DE3813709A1 - Enzymatische elektrode, elektrodenmodul und anwendungsverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft enzymatische Elektroden und insbesondere eine enzymatische Elektrode und ein Elektrodenmodul, das besonders geeignet ist zur Verwendung in einem medizinischen Analysegerät, das eine schnelle Analyse von interessierenden Stoffen ermöglicht, die in einer unverdünnter Körperflüssigkeit enthalten sind, wie beispielsweise Blut, Serum und/oder Plasma.

Die anhängige US-Patentanmeldung SN 7 98 791 (entspricht DE 36 35 150.4) vom 15. November 1985 im Namen von Max D. Liston und anderen mit dem Titel "Ion Selective/Enzymatic Electrode Medical Analyzer Device an Method of Use", die dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein automatisches, modulares Vielkanal-Medizinanalysegerät, das durch die Verwendung eines Systems gekennzeichnet ist, das aus einer für Ionen selektiven Elektrode und einer Waschzelle und/oder einer enzymatischen Elektrode und einer Waschzelle besteht, das eine Analyse von interessierenden Stoffen in Körperflüssigkeiten erlaubt.

Obwohl das erfindungsgemäße Gerät und Verfahren nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt sind, sind diese insbesondere zur Verwendung in einer medizinischen Analysestruktur geeignet, die in dieser US-SN 7 98 791 offenbart ist, und werden als Ersatz für die enzymatische Elektrodenarbeitsstation oder das analytische Modul, das in dieser Anmeldung offenbart ist, verwendet.

Grundsätzlich beinhaltet die in der US-SN 7 98 791 offenbarte enzymatische Elektrode einen Elektrodeneinsatz, der am Ende einer Sonde angeordnet ist, die teilweise in einer Körperflüssigkeitsprobe eingetaucht wird. Der Einsatz umfaßt eine koaxial angeordnete Sensorelektrode und eine an einem Ende der die Enzyme tragenden Membran angeordnete Bezugselektrode. Die Membran trägt ein Enzym oder mehrere Enzyme zum Umwandeln des zu messenden Stoffes mittels einer chemischen Reaktion in einen Stoff, der polarographisch aktiv ist. Beispielsweise kann die Membran mit einem Glukoseoxydase-Enzym versehen sein, das Glukose in Glukonsäure und Wasserstoffperoxid umwandelt, wobei Wasserstoffperoxid durch polarographische Techniken erfaßbar ist. Wasserstoffperoxid entpolarisiert die Sensorelektrode. Ein Stromfluß bei einer gegebenen Spannung über die Sensorelektrode und Bezugs­ elektrode ist proportional zur Wasserstoffperoxidkonzentration, die durch die enzymatische, chemische Reaktion nahe der Membran entwickelt wird. Daher kann durch Messen des Stromflusses zwischen der Bezugselektrode und der Sensorelektrode und durch Kalibrieren des Stromflusses eine Bestimmung der Glukosekonzentration oder eines anderen, interessierenden Stoffes durchgeführt werden, der dazu geeignet ist, in eine polarographisch erfaßbare Substanz durch eine Membranenzymreaktion umgewandelt zu werden.

Obwohl eine derartige enzymatische Elektrode in der anhängigen US-SN 7 98 791 offenbart ist, die einen erheblichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik darstellt, hat man herausgefunden, daß die Anordnung der Membran am äußersten Ende einer sich in axialer Richtung hin- und herbewegenden Sonde mit dem Risiko verbunden ist, daß eine Zerstörung der empfindlichen Membranstruktur entweder durch körperlichen Kontakt mit Tragstrukturen und/oder der Verweilzeit in einer Umgebungsluft sowie mögliche Meßverzögerungen oder Ungenauigkeiten aufgrund der Verwendung des Ratenmeßsystemes und/oder Endpunktmeßsystemes, das für die enzymatische Elektrode eingesetzt wird, auftreten. Diesbezüglich sei hervorgehoben, daß die Verwendung des Ratenmeßverfahrens und/oder des Endpunktmeßverfahrens eine ziemlich komplizierte Software erfordert, um geeignete Meßpunkte zu erkennen und einen gewünschten, sich ergebenden Meßwert abzu­ leiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine enzymatische Elektrode bzw. ein Elektrodenmodul und ein Anwendungsverfahren so weiterzubilden, daß die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine verbesserte enzymatische Elektrode und ein Elektrodenmodul vorgesehen, das insbesondere zur Verwendung in einem medizinischen Analysegerät geeignet ist, das eine schnelle Analyse von interessierenden Stoffen erlaubt, die in unverdünnten Körperflüssigkeiten enthalten sind, wie beispielsweise Blut, Serum und/oder Plasma. Obwohl der Anwendungsbereich nicht hierauf beschränkt ist, sind die verbesserte enzymatische Elektrode und das Elektrodenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Verwendung in einem medizinischen Analysegerät geeignet, wie es in der anhängigen US-SN 7 98 791 gezeigt ist, und können als Ersatz für die enzymatische Elektrode und das analytische Modul verwendet werden, die in dieser US-Anmeldung offenbart sind. Die vorliegende Erfindung stellt eine erhebliche Abkehr von der Lehre nach dem Stand der Technik bezüglich folgender Gebiete dar: 1) die Sonden/Elektroden/Membran- Bauweise und das Tragsystem; 2) die Membranbauweise; 3) die chemische Zusammensetzung der Membran und die Reagentien; und 4) eine Pseudo-Raten- Meßtechnik/erzeugte Spitzenwert-Meßtechnik. Obwohl jede dieser Abweichungen unabhängige Anwendungen in der Technik hat, bewirkt die Kombination der Abweichungen in einem zusammengesetzten enzymatischen Elektrodensystem eine synergistische Kombination, die dazu führt, daß die vorliegende Erfindung eine erhebliche Verbesserung der Technik bewirkt.

Das erhebliche Abweichen der vorliegenden Erfindung in Hinblick auf die Sonden/Elektroden/Membran-Bauweise und das Tragsystem beinhaltet, daß die enzymatische Elektrode ständig in Flüssigkeitskontakt mit einer, sich in axialer Richtung hin- und herbewegenden Sonde steht, die wahlweise eine Menge einer getrennten und bestimmten Lösung transportiert, d. h., einer wäßrigen Pufferlösung, einer wäßrigen Kalibrierlösung und einer Körperflüssigkeits­ probe, wobei diese Lösungen zu einer Membran transportiert werden, die neben der enzymatischen Elektrode liegt. Die wäßrige Pufferlösung und die wäßrige Kalibrierlösung werden einer Waschzelle zugeführt, während die Körperflüssigkeitsprobe, die analysiert werden soll, in einem Probenbecher enthalten ist, der axial in der Nähe der Waschzelle angeordnet ist. Die Sonde wird in axialer Richtung zu verschiedenen vertikalen Orten innerhalb der Waschzelle und dem Probenbecher bewegt, um auf selektive Weise die wäßrige Lösung und die Körperflüssigkeitsprobe zu der Membran und nachfolgend zu einem Abfallreservoir zuzuführen. Die enzymatische Elektrode enthält eine Reihe von drei Elektroden, d. h., eine Arbeitselektrode oder Sensorelektrode, eine Bezugs­ elektrode und eine Zählerelektrode, die alle gleichzeitig in den Strömungsweg der Membranlösung angeordnet sind, damit sie in Flüssigkeitsverbindung mit der wäßrigen Lösung und der zu analysierenden Körperflüssigkeit stehen. Die Zählerelektrode ist darüber hinaus mit einer neuen Bauweise ausgerüstet, die es ermöglicht, daß die Elektrode eine elektrische Elektrodenfunktion sowie eine mechanische Strömungswegfunktion ausführt. Die Waschzelle ist derart aufgebaut, daß sichergestellt ist, daß restliche Flüssigkeit und Luftblasen, die sich möglicherweise auf der Sonde ansammeln, während der axialen Hin- und Herbewegung abgetrennt werden und von der wäßrigen Lösung und/oder von der Körperflüssigkeitsprobe, die zur Membran fließen, getrennt werden. Ferner ist die Membran in entfernbarer Weise mit der Elektrode verbunden. Die wäßrigen Lösungen sind auf eine neue Art mit einem Gehäuse versehen und getragen, wodurch es ermöglicht ist, daß ein schnelles Austauschen der Lösungen durch ungeschultes Personal durchgeführt werden kann.

Die Membranbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine zusammengesetzte Vielschichtmembran, die aus einer Schutzmembranschicht, einer aktiven Enzym­ membranschicht und einer Grenzmembranschicht besteht. Die schützende Enzymschicht beinhaltet entweder eine einzige oder vorzugsweise eine vielschichtige Struktur, die zum Aussieben geeignet ist, d. h., das Durchdringen von Blutzellen und anderen größeren Partikel oder Zellstrukturen durch die Membran verhindert. Ferner ist die Schutzmembranschicht derart ausgebildet, daß die Transportrate eines zu analysierenden Stoffes oder zu messenden Stoffes in der Enzymschicht angepaßt wird, wodurch eine Kalibrierung und Linearisierung des durch die Enzymelektrode erzeugten elektrischen Signals unter­ stützt wird.

Zusätzlich kann die Schutzschicht ein unbeweglich gemachtes Enzym enthalten, wie beispielsweise Katalase, wenn die Durchführung von Glukosemessungen bei der Membran gewünscht ist, wodurch sichergestellt ist, daß eine ausreichende Menge von Sauerstoff bei der Membran anwesend ist, so daß eine hohe Glukosekonzentration nicht die Enzymreaktion jenseits von Systemparametern bringt.

Die aktive Enzymschicht beinhaltet ein unbeweglich gemachtes Enzym, das die zu messende Substanz in eine erfaßbare Substanz in Anwesenheit des Enzymes umwandelt, d. h., vorzugsweise eine polarographisch erfaßbare Substanz. Die Grenzmembranschicht wird derart ausgestaltet, daß störende Stoffe mit niedrigem Molekulargewicht ausgesiebt werden oder in ihrem Durchgang durch die Schicht behindert werden, wobei jedoch ein relativ freier und unbehinderter Transport von polarographisch erfaßbaren Stoffen zu der Elektrode zugelassen wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Abschirmfunktion dadurch erzielt, daß die Transportrate von störenden Stoffen während einer ausreichenden Zeit herabgesetzt wird, um eine Erfassung und Messung von interessierenden Substanzen bei der Elektrode ohne Störung zu erreichen. Daher kann mit der erfindungsgemäßen neuen Membranbauweise die zu analysierende Körperflüssigkeit der Membran in einem unverdünnten Zustand präsentiert werden, wobei störende Stoffe von einer Zusammenwirkung mit der Elektrode abgehalten werden, und wobei eine schnelle Umwandlung der zu messenden gewünschten Stoffe in eine polarographisch erfaßbare Substanz erreicht wird.

Soweit die Membranchemie und die Reagentien betroffen sind, wird erfindungsgemäß eine spezielle Definition der Chemie vorgenommen und die natürliche Kinetik der Enzymreaktion zum Optimieren der Meßeigenschaften und Meßgenauigkeiten gefördert. Insbesondere steuert die Erfindung durch Verwendung der Schutzmembran die Rate, mit der die gewünschte, interessierende, zu vermessende Substanz zu der aktiven Enzymschicht der Membran Zutritt erhält, um auf diese Weise eine Linearisierung des durch die Elektrode gemessenen elektrischen Signales sicherzustellen (d. h. des elektrischen Signales, das an der Elektrode gemessen wird, und linear proportional zur Konzentration der zu messenden Substanz in der Körperflüssigkeitsprobe ist). Ferner wird durch Verwendung von einer unbeweglich gemachten Katalase in der Schutzschicht zum Zwecke der Glukosemessung eine Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser erreicht, so daß eine ausreichende Menge von Sauerstoff der Membran präsentiert wird, damit sichergestellt ist, daß die hohe Glukosekonzentration nicht die Systemparameter für die Enzymreaktion verläßt.

Ferner werden die Anwesenheitszeiten, während denen die wäßrige Kalibrierungsflüssigkeit und/oder die Körperflüssigkeitsprobe der Membran ausgesetzt werden, sorgfältig durch ein wahlweises Einführen der wäßrigen Pufferlösung gesteuert, so daß zu gewünschten zeitlichen Perioden eine rückwärtsgerichtete Diffusion der zu messenden Substanz durch die Membran stattfindet. Diese rückwärtsgerichtete Diffusion bewirkt einen leicht erkennbaren, künstlich erzeugten Spitzenwert im Meßsignal, der, wie nachfolgend im Detail erläutert, erheblich die Zeit des Aussetzens vermindert und Betrachtungen im Signalverlauf maximiert. Im Gegensatz zu der Ratenmeß­ technik oder Endpunktmeßtechnik nach dem Stand der Technik bei einer enzymatischen Elektrode beinhaltet die vorliegende Erfindung eine neuartige Pseudo-Raten-Meßtechnik oder Meßtechnik eines erzeugten Spitzenwertes, so daß eine schnelle Identifizierung eines gewünschten Spitzenwertes des an der Elektrode erzeugten Signales ermöglicht wird. Im Hinblick auf die schnelle Identifikation des Spitzenwertsignales können die Datenspeicherung und Datenverarbeitung minimal gehalten werden, was den Meßprozeß vereinfacht.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines medizinischen Analysegerätes, bei dem Vielfach-Enzym-Analysemodule oder Teststationen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines von dem Analysegerät gemäß Fig. 1 entfernten analytischen Modules, in dem ein Behältnis zur Speicherung oder zur Aufnahme von Abfallstoffen von wäßrigen Flüssigkeiten angeordnet werden kann;

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung des Behältnisses zur Speicherung und Aufnahme von Abfallstoffen von wäßrigen Flüssigkeiten gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines enzymatischen Analysemoduls oder einer Arbeitsstation gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Elektroden­ trägers;

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung längst der Linie 6-6 von Fig. 5;

Fig. 7 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des an der Sonde befestigten Elektrodenträgers und der Membrankammer sowie der Orientierung dieser Teile bezüglich der Waschzelle und des Proben­ bechers;

Fig. 8 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Beziehung zwischen der Membrankammer, der Sonde und einem Elektroden­ träger;

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Membransondenträgers;

Fig. 10 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Membranhalters, der Membrandichtung, der Membran und des Membranrückhalterings gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Membran­ dichtung;

Fig. 12 eine perspektivische Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Waschzelle;

Fig. 13 eine Teil-Querschnittsdarstellung des Elektrodenträgers, der Membran, des Membranhalters, der Sonde und der Waschzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verdeutlichung der relativen Orientierung und zum Darstellen der inneren Flußkanäle und Flußröhren, die an diese Teile angebracht sind;

Fig. 14 eine schematische Darstellung der aus Vielfachmembranschichten zusammengesetzten erfindungsgemäßen Membran;

Fig. 14A eine perspektivische Explosionsdarstellung der Vielfachschichten der Schutz­ membranschicht gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14B eine schematische Darstellung der Unterschiede bezüglich der Transportraten von Stoffen durch die Grenzmembranschicht gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 eine schematische Darstellung der an die Arbeitselektrode, Bezugselektrode und Zählerelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung angelegten Spannung;

Fig. 16 eine graphische Darstellung der Pseudo- Raten-Meßtechnik/Meßtechnik mit erzeugtem Spitzenwert gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 17 bis 21 schematische Darstellungen der aufeinander­ folgenden Schritte der Sonde während eines Meßverfahrens.

Das in Fig. 1 gezeigte medizinische Analysegerät 10 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 12, das eine oder mehrere enzymatische Teststationen oder analytische Module 33 gemäß der vorliegenden Erfindung trägt oder gleitend aufnimmt. Wie insbesondere in Fig. 2 zu sehen ist, trägt jedes analytische Modul 33 eine größere Untereinheit und Unterkomponente für das Analysegerät 10, nämlich eine Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14, einen Sondenantriebsmechanismus 16, eine Waschzellenanordnung 18, eine Probenbecher/Halteranordnung 20 und ein Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystem 22. Die Betriebsweise eines jeden der Module 33 und der entsprechenden Untereinheiten 14, 16, 18, 20, 22 werden durch eine gemeinsame Verarbeitungs- und Steuerelektronik (nicht dargestellt) gesteuert, die auf einer Hauptschaltungs­ tafel (nicht dargestellt) getragen wird, die nahe der Rückseite des Gehäuses 12 angeordnet ist. Ein jedes der Module 33 ist elektrisch über Stiftverbinder (nicht dargestellt) angeschlossen an und steht in Multiplex-Verbindung mit der gemeinsamen Verarbeitungs- und Steuerelektronik, so daß eine selektive Betriebsweise von allen Modulen 33 in vorteilhafter Weise unter Verwendung eines einzigen Mikroprozessors erzielt werden kann.

Die Beschreibung der gemeinsamen Verarbeitungs- und Steuerelektronik, der Hauptschalttafel und der elektrischen Verbindung dieser Schaltungen zu den Modulen 33 ist im einzelnen in der anhängigen US-SN 7 98 791 vom 15. November 1985 offenbart. Diese Anmeldung wurde im Namen von Max. D. Liston et al. eingereicht und hat den Titel "Ion Selective/Enzymatic Electrode Medical Analyzer Device and Method of Use". Diese Anmeldung ist auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen. Die Offenbarung dieser Anmeldung wird durch Querbezugsnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Obwohl es in seiner Anwendungsbreite nicht auf den Anwendungsfall bestimmt ist, wird das enzymatische Elektrodenmodul 33 gemäß der vorliegenden Erfindung und das Anwendungsverfahren speziell in Zusammenhang mit einem medizinischen Analysegerät verwendet, wie es in der US-SN 7 98 791 offenbart ist, und wird als Ersatz für die enzymatische Elektronenarbeitsstation oder das analytische Modul verwendet, die in dieser US-SN beschrieben sind. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlicher wird, liefert sie Zusammenarbeit der verschiedenen Untereinheiten 14, 16, 18, 20, 22 der Module 33 mit der Verarbeitungs- und Steuerelektronik eine genaue Ermittlung der Konzentration der interessierenden Substanzen, wie beispielsweise Glukose, Creatinin, Triglycerid, Cholesterin, Ascorbinsäure, Aminosäure, Lactose, Galactose sowie weiteren Stoffen, die in einer unverdünnten Körperflüssigkeit enthalten sind, wie beispiels­ weise Blut, Serum oder Plasma. Alle interessierenden Substanzen enthalten eine Substanz, die in Gegenwart von einem geeigneten Enzym in eine erfaßbare Substanz umge­ wandelt werden können und durch verschiedene Sensortechniken gemessen werden können.

Als ein grober Überblick wird eine Analyse für die Körper­ flüssigkeitsprobe einer speziellen, interessierenden Substanz ausgeführt, indem die Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14 eines Modules 33 in axialer Richtung durch den Sondenantriebsmechanismus 16 zwischen der Waschzellenanordnung 18 und der Probenbecher/Halteranordnung hin- und herbewegt wird. Bei ausgewählten axialen Stellungen der Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14 innerhalb der Waschzellenanordnung 18 und der Probenbecher/Halteranordnung 20 zieht das Flüssigkeits- und Vakuumsystem 22 wahlweise entweder eine wäßrige Pufferlösung und/oder eine wäßrige Kalibrierlösung, die bei der Waschzelle 18 oder dem innerhalb der Proben­ becher/Halteranordnung 20 enthaltenen Körperflüssigkeitsprobe 20 vorliegt, nach oben in die Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14, um diese Flüssigkeit einer Membran zuzuführen, die nahe der enzymatischen Elektrode liegt. Die wäßrige Kalibrierungslösung und die Körperflüssigkeitsprobe oder das Körperflüssigkeitsmuster werden nach Kontakt mit der Membran mittels einer Enzymreaktion umgewandelt. Ein Produkt dieser Reaktion durchläuft die Membran zu einem speziellen, auf das Produkt ansprechenden Sensor, der vorzugsweise, jedoch nicht beschränkenderweise eine Elektrode ist, um ein erfaßbares Signal zu liefern, das vorzugsweise ein mit einem Strommesser erfaßbares elektrisches Signal ist. Durch Verarbeiten des elektrisches Signals gemäß Systemparametern wird schnell eine Ergebnisbestimmung der Konzentration der speziellen, interessierenden Substanz innerhalb des Körperflüssigkeitsmusters gemessen und auf der Anzeigetafel 30 des Analysegerätes 10 zur Anzeige gebracht.

Nachfolgend wird zusätzlich zu diesem Überblick über die Betriebsweise eine detaillierte Beschreibung der Bauweise eines jeden der größeren Unteranordnungen und Unterkomponenten der Erfindung gegeben.

Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung

Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 10 die Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14 erläutert. Die Anordnung 14 liegt nahe an der äußeren Fläche der Vordertafel 31 des analytischen Modules 33 und besteht im wesentlichen aus einem Membran- und Sondenträger oder -gehäuse 50, einem Elektrodenträger 60 und einem Membranhalter 70. Wie insbesondere in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, enthält der Membran- und Sondenträger 50 eine längliche Struktur mit einem Paar von Führungsschienen 52, die sich in vertikaler Richtung zu einem untersten Ende hin erstrecken, sowie eine Membrankammer 54, die sich in lateraler Richtung nach außen von ihrer Vorderfläche aus erstreckt. Eine röhrenförmige Sonde 40, die vorzugsweise aus Edelstahl gebildet ist, hat eine ungefähre Länge von 5 cm, einen Außendurchmesser von ungefähr 1,6 mm und einen Innendurchmesser von ungefähr 1,3 mm und ist als ein Einsatz ausgebildet und wird fest auf dem Wagen 50 gehalten. Die Sonde 40 hat ein abge­ schlossenes unteres Ende 42 und ein offenes oberes Ende 44, das horizontal nach außen orientiert ist und sich in das Innere der Membrankammer 54 erstreckt. Eine kleine, sich in radialer Richtung erstreckende Öffnung 46 ist in der Sonde 40 nahe des unteren, verschlossenen Endes 42 ausgebildet und wird nachfolgend näher erläutert. Die Öffnung 46 dient als Flüssigkeitseinlaß für die Sonde 40.

Die Membrankammer 54, die vorzugsweise als integraler Teil des Wagens 50 ausgebildet ist, legt einen inneren Bereich 62 mit einer vergrößerten mittigen Öffnung 64 und einer kleineren oberen Öffnung 66, die sich in horizontaler Richtung erstreckt, fest. Der innere Bereich 62 der Membrankammer 54 hat eine flache, ebene Rückseite 68 und unterschiedlich ausgebildete Endteile 72 und 74, die eine Art von "Schlüssel"-Funktion haben, um zu verhindern, daß die Membrandichtung 80 und der Membranhalter 70 falsch hieran befestigt werden.

Wie in den Fig. 8, 10 und 11 dargestellt ist, beinhaltet der Membranhalter 70 einen mittigen Abdeckabschnitt 76 und ein Paar von länglichen Flügeln oder Vorsprüngen 78, die an entgegengesetzten Seiten angebracht sind. Der mittige Abschnitt 76 beinhaltet einen sich in horizontaler Richtung erstreckenden Flansch 81, dessen äußere Gestalt komplementär zu der Gestalt des inneren Bereiches 62 der Membrankammer 50 ausgebildet ist, so daß sich der Flansch in diesen Bereich hineinerstrecken kann. Die Vorsprünge 78 haben ein Paar von Rückhalteschultern 82 a ihrem äußeren Ende, deren Abmessung so gewählt ist, daß sie sich über ein Paar von Ausnehmungen 86 erstrecken und in diese aufgenommen werden, wobei die Ausnehmungen an den Kanten der hinteren Fläche des Membran/Sondenträgers 50 ausgebildet sind. Wie man erkennt, ist der Ort der Schultern 82 so gewählt, daß ein leichter Preßsitz des mittigen Abschnitts 70 des Membranhalters gegen die Membrankammer 54 erreicht wird, wenn die Schulter 82 in den Ausnehmungen 86 gefangen werden. Weiter sind die Vorsprünge 78 derart ausgebildet, daß sie sich in lateraler Richtung ausdehnen, wenn eine von Hand aufgebrachte Druckkraft an ihre äußeren Enden aufgebracht wird, damit sich die Schultern 82 in die Ausnehmungen 86 erstrecken können, und nach dem Beseitigen der von Hand aufgebrachten Druckkraft federnd in ihre ursprüngliche Gestalt zurückkehren, um auf dichtende Art den Membranhalter 70 auf dem Wagen 50 zu halten.

Das Innere des Flansches 81 legt eine hintere, ebene Fläche 84 fest, die eine konkave Ausnehmung 86 hat, die mittig in diesem Teil ausgebildet ist. Das Innere des Flansches 81 nimmt eine Membrandichtung 80 auf, die vorzugsweise aus einem elastischen Latex gefertigt ist oder aus Silicongummi oder einem elastomeren Material, wobei die Dichtung derart ausgestaltet ist, daß ihre äußere Konfiguration komplementär zu der Konfiguration des Inneren des Flansches 81 ist, so daß die Dichtung dichtend durch den Flansch aufgenommen werden kann. Die äußere Fläche der Dichtung 80 beinhaltet eine sich in vertikale Richtung erstreckende Ausnehmung 90, die an entgegengesetzten Enden mit einem Paar von ringförmigen Öffnungen 92 und 94 in Verbindung steht, die sich in lateraler Richtung durch die Dichtung 80 erstrecken. Die Dichtung 80 ist zusätzlich mit einer vergrößerten, mittigen, ringförmigen Aushöhlung 96 versehen, deren Innenfläche 98 konkav ausgebildet ist in komplementärer Form zu der konkaven Ausbildung der Ausnehmung 86, die in dem Membranhalter 70 ausgestaltet ist. Wie insbesondere in Fig. 11 zu erkennen ist, erstreckt sich die Ausnehmung 90 durch die konkave Fläche 98 der Aushöhlung 96, was eine Öffnung 100 durch die Dichtung 80 bildet.

Die Aushöhlung 96 der Dichtung 80 hat eine derartige Abmessung, daß sie eine dünne, zusammengesetzte Membran 110 aufnimmt, die vorzugsweise derart ausgestaltet ist, daß ihr Durchmesser größer als der Durchmesser der Aushöhlung 96 ist. Die Membran 110 ist in das Innere der Aushöhlung 96 mittels eines Rückhalteringes 112 eingesetzt, der derart ausgestaltet ist, daß dessen Außendurchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Aushöhlung 96 ist. Durch Zentrieren des Rückhalterings 112 bezüglich der zusammengesetzten Membran 110 und nachfolgendes Zusammenpressen der Membran 110 und des Rückhalteringes 112 in axialer Richtung in das Innere der Aushöhlung 96 wird die Membran 110 neben der konkaven Fläche 98 der Dichtung angeordnet und liegt innerhalb der Öffnung 100 der Ausnehmung 90. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Breite der Dichtung 80 geringfügig größer als die Tiefe des Inneren des ringförmigen Flansches 81, so daß bei Anordnung der Dichtung 80 innerhalb des Membranhalters 70 und bei Anbringung des Membranhalters 70 an der Membrankammer 54 mittels der Vorsprünge 78 die Dichtung einen flüssigkeitsdichten Flüssigkeitsweg bildet, der durch die Ausnehmung 90 festgelegt ist, die sich zwischen dem oberen Ende 44 der Sonde 40 und der ringförmigen Öffnung 66 des Membransondenträgers 50 erstreckt.

Wie insbesondere in den Fig. 5 bis 8 gezeigt ist, ist der Elektrodenträger 60 im wesentlichen rechteckig oder quaderförmig ausgebildet und hat eine vordere Fläche 120 und eine offene Rückseite 122. Eine rechteckförmige, sich in lateraler Richtung erstreckende Verstärkung 124 liegt an der Vorderfläche 120 und beinhaltet eine vergrößerte, mittige Öffnung 126, die sich teilweise durch die Verstärkung erstreckt und eine kleinere Öffnung 128, die sich vollständig durch die Verstärkung erstreckt. Die Öffnung 128 hat eine ringförmige Ausnehmung 130 an ihrem vorderen Ende und ist derart bemessen, daß sie einen O-Ring 132 aufnehmen kann (wie dies in Fig. 8 gezeigt ist). Die mittige Öffnung 126 ist in ihren Abmessungen derart gewählt, daß sie mit einem dichten Sitz eine Elektrode oder einen Sensoreinsatz 140 aufnimmt, der ein zylindrisches Teil umfaßt, das aus elektrisch isolierendem Material besteht.

Der Elektrodeneinsatz beinhaltet eine Arbeitselektrode oder Sensorelektrode 142 und eine Bezugselektrode 144, die sich in axialer Richtung durch dieses Teil erstrecken, und deren äußere Fläche an der konvex ausgebildeten äußeren Fläche des Elektrodenteiles liegt und deren innere Enden mit jeweiligen Stiftklemmen 146 und 148 verbunden sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet die Arbeitselektrode oder Sensorelektrode 142 einen Platindraht mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm, der vorzugsweise einen konusförmigen oder sich erweiternden Kopf mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 2 mm hat, während die Bezugselektrode einen Silberdraht umfaßt, dessen Durchmesser bei ungefähr 1/2 mm liegt. Der Elektrodenträger 60 beinhaltet zusätzlich eine Zählerelektrode 150, die in einem Paßsitz innerhalb der Öffnung 128 in dem Träger aufgenommen ist. Wie insbesondere in Fig. 6 zu sehen ist, ist die Zählerelektrode 150 vorzugsweise als hohle Edelstahlröhre ausgestaltet, die sich von der Aufnahme 130 für den O-Ring aus erstreckt und nach hinten außerhalb in Richtung auf das offene Ende 122 des Trägers 60 verläuft. Eine gedruckte Schaltungsplatine 152 liegt innerhalb des Wagens 60 und wird von einem Paar von Befestigungsschultern 154 aufgenommen, zwischen denen er festgelegt ist. Die gedruckte Schaltungsplatine 152 beinhaltet eine Elektroden­ verstärkerschaltung nach dem Stand der Technik und bildet eine elektrische Schnittstelle zwischen den Elektroden 142, 144 und 150. Diese Schnittstelle wird durch die Schaltungsplatine 152 gebildet, die drei Durchbohrungen oder durchgehende Öffnungen 160, 162 und 164 (Fig. 6) aufweist, die einen Reibungssitz mit den Stiftklemmen 146, 148 und einem äußeren Durchmesser der Zählerelektrode 150 bilden. Wenn dies nötig ist, können alle Elektroden 142, 144 und 150 schnell ausgewechselt werden, indem lediglich Elektroden entfernt und Ersatz­ elektroden in die Öffnungen 126 und 128 sowie in die in Durchgangslöchern plattierte Schaltungsplatine 152 eingesetzt werden. Die Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14 wird auf dem analytischen Modul 33 zusammengesetzt, indem der Elektrodenträger 60 an der Innenseite der Vorderfläche 31 des Modules 33 angeordnet wird und indem die Verstärkung 124 des Elektrodenträgers 60 sich durch die längliche, rechteckige Öffnung 35 erstreckt (vgl. insbesondere Fig. 2), die in der Vorderfläche 31 des Modules 33 ausgebildet ist. Der Membran- und Sondenträger 50 kann daraufhin von der Vorderseite der Vordertafel 31 in Richtung auf die Verstärkung 124 eingesetzt werden, was dazu führt, daß das äußere Ende des Elektroden­ einsatzes 140 sich innerhalb der vergrößerten, mittigen Öffnung 64 der Membrankammer 54 erstreckt. Durch eine fortgesetzte, nach innen gerichtete Bewegung des Membran/Sondenträgers 50 auf den Elektrodenträger 60 zu wird bewirkt, daß sich die hintere Fläche des Membran/Sondenträgers 50 an die vordere Fläche der Verstärkung 124 anlegt. Bei dieser Anlage wird der O-Ring 132 in der Ausnehmung 130 zusammengedrückt, wodurch eine flüssigkeitsdichte Schnittstelle zwischen der Öffnung 66, die in dem Membran/Sondenträger 50 ausgebildet ist, und der röhrenförmigen Zählerelektrode 150 gebildet wird. Anschließend können der Membran/Sondenträger 50 und der Elektrodenträger 60 in ihrer richtig zusammengesetzten Orientierung durch Maschinenschrauben 160 (Fig. 7) gehalten werden, die durch die ausgerichteten Öffnungen geschraubt werden, die in dem Membran- und Sondenträger 50 und der erhöhten Verstärkung 124 des Elektrodenträgers 60 vorgesehen sind.

Die Membrandichtung 80, in der die Membran 110 angeordnet ist, kann daraufhin in dem Membranhalter 70 eingesetzt werden, wobei dieser mit der Membrankammer 54 ausgerichtet werden kann. Durch Aufbringen einer geringfügigen Druckkraft auf das äußere Ende der Vorsprünge 78 des Halters 70 kann der Halter 70 nach innen gedrückt werden, was dazu führt, daß die Membrandichtung eine flüssigkeitsdichte Abdichtung gegenüber der ebenen Fläche 68 der Membrankammer 54 bildet. Durch Loslassen der Druckkraft auf den Vorsprung 78 wird die Abdichtung der Dichtung gegenüber der ebenen Fläche 68 aufgrund des Zusammenwirkens der Schultern 82 des Membranhalters 70 mit den Ausnehmungen 86 aufrechterhalten, die an den hinteren Kanten des Membran/Sondenträgers 50 ausgestaltet sind.

Wie insbesondere in Fig. 13 zu sehen ist, wird durch diese spezielle Anordnung ein direktes Anliegen des konvexen Endes des Elektrodeneinsatzes 40 an der Innenfläche der zusammengesetzten Membran 110 erreicht, wodurch die Membran 110 direkt gegen die Fläche des Elektroden­ einsatzes 140 und nach innen gegen die konkave Ausnehmung 86 gedrückt wird, die in dem Membranhalter 70 ausgestaltet ist, so daß die Membran bei einem gemäßigten Druck gehalten wird, und daß die äußeren Enden des Sensors 142 und der Bezugselektrode 144 die Membran 110 kontaktieren. Demgemäß kann ein Befestigen und Ersetzen der Membran 110 schnell und einfach durch ungeschultes Personal ausgeführt werden, ohne daß die Befestigung der Elektroden innerhalb der Membran gestört wird, indem lediglich der Membranhalter 70 betätigt wird.

Ferner wird ein innerer Flüssigkeitsweg oder Stromweg von der Einlaßöffnung 46 der Sonde 40 durch das Innere der Sonde 40 zu der Öffnung 92, der Ausnehmung 90 und der Öffnung 94 der Membrandichtung und durch das Innere der Zählerelektrode 150 festgelegt. Wie man erkennt, ge­ währleistet dieser Flüssigkeitsweg, daß der gesamte Flüssigkeitsstrom der äußeren Fläche der Membran 110 zugeführt wird und daß ferner sämtliche Elektroden 142, 144 und 150 in dem Flüssigkeitsweg angeordnet sind, wo­ bei die Zählerelektrode 150 direkt dem Strom ausgesetzt wird, während die Arbeits- und Bezugselektrode 142 und 144 in den Strom durch ihre Zusammenwirkung mit der zusammengesetzten Membran 110 angeordnet sind.

Waschzellenanordnung

Eine Waschzellenanordnung 18 ist insbesondere in den Fig. 12 und 13 zu sehen. Die Waschzelle 18 hat ein im wesentlichen rechteckförmiges Gehäuse bzw. Gefäß mit einem Paar von flachen Seiten 202, die längs der Seitenkanten ausgestaltet sind und derart bemessen sind, daß sie gleitend aufnehmen und dadurch ausgerichtet sind mit den sich nach unten erstreckenden Führungsschienen 52 des Membransondenträgers 50. Ein Paar von rechteckförmigen Befestigungsöffnungen 204 ist längs der hinteren Fläche des Waschzellengehäuses 200 vorgesehen und erstreckt sich in lateraler Richtung. Eine mittige Öffnung 210 erstreckt sich vertikal durch die gesamte Länge des Gehäuses 200 (vgl. Fig. 13), wobei das Gehäuse der Öffnung geringfügig größer ist, als der Durchmesser der Sonde 40, so daß die Sonde durch die Öffnung in axialer Richtung hin- und herbewegt werden kann. Der obere Abschnitt der mittigen Öffnung 210 beinhaltet eine Bohrung 212 mit größerem Durchmesser und nimmt einen O-Ring 214, eine Abstandsspule 216 und einen zusätzlichen O-Ring 218 auf. Die Abstandsspule 216 hat eine axiale Öffnung 210, die sich durch dieses Teil erstreckt und derart bemessen ist, daß deren Durchmesser geringfügig größer ist, als der Durchmesser der Sonde 40, und beinhaltet ferner eine sich in radialer Richtung erweiternde Öffnung 222, die sich durch den mittigen, verminderten Durchmesserabschnitt der Spule 216 in die axiale Öffnung 220 erstreckt. Der O-Ring 214 und der O-Ring 216 haben einen Innendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser der Sonde 40, so daß die O-Ringe eine dynamische Flüssigkeitsdichtung bilden, wenn sich die Sonde in axialer Richtung durch die Waschzelle 18 hin- und herbewegt.

Der O-Ring 214, die Abstandsspule 216 und der O-Ring 218 werden durch die erweiterte Bohrung 212 eingesetzt und in dieser mittels einer Rückhalteplatte 226 gehalten, die gleitend in einer komplementär ausgebildeten, sich in lateraler Richtung erstreckenden Öffnung 228 aufge­ nommen wird, die nahe der oberen Fläche des Gehäuses 200 ausgebildet ist. Wie man erkennt, wird bei Einsetzen der Rückhalteplatte in die Öffnung 228 ein Andrücken der O-Ringe 214 und 218 gegen die Abstandsspule 216 und die zylindrische Wand der erweiterten Bohrung 212 bewirkt. Die Rückhalteplatte 226 hat ferner eine mittige Öffnung 230, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Durchmesser der Sonde 40 und die derart angeordnet ist, daß sie axial mit der mittigen Öffnung 210 ausgerichtet ist, die sich durch das Waschzellengehäuse 200 erstreckt. Drei axial ausgerichtete und vertikal beabstandete Öffnungen 240, 242 und 244 erstrecken sich lateral nach innen von der hinteren Fläche des Waschzellengehäuses 200 und in die mittige Öffnung 210, die an dem innenseitigen Ende Flüssigkeitskanäle 246, 248 und 250 aufnimmt. Das unterste Ende der mittigen Öffnung 210 im Bereich nahe des inneren Abschnittes der Öffnung 240 beinhaltet ferner eine kegelstumpfförmige Öffnung 232, die nachfolgend im Detail erläutert wird und die derart entworfen ist, daß durch sie jegliche restliche Proben und Luftblasen beseitigt werden, die sich auf der Sonde 40 während der Hin- und Herbewegung der Sonde 40 durch die Waschzelle 18 ablagern. Die untere Abdeckplatte 234 hat eine mittige Öffnung und ist fest am unteren Ende des Gehäuses 200 befestigt, wodurch die kegelstumpfförmige Öffnung 232 bedeckt wird.

Durch diese Bauweise der Waschzelle 18 sind drei getrennte, vertikal unterteilte Zonen oder Bereiche längs der mittigen Öffnung 210 vorgesehen, wobei der unterste Bereich durch die Öffnung 240 und die kegelstumpfförmige Öffnung 232 festgelegt ist, der zweite oder Mittenbereich durch die mittige Öffnung 210 und die Öffnung 242 gebildet ist und wobei der dritte oder obere Bereich durch den verminderten Durchmesserabschnitt der Abstandsspule 216 und die Öffnung 244 festgelegt ist. Wie nachfolgend detaillierter erläutert wird, werden diese voneinander getrennten Teile oder Zonen der Waschzelle 18 dazu verwendet, um einen getrennten Fluß einer wäßrigen Pufferlösung und einer wäßrigen Kalibrierlösung nach oben innerhalb des Inneren der Sonde 40 und zu der Membran 110 zu ermöglichen und um die Sonde 40 vor der Bewegung der Sonde zwischen den getrennten Abschnitten zu reinigen.

Wie insbesondere in Fig. 13 zu sehen ist, ist die Waschzelle auf dem analytischen Modul 33 nahe der Vorderfläche 31 zusammengesetzt und liegt vertikal unterhalb der Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14. Die Waschzelle 18 ist an dem Modul 33 durch eine Zusammenwirkung der rechteckigen Befestigungsöffnungen 204 mit einem Paar von Befestigungsvorsprüngen 260 (Fig. 13) befestigt, die sich lateral nach außen von der Vorderfläche 31 des Modules 33 erstrecken. Die Befestigungsvorsprünge 260, die innerhalb der Befestigungsöffnungen 204 eingesetzt sind und die Führungsschienen 52 des Membran- und Sondenträgers 50, die in die flachen Seiten 202 der Waschzelle eingesetzt sind, bewirken eine koaxiale Ausrichtung der mittigen Öffnung 210 der Waschzelle 18 mit der Sonde 40 der Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14.

Probenbecher/Halter-Anordnung

Die Probenbecher/Halter-Anordnung ist insbesondere in Fig. 7 gezeigt und beinhaltet ein Tragfach 300 und einen Probenbecher 302, die aus Kunststoffmaterial, wie beispielsweise durchsichtigem ABS gebildet sind. Das Tragfach 300 hat ein im wesentlichen rechteckförmig ausgebildetes Grundteil 304 mit einer einstückig ausgebildeten Fachplatte 306, die sich senkrecht vom Grundteil er­ streckt. Eine Befestigungsöffnung 308 ist am unteren Abschnitt des Grundteils 304 vorgesehen und nimmt eine Schraube 310 auf, die sich durch die vordere Fläche 31 des analytischen Modules 33 erstreckt, um das Grundteil 304 gegenüber dem Modul 33 festzulegen. Das Tragfach 306 hat ein Paar von L-förmigen Kanälen 310, die sich senkrecht nach oben von dem Tragfach 306 erstrecken und eine Gleitaufnahme für einen Teil des Probenbechers 302 bilden. Der Probenbecher 302 hat eine im wesentlichen stangenförmige Anordnung mit einem vergrößerten zylindrischen Grundteil 320, dessen Durchmesser gleich oder geringfügig kleiner ist als der Abstand zwischen den beiden L-förmigen Kanälen 312. Wie insbesondere in Fig. 13 zu sehen ist, erstreckt sich eine mittige Öffnung 330 axial. Ein Zylinder 332 mit kleinem Durchmesser (durch die gestrichelten Linien in Fig. 13 dargestellt) liegt koaxial innerhalb des Inneren der Öffnung 330 und hat einen Durchmesser, der geringfügiger ist als der Durchmesser der Sonde 40. Das obere Ende der Öffnung 332 endet axial unterhalb des oberen Endes der Öffnung 330 und hat eine winkelmäßig angestellte Fläche. Die Tiefe der Öffnung 332 hat vorzugsweise eine Abmessung zum Halten einer geringfügigen Menge von Körperflüssigkeit (ungefähr 40 bis 125 ul und vorzugsweise 75 bis 100 ul). Wie man erkennt, ist das Tragfach 300 fest an der Vorderfläche 31 des analytischen Modules 33 befestigt, und der Probenbecher 302 wird gleitend in den L-förmigen Kanälen 312 aufgenommen, wobei die Achse der Öffnung 332 mit der Achse der Sonde 40 derartig ausgerichtet ist, daß die Sonde nach unten innerhalb des Inneren der Öffnung 332 hin- und herbewegt werden kann.

Sondenantriebsmechanismus

Der Sondenantriebsmechanismus, der allgemein mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist, bewegt in axialer Richtung die Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14 derart hin und her, daß das untere Ende der Sonde 40 wahlweise und abwechselnd in den Probenbecher 302 und in die axial abgetrennten Bereiche der Waschzelle 18 gebracht wird. Wie insbesondere in den Fig. 2 und 4 zu erkennen ist, beinhaltet der Sondenantriebsmechanismus 16 ein lineares Betätigungsteil oder einen Schrittmotor 400, der auf einem Tragfach 402 befestigt ist, das sich nach innen von der oberen inneren Seite der Vorderfläche 31 des analytischen Modules 33 erstreckt. Das Betätigungsteil oder der Motor 400 dienen zum wahlweisen Antreiben oder Drehen einer Führungsschraube 404 sowohl in die Uhrzeigerrichtung als auch in die Gegenuhrzeigerrichtung. Die Führungsschraube nimmt Eingriff mit einem mit einem komplementären Gewinde versehenen Verbindungsblock 406, der gleitend in einer sich in lateraler Richtung erstreckenden Befestigungsbahn 408 aufgenommen ist, die nahe der obersten Fläche des Elektrodenträgers 60 ausgestaltet ist. Während der Drehung oder Bewegung der Führungsschraube 404 durch den Motor 400 wird der Elektroden­ träger 60 in vertikaler Richtung hin- und herbewegt entweder auf die Befestigungsplatte 402 zu oder von dieser weg, wobei die Hin- und Herbewegung durch einen sich in vertikaler Richtung erstreckenden Führungsstift 410 geführt wird, der fest mit dem Modul 33 verbunden ist und sich durch eine Führungsbuchse 412 erstreckt, die auf dem Elektrodenträger 60 befestigt ist. Bei dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Schrittmotor 321 durch ein Modell "LP-221-P2" gebildet, der ein Vierphasenschrittmotor ist, der durch die Firma Airpax hergestellt wird, die eine Abteilung der Firma North American Phillips Corporation ist, wobei jedoch auch andere geeignete analoge oder ähnliche Realisierungen in Betracht gezogen werden.

Das innere, äußerste Ende der Befestigungsbahn 408 ist mit einem rechteckigen Schlitz 410 versehen, der ein rechteckiges Flanschenteil 412 befestigt, das sich vertikal nach oben von dem Elektrodenträger 60 aus erstreckt. Der Flansch 412 ist mit einer oder mehreren Öffnungen 414 versehen, wobei der vertikale Abstand übereinstimmt mit dem vertikalen Abstand zwischen dem Probenbecher 302 und der Mehrzahl von axial getrennten Bereichen innerhalb der Waschzelle 18. Einer oder mehrere optische Sensoren nach dem Stand der Technik (vgl. Fig. 7) sind an dem analytischen Modul 33 nahe des Tragfaches 402 befestigt und beinhalten einen optischen Sender 416 sowie einen optischen Empfänger 418, der am entgegengesetzten Ende der Fahne 412 angeordnet ist. Wie bekannt ist, wird bei Empfang eines optischen Strahles von dem optischen Sender 416 durch den optischen Empfänger 418 (bei Ausrichtung des Strahles mit einer der Öffnungen 414 der Fahne 412) ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das die axiale Lage der Sonden/Membran/Elektroden-Anordnung 14 anzeigt.

Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystem

Das Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystem (das allgemein mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist) ist insbesondere in den Fig. 2, 4 und 13 dargestellt und besteht im wesentlichen aus dem Behältnis 500 zum Speichern einer Lösung oder für Abfallflüssigkeiten, einer Pumpe 502, einer Mehrzahl von flexiblen Kanälen 246, 248 und 250, die sich von der Pumpe 502 zu den Öffnungen 240 und 242 der Waschzelle 18 und zum äußersten Ende der Zähler­ elektrode 150 erstrecken, und einem flexiblen Kanal 250, der sich von der Öffnung 244 der Waschzelle 18 direkt zu dem Behältnis 500 erstreckt. Die Pumpe 502, die schematisch in den Figuren dargestellt ist, kann vorteilhafterweise eine peristaltische Vielkanalpumpeneinheit (vorzugsweise eine solche mit vier Kanälen) sein, die dazu geeignet ist, ein Vakuum oder einen Unterdruck durch die Kanäle 246 und 252 zu erzeugen, während eine positive Flüssigkeitsverdrängung durch den Kanal 250 geschaffen wird. Jedoch können ersatzweise auch analoge Pumpen und/oder Pumpsysteme zusätzlich verwendet werden.

Vorzugsweise hat der Behälter 500 für das Speichern von Lösungen und die Aufnahme von Abfallösungen eine wegwerfbare, abgedichtete Einheit mit einem Grundgehäuseteil 510 und einem Abdeckgehäuseteil 512. Im Inneren des Behältnisses 500 liegt ein Paar von flexiblen Beutelbehältnissen 516 und 518 (gestrichelt in Fig. 2 dargestellt), die Seite an Seite angeordnet sind und durch das Innere der Gehäuseteile 510 und 512 getragen werden. Das flexible Beutelbehältnis 516 ist mit einer wäßrigen, stabilisierten Kalibrierungslösung mit einer bekannten Konzentration der gewünschten, durch die Elektrode des analytischen Modules 33 zu messenden Substanz gefüllt, während das andere flexible Beutelbehältnis 518 mit einer ähnlichen, wäßrigen Lösung mit einer unterschiedlichen bekannten Konzentration des interessierenden Stoffes oder ohne einen interessierenden Stoff, der durch das Modul zu messen ist, gefüllt ist. Ferner kann diese Lösung, d. h., die wäßrige Pufferlösung einen oder mehrere Puffer und/oder Stabilisatoren enthalten, wie beispielsweise einen Phosphatpuffer und einen Natriumazid- Stabilisator enthalten. Wie aus der nachfolgenden Erläuterung noch detaillierter hervorgeht, wird beim Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung eine erheblich größere Menge der wäßrigen Pufferlösung im Gegensatz zur Reagentienkalibrierungslösung verwendet, so daß die Größe des flexiblen Beutelbehälters 518 üblicherweise erheblich größer ist als diejenige des Behältnisses 516.

Ein Paar von Induktionskanälen 530 und 532 sind im Inneren der flexiblen Beutelbehältnisse 516 und 518 angeordnet und erstrecken sich nach oben durch das Abdeckteil 512 des Behältnisses 500 für das Speichern einer Lösung und die Aufnahme einer Abfallösung. Die flexiblen Kanäle 534 und 536 sind am oberen Ende der Kanäle 530 und 532 angebracht. Der Kanal 536 erstreckt sich zu den Ansaugtoren der Pumpe 502 in der Weise, daß die wäßrige Pufferlösung durch die Pumpe 502 zur Waschzelle 18 über den Kanal 248 zugeführt werden kann. Der Kanal 534 erstreckt sich direkt zu dem Kanal 250 der Waschzelle 18, um die Kalibrierungslösung zur Öffnung 244 der Waschzelle zuzuführen. Der Abdeckabschnitt 512 des Behältnisses 500 hat ferner ein Eingangstor 540, das sich zum Inneren des Behältnisses 500 erstreckt. Ein geeigneter, flexibler Kanal 542 kann an einem Ende des Eingangstores 540 angebracht sein und erstreckt sich zur Pumpe 502, um eine gemeinsame Auslaßleitung für die beiden Kanäle der Pumpe 502 zu bilden, indem ein Vakuum durch den Kanal 246, der sich zu der Waschzelle 18 hin erstreckt, und dem Kanal 252, der sich zu der Zählerelektrode 150 hin erstreckt, angelegt wird. Der Abdeckabschnitt 512 des Behältnisses 500 kann ferner ein Entlüftungstor 550 beinhalten, das einen Luftaustritt von im Inneren des Behältnisses 500 enthaltener Luft ermöglicht, jedoch wird jegliches Lecken der Abfallreagentienlösung aus dem Behältnis 500 verhindert.

Wie man erkennt, wird bei der selektiven Betätigung der Pumpe 502 ein Unterdruck durch die unterste Öffnung 240 der Waschzelle 18 und das entfernte Ende der Zähler­ elektrode 150 angesaugt, während die wäßrige Pufferlösung zu der Mittelöffnung 242 der Waschzelle 18 zugeführt wird. Ferner wird die Kalibrierungslösung ständig ohne Pumpen zu der oberen Öffnung 244 der Waschzelle 18 zugeführt. Die selektive Betätigung der Pumpe 502 wird durch Verarbeitungs- und Steuerelektronik des Analyse­ gerätes 10 gesteuert, wobei die Pumpenbetätigung nur dann durchgeführt wird, wenn die Sonde stationär ist, d. h., wenn die Einlaßöffnung 46 der Sonde entweder im Probenbecher 302 oder innerhalb eines der abgetrennten Bereiche nahe der Öffnungen 240, 242 und 244 der Waschzelle 18 liegt. In Abhängigkeit von der axialen Lage der Sonde oder insbesondere der Einlaßöffnung 46 der Sonde bewirkt die Betätigung der Pumpe 502 entweder, daß eine innerhalb des Probenbecher 302 enthaltene Körperflüssigkeitsprobe oder daß eine wäßrige Pufferlösung, die am Mittenabschnitt der Waschzelle 18 vorliegt, oder eine wäßrige Kalibrierungslösung, die am oberen Teil der Waschzelle 18 anliegt, in das Innere der Sonde 40 durch die Membran 110 durch die Zählerelektrode 150 gezogen wird und anschließend durch das Einlaßtor 540 in das Innere des Behältnisses 500 zurückkehrt. Aufgrund der Tatsache, daß das Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein abgeschlossenes System ist, wird bei Ansaugen der wäßrigen Kalibrierungslösung und der wäßrigen Pufferlösung von den flexiblen Beutelbehältnissen 516 und 518 die verbrauchte Lösung durch das Einlaßtor 540 zum Inneren des Behältnisses 500 zurückgebracht.

Wie insbesondere in Fig. 2 zu erkennen ist, hat das ge­ samte Behältnis 500 für das Speichern einer Lösung und die Aufnahme einer Abfallösung vorzugsweise eine derartige Größe, daß es in einer komplementär ausgeformten Hülse 560 aufgenommen werden kann, das am hinteren Teil der Arbeitsstation oder des analytischen Modules 33 ausgebildet ist, und kann schnell von dem Modul entfernt werden, um einem biologischen Sanitärabfallbeseitigungssystem zugeführt zu werden, wenn dies nötig sein sollte, und kann entsprechend schnell auf eine übereinstimmende Art ersetzt werden.

Zusammengesetzte Membran

Obwohl beim Anmeldungsgegenstand enzymtragende Membrane nach dem Stand der Technik verwendet werden können, beinhaltet ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine neue, zusammengesetzte Membran­ struktur mit einer Schutzmembranschicht zum Verhindern des Durchtritts von Blutzellen, Partikeln und Zellsubstanzen und zum Einstellen der Diffusionrate des zu analysierenden Stoffes oder interessierenden Stoffes, der in der Membran gemessen werden soll; eine aktive Enzymschicht, die zum Umwandeln der gewünschten, interessierenden Substanz in eine erfaßbare Substanz, d. h., vorzugsweise in eine polarographisch erfaßbare Substanz geeignet ist; und eine Begrenzungsmembran, die ausgebildet ist, um einen Durchtritt von störenden Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht zu dem Sensor oder der Elektrode zu behindern. Obwohl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Elektrode als Sensor für die Membran verwendet wird, können andere Sensoren, wie beispielsweise Thermistoren, Infrarotsensoren, Photosensoren oder dgl. in Betracht gezogen werden. Obwohl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel die zu messende, gewünschte Substanz durch eine Enzymreaktion in eine polarographisch erfaßbare und strommäßig erfaßbare Substanz umgewandelt wird, können andere Substanzen in Betracht gezogen werden, wobei diese breitere Definition für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung gelten soll. In Abhängigkeit von der speziellen, gewünschten, zu messenden Substanz wird die aktive Enzymschichtmembran modifiziert, so daß sie ein geeignetes Enzym enthält, das die gewünschte, zu messende Substanz in eine geeignet erfaßbare Substanz umwandelt. Lediglich aus Gründen der Veranschaulichung und nicht in einem beschränkenden Sinn wird die Bauweise der zusammengesetzten Membran 110 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine aktive Enzymschicht zum Messen von Glukose im Blut erläutert. Jedoch können weitere Enzyme zum Messen anderer polarographisch erfaßbarer Substanzen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise diejenigen, die in der US-PS 35 39 455 offenbart sind, daß an Herrn Clark jr. erteilt wurde, wobei die Offenbarung dieses Patentes durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.

Bezugnehmend auf Fig. 14 wird die zusammengesetzte Enzymmembran 110 gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Wie gezeigt ist, wird die zusammengesetzte Membran 110 aus einer Begrenzungsmembranschicht 600 gebildet, die nahe des Elektrodeneinsatzes 140 liegt, einer aktiven Enzymmembranschicht 602 und einer Schutzmembranschicht 604. Die Schutzmembranschicht 604 ist an der äußeren Fläche der Membran 110 und wird daher zuerst durch den Flüssigkeitsstrom durch die Ausnehmung 90 in der Membrandichtung kontaktiert, d. h., entweder durch die wäßrige Pufferlösung, die wäßrige Kalibrierungslösung oder die Körperflüssigkeitsprobe.

Soweit eine Glukoseenzymmembrankonstruktion betroffen ist, besteht die Begrenzungsmembran 600 aus einer dünnen Polyesterfolie mit einer Dicke von ungefähr 2,5/100 mm. Insbesondere ist die Polyesterfolie mikroperforiert unter Verwendung einer im Stand der Technik üblichen Gammastrahlungstechnik oder einer Ersatztechnik hierfür und hat mittlere oder durchschnittliche Öffnungen, d. h., Porengrößen in der Größenordnung von 0,1 µm Durchmesser. Die Polyesterfolie wird vorzugsweise mit einer Cellu­ loseacetatlösung auf einer Seite eingesprüht, die durch die Öffnungen in der perforierten Polyesterfolie läuft und eine dünne Schicht oder Beschichtung bildet. Die aktive Enzymmembranschicht 602 beinhaltet eine Glukose­ oxydase/Rinderserumeiweißkörper-Lösung, die mit Glycerinaldehyd querverbunden ist, das als Bett aufgebracht ist und nachfolgend zu einem dünnen Film auf der Begren­ zungsmembran 600 zusammengedrückt ist. Die Glukoseoxydase ist aus diesem Grunde kovalent verbunden mit den Rinderserumeiweißkörpern, um auf diese Weise die Glukoseoxydase unbeweglich zu machen und die Enzymschicht 602 zu bilden.

Die Schutzmembranschicht 604 besteht vorzugsweise aus einer oder mehreren dünnen Schichten oder Folien eines mikroperforierten Polycarbonates mit vorzugsweise einer durchschnittlichen Porengröße eines Durchmessers von ungefähr 0,01 µm bis 0,05 µm, die über die aktive Enzym­ schicht 602 aufgebracht wird und anschließend gegen diese gedrückt wird, um eine zusammengesetzte Membran­ struktur mit einer Dicke von ungefähr 0,038 mm zu bilden. Es wurde herausgefunden, daß bei Verwendung von zwei oder drei getrennten Schichten aus Polycarbonat auf der geschützten Membranschicht Unterschiede im Porendurchmesser des Polycarbonats kompensiert werden, was zu einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 0,01 µm führt. Die Funktion dieser vielschichtigen Anordnung der Polycarbonatfolie ist in Fig. 14A dargestellt, in der zwei perforierte Polycarbonatfolien 604 a, 604 b gezeigt sind. Die Mikroperforation der Folien 604 a und 604 b führt üblicherweise zu einer Vielzahl von Öffnungen 700 mit einem typischen Durchmesser von 0,01 bis 0,05 µm. Jedoch bewirkt die Mikroperforation häufig geringfügige Risse oder Löcher 702, die über die Öffnungen 700 hinweg verteilt sind. Derartige Fehlstellen 702 würden natürlich eine erhebliche Beeinträchtigung der durchschnittlichen Perforationsporengröße sowie der Wirkung der Membranschicht 604 bewirken. Durch Ausgestaltung der Schutzschicht 604 aufgrund vielfacher Schichten 604 a, 604 b usw., die zusammenlaminiert sind, wird jedoch die Wahrscheinlichkeit, daß verschiedene Fehlstellen 702 axial an einandergrenzenden Schichten 604 a und 604 b, usw. auf­ einandertreffen, erheblich beseitigt, was dazu führt, daß die zusammengesetzte Membranschicht 604 eine durch­ schnittliche Porengrößendichte von 0,01 bis 0,05 µm und von vorzugsweise 0,01 µm Durchmesser hat. Durch Auswahl der mittleren Porengröße für die Polycarbonatschichten 604 a und 604 b usw., die vorzugsweise durch Verwenden einer vielfachen Polycarbonatschicht für die Schutzmembran erzielt wird, kann die Diffusionsrate von Glukose durch die Schutzmembranschicht 604 in die aktive Enzymschicht 602 gesteuert werden, um sicherzustellen, daß die Umwandlungsrate von Glukose in polarographisch erfaßbare Verbindungen, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid, innerhalb der aktiven Enzymschicht linear pro­ portional zur Glukosekonzentration innerhalb der gewünschten Verweildauer der Proben an der Membran ist.

Wenn während des Betriebes die Glukose der äußeren Fläche der zusammengesetzten Membran 110 zugeführt wird, entweder als Körperflüssigkeitsprobe oder als wäßrige Kalibrierungslösung, dient die Schutzmembranschicht 604 dazu, ein Abschälen der Enzymschicht 602 von der zusammengesetzten Membranstruktur zu verhindern und verhindert den Durchtritt von Blutzellen und anderen bestimmten Substanzen und erzeugt eine gesteuerte Durchtrittsrate von Glukose in die aktive Enzymschicht 602. Aufgrund der Systemparameter der vorliegenden Erfindung wird die Glukosedurchtrittsrate durch die Schutzmembranschicht 604 mittels des Durchtrittes durch die Vielzahl von mikrometergroßen Öffnungen 700 eingestellt, um eine linearproportionale Beziehung zwischen dem durch die Elektrode erzeugten Signal und der Glukosekonzentration zu schaffen. Wenn die Glukose in die aktive Enzymschicht 602 mit einer eingestellten oder gesteuerten Rate diffundiert, wird sie durch das Glukoseoxydaseenzym in Glukonsäure und Wasserstoffperoxid umgewandelt, wobei diese Stoffe durch die aktive Enzymmembranschicht 602 in die Grenzmembranschicht 600 laufen. Aufgrund der Bauweise der Grenzmembran 600 kann das Wasserstoffperoxid im wesentlichen ungehindert durch die Membran hindurch­ laufen und berührt den Elektrodeneinsatz 140, während störende Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht, wie beispielsweise Acetaminophen und/oder Ascorbinsäure am Durchtreten durch die Grenzmembranschicht gehindert werden. Störende Substanzen, wie beispielsweise Acetaminophen und Ascorbinsäure könnten negativ das Signal beeinträchtigen, das bei der Elektrode erzeugt wird, so daß eine Verhinderung des Durchtritts dieser Stoffe zu der Elektrode äußerst wünschenswert ist. Durch die oben be­ schriebene Bauweise der Grenzmembranschicht 600 wird das Durchtreten von störenden Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht für eine Zeitdauer von ungefähr 30 s verhindert, was gemäß Systemparametern der vorliegenden Erfindung ausreicht, um eine genaue Messung und Bestimmung der Glukosekonzentration der zu messenden Substanz zu ermöglichen. Die Art und Weise, in der das zeitweilige Sieben durchgeführt wird, ist schematisch in Fig. 14B dargestellt. Wie gezeigt ist, wird das bei der aktiven Enzymschicht 602 erzeugte Wasserstoffperoxid zusammen mit störenden Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht, wie beispielsweise Acetaminophen und/oder Ascorbinsäure, durch die Grenzmembran 600 diffundiert. Jedoch hat Wasserstoff­ peroxid eine höhere oder schnelle Diffusionsrate durch das perforierte Polyestermaterial der Grenzmembranschicht 600 als Acetaminophen und/oder Ascorbinsäure. Daher kann während relativ kurzer zeitlicher Perioden aufgrund der Diffusionsratendifferenz zwischen Wasserstoffperoxid und Acetaminophen und Ascorbinsäure durch die Schicht 600 die Grenzmembran 600 gegen die störenden Substanzen abschirmen und verhindern einen Durchtritt zu der Elektrode.

Die Durchsatzrate, d. h., die Rate, mit der die aktive Enzymschicht 602 Glukose in polarographisch erfaßbare Substanzen umsetzt, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid, ist für eine spezielle, aktive Enzymschicht- Bauweise ein festliegender Wert. Wenn die Rate, mit der Glukose in die aktive Enzymmembranschicht 602 eintritt, größer ist als die Umwandlungsrate der Enzymschicht 602, weicht das durch die Enzymschicht erzeugte Wasserstoffperoxid von der linearen Proportionalität bezüglich der Glukosekonzentration an der Membran ab, d. h., die Enzymschicht 602 ist lediglich dazu in der Lage, Glukose in Wasserstoffperoxid mit einer maximalen Rate für die Enzymschicht umzuwandeln.

Im Hinblick auf diese Erkenntnis wurde im Stand der Technik üblicherweise eine Verdünnung von speziellen Körperflüssigkeitsproben, die zu analysieren sind, durchgeführt, um sicherzustellen, daß die Umwandlungsrate der aktiven Enzymmembranschicht 602 nicht überschritten wird. Im Gegensatz zur Lehre nach dem Stand der Technik macht die vorliegende Erfindung Gebrauch von einer schützenden Membranschicht 604, die durch Steuerung der Porengröße der Mikroperforationen 700 in der Membran die Rate, mit der Glukose durch die Schutzmembranschicht 604 in die aktive Enzymschicht 602 tritt, unterhalb der Enzymschichtumwandlungsrate hält.

Um die Einstellfähigkeit der Schutzmembranschicht 604 für die Glukosemessung zu erhöhen, wird erfindungsgemäß ferner die Verwendung einer unbeweglich gemachten Katalase in Betracht gezogen, die auf der Schutzmembranschicht 604 getragen wird. Vorzugsweise ist die Katalase (die mit dem Bezugszeichen 650 in Fig. 14 bezeichnet ist) unbeweglich gemacht auf einer Schicht der vielschichtigen Schutzmembranschicht 604 unter Verwendung des bereits beschriebenen Rinderserumeiweißkörper- Lösungsverfahrens, und ist zwischen den benachbarten Schichten 604 a und 604 b der vielschichtigen Schutzmembranschicht 604 angeordnet.

Die Katalase 650 dient zur Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser. Der durch die Katalase­ reaktion erhaltene Sauerstoff wird in einem Überschuß der aktiven Enzymmembranschicht 602 zugeführt und kann als Reaktionsstoff durch die aktive Enzymschicht 602 verwendet werden, um sicherzustellen, daß die gesamte Glukose in Glukonsäure und Wasserstoffperoxid umgewandelt wird.

Der überschüssige Sauerstoff, d. h., der durch die Katalase erzeugte reaktive Stoff, ist äußerst nützlich für die Messung von Körperflüssigkeitsproben mit einer äußerst hohen Glukosekonzentration, bei denen die Glukosereaktion jenseits hinnehmbarer Pegel kommen könnte, bei dem ausreichend Sauerstoff bei der Enzymschicht 602 anwesend ist, um ein linear proportionales Signal für die Glukosekonzentration zu erzeugen. Der überschüssige Sauerstoff, der der Enzymschicht 602 durch die Katalasereaktion zugeführt wird, stellt sicher, daß das Elektrodensignal linear proportional zur Glukosekonzentration ist, ohne daß die Notwendigkeit der Verdünnung der Körper­ flüssigkeitsprobe besteht.

Elektrodenfunktion

Die Arbeitselektrode 142, die Bezugselektrode 144 und die Zählerelektrode 150 sind sämtlich innerhalb des Membranflüssigkeitsweges angeordnet und elektrisch in einer an sich bekannten Weise miteinander verbunden, um eine sogenannte Clark-Zelle zu bilden. Die Prinzipien der Clark-Zelle und die polarographischen/Strommeß- Techniken sind im Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich wird bei Erzeugung einer polarographisch erfaßbaren Substanz, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid, aufgrund der Enzymreaktion und bei Kontakt mit einer Arbeits- und Bezugselektrode 142 und 144 (Fig. 15) Wasserstoffperoxid schnell durch die polarographische Anode (Arbeitselektrode 142) depolarisiert, und ein Stromfluß bei einer gegebenen angelegten Spannung über die Arbeitselektrode 142 und die Bezugselektrode 144 ist direkt proportional zur Wasserstoffperoxidkonzentration, die durch die enzymatische chemische Reaktion nahe der Membran erzeugt wird. Daher kann durch Messen des Stromflusses zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode 144 eine genaue Bestimmung der Glukosekonzentration der zu messenden Lösung erhalten werden. Zusätzlich kann, wie dies bei einer Clark-Zelle Stand der Technik ist, eine zusätzliche Spannung zwischen der Bezugs­ elektrode 144 und der Zählerelektrode 150 angelegt werden, um eine Systemverschlechterung zu vermeiden.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine an sich bekannte elektronische Schaltung zum Anlegen einer Spannung über die Arbeitselektrode 142, die Bezugselektrode 144 und die Zählerelektrode 150 auf einer gedruckten Schaltungsplatine 152 getragen, die innerhalb des Elektrodenträgers 60 angeordnet ist. Zusätzlich werden bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die in der Arbeitselektrode 142 und der Bezugselektrode 144 erzeugten Stromsignale in Spannungsignale mittels bekannter Techniken umgewandelt, wobei die Spannungssignale anschließend verstärkt und durch die Verarbeitungs- und Steuerelektronik 24 des gesamten Analysegerätes verarbeitet werden.

Meßtechnik mit Pseudo-Rate/mit erzeugtem Spitzenwert

Die bekannten Verfahren, die einer Enzymreaktion zum Zwecke der Bestimmung der Konzentration einer zu messenden Substanz, wie beispielsweise Glukose, sind entweder ein kinetisches Ratenverfahren oder ein Endpunktverfahren. Bei dem kinetischen Ratenverfahren wird die Maximalrate, mit der das Enzym eine polarographisch erfaßbare Substanz erzeugt, wie beispielsweise Wasserstoff­ peroxid, verwendet und mit der Konzentration von Glukose zu Meßzwecken korreliert. Mit einfachen Worten steigt bei Anstieg der Substanzkonzentration, wie beispielsweise der Glukosekonzentration, die Enzymreaktionsrate bezüglich der Substanz, so daß mehr Glukosemoleküle pro Zeiteinheit umgewandelt werden, als dies bei einer niedrigeren Glukosekonzentration der Fall sein würde.

Bei der kinetischen Ratenmessung wird die Spitzenrate der Enzymumwandlung in Wasserstoffperoxid bestimmt und zu Zwecken der Meßkorrelation verwendet. Die kinetische Spitzenwertmeßtechnik ist im äußersten Maße temperaturabhängig und erfordert ferner eine genaue Beobachtung der erzeugten elektrischen Signale zwischen der Arbeits­ elektrode und der Bezugselektrode zur genauen Erkennung des kinetischen Spitzenratenmeßintervalles.

Im Gegensatz zu dem kinetischen Ratenverfahren identifiziert das Endpunktverfahren nicht die schnellste Rate für die Enzymreaktion, sondern läßt die Enzymreaktion eine letzte, maximale Umwandlungsrate pro Zeiteinheit erreichen. Obwohl die Identifikation der maximalen Reaktionsrate durch das Endpunktverfahren leichter bestimmbar und identifizierbar ist, wird eine erhebliche Zeitdauer in den meisten Fällen benötigt, um den gewünschten Endpunktmeßwert zu erreichen. Ferner besteht ein erheblicher Nachteil dieser Endpunktmeßtechnik in der Erholungszeit nach der Verwendung, wenn mehrere, aufeinanderfolgende Messungen gewünscht sind, die unter Verwendung Enzymmembran durchgeführt werden sollen.

Obwohl bei der vorliegenden Erfindung sowohl das kinetische Ratenverfahren als auch das Endpunktverfahren eingesetzt werden können, überwindet die Erfindung die Nachteile des kinetischen Ratenverfahrens und des Endpunkt­ verfahrens dieser Meßtechnik nach dem Stand der Technik durch Schöpfung einer neuen Meßtechnik mit Pseudo-Rate/mit erzeugtem Spitzenwert für eine Enzymreaktion. Insbesondere wird die Chemie der zusammengesetzten Membran 110 genau festgelegt und der Betrieb der Verweilzeiten der wäßrigen Pufferlösung und der wäßrigen Kalibrierungslösung sowie der Körperflüssigkeitsprobe an der Membran gesteuert, um die natürliche Kinetik einer Enzymreaktion zu unterstützen und eine schnelle Identifikation der gewünschten Meßdaten zu ermöglichen.

Insbesondere ist die zusammengesetzte Membranschicht 110 speziell festgelegt, indem sie eine Schutzmembranschicht 604 aufweist, die die Rate festlegt, mit der die gewünschte, zu messende Substanz, wie beispielsweise Glukose, in die aktive Enzymschicht 602 eindringt, und sie sicherstellt, daß ausreichend Sauerstoff an der aktiven Enzymschicht 602 vorliegt, so daß eine lineare Umwandlungsrate der Glukosekonzentration in das an der Elektrode erfaßte Wasserstoffperoxid erzielt wird. Bei Gewährleistung dieser linearen Rate der Enzymreaktion wird die Verweildauer, während der die Glukose enthaltende Kalibrierungslösung und/oder die die Glukose enthaltende Körperflüssigkeit der Membran zugeführt werden, genau gesteuert oder ausgewählt. Diese Steuerung wird durch ein getrenntes Zuführen einer glukosefreien, wäßrigen Pufferlösung zu der Membran erzielt, was zu einer Umkehr der Diffusionsrichtung von Glukose durch die Enzymschicht führt, was einfach als abfallendes Spannungssignal identifizierbar ist, das über der Arbeits- und Bezugselektrode erzeugt wird.

Eine graphische Darstellung der Meßtechnik mit Pseudo- Rate/erzeugtem Spitzenwert gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 16 dargestellt, wobei Spannungssignalwerte, die über der Arbeitselektrode und Sensorelektrode erzeugt werden, an der vertikalen Achse aufgetragen sind, während die Zeit die horizontale Achse der Kurve bildet. Anfänglich zieht die Meßtechnik mit Pseudo-Rate/er­ zeugtem Spitzenwert die wäßrige Pufferlösung in Betracht, die vorzugsweise keine Glukose enthält, welche der Membran zugeführt wird, in der ein mit dem Bezugszeichen R 1 bezeichneter Spannungswert gemäß Fig. 16 erhalten wird. Im Verlauf des Zeitintervalles Delta T 1 wird eine Menge von wäßriger Kalibrierungslösung durch das Innere der Sonde 40 gezogen und der Membran 110 zugeführt, wobei ein Spannungswert über die Arbeits- und Bezugselektrode ansteigt, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Zum Zeitpunkt T 2 wird eine zusätzliche Menge von wäßriger Pufferlösung (ohne Glukose) erneut durch das Innere der Sonde 40 zu der Membran gebracht. Im Hinblick auf die Transportzeit für die wäßrige Pufferlösung durch das Innere der Sonde 40 bis zur Membran während der anfänglichen Zeitdauer des Flusses der Pufferlösung steigt der Spannungswert, der über der Arbeits- und Bezugselektrode erzeugt wird, an, wie dies durch die gepunktete Linie in Fig. 16 dargestellt ist. Wenn die wäßrige Pufferlösung die Membran erreicht, kehrt sich die Diffusionsrate von Glukose durch die Enzymschicht 602 der zusammengesetzten Membran 110 und insbesondere die Diffusionsrichtung um, wobei ein Abfall des Spannungswertes, der über der Bezugs- und Arbeitselektrode erzeugt wird, auftritt. Dieser künstlich erzeugte Spitzenspannungswert ist durch das Bezugszeichen R 2 in Fig. 16 dargestellt. Der Fluß von wäßriger Pufferlösung hält während einer Zeitdauer, die mit Delta T 2 bezeichnet ist, an, wobei der Spannungswert gegen den Spannungswert von R 1 abfällt. Wenn der Spannungswert sich an den Wert R 1 annähert, d. h., innerhalb einer vorgegebenen, spezifizierten Toleranz zu diesem Spannungswert R 1 ist, wird ein zusätzlicher Spannungswert, der als R 3 bezeichnet ist, aufgenommen. Zu der mit dem Bezugszeichen T 3 bezeichneten Zeit wird eine Menge der zu messenden, gewünschten Körperflüssigkeitsprobe durch das Innere der Sonde 40 transportiert, wobei der Fluß während der mit Delta T 3 bezeichneten Zeitdauer aufrechterhalten wird. Wie dies in Fig. 16 dargestellt ist, steigen die über die Elektrode erzeugten Spannungswerte anschließend an. Nach Ablauf der Zeitdauer T 3, d. h., zum Zeitpunkt T 4, wird eine weitere Menge von wäßriger Pufferlösung erneut durch das Innere der Sonde 40 zugeführt, wobei nach Erreichen der zusammengesetzten Membran 110 erneut eine umgekehrte Diffusionsrate von Glukose durch die Enzymschicht 602 auftritt, was zu einem Spitzenwert R 6 führt, der zum Zeitpunkt T 5 beobachtet werden kann. Die anhaltende Verweildauer von wäßriger Pufferlösung an der Membran führt zu einer Verminderung des Spannungswerte nach dem Zeitpunkt T 5, wie dies in Fig. 16 zu sehen ist.

Durch Beobachtung der Spannungswerte R 1, R 2, R 3 und R 4 und durch das Wissen, daß der Wert R 2 die bekannte Glukosekonzentration der Kalibrierungslösung darstellt, kann die Konzentration der Glukose innerhalb der Körperflüssigkeitsprobe durch folgende mathematische Gleichung bestimmt werden:

wobei die Konstante eine bekannte Glukosekonzentration in der wäßrigen Kalibrierungslösung ist.

Wie man erkennt, werden bei der Meßtechnik mit Pseudo-Rate/erzeugtem Spitzenwert gemäß der vorliegenden Erfindung die Spitzenspannungen R 2 und R 4 künstlich durch selektive und zeitlich gesteuerte Zuführung einer wäßrigen Pufferlösung erzeugt, was zu einer Umkehr der Diffusionsrichtung durch die Membran führt und was ferner leicht durch Beobachten der Spannungswerte erfaßbar ist, die über der Arbeits- und Bezugselektrode erzeugt werden. Darüber hinaus kann ein Abtasten der Daten zum Bestimmen der erzeugten Spitzenspannungswerte R 2 und R 4 lediglich während einer relativ kurzen Zeitdauer durchgeführt werden, die zwischen dem Beginn der Einführung der Spülperioden mit der wäßrigen Pufferlösung liegt, d. h., Delta T 2 und Delta T 4, wodurch die Datenspeicherungsparameter und die Softwareparameter bei einem Minimum gehalten werden. Ferner wird aufgrund des Zuführens der wäßrigen Pufferlösung nach der Zuführung der Körperflüssigkeitsprobe zur Membran die Erholungszeit für die Enzymmembran erheblich vermindert, was eine Messungswiederholung ermöglicht.

Detaillierte Betriebsweise der enzymatischen Elektrode

Nach Definition der Struktur und der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann die Betriebsweise der enzymatischen Elektrode unter Bezugnahme auf eine Glukosemessung in einer Blutprobe bei einem medizinischen Analysegerät 10 beschrieben werden. Der Betrieb des enzymatischen analytischen Modules oder der Arbeitsstation 33 wird durch die Verarbeitungs- und Steuerelektronik (nicht dargestellt) des medizinischen Analysegeräts 10 gesteuert, das in der anhängigen US-SN 7 98 791 beschrieben ist. Die Verarbeitungs- und Steuerelektronik, die in dieser anhängigen Anmeldung offenbart ist, beinhaltet vorzugsweise ein Betriebsprogramm, das in einem Mikroprozessor oder dgl. gespeichert ist. Wenn das enzymatische analytische Modul 33 gemäß der vorliegenden Erfindung in das medizinische Analysegerät 10 eingesetzt wird, werden Ersatzprogramme für den Betrieb verwendet, damit der Mikroprozessor der Verarbeitungs- und Steuerelektronik die Abfolge des Betriebes des Sondenantriebsmechanismus 16, des Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystems 22, der auf der gedruckten Schaltungsplatine 152 enthaltenen Elektrodenschaltung, sowie die Speicher- und Datenverarbeitungs-Erfordernisse des enzymatischen Elektroden­ moduls gemäß der vorliegenden Erfindung s 16313 00070 552 001000280000000200012000285911620200040 0002003813709 00004 16194teuern kann. Eine detaillierte Liste des Ersatzprogrammes ist in der Microfiche-Anlage zu dieser Beschreibung aufgeführt. Eine körperliche Beschreibung der Abfolge der Betätigungen des Untersystemes wird nachfolgend gegeben und schematisch in bezug auf die Sondenbewegung von Fig. 17 bis 21 wiedergegeben.

Während des Betriebes wird die Sonde 40 üblicherweise in einer "Heim"-Lage gehalten, in der das Einlaßtor 46 nahe des unteren Endes der Sonde 40 im Mittenabschnitt der Waschzelle 18 nahe der Öffnung 242 der Waschzelle 18 liegt, wie dies in Fig. 17 gezeigt ist. In dieser "Heim"-Lage enthält der Sondenmembranflußweg, der durch das Innere der Sonde 42, die Öffnung 92, die Ausnehmung 90 und die Öffnung 94 der Membrandichtung 80 sowie das Innere der Zählerelektrode 150 festgelegt ist, eine Menge von wäßriger Pufferlösung, entweder aufgrund einer anfänglichen Reinigung des Systems oder aufgrund einer vorherigen Meßbetriebsweise. Die Menge von wäßriger Pufferlösung, die vorzugsweise keine Glukose enthält, dient dazu, daß die zusammengesetzte Membran 110 unun­ terbrochen in einem wäßrigen Bad gehalten wird, das zum Reinigen von Restglukose aus der zusammengesetzten Membran 110 dient.

Um ein gewünschtes Test- oder Meßverfahren mit dem enzymanalytischen Modul 33 zu beginnen, muß eine Körperflüssigkeitsprobe, wie beispielsweise Blut, Serum oder Plasma, von einem Patienten in üblicher Weise abgezapft werden und in das Innere des Probenbechers 302 eingebracht werden. Der Probenbecher 302 wird daraufhin auf das Probenbecherfach 306 des analytischen Modules 33 gestellt, und zwar in der Weise, daß das Innere des Probenbechers 302 mit der Sonde 40 des Modules 33 ausgerichtet ist. Durch Betätigung des "Testanforderungs"- Schalters 440 am oberen vorderen Teil des Moduls 33, das in der anhängigen US-SN 7 98 791 beschrieben ist, wird die Verarbeitungs- und Steuerelektronik veranlaßt, das spezielle, enzymatische Elektrodenmodul 33 zu identifizieren, für das ein Testverfahren gewünscht ist, woraufhin die Betätigung der jeweiligen Untereinheiten 14 bis 22 eingeleitet wird.

Anfänglich wird der Sondenantriebsmechanismus 16 aktiviert, um die Sonde 40 nach oben innerhalb der Waschzelle 18 in der Weise zu bewegen, daß das Eingangstor 46 der Sonde 40 im obersten Bereich der Waschzelle 18 angeordnet ist (vgl. Fig. 18), wobei die wäßrige Kalibrierungslösung durch den Kanal 534 zum obersten Bereich der Waschzelle zugeführt wird und am Einlaß 46 vorliegt. Der Ort der Sonde 40 in dieser Lage wird durch eine Zusammenwirkung des optischen Sensorsystemes 416 und 418 und der Fahne 412 des Moduls 33 bestätigt. In dieser stationären Lage wird das Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystem 22 betätigt, woraufhin aufgrund des an das innere Ende der Zählerelektrode 150 angelegten Unter­ druckes eine Menge von wäßriger Kalibrierungslösung, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine bekannte Glukosekonzentration hat, d. h., die gewünschte, zu messende Substanz, nach oben durch den Einlaß 46 der Sonde 40 und durch den Membranflußweg transportiert wird und zur zusammengesetzten Membran 110 gebracht wird.

Bei dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Fluß der wäßrigen Kalibrierungslösung während einer Zeitdauer aufrechterhalten, die ausreicht, damit die wäßrige Kalibrierungslösung die Membran 110 erreicht, und sämtliche wäßrigen Pufferlösungen, die vorher an der Membran lagen, verdrängt, was normalerweise einen Zeitraum von 3 bis 5 s erfordert. Zusammen mit dem Transport der wäßrigen Kalibrierungslösung durch die Sonde verursacht die Betätigung des Flüssigkeitspumpen- und Vakuumsystems 22 ein Pumpen einer Menge von wäßriger Pufferlösung durch den Mittenbereich der Waschzelle 18 nach unten in den unteren Bereich der Waschzelle 18, indem diese Lösung durch den Unterdruck entfernt wird, der über das Tor 232 angelegt wird, woraufhin die Lösung zu dem Behältnis 500 für die Aufnahme von Abfallösungen gelangt. Diese Strömung von wäßriger Pufferlösung reinigt sorgfältig den mittleren und unteren Bereich der Waschzelle von restlichen Körperflüssigkeitsproben oder dgl., die sich innerhalb des Mittenbereichs oder des unteren Bereichs der Waschzelle 18 angesammelt haben. Anschließend wird die Betätigung des Fluidpumpen- und Vakuumsystems 22 unterbrochen, so daß die wäßrige Kalibrierungslösung bei der Membran 110 auf die Membran 110 für eine bestimmte Zeitdauer einwirken kann oder bei dieser verweilen kann, wobei diese Zeitdauer typischerweise in der Größenordnung von weiteren 5 bis 10 s liegt.

Während dieser Anwesenheitszeitdauer beginnt der über die Arbeits- und Bezugselektrode erzeugte Spannungswert von dem Wert R 1 zu dem Wert R 2 anzusteigen, wie dies in Fig. 16 zu sehen ist, worauf der Sondenantriebsmechanismus erneut betätigt wird, um die Sonde in axialer Richtung nach unten von dem oberen Abschnitt von der Waschzelle 18 zu dem mittigen Abschnitt der Waschzelle 18 zu bewegen, wie dies in Fig. 19 zu sehen ist, wobei der Einlaß der Sonde 40 erneut in den Mittenbereich der Waschzelle 18 gebracht wird, so daß eine Flüssigkeitsverbindung mit der wäßrigen Pufferlösung hergestellt wird, die bei der Öffnung 242 vorliegt. Während der nach unten gerichteten Bewegung der Sonde 40 innerhalb der Waschzelle 46 wird ein Durchtritt von wäßriger Kalibrierungslösung von dem oberen Bereich der Waschzelle zu dem mittleren oder unteren Bereich der Waschzelle durch eine dynamische Dichtung verhindert, die durch O-Ring 214 gegenüber der Außenseite der Sonde 40 gebildet wird.

Am Ende dieser Aufenthaltszeitdauer der Kalibrierungslösung an der Membran 110, d. h., zum Zeitpunkt T 2 in Fig. 16, wird das Fluidpumpen- und Vakuumsystems 22 erneut betätigt, wobei eine Menge von wäßriger Pufferlösung von der Waschzelle 18 durch den Einlaß 46 der Sonde 40 und durch den Membranflußweg gezogen wird. Dieser Fluß wird während einer ausreichenden Zeitdauer aufrechterhalten, um vollständig den Membranflußweg zu fluten und um sämtliche Kalibrierungslösungen auszureinigen, wobei die Membran 110 und alle Elektroden innerhalb der wäßrigen Pufferlösung liegen. Gleichzeitig mit dem Beginn dieses Reinigungszyklus und Flutungszyklus beginnt die Verarbeitungs- und Steuerelektronik damit, Spannungswerte abzutasten, die über der Arbeits- und Bezugselektrode erzeugt werden, und wenn der Mikroprozessor fünf aufeinanderfolgende negative oder ab­ fallende Spannungswerte von der Elektrode erhält, wird der Spannungswert direkt vor dem ersten abfallenden Spannungswert in dem Speicher des Mikroprozessors gespeichert, wobei dieser Wert den Kalibrierungs­ spitzenwert R 2 gemäß Fig. 16 zeichnet.

Das Auftreten von abfallenden Spannungswerten während dieses Abtastens von Daten stellt eine umgekehrte Diffusionsrichtung von Glukose durch die Membran von der Elektrode zu der wäßrigen Pufferlösung dar. Nach einer ausreichenden Verweilzeit der wäßrigen Pufferlösung an der Membran 110 wird das Fluidpumpen- und Vakuumsystem 22 ausgeschaltet und der Sondenantriebsmechanismus betätigt, um die Sonde axial nach unten durch das untere offene Ende der Waschzelle 18 in den Probenbecher 302 zu bringen, wie dies in Fig. 20 gezeigt ist.

Wenn der über der Bezugs- und Arbeitselektrode erzeugte Spannungswert innerhalb von festgelegten Toleranzen des ursprünglichen Spannungswertes R 1 der Pufferlösung an der Membran 110 abfällt, wird ein weiterer Spannungswert R 3 gelesen, d. h., abgespeichert, der die neue Grundlinie für das Elektrodenspannungssignal darstellt.

Zu diesem Zeitpunkt, der in Fig. 16 mit dem Bezugszeichen T 3 bezeichnet ist, wird das Fluidpumpen- und Vakuumsystem 22 erneut eingeschaltet, um eine Menge der gewünschten, zu messenden Körperflüssigkeitsprobe nach oben von dem Probenbecher in den Einlaß 46 der Sonde 40 und in den Membranflußweg zu bringen. Der Fluß der Körperflüssigkeitsprobe von dem Probenbecher 302 wird während einer ausreichenden Zeitdauer aufrechterhalten, um sicherzustellen, daß die Pufferlösung, die innerhalb des Membranflußweges enthalten ist, aus dem Nachbarbereich der zusammengesetzten Membrane 110 abgereinigt wird, so daß die Blutprobe innerhalb des gesamten Membranflußweges liegt und diesen vollständig einnimmt. Typischerweise beträgt die Zeitdauer etwa 3 bis 5 s, wobei nach Ablauf dieser Zeitdauer das Fluidpumpen- und Vakuumsystem 22 ausgeschaltet wird, damit die Körperflüssigkeitsprobe in die Membran 110 eindringen kann. Beim Heraufziehen der Körperflüssigkeitsprobe nach oben innerhalb der Sonde wird die wäßrige Pufferlösung gleichzeitig durch den mittigen und unteren Bereich der Waschzelle 18 gepumpt und durch den Unterdruck am Tor 240 entfernt und in das Abfallbehältnis gebracht. Während dieser Benetzungszeitdauer, die vorzugsweise in der Größenordnung von 5 bis 10 s liegt, beginnt die Spannung, die über die Arbeitselektrode und die Sensor­ elektrode erzeugt wird, anzusteigen, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist, und steigt gegen den Wert R 4. Dann wird der Sondenantriebsmechanismus 16 erneut betätigt, um die Sonde 40 in axialer Richtung aus dem Probenbecher 20 und zurück in die "Heim"-Lage zu bringen, wie dies in Fig. 21 dargestellt ist. In dieser "Heim"-Lage wird der Sondeneingang 46 erneut in den Mittenteil der Waschzelle 18 gebracht, damit der Einlaß 46 in Strömungsverbindung mit der wäßrigen Pufferlösung kommt, die am Tor oder an der Öffnung 242 vorliegt.

Nach einer ausreichenden Benetzungszeit oder Einwirkzeit der Körperflüssigkeitsprobe gegenüber der Elektrode 110, d. h., zum Zeitpunkt T 4 in Fig. 16, wird das Fluidpumpen- und Vakuumsystem 22 erneut zeitweilig betätigt, um wäßrige Pufferlösung durch das Einlaßtor 46 der Sonde 40 und durch den Membranflußweg zu treiben, um Körperflüssigkeitsproben abzureinigen und um die wäßrige Pufferlösung der Membran 110 zuzuführen. Gleichzeitig mit dem Beginn dieses Reinigungszyklus werden Spannungssignaldaten von der Arbeits- und Bezugselektrode durch den Mikroprozessor abgetastet. Im Hinblick auf die Laufzeit der wäßrigen Pufferlösung nach oben durch die Sonde 40 bis zur Membran 110 steigt weiterhin während des anfänglichen Flutungszyklus der Spannungswert über der Elektrode, bis eine umgekehrte Diffusionsrichtung von Glukose durch die Membran erneut erreicht wird. Nachdem fünf aufeinanderfolgende, abfallende Spannungswerte durch den Mikroprozessor erkannt werden, wird der Spannungswert direkt vor dem ersten abfallenden Spannungswert, der durch das Bezugszeichen R 4 in Fig. 16 dargestellt ist, gespeichert. Aufgrund der weiterhin bestehenden Anwesenheit der Pufferlösung an der Membran wird als zusätzliche Grundlinie der Wert R 5 für die Spannung über die Elektrode erhalten, woraufhin die bereits beschriebene Wiederholung des Zyklus für eine weitere Körperflüssigkeitsprobe begonnen werden kann.

Nach Erhalten und Speichern des Wertes R 4 bewirkt die Systemsoftware, daß der Mikroprozessor die Berechnungsfunktionen beginnt, bei denen die Werte R 1, R 2, R 3 und R 4 und die spezielle Glukosekonzentrationskonstante der wäßrigen Kalibrierungslösung, die in dem Test verwendet wurde, in der oben beschriebenen Art verarbeitet werden, um einen sich ergebenden Glukosekonzentrationswert für die Körperflüssigkeitsprobe, die in dem Testdurchlauf gemessen wurde, zu bestimmen, wobei der sich ergebende Wert an der Anzeige des medizinischen Analysegerätes 10 zur Anzeige gelangt. Aufgrund des intermittierenden Stromes von wäßriger Pufferlösung durch den mittigen Abschnitt und den unteren Abschnitt der Waschzelle dient der untere Abschnitt der Waschzelle zum Entfernen von Restbeständen der Körperflüssigkeitsprobe vom Ende der Sonde 40. Aufgrund der kegelstumpfförmigen Konfiguration der unteren Öffnung der Waschzelle 18 werden jegliche Luftblasen, die außen an der Sonde 40 gefangen werden, von der Sonde getrennt oder entfernt und am Durchtritt in den Mittenteil der Waschzelle 18 gehindert. Aufgrund der kegelstumpfförmigen Öffnung wird dieses Abstreifen von Luftblasen und restlicher Körperflüssigkeit ohne Störung der Flüssigkeitsströmung am Einlaß 46 der Sonde 40 durchgeführt.

Die vorliegende Erfindung liefert eine automatische Bestimmung der Konzentration eines polarographisch erfaßbaren Stoffes innerhalb einer Körperflüssigkeitsprobe auf schnelle und wirkungsvolle Weise. Diese genauen Messungen werden ohne Verwendung einer komplizierten thermostatischen Temperatursteuerung und ohne Verdünnung der Körperflüssigkeitsprobe erzielt. Dies wird durch die schnelle und einfache Betätigung der Sonde zwischen der Waschzelle und der unbekannten Körperflüssigkeitsprobe in einer einfachen vertikalen Axialbewegung erreicht, wodurch ermöglicht wird, daß die Daten für die wäßrige Lösung und die Körperflüssigkeit in nahen Zeitabständen abgetastet werden. Aufgrund der relativ großen thermischen Masse der Sonde 40 im Vergleich zu dem kleinen Volumen der Körperflüssigkeitsprobe sowie aufgrund der Tatsache, daß die Sonde 40 üblicherweise in der "Heim"-Lage in der wäßrigen Pufferlösung in der Waschzelle bei Umgebungstemperatur ist, bewirkt die Sonde bei einem schnellen Eintauchen in den Probenbecher ein Angleichen der Temperatur der Körperflüssigkeitsprobe an die Sondentemperatur, die im wesentlichen der Temperatur der wäßrigen Pufferlösung und/oder wäßrigen Kalibrierungslösung, die innerhalb der Waschzelle enthalten sind, entspricht. Aufgrund der Tatsache, daß die Temperatur der wäßrigen Kalibrierungslösung und der wäßrigen Pufferlösung innerhalb der Waschzelle gleich zur Temperatur der Körperflüssigkeitsprobe sind, wenn die Sonde schnell in die Probe eingetaucht wird, werden Ungenauigkeiten aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen der wäßrigen Lösung und der Probe beseitigt.

Obwohl aus Gründen der Erläuterung die spezielle enzymatische Elektrode und das enzymatische analytische Modul unter Bezugnahme auf eine Glukosemessung erläutert wurden, ermöglicht ein Ersatz einer geeigneten Enzymschicht in der zusammengesetzten Enzymmembranstruktur sowie ein Ersatz einer geeigneten Puffer- und Kalibrierungslösung einen Einsatz der Erfindung für die Bestimmung der Konzentration anderer erfaßbarer Substanzen im Blut, wie beispielsweise Kreatinin, Triglycerinester, Cholesterin, Ascorbinsäure, Aminosäure, Lactose, Galactose und anderen Substanzen, die durchweg ausdrücklich in Betracht gezogen werden.

Claims (34)

1. Enzymatische Elektrode, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Membrankammer (54);
eine Enzyme tragende Membran (110), die innerhalb der Kammer angeordnet ist;
eine Elektrode (142), die angeordnet ist, um mit der Membran (110) an einer ihrer Seiten Kontakt zu nehmen und um ein Signal in Reaktion auf das Vorliegen einer Enzymreaktion, die in der Membran (110) auftritt, zu erzeugen;
eine Sonde (40) in Strömungsverbindung mit der Membrankammer (54) zum Transportieren von Flüssigkeiten durch die Membrankammer (54);
eine Waschzelle (18), die ausgebildet ist, um in einer getrennten Weise eine erste und eine zweite wäßrige Lösung zu speichern;
einen Probenbecher (302), der derart bemessen ist, daß in ihm eine Menge einer Flüssigkeitsprobe speicherbar ist;
eine Einrichtung (16) zum selektiven Hin- und Herbewegen der Sonde (40) zwischen der Waschzelle (18) und dem Probenbecher (302); und
eine Einrichtung (22) zum intermittierenden Übertragen der ersten und zweiten wäßrigen Lösung und der Flüssigkeitsprobe durch die Sonde (40) und die Membrankammer (54), wenn die Sonde (40) in der Waschzelle (18) und dem Probenbecher (302) angeordnet ist.

2. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrankammer (54) und die Elektrode (142) auf einem Wagen (60) getragen sind, der mit der Sonde (40) während der Hin- und Herbewegung der Sonde (40) zwischen der Waschzelle und dem Probenbecher (302) hin- und herbewegbar ist.

3. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (142) einen Elektrodeneinsatz (140) aufweist, der auf dem Wagen (60) befestigt ist.

4. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodeneinsatz (140) eine Arbeitselektrode (142) und eine Bezugselektrode (144) aufweist.

5. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine gedruckte Schaltungsplatine (152) vorgesehen ist, die auf dem Wagen (60) angeordnet ist, um durch Reibschluß einen Teil der Arbeits- und Bezugselektrode (142, 144) aufzunehmen, um eine elektrische Verbindung zu der Arbeits- und Bezugs­ elektrode (142 und 144) zu schaffen.

6. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Zählerelektrode (150) vorgesehen ist, die durch den Wagen (60) getragen wird, wobei die Zählerelektrode (150) einen Flüssigkeitsauslaß für die Membrankammer (54) bildet und sich durch die gedruckte Schaltungsplatine (152) erstreckt, um eine elektrische Schnittstelle zu der Arbeits- und Bezugselektrode (142, 144) herzustellen.

7. Enzymatische Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschzelle (18) in einer vertikalen Erhöhung zwischen dem Probenbecher (302) und dem Membranwagen (60) angeordnet ist.

8. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschzelle (18) eine Öffnung hat, deren Größe eine Hin- und Herbewegung der Sonde (40) durch die Öffnung ermöglicht, wobei die Öffnung in eine Mehrzahl von axial getrennte Bereiche (240, 232; 210, 242; 244) unterteilt ist.

9. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erster (244) der Mehrzahl von in axialer Richtung getrennten Bereichen (240, 232; 210, 242; 244) die erste wäßrige Lösung und ein zweiter (210, 242) der Mehrzahl von in axialer Richtung getrennten Bereichen (240, 232; 210, 242; 244) die zweite wäßrige Lösung speichert.

10. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter (240, 232) der Mehrzahl von in axialer Richtung getrennten Bereichen (240, 232; 210, 242; 244) eine Einrichtung zum Zuführen eines Unterdruckes zu der Sonde (40) beinhaltet.

11. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte (240, 232) der Mehrzahl von in axialer Richtung getrennten Bereichen (240, 232; 210, 242; 244) eine kegelstumpfförmige Gestalt (232) hat.

12. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 11, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung (410 bis 418) zum Erfassen der axialen Lage der Sonde (40) bezüglich der Waschzelle (18) und des Probenbechers (302).

13. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Membranhalter (70), dessen Abmessungen so gewählt sind, daß in ihm die Membran (110) aufnehmbar ist und die Membran (110) innerhalb der Membrankammer (54) auswechselbar befestigbar ist.

14. Enzymatische Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme tragende Membran (110) folgende Merkmale aufweist:
eine erste Membranschicht (602) mit einem stabilisierten aktiven Enzym zum Umwandeln einer interessierenden, gewünschten Substanz in eine erfaßbare Substanz;
eine zweite Membranschicht (604), die an einer Seite der ersten Membranschicht (602) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, daß ein Durchtritt von die Messung der erfaßbaren Substanz beeinträchtigenden Substanzen unterbunden wird; und
eine dritte Membranschicht (600), die auf der entgegensetzten Seite der ersten Membranschicht (602) angeordnet ist, um die Diffusionsrate der gewünschten, interessierenden Substanz in die erste Membran­ schicht (602) einzustellen und um einen reaktiven Stoff zu erzeugen, der durch das stabilisierte aktive Enzym beim Umwandeln der gewünschten, interessierenden Substanz in die erfaßbare Substanz verwendet wird.

15. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Membranschicht (600) eine mikroperforierte Schicht aus Folienmaterial beinhaltet.

16. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Membranschicht (600) eine Mehrzahl von mikroperforierten Schichten aus Folienmaterial umfaßt.

17. Enzymatische Elektrode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von mikroperforierten Schichten aus Folienmaterial Katalase (650) tragen.

18. Zusammengesetzte, enzymatische Membran zur Verwendung in einem Meßsensor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine erste Membranschicht (602) mit einem stabilisierten aktiven Enzym zum Erzeugen einer meßbaren Substanz an einem Sensor in Reaktion auf eine Ana­ lyseenzymreaktion;
eine zweite Membranschicht (600), die an einer Seite der ersten Membranschicht (602) angeordnet ist und ausgestaltet ist, um die Transportrate eines zu analysierenden Stoffes in die erste Membranschicht einzustellen, um das durch den Sensor erzeugte Signal zu linearisieren, wobei die zweite Membranschicht (600) eine Einrichtung zum Erzeugen eines reaktiven Stoffes aufweist, der durch das stabilisierte aktive Enzym in der Analyseenzymreaktion verwendet wird.

19. Zusammengesetzte enzymatische Membran nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Membranschicht (600) eine mikroperforierte Schicht aus Folienmaterial aufweist.

20. Zusammengesetzte enzymatische Membran nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Membranschicht eine Mehrzahl von mikroperforierten Schichten aus Folienmaterial auf­ weist.

21. Zusammengesetzte enzymatische Membran nach einem der Ansprüche 19 oder 20, ferner gekennzeichnet durch eine dritte Membranschicht (604), die an der anderen Seite der ersten Membranschicht (602) angeordnet ist, um einen Durchtritt von Substanzen zu verhindern, die die Messung der meßbaren Substanz an dem Sensor beeinträchtigen würden.

22. Verfahren zum Bestimmen der Konzentration einer gewünschten Substanz in einer Flüssigkeit unter Verwendung eines enzymatischen Membran/Sensor-Gerätes, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Erzeugen eines ersten Signals an dem Sensor (142) in Reaktion auf das Einführen einer wäßrigen Pufferlösung an eine enzymatische Membran (110), die nahe an dem Sensor (142) angeordnet ist;
Erzeugen eines zweiten Signals an dem Sensor (142) in Reaktion auf das Zuführen und zeitweilige Verweilen einer wäßrigen Kalibrierungslösung mit einer bekannten Konzentration bei der enzymatischen Membran (110);
Erzeugen eines dritten Signals an dem Sensor (142) in Reaktion auf das erneute Zuführen der wäßrigen Pufferlösung zu der enzymatischen Membran (110);
Erzeugen eines vierten Signals an dem Sensor (142) in Reaktion auf das Zuführen und zeitweilige Verweilen einer unbekannten Flüssigkeitsprobe zu der enzymatischen Membran (110); und
Verarbeiten der ersten, zweiten, dritten und vierten Signale zum Ableiten eines sich ergebenden Konzentrations­ wertes der gewünschten, interessierenden Substanz in der unbekannten Flüssigkeitsprobe.

23. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Einstellens der Diffusionsrate der wäßrigen Kalibrierungslösung und der unbekannten Flüssigkeitsprobe in die enzymatische Membran (110).

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellverfahrensschritt den Verfahrensschritt des Beschränkens der Diffusionsrate der wäßrigen Kalibrierungslösung und der unbekannten Flüssigkeitsprobe zu der enzymatischen Membran (110) beinhaltet.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt des Erzeugens eines reaktiven Stoffes an der enzymatischen Membran, der durch die Membran (110) verwendet wird.

26. Verfahren zum Messen der Konzentration einer Substanz, die innerhalb einer Flüssigkeitsprobe enthalten ist, unter Verwenden einer enzymatischen Membran­ elektrode, gekennzeichnet durch folgende Ver­ fahrensschritte:
Einbringen einer zu messenden Flüssigkeitsprobe in einen Probenbecher (302);
Anordnen einer Sonde (40) in einer ersten axialen Lage bezüglich einer Waschzelle (18) zum Zuführen einer ersten wäßrigen Lösung zu einer enzymatischen Membran (110), um ein erstes Elektrodensignal zu er­ zeugen;
Transportieren der Sonde (40) in eine zweite axiale Lage bezüglich der Waschzelle (18) zum Zuführen einer zweiten wäßrigen Kalibrierungslösung zu der enzymatischen Membran (110), um ein zweites Elektroden­ signal zu erzeugen;
Transportieren der Sonde (40) zurück in die erste axiale Lage bezüglich der Waschzelle (18), um erneut die erste, wäßrige Lösung zu der enzymatischen Membran (110) zuzuführen, um ein drittes Elektrodensignal zu erzeugen;
Transportieren der Sonde (40) durch die Waschzelle (18) und in den Probenbecher (302), um eine Flüssigkeitsprobe zu der enzymatischen Membran (110) zuzuführen, um ein viertes Elektrodensignal zu erzeugen; und
Verarbeiten der Elektrodensignale zum Berechnen einer Konzentration der in der Flüssigkeitsprobe enthaltenen Substanz.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensschrittes des Transportierens der Sonde (40) durch die Waschzelle (18) und in den Probenbecher (302) ferner die Verfahrensschritte des Trocknens der Sonde in einer dritten axialen Lage innerhalb der Waschzelle (18) ausgeführt werden.

28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verarbeitungsverfahrensschritt ferner der weitere Verfahrensschritt des Transportierens der Sonde (40) von dem Probenbecher (302) zurück in die erste axiale Lage innerhalb der Waschzelle (18) vorgesehen ist.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensschrittes des Transportierens der Sonde (40) von dem Probenbecher (302) zurück in die erste axiale Lage innerhalb der Waschzelle (18) ferner der zusätzliche Verfahrensschritt des Entfernens von Luftblasen, die sich auf der Sonde (40) angesammelt haben, in einer dritten axialen Lage innerhalb der Waschzelle (18) vorgesehen ist.

30. Waschzelle (18) für eine enzymatische Elektrodensonde (40), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
ein Gefäß (18) mit einer Öffnung (210), die sich durch das Gefäß erstreckt und derart bemessen ist, daß eine axiale Hin- und Herbewegung einer Sonde (40) durch die Öffnung (210) möglich ist;
eine Einrichtung (240, 232; 210, 242; 244), die innerhalb des Gefäßes angeordnet ist, um dieses in wenigstens zwei unterschiedliche Kammern zu unterteilen, von denen eine jede ausgestaltet ist, um eine erste und zweite wäßrige Lösung zu halten; und
eine Einrichtung (214, 218), die innerhalb des Gefäßes (18) angeordnet ist und gegen die Öffnung anliegt, um eine statische Dichtung zwischen den beiden getrennten Kammern zu bilden und um eine dynamische Dichtung zwischen der Sonde (40) und dem Gefäß (18) während der Hin- und Herbewegung der Sonde (40) durch das Gefäß (18) zu bilden.

31. Waschzelle nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die die Dichtung bildende Einrichtung eine Abstandsspule (216) umfaßt, die in der Öffnung (210) am oberen Ende der wenigstens zwei Kammern angeordnet ist, welche ein Paar von O-Ringen (214, 218) aufweist, die an deren entgegengesetzten Enden an­ geordnet sind.

32. Waschzelle nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch eine Rückhalteplatte (226), die in das Gefäß (18) in einer axialen Lage einsetzbar ist, um einen der O-Ringe des Paares von O-Ringen (214, 218) zu beaufschlagen und gegen diese eine Druckkraft auszu­ üben.

33. Waschzelle nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die innerhalb des Gefäßes (18) angeordnet ist, dieses in axialer Richtung in drei getrennte Kammern unterteilt.

34. Waschzelle nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte getrennte Kammer (240, 232) axial unterhalb der ersten und zweiten Kammer angeordnet ist und ausgestaltet ist, um einen Unterdruck der dritten Kammer zuzuführen, um die Sonde (40) während deren Hin- und Herbewegung zu reinigen.