DE10001923C1 - Verfahren zur Bestimmung redoxaktiver Stoffe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung redoxaktiver Stoffe durch Kombination einer membranbedeckten, elektrochemischen Meßzelle mit Redoxmediator und einer Steuereinheit. Die Meßzelle enthält mehrere Arbeitselektroden in großer räumlicher Nähe sowie Schutz- und Gegenelektroden. Die Steuereinheit umfaßt mehrere regelbare Gleichspannungsquellen zur Polarisation der Elektroden und eine Zeitsteuerung, die die Zeitabfolge der Elektrodenpolarisation und der Messung der Ströme steuert. DOLLAR A Der Analyt reagiert in der Meßzelle mit dem Redoxmediator, wobei für sehr geringe Analytkonzentrationen in einem Arbeitsmodus I an den als Anode und Kathode polarisierten Arbeitselektroden ein Redoxrecycling ausgelöst wird. Der dabei fließende Strom wird durch das Redoxrecycling verstärkt und ist der Analytkonzentration proportional. DOLLAR A Bei höheren Analytkonzentrationen wird durch eine automatische Änderung der Elektrodenpolarisation ein Arbeitsmodus II realisiert, bei dem die Meßzelle als bekannter amperometrischer Sensor mit Redoxmediator arbeitet. Damit zeichnet sich dieses Verfahren durch eine sehr tiefe Bestimmungsgrenze und einen sehr großen dynamischen Meßbereich aus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von gasförmigen und gelösten Stoffen, die oxidierbar oder reduzierbar sind, mit Hilfe von Re­ doxmediatoren in elektrochemischen Meßzellen.

Elektrochemische Meßzellen werden in breitem Umfang in der Stoffanalytik eingesetzt, wo­ bei als wichtigste Meßprinzipien die Potentiometrie, Voltammetrie/Polarographie, Coulome­ trie und Konduktometrie zu nennen sind. Die amperometrische Variante, die sich von der Voltammetrie ableitet, nutzt als Meßsignal den elektrischen Strom bei einem vorgegebenen Elektrodenpotential, der bei der Oxidation bzw. Reduktion des zu bestimmenden Stoffes (Analyt) in einer elektrochemischen Meßzelle auftritt. Bei dieser Variante besteht ein direkter linearer Zusammenhang zwischen dem Meßsignal und der Analytkonzentration bis in den unteren mikromolaren Konzentrationsbereich hinein. Ein Beispiel hierfür ist der weit verbrei­ tete Clark-Sensor zur Sauerstoffbestimmung [DE 28 51 447 C2, EP 0205399 A2, M. L. Hitchman. Measurement of Dissolved Oxygen. John Wiley, 2. edition, 1978.]. Grund­ sätzliche Voraussetzungen für die Anwendung der amperometrischen Methode sind die fol­ genden Bedingungen: (i) Der Analyt muß unter den vorliegenden Bedingungen elektroche­ misch aktiv sein, d. h. an der Meßelektrode oxidiert oder reduziert werden; (ii) die Elektroden­ reaktionen müssen schnell ablaufen; (iii) die Elektrodenoberflächen dürfen durch den elektro­ chemischen Prozeß oder andere Vorgänge in der Meßzelle nicht blockiert werden (keine Pas­ sivierung oder Deckschichtbildung an den Elektroden). Nicht immer sind diese Voraussetzun­ gen voll erfüllt, so daß unter Umständen ein reversibles Redoxpaar als Redoxinediator einge­ setzt werden muß [US 3795589, US 5030334]. Der Redoxmediator reagiert in einer schnellen homogenen Redoxreaktion mit dem Analyten vor der Elektrodenoberfläche, um dann seinerseits durch eine elektrochemische Reduktion bzw. Oxidation regeneriert zu wer­ den, d. h. die Elektronenübertragung in der Meßzelle erfolgt über den Redoxmediator. Solche Meßzellen gestatten Messungen, die in Abwesenheit des Redoxmediators nur schlecht oder gar nicht möglich wären. Ein Beispiel hierfür ist die amperometrische H₂S-Bestimmung mit Hilfe von Ferri-/Ferrocyanid als Redoxmediator [DE 196 37 253 A1, P. Jeroschewski, M. Söllig, H. Berge: Amperometrische Bestimmung von Schwefelwasserstoff, Z. Chem. 28 (1988) 75]. Ein grundsätzliches Problem amperometrischer Meßzellen ist ihre Strömungsab­ hängigkeit, die aus dem Analytverbrauch beim Meßvorgang resultiert. Zeitlich stabile Meßsi­ gnale können nur erreicht werden, wenn durch Diffusionsbarrieren, z. B. in Form einer Kapillare [UK 1571282, UK 2049952 A] oder durch Rühren bzw. Anströmen konstante Transportverhältnisse an der Sensoroberfläche eingestellt werden. Bei bestimmten Meßaufga­ ben lassen sich solche Verhältnisse jedoch nicht ohne weiteres realisieren, wie z. B. bei Mes­ sungen mit einer hohen Ortsauflösung in Sedimenten oder Biofilmen. Durch Verwendung von amperometrischen Mikrosensoren kann dieses Problem umgangen werden, da durch die sphä­ rische Diffusion und die äußerst geringen Stoffumsätze Zehrungseffekte vernachlässigbar klein sind und nicht mehr ins Gewicht fallen [P. Jeroschewski, C. Steuckart, M. Kühl: An Amperometric Microsensor for the Determination of H₂S in Aquatic Environments, Anal. Chem. 68 (1996) 4351-4357]; jedoch sind die Meßströme unter diesen Bedingungen sehr gering und liegen im Pikoamperebereich. Die Bestimmungsgrenze amperometrischer Mikro­ sensoren liegt im mikromolaren Konzentrationsbereich. Sie ist durch den Aufbau der Meß­ zelle (sehr geringe Elektrodenoberfläche) gegeben, der neben dem Gehalt des Analyten den Umfang der elektrochemischen Reaktion bestimmt. Unterhalb des mikromolaren Konzentrati­ onsbereiches ist der Umfang der elektrochemischen Reaktion so gering, daß sich das Meßsi­ gnal nicht mehr signifikant vom Grundstrom der Meßzelle unterscheidet. Unter diesen Bedin­ gungen sind keine sinnvollen Messungen mehr möglich. Eine Vergrößerung des Meßsignals kann erreicht werden, wenn eine Vielzahl von parallel geschalteten Mikroelektroden zu einem Array angeordnet wird [W. E. Morf, N. F. de Rooij: Sensors and Actuators B 44 (1997) 538-541], vorausgesetzt, der Abstand der Mikroelektroden ist ausreichend groß, um eine un­ gestörte hemisphärische Diffusion zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen ergibt sich das Meßsignal aus der Summe des Stromes an den einzelnen Mikroelektroden im Array. Al­ lerdings addieren sich auch die Grundströme der einzelnen Mikroelektroden. Eine weitere Möglichkeit zur wesentlichen Vergrößerung des Meßsignals besteht in der Nutzung des Re­ doxrecyclingeffektes, der an interdigitalen Mikroelektrodenarrays [O. Niwa, M. Morita, H. Tabei: Anal. Chem. 62 (1990) 447-452] oder in Kapillarspaltzellen mit Elektrodenabstän­ den von wenigen Mikrometern [S. A. Brooks, R. T. Kennedy: J. Electroanal. Chem. 436 (1997) 27-34] in Gegenwart eines reversiblen Redoxpaares realisiert werden kann. Wegen des sehr geringen Diffusionsweges erfolgt ein rascher Stoffaustausch der oxidierten und reduzier­ ten Form des Redoxpaares zwischen den als Anode und Kathode geschalteten Mikroelektro­ den (Feedback-Diffusion). Die Elektrodenpotentiale von Anode und Kathode müssen dabei mit Hilfe einer Potentialkontrolle auf eine bestimmte Potentialdifferenz eingestellt werden, die das gewünschte Redoxrecycling ermöglicht. Eine analytische Nutzung des Redoxrecy­ clings zur Vergrößerung des Meßsignals und zur Verringerung der Bestimmungsgrenze ist auf diese Weise unmittelbar möglich, wenn der Analyt selbst ein reversibles Redoxpaar bilden kann [O. Niwa: Electroanalysis 7 (1995) 606-613 und J. Polonsky, M. Rievaj, D. Bustin: Chem. Anal. (Warsaw) 42 (1997) 445-450).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei Mikrosensoren - bedingt durch die äußerst geringen Stoffumsätze - nur ein sehr geringer Meßstrom im Pikoamperebereich auftritt, des­ sen zuverlässige Messung unter realen Meßbedingungen nicht trivial und ziemlich aufwendig ist. Dadurch wird die Bestimmungsgrenze bei einer Konzentration von ca. 1 µmol/L erreicht. Die elektrische Verstärkung des Meßstromes ist nicht sinnvoll, da er bei diesen sehr kleinen Konzentrationen von einem störenden Grundstrom überlagert ist. Die Erhöhung des Meß­ stromes durch eine Vielzahl von Mikroelektroden verbessert das Signal/Rauschverhältnis ge­ genüber einer einzelnen Mikroelektrode nicht grundsätzlich, sondern verschiebt nur den Meß­ bereich für das Stromsignal zu meßtechnisch besser beherrschbaren Werten. Die Vergröße­ rung des Meßsignals durch ein Redoxrecycling setzt voraus, daß der Analyt selbst ein rever­ sibles Redoxpaar bildet und die Elektrodenpotentiale der Meßelektroden kontrolliert werden. Der direkte Kontakt der Meßlösung mit den Elektroden der Meßzelle kann leicht zu Störun­ gen der elektrochemischen Reaktionen durch Komponenten der Matrix führen, wodurch die Anwendung solcher Meßsysteme eingeschränkt ist oder vorhergehende Trennoperationen erforderlich sind. Bildet der Analyt kein reversibles Redoxpaar, könnte man zur Nutzung des Redoxrecyclingeffektes mit einem geeigneten Redoxmediator arbeiten; für kontinuierliche Messungen müßte der Redoxmediator aber in definierter Weise ständig ausgetauscht werden.

Erfindungsgemäß werden die genannten Probleme durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Nach der Erfindung kommt ein Verfahren mit einer elektrochemischen Meßzelle und einer Steuereinheit zur Anwendung. Die elektrochemische Meßzelle besteht aus interdigitalen Mi­ kroelektroden bzw. Kapillarspaltelektroden als Arbeitselektroden, einer Schutzelektrode so­ wie einer Gegenelektrode und enthält eine einheitliche Elektrolytlösung mit einem Redoxme­ diator. Die Meßzelle besitzt Öffnungen im Mikrometerbereich, die mit einer für den Analyten permeablen Membran gegenüber der Meßprobe verschlossen sind, um Matrixstörungen weit­ gehend zu unterdrücken. Sie sind geometrisch so angeordnet, daß eine sphärische Diffusion des Analyten an jeder einzelnen Öffnung ohne eine gegenseitige Beeinflussung gewährleistet ist. Die Elektroden der Meßzelle werden mit Hilfe mehrerer Spannungsquellen aus der Steu­ ereinheit in einer bestimmten zeitlichen Abfolge mit vorgegebenen Gleichspannungen ohne eine äußere Potentialkontrolle polarisiert und dabei wird in bestimmten Zeitintervallen ein Strom als Meßsignal registriert, der aus einer Reaktion des Analyten mit dem Redoxmediator resultiert und der Analytkonzentration proportional ist. Daraus ergeben sich die Arbeitsmodi I und II. Diese Meßanordnung gestattet einerseits die Nutzung der bereits beschriebenen Vor­ teile amperometrischer Mikrosensoren mit Redoxmediator (Arbeitsmodus II), vermag aber andererseits die Bestimmungsgrenze dieser Sensoren dadurch zu verringern, daß durch ein zeitabhängiges Redoxcycling an dem interdigitalen Mikroelektrodenarray oder in der Kapil­ larspaltzelle eine Signalvergrößerung erreicht wird (Arbeitsmodus I). Durch die Wahl des Arbeitsmodus und des Zeitintervalls für das Redoxcycling kann die Meßeinrichtung den je­ weiligen Erfordernissen in einem sehr großen Konzentrationsbereich angepaßt und die Be­ stimmungsgrenze verringert werden. Im Arbeitsmodus I ergibt sich die Verringerung der Be­ stimmungsgrenze aus dem Redoxcycling des Redoxmediators, was im Prinzip einer Verstär­ kung des Meßstromes durch Feedbackdiffusion entspricht und durch Integration über die Zeitdauer des Redoxrecyclingprozesses erreicht wird (Anreicherungseffekt). Liegt eine größe­ re Analytkonzentration vor, schaltet die Meßeinrichtung automatisch in den Arbeitsmodus II um und arbeitet als membranbedeckter amperometrischer Mikrosensor. Die Kombination von Arbeitsmodus I und II gestattet quantitative Bestimmungen in einem sehr großen dynamischen Konzentrationsbereich von fünf bis sechs Zehnerpotenzen mit einer einzigen Meßeinrichtung. Die erreichbare Bestimmungsgrenze ist dabei sehr gut und liegt im nanomo­ laren Bereich.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Meßprinzips der Erfindung beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Kapillarspaltelektrodenanordnung in Verbindung mit einer elektronischen Steuer­ einrichtung

Fig. 2 die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Meßparametern und Meßgrö­ ßen und die entsprechende Zuordnung der Betriebszustände der Meßanordnung für verschiedene Konzentrationen.

In Fig. 1 sind die Meßzelle und Steuereinrichtung nur in ihrer prinzipiellen Anordnung darge­ stellt: Die elektrochemische Kapillarspaltzelle 1 enthält zwei parallel angeordnete Elektroden 2 und 3, deren Abstand nur wenige Mikrometer und deren Dicke groß gegenüber ihrem Ab­ stand ist. Sie sind nach außen mit einer für neutrale Moleküle durchlässigen Schicht 4 (z. B. Silikongummi oder hydrophobe mikroporöse PTFE-Membran) bedeckt, wodurch der Spalt 5 zwischen den Elektroden gegenüber dem Meßmedium verschlossen wird. An dieser Stelle erfolgt der Eintritt des Analyten in die Meßzelle. Die Unterseiten der Elektroden 2 und 3 im Inneren der Meßzelle sind mit einer isolierenden Schicht 6 versehen, so daß nur die Flächen in dem Kapillarspalt 5 elektrochemisch aktiv sind. Weiterhin befinden sich in der Meßzelle eine Schutzelektrode 7 und eine Gegenelektrode 8 sowie eine Elektrolytlösung 9, in der ein Re­ doxmediator gelöst ist. Der Kapillarspalt 5 ist mit der redoxmediatorhaltigen Elektrolytlösung 9 gefüllt.

Die Steuereinheit 10 umfaßt zwei regelbare Gleichspannungsquellen 11 und 12 zur Polarisati­ on der Elektroden und eine Zeitsteuerung 16, die die Zeitabfolge der Elektrodenpolarisation und der Messung der Ströme I^I und I^II über die Schalter 13, 14 und 15 steuert.

Fig. 2 zeigt die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Meßparametern und Meßgrößen und die entsprechende Zuordnung der Betriebszustände der Meßanordnung für verschiedene Konzentrationen. Während der Meßphase t₁ befinden sich Schalter 13 in ge­ schlossenem, Schalter 14 und 15 in offenem Zustand. Damit ist die Spannung 11 an den Ar­ beitselektroden 2 und 3 wirksam. Wenn zur Zeit t₁c_a = 0 (c_a = Analytkonzentration) ist und damit nur die eine Form des Redoxmediators im Spalt 5 vorliegt, findet zwischen den Arbeit­ selektroden 2 und 3 kein Redoxcycling statt und das Instrument I^I registriert keinen Strom­ fluß.

Wird nun während des Zeittaktes t₂ die Rückstellphase betrieben, die durch Öffnen des Schalters 13 und gleichzeitiges Schließen der Schalter 14 und 15 gekennzeichnet ist, wird die Spannung 11 an den Arbeitselektroden 2 und 3 unwirksam. Da im Spalt 5 wegen c_a = 0 keine Umwandlung des Redoxmediators erfolgte, wird auch kein Strom I^K auftreten.

In der Meßphase t₃, die wiederum durch den geschlossenen Schalter 13 und die geöffneten Schalter 14 und 15 gekennzeichnet ist, wird für den Fall 0 < c_a < c_max durch Übergang des Analyten in den Spalt 5 und Reaktion mit dem Redoxmediator ein Redoxcycling im Spalt 5 ablaufen, dessen Umfang mit der Analytmenge, die in den Spalt 5 eintritt, zunimmt. Meßbares Ergebnis ist ein mit der Zeit ansteigender Strom I^I, dessen Höchstwert am Ende der Phase t₃ ein Maß für die Analytkonzentration ist.

Seine Größe ist von dem aktuellen Konzentrationsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form des Redoxmediators c(Ox)/c(Red) der Redoxmediatorkomponenten Ox und Red abhän­ gig. Dieses Konzentrationsverhältnis wird durch die chemische Reaktion des Analyten mit einer Komponente des Redoxmediators bestimmt, so daß der Strom I^I das konzentrationspro­ portionale Meßsignal darstellt. Gleichzeitig liegt an der Schutzelektrode 7 und an der Ge­ genelektrode 8 die Gleichspannung 12, wodurch störende Komponenten aus dem Inneren der Elektrolytlösung an der Schutzelektrode elektrochemisch umgewandelt werden und damit keinen Einfluß auf das Konzentrationsverhältnis der oxidierten zur reduzierten Form des Re­ doxmediators c(Ox)/c(Red) im Elektrodenspalt 5 ausüben können.

Für fortlaufende Messungen ist nach einem bestimmten Zeitintervall eine Rückstellung des Konzentrationsverhältnisses c(Ox)/c(Red) auf einen vorgegebenen Ausgangswert erforderlich. Die Rückstellphase t₄ wird durch Öffnen von Schalter 13 und Schließen von Schalter 14 und 15 realisiert. In der Rückstellphase werden beide Arbeitselektroden 2 und 3 sowie die Schutzelektrode 7 durch die Spannung 12 auf ein Elektrodenpotential polarisiert, bei dem der Redoxmediatoranteil, der sich durch die Reaktion mit dem Analyten gebildet hat, wieder zu­ rück verwandelt wird, so daß im Spalt 5 wieder die Konzentrationsverhältnisse des Redoxme­ diators wie zu Beginn der Meßphase t₃ vorliegen. In der Rückstellphase dient der Strom I^K zur Überwachung der Meßeinrichtung. Er kann aber auch prinzipiell für eine Meßwertgewinnung genutzt werden, da die während der Meßphase umgewandelte Menge des Redoxmediators proportional zur Analytkonzentration ist.

In der Meßphase t₅, bei der die Schalterpositionen wie in den vorausgegangenen Meßphasen sind, ist der Fall dargestellt, daß die Analytkonzentration c_a den Wert C_max annimmt und der Meßstrom I^I zum Ende der Periode von t₅ einen bestimmten Schwellwert I^IS erreicht. Der Schwellwert I^IS wird so gewählt, daß das Stromsignal noch im linearen Bereich der Strom- Konzentrations-Beziehung liegt. Das Erreichen des Schwellwertes I^IS wird von der Steuerein­ heit 10 ausgewertet und die sich anschließende Rückstellphase t₆ mit den Schalterstellungen wie in den vorangegangenen Rückstellphasen ausgeführt. Anschließend wird das Meßsystem durch die Steuereinheit 10 in den Arbeitsmodus II umgeschaltet, um Messungen bei größeren Analytkonzentrationen c_a ≧ c_max durchführen zu können. Im Arbeitsmodus II wird die Meß­ zelle als amperometrischer Mikrosensor mit Redoxmediator genutzt.

Dieser Modus II ist durch den offenen Schalter 13 und die geschlossenen Schalter 14 und 15 gekennzeichnet. Das konzentrationsproportionale Meßsignal ist dann der Strom I^II, der aus der elektrochemischen Oxidation bzw. Reduktion einer Komponente des Redoxmediators, die sich durch eine homogene Redoxreaktion des Mediators mit dem Analyten gebildet hat, an beiden Elektroden 2 und 3 des Kapillarspaltes 5 resultiert. Hierbei tritt kein Redoxcycling auf. Der Arbeitsmodus II hat Bedeutung für höhere Analytkonzentrationen. Sinkt die Analytkon­ zentration und erreicht der Strom I^II einen unteren Schwellwert I^IIS, so schaltet die Steuerein­ heit 10 die Meßeinrichtung wieder in den Arbeitsmodus I zurück. Zweckmäßigerweise wird der Übergang vom Arbeitsmodus I in den Modus II und umgekehrt mit Hysterese ausgeführt, um instabile Betriebszustände, die sich an der Umschaltgrenze ergeben könnten, zu vermei­ den. Damit paßt sich die Meßeinrichtung den jeweiligen Konzentrationsverhältnissen optimal an.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung redoxaktiver Stoffe durch eine Redoxaktion eines Analyten mit einer Komponente eines Redoxmediators in membranbedeckten, ungeteilten elektro­ chemischen Meßzellen (1) mit Arbeits-, Schutz- und Gegenelektroden (2, 3, 7, 8), wobei in einem Arbeitsmodus I für sehr geringe Analytkonzentrationen aus einem durch den Analyten ausgelösten Redoxcyclingsprozeß des Redoxmediators an mehreren in großer räumlicher Nähe zueinander befindenden als Anode und Kathode geschalteten Arbeitse­ lektroden (2, 3) und in einem Arbeitsmodus II für höhere Analytkonzentrationen aus der elektrochemischen Rückreaktion der durch den Analyten umgewandelten Redoxmediator­ komponente an als Anode oder Kathode geschalteten Arbeitselektroden (2, 3) ein konzen­ trationsproportionales Stromsignal ergibt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Steuereinheit (10) nach einem variabel vorwählbaren Zeitregime die Polarisationsspannungen für die Elektroden in der Meßzelle (1) bereitgestellt und die Stromsignale erfaßt werden und daß abhängig von der Analytkonzentration der Arbeitsmodus I mit einer Meß- und einer Rückstellphase und der Arbeitsmodus II automatisch gewählt werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Arbeitsmo­ dus I durch Eintritt eines Analyten in die Meßzelle (1) in einer zeitlich variablen Meßpha­ se zwischen den als Anode und Kathode geschalteten Arbeitselektroden (2, 3) ein Redox­ cycling stattfindet, dessen Umfang mit der in die Meßzelle (1) eintretenden Analytmenge zunimmt und sich damit bezüglich der Meßgröße ein Anreicherungseffekt mit einer Si­ gnalverstärkung ergibt und in einer sich an die Meßphase anschließenden, zeitlich varia­ blen Rückstellphase das Konzentrationsverhältnis c(Ox)/c(Red) des Redoxmediators durch Anlegen einer Gleichspannung (U12) an die Arbeits- und Schutzelektroden einer­ seits und die Gegenelektroden andererseits auf einen Ausgangswert zurückgestellt wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Re­ doxcycling resultierende Strom (I^I), vorzugsweise am Ende der Meßphase oder die Strommenge in der Rückstellphase als konzentrationsproportionale Größen gemessen werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitsmodus II die Meßzelle (1) als bekannter amperometrischer Sensor mit Schutzelektrode und Redox­ mediator arbeitet.

6. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmodus II durch die Steuereinheit (10) in Abhängigkeit vorwählbarer Stromschwellwerte automa­ tisch eingeschaltet oder ausgeschaltet wird und damit ein sehr großer dynamischer Be­ stimmungsbereich realisiert wird.