DE4232729C2

DE4232729C2 - Mikrobezugselektrode zur Erzeugung eines konstanten Bezugs- oder Referenzpotentials

Info

Publication number: DE4232729C2
Application number: DE19924232729
Authority: DE
Inventors: Karl Prof Dr Rer Nat Cammann
Original assignee: Institut fur Chemo- und Biosensorik Ev 48149 Muenster De; Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Current assignee: Institut fur Chemo- und Biosensorik Ev 48149 M
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: DE4232729A1

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es erlaubt, potentialstabile und extrem miniaturisierbare Bezugselektroden zum allge meinen Einsatz bei elektrochemischen Messungen sowie bei Chemo- und Biosensoren aufzubauen und basiert auf einer Ausnutzung des thermodynamisch und kinetisch kontrollierten Verlaufs von Strom-Spannungs-Kennli nien in der Nähe des Null-(Strom)-Durchgangs.

In der Elektrochemie spielen Ladungstransfervorgänge an Phasengrenzflächen (Elektrodenoberflächen) eine zentrale Rolle. Hier interessiert vor allem der Zu sammenhang zwischen einem angelegten Phasengrenzpo tential (genauer Potentialdifferenz = elektrische Spannung) an einer sogenannten Arbeitselektrode, das ist die zu untersuchende Elektrodenoberfläche, und dem dabei durch die Phasengrenzfläche fließenden elektrischen Strom. Da man bekannterweise die absolu te Potentialdifferenz an einer Phasengrenze (z. B. Elektrode/Lösung, Halbelement, Halbzelle) nicht er fassen kann, hat man sich international geeinigt, diejenige Spannung anzugeben, welche mit einer Meß kette, die mit einer Standard-Bezugselektrode komplettiert ist, erzielt wird.

Diese primäre Bezugselektrode, deren eigene Potenti aldifferenz gegenüber der Meßlösung definitionsgemäß bei allen Temperaturen gleich Null gesetzt wird, stellt die sogenannte Standard-Wasserstoff-Elektrode dar. Sie besteht aus einem platinisierten Platin blech, das in einer Lösung vom pH Wert Null taucht und mit Wasserstoffgas von 1,013 × 10⁵ Pa bespült wird. Alle sogenannten Normalpotentiale sind auf die se Bezugselektrode bezogen und stellen die Spannungen dar, die man bei Kombination der jeweils vorliegenden Elektrode (oder Redoxreaktion an einer inerten Metallelektrode) mit dieser Wasserstoffelektrode mes sen würde. Für die tägliche Meßpraxis haben sich je doch 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 Silber/Silberchlorid- oder die sogenannte Kalomel-Elektrode dar, die sich durch folgende Pha sengrenze symbolisieren lassen:

Ag/ACl bzw. Hg/Hg₂Cl₂

Im Falle des chloridisierten Silberdrahtes läßt sich die folgende elektrochemische Gleichgewichtsreaktion 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 zweiten Phase aus Silberchlorid kon stant und man kann über die Gleichung:

a_Ag⁺ = Kl/a^Cl- (3)

mit: K_l = Löslichkeitsprodukt

die Konzentration an freien Silberionen ausrechnen. Einsetzen in die bekannte Nernst-Gleichung für Sil bermetall als Elektrode erster Art ergibt die Nernst- Gleichung für diese Elektrode zweiter Art (weil zwei Gleichgewichte involviert sind):

⌀_gl = ⌀_gl° - R T/F ln a_Cl- (4)

mit: ⌀_gl° = Standardgleichgewichts-Einzelelektro denpotential
R = allg. Gaskonstante
T = Absolute Temperatur
F = Faraday-Konstante
a_Cl ^- = Chloridionenaktivität

Elektroden zweiter Art lassen sich leichter herstel len und aufbauen als die Standardwasserstoff-Elektro de. Da sie gegenüber letzterer eine genau bekannte Spannungsdifferenz aufweisen, kann man bei elektro chemischen Messungen mit Hilfe dieser sekundären Be zugselektroden sehr einfach auf die Standardwasser stoff-Elektrode umrechnen.

Nach Gleichung (4) hängt natürlich die nicht meßbare Einzel-Elektrodenpotentialdifferenz (= Galvanispannung über eine Phasengrenze ⌀) von der Chloridionenaktivi tät in der Meßlösung ab. Bei einer direkten Verwen dung dieser Elektrode zweiter Art (Aufbau einer Meß kette: Meßelektrode-Bezugselektrode ohne Überführung) muß also im vorliegenden Fall die Chloridionenaktivi tät in den Meßlösungen unbedingt konstant gehalten werden. Weil dies in der täglichen Meßpraxis nie ge geben 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 Überfüh rung). Dadurch wird zum einen die Chlorid-Aktivität konstant gehalten und zum anderen ergibt die ähnliche Ionenbeweglichkeit des Kalium- und Chloridions an der Kontaktstelle dieses Elektrolyten mit der Meßlösung (innerhalb eines Diaphragmas, das die rasche Vermi schung des Stromschlüssel-Elektrolyten mit den Meßlö sungen verhindern soll) das geringste Diffusionspo tential. Letzteres geht ebenfalls in jede Messung ein, die mit einer derartigen Meßkette mit Überfüh rung gemacht wird. Seine Konstanz ist für die Meßge nauigkeit entscheidend.

Die klassischen Bezugselektroden der elektrochemi schen Meßtechnik sind in diesem Zusammenhang die Sil ber/Silberchlorid- und die Kalomel-Elektrode (vgl. oben), die beide mit einem KCl-Stromschlüssel verse hen sind. Da bei elektrochemischen Untersuchungen (z. B. in der galvanotechnischen Industrie, der Korro sions-, der Batterie- und Akkumulatorenforschung, bei der elektrochemischen Synthese usw.) das Arbeitselek trodenpotential eine entscheidende Rolle spielt, be steht für gut funktionierende Bezugselektroden ein großer Markt. Die Einsatzgebiete steigen darüber hin aus stetig an. Da ca. 80% der bei Chemo- und Biosen soren verwendeten Signaltransducer elektrochemischer Natur sind, werden vor allem miniaturisierbare Bau formen gesucht.

Bezugselektroden funktionieren für die oben erwähnten Einsatzgebiete nur dann gut, wenn sie ohne Rücksicht auf die Zusammensetzung der Meßlösung oder des sog. Grundelektrolyten ihr Potential gegenüber der Stan dard-Wasserstoff-Elektrode konstant halten und keine oder nur sehr geringe Temperatur- und Drifteffekte zeigen. Die physikalisch-chemisch unvermeidbaren Va riationen des Diffusionspotentials am stets vorhande nen Diaphragma [1] beim Angrenzen einer Meßlösung mit extremen pH-Werten an die KCl-Füllösung der Bezugs elektrode, die durchaus < 10 mV betragen können, sind bei vielen technischen Anwendungsfeldern der Bezugs elektrode tolerierbar (z. B. bei Elektrolysen), nicht jedoch bei analytisch-chemischen Anwendungen der Elektrochemie.

Die elektrochemischen Analysenmethoden sind äußerst vielfältig. Nach einem Klassifizierungs- und Nomen klaturvorschlag für dafür zuständigen International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) kann man über 60 unterschiedliche Methoden auflisten. Die wichtigsten Oberbegriffe auf den für die Sensorfor schung wichtigen Gebieten sind: die Potentiometrie, die Polarographie und Voltammetrie, die Amperometrie und die Coulometrie. Die höchsten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit von Messungen mit Bezugselek troden werden von der ionenselektiven Potentiometrie gestellt.

Bei der ionenselektiven Potentiometrie wird mit Hilfe einer ionenselektiven Meßelektrode und einer potenti al-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. Bekannte stes Beispiel ist die elektrometrische pH-Wert Mes sung, die seit den 40er Jahren zu den am häufigsten durchgeführten Bestimmungen überhaupt gehört und ei nen entsprechenden Markt besitzt. In der pH-Meßtech nik werden häufig auch sogenannte Einstabmeßketten eingesetzt. Bei ihnen ist die Meß- und Bezugselektro de in einem Elektrodenkörper vereinigt.

Einen weiteren Marktvorteil erreichte die ionenselek tive Potentiometrie in den 60er Jahren durch die Ent wicklung neuer ionenselektiver Elektroden für eine Vielzahl von Kationen und Anionen. Bei allen ist die Meßgenauigkeit durch die Güte der Bezugselektrode vorgegeben. Genaueste Messungen (Meßgenauigkeit bes ser als 0,1 mV) sind nur bei thermostatisierten Meß ketten ohne Überführung möglich, d. h. man versucht als Bezugselektrode eine zweite ionenselektive Meß elektrode zu verwenden und die Konzentration des da zugehörigen potentialbestimmenden "Referenz"-Ions konstant zu halten.

In den 70er Jahren wurden mit Hilfe ionenselektiver Meßketten die ersten Biosensoren entwickelt, so daß diese Meßtechnik inzwischen auch für viele nicht-io nische Verbindungen, wie etwa Harnstoff, Glucose, viele "Biomoleküle" usw. eine zentrale Bedeutung er langt hat [2]. Für die Weiterentwicklung der Biosen soren zum sogenannten Biochip ist die Frage der Mi niaturisierung sehr wichtig. Hier sind jedoch den elektrochemischen Zellen, sei es den potentiometri schen oder den amperometrischen, Grenzen gesetzt, die in erster Linie die Gestaltung der Bezugselektrode betreffen. Jede Verkleinerung ihrer Dimensionen führt zunächst am inneren Ableitelement (üblicherweise Ag/- Agcl- oder Hg/Hg₂Cl₂-Halbzelle), dessen Potentialdif ferenz vom Stromschlüssel-Elektrolyten nach Gl. (4) von der Chloridionenaktivität abhängt, wegen der re duzierten Oberfläche selbst zu einer höheren Strom dichte-Belastung, die zu Polarisationserscheinungen 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 Bezugshalb element, dessen Potentialdifferenz konstant gehalten werden muß, und der Meßlösung, so daß potentialver fälschende Stoffe aus der Meßlösung zu rasch zu die ser Phasengrenze diffundieren und dort störend wirken können.

Bezugselektroden üblicher Bauart wird ein Eindringen von potentialverfälschender Meßlösungsmatrix konstruktiv dadurch verhindert, daß der Stromschlüs sel-Elektrolyt während der Messung stets aus der Be zugselektrode in die Meßlösung strömt, so daß die dadurch aufrechterhaltene Mikrokonvektionsströmung die Diffusion von störenden Stoffen in den Bezugs elektroden-Körper (genauer: zur Oberfläche des Halb elements) verhindert. Störende Stoffe können in die sem Zusammenhang sein: Redox-System aus der Probenma trix (z. B. FE(II)/(III)-Verbindungen, die ihr Redox potential dem immer noch elektronenleitenden inneren Ableitelement aufprägen), Komplexierungsmittel für Ag-Ionen, Anionen, die mit Silber- oder Quecksilber ionen schwerer lösliche Salze als die Chloridionen des Elektrolyten bilden (z. B. Sulfid, Jodid, Bromid etc.). Das Ausströmen des Bezugselektroden-Strom schlüssel-Elektrolyten in die Meßlösung hat trotz der Verunreinigung der Meßlösung mit diesen Ionen (vor zugsweise K⁺ und Cl⁻) auch diffusionspotential-stabi lisierende Vorteile. Es kann aber ab einem gewissen Miniaturisierungsgrad wegen der Begrenztheit des Stromschlüsselelektrolyt-Reservoirs nicht über länge re Zeit aufrecht erhalten werden, so daß wegen der kurzen Diffusionsstrecken Fremdstoffe aus dem Proben medium eindringen und das Potential am Bezugs- oder Ableitelement (Halbzelle) verfälschen, so daß die geforderte Langzeit-Potentialkonstanz nicht mehr ge währleistet werden kann. Versucht man aber anderer seits die Eindiffusion 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 gewähr leisten. Bei Diffusionskanälen im molekularen Bereich (z. B. Dialysemembran etc.) treten zusätzlich bei Pro ben, die geladene Makromoleküle (z. B. eiweißhaltige Medien, biologische Flüssigkeiten, wie Blut, Serum etc.) enthalten, sogenannte Donnanpotentiale auf, die ebenfalls konstant gehalten werden müssen, was beson dere Probenvorbereitungstechniken erfordert.

Die rasch fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Mikroelektronik hat in den letzten Jahren welt weit zu einer großen Verbreitung miniaturisierter Meßwertaufnehmer beigetragen. Insbesondere Bio- und Chemosensoren auf der Basis von Mikroelektroden bzw. Ionenselektiven Feldeffekt-Transistoren (ISFETs) er langen zur Zeit eine immense Bedeutung auch für die Analytische Chemie, die Klinische Chemie, die Lebens mittelanalytik, die Biotechnologie und den Umwelt schutz. Als Meßtechniken werden zumindest die Poten tiometrie und die Amperometrie verwendet. Der er wünschten Miniaturisierung sämtlicher elektrochemi scher Transducer oder Sensoren steht insbesondere entgegen, daß es bis heute nicht zufriedenstellend gelungen ist, potentialstabile Mikro-Bezugselektroden zu entwickeln.

Daher steht die Miniaturisierung elektrochemischer Meßketten und Halbzellen (Mikroelektroden) weltweit im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung. Insbe sondere als 1970 durch Bergveld der ionenselektive Feldeffekt-Transistor (ISFET) entwickelt wurden [3]. Er vereinigte in idealer Weise die Forderungen nach Miniaturisierbarkeit, Mikroelektronik-Kompatibilität, Massenproduktionsfähigkeit und damit verbundener Ko stenersparnis bei gleichzeitig geringsten Schwankun gen 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 Langzeitmessungen (über mehrere Stunden) eine tradi tionelle Makro-Bezugselektrode benötigen.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Mikrobezugselektrode vorzuschlagen, die es erlaubt, ein konstantes Bezugs- oder Referenz potential einzustellen.

Die Aufgabe der Erzeugung eines stabilen Referenz- oder Bezugspotentials gegenüber beliebigen Meßlösun gen bei elektrochemischen Messungen gleich welcher Art mittels einer extrem miniaturisierbaren Anordnung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine ausgewählte Kombination von Schritten, die für sich allein oder kombiniert eine Vorrichtung ergeben, die zusammen den gewünschten Effekt der Potentialkonstanz bei klein ster Baugröße erzielen. In der Vorrichtung wird durch einen kleinen kontrollierten Wechselstrom die Aus tauschstromdichte eines vorgegebenen Redoxsystems künstlich erhöht, um das sich einstellende Bezugspo tential zu stabilisieren; in einem weiteren wird die Spektro-Elektrochemie zur Konstanthaltung der grenz flächennahen Konzentration mindestens eines potenti albestimmenden, dort immobilisierten Ladungsträgers ausgenutzt, was coulometrisch durch geeignete Strom impulse 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 Konstruktion von Bezugselektroden - zusammen erfüllt sein müssen, um eine potentialkon stante Phasengrenzfläche aufbauen zu können. Der Stand der Technik bei Bezugs-Halbelementen vernach lässigt die Phasengrenzkinetik des potentialbildenden Prozesses, verwendet zur Charakterisierung geeigneter Systeme nur unklare Begriffe, wie "reversible Elek trodenreaktion" und zeigt keinen Weg auf, die extrem wichtige Kinetik der Potentialbildung an der Phasen grenze des Bezugshalbelementes gezielt zu steigern, durch externe Maßnahmen (wie beispielsweise Strom fluß) geeignet zu verstärken oder hinsichtlich der Konstanz des logarithmischen Terms in der Nernst- Gleichung zu kontrollieren.

Ausgangsbasis für diese Erfindung ist einmal die Aus nutzung voltammetrischer Strom-Spannungs-Kurven (cur rent-voltage, C-V-Diagramm) in der Nähe ihres Null(Strom)-Durchganges. Der exakte Verlauf jeder elektrochemisch kontrollierten Strom-Spannungs-Kenn linie an einer nicht blockierten Elektroden-Phasen grenzfläche hängt sowohl von thermodynamischen als auch von kinetischen Parametern ab. Die sogenannte Ruhe-Spannung, d.i. der Punkt auf der Spannungs- oder Potentialachse des C-V-Diagramms, bei dem kein anodi scher 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 Vorschlä gen für potentialkonstante Bezugs-Halbelemente, die bewußt nicht mit einem Strom belastet werden und da her i. d. R. in einem hochohmigen Meßkreis (< 10¹⁰ Ohm) betrieben werden, dadurch ab, daß hier erfindungsge mäß ein kontrollierter Wechselstrom oder spektroche misch gesteuerte Stromimpulse aufgeprägt werden.

Erfindungsgemäß werden nur diejenigen Phasentransfer- Reaktionen genutzt, bei denen die Zusammensetzung der Meßlösung an dieser energetischen Situation des in Phase wechselnden Ladungsträgers (freie Transfer-Ent halpie des Phasenüberganges Lösung/Elektrodenphase) nichts oder kaum etwas ändert. Dazu müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, die erfindungsgemäß optimiert werden. Die das Referenzpotential einstel lenden 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 Sulfi danionen das Referenzpotential von Ag/AgCl und Hg/Hg₂Cl₂-Bezugs-Halbelementen stark negativ verfäl schen. Demgegenüber tritt erfindungsgemäß noch ein weiterer wichtiger selektivitätsgebender Faktor in Erscheinung. Da als potentialbestimmende Phasengrenz reaktionen erfindungsgemäß nur diejenigen mit der schnellsten Kinetik, d. h. höchsten Standardaustausch stromdichte gewählt werden, stören selbst gleichhohe Konzentrationen an Fremdstoffen nicht, da sie i. d. R. eine schlechtere Phasentransfer-Kinetik der Ladungs träger (Elektronen oder Ionen) haben und zusammen mit dem gewählten potentialbestimmenden System kaum zu einem ausgeprägten (< 1 mV) Mischpotential (= Ver schiebung des Bezugspotentials) führen. In diesem Sinne ist es schlecht möglich, erfindungsgemäß einige wenige Systeme festzuschreiben, da es stets andere oder neu entwickelte mit einer ähnlichen vorteilhaf ten oder besseren Phasengrenzkinetik geben wird.

Da die beim Phasenübergang stattfindende Desolvata tion oder besser Umsolvatation der potentialbestim menden Ladungsträger nur von der Art des Lösungsmit tels und dessen Aktivität abhängig ist, wobei letzte re bei üblichen Konzentrationen gelöster Stoffe als konstant anzusehen ist, ergeben sich auch konstante thermodynamische Bedingungen und damit ein konstantes Bezugs-Potential vom Wert U₀, das durch die Nernst- Gleichung bestimmt wird. Die Steilheit der Strom- Spannungs-Kennlinie in der Nähe dieser Ruhe-Spannung U₀ hängt hingegen von den kinetischen Faktoren des Phasentransfers sowie von den Konzentrationen der Ladungsträger in beiden Phasen ab. Abweichungen von der Ruhe-Spannung elektrochemischer Systeme werden als Überspannung bezeichnet. Bei Überspannungen < 10-25 mV kann die jeder elektrochemischen Kenn linie 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 sogenannter Transferwiderstand (umgekehrt pro portional zu der sogenannten Austauschstromdichte des betreffenden Ladungsträgers an dieser Phasengrenzflä che). Erst bei weit größeren Überspannungen < 50 mV kann die Kennlinie elektrochemischer Systeme in Sät tigungsbereiche hineinlaufen, die dann nicht mehr kinetisch sondern durch Diffusion limitiert sind. Dies führt zu den bekannten stufenförmigen Voltammo grammen (Polarogrammen bei Quecksilber als Arbeits elektrode), bei denen der Wendepunkt der Stufe eine Identifizierung und die Stufenhöhe eine Quantifizie rung erlaubt, was elektroanalytisch genutzt wird.

Die Erfindung geht einmal davon aus, daß die allen elektrochemischen Phasengrenzvorgängen (Reaktionen, Ladungstransfers) zugrundeliegende Strom-Spannungs- Kennlinie, wie bei allen gesetzmäßigen Abhängigkeiten üblich, unabhängig voneinander aufgenommen werden kann. Entweder kann die Überspannung an einer Elek trodengrenzfläche vorgegeben werden, was in der Elek trochemie 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 sogenannte Dead-stop Titrationsmethode zur Indi kation des Endpunkts, bei der die Spannungsänderung zwischen zwei mit einer konstanten Stromdichte pola risierten Platin-Elektroden beobachtet wird.

Erfindungsgemäß muß zur Erzielung reproduzierbarer Überspannungen von weniger als ca. ± 25 mV, die über eine lineare Strom-Spannungs-Beziehung mit der Ruhespannung verbunden sind, bzw. symmetrisch zu ihr liegen (s. Fig. 1), die Stromdichte an der als Be zugs-Halbelement fungierenden Phasengrenzfläche vor gegeben werden. Dies hat erfindungsgemäß galvanosta tisch, d. h. unter strikter und genauer Stromkontrolle zu erfolgen. Zur Vermeidung von elektrolytischen Net to-Umsätzen, die zu Verarmungs- oder Anreicherungs zonen führen können, die wiederum unerwünschte Diffu sionserscheinungen- 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 vorhan denen elektrochemischen Doppelschichtkapazität in der Größenordnung von ca. 20 µF/cm² sind sich langsam und stetig ändernde Stromdichte-Zeit-Funktionen aber vor zuziehen. Gleichermaßen vorteilhaft zur Erzielung möglichst hoher Wechselstrom-Frequenzen ist erfin dungsgemäß eine Verkleinerung der Phasengrenzfläche durch Miniaturisierung. Dies steht im Gegensatz zu der herkömmlichen Konstruktion von Bezugs-Halbelemen ten, bei denen man eine mögliche Strombelastung durch eine möglichst große Elektrodenoberfläche so gering wie möglich halten muß. Ideal ist für die erfindungs gemäße Anordnung die Verwendung zusammengeschalteter Mikro-Elektroden in Form eines Ultra-Mikroelektroden- Arrays (UMAs, bei dem mehrere Ultra-Mikroelektroden im Durchmesser < 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-Funktion) erhält man galvanostatisch gesteuerte Cyclovoltammogramme mit den charakteristischen Peakpotentialen (oder Stufen bei gerührten Lösungen bzw. UMAs). Beide sind erfin dungsgemäß als Referenz-Potentiale geeignet und kön nen elektronisch entsprechend verarbeitet werden. Bei schnelleren, repetitiven Strom-Zeit-Funktionen resul tieren daraus entsprechende phasenverschobene Span nungs-Zeit-Funktionen mit Amplituden um die Ruhespan nung, die durch die beaufschlagte Stromdichte und die C-V-Kennlinie gegeben sind (s. Fig. 2).

Das Problem, bei galvanostatischer Arbeitsweise mit Stromumkehr gerade nur die gewünschten Ladungsträger zwischen der Phasengrenze Lösung/Halbelement (Elek trode oder Elektrodenmembran) hin und her oszillieren zu lassen, um dadurch das Referenzpotential zusätz lich zu stabilisieren und nicht andere elektrochemi sche Reaktionen, wie z. B. die Zersetzung des Lösungs mittels (Wasserelektrolyse) einzuleiten (was durch die Mehrdeutigkeit der galvanostatisch aufgenommener Cyclovoltammogramme möglich wäre) wird durch eine weitere erfindungsgemäße Vorkehrung gelöst.

Zu Beginn jeder Inbetriebnahme der Mikrobezugselek trode muß sich die erforderliche Stromdichte, die von der Art und Menge der angebotenen Ladungsträger ab hängt, von größeren Stromdichtewerten anfangend schnell auf einen galvanostatisch kontrollierten Wechselstrom von einer solchen Größe reduzieren, daß daraus über die betrachtete Phasengrenze eine phasen verschobene Wechselspannung von nur ca. 30 mV (Ampli tude zu Amplitude) resultiert. Nach Fig. 1 bewegt man sich dann in einem Arbeitsgang von ca. ± 15 mV Überspannung zur Ruhe-Spannung des betreffenden elek trochemisch aktiven Systems. Da innerhalb dieses kleinen Bereiches die Strom-Spannungs-Kennlinie line ar verläuft, resultieren z. B. bei sinusförmigen Stromdichten auch sinusförmige Spannungsänderungen um die Ruhe-Spannung, wie in Fig. 2 gezeigt wird.

Die anfänglich größere Stromdichte sorgt erfindungs gemäß 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 coulome trisch von Puls zu Puls entsprechend verkleinern, vorgeformt werden, falls keine anderen Vorkehrungen zur Konstanz des Verhältnisses oxidierte Form zu re duzierter Form eines Redoxsystems oder einer Ionen verteilung getroffen werden, wie z. B. bei der eben falls erfindungsgemäß vorgeschlagenen spektroelektro chemischen Methode.

Analog der Peak-Potentialen im Cyclovoltammogramm bzw. den voltammetrischen Stufenpotentialen bei gerührten Lösungen oder beim Einsatz von Ultra-Mikroelektroden- Arrays, die von dem Ausgangsverhältnis der Ladungs trägerkonzentration 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 Wechselspannung periodisch um die gewünsch te Ruhespannung U₀, die die gewünschte konstante Re ferenz-Spannung darstellt. Die Frequenz der Strom dichte-Zeit-Funktion muß erfindungsgemäß ausreichend hoch gewählt werden, damit nicht störende, aber weni ger 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 potentialbestimmenden, chemisch stabilen Redox- oder Ladungstransfer-Systems mit der höchsten Standardaustauschstromdichte sowie Positio nierung in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze ver mindert werden. Dann können störende Ladungstransfer vorgänge erstens wegen mangelnder Kinetik (sie können der Stromdichte-Zeit-Frequenz nicht schnell genug folgen) und zweitens wegen schlechter Erreichbarkeit der Phasengrenze, die in erster Linie durch das po tentialbestimmende System blockiert ist, nicht stö rend 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 Untersuchungen ha ben ergeben, daß oberflächennah immobilisierte Redox systeme schlagartig oxidiert/reduziert und zurückre duziert/zurückoxidiert werden, was sich nach Fig. 3 durch scharfe Peaks ohne Diffusionsanteile im Cyclo voltammogramm äußert.

Der Absolutbetrag der sich am Bezugs-Halbelement ein stellenden Spannung Uo plus/minus der ca. 15 mV Über spannung der aus dem erzwungenen Stromfluß resultie renden Wechselspannung stellt die konstante Bezugs elektroden-Spannung dar und kann durch elektronische Mittelwertbildung oder andere bekannte schaltungs technische Schritte auf ca. 0,1 mV geglättet erhalten werden.

Erfindungsgemäß muß die Vorgabe der geeigneten Strom dichten zur Erzielung des oben erläuterten Effekts eng mit der vorliegenden Konzentration der die Phase wechselnden Ladungsträger verknüpft werden, damit nicht andere, unerwünschte Vorgänge potentialbestim mend werden. Zur Erzielung des erfindungsgemäßen Ef fektes ist es daher entscheidend, daß eine möglich hohe Ladungsträgerdichte in unmittelbarer Nähe zur Phasengrenzfläche 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 Behinderung 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 Elektronen aus reversiblen Redox-Systemen sowie Ionenpaare, die sich zwischen einer Phasengrenze: Nichtwäßrige Phase/wäßrige Meßlö sung verteilen können, wobei in beiden Fällen eine möglichst hohe Standardaustauschstromdichte vorliegen muß, oder aber durch Mediatoren, wie beispielsweise elektrisch leitfähige Polymere vermittelt werden muß.

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

Die Verwendung von Redox-Elektroden in der klassi schen, analytisch-chemisch genutzten Potentiometrie ist nicht neu. Bekanntestes Beispiel ist die soge nannte 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 Meßzel le, bestehend aus einer Metall-Meßelektrode und einer traditionellen Bezugselektrode, zugefügt werden. We gen 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 + 2H⁺ + 2e⁻ ↔ Hydrochinon (5)

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

Selbstverständlich hat es nicht an Versuchen gefehlt, die Chinhydron-Elektrode bei Kontakt mit starken Puf ferlösungen, die für die Konstanz des pH-Wertes sor gen, auch als potentialstabile Bezugselektrode zu verwenden. Für jede Miniaturisierung nachteilig ist auf alle Fälle die proportionale Reduzierung der Puf ferkapazität, bzw. das Eindringen störender Redoxsy steme aus der Meßlösungsmatrix, die das Ruhe-Potenti al an der Metall/Lösungsgrenzfläche störend beein flussen.

Die Verwendung von Redox-Elektroden anstelle der be kannten und üblichen Elektroden zweiter Art zur Po tentialableitung an ionenselektiven Membranen wurde in einer deutschen Offenlegung DE 31 46 066 A1 beschrieben. Die dar auf beruhende pH-Makro-Einstabmeßketten zeichnen sich durch das rasche Einstellverhalten bei Temperaturän derungen aus. Das dort verwendete Redox-System ist vorzugsweise Iodid/Iod. Letzteres ist aber wegen sei nes hohen Dampfdruckes 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 Minia turisierung bei Ableitelektroden nach dem System Ross ebenfalls sehr schwierig. Erstens ist die Polarisier barkeit (Spannungsänderung in Abhängigkeit vom Strom fluß in der Nähe der Ruhe-Spannung) bei kleinsten Elektrodenoberflächen entsprechend größer und zwei tens wird dabei das Reservoir für den potentialbe stimmenden Redox-Puffer zunehmend kleiner, so daß fremde Redox-Systeme, aus der Probenmatrix stammend, das Bezugs- oder Referenz-Potential störend beein flussen. Eine Stabilisierung des Bezugspotentials durch aufgeprägten Wechselstrom wird hier nicht durchgeführt. Es handelt sich hier um eine ebenfalls nur rein potentiometrisch arbeitende Anordnung, bei der zum Unterschied zur bekannten Chinhydron-Elektro de ein Redox-System ohne pH-Wert Abhängigkeit verwen det wird und die Innovation in der Wahl sich kompen sierender Temperaturkoeffizienten liegt.

Die vorliegende Erfindung löst die bekannten Probleme bei Verwendung von Redox-Systemen anstelle der Elek troden zweiter Art dadurch, daß

1. nur nach bestimmten Kriterien ausgesuchte Redox- Systeme verwendet werden,
2. diese Redoxsysteme dauerhaft kovalent an der Elektrodenoberfläche oder in ausreichender Nähe für einen Elektrodentransfer davor oder daneben immobilisiert oder depotmäßig gehalten werden,
3. und - sehr wesentlich - die potentialbestimmende Austauschstromdichte künstlich durch kontrol lierten Wechselstromfluß erhöht wird, so daß auch kleinste Oberflächen zur Lieferung des ge wünschten, stabilen Referenzpotentials ausrei chen,
4. neben inerten Metalloberflächen (Platin, Gold, Palladium, Rhodium, Rhenium etc.) auch andere elektronenleitende Materialien (Kohle, Halblei ter, leitfähige Polymere usw.) verwendet werden und
5. die potentialbestimmenden Ladungsträger coulome trisch und rückgekoppelt so freigesetzt oder verändert werden, daß ein stabiles Referenzpo tential 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-Austauschstromdich ten < 1 mA/cm² (vor allem verglichen zu denen evtl. störender Systeme aus der Probenmatrix).
b) In der potentialbestimmenden Redox-Reaktion dür fen 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 po tentialbestimmenden Phasengrenze immobilisieren lassen.
d) Der Elektronentransfer zwischen Redox-System und der elektroleitenden Oberfläche kann durch soge nannte "molekulare, elektronenleitende Drähte" (aus z. B. leitfähigen Polymeren) oder immobili sierte Mediatoren gesteigert werden.
e) Das potentialbestimmende Redoxsystem muß bezüg lich des Elektronentransfers auch räumlich und geometrisch gegenüber anderen Systemen in der Probenmatrix bevorteilt sein, was durch eine möglichst hohe und nahe Immobilisierungsdichte in der Nähe der beiden Helmholtzflächen der po tentialbestimmenden Phasengrenze zu erreichen ist.
f) Das ideale Redox-System läßt sich bezüglich sei ner thermodynamischen Größen möglichst wenig durch die Probenmatrix (Ionenstärke, Komplex bildner, nicht-wäßrige Medien) beeinflussen. Es weist eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen über Sauerstoff aus.

Wenn als referenzpotentialbildende Ladungstransferre aktion 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 Vor aussetzungen erfüllen:

a) Die potentialbestimmenden Ionen müssen sich ki netisch ungehindert (mit höchster Standardaus tauschstromdichte) zwischen beiden Phasen ver teilen und darin chemisch stabil sein.
b) Erfindungsgemäß sind besonders vorteilhafte po tentialbestimmende Kationen oder Anionen niedrig geladen und relativ groß, so daß sich eine hohe Lipophilie ergibt (ausgedrückt durch einen gro ßen Verteilungskoeffizienten zwischen Wasser und n-Oktanol) und die nichtwäßrige Phase als Depot dienen kann, was durch Zugabe eines ebenfalls lipophiin Gegenions, verstärkt werden kann, da es dann zur Ionenpaarbildung in der nichtwäßri gen Phase kommt.
c) Die potentialbestimmenden, lipophilen Ionen sol len sich als Ionenpaar mit einem geeigneten Ge genion auch in Polymermembranen (z. B. PVC, Poly acrylnitril etc.) oder chemisch modifizierten Elektrodenoberflächenmaterialien (z. B. Polypyr rol u. a.) ausreichend lösen und deponieren las sen.
d) Die nichtwäßrige Phase sollte eine ausreichende Leitfähigkeit aufweisen. Dazu ist beispielsweise die Zugabe des Tetraphenylarsonium- und des Te traphenylphosphonium-Kations geeignet, deren freie Tranfer-Enthalpie aus der wäßrigen in die organische Phase als gleich groß angenommen wer den kann.

Die beiden zuletzt erwähnten lipophilen Ionen ermög lichen an der Grenzfläche ein Potentialfenster von ca. 1 Volt, wobei die Mitte bei Null Volt Phasen grenzpotential gesetzt wird. Liegen an der Phasen grenze weitere Ionen vor, die einen Phasentransfer ohne hohe Aktivierungsenergie-Schwelle durchführen können, so resultieren in der Cyclo-Voltammetrie ähn liche Strom-Spannungs-Diagramme wie bei Redox-Syste men. Daher eignen sich auch diese Strom-Spannungs- Kennlinien analog derjenigen von Redox-Systemen zur galvanostatisch kontrollierten Einstellung eines sta bilen Referenzpotentials.

Wird an solche Phasengrenze, die ein bevorzugt trans ferfähiges Ion enthält, ein Wechselstromsignal ange legt, so entstehen auch hier gemäß der zugrundelie genden Strom-Spannungs-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 potentialbilden den Ladungsträger und zusammen mit den einschränken den Voraussetzungen bezüglich der konstruktiven Ge staltung einer geeigneten Vorrichtung, müssen auch an die Oberfläche der Bezugshalbzelle bestimmte Anforde rungen gestellt werden, die erfindungsgemäß hiermit offengelegt werden:

a) Die elektronenleitende Oberfläche darf außer dem schnellen und kinetisch wenig gehinderten Elek tronentransfer zum und vom potentialbestimmenden Redox-System keine weiteren chemische oder elek trochemische Oberflächenreaktionen in einem grö ßeren Ausmaß erlauben. Das Verhältnis der Stan dardaustauschstromdichten vom gewählten, poten tialbestimmenden Redox-System zu in der Probe vorliegenden Störsystemen muß ausreichend groß sein.
b) Trotz Miniaturisierung der effektiven Grenzflä che:
Elektronenleiter/Lösung zwecks Minimierung des kapazitiven Stromanteils sind alle Möglichkeiten für eine effektive hohe Immobilisierungs- oder Deponierungsdichte der potentialbestimmenden Ladungsträger vor dieser Oberfläche zu ergrei fen. Dies kann erfindungsgemäß durch "versenkte" Mikroelektroden gelöst werden. Die Siliziumtech nologie erlaubt beispielsweise Strukturen von < 10 µm Durchmesser und < 20 µm Höhe, in die das Redox-System immobilisiert werden kann (kovalen te Anbindung an SiO₂-Oberfläche, Geleinschluß, vernetzende Photo- oder Elektropolymerisation, organische Phase etc.).
c) Das beste Verhalten bezüglich eines "wechsel stromstabilisierten" Referenzpotentials wird mittels eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays mit parallel geschalteten Redoxelektroden mit Durch messern unter 10 µm erreicht, da man hier höhere Frequenzen durchsetzen kann.
d) In einer besonders vorteilhaften Meßanordnung wird erfindungsgemäß der galvanostatisch ge regelte Wechselstrom durch zwei nahezu identisch große, inerte Metallelektroden oder UMAs (mit oder ohne) chemische Modifizierung (z. B. leitfä hige Polymere) geleitet, die sich nahe beiein ander befinden und sich in einer identischen oder bewußt unsymmetrischen Redoxumgebung befin den. Hier kompensieren sich gemäß Abb. 2 die Überspannungen, wenn beide für eine galvanosta tische Anordnung erforderlichen Elektroden elek trisch 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 po tentialbestimmenden Ionen ständig nachgeliefert werden. Dies kann bei Membranelektroden von in nen (aus der oder durch die nichtwäßrige Phase) geschehen. Erfindungsgemäß können die potential bestimmenden Ionen auch coulometrisch in unmit telbarer Nähe der das Referenzpotential bestim menden Grenzfläche erzeugt werden. Bei Redox- Anordnungen eignen sich hierzu imprägnierte oder in Kompositbauweise gepreßte, elektronenleitfä hige Materialien mit eingebettetem potentialbe stimmenden 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 Langzeit konstanz. Dabei kann einmal die Schwerlöslich keit der potentialbestimmenden Systeme in wäß rigen Lösungen ausgenutzt werden, indem die Sy steme einfach in Form ihrer schwerlöslichen Ver bindungen in unmittelbarer Nähe zur potential stabilisierten Phasengrenzfläche plaziert wer den. Eine andere Möglichkeit besteht in der An bindung an einen geeigneten Ionenaustauscher (z. B. Hexacyanoferrat (II)/(III)-Mischung an einem Anionenaustauscher), bei der reproduzier bar sehr geringe Mengen gemäß dem Bindungs gleichgewicht zur Potentialeinstellung freige setzt werden. Eine weitere Möglichkeit nutzt die Lipophilie der potentialbestimmenden Systeme aus, indem man relativ hohe Konzentrationen in einer organischen Phase (Polymer, Polyvinylalko hol 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 U₀-Wert beeinflußt), kann man nach einem weite ren erfindungsgemäßen Vorgehen dieses thermody namisch vorgegebene Verhältnis dadurch ver ändern, daß die oxidierten und reduzierten For men getrennt auf eine der oben erwähnten Arten immobilisiert werden und man die Mischung dieser Immobilisate umgekehrt zum Verteilungskoeffi zienten ansetzt. Die Form mit der geringeren Konzentration in der wäßrigen Phase erhält eine entsprechende Oberfläche.

Zusammen mit allen oder mindestens zweien dieser oben erläuterten Bedingungen, die auf eine Vorrichtung oder Anordnung der erfindungsgemäßen, das Referenzpo tential bestimmenden 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 Elektrodengrenz fläche, die weitgehend von der Zusammensetzung der Meßlösungen unabhängig ist, und damit einer vorteil haften Meßkette ohne Überführung sehr nahe kommt, besteht erfindungsgemäß, wie oben erläutert, aus ei ner Umkehrung eines voltammetrischen bzw. amperome trischen Verfahrens, indem galvanostatisch rückgekop pelte Wechselströme höherer Frequenz das Ruhe-Poten tial stabilisieren sollen. Die geeignete Stromdichte ist dann erreicht, wenn die resultierenden Wechsel spannungsamplituden ca. 30 mV erreichen. Dies kann in einer einfachen Schaltung mit Operationsverstärkern erreicht werden. Vorteilhaft ist ein Batteriebetrieb, um einen absolut massefreien Bezugselektrodenausgang zu erhalten.

Eine weitere Methode, um ein konstantes Redoxpotenti al bei einer Kette ohne Überführung und mit immobili sierten Redoxsystem zu erzielen, besteht darin, bei stromloser Messung, eine coulometrische Konstanthal tung des Terms der Nernstgleichung, der hinter dem Logarithmus steht, hier vor allem des Ausdrucks [Ox]/[Red], zu betreiben. Hierzu braucht bei immobi lisierten Redox-Systemen nur ein Partner einer ande ren Konzentrationsbestimmungsmethode zugänglich sein. Vorzugsweise kann dazu auch eine optische Methode dienen. In einer spektro-elektrochemischen Meßzelle kann beispielsweise häufig die farbige Nicht-Leuko form von Redoxfarbstoffen durch eine rückgekoppelte coulometrische Titration konstant gehalten werden. Wegen der gemeinsamen und dauerhaften Immobilisierung von oxidierter und reduzierter Form auf der Oberflä che 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 Sekundenbe reich wieder rückgekoppelt auf den Ausgangswert zu rückführen kann, ist über die Redoxreaktion die ande re Form ebenfalls konzentrationsmäßig stabilisiert. Dabei muß allerdings verhindert werden, daß störende Redoxsysteme im gesamten Meßvolumen über einen Ladungstransfer in homogener Lösung auf das immobili sierte Redoxsystem indirekt auf diese Weise coulome trisch titriert werden. Dies muß durch Diffusions sperren oder kleinste Probenmeßmengen verhindert wer den.

Bei der Version mit lipophilen Ionen kann die poten tialbestimmende Sorte ebenfalls coulometrisch oder galvanostatisch in unmittelbarer Nähe der Referenz potentialgrenzfläche erzeugt werden. Da man als po tentialbestimmende Ionensorte Verbindungen wählen kann, die in der Natur nicht vorkommen, erhält man ein selektives Referenzpotential, das nicht von der Probenmatrix beeinflußt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Selektivitätssteigerung besteht darin, die elektrochemische Erzeugung der potentialbestimmenden Ionen frequenz- oder pulsmodu liert durchzuführen und auch zwei Membranelektroden in einer galvanostatischen Schaltung zu verwenden. Vorteilhaft ist hier die räumliche Nähe beider Pha sengrenzflächen, was beispielsweise mikroelektronisch leicht zu verwirklichen ist. Alternativ kann ein Spa cer (z. B. Filterpapier, Membranfilter, Diaphragma o. ä. die beiden Membranoberflächen trennen. Bei Wech selstrombeaufschlagung werden aus den beiden Membran depots jeweils die phasentransferfähigen Gegenionen in die Lösung freigesetzt, wo sie zur gegenüberlie genden (benachbarten) Membran wandern und dort das Potential beeinflussen. Durch die Stromumkehr wird die Konzentration der potentialbestimmenden Ionen zwischen beiden Membranelektroden (oder chemisch mo difiziert) konstant 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 Redoxsy stems in einem Bereich des elektromagnetischen Spek trums 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 Voltammogramm eines re versiblen Redox-Systems mit besonders hoher Standard- Austauschstromdichte aus, welches prinzipiell die in Fig. 4 gezeigte Form annimmt. In 4a) ist die typische Form im Falle ungerührter Lösungen bei üblichen Ma kroelektroden mit Oberflächen im Bereich < 1 mm² ge zeigt, während 4b) das gleiche Cyclovoltammogramm mit einem Ultra-Mikroelektroden-Array (UMA) aufgezeichnet zeigt. Außer der Form und Anordnung der Arbeitselek trode wurden alle übrigen Bedingungen konstant gehal ten. Man erkennt deutlich, daß beim UMA auch in nicht-bewegten Lösungen stationäre Stromspannungskur ven in Stufenform erhalten werden, die denen bei re produzierbar gerührten Lösungen im Falle von Makro elektroden entsprechen. Bei Erhöhung der Potential änderungsgeschwindigkeit zeigt sich ein weiterer Un terschied des UMAs. Während bei der traditionellen Meßzelle mit der Makro-Arbeitselektrode sowohl der kapazitive Grundstrom als auch die faraday′schen Spit zenströme zunehmen, ist bei dem UMA keine oder kaum eine Abhängigkeit von der Scangeschwindigkeit festzu stellen. Das gleiche Ergebnis hätte bei einem ent sprechend kleineren Stromfluß auch eine einzelne Ul tra-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 elektro chemisch umgesetzten Menge zu einer gewünschten Un abhängigkeit von den Strömungsbedingungen an der Ar beitselektrodenoberfläche. Dies ist bei Elektroden durchmessern unterhalb etwa 10 µm der Fall. Das Array vervielfacht bei gleichen Eigenschaften den faraday′schen Strom vom Nano- oder Pikoamperebereich in den meßtechnisch besser zu beherrschenden Mikroamperebe reich. Die effektive Fläche für ein UMA braucht des halb aber nicht über wenige Quadratmillimeter hinaus zugehen.

Erfindungsgemäß benötigt eine galvanostatische Strom stärkekontrolle zwar zwei inerte Elektroden, es kann aber auch nur eine davon entsprechend der Zielsetzung modifiziert werden, so daß sie gegenüber allen an grenzenden wäßrigen Lösungen ein konstantes Potential einzustellen vermag. Sie ist dann extrem miniaturi sierbar und kann von der zweiten Elektrode (Gegen elektrode) entfernt betrieben werden. Die zweite Elektrode muß nur eine Elektrolytverbindung mit die ser potentialkonstanten Bezugselektrode aufweisen und kann gleich groß oder größer ausgelegt werden. Es ist selbstverständlich, daß als rückgekoppelte galvano statische 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 integrie ren. Eine entsprechende ASIC-Version läßt sich preis wert gestalten und erlaubt den Betrieb des betreffen den Meßgerätes mit der neuen Bezugselektrodensorte, bzw. über einen entsprechenden Adapter die Benutzung traditioneller pH-Meter.

Beispiel 1 Cyalovoltumogramm eines adsorbierten/immobilisierten Redoxsystems

Die Fig. 3 zeigt ein traditionelles Cyclovoltammo gramm eines speziellen Redoxsystems mit extrem hoher Standardaustauschstromdichte (Ferrocen-Derivat), das zuvor kovalent an eine Platinelektrodenoberfläche immobilisiert wurde. Hierzu wurde ein Platindraht in 15%iger Salpetersäure gereinigt, 5 min. lang bei etwa +1,9 V oxidiert, mit Aceton gewaschen und an der Luft getrocknet. Die Platinoberfläche wurde mit Te trasilan durch 10 sec. Eintauchen in das reine Rea gens beschichtet. Anschließend wurde Hydroxymethyl ferrocen an dem vorbehandelten Draht angebunden, in dem man diesen 10 min. lang in eine gesättigte Lösung des Ferrocenderivates in Toluol tauchte. Die freien Si-Cl-Bindungen wurden durch das Waschen des Drahtes in dest. Wasser hydrolysiert.

Man erkennt sofort die, verglichen zu üblichen zykli schen Voltammogrammen, scharf ausgeprägten Stromspit zen in beiden Scanrichtungen. Dies deutet darauf hin, daß die Redox-Zentren so nahe an der Elektrodenober fläche liegen, daß alle Moleküle gleichzeitig oxi diert oder reduziert werden und Diffusionsprozesse durch aus der Lösung nachgelieferte Systeme, die üb licherweise zu einem langsameren Abfall der Strom stärke führen, hier ausgeschlossen sind. Die Anwesen heit weiterer Redoxsysteme in der Meßlösung wirkt sich ähnlich wie bei einer sogenannten katalytischen Stufe in der Polarographie stromerhöhend aus. Die durch Pfeile angedeuteten Spannungswerte im An stiegsbereich der beiden Strompeaks werden jedoch davon nicht betroffen. Bei Vorgabe entsprechender Stromdichten mit Stromrichtungsumkehr wird das Arbeitselektrodenpotential um die Differenz der be treffenden Spannungswerte schwanken.

Beispiel 2 Einsatz eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays (UXAs) bei der Cyalovoltammetrie

Die Fig. 4 zeigt ein typisches zyklisches Voltammo gramm einer Ruthenium-(II/III)-Hexaminchlorid-Lösung an einer Platin-Makro-Elektrode von ca. 12 µm Durch messer.

Man erkennt die typisch breite Peakform, die auch bei den in Scanrichtung ansteigenden Stromstärken größere Überspannungen zeigen. Bei Erhöhung der Scangeschwin digkeit (Zyklenzahl pro Sekunde) nimmt bei Makroelek troden der sogenannte kapazitive Strom, der nur zur entsprechenden Umladung der Doppelschicht-Kapazität benötigt wird, stark zu, so daß Voltammogramme gemäß Fig. 5 erhalten werden, die sich erfindungsgemäß nicht ideal eignen, weil der unspezifische nicht-fa raday′sche Strom zu groß geworden ist. Das UMA verhält sich hier völlig anders. Die Fig. 4b zeigt das Cyclo voltammogramm des gleichen Redoxsystems unter glei chen Bedingungen mit einem UMA gemäß Fig. 6 aufgenom men. Wie man erkennt, entstehen nunmehr ab Einzel elektrodendurchmessern von weniger als 6-8 µm Span nungsstufen, die innerhalb eines mittleren Zeitbe reichs von der Scangeschwindigkeit unabhängig sind. Die angezeigten Pfeile deuten an, zwischen welchen Spannungswerten die Arbeitselektrode bei galvanosta tischer Arbeitsweise mit Stromumkehr oszillieren wird.

Beispiel 3 Form der Spannungssignale bei erfindungsgemäßen Mi kro-Bezugselektroden und Demonstration der Konstanz

Die Fig. 7a zeigt oszillographisch registrierte Span nungssignale, die bei einer erfindungsgemäßen Mikro- Bezugselektrode mit immobilisiertem Ferrocenderivat bei galvanostatischer Arbeitsweise zwischen ± 100 4A mit 5 Hz erhalten wurde. Die Fig. 7b zeigt das analoge Vorgehen bei 1000 Hz unter Verwendung eines UMAs von ca. 2 mm² gesamter, meist inaktiver Oberflä che. Man erkennt die vorteilhafte erfindungsgemäße Verwendung eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays, weil höhere Frequenzen möglich sind. In beiden Fällen wur den in die Meßlösung störende Redoxsysteme im Über schuß von 1 : 100 zugegeben und keine Änderung des Mittelwertes der Bezugselektrodenspannung, stromlos gegenüber einer Hilfs-Bezugselektrode gemessen, fest gestellt.

Beispiel 4 Mögliche Konstruktion

Die Fig. 8 bis 13 zeigen vorteilhafte Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Mikrobezugselektrode.

Bezugszeichenliste

Fig. 6
1 Pt-Gegenelektrode
2 Ag-Ersatzreferenzelektrode
3 Ag-Referenzelektrode
4 Pt-Ultra-Mikroelektroden-Array (400 Elektroden, Elek trodendurchmesser 1,5 µm, Elektrodenabstand 15 µm
Fig. 8-13
5, 16 Gegenelektrode
6, 8, 9, 17 Arbeitselektrode
7, 13 Redoxsystem (immobilisiert)
10 Zuleitungsisolation
11 "Recessed" Elektrodenarray gefüllt mit Redoxsystem
12, 15 Zuleitungen
4 Ultra-Mikroelektrodenarray UMA
14 Material mit Kapillarwirkung (Filterpapier, Sinterkörper etc.)
18 Ionensensitive Membrane
19 Spacer mit elektrolytischer Leitfähigkeit und Kontakt zur Meßlösung

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: EIectrochernistry on liquid/liquid interfaces. In: G. Berthier et al. (Hrsg.) Lecture notes in chermistry, 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. Mikrobezugselektrode zur Erzeugung eines kon stanten Bezugs- oder Referenzpotentials in be liebigen Lösungen mit einem ein Redoxsystem ent haltenden Bezugselektrolyt zur Durchführung elektrochemischer Messungen unter Anwendung der zyklischen Voltametrie zur Erhöhung und Kon stanthaltung der potentialbestimmenden Aus tauschstromdichte an der Grenzfläche Bezugselek trolyt/Meßelektrolyt, wobei der Bezugselektrolyt und der Meßelektrolyt über Öffnungen in Verbin dung stehen und eine Austauschstromdichte von < 1 mA zulassen, und ein konstantes Verhältnis von oxydierter zu re duzierter Form hergestellt wird dadurch, daß eine Faraday′sche Überspannung < 25 mV eingehal ten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Referenzpotential erzeugende Phasen grenzfläche selbst stromdurchflossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden iner te Edelmetallelektroden, elektronenleitende Ma terialien, Graphit oder Kohle-Elektroden, alle mit oder ohne chemisch modifizierter Oberfläche (z. B. Oxid, Polypyrrol etc.) bzw. Kompositbau weise (z. B. Kohlepaste, glassy carbon etc.) sowie ionenselektive Membranelektroden (z. B. auf PVC-Membran oder hydrophober Gel-Basis) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in Form eines Mikroelektroden-Arrays von mindestens zwei Stück beliebiger geometrischer Anordnung mit Einzelelektrodendurchmessern unter 100 µm ausgebildet sind.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden pla nar am Ende von Vertiefungen ähnlicher Dimension (engl. recessed electrode) angeordnet sind.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen vor den Elektrodenoberflächen mit den potentialbe stimmenden Ladungsträgern in hoher Konzentration ausgefüllt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialbestim menden Ladungsträger vor den Elektrodenoberflä chen dauerhaft durch kovalente Anbindung oder Querverknüpfung (Polymerisation) an die Elektro denoberfläche oder unmittelbar benachbarte Ober flächen immobilisiert sind oder aus einer zwei ten sog. Lieferphase in unmittelbarer Nähe zur potentialbildenden Oberfläche zur Verfügung ge stellt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferphase für die potentialbestimmenden Ladungsträger unmit telbar vor den Elektrodenoberflächen aus einer kristallinen oder amorphen Feststoffphase mit oder ohne separaten Träger aber mit einer be grenzten und geringen Löslichkeit in wäßrigen Medien, aus einer nichtwäßrigen Phase mit Bevor zugung der potentialbestimmenden Ladungsträger für die letztere (nach dem Nernsten Verteilungs satz), aus einem Ionenaustauscher oder oder af finitätsbindenden Phase o. ä. mit großer Depot wirkung besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Redoxsystem nur chemisch stabile Verbindungen mit sehr hoher Standardaustauschstromdichte über ca. 1 mA/cm², begrenzter Wasserlöslichkeit und minimaler Sau erstoff-Empfindlichkeit, wie beispielsweise De rivate des Ferrocen/Ferroceniums oder Rutheniums verwendet werden oder ionale Redoxsysteme wie das Hexacyanoferrat II + III, die diese schlech te Wasserlöslichkeit nicht haben, an feste oder flüssige Ionenaustauscher gebunden sind.

10. Verrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als potentialbestim mende Ladungsträger Ionen benutzt werden, die in der unmittelbaren Nähe des Referenzhalbelements, das auf diese selektiv anspricht, coulometrisch in zeitlich konstanter Konzentration erzeugt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die coulometrisch erzeugten und an dem Referenzhalbelement poten tialbestimmenden Ionen in den Meßlösungen nicht anwesend sind und auch mit keinen Partnern aus der Probematrix Verbindungen eingehen können, was nur bei Ionen der Fall ist, die nur in weni gen Fällen auszufällen oder zu komplexieren sind, wie beispielsweise bei großen organischen Kationen oder Anionen, die als Ionenpaar in ei ner nichtwäßrigen Phase immobilisiert und durch Stromfluß aus dieser freigesetzt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzhalbzel le (Referenzelement), deren Potentialdifferenz zur Meßlösung und zur Standard-Wasserstoff-Elek trode konstant gehalten werden muß, stromdurch flossen ist.