DK167716B1 - Mikroelektrode til elektrokemisk analyse - Google Patents

Mikroelektrode til elektrokemisk analyse Download PDF

Info

Publication number
DK167716B1
DK167716B1 DK673187A DK673187A DK167716B1 DK 167716 B1 DK167716 B1 DK 167716B1 DK 673187 A DK673187 A DK 673187A DK 673187 A DK673187 A DK 673187A DK 167716 B1 DK167716 B1 DK 167716B1
Authority
DK
Denmark
Prior art keywords
electrode
resin
carbon fibers
micro electrode
membrane
Prior art date
Application number
DK673187A
Other languages
English (en)
Other versions
DK673187A (da
DK673187D0 (da
Inventor
Kenichi Morita
Yoshihiro Shimizu
Original Assignee
Toray Industries
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries filed Critical Toray Industries
Publication of DK673187D0 publication Critical patent/DK673187D0/da
Publication of DK673187A publication Critical patent/DK673187A/da
Application granted granted Critical
Publication of DK167716B1 publication Critical patent/DK167716B1/da

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

i DK 167716 B1
Den foreliggende opfindelse angår en forbedret mi kroelektrode, såsom en måleelektrode for opløst oxygen, en måleelektrode for ionkoncentration, til anvendelse som bio-sensor og som referenceelektrode, hvilken elektrode har lav strømningssensitivitet og endvidere er beskyttet 5 mod kontaminering.
Det er kendt at analysere oxygen, saccharid, aminosyre, pH, etc. ved hjælp af elektrokemi ske metoder under anvendelse af en række forskellige typer elektroder. I det følgende gives en forklaring af den kendte teknik for forskellige typer elektroder og sensorer.
10 1. Sensoren til måling af koncentrationen af opløst oxygen
Det er vigtigt at måle koncentrationen af opløst oxygen i legemsvæsker, såsom blod, eller i kulturvæsker i en fermenteringstank. Clark-type oxygensensoren har været anvendt i vid udstrækning. Sammensætningen 15 af denne sensor er som følger:
Sensorens beholder er fyldt med elektrolyt, såsom kaustisk alkalisk opløsning etc., og katoden (der f.eks. er fremstillet af platin) og anoden (der f.eks. er fremstillet af bly, etc.) er anbragt deri og adskilt fra omgivelserne (opløsningen, der skal måles) ved hjælp af en gasperme-20 abel membran, fremstillet af polytetrafluorethylen, etc. Oxygenkoncentrationen kan bestemmes ved at måle den elektriske strøm mellem to elektroder, idet oxygenmolekyler passerer fra prøveopløsningen til indersiden af sensorbeholderen gennem den selektive membran og reduceres elek-tro-kemisk på platinelektrodens overflade. Ved hjælp af denne metode kan 25 mængden af oxygen let bestemmes, men der er fortsat følgende problemer.
Disse består i instabilitet overfor tryk ved sterilisation, vedligeholdelsesvanskeligheder, begrænsninger med hensyn til miniaturisering, ligesom man ikke kan bestemme den virkelige opløste oxygenkoncentration, men det partielle oxygentryk, man kan ikke bestemme den opløste oxygen-30 koncentration ved fermentering under tryk, og man kan heller ikke bestemme denne på havets bund eller i søer, og den elektriske strøms variation er temmelig stor som følge af temperaturforandringer.
Følgende metoder er blevet foreslået til andre måleelektroder for oxygenkoncentration, især for legemsvæsker. For det første en metode, 35 som medfører stabile kontaktbetingelser ved dækning af en fin metaltrådselektrodeoverflade med porøse materialer, bestående af mange lag (se japansk uundersøgt patentpublikation nr. 57-117838). Dernæst en metode, hvor en fin metaltrådselektrode indføres i et åbent rør i en fra DK 167716 B1 2 elektrodens spids tilbagetrukken stilling (se japansk uundersøgt patentpublikation nr. 57-195436).
Disse metoder frembyder imidlertid fortsat problemer, såsom kontaminering af elektroden og risikoen for "iatrogenisk syge" ved aftrækning 5 af den porøse membran.
2. Sensoren til måling af koncentrationen af ioner
Glaselektroden har været anvendt i vid udstrækning til måling af koncentrationen af hydrogenioner. Den har imidlertid en række problemer.
10 For det første er den let at brække, den kontamineres let, og den er begrænset til anvendelse i alkalisk vandig opløsning. Dernæst er den meget vanskelig at miniatuarisere, idet glaselektroden nødvendigvis skal have et indre rum til standardopløsning. Yderligere er der risiko for, at den indre standardiserede opløsning strømmer ud.
15 Fornylig er følgende problem blevet fundet. Membranen, som afsættes ved hjælp af elektrokemisk polymerisation på overfladen af elektroden, bevirker potentialændringer i henhold til bindingen eller fjernelsen af hydrogenioner (William R. Heineman, Anal. Chem. 52, 345 (1980)). Der er endvidere blevet foreslået en pH-sensor. Denne metode bygger på det 20 fænomen, at membranen, som dannes på overfladen af en elektrode, bevirker reversibel oxidations-/reduktionsreaktion med binding eller fjernelse af hydrogenioner (se japansk uundersøgt patentpublikation nr. 61-019434). Når disse pH-sensorer imidlertid anvendes kontinuert i legemsvæsker eller fermenteringsopløsninger, optræder der potenti alfor-25 skydning som følge af kontaminering. 1
Bio-sensor
Der findes to typer bio-sensorer. For det første én, hvor man bestemmer koncentrationen af materialer, relateret til biokemisk reaktion, 30 ved at måle strømmen, som bevirker elektrokemisk reaktion af materialerne.
Den anden type bygger på analyse af de elektroaktive materialer (relateret til biokemisk reaktion) ved at måle potentialet af membranen, der selektivt reagerer på materialerne. Den første kaldes "amperometri-35 metode", og i dette tilfælde anvendes en oxygensensor og en hydrogen-peroxidelektrode. Den sidstnævnte type kaldes "potentiometritype", og der anvendes en ionselektiv elektrode og en ammoniak- eller carbondi-oxid-gaselektrode (som består af en vis type gaspermeabel membran og pH- 3 DK 167716 B1 elektrode).
Enzym-, mikroorganisme- og antigen-antistofreaktioner er eksempler på biokemiske reaktioner. Bio-sensoren har de foran omtalte problemer, idet den fundamentale konstruktion af en bio-sensor er en oxygensensor 5 eller en pH-elektrode.
I US-A-4.439.303 beskrives en elektrode til anvendelse ved elektrokemiske reaktioner, såsom elektrokemisk stripningsanalyse, omfattende en række parallelt orienterede og langstrakte carbon- eller grafitfibre, hvilke er adskilte og fastholdt i en kerne ved elektrisk isolerings-bin-10 dingsmateriale, som fuldstændigt ordner de laterale rum mellem fibrene.
4. Referenceelektroden
Konventionelle referenceelektroder har de problemer, at de 1) er lette at brække, 2) er svære at sikre mod sterilisationstrykket, idet 15 den mættede calomel elektrode og sølv/sølvkloridelektroden, etc. omfatter en indre opløsning.
Den foreliggende opfindelse har til formål at tilvejebringe forskellige elektrodetyper og sensorer, der f.eks. kan bestemme opløst oxygen, saccharid, aminosyre, pH, etc. stabilt og nøjagtigt uden den kendte 20 tekniks ulemper.
Den foreliggende opfindelse angår en mi kroelektrode til elektrokemisk analyse, som omfatter et bundt af parallelle carbonfibre anbragt i en matrix af ikke-1edende harpiks, hvor elektroden terminerer i en brydningsflade, der er tværstillet i forhold til aksen af bundtet, som er 25 ejendommelig ved, at fibrene er recesseret fra fladen og kommunikerer dermed gennem huller i matrixen, hvilke er coaksiale med hver fiber. Elektroden i overensstemmelse hermed har lav strømningssensitivitet og er beskyttet mod kontaminering fra interfererende stoffer.
Fig. 1 viser en principskitse af en mi kroelektrode ifølge den fore-30 liggende opfindelse,
Fig. 2 viser en principskitse for en elektrode, der ifølge en udførelsesform af opfindelsen kan anvendes som bio-sensor, og
Fig. 3 viser kontamineringen fra interfererende stoffer for elektroder, som har mi krohuller, og elektroder, som ikke har sådanne, 35 svarende til eksempel 4.
Konceptet for mi kroelektroden ifølge opfindelsen er vist i fig. 1.
Et bundt af carbonfibre består af et antal carbonfibre 1 og ikke-1edende harpiks 2. I fig. 1 er den øverste del af carbonfibrene 1 recesserede DK 167716 B1 4 fra toppen af ikke-ledende harpiks 2 og danner mikrohuller 3, der står i forbindelse med omgivelserne. Bunden af hvert mikrohul, som er den øverste del af en carbonfiber, udgør elektrodeoverfladen. Om ønsket kan elektrodeoverfladen modificeres ved hjælp af en elektrokatalysator 4 for 5 elektrokemiske reaktioner. Denne elektrode omtales herefter som "basiselektrode".
Selv om der ikke er nogen begrænsninger med hensyn til de carbon-fibre, som danner basiselektroden, anvendes fortrinsvis polyacryloni-tril-baserede, pitch-baserede, rayon-baserede, fenol harpiks-baserede 10 etc. carbonfibre, samt sådanne, der fremstilles ved hjælp af dampafsætningsmetoden.
Det ikke-ledende materiale er fortrinsvis udvalgt blandt fluoreret harpiks, polyesterharpiks, epoxyharpiks, polyfenylenoxidharpiks, poly-fenylensulfidharpiks, urethanharpiks, silikoneharpiks, vinyl kloridhar-15 piks, fenol harpiks, etc. Når mi kroelektroden skal anvendes i en levende organisme, foretrækkes især anti-trombogen harpiks af høj kvalitet.
Mængden af carbonfibre dækkes med ikke-ledende harpiks og underkastes en varmehærdningsproces til dannelse af et legeme. Tværsnittet af dette legeme er som øer (hver carbonfiber) i havet (den omgivende har-20 piks). Med andre ord er carbonfibrene ikke i kontakt med hinanden. Antallet af carbonfibre er sædvanligvis i intervallet fra 50 til 50.000 og vælges med henblik på anvendelsen. Når denne elektrode anvendes som referenceelektrode, kan der undertiden anvendes mere end 50.000 carbonfibre.
25 I almindelighed udgør carbonfibrenes areal i dette elektrodetværsnit fra 3 til 60%. Diameteren af den enkelte carbonfiber er mindre end 20 pi og fortrinsvis mindre end 10 pi. Carbonf i berens diameter svarer til mikrohullet og bevirker, såfremt den er mindre end 20 pi, den så-kaldte "fi1tereffekt".
30 I almindelighed er dybden af det enkelte mikrohul i intervallet fra 0,5 til 500 /im og mere foretrukkent i intervallet fra 20 til 400 pi. Det frem-byder intet problem, såfremt det f.eks. er spidst som en blyant eller modsat hult. I dette tilfælde defineres dybden af mikrohullet dog af den dybeste del deraf.
35 Om ønsket kan elektrodens overflade dækkes med elektrokatalysator.
Dette materiale kan vælges blandt platin, sølv, guld, iridium, phthalo-cyanin og derivater deraf, etc. Evnen til at katalysere oxygenreduktion bliver højere ved påføring af dette lag.
5 DK 167716 B1
Basiselektroden ifølge opfindelsen kan beskyttes bedre mod kontaminering ved at tildække elektrodeoverfladen med en selektiv permeabel membran. Det er ønskeligt, at denne membran er en polymer, fremstillet ved elektrokemisk polymerisering.
5 For eksempel kan basiselektroden ifølge opfindelsen fremstilles ved hjælp af følgende procedure.
Først imprægneres et bundt af carbonfibre med ikke-1edende harpiks, som indeholder hærdningsmiddel, hvorefter bundtet underkastes en varmebehandlingsproces til hærdning af harpiksen. På denne måde opnås et 10 trådlignende carbonfiberbundt, som er dækket af ikke-ledende harpiks.
Dernæst afskæres carbonfiberbundtet i den ønskede længde, den ene ende af dette bundt poleres, og kabel tråden bindes ved anvendelse af sølvpasta til den anden ende. På den polerede side af bundtet dannes mi krohuller ved ætsning af carbonfibrene ved hjælp af elektrokemisk oxidation 15 som nærmere belyst i det følgende.
Den elektrolyt!ske opløsning kan vælges blandt sure eller basiske opløsninger og alkoholer, såsom methanol, der indeholder supporterende elektrolyt. Dernæst foretages den anodiske oxidation. Ved denne proces forbindes carbonfiberen til anoden, og en metalelektrode anvendes som 20 modelektrode. Oxidationsspændingen er fortrinsvis i området fra 1 til 100 volt. Det foretrækkes endvidere, at oxidation og reduktion gentages skiftevis.
Når overfladen af elektroden skal dækkes med elektrokatalysator, kan anvendes plettering, vakuumfordampning, påsprøjtning, etc.
25 Såvel i basiselektroden som i andre elektroder kan mi krohullet fyl des op med gelatinoidt materiale. Gelatinoide materialer· kan vælges blandt agar, gelatine, polyacrylamidgel, etc.
Forskellige elektroder ifølge den foreliggende opfindelse belyses nærmere nedenfor.
30 (1) Elektrode til måling af koncentrationen af opløst oxygen
Selve basiselektroden kan anvendes som elektrode til måling af koncentrationen af opløst oxygen. Det foretrækkes imidlertid, at basiselektrodens overflade overtrækkes med en selektiv permeabel membran ved 35 hjælp af en elektrokemisk polymerisationsproces. Den bedste metode til elektrokemisk polymerisering er følgende. Den supporterende elektrolyt, såsom natriumperklorat, natriumsulfat, opløses i et organisk opløsningsmiddel, såsom acetonitril, etc. eller i vand, og monomerforbindelsen, DK 167716 B1 6 som skal polymeriseres elektrokemisk, tilsættes, hvorefter det blandede materiale polymeriseres elektrokemisk ved konstant potentiale på 1-1,5 volt. Det indebærer ingen begrænsninger, såfremt polymeren ikke har elektroaktivitet, og endvidere er det den selektivt permeable membran, 5 som beskytter mod kontaminering. Den monomere forbindelse, som kan anvendes til opfindelsen, vælges blandt aminoholdige aromatiske forbindelser eller hydroxy-aromatiske forbindelser, f.eks. 4,4'-diaminodifenyl-æter, 4,4/-diaminodifenylsulfid, fenol, anilin eller fenolderivater, anilinderivater. I overensstemmelse med polymerisationsbetingelser dan-10 nes den elektroaktive membran. Når for eksempel anilin anvendes som monomer, bør alkaliske eller neutrale betingelser vælges, idet membranen ellers har elektroaktivitet.
Gentagen polymerisering foretrækkes, idet dette gør membranover-trækningen fuldstændig og gør den selektive permeabilitet højere.
15 Når oxygensensoren fremstilles ved anvendelse af denne elektrode, kombineres sølv/sølvklorid som modelektrode. Denne elektrode kan ikke alene anvendes til måling af opløst oxygen, men også til måling af andre elektrokemi ske reaktantmaterialer ved at ændre den selektive permeabilitet.
20 (2) Ion-elektroden
Ion-elektroden dækkes med membranen, som afsættes elektrokemisk på basiselektroden og reagerer på hydrogenioner. Membraner, som reagerer på hydrogenioner, er elektropolymeriserede membraner, såsom 2,6-dimethylfe-25 nol, 4,4'-bifenol, 1,2-deaminobenzen, 1-aminopyren, 1,8-diaminonaftalin, 1,5-diaminonaftalin, etc.
For at måle koncentrationen af hydrogenioner dyppes denne elektrode sammen med en referenceelektrode, såsom en mættet calomel elektrode, i opløsningen, og spændingen mellem to elektroder måles.
30 (3) Bio-sensor
Fig. 2 viser elektroden som bio-sensor. Elektroden er dækket med en membran 6, hvori enzym eller mikroorganisme 5 immobil i seres. Alternativt kan de immobil i seres på den indvendige overflade af mikrohullerne 2.
35 I tilfælde af potentiometrimetoden vælges enzymet blandt urease, penicillinase, glukoseoxidase, lipase, etc. I tilfælde af amperometri-metoden vælges det blandt glukoseoxidase, mælkesyreoxidase, L-amino-oxidase, xantionoxidase, urinsyreoxidase, pyruvatoxidase, lactatoxidase, 7 DK 167716 B1 etc., der alle er oxidative enzymer.
Den immobil i serede membran 6 vælges blandt polyvinyl kl orid, poly-acrylamid, acetyl cellul ose, cellulosetriacetat, tværbundet polyvinyl alkohol, etc. Der kan ikke alene anvendes en membran, men også en fiber-5 masse af nylon eller et net deraf.
Enzymer eller mikroorganismer immobil i seres på membranen ved hjælp af adsorption eller inklusion eller ved at fremstille kovalent binding eller ved at tværbinde med glutaraldehyd.
Når enzymer eller mikroorganismer immobil i seres på den indvendige 10 overflade af mi krohul let af ikke-1edende materialer, bindes enzymet til den funktionelle gruppe (f.eks. en aminogruppe) på epoxyharpiksen. For at fremstille en bio-sensor kombineres den enzymimmobili serede elektrode og en modelektrode af sølv/sølvklorid.
15 (4) Referenceelektrode I tilfælde af en referenceelektrode afsættes sølv og sølvhalogenid på basiselektrodens overflade. Klor og brom er foretrukne halogener.
Mere foretrukkent fyldes mi krohuller med gelatinoidt materiale som nævnt ovenfor. Det foretrækkes især, at saltet med halogenionen kan inkluderes 20 i det gelatinoide materiale. Eksempler på den foreliggende opfindelse og sammenligningseksempler fremgår af det følgende.
Eksempel 1, 2, 3 og sammenligningseksempel 1
Et bundt på 1000 carbonfibre (Torayca® T-300 1K med diameter 7 jim) 25 imprægneredes med en epoxyharpiks indeholdende et hærdningsmiddel. Dette imprægnerede bundt af fibre hærdedes efter opvarmning under strækning, således at der opnåedes et kompositmateriale svarende til en tråd med en diameter på ca. 0,3 mm. Efter at overfladen på denne tråd var blevet isoleret fuldstændigt med epoxyharpiks, blev den afskåret. Den ene ende 30 poleredes på konventionel måde, og den anden ende blev bundet til en kabel tråd ved hjælp af sølvpasta, hvorefter elektroden fremstilledes.
Den polerede part dyppedes i vandig svovlsyre (2 mM) og under anvendelse af platintråd som modelektrode foretoges anodisk oxidation under de nedenfor beskrevne betingelser. Afhængigheden af opløsningens 35 strømningshastighed på strømmen for oxygenreduktion undersøgtes ved anvendelse af den opnåede sensor. Nærmere betegnet fyldtes et med en mag-netomrører forsynet bæger med en saltopløsning, og den ovennævnte sensor anvendtes som arbejdselektrode, mens søl v/sølvkl orid anvendtes som mod- DK 167716 B1 8 elektrode, hvorefter opløsningen bragtes i kontakt med luft ved stuetemperatur for at blive mættet med luft.
En negativ spænding på 0,6 volt (vs Ag/AgCl) påførtes arbejdselek-troden, og katodestrømmen måltes. Strømmen måltes, både når magnetomrø- 5 reren roterede så hurtigt den kunne, og når den var standset, og forholdet blev bestemt.
I eksempel 1 blev operationer omfattende oxidation ved 1,75 volt i 15 minutter, derefter reduktion ved -1,2 volt i 1 minut, gentaget 35 gange.
10 I eksempel 2 foretoges efter oxidation ved 0,03 mA i 80 minutter reduktion ved -0,7 volt i 10 minutter i en saltopløsning.
I eksempel 3 foretoges efter oxidation ved 0,5 mA i 9 minutter reduktion ved -0,6 volt i 10 minutter.
Dybden af mikrohullerne i hver elektrode var 120 /xm i eksempel 1, 15 150 /xm i eksempel 2, 240 /xm i eksempel 3.
Den målte værdi for anvendelse af elektroden før anodisk ætsningsbehandling blev vist som sammenligningseksempel.
Resultaterne er vist i tabel I.
20 Tabel I
Strømværdien, når opløsningen er i bevægelse, divideret med strømmen, når opløsningen står stille 25 .............-..................................................
Eksempel 1 1,40
Eksempel 2 1,36
Eksempel 3 1,32 30 Sammenligningseksempel 1 6,02
Eksempel 4 35 Ved anvendelse af et bundt på 1000 carbonfibre (Torayca® T-300 med diameter 7 /xm) opnåedes et kompositmateriale svarende til en tråd med en diameter på ca. 0,3 mm ved hjælp af samme fremgangsmåde som beskrevet i eksempel 1.
DK 167716 Bl 9
Denne tråd blev afskåret, og den ene ende poleredes på konventionel måde, mens den anden ende blev bundet til kabel tråden med sølvpasta. Den polerede del dyppedes i vandig svovlsyre (2 mM) under anvendelse af en platintråd som modelektrode, og den oxideredes elektrokemisk ved 0,5 mA 5 i 9 minutter og reduceredes dernæst ved -0,6 volt i 20 minutter.
Ved iagttagelse med et scannings-elektronmikroskop (SEM) bestemtes dybden af den ætsede del af carbonfibrene til at være ca. 100 jum, og overfladen af elektroden var spids som en blyant.
Et tyndt platinlag påførtes den ovennævnte mi krohul elektrode ved 10 anvendelse af den i det følgende forklarede fremgangsmåde. Mi krohulelektroden dyppedes i en vandig opløsning indeholdende klorplatinsyre (0,037 mol/1), ammoniumfosfat (0,134 mol/1) og natriumfosfat (0,704 mol/1), og strømmen forløb til en mængde på 8 mC under anvendelse af platin som modelektrode. Dernæst vaskedes den opnåede elektrode grundigt med de-15 ioniseret vand. Ved iagttagelse med SEM bestemtes det, at et tyndt platinlag på ca. 0,6 μιη adhærerede ensartet til elektroden.
Fig. 3 viser forløbet af elektrodekontamineringen, når en elektrode efter plettering med platin (betegnet "Platin" i figuren) og elektroden før plettering med platin (betegnet "Carbon" i figuren) anbragtes i LB-20 kulturpræparat (37°C).
Carbonelektroden er vist med punkteret streg, og platinelektroden med fuldt optrukket streg. Hver af de nedre linier viser værdien, når elektroden ikke havde mi krohuller, og den øvre linie viser værdien, når elektroden havde mikrohuller af en dybde på ca. 100 /im. I begge tilfælde 25 var faldet for oxygenreduktionsstrøm lav i tilfælde af mi krohullerne (mi krohul effekt). Det antages, at mikrohullerne virker som et filter, som gør det vanskeligt for elektrodekontamineringen at passere.
For den ovennævnte elektrode, som var pletteret med platin, var den faldende oxygenreduktionsstrøm ca. 5% indtil 24 timer senere, hvorefter 30 den var konstant.
En tynd membran af polyanilin afsattes elektrokemisk på den ovennævnte med platin pletterede elektrode.
Nærmere betegnet dyppedes mikrohulelektroden i en acetonitrilopløs-ning indeholdende anilin (0,01 mol/1), natriumperklorat (0,1 mol/1) og 35 pyridin (0,02 mol/1), hvorefter polymeriseri ngen foretoges, indtil strømmen ikke kunne løbe ved 1,2 volt (vs. SCE). Ved iagttagelse med SEM bestemtes det, at en tynd polymermembran var dannet på platin.
Når den således opnåede elektrode forblev i LB-kulturpræparat ved 10 DK 167716 B1 37°C i 10 dage, kunne et fald i værdien for oxygenreduktionsstrømmen overhovedet ikke iagttages. Der var heller ingen problemer, selv når sterilisationen gentoges 10 gange.
5 Eksempel 5
Der fremstilledes en elektrode som i eksempel 1, bortset fra at diameteren af carbonfiberen var 5 pi.
Den polerede del dyppedes i vandig svovlsyre (2 mM) under anvendelse af en platintråd som modelektrode, og den oxideredes elektrokemisk 10 ved en konstant strøm på 0,2 mA. Carbonfibrene ætsedes ca. 100 pi. Dernæst påtrykkedes -0,7 volt i 20 minutter.
På tilsvarende måde ætsedes carbonfiberelektroderne ca. 100 pi under anvendelse af bundter af 100 fibre med diameter på henholdsvis 20 pi og 30 μηι.
15 En negativ ladning (-0,7 v) påførtes hver af disse elektroder under anvendelse af en elektrode af sølv/sølvklorid som modelektrode i en opløsning af LB-kul turpræparat. Faldet i oxygenreduktionsstrøm bestemtes efter 24 timer. Resultatet er vist i tabel II. Faldet er lille, når mi-krohullet er lille.
20
Tabel II
Diameter af Fald i oxygenreduktionsstrøm (%) carbonfiber (μηι) 25 ..........------------------------------------------ 5 10 7 15 20 35 30 50 30 -----------------------------------------------------
Eksempel 6
Der fremstilledes elektroder ved hjælp af samme fremgangsmåde som i eksempel 4, bortset fra, at der anvendtes fenol, 2,5-dimethylfenol, 35 4,4,-diaminodifenylæter istedet for anilin. Uanset at elektroderne hen-stod i LB-kulturpræparat ved 37°C i 10 dage, iagttoges intet fald i oxy-genredukti onsstrøm.
11 DK 167716 Bl
Eksempel 7
Et bundt på 3000 carbonfibre (Torayca® T-300 med diameter 7 /im) anbragtes i et polyethylenrør (indvendig diameter 2 mm) af en længde på 35 cm, og den ene ende af carbonfibrene fikseredes til rørets yderside.
5 En epoxyharpiks (fremstillet af Toray-Hysol Co. Ltd.,) indeholdende hærdn!ngsmiddel hældtes i fra åbningen, hvor carbonfibrene var fikserede. Der efterhærdedes ved ca. 60°C i 1¾ time, hvorefter det hærdede carbonfiberkompositmateriale blev trukket ud fra røret og skåret i længder på 10 cm. Dernæst behandledes det med varme ved hjælp af en elek-10 tri sk ovn. Den ene ende af dette carbonfiberkompositmateriale blev bundet til en kabel tråd med sølvpasta, og den anden ende poleredes ved hjælp af en konventionel metode, efter at sideoverfladen var blevet isoleret fuldstændig med epoxyharpiks.
En del af carbonfibrene fjernedes ved anodisk oxidation af denne 15 elektrode i vandig svovlsyre (2 mM) ved anvendelse af platinplade som modelektrode. Den anodiske oxidation foretoges ved konstant strøm 1 mA i henholdsvis 10 minutter og 20 minutter. Dybden af mikrohullerne var 90 /im ved 10 minutter og 140 /im ved 20 minutter. En negativ ladning (-0,6 v) påførtes denne elektrode i en saltopløsning under anvendelse af 20 sølv/sølvklorid som modelektrode, hvorefter værdien af opløst oxygenreduktionsstrøm måltes. Derefter divideredes strømværdien, når opløsningen blev omrørt, med strømværdien, når den stod stille. Værdierne var 1,57 og 1,34, når den anodiske oxidation foretoges i henholdsvis 10 og 20 minutter.
25
Eksempel 8
Et kompositmateriale af carbonfiber og epoxyharpiks fremstilledes som i eksempel 1, bortset fra, at antallet af fibre var 3000. Når dette carbonfiberkompositmateriale oxideredes anodisk ved konstant strøm (1 30 mA) i vandig svovlsyre (2 mM) under anvendelse af platinplade som modelektrode, ætsedes carbonfibrene ca. 200 /«n. Dernæst foretoges plettering med platin på carbonfibrene som i eksempel 4 i et omfang på 12 mC.
Temperaturafhængigheden for værdien af oxygenreduktionsstrømmen for denne elektrode var mindre end 0,8%/°C. Denne værdi er mindre end for en 35 Clark oxygensensor, som ligger i intervallet fra 4 til 5%/°C (jvf. "The optimum measuring and control of the fermentation process", Science Forum, side 214).
Enden af denne elektrode dyppedes i polyvinyl kl orid (fremstillet af DK 167716 B1 12
Kanto Chemical Co. Ltd.,) 8 vægt% opløsning (dimethyl formamid) og forblev i methanol i 3 timer. Dernæst vaskedes den grundigt med deioniseret vand, forblev i 20 cc fosfatpufferopløsning (0,066 M), indeholdende 5 mg glukoseoxidase (fremstillet af Nagase Co. Ltd.,) i 10 timer. Den vaske-5 des med deioniseret vand, og -0,6 v pålagdes (vs.SCE) i fosfatpufferopløsning (0,66 M) under anvendelse af en mættet calomel elektrode som referenceelektrode og platintråd som modelektrode. Denne gang var relationen mellem koncentrationen af glukose og faldet i oxygenreduktionsstrøm lineær. Det tog 60 sekunder, før strømmen blev konstant. Den 10 ændrede strømværdi ved temperaturændring af opløsningen var 1,4%/°C.
Når potentialet (som påførtes denne enzymelektrode) ændredes til +0,6 v (vs SCE), var der ved den foretagne undersøgelse en god lineær relation mellem glukosekoncentrationen og oxidationsstrømmen (strøm til hydrogenperoxidoxidation).
15
Eksempel 9
Carbonfiberkompositmaterialet fremstilledes ved hjælp af samme fremgangsmåde som i eksempel 8, og carbonfibrene ætsedes ca. 200 pi. På 3 én gang dyppedes materialet i 20 cm fosfatpufferopløsning (0,066 M) in-20 deholdende 10 mg glukoseoxidase i 10 timer. Det vaskedes grundigt med deioniseret vand, og relationen mellem glukosekoncentrationen og faldet i oxygenreduktionsstrøm som i eksempel 6 var en ret linie, der passerede gennem nulpunktet. Strømændringen ved en temperaturændring af opløsningen var 1%/°C.
25
Eksempel 10
Et carbonfiberkompositmateriale fremstilledes under anvendelse af et bundt på 1000 carbonfibre (Torayca® T-300 med diameter 7 pi) som i eksempel 1.
30 Dette kompositmateriale oxideredes elektrokemisk ved konstant strøm (0,34 mA) i vandig svovlsyre (2 mM) og ætsedes anodisk til ca. 200 pi.
En polymermembran afsattes elektrokemisk ved 1,5 volt (vs. SCE) i 10 minutter i acetonitrilopløsning indeholdende 2,6-dimethyl fenol (20 mM) og natriumperklorat (0,2 M) under anvendelse af platintråd som 35 modelektrode og en mættet calomel elektrode som referenceelektrode. Potentialet i forskellige pH-opløsninger undersøgtes ved anvendelse af denne elektrode, og der opnåedes en god lineær relation med en hældning på -56 mV/pH. Elektroden reagerede på ét minut, når den fjernedes fra pH
DK 167716 B1 13 2-opløsning til pH 10-opløsning.
Sammenligningseksempel 2
Potentialekonsistensen undersøgtes ved anvendelse af samme pH-elek-5 trode som i eksempel 10 og denne samme elektrode (men uden mi krohul) i en fosfatpufferopløsning, som indeholdt gærekstraktessens (0,5 vægt%), bactotrypton (0,3 vægt%). Resultatet var, at elektroden med mi krohuller gav stabilt potentiale, mens elektroden uden mi krohul gav potentialeforskydning med en fejl på 60 mV.
10
Eksempel 11
Den samme elektrode fremstilledes, bortset fra, at ætsningsdybden var 100 /zm. Denne elektrode pletteredes med platin med en mængde på 4 mC som beskrevet i eksempel 4.
15 En polymer afsattes elektrokemisk på denne elektrode ved 1,0 volt (vs. SCE) potentiale i en fosfatpufferopløsning (2 M, pH=7), som indeholdt 1,2-diaminobenzen (20 mM) i 10 minutter under anvendelse af pla-tintråd som modelektrode og en mættet calomel elektrode som referenceelektrode. Som ved anvendelsen af denne elektrode undersøgtes potentia-20 let i opløsninger ved forskellige pH-værdier, og der opnåedes en god lineær relation ved en hældning på -53 mV/pH mellem pH 4 og pH 9.
Mi kroelektroden ifølge den foreliggende opfindelse er nyttig til forskellige elektroder til elektrokemi ske analyser, og den er især egnet 25 som elektrode til måling af koncentrationen af opløst oxygen, koncentrationen af ioner, som bio-sensor eller som referenceelektrode.

Claims (10)

1. Mi kroelektrode til anvendelse ved elektrokemisk analyse omfattende et bundt af parallelle carbonfibre anbragt i en matrix af ikke- 5 ledende harpiks, hvor elektroden terminerer i en brydningsflade, der er tværstillet i forhold til aksen af bundtet, KENDETEGNET ved, at fibrene er recesserede fra fladen og kommunikerer dermed gennem huller i matrixen, hvilke er coaksiale med hver fiber.
2. Mi kroelektrode ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at carbonfibrenes diameter er mindre end 20 /zm.
3. Mi kroelektrode ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at hullets dybde er fra 0,5 til 500 /zm.
4. Mi kroelektrode ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at den ikke-ledende harpiks er udvalgt blandt floureret harpiks, polyesterharpiks, epoxyharpiks, polyfenylenoxidharpiks, polyfenylensulfidharpiks, urethan-harpiks, silikoneharpiks, vinyl kloridharpiks og fenol harpiks. 20
5. Mi kroelektrode ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at de recesserede ender af carbonfibrene er overtrukket med en selektivt permeabel membran.
6. Mi kroelektrode ifølge krav 5, KENDETEGNET ved, at den selektivt permeable membran er en elektropolymeriseret membran.
7. Mi kroelektrode ifølge krav 6, KENDETEGNET ved, at den elektropolymeri serede membran i det væsentlige er fri for elektroaktivitet til 30 måling af koncentrationen af opløst oxygen.
8. Mi kroelektrode ifølge krav 6, KENDETEGNET ved, at den elektropolymeri serede membran reagerer over for hydrogenionkoncentration.
9. Mi kroelektrode ifølge hvert af de foregående krav, KENDETEGNET ved, at enzymer og mikroorganismer er immobil i seret nær de recesserede carbonfi berender. 5 DK 167716 B1 15
10. Mi kroelektrode ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at de recesse-rede carbonf i berender bærer et underdække af sølv og et topdække af sølvhalogenid. 10 15
DK673187A 1986-04-22 1987-12-21 Mikroelektrode til elektrokemisk analyse DK167716B1 (da)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9267686 1986-04-22
JP9267686 1986-04-22
PCT/JP1987/000252 WO1987006701A1 (en) 1986-04-22 1987-04-21 Microelectrode for electrochemical analysis
JP8700252 1987-04-21

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DK673187D0 DK673187D0 (da) 1987-12-21
DK673187A DK673187A (da) 1987-12-22
DK167716B1 true DK167716B1 (da) 1993-12-06

Family

ID=14061085

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DK673187A DK167716B1 (da) 1986-04-22 1987-12-21 Mikroelektrode til elektrokemisk analyse

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4908115A (da)
EP (1) EP0266432B1 (da)
DE (1) DE3776081D1 (da)
DK (1) DK167716B1 (da)
WO (1) WO1987006701A1 (da)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8729002D0 (en) * 1987-12-11 1988-01-27 Iq Bio Ltd Electrode material
DE3816458A1 (de) * 1988-05-13 1989-12-21 Josowicz Mira Ultramikroelektrode, verfahren zu deren herstellung und ihre verwendung
GB8924338D0 (en) * 1989-10-28 1989-12-13 Atomic Energy Authority Uk Electrodes
GB8927377D0 (en) * 1989-12-04 1990-01-31 Univ Edinburgh Improvements in and relating to amperometric assays
SE468179B (sv) * 1990-05-09 1992-11-16 Sensistor Ab Elektrokemisk maetelektrod och foerfarande foer framstaellning av maetelektroden
JP2816262B2 (ja) * 1991-07-09 1998-10-27 工業技術院長 炭素微小センサー電極およびその製造方法
WO1995004928A1 (en) * 1993-08-11 1995-02-16 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation A microelectrode assembly
EP0692711A1 (en) * 1994-01-25 1996-01-17 Kemerovsky Gosudarstvenny Universitet Electronic system and device for the investigation of materials by the method of voltametric analysis
EP0767372A1 (de) * 1995-10-06 1997-04-09 Metrohm Ag Ionenselektive Elektrode
US5955887A (en) * 1995-12-22 1999-09-21 The B. F. Goodrich Company Impedance type ice detector
DE19653436C1 (de) * 1996-12-20 1998-08-13 Inst Chemo Biosensorik Elektrochemischer Sensor
WO1999030143A1 (en) * 1997-12-05 1999-06-17 The Victoria University Of Manchester Sensor devices and methods for using them
GB9809918D0 (en) 1998-05-08 1998-07-08 Isis Innovation Microelectrode biosensor and method therefor
JP3632558B2 (ja) * 1999-09-17 2005-03-23 日立化成工業株式会社 封止用エポキシ樹脂組成物及び電子部品装置
ATE331214T1 (de) * 1999-10-07 2006-07-15 Pepex Biomedical Llc Sensor, bestehend aus einer isolierenden ummantelung, enthaltend darin eine vielzahl von leitfähigen fasern, die zumindestens teilweise von einem sensitiven material umgeben sind und hohlräume zwischen den fasern enthalten
US7723099B2 (en) * 2003-09-10 2010-05-25 Abbott Point Of Care Inc. Immunoassay device with immuno-reference electrode
DE102006054947A1 (de) * 2006-11-22 2008-05-29 Dräger Safety AG & Co. KGaA Elektrochemischer Gassensor mit zumindest einer punktförmigen Messelektrode
US20080138663A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-12 Canon Kabushiki Kaisha Microbial electrode and fuel cell and sensor using the same
US9044178B2 (en) * 2007-08-30 2015-06-02 Pepex Biomedical, Llc Electrochemical sensor and method for manufacturing
US8702932B2 (en) 2007-08-30 2014-04-22 Pepex Biomedical, Inc. Electrochemical sensor and method for manufacturing
WO2010056876A2 (en) 2008-11-14 2010-05-20 Pepex Biomedical, Llc Manufacturing electrochemical sensor module
US8951377B2 (en) 2008-11-14 2015-02-10 Pepex Biomedical, Inc. Manufacturing electrochemical sensor module
WO2010056878A2 (en) 2008-11-14 2010-05-20 Pepex Biomedical, Llc Electrochemical sensor module
US9351677B2 (en) 2009-07-02 2016-05-31 Dexcom, Inc. Analyte sensor with increased reference capacity
WO2011003036A2 (en) * 2009-07-02 2011-01-06 Dexcom, Inc. Continuous analyte sensors and methods of making same
WO2012159040A2 (en) 2011-05-19 2012-11-22 Pepex Biomedical Inc. Fluid management and patient monitoring system
WO2012162151A2 (en) 2011-05-20 2012-11-29 Pepex Biomedical, Inc. Manufacturing electrochemical sensor modules
EP2925229A4 (en) 2012-12-03 2017-01-25 Pepex Biomedical, Inc. Sensor module and method of using a sensor module
EP2769689B8 (en) 2013-02-25 2018-06-27 Stryker European Holdings I, LLC Computer-implemented technique for calculating a position of a surgical device
BR112016028536B1 (pt) 2014-06-04 2021-11-30 Pepex Biomedical, Inc Sensor compreendendo um membro de perfuração de pele e uma zona de análise de amostra de sangue
CN104865301B (zh) * 2015-04-27 2017-10-03 清华大学 一种共轴型复合式氧微电极及其制备方法
CN108607796A (zh) * 2016-12-21 2018-10-02 中国航空制造技术研究院 一种电解加工阴极绝缘涂层的制备方法
CN111505071B (zh) * 2020-04-13 2022-06-10 商丘师范学院 一种pH和AA同时检测一体化微电极传感器及其制备方法和应用
FR3118177A1 (fr) * 2020-12-22 2022-06-24 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Électrode pour biocapteur enzymatique à matériau fibreux, son procédé de préparation et ledit biocapteur

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3129161A (en) * 1958-10-10 1964-04-14 Engelhard Ind Inc Reference electrode assembly
CH559912A5 (da) * 1971-09-09 1975-03-14 Hoffmann La Roche
US4108754A (en) * 1974-08-07 1978-08-22 Ontario Limited Carbon fiber electrode
US4016063A (en) * 1975-08-06 1977-04-05 Desmond Arpad Radnoti Electrode shield
US4119513A (en) * 1977-03-07 1978-10-10 Uop Inc. Oxygen sensor for industrial air/fuel control
US4369104A (en) * 1979-10-22 1983-01-18 Hitco Continuous filament graphite composite electrodes
DE3129988A1 (de) * 1981-07-29 1983-02-17 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München "verfahren und vorrichtung zur bestimmung von harnstoff"
US4680100A (en) * 1982-03-16 1987-07-14 American Cyanamid Company Electrochemical cells and electrodes therefor
US4439303A (en) * 1982-06-28 1984-03-27 Maurice Cocchi Crystallographically-oriented spatially-dispersed conductive fiber electrode
US4431508A (en) * 1982-12-10 1984-02-14 Brown Jr Harold M Solid state graphite electrode
US4473450A (en) * 1983-04-15 1984-09-25 Raychem Corporation Electrochemical method and apparatus
JPS6052759A (ja) * 1983-08-31 1985-03-26 Terumo Corp 酸素センサ−
JPS6077984A (ja) * 1983-10-05 1985-05-02 Rikagaku Kenkyusho イオン注入による炭素電極
JPS617463A (ja) * 1984-06-22 1986-01-14 Sadaichi Murai カーボン電極を備えたpHおよびイオン濃度測定用電極の製造方法
US4561963A (en) * 1984-07-30 1985-12-31 Zinetics Medical Technology Corporation Antimony and graphite hydrogen ion electrode and method of making such electrode
GB8508053D0 (en) * 1985-03-28 1985-05-01 Genetics Int Inc Graphite electrode

Also Published As

Publication number Publication date
US4908115A (en) 1990-03-13
EP0266432A4 (en) 1988-09-28
DK673187A (da) 1987-12-22
DE3776081D1 (de) 1992-02-27
WO1987006701A1 (en) 1987-11-05
EP0266432A1 (en) 1988-05-11
EP0266432B1 (en) 1992-01-15
DK673187D0 (da) 1987-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK167716B1 (da) Mikroelektrode til elektrokemisk analyse
US6413396B1 (en) Enzyme electrode sensor and manufacturing method thereof
KR890004367B1 (ko) 효소센서
Feng et al. Low-fouling nanoporous conductive polymer-coated microelectrode for in vivo monitoring of dopamine in the rat brain
US8309362B2 (en) Process for the preparation of modified electrodes, electrodes prepared with said process, and enzymatic biosensors comprising said electrodes
Zhang et al. Glucose nanosensor based on Prussian‐blue modified carbon‐fiber cone nanoelectrode and an integrated reference electrode
Wang et al. Enzyme microelectrode array strips for glucose and lactate
Roy et al. Vertically aligned carbon nanotube probes for monitoring blood cholesterol
Miao et al. Construction of a glucose biosensor immobilized with glucose oxidase in the film of polypyrrole nanotubules
Jobst et al. Thin-film Clark-type oxygen sensor based on novel polymer membrane systems for in vivo and biosensor applications
JPH09229894A (ja) 選択性が向上し、感度が強化された電気化学的センサー
JPH10505421A (ja) 皮下グルコース電極
Wang et al. Ultrathin porous carbon films as amperometric transducers for biocatalytic sensors
Wang et al. One-step electropolymeric co-immobilization of glucose oxidase and heparin for amperometric biosensing of glucose
Yu et al. Coil-type implantable glucose biosensor with excess enzyme loading
Liu et al. Enzyme biosensors for point-of-care testing
Mac Kenna et al. Impedimetric transduction of swelling in pH-responsive hydrogels
Navera et al. Nafion‐coated carbon fiber for acetylcholine and choline sensors
Netchiporouk et al. Properties of carbon fibre microelectrodes as a basis for enzyme biosensors
Yang et al. An Integrated Needle‐Type Biosensor for Intravascular Glucose and Lactate Monitoring
Navera et al. Micro-choline sensor for acetylcholinesterase determination
KR101163678B1 (ko) 크레아틴의 방해영향을 줄인 크레아티닌 바이오센서
CN114366092A (zh) 基于电共沉积电子介体的微针传感器及其制备方法
CN110243914A (zh) 一种测定溶解氧的全固态电化学高分子传感器
Wang et al. An all-solid-state potentiometric microsensor for real-time monitoring of the calcification process by Bacillus subtilis biofilms

Legal Events

Date Code Title Description
B1 Patent granted (law 1993)
PBP Patent lapsed