DE19612680C2 - Kationselektiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kationselektiven Sensor, der eine kationselektive Beschichtung aufweist. Durch mit dieser Schicht in Kontakt tretende, nachzuweisen­ de Kationen wird eine detektierbare Änderung der elektrischen Eigenschaften der Schicht hervorgerufen.

Zur Bestimmung von Ionen in Lösungen wird vielfach die potentiometrische ionenselektive Elektrode ver­ wendet (Cammann, K., Die Arbeit mit Ionenselektiven Elektroden, 2. Aufl., Springer Verlag: Berlin, Hei­ delberg, New York, 1977, Seiten 50 bis 105). Ionen­ selektive Elektroden sind elektrochemische Sensoren, mit denen die Konzentration bzw. die Aktivität bes­ timmter Ionen mittels einer Potentialdifferenz bes­ timmt werden kann. Die ionenselektive Potentialdif­ ferenz tritt an der Phasengrenze aktives Elektroden­ material/Elektrolyt auf und hängt gemäß der Nernst- Gleichung von der Aktivität eines bestimmten Ions in der Lösung ab. Ein Beispiel für derartige Sensoren sind ionenselektive Feldeffekttransistoren (z. B. DE 29 34 405 C2).

Anders als bei Widerstand und Kapazität haben die Absolutwerte des elektrischen Potentials keine physi­ kalische Bedeutung, da das Potential nur in Bezug auf einen Referenzwert definiert werden kann. In der Elektrochemie wird solch ein Referenzwert gewöhnlich vom Potential der Referenzelektrode geliefert. Die Notwendigkeit einer Referenzelektrode ist der ent­ scheidende Nachteil bei dem Einsatz potentiometris­ cher Messungen zur Bestimmung von Ionenaktivitäten in Lösung.

Eine andere grundlegende Einschränkung bei den poten­ tiometrischen Analysemethoden betrifft die Zusammen­ setzung der ionenselektiven Membran. Die Anforderun­ gen an die Natur der spezifischen Bindung und/oder der komplexierenden Stellen innerhalb der Membran sind so zu stellen, daß die Potentialdifferenz an der Grenzfläche Membran/Lösung selektiv in Abhängigkeit von der Anwesenheit einer bestimmten Spezies in der Lösung aufgebaut wird. Zum Beispiel sollte diese Bin­ dung nicht zu stark sein, so daß eine genügend schneller Austausch der detektierten Spezies zwischen der Membranphase und der Lösung möglich ist.

Neben den potentiometrischen sind die am häufigsten verwendeten elektrochemischen Analyseverfahren dieje­ nigen, die den Stromfluß durch eine passend angefer­ tigte oder modifizierte leitende oder halbleitende Arbeitselektrode messen. Das Potential dieser Elek­ trode wird durch das der Referenzelektrode festge­ legt. Der gemessene Stromfluß resultiert aus der elektrochemischen Redoxreaktion, die an der Grenz­ fläche Arbeitselektrode/Lösung abläuft. Zusätzlich zu der erforderlichen Referenzelektrode wird der Einsatz dieser Meßverfahren noch dadurch eingeschränkt, daß die gemessene Spezies bei dem an der Arbeitselektrode angelegten Arbeitspotential elektroaktiv sein muß. Außerdem muß dieses Potential von dem der störenden Spezies verschieden sein. Das letztere stellt häufig ein Problem dar, da viele chemische oder große Grup­ pen chemischer Verbindungen sehr ähnliche Redoxeigen­ schaften aufweisen. Zum anderen liegen die erforder­ lichen Elektrodenpotentiale für viele Verbindungen außerhalb des praktisch anwendbaren Bereichs.

Zu den zur spezifischen Erkennung von geladenen und neutralen Spezies meist verwendeten nicht-elekro­ chemischen Verfahren gehören die verschiedenen Arten der Flüssigchromatographie. In diesem Fall wird die zu analysierende Probe in Kontakt gebracht mit einer sogenannten stationären Phase, zum Beispiel einer Polymerschicht, die die detektierte Spezies spezi­ fisch bindet oder zurückhält. Die Stärke dieser Bin­ dung bestimmt die Retentionszeit des Analyten inner­ halb der chromatographischen Säule. Unter Verwendung maßgeschneiderter stationärer Phasen können sehr viele Spezies identifiziert werden. Allerdings ist dieser Typ der analytischen Meßanordnung sehr komplex und teuer.

Die DE 42 41 438 C2 betrifft einen Gassensor, mit dem neutrale Atome und Moleküle detektiert werden können.

Eine Möglichkeit zur Bestimmung von Ionen in Lösungen bilden ionenselektive Optoden. Ionenselektive Verbin­ dungen und Indikatoren, welche Strukturelemente ent­ halten, die ihre optischen Eigenschaften im UV/VIS- Bereich ändern, können als Chromoionophore und Fluoroionophore in entsprechenden ionenselektiven Sensoren mit einer optischen Signalübertragung ein­ gesetzt werden. Eine Übersicht über die Funktionsweise von ionenselektiven Optoden ist in folgenden Artikeln wiedergegeben K. Seiler, Ionen­ selektive Optodenmembranen, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz (1991), ISBN 3-905617-05-6 Seiten 55 bis 74, W. Morf, K. Seiler, P. P. Sörensen, W. Simon, Ion- Selective-Electrodes, Vol. 5, Pergammon Press, Oxford, New York, Akademiai Budapest (1989), S. 141).

Eine Wechselwirkung von Ionen mit den chromophoren oder fluoreszierenden Komponenten in einer Membran, welche auf einem optischen Transduktionssystem auf­ gebracht ist, führt zu einer Absorption oder Anregung der Fluoreszenz und es konnten auf diese Weise chemi­ sche Sensoren für farblose bzw. nichtfluoreszierende Substanzen entwickelt werden.

Die optischen Sensorsysteme weisen grundsätzliche Nachteile auf. So werden die optischen Systeme durch Umgebungslicht gestört und haben im Vergleich zu elektrochemischen Sensoren relativ enge dynamische Meßbereiche. Desweiteren ist die Langzeitstabilität von immobilisierten Komponenten durch photolytischen Abbau und Auswaschen begrenzt und die Ansprechzeiten von optischen Sensoren sind relativ lang. Weitere Nachteile von ionenselektiven Optoden ist die man­ gelnde Kompatibilität mit der Mikroelektronik und die fehlende Möglichkeit zur Integration.

Die Synthese von chromophoren oder fluoreszierenden Verbindungen ist sehr zeitaufwendig und kosteninten­ siv, welches ebenfalls sehr nachteilig ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von Ionen in Lösungen sind Teststäbchen und Testpapiere. Hierbei handelt es sich um eine mikrochemische Untersuchungs­ methode, bei welcher mit dem Auge erkennbare chemi­ sche Umsetzungen geringer Mengen von Elementen (in Form ihrer Ionen) oder Verbindungen erkannt werden können. Die Analyten werden aufgrund von Farbreaktio­ nen (Farbänderungen) erkennbar. Hierbei sind alle für die spezielle Nachweisreaktion erforderlichen Reagen­ zien auf einem Träger aufgebracht und bei einer Ex­ position mit einer wäßrigen Analytlösung kann entsprechend der Intensität oder dem Farbton der jeweiligen Färbung eine Zuordnung zu einem Kon­ zentrationsbereich des jeweiligen Analyten vorgenom­ men werden. Die in Testpapieren und Teststäbchen ein­ gesetzten Reagenzien für die spezifischen Farbreak­ tionen oder Farbänderungen werden auch in kolorimetrischen Testsystemen eingesetzt. In der Kolometrie wird die Farbintensität einer Probenlösung visuell mit der Intensität von Standardlösungen bekannter Konzentrationen verglichen. Problematisch und nachteilhaft ist die Genauigkeit bei diesen Bes­ timmungsmethoden, welche oft nur halbquantitative Aussagen liefern. Der Einsatz von Teststreifen in one-line-Meßsystemen ist nicht möglich, so daß Teststreifen nicht als Sensor fungieren können. In der EP 0 153641 A2 wird der Aufbau und das Meßver­ fahren von einigen Teststreifen dargestellt.

Eine andere wichtige Klasse der analytischen Verfah­ ren zur Detektion von geladenen und ungeladenen Spe­ zies in gasförmigem oder flüssigem Medium macht Geb­ rauch von der Messung des Widerstandes oder der Kapa­ zität. Variationen der Leitfähigkeit oder der dielek­ trischen Eigenschaften einer Schicht eines sensitiven Materials werden in Abhängigkeit von den Wechselwir­ kungen mit der detektierten Spezies angezeigt. So finden im Bereich der Detektion von Gasen Wider­ stands- und kapazitive Sensoren eine breite Verwen­ dung.

Im Gegensatz dazu trifft man nur gelegentlich auf die Anwendung solcher Sensoren bei chemischen Analysen in Flüssigkeiten. Die Messungen der totalen Leitfähig­ keit von Elektrolytlösungen sind nur von begrenzter analytischer Bedeutung, weil es ihnen im allgemeinen an Spezifität mangelt. Dennoch beschreibt R. S. Sethi et al. in der GB 2204408 A einen konduktometrischen Enzym-Biosensor, der interdigitale fingerähnliche Elektroden (IDE) besitzt, welche durch eine Membran aus immobilisierter Urease abgedeckt werden. In An­ wesenheit von Harnstoff in der Testlösung erlaubt die Verwendung von dicht angeordneten Elektroden die Mes­ sung der Leitfähigkeit der Lösung, mit der die Enzym­ schicht abgesättigt ist, sofern sich die Leitfähig­ keit spezifisch zur Hydrolyse des Harnstoffs verän­ dert, die durch die Urease katalysiert wird. Zu den Schwächen solcher Biosensoren gehört die drastische Abnahme der Empfindlichkeit des Biosensors mit zuneh­ mender Pufferkapazität und/oder Ionenstärke (Leit­ fähigkeit) der Lösung.

Die WO 93/06237 beschreibt die Verwendung von IDEs zur Messung der Leitfähigkeitsänderung einer Schicht elektroaktiv leitenden Polymers (Polyanilin, Polypyr­ rol). Diese Änderungen resultieren aus der Wechsel­ wirkung der funktionellen Redoxgruppen des Polymers mit den in der Lösung anwesenden interessierenden Spezies oder mit Spezies, die aus einer Enzymreaktion in der Schicht des immobilisierten Enzyms resul­ tieren, welche von oben auf die Schicht des besagten Polymers aufgebracht wird.

In der US 4,334,880 ist ein analytspezifischer Wider­ standsmesser beschrieben, wobei eine elektrisch leitende- oder halbleitende Schicht aus Polyacetylen als analytspezifische Schicht dient.

L. S. Raymond et al. beschreibt in der GB 21 37 361 eine Anordnung zur kapazitiven Detektion, die fol­ gende Bestandteile enthält:

• 1. einen Kondensator bestehend aus zwei IDE;
• 2. eine erste Schicht aus elektrisch isolier­ endem Material, die die elektrisch leitende Elektrode abdeckt und gegenüber der zu ana­ lysierenden Lösung abschirmt;
• 3. eine zweite Schicht eines Materials, die die erste Schicht abdeckt, wobei die zweite Schicht für eine spezifische nicht-wäßrige Substanz in einer Lösung durchlässig ist, welche durch ihr Eintreten in das elektri­ sche Feld zwischen den IDEs eine Änderung der Kapazität des Kondensators bewirkt.

Die zweite Schicht enthält zum Beispiel das selektiv für Kaliumionen durchlässige Valinomycin. Die Inter­ digitalelektroden messen die Änderungen der Kapazität als Folge der spezifischen Aufnahme von Ionen in die Valinomycinschicht.

Die GB 21 37 361 liefert keine Beschreibung der Mem­ branzusammensetzung, d. h. es fehlen Angaben zu den Bedingungen, die notwendig sind, um die erforderliche Durchlässigkeit der sensitiven zweiten Schicht in Bezug auf die interessierenden Spezies sicherzustel­ len. Andererseits schränken solche Bedingungen in großem Umfang die Anzahl der detektierbaren Spezies ein. Die Notwendigkeit der Abschirmung der leitenden Elektroden durch eine isolierende Schicht erschwert die Herstellung des Transducers wegen der hohen An­ sprüche an die Qualität solch einer Schicht und ver­ schlechtert gleichzeitig die Sensorempfindlichkeit. Ein weiteres Problem ist eine nicht auszuschließende sprunghafte Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Meßschicht in Abhängigkeit von der Zusammenset­ zung der zu analysierenden Lösung.

Ausgehend von den geschilderten Nachteilen des Stan­ des der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Sensorkonzept und entspre­ chende Sensoren vorzuschlagen, die es erlauben, in Lösung enthaltene Kationen quantitativ und/oder qua­ litativ über eine Absolutmessung, ohne Verwendung von Referenzelektroden, zu bestimmen und zugleich stören­ de Interferenzen von Anionen zu beseitigen, um da­ durch die Meßgenauigkeit zu steigern und die Detek­ tionsgrenze zu senken.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzei­ chnenden Merkmale des Anspruches 1. Die Unteransprü­ che zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen impedime­ trischen kationenselektiven Sensor zu verwenden, der aus mindestens einer mit der Lösung in Kontakt ste­ henden, ionisch leitenden kationenselektiven Schicht (Membran) aus einem flüssigen, halbfesten oder festen Material besteht. Diese Schicht steht mit mindestens einer von mindestens zwei Elektroden in Verbindung. Die Elektroden können auf einen Träger aufgebracht sein.

Die Komponenten der kationselektiven Schicht dürfen mit der Lösung nicht mischbar sein, damit die Schicht nicht "ausblutet". Bevorzugt wird eine wäßrige Lösung und eine lipophile, kationselektive Schicht verwen­ det. Dabei enthält das hydrophobe Material mindestens eine hydrophobe, mit der wäßrigen Lösung nichtmisch­ bare Substanz, die als Matrix und/oder Lösungsmittel für weitere Schichtkomponenten dienen kann und die kationerkennende Kopplungselemente enthält.

Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, daß in der Schicht funktionelle Gruppierungen und/oder Ver­ bindungen vorhanden sind, welche als Säure/Base in protonierbarer Form fungieren können. Sie können in der Schicht z. B. in Form eines pH-Indikators oder einer lipophilen Säure oder Base vertreten sein. Durch die Wahl der Meßbedingungen liegt die Säure/Ba­ se-Komponente protoniert in der Membran vor.

Die vorgeschlagene neuartige Schichtzusammensetzung ermöglicht eine vollkommen neue Funktionsweise der impedimetrischen kationenselektiven Sensoren. Bei einem Kontakt der erfindungsgemäßen Sensoren mit der zu analysierenden Lösung erfolgt Ionenaustausch zwi­ schen der kationselektiven Schicht und der Lösung. Die in der Lösung enthaltenen, zu detektierenden Ka­ tionen treten in die kationselektive Schicht ein und bilden Komplexe mit den in der Schicht anwesenden, selektiven Kopplungselementen. Gleichzeitig treten zur Erhaltung der Ladungsneutralität der Schicht Pro­ tonen, welche an saure bzw. basische funktionelle Gruppierungen in der Schicht gebundenen sind, aus der kationselektiven Schicht in die Lösung aus. Aufgrund der erfindungsgemäßen Säure/Base-Komponente in der kationselektiven Schicht braucht also eine zusätzli­ che Aufnahme von Anionen aus der Lösung (Anion-Koex­ traktion) zur erforderlichen Ladungskompensation nicht zu erfolgen.

Dies ist von Vorteil, da nie genau bekannt ist, wel­ che Anionen im einzelnen und in welchen Mengen zur Kompensation der Ladung der Kationen aus der Lösung in die selektive Schicht eintreten und die Sensorei­ genschaften damit beeinflussen würden. Besonders gra­ vierend ist dieses Problem bei der Analyse biologi­ scher Proben und physiologischer Flüssigkeiten, bei welchen die Anwesenheit einer Vielzahl verschiedener, sehr lipophiler Anionen seit langem bekannt ist. Durch Vermeidung störender Anioninterferenzen gewähr­ leistet die in der kationsensitiven Schicht vorhan­ dene Säure/Base-Komponente also gleichzeitig eine hohe Meßgenauigkeit und eine niedrige Detektionsgren­ ze des Sensors.

Aufgrund der beschriebenen ionischen Prozesse ändern sich die bulkelektrischen Eigenschaften der Schicht, was mit der Hilfe der mit der Schicht in Kontakt stehenden Elektroden nachgewiesen werden kann. Hierbei ist es nicht entscheidend, ob eine reversible oder irreversible Kationenaufnahme in die kationen­ selektive Schicht stattfindet, da die Messungen der Schichteigenschaften, wie beispielsweise des Wider­ standes oder der Leitfähigkeit, absolute Messungen sind. Bei irreversiblen Kationenextraktionen bzw. Bindungen kann der erfindungsgemäße Sensor als Dosi­ meter verwendet werden, d. h. die Änderung der elek­ trischen Eigenschaften der Membran ist als Summenpa­ rameter ("Dosis") der Analytspuren in einem Medium aufzufassen, dem die Meßanordnung über einen längeren Zeitraum ausgesetzt ist.

Die erfindungsgemäßen kationenselektiven Sensoren weisen gegenüber dem Stand der Technik folgende Vor­ teile auf:

• 1. Bei den erfindungsgemäßen Sensoren wird keine Re­ ferenzelektrode benötigt, da die Messungen von elektrischen Eigenschaften wie der Leitfähigkeit oder Admittanz, im Gegensatz zu z. B. Potential­ messungen in der Potentiometrie, absolute Mes­ sungen sind.
• 2. Der neuartige Funktionsmechanismus des Sensors beseitigt den störenden Einfluß von Anionen in der Probelösung auf das Sensoransprechverhalten.
• 3. Die Anwendung des Ionenaustausches als neuarti­ ger Funktionsmechanismus des Sensors verbessert das Ansprechverhalten des Sensors (Reversibili­ tät, Selektivität, Stabilität).
• 4. Eine breite Palette von neuen Materialien kann für die Sensoroptimierung und Sensorproduktion eingesetzt werden.
• 5. Der neuartige Funktionsmechanismus des Sensors unterdrückt stark den Einfluß der Probematrix auf die Meßergebnisse und erleichtert wesentlich die Probevorbereitung.
• 6. Diese Sensoren erlauben im Gegensatz zu poten­ tiometrischen Sensoren die Bestimmung von Ana­ lytkonzentrationen in Lösungen mit sehr hoher Ionenstärke.
• 7. Mit den Sensoren ist eine Messung der Lösungszu­ sammensetzung in verschlossenen Gefäßen, z. B. in zugeschmolzenen Glasampullen, unter Verwendung von kontaktlosen Meßtechniken möglich.
• 8. Die Sensoren können als hochintegrierte Festkör­ perkomplettsysteme konstruiert werden. Dies er­ laubt eine starke Miniaturisierung und gewähr­ leistet die Kompatibilität zur Mikroelektronik.

Die für die Herstellung der festen oder halbfesten bzw. porösen Meßelektroden verwendeten leitfähigen Materialien sind Stoffe, die aufgrund der Beweglich­ keit von Elektronen bzw. von Defektstellen Eigen­ schaften eines elektrischen Leiters, eines Halblei­ ters oder eines Defektstellenleiters aufweisen. Bei­ spiele hierfür sind:

• - edle Metalle (Ag, Au, Pt, Pd, ...);
• - andere ausreichend chemisch stabile Metalle (Ni, Ta, Ti, Cr, Cu, V, Al, ...);
• - leitfähige Pasten und Metall- oder Graphitpar­ tikel enthaltende Epoxidharze;
• - Materialien auf Kohlenstoffbasis (Kohlefasern, Glaskohlenstoff, Graphit);
• - hochdotiertes Silizium (Poly-Si);
• - leitfähige Polymere (Polypyrrol, Polyanilin, Polyacetylen, ...);
• - leitende Polymere, die Metall- oder Graphitpar­ tikel enthalten.

Die Leiter können freistehend sein, beispielsweise in der Form von Stäben, Drähten oder Maschen, oder in Plastik oder andere isolierende Träger derart einge­ bettet sein, daß nur die Membrankontaktfläche frei­ gelassen wird. Dieser exponierte Teil kann zum Bei­ spiel in Form von Scheiben oder Bändern vorliegen.

Alternativ dazu können die Leiter auch auf einem iso­ lierenden Träger in Form von dicken oder dünnen Schichten gebildet werden (die Ausdrücke beziehen sich auf den etablierten Gebrauch der Ausdrücke Dick­ schicht- und Dünnschichttechnologie im Bereich der Mikroelektronik). Die Herstellung kann beispielsweise mit Hilfe von Siebdruck, durch chemische oder elek­ trochemische Polymerisation oder -abscheidung (das letztere im Fall von Metallen), durch Vakuumaufdampf­ ung, Sputtern oder andere Techniken der Dick- und Dünnschichttechnologien erfolgen. Die auf einen iso­ lierenden Träger aufgebrachten Leiter können zum Bei­ spiel in der Form von Bändern, Kreisen, Scheiben oder Interdigitalelektroden vorliegen. Die Leiter können auf den selben oder auf entgegengesetzten Seiten des Trägers angeordnet sein, in einer Ebene oder vertikal voneinander getrennt.

Die Oberfläche der Meßelektrode muß nicht notwendig­ erweise glatt oder poliert sein. Sie kann aufgerauht sein, um einen besseren Kontakt zur kationselektiven Schicht herzustellen und um den Grenzflächenwiderstand zu senken.

Weiterhin kann für den Fall, daß erhöhte elektroche­ mische Grenzwiderstände zwischen den Leitern und der Schicht auftreten, eine zusätzliche Schicht zwischen den Leitern und der analytselektiven Schicht zur Un­ terdrückung des Grenzflächenwiderstandes redoxpaarbil­ dende Substanzen angeordnet werden. Derartige, den Grenzflächenwiderstand unterdrückende, redoxpaarbil­ dende Substanzen sind in der CH 677 295 beschrieben. Auf den Offenbarungsgehalt wird deshalb ausdrücklich Bezug genommen. Die Schichtdicke der Schicht liegt typischerweise im Bereich von 0,01 µm bis 100 µm.

Da kein Elektronentransfer zwischen den Elektroden und der analytspezifischen Schicht während der AC-Messun­ gen notwendig ist, ist ein direkter Kontakt, zwischen der Oberfläche des Leiters und der Schicht nicht er­ forderlich. Somit ist es möglich, solche Messungen mit Elektroden, welche durch einen Luftspalt oder eine isolierende Schicht von der analytselektiven Schicht getrennt werden, durch eine kapazitive Kopplung durchzuführen. Ebenso ist es möglich, die induktive Kopplung für kontaktlose Messungen der elektrischen Eigenschaften von Schichten zu nutzen. In diesem Fall wird die Schicht in einer Spule plaziert, durch die dann ein Strom fließt. Wirbelströme werden in der Schicht aufgebaut und bewirken einen Leistungsverlust in Abhängigkeit von der Schichtleitfähigkeit. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von zwei Spulen, welche durch einen Kreisstrom in der Probe verbunden werden.

Weitere geeignete Elektrodenanordnungen und dies­ bezügliche Modifikationen sind in der DE 443 727 A1 ausgeführt.

Die erfindungsgemäße kationenspezifische Schicht, welche kationselektive Kopplungselemente und Kompo­ nenten mit Säure/Base-Eigenschaften enthält, kann verschiedene Zusammensetzungen und Konsistenzen auf­ weisen. Vorteilhafterweise kann das Schichtmaterial beispielsweise aus organischen Flüssigkeiten, Polyme­ ren oder Ionentauschern sowie aus Kombinationen dieser Komponenten bestehen.

Zunächst sollen als Beschichtungsmaterial in Frage kommende Flüssigkeiten betrachtet werden, wobei auch entsprechende Mischungen denkbar sind. Als Beispiel seien folgende Flüssigkeiten genannt: nicht polare Lösungsmittel wie Tetrachlormethan, Chloroform, Hexan, Toluol und die meisten aromatischen und ungesättigten Kohlenwasserstoffe.

Die kationselektive Schicht kann einen oder mehrere Weichmacher enthalten. Weichmacher sind flüssige oder feste, indifferente organische Substanzen mit geringem Dampfdruck, überwiegend solche esterartiger Natur. Sie können ohne chemische Reaktion, vorwiegend durch ihr Löse- und/oder Quellvermögen, unter Umständen aber auch ohne ein solches, mit hochpolymeren Stoffen in chemisch-physikalische Wechselwirkungen treten und ein homogenes System mit diesen bilden [DIN 55945 (Dez. 1988)]. Bevorzugt werden Weichmacher, welche lipophile Eigenschaften aufweisen, verwendet.

Es können unterschiedlichste Weichmacher verwendet werden, wie z. B. Phtalsäureester, Trimellitsäureester, aliphatische Dicarbonsäureester, Sebacate, Polyester aus Adipin-, Sebacin-, Azelain- und Phtalsäure mit Diolen wie 1,3-Butandiol, 1,2-Propandiol, 1,4-Butan­ diol u. a., Phosphate, Fettsäureester, Hydroxycarbon­ säureester, epoxidierte Fettsäurederivate insbesondere Triglyceride und Monoester, Polyamidweichmacher z. B. Benzolsulfonamide oder p-Toluolsulfonamide oder langkettige aliphatische Alkohole.

Auch können Gemische aus zwei oder mehreren Weichma­ chern zur Plastifizierung der Rezeptorschichten zuge­ setzt werden.

Die Verwendung deratiger Weichmacher in ionenselek­ tiven Membranen ist in der Literatur beschrieben. Fol­ gende, lipophile Eigenschaften aufweisende Weich­ macher, seien exemplarisch genannt: Ether, z. B. o-Ni­ trophenyloctylether, Ester/Amid-Weichmacher, hierbei besonders Dicarbonsäure-diesterweichmacher, Tetra-car­ bonsäure-tetraesterweichmacher, wobei die veresternde Komponente ein aliphatischer Alkohol, im allgemeinen mit mindestens fünf Kohlenstoffatomen, z. B. Bis (2- ethylhexyl) sebacat, Diester der Phosphorsäure oder Phosphonsäure.

Viele Weichmacher sind Sauerstoffdonatoren mit weite­ ren funktionellen Gruppen, wie z. B.: Bis(2-ethylhexyl sebacat, Dioctylphathalat, Dibenzylether, Tris-2- ethylhexyl-phosphate, etc.

Vorteilhafterweise kommen als Bestandteile der kation­ spezifischen Schicht auch ein oder mehrere, bevorzugt mit wäßrigen Lösungen nicht oder nur gering mischbare Polymere in Betracht.

So wären Polymerisate zu nennen, welche die Polymer­ matrix auf dem Transducer, d. h. auf den Elektroden und dem optionalen Träger, bilden. Bevorzugt sind Homopo­ lymerisate oder Copolymerisate, welche aus den Mono­ mereinheiten von Alkenen stammen und gegebenenfalls unpolare oder wenig polare Substituenten tragen:

Als Beispiele für die Substituenten R_i seien genannt: R_i = -H, -F, -Cl, -Br, -NO₂, -COR, -SH, -CN, -COOR (über das Sauerstoffatom oder Kohlenstoffatom an die Polymerhauptkette angebunden), Carbonsäurenitrilgrup­ pen, Carbonsäureamidgruppen, aliphatische/aromatische Ethergruppierungen, aromatische/heteroaromatische Res­ te. Das Polymermaterial kann von niedermolekularer bis sehr hochmolekularer Zusammensetzung sein, vor­ zugsweise jedoch hochmolekular.

Von den genannten Homopolymerisaten bzw. Copolymeri­ saten auf der Basis von Monomereinheiten, die von Alkenen stammen, sind speziell diejenigen bevorzugt, welche ein Vinylhalogenid- oder Vinylidenhalogenid­ homo- oder copolymerisat sind. In diesen Homo- bzw. Copolypolymerisaten ist das Halogenatom bevorzugt ein Chloratom.

Des weiteren kommen als Polymermatrix der festen oder halbfesten Membran auch weitere folgende Polymermate­ rialien (und entsprechende Homo-, Copolymerisate oder Derivate) in Betracht: Polyvinyle, wie Polyvinyl­ chlorid, Polyvinylstearat oder Polyvinylacetat Poly­ metacrylsäureester, Cellulosederivate wie Cellulose­ ester und Celluloseether, Polyethylenoxide, Polyamide, Polyimide, Polyester, Polyether, Polyphenole, Polysty­ role, Polyurethane, Polycarbonate, Polypyrrole, Polyaniline, Polyacethylene, Polysiloxane, Siliciumha­ ltige Polymere wie Silikone, halogenierte Silikone oder Silane, Polyacroleine, Polyacryle, Polyacryl­ nitrile, Polyethylenen, halogenierte Polymere, Poly­ ene, Polyethylenglycole, Polyglycole, Polyharnstoffe, Polyisocyanate, Polyisocyanide, Polyisoprene, Polyke­ tone, Polymaleinsäure(derivate), Polysaccharide, Poly­ ole, Polypeptide, Polyphenylen, Polypropylene, Lignin oder Chitin.

Ebenso können modifizierte, copolymerisierte Polymere oder Polymergemische aus zwei oder mehreren Polymeren oder copolymerisierten Polymeren als Bestandteil der kationenselektiven Schicht eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise kann das hydrophobe Material aus einer Kombination von Polymeren und Weichmachern be­ stehen.

Aus Polymeren hergestellte Schichten können organi­ sche, lipophile, wasserunlösliche Flüssigkeiten, vor­ zugsweise Ether und Ester aliphatischer Alkohole, ent­ halten. Die Selektivität der hydrophoben Schicht kann modifiziert werden durch Änderungen in der Schichtzusammensetzung und Beschaffenheit der einzel­ nen Komponenten.

Die kationselektive Schicht kann auch eine poröse Matrix/Träger (z. B. Filterpapiere, Gewebe, mikroporö­ ses Glas, Keramik) zur Stabilisierung der anderen Kom­ ponenten beinhalten. Die Verwendung einer porösen Matrix/Trägers bewirkt dazu noch die Homogenisierung der einzelnen Komponenten.

Ein wesentlicher Bestandteil der kationselektiven Schicht sind die kationselektiven Kopplungselemente. Im Sinn der Erfindung umfaßt der Begriff Kopplungs­ elemente alle Verbindungen bzw. Reste und funktionelle Gruppierungen, die in der Lage sind, die in der zu untersuchenden Lösung enthaltenen Kationen zu binden oder komplexieren.

Die kationspezifische Schicht kann einerseits aus Flüssigkeiten und/oder Polymeren bestehen, die selbst entsprechende Kopplungselemente zur selektiven Ex­ traktion von Kationen aufweisen. Andererseits ist es aber auch möglich, daß die Schicht, wie vorstehend beschrieben, Polymermaterialien und/oder organische Flüssigkeiten enthält und daß zusätzlich kationselek­ tive Kopplungselemente zugegeben werden.

Die kationselektiven Kopplungselemente sind in der Lage, selektiv mit Kationen aus einer wäßrigen Probe­ lösung, welche in Kontakt mit der kationselektiven Schicht steht, Komplexe zu bilden und damit spezifisch Kationen aus der Lösung in die Schicht aufzunehmen.

Unter kationenselektiven Kopplungselementen werden gemäß der vorliegenden Erfindung u. a. funktionelle Gruppen, Ionenaustauscher, komplexierende Gruppen, oder Chelatgruppen, Käfigverbindungen (z. B. Podanden, Koronanden, Polyether, Cyclophane, Kronenether, An­ tibiotika, Cyclodextrine), natürliche und synthetische Polypeptide, Lipide und Tenside verstanden.

Die Kopplungselemente können komplexbildende Weich­ macher sein oder Weichmacher, die Chelate bilden kön­ nen. Sie enthalten entsprechende chelatisierende funktionelle Gruppen in kovalenter Bindung am Weich­ macher. Komplexbildung dieser Gruppen mit Ionen kann sowohl intra- als auch intermolekular erfolgen. Als Beispiel seien hier Weichmacher wie cis-N,N,N-tet­ raisobutyl-1,2-cyclohexandicarboxamide und Dioctyl­ phosphonat als Li⁺-selektive Weichmacher genannt.

Die kationspezifische Schicht kann kationenselektive Kopplungsstellen aufweisende Polymeren beinhalten, welche Kationen selektiv aus der Lösung in die Schicht extrahieren können. Die kationselektive Schicht ist vorzugsweise ein Ionenleiter.

Vorteilhafterweise können die Polymere komplexbildende Polymere sein, z. B. polymere Chelatbildner. Sie ent­ halten entsprechende chelatisierende funktionelle Gruppen in kovalenter Bindung an Polymeren, die un­ vernetzt oder vernetzt sein können. Komplexbildung dieser Gruppen mit Ionen kann sowohl intra- als auch intermolekular erfolgen. Komplexbildende Gruppen (Li­ ganden) üblicher komplexbildenden Polymere sind Imino­ diessigsäure-, Hydroxychinolin-, Thioharnstoff-, Guanidin-, Dithiocarbamat-, Hydroxamsäure-, Amid­ oxim-, Aminophosphorsäure-, (cycl.) Polyamino-, Mer­ capto-, 1,3-Dicarbonyl-, Thio-, Cyano-, u. Kronen­ ether-Reste mit z. T. sehr spezifischen Aktivitäten gegenüber Ionen unterschiedlicher Metalle.

Basispolymere der komplexbildenden Polymere sind neben Polystyrolen, Polyacrylate, Polyacrylnitrile, Polyvinylalkohole Polyethylenimine und Polysiloxane. Die Herstellung der komplexbildenden Polymere erfolgt vorzugsweise in polymeranalogen Reaktionen an ver­ netzten Polyvinyl-Verbindungen.

Durch polymeranaloge Reaktionen können komplexbildende Polymere sowohl aus natürlichen Polymeren wie Cel­ lulose, Stärke, Lignin oder Chitin als auch aus modi­ fizierten natürlichen Polymeren, z. B. Huminsäure, gewonnen werden. Ebenso können die Verbindungen kova­ lent an das Polymer gebunden sein, wie Käfigverbindun­ gen (z. B. Cyclophane, Kronenether, Antibiotika, Cyclodextrine), natürliche oder synthetische Polypep­ tide, Lipide und Tenside. Beispiele für solche Poly­ mere sind Polysaccharide mit aktiven Liganden, Poly- Kronenether, Polykronenvinyle, Polyethercopolymere und Polyacrylate, Polysaccharide und Polysiloxane mit ak­ tiven Liganden.

Tenside, kolloidales Gold, Graphit, Glas oder anorga­ nische Mikropartikel oder Perlen können, eingeschlos­ sen in den Polymerfilmen, als molekulare Carrier die­ nen.

Die selektive Bindung von neutralen oder geladenen Spezies, z. B. Alkalimetallionen, Mg²⁺, Ca²⁺ oder Über­ gangsmetallionen, an spezifisch funktionelle Gruppen in der Polymerschicht kann die Änderung der Morpholo­ gie und der Porengröße bewirken und zwar

• a) Zu-/Abnahme der Quervenetzung des Matrix­ polymers oder
• b) Konformative, moleküle Änderung der Kompo­ nenten der Membranschicht.

Änderungen der Morphologie können zur Änderung der elektrischen Eigenschaften der Membranschicht führen, z. B. der ionischen Leitfähigkeit. Dies ist der Fall bei einigen Gelen, Proteinen, besonders Rezeptor-Pro­ teinen, Lipiden und Tensiden, welche funktionelle Gruppen enthalten, die fähig sind, Kationen zu binden.

Ebenso können Polymerfilme verwendet werden, die ko­ valent an das Polymergrundgerüst angebundene Liganden enthalten, welche Kationen zu komplexieren vermögen. Diese Filme können quervernetzt werden, z. B. durch Übergangsmetallionen, wenn diese Ionen Komplexe oder Chelate mit den im Polymer enthaltenen Liganden an verschiedenen Stellen der Polymerkette bilden.

Kationen-Rezeptor-Polymerschichten, z. B. Mehrphasen­ polymerschichten, die sensitiv gegenüber Ca²⁺ sind, können Poly-L-Glutaminsäureketten in einem Block-Co­ polymer enthalten.

Unter den Molekülen, welche fähig sind, konformative Änderungen, induziert durch Kationenbindung, vorzuneh­ men, seien Polyionen wie Proteine und synthetische oder natürliche Polypeptide zu nennen. Besonders die zwei Klassen der polyanionischen Makromoleküle, Pro­ teoglycane und saure Glycoproteine, zeigen, z. B. für Natrium und Calcium, die oben genannten Charakteris­ tika. Diese Makromoleküle stellen Polyanionen dar und zwar entsprechend ihrer carboxylierten, sialischen oder Sulfatgruppen.

Wenn die oben beschriebenen Polymerfilme dispergierte, leitende Partikel enthalten, bewirkt die Kontraktion des Films eine Zunahme der Film-Leitfähigkeit entspre­ chend des erhöhten Kontaktes zwischen den Partikeln. Die leitenden Partikel haben vorzugsweise eine Größe kleiner als 10 µm, idealerweise kleiner als 1 µm und bestehen z. B. aus einem Halbleiter, Metall oder Gra­ phit.

Die analytspezifische Schicht kann eine geordnete Struktur haben (d. h. die Komponenten des Mediums bil­ den eine flüssige Kristallphase), eine teilweise ge­ ordnete (z. B. bei den Multi-Doppelstrukturen von Fil­ men, die aus polyionischen Komplexen gebildet werden) oder eine amorphe. Bei der Extraktion des Analyten in die Membranphase ist eine Auswirkung auf die Kondi­ tionierung der Membranphase möglich, z. B. eine Desor­ ganisierung, wodurch deren bulkelektrische Eigenschaf­ ten beeinflußt werden.

Die oben erwähnten Multi-Doppelstrukturen können z. B. aus polyionischen Komplexen zwischen quartären Ammo­ niumionen einschließlich Tensiden und Lipiden und aus Polyionen, wie z. B. Polystyrolsulphonat und Polyvinyl­ sulphonat gebildet werden. Die Komponenten solch eines Films sind beispielsweise Dioctadegyldimethylam­ moniumbromid (2C₁₈N⁺2CBr^-) und Natriumpolystyrol­ sulphonat (PSS-Na⁺).

Die kationenspezifische Schicht kann zu den bereits angeführten Polymermaterialien und/oder Flüssigkeiten noch zusätzlich kationenselektive Kopplungselemente enthalten.

Als derartige Komplexbildner sind bevorzugt Komplex­ bildner für Kationen zu nennen, welche eine Komplexie­ rung sowie eine Transfer-Beweglichkeit von Kationen in der hydrophoben kationselektiven Schicht ermöglichen.

Diese Komplexbildner können lipophile Eigenschaften aufweisen und mit Kationen geladene Komplexe bilden. Gegebenenfalls stellen Ionenaustauscher ebenfalls Kom­ ponenten in der Schicht dar, welche die Beweglichkeit von Ionen innerhalb der Schicht bewirken.

Viele Beispiele für obengenannte kationenselektive Komponenten mit lipophilen Eigenschaften sind in der Literatur beschrieben und werden in ionenselektiven Membranen in ionenselektiven Sensoren eingesetzt.

Als Beispiele für kationenselektive Komponenten seien hier zyklische Komplexbildner für Kationen z. B. Mak­ rozyclen wie Kronenether (Alkaliselektivität), natür­ liche Antibiotika (Valinomycin - Kaliumselektivität, Nonactin - Ammoniumselektivität) sowie nichtzyklische, z. B. Dicarbonsäurediamide (hohe Selektivitäten gegenüber Alkali-/Erdalkaliionen), Tridodecylamin (H+- Sensitivität), Koronanden, Podanden, Polyether und Kryptanden genannt.

Ionenaustauscher und ionische Polymere können eben­ falls als sensitives Schichtmaterial in vorteilhafter Weise verwendet werden, sofern der Ionenaustausch gegen das detektierte Ion eine Veränderung der elek­ trischen Eigenschaften der Schicht zur Folge hat.

In dieser Erfindung wird die Definition eines Ionen­ austauschers gemäß RÖMPP CHEMIE LEXIKON, Georg Thieme Verlag Stuttgart, 9. Auflage, 1989, Bd. 3, Seite 2026- 2028 verwendet.

Das charakteristische Merkmal eines Ionenaustauschers und ionischen Polymers ist die Anwesenheit einer gro­ ßen Menge an hydrophilen Gruppen, die an das Polymer gebunden sind. Diese Gruppen können in Kationenaus­ tauschharzen z. B. -SO₃H und -COOH sein. Solche Poly­ mere, z. B. Persulfonpolymere wie Nation oder Eastman Kodak AQ-Polymere, können auch wesentliche hydrophobe Bereiche enthalten. Dadurch werden Filme mit hetero­ gener Struktur gebildet, mit getrennt hydrophilen und hydrophoben Regionen. Charakteristisch für diese Ma­ terialien ist die Tatsache, daß sie sich durch den Einschluß von Wasser selbst innerlich verdünnen und eine lokale Ionisation verhindern, woraus eine Leit­ fähigkeit nahe der von wäßrigen Elektrolyten resul­ tiert.

Als Ionenaustauscher eigenen sich z. B. Tetraalkylammo­ niumsalze, kationische Metallkomplexe, Dialkylphospha­ te, Tetraarylborate und deren Salze, z. B. Tetraphenyl­ borat und dessen Silber- und Alkalisalze, wie Natri­ umtetraphenylborat, enthalten. Die Phenylkerne der Tetraphenylborate können unsubstituiert sein oder substituiert, vorzugsweise monochlorsubstituiert in Parastellung.

Der Begriff "ionische Polymere" (Definition gemäß RÖMPP CHEMIE LEXIKON, Georg Thieme Verlag Stuttgart, 9. Auflage, 1989, Bd. 3, Seite 2038) bezieht sich nach der vorliegenden Erfindung auf Polymere, die an das oder in das Grundgerüst des Polymers angebundene ba­ sische oder saure funktionelle Gruppen besitzen. Als ionische Gruppen der ionischen Polymere können u. a. Salze von Sulfonsäure-, Phosphonsäure-, Carboxy-, Am­ monium- oder Phosphoniumgruppen fungieren.

Vorteilhafterweise können die die sensitive Schicht bildenden Ionomere im besonderen folgenden Gruppen angehören: Copolymere von Ethylen, Acryl- oder Meta­ crylsäure, Carboxielastomere, Terpolymere, Terpoly­ mer, Ethylen-Propylen-Diensulfonat, substituierte Polyvinyle wie Polyacrylate, im besonderen Polyace­ tate oder Butyrale oder Polyvinylimidazole, Perfluoro­ polymere, im besonderen Perfluorosulfonate sowie Polyampholyte.

Neben den bisher beschriebenen Komponenten und Kop­ plungselementen in der kationselektiven Schicht kommen auch alle in der DE 44 37 274 A1 beschriebenen Sub­ stanzen in Frage.

Nachfolgend wird auf die in der kationselektiven Schicht vorhandene, erfindungsgemäße Säure/Base-Kom­ ponente näher eingegangen. Unter dem Begriff Säure/­ Base-Komponente im Sinne der Erfindung werden u. a. funktionelle Gruppierungen und chemische Verbindungen verstanden, welche in Folge der Abgabe/Aufnahme von zu detektierenden Kationen in der kationselektiven Schicht als Protonendonator/akzeptor fungieren und Protonen abzugeben oder aufzunehmen vermögen. Die Säu­ re/Base-Komponente kann aufgrund der Ankopplung an andere Komponenten der kationselektiven Schicht oder wegen ihrer eigenen hohen Lipophilie nicht oder nur gering mit wäßrigen Lösungen mischbar sein.

Durch die Wechselwirkung der zu detektierenden Katio­ nen mit den in der Schicht anwesenden kationerkennen­ den Kopplungselementen und die daraus resultierende Protonenaufnahme oder -abgabe der Säure/Base-Kompo­ nente zur Erhaltung der Ladungsneutralität, entsteht eine meßbare Änderung der elektrischen Eigenschaften der kationenselektiven Schicht.

Die Meßbedingungen und/oder die Zusammensetzung der selektiven Schicht sind dabei so gewählt, daß die entsprechenden funktionelle Gruppierungen und chemi­ sche Verbindungen mit Säure/Base-Eigenschaften in der kationenselektiven Schicht vorzugsweise in protonier­ ter Form vorliegen.

Die Säure/Base-Komponenten besitzen bevorzugt eine Säurekonstante pK_s im Bereich von 3 bis 12. Idealer­ weise weist die Säure/Base-Komponente einen pK_s-Wert von ungefähr 6 bis 8 auf.

Vorteilhafterweise kann jede Komponente des schichtbildenden, hydrophoben Materials funktionelle Gruppierungen aufweisen, welche in der Schicht als Säure/Base fungieren können.

Die in der selektiven Schicht anwesenden Säure/Base- Komponenten können auch bevorzugt durch zusätzlich zugegebene lipophile Säuren oder Basen vertreten sein. Als lipophile Säure oder Base können z. B. pH-Indika­ toren fungieren. Diese können chemisch entsprechend modifiziert sein können, so daß sie eine geeignete Lipophilie aufweisen. Diese Modifikation kann durch Ankopplung von Benzyl- oder anderen Resten sowie durch Ankopplung einer oder mehreren Alkan-Ketten mit einer Kettenlänge von vorzugsweise 4 bis 20 oder mehr Koh­ lenwasserstoffatomen erfolgen. Moleküle, welche sich als pH-Indikatoren eignen, sind in vielen Standard­ werken beschrieben worden. So kommen z. B. phenolische Verbindungen wie p-Nitrophenol oder auch Verbindungen aus der Klasse der Indikatoren und ihrer Derivate, wie Verbindungen und Derivate des Fluorescein, Fluores­ cinester, 7-Hydroxy-Cumarin, Resorufine, Flavone, Pyren-3-ol, oder auch Komponenten wie 7-(n-decyl)-2- methyl-4-(3',5'-dichlorophen-4'-on)indonaph­ tol dafür in Frage (vgl. auch US 493,951 und US 493, 981).

Die Auswahl von lipophilen Säuren oder Basen ist nicht auf pH-Indikatoren beschränkt. Fast alle funktionellen Gruppierungen und Verbindungen, welche die erforder­ lichen Protonendonator/akzeptoreigenschaften besitzen, können, gegebenenfalls nach einer entsprechenden chemischen Modifizierung, als erfindungsgemäße Säure/Base-Komponente im Sinn der Erfindung in der kationselektiven Schicht eingesetzt werden.

Weitere Beispiele geeigneter Verbindungsklassen sind Fettsäuren, Lipide und Tenside mit schwach sauren oder basischen Eigenschaften.

Weitere Komponenten mit sauren oder basischen Eigen­ schaften können z. B. auch 9-(Dimethylamino)-5-octade­ canoylimino-5H-benzo[a]phenoxazin, 3-Hydroxy-4-(4- nitrophenolazo)phenyloctadecanoat oder entsprechende Derivate sein.

Im Sinn der Erfindung ist unter dem Begriff Säure/Ba­ se-Komponente auch eine Kombination von mehreren Kom­ ponenten (chemischen Verbindungen) zu verstehen, deren Reaktion bei der Wechselwirkung der zu detektierenden Kationen mit in der Schicht anwesenden kationerkennen­ den Kopplungselementen eine meßbare Änderung der elektrischen Eigenschaften der kationenselektiven Schicht bewirken.

Die kationenspezifische Schicht kann auf einen Träger, z. B. auf Silizium mit einer Passivierungsschicht aus Si₃N₄ oder SiO₂, auf Glas, Metall, Keramik, Saphir, Plastik oder Polymer, in Form von Filmen aufgebracht wird. Die Techniken des Aufbringens einer Polymer­ membranschicht sind dabei aus dem Stand der Technik bekannt. Als geeignete Abscheidungsverfahren wären u. a. zu nennen die Abscheidung aus der Lösung, Auftropfen, Dip-Coating, Spraying, chemische-, photo­ chemische- oder elektrochemische Polymerisation, Spin- Coating oder Photolithographie.

Die kationselektive Schicht weist vorzugsweise fol­ gende Verhältnisse der einzelnen Schichtkomponenten auf:

• - 20-80 Gew.-% Polymermaterial,
• - 20-80 Gew.-% Weichmacher,
• - 1-10 Gew.-% Kationenselektive Kopplungselemente,
• - 1-10 Gew.-% Komponente mit Säure/Base-Eigenschaf­ ten, vorzugsweise 1-5 Gew.-%

Gegebenenfalls ist in den Membranen noch eine weitere Komponente, beispielsweise ein Ionenaustauscher mit 1-­ 10 Gew.-%, anwesend.

Prinzipiell alle chemische Verbindungen (Weichmacher, Polymere, Ionenaustauscher, kationenselektiver Kom­ plexbildner, Ionophore, Chromoionophore, lipophile pH-Indikatoren und andere), welche gemäß des Standes der Technik zur Herstellung von potentiometrischen Elektroden, ionenselektiven Optoden oder Teststreifen verwendet werden können, lassen sich auch für die Her­ stellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen kation­ spezifischen Polymermembranschichten einsetzen. Eine Übersicht über entsprechende Schichtkomponenten kann den folgenden Quellen zu entnommen werden: CRC Handbook of ion-selective electrode: selectivity coe­ fficients/ Ed. Umezawa Y., CRC Press: Boca Raton, 1990; in Produktbroschüren, Selectophore (ionophores for ion-selective electrodes and optodes) und Quats, Crowns and Polyesters der Firma Fluka Chemie AG; Vög­ tle F., Cyclophan-Chemie, Stuttgart: Teubner, 1990, Seiten 34 bis 112, etc.

Als nächstes sollen die Meßbedingungen näher erläutert werden. Für die Analyse mit Hilfe der in dieser Erfin­ dung vorgeschlagenen Kationensensoren kann gegebenen­ falls eine Anpassung des pH-Wertes der zu analysieren­ den, wäßrigen Probe zu einem bestimmten Wert erforder­ lich sein. Das ist besonders für Wasserproben in An­ wendungsbereichen der Industrie und Umwelt zu berück­ sichtigen.

Diese Anpassung kann beispielsweise durch die Verdün­ nung der Probe mit einer Pufferlösung mit einem bekan­ ntem pH-Wert erfolgen, welches eine Standardmethode der Probevorbereitung darstellt. Die dafür eingesetz­ ten Pufferzusammensetzungen und einzelnen chemischen Komponenten sind aus Standardnachschlagwerken bekannt. Generell werden für die Vorbereitung von Pufferlösun­ gen wasserlösliche schwache Säuren oder Basen ein­ gesetzt, welche z. B. aus Produktkatalogen von Fa. Merck und Fa. Fluka zu entnehmen sind. Als Beispiele seien folgende Puffer genannt: Tris(hydro­ xymethyl)aminomethan, ,N,-bis-(2-hydroxyethyl) glycine, Acetat/Essigsäure, kombinierte Puffer aus Borat/­ Citrat/Dihydrogenphosphat, etc.

Vorzugsweise sollte der pH-Wert der wäßrigen Probelö­ sung auf oben beschriebene Weise im Bereich von 3 bis 11, besonders bevorzugt zwischen 6 und 8 liegen.

Für die online Analyse kann die erforderliche Probe­ vorbereitung durch eine standardisierte Zugabe der Konditionierungspuffer (Konditionierungslösung) erfol­ gen.

Vorteilhafterweise können die vorgeschlagenen Ionen­ sensoren als Wegwerfsensoren oder als eine Art von Teststreifen mit elektronischer Datenerfassung ein­ gesetzt werden. In diesem Fall kann der Sensor ober­ halb der kationenselektiven Schicht zusätzlich noch eine Schicht besitzen, die aus trockenen und löslichen Puffersubstanzen, welche gegebenenfalls in eine poröse Trägermatrix eingebracht werden können, besteht. Nach dem Kontakt mit beispielsweise einer wäßrigen Lösung löst sich die obere Schicht auf, wodurch die erforder­ liche Einstellung des pH-Wertes der Probelösung er­ folgt.

Bei Bedarf kann auch die Osmolalität (ionische Stärke) der Probe zu einem Standardwert angepaßt werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer ersten Ausfüh­ rungsform eines kationselektiven Sensors mit einer kationspezifischen Schicht;

Fig. 2 den schematischen Aufbau der zweiten Ausfüh­ rungsform eines kationselektiven Sensors als Test­ streifen;

Fig. 3 beispielhafte Meßelektroden-Anordnungen, bei denen die Leiter in Form von dicken oder dünnen Schichten gebildet sind; und

Fig. 4 schematisch den Aufbau der Meßelektroden in Form von Interdigitalelektroden und eine Meßanordnung für die Messung der Admittanz des Sensors.

Fig. 1 zeigt im Schnitt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen kationselektiven Sensors 1. Der Sen­ sor 1 steht in direktem Kontakt mit der Lösung 4 und ist dabei so aufgebaut, daß die analytspezifische Schicht 3 auf einem inerten Träger 7 aufgebracht ist. Die Schichtdicke der sensitiven Schicht 3 kann dabei im Bereich von 0,01 µm bis 1 mm liegen. In der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 weisen die Elektroden 5, 6 einen direkten Kontakt mit der Schicht 3 auf. Diese Schicht hat im Beispielfall nach Fig. 1 folgende Zu­ sammensetzung:

• - 64 Gew.-% Polymermaterial
• - 32 Gew.-% Weichmacher
• - 2 Gew.-% kationenselektive Kopplungselementen
• - 2 Gew.-% Komponenten mit Säure/Base-Eigenschaf­ ten.

Fig. 2 zeigt nun analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsge­ mäßen Sensors als Teststreifen 2. In der Ausführungs­ form nach Fig. 2 ist ein weitere Schicht 8 auf der kationenselektiven Schicht 7 vorgesehen. Die Schicht 8 enthält lösliche Puffersubstanzen und optional weitere Komponenten, welche für die Probevorbereitung erfor­ derlich sind. Nach dem Kontakt mit einer wäßrigen Lö­ sung, löst sich die Schicht 8 auf, wodurch die erfor­ derliche Einstellung des pH-Wertes und gegebenenfalls ionischen Stärke der Probelösung erfolgt. Die Schicht 8 besteht im Beispielfall aus Filterpapier, das die getrockneten Komponenten des Phosphatpuffers oder TRIS-Puffers enthält und weist eine Schichtdicke von 0,01 µm bis 1 mm auf.

In Fig. 3 sind beispielhaft Meßanordnungen bestehend aus kationselektiven Sensor mit zwei Elektroden 5, 6 und einem Meßgerät 9 dargestellt. Hinsichtlich der praktischen Durchführung von Leitfähigkeitsmessungen kann zwischen zwei grundlegenden Typen von Meßzellen unterschieden werden:

• 1. Beide Leiter 5, 6 werden von der Schicht 3 über­ deckt, die auf diese Weise eine kontinuierliche Bulkphase bildet (Fig. 3a);
• 2. Jeder der Leiter 5, 6 wird durch die Schicht 3 separat übergedeckt, die Schichten bilden keine kontinuierliche Bulkphase (Fig. 3b). Es kann auch nur ein Leiter durch die Schicht 3 abgedeckt sein.

Für den Fall 1 (siehe Fig. 3a) können das Verhältnis zwischen den charakteristischen Abmessungen der Schicht 3 (Dicke - d) und denen der Leiter 5, 6 (ge­ ringster Abstand zwischen den Leitern a, größte Breite der Leiter entlang der Verbindungslinie b) betreffend zwei charakteristische Fälle aufgeführt werden:

• 1. 1.1. entweder a oder b oder beide sind größer als d;
• 2. 1.2. a und b sind beide kleiner als d.

Die Fälle 1.1 und 2 sind in dem Sinne ähnlich, daß bei solchen Anordnungen die Veränderung der Leitfähigkeit der getesteten Lösung, in welche die Sensorsonde ein­ taucht, zum gemessenen Sensor-Output-Signal beiträgt. Die Messungen der spezifischen Ionenkonzentration sind jedoch auch in diesem Fall noch möglich, wenn:

• - Die Untergrundleitfähigkeit der Probe konstant ist;
• - Die Leitfähigkeit der Probe sehr viel größer ist als die Leitfähigkeit der verwendeten ka­ tionenselektiven Membranen;
• - Die Sensor-Charakteristika in einer Standard­ lösung bekannter oder eingestellter Leitfähig­ keit vor und nach der Messung in einer Lösung bestimmt wurden;
• - parallele Messungen der Leitfähigkeit der probe gemacht und im betracht gezogen wurden.

Der Fall 1.2 entspricht der Situation, wenn der Anteil der Volumenleitfähigkeit der Probe am Sensor-Output- Signal minimal ist, so daß das gemessene Signal hauptsächlich der Volumenleitfähigkeit der ionenselek­ tiven Membran entspricht.

Die Elektroden können beispielsweise als Drahtelek­ troden ausgestaltet sein. Als vorteilhaft erweist sich dabei die äußerst einfache und kostengünstige Herstel­ lung.

Scheibenelektroden haben den Vorteil der einfachen Erneuerung der Sonde durch Polieren der Meßoberfläche der Elektroden.

Eine bevorzugte Konstruktionsmöglichkeiten der Sen­ sorelektroden bilden Interdigitalelektroden, wie in Fig. 4 dargestellt.

Zwei Interdigitalelektroden (IDE) oder Leitungsbänder 5, 6 werden auf ein isolierendes Substrat 7 aufge­ bracht (Fig. 4). Das letztere kann ein Polymerband (zum Beispiel Polyimid), Glas, Keramik (zum Beispiel geschmolzenes Aluminium oder Sital) Saphir oder pas­ siviertes Silizium sein. Die Elektrodenmaterialien können aus ionisch-, elektronisch- oder halbleitenden Materialien bestehen.

Die den messenden Teil mit den Kontaktflächen des Sen­ sorchips verbindenden Bereiche der Elektroden müssen durch eine elektrisch isolierende Schicht 10 abgedeckt sein. Die Passivierungsschicht 10 läßt nur den elektrischen Abgriff und die sensitive Fläche der Elektrode 5, 6 freiläßt. Diese Passivierungsschicht 10 kann z. B. ein Polymerfilm sein (hochtemperaturver­ netztes Polyimid oder Photowiderstände) oder ein anor­ ganischer Film aus beispielsweise pyrolytischem Silikonoxid, CVD-Silikonnitrid oder aufgebrachtem Glas.

Der Vorteil bei der Verwendung einer IDE liegt in der Möglichkeit der dichten Anordnung der Elektroden (die Abmessungen a und b können bis in den Submikromaßstab hinein verringert werden) bei gleichzeitig großer Peripherie, was zu einer Erhöhung der Sensitivität der Leitfähigkeitsmessungen auf einer geringen Fläche führt. Die niedrigste erreichbare Grenze für die Ab­ messungen a und b liegt bei ca. 0.1 µm, 2 µm bzw. 50 µm, wenn Elektronen-Photolithographie, optische Pho­ tolithographie bzw. Siebdrucktechnologie zur Elektro­ denherstellung angewandt werden. Die Dicke h der Elektroden liegt bevorzugt in einem Bereich von 0.01 µm bis 10 µm.

Die kationenselektive Schicht 3 wird auf der Meßfläche der IDE aufgebracht, welche frei von Passivierung ist. Die Membran muß die gesamte sensitive Fläche der Elektroden 5, 6 abdecken. Da die elektrische Leitfäh­ igkeit der ionenselektiven Membran eher niedrig ist (ihr Widerstand kann eine Höhe von 10⁸ Ω.cm² errei­ chen), machen sogar kleine, der Lösung direkt ausge­ setzte Teile der Elektrode eine zuverlässige Messung der Membranleitfähigkeit unmöglich, weil ihr Wider­ stand geringer ist als der Membranwiderstand selbst, und sie somit den Stromfluß im Meßkreis kurzschließen können.

Die Abmessungen von a, b und h sollten möglichst so gewählt werden, daß das Verhältnis 1.2 (s. o.) erfüllt wird, das heißt die Membrandicke d sollte größer sein als a sowie b und h. Die Dicke der den zentralen Teil des Chips bedeckenden Passivierungsschicht sollte vor­ zugsweise größer sein als die der Meßmembran. Für diesen Fall stören Veränderungen in der Untergrund­ leitfähigkeit der Probe in geringstem Umfang die Mes­ sung der Leitfähigkeit der ionenselektiven Membran.

Die Erfindung umfasst nicht nur Einzel-, sondern auch Multianalytsonden, die durch das Vereinigen bzw. Inte­ grieren von Mehrfachelektroden auf einer Sensoreinheit oder einem Träger hergestellt werden und mit für verschiedene Kationen spezifischen Schichten überzogen sind. Sensoren mit mäßiger Selektivität können eben­ falls in einer Multisensoreinheit integriert werden, was zum Erhalt von sogenannten "Finger-Prints" führt, die den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Probenlösung entsprechen. Nachträglich kann unter Anwendung verschiedener Methoden der Mustererkennung den jeweiligen Ansprechmustern eine entsprechende Probenzusammensetzung zugeordnet werden. Die bevor­ zugte Konstruktion des Multisensors basiert auf der Verwendung von mikroelektronischen Chips mit der er­ forderlichen Anzahl an Interdigitalelektrodenpaaren, wobei jedes Paar mit der geeigneten Membran überzogen ist. Solch eine Konstruktionsweise hat den Vorteil der technologischen Kompatibilität mit IC-Technologien sowie der Einfachheit der Miniaturisierung.

Mit den Sensoren, die gemäß der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und nach Fig. 2 hergestellt wurden, sind Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt worden.

Für die Messung der Materialleitfähigkeit sind mehrere Techniken verfügbar, grundsätzlich unterteilbar in DC- und AC-Techniken (Cooper, W. D., Helfrick, A. DE., Elektrische Meßtechnik, VCH: Weinheim, Basel, Cam­ bridge, New York, 1989, Seiten 1 bis 14). Die AC-Tech­ niken werden im allgemeinen bevorzugt, da sie eine Erniedrigung des Verhältnisses von Signal zu Rauschen erlauben und, besonders im vorliegenden Fall der ioni­ schen Leitfähigkeit, eine Konzentrationspolarisation in der Nähe der Elektrodenoberflächen verhindern.

Alternativ können Messungen der Bulkleitfähigkeit von Schichten mittels der bipolaren Pulstechniken, be­ schrieben bei Johnson, D. E. und Enke C. G., Bipolar pulse technique for fast conductance measurements, Analytical chemistry, 1970, v. 42, p. 329-335, durchgeführt werden. Die Vorteile dieser Technik be­ stehen darin, daß die Messungen schnell durchgeführt werden können (bis zu 10 µs) und unabhängig von paral­ lelen und seriellen Streukapazitäten sind.

Eine der einfachsten für die Messung der Admittanz (Impedanz) des Sensors und damit der Leitfähigkeit der Meßmembran verwendeten elektrischen Anordnungen ist in Fig. 4 dargestellt.

Der Lastwiderstand R_L wird mit dem zu untersuchenden Sensor in Reihe geschaltet und der Spannungsabfall an R_L liefert das Ausgangssignal. Beim Anlegen einer AC- Eingangsspannung ist die bevorzugte Bedingung für den Einsatz einer solchen Anordnung diejenige, daß inner­ halb des verwendeten Frequenzbereichs der Eingangs­ spannung die Impedanz Z_Sensor des getesteten Sensors wesentlich größer sein sollte als R_L. In diesem Fall ist der Stromfluß Richtung Lastwiderstand hauptsäch­ lich von der Impedanz des Sensors bestimmt und kann leicht nach der Formel

I(ω) = U_out(ω)/R_L (1)

berechnet werden. Hier ist ω die Winkelfrequenz der Eingangsspannung U_in und U_out ist die Ausgangsspannung.

Wenn eine AC-Eingangsspannung angelegt wird, ist so­ wohl die Amplitude als auch die Phase des Ausgangssig­ nals (Spannung oder Strom) frequenzabhängig. Die Dispersion (Frequenzabhängigkeit) des Ausgangssignals ist unter den oben festgelegten Bedingungen haupt­ sächlich durch die AC-Impedanz des getesteten Sensors bestimmt.

Die Admittanz des Sensors kann berechnet werden mit der Formel

Der erste Term auf der rechten Seite stellt den Real­ teil der Sensorsadmittanz

dar, der proportional zum gemessenen Ausgangssignal ist und mit Hilfe von Gleichung 3 berechnet werden kann, vorausgesetzt daß R_L und die Amplitude der Ein­ gangsspannung U_inp bekannt sind.

Bei einigen Meßgeräten wird statt der Admittanz Y die Impedanz Z des Sensors gemessen. Die Impedanz Z eines Systems stellt den Kehrwert zur dazugehörigen Admit­ tanz dar. Impedanzmessungen können daher ebenfalls zur Charakterisierung der Leitfähigkeit einer Meßmembran angewandt werden.

Um die Änderungen der Membranleitfähigkeit verfolgen zu können, werden in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Messungen der Admittanz, oder alter­ nativ einer Phasen-Komponenten des Ausgangssignals der Meßanordnung aus Fig. 4 verwendet. Diese Werte hängen ebenfalls von der Frequenz ab, und diese Abhängigkeit kann in den verschiedenen Frequenzbereichen variieren. Die übliche Betriebsfrequenz wird unter Einbeziehung dieser Faktoren mit dem Ziel der Optimierung der Sen­ sorempfindlichkeit, der Verringerung des Aufwands hin­ sichtlich der die Meßeinrichtungen sowie der Unterdrückung unspezifischer Störungen ausgewählt. Der bevorzugte Arbeitsbereich liegt bei Frequenzen zwis­ chen 100 Hz und 100 kHz.

Ausführungsbeispiel

Zwei identische Paare von interdigitalen Dünnschicht- Metallelektroden aus Ni, Pt oder Au werden durch Va­ kuumaufdampfung auf ein 0,5 mm dickes Keramiksubstrat hergestellt. Die Abmessungen eines Sensorchips liegen bei 5 mm × 20 mm. Jeder Elektrodenfinger ist ca. 10 µm breit und ca. 1 mm lang mit ca. 10 µm Abstand zwi­ schen den Elektrodenfingern eines Paares. Die sensiti­ ve Fläche eines jeden einen impedimetrischen Transdu­ cer bildenden Elektrodenpaares beträgt ca. 1 mm². Um die sensitive Fläche des Sensors abzugrenzen, wird der zentrale Teil des Chips mit einer Schicht Dow Corning Silikongummi verkapselt. Das vollständige Chip-Layout ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.

Als Polymermaterial wird hochmolekulares Polyvinyl­ chloridhomopolymerisat verwendet, Weichmacher ist o-Nitrophenyloctylether. Als kaliumselektives Kopp­ lungselement wird eine aus dem Stand der Technik be­ kannte Komponente verwendet, das natürliche Anti­ biotikum Valynomycin. Als Komponente mit sauren und basischen Eigenschaften wird ETH 2412, 3-Hydroxy-4-(4- nitrophenolazo)phenyloctadecanoat eingesetzt. Alle Komponenten können von der Firma Fluka (Buchs) bezogen werden.

Die kationenselektive Schicht hat folgende Komposi­ tion: 5,5 mg ETH 2412, 15 mg Valinomycin, 160 mg o-Nitrophenyloctylether, 80 mg PVC. Diese Komposition wird in 3 ml Tetrahydrofuran gelöst und durch Ein­ tauchen des Sensors in diese Lösung auf die sensitive Fläche des Transducers aufgebracht.

Die Probelösung wird mit einem Universalpuffer (10 mM NaH₂PO₄, 6,6 mM Zitronensäure, 21,5 mM Na₂B₄O₇) versetzt und mit verdünnter H₂SO₄ auf einen pH-Wert von 5 eingestellt.

Claims (27)

1. Kationselektiver Sensor zur qualitativen und/ oder quantitativen Bestimmung von Kationen in einer wäßrigen Lösung,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kationselektive Sensor mindestens eine, mit der wäßrigen Lösung (4) in Kontakt stehende, ionisch leitende, kationspezifische Schicht (3) aus einem flüssigen, festen oder halbfesten Material enthält,
daß diese Schicht (3) Kopplungselemente enthält, welche die Kationen selektiv aus der Lösung ent­ fernen, so daß sich durch Kationenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Leit­ fähigkeit, Admittanz oder Impedanz der Schicht (3) ändern,
daß die kationselektive Schicht (3) mindestens eine Säure/Base-Komponente enthält, welche mit der wäßrigen Lösung (4) nicht oder nur gering mischbar ist,
und daß der Sensor mindestens zwei Elektroden (5, 6), von denen mindestens eine mit der ka­ tionspezifischen Schicht (3) in Verbindung steht, umfaßt.

2. Kationselektiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente in Form von funk­ tionellen Gruppierungen mit Säure/Base-Eigen­ schaften in der kationselektiven Schicht (3) vorhanden ist.

3. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente in Form von min­ destens einer chemischen Verbindung mit Säure/­ Base-Eigenschaften in der kationselektiven Schicht (3) vorhanden ist.

4. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente an eine weitere Komponente der kationselektiven Schicht (3) ge­ bunden ist.

5. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente lipophil ist.

6. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente eine lipophile Säure oder lipophile Base ist.

7. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente eine Säurekonstan­ te pK_s im Bereich von 3 bis 12 besitzt.

8. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente eine Säurekonstan­ te pK_s im Bereich von 6 bis 8 besitzt.

9. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente ein pH-Indikator oder ein Derivat eines pH-Indikators ist.

10. Kationselektiver Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Indikator oder das Derivat lipohil ist.

11. Kationselektiver Sensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Indikator oder das Derivat durch An­ kopplung von Benzyl-Resten oder Alkan-Ketten lipophil modifiziert ist.

12. Kationselektiver Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente eine phenolische Verbindung, wie p-Nitrophenol, eine Verbindung oder ein Derivat des Fluorescein, des Fluores­ cinester, des 7-Hydroxy-Cumarin, der Resorufine, der Flavone, des Pyren-3-ol oder eine Komponen­ te, wie 7-(n-decyl)-2-methyl-4-(3',5'-dichloro­ phen-4'-on)indonaphtol, ist.

13. Kationselektiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente eine Fettsäure, ein Lipid, ein Tensid oder ein Derivat dieser Substanzen ist.

14. Kationselektiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure/Base-Komponente 3-Hydroxy-4-(4- nitrophenolazo)phenyloctadecanoat ist.

15. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kationselektive Schicht (3) mindestens eine der Komponenten organische Flüssigkeit, Weichmacher, Ionenaustauscher, Polymer, Träger­ material oder eine beliebige Kombination dieser Komponenten enthält.

16. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kationselektive Schicht (3) lipophil ist.

17. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kationselektive Schicht (3) eine Dicke zwischen 0,01 µm und 1 mm aufweist.

18. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kationselektive Schicht (3) 20-80 Gew.-% Polymermaterial, 20-80 Gew.-% Weichmacher, 1-10 Gew.-% kationselektive Kopplungselemente und 1-10 Gew.-% Säure/Base-Komponenten enthält.

19. Kationselektiver Sensor nach Anspruch 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die kationselektive Schicht (3) 1-10 Gew.-% Ionentauscher enthält.

20. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kationselektive Schicht (3) auf einen inerten Träger (7) aufgebracht ist.

21. Kationselektiver Sensor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der kationselektiven Schicht (3) eine weitere Schicht (8) aufgebracht ist.

22. Kationselektiver Sensor Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (8) mindestens eine lös­ liche Puffersubstanz enthält.

23. Kationselektiver Sensor nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (8) mindestens eine der Probenvorbereitung dienende Komponente enthält.

24. Kationselektiver Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (8) einen die kation­ selektive Schicht (3) stabilisierenden, porösen Träger oder eine entsprechende Matrix enthält.

25. Kationselektiver Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Komponenten der weiteren Schicht (8) in der wäßrigen Lösung (4) löslich sind und den pH-Wert und/oder die ionische Stärke der Lösung (4) einstellen.

26. Kationselektiver Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (8) eine Dicke zwischen 0,01 µm und 1 mm aufweist.

27. Kationselektiver Sensor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Teststreifen (2) ausgeführt ist.