DE4437274A1 - Analytselektiver Sensor - Google Patents
Analytselektiver SensorInfo
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- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
- G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
Description
Die Erfindung betrifft einen analytselektiven Sensor,
der aus einer analytspezifischen Schicht besteht, die
so modifiziert ist, daß in Lösungen enthaltene Ionen
oder neutrale Spezies mit der Schicht in Kontakt tre
ten können, so daß dann eine Änderung der elektri
schen Eigenschaften eintritt.
Zur Bestimmung von Ionen in Lösungen wird vielfach
die potentiometrische ionenselektive Elektrode ver
wendet (Cammann, K. Die Arbeit mit Ionenselektiven
Elektroden, 2. Aufl., Springer Verlag: Berlin, Hei
delberg, New York, 1977). Ionenselektive Elektrode
sind elektrochemische Sensoren, mit denen die Konzen
tration (genauer die Aktivität) bestimmter Ionen mit
tels einer Potentialdifferenz bestimmt werden kann.
Die ionenselektive Potentialdifferenz tritt an der
Phasengrenze aktives Elektrodenmaterial/Elektrolyt
auf und hängt gemäß der Nernst-Gleichung von der Ak
tivität eines bestimmten Ions in der Lösung ab.
Die Notwendigkeit einer Referenzelektrode ist der
entscheidende Nachteil bei dem Einsatz potentiometri
scher Messungen zur Bestimmung von Ionenaktivitäten
in Lösung. Anders als bei Widerstand und Kapazität
haben die Absolutwerte des elektrischen Potentials
keine physikalische Bedeutung, da das Potential nur
in Bezug auf einen Referenzwert definiert werden
kann. In der Elektrochemie wird solch ein Referenz
wert gewöhnlich vom Potential der Referenzelektrode
geliefert.
Die andere grundlegende Einschränkung bei den poten
tiometrischen Analysemethoden betrifft die Zusammen
setzung der ionenselektiven Membran. Die Anforderun
gen an die Natur der spezifischen Bindung und/oder
der komplexierenden Stellen innerhalb der Membran
sind so zu stellen, daß die Potentialdifferenz an der
Grenzfläche Membran/Lösung selektiv in Abhängigkeit
von der Anwesenheit einer bestimmten Spezies in der
Lösung aufgebaut wird. Zum Beispiel sollte diese Bin
dung nicht zu stark sein, so daß ein genügend schnel
ler Austausch der detektierten Spezies zwischen der
Membranphase und der Lösung möglich ist.
Neben den potentiometrischen sind die am häufigsten
verwendeten elektrochemischen Analyseverfahren dieje
nigen, die den Stromfluß durch eine passend angefer
tigte oder modifizierte leitende oder halbleitende
Arbeitselektrode messen. Das Potential dieser Elek
trode wird durch das der Referenzelektrode festge
legt. Der gemessene Stromfluß resultiert aus der
elektrochemischen Redoxreaktion, die an der Grenzflä
che Arbeitselektrode/Lösung abläuft. Zusätzlich zu
der erforderlichen Referenzelektrode wird der Einsatz
dieser Meßverfahren noch dadurch eingeschränkt, daß
die gemessene Spezies bei dem an der Arbeitselektrode
angelegten Arbeitspotential elektroaktiv sein muß und
somit nur eine begrenzte Auswahl an Analyten gemessen
werden kann. Außerdem muß dieses Potential von dem
der störenden Spezies verschieden sein. Das letztere
stellt häufig ein Problem dar, da viele chemische
oder große Gruppen chemischer Verbindungen sehr ähn
liche Redoxeigenschaften aufweisen. Zum anderen lie
gen die erforderlichen elektropotentiale für viele
Verbindungen außerhalb des praktisch anwendbaren Be
reichs.
Zu den zur spezifischen Erkennung von geladenen und
neutralen Spezies meist verwendeten nicht-elektroche
mischen Verfahren gehören die verschiedenen Arten der
Flüssigchromatographie. In diesem Fall wird die zu
analysierende Probe in Kontakt gebracht mit einer
sogenannten stationären Phase, z. B. einer Polymer
schicht, die die detektierte Spezies spezifisch bin
det oder zurückhält. Die Stärke dieser Bindung be
stimmt die Retentionszeit des Analyten innerhalb der
chromatographischen Säule. Unter Verwendung maßge
schneiderter stationärer Phasen können sehr viele
Spezies identifiziert werden. Allerdings ist dieser
Typ der analytischen Meßanordnung sehr komplex und
teuer.
Die andere wichtige Klasse der analytischen Verfahren
zur Detektion von geladenen und ungeladenen Spezies
in gasförmigem oder flüssigem Medium macht Gebrauch
von der Messung des Widerstandes oder der Kapazität.
Änderungen der Leitfähigkeit oder der dielektrischen
Eigenschaften einer Schicht eines sensitiven Materi
als werden in Abhängigkeit von den Wechselwirkungen
mit der detektierten Spezies angezeigt. So finden im
Bereich der Detektion von Gasen Widerstands- und ka
pazitive Sensoren eine breite Verwendung.
Im Gegensatz dazu trifft man nur gelegentlich auf die
Anwendung solcher Sensoren bei chemischen Analysen in
Flüssigkeiten. Die Messungen der totalen Leitfähig
keit von Elektrolytlösungen sind nur von begrenzter
analytischer Bedeutung, weil es ihnen im allgemeinen
an Spezifität mangelt. Ein derartiges Verfahren wird
von R.S. Sethi et al. in der GB 22 04 408 A beschrie
ben. In dieser Schrift wird ein konduktometrischer
Enzym-Biosensor vorgeschlagen, der Inter-Digitale
fingerähnliche Elektroden (IDE) besitzt, welche durch
eine Membran aus immobilisierter Urease abgedeckt
werden. In Anwesenheit von Harnstoff in der Testlö
sung erlaubt die Verwendung von dicht angeordneten
Elektroden die Messung der Leitfähigkeit der Lösung,
mit der die Enzymschicht abgesättigt ist, sofern sich
die Leitfähigkeit spezifisch zur Hydrolyse des Harn
stoffs verändert, die durch die Urease katalysiert
wird. Zu den Schwächen solcher Biosensoren gehört die
drastische Abnahme der Empfindlichkeit des Biosensors
mit zunehmender Pufferkapazität und/oder Ionenstärke
(Leitfähigkeit) der Lösung.
Die WO 93/06 237 beschreibt die Verwendung von IDE′s
zur Messung der Leitfähigkeitsänderung einer Schicht
elektroaktiv leitender Polymers (Polyanilin, Polypyr
rol). Diese Änderungen resultieren aus der Wechsel
wirkung der funktionellen Redoxgruppen des Polymers
mit den in der Lösung anwesenden interessierenden
Spezies oder mit Spezies, die aus einer Enzymreaktion
in der Schicht des immobilisierten Enzyms resultie
ren, welche von oben auf die Schicht des besagten
Polymers aufgebracht wird.
L.S. Raymond et al. beschreibt in der GB 21 37 361
eine Anordnung zur kapazitiven Detektion, die folgen
de Bestandteile enthält:
- (I) ein Kondensator bestehend aus zwei IDE;
- (II) eine erste Schicht aus elektrisch isolie rendem Material, die die elektrisch leiten de Elektrode abdeckt und gegenüber der zu analysierenden Lösung abschirmt;
- (III) eine zweite Schicht eines Materials, die die erste Schicht abdeckt, wobei die zweite Schicht für eine spezifische nicht-wäßrige Substanz in einer Lösung durchlässig ist, welche durch ihr Eintreten in das elektri sche Feld zwischen den IDE′s eine Änderung der Kapazität des Kondensators bewirkt.
Die zweite Schicht enthält zum Beispiel das selektiv
für Kaliumionen durchlässige Valinomycin. Die Inter
digitalelektroden messen die Änderungen der Kapazität
als Folge der spezifischen Aufnahme von Ionen in die
Valinomycinschicht.
Die GB 21 37 361 liefert jedoch keine Beschreibung
der Membranzusammensetzung, d. h. es fehlen Angaben zu
den Bedingungen, die notwendig sind, um die erforder
liche Durchlässigkeit der sensitiven zweiten Schicht
in Bezug auf die interessierenden Spezies sicherzu
stellen. Andererseits schränken solche Bedingungen in
großem Umfang die Anzahl der detektierbaren Spezies
ein. Die Notwendigkeit der Abschirmung der leitenden
Elektroden durch eine isolierende Schicht erschwert
die Herstellung des Transducers wegen der hohen An
sprüche an die Qualität solch einer Schicht und ver
schlechtert gleichzeitig die Sensorenempfindlichkeit.
Ein weiteres Problem ist eine nicht auszuschließende
sprunghafte Änderung der Dielektrizitätskonstanten
der Meßschicht in Abhängigkeit von der Zusammenset
zung der zu analysierenden Lösung.
Ausgehend hiervon, ist es die Aufgabe der vorliegen
den Erfindung, ein neuartiges Sensorkonzept und ent
sprechende Sensoren vorzuschlagen, die es erlauben,
in Lösung enthaltene Ionen oder neutrale Spezies
quantitativ und/oder qualitativ über eine Absolutmes
sung zu bestimmen, so daß auf Referenzelektroden ver
zichtet werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Die Unteran
sprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, einen Sen
sor zu verwenden, der auf einem Träger eine analyt
spezifische Schicht aus einem flüssigen, festen oder
halbfesten Material aufweist, die so ausgebildet ist,
daß sie bei Kontakt mit den in der Lösung enthaltenen
Ionen bzw. Stoffen ihre bulkelektrischen Eigenschaf
ten, wie den Widerstand, die Leitfähigkeit, die Ad
mittanz oder die Impedanz ändert.
Für die Messung der elektrischen Eigenschaften der
analytspezifischen Schicht ist es dabei vorgesehen,
daß bevorzugt mindestens zwei Elektroden verwendet
werden, die mit der analytspezifischen Schicht in
Kontakt stehen. Dazu wird die analytspezifische
Schicht direkt auf der Leiteroberfläche gebildet. Für
diesen Typ von Messungen können dabei Standard zwei
- oder vier - Elektrodenanordnungen verwendet werden.
Die für die Herstellung der festen oder halbfesten
bzw. porösen Meßelektronen verwendeten leitfähigen
Materialien können Stoffe sein, die aufgrund der Be
weglichkeit von Elektroden bzw. von Defektstellen Ei
genschaften eines elektrischen Leiters, eines Halb
leiters oder eines Defektstellenleiters aufweisen.
Beispiele hierfür sind:
- - edle Metalle (Ag, Au, Pt, Pd, . . .);
- - andere ausreichend chemisch stabile Metalle (Ni, Ta, Ti, Cr, Cu, V, Al, . . .);
- - leitfähige Pasten und Metall- oder Graphit partikel enthaltende Epoxidharze;
- - Materialien auf Kohlenstoffbasis (Kohlenstoff- Fasern, Glaskohlenstoff, Graphit);
- - hochdotiertes Silizium (Poly-Si);
- - leitfähige Polymere (Polypyrrol, Polyanilin, Polyacetylen);
- - zusammengesetzte leitende Polymere, die Me tall- oder Graphitpartikel enthalten.
Die Leiter können freistehend sein, beispielsweise in
der Form von Stäben, Drähten bzw. Maschen auftreten
oder in Plastik oder andere isolierende Trager einge
bettet sein, die nur die Membrankontaktfläche frei
lassen. Der exponierte Teil kann zum Beispiel in der
Form von Scheiben oder Bändern vorliegen.
Alternativ dazu können die Leiter auch auf einem iso
lierenden Träger in Form von dicken oder dünnen
Schichten gebildet werden, hergesellt mit Hilfe von
Siebdruck, durch chemische oder elektrochemische Po
lymerisation oder -abscheidung (das letztere im Fall
von Metallen), durch Vakuumaufdampfung, Sputtern oder
andere Techniken der Dick- und Dünnschichttechnolo
gien. Die auf einem isolierenden Träger aufgebrachten
Leiter können zum Beispiel in der Form von Bändern,
Kreisen, Scheiben oder Interdigitalelektroden (IDE)
vorliegen. Die Leiter können auf den selben oder den
entgegengesetzten Seiten des Trägers angeordnet sein,
in einer Ebene oder vertikal voneinander getrennt.
Die Oberfläche der Meßelektrode muß nicht notwendi
gerweise glatt oder poliert sein. Sie kann absicht
lich rauh gemacht werden, um einen besseren Kontakt
zu der Schicht herzustellen und den Grenzflächenwi
derstand zu senken. Ein möglicher Weg ist die Verwen
dung von platinisierten Platinelektroden oder von
chloridisierten Silberelektroden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt vor
für den Fall, daß erhöhte elektrochemische Grenzwi
derstände zwischen den Leitern und der Schicht auf
treten eine zusätzliche Schicht zwischen den Leitern
und der analytselektiven Schicht anzubringen, die zur
Unterdrückung des Grenzflächenwiderstandes redoxpaar
bildende Substanzen aufweist. Derartige den Grenzflä
chenwiderstand unterdrückende redoxpaarbildende Sub
stanzen sind bereits in der CH 677 295 beschrieben.
Auf den Offenbarungsgehalt wird deshalb ausdrücklich
bezug genommen. Die Schichtdicke dieser Schicht liegt
dabei im Bereich von 0,1 µm bis 100 µm.
Da kein Elektronentransfer zwischen den Elektroden
und der analytspezifischen Schicht während der
AC-Messungen notwendig ist, ist ein direkter Kontakt,
wie vorstehend beschrieben, zwischen der Oberfläche
des Leiters und der Schicht nicht erforderlich. Somit
ist es möglich, solche Messungen mit Elektroden, wel
che durch einen Luftspalt oder eine isolierende
Schicht von der analytselektiven Schicht getrennt
werden, mit dem sog. Phänomen der kapazitiven Kopp
lung durchzuführen. Ebenso ist es möglich, die induk
tive Kopplung für kontaktlose Messungen der elektri
schen Eigenschaften von Schichten zu nutzen. In die
sem Fall wird die Schicht in einer Spule plaziert,
durch die dann ein Strom fließt. Wirbelströme werden
in der Schicht aufgebaut und bewirken einen Lei
stungsverlust in Abhängigkeit von der Schichtleitfä
higkeit. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ver
wendung von zwei Spulen, welche durch einen Kreis
strom in der Probe verbunden werden.
Erfindungswesentlich bei den hier vorgeschlagenen
analytselektiven Sensoren ist die analytspezifische
Schicht. Diese Schicht ist dabei so modifiziert, daß
sie in Anwesenheit von in Lösungen enthaltenen Ionen
bzw. Stoffen ihre elektrischen Eigenschaften ändert.
Die Änderung der elektrischen Eigenschaften der ana
lytspezifischen Schicht sind dabei zurückzuführen auf
die Verteilung des zu bestimmenden Ions bzw. des
Stoffes zwischen der Lösung und der Schicht. Dadurch
ändern sich nun die elektrischen Eigenschaften, wie
der Widerstand, die Leitfähigkeit, die Admittanz oder
die Impedanz.
Dadurch weisen die erfindungsgemäßen analytselektiven
Sensoren gegenüber dem Stand der Technik folgende
entscheidende Vorteile auf:
- 1. Bei den erfindungsgemäßen Sensoren wird keine Re ferenzelektrode benötigt, da die Messungen solcher elektrischer Eigenschaften wie der Leitfähigkeit oder Admittanz, im Gegensatz zu z. B. Potentialmessungen in der Potentiometrie, absolute Messungen sind.
- 2. Die Sensoren können als hochintegrierte Festkör perkomplettsysteme konstruiert werden, was ihre Her stellung, Miniaturisierung und Verwendung erleich tert.
- 3. Das Sensordesign ist kompatibel mit der Mikroelek
tronik, im besonderen mit IC-Technologie und erlaubt
somit die Produktion solcher Sensoren in großen Men
gen zu niedrigen Kosten, eingeschlossen Wegwerfsenso
ren.
Mögliche Sensor-Arrays können mitsamt der Signalver arbeitungselektronik leicht auf einem Substrat inte griert werden. - 4. Die Arbeitsweise der Sensoren führt zu einer Er
weiterung des Detektionsbereiches der zu bestimmenden
Spezies im Vergleich zu traditionellen elektrochemi
schen Detektionstechniken sowie zu einer vergrößerten
Auswahl an Materialien, die als selektiv bindende
Komponenten in den Sensoren verwendet werden können.
Diese Sensoren erlauben im Gegensatz zu potentiome
trischen Sensoren die Bestimmung von Analytkonzentra
tionen in Lösungen mit sehr hoher Ionenstärke. Solan
ge die Messungen der Schichteigenschaften wie der
Widerstand oder die Leitfähigkeit absolute Messungen
sind, ergeben sich in der Praxis keine Ein
schränkungen beim Auftreten irreversibler Extraktio
nen.
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Sen soren können dann als Dosimeter eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist die Bestimmung von Spuren to xischer Komponenten, z. B. von Schwermetallionen. - 5. Mit den Sensoren ist eine Messung der Lösungszu sammensetzung in verschlossenen Gefäßen, z. B. in zu geschmolzenen Glasampullen, möglich. Voraussetzung ist, daß sich die sensitive Membran innerhalb des Gefäßes befindet, z. B. auf der inneren Oberfläche der Wände, und daß die Änderungen der elektrischen Eigen schaften der Membran von außerhalb des Gefäßes gemes sen werden, unter Verwendung von kontaktlosen Meß techniken.
Erfindungsgemäß besteht die Schicht aus einer flüssi
gen, halbfesten oder festen Komponente (Material), so
daß die Schicht in der Lage ist, aufgrund ihrer Bulk
eigenschaften oder durch Anwesenheit von analytspezi
fischen Kopplungselementen den Analyten aus einer
Lösung zu extrahieren. Bevorzugt besteht die analyt
spezifische Schicht aus einem Polymer, das ionense
lektive bzw. molekülselektive Kopplungselemente auf
weist bzw. enthält, so daß der Analyt selektiv aus
der Lösung in diese Polymermembranschicht extrahiert
wird. Unter Kopplungselementen werden gemäß der vor
liegenden Erfindung u. a. funktionelle Gruppen, Ionen
austauscher, komplexierende Gruppen oder Chelatgrup
pen, Käfigverbindungen (z. B. Cyclophane, Kronenether,
Antibiotica, Cyclodextrine), Antigene oder Antikör
per, natürliche oder synthetische Polypeptide, Lekti
ne, spezifisch bindende Proteine, Rezeptor-Proteine,
Lipide und Tenside verstanden. Der Begriff Kopplungs
elemente umfaß somit alle diese Verbindungen bzw.
Reste, die in der Lage sind, die im Analyt enthalte
nen Ionen oder neutralen Teilchen zu binden. Die
Schicht kann dabei ein Polymer sein, das selbst diese
Kopplungselemente aufweist, d. h. das Polymer selbst
hat entsprechende Reste bzw. funktionelle Gruppen
oder dem Polymer werden diese Kopplungskomponenten
zugesetzt. Durch die selektive Extraktion ist dann
eine selektive Veränderung der ionischen Leitfähig
keit verbunden. Es ist dabei nicht entscheidend, ob
eine reversible oder irreversible Analytextraktion
oder Bindung in der analytspezifischen Schicht statt
findet, da die Messungen der Schichteigenschaften,
wie der Widerstand oder die Leitfähigkeit, absolute
Messungen sind. Bei irreversiblen Analytextraktionen
bzw. Bindungen kann der erfindungsgemäße Sensor als
Dosimeter verwendet werden, d. h. die Änderung der
elektrischen Eigenschaften der Schicht ist als Sum
menparameter (Dosis) der Analytspuren in einem Medium
aufzufassen, dem der Sensor über einen längeren Zeit
raum ausgesetzt ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die analytspezi
fische Schicht auf einen Träger, z. B. auf Glas, Me
tall, Keramik, Saphir, Plastik oder Polymer in Form
von Filmen aufgebracht wird. Die Techniken der Auf
bringung der Polymermembranschicht sind dabei an und
für sich aus dem Stand der Technik bekannt. Als ge
eignete Abscheidungsverfahren wären zu nennen:
Abscheidung aus der Lösung, Auftropfen, Dip-Coating, Spraying, chemische-, fotochemische- oder elektroche mische Polymerisation, Spin-Coating oder Fotolitho graphie.
Abscheidung aus der Lösung, Auftropfen, Dip-Coating, Spraying, chemische-, fotochemische- oder elektroche mische Polymerisation, Spin-Coating oder Fotolitho graphie.
Hierbei kann es vorteilhaft sein für Flüssigkeiten,
die die analytspezifische Schicht bilden, eine poröse
Matrix/Träger (z. B. Filterpapiere, Gewebe, mikroporö
ses Glas) zur Stabilisierung zu verwenden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, daß eine Flüssigkeit
als analytspezifische Schicht fungiert. Die Spezifi
tät bei der Extraktion des Zielanalyten kann durch
bestimmte Bulkeigenschaften der Flüssigkeit, wie z. B.
Lipophilie, gesteuert werden. Hierbei kann diese
Flüssigkeit ein organisches Lösungsmittel sein, wel
ches nicht oder nur gering löslich in Wasser ist, so
daß Zielanalyten aus wäßrigen Medien in diese
Flüssigkeit, welche die analytspezifische Schicht
bildet, extrahiert werden. Als Beispiele seien fol
gende Flüssigkeiten genannt:
- - nichtpolare Lösungsmittel wie Tetrachlormethan, Chloroform, Hexan, Toluol und die meisten aromati schen und gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstof fe.
Erfindungsgemäß ist es dabei möglich, die Spezifität
bei der Extraktion des Zielanalyten durch bestimmte
Bulkeigenschaften der analytspezifischen Polymermem
branschicht, wie der Polarität, zu steuern. Auf diese
Weise können aus einer wäßrigen Phase lipophile Kom
ponenten in eine Membranphase extrahiert werden, die
ebenfalls aus lipophilen Komponenten besteht.
Das Polymer ist dabei eine aliphatische Hauptkette
mit un- bzw. niedrig polaren Substituenten. Hierbei
sind Polymerisate zu nennen, welche die Polymer
schicht auf dem Transducer bilden. Bevorzugt sind
diese Homopolymerisate oder Copolyinerisate, die aus
den Monomereinheiten von Alkenen stammen und gegebe
nenfalls unpolare oder wenig polare Substituenten
tragen:
Als Beispiele für Substituenten Ri seien folgende
genannt: Ri=-H, -F, -Cl, -BR, -NO₂, -COR, -COOR (über
das Sauerstoffatom oder Kohlenstoffatom an die Poly
merhauptkette angebunden), Carbonsäurenitrilgruppen,
Carbonsäureamidgruppen, aliphatische/aromatische
Ethergruppierungen, aromatische/hetero-aromatische
Reste. Das Polymermaterial kann von niedermolekularer
bis sehr hochmolekularer Zusammensetzung sein, vor
zugsweise jedoch hochmolekular.
Von den genannten Homopolymerisaten bzw. Copolymeri
saten auf der Basis von Monomereinheiten, die von
einem Alken stammen, sind diejenigen speziell bevor
zugt, die ein Vinylhalogenidhomopolymerisat, eine
Vinylhalogenidcopolymerisat, ein Vinylidenhalogenid
homopolymerisat oder ein Vinylidenhalogenidcopolyme
risat sind. In diesen Homo- bzw. Copolymerisaten ist
das Halogenatom vorzugsweise ein Chloratom.
Des weiteren kommen als Polymer der festen oder halb
festen Membran auch weitere folgende Polymermateria
lien (entsprechende Homo-/Copolymerisate) in Be
tracht:
- - Polyester
- - Polyamide
- - Polyurethane
- - siliziumenthaltendes Polymermaterial, vor zugsweise ein Silikonharz oder Silikongummi
- - Cellulosederivate wie Celluloseether oder Celluloseester
Aus solchen Polymeren hergestellte feste oder halbfe
ste Schichten können ebenfalls organische, lipophile,
wasserunlösliche Flüssigkeiten, vorzugsweise Ether
und Ester aliphatischer Alkohole, enthalten.
Alternativ dazu ist auch eine Detektion von polaren
Additiven in organischem Medium, z. B. von Ölen, durch
Extraktion in ionisch leitende feste oder halbfeste
Polymerfilme möglich, die nicht mischbar mit der Meß
lösung sind.
In diesem Fall sollte das Polymer der Schicht ein
Polymer oder Copolymer mit stark hydrophilen Seiten
gruppen sein oder nur geringe Anteile an niedrig-po
laren oder hydrophoben Gruppen aufweisen. Aus solchen
Polymeren hergestellte feste oder halbfeste Schichten
können ebenfalls eine wäßrige Elektrolytlösung ent
halten.
Solch ein Film kann z. B. ein fester Polyethylenoxid
film sein, der Alkalisalze als ionische Additive
(Leitsalze) enthält, vorzugsweise Lithiumsalze mit
den Anionen CF₃CO₂-, CF₃SO₃-, C₆F₁₃SO₃-, Hgl₃-, AsF₆-.
Die anderen passenden Polymere, die über eine hohe
Kettenbeweglichkeit verfügen, sind z. B. Polyphospha
zene (1) und Polysiloxane (2) mit den Seitengruppen
R, die über Kationenkomplexierungs- und ionenpaar
trennungseigenschaften verfügen, wie z. B. bei Oligo
alkylethern der Fall ist. Die erwähnten Polymere kön
nen durch folgende allgemeine Formeln beschrieben
werden:
Bevorzugt sind die Polymere mit R = OCH₂CH₂OCH₂CH₂OCH₂.
Auf der anderen Seite kann eine Schicht auch so her
gestellt werden, daß die spezifische Extraktion des
Analyten in die Membranphase von der Affinität des
Analytmoleküls gegenüber morphologisch (strukturell)
festgelegten Bindungsstellen innerhalb der Schicht
bestimmt wird. Dies kann z. B. dadurch erreicht wer
den, daß die Schicht in Anwesenheit von freien Ana
lytmolekülen, z. B. durch chemische, photochemische
oder elektrochemische Polymerisation, hergestellt
wird. Man erhält eine nicht kovalente Anlagerung des
Analyten an monomere Einheiten, d. h. über ionische,
Wasserstoffbrücken-, hydrophobe oder Charge-Transfer-
Wechselwirkungen, entgegengesetzt zu den jeweiligen
Seiten des Analytmoleküls. Später wird der Analyt
durch Waschen oder Hydrolyse entfernt, wobei er seine
während der Schichtbildung im molekularen Maßstab er
zeugten "Abdrücke" hinterläßt.
Diese "Abdrücke" fungieren nun als Bindungsstellen
mit erhöhter Affinität gegenüber dem Analyten. Die
Affinität ist von der Verteilung der Ladung oder an
derer funktioneller Gruppen im Analytmolekül sowie
von seiner Form und Größe abhängig. Die Affinität
solcher Schichten gegenüber bestimmten Spezies kann
unter anderem über die Bedingungen der Schichtbildung
oder über das Verhältnis der Schichtkomponenten ge
steuert werden. Der Besetzungsgrad der "Abdruck"-Bin
dungsstellen durch Analytmoleküle kann z. B. die ioni
sche Leitfähigkeit der Schicht beeinflussen, und die
se Änderungen können unter Verwendung der zur Erfin
dung gehörigen Mittel gemessen werden.
Die auf dem Affinitätsprinzip beruhenden Schichten
können so angefertigt werden, daß sie dazu in der
Lage sind, spezifisch geladene oder neutrale Spezies
zu binden oder zwischen optischen Isomeren zu unter
scheiden.
Solche Membranen können z. B. aus elektrochemisch her
gestellten Polymerfilmen bestehen. Für Filme aus Po
lypyrrol und Polyanilin ist es z. B. aus dem Stand der
Technik bekannt, daß die Selektivitätsreihenfolge des
Anionenaustausches durch das bei der Synthese aus der
wäßrigen oder organischen Lösung aufgenommene Gege
nion bestimmt wird.
Die Basiskomponenten, die auf dem Wege der Elektropo
lymerisation herstellbar sind, sind folgende:
- - Heteroaromatische/arotamische Verbindungen, z. B. Thiophene, Pyrrole, Phenole, Aniline, Napthalene, Anthracene, Carbazole.
Die bei der Elektropolymerisation verwendeten Gegen
ionen können z. B. anorganische oder organische Ionen
sein, Polyionen, Biomoleküle und deren Fragmente. Die
Hydrophobizität solch eines Materials kann entweder
durch die Verwendung von mit hydrophoben Gruppen mo
difizierten Monomereinheiten oder durch die Aufnahme
von hydrophoben Gegenionen gesteuert werden. Die mo
lekularen Erkennungseigenschaften können optimiert
werden durch Hinzufügen funktioneller Gruppen an die
Basismonomere, durch Veränderung des Verhältnisses
der Monomereinheiten in Copolymeren oder durch Ände
rung des Ausmaßes an Quervernetzung. Zur Verhinderung
von Interferenzen im Meßprozeß, die auf Veränderungen
in der inneren elektronischen Leitfähigkeit der Poly
meren zurückzuführen sind, können die Polymerfilme
elektrochemisch überoxidiert werden, wodurch ein
elektronisch nicht leitendes, aber ionisch leitendes
Material erzeugt wird. Solch eine Behandlung verhin
dert gleichzeitig einen Überschuß anionischer Spezies
im Polymerfilm. Alternativ dazu kann die molekulare
Selektivität des Films auch abgestimmt werden durch
Steuerung über den Redoxzustand, d. h. unter Anlegen
eines Gleichstrompotentials.
Für die vorstehend beschriebene Ausführungsformen
wird vorgeschlagen, daß die analytspezifische Schicht
aus einem Polymer besteht, die ionenselektive bzw.
molekülselektive Kopplungsstellen aufweist, so daß
der Analyt selektiv aus der Lösung in die Schicht
extrahiert werden kann. Für diese Ausführungsform
wird vorgeschlagen, daß die Polymerschicht ein Ionen
leiter ist.
Erfindungsgemäß können diese Polymere komplexbildende
Polymere sein, die polymere Chelatbildner, also
Produkte, die Chelate bilden können. Sie enthalten
entsprechende chelatisierende funktionelle Gruppen in
kovalenter Bindung an Polymere, die unvernetzt oder
vernetzt sein können. Komplexbildung dieser Gruppen
mit Metall-Ionen kann sowohl intra- als auch inter
molekular erfolgen. Komplexierende Gruppen (Liganden)
üblicher komplexbildenden Polymere sind Iminodiessig
säure-, Hydroxychinolin-, Thioharnstoff-, Guanidin-,
Dithiocarbamat-, Hydroxamsäure-, Amidoxim-, Amino
phosphorsäure-, (cycl.) Polyamino-, Mercapto-, 1,3-
Dicarbonyl-, u. Kronenether-Reste mit z. T. sehr spe
zifischen Aktivitäten gegenüber Ionen unterschiedli
cher Metalle.
Basispolymere der komplexbildenden Polymere sind ne
ben Polystyrolen, Polyacrylate, Polyacrylnitrile,
Polyvinylalkohole und Polyethylenimine. Die Herstel
lung der komplexbildenden Polymere erfolgt vorzugs
weise in polymeranalogen Reaktionen an vernetzten
Polyvinyl-Verbindungen.
Durch polymeranaloge Reaktionen können komplexbilden
de Polymere sowohl aus natürlichen Polymeren wie Cel
lulose, Stärke, Lignin oder Chitin als auch aus modi
fizierten natürlichen Polymeren, z. B. Huminsäuren,
gewonnen werden. Ebenso können die Verbindungen kova
lent an das Polymer gebunden sein, wie Käfigverbin
dungen (z. B. Cyclophane, Kronenether, Antibiotica,
Cyclodextrine), Antigene oder Antikörper, natürliche
oder synthetische Polypeptide, Lektine, spezifisch
bindende Proteine, Lipide und Tenside. Beispiele für
solche Polymere sind: Polysaccharide mit aktiven Li
ganden; Poly-Kronenether; Poly-Kronenvinyle; Poly
ethercopolymere mit aktiven Liganden; Polysaccharide,
Polysiloxane und Polyacrylate mit chiralen Selekto
ren.
Tenside, kolloidales Gold, Graphit, Glas oder anorga
nische Mikropartikel oder Perlen können eingeschlos
sen in den Polymerfilmen, als molekulare Carrier die
nen.
Die selektive Bindung von neutralen oder geladenen
Spezies, z. B. Alkalimetallionen, Mg2+, Ca2+ oder Über
gangsmetallionen, an spezifisch funktionelle Gruppen
in der Polymerschicht kann die Änderung der Morpholo
gie und der Porengröße bewirken und zwar
- (a) Zu-/ Abnahme der Quervernetzung des Matrixpo lymers oder
- (b) Konformative, moleküle Änderung der Komponenten der Membranschicht.
Änderungen der Morphologie können zur Änderung der
elektrischen Eigenschaften der Membranschicht führen,
z. B. der ionischen Leitfähigkeit. Dies ist der Fall
bei einigen Gelen, Proteinen, besonders Rezeptor-Pro
teinen, Lipiden und Tensiden, welche funktionelle
Gruppen enthalten, die fähig sind, Anionen oder Ka
tionen zu binden oder sensitiv gegenüber lipophilen
Komponenten der Probe sind.
Ebenso können Polymerfilme verwendet werden, die ko
valent an das Polymergrundgerüst angebundene Liganden
enthalten, welche Ionen zu komplexieren vermögen.
Diese Filme können quervernetzt werden, z. B. durch
Übergangsmetallionen, wenn diese Ionen Komplexe oder
Chelate mit den im Polymer enthaltenen Liganden an
verschiedenen Stellen der Polymerkette bilden.
Kationen-Rezeptor Polymerschichten, z. B. Mehrphasen
polymerschichten, die sensitiv gegenüber Ca2+ sind,
können Poly-L-Glutaminsäureketten in einem Block-Co
polymer enthalten.
Unter den Molekülen, welche fähig sind, konformative
Änderungen, induziert durch Anionen- oder Kationen
bindung, vorzunehmen, seien Polyionen wie Proteine
und synthetische oder natürliche Polypeptide zu nen
nen. Besonders die zwei Klassen der polyanionischen
Makromoleküle, Proteoglycane und saure Glycoproteine,
zeigen, z. B. für Natrium und Calcium, die oben ge
nannten Charakteristika. Diese Makromoleküle stellen
Polyanionen dar und zwar entsprechend ihrer carbox
ylierten, sialischen oder Sulfatgruppen.
Wenn die oben beschriebenen Polymerfilme dispergier
te, leitende Partikel enthalten, bewirkt die Kontrak
tion des Films eine Zunahme der Film-Leitfähigkeit
entsprechend des erhöhten Kontaktes zwischen den Par
tikeln. Die leitenden Partikel haben vorzugsweise
eine Größe kleiner als 10 µm, bestenfalls kleiner als
1 µm und bestehen z. B. aus einem Halbleiter, Metall
oder Graphit.
Die analytspezifische Schicht kann eine geordnete
Struktur haben (d. h. die Komponenten des Mediums bil
den eine flüssige Kristallphase), eine teilweise ge
ordnete (z. B. bei den Multi-Doppelstrukturen von Fil
men, die aus polyionischen Komplexen gebildet werden)
oder eine amorphe. Bei der Extraktion des Analyten in
die Membranphase ist eine Auswirkung auf die Kondi
tionierung der Membranphase möglich, z. B. eine Des
organisierung, wodurch deren bulkelektrische Eigen
schaften beeinflußt werden.
Die oben erwähnten Multi-Doppelstrukturen können z. B.
aus polyionischen Komplexen zwischen quartären Ammo
niumionen einschließlich Tenside und Lipide und aus
Polyionen, wie z. B. Polystyrolsulphonat und Polyvi
nylsulphonat gebildet werden. Die Komponenten solch
eines Films sind beispielsweise Dioctadegyldimethyl
ammoniumbromid (2C₁₈N⁺2CBr⁻) und Natriumpolystyrol
sulphonat (PSS-Na⁺).
Ionenaustauscher und ionische Polymere können eben
falls als sensitives Schichtmaterial im Sinne der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, sofern der
Ionenaustausch gegen das detektierte Ion eine Verän
derung der elektrischen Eigenschaften der Schicht zur
Folge hat.
In dieser Erfindung wird die Defination eines Ionen
austauschers gemäß "RÖMPP CHEMIE LEXIKON, Georg Thie
nie Verlag Stuttgart, 9. Auflage, 1989, Bd. 3, Seite
2026-2028" verwendet.
Das charakteristische Merkmal eines Ionenaustauschers
und ionischen Polymers ist die Anwesenheit einer gro
ßen Menge an hydrophilen Gruppen, die an das Polymer
gebunden sind. Diese Gruppen können in Kationenaus
tauschharzen z. B. -SO₃H und -COOH sein, in Anionen
austauschharzen z. B. quartäre Ammoniumgruppen. Solche
Polymere, z. B. Persulfonpolymere wie Nafion oder
Eastman Kodak AQ-Polymere, können auch wesentliche
hydrophobe Bereiche enthalten. Dadurch werden Filme
mit heterogener Struktur gebildet, mit getrennt hy
drophilen und hydrophoben Regionen. Charakteristisch
für diese Materialien ist die Tatsache, daß sie sich
durch den Einschluß von Wasser selbst innerlich ver
dünnen und eine lokale Ionisation verhindern, woraus
eine Leitfähigkeit nahe der von wäßrigen Elektrolyten
resultiert.
Der Begriff "ionische Polymere" bezieht sich nach der
vorliegenden Erfindung auf Polymere, die an das oder
in das Grundgerüst des Polymers angebundene basische
oder saure funktionelle Gruppen besitzen.
Definition gemäß "RÖMPP CHEMIE LEXIKON, Georg Thieme
Verlag Stuttgart, 9. Auflage, 1989, Bd. 3, Seite
2038", verwendet. Als ionische Gruppen der ionischen
Polymere können u. a. Salze von Carboxy-, Sulfonsäure-,
Phosphonsäure-, Ammonium- oder Phosphoniumgruppen
fungieren.
Nach der Erfindung können die die sensitive Schicht
bildenden Ionomere im besonderen folgenden Gruppen
angehören:
- - Copolymere von Ethylen, Acryl- oder Metacrylsäure;
- - Carboxielastomere;
- - Terpolymere;
- - Terpolymer Ethylen-Propylen-Diensulfonat;
- - substituierte Polyvinyle wie Polyacrylate, im besonderen Polyacetate oder Butyrale oder Polyvinylimidazole;
- - Perfluoropolymere, im besonderen Perfluorosulfonate;
- - Polyampholyte
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt nun
vor, daß die analytspezifische Schicht zusätzlich zu
der vorstehend beschriebenen Polymermaterialien und/
oder Flüssigkeiten noch ionenselektive bzw. molekül
selektive Kopplungselemente enthält. Demnach kann die
analytspezifische Polymerschicht einerseits aus einem
Polymer bestehen, die selbst entsprechende
Kopplungselemente aufweist, um eine selektive Extrak
tion des Analyten zu ermöglichen, andererseits ist es
aber auch möglich, daß die Schicht, wie vorstehend
beschrieben ein Polymermaterial und/oder Flüssigkeit
enthält und daß zusätzlich ionenselektive oder mole
külselektive Kopplungselemente zugegeben werden. Als
derartige Kopplungselemente sind bevorzugt Komplex
bildner für Kationen/Anionen/Neutralteilchen zu nen
nen. Derartige Komplexbildner ermöglichen dann eine
Komplexierung sowie eine Transfer-Beweglichkeit von
Ionen oder neutralen Molekülen in der lipophilen,
sentiven Schicht.
Dieser Komplexbildner sollte lipophile Eigenschaften
aufweisen und mit Kationen/Anionen/Neutralteilchen
geladene oder ungeladene Komplexe bilden. Des weite
ren stellen Anionen-/Kationenaustauscher ebenfalls
Komponenten in der Schicht dar, welche die Beweglich
keit von Ionen innerhalb der Schicht bewirken. Sowohl
die Komplexbildner für Kationen/Anionen/Neutralteil
chen als auch Anionen-/Kationentauscher mit ihren
lipophilen Eigenschaften können nebeneinander in der
Schicht vorliegen.
Für die oben genannten ionenselektiven oder molekül
selektiven Komponenten mit lipophilen Eigenschaften
sind in der Literatur viele Beispiele beschrieben,
z. B. die in ionenselektiven Membranen ionenselektiver
Elektroden, Extraktions- oder Maschierungs-Prozessen,
eingesetzt werden.
Als Beispiele für ionenselektive Komponenten seien
hier genannt:
- - Kationenaustauscher: Diakylphosphate, Te traarylborate und deren Salze, z. B. Tetra phenylborat und dessen Silber- und Alkali salze, wie Natriumtetraphenylborat. Die Phenylkerne der Tetraphenylborate können unsubstituiert sein oder substituiert, vor zugsweise monochlorsubstituiert in Para stellung.
- - Anionenaustauscher: Trialkylmethylammonium salze, kationische Metallkomplexe
- - Komplexbildner für Kationen: -zyclische, z. B. Makrozyclen wie Kronenether (Alkalise lektivität), natürliche Antibiotika (Vali nomycin - Kaliumselektivität, Nonactin - Ammoniumselektivität) nichtzyclische, z. B. Dicarbonsäurediamide (hohe Selektivitäten gegenüber Alkali-/Erdalkiionen), Tridodecy lamin (H⁺-Sensivität)
- - Komplexbildner für Anionen: z. B. Guanidini umverbindungen, Komplexierung von Oxo-Anio nen wie Phosphat oder Nitrat
- - Komplexbildner für Neutralteilchen: z. B. Derivate der Borsäure wie die Boronsäure (Komplexbildung mit Glucose), Calixarene (Komplexierung von organischen Verbindungen wie Tetrachlorethen).
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt dann
noch vor, daß dem festen oder halbfesten Polymer
Weichmacher zugesetzt werden. Diese Weichmacher wei
sen ebenfalls bevorzugt lipophile Eigenschaften auf.
Der Einsatz derartiger Weichmacher ist aus der Lite
ratur bekannt. Beispiele hierfür sind:
- - -Ether, z. B. o-Nitrophenyloctylether
- - -esterweichmacher, hierbei besonders Dicar bonsäurediesterweichmacher, Tetracarbon säure-tetraesterweichmacher, wobei die veresternde Komponente ein aliphatischer Alkohol ist, im allgemeinen mit mindestens fünf Kohlenstoffatomen, z. B. Bis (2-ethyl hexyl)sebacate, Diester der Phosphorsäure oder Phosphonsäure.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn ein Polymer
sowie Weichmacher und ionen- bzw. molekülselektive
Komponenten verwendet werden, daß die ionenselektiven
oder molekülselektiven Schichten bevorzugt aus fol
gender Zusammensetzung der einzelnen Komponenten be
steht:
20 bis 40 Gew.-% Polymermaterial
50 bis 75 Gew.-% Weichmacher
1 bis 10 Gew.-% ionen-molekülselektive Komponenten.
50 bis 75 Gew.-% Weichmacher
1 bis 10 Gew.-% ionen-molekülselektive Komponenten.
Besonders bevorzugt weisen Polymermembranschichten
folgende Zusammensetzung auf:
30 bis 35 Gew.-% Polymermaterial
60 bis 65 Gew.-% Weichmacher
1 bis 5 Gew.-% ionen-molekülselektive Komponenten.
60 bis 65 Gew.-% Weichmacher
1 bis 5 Gew.-% ionen-molekülselektive Komponenten.
Alle Membranen und Membranbestandteile, welche gemäß
des Standes der Technik zur Herstellung von potentio
metrischen Elektroden verwendet werden können, die
selektiv gegenüber neutralen und geladenen Spezien
sind, können ebenso für die Herstellung der erfin
dungsgemäß vorgeschlagenen analytspezifischen Poly
mermembranschicht eingesetzt werden. Eine Übersicht
ist hier bei der folgenden Quelle zu entnehmen:
"CRC Handbook of ion-selective electrode: selectivity coefficients"/Ed.
Umezawa Y., CRC Press: Boca Raton, 1990; in Firmen zeitschriften z. B. Selectophore (ionophore for ion selective electrodes and optrodes) und Quasts, Crowns and Poylesters von Fluka Chemie AG.
"CRC Handbook of ion-selective electrode: selectivity coefficients"/Ed.
Umezawa Y., CRC Press: Boca Raton, 1990; in Firmen zeitschriften z. B. Selectophore (ionophore for ion selective electrodes and optrodes) und Quasts, Crowns and Poylesters von Fluka Chemie AG.
Ebenso kann Festkörpermaterial (z. B. kristalline Kör
per, Einkristalle wie LaF₃ dtiert mit EU2+ für F⁻,
polykristalline Ag₂S-Preßlinge, ionische Leiter (z. B.
NASICON) oder ionenselektives Glas (z. B. pH-pNa-Elek
trodenglas) verwendet werden.
Eine weitere Variante der Erfindung schlägt nun vor,
eine wie vorstehend beschriebene analytspezifische
Polymermembranschicht zusätzlich mit einer enzym-ent
haltenden Schicht zu versehen. Dadurch können nun
entsprechende Biosensoren hergestellt werden. Erfin
dungsgemäß werden demgemäß auf der analytspezifischen
Polymermembranschicht mindestens eine weitere Schicht
gebildet, die ein eingeschlossenes oder immobilisier
tes Enzym und, falls es nötig ist, auch einen Redox
mediator enthält. Die Arbeitsweise solch eines Bio
sensors basiert dabei auf der Detektion der Änderung
der elektrischen Eigenschaften der analytspezifischen
Polymermembranschicht als Folge der biokatalytischen
Aktivität des Enzyms in der zusätzlichen enzym-ent
haltenden Schicht.
Das die Schicht bildende Material enthält vorzugswei
se mindestens eine makromolekulare Komponente, welche
bevorzugt ein Protein, Polysaccharid oder syntheti
sches Polymer oder Copolymer ist.
Unter den bevorzugten Polymeren seien die nicht enzy
matischen Proteine wie Kollagene und Albumine zu nen
nen. Diese Proteine können vernetzt werden, um eine
Membran für die Enzymimmobilisierung zu bilden.
Bezüglich der Polysaccharide seien folgende Beispiele
zu nennen:
Alginate; Hitin; Cellulose und seine Derivate wie z. B. Nitrocellulose oder Ester und Ether der Cellulo se;
Natürliche Polymere wie z. B. Polysaccharide haben den Vorteil, daß anorganische Katalysatoren bei der Poly merisation nicht vorhanden sind, was bei syntheti schen Polymeren der Fall sein kann. Diethylaminoet hyl-Dextran (DEAE-Dextran) oder Polyethylenimin könn ten verwendet werden. Es sollten Polysaccharide mit einem Molgewicht von 5000 bis 500 000, vorzugsweise von 5000 bis 50 000, ausgewählt werden.
Alginate; Hitin; Cellulose und seine Derivate wie z. B. Nitrocellulose oder Ester und Ether der Cellulo se;
Natürliche Polymere wie z. B. Polysaccharide haben den Vorteil, daß anorganische Katalysatoren bei der Poly merisation nicht vorhanden sind, was bei syntheti schen Polymeren der Fall sein kann. Diethylaminoet hyl-Dextran (DEAE-Dextran) oder Polyethylenimin könn ten verwendet werden. Es sollten Polysaccharide mit einem Molgewicht von 5000 bis 500 000, vorzugsweise von 5000 bis 50 000, ausgewählt werden.
Unter den geeigneten Polymeren sind Polyacrylamid-
Gele zu nennen; ebenso Vinyl-Polymere, im besonderen
Vinylacetate; Polyvinylalkohole, vorzugsweise Polyvi
nylbutyral.
Ebenfalls geeignet sind Polyurethane und Polysiloxane
(auch Heteropolysiloxane), welche funktionelle Grup
pen, z. B. Aminogruppen, enthalten.
Im Fall von Albumin wird die Vernetzung vorzugsweise
mit bi- oder multifunktionellen Reagentien durchge
führt, z. B. Glutaralaldehyd und seinen Oligomeren.
Hierbei ist zu erwähnen, daß die Vernetzung abhängig
von der Expositionszeit mit dem Glutaralaldehyd ist,
und diese sollte zwischen 10 und 90 Minuten liegen,
vorzugsweisen 30 Min. bei Raumtemperatur.
Das Verhältnis Enzym/(Matrixkomponente) ist wichtig
für die Diffusionseigenschaften der Membran. Hierbei
liegt das Verhältnis im Bereich von 5 bis 100 Gew.-%,
vorzugsweise zwischen 10 und 50 Gew.-%.
Die mechanischen und Adhäsionseigenschaften der enzy
matischen Membranen können verbessert werden, wenn
die die Membran bildende Lösung einen mehrwertigen
Alkohol enthält, vorzugsweise Glycerol oder Sorbitol
oder Laktitol. Die bevorzugte Konzentration des mehr
wertigen Alkohols liegt im Bereich von 5 bis 30
Vol.-%.
Die Anwesenheit eines mehrwertigen Alkohols oder Po
lysaccharides in der Lösung, aus der die Membran ge
bildet wird, kann zu einer besseren Bewahrung der
Enzymaktivität während der Immobilisierung und somit
zu einer erweiterten Lebensdauer des Sensors führen.
Im Hinblick auf immobilisierte Redox-Enzyme kann die
enzymatische Membran oxidierende oder reduzierte
Agentien enthalten (z. B. Ferrocene), welche fähig
sind, das aktive Zentrum des Enzyms zu recyclen.
Ebenso kann das Enzym auf der analytselektiven
Schicht durch kovalente Bindung immobilisiert werden.
Dieses kann erfolgen, wenn die analytselektive Mem
bran geeignete funktionelle Gruppen trägt (z. B.
-OH, -NH₂, oder -COOH), oder wenn eine zusätzliche
Schicht, welche entsprechende funktionelle Gruppen
enthält, auf der analytselektiven Membranschicht ge
bildet wird, so daß das Enzym an die zusätzliche
Schicht gebunden ist.
Zur Reduzierung von Störungen und Interferenzen kön
nen Differenzmessungen durchgeführt werden. In diesem
Fall wird ein Differenzsignal zwischen dem ASIS mit
und ohne Enzym gemessen.
Eine weitere Schicht aus vernetzten Proteinen oder
synthetischem/natürlichem Polymer kann auf die enzy
matische Schicht aufgebracht werden. Diese Schicht
verbessert die Biosensoreigenschaften in folgender
Weise:
- - Gewährleistung optimaler Bedingungen für die Funktionstüchtigkeit des Enzyms;
- - Reduzierung des nachteiligen Effektes der Puf fer-Kapazität der Probe auf das Ansprechver halten des Biosensors;
- - Ermöglichung der Einstellung des dynamischen und linearen Bereichs des Biosensors.
Um den negativen Einfluß der Puffer-Kapazität für
einen Puffer mit schwach sauren Gruppen und pK < 7 zu
unterdrücken, muß die zusätzliche Schicht funktionel
le Gruppen tragen, die bei gegebenem pH-Wert der Pro
be negativ geladen sind. Für Puffer mit schwach basi
schen Resten und pK < 7 müssen die funktionellen
Gruppen bei den Assay-Bedingungen positiv geladen
sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vor
liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen
den Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand
der Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer ersten Ausfüh
rungsform eines analytselektiven Sensors mit einer
analytspezifischen Polymermembranschicht (Chemosen
sor),
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines analytse
lektiven Sensors in Form eines Biosensors,
Fig. 3 zeigt beispielhafte Meßelektroden-Anordnungen,
bei denen die Leiter in Form von Drähten bzw. in Form
von dicken oder dünnen Schichten gebildet sind,
Fig. 4 zeigt beispielhafte Meßelektroden-Anordnungen,
bei denen die Leiter in Form von Scheibenelektroden
ausgebildet sind,
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau der Meßelektroden
in Form von IDE und eine Meßanordnung für die Mes
sung der Admittanz des Sensors,
Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Realteils der Ad
mittanz, Re(Y), des ASS auf der Basis von IDE unter
Verwendung von Valinomycin enthaltenden PVC-Membranen
zur Bestimmung der Konzentration an K⁺ in der Lösung.
Die Messungen wurden bei 100 kHz durchgeführt. 1 M
NaNO₃ wurde als Untergrundelektrolyt verwendet.
Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit des Realteils der Ad
mittanz, Re(Y), des ASS basierend auf zwei Coated-
Wire-Elektroden unter Verwendung von Valinomycin ent
haltenden Membranen zur Bestimmung der Konzentration
an K⁺ in der Lösung. Die Messungen wurden bei 100 kHz
durchgeführt 1 M NaNO₃ wurde als Untergrundelektolyt
verwendet.
Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Realteils der Ad
mittanz, Re(Y), des ASS auf der Basis von IDE unter
Verwendung von Nonactin enthaltenden PVC.Membranen
zur Bestimmung der Konzentration an NH₄⁺ in der Lö
sung. Die Messungen wurden bei 100 kHz durchgeführt,
1 M NANO₃ wurde als Untergrundelektrolyt verwendet.
Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit des Kehrwertes des
Realteils der Admittanz, 1/Re(Y), des ASS auf der
Basis von IDE unter Verwendung von ETH-1907 Ionophor
enthaltenden PVC-Membranen zur Bestimmung des pH-Wer
tes der Lösung. Es wurden Standard-Merck-Puffer ver
schiedener pH-Werte verwendet. Die Messungen wurden
bei 100 kHz durchgeführt.
Fig. 10 zeigt die Abhängigkeit des Realteils der Ad
mittanz, Re(Y), des ASS auf der Basis von IDE unter
Verwendung von Ca-IV Ionophor von Fluka enthaltenden
PVC- Membranen zur Bestimmung der Konzentration an
Ca2+ in der Lösung. Die Messungen wurden bei 100 kHz
durchgeführt. 1 M NaNO₃ wurde als Untergrundelektro
lyt verwendet.
Fig. 1 zeigt im Schnitt den schematischen Aufbau ei
nes erfindungsgemäßen analytselektiven Sensors 1. Der
Sensor 1 steht in direktem Kontakt mit der Lösung 4
und ist dabei so aufgebaut, daß die analytspezifische
Polymermembranschicht 3 auf einen inerten Träger 7
aufgebracht ist. Die Schichtdicke der sensitiven
Schicht 3 kann dabei im Bereich von 0,1 µm bis 1 mm
liegen. In der Ausführungsform nach Fig. 1 weisen die
Elektroden 5, 6 einen direkten Kontakt mit der
Schicht 3 auf. Diese Schicht hat im Beispielsfall
nach Fig. 1 folgende Zusammensetzung:
- - 32 Gew.-% Polymermaterial
- - 66 Gew.-% Weichmacher und
- - 2 Gew.-% ionenselektive Komponenten.
Mit einer derartigen Zusammensetzung der analytspezi
fischen Polymermembranschicht wurden folgende Senso
ren hergestellt:
- 1. Kaliumselektive Membran: Als Polymermaterial wurde hochmolekulares Polyvinylchloridhomopoly merisat verwendet, Weichmacher war o-Nitrophe nyloctylether. Als kaliumselektive Komponente wurde eine aus dem Stand der Technik bekannte Komponente verwendet, das natürliche Antibioti kum Valinomycin.
- 2. Ammoniumselektive Membran: Als Polymermateri al wurde hochmolekulares Polyvinylchloridhomopo lymerisat verwendet, Weichmacher war Dibutylse bacate. Als ammoniumselektive Komponente wurde eine aus dem Stand der Technik bekannte Kompo nente verwendet, das natürliche Antibiotikum Nonactin.
- 3. H⁺-selektive Membran: Als Polymermaterial wurde hochmolekulares Polyvinylchloridhomopoly merisat verwendet, Weichmacher war o-Nitrophe nylloctylether. Als H⁺-selektive Komponente wur de eine aus dem Stand der Technik bekannte Kom ponente verwendet, Ionophor ETH 1907 (4-Nonade cylpyridine).
- 4. Ca2+-selektive Membran: Als Polymermaterial wurde hochmolekulares Polyvinylchloridhomopoly merisat verwendet. Weichmacher war o-Nitrophe nyloctylether. Als Ca2+-selektive Komponente wurde eine aus dem Stand der Technik bekannte Komponente verwendet, Ca-IV Ionophor von Fluka (N,N-Dicyclohexyl-N′,N′-dioctadecyl-3-oxapentan diamid).
Fig. 2 zeigt nun analog dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemä
ßen Biosensors. In der Ausführungsform nach Fig. 2
besteht der Biosensor 2 dabei aus einer auf einen
Träger 7 aufgebrachten analytspezifischen Polymermem
branschicht 8. In der Ausführungsform nach Fig. 2
sind nun die Elektroden 5, 6 mit einer zusätzlichen
Schicht 10 versehen, die den Grenzflächenwiderstand
unterdrückt. Diese Schicht 10 enthält redoxpaar-bil
denden Substanzen gemäß der CH 677 295. In der Aus
führungsform nach Fig. 2 ist weiterhin vorgesehen,
daß die enzym-enthaltende Polymermembranschicht 9
nicht direkt auf der analytspezifischen Polymermem
branschicht 8 aufgebracht ist, sondern daß zwischen
diesen beiden Schichten eine weitere Schicht 11 vor
gesehen ist, die zur besseren Bindung der Schicht 9
an der Schicht 8 dient. Diese Schicht 11 besteht im
Beispielsfall aus carboxyliertem oder aminierten PVC
und weist eine Schichtdicke von 10 µm bis 1 mm auf.
Die enzym-enthaltende Polymermembranschicht 9 kann im
Dickenbereich von 1 µm bis 1 mm liegen. Bevorzugt be
trägt die Dicke dieser Schicht 10 µm bis 500 µm. Im
Beispielsfall nach Fig. 2 ist nun noch auf der enzym
enthaltenden Polymermembranschicht 9 eine weitere
Schicht 12 aus vernetztem Protein oder synthetischem
oder natürlichem Polymer vorgesehen. Diese Schicht
verbessert die Biosensoreigenschaften in günstiger
Weise. Diese Schicht besteht im Beispielsfall nach
Fig. 2 aus Nafion oder Acetatcellulose und weist eine
Dicke von 100 µm auf.
Entsprechend dem Aufbau nach Fig. 2 wurden folgende
Biosensoren hergestellt:
- 1. Biosensoren für Harnstoff- und Aminosäure, wobei die enzym-enthaltende Polymermembranschicht 9 aus Urease respektive Aminosäure-Oxidase besteht und die analytspezifische Polymermembranschicht 8 aus ammoni umselektiven PVC-Membran (Ammoniumionophore).
- 2. Glucose- oder Acetylcolin-Biosensoren, wobei hier dann die enzymspezifische Polymermembranschicht 9 aus Glucose-Oxidase bzw. Acetylcolinesterase besteht und die analytspezifische Polymermembranschicht 8 eine pH-selektive PVC-Membrane (H⁺-Ionophore) ist.
Fig. 3 zeigt nun beispielhaft Meßelektrodenanordnun
gen, wie sie für die erfindungsgemäßen Sensoren ein
gesetzt werden können.
Die praktische Durchführung der Messungen der elek
trischen Eigenschaften der Schicht betreffend, kann
bevorzugt zwischen zwei grundlegenden Typen von Meß
zellen unterschieden werden, so wie es in Fig. 3 ge
zeigt wird:
- 1. Beide Leiter (11) werden von der Schicht (13) überdeckt, die auf diese Weise eine kontinuier liche Bulkphase bildet. (Fig. 3a, b);
- 2. Jeder der Leiter (11) wird durch die Schicht (13) abgedeckt, aber die Schichten bilden keine kontinuierliche Bulkphase (Fig. 3c, d);
- 3. Nur ein Leiter wird durch die Schicht (13) abgedeckt.
Für den Fall 1 (s. Fig. 3a) können das Verhältnis
zwischen den charakteristischen Abmessungen der
Schicht (13) (Dicke - d) und denen der Leiter (11)
(geringster Abstand zwischen den Leitern - a, größte
Breite der Leitern entlang der Verbindungslinie - b)
betreffend zwei charakteristische Fälle ausgeführt
werden:
- 1.1 entweder a oder b oder beide sind größer als
- 1.2 a und b sind beide kleiner als d
Die Fälle 1.1, 2 und 3 sind in dem Sinne ähnlich, daß
bei solchen Anordnungen die Veränderung der Leitfä
higkeit der getesteten Lösung, in die die Sensorsonde
eintaucht, zum gemessenen Sensor-Output-Signal bei
trägt. Die Messungen der spezifischen Analytenkonzen
tration sind jedoch immer noch möglich, wenn:
- - Die Untergrundleitfähigkeit der Probe konstant ist;
- - Die Leitfähigkeit der Probe sehr viel größer ist als die Leitfähigkeit der verwendeten ana lytspezifischen Membranen.
- - Die Sensor-Charakteristika in einer Standard lösung bekannter oder eingestellter Leitfähig keit vor und nach der Messung in einer Lösung bestimmt wurden.
- - Parallele Messungen der Leitfähigkeit der Pro be gemacht und in Betracht gezogen wurden.
Der Fall 1.2 entspricht der Situation, wenn der An
teil der Volumenleitfähigkeit der Probe am Sensor-
Output-Signal minimal ist, so daß das gemessene Si
gnal hauptsächlich der Bulkleitfähigkeit der analyt
selektiven Schicht entspricht.
Die Erfindung umfaßt grundsätzlich folgende Konstruk
tionsmöglichkeiten des Sensors:
A Drahtelektroden (Abb. 3d). Der Sensor besteht aus zwei Metalldrähten (11), die bis auf die Enden über all mit einem elektrisch isolierenden Polymer (z. B. TFPE, PVC) oder einer anorganischen (Glas-)Schicht (14) mit einer Dicke von über 50 µm, besser mehr als 100 µm, noch besser mehr als 500 µm, überzogen sind. Anstelle der Metalldrähte können auch Koaxialkabel als Meßelektroden verwendet werden. Ein Ende jedes Drahtes (11) ist mit der Meßeinrichtung (15) verbun den. Die analytselektive Schicht (13) wird auf das andere exponierte Ende jedes Drahtes (13) aufge bracht. Die Dicke der so gebildeten analytselektiven Schicht (13) sollte vorzugsweise geringer sein als diejenige der den Rest des Drahtes bedeckenden iso lierenden Schicht (14), besonders für den Fall, daß die Schicht eine sehr niedrige Leitfähigkeit auf weist. Während der Messungen werden die Schicht-be deckten Bereiche beider Drähte in der Weise in die Testlösung getaucht, daß sie so nah wie möglich bei einander liegen (Abb. 3c).
A Drahtelektroden (Abb. 3d). Der Sensor besteht aus zwei Metalldrähten (11), die bis auf die Enden über all mit einem elektrisch isolierenden Polymer (z. B. TFPE, PVC) oder einer anorganischen (Glas-)Schicht (14) mit einer Dicke von über 50 µm, besser mehr als 100 µm, noch besser mehr als 500 µm, überzogen sind. Anstelle der Metalldrähte können auch Koaxialkabel als Meßelektroden verwendet werden. Ein Ende jedes Drahtes (11) ist mit der Meßeinrichtung (15) verbun den. Die analytselektive Schicht (13) wird auf das andere exponierte Ende jedes Drahtes (13) aufge bracht. Die Dicke der so gebildeten analytselektiven Schicht (13) sollte vorzugsweise geringer sein als diejenige der den Rest des Drahtes bedeckenden iso lierenden Schicht (14), besonders für den Fall, daß die Schicht eine sehr niedrige Leitfähigkeit auf weist. Während der Messungen werden die Schicht-be deckten Bereiche beider Drähte in der Weise in die Testlösung getaucht, daß sie so nah wie möglich bei einander liegen (Abb. 3c).
Der Vorteil einer solchen Konstruktion liegt in der
äußerst einfachen Herstellung.
B Scheibenelektroden (Fig. 4). Zwei miteinander ver
bundene Drähte oder Bänder (16) werden aufgepreßt
oder eingebettet in einen elektrisch isolierenden
Plastikblock (17), so wie es in Fig. 4 gezeigt ist.
Die an einer Seite des Blocks herausragenden Leite
renden werden an die Meßeinrichtung (15) angeschlos
sen. Die andere Seite des Blocks (17) wird poliert,
so daß die Arbeitselektroden eine flache Oberfläche
in einer Ebene mit der umgebenden Oberfläche des Pla
stikblocks bilden. Die analytselektive Schicht wird
auf beiden Elektroden simultan oder auf jeder separat
aufgebracht. Solch eine Sensorsonde kann direkt in
die Testlösung getaucht werden oder mittels O-Ring
auf eine Mikro-Durchflußmeßzelle gepreßt werden.
Einer der Vorteile dieser Konstruktionsweise besteht
in der Einfachheit der Erneuerung der Sonde lediglich
durch Polieren der Meßoberfläche der Elektroden.
C Interdigitalelektroden. Zwei Interdigitalelektroden
(IDE) oder Leitungsbänder (19) werden auf ein isolie
rendes Substrat (20) aufgebracht (Fig. 5). Das letz
tere kann im besonderen ein Polymerband (z. B. Polyi
mid), Glas, Keramik (z. B. geschmolzenes Aluminium
oder Sital) oder Saphir sein. Die Elektrodenmateria
lien können aus dem vorstehend Beschriebenen ausge
wählt sein, genauso wie die analytspezifische Schicht
(22).
Die den messenden Teil mit den Kontaktflächen des
Sensorchips verbindenden Bereiche der Elektroden müs
sen durch eine elektrisch isolierende Schicht (21)
abgedeckt sein, die nur den elektrischen Abgriff und
die sensitive Fläche der Elektrode (19) freiläßt.
Diese Passivierungsschicht (21) kann entweder ein
Polymerfilm sein (z. B. Silikongummi, hochtemperatur
vernetztes Polyimid oder Photoresists) oder anorgani
sche Filme wie pyrolytisches Silikonoxid, CVD-Sili
konnitrid oder aufgebrachte Glasfilme.
Der Vorteil bei der Verwendung einer IDE liegt in der
Möglichkeit der dichten Anordnung der Elektroden (die
Abmessungen a und b können bis in den Submikromaßstab
hinein verringert werden) bei gleichzeitig großer
Peripherie, was zu einer Erhöhung der Sensitivität
der Messung auf einer geringen Fläche führt. Die
niedrigste erreichbare Grenze für die Abmessungen a
und b liegt bei 0,1 µm, 2 µm bzw. 50 µm, wenn Elek
tronen-Photolithographie, optische Photolithographie
bzw. Siebdrucktechnologie zur Elektrodenherstellung
angewandt werden. Die Dicke der Elektroden, h, liegt
meistens zwischen 0.01 µm und 10 µm.
Die analytselektive Schicht (22) wird auf der Meßflä
che der IDE aufgebracht, die frei von Passivierung
ist. Die Schicht muß die gesamte sensitive Fläche der
Elektroden (19) abdecken. Da die elektrische Leitfä
higkeit der Schicht eher niedrig sein kann (der Wi
derstand einer lipophilen ionselektiven Membran auf
der Basis von PVC kann z. B. eine Höhe von 10⁸ Ω·cm²
erreichen), machen sogar kleine, der Lösung direkt
ausgesetzte Teile der Elektrode eine zuverlässige
Messung der Membranleitfähigkeit unmöglich, weil ihr
Widerstand geringer ist als der Membranwiderstand
selbst, und sie somit den Stromfluß im Meßkreis kurz
schließen können.
In dem Fall, daß die sensitive Schicht Wasser auf
nimmt, und dieselbe Leitfähigkeit wie die Lösung be
sitzt, sind die Anforderungen an die Qualität der
Passivierungsschicht von geringerer Bedeutung, so daß
in einigen Fällen eine Passivierung nicht notwendig
ist. Dieses ist z. B. der Fall, wenn die Oberfläche
der Meßelektroden mit der bedeckenden Schicht viel
größer ist als die Fläche von anderen Teilen der
Elektrode, welche der Lösung ausgesetzt sind.
Die Abmessungen von a, b und h sollten möglichst so
gewählt werden, daß das Verhältnis 1.2 (s. o.) erfüllt
wird, d. h. die Schichtdicke d sollte am besten größer
sein als a sowie b und h. Die Dicke, der den zentra
len Teil des Chips bedeckenden Passivierungsschicht,
sollte vorzugsweise größer sein als die der Meß
schicht. Für diesen Fall stören Veränderungen in der
Untergrundleitfähigkeit der Probe in geringstem Um
fang die Messung der Leitfähigkeit der selektiven
Schicht.
Die Erfindung umfaßt jedoch nicht nur Einzel-, son
dern auch Multianalytsonden, die durch das Vereinigen
bzw. Integrieren von Mehrfachelektroden auf einer
Sensoreinheit oder einem Träger hergestellt werden,
überzogen mit für verschiedene Analyten spezifischer
Schichten. Sensoren mit mäßiger Selektivität können
ebenfalls in einer Multisensoreinheit integriert wer
den, was zum Erhalt von sog. "Fingerprints" führt,
die den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Pro
benlösungen entsprechend. Nachträglich kann dann un
ter Anwendung verschiedener Methoden der Mustererken
nung den jeweiligen Ansprechmustern eine entsprechen
de Probenzusammensetzung zugeordnet werden. Die be
vorzugte Konstruktion des Multisensors basiert dabei
auf der Verwendung von mikroelektronischen Chips mit
der erforderlichen Anzahl der vorstehend beschriebe
nen Integraldigital-Elektrodenpaaren, wobei jedes
Paar mit der geeigneten Schicht überzogen ist. Solch
eine Konstruktionsweise hat den Vorteil, der techno
logischen Kompartibilität mit IC-Technologien sowie
der Einfachheit der Miniaturisierung.
Mit den Sensoren, die gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 und nach Fig. 2 hergestellt wurden, wur
den Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt.
Für die Messung der Admittanz oder Impedanz des Sen
sors und damit z. B. der Leitfähigkeit der stoffselek
tiven Schicht sind mehrere Techniken verfügbar,
grundsätzlich unterteiltbar in DC- und AC-Techniken
(Cooper, W.D., Helfrick, A.D.E., Elektrische Meßtech
nik, VCH: Weinheim, Base, Cambridge, New York, 1989).
Die AC-Techniken werden im allgemeinen bevorzugt, da
sie eine Erniedrigung des Verhältnisses von Signal zu
Rauschen erlauben und, besonders in unserem Fall der
ionischen Leitfähigkeit, eine Konzentrationspolaria
sation in der Nähe der Elektrodenoberflächen verhin
dern.
Alternativ können Messungen der Bulkleitfähigkeit von
Schichten mittels der biopolaren Pulstechniken, be
schrieben bei Johnson, D.E. and Enke C.G., Biopolar
pulse technique for fast conductance measurements,
Analytical Chemistry, 1970, v. 42, p. 329-335,
durchgeführt werden. Die Vorteile dieser Technik be
stehen darin, daß sie schnell durchgeführt werden
können (bis zu 10 µs) und unabhängig von parallelen
und seriellen Streukapazitäten sind.
Eine der einfachsten für die Messung der Admittanz
(Impedanz) des Sensors und damit der Leitfähigkeit
der Schicht verwendeten elektrischen Anordnungen ist
in Fig. 5 dargestellt.
Der Lastwiderstand, RL, wird mit dem zu untersuchen
den Sensor in Reihe geschaltet und der Spannungsab
fall an RL liefert das Ausgangssignal. Beim Anlegen
einer AC-Eingangsspannung ist die Bedingung für den
Einsatz einer solchen Anordnung diejenige, daß inner
halb des verwendeten Frequenzbereiches der Eingangs
spannung die Impedanz des getesteten Sensors, ZSensor,
wesentlich größer sein sollte als RL. In diesem Fall
ist der Stromfluß Richtung Lastwiderstand hauptsäch
lich von der Impedanz des Sensors bestimmt und kann
leicht nach der Formel
I (ω) = Uout (ω)/RL (1)
berechnet werden. Hier ist ω die Winkelfrequenz der
Eingangsspannung, Uin und Uout - die Ausgangsspannung.
Wenn eine AC-Eingansspannung angelegt wird, sind so
wohl Amplitude als auch die Phase des Ausgangssignals
(Spannung oder Strom) frequenzabhängig. Die Disper
sion (Frequenz-Abhängigkeit) des Ausgangssignals ist
unter den oben festgelegten Bedingungen hauptsächlich
durch die AC-Impedanz des getesteten Sensors be
stimmt. Die Admittanz des Sensors kann berechnet wer
den mit der Formel
Der erste Term auf der rechten Seite stellt den Real
teil der Sensoradmittanz
dar, der proportional zum gemessenen Ausganssignal
ist und mit Hilfe von Gleichung 3 berechnet werden
kann, vorausgesetzt daß RL und die Amplitude der Ein
gangsspannung bekannt sind.
Bei einigen Meßgeräten wird statt der Admittanz Y die
Impedanz Z des Sensors gemessen. Die Impedanz Z eines
Systems stellt den Kehrwert zur dazugehörigen Admit
tanz dar. Impedanzmessungen können daher ebenfalls
zur Charakterisierung der Leitfähigkeit einer Schicht
angewandt werden.
Um die Änderungen der Schichtfähigkeit verfolgen zu
können, werden in der bevorzugten Verwirklichung der
Erfindung die Messungen der Admittanz oder alterna
tiv, einer Phasen-Komponenten des Ausgangssignals der
Meßordnung aus Abb. 5 verwendet. Diese Werte
hängen ebenfalls von der Frequenz ab, und diese Ab
hängigkeit kann in den verschiedenen Frequenzberei
chen variieren. Die übliche Betriebsfrequenz wird
unter Einbeziehung dieser Faktoren mit dem Ziel der
Optimierung der Sensorempfindlichkeit, der Verringe
rung der Anforderungen für die Meßeinrichtung sowie
der Unterdrückung unspezifischer Störungen ausge
wählt.
Der bevorzugte Arbeitsbereich bei den Kontaktmessun
gen liegt bei Frequenzen zwischen 1 Hz und 100 kHz.
Die bevorzugten Frequenzen für kontaktlose Messungen
der Membranleitfähigkeit sind:
- - von 1 MHz bis 100 MHz, wenn kapazitive Kopp lung verwendet wird;
- - von 10 Hz bis 10.000 Hz, wenn induktive Kopp lung verwendet wird.
Zwei identische Paare von interdigitalen Metallelek
troden (Ni, PT oder Au) wurden durch Vakuumaufdamp
fung auf ein 0,5 mm dickes Keramiksubstrat herge
stellt. Die Abmessungen eines Sensorchips liegen bei
5 mm * 20 mm. Zur besseren Haftung, im Fall von Pt-
oder Au-Elektroden, wurde eine Zwischenschicht aus
Chrom (0,1 µm dick) aufgebracht. Jeder Elektrodenfin
ger war 70 µm breit und ungefähr 1 mm lang mit 70 µm
Abstand zwischen den Elektrodenfingern eines Paares.
Die sentive Fläche jedes den impediometrischen Trans
ducer bildenden Elektrodenpaares betrug ungefähr
1 mm * 1,5 mm. Um die sensitive Fläche des Sensors abzugren
zen, wurde der zentrale Teil des Chips mit einer
Schicht Dow Corning Silikongummi verkapselt. Das
vollständige Chip.Layout ist in Fig. 5 schematisch
dargestellt.
Es wurden zwei Silberdrähte mit einem Durchmesser von
1 mm und einer Länge von 3 cm verwendet. Der zentrale
Teile jedes Drahtes wurde mit einer Schicht Dow Cor
ning Silikongummi verkapselt, wobei ein Stück von
5 mm Länge auf beiden Seiten der Drähte freigelassen
wurde.
Das Aufbringen der ionenselektiven Membran auf die
sensitive Fläche der IDE und CWE erfolgte mittels
Dip-Coating aus der Lösung der Membrankomponenten in
THF.
Die Messungen der Sensor-Admittanz wurden durchge
führt unter Benutzung eines ONO SOKKI Dual Channel
Analysers CF 940 oder eines Lock-In-Verstärkers EG &
G 5209 entsprechend der Meßanordnung in Fig. 5.
Die IDE wurden beschichtet mit Valinomycin enthalten
de PVC-Membranen. Die Abhängigkeit des Realteils
Re(Y) und des Imaginärteils Im(Y)-der Admittanz des
Sensors von der Kaliumkonzentration wurde überprüft
in einem Frequenzbereich von 0,05 Hz bis 100 kHz. Es
wurden beobachtet, daß Re(Y) bei Frequenzen von 100
Hz bis 100 kHz, entsprechend der Membranleitfähig
keit, mit zunehmender Kaliumkonzentration wächst. Die
Nachweisgrenze war im Bereich 10-5 M und dieses sogar
bei 1 M Natriumnitratlösung als Störionenelektrolyt.
Bei einer Frequenz von 100 Hz war die Abhängigkeit
Re(Y) gegen pK⁺ quasi linear für den pK⁺ im Bereich
von 1 bis 4 (Fig. 6).
Überraschend war, im Gegensatz zu den in der Litera
tur berichteten Daten, daß Im(Y), die entsprechende
kapazitive Komponente der Sensorimpedanz, keine oder
nur eine zufällige Abhängigkeit von der Kaliumkonzen
tration zeigte. Dieses war auch bei den weiteren Bei
spielen der Fall.
Die ASS auf Basis von CWE (Coated-Wire-Elektroden)
unter Verwendung von Valinomycin enthaltenden PVC-
Membranen zeigten eine quasi-lineare Abhängigkeit des
Re(Y) von dem pK⁺ im Bereich von 0 bis 4 bei 1 M Na
triumnitratlösung als Störionenelektrolyt, gemessen
bei einer Frequenz von 100 kHz (Fig. 7).
Die ASS auf Basis von IDE (Interdigital-Elektroden)
unter Verwendung von Nonactin enthaltenden PVC-Mem
branen zeigten eine Abhängigkeit des Re(Y) von dem
pNH₄⁺ im Bereich von 0 bis 5 bei 1 M Natriumnitratlö
sung als Störionenelektrolyt, gemessen bei einer Fre
quenz von 100 kHz (Fig. 8).
Die ASS auf Basis von IDE (Interdigital-Elektroden)
unter Verwendung von pH-sensitiven PVC-Membranen
(Ionophore ETH 1907) zeigten quasi-lineare Abhängig
keit des Re(Y) von dem pH im Bereich von 2 bis 8,
gemessen bei einer Frequenz von 100 kHz (Fig. 9). Es
wurden Standard-Merck-Puffer verschiedener pH-Werte
verwendet.
Die ASS auf Basis von IDE unter Verwendung von Ca-IV
Ionophor von Fluka enthaltenden PVC-Membranen zeigten
eine Abhängigkeit des Re(Y) von der Ca2+-Konzentra
tion im Bereich von 10-7 bis 0,1 M bei 1 M Natriumni
tratlösung als Störionenelektrolyt, gemessen bei ei
ner Frequenz von 100 kHz (Fig. 10).
Claims (44)
1. Analytselektiver Sensor (ASS) zur qualitativen
und/oder quantitativen Bestimmung von in Lösun
gen enthaltenen Ionen bzw. Stoffen,
dadurch gekennzeichnet, daß der
ASS (1, 2) aus mindestens einer mit der Lösung
in Kontakt stehenden, auf einem inerten Träger
(7) aufgebrachten analytspezifischen Schicht
(3, 8) aus einem flüssigen, festen oder halbfe
sten Material, besteht, die mit mindestens zwei
Elektroden (5, 6) in Verbindung steht, wobei die
Schicht (3, 8) den Analyten selektiv aus der
Lösung entfernt, so daß sich durch Aufnahme des
Analyten die elektrischen Eigenschaften der
Schicht (3, 8), wie der Widerstand, die Leitfä
higkeit, die Admittanz oder die Impedanz, än
dert.
2. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6)
in direktem Kontakt mit der analytspezifischen
Schicht (3, 8) stehen und als zwei oder vier
Elektrodenanordnungen ausgeführt sind.
3. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (5, 6) Draht-Elektroden oder
Scheiben-Elektroden oder Interdigital-Elektroden
(IDE) sind.
4. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Mate
rialien elektrische Leiter, Halbleiter oder De
fektstellenleiter sind.
5. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmate
rialien ausgewählt sind aus Silber, Gold, Pla
tin, Paladium, Nickel, Tantal, Titan, Chrom,
Kupfer, Vanadium, Aluminium oder leitfähigen Pa
sten und Metall- oder Graphitpartikel enthalten
den Epoxidharzen oder Materialien auf Kohlen
stoffbasis oder hochdotiertes Silizium oder
leitfähige Polymere oder zusammengesetzten lei
tenden Polymeren, die Metall- oder Graphitparti
kel enthalten.
6. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenober
fläche aufgerauht ist.
7. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6)
direkt auf den dem Träger (7) angeordnet sind.
8. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elek
troden (5, 6) und der analytspezifischen Schicht
(3, 8) mindestens eine weitere Schicht (11) auf
gebracht ist, die mindestens eine Substanz ent
hält, die in der Lage ist, ein Redoxpaar zu bil
den, so daß der Widerstand der Phasengrenze ver
ringert wird oder konstant bleibt.
9. Analytspezifischer Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der inerte Träger
(7) Glas, Papier, Epoxidharz, Plastik, Polymer,
Saphir oder Keramik ist.
10. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) die
Innenfläche einer Kapillare eines Rohres oder
geschlossenen Gefäßes ist.
11. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) eine Flüssigkeit ist, welche
die Fähigkeit besitzt, den Analyten selektiv aus
der Lösung (4) in die Schicht (3, 8) zu extra
hieren.
12. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit aus
nichtpolaren Flüssigkeiten wie Chloroform, He
xan, Toluol oder aus aromatischen und/oder ge
sättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen aus
gewählt ist.
13. Analytischer Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytischspezi
fische Schicht (3, 8) eine Flüssigkeit ist, wel
che molekülselektive oder ionenselektive Kopp
lungselemente enthält, so daß der Analyt selek
tiv aus der Lösung (4) in die Schicht (3, 8) ex
trahiert wird.
14. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) ein Polymer ist, so daß der
Analyt selektiv aus der Lösung (4) in die
Schicht (3, 8) extrahiert wird.
15. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) ein Polymer ist, welches
molekülselektive oder ionenselektive Kopplungs
elemente enthält, so daß der Analyt selektiv aus
der Lösung (4) in die Schicht (3, 8) extrahiert
wird.
16. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14 oder
15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer aus ei
nem Homo- oder Copolymerisat mit einer aliphati
schen Hauptkette mit Niedrig- bzw. Unpolarsub
stituenten besteht.
17. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14 oder
15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ausge
wählt ist aus Homopolymerisaten bzw. Copolymeri
saten von Monomereinheiten, die von einem Alken
stammen, wie Vinylhalogenidcopolymerisate, Viny
lidenhalogenidhomo- und Copolymerisate, wobei
das Halogenatom vorzugsweise ein Chloratom ist.
18. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14 oder
15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ausge
wählt ist aus substituierten Polyolefinen, -Po
lysilanen, -Polysiloxane, -Polyphosphazenen,
-Polyester, -Polyamide, -Polyurethane und Cellu
losederivate.
19. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 16, 17
oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Substituenten
ausgewählt sind aus Wasserstoff, Halogen, NO₂,
COR, COOR, Carbonsäurenitrilgruppen, Carbonsäu
reamidgruppen, aliphatische/aromatische Ether
gruppierungen und aromatische/heteroaromatische
Reste.
20. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) ein Polyethylenoxidfilm oder
ein Polymer wie Polyphosphazene, Polysiloxane
ist, welche Kationenkomplexierungs- und Ionen
paartrennungseigenschaften aufweisen.
21. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) Alkalisalze als ionische Ad
ditive enthält, vorzugsweise Lithiumsalze mit
den Anionen CF₃CO₂-, CF₃SO₃-, C₆F₁₃SO₃-, Hgl₃-,
AsF₆-.
22. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer durch
chemische, photochemische oder elektrochemische
Polymerisation eines polymerisierbaren Monomers
ausgewählt aus heteroaromatischen/ aromatischen
Verbindungen z. B. Thiophene, Pyrrole, Phenole,
Aniline, Azulene Napthalene, Anthracene, Carbar
zole in Gegenwart von freien Analytmolekülen
hergestellt wird, und daß anschließend das Ana
lytmolekül aus dem Polymer ausgewaschen wird, so
daß sich während der Membranbildung im moleku
laren Maßstab "Abdrücke" des Analyten bilden,
die dann als Kopplungselemente mit erhöhter Af
finität gegenüber dem Analyten wirken.
23. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein kom
plexbildendes Polymer ist, dessen vernetzte oder
unvernetzte Basispolymere neben Polystyrolen,
Polyacrylate, Polyacrylnitrite, Polyvinylalkoho
le, Polyethylenimine, Polysiloxane, Polysaccha
ride, modifizierte Cellulose, Stärke, Lignin,
Chitin sind, wobei das Polymer in Gegenwart von
komplexierenden Gruppen bzw. Chelatgruppen ge
bildet wird, so daß analytspezifische Kopplungs
elemente entstehen.
24. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet, daß die komplexierenden
Gruppen bzw. Chelatgruppen ausgewählt sind aus
Iminodiessigsäure-, Hydroxychinolin-, Thioharn
stoff-, Guanidin-, Dithiocarbamat-, Hydroxamsäu
re-, Amidoxim-, Aminophosphorsäure-, (cycl.) Po
lyamino-, Mercapto-, 1,3-Dicarbonyl-Reste, Kä
figverbindungen (z. B. Cyclophane, Kronenether,
Antibiotica, Cyclodextrine), Antigene oder Anti
körper, natürliche oder synthetische Polypepti
de, Lektine, spezifisch bindende Proteine, Lipi
de und Tenside.
25. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polymer ausgewählt ist aus Polyionen,
wie Gelen, Proteinen, Lipiden und Tensiden, ist,
die funktionelle Gruppen (Kopplungselemente)
aufweisen, die Anionen oder Kationen selektiv
binden können, so daß bei der selektiven Bindung
eine Morphologieänderung des Polymers eintritt.
26. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polymer aus Proteoglycane oder Glycopro
teinen besteht.
27. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) aus einer kristallinen Flüs
sigphase besteht.
28. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) aus polyionischen Komplexen
zwischen quartären Ammoniumionen und weiteren
Polyionen gebildet ist.
29. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Io
nenaustauscher oder ein ionisches Polymer ist.
30. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscher
bzw. ionischen Polymere ausgewählt sind aus Co
polymeren von Ethylen, Acryl- oder Met
acrylsäure: Carboxielastomere, Terpolymere, Ter
polymer Ethylen-Propylen-Diensulfonat, substitu
ierte Polyvinyle wie Polyacrylate, im besonderen
Polyacetate oder Butyrale oder Polyvinylimidazo
le, Perfluoropolymere, im besonderen Perfluoro
sulfonate, Polyampholyte.
31. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 14 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer zusätz
lich ionenselektive oder molekülselektive Kopp
lungselemente enthält.
32. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemen
te ausgewählt sind aus Kationenaustauscher, Ani
onenaustauscher, Komplexbildner für Kationen,
Komplexbildner für Anionen und Komplexbildner
für Neutralteilchen.
33. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 31 oder
32,
dadurch gekennzeichnet, daß die Komplexbildner
ausgewählt sind aus Kronenether, natürlichen
Antibiotika, Dicarbonsäurediamiden, Tridodecyla
min, Guamidiniumverbindungen, Derivaten der Bor
säure, Calixarenen, Cyelophanen, Lipiden, Tensi
den.
34. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 14 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer zusätz
lich einen Weichmacher enthält.
35. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, daß der Weichmacher aus
gewählt ist aus Ethern wie o-Nitrophenyloctylet
her, Ester-Weichmacher wie Dicarbonsäurediester
weichmacher oder Diester der Phosphorsäure bzw.
Phosphonsäure.
36. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht (3, 8) eine Dicke von 1 µm bis 1
mm aufweist.
37. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß die analytspezifi
sche Schicht aus 20 bis 80 Gewichtsprozent Poly
mer, 20 bis 80 Gewichtsprozent Weichmacher und 1
bis 60 Gewichtsprozent ionen- bzw. molekülselek
tiven Komponenten besteht.
38. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung
der analytspezifischen Schicht (3, 8) ein porö
ser Träger/Matrix (z. B. Filterpapiere, Gewebe,
Glas) verwendet wird.
39. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der analytspezi
fischen Schicht (3, 8) mindestens eine weitere
enzymenthaltende Schicht (9) aufgebracht ist.
40. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 39,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus
gewählt ist aus vernetzten Proteinen, wie Kolla
gene, Albumine, natürlichen Polymere wie Poly
saccharide, wie z. B. Alginate, Hitin oder Cellu
lose und seiner Derivate, wie Nitrocellulose,
synthetischen Polymere wie Vinylpolymere, Poly
vinylalkohole oder Vinylacetate, Polysiloxane,
Polyacrylamide, Polyurethane.
41. Analytselektiver Sensor nach Anspruch 40,
dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme in der
Schicht immobilisiert sind.
42. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 39 bis 41,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Enzym
zu Matrixkomponente im Bereich von 5 bis 100
Gewichtsprozent liegt.
43. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der analyt
spezifischen Schicht (3, 8) und der enzymenthal
tenden Schicht (9) eine zusätzliche Schicht (11)
aufgebracht ist, die aus Derivaten der Cellulose
oder der Vinylpolymere besteht und funktionelle
Gruppen ausweist, so daß eine verbesserte Ver
bindungsbildung erreicht wird.
44. Analytselektiver Sensor nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 43,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche
Schicht (12) vorgesehen ist, die auf der analyt
spezifischen Schicht (3, 8) bzw. auf der enzyma
tischen Schicht (9) aufgebracht ist und ausge
wählt ist aus Copolymeren von Ethylen, Acryl-
oder Metacrylsäure: Carboxielastomere, Terpoly
mere, Terpolymer Ethylen-Propylen-Diensulfonat,
substituierte Polyvinyle wie Polyacrylate, im
besonderen Polyacetate oder Butyrale oder Poly
vinylimidazole, Perfluoropolymere, im besonderen
Perfluorosulfonate, Polyampholyte.
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