DE68921881T2

DE68921881T2 - Mit einem film beschichteter sensor.

Info

Publication number: DE68921881T2
Application number: DE68921881T
Authority: DE
Inventors: Satoru Kasai; Noboru Oyama; Takeshi Shimomura; Naoto Uchida; Shuichiro Yamaguchi
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2009-01-28
Also published as: WO1989007262A1; JP2672561B2; AU2939289A; EP0397868B1; JPH021536A; EP0397868A4; EP0397868A1; DE68921881D1; US5186808A

Description

Beschreibung

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft einen filmbeschichteten Sensor und insbesondere einen filmbeschichteten Miniatursensor vom Festfilmtyp, der dazu verwendet wird, in einen lebenden Körper eingeführt zu werden.

Hintergrundtechnik

Ein filmbeschichteter Sensor vom Festfilmtyp wurde in den Gebieten der Medizin und Lebensmittel seit langem gewünscht. Filmbeschichtete Sensoren vom beschichteten Drahtelektrodentyp, in welchem eine Platinelektrode direkt mit einem Polymerfilm (z. B. einem Zellulosefilm) direkt beschichtet ist, sind kürzlich auf dem Markt erschienen. Beispiele derartiger Sensoren sind offenbart in der US-PS 3 476 670, JP-A-61/33 644 und EP-A2-235 016. Diese Sensoren zeigen jedoch Probleme bezüglich der Haltbarkeit.
Beispielsweise ist die Geschwindigkeit, bei welcher Sauerstoff in einer Probelösung eine innere Antwortelektrode erreicht, begrenzt in einem Festfilmtyp Sauerstoffsensor. Obwohl dieses Problem gelöst werden kann, wenn die Filmdicke der gasdurchlässigen Membran vermindert wird und die Fläche des ansprechenden Teils des Sensors erhöht wird, ist der Sensor bereits durch den Fluß der Probenlösung beeinflußt, und dies ist eine Ursache für eine Drift. Dementsprechend wird es in einem Fall, wo eine kleine Menge (in der Größenordnung von 1ul) einer Probenlösung gemessen werden soll bevorzugt, daß die Sensorform so ist, daß die Fläche, welche die sauerstoffreduzierende Funktion aufweist, sehr klein ist (in der Größenordnung von Quadratmikronen). Insbesondere in einem Fall, wo ein Miniatursensor direkt in einen lebenden Körper eingeführt wird, um den Sauerstoffpartialdruck in einer Lösung, welche eine Substanz enthält, die reduziert werden soll, kontinuierlich mißt, ist es bevorzugt, daß der Sauerstoffsensor ein solcher ist, in welchem koexistierende Substanzen ausgeschlossen sind und nur der Sauerstoff durch die sauerstoffreduzierende Reaktion wirksam mittels einer sauerstoffreduzierenden Membran umgesetzt wird. Es ist insbesondere erwünscht, daß der Sensor ebenfalls eine vom Standpunkt des Ausschließens der koexistierenden Substanzen sehr kleine Fläche aufweist.
Mit einem Sauerstoffsensor, in welchem die gasdurchlässige Membran ferner beschichtet ist mit einer enzym-fixierenden Membran, ist Zeit erforderlich für die Permeation des Sauerstoffgases und die Ansprechzeit (eines 90%igen Ansprechens) dauert länger als eine Minute. Demzufolge besteht erhöhter Bedarf für einen schnell ansprechenden, miniaturisierten filmbeschichteten Sensor, in welchem eine Festfilmbeschichtung leicht kontrolliert wird und in welchem es wenig Drift gibt.
Ferner wird eine genaue Messung unmöglich gemacht aufgrund der Proteinadhäsion an die Oberfläche der Platinelektrode, wenn eine Messung in einer Blutkomponente durchgeführt wird.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehenden Probleme des Standes der Technik zu lösen und einen filmbeschichteten Miniatursensor zur Verfügung zu stellen, in welchem die Oberfläche einheitlich ist, die Filmbeschichtung leicht kontrolliert wird und eine kleine Drift auftritt, weil der Sensor nicht sofort durch den Probenlösungsfluß beeinflußt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen filmbeschichteten Sensor zur Verfügung zu stellen, der ein schnelles Ansprechen aufweist und welcher nicht sofort durch Elektroden-aktivierte Substanzen, mit Ausnahme der Substanzen, welche gemessen werden sollen, die in der Lösung vorliegen, beeinflußt wird. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen filmbeschichteten Sensor zur Verfügung zu stellen, mit einem schnellen Ansprechen von weniger als zehn Sekunden. Demzufolge wird ein filmbeschichteter Sensor zur Verfügung gestellt, der in der Lage ist, Spurmengen (kleiner als 10 ul) einer Probe zu messen und eine Messung durchzuführen nachdem er direkt in einen lebenden Körper oder Gewebe eingeführt wurde. Um die vorstehenden Ziele zu erreichen, ist ein erfindungsgemäßer filmbeschichteter Sensor ein filmbeschichteter Sensor mit:
einer Kapillare;
einem elektrisch leitenden Substrat, zusammengesetzt aus Kohlefasern, einem kohlestabförmigen Glied, Golddraht oder einem Metalloxyd, welches verbunden ist mit einem Leitungsdraht an einem Ende der Kapillare und in die Kapillare eingraviert die Schnittfläche des elektrisch leitenden Substrates, welche kleiner als 10&supmin;&sup9; m² beträgt; und
einem festen Beschichtungsfilm, welcher eine Endfläche des elektrisch leitenden Substrates an einem anderen Ende der Kapillare, welche offen ist, zu einer vorbeschichteten Tiefe beschichtet.
Das elektrisch leitende Substrat ist zusammengesetzt aus Kohlefasern, einem kohlestabförmigen Glied, Golddraht oder einem Metalloxyd. Die Schnittfläche des elektrisch leitenden Substrates ist kleiner als 10&supmin;&sup9; m².
Ferner kann der Festbeschichtungsfilm ein Film sein, welcher lediglich auf ein Gas oder einen Elektrolyten aus einer aktivierten Substanz von Interesse, die in Blut oder verwandten biologischen Flüssigkeiten enthalten ist, anspricht.
Erfindungsgemäß kann ein filmbeschichteter Miniatursensor, in welchem die Oberfläche einheitlich ist, zur Verfügung gestellt werden, die Filmbeschichtung leicht kontrolliert werden und es wenig Drift geben, weil der Sensor nicht sofort durch den Fluß der Probenlösung beeinflußt wird. Des weiteren kann ein filmbeschichteter Sensor zur Verfügung gestellt werden, der ein schnelles Ansprechen aufweist, und welcher nicht leicht durch Elektroden-aktivierte Substanzen, mit Ausnahme der Substanzen, die gemessen werden sollen, welche in der Lösung vorliegen, beeinflußt wird. Insbesondere kann ein filmbeschichteter Sensor zur Verfügung gestellt werden mit einem schnellen Ansprechen von weniger als 10 Sekunden.
Demzufolge wird ein filmbeschichteter Sensor zur Verfügung gestellt, der in der Lage ist, Spurmengen (kleiner als 10 u l) einer Probe zu messen und eine Messung durchzuführen, nachdem er direkt in einen lebenden Körper oder Gewebe eingeführt wurde. Des weiteren kann der erfindungsgemäße filmbeschichtete Sensor massenproduziert werden, da die Sensor- Kennlinien (characteristics) gleichförmig sind.
Insbesondere, in einem Fall, wo die vorliegende Erfindung auf einen Sauerstoffsensor angewendet wird, werden die folgenden Vorteile erhalten:
(i) Bezüglich des elektrochemischen Verhaltens (dem Redox- Reaktions-Ansprechen) von Fe(CN)&sub6;³&supmin;, Fe(CN)&sub6;&sup4;&supmin; einer Kohlenstoffelektrode ist die Redox-Welle symmetrisch und der Stromwert ist im wesentlichen konstant, unabhängig von der Elektrodenoberfläche, wenn die Schnittfläche des Ansprechteils der Elektrode kleiner als 10&supmin;&sup9; m² ist, vorzugsweise 2,83 10&supmin;¹¹ m².
(ii) Eine Drift kommt meist nicht vor als Ergebnis des Verwendens einer filmbeschichteten Sauerstoffelektrode, in welcher eine Kohlenstoffelektroden-Basis direkt mit einem sauerstoffgas-ansprechenden reduzierenden Film beschichtet ist.
(iii) Obwohl der Reststromwert, berechnet aus dem Sauerstoffpartialdruck gegen die Stromdichte mit dem Abfallen der Fläche der Elektrodenbasis, ansteigt, ist der Reststrom konstant in der Größenordnung von 1 (A/m²) für eine Schnittfläche von kleiner als 10&supmin;&sup9; m².
(iv) Bezüglich der elektrolytischen Bedingungen der Filmbeschichtung, wenn die Kohlenstoffelektrode mit dem auf Sauerstoffgas ansprechenden reduzierenden Film beschichtet ist, ist die Kontrolle der elektrolytischen Reaktion zur Zeit auf eine sehr kurze Zeit, beispielsweise kleiner als 10 Sekunden, begrenzt, wenn die Schnittfläche des Ansprechsteils der Elektrode größer ist als 10&supmin;&sup9; m². Wenn jedoch diese Schnittfläche kleiner als 10&supmin;&sup9; m² ist, ist eine Kontrolle der elektrolytischen Filmbeschichtung über eine ausgedehnte Zeitdauer von mehr als 60 Sekunden (mehr als einer Minute) möglich.
Wenn die Erfindung andererseits auf einen Enzymsensor angewendet wird, wird die Elektrodenfläche ultraminiaturisiert. Als Ergebnis werden die folgenden Vorteile erhalten:
(1) Grundsätzliche Konzentrationsmessung in einem lebenden Körper oder Gewebe ist möglich.
(2) Die Messung von Spurmengen einer Probe in der Größenordnung von ul ist natürlich möglich.
(3) Da das Sensorsubstrat ultraminiaturisiert ist, beträgt das Ansprechen sehr schnelle 3 Sekunden, und eine rasche Messung ist möglich.
(4) Die Kosten sind niedrig, da billige Kohlefaser verwendet werden kann.
(5) Eine Änderung in der Konzentration, bewirkt durch Reaktion, ist vernachlässigbar aufgrund der sehr kleinen Ansprechfläche.
(6) Der Einfluß der Lösungsfluidität und des Flusses ist vernachlässigbar.
Weitere Aufgaben und Wirkungen werden klar werden aus einer Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist ein Diagramm, welches eine Glaskapillare gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht;
Fig. 1B ist ein Diagramm, welches die Struktur einer Kohlefaserelektrode gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht;
Fig. 1C ist ein Diagramm, welches die Struktur eines Sauerstoffsensors gemäß Ausführungsform 1 darstellt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches eine Stromänderung bei Konstantstrom-Elektrolyse während der Herstellung eines elektrolytischen polymeren Films veranschaulicht;
Fig. 3A bis 3C sind Diagramme, welche zyklische voltametrische Kurven von Redoxreaktionen einer Miniaturkohlefaser-Elektrode gemäß Ausführungsform 1 zeigen;
Fig. 4 ist ein Diagramm, in welchem die Beziehung zwischen Stromdichte und Sauerstoffpartialdruck eines Sauerstoffsensors gemäß Ausführungsform 1 aufgetragen ist in einem Fall, wo die Fläche des Ansprechteils der Elektrode variiert wird;
Fig. 5A ist ein Diagramm, welches eine Elektrodendrift aufgrund des Einflusses des Flusses in dem Sauerstoffsensor gemäß Ausführungsform 1 zeigt;
Fig. 5B ist ein Diagramm, welches die Oberflächenkonzentration und die Elektrodenfläche des Sauerstoffsensors gemäß Ausführungsform 1 zeigt;
Fig. 5C ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Gipfelstromdichte und der Potential-Überstreichgeschwindigkeit des Sauerstoffsensors gemäß Ausführungsform 1 zeigt;
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht, welche die Struktur eines Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß Ausführungsform 2, zeigt;
Fig. 7A und 7B sind Diagramme, welche das Ansprechen des Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß der Ausführungsform 2, zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, welches die Ansprechgeschwindigkeit des Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß Ausführungsform 2, zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, welches die Ansprechgeschwindigkeit eines Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß dem Vergleichsbeispiel 1, zeigt;
Fig. 10A und 10B sind Diagramme, welche den Einfluß des Flusses in den Sauerstoffsensoren, hergestellt gemäß der Ausführungsform 2 und dem Vergleichsbeispiel 1, zeigen.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, welche den Aufbau von Enzymsensoren gemäß den Aus führungs formen 4 und 5 darstellt;
Fig. 12 ist ein Diagramm, welches das zyklische voltametrische Ansprechen in Bezug auf die Enzymreduktion an einer Elektrode, welche mit einem enzymreduzierenden katalytischen Film gemäß Ausführungsform 3 beschichtet ist, darstellt; und
Fig. 13 ist ein Diagramm, welches das Stromansprechen bezüglich der Änderung in der Glukose-Konzentration eines Glukose-Sensors gemäß den Ausführungsformen 4 und 5 zeigt.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun beschrieben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. In diesen Aus führungs formen wird ein filmbeschichteter Sensor typifiziert durch einen Sauerstoffsensor und einen Enzymsensor, welcher den Sauerstoffsensor verwendet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch ebenfalls ähnlich auf andere filmbeschichtete Sensoren angewendet werden.
Die Sauerstoffsensoren dieser Ausführungsform sind Miniatur-Sauerstoffsensoren, in welchen stabförmige Querschnitte eines Kohlenstoffmaterials, Kohlefasermaterial einschließend, kleiner als 10&supmin;&sup9; m² gemacht werden und direkt mit einem Sauerstoffgas ansprechenden reduzierenden Film beschichtet werden. Gemäß diesen Ausführungsformen ist die Schnittfläche des ansprechenden Teils kleiner als 1x10&supmin;&sup9; m² (was 3 - 4 Kohlefasern entspricht, wobei der Durchmesser einer Kohlefaser 6 um beträgt), vorzugsweise 2,83 x 10&supmin;¹¹ m² (welches einer Kohlefaser entspricht).
Elektrisch leitender Kohlenstoff ist ideal als ein elektrisch leitendes Substrat. Beispiele, welche erwähnt werden können, sind basalebenes pyrolytischer Graphit (basal plane pyrolytic graphite), glasförmiger Kohlenstoff, und dergleichen. Unter diesen ist elektrisch leitender Kohlenstoff mit einer Graphit-Kristallstruktur besonders bevorzugt.

< Ausführungsform 1>

(Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoff-Graphitelektrode)

Zwei Kapillaren 1 mit einer Form, welche einen Hauptkörperteil 1b und einen Kapillarröhrenteil 1a, in Figur 1A gezeigt, hergestellt werden durch Ausziehen von Glasröhren mit einem äußeren Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 5 cm unter Verwendung eines Miniaturelektroden-Herstellungsgerätes. Eine Kohlefaser 2 (Besfighte , hergestellt durch Toho Rayon) wurde eingeführt in den Kapillarröhrenteil 1a (der ausgezogene Teil) aus einer der Kapillaren 1, und die Lücke zwischen der Kapillarröhre und der Kohlefaser wurde gefüllt mit Electron Wax 3 (hergestellt durch So Denshi Kogyo), welches als ein isolierendes Bondierungsmittel diente, wodurch die Kohlefaser isoliert wurde. Silberpaste 4, welche als ein elektrisch leitendes Bondierungsmittel dient, wurde von dem anderen Ende injiziert, ein Leitungsdraht 5 wurde eingeführt von diesem Ende, um eine elektrische Verbindung zu erreichen, und dieses Ende wurde dann versiegelt und der Leitungsdraht 5 durch ein isolierendes Bondierungsmittel 6 so befestigt, daß ein Austritt der Silberpaste 4 verhindert wird. Ferner wurde die Spitze des Kapillarröhrenteils poliert (0,5 Jun Sandpapier, PR1-24, hergestellt durch 3M Company). Eine Kohlefaserelektrode 10 wurde so vervollständigt.
Eine schematische Ansicht der Kohlefaserelektrode ist in Figur 1B gezeigt. Hier wird eine Glasröhre als die Kapillare 1 verwendet, obwohl die Erfindung nicht auf eine Glasröhre beschränkt ist, so lange wie eine isolierende Kapillarröhre durch Erhitzen oder Ziehen erhalten wird. Materialien, welche verwendet werden können, sind Polyvinyl-chlorid, Polypropylen, Polystyrol usw.

(Herstellung des Miniatursauerstoffsensors)

Durch Anwenden eines Verfahrens, welches unten veranschaulicht ist, wurde die Oberfläche der Kohlefaser 2 der oben beschriebenen Kohlefaserelektrode 10 mit einem elektrolytischen polymeren Film 7, hergestellt aus meso-tetra (o-aminophenyl)-cobaltporphyrin (abgekürzt als Co-TAPP), beschichtet.
Unter Verwendung einer Drei-Elektrodenzelle mit der Kohlefaserelektrode 10 als einer aktiven Elektrode, einer auf dem Markt erhältlichen Ag/AgCl-Elektrode als einer Bezugselektrode und einer Platinspirale als eine Gegenelektrode wurde der elektrolytische polymere Film 7 durch Durchführen einer Elektrolyse für 60 Sekunden bei einem konstanten Potential von +1,8 Volt (gegen Ag/AgCl) abgeschieden in einem Elektrolyten mit der folgenden Zusammensetzung:
Elektrolytzusammensetzung 1 mM Co-TAPP
0,1 M NaClO&sub4;
Lösungsmittel Acetonitril.
Die Stromänderung der Elektrolyse bei konstantem Potential zu dieser Zeit ist in Figur 2 gezeigt. Die Zeit für die Konvergenz zu einem konstanten Strom liegt bei ungefähr 60 Sekunden. Für Vergleichszwecke wird der Stromwert in 40 Sekunden konstant, im Falle von zwei Kohlefasern (Schnittfläche 5,652 x 10&supmin;¹¹ m²) und in 20 Sekunden im Falle von fünf Kohlefasern (Schnittfläche: 1,413 x 10&supmin;¹&sup0; m²). Ein dünner Film wird in dieser Reihenfolge gebildet und die Kontrolle der Filmabscheidung wird verkürzt.
Eine schematische Ansicht des so hergestellten Sauerstoffsensors ist in Figur 1C veranschaulicht

< Experiment 1>

Durch Anwenden einer Elektrodenzelle unter Verwendung der in Figur 1B gezeigten Miniaturkohlefaserelektrode gemäß Ausführungsform 1 als eine aktive Elektrode einer gesättigten Natriumchlorid-Kalomel-Elektrode als einer Bezugselektrode und einem Platingitter (mesh) als einer Gegenelektrode wurde die Messung der zyklischen Voltametrie einer Redoxreaktion von Fe(CN)&sub6;³&supmin; und Fe(CN)&sub6;&sup4;&supmin; auf der Oberfläche einer Miniatur-Sauerstoffelektrode wurde in den folgenden Elektrolyten gemessen:
20 mM Fe(CN)&sub6;³&supmin;
0,1 M NaClO&sub4;
Die Ergebnisse sind in Figur 3(a) gezeigt. Die zyklischen voltametrischen Kurven für Kohlefaser-Schnittf lächen von 1,413 x 10&supmin;¹&sup0; m² (ein Fünf-Faser-Bündel) und 2,826 x 10&supmin;&sup9; m² (ein 100-Faser-Bündel) sind in den Figuren 3B und 3C für Vergleichszwecke gezeigt.
Als ein Ergebnis wurde bestätigt, daß, während der Redoxstromwert ungefähr konstant wird in Fig. 3A, der Stromwert mit einer Änderung im Potentialwert variiert, wenn die Schnittflächen der Kohlefasern 1,413x10&supmin;¹&sup0; m² (einem Bündel von 5 oder mehr Kohlefasern) beträgt.
Dementsprechend sollte die Schnittfläche der Kohlenstoffelektrode kleiner als ungefähr 10&supmin;&sup9; m² sein, wenn versucht wird, einen konstanten Stromwert zu erhalten und eine ideale Schnittfläche ist 2,83x10&supmin;¹¹ m², (welches einer Kohlefaser entspricht).

< Experiment 2>

Die Beziehung zwischen Stromdichte (A/m²) und Sauerstoffpartialdruck (mmHg), wenn die Fläche des Ansprechteils der Elektrode von 2,826x10&supmin;¹¹m² auf 2,826x10&supmin;&sup9;m² variiert wird ist in Tabelle 1 und in Fig. 4 veranschaulicht, in welcher diese Beziehung aufgetragen ist. Der verwendete Sauerstoffsensor war derjenige, welcher gemäß Ausführungsform 1 hergestellt wurde. Die Messung wurde durchgeführt bei den unterschiedlichen Partialdrucken von 20, 60, 85 und 128 mmHg unter Verwendung von N&sub2;-Gas als einem Inertgas. Wenn Reststrom aus der Beziehung zwischen Stromdichte und dem PO&sub2;-Partialdruck erhalten wird, ist das Ergebnis die Reststromspalte von Tabelle 1. TABELLE 1 KOHLEFASER STROMDICHTE (A/m²) RESTSTROM (A/ m²) FASERANZAHL FLÄCHE ( m²)
Als ein Ergebnis konvergiert der Reststrom auf einen Wert zwischen 1,484 A/m² und 1,770 A/m², wenn die Fläche des Ansprechteiles der Elektrode kleiner als 8,478x10&supmin;&sup6; cm² (ein Bündel von fünf Fasern) ist.

< Experiment 3>

Unter Verwendung des Sauerstoffsensors der Ausführungsform in derselben Art wie in Experiment 2 wurde die Elektrodendrift (eine Varianz in der Stromdichte) aufgrund des Einflusses des Flusses der Probenlösung in einer Elektrolytlösung (einer Phosphatpufferlösung mit einem pH von 7,4) unter konstanten Bedingungen untersucht, wobei die Sauerstoffkonzentration 140 mmHg betrug und die Temperatur auf 37±0,05ºC eingestellt war. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt, wo die Rührgeschwindigkeit eines Rührers zum Rühren der Probelösung verändert wurde und die Flußgeschwindigkeit verändert wurde über zwischen 250 ml/min und 1200 ml/min.
Die Figur zeigt, daß die Drift dazu tendiert anzusteigen, wenn die Elektrodenfläche in der Weise 2,826x10&supmin;¹¹ m², 2,826x10&supmin;¹&sup0;m², 8,478x10&supmin;¹&sup0;m² und 2,826x10&supmin;&sup9;m² ansteigt. Dementsprechend sollte die Elektrodenfläche zwischen 2,826- 10&supmin;¹¹ m² (eine Kohlefaser) und 2,826x10&supmin;¹&sup0; m² (zehn Kohlefasern) betragen. Der Wert von 2,826x10&supmin;¹¹ m² (eine Kohlefaser) ist bevorzugt, da die Drift bei diesem Wert klein wird. Dies gilt als das Beste zum Erreichen des vorliegenden Gegenstandes.
Demnach hat der Sauerstoffsensor der vorliegenden Ausführungsform die folgenden Vorteile:
(i) Bezüglich des elektrochemischen Verhaltens (dem Redoxreaktionsansprechen) von Fe(CN)&sub6;³&supmin;, FE(CN)&sub6;&sup4;&supmin; einer Kohleelektrode ist die Redoxwelle symmetrisch und der Stromwert ist im wesentlichen konstant, unabhängig von der Elektrodenoberflächenfläche, wenn die Schnittfläche des Ansprechteils der Elektrode kleiner als 10&supmin;&sup9; m² ist, vorzugsweise 2,83x10&supmin;¹¹ m².
(ii) Eine Drift existiert meist nicht als ein Ergebnis davon, daß man eine filmbeschichtete Sauerstoffelektrode verwendet, in welcher eine Kohlenstoffelektrodenbasis direkt mit einem auf Sauerstoffgas ansprechenden reduzierenden Film beschichtet.
(iii) Obwohl der Reststromwert, der berechnet wird aus dem Sauerstoffpartialdruck gegen die Stromdichte, ansteigt mit dem Abfallen der Schnittfläche der Kohlenstoffelektrode, ist der Reststrom konstant in der Größenordnung von 1 (A/m²) für eine Schnittfläche von kleiner als 10&supmin;&sup9; m².
(iv) Bezüglich der elektrolytischen Bedingungen des Filmbeschichtens, wenn die Kohlenelektrode beschichtet wird mit dem auf Sauerstoffgas ansprechenden reduzierenden Film, ist eine Kontrolle der elektrolytischen Reaktionszeit auf eine sehr kurze Zeit von beispielsweise kleiner als 10 Sekunden begrenzt, wenn die Schnittfläche des Ansprechteils der Elektrode größer als 10&supmin;&sup9; m² ist. Wenn jedoch diese Schnittfläche kleiner als 10&supmin;&sup9; m² ist, ist eine Kontrolle der elektrolytischen Filmbeschichtung über eine ausgedehnte Zeitdauer von mehr als 60 Sekunden (mehr als eine Minute) möglich.

< Experiment 4>

Unter Verwendung des Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß Ausführungsform 1, wurde die Oberflächenkonzentration des elektrolytischen polymeren Films (des Co-TAPP-Films) gemessen bezüglich der Elektrodenfläche, wenn die Fläche des Ansprechteils der Elektrode 7,85x10&supmin;¹¹ m², 7,85x10&supmin;¹&sup0; m² und 7,85x10&supmin;&sup9; m² gemacht wurde.
Wie in Fig. 5b gezeigt, steigt die Oberflächenkonzentration des Co-TAPP mit Ansteigen der Elektrodenflächen bei Flächen größer als 7,85x10&supmin;¹&sup0; m². Es gibt jedoch praktisch keine Änderung bei Flächen kleiner als 7,85x10&supmin;¹&sup0; m². Dies erleichtert das Gleichförmigmachen der Sensorcharakteristiken und macht eine Massenproduktion des filmbeschichteten Sensors möglich.
Eine Messung wurde durchgeführt bei einer Sauerstoffkonzentration von 0 Pa (Blasenbilden in N&sub2;) in einer elektrolytischen Lösung (einer Phosphatpufferlösung mit einem pH von 7,4) bei Raumtemperatur.

< Experiment 5>

Unter Verwendung des Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß Ausführungsform 1, wurde die Beziehung zwischen der Dichte des Gipfelstromes und der Potentialüberstreichgeschwindigkeit {v1/2 = (mV/sec1/2} eines Voltamogrammes), welche erhalten wird, wenn die Fläche des Ansprechteiles der Elektrode 7,85x10&supmin;¹¹ m², 3,14x10&supmin;¹&sup0; m² und 7,85x10&supmin;¹&sup0; m² gemacht wird, untersucht.
Wie aus Fig. 5C ersichtlich ist, wird der Gipfelstrom über einen breiten Bereich konstant und es wird verstanden werden, daß der Sensor zufriedenstellende Charakteristiken aufweist zur Verwendung als eine Miniaturelektrode.
Die Messung wurde durchgeführt in einer Elektrolytlösung (einer Phosphatpufferlösung mit einem pH von 7,4), gesättigt mit Sauerstoff (500 mmHg) bei Raumtemperatur.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Sensor hergestellt durch Integrieren des Hauptteils 1b und des Kapillarteils 1a. Der Sensor kann jedoch hergestellt werden durch Beschichten und Isolieren der Kohlefaser mit der Ausnahme von beiden Enden davon, mit einem Isolator, wie eine Polyethylenfluoridröhre oder Enamel, ein Ende mit dem elektrolytischen Film 7 beschichtend, das andere Ende mit dem Leitungsdraht über das elektrisch leitende Bondierungsmittel 6 verbindend, wodurch der Hauptkörperteil 1b und der Kapillarteil la getrennt gebildet werden und dann Vereinigen dieser beiden Teile.
Der filmbeschichtete Sensor der als nächstes beschriebenen Ausführungsform ist ein Ultraminiatursauerstoffsensor, in welchem ein Filament einer Kohlefaser eingesetzt ist als ein elektrisch leitendes Substrat, dessen Oberfläche mit einem kobaltporphyrinpolymeren Film beschichtet ist, welches eine sauerstoffreduzierende katalytische Funktion besitzt, unter Verwendung eines elektrolytischen Polymerisationsverfahrens. Es ist möglich, den äußeren Durchmesser der Sensorspitze 10 bis 50 um zu machen, um eine sehr kleine Probe von ul-Größenordnung zu messen oder um die Sauerstoffkonzentration in Zellen oder dem Nervensystem usw. zu messen. Da eine Kohlefaser von kleiner als 10 um als das elektrisch leitende Substrat verwendet wird, ist die Ansprechgeschwindigkeit sehr hoch und es ist möglich, die Sauerstoffkonzentration innerhalb einer Sekunde mit 90% Ansprechung zu messen. Zusätzlich besteht praktisch kein Einfluß durch Pulsation.

< Ausführungsform 2>

Die Struktur eines Sauerstoffsensors, hergestellt gemäß dieser Ausführungsform, ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Die Prozedur für die Herstellung wird nun beschrieben.
(1) Ein Leiter 12 wird verbunden mit einem Ende einer Kohlefaser 11 (10 um ∅, hergestellt durch Union Carbide) mittels eines elektrisch leitenden Bondierungsmittels 13. Die Faser wird in eine Glaskapillare 14 eingeführt und dessen Äußeres wird durch ein Epoxibondierungsmittel 15 isoliert, wodurch eine Elektrode vervollständigt wird.
(2) Unter Verwendung einer Drei-Elektrodenzelle, welche diese Elektrode als eine aktive Elektrode, eine auf dem Markt verfügbare Ag/AgCl-Elektrode als eine Bezugselektrode und eine Platinspirale als eine Gegenelektrode, wird eine elektrolytische Polymerisation von Mesotetra (o-Aminophenol) Kobaltporphyrin (Co-TAPP) in einem Elektrolyten mit der folgenden Zusammensetzung durchgeführt:
Elektrolytzusammensetzung 1 mmol/l Co-TAPP
0,1 mol/l NaClO&sub4;
Lösungsmittel Acetonitril
Nach dem Überstreichen des Potentials von 0 bis +1,8 V (gegen SSCE) bei 50 mV/sec in dem Elektrolyten wird eine Elektrolyse unter konstantem Potential durchgeführt bei +1,8 V, um die Abscheidung eines Co-TAPP-Filmes 16 zu vervollständigen.
Die Filmdicke des Co-TAPP-Filmes 16 betrug in diesem Fall 0,5 um. Eine Filmdicke von 400 Å - 50 um ist bevorzugt, insbesondere eine Filmdicke von 1 bis 10 um. Die Sensorcharakteristiken sind unbefriedigend unter 400 Å und ein Ablösen des Filmes tritt leicht oberhalb von 50 um auf.

< Experiment 6>

Der in Ausführungsform 2 hergestellte Sauerstoffsensor und eine auf dem Markt verfügbare Ag/AgCl-Elektrode werden in eine 50 mmol/l Phosphatpufferlösung (pH: 7,4) eingetaucht, ein Potential von -0,6 V in Bezug auf die Ag/AgCl-Elektrode wurde an den Sensor angelegt und der Wert des Stromflusses wurde gemessen, während man die Sauerstoffkonzentration des Gases, welches durch die Lösung tritt, änderte. Die Ergebnisse sind in Fig. 7A aufgetragen. Eine Spannung von - 0,6 V wurde abgeleitet (decided) aus dem Ergebnis der in Fig. 7B gezeigten Messung des Stromes gegen die Spannung.
Es wurde eine ausgezeichnete Linearität über einen weiten Bereich zwischen der Sauerstoffkonzentration (pO&sub2;) und dem Stromwert nachgewiesen und es wurde herausgefunden, daß der Sensor als ein Sauerstoffsensor wirkt.

< Experiment 7>

Die Messung wurde durchgeführt in einer Lösung mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration durch ein Verfahren, ähnlich demjenigen aus Experiment 6; eine mit Sauerstoffgas gesättigte Lösung wurde zu dieser Lösung hinzugegeben und eine Änderung in dem Stromwert wurde untersucht. Der sich ergebende Graph ist in Fig. 8 gezeigt. Es wurde herausgefunden, daß der Sensor schnell ansprach, wenn die Lösung hinzugefügt wurde und daß die Ansprechgeschwindigkeit sehr schnell eine oder zwei Sekunden betrug.

< Vergleichsbeispiel 1>

Unter Verwendung einer Kohlenstoffelektrode mit einem Durchmesser von 0,1 mm wurde ein Sauerstoffsensor mit einer großen Fläche hergestellt durch Beschichten der Oberfläche der Elektrode mit einem Co-TAPP-Film (Filmdicke: 0,5 um) unter Verwendung eines Verfahrens ähnlich demjenigen aus Ausführungsform 2.

< Experiment 8>

Eine Messung, ähnlich derjenigen aus Experiment 6, wurde durchgeführt, um den Sensor aus Vergleichsbeispiel 1 mit dem Sensor, welcher gemäß Ausführungsform 2 hergestellt wurde, zu vergleichen. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 veranschaulicht. Es wurde herausgefunden, daß der Stromanstieg langsam ist und daß 5 bis 10 sec für ein Ansprechen erforderlich waren.

< Experiment 9>

Sauerstoffsensoren, geschaffen in Übereinstimmung mit Ausführungsform 2 und Vergleichsbeispiel 1, wurden in eine Phosphatlösung eingetaucht, zusammen mit einer Bezugselektrode, der Stromwert, wenn ein Potential von -0,6 V an die Bezugselektrode angelegt wurde und die Lösung gerührt wurde, wurde verglichen mit einem Fall, in welchem die Lösung nicht gerührt wurde und die Empfindlichkeit des Einflusses des Fluidflusses wurde beurteilt. Die Ergebnisse sind in den Figuren 10A und 10B gezeigt. Mit dem Sauerstoffsensor gemäß Ausführungsform 2 ändert sich der Stromwert nicht, unabhängig davon, ob die Lösung gerührt wird oder nicht, wie in Fig. 10A gezeigt. Mit dem Sensor gemäß Vergleichsbeispiel 1 jedoch wurde herausgefunden, daß während der Strom schwankt, wenn Rühren durchgeführt wird, die Schwankung aufhört, wenn das Rühren gestoppt wird, jedoch fällt der Stromwert zu dieser Zeit, wie in Fig. 1ºC gezeigt. Auf Basis dieser Ergebnisse wird bestätigt, daß der in Übereinstimmung mit Ausführungsform 2 hergestellte Sensor in der Lage ist, eine genaue Messung durchzuführen, ohne durch den Fluidfluß beeinflußt zu werden.
Wie oben detailliert beschrieben, wird ein Sauerstoffsensor mit einem schnellen 90%igen Ansprechen von weniger als einer Sekunde erhalten durch Verwenden einer Elektrode mit einer sehr kleinen Fläche, nämlich dem Querschnitt einer Kohlefaser und Beschichten dieser Elektrode mit einem Film mit einer sauerstoffreduzierenden Funktion. Darüber hinaus ist der Sauerstoffsensor in der Lage, eine Sauerstoffkonzentration zu messen, ohne durch andere koexistierende chemische Substanzen beeinflußt zu werden, und ohne durch Fluidfluß beeinflußt zu werden. Ferner ist eine Messung mit einer kleinen Menge einer Probe oder an einem sehr kleinen Bereich möglich, da der Elektrodenteil extrem klein ist.
In einer als nächstes beschriebenen Ausführungsform wird ein Ultraminiaturenzymsensor zur Verfügung gestellt durch Erreichen einer Miniaturisierung unter Verwendung eines Kohlefaserf ilamentes und Bilden eines dünnen Filmes auf einem kleinen Teil unter Verwendung von elektrolytischer Polymerisation. Der Zweck liegt darin, Miniaturisierung und Hochgeschwindigkeitsansprechen und Messung einer Substratkonzentration in vitro (im Gewebe) oder in einer kleinen Probenmenge zu realisieren. Es wird ein Sensor zur Verfügung gestellt, in welchem die Ansprechgeschwindigkeit kleiner als 3 Sekunden für 95%iges Ansprechen beträgt und der äußere Durchmesser der Sensorspitze kleiner als 100 um ist (wobei der Ansprechteil kleiner als 10 um ist).
Beispiele von chemischen Verbindungen, welche an Enzymreaktionen teilnehmen und hergestellt oder konsumiert werden und Elektrodenaktivität zeigen, sind O&sub2;, H&sub2;O&sub2;, CO&sub2; usw. Ein Kobaltporphyrinpolymerer Film wird bevorzugt als ein sauerstoffreduzierender katalytischer Film, ein Poly(4,4'-Biphenol) Film als ein H&sub2;O&sub2;-oxidierender katalytischer Film und ein Film, der Polythiophenfilm/Silber/Rhenium als einen CO&sub2;-reduzierenden Katalysator umfaßt. Ein elektrolytisches Polymerisationsverfahren wird bevorzugt als das Beschichtungsverfahren zum Aufbringen dieser Filme.

< Ausführungsform 3>

Eine schematische Ansicht, welche den Aufbau eines Ultraminiaturenzymsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt, ist in Fig. 11 veranschaulicht. Bezugszeichen, welche identisch sind mit denen aus Fig. 6 bezeichnen dieselbe Aufbausubstanzen. Ein Ende der Kohlefaser 11 wird mit dem Leitungsdraht 12 verbunden unter Verwendung des elektrisch leitfähigen Bondierungsmittels 13, die Spitze der Kohlefaser wird in die fein ausgezogene Glaskapillare 14 eingefügt und die Kapillare wird anschließend mit dem isolierenden Bondierungsmittel 15 gefüllt, um eine elektrische Isolation zu erreichen. Als nächstes wird ein Teil der Spitze dieser Kapillarelektrode abgeschnitten und die geschnittene Spitze wird poliert, um eine Kohlenstoffscheibenelektrode für einen Ultraminiaturenzymsensor herzustellen.
Unter Verwendung eines Potentiostaten und eines Dreielektrodensystems mit dieser Ultraminiaturscheibenelektrode als einer aktiven Elektrode, einer gesättigten Natriumchlorid- Kalomel-Elektrode (SSCE) als einer Bezugselektrode und einem Platindraht als einer Gegenelektrode wird eine Elektrolyse durchgeführt unter den elektrolytischen Bedingungen, welche unten angegeben sind, wodurch ein elektrolytischer polymerer Film (ein sauerstoffreduzierender katalytischer Film) 16 abgeschieden wird. Man verwendet Acetonitril, welches 1 mmol/l Mesotetra (o-Aminophenyl)-Kobaltporphyrin (im folgenden mit Co-TAPP abgekürzt) und 0,1 mol/l Natriumperchlorat enthält, wobei dann das Potential von 0 V bis 1,8 V (gegen SSCE) bei 50 mV/sec überstreicht, wonach Konstantpotentialelektrolyse für 10 Minuten bei 1,8 V durchgeführt wird, um einen Co-TAPP-polymeren Film mit einer Filmdicke von 0,5 um zu bilden.
Es wird verstanden werden aus den zyklischen voltametrischen Kurven, die in Fig. 12 gezeigt sind, daß die so hergestellte Elektrode die elektrolytische Reduktionsreaktion von Sauerstoff in Lösung katalysiert. Genauer, im Vergleich lediglich mit einer Kohlefaserelektrode tritt die Sauerstoffreduktionsreaktion bei einem Potential von -500 bis - 600 mV auf und ein ständiger Strom wird erhalten auch bei einer Überstreichgeschwindigkeit von 50 mV/sec.

< Experiment 10>

Man wird aus dem zyklischen Voltammogramm, das in Fig. 12 gezeigt ist, verstehen, daß die so hergestellte Elektrode die elektrolytische reduzierende Reaktion des Sauerstoffs in Lösung katalysiert.
Insbesondere tritt die Sauerstoff-Reduktionsreaktion bei einem Potential von -500 bis -600 mV auf und ein ständiger Strom wird auch bei einer Überstreichgeschwindigkeit von 50 mV/sec erhalten.
Es wurde herausgefunden, daß bei Verwendung dieser Elektrode hinreichende Charakteristiken als eine Elektrode für einen Subminiaturenzymsensor erhalten wurden, nämlich eine Ansprechzeit von kleiner als einer Sekunde, wenn das elektrolytische Potential bei -0,6 V (gegen SSCE) gehalten wird und die Sauerstoffkonzentration in Lösung geändert wurde von PO&sub2; = 150 mmHg bis 300 mmHg. Es wird verstanden werden, daß diese sauerstoffreduzierende katalytische Filmelektrode als ein Sauerstoffsensor mit einer sehr hohen Ansprechgeschwindigkeit funktioniert.

< Ausführungs form 4>

Die Oberfläche des elektrolytischen polymeren Films (dem sauerstoffreduzierenden katalytischen Film) wurde beschichtet mit einem enzymfixierenden Film 17 durch ein unten beschriebenes Verfahren.
Eine sauerstoffreduzierende katalytische Filmelektrode wurde in eine Lösung getaucht, erhalten durch Auflösen von 100 mg/ml Glucoseoxidase und 15 Gew.-% Rinderserumalbumin in einer Phosphatpufferlösung pH 8,0. Anschließend wurde die Elektrode trocknen gelassen, man ließ eine Quervernetzungsreaktion für 12 Stunden in einem Glutaraldehyddampf aus einer 50% Glutaraldehydlösung ablaufen. Dies wurde gefolgt von Waschen mit einer 20% Glycinlösung.
Dann wurde eine Glucoseoxidase-fixierender Film gebildet (Filmdicke: 10 um), um einen Ultraminiaturenzymsensor herzustellen.

< Experiment 11>

Es wurde eine Konstantpotentialelektrolyse bei -0,6 V gegen SSCE durchgeführt mit einer Dreielektrodenzelle unter Verwendung des Subminiaturenzymsensors gemäß Ausführungsform 4 (Kohlefaserquerschnitt: 7,85x10&supmin;¹¹ m²) als einer Schnittflächenelektrode, einer gesättigten Natriumchlorid-Kalomelelektrode (SSCE) als einer Bezugselektrode und einen Platindraht als einer Gegenelektrode. Ein Diagramm einer Stromantwort bei dieser Zeit bezüglich der Glucosekonzentration in der Lösung ist in Fig. 13 gezeigt. Ein Bereich einer linearen Stromantwort wurde erhalten über einen Bereich von einer Glucosekonzentration von 0 bis 105 mg/dl. Es wurde herausgefunden, daß die Ansprechzeit in diesem Fall kleiner als 2 Sekunden für ein 95%iges Ansprechen beträgt, welches auf eine sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit hinweist. Die Probenlösung wurde sanft mit einem Rührer bei 25ºC gerührt und gemessen unter Verwendung einer 5 mM Phosphatpufferlösung (pH: 6,2).

< Ausführungsform 5>

Nachdem ein Ultraminiaturenzymsensor auf dieselbe Art wie in Ausführungsform 4 hergestellt wurde, wurde ein Glucosedurchlässiger Film 18 (20 um) gebildet durch wiederholtes Eintauchen des Sensors in eine Dichlormethanlösung von 5% Zelluloseacetat und Trocknenlassen, dreimal. Der enzymfixierte Film ist vorzugsweise 400 Å - 50 um, wobei 1 bis 10 um besonders erwünscht sind. Das Enzym ist nicht hinreichend fixiert und die Lebensdauer ist kurz oberhalb von 400 Å und die Ansprechgeschwindigkeit vermindert sich, wenn 100 um überschritten werden.

< Experiment 12>

Der Subminiaturenzymsensor gemäß Ausführungsform 5 wurde behandelt wie in Experiment 9 und die Stromantwort bezüglich der Glucosekonzentration wurde untersucht. Im Ergebnis wurde herausgefunden, daß der Bereich des linearen Stromes einen weiten Bereich von 0 bis 240 mg/dl abdeckte. Es wurde herausgefunden, daß die Ansprechzeit in diesem Fall weniger als 3 Sekunden für ein 95%iges Ansprechen betrug und daß das Verlangsamen des Ansprechens aufgrund des Glucosedurchlässigen Filmes klein war.
Wie oben detailliert beschrieben, ist die Elektrodenfläche in dem Enzymsensor der vorliegenden Ausführungsform ultraminiaturisiert. Die folgenden Vorteile werden als ein Ergebnis erhalten:
(1) Basische Konzentrationsmessung in einem lebenden Körper oder Gewebe ist möglich.
(2) Messung von Spurenmengen oder einer Probe in ul-Größenordnung ist natürlich möglich.
(3) Da das Sensorsubstrat ultraminiaturisiert ist, beträgt das Ansprechen sehr schnelle 3 Sekunden und eine rasche Messung ist möglich.
(4) Die Kosten sind niedrig, da billige Kohlefaser verwendet werden kann.
(5) Eine Konzentrationsänderung, bewirkt durch Reaktion, ist vernachlässigbar aufgrund der sehr kleinen Ansprechfläche.
(6) Der Einfluß der Lösungsfluidität und Fluß ist vernachlässigbar.
Es soll bemerkt werden, daß anderes Material als ein schlankes Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise ein Metall (z.B. Gold) oder Metalloxid [Iridiumoxid, Indiumzinnoxid (ITO)] verwendet werden kann als das elektrisch leitfähige Substrat.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung ähnlich angewendet werden auf andere filmbeschichtete Sensoren, obwohl die filmbeschichteten Sensoren dieser Aus führungs formen typisiert wurden durch Sauerstoffsensoren und Enzymsensoren, wie zu Beginn der Beschreibung der Ausführungsformen festgestellt.

Claims

1. Ein mit einem Film beschichteter Sensor mit:

einer Kapillare (1, 14),

einem elektrisch leitfähigen Substrat (2, 11), welches zusammengesetzt ist aus Kohlefasern, einem stabförmigen Kohlenstoffteil, Golddraht oder einem Metalloxid, welches mit einem Leitungsdraht (5, 2) an einem Ende der Kapillare (1, 14) verbunden ist und wobei die Schnittfläche des elektrisch leitenden Substrates (2, 11) kleiner als 10&supmin;&sup9; m² beträgt und in die Kapillare (1, 14) eingraviert ist; und

einem festen Beschichtungsfilm (7, 16), welcher eine Endf läche des elektrisch leitenden Substrates an einem anderen Ende der Kapillare (1, 14), welches offen ist, bis zu einer vorbestimmten Tiefe beschichtet.

2. Der mit einem Film beschichtete Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der feste Beschichtungsfilm (7, 16) einen Film aufweist, der lediglich auf ein Gas oder einen Elektrolyten von Interesse antwortet auf (from) eine aktivierte Substanz, welche in Blut oder einem verwandten biologischen Gebiet enthalten ist.