DE2243962C3 - Enzyme electrode - Google Patents
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Description
S + A„x - - P f An.ä Hierbei bedeutet S + A " x - - P f A n . ä means here
Die Erfindung betrifft eine Enzymelektrode zur Bestimmung der Konzentration von Substanzen, die im intermediären Metabolismus auftreten, mit einem elektrochemischen Sensor, der zusammen mit einer semipermeablen Membran einen Bereich begrenzt, in dem Enzym und ein Akzeptor enthalten sind.The invention relates to an enzyme electrode for determining the concentration of substances in the Intermediate metabolism may occur with an electrochemical sensor working together with a semipermeable membrane defines an area in which enzyme and an acceptor are contained.
Die Messung von im intermediären Metabolismus enthaltenen Substanzen geht im allgemeinen so vor sich, daß eine Enzymelektrode in eine Lösung getaucht wird, aus der zu messendes Substrat durch die Membran diffundiert, die die Enzymelektrode zur Lösung hin abschließt und im Bereich einer Enzymschicht zwischen der Membran und einem elektrochemischen Sensor eine enzymatische Reaktion eingeht. Mit dem elektrochemischen Sensor wird die Konzentration eines elektrochemisch aktiven Reaktionsteilnehmers oder -produkts gemessen. Die gemessene Konzentration steht in einer durch Eichung der Anordnung zu ermittelnden Beziehung mit der Substanz-Konzentration in der zu untersuchenden Lösung.The measurement of substances contained in the intermediate metabolism generally proceeds as follows: that an enzyme electrode is immersed in a solution, from the substrate to be measured through the membrane diffused, which closes the enzyme electrode to the solution and in the area of an enzyme layer between the membrane and an electrochemical sensor enter into an enzymatic reaction. The electrochemical sensor determines the concentration of an electrochemically active reactant or product measured. The measured concentration is related to the substance concentration in the to be determined by calibrating the arrangement investigating solution.
Die Erfindung beschäftigt sich mit Enzymreaktionen, bei denen neben der Substanz und dem Enzym ein dritter, spezifischer Reaktionspartner beteiligt ist, insbesondere mit solchen Reaktionen, in denen durch das Enzym die Oxydation einer organischen Verbindung katalisiert wird, z. B. die Oxydation von Glukose zu Glukonsäure oder die Oxydation von Lactat zu Pyruvat. Im allgemeinen ist eine solche Oxydation mit der Reduktion eines weiteren Stoffes gekoppelt, derThe invention deals with enzyme reactions, in which in addition to the substance and the enzyme third, specific reaction partner is involved, especially with those reactions in which by the enzyme catalyzes the oxidation of an organic compound, e.g. B. the oxidation of glucose Gluconic acid or the oxidation of lactate to pyruvate. In general, such an oxidation is associated with the Reduction of another substance coupled, the die Substanz,the substance,
das Produkt der Enzymreaktion,the product of the enzyme reaction,
ίο Ρ ίο Ρ
AoxA o x
Akzeptors und E das Enzym.Acceptor and E the enzyme.
Mit der Enzymelektrode wird nun die Konzentration der reduzierten und oxydierten Form des Akzeptors, Aax oder Arai. elektrochemisch bestimmt und dadurch auf indirektem Weg ein Maß für die Konzentration derWith the enzyme electrode, the concentration of the reduced and oxidized form of the acceptor, A ax or A ra i. determined electrochemically and thereby indirectly a measure of the concentration of
Bei der Glukosebestimmung mit Hilfe des Enzyms Glukose-Oxidase ist beispielsweise aus der US-PS 35 91 480 die Verwendung von Sauerstoff als Akzeptor bekannt. Dabei wird gemäß dieser PS zur VermeidungIn the case of glucose determination with the aid of the enzyme glucose oxidase, for example, US Pat 35 91 480 known the use of oxygen as an acceptor. According to this PS, avoidance der durch Schwankungen der Sauerstoffkonzentration bedingten Störungen nicht die Sauerstoffkonzentration selbst, sondern die Konzentration des Reaktionsproduktes Wasserstoffperoxyd gemessen, und zwar indirekt über die parallel ablaufende Reduktion der bei derthe disturbances caused by fluctuations in the oxygen concentration do not affect the oxygen concentration itself, but the concentration of the reaction product hydrogen peroxide was measured, indirectly via the parallel reduction of the Reduktion des Wasserstoffperoxyds oxydierten Jodionen. Der Akzeptor, Sauerstoff, ist in der Lösung außerhalb der Enzymelektrode enthalten. Da die semipermeable Membran für Glukosemoleküle durchlässig sein soll, ist sie auch für das an der MessungReduction of the hydrogen peroxide oxidized iodine ions. The acceptor, oxygen, is in the solution contained outside the enzyme electrode. Since the semipermeable membrane should be permeable for glucose molecules, it is also for the measurement beteiligte Jod durchlässig, so daß dieses in relativ kurzer Zeit aus der Enzymschicht herausdiffundieren wird und sich an das Blut anlagert. Dies ist bei In-vivo-Messungen aus physiologischen Gründen unerwünscht und kann zu einer Verfälschung der Meßwerte führen. Allgemeininvolved iodine permeable, so that this will diffuse out of the enzyme layer in a relatively short time and attaches to the blood. This is undesirable for in vivo measurements for physiological reasons and can lead to lead to a falsification of the measured values. General sind mit Sauerstoff als Akzeptor arbeitende Enzymelektroden experimentell aufwendig zu handhaben und weisen eine relativ kurze Einsatzdauer auf.Enzyme electrodes working with oxygen as acceptor are experimentally complex to handle and have a relatively short duration of use.
Aus der Zeitschrift »Analytical Chemistry«, Vo. 42, Nr. 1, Jan. 1970, ist eine Enzymelektrode der eingangsFrom the journal "Analytical Chemistry", Vo. 42, No. 1, Jan. 1970, is an enzyme electrode of the opening paragraph beschriebenen Gattung bekanntgeworden. Bei dieser Elektrode werden andere, in die zu messende Lösung eingebrachte Akzeptoren verwendet, z. B. Benzochinon oder Hexacyanoferrat. Als Membran wird eine CeIIophan-Membran verwendet, als elektrochemischer Sen-described genus became known. With this electrode, others will be in the solution to be measured introduced acceptors used, e.g. B. benzoquinone or hexacyanoferrate. A cellophane membrane is used as the membrane; soir eine Platinelektrode. Die bekannte Enzymelektrode erfordert, daß die Testlösung, z. B. eine entnommene Blutprobe, vor der Messung mit einer bestimmten Menge Akzeptor vermischt wird. Dies erfordert einen zusätzlichen Arbeitsaufwand und bedingt, daß sich diesesoir a platinum electrode. The known enzyme electrode requires that the test solution, e.g. B. a removed Blood sample, mixed with a certain amount of acceptor before the measurement. This requires one additional work and requires that this Elektrode für In-vivo-Messungen prinzipiell nicht eignet.In principle, no electrode for in vivo measurements suitable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Enzymelektrode zu schaffen, die auch für In-vivo-Messungen geeignet ist.The invention is based on the object of creating an enzyme electrode which is also suitable for in vivo measurements.
Diese Aufgabe wird mit einer Enzymelektrode der eingangs beschriebene Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Akzeptor in dem Bereich zwischen semipermeabler Membran und elektrochemischem Sensor teilweise in ungelöster Form vorliegt.This object is achieved according to the invention with an enzyme electrode of the type described at the outset in that the acceptor is in the area between semipermeable membrane and electrochemical sensor is partially present in undissolved form.
Damit wird erreicht, daß die Konzentration des gelösten Akzeptors in dem Bereich, in dem auch Enzym vorhanden ist, über längere Zeit auf einem für die Enzymreaktion ausreichend hohen Wert bleibt. WäreThis ensures that the concentration of the dissolved acceptor is in the area in which the enzyme is present, remains at a value sufficiently high for the enzyme reaction over a longer period of time. Would
kein solcher Überschuß des Akzeptors in ungelöster Form vorhanden, würde eine anfänglich in der Enzymelektrode vorhandene Menge gelösten Akzeptors innerhalb kurzer Zeit durch Diffusion durch die Membran in die Testlösung verlorengehen, so daß die Enzymelektrode funktionsunfähig würde Bei der erfindungsgemäßen Enzymelektrode aber geht Akzeptor aus der ungelösten Form ständig in Lösung, so daß die durch Diffusion aus der Membran verlorengehende Menge durch neu aufgelösten Akzeptor kompensiert wird. Stationär stellt sich in der Enzymelektrode eine Akzeptorkonzentration ein, die im wesentlichen durch die Löslichkeit des Akzeptors, seine Auflösungsgeschwindigkeit sowie die Permeabilität der Membran für den Akzeptor gegeben istIf there is no such excess of the acceptor in undissolved form, an amount of dissolved acceptor initially present in the enzyme electrode would be lost within a short time by diffusion through the membrane into the test solution, so that the enzyme electrode would become inoperable.With the enzyme electrode according to the invention, however, the acceptor goes out of the undissolved form constantly in solution, so that the amount lost through diffusion from the membrane is compensated for by newly dissolved acceptor. A stationary acceptor concentration is established in the enzyme electrode, which is essentially given by the solubility of the acceptor, its rate of dissolution and the permeability of the membrane for the acceptor
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, die drei letztgenannten Parameter derart zu wählen, daß optimale Bedingungen für eine bestimmte Enzymelektrode gewährleistet sind.It has been found to be particularly advantageous to choose the last three parameters mentioned in such a way that optimal conditions for a specific enzyme electrode are guaranteed.
Die Akzeptorkonzentration im Bereich des Enzyms wird entsprechend der jeweiligen Enzymreaktion gewählt. Eine zu hohe Konzentration kann eine Hemmung der Enzymreaktion zur Folge haben, eine zu geringe Akzeptorkonzentration kann eine Sättigung der Elektrodenempfindlichkeit schon bei niederen Substratkonzentrauonen bewirken. Durch geeignete Wahl der Bedingungen wird dafür gesorgt, daß die Akzeptorkonzentration im Bereich des Enzyns über einen möglichst langen Zeitraum konstant bleibt und nur wenig Akzeptor aus der Elektrode in die Testlösung diffundiert. Dies ist insbesondere für In-vivo-Messutigen wichtig, bei denen die austretende Akzeptormenge unterhalb der Toxizitätsgrenze liegen muß.The acceptor concentration in the area of the enzyme depends on the particular enzyme reaction chosen. Too high a concentration can inhibit the enzyme reaction, causing an A low acceptor concentration can saturate the electrode sensitivity even with a low one Cause substrate concentration roughness. A suitable choice of the conditions ensures that the Acceptor concentration in the area of the Enzyn remains constant over the longest possible period and only a small amount of acceptor diffused from the electrode into the test solution. This is especially true for in vivo messutigen important, in which the amount of acceptor escaping must be below the toxicity limit.
Als Akzeptoren kommen vor allem ein Redoxfarbstoff, ein schwerlösliches Hexacyanoferrat(III) oder ein monosubstituiertes p-Benzochinon in Frage.Mainly a redox dye, a sparingly soluble hexacyanoferrate (III) or a are used as acceptors monosubstituted p-benzoquinone in question.
Insbesondere ist es im Falle der Glukose-Elektrode wichtig, daß die Reduktion des Akzeptors genügend schnell abläuft gegenüber der Reduktion von Sauerstoff, die als Konkurrenzreaktion stattfinden kann. Nur dann kann eine durch Sauerstoff bedingte Störung ausgeschaltet werden. Die reduzierte Form des Akzeptors muß weiter stabil und quantitativ elektrolytisch reoxydierbar sein. Der Akzeptor muß weiter die gewünschte Löslichkeit besitzen. Im Falle einer zu hohen Löslichkeit kann jedoch durch Verwendung von Bindemitteln (z. B. Polyvinylalkohol oder Polystyrol) oder durch Mikroverkapselung eine Verringerung der Auflösungsgeschwindigkeit und damit eine Erniedrigung der Akzeptorkonzentration in der Enzymschicht erreicht werden.In the case of the glucose electrode, in particular, it is important that the reduction of the acceptor is sufficient proceeds quickly compared to the reduction of oxygen, which can take place as a competitive reaction. Only then a malfunction caused by oxygen can be eliminated. The reduced form of the acceptor must also be stable and quantitatively reoxidized electrolytically. The acceptor must continue to have the desired solubility. However, if the solubility is too high, use of Binders (e.g. polyvinyl alcohol or polystyrene) or through microencapsulation a reduction in Dissolution rate and thus a lowering of the acceptor concentration in the enzyme layer can be achieved.
Solche als Akzeptoren geeignete Substanzen sind beispielsweise für die Messung von Glukose, 2,6-Dichlorphenolindophenol-Natrium, Methylenblau, Pyocyaninperchlorat oder p-Toluchinon.Such substances suitable as acceptors are, for example, for measuring glucose, 2,6-dichlorophenolindophenol sodium, Methylene blue, pyocyanine perchlorate, or p-toluquinone.
Bei der Messung von L-Lactat haben sich Chrom(IlI)-hexaantipyrin-hexacyanoferrat(III), Phenolblau oder Thionin bewährt.When measuring L-lactate, chromium (III) -hexaantipyrine-hexacyanoferrate (III), Phenol blue or thionine proven.
Die Reoxydation des reduzierten Akzeptors wird amperometrisch bestimmt. Im Idealfall besteht eine lineare Beziehung zwischen Strom und Konzentration.The reoxidation of the reduced acceptor is determined amperometrically. Ideally there is one linear relationship between current and concentration.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Enzymelektrode weist die Oberfläche des elektrochemischen Sensors Vertiefungen auf, in denen der ungelöste Akzeptor enthalten ist. Als elektrochemischer Sensor wird beispielsweise eine Festkörperelektrode aus Platin verwendet.In an advantageous embodiment of the enzyme electrode, the surface of the electrochemical Sensor wells in which the undissolved acceptor is contained. As an electrochemical sensor For example, a solid-state electrode made of platinum is used.
Die semipermeable Membran muß folgende Anforderungen erfüllen: Sie muß für das Enzym undurchlässig sein und für die zu messende Substanz nur in geringem Maß durchlässig sein, damit eine lineare Beziehung zwischen dem gemessenen Strom und der Substanzkonzen'ration in der Testlösun,g erhalten wird. Durch die Verwendung einer Membran mit niedriger Permeabilität läßt sich weiterhin erreichen, daß die Eichkurve bei geringer Substanzkonzentration unabhängig von der Enzymkonzentration innerhalb der Elektrode istThe semipermeable membrane must meet the following requirements: It must be impermeable to the enzyme and only to a small extent permeable to the substance to be measured, thus a linear relationship between the measured current and the substance concentration in the test solution, g is obtained. Through the Using a membrane with low permeability can still achieve that the calibration curve at low substance concentration is independent of the enzyme concentration within the electrode
ίο Dadurch wird eine Drift der Eichkurve als Folge einer zeitlichen Abnahme der Enzymaktivität innerhalb bestimmter Grenzen vermieden.ίο This causes a drift in the calibration curve as a result of a Avoided decrease in enzyme activity over time within certain limits.
Um trotz einer vorgegebenen niedrigen Membranpermeabilität für die Substanz eine kurze AnsprechzeitIn order to achieve a short response time despite a predetermined low membrane permeability for the substance
der Enzymelektrode auf Änderungen der Substanzkonzemration zu erhalten, ist erforderlich, daß die Membrandicke und der Verteilungskoeffizient der Membran für die Substanz klein sind, der Diffusionskoeffizient der Membran für die Substanz dagegen möglichst groß ist wie sich aus theoretischen Überlegungen ergibtthe enzyme electrode for changes in the substance concentration To obtain, it is necessary that the membrane thickness and the distribution coefficient of the Membrane for the substance are small, the diffusion coefficient of the membrane for the substance on the other hand is as large as possible, as can be seen from theoretical considerations
Gute Erfahrungen wurden mit Membranen aus regenerierter Cellulose, Cellulosetriacetat (verschiedener Hydrolysegrade) oder Polyvinylalkohol gemacht.Good experiences have been made with membranes made from regenerated cellulose, cellulose triacetate (various Degrees of hydrolysis) or polyvinyl alcohol.
Weiter können die Membranen je nach den speziellen Anforderungen aus einem Träger und einer semipermeablen Beschichtung bestehen.Furthermore, depending on the special requirements, the membranes can consist of a carrier and a semipermeable one Coating consist.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung eine Enzymelektrode zur Glucosebestimmung und die mit dieser durchführbare Messung als Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, an enzyme electrode for glucose determination and the one with this feasible measurement is described as an embodiment of the invention.
Ein als Halter dienender zylindrischer Kunststoffblock 1 weist an einer Stirnfläche eine zylindrische Vertiefung auf, die von einem ringförmigen Vorsprung umgeben ist. In der Vertiefung ist ein Platinzyünder 2 als elektrochemischer Sensor angebracht. Vom Platinzyünder führt eine Anschlußleitung 3 durch den Kunststoffblock 1 nach außen und dient zum Anschluß an ein übliches Strom-Meßgerät Die Oberfläche des Platinzylinders liegt ca. 0,2 mm unterhalb des Randes des Vorsprungs und weist Vertiefungen zur Aufnahme des Akzeptors, im vorliegenden Fall 2,6-Dichloroindophenol-Natrium, auf. In dem Raum zwischen der Oberfläche des Platinzylinders und der Membran befindet sich das Enzym Glucoseoxidase in Puffer gelöst oder an einem Trägermaterial fixiert. Eine Membran 4 aus regenerierter Cellulose wird durch einen Haltering 5 gegen den Rand des Vorsprungs und einen außerhalb des Vorsprungs angeordneten Gummi-Q-Ring 7 gedruckt und das ganze durch Metallstifte 6 und eine aufschraubbare Kappe 8 festgehalten.A cylindrical plastic block 1 serving as a holder has a cylindrical plastic block 1 on one end face Well, which is surrounded by an annular projection. In the recess is a platinum fuse 2 as electrochemical sensor attached. A connecting line 3 leads from the platinum fuse through the plastic block 1 to the outside and is used for connection to a standard current measuring device. The surface of the platinum cylinder is approx. 0.2 mm below the edge of the projection and has depressions for receiving the Acceptor, in the present case 2,6-dichloroindophenol sodium, on. This is in the space between the surface of the platinum cylinder and the membrane Glucose oxidase enzyme dissolved in buffer or fixed to a carrier material. A membrane 4 from regenerated Cellulose is held by a retaining ring 5 against the edge of the projection and one outside of the Protrusion arranged rubber Q-ring 7 printed and the whole thing through metal pins 6 and a screw-on Cap 8 held tight.
Zur Messung wird diese Elektrode in die thermostatierte Lösung (z. B. Vollblut, Serum, Plasma, Urin usw.) getauscht. Der Platinzyünder in der Enzymelektrode ist über eine Spannungsquelle (Polarisationsspannung 300 bis 40OmV) und ein Strommeßgerät mit einer Referenzelektrode (z. B. eine Silberchlorid-Elektrode) verbunden. Nach einer Ansprechzeit von 5 bis 15 Minuten je nach Membran, erhält man 95% des Endausschlages eines der Glucosekonzentration proportionalen Stromes, wobei bis zu Glucosekonzentrationen von ca. 600 mg/100 ml Proportionalität herrscht (normaler Blutzuckergehalt 90 mg/100 ml).For the measurement, this electrode is immersed in the thermostated solution (e.g. whole blood, serum, plasma, urine, etc.) exchanged. The platinum igniter in the enzyme electrode is Via a voltage source (polarization voltage 300 to 40OmV) and an ammeter with a Reference electrode (e.g. a silver chloride electrode) connected. After a response time of 5 to 15 Minutes, depending on the membrane, you get 95% of the final deflection of one proportional to the glucose concentration Stromes, with up to glucose concentrations of approx. 600 mg / 100 ml proportionality prevails (normal blood sugar content 90 mg / 100 ml).
Die zeitliche Stabilität dieser Elektrode beträgt für eine Glucosekonzentration von 500 mg/100 ml mehr als 60 Stunden. Eine Miniaturisierung dieser Elektroden für In-vivo-Messungen ist technisch leicht durchführbar. In diesem Fall ist zusätzlich ein Thermistor zur Tempera-The stability over time of this electrode is more than for a glucose concentration of 500 mg / 100 ml 60 hours. It is technically easy to miniaturize these electrodes for in vivo measurements. In In this case, a thermistor is also required for temperature
turmessung eingebaut, um den Einfluß von Temperaturschwankungen auf den Meßwert kompensieren zu können. Selbstverständlich können mit einer entsprechenden Enzymelektrode auch andere Substrate, wie z. B. L-Lactat, bestimmt werden. Für eine L-Lactat-Bestimmung wurde z. B. als Enzym L-Lactatdehydrogenase (Cytochrom b2) und als Akzeptor Chrom(lll)-hexaantipyrin-hexacyanoferrat(lll) verwendet. Man erhältbuilt in to compensate for the influence of temperature fluctuations on the measured value be able. Of course, with a corresponding enzyme electrode, other substrates, such as z. B. L-lactate can be determined. For a L-lactate determination z. B. L-lactate dehydrogenase (cytochrome b2) enzyme and chromium (III) hexaantipyrine hexacyanoferrate (III) acceptor. You get nach einer Ansprechzeit von 1 bis 3 Minuten (je nacl Membran) 95% des Endausschiages eines der L-Lactat konzentration proportionalen Stromes, wobei bis zi L-Lactatkonzentrationen von 180 mg/100 ml Propor tionalität herrscht (normaler L-Lactatgehalt im BIuI 7 mg/100 ml). Die zeitliche Stabilität dieser Elektrode beträgt für eine L-Lactatkonzentration von 130 mg 100 ml mindestens 8 Stunden.after a response time of 1 to 3 minutes (per nacl membrane) 95% of the final excretion of one of the L-lactate concentration proportional current, with up to zi L-lactate concentrations of 180 mg / 100 ml Propor tionality prevails (normal L-lactate content in BIuI 7 mg / 100 ml). The stability of this electrode over time for an L-lactate concentration of 130 mg 100 ml is at least 8 hours.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH1321171A CH559912A5 (en) | 1971-09-09 | 1971-09-09 | |
CH1321171 | 1971-09-09 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2243962A1 DE2243962A1 (en) | 1973-03-15 |
DE2243962B2 DE2243962B2 (en) | 1977-06-16 |
DE2243962C3 true DE2243962C3 (en) | 1978-02-02 |
Family
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