DE29610450U1 - Sensorelektrode zur Detektion von elektrochemisch umsetzbaren Substanzen - Google Patents
Sensorelektrode zur Detektion von elektrochemisch umsetzbaren SubstanzenInfo
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Description
Sensorelektrode zur Detektion von elektrochemisch umsetzbaren Substanzen
Die Erfindung betrifft eine Sensorelektrode, welche sich in Kombination mit einem enzymatischen oder immunologischen
Nachweisverfahren zur Detektion von elektrochemisch umsetzbaren Substanzen eignet.
Viele Biosensoren beruhen auf einer enzymatischen oder immunologischen Nachweismethode, bei der am Ende
der biologischen Reaktion eine spezifische Substanz entsteht, welche dann elektrochemisch detektiert
wird. Die Verwendung von derartigen Sensoren ist sowohl in der klinischen als auch in der Umweltanalytik
von besonderer Bedeutung. So ist die Verwendung von sogenannten "Teststäbchen" beispielsweise in der klinischen
Diagnostik zur enzymatischen Analyse von Blut- oder Urinproben sehr weit verbreitet. Derartige
Sensoren werden häufig auch als Einwegsensoren eingesetzt.
Zur Herstellung von Sensorelektroden ist das Siebdruckverfahren weit verbreitet. Als Elektrodenmaterial
wird häufig eine für den Siebdruck geeignete Kohlenstoffpasten verwendet, die durch eine Schablone
oder ein Sieb mit entsprechender Elektrodenform auf einen Träger aufgebracht wird.
Elektroden auf der Basis reiner Kohlenstoffpasten sind allerdings nicht zur amperometrischen Detektion
geeignet. Zum Nachweis von z.B. Wasserstoffperoxid, welches häufig ein Endprodukt einer enzymatischen
oder immunologischen Nachweisreaktion darstellt, eignet sich besonders Platin. Andere Metalle, beispielsweise
Palladium, eignen sich ebenfalls zum Nachweis von Wasserstofperoxid oder von N2H4.
Nachfolgend werden exemplarisch Wasserstoffperoxid
generierende Biosensoren mit Kohlenstoffelektroden beschrieben. Eine Möglichkeit, die Inkompatibilität
zwischen Wasserstoffperoxid generierenden Biosensoren und der Verwendung von Kohlenstoffpasten-Sensoren zu
umgehen, besteht darin, die verwendeten Kohlenstoffpasten mit elementarem Platin in Form kleiner Partikel
zu versetzen. Der Nachteil dieser Methode besteht allerdings in der sehr schlechten Reproduzierbarkeit
von Meßergebnissen, da die produzierten Oberflächen sehr rauh sind und die exponierten Platinpartikel
eine inhomogene Verteilung aufweisen. Weiterhin sind derartige Elektroden grundsätzlich unempfindlicher
als reine Platinelektroden.
Eine weitere Möglichkeit, platinisierte Kohlenstoffelektroden herzustellen, besteht darin, auf der Koh-0
lenstoffschicht elektrochemisch aus einer gepufferten
Hexachloroplatinsäure-Lösung elementares Platin abzuschneiden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die
Dicke der abgeschiedenen Platinschicht im wesentlichen von der Güte der Hexachloroplatinsäure-Lösung
5 und der Dauer der elektrochemischen Reaktion abhängt.
· &psgr;
Schwankungen der Platinschichtdicke führen dann bei gleicher Analytkonzentration zu unterschiedlichen
Signalstärken an den einzelnen Elektroden.
Platinisiertes Papier als Elektrodenfläche stellt
eine mögliche Lösung des oben geschilderten Problems dar. Der entscheidende Nachteil dieser Elektrode besteht
in der Durchfeuchtung des Transducers und dessen heterogener und rauher Oberfläche. Damit verbunden
ist ein höheres Grundrauschen als bei reinen Platinelektroden. Für empfindliche Messungen mit Elektrodenströmen
von weniger als 100 nA ergibt sich daraus eine sehr geringe Empfindlichkeit. Weiterhin ist
die Ansprechzeit aufgrund der großen Diffusionsstrecke für die Reaktanden durch die Papiermatrix
vergleichsweise lang.
Ausgehend von den beschriebenen metallisierten Sensorelektroden und den damit verbundenen Nachteilen,
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hochempfindliche Sensorelektroden zu schaffen, die
schnell, einfach und reproduzierbar herzustellen sind, ein geringes Grundrauschen sowie kurze Ansprechzeiten
aufweisen und sich deshalb besonders gut für den Einsatz als enzymatische oder immunologische
Biosensoren eignen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche
stellen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß weist der Träger der Sensorelektrode,
auf welchem eine Transducer-Vorrichtung und eine diese Transducer-Vorrichtung kontaktierende Arbeits-
elektrode angeordnet sind, eine Durchbrechung auf, welche vollständig von dem metallischen sensitiven
Bereich der Transducer-Vorrichtung abgedeckt ist. Über diese Durchbrechung im Träger steht der sensitive
Bereich in Kontakt mit dem Probenmedium. Unter Transducer-Vorrichtungen im Sinne der Erfindung werden
allgemein Vorrichtungen verstanden, welche infolge elektrochemischer Umsetzungen in einem sensitiven
Bereich elektrische Signale generieren können.
Der erfindungsgemäße Sensorelektrodenaufbau erlaubt eine kostengünstige Herstellung sowie die Möglichkeit
einer vollständig planaren Realisierung. Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Sensoraufbaus
ist es, daß die Transducer-Vorrichtung, beispielsweise in Form eines ausgestanzten Teils einer
Metall- oder metallbedampften Folie, in großen Stückzahlen reproduzierbar und kostengünstig vor dem Aufbringen
auf den Träger hergestellt werden kann. Nach der Herstellung wird die Transducer-Vorrichtung auf
die Sensorelektrode z.B. durch Prägen oder Kleben aufgebracht. Schwankungen und Ungenauigkeiten, wie
sie bei herkömmlichen Sensorselektroden auftreten, entfallen dadurch. Erfindungsgemäße Sensorelektroden
weisen ausgezeichnet reproduzierbare Charakteristika
{z.B. Empfindlichkeit, Ansprechverhalten) auf und bieten sich deshalb, und wegen ihrer kostengünstigen
Herstellung, für eine Verwendung als Einwegelektroden an.
Im Gegensatz zu den Sensorelektroden des Standes der Technik, welche inhomogenes Trägermaterial wie Papier
oder inhomogene Transducer-Vorrichtungen wie mit Platinpartikeln versetzte Kohlenstoffpaste aufweisen,
5 gestatten erfindungsgemäße Sensorelektroden die Ver-
Wendung großflächiger, homogener Transducer-Vorrichtungen
mit vorteilhaft geringem Grundrauschen. Das geringe Grundrauschen führt zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis
und damit zu höheren Empfindlichkeiten.
Vorteilhafterweise kann die Transducer-Vorrichtung
mittels einer Abdeckung auf dem Träger fixiert werden. Die Abdeckung kann beispielsweise eine Folie
sein. Mittels einer Laminarfolie läßt sich die Transducer-Vorrichtung fest mit dem Träger der Sensorelektrode
verschweissen. Die Abdeckung kann neben der Transducer-Vorrichtung auch - mit Ausnahme eines Abgriffkontaktes
für den Elektrodenstrom - die Arbeitselektrode überziehen. Auf diese Weise läßt sich ein
störender Kontakt zwischen der Probelösung und der Arbeitselektrode bzw. großen Teilen der Transducer-Vorrichtung
vermeiden. Die Abdeckung gewährleistet darüber hinaus auch einen mechanischen Schutz der
Sensorelektrode.
Die Transducer-Vorrichtung kann eine Metallfolie sein, welche mittels einer Abdeckung über der Durchbrechung
des Trägermaterials derart fixiert ist, daß nur der die Durchbrechung abdeckende und dadurch den
sensitiven Bereich bildende Teil der Metallfolie Kontakt zum zu analysierenden Medium aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Transducer-Vor-0
richtung stellt ein Träger dar, auf dem mindestens eine Metallschicht angeordnet ist. Im Zuge der angestrebten
Planarisierung der Elektrode eignen sich als Trägermaterialien für derartige Transducer-Vorrichtungen
insbesondere temperaturbeständige beschichtba-
re Folien. Aber auch starre Trägermaterialien wie z.B. Teflon können verwendet werden.
Auf den Träger ist eine Metallschicht aufgebracht, welche den sensitiven Bereich der Transducer-Vorrichtung
bildet. Besonders bevorzugt sind Schichten aus Platin, welches sich zur amperometrischen Detektion
von Wasserstoffperoxid eignet. Neben Platin können auch andere Metalle wie Ruthenium, Rhodium oder PaI-ladium
zur Detektion von beispielsweise Wasserstoffperoxid oder N2H4 eingesetzt werden.
Zwischem dem Trägermaterial und der Platinschicht kann eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein. Als
Haftvermittler eignet sich beispielsweise ein Schicht aus Chrom oder einem anderen, dem Fachmann bekannten
Material.
Auf die metallische sensitive Schicht der Transducer-Vorrichtung kann vorteilhafterweise eine stofferkennende
Schicht aufgebracht sein. In dieser Schicht wird infolge einer enzymatischen oder immunologischen
Nachweisreaktion beispielsweise Wasserstoffperoxid gebildet, welches anschließend zum metallischen Bereich
der Transducer-Vorrichtung diffundiert und dort nachgewiesen wird. Die homogene sensitive Oberfläche
des Transducers, welche großflächig ausgestaltet sein kann, erlaubt einen dünnen Auftrag der stofferkennenden
Schicht und damit kurze Diffusionswege sowie 0 kurze Ansprechzeiten. Die kurzen Ansprechzeiten gewährleisten
eine hohe Anzahl von Analysen pro Zeiteinheit. Als Materialien der stofferkennenden Schicht
eignen sich Substanzen wie Glucoseoxidase oder eine Komponente beispielsweise eines Antigen/Antikörper-Paares.
Sowohl der Träger für den Transducer als auch das Trägermaterial der Sensorelektrode kann planar, beispielsweise
als Folie, ausgestaltet sein. Dies erlaubt einen vollständig planaren Aufbau der Sensorelektrode.
Ein Vorteil des planaren Aufbaus ist die einfache Kontaktierung.
Die auf dem Trägermaterial der Sensorelektrode angeordnete Arbeitselektrode kann beispielsweise eine im
Siebdruckverfahren aufgebrachte Graphitschicht sein.
Vorteilhafterweise kann auf das Trägermaterial der Sensorelektrode eine Referenzelektrode aufgebracht
sein, welche weder mit der Arbeitselektrode noch mit der Transducer-Vorrichtung in elektrischem Kontakt
steht. Dadurch wird der Meßaufbau vereinfacht, da keine externe Referenzelektrode benötigt wird. Als
Referenzelektrode eignet sich beispielsweise eine Silber/Silberchloridschicht, welche im Siebdruckverfahren
auf das Trägermaterial aufgebracht sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer ausführlichen Herstellungsbeschreibung
und der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sensorelektrode in der Seitenansicht,
Fig. 2 die Oberseite einer erfindungsgemäßen Sensorelektrode,
Fig. 3 die Unterseite einer erfindungsgemäßen Sensorelektrode,
und
35
35
Fig. 4 eine erfindungsgemäße planare Transducer—
Vorrichtung.
Zunächst sollen die Elektrodenrohlinge und ihre Herstellung
beschrieben werden. Eine Seitenansicht und Aufsichten einer fertigen Sensorelektrode sind in den
Figuren 1 bis 3 dargestellt.
Eine mit Siebdrucköl versetzte Leit-C-Kohlenstoffpaste
(Neubauer Chemikalien) wird durch eine Schablone oder ein Sieb mit einer entsprechenden Elektrodenform
auf eine als Trägerfolie dienende Siebdruckfolie 1 aufgebracht. Die derart definierte Arbeitselektrode 2
hat die Form einer gewinkelten Signalableitungsbahn mit einem damit verbundenen Kopfteil. Nachdem die
Kohlenstoffschicht auf der Trägerfolie vollständig getrocknet ist, wird auf der Rückseite dieser Trägerfolie
eine Silber/Silberchloridpaste (Electrodag 6037, Acheson) ebenfalls durch eine Schablone oder
ein Sieb aufgebracht. Die so entstandene Referenzelektrode 6 gleicht in ihrer Form der Arbeitselektrode
2, befindet sich aber auf der anderen Seite der Trägerfolie 1. Nach vollständiger Trocknung der
Referenzelektrode 6 wird in einem bestimmten Abstand zum Kopfteil der Arbeitselektrode eine Durchbrechung
4 (z.B. Lochung) mit einem Durchmesser von ungefähr 3 mm ausgestanzt.
Nachfolgend wird anhand von Figur 4 die Transducer-0
Vorrichtung 3 näher beschrieben. Der Transducer-Vorrichtung 3 ensteht aus einer großflächigen Trägerfolie
7 aus Teflon, die zuerst 60 Sekunden mit Chrom und anschließend 12 0 Sekunden mit Platin besputtert
wird. Das Chrom dient als Haftvermittlerschicht 8
zwischen Träger 7 und Platinschicht 9. Aus der be-
sputterten Trägerfolie werden Scheiben mit einem
Durchmesser von 5 bis 6 mm ausgestanzt. Diese Scheiben werden als Transducer-Vorrichtung 3 verwendet.
Die Herstellungsweise der Transducer-Vorrichtung 3 erlaubt die reproduzierbare und äußerst kostengünstige
Herstellung von Tranducer-Vorrichtungen in hohen Stückzahlen und gewährleistet damit die absolut identischen
Sensorcharakteristika der Sensorelektroden.
Zur Fertigstellung der Elektroden wird eine ausgestanzte Platintransducer-Scheibe 3 nun so auf einen
Elektrodenrohling aufgebracht, daß die Platinschicht 9 die Durchbrechung 4 (Lochung) vollständig bedeckt
und gleichzeitig mit dem Kopfteil der Kohlenstoffschicht 2 verbunden ist. Die Platintransducer-Scheibe
3 wird mit einer Laminierfolie 5 derart fixiert, daß sie von der Laminarfolie 5 vollständig bedeckt ist.
Die Signalableitungsbahn 2 wird mit Ausnahme der Enden zum Abgriff des Stroms ebenfalls von der Laminarfolie
5 bedeckt.
Claims (16)
1. Sensorelektrode bestehend aus Trägermaterial (1), auf dem eine Arbeitselektrode (2) und eine
Transducer-Vorrichtung (3), die einen die Arbeitselektrode (2) kontaktierenden metallischen
sensitiven Bereich (9) aufweist, angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägermaterial (1) eine Durchbrechung (4) aufweist und die Transducer-Vorrichtung (3)
so auf das Trägermaterial (1) aufgebracht ist, daß die Durchbrechung (4) vollständig vom sensitiven
Bereich (9) der Transducer-Vorrichtung (3) bedeckt ist.
20
20
2. Sensorelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Transducer-Vorrichtung (3) mittels einer Abdeckung (5) auf dem Trägermaterial (1) fixiert
ist.
3. Sensorelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abdeckung (5) eine Laminarfolie ist. 30
4. Sensorelektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Transducer-Vorrichtung (3) eine Metallfolie ist.
35
5. Sensorelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Transducer-Vorrichtung (3) aus einem Träger (7) besteht, auf dem mindestens eine, den
aktiven Bereich (9) der Transducer-Vorrichtung bildende Metallschicht angeordnet ist.
6. Sensorelektrode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallfolie oder die Metallschicht aus
Platin, Ruthenium, Rhodium oder Palladium besteht .
7. Sensorelektrode nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Träger (7) und aktivem Bereich (9) eine Haftvermittlerschicht (8) angeordnet ist.
8. Sensorelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Haftvermittlerschicht (8) aus Chrom besteht.
9. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem metallischen sensitiven Bereich (9) der Transducer-Vorrichtung (3) eine stofferkennende
Schicht aufgebracht ist.
0
10. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägermaterial (1) der Sensorelektrode und/oder der Träger (7) der Transducer-Vorrichtung
(3) planar ausgestaltet ist.
11. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägermaterial (1) der Sensorelektrode und/oder der Träger (7) der Transducer-Vorrichtung
(3) eine Folie ist.
12. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Arbeitselektrode (2) eine Graphitschicht ist.
13. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß auf das Trägermaterial (1) eine Referenzelektrode (6) aufgebracht ist, die weder mit der
Arbeitselektrode (2) noch mit dem aktiven Bereich (9) der Transducer-Vorrichtung (3) in
elektrischem Kontakt steht.
14. Sensorelektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Referenzelektrode (6) eine Silber/Silberchloridschicht
ist.
15. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Arbeits- und/oder Referenzelektrode (2, 6) im Siebdruckverfahren aufgebracht ist.
16. Sensorelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorelektrode als Einwegelektrode ausgestaltet ist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29610450U DE29610450U1 (de) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | Sensorelektrode zur Detektion von elektrochemisch umsetzbaren Substanzen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| DE29610450U1 true DE29610450U1 (de) | 1996-09-05 |
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ID=8025193
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| DE29610450U Expired - Lifetime DE29610450U1 (de) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | Sensorelektrode zur Detektion von elektrochemisch umsetzbaren Substanzen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29610450U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102023111860A1 (de) | 2023-05-08 | 2024-11-14 | accensors GmbH | Oberflächen aufklebbare ionenselektive Folienelektrode |
-
1996
- 1996-06-14 DE DE29610450U patent/DE29610450U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102023111860A1 (de) | 2023-05-08 | 2024-11-14 | accensors GmbH | Oberflächen aufklebbare ionenselektive Folienelektrode |
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Effective date: 19961017 |
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