DE4115795A1

DE4115795A1 - Miniature electrode for bio-sensor - has domed counter-electrode with opening for measuring electrode

Info

Publication number: DE4115795A1
Application number: DE19914115795
Authority: DE
Inventors: Norbert Klimes; Klaus Dr Riedel; Bernd Fahrenbruch; Steffen Dipl Ing Borlich
Original assignee: EKF IND ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: EKF IND ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1992-11-12

Abstract

A miniature electrode for a biosensor consists of a measuring electrode surrounded by highly insulating electrode body which, in turn, is surrounded by a counter-electrode, the novelty being that the top of the counter-electrode (3) has a domed shape, matched by the top of the measuring electrode (1) and electrode body (2), and has a central opening which accommodates the top of the measuring electrode (1) and which has a dia. (A) of up to twice the measuring electrode dia. USE/ADVANTAGE - The electrode is used esp. in small medical or environmental measuring units. It is suited to all biochemical measuring processes and systems, has high long term stability, allows optimal biosensor membrane tensioning and is inexpensive to mfr.

Description

Die Erfindung betrifft eine Miniaturelektrode für einen Biosensor zur Stoffanalyse, welche auf einer Auswertung eines Stromflusses bzw. einer Spannungsdifferenz beruht und besonders vorteilhaft für kleine Analysemeßgeräte in der Medizin- und Umwelttechnik an wendbar ist.The invention relates to a miniature electrode for a biosensor for substance analysis, which is based on an evaluation of a current flow or a voltage difference and is particularly advantageous for small analysis measuring devices in medical and environmental technology is reversible.

Für die verschiedensten Anwendungsfälle sind Zwei-, Drei- oder Mehrfachelektrodenanordnungen für Biosensoren mit oder ohne Elek trolyt bzw. mit oder ohne Membran bekannt. Bei der Mehrzahl der Biosensoren finden biologisch aktive Membranen Verwendung, welche am Kopf der Elektrode angeordnet bzw. darüber gespannt sind, wo durch zusätzlich ein Teil der störenden Bestandteile der Meßflüs sigkeit oder des Meßgases von der Oberfläche der Elektrodenanord nung ferngehalten werden. Trotzdem bilden sich nach längerem Ge brauch Rückstände auf den Elektrodenoberflächen, welche das Meß ergebnis verfälschen. Zur Beseitigung dieser Rückstände wird in der DE-OS 38 22 911 und der JP-A 60-1 55 959 eine Stromumkehrung zwi schen den Messungen vorgeschlagen. Nachteilig bei diesen Methoden ist neben dem höheren schaltungstechnischen Aufwand, daß damit die Bildung von Rückständen auf den Elektrodenoberflächen nicht vermindert wird, sondern bereits gebildete Rückstände beseitigt werden.For a wide variety of applications there are two, three or Multiple electrode arrangements for biosensors with or without elec trolyte or known with or without a membrane. Most of the Biosensors use biologically active membranes, which are arranged at the head of the electrode or stretched over where due to an additional part of the disturbing components of the measuring rivers liquid or the measuring gas from the surface of the electrode arrangement be kept away. Nevertheless, after a long period of ge need residues on the electrode surfaces, which the measurement falsify the result. To remove these residues is in DE-OS 38 22 911 and JP-A 60-1 55 959 a current reversal between suggested measurements. A disadvantage of these methods is that in addition to the higher circuit complexity the formation of residues on the electrode surfaces is not is reduced, but residues already formed are eliminated will.

Um eine möglichst kurze Meßzeit bei Biosensoren mit Membran zu erreichen, muß die Membran möglichst dünn sein und eng am Elek trodenkopf anliegen. Dies ist besonders bei Biosensoren ohne Elektrolyt von Bedeutung und wird bei den bekannten Elektrodenan ordnungen durch eine leichte Wölbung zur Membranseite hin ange strebt, z. B. JP-A 63-2 43 863. Diese leichte Wölbung ermöglicht aber keine optimale Spannung der Membran über den Elektrodenkopf, so daß örtlich begrenzte Spannungsverluste eintreten können, wel che insbesondere bei Miniaturelektroden vermieden werden müssen. In der Praxis haben weitestgehend Zwei- und Dreielektrodenanord nungen für Biosensoren Anwendung gefunden. To ensure the shortest possible measurement time for biosensors with a membrane reach, the membrane must be as thin as possible and close to the elec tread head. This is particularly the case with biosensors without Electrolyte of importance and is used in the known electrodes arranged by a slight curvature towards the membrane side strives, e.g. B. JP-A 63-2 43 863. This slight curvature enables but no optimal tension of the membrane over the electrode head, so that localized voltage losses can occur, wel che especially with miniature electrodes must be avoided. In practice, two and three-electrode arrangements are largely used Applications for biosensors found.

Bekannt ist die sogenannte Clark-Elektrode oder Dreielektrodenan ordnungen nach DE-OS 38 22 886 und DE-OS 38 22 911. Eine bekannte Zweielektrodenanordnung nach Clark besteht aus einer Meßelektro de, welche von einem hochisolierenden festen Elektrodenkörper und dieser wiederum von einer Gegenelektrode in Form eines Hohlzylin ders umgeben ist, und aus einem die Elektrode umgebenden Elektro lyt. Um den Nachteil der Potentialinstabilität bei Zweielektro denanordnungen zu vermeiden, wurde gemäß DE-OS 38 22 886 eine Drei elektrodenanordnung mit einem der Bezugselektrode zugeführten Vorspannungspotential vorgeschlagen. Dies erfordert aber einen wesentlich höheren Herstellungsaufwand für den Biosensor, wobei die o. g. Nachteile hinsichtlich Membranspannung und Verminderung der Rückstandsbildung auf den Elektrodenoberflächen ebenfalls nicht beseitigt werden.The so-called Clark electrode or three-electrode is known regulations according to DE-OS 38 22 886 and DE-OS 38 22 911. A known Clark's two-electrode arrangement consists of a measuring electrode de, which of a highly insulating solid electrode body and this in turn from a counter electrode in the form of a hollow cylinder surrounded, and from an electro surrounding the electrode lyt. To the disadvantage of potential instability in two-electric To avoid the arrangements was a three according to DE-OS 38 22 886 electrode arrangement with one supplied to the reference electrode Bias potential suggested. But this requires one much higher manufacturing costs for the biosensor, whereby the above Disadvantages with regard to membrane tension and reduction residue formation on the electrode surfaces as well cannot be eliminated.

Zur Verbesserung der Potentialstabilität von Zweielektrodenanord nungen ist es ebenfalls bekannt, die Fläche der Gegenelektrode zu vergrößern, was jedoch die Abmaße des Biosensors vergrößert. Wei terhin wirkt sich eine größere Strombelastung der Gegenelektrode auch negativ auf die Potentialstabilität aus (siehe Dr. P. Schu ler, Oxi-Fibel, Einführung in die Gelöstsauerstoff-Meßtechnik, S. 24 und S. 31).To improve the potential stability of two-electrode arrangements it is also known to increase the area of the counter electrode enlarge, but this increases the dimensions of the biosensor. Wei In addition, a larger current load on the counterelectrode affects also negatively affect potential stability (see Dr. P. Schu ler, Oxi primer, introduction to dissolved oxygen measurement technology, P. 24 and p. 31).

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Miniatur elektrode für einen Biosensor zu schaffen, die für alle biochemi schen Meßverfahren und -anordnungen geeignet ist, eine hohe Lang zeitstabilität besitzt, eine optimale Spannung einer Membran für Biosensoren ermöglicht und einen geringen Herstellungsaufwand erfordert.It is therefore an object of the present invention, a miniature to create an electrode for a biosensor for all biochemi measuring methods and arrangements is suitable, a high Lang has time stability, an optimal tension of a membrane for Biosensors enabled and a low manufacturing cost required.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in Anspruch 1 und 2 ge nannten Merkmale gelöst. Dabei wurde unter Verwendung der bekann ten Zweielektrodenanordnung für Biosensoren nach Clark eine Elek trodenanordnung geschaffen, die hinsichtlich Potentialstabilität und Langzeitstabilität die Eigenschaften bekannter Drei- und Mehrelektrodenanordnungen für Biosensoren weiter verbessert und auch ohne Elektrolyt arbeitet. Somit konnte eine wesentlich kostengünstigere Lösung erreicht werden.The object of the invention is achieved by the ge in claims 1 and 2 mentioned characteristics solved. It was known using the ten two-electrode arrangement for Clark biosensors an elec created trode arrangement with regard to potential stability and long-term stability the properties of known three and Multi-electrode arrangements for biosensors further improved and works even without electrolyte. So one could be essential cheaper solution can be achieved.

Anhand nachfolgenden Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nä her erläutert werden.Based on the following embodiment, the invention is intended forth be explained.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Miniaturelektrode. Die Miniaturelektrode besitzt eine Meßelektrode 1 aus Platindraht, einen sie umgebenen nachisolierenden festen Elektrodenkörper 2 und eine den Elektrodenkörper 2 umgebene Gegenelektrode 3, deren prinzipieller Aufbau bereits durch die Clark-Elektrode be kann ist. Fig. 1 shows a miniature electrode according to the invention. The miniature electrode has a measuring electrode 1 made of platinum wire, a surrounding post-insulating solid electrode body 2 and a counter electrode 3 surrounding the electrode body 2 , the basic structure of which can already be through the Clark electrode.

Erfindungsgemäß hat der Kopf der Gegenelektrode 3 die Form einer Kugelkalotte, wobei der Kopf der Meßelektrode 1 und des Elektro denkörpers 2 dieser Kalottenform angepaßt sind. Weiterhin weist der Kopf der Gegenelektrode 3 eine Mittelöffnung vom Durchmesser A auf, innerhalb derer der Kopf der Meßelektrode angeordnet ist. Der Durchmesser A der Mittelöffnung der Gegenelektrode 3 ist gleich oder kleiner dem doppelten Durchmesser der Meßelektrode 1. Die Gegenelektrode 3 besteht vorteilhaft aus gezogenem Silber blech, wodurch die mechanische Stabilität der Miniaturelektrode wesentlich verbessert wird.According to the head of the counter electrode 3 has the shape of a spherical cap, the head of the measuring electrode 1 and the electric body 2 are adapted to this spherical shape. Furthermore, the head of the counter electrode 3 has a central opening of diameter A, within which the head of the measuring electrode is arranged. The diameter A of the central opening of the counter electrode 3 is equal to or less than twice the diameter of the measuring electrode 1 . The counter electrode 3 is advantageously made of drawn silver sheet, whereby the mechanical stability of the miniature electrode is significantly improved.

Es wurde gefunden, daß durch die Gestaltung des Kopfes der Gegen elektrode 3 in Form einer Kugelkalotte mit Mittelöffnung und den geringen Abstand zwischen Gegenelektrode 3 und Meßelektrode 1 am Kopf der Miniaturelektrode gegenüber bekannten Elektrodenanord nungen die elektrische Stabilität und das Signal-Rausch-Verhält nis, d. h. auch die Potentialstabilität der Miniaturelektrode, we sentlich verbessert werden konnten. Die Leitfähigkeitsbedingungen eines mit dieser Miniaturelektrode versehenen Biosensors konnten entscheidend verbessert werden. Ursächlich dafür ist die erfin dungsgemäße Ausführung des Kopfes der Miniaturelektrode, wodurch eine optimale Spannung bei einer am Kopf liegenden Membran er reicht werden konnte und störende Rückstände aus der Meßflüssig keit sich nur in geringem Maße auf den Elektrodenoberflächen festsetzen können, da durch den geringen Abstand zwischen Meß elektrode 1 und Gegenelektrode 3 am Kopf der Miniaturelektrode und damit verstärkten Stromflusses, diese Rückstände abtranspor tiert werden. It was found that the design of the head of the counter electrode 3 in the form of a spherical cap with a central opening and the small distance between the counter electrode 3 and the measuring electrode 1 at the head of the miniature electrode compared to known electrode arrangements, the electrical stability and the signal-to-noise ratio, ie the potential stability of the miniature electrode, we could be significantly improved. The conductivity conditions of a biosensor equipped with this miniature electrode could be decisively improved. The reason for this is the inventive design of the head of the miniature electrode, whereby an optimum voltage with a membrane lying on the head could be reached and disturbing residues from the measuring liquid can only settle to a small extent on the electrode surfaces, because of the small distance between Measuring electrode 1 and counter electrode 3 on the head of the miniature electrode and thus increased current flow, these residues are removed.

Als vorteilhaft für die optimale Spannung einer Membran hat sich erwiesen, daß der Durchmesser der Kalotte gleich dem Durchmesser der Miniaturelektrode ist. Ein weiterer damit verbundener Vorteil ist die geringe Störanfälligkeit und lange Lebensdauer der erfin dungsgemäßen Miniaturelektrode. Die erfindungsgemäße Miniatur elektrode läßt sich praktisch bei allen bekannten biochemischen Meßverfahren und -anordnungen, wie für Durchflußmeßstrecken, Tauchmessungen oder Topfmeßzellen und auf Grund ihrer geringen Abmessungen (Elektrodendurchmesser kleiner 3 mm) besonders vor teilhaft in handlichen Analysemeßgeräten anwenden.Has proven advantageous for the optimal tension of a membrane proved that the diameter of the spherical cap is equal to the diameter the miniature electrode is. Another benefit is the low susceptibility to failure and long life of the inventions miniature electrode according to the invention. The miniature according to the invention electrode can be practically used in all known biochemical Measuring methods and arrangements, such as for flow measuring sections, Immersion measurements or pot measuring cells and because of their low Dimensions (electrode diameter less than 3 mm) especially before Use partially in handy analysis measuring devices.

Claims

1. Miniature electrode for a biosensor, consisting of a measuring electrode, which is provided by a highly insulating solid electrode body and this in turn by a counter electrode, characterized in that
that the head of the counter electrode ( 3 ) has the shape of a spherical cap and the head of the measuring electrode ( 1 ) and electrode body ( 2 ) are adapted to this shape,
that the head of the counter electrode (3) has a central opening and the head of the measuring electrode (1) within the central opening of the counter electrode (3) is arranged and
that the diameter (A) of the central opening of the counter electrode ( 3 ) is equal to or less than twice the diameter of the measuring electrode ( 1 ).

2. Miniature electrode for a biosensor according to claim 1, characterized in that the counter electrode ( 3 ) made of drawn silver sheet metal and the measuring electrode ( 1 ) consists of platinum wire.