DE19621241C2

DE19621241C2 - Membranelektrode zur Messung der Glucosekonzentration in Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19621241C2
Application number: DE19621241A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kessler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-25
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2016-05-26
Also published as: JP2000512745A; WO1997045719A1; DE19621241A1; US6176988B1; EP0901622A1; CN1220006A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranelektrode zur Messung der Glucosekonzentration in Flüssigkeiten, bestehend aus: einer Grundmembran mit wenigstens einer Edelmetallelektrode, die auf einer Seite der Grundmembran angeordnet ist; einer auf der Grundmembran und der Edelmetallelektrode angeordneten protonenselektiven Ionenmembran; und einer auf der Ionenmembran angeordneten Doppelmembran, in welcher Glocuse-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist, sowie eine elektronische Schaltung zum Betrieb der Membranelektrode mit: einer stabilisierten Polarisations-Spannungsquelle; zwei Verstärkern hoher Impedanz; einem Parallelwiderstand; einem Element zur Verarbeitung und Speicherung der gemessenen Größe; und einer Ausgabeeinrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranelektrode zur Messung der Glucosekonzentration in Flüssigkeiten.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Schaltung zum Betrieb der Membranelektrode.

Aus der EP-A 0 141 178 ist eine Anordnung zum Messen der Konzentration eines Stoffes bekannt, mit der sich Konzentrationen von H₂O₂ bestimmen lassen. Es ist eine Meßelektrode aus Edelmetall offenbart, die durch eine lipophile Membran von einem Elektrolyten getrennt ist. Die Membran enthält dabei lipophile Ionen, insbesondere Anionen, und/oder carriergebundene Ionen und ist protonenimpermeabel. Bei einer besonderen Ausgestaltung ist in dem Elektrolytraum, der durch die lipophile Membran von der Elektrode getrennt ist, ein Enzym enthalten, welches eine diffusible Substanz unter anderem in H₂O₂ umsetzt, dessen Konzentration durch die Anordnung gemessen wird und so die Bestimmung der Konzentration der Substanz erlaubt.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung zum Messen der Konzentration eines Stoffes ist von Nachteil, daß die gemessene Größe sich während des Meßvorgangs relativ stark verändert, d. h. einer gewissen Drift unterliegt.

Aus der WO94/02585 ist ferner eine Elektrode mit wenigstens zwei Membranschichten bekannt, die zur Messung der Glucosekonzentration von Flüssigkeiten verwendet werden kann. Als wesentlich für diese Elektrode ist dabei offenbart, daß wenigstens eine Membran aus einem PVC-Material besteht, das keinen Weichmacher enthält und gegenüber weichmacherhaltigen PVC-Membrane besonders vorteilhaft sein soll.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode zu schaffen, die das aus dem Stand der Technik bekannte Problem vermeidet und die wirtschaftlich herstellbar ist.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Schaltung zum Betrieb einer derartigen Elektrode bereitzustellen.

Die vorliegende Aufgabe wird durch eine Membranelektrode zur Messung der Glucosekonzentration in Flüssigkeiten gelöst, entstehend aus: einer Grundmembran mit wenigstens einer Edelmetallelektrode, die auf einer Seite der Grundmembran angeordnet ist; eine auf der Grundmembran und der Edelmetallelektrode angeordneten ist; eine auf der Grundmembran und der Edelmetallelektrode angeordneten protonenselektiven Ionenmembran aus einem PVC-Material, welches als flüssige Phase einen Weichmacher enthält, in dem wiederum Ligandenmoleküle enthalten sind, die H⁺-Ionen komplexieren; und einer auf der Ionenmembran angeordneten Doppelmembran, in welcher Glucoseoxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin durch eine elektronische Schaltung zum Betrieb der Membranelektrode mit: einer stabilisierten Polarisations-Spannungsquelle; zwei Verstärkern hoher Impedanz; einem Parallelwiderstand; einem Element zur Verarbeitung und Speicherung der gemessenen Größe; und einer Ausgabeeinrichtung gelöst.

Herkömmliche Elektroden mit großen Edelmetalloberflächen zeigen eine starke Empfindlichkeit gegenüber Konvektion. Dies bedeutet, daß Veränderungen des Kapillarstroms, die Veränderungen der Konvektion innerhalb der Diffusionszone der Elektrode bewirken, starke Änderungen des Elektrodensignals induzieren. Auf Grund dieser Tatsache werden Mikroelektroden mit einem Elektrodendurchmesser unter 50 µm mit einer geringen Konvektionsempfindlichkeit angewendet. Nachteiligerweise besitzen derartige Mikroelektroden eine relativ hohe Drift. Sie liegt im allgemeinen in dem Bereich von bis zu 2 bis 3% pro Stunde. Die Verwendung von Mikroelektroden für Messungen mit einer ausreichenden Genauigkeit ist daher nur möglich, wenn diese Drift entsprechend korrigiert wird. Dies erfordert häufige Kalibrierungen mit wenigstens 2 Lösungen oder Standardgasen. Bei den erfindungsgemäßen Elektroden ist die Edelmetalloberfläche mit einer schützenden lipophilen Membran bedeckt, die nur hydrophoben und gasförmigen Spezies erlaubt die Elektrode zu erreichen. Des weiteren ist erfindungsgemäß eine Doppelmembran auf der Ionenmembran angeordnet, wobei in der Doppelmembran Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist.

Das Prinzip von potentiometrisch-polarographischen H₂O₂- Messungen ist eine Kombination von zwei verschiedenen elektrochemischen Verfahren, der Amperometrie und der Potentiometrie. Die Kombination dieser zwei Meßverfahren in einer Elektrode basiert auf der Beobachtung, daß Elektroden, bei denen die Ionenmembran z. B. mit Platin in Berührung gebracht wurde, auf Wasserstoff reagieren. Die Untersuchung dieses unerwarteten Phänomens zeigte, daß Wasserstoff an der Platinoberfläche gemäß der elektrochemischen Reaktion

H₂ - 2e^- → 2H⁺

oxidiert wird. Die gebildeten Protonen werden mittels Ionenträger-Molekülen durch die Ionenmembran transportiert. Der durch die Ionenträger-Moleküle bewirkte Fluß von Protonen durch die Ionenmembran erzeugt ein Membranpotential, das potentiometrisch bestimmt werden kann. Eine genaue Analyse der Ergebnisse zeigte, daß eine lipophile PVC-Membran mit einem darin enthaltenen Protonenträger multifunktionale Eigenschaften gewinnt, wenn sie mit einer Edelmetalloberfläche anstelle einer internen Elektrolytlösung, z. B. 3- oder 4-molarer KCl, in Berührung gebracht wird.

Es ist anzumerken, daß eine entscheidene Vorbedingung für die Aktivierung einer derartigen potentometrisch-polarographischen Edelmetallelektrode eine ausreichende Hydratation derselben ist. Dieses wird durch die Diffusion von Wasserdampf durch die lipophile Ionenmembran erreicht. Die die Metalloberfläche erreichenden Wassermoleküle bilden dort eine Dipolschicht. Es entwickelt sich nachfolgend eine Helmholz-Polarisationsschicht mit OH-Anionen als geladene Schicht, wenn die Elektrode als Anode verwendet wird. Aufgrund der Abwesenheit anderer Ionen als OH^- und H⁺ enthält diese Helmholz-Schicht ausschließlich Wasser und Dissozationsprodukte des Wassers, d. h. OH^--Ionen und H⁺-Ionen.

Die Tatsache, daß sich zwischen der Edelmetalloberfläche und der Ionenmembran durch die Hydratation eine Zwischenschicht von ungefähr 250 bis 300 nm bildet, führt zu nützlichen elektrochemischen Wechselwirkungen, die in herkömmlichen Elektrodensystemen nicht existieren.

Wenn H₂O₂ durch die Ionenmembran diffundiert, wird dieses an der polarisierten Edelmetalloberfläche oxidiert und die aus dieser Redox-Reaktion stammenden Protonen sammeln sich auf Grund des Diffusionswiderstands der Ionenmembran in dem durch Hydratation erzeugenden Zwischenraum zwischen der Elektrodenoberfläche und der Ionenmembran an. Andererseits entsteht ein Protonenfluß durch die Membran, wobei dieser Fluß durch die Dicke der Membran, die Konzentration und Mobilität des oder der H⁺-Träger in der lipophilen Membran, der Aktivität der Protonen in dem Zwischenraum zwischen Edelmetallelektrode und Ionenmembran und der elektrischen Feldstärke zwischen Edelmetalloberfläche und dem äußeren Enzymraum abhängt. Diese Parameter können entsprechend den Erfordernissen durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich der Dicke der Membran, des angelegten elektrischen Feldes und der anderen genannten Größen in geeigneter Weise eingestellt werden, so daß der Fluß der Protonen durch die Ionenmembran zu der Bildung von zwei Protonengradienten und entsprechenden Potentialgradienten führt. Der erste Gradient entwickelt sich in dem wassergefüllten Zwischenraum zwischen Edelmetallelektrode und Ionenmembran, während der zweite innerhalb der Membran entsteht.

Polarographische Elektroden können als reduzierende oder oxidierende elektrochemische Systeme verwenden werden. Sie bestehen aus einer polarisierbaren Metallelektrode, einer nicht polarisierbaren Bezugselektrode (z. B. Ag/AgCl) und einer Polarisations-Spannungsquelle. Das spezifische Signal ist der Strom, der durch die Redox-Reaktion der zu analysierenden chemischen Spezies erzeugt wird. Prinzipiell werden alle Moleküle, die die Metalloberfläche durch Diffusion erreichen, vollständig oxidiert oder reduziert. Dementsprechend fällt die Konzentration der zu analysierenden Spezies von ihrem ursprünglichen oder anfänglichen Konzentrationswert in der Probe auf Null an der Oberfläche der polarisierten Elektrode. Die Anzahl der Moleküle, die zu der Oberfläche diffundieren, hängt von ihrem Fluß ab, der proportional ihrer Konzentration, aber unabhängig von ihrer Aktivität ist. Die Beziehung zwischen der Konzentration der Spezies und dem gemessenen Redox-Strom ist daher linear.

Durch potentiometrische Elektroden wird die Aktivität von Ionen gemessen. Die Aktivität von chemischen Spezies ist als Grad der freien Beweglichkeit von Ionen oder Molekülen definiert. Die theoretische Grundlage für Aktivitätsmessungen von Kationen oder Anionen wird durch die Nernst-Gleichung gegeben, die aussagt, daß die Aktivität von Ionen mit dem Logarithmus der steigenden Ionenkonzentration abnimmt. Das Prinzip von Ionenmessungen durch Glaselektroden oder moderne Ionenelektroden ist, daß Ionen entsprechend der Ionenaktivität reversibel in einer hydratisierten Glasmembran oder einem geeigneten Ionenträger eingelagert werden. Bei Ionenelektroden ähnelt der Mechanismus der Einlagerung von Ionen dem Laden und Entladen von Kondensatoren. Gemäß Moody und Thomas, Selective Ion sensitive Electrodes, Marrow Watford, England 1971, kann die bei Ionenleitelektroden verwendete Membran als eine Flüssigmembran bezeichnet werden.

Im Vergleich mit der Polarisationsspannung von herkömmlichen H₂O₂-, H₂- und pO₂-Elektroden, die im Bereich von 700 mV liegt, hat sich für die erfindungsgemäße Glucoseelektrode vorteilhafter Weise eine Spannung von 200 bis 300 mV als ausreichend erwiesen. Um relativ stabile Redox-Ströme zu erhalten, erfordern herkömmliche Elektroden Polarisationszeiten von einer bis zehn Stunden, wobei immer noch eine Drift von 3% pro Stunde vorliegt. Im Gegensatz dazu zeigen die erfindungsgemäßen Elektroden Polarisationszeiten im Bereich von Sekunden, wobei es besonders vorteilhaft ist, daß die Drift trotz der sehr geringen Polarisationszeit wesentlich geringer ist. Ein Grund hierfür könnten die sehr speziellen Eigenschaften der Helmholz-Schicht sein, die ausschließlich aus OH^- und H⁺- Ionen besteht. Weiterhin sind elektrochemische Nebenreaktionen vorteilhafter Weise ausgeschlossen, weil die Edelmetalloberfläche durch eine lipophile Membran abgeschlossen und daher von sehr hoher Reinheit ist. Dementsprechend kann keine Vergiftung der Elektrodenoberfläche durch Abscheidung von Metallen, Metallverbindungen und Salzen mit niedrigen Löslichkeitskoeffizienten usw. auftreten.

Die erfindungsgemäße Anordnung der verschiedenen Membranen ist besonders vorteilhaft, da insbesondere durch die zusätzliche Anordnung einer Doppelmembran, in welcher Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist, auf der Ionenmembran der Verbrauch an reduzierbaren (O₂) oder oxidierbaren Spezies (H₂O₂, H₂) auf einem derartig niedrigen Niveau gehalten werden kann, daß die erfindungsgemäßen Elektroden keine Konvektionsempfindlichkeit zeigen, sogar wenn große Edelmetallanoden oder -katoden eingesetzt werden. Des weiteren wird die potentiometrische Bestimmung von sehr kleinen H₂O₂- Oxidationsströmen ermöglicht, so daß sich die Möglichkeit zur Messung von Glucosekonzentrationen mit extremer Langzeitstabilität bei infinit kleinem Glucoseverbrauch eröffnet.

In einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Grundmembran auf einer Isolationsmembran oder einer Trägerfolie angeordnet. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Isolationsmembran oder Trägerfolie so ausgebildet ist, daß sie den gesamten Elektrodenaufbau seitlich und unten umschließt, so daß die Elektrode nur mit einer Fläche mit der Umgebung in Kontakt treten kann. Hierdurch werden Leckströme mit großer Sicherheit vermieden und ein Stoffaustausch kann nur über die definierte, zur glucosehaltigen Lösung gerichteten Oberfläche der Doppelmembran erfolgen.

Damit Leckströme besonders wirksam vermieden werden, können die aufeinanderfolgenden Membranschichten des Elektrodenaufbaus miteinander verschweißt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Membranelektrode sind die Trägerfolie oder Isolationsmembran, die Grundmembran mit der Elektrode und die protonenselektive Ionenmembran von einer Außenmembran umschlossen, wobei die Doppelmembran, in der Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist, auf der Außenmembran über der Ionenmembran angeordnet ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zwischenraum zwischen der Trägerfolie oder Isolationsmembran, der Grundmembran mit der Elektrode, der protonenselektiven Ionenmembran und der Außenmembran mit einem Elektrolytgel gefüllt ist. Es ist bevorzugt, daß die Elektrode mit einer entsprechenden Meßelektronik verbindende Kabel in einem Schlauch von dem Elektrodenaufbau fortgeführt wird. Der Schlauch ist bevorzugt mit der Außenmembran verschweißt oder verklebt. Bei einem derartigen Aufbau ist es bevorzugt, wenn der Zwischenraum zwischen dem Kabel und dem Schlauch ebenfalls mit einem Elektrolytgel gefüllt ist. Das Elektrolytgel dient dabei der Kontaktierung der Bezugselektrode bzw. des Bezugselektrodensystems. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine eventuelle Kontamination der zu analysierenden Flüssigkeiten durch eine Bezugselektrode vermieden.

Bei den erfindungsgemäßen Elektroden werden bevorzugt Edelmetallelektroden verwendet, wobei Gold und Platin als Material besonders bevorzugt sind.

Die Ionenmembran enthält allgemein eine flüssige Phase, wobei insbesondere in der flüssigen Phase der Ionenmembran Ligandenmoleküle enthalten sind, die innerhalb der Membran mobil sind. Die Ligandenmoleküle sind bevorzugt Tridodecylamin.

Da elektrochemische Reaktionen gewöhnlich temperaturabhängig sind, ist es bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen Gesamtaufbau der Elektrode ein Thermofühler angeordnet ist.

Somit ist durch die fortlaufende Temperaturkontrolle während der Messung eine Korrektur von temperaturbedingten Meßwertveränderungen möglich. Allgemein erhältliche Thermoelemente, die bei der Temperaturmessung am oder im lebenden Körper eingesetzt werden, können dabei als Thermofühler verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Elektrodenaufbau ist vorteilhafter Weise auch miniaturisierbar, wobei bei der Herstellung derartig miniaturisierter Elektroden bevorzugt Dünnfilmtechniken verwendet werden können, was es ermöglicht, preiswerte Elektroden zu schaffen, die als Einmalelektroden verwendet werden können. Es ist auch möglich, daß in einem miniaturisierten Elektrodenaufbau mehrere, z. B. zwei, drei oder vier, Meßstellen vorgesehen werden. Hierdurch wird zweckmäßigerweise die simultane Messung an entsprechend vielen Meßorten auf der Wangenschleimhaut bzw. der Gingiva ermöglicht. Wenn die einzelnen Meßwerte verglichen werden, wird die Sicherheit der Bestimmung erhöht bzw. die Bestimmung lokaler Unterschiede möglich. Für entsprechende Anwendungen ist bevorzugt, den erfindungsgemäßen Elektrodenaufbau auf einer Halterung anzuordnen. Eine derartige Halterung ist z. B. bevorzugt auf einen oder mehreren Zähnen aufsteckbar oder in der Form einer Klammer gebildet. Hierdurch wird die Messung der Glucosekonzentration in der Schleimhaut ermöglicht.

Bei einer Anordnung in einem Kissen, z. B. aus Silikon-Kautschuk wird die Messung von Glucosekonzentrationen auf Organoberflächen, z. B. während Operationen, möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Membranelektrode ist die Grundmembran von einer Kunststoff- Faser gebildet, wobei die Elektrode, die protonenselektive Ionenmembran und die Glucose-Oxidase enthaltende Doppelmembran die Kunststoff-Faser umschließen. Eine derartig ausgebildete Elektrode findet Verwendung als Einstichelektrode oder Katheterelektrode bei mikro- oder minimalinvasiven Eingriffen.

Durch die erfindungsgemäße Membranelektrode ist aber auch die Bestimmung von Glucose in Blut- und Flüssigkeitsproben in einem Analysenautomaten möglich. Hierzu wird der erfindungsgemäße Elektrodenaufbau in einer Kapillare vorgesehen bzw. mit einer Kapillare so gekoppelt, daß die Oberfläche der Glucose-Oxidase enthaltenden Doppelmembran mit dem Innenraum der Kapillare in Verbindung steht. Der erfindungsgemäße Elektrodenaufbau kann somit auch in Analysenautomaten eingesetzt werden, welche in Kliniken und/oder allgemein Laboratorien verwendet werden, in denen Flüssigkeiten auf den Glucosegehalt untersucht werden. Dies kann z. B. auch bei der Untersuchung von Lebensmitteln sein.

Bei den bisher bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Membranelektrode ist es für verschiedene Zwecke vorteilhaft, eine Referenzelektrode mit der Membranelektrode zusammen in einem Bauteil bzw. auf einer Halterung anzuordnen.

Die elektronische Schaltung zum Betrieb der Membranelektrode mit einer stabilisierten Polarisations-Spannungsquelle, zwei Verstärkern hoher Impedanz, einem Parallelwiderstand, einem Element zur Verarbeitung und Speicherung der gemessenen Größe und einer Ausgabeeinrichtung ist bevorzugt so gestaltet, daß sie auf zwei voneinander räumlich getrennte Einheiten verteilt ist, wobei die Einheiten in einer vorteilhaften Ausgestaltung über ein Kabel miteinander verbunden sind. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Schaltung sind die Einheiten auf elektro-optische Weise verbunden bzw. stehen auf elektro-optische Weise miteinander in Verbindung.

Der Parallelwiderstand der elektronischen Schaltung besitzt im allgemeinen einen Widerstandswert von etwa 10⁷ bis 10¹¹ Ω besonders bevorzugt einen Wert von 10⁹ Ω . Der Parallelwiderstand bestimmt die Größenordnung der Oxidation von H₂O₂ und demzufolge des in der Schaltung erzeugten Oxidationsstroms. Da hohe Oxidationsraten den Glucosesensor gegenüber Konvektion exmpfindlich machen und die Glucose- Oxidase hohe Umsetzraten aufweisen müßte, um große Mengen an H₂O₂ zu erzeugen, ist es vorteilhaft, zu hohe Ströme zu vermeiden. Bei einem Widerstand von etwa 10¹⁰ bis 10¹¹ Ω sind daher Glucosemessungen noch möglich, aber nur mit einer eingeschränkten Genauigkeit, was jedoch für bestimmte Anwendungen durchaus ausreichend sein kann. Bei einem Widerstandswert von unter 10⁹Ω, d. h. in einem Bereich von etwa 10⁷ bis 10⁸ Ω, verändert sich die Steigung und die Form der Kalibrierungskurven, was sich ebenfalls nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirkt.

Besonders bevorzugt ist daher, wenn der Parallelwiderstand einen Widerstandswert von 10⁹ Ω besitzt, da dann mit der Gesamtanordnung die besten Meßergebnisse erzielt werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Membranelektrode.

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Membranelektrode in einer anderen Ausgestaltung.

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode mit vier Meßstellen.

Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode, bei der diese auf einer auf drei Zähnen aufsteckbaren Halterung angeordnet ist.

Fig. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode, bei der diese auf einer Klammer angeordnet ist.

Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode, bei der diese in einem Kissen, bevorzugt aus Silikonkautschuk, angeordnet ist.

Fig. 7 und Fig. 8 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode, bei der diese in einer Kapillare angeordnet bzw. mit dieser gekoppelt ist.

Fig. 9 Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode, bei der diese als Einstich- und/oder Katheterelektrode ausgebildet ist.

Fig. 10 eine vereinfachte schematische Darstellung der zum Betrieb der erfindungsgemäßen Membranelektrode verwendeten Meßelektronik.

Fig. 11 und Fig. 12 zwei Ausführungsformen der Meßelektronik aus Fig. 10 in schematischer Darstellung.

Fig. 13 eine Auftragung von in einer Langzeitmessung mit fünf erfindungsgemäßen Membranelektroden erhaltenen Meßwerten.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Membranelektrode zur Messung der Glucosekonzentration in Flüssigkeiten schematisch dargestellt. Sie besteht aus einer Grundmembran 1 mit einer Edelmetallelektrode 2, die auf einer Seite der Grundmembran 1 angeordnet ist, einer auf der Grundmembran 1 und der Edelmetallelektrode 2 angeordneten protonenselektiven Ionenmembran 3 und einer auf der Ionenmembran 3 angeordneten Doppelmembran 4, in welcher Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Grundmembran 1 auf einer Isolationsmembran oder einer Trägerfolie 5 angeordnet, wobei die Isolationsmembran oder die Trägerfolie 5 den Elektrodenaufbau seitlich und unten umschließt.

In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrode dargestellt, bei der die Trägerfolie oder Isolationsmembran 5, die Grundmembran 1 mit der Elektrode 2 und die protonenselektive Ionenmembran 3 von einer Außenmembran 6 umschlossen sind und die Doppelmembran 4, in der Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist, auf der Außenmembran 6 angeordnet ist. Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sind die verschiedenen übereinander angeordneten Membranen vorteilhafterweise miteinander verschweißt, da dadurch Leckströme vermieden werden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist es darüberhinaus vorteilhaft, wenn der Zwischenraum 7 zwischen der Trägerfolie oder Isolationsmembran 5, der Grundmembran 1 mit der Elektrode 2, der protonenselektiven Ionenmembran 3 und der Außenmembran 6 mit einem Elektrolytgel gefüllt ist, wobei das Elektrolytgel dabei zur Kontaktierung der Bezugselektrode bzw. des Bezugselektrodensystems dient. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß eine eventuelle Kontamination der zu analysierenden Flüssigkeit durch eine Bezugselektrode vermieden wird.

Die Elektrode 2 ist mit einem Kabel 8 mit einer Meßelektronik verbunden. Dieses Kabel 8 wird in einem Schlauch 9 von dem Elektrodenaufbau fortgeführt. Der Schlauch 9 ist mit der Außenmembran 6 verbunden, wobei er bevorzugt verklebt und besonders bevorzugt verschweißt ist. Der Zwischenraum 10 zwischem dem Kabel 8 und dem Schlauch 9 ist ebenfalls mit Elektrolytgel gefüllt. Für die Edelmetallelektrode wird bevorzugt Gold oder Platin verwendet, wobei zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elektroden bevorzugt Dünnfilmtechniken verwendet werden, die eine preiswerte Produktion der erfindungsgemäßen Elektroden in großer Zahl ermöglicht. Insbesondere können hier CVD- bzw. PVD-Verfahren Anwendung finden.

Die Grundmembran 1 wird bevorzugt aus einem undurchlässigen PVC gefertigt, während die Ionenmembran 3 aus einem PVC- Material gefertigt wird, das als flüssige Phase einen Weichmacher enthält und in diesem Weichmacher wiederum Ligandenmoleküle enthalten sind, die H⁺-Ionen komplexieren können. Als Ligandenmoleküle kommen grundsätzlich alle Moleküle in Betracht, die in dem jeweilig eingesetzten Weichmacher löslich bzw. mit diesem mischbar sind und H⁺-Ionen komplexieren können, wobei Tridodecylyamin besonders bevorzugt ist. Die Dicke der verwendeten Membranen liegt jeweils in einer Größenordnung von 100-300 µm und die spezifische Gesamtaktivität der Glucose-Oxidase in der Doppelmembran 4 beträgt bevorzugt ungefähr 1 mMol/min.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform weist der Elektrodenaufbau vier Meßstellen auf, d. h. in dem Elektrodenaufbau sind vier Edelmetallelektroden 2 angeordnet, wobei die Edelmetallelektroden 2 jeweils mit einer protonenselektiven Ionenmembran 3 und einer Doppelmembran 4, die Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthält, überdeckt ist.

In den Fig. 4 und 5 sind jeweils Halterungen 11, 12 dargestellt, auf denen die Membranelektrode, hier allgemein mit 13 bezeichnet, angebracht ist. Die in Fig. 4 dargestellte Halterung 11 dient zur Befestigung auf drei Zähnen, sie ist auf drei Zähne aufsteckbar, während in Fig. 5 die Halterung von einer Klammer 12 gebildet wird.

Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform besteht aus einer in einem Kissen 14 aus Silikonkautschuk angeordneten Membranelektrode 13, wie sie vorzugsweise zur Messung von Glucosekonzentrationen auf Organoberflächen verwendet wird, da durch die Gewichtsverteilung auf das Kissen 14 eine Beeinträchtigung der Organfunktion durch zu hohen Druck auf das Organ verhindert wird.

Bei dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenanordnung mit einer Kapillare 15 gekoppelt. Die Kapillare 15 ist dabei bevorzugt auf einer Grundplatte 16 angeordnet, in der wiederum der Elektrodenaufbau mit Doppelmembran 4, Außenmembran 6, Ionenmembran 3, Edelmetallelektrode 2 mit Kabel 8, Grundmembran 1 und Isolationsmembran 5 integriert ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 wird mit dem erfindungsgemäßen Aufbau eine Einstich- bzw. Katheterelektrode verwirklicht. Hierbei wird die Grundmembran von einer Kunststoff-Faser 17 gebildet, wobei die Elektrode 2, die protonenselektive Ionenmembran 3 und die Glucose-Oxidase enthaltende Doppelmembran 4 die Kunststoff-Faser 17 umschließen.

Fig. 10 zeigt vereinfacht den schematischen Aufbau der verwendeten Meßelektronik, bei der jedoch das bzw. die Elemente zur Verarbeitung und Speicherung der Meßwerte nicht dargestellt sind. Die vereinfacht dargestellte Schaltung besteht aus einer stabilisierten Polarisationsspannungsquelle 18, zwei Verstärkern 19 und 20 mit hoher Impedanz, einem Parallelwiderstand 21 und einer Anzeigeeinrichtung 22, die im einfachsten Fall durch ein Voltmeter gebildet sein kann, sowie der erfindungsgemäßen Membranelektrode 23 und einer Referenzelektrode 24.

Die Fig. 11 und 12 zeigen schematisch zwei vorteilhafte Ausführungsformen der Meßelektronik, bei denen die Meßelektronik auf zwei räumlich voneinander getrennte Einheiten 25, 26 und 27, 28 verteilt ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist die Einheit 25 über das Kabel 8 mit der Membranelektrode verbunden und mit dem Kabel 29 mit der Einheit 26. In der Einheit 25, der Verstärkereinheit, ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Impedanzwandler, ein Differenzverstärker, die Batterie und der Spannungsstabilisator, der Parallelwiderstand, das Bezugselektroden- oder Referenzsystem und ein Strom- /Spannungswandler integriert, während in der Einheit 26 ein Mikroprozessor mit Speicher, eine numerische Anzeige 30, alternativ zur Integration in Einheit 25 die Batterie und der Spannungsstabilisator und ein Ausgang zu einem Modem oder einem Drucker integriert sind. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 ist die Einheit 27 durch elektro-optische Mittel mit der Einheit 28 verbunden. Die Einheit 27 enthält daher die Bauelemente der Einheit 25 und eine IR-Laserdiode oder eine LED 31, während die Einheit 28 die Bauelemente der Einheit 26 sowie eine Photodiode 30 enthält.

In Fig. 13 ist das Ergebnis von Langzeitmessungen über 60 Tage mit fünf verschiedenen Elektroden dargestellt. Die bei diesen Messungen untersuchten Lösungen enthielten 1 mMol H₂O₂/l und es wurde ein Parallelwiderstand mit einem Widerstandswert von 10⁹Ω verwendet. Aus den aufgezeichneten Meßergebnissen wurde die Drift der Elektroden zu nur 0,003 mV/h bzw. 7,2 mV in 100 Tagen berechnet, wodurch die besondere Eignung der erfindungsgemäßen Elektroden für Langzeitmessungen deutlich wird.

Claims

1. Membranelektrode zur Messung der Glucosekonzentration in Flüssigkeiten, bestehend aus:

1. einer Grundmembran (1) mit wenigstens einer Edelmetallelektrode (2), die auf einer Seite der Grundmembran (1) angeordnet ist;
2. einer auf der Grundmembran (1) und der Edelmetallelektrode (2) angeordneten protonenselektiven Ionenmembran (3) aus einem PVC-Material, welches als flüssige Phase einen Weichmacher enthält, in dem wiederum Ligandenmoleküle enthalten sind, die H⁺-Ionen komplexieren; und
3. einer auf der Ionenmembran (3) angeordneten Doppelmembran (4), in welcher Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist.

2. Membranelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmembran (1) auf einer Isolationsmembran (5) oder einer Trägerfolie (5) angeordnet ist.

3. Membranelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsmembran (5) oder die Trägerfolie (5) den Elektrodenaufbau seitlich umschließt.

4. Membranelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie oder die Isolationsmembran (5), die Grundmembran (1) mit der Elektrode (2) und die protonenselektive Ionenmembran (3) von einer Außenmembran (6) umschlossen sind und die Doppelmembran (4), in der Glucose-Oxidase in einem geeigneten Medium enthalten ist, auf der Außenmembran (6) angeordnet ist.

5. Membranelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (7) zwischen der Trägerfolie oder Isolationsmembran (5), der Grundmembran (1) mit der Elektrode (2), der protonenselektiven Ionenmembran (3) und der Außenmembran (6) mit einem Elektrolyt-Gel gefüllt ist.

6. Membranelektrode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) ein Kabel (8) zur Verbindung mit einer entsprechenden Meßelektronik aufweist und dieses Kabel (8) in einem Schlauch (9) von dem Elektrodenaufbau fortgeführt wird.

7. Membranelektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (9) mit der Außenmembran (6) verschweißt oder verklebt ist.

8. Membranelektrode nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (10) zwischen dem Kabel (8) und dem Schlauch (9) ebenfalls mit einem Elektrolyt-Gel gefüllt ist.

9. Membranelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Gold oder Platin besteht.

10. Membranelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenmembran eine flüssige Phase enthält, wobei in der flüssigen Phase Ligandenmoleküle enthalten sind.

11. Membranelektrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ligandenmoleküle Tridodecylamin sind.

12. Membranelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Elektrodenaufbau ein Thermofühler angeordnet ist.

13. Membranelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenaufbau mehrere Meßstellen, d. h. Edelmetallelektroden (2) aufweist.

14. Membranelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenaufbau auf einer Halterung (11, 12) angeordnet ist.

15. Membranelektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung auf einen oder mehreren Zähnen aufsteckbar ist.

16. Membranelektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung von einer Klammer (12) gebildet wird.

17. Membranelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenaufbau in einem Kissen (14) aus Silikonkautschuk angeordnet ist, wobei der direkte Kontakt der Glucose-Oxidase enthaltenden Doppelmembran (4) mit dem umgebenden Medium gewährleistet ist.

18. Membranelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung in einer Kapillare (15) vorgesehen bzw. mit einer Kapillare (15) gekoppelt ist.

19. Membranelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmembran von einer Kunststoff-Faser (17) gebildet ist, wobei die Elektrode (2), die protonenselektive Ionenmembran (3) und die Glucose- Oxidase enthaltende Doppelmembran (4) die Kunststoff- Faser (17) umschließen.

20. Elektronische Schaltung zum Betrieb der Membranelektrode gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit:

1. einer stabilisierten Polarisations-Spannungsquelle (18);
2. zwei Verstärkern (19, 20) hoher Impedanz;
3. einem Parallelwiderstand (21);
4. einem Element zur Verarbeitung und Speicherung der gemessenen Größe; und
5. einer Ausgabeeinrichtung.

21. Elektronische Schaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Schaltung auf zwei voneinander räumlich getrennte Einheiten (25, 26; 27, 28) verteilt ist.

22. Elektronische Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (25, 26; 27, 28) über ein Kabel (29) miteinander verbunden sind.

23. Elektronische Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (25, 26; 27, 28) auf elektro-optische Weise verbunden sind bzw. miteinander in Verbindung stehen.

24. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (21) einen Widerstandswert von 10⁷ bis 10¹¹ Ω besitzt, bevorzugt einen Wert von 10⁹ Ω.