DE4300499A1

DE4300499A1 - Analytisches Verfahren für Elektrodensensoren

Info

Publication number: DE4300499A1
Application number: DE19934300499
Authority: DE
Inventors: Karl-Dittmar Dr Klein
Original assignee: KLEIN KARL DITTMAR DR
Current assignee: KLEIN KARL DITTMAR DR
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1994-07-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Verfahren zur Messung der Konzentrationen von Analyten in einer Lösung mit Hilfe eines Elektrodensystems.

Das hier dargestellte Elektrodensystem ist eine besonders geeignete Ausführungs form für das in der Offenlegungsschrift DE 41 00 727 A1 zum Patent angemeldete potentiometrische Relaxationsmeßverfahren.

Bei diesem Verfahren wird die normalerweise im stromlosen Gleichgewichts zustand gehaltene Arbeitselektrode mit dem darauf immobilisierten Enzym (Biosensor) periodisch durch einen in Höhe und Zeitdauer wohldefinierten Spannungsimpuls gestört. Der Spannungsimpuls wird in seiner Höhe in Bezug auf eine Referenzelektrode eingestellt und mittels einer Gegenelektrode angelegt. Die anschließende Relaxation des Elektrodenpotentials zum Gleichgewichts zustand hin wird als Meßgröße für die Analytkonzentration ausgewertet.

Das Elektrodensystem besteht dabei aus den genannten drei Elektroden: Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegenelektrode. Auch das dem Stand der Technik entsprechende amperometrische Biosensormeßverfahren benutzt grundsätzlich ein derartiges Dreielektrodensystem. Die Referenzelektrode läßt sich beispielsweise mit dem System Silber/Silberchlorid in Kaliumchloridlösung realisieren. Sie wird häufig mit der Gegenelektrode zu einer einzigen Elektrode kombiniert, die allerdings zur Vermeidung von Strompolarisation wesentlich großflächiger als die Arbeitselektrode sein muß.

Die bisherigen Ausführungsformen des Biosensor-Dreielektrodensystems haben - insbesondere für eine in-vivo-Anwendung - folgende Mängel:

- Die Anordnungen sind zu kompliziert.
- Die Referenzelektrode besteht aus körperunverträglichen Substanzen.
- Das auf der Arbeitselektrode immobilisierte Enzym verliert im Laufe der Zeit seine Aktivität.
- Die an die Arbeitselektrode angelegten Spannungen sind relativ hoch und begünstigen dadurch elektrochemische Reaktionen interferierender Substanzen, was zur Verfälschung der Meßergebnisse führt.
- Die an der Arbeitselektrode angelegten Spannungen sind unipolar, so daß sich auf ihr möglicherweise Produkte elektrochemischer Reaktionen sammeln, die giftig sind oder/und durch anschließende Polymerisation die Elektrode allmählich blockieren.

Das erfindungsgemäße Elektrodensystem zielt auf Vermeidung dieser Mängel. Es kommt ohne Referenzelektrode aus und besteht lediglich aus zwei kleinen, flächengleichen, i.a. benachbarten Elektroden, die beide als Arbeitselektroden wirken. Das Material dieser Zwillingselektrode ist elektrisch leitend oder halbleitend und nicht korrodierend, vorzugsweise Platin. Größe und Form der Elektroden sind unkritisch, weil die Meßergebnisse des potentiometrischen Relaxationsverfahrens in erster Näherung flächenunabhängig sind.

Das Wirkungsprinzip des potentiometrischen Relaxationsmeßverfahrens zusammen mit der erfindungsgemäßen Zwillingselektrode wird anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1 folgendermaßen erklärt:

Die Stromspannungskennlinie 1 der beiden einzelnen Elektroden ist jeweils die Summe aus den Kennlinien 2 und 3 des anodischen und kathodischen Teils der potentialbestimmenden Durchtrittsreaktion

wobei A_red die reduzierte, A_ox die oxidierte Komponente des Redoxsystems A und e^- das Elektron bedeuten. Beim Gleichgewichtspotential U_G kompensieren sich jeweils die beiden Austauschströme zu Null, und das Konzentrationsverhält nis A_ox/A_red hat den konstanten Gleichgewichtswert. Während des störenden Potentialimpulses wird die eine Elektrode als oxidierende Anode auf dem Punkt B, die andere Elektrode als reduzierende Kathode auf dem Punkt C der Kennlinie 1 gehalten, wobei gemäß obiger Durchtrittsreaktion das Konzentrationsverhältnis A_ox/A_red auf der Anode vergrößert und auf der Kathode verkleinert wird. Nach dem Potentialimpuls relaxieren die Elektrodenpotentiale (stromlos) von D nach U_G, bzw. von E nach U_G, wobei das Meßsignal erzeugt wird. Während der Relaxation wird an beiden Elektroden der Gleichgewichtswert von A_ox/A_red wiederhergestellt. Weil der äußere Elektrodenstrom auf Null gehalten wird, kann dies nicht über die Durchtrittsreaktion, sondern muß über wechselseitige Diffusion mit der Elektrolytseite erfolgen. Gemäß dem zweiten Fickschen Gesetz läuft die Relaxation umso schneller ab, je höher die Konzentrationsunter schiede zu den betreffenden Substanzen auf der Elektrolytseite sind.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Meßaufbaus der Zwillingselektrode in Verbindung mit dem potentiometrischen Relaxationsmeßverfahren. Die Zahlen haben folgende Bedeutung:

1 Meßzelle
2 Zwillingselektrode
5 Impedanzwandler
6 Sollspannungsgeber
7 Potentiostat
8 Verstärker
9 Integrator
10 Zeitengeber
11 Schalter für den Spannungsimpuls
12 Schalter für die Integration
13 Schalter zum Rücksetzen des Integrators
14 Bewertungswiderstände
15 Ladekondensator
16 Masseanschluß
17 Ausgang Elektrodenpotentialdifferenz
18 Ausgang Integrator

Im folgenden werden drei Meßreihen dargestellt, die mit diesem Ausführungs beispiel durchgeführt worden sind. Die Zwillingselektroden bestanden aus Platin und hatten die Flächen von jeweils 2×2 mm². Als Elektrolyt wurde 0,1 M Phosphatpuffer des pH-Wertes 7 verwendet; die Temperatur betrug 37°C. Die Fig. 3 zeigt Relaxationskurven ohne und mit Zugabe von Wasserstoffperoxid. Die Spannungsimpulse hatten die Höhe 0,1 V und dauerten jeweils 0,3 s. Die Relaxationsgeschwindigkeit ist sehr stark von der Wasserstoffperoxidkonzen tration abhängig. Das wird (vorläufig) damit erklärt, daß Wasserstoffperoxid gemäß

H₂O₂ ⇄ HO₂^- + H⁺

dissoziiert, und das eine Dissoziationsprodukt, das auch als Zwischenstufe bei der normalen anodischen Sauerstoffabscheidung eine Rolle spielt, ein Redoxsystem für eine Durchtrittsreaktion bildet:

HO₂ ^- ⇄ HO₂⁺ + 2e^-

Wasserstoffperoxid entsteht beispielsweise bei einer Abbaureaktion von Glucose, die vom Enzym Glucoseoxidase katalysiert wird:

Die Fig. 4 zeigt Relaxationskurven einer Zwillingselektrode, auf der Glucose oxidase in elektropolymerisiertem Tyramin-Hydrochlorid immobilisiert war, d. h. es handelte sich um einen Biosensor. Die Spannungsimpulse hatten die Höhe 0,2 V und dauerten jeweils 0,3 s. Die Relaxationsgeschwindigkeit ist von der Glucosekonzentration abhängig.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

- Das Elektrodensystem ist klein und unkompliziert,
- es kommt ohne Referenzelektrode aus,
- die zur Störung angelegten Spannungsimpulse sind von geringer Höhe und mit wenig Stoffumsatz verbunden,
- anhaltende Polarisationserscheinungen können durch abwechselndes Umpolen der Spannungsimpulse vermieden werden.

Claims

1. Analytisches Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer Probe in-vitreo oder in-vivo mit Hilfe des potentiometrischen Relaxations meßverfahrens nach Offenlegungsschrift DE 41 00 727 A1 unter Verwendung eines Elektrodensystems, das dadurch gekennzeichnet ist, daß

- es aus zwei benachbarten, voneinander isolierten, flächengleichen, elektronisch leitenden oder halbleitenden Elektroden gleichen Materials besteht, von denen bei den periodischen, das elektrochemische Gleichge wicht störenden, in Höhe und Zeitdauer wohldefinierten Spannungsimpul sen die eine als anodische und die andere als kathodische Arbeitselektrode fungiert,
- die beiden Elektroden auch aus ungleichen Materialien bestehen können,
- auf einer oder beiden Elektroden vorteilhaft ein oder mehrere Enzyme immobilisiert werden können,
- die beiden Elektroden bei in-vivo-Messungen auch an voneinander entfern ten Orten des Körpers placiert werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die eine oder beide Elektroden auch auf anderen Basispotentialen gehalten oder geführt werden können anstelle des sich von selbst einstellenden Gleichgewichtspotentials,
- bei wiederholten, langfristigen Messungen zur Vermeidung von anhaltenden Polarisationserscheinungen die Polarität der Spannungsimpulse abwech selnd umgekehrt werden kann,
- die das Gleichgewichtspotential, bzw. die Basispotentiale der beiden Elektroden störenden Spannungsimpulse auch so ausgeführt werden können, daß durch sie jeweils eine gleiche elektrische Ladungsmenge verschoben wird,
- die das Gleichgewichtspotential, bzw. die Basispotentiale der beiden Elektroden störenden Spannungsimpulse auch in Form anderer periodischer, diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Potentialzeitverläufe ausgeführt werden können anstelle der Rechteckimpulse.