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Diese Erfindung stellt eine Referenzelektrodenvorrichtung
des Typs mit einer Flüssigkeitsgrenze mit
eingeschränkter
Diffusion bereit, die in potentiometrischen pH- und/oder ionenselektiven
Elektroden(ISE)-Sensoren anwendbar ist, und insbesondere zur Verwendung
in einer Miniatur-integrierten elektrochemischen Analyseeinrichtung
geeignet ist.
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Herkömmliche Typen von Referenzelektroden
weisen eine Flüssigkeitsgrenze
(liquid junction) auf, wo die Probe auf die Grenzlösung bzw.
Lösung an
der Grenze trifft. Die Grenze ist typischerweise entweder offen
oder eingeschränkt.
In einem System mit offener Grenze arbeitet die Flüssigkeitsgrenze durch
freie Diffusion. In einem Grenzsystem mit eingeschränkter Diffusion
befindet sich ein Bereich porösen
Materials, das für
Wasser und Salze durchlässig
ist (eine Membran, ein poröser
Stopfen, eine Fritte oder ähnliches),
an dem Ort der Flüssigkeitsgrenze.
Das poröse
Material wirkt als Einschränkung, durch
welche die Passage größerer Moleküle (wie beispielsweise
Proteine) und ein Massenflüssigkeitstransport
allgemein verhindert wird (siehe beispielsweise EP-A-388017).
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Die Flüssigkeitsgrenzlösung (allgemein
auch als die Salzbrückenlösung bezeichnet)
enthält
typischerweise eine mit einem Salz gesättigte Lösung (wie beispielsweise ein äquitransferierendes
Salz, einschließlich
KCl, KNO3), welches die verminderung und
Konstanthaltung des Grenzpotentials bewirkt, das sich über die
Flüssigkeitsgrenze
entwickelt und typischerweise als Flüssigkeitsgrenzpotential (liquid junction
potential) bezeichnet wird. Die Differenz der Flüssigkeitsgrenzpotentiale zwischen
dem Systemkalibrator und der Probe wird als das Rest-Flüssigkeitsgrenzpotential
bezeichnet. Typischerweise nimmt das Rest-Flüssigkeitsgrenzpotential zu,
wenn die Ionenstärkendifferenz
zwischen der Systemkalibratorlösung
und der Probenlösung
zunimmt. Es wird allgemein angenommen, dass das Rest-Flüssigkeitsgrenzpotential
die Genauigkeit der zugehörigen
potentiometrischen Sensoren beeinflusst. Daher wird typischerweise
eine Mehrfachverwendungs-Referenzelektrode so konstruiert, dass
das Rest-Flüssigkeitsgrenzpotential
so lange wie möglich
minimiert wird, wobei andere Konstruktionszwänge ausgeglichen werden.
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In potentiometrischen Systemen, die
mit miniaturisierten Arbeitselektroden konstruiert sind (typischerweise
pH- und/oder ionenselektive
Elektroden), macht die Notwendigkeit der Grenzlösung die Miniaturisierung einer
Referenzelektrode schwierig. Weiterhin muss die Flüssigkeitsgrenzlösung, damit
die Referenzelektrode die Fähigkeit
der mehrfachen Verwendbarkeit aufweist, in einem Volumen und einer Konzentration
vorliegen, dass das Rest-Flüssigkeitsgrenzpotential über seine
einsetzbare Lebensdauer minimiert wird. Um Fehler aufgrund des Rest-Flüssigkeitsgrenzpotentials
zu minimieren, ist die Grenzlösung
im allgemeinen mit dem äquitransferierenden Elektrolytsalz
gesättigt.
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Bei herkömmlichen Referenzelektroden
wird ein Referenzkontaktbereich (manchmal auch als Elektrodenelemente
bezeichnet) verwendet, der in eine stagnierenden Grenzlösung eingetaucht
ist, welche eine konstante Konzentration des äquitransferierenden Salzes
enthält.
Der Referenzkontakt bereich basiert häufig auf Silber, bestehend
aus einem elektrochemisch reversiblen Redoxelektrodenpaar wie Ag/Ag+ und Ag/AgCl. Wenn Salzlösungen mit den Referenzkontaktbereichen
auf Silberbasis wie Ag/AgCl verwendet werden, ist das AgCl löslich. In Flüssigkeitsgrenzen
des eingeschränkten
Diffusionstyps ist diese Löslichkeit
problematisch, da sie zur nachfolgenden Ausfällung von Silbersalzen an dem Bereich
der Einschränkungseinrichtung
aus porösem Material
führt,
was zu einer unerwünschten
Verschmutzung der Einschränkungseinrichtung
führt, was
wiederum zu einer fehlerhaften Referenzelektrodenleistung führt.
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Üblicherweise
wurden aufgrund des oben beschriebenen Verschmutzungsproblems, das
mit der Verwendung von Referenzkontaktbereichen auf Silberbasis
zusammenhängt,
Barrieremembranen verwendet, um eine Ag+-Ionenmigration
von dem Referenzkontaktbereich zu dem Bereich der Einschränkungseinrichtung
aus porösem
Material einzuschränken.
Die Verwendung einer Barrierenmembran bringt jedoch Schwierigkeiten
mit sich, da dass Anfeuchten bei der ersten Verwendung der Referenzelektrode durch
die Barrieremembran gehemmt wird, wodurch eine lange Einsaugzeit
in der Grenzlösung
vor der ersten Verwendung notwendig ist.
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Ein anderes übliches Problem, das mit der Verwendung
gesättigter äquitransferierender
Salzlösungen
in Flüssigkeitsgrenz-Referenzelektroden
des eingeschränkten
Diffusionstyps einhergeht, ist, dass bei Lagerung der Referenzelektrode
und/oder bei Verwendung bei Temperaturen unter Umgebungstemperatur
eine Salzkristallisation und Ausfällung zwischen dem Referenzkontaktbereich
und dem Bereich des porösen
Materials an der Grenze auftreten kann, was wiederum zu fehlerhaften
Referenzelektrodenpotentialen führt.
Ein zusätzliches
mit der Verwendung einer gesättigten äquitransferierenden Salzlösung zusammenhängendes
Problem ist, dass die gesättigte
Lösung
zu Reproduzierbarkeits- und/oder
Genauigkeitsproblemen bei Blutproben führt, da durch Proteinfällung und
Kerbung von roten Blutzellen, die in der Probe vorliegen, Störungen verursacht
werden.
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Für
Referenzelektroden des Typs mit offener Grenze (freie Diffusion),
wo kein Bereich porösen Materials,
das als Einschränkung
an der Grenze wirken könnte,
vorliegt, wurden Behälter
zum Aufbewahren der Grenzlösungen
beschrieben. Beispielsweise beschreiben A. K. Covington et al. (Anal.
Chim. Acta, 1985, 169, S. 221–229)
eine offene Grenze, wo die Grenzlösung über eine Spritze aus einem KCl-Behälter bewegt
wird. In diesem System des Stands der Technik wird mit jeder Probe
die Flüssigkeitsgrenze
hergestellt, da dieser Systemtyp jedoch zu gegenseitiger Verunreinigung
der Flüssigkeiten bei
Verwendung führt,
muss die Grenzlösung
zusammen mit der Probe verworfen werden, was zu einem vermehrten
Ausschuss führt.
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Andere offene Flüssigkeitsgrenz-Referenzelektroden
mit freier Diffusion gemäß Stand
der Technik sind Schwerkraft-geführt
und erfordern damit bestimmte Orientierungen und Geometrien, um
gute reproduzierbare Grenzen bereitzustellen (siehe z. B. R. E.
Dohner et al. Anal. Chem., 1986, 58, S. 2585–2589, T. R. Harbinson et al.,
Anal. Chem., 1987, 59, S. 2450–2456).
Die Orientierungs- und Geometrieanforderungen sind besonders einschränkend, wenn
versucht wird, eine solche Referenzelektrode an ein miniaturisiertes
System anzupassen.
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Obwohl daher viele verschiedene Referenzelektroden
im Stand der Technik bekannt sind, besteht ein Bedürfnis, alternative
Referenzelektroden für
elektrochemische Analyseeinrichtungen zu finden, insbesondere Referenzelektroden,
die leicht zur Verwendung in einer Analyseeinrichtung eines Miniaturintegrierten
Typs angepasst werden können.
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Viele der Probleme, die mit Referenzelektroden
aus dem Stand der Technik zusammenhängen, sind mit der Entdeckung
einer Referenzelektroden-Anordnung der vorliegenden Erfindung gelöst worden.
Gemäß der Erfindung
wird eine Referenzelektroden-Anordnung mit einer Flüssigkeitsgrenze mit
eingeschränkter
Diffusion zwischen einer Flüssigkeitsgrenzlösung bzw.
Flüssigkeitsgrenzlösung und einer
Probenlösung
bereitgestellt, welche separate Strömungswege aufweisen, wobei
die Vorrichtung umfasst: (a) eine Strömungszelle mit einer daran
angebrachten Einschränkung,
umfassend einen für Wasser
und Salze durchlässigen
Bereich eines porösen
Materials; (b) ein beabstandetes bzw. entferntes Reservoir zum Aufbewahren
der Flüssigkeitsgrenzlösung; (c)
einen Referenzkontaktbereich, gekennzeichnet durch (d) eine Einrichtung
(15), um die Flüssigkeitsgrenzlösung bei
jedem Probendurchlauf von dem Reservoir zu der Einschränkungseinrichtung
zu bewegen; und eine Einrichtung zum Rückführen bzw. Recyceln der Flüssigkeitsgrenzlösung zurück zu dem Reservoir
nach Erfüllen
der Funktion an der Flüssigkeitsgrenze
pro Probenmesszyklus.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum
Bereitstellen einer Referenz für
einen potentiometrischen Sensor-Analysator oder eher für ein System
zur potentiometrischen quantitativen Analyse bereitgestellt, wobei
das Verfahren umfasst: Bewegen einer Probenlösung über mindestens eine Indikatorelektrode;
Bewegen der Probenlösung
zu einer Referenzelektroden-Strömungszelle,
um eine Flüssigkeitsgrenze
mit eingeschränkter
Diffusion zwischen der Probenlösung
und einer Flüssigkeitsgrenzlösung über eine poröse Einschränkungseinrichtung
bereitzustellen, wobei die Flüssigkeitsgrenzlösung ein
nichtgesättigtes äquitransferierendes
Salz aufweist und in einem beabstandeten Reservoir aufbewahrt wird,
wobei die Lösung
pro Probenzyklus zu der Einschränkungseinrichtung
gepumpt wird, und die Flüssigkeitsgrenze durch
einen Referenzkontaktbereich mit einem Messinstrument elektrisch
in Verbindung steht; und Messen eines elektrischen Potentials, das
sich zwischen der Flüssigkeitsgrenzlösung und
der Indikatorelektrode entwickelt, wobei die Referenzelektrodenanordnung
so wie oben beschrieben ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Bereitstellung
eines Referenzsignals in einem System zur potentiometrischen quantitativen
Analyse bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
- (a) Bereitstellen einer Strömungszelle in irgendeiner von
einer Vielzahl von Elektroden-Aufnahmepositionen auf einem Sensor-Trägerteil
des Systems, wobei jede der Elektroden-Aufnahmepositionen zum Tragen
einer Vielzahl von Arbeitselektroden oder der Strömungszelle
ausgelegt ist, wobei die Strömungszelle
so ausgelegt ist, dass sie seriell innerhalb eines Proben-Strömungswegs des
Systems enthalten ist;
- (b) Einpassen der Strömungszelle
in Serie mit einer der Vielzahl von Arbeitselektroden innerhalb der
Vielzahl der Elektroden-Aufnahmepositionen;
- (c) Aufbewahren einer Flüssigkeitsgrenzlösung in einem
beabstandeten Reservoir, welches mit der Strömungszelle verbunden ist, zur
Zufuhr der Flüssigkeitsgrenzlösung der
Strömungszelle
und zur Aufnahme der Flüssigkeitsgrenzlösung von dort;
- (d) Bewegen einer Probenlösung
durch den Proben-Strömungsweg
zu der Strömungszelle,
um eine Flüssigkeitsgrenze
zwischen der Probenlösung
und der Flüssigkeitsgrenzlösung um
eine poröse
Einschränkung
herum zu bilden, wobei die Probenlösung in Kontakt mit einer Seite
der porösen
Einschränkungseinrichtung
angeordnet wird, wobei die Einschränkungseinrichtung im wesentlichen
so ausgelegt ist, dass eine Massenströmung der Flüssigkeitsgrenzlösung dadurch
verhindert wird und
- (e) Zirkulieren der Flüssigkeitsgrenzlösung, umfassend
ein nicht gesättigtes äquitransferierendes Salz,
in Verbindung mit der Bewegung der Probenlösung, wobei ein Volumen der
Flüssigkeitsgrenzlösung von
dem beabstandeten Reservoir zu der Strömungszelle und von der Strömungszelle
zu dem Reservoir gepumpt wird, wobei die Flüssigkeitsgrenzlösung in
Kontakt mit einer anderen Seite der porösen Einschränkungseinrichtung angeordnet
ist, und wobei die Flüssigkeitsgrenzlösung elektrisch
mit einem Messinstrument durch einen Referenzkontaktbereich in physikalischem
Kontakt mit der Flüssigkeitsgrenzlösung verbindbar
ist, wobei der Referenzkontaktbereich das Referenzsignal bereitstellt.
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Die erfindungsgemäße Referenzelektroden-Anordnung
ist besonders nützlich,
da sie nicht Orientierungs- und Schwerkraft-spezifisch ist. Weiterhin
kann die Anordnung als Mehrfachverwendung-Referenzelektrode für eine Miniaturintegrierte elektrochemische
Analyseeinrichtung mit planaren miniaturisierten Indikatorelektroden
verwendet werden, da ausreichend Flüssigkeitsgrenzlösung für mehrfache
Verwendungen vorliegt, ohne dass ein Raumproblem vorliegt, da die
Extra-Flüssigkeitsgrenzlösung in
dem Reservoir gelagert wird, welches entfernt bzw. beabstandet von
dem Ort ist, wo die Flüssigkeitsgrenze
mit eingeschränkter
Diffusion erzeugt wird.
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Wie ausführlicher in den Beispielen
unten beschrieben ist, ist 1 eine
Ausführungsform
einer Referenzelektroden-Anordnung. 2 zeigt eine Draufsicht
einer Referenzelektrode.
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Gemäß der Erfindung weist die Referenzelektrode
dort eine Strömungszelle
auf, wo die Flüssigkeitsgrenzlösung an
einer Grenze, die durch einen Bereich porösen Materials, das für Wasser
und Salze permeabel ist, eingeschränkt ist, auf die Probenlösung trifft.
Das poröse
Material hemmt allgemein eine Passage von großen Molekülen (wie Proteine) und einen
Massenflüssigkeitstransport.
Solche porösen Materialien
sind im Stand der Technik ausgiebig als "Einschränkungseinrichtung" bzw. "Einschränkung" (englisch: constraint)
in Flüssigkeitsgrenz-Referenzelektroden
mit eingeschränkter
Diffusion verwendet worden und sind für den Fachmann daher leicht
erkenntlich und weithin im Handel erhältlich. Beispiele solcher Materialien
sind poröse
Stopfen, Fritten und/oder Membranen. Bei der Auswahl derartiger Materialien
als Einschränkungsmaterial
können
poröse
Membranen aus solchen Materialien wie Cellophan, Celluloseacetat,
teilweise nitriertem Cellulose-Polycarbonat, Kombinationen hiervon
usw. hergestellt werden. Eine Cellophanmembran ist aufgrund der einfachen
Handhabung, Kosten und Erhältlichkeit
besonders bevorzugt.
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Die Strömungszelle kann aus irgend
einem geeigneten Material hergestellt sein, das der Gesamtkonstruktion
der Analyseeinrichtung zuträglich ist,
so dass das Strömungszellmaterial
an das Material der Einschränkung
anbringbar ist, wie der Fachmann erkennt. Wenn der Referenzkontaktbereich
als ein Teil der Strömungszelle
ausgelegt ist, sollte das ausgewählte
Material nicht leitfähig
sein. Wenn der Referenzkontaktbereich der Referenzelektroden-Anordnung
bzw. -Vorrichtung nicht ein Teil der Strömungszelle ist, kann das ausgewählte Material
leitfähig
sein, wenn erwünscht.
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Das Anbringen des Einschränkungsbereichs aus
porösem
Material an der Strömungszelle
dort, wo die Grenze gebildet wird, kann durch eine Vielzahl von
Verfahren im Rahmen der Kenntnisse des Fachmanns erreicht werden,
einschließlich
bspw. Verbinden oder Anbringen mit Schweißungen, Klebstoffen, mechanischer
Kompression und ähnlichem.
Das Anbringen sollte sicher genug sein, um Bereiche von Totvolumen
in der Grenzlösung
im Wesentlichen zu verhindern. Vorzugsweise wird eine hermetische
Abdichtung zwischen der Strömungszelle
und dem Einschränkungsmaterial
gebildet. Der Bereich des der Probe und/oder der Grenzlösung ausgesetzten
porösen
Materials kann von der Abdeckung der gesamten Strömungszelle
zu nur einem kleinen Teil der Strömungszelle variieren, was von
den Spezifikationen der Analysatorkonstruktion usw. abhängt. Die
Strömungszelle
kann wahlweise so ausgelegt sein, dass das poröse Material einen distinkten
Kammerbereich der Strömungszelle
abdeckt, wo die Einschränkungseinrichtung
den Kammerbereich bedeckt und die Flüssigkeitsgrenze über dem
Kammerbereich gebildet wird.
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Der Aspekt des beabstandeten Reservoirs der
Erfindung fungiert als Aufbewahrungseinheit für überschüssige Grenzlösung. Gemäß der Erfindung befindet
sich das Reservoir außerhalb
des Bereichs mit eingeschränkter
Diffusion, wo die Flüssigkeitsgrenze
gebildet wird. Die externe bzw. außenliegende Natur des Reservoirs
ermöglicht
eine Vielfachverwendungs-Referenzelektrode, ohne dass eine sperrige
Aufbewahrungseinheit für
die Grenzlösung
an der Flüssigkeitsgrenze
selbst erforderlich ist. Das Reservoir kann in verschiedenen Größen und
Formen ausgelegt sein, was von dem Protokoll des Gesamtanalysatorsystems
und der gewünschten
Lebensdauer der Referenzelektroden-Anordnung abhängt. Beispielsweise kann das
Reservoir durch Aufbewahren der Grenzlösung in einem üblichen
Schlauchmaterial (oder einem Schlauchmaterial mit einer Blase),
welches zu dem Bereich des porösen
Materials führt,
wo die Flüssigkeitsgrenze
gebildet wird, gebildet sein. Alternativ kann das Reservoir als
ein separater Behälter
begriffen werden, der mittels Schlauchmaterial oder anderen solchen
Mitteln mit der Flüssigkeitsgrenze
mit eingeschränkter
Diffusion verbunden ist. Geeignete separate Strukturen, die als
Reservoir verwendet werden können,
sind Flaschen oder Behälter
usw.
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Die Flüssigkeitsgrenzlösung umfasst
eine wässrige
Lösung
eines Salzes mit äquivalenten
kationischen und anionischen Leitfähigkeiten, wie sie im Stand
der Technik weithin bekannt sind, und beinhalten äquitransferierende
Salze, wie KCl, KNO3 und Äquivalente
hiervon. Nicht-äquitransferierende
Salze wie NaCl, NaBr, NaNO3, Äquivalente
hiervon und so weiter können
ebenfalls verwendet werden, diese führen jedoch zu erhöhten Flüssigkeitsgrenzpotentialen.
Bevorzugt sind äquitransferierende
Salze (KCl, KNO3 und Gemische davon). Aufgrund
der Kosten und Verfügbarkeit
ist KCl das am meisten bevorzugte Salz. Andere Mittel können wahlweise
in der Flüssigkeitsgrenzlösung vorliegen,
einschließlich
beispielsweise kompatible oberflächenaktive
Mittel oder Ionen.
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Die Verwendung von Silberionen in
der Flüssigkeitsgrenzlösung ist
für Ausführungsformen
verwendbar, bei denen der Referenzkontaktbereich ein Material auf
Silberbasis ist.
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Vorzugsweise umfasst die Grenzlösung, wenn
der elektrische Kontaktbereich keine Barrieremembran aufweist und
die Salzlösung
(vorzugsweise KCl) nicht gesättigt
ist, weiterhin Ag+-Ionen, wobei die Ionen
vorzugsweise in einer Menge vorliegen, die zur Bildung eines stabilen
Potentials an dem Silberbasis-Referenzkontaktbereich ausreicht,
jedoch niedrig genug ist, um eine Verschmutzung an der Einschränkungseinrichtung
aus porösem
Material nicht hervorzurufen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass
die Konzentration der bei Sättigung
vorliegenden Ag+-Ionen von der Konzentration
des in der Grenzlösung
vorliegenden Elektrolytsalzes abhängt (siehe z. B. Forbes, G.
S., Journal of the American Chemical Society, 33, S. 1937–46 (1911)).
Vorzugsweise sind die Ag+-Ionen in der Grenzlösung bis
zu dem Sättigungspunkt
enthalten, wenn die KCl-Lösung
bei einer Konzentration von weniger als ungefähr 2 M verwendet wird. Wenn
die KCl-Lösung
in einer Konzentration von größer als
ungefähr
2 M bis Sättigung
vorliegt (4,2 M bei Raumtemperatur oder 7,1 M bei 100°C), werden
die Ag+-Ionen vorzugsweise in einer Konzentration
unterhalb der Sättigung
von ungefähr
0,01 mM bis ungefähr
1 mM bereitgestellt, am bevorzugtesten 0,6 mM. Die Ag+-Ionen
können der
Salzlösung
zugesetzt werden oder im Zusammenhang mit der Herstellung der Grenzlösung durch irgendeine
Anzahl bekannter Verfahren gebildet werden. Die Grenzlösung kann
beispielsweise aus einer Verdünnung
einer gesättigten
KCl/gesättigten
AgCl-Lösung
hergestellt werden; Hinzugabe von festem KCl zu einer 2 M KCl/gesättigte AgCl-Lösung; Lösung geeigneter
Mengen von KCl und AgNO3 in Wasser und so
weiter.
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Jede gewünschte Konzentration des äquitransferierenden
Salzes in der Grenzlösung
kann verwendet werden. Obwohl gesättigte Lösungen des Salzes verwendet
werden können,
ist einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass das Salz
in einer Konzentration unterhalb der Sättigung verwendet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine nichtgesättigte
Lösung
des Salzes verwendet. Vorzugsweise wird KCl als das Salz verwendet
und in einem Anteil eingesetzt, der von ungefähr 0,5 M bis ungefähr 7,1 M
reicht, bevorzugter 1 M bis 4,5 M, und am bevorzugtesten ungefähr 3,5 M.
Einer der Vorteile der Verwendung einer nichtgesättigten Lösung ist besonders evident,
wenn ein Ag/AgCl-Material als der Referenzkontaktbereich verwendet
wird, da mit der nichtgesättigten
KCl-Lösung
die bei Sättigung
vorliegende Ag+-Konzentration erniedrigt
wird (was so zur Minimierung einer AgCl-Auflösung beiträgt).
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Die Mittel zur Bewegung der Flüssigkeitsgrenzlösung aus
dem Reservoir zu dem Bereich der Einschränkung können aus verschiedenen bekannten
Vorrichtungen ausgewählt
werden, wobei die Gesamtstruktur der Analyseeinrichtung berücksichtigt wird.
In der Definition von Vorrichtungen, die als Mittel zur aktiven
Bewegung der Flüssigkeit
ausgewählt werden
können,
sind Vorrichtungen wie Pumpen, Spritzen und so weiter eingeschlossen.
Für automatisierte
Systeme ist insbesondere eine peristaltische Pumpe, eine Kolbenspritze
oder eine andere solche Vorrichtung geeignet.
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Die Konstruktion der Analyseeinrichtung kann
so sein, dass die zur Bewegung der Grenzlösung verwendete Vorrichtung
auch zur Bewegung anderer Flüssigkeiten
in der Analyseeinrichtung verwendet werden kann, wie beispielsweise
der Probenlösung,
einer Kalibrierlösung,
einer Waschlösung, Kombinationen
hiervon usw. Alternativ kann eine speziell zur Bewegung der Flüssigkeitsgrenzlösung ausgelegte
Vorrichtung alleine verwendet werden. Die Strömungsgeschwindigkeit und das
Volumen der Flüssigkeitsgrenzlösung können an
die Spezifikationen der Analyseeinrichtung angepasst werden, um eine
Konzentration von Elektrolytsalzen an der Flüssigkeitsgrenze bereitzustellen,
die der Salzlösung des
Reservoirs ähnelt,
wie der Fachmann erkennen wird.
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Der Referenzkontaktbereich kann irgendwo innerhalb
der Analyseeinrichtung angeordnet sein, solange er so funktioniert,
dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Messinstrument und der
Flüssigkeitsgrenzlösung hergestellt
wird. Geeignete Materialen für
den Referenzkontaktbereich sind Materialien, die leitfähige Materialen
einschließen,
Legierungen hiervon und Verbundstoffe hiervon mit akzeptablen Leiteigenschaften,
wie der Fachmann leicht erkennen wird (d. h. Materialien, die dazu
in der Lage sind, ein elektrochemisch reversibles Redoxelektrodenpaar
bereitzustellen). Insbesondere sind Materialen auf Silberbasis und
Kalomel (Hg/Hg2Cl2)
geeignet. Bevorzugter werden Materialen auf Silberbasis verwendet
(z. B. Ag/Ag+ und Ag/AgCl). Obwohl Barrieremembranen,
die alles oder einen Teil der elektrischen Kontaktbereiche bedecken,
verwendet werden können,
liegt zur einfachen Handhabung vorzugsweise keine solche Barrieremembran
in der Referenzelektrode vor.
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Zur einfachen Handhabung kann der
Referenzkontaktbereich in viele leitfähige Bereiche konstruiert sein,
die zusammen verbunden sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen
der Messeinrichtung und der Flüssigkeitsgrenze
zu erleichtern. Es können
beispielsweise zwei Bereiche verwendet werden. In dieser Konstruktion
ist der erste Bereich dort, wo der Kontakt mit der Flüssigkeitsgrenzlösung hergestellt
wird, wobei der erste Bereich aus Materialien hergestellt ist, die
dazu in der Lage sind, ein elektrochemisch reversibles Elektrodenpaar
bereitzustellen. Der zweite Bereich ist direkt mit dem ersten Bereich
verbunden, berührt
jedoch nicht notwendigerweise die Flüssigkeitsgrenze und kann unter
Verwendung irgendeines geeigneten elektrisch leitfähigen Materials
hergestellt werden (d. h. über
die Materialien hinausgehend, die dazu in der Lage sind, ein elektrochemisch
reversibles Elektrodenpaar bereitzustellen). In dieser Konstruktion
ist die Funktion des zweiten Bereichs, den elektrischen Kontakt
zu dem Messgerät
zu erleichtern. Illustrativ für
diesen Aufbau wäre
ein erster Bereich, umfassend einen leitfähigen Draht, der mit der Flüssigkeitsgrenzlösung verbunden
ist, und ein zweiter Bereich, der ein "Kissen" ("pad") ist, das auf die
nichtleitfähige
Strömungszelle eingebettet
oder siebgedruckt ist. In dieser Ausführungsform würde der
Draht auf eine senkrechte Weise in das Kissen eingesetzt werden.
Der elektrische Kontakt/die elektrischen Kontakte des Messinstruments
würden
das Kissen des zweiten Bereichs berühren, und so einen indirekten
Kontakt zwischen dem Messinstrument und der Flüssigkeitsgrenzlösung bereitstellen.
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Die Referenzelektroden-Anordnung
kann zusammen mit einem oder mehreren potentiometrischen Indikator-Arbeitselektroden
verwendet werden, deren Antwort von der Analytkonzentration abhängt. Ionenselektive
Elektroden auf Basis von Lösungsmittel-Polymermembranen
sind Beispiele solcher Indikatorelektroden. Beispiele von Analyten,
die gemessen werden können,
sind beispielsweise Chlorid, Kalium, Kalzium, Natrium, pH, Bicarbonat,
Magnesium usw. Die Referenzelektrode und die Indikatorelektrode
bilden einzelne galvanische Halbzellen, welche zusammen eine elektrochemische
Zelle bilden, und eine quantitative potentiometrische Analyse ermöglichen.
Die Referenzelektroden-Anordnung ist in der Lage, ein stetiges und
stabiles Potential bereitzustellen, das für eine potentiometrische Analyse über den
klinisch relevanten Bereich von Ionenstärken, Proteinkonzentrationen
und Hämatokritwerten ausreicht.
Wahlweise kann die Referenzelektroden-Anordnung mit Miniatur-integrierten
Arbeitselektroden, die auf einem Sensormodul stationiert sind, gepackt
werden, so dass die gesamte Konfiguration eine einzige entsorgbare
Einheit ist.
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Die folgenden Beispiele dienen zur
Illustration der Erfindung.
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Beispiele
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Es können viele Konfigurationen
der Referenzelektroden-Anordnung
gestaltet werden. 1–2 zeigen eine Illustration
einer Konfiguration einer Referenzelektroden-Anordnung, die in einen Miniatur-integrierten
elektrochemischen Analysator 1 einbezogen ist, wobei die
Referenzelektrode eine Lebensdauer von mindestens einem Monat bei
typischer klinischer Verwendung aufweist.
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Insbesondere erläutert die schematische Ansicht
in 1 eine Referenzelektrode 5,
welche hinter einer Anordnung einer Vielzahl von Arbeitselektroden 6 positioniert
ist. Die Grenzlösung
wird aus einem entfernten externen Reservoir 10 gepumpt,
welches von dem Flüssigkeitsgrenzbereich
der Referenzelektrode 5 getrennt angeordnet ist. Die Orientierung
des Reservoirs 10 ist nicht schwerkraftspezifisch, und
das Reservoir kann damit irgendwo angeordnet werden, wo es für die anderen
Bestandteile des Analysators bequem ist. Von dem Teil des Probeneingangs 12 der
Sensoranordnung wird die den Analyt enthaltende Probe durch mehrere
Arbeitselektroden zu einem Probenausgang 14 gepumpt. Der Strömungsweg
der Probenlösung
und der Strömungsweg
der Flüssigkeitsgrenzlösung sind
separate Wege. Eine gemeinsame Pumpe 15 wird für die Bewegung
der Probenlösung
und die Bewegung der Grenzlösung
verwendet. Die Grenzlösung
wird bei jedem Probendurchlauf von dem entfernten Reservoir 10 zu
dem Ort der Referenzelektrode 5 bewegt. Die Bewegung der
Grenzlösung
tritt nur dann auf, wenn eine Probe (oder Referenzflüssigkeit,
wie beispielsweise ein Kalibrator oder ein Qualitätskontrollmaterial)
vorliegt. Einmal verwendet, wird die Grenzlösung recycelt und zurück zu dem
Reservoir 10 gepumpt, wodurch die Lebensdauer der Referenzelektrode
verlängert
und zudem Abfall vermieden wird. In einer besonders bevorzugten
Konfiguration wird die Flüssigkeitsgrenzlösung rezirkuliert,
mit der Einführung
jeder Analytprobe gepumpt und stagniert nachdem das Testen der Probe
beendet ist. Vorzugsweise wird nur ein kleines Volumen der Referenzelektrolytlösung zu
dem Einschränkungsbereich
der Referenzelektrode 5 bewegt und wahlweise pro Zyklus
zurück zu
dem externen Reservoir 10 recycelt, was eine Referenzelektroden-Anordnung
mit kleiner Vorderseite möglich
macht, die insbesondere in einer Miniatur-integrierten Analyseeinrichtung
verwendbar ist.
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Wie in 1 und 2 gezeigt ist, kann die Flüssigkeitsgrenzlösung aus
dem Reservoir 10 über
den Bereich porösen
Materials, welches die Einschränkung 18 bildet,
zu einem Einlaßschlauch
gepumpt werden. Das poröse
Material (vorzugsweise eine permeable Membran) ist mit der Strömungszelle durch
Befestigen einer Dichtung über
dem Material befestigt, wodurch eine hermetische Versiegelung zwischen
dem porösen
Material und der Strömungszelle
gebildet wird. Der durch das poröse
Material eingeschränkte
Bereich ist dort, wo die Probe und die Grenzlösung in der Strömungszelle
aneinander grenzen und so die Flüssigkeitsgrenze
bilden. Die Strömungszelle
weist eine definierte, elliptisch geformte Kammer auf, wobei die
Form der Kammer bei der Bereitstellung eines effektiven Auswaschens
der gesamten Kammer hilft und weiterhin den Einschluss von Bläschen minimiert.
Die Entsorgung der Grenzlösung
findet mit einer schnellen Geschwindigkeit statt, nach dem die Grenzlösung in
der Strömungszelle stagnierend
gehalten wurde. Die Konstruktion der Oberflächenbereiche und des Volumens
der elliptischen Kammer im Verhältnis
zu dem Probenvolumen und der Haltezeit können manipuliert werden, um
die gewünschte
Leistungsfähigkeit
bereitzustellen. Wenn eine solche elliptisch geformte Kammer verwendet
wird, ist vorzugsweise der Einschränkungsbereich daran angebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die elliptische Kammer ein Volumen von ungefähr 3,5 bis
ungefähr
17 μL auf,
am bevorzugtesten ungefähr
3,5 μL.
Der elektrische Kontaktbereich weist zwei Teile auf. Der erste Teil
ist ein Ag- oder Ag/AgCl-Draht, der in einen zweiten Kontaktbereich 25 eingebettet
ist, welcher mit der nicht-leitfähigen
Strömungszelle
verbunden ist. Der zweite Bereich 25 weist einen exponierten
Teil in der Strömungszelle
auf, wodurch der elektrische Kontakt mit dem Messinstrument hergestellt
wird. Die Probe wird durch den Probenausgang 14 als Abfall
aus der Sensoranordnung entfernt, während die Grenzlösung über den
Ausgangsschlauch 17 zu dem Reservoir 10 recycelt
wird.
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In der in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
wird bei der Referenzelektrode am bevorzugtesten eine nicht-gesättigte KCl-Flüssigkeitsgrenzlösung verwendet,
die in einem Reservoir mit einem Volumen von ungefähr 1 mL
bis ungefähr
50 ml (am bevorzugtesten 8 mL) aufbewahrt wird, eine Membran als
poröser
Einschränkungsbereich
und ein Referenzkontaktbereich auf Silberbasis ohne eine Membran
vom Barrieretyp. Vorteile dieser Ausführungsform sind eine Mehrfachverwendungsfähigkeit
bei minimalem Verschmutzen des Bereichs porösen Materials über die
Verwendungsdauer. Die Anordnung kann als eine trockene Referenzelektroden-Anordnung
gelagert werden. Die KCl-Grenzlösung
kann aus dem Reservoir freigesetzt werden, welche dann leicht die
Strömungszelle
bei der ersten Verwendung anfeuchtet, wobei eine Bläschenbildung
an dem Membranbereich (welche eine erste Verwendung typischerweise
begleitet) vermindert wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform
wird weiterhin die Grenzlösung
rezirkuliert, und es wird dadurch das für eine Mehrfachverwendung notwendige
Reservoirvolumen stark minimiert, und es wird weiterhin die Abfallmenge,
die im Vergleich zu Systemen mit nur einfach zu verwendenden Lösungen erzeugt
wird, vermindert. Diese Referenzelektroden-Anordnung kann auch bei
Temperaturen unter Umgebungstemperatur mit einer verminderten Wahrscheinlichkeit
einer Salzkristallisation aufbewahrt werden, während reproduzierbare Ergebnisse
mit akzeptabler Genauigkeit bei einer Mehrfachtestfähigkeit
geliefert werden. In dieser Ausführungsform
zeigt sich eine geeignete Ionenstärkenunabhängigkeit bei einer relativ
niedrigen Grenzlösungskonzentration,
beispielsweise so niedrig wie ungefähr 0,5 M KCl. Dies ist auf
Grundlage der Henderson-Gleichung
für das
Flüssigkeitsgrenzpotential
zweier frei diffundierender Flüssigkeiten
unerwartet.
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Beispiel 1
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Referenzströmungszellen wurden entweder aus
steifem Acryl hergestellt oder unter Verwendung von ABS-Kunststoff
spritzgegossen. Für
jede konstruierte Strömungszelle
war das Einschränkungsmaterial
eine Ionen- und Wasser-permeable freistehende Cellophanfolienmembran
mit 0,025 mm (0,001'') Dicke (unbeschichtete
regenerierte Cellulose), erhalten von Flexel, Inc., Atlanta, GA.
Die Folie wurde über
einer elliptisch geformten Kammer der Strömungszelle angeordnet (wobei
die Kammer ein Volumen von ungefähr
3,5 μL aufwies).
Die Folie wurde hermetisch mit dem Kammerbereich der Strömungszelle
mittels Kompression einer Dichtung auf die Oberseite der Strömungsinjektions-Sensormodulanordnung
versiegelt. Probenlösung
und Flüssigkeitsgrenzlösung strömten aneinander
an gegenüberliegenden
Seiten der Oberfläche
der Cellophanfolienmembran mit niedrigen Geschwindigkeiten von ungefähr 5 bis
ungefähr
100 μL/s
vorbei. Eine gemeinsame peristaltische Pumpe wurde verwendet, um
beide Lösungen
gleichzeitig zu bewegen. Über einen
elektrochemisch plattierten Ag/AgCl- oder Ag-Draht, der sich entweder
innerhalb der entfernten Reservoirlösung oder in der Basis der
Strömungszelle,
eingebettet in siebbedrucktes Epoxidsilber, befand, so dass er senkrecht
in den Eingangsschlauch der Strömungszelle
verlief, wurde ein elektrischer Kontakt hergestellt. Das verwendete
Messgerät
war ein HP 3457A Digitalmultimeter. Das Gesamtvolumen der Lösung in
dem Grenzreservoir reichte von ungefähr 8 mL bis ungefähr 15 mL.
Die Grenzlösung wurde
mit jeder Probenlösung
von dem entfernten Reservoir zu der Strömungszelle sowie an einer Oberfläche der
Cellophanmembran vorbei bewegt. Die Grenzlösung wurde anschließend entweder
zu dem Reservoir zurück
zirkuliert oder nach dem Messzyklus dem Abfall zugeführt. Elektrodenmessungen wurden
genommen, wenn sowohl die Probe als auch die Flüssigkeitsgrenzlösungen stationär waren.
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Es wurden mehrere Grenzlösungen getestet. Die
auf Wasserbasis getesteten Lösungen
waren (a) 1,5 M KCl, gesättigt
mit AgCl (ungefähr
0,25 mM), (b) 2,0 M KCl, gesättigt
mit AgCl (ungefähr
0,6 mM); (c) 3,5 M KCl mit 0,6 mM AgCl und (d) 4,0 M KCl mit 0,6 mM
KCl, wobei einige der Lösungen
weiterhin ungefähr
0,05 g/L BRIG (eingetragene Marke) 700 (hergestellt von ICI Surfactants,
Wilimington, Del.) enthielten. Das Anfeuchten eines vollständig trockenen Systems
auf gewerblich gewünschte
Spezifikationen wurde in weniger als fünf Minuten erreicht. Die Ionenstärkenabhängigkeit über einen
klinisch signifikanten Bereich von 0,120 mM bis 0,200 mM wurde bestimmt.
Referenzpotentialänderungen
von weniger als 0,5 mV wurden für
sämtliche
getesteten Lösungen über einen
Zeitraum von im Durchschnitt ungefähr 1 Monat bestimmt. Diese
Referenzelektrode wurde zusammen mit separaten planaren ionenselektiven
Elektroden verwendet, die gegenüber
pH, Kalium, ionisiertem Kalzium und Natrium empfindlich waren, um
diese Analyte zu analysieren.
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Beispiel 2
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Referenzelektroden wurden wie in
Beispiel 1 hergestellt, mit folgenden Ausnahmen:
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Die Anordnung des Referenzkontaktbereichs
(ein Ag-Draht) wurde variiert. Es wurde eine dreidimensionale Natrium-ISE-Arbeitselektrode
(Serie 200, erhalten von Ciba Corning Diagnostics Corp., Medfield,
MA) mit drei Referenzelektroden getestet, wobei eine Grenzlösung von
2 M KCl/gesättigt
mit AgCl, verwendet wurde. Die als Kontrolle verwendete Referenzelektrode
war eine Referenzelektrode eines dreidimensionalen Typs einer 200
Serie Corning Diagnostics Corp. Die Kalibrierungsreagenzien waren diejenigen,
die mit dem Ciba Corning Diagnostics Corp. 644 Gerät verwendet
wurden.
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In Satz A wiesen die untersuchten
Referenzelektroden einen Ag-Draht auf, der sich in der Basis innerhalb
der elliptischen Kammer befand. Eine mit einem Ag-Draht in der Basis
der Strömungszelle
hergestellte Referenzelektrode wurde über einen Zeitraum von 35 Minuten
getestet. Die durchschnittliche Probenverschiebung betrug –0,047 mV/s.
Eine Referenzelektrode mit einem Ag-Draht in dem entfernten Reservoir
wurde unter den gleichen Bedingungen getestet, und es wurde ermittelt,
dass diese einen Durchschnitt der Probenverschiebung von –0,001 mV/s
aufwies. Die Kontrollreferenzelektrode der Serie 200 wies einen
durchschnittlichen Probendrift von –0,0004 mV/s auf.
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In Satz B wiesen die untersuchten
Referenzelektroden einen Ag-Draht auf, der sich in einer Basis außerhalb
der elliptischen Kammer befand. Eine mit einem Ag-Draht in der Basis
außerhalb
der elliptischen Kammer der Strömungszelle
hergestellte Referenzelektrode wurde über einen Zeitraum von 35 Minuten
getestet. Die durchschnittliche Probendrift betrug 0,001 mV/s. Eine
Referenzelektrode mit einem Ag-Draht in dem entfernten Reservoir
wurde unter den gleichen Bedingungen getestet und es wurde ermittelt,
dass diese einen durchschnittlichen Probendrift von 0,0004 mV/s
aufwies. Die Kontrollreferenzelektrode der Serie 200 wies einen
Durchschnitt in der Probenverschiebung von 0,001 mV/s auf.
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Beispiel 3
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Referenzelektroden wurden wie in
Beispiel 1 beschrieben hergestellt, ausgenommen, dass die elliptische
Kammer ein größeres Volumen
(16,8 μl)
im Vergleich mit der elliptischen Kammer von Beispiel 1 (welche
ein Volumen von 3,5 μl
hatte) aufwies. Eine dreidimensionale Natrium ISE-Arbeitselektrode
(wie in Beispiel 2 beschrieben) wurde mit drei Referenzelektroden
getestet, wobei eine Grenzlösung
von 2 M KCl/gesättigt
mit AgCl verwendet wurde. Die als Kontrolle verwendete Referenzelektrode
war eine Referenzelektrode eines dreidimensionalen Typs der Corning
Diagnostics Corp. Serie 200. Die Kallibrationsreagenzien waren diejenigen,
die mit dem Ciba Corning Diagnostics Corp. 644-Gerät verwendet
werden. Die getesteten Referenzelektroden wiesen einen Ag-Draht auf, der sich
in einer Basis innerhalb der elliptischen Kammer befand. Die Elektroden
wurden über
einen Zeitraum von 35 Minuten getestet. Der Durchschnitt innerhalb
der Probenverschiebung betrug –0,012
mV/s. Bei Wiederholung betrug der Durchschnitt bei der Probenverschiebung –0,028 mV/s.
Die Kontrollreferenzelektrode der Serie 200 wies eine durchschnittliche
Probenverschiebung von 0,001 mV/s auf.