DE69415644T2

DE69415644T2 - Pyrogenes Siliziumdioxid enthaltende chloridselektive Elektroden

Info

Publication number: DE69415644T2
Application number: DE69415644T
Authority: DE
Inventors: Lyle H. Wilmington Delaware 19803 Slack; Larry E. Wilmington Delaware 19810 Snyder
Original assignee: Dade Chemistry Systems Inc
Current assignee: Dade Chemistry Systems Inc
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2014-10-28
Also published as: DE69415644D1; JPH07198676A; EP0653630A3; EP0653630B1; EP0653630A2; US5421983A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Chlorid-selektive Elektroden mit Membranen, die Quarzstaub enthalten.

Hintergrund der Erfindung

Elektrochemische Messungen werden im weiten Maße verwendet, um die Konzentration spezieller Substanzen in Fluiden zu bestimmen. Diese Vorrichtungen - als ionenselektive Elektroden (ISEs) bezeichnet - können in einer breiten Vielfalt potentiometrischer Ionenbestimmungen verwendet werden, einschließlich z. B. der Aktivität des Fluoridions im Trinkwasser, des pH- Werts von Verfahrensströmen und der Bestimmung von Elektrolyten im Serum.
Im Gesundheitswesen, und insbesondere im Bereich der klinischen Diagnostik, werden ISEs üblicherweise verwendet, um die Aktivität oder Konzentrationen verschiedener Ionen und Metaboliten zu messen, die im Blutplasma, Serum und anderen biologischen Fluiden vorliegen. Z. B. werden ISEs typischerweise verwendet, um den Na&spplus;-, Ca&spplus;&spplus;-, Mg&spplus;&spplus;, K+, Cl&supmin;-, Li&spplus;- Gehalt, den pH und den Kohlendioxid-Gehalt in derartigen Fluiden zu bestimmen.
Konventionelle ionenselektive Elektroden bestehen typischerweise aus einer ionenselektiven Membran, einer inneren Einfüll-Lösung oder einem Elektrolyt und einer inneren Referenzelektrode. Ionenselektive Elektroden können gemäß der Natur des Membran-Materials klassifiziert werden und umfassen Membran-Elektroden im Festzustand, Glasmembran-Elektroden, Flüssigmembran-Elektroden, die geladene, ionenselektive Agenzien aufweisen, und neutrale Flüssigmembran-Elektroden, die Membranen aufweisen, die aus einer organischen Lösung gebildet werden, die ein elektrisch neutrales, ionenselektives Agens enthält, wie ein Ionophor, das in einer inerten Polymermatrix gehalten wird. Eine äußere Referenzelektrode, die in Verbindung mit dem ISE verwendet wird, ist typischerweise eine Metall/Metallhalogenid-Elektrode, wie Ag/AgCl.
Eine ionenselektive Elektrode, die einer Probenlösung ausgesetzt wird oder auf die eine Probenlösung einwirkt, wie eine biologische Probe, und eine äußere Referenzelektrode stellen eine potentiometrische Zellenanordnung dar. Durch selektives Überführen des interessierenden Ions aus der Probenlösung zu der Membran wird eine Potentialdifferenz erzeugt. Unter idealen Selektivitätsbedingungen der Membran für das interessierende Anion ist die Potentialdifferenz eine lineare Funktion des Logarithmus des Aktivitätsverhältnisses des interessierenden Ions in den zwei Lösungen, die mit der Membran in Kontakt treten (Nernst'sche Gleichung). Eine semiempirische Ausdehnung der Nernst'schen Gleichung (Nikolskii-Eisenmann-Gleichung) auf EMF kann für nichtideale Bedingungen verwendet werden. Unter "EMF" versteht man die elektrische Potentialdifferenz zwischen der inneren Ionenmeß-Elektrode und der äußeren Referenzelektrode, wobei die Elektroden durch die Probenlösung bei einem Stromfluß von null oder fast null elektrolytisch verbunden sind.
Konventionelle ISEs sind typischerweise sperrig, teuer, schwierig zu reinigen und aufzubewahren und neigen dazu, daß sie ein unerwünscht-großes Volumen biologischer Flüssigkeit benötigen. Aus diesen Gründen besteht ein großes Interesse an der Entwicklung zuverlässigerer ISEs einer kleineren Größe.
Diese relativ kleinen ISEs - die als ionenselektive Sensoren oder Biosensoren bezeichnet werden - können auf billige Weise in Masse unter Verwendung von Techniken hergestellt werden, die denen ähnlich sind, die bei der Herstellung elektronischer Komponenten verwendet werden, einschließlich z. B. der Photolithographie, des Siebdrucks und der Ionenimplantation.
Ionenselektive Sensoren und Biosensoren können mit sehr viel geringeren Produktionskosten als konventionelle ISEs hergestellt werden, wodurch es ökonomisch machbar wird, eine wegwerfbare Einweg-Vorrichtung oder eine wegwerfbare Vorrichtung mit begrenztem Gebrauch anzubieten, wobei die Schwierigkeit der Reinigung und des Aufbewahrens konventioneller ISEs eliminiert wird. Die reduzierte Größe der ionenselektiven. Sensoren dient weiterhin zur Reduktion des erforderlichen Volumens der Probe des Patienten. Allgemein kann ein Sensor entweder eine Miniatur-Version einer konventionellen Elektrode oder Vorrichtung sein, die unter Verwendung einer oder mehrerer der oben erwähnten Techniken konstruiert wird. Eine maximale Genauigkeit des analytischen oder diagnostischen Ergebnisses wird erhalten, wenn der Sensor nur auf die Konzentration oder Aktivität der interessierenden Komponente anspricht und eine Antwort hat, die vom Vorliegen störender Ionen und/oder von Wirkungen der darunterliegenden Membranmatrix unabhängig ist. Die erwünschte Selektivität wird oft durch eine ionenselektive Membran erreicht, die ein ionenselektives Agens enthält, wie ein Ionophor, das über einem elektrischen Leiter angeordnet ist.
Allgemein werden ionenselektive Membranen aus einer weichgemachten Polymermatrix, wie Polyvinylchlorid, hergestellt, die das Ionophor enthält, das für das interessierende Ion selektiv ist. Z. B. ist das Ionophor Valinomycin in die Schicht einer Membran eingefügt worden, die für Kaliumionen selektiv ist, und Trifluoracetyl-p-butylbenzol oder andere Trifluoracetophenon-Derivate sind als Ionophore verwendet worden, die für Carbonationen selektiv sind.
Es sind viele Versuche unternommen worden, um die Chloridionen-Konzentration in biologischen Fluiden zu bestimmen. Sowohl konventionelle Elektroden als auch ionenselektive Membran-Elektroden - wie oben beschrieben wurde - sind für diesen Zweck verwendet worden. Diese bekannten Elektroden umfassen im allgemeinen bestimmte Grundkomponenten, einschließlich einer Lösung eines Polymers, wie Polyvinylchlorid (PVC) in einem Lösungsmittel, wie Cyclohexanon oder Tetrahydrofuran, eines Ionophors oder einer ionenselektiven Komponente für die selektive Wechselwirkung mit dem in der Probenlösung vorliegenden Chloridion, gegebenenfalls eines Weichmachers, um die Membran weich und biegsam zu machen, und einer reversiblen Membranleiter-Grenzfläche. Ionophore für Chloridselektive Elektroden umfassen verschiedene quartäre Ammonium- Verbindungen, wie "Aliguat® 336" (es wird angenommen, daß es ein Methyltricaprylammoniumchlorid ist) und Tridodecylmethylammoniumchlorid (TDMAC) oder quartäre Phosphonium-Verbindungen. Typischerweise werden derartige ionenselektive Komponenten aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften und somit der erhöhten Membran-Lebensdauer ausgewählt.
Ionenselektive Membranen werden routinemäßig dadurch hergestellt, daß man das in dem Polymer vorliegende Lösungsmittel verdampfen läßt und so eine Membran bereitstellt, die aus dieser Mischung zu einer bestimmten geometrischen Form geformt werden kann.
Die Zusammensetzung der ionenselektiven Elektroden variiert gemäß den Mengen von Polymer, Weichmacher und Ionophor, die in ihren Formulierungen vorliegen. In einigen Elektroden liegt überhaupt kein Weichmacher vor. Das US Patent Nr. 4 670 127, herausgegeben am 2. Juni 1987 an Ritter et al., offenbart eine Chlorid-sensitive Membran, die wenigstens 50% elektroaktive Komponente (Ionophor) und überhaupt keinen Weichmacher aufweist. Das US Patent Nr. 4 349 426, herausgegeben am 14. September 1982 an Sugahara et al., offenbart eine Membran, die eine TDMAC-Konzentration von 10 bis 20 Gew.-% und eine solche von PVC von 20 bis 40 Gew.-% aufweist.
Das US Patent Nr. 3 772 175, herausgegeben am 13. November 1973 an Grubb, offenbart eine für einwertige Kationen selektive Elektrode, die unter Verwendung eines teilweise gehärteten Siliconkautschuks hergestellt wird, welcher ein Dimethylsiloxan-Polymer, gefüllt mit 44 Gew.-% Quarzstaub-Füllstoff, ist.
Ein signifikantes Problem, das bei ionenselektiven Elektroden, wie Chlorid-selektiven Elektroden, angetroffen wird, ist das Vorliegen störender Substanzen, die in biologischen Proben vorliegen. Eine solche störende Substanz ist Salicylat, welches bei Bestimmungen mit Chlorid-selektiven Elektroden bekanntermaßen stört. Andere störende Substanzen umfassen Bromid, Ascorbat und lipophile Anionen, wie Rhodanid.
Es besteht ein Bedarf an einer einfachen Chlorid-selektiven Elektrode mit erhöhter Selektivität, um so die Wirkung störender Substanzen zu reduzieren oder minimieren, wie anderer Anionen, lipophiler Ionen und anderer störender Substanzen, die in biologischen Substanzen vorliegen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Chlorid-selektive Elektrode der vorliegenden Erfindung eliminiert viele der Nachteile bekannter Chlorid-selektiver Elektroden. Die vorliegende Erfindung stellt das überraschende und unerwartetete Ergebnis bereit, daß das Vorliegen von Quarzstaub in einer Chlorid-selektiven Elektrode die Störung reduziert oder minimiert, die auf das Vorliegen verschiedener störender Substanzen, wie Salicylat, zurückzuführen ist. Zusätzlich dazu erteilt die Chlorid-selektive Elektrode der vorliegenden Erfindung der Membran verbesserte physikalische Eigenschaften, einschließlich Membrandicke, Thixotropie, Lebensdauer und Herstellbarkeit.
In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Chloridselektive Membran-Elektrode (5B) zur Bestimmung von Chlorid in einer biologischen Probe, umfassend einen elektrischen Leiter (2) und eine selektive Membran (10), worin die Membran (10)
(a) ein polymeres Material und
(b) ein Chlorid-selektives Mittel umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran weiterhin
(c) 5 bis 50 Gew.-% Quarzstaub umfaßt.
Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfachsensoren-Zellenanordnung zur Bestimmung von Chlorid in einer biologischen Probe, umfassend:
ein elektrisch isolierendes Substrat (1), das eine Oberfläche mit einer Referenzelektrode (6) und wenigstens einer darauf gebildeten ionenselektiven Elektrode (5, 5A, 5B) aufweist, worin eine ionenselektive Elektrode (5B) eine Chlorid-selektive Membran (10) aufweist, die gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 definiert ist; und
eine auf der Oberfläche des Substrats (1) angeordnete elastomere Komponente (8), die einen Referenz- und Sensor-Strömungskanal (9, 9A) definiert, wobei
der Referenz-Strömungskanal (9) Mittel zum Passieren von Referenz-Flüssigkeiten über die Referenzelektrode (6) aufweist,
der Sensor-Strömungskanal (9A) Mittel zum Passieren von Proben-Flüssigkeiten über jede ionenselektive Elektrode (5, 5A, 5B) aufweist,
die Referenz- und Sensor-Strömungskanäle (9, 9A) einen gemeinsamen Auslaß (11) zum Entfernen von Flüssigkeiten aus der Zelle definieren.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
die Fig. 1 eine planare Ansicht einer Mehrfachsensoren-Zellenanordnung mit einem keramischen Substrat ist, das darauf eine Fläche mit einer Referenzelektrode, einer (Cl&supmin;)-selektiven Elektrode, einer Natrium (Na&spplus;)-selektiven Elektrode und einer Kalium (K&spplus;)-selektiven Elektrode aufweist;
die Fig. 2 eine fragmentarische Querschnittsansicht der Mehrfachsensoren-Zellenanordnung von Fig. 1 ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Chlorid-selektive Elektrode mit erhöhter Selektivität der vorliegenden Erfindung hat eine Membran, umfassend ein Polymer-Material, ein Chlorid-selektives Agens und Quarzstaub. Die Elektrode umfaßt ferner ein elektrisch leitfähiges Material (elektrischer Leiter) und ist für die potentiometrische Bestimmung von Chlorid in biologischen Proben brauchbar, wie Blut, Urin, Plasma, Speichel, Hirn-Rückenmark-Flüssigkeit und Serum.
Derartige Proben enthalten oft verschiedene, störende Substanzen, wie andere Anionen und lipophile Ionen, die die Bestimmung von Chlorid stören. Störungen bei der Bestimmung von Chlorid, die auf das Vorliegen von Salicylat in biologischen Proben zurückzuführen sind, können besonders lästig sein.
Unter "ionenselektiver Elektrode" (ISE) versteht man einen potentiometrischen, elektrochemischen Sensor, dessen Potential zur Aktivität oder Konzentration eines interessierenden Ions in einer Probe in Beziehung steht. Allgemein hängt das Potential in linearer Weise vom Logarithmus der Aktivität des interessierenden Ions ab. Die Aktivität eines interessierenden Ions ist als seine Konzentration, multipliziert mit einem Aktivitätskoeffizienten, definiert, wobei der Aktivitätskoeffizient im allgemeinen in der Technik bekannt oder erhältlich ist.
Unter "biologischer Probe" versteht man jedes Fluid biologischen Ursprungs, einschließlich von Fluiden, die vor der Analyse chemisch und/oder physikalisch behandelt, verdünnt oder eingeengt wurden. Beispiele biologischer Proben umfassen Serum, Urin, Plasma, Vollblut, Hirn- und Rückenmarksflüssigkeit, amniotisches Fluid und Speichel.
Eine allgemeine Diskussion der Prinzipien potentiometrischer Ionen-Sensoren wird von Oesch et al., "Ion Selective Membranes for Clinical Use", Clinical Chemistry, Band 32, Nr. 8, Seite 1448-1459 (1986), bereitgestellt.
Unter "Polymer-Material" versteht man jedes Polymer, das geeignet ist, um zur Herstellung Chlorid-selektiver Elektroden verwendet zu werden. Eine Vielfalt von Polymeren kann verwendet werden, die Polymethylacrylate und andere Acrylate, Silicon-Kautschuke, Polycarbonate, Cellulose, Celluloseester, Poly(vinylacetat), Polyurethan, Poly(vinylbutyral), Polyvinylchlorid, carboxyliertes Polyvinylchlorid und andere Vinylchlorid-Copolymere einschließen. Unter Celluloseester versteht man alle Esterderivate der Cellulose, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Celluloseacetat, Cellulosebutyrat und anderer Elemente einer homologen Reihe. Unter Poly(vinylbutyral) versteht man ein Copolymer von Vinylbutyral, Vinylalkohol und Vinylacetat. Carboxyliertes Polyvinylchlorid wird bevorzugt.
Die Menge des verwendeten Polymer-Materials ist die Menge, die ausreichend ist, um eine Membran mit geeigneter Dicke und struktureller Integrität herzustellen, die als Chlorid-selektive Elektrode verwendet werden soll. Die bevorzugte Menge des Polymer-Materials, das in der Chlorid-selektiven Elektrode der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, beträgt 20 Gew.-%. Die Dicke der Chlorid-selektiven Membran der vorliegenden Erfindung kann von 1 um bis 1000 um variieren und beträgt vorzugsweise 20 um.
Unter "Chlorid-selektivem Agens" versteht man jede Substanz, die eine selektive Wechselwirkung mit dem Chloridion bereitstellt.
Beispiele solcher Chlorid-selektiver Agenzien umfassen quartäre Ammonium-Verbindungen (Chloride) und quartäre Phosphonium- Verbindungen. Beispiele bestimmter Chlorid-selektiver Agenzien sind "Aliquat® 336", das Methyltricaprylammoniumchlorid sein soll, und Tridodecylmethylammoniumchlorid (TDMAC). Das bevor zugte Chlorid-selektive Agens zur Verwendung in der Chloridselektiven Elektrode der vorliegenden Erfindung ist TDMAC.
Die Menge des verwendeten Chlorid-selektiven Agens ist diejenige Menge, die ausreichend ist, um eine maximale Selektivität der Membran bereitzustellen, ohne die strukturelle Integrität der Membran zu verändern oder zu zerstören. Die Menge des Chlorid-selektiven Agens kann von 0,01 Gew.-% bis 65 Gew.-% variieren. Eine Konzentration von 40 Gew.-% des Chlorid-selektiven Agens wird bevorzugt.
Unter "Quarzstaub" versteht man (SiO&sub2;)-Teilchen eines Größenbereichs von 5 nm bis 100 nm. Solche Quarzstaub-Teilehen sind verschiedenen chemischen Behandlungen unterzogen worden, die die hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften der Teilchen verändern. Hydrophobe Quarzstaub-Teilchen werden bevorzugt. Eine geeignete Quelle des Quarzstaubs ist im Handel unter dem Handelsnamen Aerosil® als Aerosil R972 von der Degussa Corp., N.J., U.S. erhältlich. Aerosil R972-Teilchen werden durch die Reaktion einiger Silanolgruppen der Teilchen mit Dimethyldichlorsilan hydrophob gemacht. Die Menge des Quarzstaubs, der in der Chlorid-selektiven Elektrode der vorliegenden Erfindung enthalten ist, kann von 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% variieren, wobei 40 Gew.-% bevorzugt werden.
Die Chlorid-selektive Membran der Chlorid-selektiven Elektrode der vorliegenden Erfindung kann durch Vermischen einer geeigneten Menge Polymer-Material, das in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst ist, mit einer geeigneten Menge des Chlorid-selektiven Agens hergestellt werden, um Chlorid-selektives Polymer-Material zu erzeugen. Das verwendete Lösungsmittel kann jedes Lösungsmittel sein, das üblicherweise zur Herstellung konventioneller Membranen verwendet wird, und kann z. B. Isophoron, Dimethyladipat und Cyclohexanon einschließen. Eine geeignete Menge Quarzstaub kann dann zu dem Anion-selektiven Polymer-Material unter Verwendung irgendeines Mittels aus einer Vielfalt von Mitteln gegeben werden, mit der Maßgabe, daß der Quarzstaub in dem Chlorid-selektiven Polymer- Material gründlich dispergiert wird. Der Quarzstaub kann zu dem Chlorid-selektiven Polymer-Material z. B. unter Verwendung einer Mahlwalze oder eines Mischers mit hoher Scherung gegeben werden. Verschiedene, im Handel erhältliche Mahlwalzen können verwendet werden, um dieses Ziel zu erreichen, wie der Hoover Automatic Muller Model M5 (N.J., U.S.). Wenn man den Hoover Automatic Muller Model M5 verwendet, sind 3 Zyklen mit jeweils 20 Umdrehungen geeignet.
Zur Herstellung der Chlorid-selektiven Membran der vorliegenden Erfindung kann jede Reihenfolge zum Mischen des Polymer- Materials, des Chlorid-selektiven Agens und des Quarzstaubs angewendet werden. Das sich ergebende, Quarzstaub enthaltende, Chlorid-selektive Polymer-Material kann dann zur Herstellung Chlorid-selektiver Membranen verwendet werden, die wiederum zur Herstellung Chlorid-selektiver Elektroden mit erhöhter Selektivität verwendet werden können. Die Herstellung derartiger Elektroden kann unter Verwendung bekannter Techniken und Methoden erreicht werden. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte, verbesserte Chlorid-selektive Elektrode 5B wird bevorzugt.
Chlorid-selektive Elektroden mit erhöhter Selektivität der vorliegenden Erfindung können mit anderen ISEs in Mehrfachsensorenanordnungen verwendet werden.
Z. B. wird in den Fig. 1 und 2 eine Mehrfachsensoren-Strömungszelle dargestellt, die eine Chlorid-selektive Elektrode mit erhöhter Selektivität aufweist. Die Chlorid-selektive Elektrode mit erhöhter Selektivität wird auf einem elektrisch isolierenden, keramischen Substrat 1 hergestellt, welches im Handel erhältlich ist und z. B. von Coors Ceramics Co. gekauft werden kann. Das keramische Substrat 1 hat eine Oberfläche, auf die in geeigneter Weise ein geeignetes, elektrisch-leitfähiges Material (elektrischer Leiter 2) durch Siebdruck aufgedruckt worden ist, um geeignete elektrische Kontakte für jede ionenselektive Elektrode 5, 5A, 5B und eine Referenzelektrode 6 bereitzustellen. Die ionenselektive Elektrode 5B ist eine Chlorid-selektive Elektrode mit erhöhter Selektivität der vorliegenden Erfindung, die eine Membran aufweist, welche Quarzstaub enthält, wobei die Sensor-Elektroden 5A und 5 Kalium- bzw. Natrium-ionenselektive Membran-Elektroden sind. Der elektrische Leiter 2 kann aus einer Silberpaste hergestellt werden, die auch im Handel erhältlich ist, z. B. die Silberpaste Q5175 (E.I. du Pont de Nemours and Company, DE, U.S.). Eine dielektrische Schicht 3 dient dazu, den elektrischen Leiter 2 elektrisch zu isolieren und auch eine Vertiefung für den elektrischen Leiter 2 und die Chlorid-selektive Membran 10 bereitzustellen. Eine Schicht 4, bestehend aus einer Mischung von Silber und Silberchlorid (Ag/AgCl), wird durch Siebdruck auf den elektrischen Leiter 2 für die ionenselektive Elektrode 5B und die Referenzelektrode 6 aufgetragen. Ein Quarzstaub enthaltendes, Chlorid-selektives Polymer-Material - hergestellt, wie oben beschrieben wurde - wird auf der Silber/Silberchlorid-Schicht 4 angeordnet, um die Chloridselektive Membran 10 zu bilden. Die Mehrfachsensoren-Anordnung kann, nachdem alle Schichten zugegeben worden sind, unter Verwendung bekannter Dickfilm-Förderband-Techniken in geeigneter Weise gebrannt werden.
Eine elastomere Komponente 8 tritt mit der Oberfläche des keramischen Substrats 1 in Kontakt, um einen Referenzströmungskanal 9 und einen Sensor-Strömungskanal 9A zu definieren. Der Referenzströmungskanal 9 und der Sensor-Strömungskanal 9A definieren Mittel zum Passieren von Referenz-Flüssigkeiten und Proben-Flüssigkeiten über die Referenzelektrode 6 und die ionenselektiven Elektroden 5, 5A bzw. 5B. Weiterhin definieren der Referenzströmungskanal 9 und ein Sensor-Strömungskanal 9A einen gemeinsamen Auslaß 11 zum Entfernen von Flüssigkeiten aus der Zelle.
Die elastomere Komponente 8 der Mehrfachsensoren-Zellenanordnung der vorliegenden Erfindung kann jede Form aufweisen, die zur Definition der Strömungskanäle 9 und 9A geeignet ist. Z. B. kann die Mehrfachsensoren-Zellenanordnung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der verfügbaren Sensoren-Anordnung oder Kartusche verwendet werden, die im US Patent Nr. 5 284 568 offenbart wird.
Die bevorzugte, Chlorid-selektive Membran enthält 40 Gew.-% Quarzstaub, 40 Gew.-% TDMAC als Chlorid-selektives Agens und 20 Gew.-% carboxyliertes Polyvinylchlorid.

Beispiele

A. Herstellung einer Chloridionen-selektiven Membran

In ein 400 ml. Becherglas, das 88 g des Lösungsmittels Isophoron (Fluka Chemical Co., N.Y., U.S.A.) enthält, wurden 12 g carboxyliertes Polyvinylchlorid (CPVC) (Aldrich Chemical Co., Wisconsin, U.S.A.) gegeben. Die sich ergebende Suspension wurde zugedeckt, um die Verdampfung des Lösungsmittels zu verhindern, und auf eine Temperatur von 60ºC erwärmt, indem man eine Heizplatte/Rührer während einer Zeitspanne von etwa 15 bis 20 Minuten verwendete. Sobald die Suspension trans parent war, wurde die Wärmezufuhr abgestellt und das Rühren wurde weitere 5 Minuten fortgesetzt. Das sich ergebende Polymer-Material wurde in einen hermetisch verschlossenen Behälter überführt, um anschließend zur Herstellung einer Chlorid-selektiven Membran verwendet zu werden.
In einen Behälter von 28,3 g (1 Unze), der 0,98 g TDMAC (Aldrich Chemical Co., Wisconsin, U.S.A.) enthält, wurden 4,08 g des wie oben hergestellten Polymer-Materials gegeben. Der Behälter wurde hermetisch verschlossen und 30 Minuten bei 50ºC erwärmt, um das TDMAC zu lösen. Die sich ergebende Mischung wurde gerührt, und eine Menge von 0,765 g Quarzstaub (SiO&sub2;) (von Degussa Co., Ohio, U.S.A., als Aerosil R972 erhältlich) wurde in der Mischung unter Verwendung einer Mahlwalze (Hoover Automatic Muller Model M5, N.J., U.S.) dispergiert oder zerkleinert, indem man drei Zyklen mit jeweils 20 Umdrehungen anwendete. Eine Menge von 0,176 g Silan (Aldrich Chemical Co., Katalog Nr. 23,578-4, Wisconsin, U.S.A.) wurde dann unter Rühren zu der Mischung gegeben. Das sich ergebende. Chlorid-selektive Polymer-Material wurde dann zur Herstellung einer Chlorid-selektiven Elektrode verwendet.
B. Herstellung einer Chloridionen-selektiven Elektrode Das Chlorid-selektive Polymer-Material, das, wie oben in A beschrieben ist, hergestellt wurde, wurde wie folgt in die Mehrfachsensoren-Strömungsanordnung der Fig. 1 als eine Chlorid-selektive Elektrode eingefügt.
Die in der Fig. 1 erläuterte Mehrfachsensoren-Strömungsanordnung wurde wie folgt hergestellt. Keramische Substrate (Coors Ceramics Co., U.S.) wurden durch Ultraschall gereinigt und getrocknet. Ein Silbermuster, das als Leiter 2 dient, wurde unter Verwendung der Silberpaste QS175 (E.I. du Pont de Nemours and Company, DE, U.S.) durch Siebdruck auf das keramische Substrat aufgetragen. Die keramischen Substrate wurden dann in einem Dickfilm-Förderbandofen gebrannt, wie einem solchen, der üblicherweise in der Dickfilm-Technologie verwendet wird, wobei man eine Erwärmungsgeschwindigkeit von 95ºC/min bis 850ºC verwendete, die keramischen Substrate 10 Minuten bei 850ºC hielt und dann mit einer Geschwindigkeit von 95ºC/min abkühlte. Drei Schichten des Dickfilm-Dielektrikums QS482 (E.I. du Pont de Nemours and Company, DE, U.S.) wurden dann durch Siebdruck auf das keramische Substrat aufgetragen und getrocknet. Das keramische Substrat, welches die drei dielektrischen Schichten enthält, wurde dann in dem Dickfilm-Förderbandofen gebrannt, wobei man eine Erwärmungsgeschwindigkeit von 95ºC/min bis 850ºC verwendete und die keramischen Substrate 10 Minuten bei 850ºC hielt, und dann mit einer Geschwindigkeit von 95ºC/min abgekühlt.
Eine Mischung von Silber und Silberchlorid (80 Gew.-% Silber und 20 Gew.-% Silberchlorid) wurde dann durch Siebdruck als Schicht 4 auf den elektrischen Leiter 2 aufgetragen, wie in der Fig. 2 gezeigt wird. Das keramische Substrat wurde dann durch Erwärmen mit 100ºC/min bis 600ºC gebrannt, 10 Minuten bei 600ºC gehalten mit 100ºC/min abgekühlt. Das sich ergebende, fertige keramische Substrat wurde dann in Stickstoff aufbewahrt, bis es - wie folgt - verwendet wurde.
Das Chlorid-selektive Polymer-Material, das hergestellt wurde, wie oben im Teil A beschrieben ist, wurde unter Verwendung einer Injektionsspritze auf dem keramischen Substrat verteilt, um die Chlorid-selektive Membran 10 der Chlorid-selektiven Elektrode 5b zu bilden, die in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Mehrfachsensoren-Strömungsanordnung dargestellt wird.
Das verteilte, Chlorid-selektive Polymer-Material wurde dann durch 90minütiges Erwärmen des keramischen Substrats bei 80ºC gehärtet, um die Chlorid-selektive Membran zu bilden. Die sich ergebende keramische Substrat-Anordnung wurde dann mit einer Ultraviolett-Quelle mit einer Intensität von 750 mJ/cm² belichtet. Die gehärtete keramische Substrat-Anordnung wurde dann in eine Kartusche eingebaut, die eine Elastomere Komponente 8, Fig. 2, aufweist, welche gegen das fertige keramische Substrat gedrückt wird, um so die Referenz- und Sensor-Strömungskanäle 9 bzw. 9A (Fig. 2) zu definieren, wodurch somit für die Referenzflüssigkeit und die Probenflüssigkeit ein Mittel bereitgestellt wird, um über die Referenzelektrode 6 bzw. die ionenselektiven Elektroden 5, 5A, 5B zu strömen. Eine Luftnachweis- Vorrichtung 7 für die Mehrfachsensoren-Strömungsanordnung stellt ein Mittel zum Nachweis störende Luftblasen bereit, die in den Referenz- und/oder Probenflüssigkeiten vorliegen können.
Die Natrium-selektive Elektrode 5 und die Kalium-selektive Elektrode 5A wurden gleichermaßen durch Verteilen von Natrium- und Kalium-selektiven Polymer-Materialien auf dem fertigen keramischen Substrat hergestellt.

C. Assay für Chlorid unter Verwendung der Chlorid-selektiven Elektrode

Chloridionen-selektive Elektroden wurden unter Verwendung der oben beschriebenen Arbeitsweisen hergestellt (aber mit variierenden Mengen von Siliciumdioxid, DMAC und CPVC, wie nachstehend in der Tabelle 1 gezeigt wird) und auf ihre Selektivität für Chloridion getestet. Die hergestellten Membran-Zusammensetzungen waren die folgenden: Tabelle 1
Die ionenselektive Elektrode, in der die Membran-Formulierung kein Siliciumdioxid enthält, wurde unter Verwendung der exakt gleichen Arbeitsweise hergestellt, wie derjenigen, die zur Herstellung der ionenselektiven Elektrode mit der Quarzstaub enthaltenden Membran-Formulierung verwendet wurde, mit der Ausnahme, daß die Mahlwalzen-Stufe, bei der die Zugabe von Quarzstaub bereitgestellt wurde, bei der Herstellung der ionenselektiven Elektrode, in der die Membran-Formulierung kein Siliciumdioxid enthält, weggelassen wurde.
Die Mehrfachsensoren-Zellenanordnung der Fig. 1 wurde verwendet, um die Chlorid-selektive Membran-Elektrode mit erhöhter Selektivität der vorliegenden Erfindung mit den Chlorid-selektiven Elektroden zu vergleichen, die bekannte Membran-Formulierungen aufweisen. Die Spannung, die sich mit variierenden Cl&supmin;-Konzentrationen ändert, ist an der Verbindungsstelle zwischen der Proben-Lösung oder -Flüssigkeit, und der ionenselektiven Membran lokalisiert. Die Spannung, E, ist durch die Nernst'sche Gleichung gegeben und ergibt sich aus einer Raumladungs-Schicht von Cl&supmin;-Ionen, die temporär von dem ionenselektiven Mittel TDMAC angezogen werden, das in der Chlorid-selektiven Elektrode vorliegt.
Die Chlorid-selektive Elektrode, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, wurde unter Verwendung von Standardlösungen kalibriert, die bekannte Konzentrationen von Chloridionen enthalten, wobei zwei Standardlösungen, die 112 und 50 mmol/l enthielten, verwendet und ausgewählt wurden, um die Konzentrationen von Chloridionen einzuschließen, die wahrscheinlich in Testproben angetroffen werden. Die Kalibrierung erfolgte dadurch, daß man auf die Cl&supmin;-Elektrode zuerst eine Standardlösung und dann die andere einwirken läßt. Eine Kalibrierungskurve der Cl&supmin;-Konzentration gegen die Spannung wurde erstellt, und die unten beschriebenen Testproben wurden auf die Cl&supmin;- Konzentrationen getestet. Die Cl&supmin;-Konzentration für die Testproben-Lösungen wurden aus der Kalibrierungskurve interpoliert.
Vier Testlösungen wurden hergestellt, wie nachstehend in der Tabelle 2 gezeigt wird. Tabelle 2
Die Membran-Elektrode 1 wurde mit den Testlösungen Nr. 1 und 2 getestet, und die Membran-Elektroden 2 bis 9 wurden mit den Testlösungen Nr. 3 und 4 getestet, und es wurde die Chlorid- Menge bestimmt.
Die Ergebnisse sind nachstehend in der Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3
* Die Membranen 4-9 wurden 4 Stunden vor der Anwendung einem Test unterzogen und 7 Tage vor dem Test hergestellt.
** Die Testlösung 1 enthielt 100 mM Chlorid für die Membran-Elektroden 1-3 und 101 mM Chlorid für die Membran-Elektroden 4-9.
*** Der Fehler, der der Salicylat-Störung zugeordnet wird, = (Testlösung Nr. 2-101,00)- (Testlösung Nr. 1-100,00)
Die in der Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse weisen auf eine signifikante Reduzierung der Störung durch Salicylat hin, wenn man die Quarzstaub enthaltende, Chlorid-selektive Elektrode mit erhöhter Selektivität verwendet.

Claims

1. Chlorid-selektive Membran-Elektrode (5B) zur Bestimmung von Chlorid in einer biologischen Probe, umfassend einen elektrischen Leiter (2) und eine selektive Membran (10), worin die Membran (10)

(a) ein polymeres Material und

(b) ein Chlorid-selektives Agens umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Membran weiterhin

(c) 5 bis 50 Gew.-% Quarzstaub umfaßt.

2. Chlorid-selektive Membran-Elektrode (5B) gemäß Anspruch 1, worin das Polymer-Material aus Polymethylacrylat und anderen Acrylaten, Silicon-Kautschuken, Polycarbonat, Cellulose, Celluloseester, Poly(vinylacetat), Polyurethan und anderen Urethanen, Poly(vinylbutyral), Polyvinylchlorid, carboxyliertem Polyvinylchlorid und anderen Copolymeren des Vinylchlorids ausgewählt ist.

3. Chlorid-selektive Membran-Elektrode (5B) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Chlorid-selektive Agens aus Tridodecylmethylammoniumchlorid und Methyltricaprylammoniumchlorid ausgewählt ist.

4. Chlorid-selektive Membran-Elektrode (5B) gemäß Anspruch 3, worin die Membran (10)

(a) 20 Gew.-% carboxyliertes Polyvinylchlorid

(b) 40 Gew.-% Tridodecylmethylammoniumchlorid und

(c) 40 Gew.-% Quarzstaub

umfaßt.

5. Chlorid-selektive Membran-Elektrode (5B) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 4, worin der elektrische Leiter (2) auf einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substrats (1) angeordnet ist.

6. Chlorid-selektive Membran-Elektrode (5B) gemäß Anspruch 5, worin das Substrat (1) keramisch ist.

7. Mehrfachsensoren-Zellen-Anordnung zur Bestimmung von Chlorid in einer biologischen Probe, umfassend:

ein elektrisch isolierendes Substrat (1), das eine Oberfläche mit einer Referenzelektrode (6) und wenigstens einer darauf gebildeten ionenselektiven Elektrode (5, 5A, 5B) aufweist, worin eine ionenselektive Elektrode (5B) eine Chlorid-selektive Membran (10) aufweist, die gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 definiert ist; und

eine auf der Oberfläche des Substrats (1) angeordnete elastomere Komponente (8), die einen Referenz- und Sensor-Strömungskanal (9, 9A) definiert, wobei

der Referenz-Strömungskanal (9) Mittel zum Passieren von Referenz-Flüssigkeiten über die Referenzelektrode (6) aufweist,

der Sensor-Strömungskanal (9A) Mittel zum Passieren von Proben-Flüssigkeiten über jede ionenselektive Elektrode (5, 5A, 5B) aufweist,

die Referenz- und Sensor-Strömungskanäle (9, 9A) einen gemeinsamen Auslaß (11) zum Entfernen von Flüssigkeiten aus der Zelle definieren.

8. Mehrfachsensoren-Zellen-Anordnung gemäß Anspruch 7, worin das Substrat (1) keramisch ist.

9. Mehrfachsensoren-Zellen-Anordnung gemäß Anspruch 7, in der drei ionenselektive Elektroden (5, 5A, 5B) vorliegen.

10. Mehrfachsensoren-Zellen-Anordnung gemäß Anspruch 9, worin die drei ionenselektiven Elektroden (5, 5A, 5B) eine Kalium-selektive Elektrode, eine Natrium-selektive Elektrode und eine Chlorid-selektive Elektrode sind.