DE102005007539A1

DE102005007539A1 - Redox-active material determining mechanism, has electrochemical measuring cell that reacts analyte with working electrode to adjust concentration ratio of redox mediator components at redox-cycling electrodes

Info

Publication number: DE102005007539A1
Application number: DE200510007539
Authority: DE
Inventors: Paul Jeroschewski; Björn Spilker; Harald Grabow; Jean Randhahn
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

The mechanism has an electrochemical measuring cell (1) that reacts an analyte with a working electrode (9) in an electrode reaction. The reaction amplifies an electrical current signal by a redox-cycling process of redox-mediators at redox-cycling electrodes (2, 3) to extract a concentration variable measuring signal. The concentration ratio of mediator components is adjusted at the electrodes (2, 3) by the electro-chemical reaction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung von redoxaktiven Stoffen in elektrochemischen Messzellen mit Redoxmediatoren.The The invention relates to a device for the determination of redox-active Substances in electrochemical measuring cells with redox mediators.

Elektrochemische Messzellen werden in breitem Umfang in der Stoffanalytik eingesetzt, wobei als wichtigste Messprinzipien die Potentiometrie, Voltammetrie/Polarographie, Coulometrie und Konduktometrie zu nennen sind. Die amperometrische Variante, die sich von der Voltammetrie ableitet, nutzt als Messsignal den elektrischen Strom bei einem vorgegebenen Elektrodenpotential, der bei der Oxidation bzw. Reduktion des zu bestimmenden Stoffes (Analyt) in einer elektrochemischen Messzelle auftritt. Bei dieser Variante besteht ein direkter linearer Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der Analytkonzentration bis in den unteren mikromolaren Konzentrationsbereich hinein. Ein Beispiel hierfür ist der weit verbreitete Clark-Sensor zur Sauerstoffbestimmung (M.L. Hitchman. Measurement of Dissolved Oxygen. John Wiley, 2. edition, 1978.].electrochemical Measuring cells are widely used in substance analysis, the most important measuring principles being potentiometry, voltammetry / polarography, Coulometry and conductometry are mentioned. The amperometric variant, which derives from the voltammetry uses as a measurement signal the electric current at a given electrode potential, the in the oxidation or reduction of the substance to be determined (analyte) occurs in an electrochemical measuring cell. In this variant there is a direct linear relationship between the measurement signal and the analyte concentration down to the lower micromolar concentration range into it. An example of this is the widely used Clark sensor for oxygen determination (M.L. Hitchman. Measurement of Dissolved Oxygen. John Wiley, 2nd edition, 1978.].

Grundsätzliche Voraussetzungen für die Anwendung amperometrischer Messzellen sind die folgenden Bedingungen: (i) Der Analyt muss unter den vorliegenden Bedingungen elektrochemisch aktiv sein, d.h. an der Messelektrode oxidiert oder reduziert werden; (ii) die Elektrodenreaktionen müssen schnell ablaufen; (iii) die Elektrodenoberflächen dürfen durch den elektrochemischen Prozess oder andere Vorgänge in der Messzelle nicht blockiert werden (keine Passivierung oder Deckschichtbildung an den Elektroden). Nicht immer sind diese Voraussetzungen voll erfüllt, sodass unter Umständen ein reversibles Redoxpaar als Redoxmediator eingesetzt werden muss. Der Redoxmediator reagiert in einer schnellen homogenen Redoxreaktion mit dem Analyten vor der Elektrodenoberfläche, um dann seinerseits durch eine elektrochemische Reduktion bzw. Oxidation regeneriert zu werden, d.h. die Elektronenübertragung in der Messzelle erfolgt über den Redoxmediator. Solche Messzellen gestatten Messungen, die in Abwesenheit des Redoxmediators nur schlecht oder nicht möglich wären. Ein Beispiel hierfür ist die amperometrische H₂S-Bestimmung mit Hilfe von Ferri-/Ferrocyanid als Redoxmediator [P. Jeroschewski, M. Söllig, H. Berge: Amperometrische Bestimmung von Schwefelwasserstoff, Z. Chem. 28 (1988) 75]. Ein grundsätzliches Problem amperometrischer Messzellen ist ihre Strömungsabhängigkeit, die aus dem Analytverbrauch beim Messvorgang resultiert. Zeitlich stabile Messsignale können nur erreicht werden, wenn durch Diffusionsbarrieren, z.B. in Form einer Kapillare [City Technology Ltd.: Technical Information Sheet No.7 (1986)] oder durch Rühren bzw. Anströmen konstante Transportverhältnisse an der Sensoroberfläche eingestellt werden. Bei bestimmten Messaufgaben lassen sich solche Verhältnisse jedoch nicht ohne weiteres realisieren, wie z.B. bei Messungen mit einer hohen Ortsauflösung in Sedimenten oder Biofilmen. Durch Verwendung von amperometrischen Mikrosensoren kann dieses Problem umgangen werden, da durch die sphärische Diffusion und die äußerst geringen Stoffumsätze Zehrungseffekte vernachlässigbar klein sind und nicht mehr ins Gewicht fallen [P. Jeroschewski, C. Steuckart, M. Kühl: An Amperometric Microsensor for the Determination of H₂S in Aquatic Environments, Anal. Chem. 68 (1996) 4351–4357]; jedoch sind die Messströme unter diesen Bedingungen sehr gering und liegen im Pikoamperebereich. Die Bestimmungsgrenze amperometrischer Mikrosensoren liegt im mikromolaren Konzentrationsbereich.Basic requirements for the use of amperometric measuring cells are the following conditions: (i) the analyte must be electrochemically active under the present conditions, ie oxidized or reduced at the measuring electrode; (ii) the electrode reactions must be fast; (iii) the electrode surfaces must not be blocked by the electrochemical process or other processes in the measuring cell (no passivation or coating on the electrodes). These requirements are not always fully met, so that under some circumstances a reversible redox couple must be used as the redox mediator. The redox mediator reacts in a rapid homogeneous redox reaction with the analyte in front of the electrode surface, in turn then to be regenerated by an electrochemical reduction or oxidation, ie the electron transfer in the measuring cell via the redox mediator. Such measuring cells allow measurements that would be poor or impossible in the absence of the redox mediator. An example of this is the amperometric H ₂ S determination with the aid of ferric / ferrocyanide as redox mediator [P. Jeroschewski, M. Söllig, H. Berge: Amperometric determination of hydrogen sulfide, Z. Chem. 28 (1988) 75]. A fundamental problem of amperometric measuring cells is their flow dependence, which results from the analyte consumption during the measuring process. Time-stable measuring signals can only be achieved if constant transport conditions on the sensor surface are set by means of diffusion barriers, for example in the form of a capillary [City Technology Ltd .: Technical Information Sheet No. 7 (1986)] or by stirring or onflow. For certain measurement tasks, however, such relationships can not be easily realized, as for example in measurements with a high spatial resolution in sediments or biofilms. By using amperometric microsensors, this problem can be circumvented because, due to the spherical diffusion and the extremely low substance conversions, the effects of the carbonation are negligibly small and no longer significant [P. Jeroschewski, C. Steuckart, M. Kühl: An Amperometric Microsensor for the Determination of H ₂ S in Aquatic Environments, Anal. Chem. 68 (1996) 4351-4357]; however, the measurement currents are very low under these conditions and are in the picoampere range. The limit of quantification of amperometric microsensors is in the micromolar concentration range.

Sie ist durch den Aufbau der Messzelle (sehr geringe Elektrodenoberfläche) gegeben, der neben dem Gehalt des Analyten den Umfang der elektrochemischen Reaktion bestimmt. Unterhalb des mikromolaren Konzentrationsbereiches ist der Umfang der elektrochemischen Reaktion so gering, dass sich das Messsignal nicht mehr signifikant vom Grundstrom der Messzelle unterscheidet. Unter diesen Bedingungen sind keine sinnvollen Messungen mehr möglich. Eine Vergrößerung des Messsignals kann erreicht werden, wenn eine Vielzahl von parallel geschalteten Mikroelektroden zu einem Array angeordnet wird [W. E. Morf, N. F. de Rooij: Sensors and Actuators B 44 (1997) 538-541], vorausgesetzt, der Abstand der Mikroelektroden ist ausreichend groß, um eine ungestörte hemisphärische Diffusion zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen ergibt sich das Messsignal aus der Summe des Stromes an den einzelnen Mikroelektroden im Array. Allerdings addieren sich auch die Grundströme der einzelnen Mikroelektroden.she is given by the structure of the measuring cell (very small electrode surface), in addition to the content of the analyte the scope of the electrochemical Reaction determined. Below the micromolar concentration range the extent of the electrochemical reaction is so small that the Measuring signal no longer significantly different from the basic current of the measuring cell. Under these conditions, meaningful measurements are no longer possible. A Magnification of the Measurement signal can be achieved when a variety of parallel switched microelectrodes is arranged in an array [W. E. Morf, N.F. de Rooij: Sensors and Actuators B 44 (1997) 538-541], provided that the spacing of the microelectrodes is sufficiently large to allow one undisturbed hemispheric To ensure diffusion. Under these conditions, the measurement signal results from the sum the current at the individual microelectrodes in the array. Indeed the basic currents also add up the individual microelectrodes.

Eine weitere Möglichkeit zur wesentlichen Vergrößerung des Messsignals besteht in der Nutzung des Redoxcyclingeffektes, der an interdigitierten Mikroelektrodenarrays [O. Niwa, M. Morita, H. Tabei: Anal. Chem. 62 (1990) 447-452] oder in Kapillarspaltzellen mit Elektrodenabständen von wenigen Mikrometern [S. A. Brooks, R. T. Kennedy: J. Electroanal. Chem. 436 (1997) 27-34] in Gegenwart eines reversiblen Redoxpaares realisiert werden kann. Wegen des sehr geringen Diffusionsweges erfolgt ein rascher Stoffaustausch der oxidierten und reduzierten Form des Redoxpaares zwischen den als Anode und Kathode geschalteten Mikroelektroden (Feedback-Diffusion). Die Elektrodenpotentiale von Anode und Kathode müssen dabei mit Hilfe einer Potentialkontrolle auf eine bestimmte Potentialdifferenz eingestellt werden, die das gewünschte Redoxcycling ermöglicht.A another possibility for substantial enlargement of the Measuring signal consists in the use of the Redoxcyclingeffektes, the on interdigitated microelectrode arrays [O. Niwa, M. Morita, H. Tabei: Anal. Chem. 62 (1990) 447-452] or in capillary gap cells with electrode gaps of a few micrometers [S. A. Brooks, R.T. Kennedy: J. Electroanal. Chem. 436 (1997) 27-34] in the presence of a reversible redox couple can be realized. Because of the very small diffusion path a rapid mass transfer of the oxidized and reduced form takes place of the redox pair between the anode and cathode connected Microelectrodes (feedback diffusion). The electrode potentials of Anode and cathode need doing so with the help of a potential control to a certain potential difference be set, the desired Redoxcycling allows.

Eine analytische Nutzung des Redoxcyclings zur Vergrößerung des Messsignals und zur Verringerung der Bestimmungsgrenze ist auf diese Weise unmittelbar möglich, wenn der Analyt selbst ein reversibles Redoxpaar bilden kann [O. Niwa: Electroanalysis 7 (1995) 606-613 und J. Polonsky, M. Rievaj, D. Bustin: Chem. Anal. (Warsaw) 42 (1997) 445-450]. Eine Stromverstärkung lässt sich auch mit sogenannten elektrochemischen Transistoren realisieren [H. Letaw Jr., J. Bardeen: J. Appl. Physics 25 (1954) 600-606 und L. M. Lapides, G. I. Kharanovich: Soviet Journal of Instrumentation and Control 3 (1967) 62-64]. Dabei handelt es sich um elektrochemische Zellen mit reversiblen Redoxmediatoren und mehreren Elektroden, wobei sich mindestens zwei Elektroden in großer räumlicher Nähe befinden müssen, an denen ein Redoxcycling durch Feedbackdiffusion ablaufen kann. Dieser Aufbau ist ein direktes elektrochemisches Analogon zu üblichen Festkörpertransistoren, wie sie u.a. für Stromverstärkungen eingesetzt werden.An analytical use of redox recycling in order to increase the measuring signal and to reduce the limit of quantification, it is immediately possible in this way if the analyte itself can form a reversible redox couple [O. Niwa: Electroanalysis 7 (1995) 606-613 and J. Polonsky, M. Rievaj, D. Bustin: Chem. Anal. (Warsaw) 42 (1997) 445-450]. A current gain can also be realized with so-called electrochemical transistors [H. Letaw Jr., J. Bardeen: J. Appl. Physics 25 (1954) 600-606 and LM Lapides, GI Kharanovich: Soviet Journal of Instrumentation and Control 3 (1967) 62-64]. These are electrochemical cells with reversible redox mediators and multiple electrodes, with at least two electrodes in close proximity to each other, where redox cycling can occur through feedback diffusion. This structure is a direct electrochemical analogue to conventional solid-state transistors, such as those used for current amplification.

Die analytische Nutzung des Redoxcyclings in membranbedeckten elektrochemischen Messzellen mit Arbeitselektroden in großer räumlicher Nähe in Kombination mit einer Steuereinheit [ DE 100 01 923 C1 ] bietet die Möglichkeit, sehr geringe Stoffmengen zu bestimmen. Dabei finden in dem Elektrolytfilm zwischen den Arbeitselektroden die Reaktion des Analyten mit einer Komponente des Redoxmediators und die Feedback-Diffusion als Grundlage des Redoxcyclings statt. Im Gegensatz zur amperometrischen Messzelle, die bei konstanter Analytkonzentration ein konstantes Messsignal liefert, steigt bei einer Messzelle mit Redoxcycling der Strom mit der Zeit an. Damit kann die Größe des Messsignals über die Dauer der Messphase beeinflusst werden. Durch eine alternierende Schaltung zwischen Mess- und Rückstellphase sind kontinuierliche Messungen möglich.The analytical use of redox cycling in membrane-covered electrochemical cells with working electrodes in close proximity in combination with a control unit [ DE 100 01 923 C1 ] offers the possibility to determine very small amounts of substance. In this case, in the electrolyte film between the working electrodes, the reaction of the analyte with a component of the redox mediator and the feedback diffusion take place as the basis of the redox recycling. In contrast to the amperometric measuring cell, which delivers a constant measuring signal at a constant analyte concentration, the current increases over time in a measuring cell with redox cycling. Thus, the size of the measurement signal over the duration of the measurement phase can be influenced. Through an alternating circuit between measuring and reset phase continuous measurements are possible.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bei Mikrosensoren – bedingt durch die äußerst geringen Stoffumsätze – nur ein sehr geringer Messstrom im Pikoamperebereich auftritt, dessen zuverlässige Messung unter realen Messbedingungen nicht trivial und ziemlich aufwendig ist und dadurch die Bestimmungsgrenze bei einer Konzentration von ca. 1 μmol/L erreicht wird. Die elektrische Verstärkung des Messstromes – auch mit elektrochemischen Transistoren – ist nicht sinnvoll, da der Messstrom bei diesen sehr kleinen Analytkonzentrationen von einem störenden Grundstrom überlagert ist. In elektrochemischen Messzellen mit Redoxcycling eines Redoxmediators kann der Messstrom so verstärkt werden, dass Messungen problemlos möglich sind. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass sich in solchen Messzellen Elektroden in großer räumlicher Nähe befinden müssen. Findet in diesem Raum zwischen den Elektroden neben dem Redoxcycling auch die Reaktion des Analyten mit dem Redoxmediator statt, können sich daraus folgende Probleme ergeben: (i) Die Konzentration der Reaktionsprodukte der Analytreaktion erreicht wegen des sehr kleinen Volumens schnell sehr hohe Werte, was den Bestimmungsvorgang nachteilig beeinflusst. (ii) Die Reaktion des Analyten mit dem Redoxmediator in dem gleichen Raum bedingt eine erhebliche Einschränkung für konstruktive Lösungen der Messeinrichtung.Of the Invention is based on the problem that microsensors - conditionally through the extremely small Substance sales - only one very low measuring current occurs in Pikoamperebereich whose reliable measurement Under real measuring conditions not trivial and quite expensive and thereby the limit of quantification at a concentration of approx. 1 μmol / L is reached. The electrical amplification of the measuring current - also with electrochemical transistors - is not meaningful, since the measuring current at these very small analyte concentrations of a disturbing one Basic current superimposed is. In electrochemical measuring cells with redox cycling of a redox mediator the measuring current can be amplified this way be that measurements are easily possible. However, the prerequisite for this is that in such measuring cells electrodes are in close proximity have to. Finds in this room between the electrodes next to the redox recycling Also, the reaction of the analyte with the redox mediator may take place resulting in the following problems: (i) the concentration of the reaction products the analyte reaction reaches fast because of the very small volume very high values, which adversely affects the determination process. (ii) The reaction of the analyte with the redox mediator in the same Space causes a significant limitation for constructive solutions of Measuring device.

Erfindungsgemäß werden die genannten Probleme durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen. Nach der Erfindung kommt eine Einrichtung aus einer elektrochemischen Messzelle verbunden mit einer Steuereinheit zur Anwendung, wobei die elektrochemische Messzelle aus interdigitierten Mikroelektroden bzw. Kapiflarspaltelektroden für das Redoxcycling, den sogenannten Redoxcyclingelektroden, die – als Anoden und Kathoden geschaltet – zusammen den sogenannten redoxcyclischen Verstärker bilden, mindestens einer Mikroelektrode als Arbeitselektrode, mindestens einer Gegenelektrode und einer optionalen Schutzelektrode besteht und eine Elektrolytlösung mit einem Redoxmediator enthält.According to the invention the above problems solved by the features of claim 1. advantageous Embodiments emerge from the other claims. To The invention provides a device consisting of an electrochemical measuring cell connected to a control unit to the application, the electrochemical Measuring cell made of interdigitated microelectrodes or Kapiflar gap electrodes for the Redoxcycling, the so-called Redoxcyclingelektroden, the - as anodes and cathodes connected - together form the so-called redox cyclic amplifier, at least one microelectrode as a working electrode, at least one counter electrode and a optional protection electrode and an electrolyte solution with contains a redox mediator.

Die Arbeitselektrode ist im Elektrolyten räumlich getrennt von den Redaxcyclingelektroden angeordnet und mit dem Elektrolyten des redoxcyclischen Verstärkers elektrolytisch leitend verbunden. Je nach Art der Reaktion des Analyten an der Arbeitselektrode (Reduktion oder Oxidation) ist diese entweder mit der Kathodenseite oder Anodenseite der Redoxcyclingelektroden elektrisch leitend verbunden. An diesen Elektroden läuft das Redoxcycling ab, sobald beide Komponenten des Redoxmediators vorliegen. Im Bereich der Arbeitselektrode, die mit einer für den Analyten permeablen Wand gegenüber der Messprobe verschlossen sein kann, um Matrixstörungen weitgehend zu unterdrücken, findet die Redoxreaktion des Analyten entweder direkt an der Arbeitselektrode oder mit einer Komponente des Redoxmediators statt. Im letzteren Fall wird die gebildete andere Komponente des Redoxmediators an der Arbeitselektrode elektrochemisch wieder in die Ausgangsform überführt.The Working electrode is arranged in the electrolyte spatially separated from the Redaxcyclingelektroden and electrolytically with the electrolyte of the redox cyclic amplifier conductively connected. Depending on the type of reaction of the analyte at the Working electrode (reduction or oxidation) is this either with the cathode side or anode side of the redox cycling electrodes electrically conductively connected. At these electrodes, the redox cycling takes place as soon as both components of the redox mediator are present. In the area of the working electrode, with a for the wall permeable to the analyte is closed to the test sample can be to matrix disorders largely suppress finds the redox reaction of the analyte either directly at the working electrode or with a component of the redox mediator. In the latter Case becomes the formed other component of the redox mediator the working electrode electrochemically transferred back to its original form.

Als Gegenelektrode für diesen elektrochemischen Prozess dient die Anoden- oder Kathodenseite der Redoxcyclingelektroden, an der der reversible Prozess unter Bildung der anderen Redoxmediatorform abläuft. Dadurch liegen hier beide Formen des Redoxmediators vor, und es wird im redoxcyclischen Verstärker an den interdigitierten Mikroelektroden bzw. Kapillarspaltelektroden ein Redoxcyclingprozess ausgelöst, was zur gewünschten akkumulierenden Verstärkung des Stromsignals der Arbeitselektrode führt. Die Elektroden der Messzelle werden mit Hilfe mehrerer Spannungsquellen aus einer Steuereinheit in einer bestimmten zeitlichen Abfolge mit vorgegebenen Gleichspannungen ohne eine äußere Potentialkontrolle polarisiert und dabei werden in bestimmten Zeitintervallen der verstärkte Strom, die Ladungsmenge oder ein Zeitintervall bis zu einem vorgegebenen Strom- oder Ladungswert, die der Analytkonzentration proportional sind, als Messsignal registriert.The counter electrode used for this electrochemical process is the anode or cathode side of the redox cycling electrodes, at which the reversible process proceeds to form the other redox mediator form. As a result, both forms of the redox mediator are present here, and a redox cycling process is triggered in the redox cyclic amplifier at the interdigitated microelectrodes or capillary gap electrodes, which leads to the desired accumulating amplification of the current signal of the working electrode. The electrodes of the measuring cell are included Using a plurality of voltage sources from a control unit in a specific time sequence with predetermined DC voltages polarized without an external potential control and thereby at certain time intervals, the amplified current, the amount of charge or a time interval up to a predetermined current or charge value, which are proportional to the analyte concentration, as Measurement signal registered.

In einer Rückstellphase werden an der Arbeitselektrode sowie den Elektroden, an denen das Redoxcycling abläuft, durch eine elektrochemische Polarisation in reproduzierbarer Weise die Ausgangsverhältnisse wieder hergestellt, sodass fortlaufende Messungen möglich sind.In a reset phase be at the working electrode as well as the electrodes where the redox cycling expires by electrochemical polarization in a reproducible manner the initial conditions restored so that continuous measurements are possible.

Die Schutzelektrode soll störende Komponenten, die durch Diffusion in den Bereich des Redoxcyclings gelangen könnten, eliminieren.The Protective electrode should be annoying Components by diffusion in the field of redox cycling could arrive, eliminate.

Durch die räumliche Trennung der Reaktion des Analyten an der Arbeitselektrode vom Elektrodenbereich, in dem der Redoxcyclingprozess stattfindet, können Störungen des Redoxcyclings durch Reaktionsprodukte des Analyten vermieden werden. Der Arbeitselektrodenraum kann so gestaltet werden, dass die Reaktionsprodukte leicht abdiffundieren können, was bisher nicht problemlos möglich war. Eine Vergrößerung des Elektrodenabstandes würde zwar den Stoffaustausch in der bereits bekannten Arbeitsweise verbessern, jedoch gleichzeitig eine gravierende Verringerung des Redoxcyclingeffektes nach sich ziehen.By the spatial Separation of the reaction of the analyte at the working electrode from the electrode area, in which the Redoxcyclingprozess takes place, disturbances of the Redoxcyclings by Reaction products of the analyte can be avoided. The working electrode space can be designed so that the reaction products easily diffuse out can, which was not possible without problems was. An enlargement of the Electrode distance would indeed improve the mass transfer in the already known way of working, but at the same time a serious reduction of the Redoxcyclingeffektes after to pull oneself.

Die erfindungsgemäße Messanordnung gestattet auch die bereits bekannte Arbeitsweise zweier Messmodi, die Signalverstärkung durch Redoxcycling (Messmodus I) für sehr kleine Analytkonzentrationen und die übliche amperometrische Messung (Messmodus II) für höhere Analytkonzentrationen. Durch die Wahl des Messmodus und des Zeitintervalls für das Redoxcycling kann die Messeinrichtung den jeweiligen Erfordernissen in einem sehr großen Konzentrationsbereich angepasst werden.The Measuring arrangement according to the invention also allows the already known operation of two measurement modes, the signal amplification by redox cycling (measurement mode I) for very small analyte concentrations and the usual amperometric measurement (measurement mode II) for higher analyte concentrations. By the choice of the measuring mode and the time interval for the redox cycling can be the Measuring device to the respective requirements in a very large concentration range be adjusted.

Im Folgenden werden der grundsätzlichen Aufbau der Messanordnung dargestellt und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den zugehörenden Zeichnungen zeigenin the Following are the basic structure the measuring arrangement shown and an embodiment of the invention described. In the belonging Drawings show

1 den grundsätzlichen Aufbau der Messanordnung, 1 the basic structure of the measuring arrangement,

2 eine Messzellenanordnung mit membranbedeckter Arbeitsmikroelektrode in Verbindung mit einer Kapillarspaltelektrodenanordnung des redoxcyclischen Verstärkers mit einem einheitlichen Elektrolyten mit Redoxmediator sowie einer elektronischen Steuereinheit, 2 a measuring cell arrangement with membrane-covered working microelectrode in conjunction with a capillary gap electrode arrangement of the redox cyclic amplifier with a uniform electrolyte with redox mediator and an electronic control unit,

3 die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Messparametern und Messgrößen und die entsprechende Zuordnung der Betriebszustände der Messanordnung für verschiedene Konzentrationen und 3 the graphical representation of the time course of measurement parameters and measured variables and the corresponding assignment of the operating states of the measuring arrangement for different concentrations and

4 bis 7 verschiedene Ausführungsformen des redoxcyclischen Verstärkers. 4 to 7 various embodiments of the redox cyclic amplifier.

1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Messanordnung mit der abgesetzten Arbeitselektrode 9 und dem redoxcyclischen Verstärker 29. 1 shows the basic structure of the measuring arrangement with the remote working electrode 9 and the redox cyclic enhancer 29 ,

In 2 sind die Messzelle schematisch im Schnitt und die Steuereinrichtung nur in ihrer prinzipiellen Anordnung dargestellt: Bestandteile der elektrochemischen Messzelle 1 sind zwei parallel angeordnete kreisförmige Redoxcyclingelektroden 2 und 3 sowie zwei parallel angeordnete ringförmige Schutzelektroden 4 und 5, die sich in elektrisch nicht leitenden zylindrischen Trägern 6 und 7 befinden. Der Spalt 8 zwischen den Elektroden 2 und 3 bzw. 4 und 5 beträgt nur wenige Mikrometer; die Durchmesser der Elektroden sind jedoch groß gegenüber dem Spalt 8. An den Elektroden 2 und 3 findet das Redoxcycling statt.In 2 the measuring cell are shown schematically in section and the control device only in its basic arrangement: components of the electrochemical measuring cell 1 are two parallel circular redox cycling electrodes 2 and 3 and two ring-shaped protective electrodes arranged in parallel 4 and 5 arising in electrically non-conductive cylindrical carriers 6 and 7 are located. The gap 8th between the electrodes 2 and 3 respectively. 4 and 5 is only a few microns; however, the diameters of the electrodes are large with respect to the gap 8th , At the electrodes 2 and 3 Redoxcycling takes place.

Die Elektroden 4 und 5 dienen als Schutzelektroden. Die Arbeitselektrode 9 mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern befindet sich in der Spitze einer Elektrolytbrücke 10. Die Elektrolytbrücke 10 ist ebenso wie die Messzelle 1 mit einer einheitlichen Elektrolytlösung mit Redoxmediator 11 gefüllt. Die Öffnung der Spitze, in der sich die Arbeitselektrode 9 befindet, ist mit einer Membran 12 (z.B. Silikongummi) bedeckt, die für neutrale Moleküle durchlässig ist und das Messmedium von der Elektrolytlösung 11 abtrennt. In der Messzelle 1 befindet sich weiterhin eine Gegenelektrode 13.The electrodes 4 and 5 serve as protective electrodes. The working electrode 9 with a diameter of a few microns is located in the top of an electrolyte bridge 10 , The electrolyte bridge 10 is just like the measuring cell 1 with a uniform electrolyte solution with redox mediator 11 filled. The opening of the tip, in which the working electrode 9 is located, with a membrane 12 Covered (eg silicone rubber), which is permeable to neutral molecules and the measuring medium of the electrolyte solution 11 separates. In the measuring cell 1 there is still a counter electrode 13 ,

Die Steuereinheit 14 umfasst zwei regelbare Gleichspannungsquellen 15 und 16 zur Polarisation der Elektroden und eine Zeitsteuerung 17, die die Zeitabfolge der Elektrodenpolarisation und der Messung der Ströme I^I und I^II über die Schalter 18, 19 und 20 steuert.The control unit 14 includes two controllable DC voltage sources 15 and 16 for the polarization of the electrodes and a timer 17 showing the time sequence of the electrode polarization and the measurement of the currents I ^I and I ^II via the switches 18 . 19 and 20 controls.

3 zeigt die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Messparametern und Messgrößen und die entsprechende Zuordnung der Betriebszustände der Messanordnung für verschiedene Konzentrationen. Während der Messphase t₁ befinden sich Schalter 18 in geschlossenem, Schalter 19 und 20 in offenem Zustand. Damit ist die Spannung 15 an den Elektroden 2 und 3, an denen das Redoxcycling abläuft, wirksam. Gleichzeitig liegt die Spannung 15 an der Arbeitselektrode 9 und der Elektrode 3 an. Wenn zur Zeit t₁ c_a= 0 (c_a = Analytkonzentration) ist und damit nur die eine Form des Redoxmediators im Spalt 8 vorliegt, findet zwischen den Elektroden 2 und 3 kein Redoxcycling statt und das Instrument I^I registriert keinen Stromfluss. 3 shows the graphical representation of the time course of measurement parameters and measured variables and the corresponding assignment of the operating states of the measuring arrangement for different concentrations. During the measuring phase t ₁ there are switches 18 in closed, switch 19 and 20 in open condition. That's the tension 15 at the electrodes 2 and 3 , where the redox cycling takes place, effective. At the same time there is tension 15 at the working electrode 9 and the electrode 3 at. If at time t ₁ c _a = 0 (c _a = analyte concentration) and thus only one form of the redox mediator in the gap 8th is present, takes place between the electrodes 2 and 3 No redox cycling takes place and instrument I ^I does not register any current flow.

Wird nun während des Zeittaktes t₂ die Rückstellphase betrieben, die durch Öffnen des Schalters 18 und gleichzeitiges Schließen der Schalter 19 und 20 gekennzeichnet ist, so wird die Spannung 15 an den Arbeitselektroden 2 und 3 unwirksam. Da im Spalt 8 wegen c_a= 0 keine Umwandlung des Redoxmediators erfolgte, wird auch kein Strom I^K auftreten. In der Messphase t₃, die wiederum durch den geschlossenen Schalter 18 und die geöffneten Schalter 19 und 20 gekennzeichnet ist, wird für den Fall 0 < c_a < c_max durch Übergang des Analyten durch die Membran 12 und der Reaktion mit einer Komponente des Redoxmediators, z.B. unter Bildung der reduzierten Form des Redoxmediators und der anschließenden elektrochemischen Reoxidation an der Arbeitselektrode 9, ein Redoxcycling im Spalt 8 zwischen den Elektroden 2 und 3 ablaufen, dessen Umfang mit der Analytmenge, die durch die Membran 12 tritt, zunimmt. Messbares Ergebnis ist ein mit der Zeit ansteigender Strom I^I, dessen Höchstwert am Ende der Phase t₃ ein Maß für die Analytkonzentration ist. Seine Größe ist von dem aktuellen Konzentrationsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form des Redoxmediators c(Ox)/c(Red) der Redoxmediatorkomponenten Ox und Red abhängig. Dieses Konzentrationsverhältnis wird durch die chemische Reaktion des Analyten mit einer Komponente des Redoxmediators bestimmt, sodass der Strom I^I das konzentrationsproportionale Messsignal darstellt. Gleichzeitig liegt an den Schutzelektroden 4 und 5 und an der Gegenelektrode 13 die Gleichspannung 16, wodurch störende Komponenten aus dem Inneren der Elektrolytlösung an den Schutzelektroden elektrochemisch umgewandelt werden und damit keinen Einfluss auf das Konzentrationsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form des Redoxmediators c(Ox)/c(Red) im Elektradenspalt 8 ausüben können.If now the reset phase is operated during the clock t ₂ , by opening the switch 18 and simultaneously closing the switches 19 and 20 is marked, so the voltage 15 at the working electrodes 2 and 3 ineffective. Because in the gap 8th Because of c _a = 0, no conversion of the redox mediator occurred, no current I ^{K will} occur. In the measuring phase t ₃ , in turn, through the closed switch 18 and the opened switches 19 and 20 is characterized in the case 0 <c _a <c _max by transition of the analyte through the membrane 12 and reaction with a component of the redox mediator, eg, to form the reduced form of the redox mediator and subsequent electrochemical reoxidation at the working electrode 9 , a redox cycling in the gap 8th between the electrodes 2 and 3 run off, the extent of which with the amount of analyte passing through the membrane 12 occurs, increases. The measurable result is a current I ^I which increases with time and whose maximum value at the end of the phase t _{3 is} a measure of the analyte concentration. Its size depends on the current concentration ratio of the oxidized to the reduced form of the redox mediator c (Ox) / c (Red) of the redox mediator components Ox and Red. This concentration ratio is determined by the chemical reaction of the analyte with a component of the redox mediator, so that the current I ^{I represents} the concentration-proportional measurement signal. At the same time is due to the protective electrodes 4 and 5 and at the counter electrode 13 the DC voltage 16 , whereby interfering components from the inside of the electrolyte solution to the protective electrodes are electrochemically converted and thus have no influence on the concentration ratio of the oxidized to the reduced form of the redox mediator c (Ox) / c (Red) in the electrode gap 8th exercise.

Für fortlaufende Messungen ist nach einem bestimmten Zeitintervall eine Rückstellung des Konzentrationsverhältnisses c(Ox)/c(Red) auf einen vorgegebenen Ausgangswert erforderlich. Die Rückstellphase t₄ wird durch Öffnen von Schalter 18 und Schließen von Schalter 19 und 20 realisiert. In der Rückstellphase werden die Redoxcyclingelektroden 2 und 3 sowie die Schutzelektroden 4 und 5 durch die Spannung 16 auf ein Elektrodenpotential polarisiert, bei dem der Redoxmediatoranteil, der sich durch die Reaktion mit dem Analyten gebildet hat, wieder zurück gewandelt wird, sodass im Spalt 8 wieder die Konzentrationsverhältnisse des Redoxmediators wie zu Beginn der Messphase t₃ vorliegen. In der Rückstellphase dient der Strom I^K zur Überwachung der Messeinrichtung. Er kann aber auch prinzipiell für eine Messwertgewinnung genutzt werden, da die während der Messphase umgewandelte Menge des Redoxmediators proportional zur Analytkonzentration ist.For continuous measurements after a certain time interval, it is necessary to reset the concentration ratio c (Ox) / c (Red) to a given initial value. The reset phase t ₄ is opened by opening switch 18 and closing switch 19 and 20 realized. In the reset phase, the redox cycling electrodes 2 and 3 as well as the protective electrodes 4 and 5 through the tension 16 polarized to an electrode potential at which the Redoxmediatoranteil, which has formed by the reaction with the analyte, is again converted back, so that in the gap 8th again the concentration ratios of the redox mediator as at the beginning of the measurement phase t ₃ are present. In the reset phase, the current I ^{K is used} to monitor the measuring device. But it can also be used in principle for a data acquisition, since the converted during the measurement phase amount of the redox mediator is proportional to the analyte concentration.

In der Messphase t₅, bei der die Schalterpositionen wie in den vorausgegangenen Messphasen sind, ist der Fall dargestellt, dass die Analytkonzentration c_a den Wert c_max annimmt und der Messstrom I^I zum Ende der Periode von t₅ einen bestimmten Schwellwert I^IS erreicht. Der Schwellwert I^IS wird so gewählt, dass das Stromsignal noch im Anstiegsbereich der Strom-Konzentrations-Beziehung liegt. Das Erreichen des Schwellwertes I^IS wird von der Steuereinheit 14 ausgewertet und die sich anschließende Rückstellphase t₆ mit den Schalterstel Lungen wie in den vorangegangenen Rückstellphasen ausgeführt. Anschließend wird das Messsystem durch die Steuereinheit 14 in den Messmodus II umgeschaltet, um Messungen bei größeren Analytkonzentrationen ca ≥ c_max durchführen zu können. Im Messmodus II wird die Messzelle als amperometrischer Mikrosensor mit Redoxmediator genutzt. Dieser Modus II ist durch den offenen Schalter 18 und die geschlossenen Schalter 19 und 20 gekennzeichnet. Das konzentrationsproportionale Messsignal ist dann der Strom I^II, der aus der elektrochemischen Oxidation bzw. Reduktion einer Komponente des Redoxmediators resultiert, die sich durch eine homogene Redoxreaktion des Mediators mit dem Analyten an der Arbeitselektrode 9 gebildet hat. Hierbei tritt kein Redoxcycling auf. Der Messmodus II hat Bedeutung für höhere Analytkonzentrationen. Sinkt die Analytkonzentration und erreicht der Strom I^II einen unteren Schwellwert I^IIS, so schaltet die Steuereinheit 14 die Messeinrichtung wieder in den Messmodus I zurück. Zweckmäßigerweise wird der Übergang vom Messmodus I in den Modus II und umgekehrt mit Hysterese ausgeführt, um instabile Betriebszustände, die sich an der Umschaltgrenze ergeben könnten, zu vermeiden. Damit passt sich die Messeinrichtung den jeweiligen Konzentrationsverhältnissen optimal an.In the measuring phase t ₅ , in which the switch positions are as in the preceding measuring phases, the case is shown that the analyte concentration c _a assumes the value c _max and the measuring current I ^I reaches a specific threshold value I ^IS at the end of the period of t ₅ , The threshold value I ^IS is selected so that the current signal is still in the rise range of the current-concentration relationship. The reaching of the threshold I ^IS is from the control unit 14 evaluated and the subsequent reset phase t ₆ with the switch lungs as in the previous reset phases executed. Subsequently, the measuring system is controlled by the control unit 14 switched to measurement mode II to perform measurements at larger analyte concentrations ca ≥ c _max can. In measuring mode II, the measuring cell is used as an amperometric microsensor with redox mediator. This mode II is through the open switch 18 and the closed switches 19 and 20 characterized. The concentration-proportional measurement signal is then the current I ^II resulting from the electrochemical oxidation or reduction of a component of the redox mediator resulting from a homogeneous redox reaction of the mediator with the analyte at the working electrode 9 has formed. No redox cycling occurs here. Measurement mode II is important for higher analyte concentrations. If the analyte concentration drops and the current I ^{II reaches} a lower threshold I ^IIS , then the control unit switches 14 the measuring device back to the measuring mode I back. Conveniently, the transition from measurement mode I to mode II and vice versa is performed with hysteresis to avoid unstable operating conditions that might result at the switching limit. Thus, the measuring device adapts optimally to the respective concentration ratios.

Anhand weiterer Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Redoxcyclingelektroden im redoxcyclischem Verstärker wird die Erfindung noch näher erläutert.Based further embodiments for the Arrangement of Redoxcyclingelektroden in redox cyclic amplifier is the invention explained in more detail.

4 und 5 4 and 5

Ein Aufbau nutzt für die Redoxcyclingelektroden in großer räumlicher Nähe interdigitierte Mikroelektroden (IDA) 21 (4). Die Elektroden können hier genauso wie bei der Spaltanordnung geschaltet werden. Eine Verbesserung der Messung ergibt sich durch eine Modifizierung der Schaltung (5), die jedoch die gleiche Mess- und Steuereinheit erfordert. Durch die Anordnung einer großflächigen Rückstellelektrode 22 ist eine Rückstellung möglich, ohne die Messung zu unterbrechen. In beiden Fällen ist zur Ermöglichung der Rückstellung eine Anordnung der Rückstellelektrode 22 und den Redoxcyclingelektroden 21 im Spalt 8 erforderlich.An assembly uses interdigitated microelectrodes (IDA) for the redox cycling electrodes in close proximity 21 ( 4 ). The electrodes can be switched here as well as in the gap arrangement. An improvement of the measurement results from a modification of the circuit ( 5 ), which however requires the same measuring and control unit. By the arrangement of a large return electrode 22 a reset is possible without interrupting the measurement. In both cases, to enable the provision of an arrangement of Reset electrode 22 and the redox cycling electrodes 21 in the gap 8th required.

66

Ein weiterer Aufbau nutzt Elektroden in einem Kapillarspalt, um Redoxcyclingelektroden in großer räumlicher Nähe zu realisieren (6). Die Elektroden 24 und 25 werden in dieser Anordnung wie beschrieben beschaltet. Der Aufbau des Kapillarspaltes 8 kann prinzipiell auf verschiedene Weisen erfolgen. Zum Ersten kann das Substrat geeignet strukturiert und gefügt werden. Zum Anderen kann unstrukturiertes Substrat auf eine Weise gefügt werden, die eine Strukturierung erzeugt, z.B. Kleben mit strukturierbarem Kleber. Eine Kombination beider führt ebenfalls zu nutzbaren Strukturen.Another design uses electrodes in a capillary gap to realize redox cycling electrodes in close proximity ( 6 ). The electrodes 24 and 25 are connected in this arrangement as described. The structure of the capillary gap 8th can in principle be done in different ways. First, the substrate can be suitably structured and joined. On the other hand, unstructured substrate can be joined in a way that creates a structuring, for example gluing with structurable adhesive. A combination of both also leads to usable structures.

77

Eine aus verschiedenen leitenden 26 und nicht leitenden 27 Schichten aufgebaute Struktur führt zu einem ebenfalls nutzbaren Aufbau (7). Wird der Schichtaufbau mit Durchbrüchen versehen, entstehen Redoxcyclingelektrodenbänder 28 in großer räumlicher Nähe, sofern die Schichten eine hinreichend geringe Dicke an den Durchbruchstellen aufweisen. Die Anordnung der Schutz- und Gegenelektroden kann auf ähnliche oder auf andere Art und Weise erfolgen.One of several senior 26 and non-managerial 27 Layered structure leads to a likewise usable structure ( 7 ). If the layer structure is provided with openings, redox-recycling electrode tapes are formed 28 in close proximity, provided that the layers have a sufficiently small thickness at the break-through points. The arrangement of the protective and counter electrodes can be done in a similar or other way.

Claims

Device for determining redox-active substances in an electrochemical measuring cell equipped with a control unit, characterized in that the electrochemical measuring cell ( 1 ) from a remote working electrode ( 9 ), several redox cycling electrodes ( 2 . 3 ) in close proximity as redox cyclic amplifiers ( 29 ), multiple protective electrodes ( 4 . 5 ) and a counter electrode ( 13 ) and an analyte at the working electrode ( 9 ) reacts in a direct or indirect electrode reaction, wherein the electrical current signal occurring thereby by a Redoxcyclingprozess a redox mediator connected to the anode and cathode redox cycling electrodes ( 2 . 3 ) is accumulated in order to obtain a concentration-proportional measurement signal and in a reset phase, the concentration ratio of the Redoxmediatorkomponten to the Redoxcyclingelektroden ( 2 . 3 ) is adjusted in a defined manner by an electrochemical reaction.

Device according to claim 1, characterized in that the analyte with a component of a uniform redox mediator in a homogeneous redox reaction at a membrane-covered working electrode ( 12 . 9 ) and the redox mediator component formed is electrochemically converted back and the current signal occurring in this case in a working mode I for very low analyte concentrations, the redox cycling process in the redox cyclic amplifier ( 29 ) triggers.

Device according to claim 1 and / or 2, characterized in that in a working mode II, the measuring cell ( 1 ) works as a known amperometric sensor with redox mediator.

Device according to claim 1 to 3, characterized in that by a control unit ( 14 ) after a variably preselectable time regime, the polarization voltages for the electrodes in the measuring cell ( 1 ) and the measuring signals are detected as current, charge or time and that, depending on the analyte concentration, by preselectable current threshold values, the operating mode I with a measuring and resetting phase or operating mode II are automatically selected.

Device according to claim 1, characterized in that the redox cyclic amplifier ( 29 ) has plane-parallel electrodes in very close proximity as redox cycling electrodes.

Device according to claims 1 and 5, characterized in that in the redox cyclic amplifier ( 29 ) the capillary gap ( 8th ) is generated technologically by a structured addition.

Device according to claims 1 and 5, characterized in that in the redox cyclic amplifier ( 29 ) the capillary gap ( 8th ) is produced technologically by structuring the electrode carrier.

Device according to claim 1, characterized in that in the redox cyclic amplifier ( 29 ) interdigitated microelectrodes ( 21 ) can be used as Redoxcyclingelektroden.

Device according to claims 1 and 8, characterized in that in the redox cyclic amplifier ( 29 ) an electrode ( 22 ) as a return electrode at a sufficiently short distance to the redox cycling electrodes ( 21 ), so that it is used alone for the reset process.

Device according to claim 1, characterized in that the redox cyclic amplifier ( 29 ) is constructed such that at a breakthrough in a stack of conductive and non-conductive layers ( 26 . 27 ) of sufficiently small thickness redox-cycling electrodes in the form of band electrodes ( 28 ) arise.