DE4123348A1 - Elektrochemisches analysesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Analyse­ system zur analytischen Bestimmung eines Bestandteils einer Probe, insbesondere zur Analyse von Körperflüssig­ keiten wie Blut oder Urin. Das System besteht aus dispo­ siblen Analyseelementen, die nach einmaliger Verwendung weggeworfen werden, und einem Auswertegerät.

Die Analyse mit Hilfe disposibler Analyseelemente hat vor allem auf medizinischem Gebiet große Bedeutung erlangt. Im Vergleich zu den früher ausschließlich üblichen Analy­ semethoden unter Verwendung flüssiger Reagenzien zeichnet sie sich vor allem durch einfache Handhabung aus. Dadurch können auch von wenig geschultem Laborpersonal oder sogar vom Patienten selbst Analysen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Die Auswertegeräte sind verhältnis­ mäßig kostengünstig und es ist deshalb möglich, die Ana­ lyse "patientennah" in der Praxis des Arztes oder auf der Krankenhausstation durchzuführen.

Die Analyseelemente enthalten Reagenzien, die bei Kontakt mit der Probe zu einer für die Analyse charakteristi­ schen physikalisch nachweisbaren Veränderung führen. Bei den in der Praxis am meisten gebräuchlichen Analyseele­ menten führt die Reaktion der Reagenzien mit der Probe zu einem Farbumschlag, welcher visuell oder reflexionsphoto­ metrisch nachgewiesen wird.

Daneben gibt es schon seit langem Entwicklungen mit dem Ziel, elektrochemische Analysemethoden, insbesondere die Analyse mit Hilfe von Enzymelektroden, auf Systeme mit disposiblen Analyseelementen zu übertragen. Solche Ana­ lyseelemente haben auf einem isolierenden Träger in einem Probenaufgabebereich mindestens einen Sensor mit einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode. Die Elektro­ den sind über Verbindungsleitungen mit Anschlußkontakten verbunden, die sich in einem Anschlußbereich des Analyse­ elementes befinden. An den Anschlußkontakten kann die für die Analyse charakteristische Veränderung einer elektri­ schen Eigenschaft des Analyseelementes gemessen werden.

Ein Beispiel eines solchen Analyseelementes ist in dem US-Patent 42 25 410 beschrieben. Es hat eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren auf einem einzigen isolierenden Träger, um an einer Probe (beispielsweise einem Bluttrop­ fen) gleichzeitig mehrere verschiedene Analysen durchfüh­ ren zu können.

In diesem Zusammenhang werden verschiedene aus der elek­ trochemischen Analytik bekannte Meßprinzipien benutzt. Insbesondere unterscheidet man potentiometrische und am­ perometrische Sensoren. Bei potentiometrischen Sensoren entsteht auf elektrochemischem Wege eine Spannung, die hochohmig an den Anschlußkontakten gemessen werden kann. Bei amperometrischen Sensoren, für die die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft ist, bildet ein bei einer definierten Spannung fließender Strom die an den An­ schlußkontakten meßbare elektrische Eigenschaft.

Die Auswertegeräte solcher Systeme haben einen Analyse­ elementanschluß mit Kontakten zur elektrischen Verbindung mit den Anschlußkontakten der Analyseelemente und eine Meß- und Auswerteschaltung. Die Meß- und Auswerteschal­ tung dient dazu, das Meßsignal zu messen und den Meßwert in einen Analysewert umzuwandeln. Für die Umwandlung sind verschiedene Verfahren bekannt, wobei üblicherweise ein Mikroprozessor eingesetzt wird. Die Resultate werden meist auf einem am Auswertegerät befindlichen Display dargestellt. Sie können auch an eine separate Zentral­ einheit weitergeleitet und dort angezeigt und/oder regi­ striert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektroche­ misches Analysesystem zur Verfügung zu stellen, bei dem ein sehr hohes Maß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Analyse mit verhältnismäßig geringem Aufwand erreicht wird.

Die Aufgabe wird bei einem elektrochemischen Analysesy­ stem der zuvor beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Meß- und Auswerteschaltung eine Umschalteinrichtung auf­ weist, über die eine elektrische Spannungsquelle mit Strommeßeinrichtung und eine Spannungsmeßeinrichtung wahlweise an verschiedene Anschlußkontakte des Analyse­ elementes anschließbar sind.

Dadurch werden - wie im folgenden noch näher erläutert wird - vielfältige Kontrollen und Überprüfungen der Sy­ stemfunktionen, die sich sowohl auf das Gerät als auch auf das Analyseelement beziehen, möglich. Die damit ver­ bundene erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit wird mit sehr geringem gerätetechnischem Aufwand erreicht, weil eine elektrische Spannungsquelle sowie eine Spannungs- und eine Strommeßeinrichtung bei den Auswertegeräten elektrochemischer Analysesysteme meist ohnehin erfor­ derlich sind. Zugleich ist es durch die wahlweise Um­ schaltbarkeit möglich, auch solche Analyseelemente, die mehrere Sensoren für verschiedene Parameter enthalten, mit einem einfachen und kostengünstigen Gerät auszu­ werten. Selbst das Vermessen von Sensoren unterschied­ licher Typen (z. B. amperometrische und potentiometrische Sensoren), die auf einem Analyseelement integriert sind, ist möglich.

Die Strommeßeinrichtung und die Spannungsmeßeinrichtung sind vorzugsweise auch zur Bestimmung komplexer Signalan­ teile - in Verbindung mit der elektrischen Spannungs­ quelle - eingerichtet. Dadurch lassen sich insbesondere Kapazitäten bestimmen, um zusätzliche Kontrollen zu er­ möglichen. Zu diesem Zweck kann eine Wechselstrom-Span­ nungsquelle (vorzugsweise mit umschaltbarer oder verän­ derlicher Frequenz) verwendet werden. Bevorzugt ist je­ doch eine Lösung, bei der eine digital-elektronische Er­ fassung komplexer Signale durch Verwendung ausreichend schneller Bauteile ermöglicht wird, die die Bestimmung von Abklingzeiten erlauben.

Um allgemein eine zeitabhängige Messung von Spannungs- und Stromsignalen zu ermöglichen, kann zwischen die Um­ schalteinrichtung und die Spannungsmeßeinrichtung bzw. zwischen die Umschalteinrichtung und die Strommeßein­ richtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform jeweils eine Sample und Hold-Schaltung geschaltet. Die Taktung der Meßzeitpunkte von Strommeßeinrichtung und Spannungsmeßeinrichtung ist bevorzugt miteinander syn­ chronisiert. Auch eine Synchronisation mit der Ansteue­ rung der elektrischen Spannungsquelle sollte möglich sein.

Gemäß einem zweiten Hauptaspekt, der besonders vorteil­ haft in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen verwendet wird, jedoch auch selbständige Bedeutung hat, hat mindestens eine der Elektroden der zu dem Analysesy­ stem gehörigen Analyseelemente eine zusätzliche Verbin­ dungsleitung zu einem zusätzlichen Anschlußkontakt.

Diese zusätzliche Verbindungsleitung ermöglicht vielfäl­ tige Prüf- und Kontrollfunktionen. Sie wird daher als Prüfleitung bezeichnet. Beispielsweise erlaubt sie, auf sehr einfache Weise den Zeitpunkt festzustellen, zu dem ein Analyseelement in das Auswertegerät eingesteckt wird. Außerdem ermöglicht sie meßtechnische Verbesserungen, die zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit führen.

Ein wesentlicher Vorteil der zusätzlichen Prüfleitung ist darin zu sehen, daß die Herstellung der Analyseelemente vereinfacht wird. Bei bekannten Analyseelementen ist ein hoher Aufwand erforderlich, um reproduzierbar niedrige Leitungswiderstände der Verbindungsleitungen zwischen den Elektroden und den Anschlußkontakten sicherzustellen. Die Analyseelemente bestehen üblicherweise aus einer längli­ chen, flachen Schicht aus isolierendem Kunststoff, auf den die Sensoren, die Verbindungsleitungen und die Kon­ takte als dünne Bahnen aufgebracht sind. Um die erforder­ liche Leitungsqualität sicherzustellen, werden vielfach hochwertige Materialien mit aufwendigen Verfahren (z. B. durch Sputtern oder Siebdruck) aufgebracht. Bei einem kommerziell erhältlichen elektrochemischen Analyseelement wird beispielsweise für die Leiterbahnen ein doppel­ schichtiger Aufbau gewählt, bei dem eine Schicht aus Silber-Paladium über einer Graphitschicht aufgetragen ist. Durch derartige Maßnahmen sollen insbesondere Haar­ risse verhindert werden, die die Analyse wesentlich ver­ fälschen könnten, ohne daß dies bei den bekannten Verfah­ ren mit ausreichender Sicherheit feststellbar wäre. Der produktionstechnische Aufwand kann dadurch reduziert wer­ den.

Demgegenüber ermöglicht die Verwendung der zusätzlichen Prüfleitung - wie im folgenden noch näher erläutert wird - einerseits mit einfachen Mitteln eine zusätzliche Kon­ trolle des Analyseelementes mit dem Auswertegerät und an­ dererseits eine verbesserte Meßtechnik, die weniger von den Leitungswiderständen der Verbindungsleitungen abhän­ gig ist.

Bekannte Sensoren arbeiten teilweise mit nur zwei Elek­ troden (Arbeitselektrode und Bezugselektrode), teilweise mit drei Elektroden (Arbeitselektrode, Bezugselektrode und Hilfselektrode). Insbesondere bei Analyseelementen mit zwei Elektroden ist vorzugsweise sowohl die Arbeits­ elektrode als auch die Bezugselektrode mit einer zusätz­ lichen Prüfleitung versehen. Bei Sensoren mit drei Elek­ troden ist es im Regelfall ausreichend, wenn nur die Ar­ beitselektrode eine zusätzliche Prüfleitung aufweist.

Die Erfindung ist von besonderem Vorteil in Verbindung mit Analyseelementen, bei denen der Träger eine flache Tragschicht aus isolierendem Material ist, auf welchem die Verbindungsleitungen (vorzugsweise auch die Elektro­ den und die Anschlußkontakte) als Leiterbahnen in Form einer dünnen leitenden Schicht ausgebildet sind. Der­ artige Analyseelemente sind beispielsweise in der EP-A-1 36 362 und in der DE-A-21 27 142 beschrieben. Auf­ grund der vorliegenden Erfindung können die Leiterbahnen solcher Analyseelemente extrem schmal sein. Dies führt zu einer Materialersparnis und erlaubt eine kompakte Bau­ weise. Die Leiterbahnen können insbesondere aus durch Vakuumbedampfen, Sputtern oder eine Drucktechnik aufge­ brachten Metallschichten bestehen. Besonders bevorzugt bestehen sie aus Graphit, welches beispielsweise im Sieb­ druckverfahren aufgebracht sein kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figu­ ren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Analysesystem in perspek­ tivischer Darstellung;

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein bevorzugtes Analyse­ element;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Analysesystems;

Fig. 4 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung aus Fig. 3;

Fig. 5 und Fig. 6 einen Direktsteckverbinder eines Analysesystems in Aufsicht und im Schnitt.

Das in Fig. 1 gezeigte Analysesystem besteht aus Analy­ seelementen 10 (von denen nur eines dargestellt ist) und einem Auswertegerät 20. Auf dem Analyseelement 10 erkennt man auf einer isolierenden Tragschicht 11 aus Kunststoff in einem Probenaufgabebereich 12 einen Sensor 18. Er weist eine Arbeitselektrode 13 und eine Bezugselektrode 14 auf. Die Elektroden 13, 14 sind über Verbindungslei­ tungen 16a, 16b mit einem Anschlußbereich 19 verbunden, in dem sich Anschlußkontakte 17a, 17b des Analyseelementes ("Elementkontakte") befinden, über die die elektrische Verbindung zu entsprechenden Kontakten 21a, 21b des Aus­ wertegerätes 20 ("Gerätekontakte") hergestellt wird.

Die Gerätekontakte 21 befinden sich in einem Analyse­ elementanschluß 22. Sie sind mit einer Meß- und Auswerte­ schaltung 23 im Gehäuse 24 des Auswertegerätes 20 verbun­ den. Die Meßergebnisse und eventuelle Kontrollmeldungen werden über ein Display 25 angezeigt. Zur Eingabe von Be­ fehlen und Einstellungen sind Tasten 26 vorgesehen.

Das in Fig. 2 dargestellte Analyseelement 10 hat in sei­ nem Probenaufgabebereich 12 einen Sensor 18, der neben einer Arbeitselektrode 13 und einer Bezugselektrode 14 eine Hilfselektrode 15 aufweist. Die Arbeitselektrode 13 ist zwischen der Bezugselektrode 14 und der Hilfselek­ trode 15 angeordnet. Material und Aufbau der Elektroden sind konventionell. Die aktive Oberfläche der Arbeits­ elektrode 13 kann beispielsweise ein Enzym und einen Me­ diator aufweisen. Die Bezugselektrode 14 und die Hilfs­ elektrode 15 bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material (zum Beispiel Silber/Silberchlorid) und haben gleichgroße aktive Flächen in dem Probenaufgabebereich 12. Die Elek­ troden 13, 14 und 15 sind über insgesamt vier Verbin­ dungsleitungen 16a bis 16d mit Elementkontakten 17a bis 17d verbunden. Diese sind zweckmäßigerweise - wie darge­ stellt - in Längsrichtung des Analyseelementes 10 gegen­ einander versetzt, um eine kostengünstige schmale Bau­ weise des Analyseelementes bei trotzdem ausreichender Breite der Kontaktflächen zu ermöglichen. Im dargestell­ ten bevorzugten Fall sind zwei der Kontakte 17a und 17d über getrennte Verbindungsleitungen 16a, 16d mit der Ar­ beitselektrode 13 verbunden.

Es können auch mehrere Arbeitselektroden (insbesondere zur Analyse verschiedener Bestandteile der Probe) vorge­ sehen sein, die vorzugsweise gemeinsam zwischen einer Be­ zugselektrode und einer Hilfselektrode angeordnet sind und jeweils zwei getrennte Verbindungsleitungen zu je­ weils zwei Elementkontakten aufweisen.

In Fig. 3 und 4 erkennt man stark schematisiert ein Analyseelement 10 des in Fig. 2 dargestellten Typs, wel­ ches an die Meß- und Auswerteschaltung 23 eines entspre­ chenden Auswertegerätes angeschlossen ist.

Die Meß- und Auswerteschaltung 23 ist mit einem Mikropro­ zessor digitaltechnisch realisiert. Eine Meß- und Steuer­ einheit 30 dient zur Benutzerführung, Ablaufsteuerung und Meßwertverarbeitung. Sie ist über einen Datenbus 32 ver­ bunden mit einer Displayansteuerung 33, einem optoelek­ tronischen Ein/Ausgang 35, einem Kalibrationswertspeicher 37, einer Schaltmatrixkontrollogik 39, zwei Verstärkern mit programmierbarem Verstärkungsfaktor (Programmable Gain Amplifier, PGA) 41 und 43 und (über ein Register 47) mit einer elektrischen Spannungsquelle 45, deren Aus­ gangsspannung digital einstellbar ist. Die Displaykon­ trollschaltung 33 steuert das Display 25 an. Der opto­ elektronische Ein/Ausgang 35 kann zum Beispiel zum An­ schluß einer Lichtschranke oder als Barcodeleser 34 dienen. Vorzugsweise ist die gesamte Meß- und Auswerte­ schaltung, zumindest aber die Schalteinrichtung 51, die Spannungsmeßeinrichtung 42, 49 und die Strommeßeinrichtung 52, 43, 49 monolytisch auf einem Halbleiter integriert.

Der PGA-Verstärker 41 bildet zusammen mit einem Analog- Digitalwandler 49 eine Spannungsmeßeinrichtung. Die Span­ nungsmeßeinrichtung 41, 49 ist mittels einer Umschaltein­ richtung 51 wahlweise und in beliebiger Polung an ein Paar der Gerätekontakte 21a-21d anschließbar, an die das Analyseelement 10 angeschlossen ist. Auch die Spannungs­ quelle 45 kann über die Umschalteinrichtung 51 wahlweise mit jedem Paar der Gerätekontakte 21a-21d und somit jedem der Elementkontakte 17a-17d in beliebiger Polung verbun­ den werden. Der von der Spannungsquelle 45 in die Um­ schalteinrichtung 51 fließende Strom ist über einen in Reihe geschalteten Meßwiderstand 52 meßbar. Der Span­ nungsabfall an dem Widerstand 52 liegt an einem zweiten PGA-Verstärker 43 an, dessen Ausgangssignal über einen Multiplexer 54 wechselweise mit dem gleichen A/D-Wandler 49 wie der erste PGA-Verstärker 41 verbunden werden kann. Die Verwendung eines gemeinsamen A/D-Wandlers für die Spannungsmeßeinrichtung 41, 49 und die Strommeßeinrichtung 52, 43, 49 reduziert den konstruktiven Aufwand und elimi­ niert Fehlerquellen. Den PGA-Verstärker 41, 43 ist jeweils eine Sample und Hold-Schaltung 42, 44 mit einem Taktein­ gang 42a bzw. 44a vorgeschaltet.

Die Umschalteinrichtung 51 (Fig. 4) weist zweckmäßiger­ weise ein Schaltmatrix 53 auf, welche vier Spalten 1 bis 4 zum Anschluß der elektrischen Spannungsquelle 45 und der Spannungsmeßeinrichtung 41, 49 hat. Die Anzahl der Reihen entspricht der Anzahl der Kontakte des Analyse­ elementes. Dargestellt sind vier Reihen A-D zum Anschluß der vier Gerätekontakte 21a bis 21d.

Wenn das Analyseelement eine geringere oder größere An­ zahl von Kontakten hat, hat die Schaltmatrix zweckmäßi­ gerweise eine ebenso große Anzahl von Schalterreihen. In Fig. 3 sind beispielsweise acht Schalterreihen A bis H dargestellt, so daß bis zu acht Gerätekontakte 21a-21h und folglich Elementkontakte entsprechender Analyseele­ mente wahlweise und in beliebiger Polung sowohl mit der Spannungsquelle 45 als auch mit der Spannungsmeßeinrich­ tung 41, 49 verbunden werden können, wenn die entsprechen­ den Schaltknoten 55 der Schaltmatrix 53 geschlossen wer­ den.

Selbstverständlich kann die Schaltmatrix eine größere An­ zahl von Spalten haben, um beispielsweise weitere Meßein­ richtungen an das Analyseelemente anschließen zu können. Umgekehrt muß eine Umschalteinrichtung 51 im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise als voll­ ständige Schaltmatrix in dem Sinne ausgebildet sein, daß jeder Kontakt in jeder Polung sowohl an die elektrische Spannungsquelle 45 als auch die Spannungsmeßeinrichtung 41, 49 angeschlossen werden kann. Es ist ausreichend, wenn die Umschalteinrichtung die erforderlichen Schalter auf­ weist, um die jeweils gewünschten Kontrollfunktion zu er­ möglichen. Eine vollständige Schaltmatrix ist jedoch be­ vorzugt, da damit eine optimale Überprüfung des Sensors vor und während der Messung erfolgen kann.

Die Ansteuerung der Schaltknoten 55 der Schaltmatrix 53 erfolgt mittels der Schaltmatrixkontrollogik 39, die über einen Takteingang 39a getaktet werden kann und Bestand­ teil der Umschalteinrichtung 51 ist.

Die Funktion des in Fig. 3 dargestellten Systems wird nachfolgend in verschiedenen Betriebszuständen erläutert. Dabei werden jeweils die geschlossenen Schaltknoten der Schaltmatrix 53 durch Angabe der entsprechenden Nummer der Spalte bzw. des Buchstabens der Reihe definiert.

Im ersten Betriebszustand ist das Analyseelement 10 noch nicht an die Gerätekontakte 21 angeschlossen. In diesem Zustand wird die Funktion des Gerätes geprüft. Insbeson­ dere wird kontrolliert, ob, beispielsweise durch Verun­ reinigungen, ein (partieller) Kurzschluß zwischen den Ge­ rätekontakten 21a bis 21d aufgetreten ist. Um diese Prü­ fung beispielsweise für die Kontakte 21a und 21b vorzu­ nehmen, werden die Schaltknoten A1 und B2 (oder B1 und A2) geschlossen. Bei definierter Spannung der Spannungs­ quelle 45 ergibt der von der Strommeßeinrichtung 52, 43, 49 gemessene Stromfluß ein Maß für den Widerstand zwischen den Kontakten, der von der Meß- und Steuereinheit 30, welche in diesem Fall als Diskriminatoreinrichtung dient, mit einem Grenzwert verglichen wird, welcher in dem Kali­ brationswertspeicher 37 abgespeichert ist. Wenn der ge­ messene Widerstandswert den Grenzwert unterschreitet, wird ein Fehlersignal angezeigt und das Gerät in einen Störungszustand geschaltet, in dem keine Messung möglich ist.

Diese Prüfung kann nacheinander mit allen Kontakten 21a bis 21d durchgeführt werden.

Im nächsten Betriebszustand wird der Anschluß des Ana­ lyseelementes 10 detektiert. Zu diesem Zweck werden die Schaltknoten A1 und D2 (oder D1 und A2) geschlossen. Wenn der Kontakt zwischen den Elementkontakten 17 und den Ge­ rätekontakten 21 geschlossen wird, fließt ein Strom, der über die Strommeßeinrichtung 52, 43, 49 festgestellt wird. Diese Funktionsweise wird durch die an mindestens einer Elektrode (hier der Arbeitselektrode 13) angeschlossene zweite Verbindungsleitung 16d ermöglicht. Die Detektion des Analyseelementes kann konventionell beispielsweise mit Hilfe eines Mikroschalters realisiert werden. Erfin­ dungsgemäß ist sie mit vermindertem Aufwand möglich.

Nach dem Anschließen des Analyseelementes 10 wird in dem gleichen Betriebszustand der Widerstand zwischen den Kon­ takten 17a und 17d in analoger Weise wie bei dem ersten Betriebszustand bestimmt. In diesem Fall erfolgt ein Ver­ gleich mit einem Grenzwert, der dem Widerstand intakter Verbindungsleitungen 16a, 16d zu der Arbeitselektrode 13 entspricht. Falls sich in diesen Verbindungsleitungen Haarrisse befinden, ist der Widerstand erhöht. Liegt der gemessene Widerstand über dem definierten Grenzwert, er­ folgt eine Fehleranzeige, daß das Analyseelement 10 de­ fekt ist.

In einem dritten Betriebszustand erfolgt eine Kurzschluß­ prüfung des Analyseelementes. Um beispielsweise zu prü­ fen, ob die erforderliche elektrische Isolation zwischen der Arbeitselektrode 13 und der Hilfselektrode 15 gegeben ist, werden die Schaltknoten C1 und D2 (oder D1 und C2) geschlossen. Wiederum erfolgt eine Widerstandsmessung und Vergleich mit einem Grenzwert, wobei ein Fehlersignal bei Unterschreitung des Grenzwertes erzeugt wird.

Ein vierter Betriebszustand dient dazu, die Benetzung der Elektroden 13, 14 und 15 mit der Probe festzustellen und - in einer bevorzugten Ausführungsform - die Vollständig­ keit der Benetzung zu kontrollieren.

Zur Feststellung der Benetzung werden die Schaltknoten derartig geschlossen, daß eine Widerstandsmessung zwi­ schen zwei der Elektroden erfolgt. Dies können beispiels­ weise die Referenzelektrode 14 und die Hilfselektrode 15 sein, wobei die Schaltknoten B1 und C2 (oder C1 und B2) geschlossen werden. Die Benetzung der Elektroden führt zu einem Abfall des Widerstandes, der wie bei den vorherge­ henden Betriebszuständen festgestellt werden kann. In dieser Stellung der Schaltmatrix 53 kann zugleich der Widerstand der zu der Referenzelektrode 14 und der Hilfs­ elektrode 15 führenden Verbindungsleitungen 16b und 16c und damit der ordnungsgemäße Zustand dieser Verbindungs­ leitungen geprüft werden.

Die Genauigkeit der Analyse ist bei einer amperometri­ schen Bestimmung davon abhängig, daß die aktive Oberflä­ che der Arbeitselektrode 13 vollständig benetzt ist. Eine Kontrolle ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Kapazitätsmessung (also die Messung eines kom­ plexen Widerstandes) möglich. Hierzu wird die Spannungs­ quelle 45 durch Schließen der Schaltknoten A1 und B2 (oder B1 und A2) zwischen die Arbeitselektrode 13 und die Bezugselektrode 14 geschaltet. Die Spannung wird stromlos zwischen der Hilfselektrode 15 und der Arbeitselektrode 13 gemessen, wozu die Schaltknoten C3 und D4 (oder C4 und D3) geschlossen werden.

Die Messung der Kapazität erfordert eine zeitlich aufge­ löste Strom-Spannungsmessung. Hierzu kann die Spannungs­ quelle 45 als Wechselspannungsquelle ausgebildet sein, deren Frequenz vorzugsweise einstellbar ist. Besonders bevorzugt erfolgt die Messung eines komplexen Widerstan­ des jedoch dadurch, daß verhältnismäßig schnelle elektro­ nische Bauelemente verwendet werden und die Spannungs- und Stromsignale (durch Ansteuerung der Takteingänge 39a, 42a, 44a, 54a und 47a) synchronisiert meßbar beziehungs­ weise ansteuerbar sind. Dadurch ist es möglich, den Rela­ xationsvorgang beim Einschalten oder Ausschalten der Spannungsquelle 45 zeitlich zu verfolgen und dadurch die Kapazität zwischen der Arbeitselektrode und der Hilfs­ elektrode zu bestimmen, welche ein Maß für die Benetzung der Arbeitselektrode ist.

In diesem Zusammenhang ist es wiederum hilfreich, daß die Arbeitselektrode 13 zwei Verbindungsleitungen 16a, 16d zu der Meß- und Auswerteschaltung 23 aufweist. Dadurch ist es möglich, die Spannung zwischen der Hilfselektrode 15 und der Arbeitselektrode 13 stromlos und damit unbeein­ flußt von den Leitungswiderständen mit Hilfe der Leitung 16d zu messen, währen die Leitung 16a zur Stromzuführung dient.

Bei der Benetzungskontrolle kann die Funktion der Hilfs­ elektrode 15 und der Bezugselektrode 14 sowie der beiden Verbindungsleitungen 16a und 16d selbstverständlich aus­ getauscht werden. Bevorzugt wird die Widerstands- bzw. Kapazitätsmessung doppelt durchgeführt, wobei bei der zweiten Messung die Spannungsquelle 45 zwischen die Ar­ beitselektrode 13 und die Hilfselektrode 15 geschaltet und die Spannung stromlos zwischen der Bezugselektrode 14 und der Arbeitselektrode 13 gemessen wird.

In einem fünften Betriebszustand erfolgt die elektroche­ mische Messung. Hierbei wird die Spannungsquelle durch Schließen der Schaltknoten C1 und D2 (oder C2 und D1) zwischen die Hilfselektrode und die Arbeitselektrode ge­ schaltet. Die Spannung wird zwischen der Referenzelek­ trode und der Arbeitselektrode gemessen, wozu die Schalt­ knoten A3 und B4 (oder A4 und B3) geschlossen werden. Wie bei der Messung amperometrischer Sensoren mit drei Elek­ troden üblich, wird die Ausgangsspannung der Spannungs­ quelle 45 so geregelt, daß die Spannung zwischen der Re­ ferenzelektrode 14 und der Arbeitselektrode 13 einen ge­ wünschten Sollwert hat. Der dabei zwischen der Hilfselek­ trode und der Arbeitselektrode fließende Strom ist ein Maß für die Analyse. Auch in diesem Zusammenhang ist die zusätzliche Verbindungsleitung an der Arbeitselektrode hilfreich. Wäre sie nicht vorhanden, so müßte der gleiche Kontakt der Arbeitselektrode sowohl für die Stromzufüh­ rung als auch für die Spannungsmessung verwendet werden. Die Spannungsmessung würde durch den Spannungsabfall am Widerstand der Verbindungsleitung 16a verfälscht. Durch die zusätzliche Verbindungsleitung 16d ist es möglich, die Spannung stromlos zu messen. Der Widerstand der Ver­ bindungsleitungen 16a bis 16d ist damit ohne Einfluß auf das Meßergebnis.

Wie erwähnt, sind die Arbeitselektrode 14 und die Hilfs­ elektrode 15 vorzugsweise identisch ausgebildet. Dadurch ist eine weitere optionale Kontrollfunktion möglich, bei der die Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Hilfselektrode durch Schließen der Schaltknoten B3 und C4 (oder B4 und C3) nach Benetzen mit der Probe gemessen wird. Die gemessene Spannung muß bei ordnungsgemäßem elektrochemischem Zustand der Elektroden praktisch gleich Null sein.

Die vorstehenden Kontrollfunktionen beschreiben einige wesentliche Beispiele und einige wesentliche Varianten, in der die Umschalteinrichtung 51 verwendet werden kann. Dem Fachmann sind auf Basis der vorstehenden Beschreibung jedoch zahlreiche Alternativen geläufig, mit denen die gleichen und gegebenenfalls weitere Kontroll-, Überprü­ fungs- und Meßfunktionen mit geringem gerätetechnischen Aufwand realisiert werden können.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Gestaltung des Analyse­ elementanschluß 22, die besonders bevorzugt in Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Analysesystem eingesetzt wird, jedoch auch selbständige Bedeutung hat.

Ein Direktsteckverbinder 60 weist zwei Steckbereiche 62,64 auf, wobei der erste Steckbereich 62 zum Anschluß des Analyseelementes 10 und der zweite Steckbereich 64 zum Anschluß der Meß- und Auswerteschaltung dient. Eine Leiterplatte 65, die die in der Figur nicht dargestellte Meß- und Auswerteschaltung trägt, weist eine Steckleiste 66 mit Steckkontakten 67 auf, die in den zweiten Steckbe­ reich 64 eindringt.

Die Steckbereiche 62, 64 werden durch Ausnehmungen in einem vorzugsweise einteiligen Gehäuse 69 gebildet. Sie sind durch einteilige Kontaktfederteile 70a miteinander verbunden, welche jeweils außenseitige Kontaktfedern 71a-71c zum Kontaktieren der Anschlußkontakte 17a-17c des Analyseelementes und innenseitige Kontaktfedern 72a-72c zum Kontaktieren der Steckkontakte 67 der Leiterplatte 66 aufweisen.

Der Durchsteckverbinder 60 ist mechanisch stabil mit dem Gehäuse 24 des Auswertegerätes 20 verbunden. Das Analyse­ element 10 wird durch die Seitenwände 63 des ersten Steckbereiches 62 beim Einstecken seitlich geführt.

Diese Konstruktion ermöglicht einen mechanischen Tole­ ranzausgleich (Wärmedehnungs- und Maßtoleranz) zwischen Leiterplatte 65 und Gehäuse 24, ohne daß die Kontaktie­ rung gefährdet wird. Dadurch wird eine mechanische Bela­ stung vermieden. Die Konstruktion ist außerordentlich einfach und kostengünstig in der Herstellung. Insoweit ist sie vorbekannten Problemlösungen, bei denen ein zu­ sätzlicher Zwischenstecker oder Lötverbindungen verwendet wurden, überlegen.

Claims (15)

1. Elektrochemisches Analysesystem zur analytischen Be­ stimmung eines Bestandteils einer Probe, umfassend
disposible Analyseelemente (10), welche auf einem isolierenden Träger (11) in einem Probenaufgabebe­ reich (12) mindestens einen Sensor (18) mit einer Ar­ beitselektrode (13) und einer Bezugselektrode (14) und in einem Anschlußbereich (19) Anschlußkontakte (17) aufweisen, wobei zwischen den Elektroden (13, 14) und den Anschlußkontakten (17) Verbindungsleitungen (16) verlaufen und die an den Anschlußkontakten (17) meßbaren elektrischen Eigenschaften der Analyseele­ mente (10) sich bei Kontakt mit der Probe in einer für die Analyse charakteristischen Weise ändern, und
ein Auswertegerät (20), welches einen Analyseelement­ anschluß (22) mit Gerätekontakten (21) zur elektri­ schen Verbindung mit den Anschlußkontakten (17) der Analyseelemente, und eine Meß- und Auswerteschaltung (23) zur Messung der für die Analyse charakteristi­ schen elektrischen Veränderung und Umwandlung des Meßwertes in einen Analysewert aufweist, wobei, die Meß- und Auswerteschaltung (23) eine Umschaltein­ richtung (51) aufweist, über die eine elektrische Spannungsquelle (45) mit Strommeßeinrichtung (52, 49) und eine Spannungsmeßeinrichtung (41, 49) wahlweise an verschiedene Anschlußkontakte (17a bis 17d) des Ana­ lyseelementes (10) anschließbar sind.

2. Analysesystem nach Anspruch 1, bei welchem die Um­ schalteinrichtung (51) eine Schaltmatrix (53) auf­ weist.

3. Analysesystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Umschalteinrichtung (51), die Spannungsmeßeinrichtung (41,49) und die Spannungsquelle (45) gemeinsam mono­ lytisch integriert sind.

4. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die Spannung der Spannungsquelle (45) und das Meßsignal der Strommeßeinrichtung (52, 43, 49) zur Bestimmung eines elektrischen Wider­ standes auswertbar sind und daß eine Diskriminator­ einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals bei Überschreitung und/oder Unterschreitung vorbestimmter Widerstandsgrenzwerte vorgesehen ist.

5. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die Meß- und Auswerteschaltung (23) eine Mikroprozessor-gesteuerte digitale Signalverar­ beitungseinrichtung aufweist, die Strommeßeinrichtung (52, 43, 49) und die Spannungsmeßeinrichtung (41, 49) digitale Ausgangssignale erzeugen und die elektrische Spannungsquelle (45) und die Umschalteinrichtung di­ gital ansteuerbar sind.

6. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die Spannungsmeßeinrichtung (41, 49) und die Strommeßeinrichtung (52, 43, 49) zur Bestimmung komplexer Signalanteile eingerichtet sind.

7. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die Umschalteinrichtung (51), die Spannungsmeßeinrichtung (41, 49) und die Strommeßein­ richtung (52, 43, 49) synchron getaktet werden können.

8. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem zwischen die Umschalteinrichtung (51) und die Spannungsmeßeinrichtung (41, 49) eine Sample und Hold-Schaltung (42) geschaltet ist.

9. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem zwischen die Umschalteinrichtung (51) und die Strommeßeinrichtung (52, 43, 49) eine Sample und Hold-Schaltung (44) geschaltet ist.

10. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem mindestens eine der Elektroden (13) über eine zusätzliche Verbindungsleitung (16d) mit einem zusätzlichen Anschlußkontakt (17d) verbunden ist.

11. Analysesystem nach Anspruch 10, bei welchem die Elek­ trode, an die die zusätzliche Verbindungsleitung (16d) angeschlossen ist, die Arbeitselektrode (13) ist.

12. Analysesystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei welchem der Sensor (18) eine zusätzliche Hilfs­ elektrode (15) aufweist.

13. Analysesystem nach Anspruch 12, bei welchem die Hilfselektrode (15) und die Bezugselektrode (14) die gleiche Zusammensetzung haben.

14. Analysesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem die Arbeitselektrode (13) zwischen der Be­ zugselektrode (14) und der Hilfselektrode (15) ange­ ordnet ist.

15. Elektrochemisches Analysesystem zur analytischen Be­ stimmung eines Bestandteils einer Probe, umfassend
disposible Analyseelemente (10), welche auf einem isolierenden Träger (11) in einem Probenaufgabebe­ reich (12) mindestens einen Sensor (18) mit einer Ar­ beitselektrode (13) und einer Bezugselektrode (14) und in einem Anschlußbereich (19) Anschlußkontakte (17) aufweisen, wobei zwischen den Elektroden (13, 14) und den Anschlußkontakten (17) Verbindungsleitungen (16) verlaufen und die an den Anschlußkontakten (17) meßbaren elektrischen Eigenschaften der Analyseele­ mente (10) sich bei Kontakt mit der Probe in einer für die Analyse charakteristischen Weise ändern, und
ein Auswertegerät (20), welches einen Analyseelement­ anschluß (22) mit Gerätekontakten (21) zur elektri­ schen Verbindung mit den Anschlußkontakten (17) der Analyseelemente, und eine Meß- und Auswerteschaltung (23) zur Messung der für die Analyse charakteristi­ schen elektrischen Veränderung und Umwandlung des Meßwertes in einen Analysewert aufweist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Analyseelementanschluß (22) einen Direktsteckverbinder (60) mit zwei Steckbereichen (62,64) aufweist, wobei
der erste Steckbereich (62) zum Anschluß des Analyse­ elementes (10) und der zweite Steckbereich (64) zum Anschluß an Steckkontakte (67) einer Leiterplatte (65) dient, welche mindestens einen Teil der Meß- und Auswerteschaltung (23) enthält,
die Steckbereiche (62, 64) durch Kontaktfederteile (70a-70c) miteinander verbunden sind, welche jeweils außenseitige Kontaktfedern (71a-71c) in dem ersten Steckbereich (62) zum Kontaktieren der Anschlußkon­ takte (17a-17c) des Analyseelementes (10) und innen­ seitige Kontaktfedern (72a-72c) zum Kontaktieren der Steckkontakte (67) der Leiterplatte (65) aufweisen.