DE3822886C2

DE3822886C2 - Biosensor

Info

Publication number: DE3822886C2
Application number: DE3822886A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nagata; Hidetaka Fujimura
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Sankyo Co Ltd
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2008-07-07
Also published as: JPH07122624B2; US4871440A; JPS6412257A; DE3822886A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Biosensor und betrifft insbesondere einen Biosensor, der an einer Basiselektrode vorgesehen ist, wobei eine aktive Folie mit einem physiologisch aktiven Material daran befestigt ist, so daß ein elektrisches Signal in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses einer Enzymreaktion erzeugt wird, um die Konzentration eines Probematerials zu messen.

Seitdem man die Eigenschaft von physiologisch aktivem Mate rial erkannt hat, nämlich daß es verhältnismäßig komplizierte organische Verbindungen, wie Proteine und ähnliches, mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität erfassen kann, wurden mit dem physiologisch aktiven Material Untersuchungen durchge führt, d. h. mit anderen Worten, es würde ein Biosensor gebil det, bei dem das physiologisch aktive Material auf der Ober fläche einer Basiselektrode befestigt war, um damit die orga nischen Verbindungen, Proteine usw. zu messen.

Wenn das zu messende Probematerial mittels dem oben beschrie benen Biosensor gemessen wird, wird die Oxydation und Reduk tion und ähnliches des Probematerials im allgemeinen in der Gegenwart des physiologisch aktiven Materials durchgeführt, so daß die Menge des gebildeten Materials oder des verbrauch ten Materials gemessen wurde, um damit die Konzentration des Probematerials zu messen. Die oben erwähnte Basiselektrode wird grob in zwei Arten unterschieden, nämlich die Zweielek trodenart, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist, und die Drei elektrodenart, wie sie in Fig. 12 und 13 dargestellt ist.

D. h. im einzelnen, die Zweielektrodenart gemäß Fig. 11 hat eine Arbeitselektrode 31 aus einem Platinmetall oder ähnlichem und eine Gegenelektrode 32 aus Silber oder ähnlichem, die in einem vorbestimmten Abstand von der Ar beitselektrode 31 angeordnet ist. Sie ist bei dieser Art der Basiselektrode so angeordnet, daß ein Stromsignal entspre chend der gebildeten oder verbrauchten Materialmenge als Ergebnis der Reaktion zwischen den zwei Elektroden erzeugt wird.

Entsprechend kann man die Konzentration des Probematerials auf der Grundlage des so erhaltenen Stromsignals messen.

Bei der oben beschriebenen Art der Basiselektrode ist es je doch schwierig, das Potential zwischen den beiden Elektroden zu stabilisieren. Allgemein versucht man das Potential zwi schen den beiden Elektroden zu stabilisieren, indem man die Fläche der Gegenelektrode 32 ausreichend groß in bezug auf die Arbeitselektrode 31 macht, was jedoch zu einem voluminösen Aufbau der Basiselektrode insgesamt führt. Weiter besteht die Gegenelektrode im allgemeinen aus einem Edelmetall, so daß die Basiselektrode entsprechend der Steigerung der Größe oder der Fläche der aus einem Edelmetall bestehenden Gegenelektrode teuer wird.

Andererseits ist bei der Dreielektrodenart gemäß den Fig. 12 und 13 die Gegenelektrode 32 und eine Bezugselektrode 33 symmetrisch in bezug auf die Arbeitselektrode 31 angeordnet, und eine Vorspannung entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode 32 wird zwischen der Gegenelektrode 32 und der Bezugselektrode 33 durch eine Gleichstromquelle 34 und einen Operationsverstärker 35 angelegt.

Entsprechend kann die Potentialstabilität verbessert werden, auch wenn die Gegenelektrode 32 keine so große Fläche auf weist, so daß die Konzentration des Probematerials mit einer bemerkenswerten Genauigkeit auf der Grundlage des erhaltenen Stromsignals gemessen werden kann.

Die Konzentration des Probematerials kann jedoch nicht unter jeder Bedingung richtig gemessen werden. Beispielsweise wird die Konzentration des Probematerials nicht genau gemessen, wenn die Konzentration des Probematerials unter Verwendung des stationären Stroms gemessen wird, d. h. die Messung ist sta tionär und regelmäßig. Wenn andererseits die Messung der Konzentration des Probematerials auf der Grundlage der Ände rungsgeschwindigkeit des Stroms durchgeführt wird, beein flußt die Transienteigenschaft der Bezugselektrode 33 die Meßgenauigkeit in hohem Maße. Entsprechend ist es erforder lich, daß die Bezugselektrode 33 und die Gegenelektrode 32 die gleiche Beziehung wie die Arbeitselektrode 31 und die Gegenelektrode 32 bei der oben beschriebenen Zweielektroden art erfüllen, was einen Vorspannungsversorgungsschaltkreis für die Bezugselektrode 33 erforderlich macht. Hierdurch wird der Aufbau der Basiselektrode in nachteiliger Weise kompliziert. Dies soll im folgenden im einzelnen beschrieben werden. Wenn die Konzentration des Probematerials mit dem oben beschriebenen Biosensor gemessen wird, wird sie im all gemeinen durch die Menge des erzeugten Materials oder des verbrauchten Materials auf der Grundlage der Reaktion, wie z. B. der Oxydation, der Reduktion usw., des Probematerials in der Gegenwart des physiologisch aktiven Materials gemes sen. Die meßbare obere Grenze der Dichte ist von der Menge des die Oxydation, die Reduktion usw. bewirkenden Material menge abhängig, beispielsweise von dem in dem Probematerial vorhandenen Sauerstoff. Somit kann die Konzentration des Probematerials niemals genau bestimmt werden, auch wenn die Konzentration des Probematerials auf der Grundlage des Aus gleichstroms gemessen wird, wenn das Probematerial eine sehr hohe Konzentration aufweist. Um diesen Nachteil zu beheben, kann man daran denken, daß man die Konzentration auf der Grundlage des ersten Differentialspitzenstromwertes mißt. In diesem Fall muß jedoch die Transienteigenschaft der Bezugselektrode 33 gesteigert werden, um einen genauen er sten Differentialstromwert zu erhalten. Sonst kann keine richtige Konzentration des Probematerials bestimmt werden.

Ein Biosensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Patentansprüche 1 und 2 ist aus EP 0 136 362 A1 bekannt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bio sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der zur Mes sung der Konzentration eines Probematerials mit hoher Genauigkeit auf der Grundlage eines elektrischen Signals geeignet ist, das unter unausgeglichenen Bedingungen erzeugt wird, so daß die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik behoben werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 2 gekenn zeichnete Erfindung gelöst.

Der erfindungsgemäße Biosensor weist eine Basiselektrode auf, bestehend aus einer Arbeitselektrode, einer Bezugs elektrode und einer Gegenelektrode, die so angeordnet sind, daß die Bezugselektrode den größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode und die Gegenelektrode entspre chend die Arbeitselektrode umgibt, wobei ein Vorspannungs potential entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode zugeführt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bezugselektrode und die Gegenelektrode die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung ist vorgesehen, daß die Gegenelektrode und die Bezugs elektrode die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umge ben, und daß gleichzeitig die Gegenelektrode aus einem Platinmetall besteht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung ist vorgesehen, daß die Bezugselektrode konzentrisch um die Arbeitselektrode angeordnet ist, und die Arbeitselek trode ihre Mitte bildet.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die oben beschriebene Basis elektrode so angeordnet ist, daß sie ein elektrisches Signal entsprechend der durch die Enzymreaktion gebildeten Mate rialmenge oder der durch die Enzymreaktion verbrauchten Materialmenge erzeugt.

Bei dem so aufgebauten Biosensor wird die zu messende Probe dem festen aktiven Film zugeführt, wo eine vorbestimmte Reaktion abläuft, um ein bestimmtes Material zu erzeugen oder zu verbrauchen. Hierdurch wird in der Basiselektrode ein elektrisches Signal erzeugt und nach außen geleitet.

Da die Basiselektrode aus der Arbeitselektrode, der Gegen elektrode und der Bezugselektrode besteht, die den größeren Teil der Arbeitselektrode umgibt, wird die Potentialfolge eigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Gegenelek trode im Fall der Arbeitselektrode als Standard verstärkt, und weiter kann das Potential zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode bei einem vorbestimmten Wert gehal ten werden.

Wenn weiter das durch die Enzymreaktion erzeugte oder ver brauchte Material ein Fluid ist, kann die Potentialfolge eigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode verstärkt werden, unab hängig von der Form der Bezugselektrode. Da die Fluidität auf der Oberfläche der Basiselektrode jedoch im allgemeinen nur sehr schlecht ist, ist die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in dem Fall schlecht, in dem die Bezugselek trode örtlich in der Basiselektrode angeordnet ist, wodurch die Meßgenauigkeit der Dichte des Probematerials verschlechtert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Biosensor ist die Bezugselektrode jedoch so ausgelegt, daß sie den größeren Teil der Arbeitselektrode umgibt, so daß auch wenn eine gute Fluidität in der Oberfläche der Basiselektrode nicht beobachtet wird, nämlich eine teilweise Dispersion in der Fluidität festgestellt wird, dennoch die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode als gut angesehen werden kann. Entsprechend kann das Potential zwischen der Bezugselektrode und der Arbeitselektrode konstant gehalten werden, und man kann die Konzentration des Probematerials mit hoher Genauigkeit messen.

In dem Fall, in dem die Bezugselektrode und die Gegenelek trode die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben, beeinflußt der zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode erzeugte Strom sofort die Bezugselektrode, wodurch die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode merkbar verbessert wird.

In dem Fall, in dem die Gegenelektrode und die Bezugselek trode im Gegensatz dazu die Arbeitselektrode in dieser Reihenfolge umgeben, und dabei gleichzeitig die Gegenelek trode aus einem Platinmetall besteht, weist die Gegenelek trode eine gute Elektrodeneigenschaft mit stabilisierenden Ausgangswerten auf, so daß die Konzentration des Probemate rials mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

Wenn weiter die oben beschriebene Bezugselektrode konzen trisch zur Arbeitselektrode angeordnet ist und die Arbeits elektrode die Mitte bildet, übt der zwischen der Arbeits elektrode und der Gegenelektrode erzeugte Strom einen posi tiven Einfluß auf die Bezugselektrode aus, wodurch die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in hohem Maße verbessert wird.

Die oben beschriebene Basiselektrode erzeugt ein elektri sches Signal entsprechend der durch die Enzymreaktion erzeugten Materialmenge oder durch die durch die Enzym reaktion verbrauchte Materialmenge, wobei man ähnliche Wirkungen erhalten kann.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Biosensors;

Fig. 2 eine schematische Aufsicht des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 3 einen Schaltkreis des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Spannungsänderun gen, die man an den Stellen der Elektroden in dem Biosensor gemäß Fig. 1 mißt;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der durch den Bio sensor von Fig. 1 gemessenen Spannungsänderungen;

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der durch den Bio sensor von Fig. 1 gemessenen Stromänderungen;

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des ersten Differen tialstromwertes von Fig. 6;

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Änderungen des Ausgangs des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 9 eine Fig. 2 ähnliche Ansicht einer ersten Änderung des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 10 eine Fig. 2 ähnliche Ansicht einer zweiten Änderung des Biosensors von Fig. 1;

Fig. 11 ein Schaltbild eines bekannten Biosensors;

Fig. 12 ein Schaltbild eines anderen bekannten Biosensors; und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht des Sensors von Fig. 12.

In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszei chen gleiche Teile in der Zeichnung.

In Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform eines Biosen sors dargestellt, der einen Enzymelektrodenkörper 1 mit einer Basiselektrode und einen elektrischen Schaltkreis zur Steuerung der Basiselektrode umfaßt. Der Enzymelektroden körper umfaßt die Basiselektrode, auf deren Oberfläche eine Enzymfolie mit einem daran befestigten physiologisch aktiven Material vorgesehen ist, so daß in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion ein elektrisches Signal erzeugt wird, um die Konzentration eines Probematerials zu messen. Die Basiselektrode besteht aus einer Arbeitselektrode 2, einer Bezugselektrode 3' und einer Gegenelektrode 3, und zwar so, daß die Bezugselektrode 3' und die Gegenelektrode 3 die Arbeitselektrode 2 umgeben, und daß die Basiselektrode 3' den größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode 2 umgibt, und wobei ein Vorspannungspotential angeordnet ist, das entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode zugeführt wird. Die Bezugselektrode 3' und die Gegenelektrode 3 umgeben die Arbeitselektrode 2 in dieser Reihenfolge, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, und die Gegenelektrode 3 besteht aus einem Platinmetall.

Der Enzymelektrodenkörper 1 ist an einer Seite der Oberflä che konvex und weist die Arbeitselektrode 2 aus Pt, die ringförmige Bezugselektrode 3' und die Gegenelektrode 3, die beide aus Ag bestehen, auf, und die in dieser Reihen folge so angeordnet sind, daß sie sich von der konvexen Oberfläche nach außen erstrecken. Die Enzymelektrode ist weiter mit einer Enzymfolie 4 versehen, die mit Glucose oxydase (im folgenden als GOD bezeichnet) befestigt ist, wobei weiter ein Dispersionssteuerfilm 5 aus Cellophan oder ähnlichem vorgesehen ist, um die konvexe Oberfläche abzu decken. Weiter sind Signalabnahmeanschlüsse 61 bis 63 mit der Arbeitselektrode 2, der Bezugselektrode 3' und der Gegenelektrode 3 verbunden.

Weiter können die Anschlüsse mit außerhalb des elektrischen Schaltkreises befindlichen Bauteilen, wie z. B. den Verstär kern 7, 10 und dem Widerstand 11, verbunden werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

Wenn in der oben beschriebenen Konstruktion die Enzymreak tion, z. B. nach der Gleichung [Glucose + O₂ + H₂O Glukon säure + H₂O₂], in der befestigten Enzymfolie 4 stattfindet, wird zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelektrode 3 ein Strom entsprechend der erzeugten H₂O₂-Menge erzeugt, der wiederum von den Signalabnahmeanschlüssen 61 bis 63 nach außen geleitet wird.

Fig. 3 zeigt schematisch den elektrischen Strom, der zur Zu leitung der Vorspannung zu dem Biosensor gemäß Fig. 1 geeig net ist. In dem Schaltkreis ist der (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7, der mit seinem Ausgangsanschluß mit der Gegenelektrode 3 über den Signalausgabeanschluß 62 ver bunden ist, mit der Bezugselektrode 3' über den Signalaus gabeanschluß 63 verbunden. Weiter ist eine Gleichstromquelle 9 zur Umkehrvorspannung zwischen einem (+)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 und der Erde 8 verbunden. Der Operationsverstärker 10 ist mit seinem (-)-Eingangsanschluß mit der Arbeitselektrode 2 über den Signalausgabeanschluß 61 verbunden, und gleichzeitig ist sein (+)-Eingangsanschluß mit der Erde 8 verbunden, wobei der Rückkopplungswiderstand 11 zwischen dem Ausgangsanschluß und dem (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 10 verbunden ist.

Die Arbeitsweise des so aufgebauten Biosensors soll im fol genden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben werden, die die Beziehungen zwischen der (-)-Spannung des (-)-Eingangsanschlusses und den Stellen der drei Elektroden und zwischen der (+)-Spannung des (+)-Eingangsanschlusses über der Zeit darstellen.

Obwohl das Potential jeder der Elektroden 2, 3' und 3 keinen festen Wert darstellt, da jede Elektrode nicht mit der Erde 8, wie sie ist, in Berührung steht, ist der Ausgangsan schluß des Operationsverstärkers 7, der mit dem (+)-Eingangs anschluß mit der Gleichstromquelle 9 verbunden ist, so daß eine -V Vorspannung zur Erde 8 zugeführt ist, mit der Gegen elektrode 3 verbunden, und gleichzeitig ist der (-)-Eingangs anschluß des Operationsverstärkers 7 mit der Bezugselektrode 3' verbunden, so daß das Potential der Bezugselektrode 3' der Potentialänderung der Gegenelektrode 3 folgend gesteuert werden kann. In diesem Fall wird die Bezugselektrode 3' schnell durch die Potentialänderung der Gegenelektrode 3 be einflußt, die durch den Strom bewirkt wird, der zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelektrode 3 erzeugt wird, da die Bezugselektrode 3' die Arbeitselektrode 2 vollständig um gibt, wodurch man eine gute Potentialfolgeeigenschaft erhält.

Da die Arbeitselektrode 2 mit dem (-)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 10 verbunden ist, dessen (+)-Eingangs anschluß mit der Erde 8 verbunden ist, kann die Potential differenz zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Bezugselek trode 3' gleich der elektromotorischen Kraft v der Gleich stromquelle 9 mit Bezug auf eine Kurve A gemäß der Erfindung und einer Kurve B gemäß dem bekannten Biosensor in Fig. 4 und 5 gleichgehalten werden.

D. h. im einzelnen, daß der größte Teil der Potentialdiffe renz, die zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelek trode 3 erzeugt wird, wie dies in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, sich in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2 und in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3 konzentriert. In den anderen Bereichen ändert sich das Potential sehr gleich mäßig.

Wichtig bei der Messung der Dichte des Probematerials ist jedoch nicht die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3, sondern die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2. Da weiter die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3 sich je nach den Bedingungen ändern kann, sollte die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2 konstant gehalten werden, unabhängig von einer derartigen Änderung der Potentialdifferenz, wie oben in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3, so daß es schließlich möglich ist, ein richtiges Signal entsprechend der Konzentration des Probematerials abzunehmen.

Da die Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Arbeitselektrode 2 sich entsprechend der Konzentration des Probematerials ändert, kann ein richtiges Signal durch Gestatten der Änderung der Potentialdifferenz erhalten werden. Die oben beschriebene elektromotorische Kraft v muß unter Beachtung der obigen Tatsache eingestellt werden.

Gemäß der ersten Ausführungsform kann die Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode 3' und der Arbeitselektrode 2 bei v eingestellt werden, und weiter kann die Potential differenz zwischen der Bezugselektrode 3' und der Arbeits elektrode 2 bei v mit einer hohen Transienteigenschaft in bezug auf die Änderung der Potentialdifferenz in der Nähe der Grenze der Gegenelektrode 3 gehalten werden. Die Ausgangsspannung von dem Operationsverstärker 10 ist daher ein richtiger Wert entsprechend der Konzentration des Probematerials.

Fig. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des Stromwertes, wenn die Konzentration der Glucose durch den Biosensor der oben beschriebenen Konstruktion ge messen wird, und zwar in Beziehung zwischen dem elek trischen Strom und der Zeit von Anfang an. Fig. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des primären Differentialstromwertes der Dichte von Fig. 6. In beiden Fig. 6 und 7 sind die gemessenen Werte gemäß dieser Ausführungsform durch eine ausgezogene Linie A dargestellt, während die Meßwerte, die man mit dem Stand der Technik erhält, mittels der gestrichelten Linie B dargestellt sind.

Aus den Meßdaten geht hervor, daß die Transienteigenschaft in bezug auf die Änderung des Stromwertes bei der erfin dungsgemäßen Ausführungsform, verglichen mit dem Stand der Technik, verbessert ist, und entsprechend kann der primäre Differentialstromwert als ein der Konzentration des Probe materials entsprechender Wert angesehen werden.

Fig. 9 zeigt eine Aufsicht auf einen Biosensor gemäß einer gegenüber der ersten Ausführungsform geänderten Ausführungs form, die sich von der ersten Ausführungsform einfach in der Form der Gegenelektrode 3 unterscheidet. In Fig. 9 ist die Gegenelektrode 3 bogenförmig ausgebildet, mit einer Länge, die größer als die Hälfte eines Kreises ist. Ebenfalls zeigt Fig. 10, ähnlich wie Fig. 9, eine weitere Ausführungsform, die sich von dem Biosensor der ersten Ausführungsform einfach in der Form der Gegenelektrode 3 und der Bezugs elektrode 3' unterscheidet, die beide bogenförmig ausge bildet sind und eine Länge aufweisen, die größer als ein Halbkreis ist.

Die Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode 3 und der Arbeitselektrode 2 kann bei diesen Ausführungsformen ebenfalls bei v gehalten werden, so daß ein ausreichend richtiges Signal entsprechend der Konzentration des Probema terials erhalten werden kann.

Aus der obigen Beschreibung wird ersichtlich, daß man ein ausreichend richtiges Signal entsprechend der Konzentration des Probematerials sowohl in der ersten Ausführungsform als auch in den weiteren Ausführungsformen im Vergleich zum Stand der Technik erhält. Der Grad der Richtigkeit des Signals ist jedoch nicht der gleiche. Wie in Tabelle I dar gestellt, erhält man mit der ersten Ausführungsform ein genaueres Signal.

Entsprechend der ersten Ausführungsform kann der dynamische Bereich entsprechend der Verbesserung der Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode 3' vergrößert werden.

Tabelle I

(in dem Fall, in dem die Glucosekonzentration 150 mg/dl beträgt)

Tabelle II

(in dem Fall, in dem die Glukosekonzentration 300 mg/dl beträgt)

Bei der ersten Ausführungsform als auch bei den weiteren Ausführungsformen besteht die Gegenelektrode 3 aus Silber, kann jedoch ebenfalls aus Platin bestehen.

Wenn die Gegenelektrode 3 aus Platin besteht, wird eine Ausgangsverschlechterung über eine beachtlich lange Zeit nach einem Auffrischen der Elektrode nicht beobachtet. Wenn die Gegenelektrode 3 jedoch aus Silber besteht, beobachtet man eine Ausgangsverschlechterung unmittelbar nach dem Er frischen bzw. Erneuern der Elektrode. Es ist daher ersicht lich, daß die Elektrodencharakteristik der Platinelektrode als Gegenelektrode 3 besser ist. Da die Platinelektrode je doch teuer ist, wird bevorzugt, daß die Gegenelektrode 3 im Fall der Konstruktion gemäß Fig. 9 und 10 aus Platin ausge bildet ist.

Das Ändern des Ausgangs nach dem Erfrischen bzw. Erneuern der Enzymelektrode ist in dem Diagramm von Fig. 8 darge stellt, wenn die Gegenelektrode 3 aus Silber bzw. Platin besteht. In diesem Fall wird die Konstruktion des Biosensors gemäß Fig. 2 verwendet. Wenn die Gegenelektrode 3 aus Platin besteht, wird der Ausgang kaum verschlechtert, wie dies durch die ausgezogene Linie C dargestellt ist, wohingegen, wenn die Gegenelektrode 3 aus Silber besteht, eine etwa 10%ige Ver schlechterung des Ausgangs nach etwa 55 Minuten nach dem Erneuern der Elektrode auftritt, wie dies mittels der gebro chenen Linie D dargestellt ist. Man sieht, daß die Gegenelek trode 3 vorzugsweise aus Platin bestehen soll.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfin dung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele be schränkt ist. Es ist möglich, daß beispielsweise die Bezugs elektrode eine derartige Form aufweist, daß ein Teil des Rings entfernt wird, oder daß sie oval oder quadratisch aus gebildet wird. Die Mitte der unteren Schicht der Bezugselek trode muß nicht mit der Mitte der Arbeitselektrode überlappen, d. h. die Bezugselektrode muß nicht zur Arbeitselektrode konzentrisch sein. Der Biosensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur für die Messung der Konzentration von Glucose geeignet, sondern ebenfalls für die Messung der Konzentration von z. B. Harnstoff usw. oder der Konzentration eines Probematerials auf der Grundlage der mittels einer anderen als der H₂O₂ Reaktion erzeugten oder verbrauchten Materialmenge.

Wie oben beschrieben, kann die Potentialfolgeeigenschaft der Bezugselektrode in bezug auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode verbessert werden, da der Biosensor gemäß der Erfindung mit einer Bezugselektrode versehen ist, die den größeren Teil der Arbeitselektrode umgibt, was zu einer verbesserten Meßgenauigkeit der Konzentration einer Probe führt, wobei ein vergrößerter dynamischer Bereich realisiert werden kann.

Claims

1. Biosensor, umfassend:

- einen Enzymelektrodenkörper (1);
- eine am Enzymelektrodenkörper (1) vorgesehene Basiselektrode mit einer Arbeitselektrode (2), einer Gegenelektrode (3) und einer Bezugselektrode (3');
- eine auf der Oberfläche der Basiselektrode vorgesehene Enzymfolie (4), die mit physiologisch aktivem Material behaftet ist, so daß in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion ein elektrisches Signal erzeugt wird, und einen elektrischen Schaltkreis mit Anschlüssen (61, 62, 63), die jeweils mit entsprechenden Elektroden verbunden sind, sowie einer Einrichtung zum Anlegen eines Vorspannungspotentials zwischen der Arbeitselektrode (2) und der Bezugselektrode (3'),

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Bezugselektrode (3') und die Gegenelektrode (3) die Arbeitselektrode (2) umschließen und
- die Einrichtung zum Anlegen eines Potentials das Potential entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode (3) anlegt.

2. Biosensor mit einer Basiselektrode, auf deren Oberfläche eine Enzymfolie (4) mit einem physiologisch aktiven Material befestigt ist, so daß ein elektrisches Signal in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion erzeugt wird, wobei die Basiselektrode eine Arbeitselektrode (2), eine Bezugselektrode (3') und eine Gegenelektrode (3) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (3') und die Gegenelektrode (3) jeweils die Arbeitselektrode (2) umgeben, daß die Bezugselektrode (3) den größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode (2) umgibt, und daß ein Vorspannungspotential angelegt wird, das entsprechend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode (3) zugeführt wird.

3. Biosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (3') und die Gegenelektrode (3) die Arbeitselektrode (2) in dieser Reihenfolge umgeben.

4. Biosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (3) und die Bezugselektrode (3') die Arbeitselektrode (2) in dieser Reihenfolge umgeben, und daß die Gegenelektrode (3) aus einem Platinmetall besteht.

5. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (3') konzentrisch um die Arbeitselektrode (2), die ihre Mitte bildet, angeordnet ist.

6. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode ein elektrisches Signal entsprechend der durch die Enzymreaktion erzeugten Materialmenge erzeugt.

7. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode ein der durch die Enzymreaktion verbrauchten Materialmenge entsprechendes Signal erzeugt.