DE19747875A1 - Verfahren zum Messen veränderlicher Größen und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen veränderlicher Größen in einem Meßmedium mit Hilfe von chemischen oder biochemischen Sensoren so­ wie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfah­ rens.

Derartige Meßverfahren werden beispielsweise in der Medizintechnik, im Umweltschutz, in der Lebensmittel­ technologie und in vielen anderen Bereichen durchge­ führt.

Es ist bekannt, daß chemische und biochemische Senso­ ren zur Messung von Stoffkonzentrationen und Ionen­ aktivitäten verwendet werden (K. Cammann et al, Che­ mical and Biochemical Sensors, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Band B 6, Seiten 121-212). Zur Messung von Ionenaktivitäten in einem wäßrigen Meßmedium werden ionenselektive Elektroden in Verbin­ dung mit Bezugselektroden eingesetzt. Die Messung der Ionenaktivität und der daraus abgeleiteten Ionenkon­ zentration erfolgt auf potentiometrischem Wege durch Messung der elektrischen Spannung zwischen ionense­ lektiver Elektrode und Bezugselektrode.

Amperometrische Chemosensoren lassen sich z. B. für die Messung von Konzentrationen gelöster Gase in wäß­ rigen Lösungen einsetzen (F. Oehme, Chemische Senso­ ren, Vieweg-Verlag, Braunschweig, 1991). Die Messung der Stoffkonzentration geschieht nach Anlegen einer kleinen elektrischen Spannung (z. B. 600 mV) zwischen Arbeitselektrode und Bezugselektrode und Messung des elektrischen Stromes.

Es ist auch bekannt, daß potentiometrische und ampe­ rometrische Chemosensoren zu Biosensoren erweitert werden können. Hierfür werden als stofferkennende Biokomponenten z. B. Enzyme und Mikroorganismen einge­ setzt. Auch sind elektrochemische Immunsensoren be­ kannt.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, daß Che­ mo- und Biosensoren nicht auf so einfache Weise für Meßzwecke eingesetzt werden können wie physikalische Sensoren (Temperatursensoren, Drucksensoren usw.) Eine wesentliche Ursache hierfür ergibt sich aus der unmittelbaren Stoffwechselwirkung mit der stofferken­ nenden Oberfläche. Dies führt nicht nur zur Ver­ schmutzung des Sensors, sondern darüber hinaus auch zu Drifterscheinungen. Die Drift eines Sensors be­ wirkt, daß zwischen der Eingangsgröße und dem Aus­ gangssignal keine dauerhaft stabile Beziehung be­ steht. Dieser Zusammenhang wird vor der Messung durch eine Kalibrierung des Sensors hergestellt. Die Drift des Sensors muß daher durch regelmäßige Rekalibrie­ rung berücksichtigt werden.

Dies führt zu einer komplizierten Handhabung von Che­ mo- und Biosensoren.

Ein zusätzliches Problem ergibt sich beim Einsatz ionenselektiver Elektroden. Für die Messung der Io­ nenaktivität wird zusätzlich eine Bezugselektrode benötigt, die konstante Potentialverhältnisse gegen­ über dem wäßrigen Meßmedium sicherstellt. Solche Be­ zugselektroden lassen sich nur schwer in miniaturi­ sierter Form realisieren.

Zur Überwindung dieser Probleme können z. B. Durch­ flußsysteme eingesetzt werden. Das bekannteste Bei­ spiel hierfür ist ein System zur Fließinjektionsana­ lyse (FIA) (G. Schwedt, Taschenatlas der Analytik, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1992, S. 190-195). Derartige Systeme sind jedoch technisch aufwendig und nicht für jeden Einsatz geeignet.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen verän­ derlicher Größen in einem Meßmedium mit Hilfe von chemischen oder biochemischen Sensoren anzugeben, bei denen in miniaturisierter Form vorliegende Sensoren sich selbst kalibrieren und für den Anwender das Ka­ librieren mit abwechselnden Einbringen des Sensors in ein Kalibrier- und ein Meßmedium entfällt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst für das Verfahren durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils zugeordneten Unteran­ sprüchen.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird der mindestens eine Sensor vor der Messung mit einem Kalibriermedium über einen Kanal mit geringem Querschnitt in Kontakt gebracht, und nach Anschluß der Sensoren an ein elek­ trisches Meßgerät und Messen des elektrischen Sensor­ signals werden die Werte für eine Kalibrierung gewon­ nen. Anschließend wird der bzw. mindestens eine Sen­ sor mit dem Meßmedium durch Austausch mit dem Kali­ briermedium mittels Diffusion in Kontakt gebracht, wobei das Meßmedium über mikroskopische Öffnungen, z. B. in einer für den Analyten permeablen Schicht oder Membran oder einen makroskopisch geöffneten, dem Sensor gegenüberliegenden Bereich eines Kanals dem Sensor zugeführt wird. Dies kann durch Eintauchen der permeablen Membran bzw. des makroskopisch geöffneten Bereichs in das Meßmedium oder durch Aufgabe des Meß­ mediums auf die permeable Membran bzw. den makrosko­ pisch geöffneten Bereich erfolgen. Auf diese Weise wird das Kalibriermedium vor dem Sensor durch das Meßmedium ersetzt.

Aus der Differenz der Meßsignale vor und nach dem Inkontaktbringen des Sensors mit dem Meßmedium bzw. aus der Differenz der Meßsignale des mit dem Meßmedi­ um in Kontakt gekommenen Sensors und eines von diesem Sensor weiter entfernten Sensors, der mit dem Meßme­ dium nicht in Kontakt gekommen ist, läßt sich die Stoffkonzentration im Meßmedium bestimmen.

Als Sensorelemente können alle bekannten chemischen und biochemischen Sensoren eingesetzt werden, z. B. ionenselektive Elektroden zur Bestimmung von Ionen­ aktivitäten, ionenselektive Elektroden zur Konzentra­ tionsbestimmung gelöster Gase in wäßrigen Lösungen, amperometrische Sensoren sowie Biosensoren auf der Basis von Enzymen, Mikroorganismen, Antikörpern und anderen Biokomponenten.

Der Kanal kann mit dem flüssigen Kalibriermedium völ­ lig ausgefüllt sein. Es ist jedoch ebenso möglich, den Kanal ganz oder teilweise mit einer Haltematrix auszufüllen, die das Kalibriermedium aufnimmt. Als Materialien für eine derartige Haltematrix können Mikrofasergeflechte, Papiere, Gele, textile Geflech­ te, Gewebe, Gewirke, Schäume und andere geeignete Stoffe verwendet werden.

Die Kanalbefüllung mit dem Kalibriermedium kann ent­ weder direkt nach der Herstellung der Meßvorrichtung oder kurz vor der Messung erfolgen.

Ein System mit Zwei- bzw. Mehrpunktkalibrierung kann dadurch realisiert werden, daß zwei bzw. mehrere Vor­ richtungen der vorliegenden Art mit zwei bzw. mehre­ ren Kalibrierlösungen mit unterschiedlichen Konzen­ trationen des Analyten parallel eingesetzt werden.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die chemischen und biochemischen Sensoren vor der Messung automatisch kalibriert werden. Insbesondere für den Einsatz potentiometrischer Sensoren kann durch Anwendung des Prinzips der Nullpunktpotentiome­ trie mit gleichartigen ionenselektiven Elektroden als Meß- und Bezugselektroden auf komplizierte Gegenelek­ troden verzichtet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen amperometrischen Chemosen­ sor,

Fig. 2 einen potentiometrischen Chemo­ sensor mit einer Referenz- und Pseudoreferenzelektrode,

Fig. 3 den potentiometrischen Chemosen­ sor nach Fig. 2 mit einem zusätz­ lichen Kapillarkanal zur Aufnahme des Meßmediums,

Fig. 4 eine Variante des Chemosensors nach Fig. 3,

Fig. 5 den amperometrischen Chemosensor nach Fig. 1 mit einer zusätzli­ chen Membran, und

Fig. 6 den amperometrischen Chemosensor nach Fig. 1 ebenfalls mit einer zusätzlichen Membran.

Fig. 7 einen potentiometrischen Chemo­ sensor mit einer ionenselektiven Elektrode und einer Referenzel­ ektrode,

Fig. 8 eine Modifikation des Sensors nach Fig. 7,

Fig. 9 ebenfalls eine Modifikation des Sensors nach Fig. 7,

Fig. 10 eine weitere Modifikation des Sensors nach Fig. 7, und

Fig. 11 eine verdoppelte Ausbildung des Sensors nach Fig. 7.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Hierin zeigt Fig. 1a die einzel­ nen Schichten einer Sensorkonfiguration in auseinan­ dergezogener Darstellung, und Fig. 1b zeigt die Kon­ figuration der zu dem Sensor zusammengefügten Schich­ ten.

Auf einem Träger 1 sind die Arbeitselektrode 5 und die Gegenelektrode 6 eines amperometrischen Sensors realisiert. Die Elektroden 5 und 6 sind über Leiter­ bahnen 7 und 8 mit elektrischen Anschlüssen 9 und 10 verbunden. Die Arbeitselektrode 5 besteht z. B. aus Platin oder Gold. Die Gegenelektrode 6 kann als Sil­ berfilm realisiert sein, der an seiner Oberfläche chloridisiert sein kann. Die Leiterbahnen 7 und 8 sowie die elektrischen Anschlüsse 9 und 10 können aus Platin, Gold, Silber oder anderen Materialien herge­ stellt sein.

Der Träger 1 besteht beispielsweise aus einer Folie aus Polyester oder einem anderen Kunststoff. Seine Dicke liegt zwischen 0,1 und 5 mm, vorzugsweise bei 0,2 mm. Er kann jedoch auch aus Glas oder Keramik bestehen.

Das Aufbringen der Arbeits- und Gegenelektrode 5, 6 sowie der Leiterbahnen 7, 8 und der elektrischen An­ schlüsse 9, 10 erfolgt in bekannter Weise durch Sieb­ druckverfahren, Aufdampf- oder Sputterverfahren mit nachfolgender Lithographie oder durch bekannte Ver­ fahren der Leiterplattenherstellung mit nachfolgender galvanischer Abscheidung der gewünschten Edelmetall­ materialien. Die entsprechenden Schichtdicken betra­ gen zwischen 0,1 und 10 µm, vorzugsweise 1 µm.

Das Zusammenfügen der einzelnen Schichten kann durch bekannte Kleb- oder Laminiertechniken, insbesondere auch durch Heißlaminiertechniken, erfolgen.

Auf den Träger 1 wird eine Trägerabdeckung 2 z. B. durch Kleben aufgebracht. Die Trägerabdeckung 2 kann aus dem gleichen Material wie der Träger 1 bestehen. In der Trägerabdeckung 2 ist durch Ausstanzen oder Bohren ein Durchbruch 11 ausgebildet. Nach Aufbringen der Trägerabdeckung 2 auf den Träger 1 läßt der Durchbruch 11 die Arbeitselektrode 5 sowie die Gegen­ elektrode 6 frei.

Der Durchbruch 11 in der Trägerabdeckung 2 dient als Kammer für die Aufnahme eines Sensormembranmaterials. Hierfür wird eine Membran 15 durch Einfüllen einer Membranlösung in den Durchbruch 11 realisiert. Für die Herstellung eines Glucosesensors besteht dieses Membranmaterial aus einem Hydrogel mit dem immobili­ sierten Enzym Glucoseoxydase.

Auf die Trägerabdeckung 2 wird beispielsweise durch ein Klebverfahren ein Kanalträger 3 aufgebracht. Der Kanalträger 3 besteht beispielsweise aus einem Fil­ terpapier mit einer Dicke von 100 µm, dessen Faser­ struktur mit Hilfe des Siebdruckverfahrens mit Aus­ nahme des einen Kanal 12 bildenden inneren Bereichs versiegelt ist. Dies bedeutet, daß der Kanalträger 3 nur noch im Bereich des Kanals 12 Papiereigenschaften hat.

Es ist ebenso möglich, den Kanalträger 3 aus einer Kunststoffolie herzustellen, die einen dem Kanal 12 entsprechenden Ausschnitt hat. In diesen ist ein Fil­ terpapier eingelegt, so daß auch hier der Kanal 12 eine Haltematrix aus Filterpapier enthält.

Der Kanalträger 3 wird durch eine Abdeckung 4 mit zwei Durchbrüchen 13 und 14 abgedeckt. Die Abdeckung 4 kann aus dem gleichen Material wie die Trägerab­ deckung 2 hergestellt und durch ein Klebverfahren aufgebracht sein.

Zur Durchführung beispielsweise einer Glucosemessung wird der Träger 1 mit den elektrischen Anschlüssen 9, 10 in einen Steckverbinder oder eine andere Kon­ taktvorrichtung eines elektrischen Meßgerätes einge­ schoben. Bei einer amperometrischen Messung wird eine kleine elektrische Spannung (z. B. 600 mV) zwischen die elektrischen Anschlüsse 9 und 10 gelegt und der elektrische Strom gemessen. Vor der Messung wird eine Kalibrierflüssigkeit mit bekannter Glucosekonzentra­ tion durch den Durchbruch 14 in der Abdeckung 4 dem Kanal 12 zugeführt. Aufgrund der Kapillarwirkung des Filterpapiers verteilt sich die Kalibrierlösung gleichmäßig im Kanal 12. Auf diese Weise erreicht die Kalibrierflüssigkeit die Sensormembran 15. Mit Hilfe des elektrischen Meßgerätes kann nun der elektrische Strom gemessen werden, der ein Maß für die Glucose­ konzentration in der Kalibrierflüssigkeit ist.

Nach erfolgter Sensorkalibrierung wird der Träger 1 mit dem Meßmedium in Kontakt gebracht. Dies kann da­ durch erfolgen, daß der Träger 1 mit seinem unteren Ende so weit in das Meßmedium eingetaucht wird, daß der Durchbruch 13 in der Abdeckung 4 mit dem Meßmedi­ um bedeckt ist. Durch einen Stoffaustausch mittels Diffusion zwischen dem Meßmedium und dem Kanal 12 gleicht sich die Glucosekonzentration im Kanal 12 über der Sensormembran 15 der des Meßmediums an. Nach vollständigem Stoffaustausch ist die Glucosekonzen­ tration im Kanal 12 stabil. Der zwischen den elektri­ schen Anschlüssen 9 und 10 gemessene Strom ist somit ein Maß für die Glucosekonzentration im Meßmedium.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird ein potentiometrischer Chemosensor verwendet, der nach dem Prinzip der Nullpunktpotentiometrie arbei­ tet. Auf einen Träger 1 aus Polycarbonat sind Rück­ seitenkontakte 16, 18 von ionenselektiven Elektroden (ISE), der Kontakt 17 einer Pseudoreferenzelektrode, Leiterbahnen 19, 20, 21 sowie elektrische Anschlüsse 22, 23, 24 beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht. Die genannten Kontakte und Leiterbahnen bestehen z. B. aus einem Silberfilm mit einer Dicke von 1 µm.

Eine Trägerabdeckung 2' aus Polycarbonat ist auf den Träger 1' aufgeklebt. Die Trägerabdeckung 2' besitzt drei Durchbrüche 25, 26 und 27. In den Durchbrüchen 25 und 27 wird durch Einpipettieren einer Membranlösung jeweils eine ionenselektive Membran 15' des gleichen Typs hergestellt. Der Durchbruch 26 bleibt offen. Ein Kanalträger 3', der wie beim ersten Ausführungsbei­ spiel hergestellt ist, wird auf die Trägerabdeckung 2' aufgeklebt. Entsprechend dem ersten Ausführungs­ beispiel erfolgt der Abschluß des Kanals 12 durch eine Abdeckung 4', die auf den Kanalträger 3' aufge­ klebt ist.

Nach der Herstellung dieser Sensorkonfiguration aus den Schichten 1' bis 4' wird eine Kalibrierlösung in den Kanal 12 eingebracht. Dies geschieht beispiels­ weise durch Einpipettieren der Lösung durch den Durchbruch 13'. Hierfür kann sich zusätzlich in der Deckschicht 4' ein Entlüftungsloch befinden (in der Figur nicht dargestellt). Es ist ebenso möglich, den Kanal 12 nach dem Verfahren der Vakuumbefüllung zu füllen. Hierfür wird die Sensorkonfiguration nach Fig. 2b mit dem unteren (in der Figur vorderen) Ende so in ein Gefäß mit Kalibrierlösung gestellt, daß der Durchbruch 13' vollständig von der Kalibrierlösung bedeckt ist. Wird anschließend in der Umgebung ein Vakuum erzeugt, so entweicht die Luft aus dem Kanal 12 und die Kalibrierflüssigkeit füllt diesen voll­ ständig aus.

Nach der Kanalbefüllung kann der Durchbruch 13' in der Deckschicht 4' z. B. mit einer Klebefolie ver­ schlossen werden, die vor Gebrauch leicht abgezogen werden kann (in Fig. 2b nicht dargestellt).

Vor der Messung wird der Träger 1' mit seinen elek­ trischen Anschlüssen 22, 23 und 24 in eine Steckvor­ richtung eines elektrischen Meßgerätes eingeschoben.

Da die Membranen 15' der ionenselektiven Elektroden mit den Rückseitenkontakten 16, 18 und dem Kontakt 17 der Pseudoreferenzelektrode sowie mit dem Kalibrier­ medium im Kanal 12 in Kontakt sind, kann zwischen den elektrischen Anschlüssen 23 und 24 gegen die Pseudo­ referenzelektrode mit dem elektrischen Anschluß 22 eine elektrische Spannung gemessen werden. Aufgrund der homogenen Verteilung des Kalibriermediums im Ka­ nal 12 beträgt diese elektrische Spannung bei gleich­ artigen ionenselektiven Membranen 15' zunächst null Volt. Ist aufgrund von Fertigungstoleranzen der io­ nenselektiven Elektroden die Spannung nicht gleich null, so kann bei Auswertung der elektrischen Meßsi­ gnale der gemessene Spannungswert zu Null gesetzt werden. Damit ist die Kalibrierung des Sensors abge­ schlossen.

Zur Messung in einem Meßmedium wird die nicht darge­ stellte Klebefolie vom Durchbruch 13' auf der Abdec­ kung 4' abgezogen. Anschließend wird die Sensorkon­ figuration dadurch mit dem Meßmedium in Kontakt ge­ bracht, daß der Durchbruch 13' in das Meßmedium ein­ getaucht wird. Durch Stoffaustausch zwischen dem Meß­ medium und dem Kanal 12 gleicht sich die Analytkon­ zentration im Bereich oberhalb des Durchbruchs 25 der Konzentration des Meßmediums an. Da die Haltematrix (Filterpapier) im Kanal 12 bereits vollständig mit Kalibrierlösung gefüllt war, bleibt die Ionenkonzen­ tration im Bereich des Durchbruchs 27 hingegen über längere Zeit stabil.

Aufgrund der unterschiedlichen Ionenkonzentrationen im Bereich der Durchbrüche 25 und 27 ergeben sich an den ionenselektiven Elektroden mit den Rückseitenkon­ takten 16, 18 bzw. den elektrischen Anschlüssen 24, 23 unterschiedliche Potentiale, die jeweils gegenüber der Pseudoreferenzelektrode 17 bzw. dem Anschluß 22 gemessen werden.

Zusätzlich ist es möglich, oberhalb des Durchbruchs 13' auf der Abdeckung 4' eine Schicht aus Filterpa­ pier oder anderem Material aufzubringen, welche das Meßmedium aufnimmt (in Fig. 2 nicht dargestellt).

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 wieder­ gegeben. Hierin entspricht die Anordnung aus Träger 1', Trägerabdeckung 2' und Kanalträger 3' derjenigen in Fig. 2. Zusätzlich ist bei diesem Ausführungsbei­ spiel ein Kapillarkanalträger 28 vorgesehen, der auf den Kanalträger 3' aufgeklebt ist. Ein in dem Kapil­ larkanalträger 28 vorhandener Kapillarkanal 30 wird oben durch die Abdeckung 4'' geschlossen. Der Kapil­ larkanal 30 kann am unteren (in Fig. 3 vorderen) Ende der Sensorkonfiguration mit dem Meßmedium in Kontakt gebracht werden, welches aufgrund der Kapillarkräfte in den Kanal 30 hineingezogen wird. Eine Entlüftung des Kanals 30 erfolgt über den Durchbruch 19 in der Abdeckung 4''.

Eine derartige Sensorausbildung mit Kapillarkanal ist besonders dann vorteilhaft, wenn nur sehr geringe Mengen des Meßmediums für die Messung zur Verfügung stehen.

Beim vierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 tritt der Kapillarkanal 30' zur Aufnahme des Meßmediums nicht an der Stirnseite der Sensoranordnung aus. Das Meßmedium wird hier über einen Durchbruch 33 in der Abdeckung 4''' aufgegeben. Ein Durchbruch 29 in der Abdeckung 4''' dient zur Entlüftung des Kapillarkanals 30'.

Das in Fig. 5 gezeigte fünfte Ausführungsbeispiel basiert auf der Sensorkonfiguration nach Fig. 1. Für die Realisierung eines amperometrischen Sensors zur Messung von Konzentrationen des gelösten Sauerstoffs in wäßrigen Medien ist zwischen der Trägerabdeckung 2 und dem Kanalträger 3 eine zusätzliche Membran 32 als gaspermeable Schicht eingebracht. In den Durchbruch 11 der Trägerabdeckung 2 ist ein KCl-Gel 15 als Elek­ trolytschicht eingebracht. Auf diese Weise wird eine Sensorkonfiguration erhalten, die analog zum Clark-Prinzip aufgebaut ist.

Auch das in Fig. 6 gezeigte sechste Ausführungsbei­ spiel basiert auf der Konfiguration nach Fig. 1. Ab­ weichend von dieser besteht hier der Kanalträger 3'' aus einer Polyesterfolie, aus der der Kanalbereich 12' ausgestanzt ist. Der Kanal 12' wird durch eine Dialysemembran 32' abgedeckt. Den oberen Abschluß bildet wieder die Abdeckung 4. Das Einbringen der Kalibrierlösung in den Kanal 12' erfolgt hier nach dem Prinzip der Vakuumbefüllung.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 zeigt eine Sen­ sorkonfiguration mit einer ionenselektiven Elektrode sowie einer konventionellen Referenzelektrode. Auf einen Träger 1' sind der Rückseitenkontakt 16 einer ionenselektiven Elektrode, eine Leiterbahn 21' sowie ein elektrischer Anschluß 24' aufgebracht. Rücksei­ tenkontakt 16, Leiterbahn 21' sowie elektrischer An­ schluß 24' bestehen z. B. aus einem Silberfilm. Zu­ sätzlich wird auf den Träger 1' ein Silberkontakt 37 mit einer Leiterbahn 20' sowie einem elektrischen Anschluß 22' aufgebracht. Der Silberkontakt 37 sowie Teile der Leiterbahn 20' bestehen aus Silber, das an der Oberfläche chloridisiert ist. Dieser AgCl-Kontakt bildet die Ableitung für eine konventionelle Refe­ renzelektrode. Der Träger 1' wird durch eine Träger­ abdeckung 2'' mit Hilfe eines Klebeverfahrens abge­ deckt. Die Trägerabdeckung 2'' besitzt 2 Durchbrüche 25, 27. In den Durchbruch 25 wird ein ionenselektives Membranmaterial 15' eingebracht. Wie im Beispiel nach Fig. 2 wird die Anordnung durch einen Kanalträger 3' sowie eine Abdeckung 4' ergänzt. Der Kanal 12 im Ka­ nalträger 3' wird z. B. mit Hilfe des Vakuumbefül­ lungsverfahrens mit einer Kalibrierflüssigkeit durch den Durchbruch 13' hindurch befüllt. Besitzt die Ka­ librierflüssigkeit eine definierte Chloridionenkon­ zentration, so stellt sich an der Phasengrenze zwi­ schen dem chloridisierten Silberkontakt 37 und der Kalibrierflüssigkeit eine definierte Potentialdiffe­ renz ein. Auf diese Weise wirkt der Silberkontakt 37 als konventionelle Referenzelektrode. Wird über den Durchbruch 13' ein Meßmedium dem Kanal 12 zugeführt, so kommt es zum Austausch des Kalibriermediums durch das Meßmedium. Dies führt zu einer Veränderung des elektrischen Potentials zwischen dem Rückseitenkon­ takt 16 der ionenselektiven Elektrode und der Flüs­ sigkeit im Kanal 12 oberhalb der Membran 15'. Da das Meßmedium über längere Zeit hinweg nicht den Bereich des chloridisierten Silberkontaktes 37 erreichen kann, bleibt das elektrische Potential an der konven­ tionellen Referenzelektrode konstant.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist die Sen­ sorkonfiguration gemäß Fig. 7 gezeigt, bei der der Durchbruch 13' mit Hilfe einer Verschlußfolie 36 ab­ geschlossen ist. Die Verschlußfolie 36 verschließt die Sensoranordnung nach Befüllung mit einem Kali­ briermedium. Sie kann vor der Messung in einem Meßme­ dium abgezogen werden.

Auch Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Anleh­ nung an Fig. 7, wobei hier der Kanalträger 3' modifi­ ziert ist. Der Kanalträger 3' kann z. B. aus einer Papiermatrix bestehen, die mit Ausnahme des Kanalbe­ reichs 12 mit Hilfe einer Kunststoffpaste versiegelt wurde. Somit hat nur im Bereich des Kanals 12 der Kanalträger 3' seine Papiereigenschaften behalten. Zusätzlich wurde durch Ausstanzen im Bereich des Ka­ nals 12 ein Durchbruch 34 erzeugt. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird der gesamte Kanal 12 einschließ­ lich des Durchbruchbereichs 34 mit einer Kalibrier­ flüssigkeit befüllt. Bei einem späteren Kontakt des Sensors mit dem Meßmedium erfolgt der Stoffaustausch im Bereich des Durchbruchs 34 besonders schnell. Auch hier kann der Durchbruch 13' in der Abdeckung 4' mit Hilfe einer Verschlußfolie verschlossen werden, wie in Fig. 8 dargestellt ist.

Eine weitere Konalträgermodifikation ist im Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 10 gezeigt. Ein aus einer Papiermatrix bestehender Kanalträger 3' ist mit 2 Durchbrüchen 12, 12' versehen und mit Ausnahme eines Bereichs 35 zwischen den Durchbrüchen 12, 12' mit Hil­ fe eines Kunststoffmaterials versiegelt. Auf diese Weise hat der Kanalträger 3' nur im Bereich 35 seine Papiereigenschaften behalten. Die Befüllung des Ka­ nals mit einer Kalibrierflüssigkeit erfolgt wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen darge­ stellt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist die Sen­ sorkonfiguration nach Fig. 7 verdoppelt. Diese Sen­ sorkonfiguration besitzt 2 gleichartige ionenselekti­ ve Membranmaterialien 15' und 15'''. In die Kanäle 12, 12' werden Kalibrierlösungen mit unterschiedlichen Analytkonzentrationen eingebracht. Auf diese Weise kann mit dieser verdoppelten Sensorkonfiguration auch nur ein Parameter gemessen werden, allerdings basiert in diesem Beispiel die Messung auf einer Zweipunkt­ kalibrierung, die sich auf die beiden Analytkonzen­ trationen der Kalibrierflüssigkeit in den Kanälen 12, 12' bezieht.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (ohne Abbil­ dung) können anstelle der Membranmaterialien 15, 15', 15'', 15''' in die Durchbrüche 25, 25' auch Sensorelemen­ te vom Typ der Doppelmatrixmembransensoren eingesetzt werden. Solche Sensoren sind aus dem Patent DE 41 37 261 bekannt.

Claims (24)

1. Verfahren zum Messen veränderlicher Größen in einem Meßmedium mit Hilfe von chemischen oder biochemischen Sensoren, wobei mindestens ein Sensor mit einem Kalibriermedium in Kontakt ge­ bracht wird und die zur Kalibrierung erforderli­ chen Werte gemessen werden und anschließend der mindestens eine Sensor durch Austausch des Kali­ briermediums durch ein Meßmedium mit diesem in Kontakt gebracht und der Wert der veränderlichen Größe gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibriermedium über einen Kanal mit geringem Querschnitt mit dem Sensor in Kontakt gebracht wird und der Austausch des Kalibrierme­ diums durch das Meßmedium mittels Diffusion er­ folgt, und daß das Meßmedium über eine Schicht oder eine Membran mit für den Analyten durchläs­ sigen mikroskopischen Öffnungen oder über einen makroskopisch geöffneten Bereich des Kanals mit dem Sensor in Kontakt gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine amperometrische Messung durchge­ führt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine potentiometrische Messung durch­ geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die dem Sensor abge­ wandte Seite der Membran oder der makroskopisch geöffnete Bereich in das Meßmedium getaucht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Meßmedium über einen Kapillarkanal zu der dem Sensor abgewand­ ten Seite der Membran oder dem makroskopisch geöffneten Bereich geführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die veränderliche Grö­ ße aus der Differenz der durch das Kalibrierme­ dium und der durch das Meßmedium erhaltenen Sen­ sorsignale bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale zeitlich aufeinanderfolgend durch einen zuerst mit dem Kalibriermedium und anschließend mit dem Meßmedium in Kontakt gebrachten Sensor erhalten werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale gleichzeitig von zwei Sensoren, von denen der eine mit dem Kalibriermedium und der andere mit dem Meßmedium in Kontakt gebracht sind, erhalten werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei unterschiedliche Kalibrierlösungen mit jeweils einem eigenen Sen­ sor in Kontakt gebracht werden.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie aus einer schichtförmigen An­ ordnung mit folgenden Schichten besteht:

• a) einer Trägerschicht (1), auf deren Oberflä­ che sich die Elektroden (5, 6) mindestens eines Sensors, elektrische Anschlüsse (9, 10) für die Verbindung der Elektroden (5, 6) nach außen und die Elektroden (5, 6) mit den Anschlüssen (9, 10) verbindende Lei­ terbahnen (7, 8) befinden,
• b) einer Trägerabdeckung (2) mit mindestens einem die Elektroden (5, 6) freigebenden Durchbruch (11), der ein Sensormembranmate­ rial (15) aufnimmt,
• c) einem Kanalträger (3), welcher mindestens einen Kanal (12) zur Verteilung und gleich­ zeitigen getrennten oder aufeinanderfolgen­ den Aufnahme des Kalibriermediums und des Meßmediums bildet, und
• d) einer Kanalabdeckung (4) mit mindestens einem Durchbruch (13, 14) für die Zuführung des Kalibriermediums und des Meßmediums zu dem Kanal (12).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanalabdeckung (4) zwei Durch­ brüche (13, 14) enthält, von denen jeweils der eine zur Zuführung eines Mediums zum Kanal (12) und der andere zur gleichzeitigen Entlüftung des Kanals (12) dienen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12) eine Haltema­ trix für das jeweils aufgenommene Medium ent­ hält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Haltematrix aus einem Mikrofa­ sergeflecht, Papier, Gel, textilem Geflecht, Gewebe, Gewirk oder Schaum besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltematrix zumindest über einem der Durchbrüche (25, 27) in der Trä­ gerabdeckung (2'') entfernt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden auf der Trägerschicht (1') eine io­ nenselektive Elektrode (16, 18) und mindestens eine der Elektroden auf der Trägerschicht (1') eine Referenzelektrode (17, 37) ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2, 3, 4) miteinander verklebt sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2, 3, 4) aus Kunststoff, Glas oder Keramik be­ stehen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kanal­ träger (3') und der Kanalabdeckung (4'', 4''') ein Kapillarkanalträger (28, 28') zur Bildung eines Kapillarkanals (30, 30') für die Zuführung des Meßmediums zu dem Kanal (12) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kapillarkanal (30) bis zu ei­ ner stirnseitigen Außenkante des Kapillarkanal­ trägers (28) geführt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kapillarkanal (30') im Innern des Kapillarkanalträgers (28') gebildet und mit mindestens einem Durchbruch (29, 33) in der Ka­ nalabdeckung (4''') verbunden ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Kon­ zentration eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases eine gaspermeable Membran (32) zwischen der Trägerabdeckung (2) und dem Kanalträger (3) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12') kei­ ne Trägermatrix für das aufgenommene Medium ent­ hält und zwischen dem Kanalträger (3'') und der Kanalabdeckung (4) eine Dialysemembran (32') angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Kalibrierme­ dium gefüllte Kanal (12) durch eine über dem mindestens einen Durchbruch (13, 14) in der Ka­ nalabdeckung (4) lösbar befestigte Folie (36) nach außen geschlossen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalträger (3'') zwei getrennte Kanäle (12, 12') für die Aufnahme jeweils eines Kalibriermediums besitzt.