmt. Da das Verhältnis von Chinon zu Hydrochinon durch die Chinhydron-Mischung und der betreffenden Wasserlöslichkeit konstant ist, hängt das Redox-Potential gemäß der dazugehörigen Nernst-Gleichung nur noch vom pH-Wert der Meßlösung ab. Es stören hier natürlich alle weiteren, in der Probelösung anwesenden Redoxsysteme bzw. die Salzbildung vom Hydrochinon.

Selbstverständlich hat es nicht an Versuchen gefehlt, die Chinhydron-Elektrode bei Kontakt mit starken Pufferlösungen, die für eine Konstanz des pH-Wertes sorgen, auch als potential stabile Bezugselektrode zu verwenden. Für jede Miniaturisierung nachteilig ist auf alle Fälle die proportionale Reduzierung der Pufferkapazität, bzw. das Eindringen störender Redoxsysteme aus der Meßlösungsmatrix, die das Ruhe-Potential an der Metall/Lösungsgrenzfläche störend beeinflussen.

Die Verwendung von Redox-Elektroden anstelle der bekannten und üblichen Elektroden zweiter Art zur Potentialableitung an ionenselektiven Membranen wurde in einer deutschen Offenlegung DE 31 46 066 A1 820609 basierend auf US 80-211351 beschrieben. Die darauf beruhenden pH-Makro-Einstabmeßketten nach Ross der U.S. Firma ORION zeichnen sich durch das rasche Einstellverhalten bei Temperaturänderungen aus. Das dort verwendete Redox-System ist vorzugsweise Iodid/Iod. Letzteres ist aber wegen seines hohen Dampf druckes nicht langzeitstabil, so daß diese Elektroden von Zeit zu Zeit zu regenerieren sind. Abgesehen davon, daß eine reine Bezugselektrode auf dieser Basis nicht angeboten wird, ist die Miniaturisierung bei Ableitelektroden nach dem System Ross ebenfalls sehr schwierig. Erstens ist die Polarisierbarkeit (Spannungsänderung in Abhängigkeit vom Stromfluß in der Nähe der Ruhe-Spannung) bei kleinsten Elektrodenoberflächen entsprechend größer und zweitens wird dabei das Reservoir für den potentialbestimmenden Redox-Puffer zunehmend kleiner, so daß fremde Redox-Systeme, aus der Probenmatrix stammend, das Bezugs- oder Referenz-Potential störend beeinflussen. Eine Stabilisierung des Bezugspotentials durch auf geprägten Wechselstrom wird hier nicht durchgeführt. Es handelt sich hier um eine ebenfalls nur rein potentiometrisch arbeitende Anordnung, bei der zum Unterschied zur bekannten Chinhydron-Elektrode ein Redox-System ohne pH-Wert Abhängigkeit verwendet wird und die Innovation in der Wahl sich kompensierender Temperaturkoeffizienten liegt.

Die vorliegende Erfindung löst die bekannten Probleme bei Verwendung von Redox-Syste men anstelle der Elektroden zweiter Art dadurch, daß

1. nur nach bestimmten Kriterien ausgesuchte Redox-Systeme verwendet werden,
2. diese Redoxsysteme dauerhaft kovalent an der Elektrodenoberfläche oder in ausreichen der Nähe für einen Elektronentransfer davor oder daneben immobilisiert oder depotmäßig gehalten werden,
3. und - sehr wesentlich - die potentialbestimmende Austauschstromdichte künstlich durch kontrollierten Wechselstromfluß erhöht wird, so daß auch kleinste Oberflächen zur Lieferung des gewünschten, stabilen Referenzpotentials ausreichen,
4. neben inerten Metalloberflächen (Platin, Gold, Palladium, Rhodium, Rhenium etc.) auch andere elektronenleitende Materialien (Kohle, Halbleiter, leitfähige Polymere usw.) verwendet werden und
5. die potentialbestimmenden Ladungsträger coulometrisch und rückgekoppelt so freigesetzt oder verändert werden, daß ein stabiles Referenzpotential entsteht.

Die erfindungsgemäß besonders vorteilhaften Redox-Systeme zeichnen sich durch folgende Eigenschaften, die möglichst alle gleichermaßen zu erfüllen sind, aus:

a) Ideal sind höchste Standard-Austauschstromdichten < 1 mA/cm² (vor allem verglichen zu denen evtl. störender Systeme aus der Probenmatrix).
b) In der potentialbestimmenden Redox-Reaktion dürfen keine Protonen auftauchen.
c) Das Redox-System muß chemisch stabil sein und sich kovalent oder andersartig (z. B. in Form eines Depots) dauerhaft möglichst nahe der potentialbestimmenden Phasengrenze immobilisieren lassen.
d) Der Elektronentransfer zwischen Redox-System und der elektronenleitenden Oberfläche kann durch sog. "molekulare, elektronenleitende Drähte" (aus z. B. leitfähigen Poly meren) oder immobilisierte Mediatoren gesteigert werden.
e) Das potentialbestimmende Redoxsystem muß bezüglich des Elektronentransfers auch räumlich und geometrisch gegen über anderen Systemen in der Probenmatrix bevorteilt sein, was durch eine möglichst hohe und nahe Immobilisierungs dichte in der Nähe der beiden Helmholtzflächen der potentialbestimmenden Phasengrenze zu erreichen ist.
f) Das ideale Redox-System läßt sich bezüglich seiner thermo dynamischen Größen möglichst wenig durch die Probenmatrix (Ionenstärke, Komplexbildner, nicht-wäßrige Medien) beein flussen. Es weist eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen über Sauerstoff aus.

Wenn als referenzpotentialbildende Ladungstransferreaktion die Verteilung von lipophilen Ionen zwischen zwei praktisch nicht mischbaren Phasen (I.T.I.E.S.) ausgenutzt wird, müssen erfindungsgemäß die daran beteiligten Ionen bzw. die Vorrichtung folgende Voraussetzungen erfüllen:

a) Die potentialbestimmenden Ionen müssen sich kinetisch un gehindert (mit höchster Standardaustauschstromdichte) zwischen beiden Phasen verteilen und darin chemisch stabil sein.
b) Erfindungsgemäß sind besonders vorteilhafte potential bestimmende Kationen oder Anionen niedrig geladen und relativ groß, so daß sich eine hohe Lipophilie ergibt (ausgedrückt durch einen großen Verteilungskoeffizienten zwischen Wasser und n-Oktanol) und die nichtwäßrige Phase als Depot dienen kann, was durch Zugabe eines ebenfalls lipophilen Gegenions, verstärkt werden kann, da es dann zur Ionenpaarbildung in der nichtwäßrigen Phase kommt.
c) Die potentialbestimmenden, lipophilen Ionen sollen sich als Ionenpaar mit einem geeigneten Gegenion auch in Polymer membranen (z. B. PVC, Polyacrylnitril etc.) oder chemisch modifizierten Elektrodenoberflächenmaterialien (z. B. Poly pyrrol u. a.) ausreichend lösen und deponieren lassen.
d) Die nichtwäßrige Phase sollte eine ausreichende Leitfähig keit aufweisen. Dazu ist beispielsweise die Zu gabe des Tetraphenylarsonium- und des Tetraphenyl phosphonium-Kations geeignet, deren freie Transfer-Enthalpie aus der wäßrigen in die organische Phase als gleich groß angenommen werden kann.

Die beiden zuletzt erwähnten lipophilen Ionen ermöglichen an der Grenzfläche ein Potential fenster von ca. 1 Volt, wobei die Mitte bei Null Volt Phasengrenzpotential gesetzt wird. Liegen an der Phasengrenze weitere Ionen vor, die einen Phasentransfer ohne hohe Aktivierungs energie-Schwelle durchführen können, so resultieren in der Cyclo-Voltammetrie ähnliche Strom-Spannungs-Diagramme wie bei Redox-Systemen. Daher eignen sich auch diese Strom-Spannungs-Kennlinien analog derjenigen von Redox-Systemen zur galvanostatisch kontrollierten Einstellung eines stabilen Referenzpotentials.

Wird an eine solche Phasengrenze, die ein bevorzugt transferfähiges Ion enthält, ein Wech selstromsignal angelegt, so entstehen auch hier gemäß der zugrundeliegenden Strom-Span nungs-Kurve, wie bei einer Redox-Elektrode mit umgebenden Redox-System, entsprechend große Wechselspannungen, deren Mittelwert unabhängig von der Zusammensetzung der wäßrigen Meßlösung ist, also als Referenzpotential zu benutzen ist.

Neben diesen Voraussetzungen an die potentialbildenden Ladungsträger und zusammen mit den einschränkenden Voraussetzungen bezüglich der konstruktiven Gestaltung einer geeigneten Vorrichtung, müssen auch an die Oberfläche der Bezugshalbzelle bestimmte Anforderungen gestellt werden, die erfindungsgemäß hiermit offengelegt werden:

a) Die elektronenleitende Oberfläche darf außer dem schnellen und kinetisch wenig gehinderten Elektronentransfer zum und vom potentialbestimmenden Redox-System keine weiteren chemische oder elektrochemische Oberflächenreaktionen in einem größeren Ausmaß erlauben. Das Verhältnis der Standardaustauschstromdichten vom gewählten, potential bestimmenden Redox-System zu in der Probe vorliegenden Störsystemen muß ausreichend groß sein.
b) Trotz Miniaturisierung der effektiven Grenzfläche: Elektronenleiter/Lösung zwecks Minimierung des kapazitiven Stromanteils sind alle Möglichkeiten für eine effektive hohe Immobilisierungs- oder Deponierungsdichte der potentialbestimmenden Ladungsträger vor dieser Oberfläche zu ergreifen. Dies kann erfindungsgemäß durch "versenkte" Mikroelektroden gelöst werden. Die Siliziumtechnologie erlaubt beispielsweise Strukturen von < 10 µm Durchmesser und < 20 µm Höhe, in die das Redox-System immobilisiert werden kann (kovalente Anbindung an SiO₂-Oberfläche, Gel einschluß, vernetzende Photo- oder Elektropolymerisation, organische Phase etc.).
c) Das beste Verhalten bezüglich eines "wechselstrom stabilisierten" Referenzpotentials wird mittels eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays mit parallel geschalteten Redoxelektroden mit Durchmessern unter 10 µm erreicht, da man hier höhere Frequenzen durchsetzen kann.
d) In einer besonders vorteilhaften Meßanordnung wird erfindungsgemäß der galvanostatisch geregelte Wechselstrom durch zwei nahezu identisch große, inerte Metallelektroden oder UMAs (mit oder ohne) chemische Modifizierung (z. B. leitfähige Polymere) geleitet, die sich nahe beieinander befinden und sich in einer identischen oder bewußt unsym metrischen Redoxumgebung befinden. Hier kompensieren sich gemäß Abb. 2 die Überspannungen, wenn beide für eine galvanostatische Anordnung erforderlichen Elektroden elektrisch zusammen geschaltet werden und dabei ein nahezu wechselspannungsfreies Referenzpotential entsteht.
e) Zur Erzielung einer extrem langen Lebensdauer muß das potentialbestimmende Redoxsystem bzw. müssen die transferierbaren, lipophilen und potentialbestimmenden Ionen ständig nachgeliefert werden. Dies kann bei Membran elektroden von innen (aus der oder durch die nichtwäßrige Phase) geschehen. Erfindungsgemäß können die potential bestimmenden Ionen auch coulometrisch in unmittelbarer Nähe der das Referenzpotential bestimmenden Grenzfläche erzeugt werden. Bei Redox-Anordnungen eignen sich hierzu imprägnierte oder in Kompositbauweise gepreßte, elektronenleitfähige Materialien mit eingebettetem potentialbestimmenden System (z. B. Graphitpaste-Elektroden mit eingebetteten nach den erfindungsgemäßen Gesichtspunkten ausgewählten Redoxsystem).
f) Neben der direkten und dauerhaften kovalenten Anbindung des potentialbestimmenden Redoxsystems mit möglichst hoher Oberflächendichte (Blockade für Störsysteme) eignen sich auch verschiedene Depot-Vorrichtungen für die gewünschte Langzeitkonstanz. Dabei kann einmal die Schwerlöslichkeit der potentialbestimmenden Systeme in wäßrigen Lösungen aus genutzt werden, indem die Systeme einfach in Form ihrer schwerlöslichen Verbindungen in unmittelbarer Nähe zur potentialstabilisierten Phasengrenzfläche plaziert werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anbindung an einen geeigneten Ionenaustauscher (z. B. Hexacyanoferrat (II)/(III)-Mischung an einem Anionenaustauscher), bei der reproduzierbar sehr geringe Mengen gemäß dem Bindungs gleichgewicht zur Potentialeinstellung freigesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit nutzt die Lipohilie der potential bestimmenden Systeme aus, indem man relativ hohe Konzentrationen in einer organischen Phase (Polymer, Poly vinylalkohol etc.) löst und der Nernste Verteilungssatz die "Leck- oder Ausblutrate" bestimmt.
g) Da bei allen unter e) erwähnten Depotarten die Verteilung zwischen dem Depot und der Meßlösung bei Redox-Systemen für die oxidierte Form anders als für die reduzierte Form sein kann (was den U_o-Wert beeinflußt), kann man nach einem weiteren erfindungsgemäßen Vorgehen dieses thermo dynamisch vorgegebene Verhältnis dadurch verändern, daß die oxidierten und reduzierten Formen getrennt auf eine der oben erwähnten Arten immobilisiert werden und man die Mischung dieser Immobilisate umgekehrt zum Verteilungs koeffizienten ansetzt. Die Form mit der geringeren Konzentration in der wäßrigen Phase erhält eine entsprechend größere Oberfläche.

Zusammen mit allen oder mindestens zweien dieser oben erläuterten Bedingungen, die auf eine Vorrichtung oder Anordnung der erfindungsgemäßen, das Referenzpotential bestim menden Elektronen- oder Ionentransfer-Grenzfläche hinauslaufen, muß auch ein spezielles elektronisches Meß- und Betriebsverfahren angewendet werden, um die erfindungsgemäßen Ziele zu erreichen.

Das Verfahren zur Einstellung einer konstanten und stabilen Potentialdifferenz an einer Elek trodengrenzfläche, die weitgehend von der Zusammensetzung der Meßlösungen unabhängig ist, und damit einer vorteilhaften Meßkette ohne Überführung sehr nahe kommt, besteht erfin dungsgemäß, wie oben erläutert, aus einer Umkehrung eines voltammetrischen bzw. ampe rometrischen Verfahrens, indem galvanostatisch rückgekoppelte Wechselströme höherer Frequenz das Ruhe-Potential stabilisieren sollen. Die geeignete Stromdichte ist dann erreicht, wenn die resultierenden Wechselspannungsamplituden ca. 30 mV erreichen. Dies kann in einer einfachen Schaltung mit Operationsverstärkern erreicht werden. Vorteilhaft ist ein Batte riebetrieb, um einen absolut massefreien Bezugselektrodenausgang zu erhalten.

Eine weitere Methode, um ein konstantes Redoxpotential bei einer Kette ohne Überführung und mit immobilisierten Redoxsystem zu erzielen, besteht darin, bei stromloser Messung, eine coulometrische Konstanthaltung des Terms der Nernstgleichung, der hinter dem Logarithmus steht, hier vor allem des Ausdrucks [Ox]/[Red], zu betreiben. Hierzu braucht bei immobili sierten Redox-Systemen nur ein Partner einer anderen Konzentrationsbestimmungsmethode zugänglich sein. Vorzugsweise kann dazu auch eine optische Methode dienen. In einer spektro-elektrochemischen Meßzelle kann beispielsweise häufig die farbige Nicht-Leukoform von Redoxfarbstoffen durch eine rückgekoppelte coulometrische Titration konstant gehalten werden. Wegen der gemeinsamen und dauerhaften Immobilisierung von oxidierter und redu zierter Form auf der Oberfläche des Bezugshalbelements gilt:

Summe [Ox] + [Red] = konstant,

d. h. wenn man mindestens die Konzentration einer Form optisch leicht erfassen kann und durch geeignete Stromimpulse des richtigen Vorzeichens im Sekundenbereich wieder rück gekoppelt auf den Ausgangswert zurückführen kann, ist über die Redoxreaktion die andere Form ebenfalls konzentrationsmäßig stabilisiert. Dabei muß allerdings verhindert werden, daß störende Redoxsysteme im gesamten Meßvolumen über einen Ladungstransfer in homoge ner Lösung auf das immobilisierte Redoxsystem indirekt auf diese Weise coulometrisch titriert werden. Dies muß durch Diffusionssperren oder kleinste Probenmeßmengen verhindert wer den.

Bei der Version mit lipophilen Ionen kann die potentialbestimmende Sorte ebenfalls coulome trisch oder galvanostatisch in unmittelbarer Nähe der Referenzpotentialgrenzfläche erzeugt werden. Da man als potentialbestimmende Ionensorte Verbindungen wählen kann, die in der Natur nicht vorkommen, erhält man ein selektives Referenzpotential, das nicht von der Pro benmatrix beeinflußt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Selektivitätssteigerung besteht darin, die elektrochemische Erzeugung der potentialbestimmenden Ionen frequenz- oder pulsmoduliert durchzuführen und auch zwei Membranelektroden in einer galvanostatischen Schaltung zu verwenden. Vor teilhaft ist hier die räumliche Nähe beider Phasengrenzflächen, was beispielsweise mikroelek tronisch leicht zu verwirklichen ist. Alternativ kann ein Spacer (z. B. Filterpapier, Membranfilter, Diaphragma o. ä.) die beiden Membranoberflächen trennen. Bei Wechselstrombeaufschlagung werden aus den beiden Membrandepots jeweils die phasentransferfähigen Gegenionen in die Lösung freigesetzt, wo sie zur gegenüberliegenden (benachbarten) Membran wandern und dort das Potential beeinflussen. Durch die Stromumkehr wird die Konzentration der potential bestimmenden Ionen zwischen beiden Membranelektroden (oder chemisch modifiziert) kon stant gehalten.

Nachteilig ist bei der spektrochemischen Methode der zusätzliche Aufwand durch Lichtleiter, Lichtquelle, Interferenzfilter und Empfänger. Einfacher wird der Aufbau, wenn eine Form des immobilisierten Redoxsystems in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums eine Absorption oder Fluoreszenz zeigt, die mittels preiswerter Leuchtdioden erfaßt werden kann. Der Aufbau erfordert dann kein optisches Filter und ist leicht miniaturisierbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht in der ersten Version von einem zyklischen Voltam mogramm eines reversiblen Redox-Systems mit besonders hoher Standard-Austauschstrom dichte aus, welches prinzipiell die in Abb. 4 gezeigte Form annimmt. In 4a) ist die typische Form im Falle ungerührter Lösungen bei üblichen Makroelektroden mit Oberflächen im Bereich < 1 mm² gezeigt, während 4b) das gleiche Cyclovoltammogramm mit einem Ultra- Mikroelektroden-Array (UMA) aufgezeichnet zeigt. Außer der Form und Anordnung der Arbeitselektrode wurden alle übrigen Bedingungen konstant gehalten. Man erkennt deutlich, daß beim UMA auch in nicht-bewegten Lösungen stationäre Stromspannungskurven in Stu fenform erhalten werden, die denen bei reproduzierbar gerührten Lösungen im Falle von Makroelektroden entsprechen. Bei Erhöhung der Potentialänderungsgeschwindigkeit zeigt sich ein weiterer Unterschied des UMAs. Während bei der traditionellen Meßzelle mit der Makro-Arbeitselektrode sowohl der kapazitive Grundstrom als auch die faradayschen Spit zenströme zunehmen, ist bei dem UMA keine oder kaum eine Abhängigkeit von der Scange schwindigkeit festzustellen. Das gleiche Ergebnis hätte bei einem entsprechend kleineren Stromfluß auch eine einzelne Ultra-Mikroelektrode gezeigt. Letztere liegt vor, wenn man bezüglich der Herandiffusion der elektroaktiven Species sphärische Bedingungen zugrunde legen muß. Dann kommt es zusammen mit der minimal elektrochemisch umgesetzten Menge zu einer gewünschten Unabhängigkeit von den Strömungsbedingungen an der Arbeits elektrodenoberfläche. Dies ist bei Elektrodendurchmessern unterhalb etwa 10 µm der Fall. Das Array vervielfacht bei gleichen Eigenschaften den faradayschen Strom vom Nano oder Pikoamperebereich in den meßtechnisch besser zu beherrschenden Mikroamperebereich. Die effektive Fläche für ein UMA braucht deshalb aber nicht über wenige Quadratmillimeter hinauszugehen.

Erfindungsgemäß benötigt eine galvanostatische Stromstärkekontrolle zwar zwei inerte Elek troden, es kann aber auch nur eine davon entsprechend der Zielsetzung modifiziert werden, so daß sie gegenüber allen angrenzenden wäßrigen Lösungen ein konstantes Potential einzu stellen vermag. Sie ist dann extrem miniaturisierbar und kann von der zweiten Elektrode (Gegenelektrode) entfernt betrieben werden. Die zweite Elektrode muß nur eine Elektrolytver bindung mit dieser potentialkonstanten Bezugselektrode aufweisen und kann gleich groß oder größer ausgelegt werden. Es ist selbstverständlich, daß als rückgekoppelte galvanostati sche Stromquelle eine mit "Floating Input", d. h. masse- und erdfrei verwendet wird. Diese Stromquelle ist vorzugsweise in das Spannungsmeßgerät ähnlich der Stromquelle für die Dead-Stop Titration zu integrieren. Eine entsprechende ASIC-Version läßt sich preiswert gestalten und erlaubt den Betrieb des betreffenden Meßgerätes mit der neuen Bezugselektro densorte, bzw. über einen entsprechenden Adapter die Benutzung traditioneller pH-Meter.

Beispiel 1: Cyclovoltammogramm eines adsorbierten/immobilisierten Redoxsystems

Die Abb. 3 zeigt ein traditionelles Cyclovoltammogramm eines speziellen Redoxsystems mit extrem hoher Standardaustauschstromdichte (Ferrocen-Derivat), das zuvor kovalent an eine Platinelektrodenoberfläche immobilisiert wurde. Hierzu wurde ein Platindraht in 15%iger Sal petersäure gereinigt, 5 min. lang bei etwa + 1,9 V oxidiert, mit Aceton gewaschen und an der Luft getrocknet. Die Platinoberfläche wurde mit Tetrasilan durch 10 sec. Eintauchen in das reine Reagens beschichtet. Anschließend wurde Hydroxymethylferrocen an dem vorbehan delten Draht angebunden, indem man diesen 10 min. lang in eine gesättigte Lösung des Fer rocenderivates in Toluol tauchte. Die freien Si-Cl-Bindungen wurden durch Waschen des Drahtes in dest. Wasser hydrolysiert.

Man erkennt sofort die, verglichen zu üblichen zyklischen Voltammogrammen, scharf ausge prägten Stromspitzen in beiden Scanrichtungen. Dies deutet darauf hin, daß die Redox-Zen tren so nahe an der Elektrodenoberfläche liegen, daß alle Moleküle gleichzeitig oxidiert oder reduziert werden und Diffusionsprozesse durch aus der Lösung nachgelieferte Systeme, die üblicherweise zu einem langsameren Abfall der Stromstärke führen, hier ausgeschlossen sind. Die Anwesenheit weiterer Redoxsysteme in der Meßlösung wirkt sich ähnlich wie bei einer sog. katalytischen Stufe in der Polarographie stromerhöhend aus. Die durch Pfeile angedeuteten Spannungswerte im Anstiegsbereich der beiden Strompeaks werden jedoch davon nicht betroffen. Bei Vorgabe entsprechender Stromdichten mit Stromrichtungsumkehr wird das Arbeitselektrodenpotential um die Differenz der betreffenden Spannungswerte schwanken.

Beispiel 2: Einsatz eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays (UMAs) bei der Cyclovoltammetrie

Die Abb. 4 zeigt ein typisches zyklisches Voltammogramm einer Ruthenium (II/III)- Hexaminchlorid-Lösung an einer Platin-Makro-Elektrode von ca. 12 µm Durchmesser.

Man erkennt die typisch breite Peakform, die auch bei den in Scanrichtung ansteigenden Stromstärken größere Überspannungen zeigen. Bei Erhöhung der Scangeschwindigkeit (Zyklenzahl pro Sekunde) nimmt bei Makroelektroden der sog. kapazitive Strom, der nur zur entsprechenden Umladung der Doppelschicht-Kapazität benötigt wird, stark zu, so daß Voltammogramme gemäß Abb. 5 erhalten werden, die sich erfindungsgemäß nicht ideal eig nen, weil der unspezifische nicht-faradaysche Strom zu groß geworden ist. Das UMA verhält sich hier völlig anders. Die Abb. 4b zeigt das Cyclovoltammogramm des gleichen Redox Systems unter gleichen Bedingungen mit einem UMA gemäß Abb. 6 aufgenommen. Wie man erkennt, entstehen nunmehr ab Einzelelektrodendurchmessern von weniger als 6-8 µm Spannungsstufen, die innerhalb eines mittleren Zeitbereichs von der Scangeschwindigkeit unabhängig sind. Die angezeichneten Pfeile deuten an, zwischen welchen Spannungswerten die Arbeitselektrode bei galvanostatischer Arbeitsweise mit Stromumkehr oszillieren wird.

Beispiel 3: Form der Spannungssignale bei erfindungsgemäßen Mikro-Bezugselektroden und Demonstration der Konstanz

Die Abb. 7a zeigt oszillographisch registrierte Spannungssignale, die bei einer erfindungs gemäßen Mikro-Bezugselektrode mit immobilisiertem Ferrocenderivat bei galvanostatischer Arbeitsweise zwischen +/- 100 µA mit 5 Hz erhalten wurde. Die Abb. 7b zeigt das analoge Vorgehen bei 1000 Hz unter Verwendung eines UMAs von ca. 2 mm² gesamter, meist inakti ver Oberfläche. Man erkennt die vorteilhafte erfindungsgemäße Verwendung eines Ultra- Mikroelektroden-Arrays, weil höhere Frequenzen möglich sind. In beiden Fällen wurden in die Meßlösung störende Redoxsysteme im Überschuß von 1 : 100 zugegeben und keine Ände rung des Mittelwertes der Bezugselektrodenspannung, stromlos gegenüber einer Hilfs- Bezugselektrode gemessen, festgestellt.

Beispiel 4: Mögliche Konstruktionen

Die Abb. 8a-g zeigen vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrobezugs elektrode.

Literatur:

[1] K. Cammann: Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden, 2. Aufl., Springer, Berlin 1977.
[2] K. Cammann: Fresenius Z. Anal. Chem. 287 (1977) 1.
[3] P. Bergveld, IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-17 (1970) 70.
[4] P. Vanysek: Electrochemistry on liquid/liquid interfaces. In: G. Berthier et al. (Hrsg.) Lecture notes in chemistry, vol. 39, Springer, Berlin 1985, S. 24.
[5] J. Koryta, Anal. Chem. Symp. 8 (1981) 53.
[6] F. Haber, R. Russ: Z. physik. Chem. 47 (1904) 257.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines konstanten Bezugs- oder Referenz-Poten tials in beliebigen Lösungen im Sinne einer potentialkonstanten Mikro-Bezugselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialbestimmenden Ladungsträger an der (den) entscheidenden Phasen grenze(n), an der (denen) sich die gewünschte konstante Potentialdifferenz einstellen soll, elektrochemisch oder spektro-elektrochemisch unter Verwendung eines geeigneten Stromflusses kinetisch und/oder konzentrationsmäßig (thermodynamisch) so beeinflußt wer den, daß alle Bedingungen für gute Bezugselektroden erfüllt sind.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als potentialbestimmende Ladungsträger chemisch stabile Redox-Systeme oder Ionen gewählt werden, die sich in beiden Fällen durch eine besonders hohe Standardaustausch stromdichte an der das Referenzpotential erzeugenden Phasengrenze auszeichnen.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Referenzpotential erzeugende Phasengrenzfläche selbst stromdurchflossen ist.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß zur elektrochemischen Erzeugung oder Konstanthaltung der Konzentration der potentialbestimmenden Ladungsträger verwendet wird.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden inerte Edelmetallelektroden, elektronenleitende Materialien, Graphit oder Kohle-Elektroden, alle mit oder ohne chemisch modifizierter Oberfläche (z. B. Oxid, Polypyrrol etc.) bzw. Kompositbauweise (z. B. Kohlepaste, glassy carbon etc.) sowie ionenselektive Membranelektroden (z. B. auf PVC-Membran oder hydrophober Gel-Basis) eingesetzt werden.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in Form eines Mikroelektroden-Arrays von mindestens zwei Stück beliebi ger geometrischer Anordnung mit Einzelelektrodendurchmessern unter 100 µm eingesetzt werden.

7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden planar am Ende von Vertiefungen ähnlicher Dimension (engl. recessed electrode) angeordnet sind.

8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen vor den Elektrodenoberflächen mit den potentialbestimmenden Ladungsträgern in hoher Konzentration ausgefüllt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialbestimmenden Ladungsträger vor den Elektrodenoberflächen dauerhaft durch kovalente Anbindung oder Querverknüpfung (Polymerisation) an die Elektrodenober fläche oder unmittelbar benachbarte Oberflächen immobilisiert sind oder aus einer zweiten sog. Lieferphase in unmittelbarer Nähe zur potentialbildenden Oberfläche zur Verfügung gestellt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferphase für die potentialbestimmenden Ladungsträger unmittelbar vor den Elek trodenoberflächen aus einer kristallinen oder amorphen Feststoffphase mit oder ohne sepa raten Träger aber mit einer begrenzten und geringen Löslichkeit in wäßrigen Medien, aus einer nichtwäßrigen Phase mit Bevorzugung der potentialbestimmenden Ladungsträger für die letztere (nach dem Nernsten Verteilungsatz), aus einer Ionenaustauscher oder affinitäts bindenden Phase o. ä. mit großer Depotwirkung besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Elektronen aus Redoxsystemen als potentialbestimmenden Ladungsträgern, das Aktivitätsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form [Ox]/[Red] eingestellt und konstant gehalten wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Verhältnisses [Ox]/[Red] durch entsprechende Mischung der nicht wäßrigen Lieferphasen, die jeweils nur mit einem Partner des Redoxsystems abgesättigt sind, eingestellt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Verhältnisses [Ox]/[Red] durch gezielten Stromfluß oder geeignete kurzzeitige Strompulse elektrochemisch erfolgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolle und Regelung der Konstanz des Ausdrucks [Ox]/[Red] durch spektral analytische Beobachtung mindestens eines der Partner erfolgt, wenn die Beziehung: Aktivität der immobilisierten oxidierten Form [Ox] plus Aktivität der immobilisierten reduzierten Form [Red] gleich konstant, [Ox] + [Red] = konstant, gilt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolle und Regelung der Konstanz des Ausdrucks [Ox]/[Red] durch eine geeignete elektrochemische Messung, wie z. B. einer cyclovoltammetrischen Bestimmung erfolgt. Die Regelung erfolgt durch zyklische Coulometrie, bei der die anodischen A.s von kathodischen und jene wieder von anodischen usw. gefolgt sind und die nachfolgenden Coulombs (Einheit A.s) jeweils um ca. 10-90% abnehmen, so daß letztlich dadurch ein [Ox]/[ed] Verhältnis nahe 1,0 eingestellt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis von [Ox]/[Red] = 1 eingestellt wird, damit der logarithmische Ausdruck in der Nernstgleichung, die die Referenzelektrodenpotentialdifferenz U_o beschreibt, Null wird, womit der temperaturabhängige Faktor entfällt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Redoxsysteme nur chemisch stabile Verbindungen mit sehr hoher Standardaus tauschstromdichte über ca. 100 µA/cm², begrenzter Wasserlöslichkeit und minimaler Sauer stoff-Empfindlichkeit, wie beispielsweise Derivate des Ferrocen/Ferroceniums oder Rutheni ums verwendet werden oder ionale Redoxsysteme wie das Hexacyanoferrat II+III, die diese schlechte Wasserlöslichkeit nicht haben, an feste oder flüssige Ionenaustauscher gebunden werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als potentialbestimmende Ladungsträger Ionen benutzt werden, die in der unmittelbaren Nähe des Referenzhalbelements, das auf diese selektiv anspricht, coulometrisch in zeitlich konstanter Konzentration erzeugt werden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die coulometrisch erzeugten und an dem Referenzhalbelement potentialbestimmenden Ionen in den Meßlösungen nicht anwesend sind und auch mit keinen Partnern aus der Pro bematrix Verbindungen eingehen können, was nur bei Ionen der Fall ist, die nur in wenigen Fällen auszufällen oder zu komplexieren sind, wie beispielsweise bei großen organischen Kationen oder Anionen, die als Ionenpaar in einer nichtwäßrigen Phase immobilisiert und durch Stromfluß aus dieser freigesetzt werden.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzhalbzelle (Referenzelement), deren Potentialdifferenz zur Meßlösung und zur Standard-Wasserstoff-Elektrode konstant gehalten werden muß, stromdurchflossen ist.

21. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke kontrolliert und die Stromrichtung periodisch mit höchst möglicher Fre quenz (< 5 Hz, durch die Doppelschichtkapazität an der Phasengrenze limitiert) umgekehrt wird.

22. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die der potentialbestimmenden Phasengrenzfläche aufgeprägte Stromdichte-Zeit-Funk tion bei sich stetig ändernden Funktionen (Sinus- oder Dreieckform) dort zu einer durch die zugrundeliegende Strom-Spannungs-Kennlinie gegebenen, phasenverschobenen Überspan nung führt, die entsprechend selektiv verstärkt zusammen mit dem thermodynamisch kontrol lierten Ruhepotential als Bezugselektrodenpotential dienen kann.

23. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die der potentialbestimmenden Phasengrenzfläche aufgeprägte Stromdichte-Zeit-Funk tion bei einer Rechteckfunktion dort zu kapazitiv verursachten Spannungsspitzen führt, deren Abklingzeit erst abgewartet werden muß, bevor die dadurch erzeugte Überspannung zusam men mit dem thermodynamisch kontrollierten Ruhepotential als Bezugselektrodenpotential dienen kann.

24. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromfluß durch die entscheidende Mikro-Bezugselektroden-Phasengrenz fläche, deren Potentialdifferenz zu jeder Meßlösung und zu der Standard-Wasserstoff-Elek trode dauerhaft konstant zu halten ist, galvanostatisch so kontrolliert wird, daß die resultieren den faradayschen Überspannungsamplituden unter 15 mV bleiben, was durch entsprechende elektronische Schaltungen mit Rückkopplung leicht zu bewerkstelligen ist.

25. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Verhältnis [Ox]/[Red] dadurch bewirkt wird, daß der Wechselstrom in einer Konditionierungsphase der Mikrobezugselektrode von ca. 100fach höheren Werten, als zur Erzeugung von 15 mV Überspannung nötig, verringert wird, bis sich die gewünschte Wechselspannungsamplitude eingestellt hat.

26. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei der galvanostatischen Arbeitsweise nur die sich an der sog. Mikro-Arbeitselektrode (oder UMA) einstellende Spannung (zusammengesetzt aus der Ruhespannung U_o ohne Stromfluß und der periodischen Überspannung von +/- ca. 15 mV) als Bezugselektroden spannung oder -potential elektronisch abgegriffen wird, während die Gegenelektrode, die auch räumlich getrennt positioniert werden und größer sein kann, unberücksichtigt bleibt.

27. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die bei jeder galvanostatischen Arbeitsweise notwendigen zwei Elektroden aus Mikro- Elektroden oder Mikro-Elektroden-Arrays bestehen, die in diesem Fall dicht nebeneinander liegen und von einem identischen Redoxsystem umgeben sind, wobei elektronisch die sich an beiden einstellende Spannung gegenüber dem Meßmedium (Ruhespannung U_o plus der periodischen Überspannung entsprechenden Vorzeichens) abgegriffen werden, wobei sich die kathodische und anodische Überspannung bei gegebenen, linearem Verlauf der Strom- Spannungs-Kennlinie und gleicher Stromdichte an beiden Elektroden exakt kompensieren, so daß nach außen ein konstantes Potential abgegeben wird, daß durch eine quasi vergrößerte Austauschstromdichte (abhängig von der Frequenz) zusätzlich stabilisiert wird.

28. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwei miniaturisierte Membranelektroden mit oder ohne flüssigem Innensystem, deren Membran die potentialbestimmenden Ionen der jeweils eng benachbarten oder gegenüberlie genden Membran enthalten, galvanostatisch mit Wechselstrom kontrollierter Stromstärke beaufschlagt werden, wobei ebenfalls nur Überspannungsamplituden unter 15 mV an jeder Phasengrenze: Membran/Lösung eingestellt werden und das gemeinsame Potential gegen über der Meßlösung als Bezugsspannung verwendet wird.

29. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Membranelektroden chemisch modifizierte Metallelektroden- oder Halbleiter oberflächen mit eingebetteten potentialbestimmenden Ionen oder Redoxsystemen verwendet werden.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß dafür Sorge getragen wird, daß nur minimale Volumina der Meßlösung in elektrolytischem Kontakt mit der Mikro-Bezugselektrode (oder Mikroelektroden- bzw. Mikroelektroden-Array- Paar) kommen, was durch enge Öffnungen, enge Kanäle, Materialien mit Kapillarkräften (die die Probe kontrolliert in den Mikrobezugselektrodenraum transportieren) erreicht werden kann.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit Wechselstrom kontrollierter Amplitude durchflossenen Phasengrenz flächen durch eine dünne Lage kapillarkräfte-aktiven Materials (Fließpapier, Membranfilter etc.), welches ein Depot für die potentialbestimmenden Ladungsträger bildet, getrennt sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralanalytische Kontrolle der Konzentration mindestens eines der Formen eines immobilisierten Redoxsystems mit Hilfe miniaturisierter Lichtleiter oder mit einer in die Fläche der Mikrobezugselektrode integrierter Optik in Form von Oberflächenwellenleitern erfolgt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß neben Messungen einer Lichtabsorption bei einer geeigneten Wellenlänge auch die Mes sung der Fluoreszenz mindestens einer der Formen eines geeigneten Redoxsystems zur Kontrolle der Stromstärke, die coulometrisch in einem Rückkopplungskreis diese Form auf konstanter Konzentration hält, herangezogen werden kann.

34. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei coulometrischer Kontrolle der potentialbestimmenden Ladungsträger, die Bezugs elektrodengrenzfläche auch nahezu stromlos gehalten werden kann, falls dadurch eine aus reichende Austauschstromdichte gegenüber interferierenden Ladungstransfer-Reaktionen aufrecht erhalten werden kann.