DE69502934T2 - Sensor-gerät - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensoreinrichtungen, wie sie für die Bestimmung einer Komponente oder von Komponenten verwendet werden, die eventuell in einer Fluidprobe wie beispielsweise einem physiologischen Fluid (z. B. Blut, Urin) oder einem Abwasser vorliegt bzw. -liegen.
• In der Patentzusammenarbeitsvertragsanmeldung Nr. PCT/GB92/00443 (Veröffentlichungsnr. WO-A-92/16647) wird eine Sensoreinrichtung geoffenbart, die für der Nachweis einer angezielten, in einer Fluidprobe vorliegenden lipophilen Komponente und zur Bereitstellung einer für den Gehalt der Komponente in der Probe typischen Anzeige geeignet ist. Diese Einrichtung umfaßt eine permselektive Membran, die im wesentlichen für geladene, nichtlipophile Spezies, die in der zu analysierenden Probe vorliegen können, undurchlässig und durch Abtrennung für lipophile Spezies selektiv ist. Dadurch wird eine vorbestimmte lipophile Komponente in der Probe abgetrennt, in die Barriere eingeführt und durch diese hindurch diffundiert, um auf der anderen Seite derselben nachgewiesen zu werden.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen der oben erwähnten PCT-Anmeldung besteht die Membran aus PVC, das einen Weichmacher (der als permselektives Mittel dient) wie beispielsweise Dioctylphthalat oder Isopropylmyristat enthält. Bevorzugt werden derartige Membranen in einem amperometrischen Sensor verwendet, der eine elektrochemische Nachweisanordnung enthält, die ein Elektrodensystem und ein Flüssig- oder Gelphasenelektrolytmedium umfaßt, das zwischen die Membran und die Elektroden eingelagert ist. Das Elektrodensystem kann eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode (oder Pseudobezugselektrode) umfassen. Das Elektrolytmedium stellt ein Ladungsträgersystem bereit, das sicherstellt, daß ein Strom zwischen den Elektroden fließen kann.
• Die Anwendung des Elektrolytmediums (das gewöhnlich, jedoch nicht unbedingt, wäßrig ist) bietet zwar zufriedenstellende Ergebnisse, weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Insbesondere kompliziert es den Zellaufbau und ist zur Verwendung in Trockenreagenssensoren vom Streifenformat nicht besonders geeignet.
• In EP-A-0 221 508 wird eine natriumionenselektive Elektrode geoffenbart, die ein Natriumsalz einer lipophilen organischen Verbindung (z. B. Natriumtetraphenylborat) in einer ionensensitiven Membran enthält.
• In JP-A-57 198 858 wird eine kationenselektive Elektrode geoffenbart, die beispielsweise ein Natriumsalz von Tetraphenylborat in ihrer Polymermembran enthält.
• Erfindungsgemäß enthält die permselektive Membran daher eine geladene organische Spezies (die als Ladungsträger wirken kann) und als solches ist es möglich, daß die Elektrodenanordnung in engem Kontakt mit der Membran steht. Die Membran erfüllt daher gleichzeitig die Funktion eines Stützelektrolyten und einer permselektiven Barriere. Die Notwendigkeit, zwischen den Elektroden und der Membran ein getrenntes Flüssig- oder Gelphasenelektrolytmedium bereitzustellen wird dadurch vermieden. Das bietet beträchtliche Vorteile, einschließlich der Möglichkeit eines äußerst vereinfachten Zellaufbaus ohne flüssige Reagentien, wobei derartige Konstrukte im Prinzip für Trockenreagenssensoren im Streifenformat geeignet sind.
• Ein weiterer, mit der Verwendung der geladenen organischen Spezies verbundener Vorteil liegt darin, daß die Elektrochemie der organischen Phase ausgenutzt werden kann, wodurch ein breiterer Spannungsbereich angelegt werden kann als er bei wäßrigen Elektrolytschichten (wegen des Zersetzens des Wassers bei hohen Spannungen) verwendet werden kann.
• Die Elektrodenanordnung kann in engem Kontakt mit der Seite der Membran stehen, die der der Probe zugekehrten gegenüberliegt. Alternativ kann der erforderliche enge Kontakt dadurch erzielt werden, daß die Elektroden innerhalb der Membran eingelagert sind, ohne der Probe gegenüber bloßzuliegen.
• Erfindungsgemäße Sensoreinrichtungen sind amperometrische Einrichtungen, in denen das Elektrodensystem ein Arbeitselektroden- und ein Bezugs- oder Pseudobezugselektrodensystem umfaßt. Beim Arbeiten mit derartigen Einrichtungen wird die Arbeitselektrode bei einem vorbestimmten Potential bezüglich der Bezugselektrode gehalten. Dieses Potential wird so gewählt, daß eine Spezies, die von Interesse ist, an der Arbeitselektrode entladen wird, wodurch ein elektrischer Strom hervorgerufen wird, der gemessen werden kann.
• Beispiele geeigneter geladener organischer Spezies zur erfindungsgemäßen Verwendung umfassen unter anderem Ionenaustauscher, wie sie in ionenselektiven Elektroden (z. B. ionenselektiven Elektroden auf der Basis von PVC) verwendet werden.
• Die geladene organische Spezies kann ein positives oder negatives organisches Ion umfassen, das in beiden Fällen mit einem geeigneten Gegenion (z. B. einem anorganischen Ion) assoziiert ist. Alternativ kann die geladene organische Spezies zwitterionisch sein. Man sollte sich auch im Klaren darüber sein, daß der Begriff geladene organische Spezies organische Spezies umfassen kann, die zwar keine förmliche Ladung als solche aufweisen, jedoch mit einer geladenen Spezies eng assoziiert sind; beispielsweise fallen organische Moleküle mit einer Käfigstruktur, in die ein Ion eingebaut ist, unter den Begriff 'geladene organische Spezies', wie er hier verwendet wird. Durch die hydrophobe Natur der Membran wird sichergestellt, daß die geladene organische Spezies darin festgehalten wird.
• Beispiele geladener organischer Trägerspezies, die ein positives organisches Ion aufweisen, sind quaternäre Ammoniumsalze, die mindestens eine, noch bevorzugter mindestens 2 und am bevorzugtesten mindestens 3 langkettige, substituierte oder unsubstituierte Kohlenwasserstoffgruppen mit 6 oder mehr Kohlenstoffatomen aufweisen. Bei diesen Gruppen kann es sich beispielsweise um aliphatische Ketten, gegebenenfalls mit (beispielsweise aromatischen) Substituenten handeln. Alternativ können eine oder mehrere Arylgruppen direkt an das quaternäre Stickstoffatom gebunden sein. Bei dem negativen Gegenion handelt es sich bevorzugt um ein einfaches anorganisches Ion, z. B. ein Halogenid wie ein Chlorid.
• Ein bevorzugtes Beispiel eines positiven organischen Ions zur erfindungsgemäßen Verwendung ist das Tricaprylylmethylammoniumion.
• Beispiele geladener organischer, ein negatives organisches Ion enthaltender Spezies umfassen unter anderem Tetraalkyl- oder Tetraarylborate, z. B. ein Tetraphenylborat. Bei dem Gegenion kann es sich um ein einfaches anorganisches Kation, z. B. ein Alkalimetallkation, handeln. Ein bevorzugtes Salz zur erfindungsgemäßen Verwendung, das ein negatives organisches Ion enthält, ist Natriumtetraphenylborat.
• Weitere Beispiele geladener organischer Spezies, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sind unter anderem beispielsweise als Calciumsalze bereitgestellte Di-(n-Langkettenalkyl)phosphate. Spezielle Beispiele sind unter anderem Calcium di(n-decyl)phosphat und Calcium di(n-(1,1,3,3-tetramethylbutyl))phosphat und Bis(2-Ethylhexyl)hydrogenphosphat, in dem das Wasserstoffion durch Metallionen, insbesondere Calcium, ersetzt sein kann. Ein weiteres Beispiel ist Ferroinalkylbenzolsulfonat. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Ionophore als Seitengruppen mit chelatgebundenen Metallionen oder ein redoxaktives Polymer oder entsprechende Derivate zu verwenden.
• Bei der geladenen organischen Spezies kann es sich um eine solche handeln, die die permselektiven Eigenschaften der Membran bereitstellt oder zumindest zu diesem beiträgt.
• Die Anwesenheit der geladenen Spezies ruft aller Wahrscheinlichkeit nach Ionenaustauscheigenschaften hervor. Aus diesem Grund ist die lipophile Selektivität der Membran aller Wahrscheinlichkeit nach im Vergleich mit Membranen, wie sie in WO-A-92/16647 geoffenbart werden, reduziert. Des weiteren sind Membranen, wie sie hier geoffenbart werden, eventuell zum Anzielen nichtlipophiler, möglicherweise geladener Analyte, geeignet.
• Die permselektive Membran umfaßt bevorzugt eine synthetische Polymermembran, in die die geladene organische Spezies eingebaut ist. Die Polymermembran ist bevorzugt weichgemacht, z. B. durch die Anwesenheit, in derselben, der als geladene organische Spezies verwendeten Spezies oder durch zusätzlichen Weichmacher (z. B. Dioctylphthalat).
• Das bevorzugte Polymer ist PVC, obwohl auch andere synthetische Polymere verwendet werden können.
• Eine Membran zur erfindungsgemäßen Verwendung kann durch Gießen einer Lösung (z. B. in THF) des synthetischen Polymers (bevorzugt PVC) und flüssigem Tricaprylylmethylammoniumchlorid (das unter dem Namen Aliquat 336 erhältlich ist) und Ausdampfenlassen des Lösungsmittels formuliert werden. In diesem Fall wirkt die geladene organische Spezies sowohl als Weichmacher als auch als Ladungsträger.
• Es ist auch möglich, die geladene organische Spezies durch ein festes organisches Salz (z. B. Natriumphenyltetraborat) bereitzustellen. In diesem Fall kann das feste Salz zusammen mit dem Polymer in einer organischen Flüssigkeit (z. B. Isopropylmyristat), das während der Membranherstellung als Weichmacher wirkt, gelöst werden.
• Die Menge der in die Membran eingebauten geladenen organischen Spezies hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Außerdem sollte man beachten, daß überschüssige organische Spezies eventuell eine beträchtliche Störung durch eindringende Spezies erlaubt, was durch die Ionenaustauschcharakteristik der organischen Spezies noch gefördert wird. Im Falle einer geladenen organischen Spezies, die (mit ihrem Gegenion) eine Flüssigkeit darstellt, wird im allgemeinen weniger als 10 ul (z. B. 2-5 ul) der Flüssigkeit pro 1 mg des Polymerpulvers (z. B. zur Herstellung der Membran verwendetes PVC) verbraucht. Falls es sich bei der geladenen organischen Spezies (mit ihrem Gegenion) um einen Feststoff handelt, wird gewöhnlich eine Höchstmenge von 35 mg des Feststoffs pro 60 mg Polymer in Verbindung mit 2-5 ul Weichmacher pro 1 mg Polymer verbraucht. Die angegebene Menge ist als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung zu verstehen.
• Die Membran kann zusätzliche Komponenten, z. B. Mediatoren, Enzyme, Cofaktoren, Antikörper, Reagentien und/oder leitende Teilchen enthalten sowie eine Mischung von Polymeren (z. B. mit Ionenaustauscheigenschaften) umfassen.
• Die in den erfindungsgemäßen Sensoreinrichtungen vorliegenden Membranen sind durch Abtrennen für lipophile Spezies selektiv. Als solches kann die Einrichtung für die Bestimmung einer in einer Probe vorliegenden lipophilen Komponente verwendet werden. Die lipophile Komponente der Probe kann selbst an der Arbeitselektrode der Einrichtung direkt nachgewiesen werden. Falls die zu bestimmende Komponente jedoch keine oder nur eine unbedeutende elektrochemische Aktivität aufweist, so können in der Membran Mittel für die Wechselwirkung mit der vorgewählten Komponente zur Bildung einer direkt nachweisbaren elektrochemisch aktiven Spezies eingearbeitet werden.
• Obwohl die permselektive Membran lipopilen Spezies gegenüber selektiv ist, schließen wir die Möglichkeit nicht aus, daß der Sensor auch bis zu einem gewissen Grad eine Selektivität einer kleinen ungeladenen hydrophilen Spezies wie Wasserstoffperoxid oder Chinonen gegenüber aufweist. Als solcher kann der Sensor auch für den Nachweis derartig kleiner Moleküle verwendet werden. Des weiteren ist es, wie oben erwähnt, auch möglich, die Membran unter Umständen für den Nachweis geladener Spezies auf Grund der Ionenaustauscheigenschaften der geladenen organischen Spezies zu verwenden.
• Die Arten der Analyse, die mit erfindungsgemäßen Sensoren ausgeführt werden können, schließen diejenigen ein, die in PCT/GB92/00443 geoffenbart sind, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
• Man wird sich im Klaren darüber sein, daß zur Durchführung einer bestimmten Art der Analyse die Zusammensetzung der Membran zur Erzielung optimaler Ergebnisse formuliert werden kann. Ist es beispielsweise erwünscht, insbesondere negativ geladene Störsubstanzen am Durchgehen durch die Membran zu hindern, dann kann die geladene organische Spezies aus einem negativen organischen Ion bestehen. Dieses verhindert die Möglichkeit eines Ionenaustausches zwischen der (relativ großen) geladenen organischen Spezies und der Störsubstanz. Desgleichen kann ein positiv geladenes organisches Ion zur Verhinderung der Störung durch positiv geladene Ionen verwendet werden.
• Die Erfindung wird im folgenden ausschließlich durch Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden graphischen Darstellungen näher beschrieben, in denen
• Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung schematisch darstellt; und
• Fig. 2 und 3 verschiedene Membranstrukturen (in vergrößertem Maßstab) veranschaulichen.
• Fig. 1 veranschaulicht eine Sensoreinrichtung 1 zur Verwendung bei amperometrischen Messungen. Die Einrichtung umfaßt eine permselektive Membran 2, die in engem Kontakt mit den Elektroden 3 und 4 steht und in einen Stützvorrichtung 5 eingebracht ist. An der dem Stützvorrichtung 5 gegenüberliegenden Seite steht die Membran 2 in Kontakt mit dem Volumen der (analythaltigen) Lösung 6, die wäßrig oder organisch sein kann, vorausgesetzt, sie löst die Membran nicht auf. Man sollte sich im Klaren darüber sein, daß der Sensor wegwerfbar und nur für eine Messung bestimmt sein kann, in welchem Falle die Bedingung dahingehend ist, daß die Lösung die Membran während der Zeitspanne der Messung nicht auflösen darf.
• Bei der Elektrode 3 kann es sich um eine Arbeitselektrode (z. B. eine Platinelektrode) handeln und Elektrode 4 kann eine Bezugs-/Pseudobezugselektrode (z. B. aus Silber) sein.
• Die Membran 2 kann beispielsweise aus Polyvinylchlorid bestehen, in das eine geladene organische Spezies, wie oben ausführlicher beschrieben, eingearbeitet ist.
• Bei der Anwendung der Membran wird die Polarisierung der Elektroden und das Messen des Stroms in der Zelle durch entsprechende amperometrische Methoden durchgeführt. Durch Bereitstellung der organischen Ladungsträgerspezies in der Membran 2 wird ein Stromfluß zwischen den Elektroden 3 und 4 ohne die Notwendigkeit einer getrennten zwischen den Elektroden und der Membran eingebrachten Flüssig- oder Gelelektrolytschicht hergestellt.
• Die Membran kann die in Fig. 2 veranschaulichte Form aufweisen, bei der alle mobilen Spezies innerhalb der Polymermatrix festgehalten werden. Alternativ kann die Membran wie in Fig. 3 gezeigt sein, in der mobile Spezies innerhalb der Polymermatrix und außerdem in einem dünnen Film 7 auf der Membranoberfläche vorliegen, was während der elektrochemischen Zellkonstruktion zur Bildung einer dünnen Schicht zwischen der Membran 2 und der Elektrode 3 (und 4) führen kann.
• Membranen zur Verwendung in der Sensoreinrichtung können durch folgendes Verfahren hergestellt werden, das ausschließlich als Beispiel angegeben wird.
• Eine Membran kann durch Lösen von PVC zusammen mit Stützelektrolyt in Tetrahydrofuran hergestellt werden. So können beispielsweise 0,06 g PVC zusammen mit einer entsprechenden Menge des Stützelektrolyten (siehe unten) in 10 ml Tetrahydrofuran gelöst werden. Die Lösung wird in eine Petrischale von 10 cm Durchmesser gegossen, der Deckel wird aufgesetzt und man läßt das Tetrahydrofuran langsam bei Raumtemperatur 2-3 Tage verdampfen.
• Die organische Ladungsträgerspezies kann in Form von 150 ul Aliquat 336 (Tricaprylylmethylammoniumchlorid) bereitgestellt werden. Das Aliquat 336 wirkt sowohl als Ladungsträgerspezies als auch als Weichmacher für die Membran.
• Als Alternative kann die Ladungsträgerspezies in Form von 35 mg Natriumtetraphenylborat bereitgestellt werden, das in Verbindung mit 150 ul Isopropylmyristat verwendet wird, das während der Membranherstellung als Weichmacher wirkt.
• Aus der obigen Beschreibung wird man sich klar machen, daß die Erfindung eine Reihe von Vorteilen, wie unten aufgeführt, bietet.
• Der Sensor besteht aus einer einfachen Konstruktion einer mit einer Membran bedeckten Elektrode, wobei eine einzige kombinierte Membran-/Elektrolytschicht verwendet wird.
• Die mit einer Membran bedeckte Elektrode kann vorpolarisiert und konditioniert sein, so daß keine Flüssigkeit anwesend ist.
• Die Konstruktion der Sensoreinrichtung umfaßt keine wäßrigen Komponenten. Dadurch wird die Notwendigkeit vermieden, eine wäßrige Schicht abzulegen, was dann vorteilhaft ist, wenn trockene Bestandteile ebenfalls abgelegt werden müssen.
• Die Sensoreinrichtung ist in der Lage, die Vorteile der Elektrochemie der organischen Phase, d. h. ein breites angewandtes Spannungsfenster, Vorkonzentrationswirkungen und verbesserte Eigenschaften zusätzlicher, mit der organischen Phase verbundener Komponenten auszunutzen.
• Die Membran kann so formuliert werden, daß sie einen hohen Grad an Permselektivität aufweist (d. h. durch Verwendung einer positiv geladenen organischen Spezies werden positiv geladene Störsubstanzen daran gehindert, in die Membran einzudringen).
• Die Abwesenheit einer getrennten Flüssig- oder Gelphasenelektrolytschicht zwischen der Membran und den Elektroden verhindert Probleme bezüglich der Steuerung der Diffusion durch eine derartige Schicht.
• Bei Proben in der Praxis wird die Elektrodenverschmutzung reduziert.
• Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung dünner/delikater Membranen, da ein enger Kontakt zwischen der Membran und der festen Elektrode als Stütze dient.

Claims (11)

1. Amperometrische Sensoreinrichtung für den Nachweis einer vorgegebenen Komponente, die in einer Fluidprobe vorliegt, und für die Lieferung einer für sie typischen Anzeige, wobei die Einrichtung folgendes umfaßt: eine permselektive Membran, in die eine geladene organische Spezies eingelagert ist, wobei die permselektive Membran durch Abtrennung für lipophile Spezies selektiv ist, und eine Elektrodenanordnung mit einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode (bzw. Pseudobezugselektrode), wobei die Elektroden der Elektrodenanordnung in engem Kontakt mit der Membran stehen, jedoch an deren der Fluidprobe zugewandten Seite, nicht bloßliegen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Membran aus einem synthetischen Polymer besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der das Polymer PVC ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Membran weichgemacht ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Weichmacher für die Membran durch die geladene organische Spezies geliefert wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die geladene organische Spezies durch Tricaprylylmethylammoniumchlorid geliefert wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die geladene organische Spezies durch Natriumtetraphenylborat geliefert wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Weichmacher Dioctylphthalat oder Isopropylmyristat ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zusätzlich ein Mediator, ein Enzym, ein Cofaktor, ein Antikörper, ein Reagens, leitende Teilchen und/oder eine Polymermischung in die Membran eingelagert sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Elektrodenanordnung in engem Kontakt mit einer Seite der Membran steht.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Elektroden in die Membran eingebaut sind.