DE3822886A1

DE3822886A1 - Biosensor

Info

Publication number: DE3822886A1
Application number: DE3822886A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nagata; Hidetaka Fujimura
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Sankyo Co Ltd
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 1989-01-19
Anticipated expiration: 2008-07-07
Also published as: JPH07122624B2; JPS6412257A; DE3822886C2; US4871440A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Biosensor und betrifft insbesondere einen Biosensor, der an einer Basiselektrode vorgesehen ist, wobei eine aktive Folie mit einem physiologisch aktiven Material daran befestigt ist, so daß ein elektrisches Signal in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses einer Enzymreaktion erzeugt wird, um die Dichte eines Probenmaterials zu messen.

Seit dem man die Eigenschaft von physiologisch aktivem Material erkannt hat, nämlich daß es verhältnismäßig komplizierte organische Verbindungen, wie Protein und ähnliches, mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität erfassen kann, wurden mit dem physiologisch aktiven Material Untersuchungen durchgeführt, d. h. mit anderen Worten, es wurde ein Biosensor gebildet, bei dem das physiologisch aktive Material auf der Oberfläche einer Basiselektrode befestigt war, um damit die organischen Verbindungen, Proteine usw. zu messen.

Wenn das zu messende Probematerial mittels dem oben beschriebenen Biosensor gemessen wird, wird die Oxidation und Reduktion und ähnliches des Probematerials im allgemeinen in der Gegenwart des physiologisch aktiven Materials durchgeführt, so daß die Menge des gebildeten Materials oder des verbrauchten Materials gemessen wurde, um damit die Dichte des Probematerials zu messen. Die oben erwähnte Basiselektrode wird grob in zwei Arten unterschieden, nämlich die Zweielektrodenart, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist, und die Dreielektrodenart, wie sie in Fig. 12 und 13 dargestellt ist.

Das heißt im einzelnen, die Zweielektrodenart gemäß Fig. 11 hat eine Arbeitselektrode 31 aus einem Metall der Platingruppe oder ähnlichem und eine Gegenelektrode 32 aus Silber oder ähnlichem, die in einem vorbestimmten Abstand von der Arbeitselektrode 31 angeordnet ist. Sie ist bei dieser Art der Basiselektrode so angeordnet, daß ein Stromsignal entsprechend der gebildeten oder verbrauchten Materialmenge als Ergebnis der Reaktion zwischen den zwei Elektroden erzeugt wird.

Entsprechend kann man die Dichte des Probematerials auf der Grundlage des so erhaltenen Stromsignals messen.

Bei der oben beschriebenen Art der Basiselektrode ist es jedoch schwierig, das Potential zwischen den beiden Elektroden zu stabilisieren. Allgemein versucht man das Potential zwischen den beiden Elektroden zu stabilisieren, indem man die Fläche der Gegenelektrode 32 ausreichend groß in bezug auf die Arbeitselektrode 31 macht, was jedoch zu einem voluminösen Aufbau der Basiselektrode insgesamt führt. Weiter besteht die Gegenelektrode im allgemeinen aus einem Edelmetall, so daß die Basiselektrode entsprechend der Steigerung der Größe oder der Fläche der aus einem Edelmetall bestehenden Gegenelektrode teuer wird.

Andererseits ist bei der Dreielektrodenart gemäß den Fig. 12 und 13 die Gegenelektrode 32 und eine Bezugselektrode 33 symmetrisch in bezug auf die Arbeitselektrode 31 angeordnet, und eine Vorspannung entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode 32 wird zwischen der Gegenelektrode 32 und der Bezugselektrode 33 durch eine Gleichstromquelle 34 und einen Operationsverstärker 35 angelegt.

Entsprechend kann die Potentialstabilität verbessert werden, auch wenn die Gegenelektrode 32 keine so große Fläche aufweist, so daß die Dichte des Probenmaterials mit einer bemerkenswerten Genauigkeit auf der Grundlage des erhaltenen Stromsignals gemessen werden kann.

Die Dichte des Probematerials kann jedoch nicht richtig unter jeder Bedingung gemessen werden. Beispielsweise wird die Dichte des Probematerials nicht genau gemessen, wenn die Dichte des Probematerials unter Verwendung des ausgeglichenen Stroms gemessen wird, d. h. die Messung ist stationär und regelmäßig. Wenn andererseits die Messung der Dichte des Probematerials auf der Grundlage der Änderungsgeschwindigkeit des Stroms durchgeführt wird, beeinflußt die Folgeeigenschaft der Bezugselektrode 33 die Meßgenauigkeit in hohem Maße. Entsprechend ist es erforderlich, daß die Bezugselektrode 33 und die Gegenelektrode 32 die gleiche Beziehung wie die Arbeitselektrode 31 und die Gegenelektrode 32 bei der oben beschriebenen Zweielektrodenart erfüllen, was einen Vorspannungsversorgungsschaltkreis für die Bezugselektrode 33 erforderlich macht. Hierdurch wird der Aufbau der Basiselektrode in nachteiliger Weise kompliziert. Dies soll im folgenden im einzelnen beschrieben werden. Wenn die Dichte des Probematerials mit dem oben beschriebenen Biosensor gemessen wird, wird sie im allgemeinen durch die Menge des erzeugten Materials oder des verbrauchten Materials auf der Grundlage der Reaktion, wie z. B. der Oxydation, der Reduktion usw., des Probematerials in der Gegenwart des physiologisch aktiven Materials gemessen. Die meßbare obere Grenze der Dichte ist von der Menge des die Oxydation, die Reduktion usw. bewirkenden Materialmenge abhängig, beispielsweise von dem in dem Probematerial vorhandenen Sauerstoff. Somit kann die Dichte des Probematerials niemals genau bestimmt werden, auch wenn die Dichte des Probematerials auf der Grundlage des Ausgleichsstroms gemessen wird, wenn das Probematerial eine sehr hohe Dichte aufweist. Um diesen Nachteil zu beheben, kann man daran denken, daß man die Dichte auf der Grundlage des ersten Differentialspitzenstromwertes mißt. In diesem Fall muß jedoch die Folgeeigenschaft der Bezugselektrode 33 gesteigert werden, um einen genauen ersten Differentialstromwert zu erhalten. Sonst kann keine richtige Dichte des Probematerials bestimmt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Biosensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der zur Messung der Dichte eines Probematerials mit hoher Genauigkeit auf der Grundlage eines elektrischen Signals geeignet ist, das unter unausgeglichenen Bedingungen erzeugt wird, so daß die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik behoben werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 2 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Der erfindungsgemäße Biosensor weist eine Basiselektrode auf, bestehend aus einer Arbeitselektrode, einer Bezugselektrode und einer Gegenelektrode, die so angeordnet sind, daß die Bezugselektrode den größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode und die Gegenelektrode entsprechend die Arbeitselektrode umgibt, wobei ein Vorspannungspotential entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode zugeführt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bezugselektrode und die Gegenelektrode die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gegenelektrode und die Bezugselektrode die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben, und daß gleichzeitig die Gegenelektrode aus einem Metall der Platingruppe besteht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bezugselektrode konzentrisch um die Arbeitselektrode angeordnet ist, und die Arbeitselektrode ihre Mitte bildet.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die oben beschriebene Basiselektrode so angeordnet ist, daß sie ein elektrisches Signal entsprechend der durch die Enzymreaktion gebildeten Materialmenge oder der durch die Enzymreaktion verbrauchten Materialmenge erzeugt.

Bei dem so aufgebauten Biosensor wird die zu messende Probe dem festen aktiven Film zugeführt, wo eine vorbestimmte Reaktion abläuft, um ein bestimmtes Material zu erzeugen oder zu verbrauchen. Hierdurch wird in der Basiselektrode ein elektrisches Signal erzeugt und nach außen geleitet.

Da die Basiselektrode aus der Arbeitselektrode, der Gegenelektrode und der Bezugselektrode besteht, die den größeren Teil der Arbeitselektrode umgibt, wird die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Gegenelektrode im Fall der Arbeitselektrode als Standard verstärkt, und weiter kann das Potential zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode bei einem vorbestimmten Wert gehalten werden.

Wenn weiter das durch die Enzymreaktion erzeugte oder verbrauchte Material ein Fluid ist, kann die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode verstärkt werden, unabhängig von der Form der Bezugselektrode. Da die Fluidität auf der Oberfläche der Basiselektrode jedoch im allgemeinen nur sehr schlecht ist, ist die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in dem Fall schlecht, in dem die Bezugselektrode örtlich in der Basiselektrode angeordnet ist, wodurch die Meßgenauigkeit der Dichte des Probematerials verschlechtert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Biosensor ist die Bezugselektrode jedoch so ausgelegt, daß sie den größeren Teil der Arbeitselektrode umgibt, so daß auch wenn eine gute Fluidität in der Oberfläche der Basiselektrode nicht beobachtet wird, nämlich eine teilweise Dispersion in der Fluidität festgestellt wird, dennoch die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode als gut angesehen werden kann. Entsprechend kann das Potential zwischen der Bezugselektrode und der Arbeitselektrode konstant gehalten werden, und man kann die Dichte des Probematerials mit hoher Genauigkeit messen.

In dem Fall, in dem die Bezugselektrode und die Gegenelektrode die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben, beeinflußt der zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode erzeugte Strom sofort die Bezugselektrode, wodurch die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode merkbar verbessert wird.

In dem Fall, in dem die Gegenelektrode und die Bezugselektrode im Gegensatz dazu die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben, und dabei gleichzeitig die Gegenelektrode aus einem Metall der Platingruppe besteht, weist die Gegenelektrode eine gute Elektrodeneigenschaft mit stabilisierenden Ausgangskennwerten auf, so daß die Dichte des Probematerials mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

Wenn weiter die oben beschriebene Bezugselektrode konzentrisch zur Arbeitselektrode angeordnet ist und die Arbeitselektrode die Mitte bildet, übt der zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode erzeugte Strom einen positiven Einfluß auf die Bezugselektrode aus, wodurch die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in hohem Maße verbessert wird.

Die oben beschriebene Basiselektrode erzeugt ein elektrisches Signal entsprechend der durch die Enzymreaktion erzeugten Materialmenge oder durch die durch die Enzymreaktion verbrauchte Materialmenge, wobei man ähnliche Wirkungen erhalten kann.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Biosensors;

Fig. 2 eine schematische Aufsicht des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 3 einen Schaltkreis des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Spannungsänderungen, die man an den Stellen der Elektroden in dem Biosensor gemäß Fig. 1 mißt;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der durch den Biosensor von Fig. 1 gemessenen Spannungsänderungen;

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der durch den Biosensor von Fig. 1 gemessenen Stromänderungen;

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des ersten Differentialstromwertes von Fig. 6;

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Änderungen des Ausgangs des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 9 eine Fig. 2 ähnliche Ansicht einer ersten Änderung des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 10 eine Fig. 2 ähnliche Ansicht einer zweiten Änderung des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 11 ein Schaltbild eines bekannten Biosensors;

Fig. 12 ein Schaltbild eines anderen bekannten Biosensors; und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht des Sensors von Fig. 12;

In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in der Zeichnung.

In Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform eines Biosensors dargestellt, der einen Enzymelektrodenkörper 1 mit einer Basiselektrode und einen elektrischen Schaltkreis zur Steuerung der Basiselektrode umfaßt. Der Enzymelektrodenkörper umfaßt die Basiselektrode, auf deren Oberfläche eine Enzymfolie mit einem daran befestigten physiologisch aktiven Material vorgesehen ist, so daß in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion ein elektrisches Signal erzeugt wird, um die Dichte eines Probematerials zu messen. Die Basiselektrode besteht aus einer Arbeitselektrode 2, einer Bezugselektrode 3′ und einer Gegenelektrode 3, und zwar so, daß die Bezugselektrode 3′ und die Gegenelektrode 3 die Arbeitselektrode 2 umgeben, und daß die Bezugselektrode 3′ den größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode 2 umgibt, und wobei ein Vorspannungspotential angeordnet ist, das entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode zugeführt wird. Die Gegenelektrode 3 und die Bezugselektrode 3′ umgeben die Arbeitselektrode 2 in dieser Reihenfolge, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, und die Gegenelektrode 3 besteht aus einem Metall der Platingruppe.

Der Enzymelektrodenkörper 1 ist an einer Seite der Oberfläche konvex und weist die Arbeitselektrode 2 aus Pt, die ringförmige Bezugselektrode 3′ und die Gegenelektrode 3, die beide aus Ag bestehen, auf, und die in dieser Reihenfolge so angeordnet sind, daß sie sich von der konvexen Oberfläche nach außen erstrecken. Die Enzymelektrode ist weiter mit einer Enzymfolie 4 versehen, die mit Glucoseoxydase (im folgenden als GOD bezeichnet) befestigt ist, wobei weiter ein Dispersionssteuerfilm 5 aus Cellophan oder ähnlichem vorgesehen ist, um die konvexe Oberfläche abzudecken. Weiter sind Signalabnahmeanschlüsse 61 bis 63 mit der Arbeitselektrode 2, der Bezugselektrode 3′ und der Gegenelektrode 3 verbunden.

Weiter können die Anschlüsse mit außerhalb des elektrischen Schaltkreises befindlichen Bauteilen, wie z. B. den Verstärkern 7, 10 und dem Widerstand 11, verbunden werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

Wenn in der oben beschriebenen Konstruktion die Enzymreaktion, z. B. nach der Gleichung

in der befestigten Enzymfolie 4 stattfindet, wird zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelektrode 3 ein Strom entsprechend der erzeugten H₂O₂-Mengen erzeugt, der wiederum von den Signalabnahmeanschlüssen 61 bis 63 nach außen geleitet wird.

Fig. 3 zeigt schematisch den elektrischen Strom, der zur Zuleitung der Vorspannung zu dem Biosensor gemäß Fig. 1 geeignet ist. In dem Schaltkreis ist der (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7, der mit seinem Ausgangsanschluß mit der Gegenelektrode 3 über den Signalausgabeanschluß 62 verbunden ist, mit der Bezugselektrode 3′ über den Signalausgabeanschluß 63 verbunden. Weiter ist eine Gleichstromquelle 9 zur Umkehrvorspannung zwischen einem (+)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 und der Erde 8 verbunden. Der Operationsverstärker 10 ist mit seinem (-)-Eingangsanschluß mit der Arbeitselektrode 2 über den Signalausgabeanschluß 61 verbunden, und gleichzeitig ist sein (+)-Eingangsanschluß mit der Erde 8 verbunden, wobei der Rückkopplungswiderstand 11 zwischen dem Ausgangsanschluß und dem (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 10 verbunden ist.

Die Arbeitsweise des so aufgebauten Biosensors soll im folgenden unter Bezugsnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben werden, die die Beziehung zwischen der (-)-Spannung des (-)-Eingangsanschlusses und den Stellen der drei Elektroden und zwischen der (+)-Spannung des (+)-Eingangsanschlusses über der Zeit darstellen.

Obwohl das Potential jeder der Elektroden 2, 3′ und 3 keinen festen Wert darstellt, da jede Elektrode nicht mit der Erde 8, wie sie ist, in Berührung steht, ist der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 7, der mit dem (+)-Eingangsanschluß mit der Gleichstromquelle 9 verbunden ist, so daß eine -V Vorspannung zur Erde 8 zugeführt ist, mit der Gegenelektrode 3 verbunden, und gleichzeitig ist der (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 mit der Bezugselektrode 3′ verbunden, so daß das Potential der Bezugselektrode 3′ der Potentialänderung der Gegenelektrode 3 folgend gesteuert werden kann. In diesem Fall wird die Bezugselektrode 3′ schnell durch die Potentialänderung der Gegenelektrode 3 beeinflußt, die durch den Strom bewirkt wird, der zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelektrode 3 erzeugt wird, da die Bezugselektrode 3′ die Arbeitselektrode 2 vollständig umgibt, wodurch man eine gute Potentialfolgeeigenschaft erhält.

Da die Arbeitselektrode 2 mit dem (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 10 verbunden ist, dessen (+)-Eingangsanschluß mit der Erde 8 verbunden ist, kann die Potentialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselektrode 3′ gleich der elektromotorischen Kraft v der Gleichstromquelle 9 mit Bezug auf eine Kurve A gemäß der Erfindung und einer Kurve B gemäß dem bekannten Biosensor in Fig. 4 und 5 gleichgehalten werden.

Das heißt im einzelnen, daß der größte Teil der Potentialdifferenz, die zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelektrode 3 erzeugt wird, wie dies in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, sich in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2 und in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3 konzentriert. In den anderen Bereichen ändert sich das Potential sehr gleichmäßig.

Wichtig bei der Messung der Dichte des Probematerials ist jedoch nicht die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3, sondern die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2. Da weiter die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3 sich je nach den Bedingungen ändern kann, sollte die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2 konstant gehalten werden, unabhängig von einer derartigen Änderung der Potentialdifferenz, wie oben in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3, so daß es schließlich möglich ist, ein richtiges Signal entsprechend der Dichte des Probematerials abzunehmen.

Da die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2 sich entsprechend der Dichte des Probematerials ändert, kann ein richtiges Signal durch Gestatten der Änderung der Potentialdifferenz erhalten werden. Die oben beschriebene elektromotorische Kraft v muß unter Beachtung der obigen Tatsache eingestellt werden.

Gemäß der ersten Ausführungsform kann die Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode 3′ und der Arbeitselektrode 2 bei v eingestellt werden, und weiter kann die Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode 3′ und der Arbeitselektrode 2 bei v mit einer hohen Folgeeigenschaft in bezug auf die Änderung der Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3 gehalten werden. Die Ausgangsspannung von dem Operationsverstärker 10 ist daher ein richtiger Wert entsprechend der Dichte des Probematerials.

Fig. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des Stromwertes, wenn die Dichte der Glucose durch den Biosensor der oben beschriebenen Konstruktion gemessen wird, und zwar in Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der Zeit von Anfang an. Fig. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des primären Differentialstromwertes der Dichte von Fig. 6. In beiden Fig. 6 und 7 sind die gemessenen Werte gemäß dieser Ausführungsform durch eine ausgezogene Linie A dargestellt, während die Meßwerte, die man mit dem Stand der Technik erhält, mittels der gebrochenen Linie B dargestellt sind.

Aus den Meßdaten geht hervor, daß die Folgeeigenschaften in bezug auf die Änderung des Stromwertes bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform, verglichen mit dem Stand der Technik, verbessert ist, und entsprechend kann der primäre Differentialsstromwert als ein der Dichte des Probematerials entsprechender Wert angesehen werden.

Fig. 9 zeigt eine Aufsicht auf einen Biosensor gemäß einer gegenüber der ersten Ausführungsform geänderten Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform einfach in der Form der Gegenelektrode 3 unterscheidet. In Fig. 9 ist die Gegenelektrode 3 bogenförmig ausgebildet, mit einer Länge, die größer als die Hälfte eines Kreises ist. Ebenfalls zeigt Fig. 10, ähnlich wie Fig. 9, eine weitere Ausführungsform, die sich von dem Biosensor der ersten Ausführungsform einfach in der Form der Gegenelektrode 3 und der Bezugselektrode 3′ unterscheidet, die beide bogenförmig ausgebildet sind und eine Länge aufweisen, die größer als ein Halbkreis ist.

Die Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode 3′ und der Arbeitselektrode 2 kann bei diesen Ausführungsformen ebenfalls bei v gehalten werden, so daß ein ausreichend richtiges Signal entsprechend der Dichte des Probematerials erhalten werden kann.

Aus der obigen Beschreibung wird ersichtlich, daß man ein ausreichend richtiges Signal entsprechend der Dichte des Probematerials sowohl in der ersten Ausführungsform als auch in den weiteren Ausführungsformen im Vergleich zum Stand der Technik erhält. Der Grad der Richtigkeit des Signals ist jedoch nicht der gleiche. Wie in Tabelle I dargestellt, erhält man mit der ersten Ausführungsform ein genaueres Signal.

Entsprechend der ersten Ausführungsform kann der dynamische Bereich entsprechend der Verbesserung der Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode 3′ vergrößert werden. Erste Ausführungsform
von Fig. 1 Ausgang (nA/s)64,5
65,4
64,8
63,7
64,2 Mittel64,52 CV (%) 0,99 Erste Ausführungsform
von Fig. 1 Ausgang (nA/s)130,3
128,5
129,7
127,7
126,0 Mittel128,44 CV (%) 1,32

Bei der ersten Ausführungsform als auch bei den weiteren Ausführungsformen besteht die Gegenelektrode 3 aus Silber, kann jedoch ebenfalls aus Platin bestehen.

Wenn die Gegenelektrode 3 aus Platin besteht, wird eine Ausgangsverschlechterung über eine beachtliche lange Zeit nach einem Auffrischen der Elektrode nicht beobachtet. Wenn die Gegenelektrode 3 jedoch aus Silber besteht, beobachtet man eine Ausgangsverschlechterung unmittelbar nach dem Erfrischen bzw. Erneuern der Elektrode. Es ist daher ersichtlich, daß die Elektrodencharakteristik der Platinelektrode als Gegenelektrode 3 besser ist. Da die Platinelektrode jedoch teuer ist, wird bevorzugt, daß die Gegenelektrode 3 im Fall der Konstruktion gemäß Fig. 9 und 10 aus Platin ausgebildet ist.

Das Ändern des Ausgangs nach dem Erfrischen bzw. Erneuern der Enzymelektrode ist in dem Diagramm von Fig. 8 dargestellt, wenn die Gegenelektrode 3 aus Silber bzw. Platin besteht. In diesem Fall wird die Konstruktion des Biosensors gemäß Fig. 2 verwendet. Wenn die Gegenelektrode 3 aus Platin besteht, wird der Ausgang kaum verschlechtert, wie dies durch die ausgezogene Linie C dargestellt ist, wohingegen, wenn die Gegenelektrode 3 aus Silber besteht, eine etwa 10%ige Verschlechterung des Ausgangs nach etwa 55 Minuten nach dem Erneuern der Elektrode auftritt, wie dies mittels der gebrochenen Linie D dargestellt ist. Man sieht, daß die Gegenelektrode 3 vorzugsweise aus Platin bestehen soll.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es ist möglich, daß beispielsweise die Bezugselektrode eine derartige Form aufweist, daß ein Teil des Rings entfernt wird, oder daß sie oval oder quadratisch ausgebildet wird. Die Mitte der unteren Schicht der Bezugselektrode muß nicht mit der Mitte der Arbeitselektrode überlappen, d. h. die Bezugselektrode muß nicht zur Arbeitselektrode konzentrisch sein. Der Biosensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur für die Messung der Dichte von Glucose geeignet, sondern ebenfalls für die Messung der Dichte von z. B. Harnstoff usw. oder die Dichte eines Probematerials auf der Grundlage der mittels einer anderen als der H₂O₂ Reaktion erzeugten oder verbrauchten Materialmenge.

Wie oben beschrieben, kann die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode verbessert werden, da der Biosensor gemäß der Erfindung mit einer Bezugselektrode versehen ist, die den größeren Teil der Arbeitselektrode umgibt, was zu einer verbesserten Meßgenauigkeit der Dichte einer Probe führt, wobei ein vergrößerter dynamischer Bereich realisiert werden kann.

Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wurde, soll darauf hingewiesen werden, daß verschiedene Änderungen und Abänderungen für den Fachmann offensichtlich sind. Derartige Abänderungen und Änderungen fallen mit in den Schutzbereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Biosensor, gekennzeichnet durch

- einen Enzymelektrodenkörper (1);
- eine am Enzymelektrodenkörper (1) vorgesehene Basiselektrode mit einer Arbeitselektrode (2), einer die Arbeitselektrode (2) umgebenden Gegenelektrode (3) und einer die Gegenelektrode (3) umgebenden Bezugselektrode (3′);
- eine auf der Oberfläche der Basiselektrode vorgesehene Enzymfolie (4), die mit physiologisch aktivem Material befestigt ist, so daß in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion ein elektrisches Signal erzeugt wird, um die Dichte eines Probematerials zu messen, und einem elektrischen Schaltkreis mit Anschlüssen (61, 62, 63), die jeweils mit entsprechenden Elektroden verbunden sind, sowie einer Einrichtung zur Aufbringung eines Vorspannungspotentials zwischen der Arbeitselektrode (2) und der Bezugselektrode (3′) entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode (3).

2. Biosensor mit einer Basiselektrode, auf deren Oberfläche eine Enzymfolie (4) mit einem physiologisch aktiven Material befestigt ist, so daß ein elektrisches Signal in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion erzeugt wird, um die Dichte eines Probematerials zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode eine Arbeitselektrode (2), eine Bezugselektrode (3′) und eine Gegenelektrode (3) umfaßt, und zwar in der Weise, daß die Bezugselektrode (3′) bzw. die Gegenelektrode (3) die Arbeitselektrode (2) umgeben, daß die Bezugselektrode (3) den größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode (2) umgibt, und daß ein Vorspannungspotential angeordnet wird, das entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode (3) zugeführt wird.

3. Biosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (3′) und die Gegenelektrode (3) die Arbeitselektrode (2) in dieser Reihenfolge umgeben.

4. Biosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (3) und die Bezugselektrode (3′) die Arbeitselektrode (2) in dieser Reihenfolge umgeben, und daß die Gegenelektrode (3) aus einem Metall der Platingruppe besteht.

5. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (3′) konzentrisch um die Arbeitselektrode (2), die ihre Mitte bildet, angeordnet ist.

6. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode ein elektrisches Signal entsprechend der durch die Enzymreaktion erzeugten Materialmenge erzeugt.

7. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode ein der durch die Enzymreaktion verbrauchten Materialmenge entsprechendes Signal erzeugt.