DE20208562U1

DE20208562U1 - Kalibrationseinrichtung

Info

Publication number: DE20208562U1
Application number: DE20208562U
Authority: DE
Original assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Current assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2012-06-04

Description

Kalibrationseinrichtung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kalibration von planaren elektrochemischen Sensoren, die gemeinsam mit weiteren zum Betrieb der Sensorik, zur Auswertung und/oder Speicherung bzw. Weitergabe der Sensorsignale notwendigen Funktionselementen in Chipkarten integriert sind.

Beschreibung

Elektrochemische Sensoren müssen in der Regel in bestimmten vom Richtigkeitsanspruch, der an den Messwert gestellt wird, abhängigen Zeitabständen kalibriert werden. Hierzu sind Kalibrationsgefäße und Kalibrierlösungen erforderlich. Dazu werden im Labor z. B. bei pH-Wertbestimmungen mittels Glaselektrodenmessketten meist pH-Pufferlösungen, die sich in offenen Gefäßen befinden, eingesetzt. Es steht eine Reihe unterschiedlicher Pufferlösungen zur Auswahl, für die es in der Literatur umfangreiches Datenmaterial gibt; dies betrifft u.a. Pufferkapazität und Temperaturverhalten [K. Schwabe: pH-Messtechnik. Verlag Theodor Steinkopff. Dresden (1976)].

Will man Sensoren für andere Komponenten kalibrieren, so verwendet man ebenfalls Lösungen, die den jeweils interessierenden Analyten in bekannter Konzentration enthalten. Im Falle der Kalibration von fluoridselektiven Elektroden sind dies z. B. Natriumfluoridlösungen mit F'-Gehalten von 1 mg/1, 10 mg/1, 100 mg/1 oder 1000 mg/1. Wegen der sonst störenden Querempfindlichkeit der mit Europium dotierten Lanthanfluorideinkristallen basierenden Elektroden gegenüber Hydroxidionen sollte der pH-Wert der Kalibrierlösungen auf einen pH-Wert <5 eingestellt werden. Dies kann mittels einer TISAB-Pufferlösung geschehen.

Dieses Beispiel zeigt, dass es schwierig oder oft unmöglich ist, Medien zu finden, die zur gleichzeitigen Kalibration von für unterschiedliche Analyte selektiven Elektroden geeignet sind.

Als Bekräftigung dieser Aussage im Bereich der Kationenanalytik ist auf die sehr hohe Störempfindlichkeit von Ammoniumionen gegenüber Kaliumionen zu verweisen, sofern mittels Flüssig- oder Gelmembranelektroden gemessen wird.

Will man nun, ausgehend von der Entwicklung, dass heute viele Gebrauchsgegenstände für unterschiedliche Applikationen im Chipkartenformat verwendet werden und in dieser Form beim Nutzer auch akzeptiert sind (Geldkarten, Führerscheine, Zutrittberechtigungskarten u.a.), mehrere Sensoren zzgl. ihrer notwendigen Peripherie in Chipkartengrundkörper integrieren [W. Vonau, H. Kaden, W. Oelßner, T. Seifert, C. Kretzschmar, P. Otschik: Multifunktionelle Chipkarte und Verfahren zu ihrer Herstellung P 199 10 714.9 (1999)], so muss die Kalibrierbarkeit der Sensoren, insbesondere aus o.g. Akzeptan&zgr;gründen für den Anwender, sehr einfach gestaltet sein. Dies erfordert zum einen ein universell einsetzbares, an die Gestalt der Chipkarte angepasstes Kalibriergefäß und zum anderen die Anwendung von möglichst we-

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nigen, optimal zwei Flüssigkeiten zur Kalibration aller auf der Chipkarte enthaltenen chemischen Sensoren.

Die Schwierigkeit, chipkartenbasierte Systeme mit einer chemischen Multisensorik inkl. der notwendigen Kalibriertechnik in die Technik einzuführen, geht daraus hervor, dass bisher keine entsprechenden kommerziellen Lösungen bekannt sind.

Der in den Schutzansprüchen 1 und 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kalibrationseinrichtung für planare elektrochemische Sensoren, die gemeinsam mit weiteren zu deren Betrieb, zur Auswertung und/oder Speicherung bzw. Weitergabe der Sensorsignale notwendigen Funktionselementen in Chipkarten integriert sind, zur Verfügung zu stellen. Die für einen auf chemisch-sensorischem Gebiet nicht Sachkundigen einfach zu handhabende Kalibrationseinrichtung soll es ermöglichen, Sensorkarten im Chipkartenformat mit integrierten Chemosensoren einfach zu handhaben.

Diese Problemstellung wird mit den in den Schutzansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass eine zur Kalibration einer mit verschiedenen elektrochemischen Sensoren ausgestatteten Chipkarte geeignete Ausrüstung zur Verfügung steht, die es auch dem Nientfachmann ermöglicht, unter Verwendung von nur zwei Kalibrationsflüssigkeiten in nur einem Messvorgang alle Sensoren in einem miniaturisierten Gefäß zu kalibrieren. Das Kalibriergefäß ist dabei so universell gestaltet, dass es verschiedene Konstellationen der sensorischen Bestückung der Chipkarten zulässt. Jede Sensorkombination erfordert hierbei eine speziell zusammengesetzte Kalibrierflüssigkeit. Die jeweiligen Kalibrierflüssigkeiten lassen sich aus Vorratsgefäßen einfach in das Kalibriergefäß einfüllen und auch auswechseln bevor die auf Chipkarten integrierte Multisensorik zur Kalibration eingebracht wird.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 gestattet es auch, Sensorkarten zu kalibrieren, wenn für die Kalibration der Multisensorik mehr als zwei gemeinsame Lösungen erforderlich sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In eine Chipkarte mit den Abmessungen 85 mm &khgr; 54 mm &khgr; 0,74 mm (Länge &khgr; Breite &khgr; Höhe) sind nebeneinander planare elektrochemische Sensoren zur Bestimmung des pH-Wertes sowie des Ammonium- und Nitratgehaltes angeordnet. Da es sich um potentiometrische Sensoren handelt, ist eine ebenfalls planare elektrochemische Bezugselektrode 2. Art, z. B. eine Silberchloridelektrode, in die Chipkarte eingebracht. Zur gleichzeitigen Zweipunktkalibrierung aller drei Indikatorelektroden wird die mit der für die Kalibration notwendigen Schaltungselektronik und mit einem planaren Stromspeicher ausgerüstete funktionelle Chipkarte in ein zweiteiliges Kalibrationsgefäß gemäß Figur 1 eingeführt. Die beiden Teile bestehen aus einem Kalibrierbecher 1 mit drei

Kammern 2, 3 und 4 sowie einem Deckel 5 mit drei Schlitzen 6 bis 8 zur Einbringung und Führung der die Sensoren tragenden Chipkarten. Die Kammern 2, 3 und 4 im Kalibrierbecher 1 haben eine Breite von ca. 4 mm, um einerseits genügend Kalibrierlösung aufnehmen zu können und um andererseits auch in dem Fall einsetzbar zu sein, wenn aus funktioneilen Gründen einer der Sensoren aus der Ebene der Chipkarte herausragt. Dies betrifft vor allem die planare elektrochemische Referenzelektrode, die ein großes Reservoir an Referenzelektrolyt benötigt. Um dies zu gewährleisten, weist sie eine Dicke von bis zu 1,5 mm auf.

Sowohl der Kalibrierbecher 1 als auch der diesen verschließende Deckel 5 bestehen aus im Spritzgussverfahren verarbeitbaren Kunststoffen, die bei Umgebungstemperatur im pH-Bereich pH= 1 ... 14 chemisch stabil sind. Der Deckel 5 kann aus einem elastischen Material bestehen. Die Schlitze 6, 7 und 8 sind in der Weise gestaltet, dass sie als Lippendichtung das gesamte Kalibriergefäß abdichten, insbesondere dann, wenn Chipkarten eingebracht werden, auf denen einer oder mehrere der planaren Sensoren eine größere Dicke als die Chipkarte aufweisen bzw. auch, wenn diese selbst dicker als 0,74 mm ist.

Das Kalibrationsgefäß enthält in den Kammern 2 und 4 Kalibrationsflüssigkeiten 9 und 11 zur simultanen Zweipunktkalibration der Multisensorik sowie in Kammer 3 destilliertes Wasser 10 zum Spülen der Karte zwischen den beiden Kalibriervorgängen.

Für den Fall, dass eine pH-, eine NO₃"- sowie eine NH/-Elektrode und eine Bezugselektrode auf der Chipkarte angeordnet sind, bestehen die beiden Kalibrier lösungen aus Anteilen von Ammoniumnitrat sowie aus unterschiedlichen pH-Puff er subs tanzen ohne Natrium- und Kaliumionen, um Querempfindlichkeiten des Sensorsignals gegenüber Ammonium auszuschließen. Dies wird erreicht, wenn anstelle der z. B. in NBS-Puffern verwendeten Natrium- und Kaliumsalze Lithiumsalze eingesetzt werden, also wenn z. B. anstelle einer 0,01 M Borax-Lösung eine 0,01 M Lithiumtetraboratlösung in Kammer 1 oder 3 eingefüllt wird.

Aufstellung der Bezugszeichen

1 Kalibrierbecher

2 Kammer für Kalibrierflüssigkeit 9

3 Kammer für destilliertes Wasser 10

4 Kammer für Kalibrierflüssigkeit 11

5 Deckel

6 Schlitz zur Einführung der Sensorkarte in Kammer 2

7 Schlitz zur Einführung der Sensorkarte in Kammer 3

8 Schlitz zur Einführung der Sensorkarte in Kammer 4

9 Erste Kalibrierflüssigkeit zur Kalibration der Multisensorik

10 Destilliertes Wasser

11 Zweite Kalibrierflüssigkeit zur Kalibration der Multisensorik

Zeichnungen

Figur 1 Schematische Darstellung der Kalibriereinrichtung im Betrieb

Claims

1. Einrichtung zur Kalibration von planaren elektrochemischen Sensoren, die gemeinsam mit weiteren zum Betrieb einer Sensorik, zur Auswertung und/oder Speicherung bzw. Weitergabe von Sensorsignalen notwendigen Funktionselementen in Chipkarten integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtung aus einem im Spritzgussverfahren hergestellten Kalibriergefäß und mehreren multifunktionellen Flüssigkeiten (9, 11) und destilliertem Wasser (10) besteht, wobei das Kalibriergefäß, das in drei Kammern (2, 3, 4) unterteilt ist, aus zwei Teilen aufgebaut ist, nämlich einem Kalibrierbecher (1) und einem Deckel (5), wobei dieser Deckel drei Schlitze zur Einführung der Chipkarte (6, 7, 8) enthält, welche in der Weise gestaltet sind, dass sie als Lippendichtung das gesamte Kalibriergefäß abdichten, auch wenn Chipkarten eingebracht werden, bei denen einer oder mehrere der planaren Sensoren eine größere Dicke als die Chipkarte aufweisen (0,74 mm) bzw. auch wenn diese selbst dicker ist als das Normalmaß von 0,74 mm.

2. Kalibrationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden multifunktionellen Flüssigkeiten (9, 11) zur gleichzeitigen Zweipunktkalibrierung mehrerer für die Bestimmung unterschiedlicher Analyte geeigneten, in die Chipkarte integrierten Sensoren in der Weise chemisch zusammengesetzt sind, dass beide Flüssigkeiten (9, 11) nur Stoffe enthalten, welche keine Störempfindlichkeiten gegenüber einer jeweils anderen für die verwendete Multisensorik relevanten Größe hervorrufen.

3. Kalibrationseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierbecher (1) um eine oder mehrere Kammern erweitert ist und der Deckel (5) weitere Einschubschlitze beinhaltet, um auch dann, wenn es die Auswahl der in die Chipkarte integrierten planaren elektrochemischen Sensoren nicht gestattet, eine gleichzeitige Zweipunktkalibrierung für die gesamte Sensorik mit nur zwei universellen Kalibrierflüssigkeiten durchzuführen.