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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet elektrochemischer
Enzymelektrodensensoren und auf die Regeneration oder Aufrechterhaltung
der funktionellen Eigenschaften der Membranen derartiger Sensoren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrochemische
Sensorsysteme sind analytische Werkzeuge, die eine biochemische
Erkenntniskomponente (ein Enzym) mit einem physikalischen Wandler,
beispielsweise einer Platinelektrode, kombinieren. Das Enzym ist
in der Lage selektiv mit einem interessierenden Analyt zusammenzuwirken und
direkt oder indirekt ein elektrisches Signal über den Wandler zu erzeugen.
Elektrochemische Sensorsysteme spielen eine zunehmende Rolle bei
der Lösung
analytischer und klinischer Probleme und sie finden Anwendung auf
dem Gebiet medizinischer Diagnostik.
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Die
Selektivität
der Enzyme macht es möglich,
elektrochemische Sensoren zu entwickeln, die genau bestimmte biologische
Analyte detektieren können,
selbst wenn diese in einer komplexen analytischen Mischung, beispielsweise
im Blut, vorhanden sind. Trotz der hochgradigen Selektivität der Enzyme kann
die Selektivität
derartiger Sensoren als ganzes gefährdet werden, durch das Vorhandensein
gewisser biologischer Störungen
(zum Beispiel Askorbinsäure,
Urinsäure,
Azetaminophen, Cystein, usw.), die direkt mit dem physikalischen
Wandler zusammenwirken, wenn sie nicht darin gehindert werden. Die Genauigkeit
und die Präzision
elektrochemischer Sensorsysteme mit Enzymen wird auch gestört durch Restmengen
von Analyten, die im Sensor von einer früheren Probe herrühren und
die Analyse der folgenden Probe beeinträchtigen.
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Die
US-5,403,451 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur pulsierenden elektrochemischen Detektion, unter Benutzung von
elektroaktiven Polymerelektroden. Dieses Dokument beschreibt ein
Verfahren zur Entdotierung polymerischer Überzüge auf einer elektrochemischen
Elektrode. Das beschriebene Verfahren bezieht sich auf eine Reduktion
einer CEP-Elektrode (conducting elektroactive polymer), beispielsweise
um diese zu erneuern, indem langsam die CEP mit einem geeigneten
Potential von beispielsweise –1,5
V Gleichstrom zehn Minuten lang langsam recycled wird.
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Die
Literaturstelle Anal. Chem. 1986, 58, 1803–1806 bezieht sich auf eine
Polypyrrol-Elektrode
als Detektor für
elektroinaktive Anionen durch Strömungsinjektionsanalyse. Das
Dokument beschreibt ein Verfahren zur Entdotierung polymerer Überzüge von einer
elektrochemischen Elektrode. Das beschriebene Verfahren umfasst
das Anlegen von –0,3
V nach jeder analytischen Antwort.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Vergrößerung der
Genauigkeit und wirksamen Lebensdauer eines elektrochemischen Sensors
to schaffen. Eine Polymerisation der elektropolymerisierbaren Monomere
in eine innere Polymermembran eines elektrochemischen Sensors bildet
eine Membran, die Störungen
zurückweist.
Diese innere polymere Membran bewirkt einen Schutz des elektrochemischen
Sensors gegenüber einer
Verschmutzung oder Störungen
durch Verbindungen in der Probe und auf diese Weise wird die Genauigkeit
erhöht,
die durch die Verschlechterung der Membran, durch Verschmutzung
oder Störungen durch
Analytverbindungen von der Probe verlorengeht.
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Der
elektrochemische Sensor umfasst eine Elektrode und eine Verbundmembran.
Die Verbundmembran umfasst eine äußere Schicht,
eine Enzymschicht und eine wiederherstellbare innere Schicht. Die
innere Schicht steht in Berührung
mit der Elektrode und umfasst eine polymerisierbare Membran.
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Derartige
Sensoren sind aus der
US 6,051,389 und
der
US 5,352,349 bekannt.
Die
US 5,352,349 umfasst
auch ein Verfahren zur Entfernung störender Agenzien durch Anlegen
eines Reduktionspotentials.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden störende
Agenzien entfernt, indem ein Oxidationspotentialimpuls angelegt
wird, wie dies in Anspruch 1 definiert ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Ansicht der Bestandteile eines elektrochemischen
Sensorgeräts, mit
einer Sensorpatrone und einer Reihe von Sensoren und einem thermischen
Block zur beschleunigten Hydrierung und Kalibrierung der Sensoren.
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2 zeigt
eine umgekehrte Frontansicht der Sensorkarte eines Patronenausführungsbeispiels
gemäß der Erfindung,
teilweise abgebrochen.
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3A–B veranschaulicht
Schnittansichten eines Enzymsensors.
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Einzelbeschreibung
der Erfindung
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Die 1 und 2 veranschaulichen
ein elektrochemisches Sensorsystem, für das die vorliegende Erfindung
nützlich
ist.
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Gemäß 1 benutzt
ein elektrochemisches Sensorsystem 8 einen Sensoraufbau,
der allgemein mit 10 beschrieben ist und mehrere Elektroden
aufweist, die elektrische Messungen auf einer Probe, beispielsweise
einer Blutprobe, herstellen, die in den Sensoraufbau 10 eingeschoben
ist. Die durch das System zu analysierenden Blutproben werden durch
einen Probeneinlaß 13a eingeschoben.
Die Blutproben werden beispielsweise durch Phlebotomie erlangt oder
auf einer periodischen Basis von einem außerkörperlichen Blutströmungskreis
abgeleitet, der mit einem Patienten, beispielsweise bei einer offenen
Herzchirurgie, verbunden ist. Blutproben können in den Probeneinlaß 13a über andere
automatische Mittel oder manuell, beispielsweise durch Spritzen,
eingeführt
werden. Die Blutproben können auch
als diskrete Proben eingeführt
werden.
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Das
elektrochemische System 8 ist in einer Einmalpatrone 37 untergebracht.
Eine Patrone ähnlicher
Bauart ist im einzelnen in der US-PS 4,734.184 beschrieben. Das
elektrochemische Sensorsystem 8 umfasst in der Patrone 37 wenigstens
zwei vorgepackte Behälter 14 und 16 und
jeder enthält
eine geeichte wäßrige Lösung mit
bekannten Parameterwerten, die durch das System gemessen werden
sollen. Zum Zweck der Referenz soll die in dem vorgepackten Behälter 14 enthaltene
Lösung
als Eich-Lösung
A bezeichnet werden und die in dem vorgepackten Behälter 16 enthaltene
Lösung
soll als Eich-Lösung
B bezeichnet werden. Das elektrochemische System 8 gemäß 1 kann
einen dritten vorgepackten Behälter 23 aufweisen,
der eine Eich-Lösung
AO enthält.
Jeder der vorgepackten Behälter 14, 16 und 23 enthält eine
genügende
Menge seiner Eich-Lösung, damit
das zu eichende System genügend
oft benutzt werden kann, bevor der vorgepackte Behälter leer wird.
Wenn einer oder mehrere der Behälter 14, 16 und 23 die,
die Eich-Lösungen
enthalten, leer wird, dann muß die
Patrone, die die vorgepackten Behälter 14, 16 und 23 enthält, ersetzt
werden.
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Gemäß 1 wird
der vorgepackte Behälter 14 an
den Eingang eines Mehrwegeventils 18 über die Strömungsleitung 20 angeschlossen
und der vorgepackte Behälter 16 wird
an einen zweiten Eingang des Mehrwegeventils 18 über eine
Strömungsleitung 22 angeschlossen.
Der Behälter 23 ist
mit einem dritten Eingang des Mehrwegeventils 18 über eine
Strömungsleitung 25 verbunden.
Ein weiterer Behälter 17 enthält eine
Spüllösung und
ist mit dem Eingang des Mehrwegeventils 18 über eine
Strömungsleitung 21 verbunden.
Der Spülbeutel 17 fällt weg
und eine der Eich-Lösungen
A oder B wird als Spüllösung benutzt. Die
Ausgangsleitung 12 ist der Ausgang des Mehrwegeventils 18 und
sie ist mit der Probeneingangsleitung 13 über einen
Fühler 11 verbunden.
Je nach der Stellung des Ventils 18 sind die Eingangsleitungen 20, 21, 22, 25 oder
die Luft nach dem Ventil 18 hin offen. Wenn der Fühler in
einer Normalstellung befindlich ist (Stellung 11b) der
Probeneingangsleitung 13b, ist die Leitung 12b nach
der Probeneingangsleitung 13b hin offen, und es erfolgt
ein Durchgang der Eichlösung
oder der Spüllösung oder
der Luft durch die Probeneingangsleitung 13b nach dem Sensoraufbau 10 über die
Leitung 24, was durch die Bewegung einer peristaltischen
Pumpe ermöglicht
wird, die schematisch bei 26 dargestellt ist. In dem Probenannahmemodus 13a jedoch
wird die Leitung 12 von der Probeneingangsleitung (Position 12a)
getrennt und die Probe wird direkt in den Sensoraufbau 10 über die
Leitung 24 eingelegt, was durch die Arbeitsweise der peristaltischen
Pumpe 26 ermöglicht
wird.
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Die
Patrone 37 enthält
auch einen Behälter 28 für eine Bezugslösung. Der
Behälter 28 ist
mit dem Sensoraufbau durch eine Strömungsleitung 30 verbunden.
Das System umfasst weiter einen Behälter 32 für Abfall,
der Blutproben, die Kalibrierlösungen
und die Bezugslösungen
aufnimmt, nachdem sie durch den Sensoraufbau 10 über eine
flexible Leitung 34 geführt
wurden, die einen Eingang vom Sensoraufbau 10 aufweist.
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Sowohl
die Abfallströmungsleitung 34 als auch
die Bezugslösungs-Strömungsleitung 30 bestehen
aus Schläuchen
mit flexiblen Wandungen oder umfassen Abschnitte davon, die durch
die peristaltische Pumpe 26 hindurchlaufen. Die Pumpe 26 komprimiert
die flexiblen Abschnitte der Strömungsleitungen 30 und 34 und
beaufschlagen diese, um eine Druckströmung der Bezugslösung vom
Behälter 28 nach
dem Elektrodenaufbau 10 zu fördern und einen negativen Druck
auf die verbrauchten Produkte in der Strömungsleitung 34 zu
erzeugen und so die Fluide abzuziehen, und zwar einschließlich der
Fluide mit den polymerisierbaren Monomeren, in der Strömungsleitung 24 über Kanäle im Elektrodenaufbau 10 an
den Membranen der Sensoren vorbei. Diese Anordnung vermeidet, im
Gegensatz zu der Alternative der Ausübung eines positiven Druckes
auf das Blut und Eich-Lösungen,
um sie durch den Elektrodenaufbau 10 zu schicken, die Ausbildung
unnötiger und
möglicherweise
verletzender mechanischer Kräfte
auf die Blutproben und es wird die Gefahr von Leckströmen im Elektrodenaufbau 10 vermindert.
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Die
Patrone 37 enthält
auch eine Sensorkarte 50, die eine gasdichte Kammer mit
einem geringen Volumen, in der die Probe, beispielsweise eine Blutprobe,
eine Eichlösung
oder eine ein Monomer enthaltende Lösung, einem oder mehreren elektrochemischen
Sensoren präsentiert
wird, d.h. den Sensoren für
pH, pCO2, pO2, Na+, Ca++, Glucose,
Lactat, Creatin, Creatinin und Hämatocrit,
vorsieht, zusammen mit der Bezugselektrode, die kollektiv als Sensoren 10 bezeichnet
sind, und diese sind integrale Teile der Kammer. Chemisch sensitive,
hydrophobe Membranen, die typischerweise aus Polymeren erzeugt sind,
beispielsweise aus Polyvinylchlorid, speziellen Ionophoren, und
aus einem geeigneten Plastifizierer werden dauerhaft an den Körper der
Kammer angeheftet. Diese chemisch sensitiven, hydrophoben Membranen,
wie sie weiter unten im einzelnen beschrieben werden, bilden das
Interface zwischen den Proben- oder Eichlösungen und der Pufferlösung in Berührung mit
der inneren (Silber-/Silberchlorid-)Elektrode.
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Die
Patrone 37 kann drei Lösungen
enthalten, die eine Kalibrierung bei hohen oder niedrigen Konzentrationen
für alle
Parameter ermöglichen,
außer
für Hämatocrit,
was unter einem Pegel kalibriert. Die Patrone 37 umfasst
auch den Rotor-für-Proben-Einlaßarm 5,
die Pumpenschläuche 24, 30 und 34,
den Abtastfühler 11,
den Abfallbeutel 32, den Bezugslösungsbehälter 28, den Spüllösungsbehälter 17,
die Eichlösungsbehälter 14, 16 und 23,
das Rückschlagventil 33 und
die Schläuche 12, 20, 21, 22 und 25.
Die Blutproben, die analysiert worden sind, werden an einem Rückfluß in die
Sensorkarte 50 durch den Abfallbehälter 32 gehindert,
weil ein Rückschlagventil 33 in
der Abfall-Leitung 34 angeordnet ist. Nach Benutzung in
dem System 8 soll die Patrone 37 weggeworfen und
durch eine andere Patrone ersetzt werden.
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Gemäß 1 sind
Sensoren in Form einer Gruppe von Elektroden 10 verfügbar, die
in einer Plastikkarte 50 angeordnet und in einer Einmalpatrone 37 angeordnet
sind, die über
ein Interface mit einem thermischen Blockaufbau 39 einer
geeignet angeordneten Blutchemie-Analysevorrichtung verbunden ist.
Der thermische Blockaufbau 39 beherbergt Heiz-/Kühlmittel,
beispielsweise ein Widerstandselement oder ein Peltier-Element,
einen Thermistor 41, zur eine Überwachung und Steuerung der
Temperatur, das elektrische Interface 38 zwischen den Sensoren
in der Plastikkarte 50 und den Mikroprozessor 40 über die
Analogkarte 45. Die Analogkarte 45 beherbergt
Analog-/Digital-Wandler und Digital-/Analog-Wandler. Die Signale
von dem Elektroden-Interface 38 laufen durch den Analog-/Digital-Wandler und
werden für
den Prozessor 40 in digitale Form umgewandelt, um gespeichert
und angezeigt zu werden. Umgekehrt werden die digitalen Signale
vom Prozessor 40, beispielsweise die Polarisations-Spannung
für den
Sauerstoffsensor, die den Digital-/Analog-Wandler durchläuft, in eine analoge Form umgewandelt,
und den Sensoren zur Steuerung durch das Elektroden-Interface 38 zugeführt.
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Das
elektrochemische Sensorsystem 8 wird nach Einsatz der Patrone 37 in
die elektrochemische Sensorvorrichtung umgewandelt. Nach Einsatz
paßt die
Sensorkarte 10 in den Heizblockaufbau 39, der
im einzelnen weiter unten beschrieben wird, und der Heiz-/Kühl-Aufbau,
der durch den Mikroprozessor 40 geregelt wird, steuert
die Temperatur der Sensorkarte 50 und der Lösung in
Berührung
mit den Sensoren innerhalb der Sensorkarte 50 über eine
spezielle Temperatur während
einer bestimmten Zeitdauer. Der Heizblockaufbau 39 ist
in der Lage sich schnell zu erhitzen und abzukühlen, was beispielsweise über eine
wärmeelektrische
Einrichtung erfolgen kann, beispielsweise über den Peltier-Effekt und überwacht durch
einen Thermistor 41, wobei die Steuerung aller Teile über den
Mikroprozessor 40 erfolgt. Die Sensoren sind an das Elektroden-Interface 38 angeschlossen,
das eines von mehreren elektrischen Signalen auswählt, die
von den Sensoren erzeugt werden, und dieses elektrische Signal nach
dem Mikroprozessor 40 in der Maschine über einen Analog-/Digital-Wandler
in die analoge Leiterplatte 45 einführt, wo das Signal von der
analogen Form in die digitale Form umgewandelt wird, die für die Speicherung
und Anzeige geeignet ist.
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Gemäß 1 besitzt
der Elektrodenaufbau 10 eine Anzahl von Randverbindern 36 in
einer Gruppe, die es ermöglichen
in eine entsprechende Verbindungsfassung 38 eingesteckt
zu werden, so dass die im Aufbau 10 angeordneten Elektroden
an den Mikroprozessor 40 über die analoge Leiterplatte 45 angeschlossen
werden können.
Der Mikroprozessor 40 ist mit dem Mehrwegeventil 18 über einen
Ventilantrieb 43 über
eine Leitung 42 verbunden, und er ist mit dem Motor der
peristaltischen Pumpe 26 über einen Pumpenantrieb 45 durch
eine Leitung 44 verbunden. Der Mikroprozessor 40 steuert
die Position des Probenarmes 5 über den Armantrieb 15 und
die Position des Ventils 18 und die Erregung der Pumpe 26, um
eine Folge von Blutproben und Eichlösungen durch den Elektrodenaufbau 10 zu
veranlassen. Wenn die Eichlösungen
von beispielsweise den Behältern 14, 16 und 23 in
den Elektrodenaufbau 10 gepumpt werden, führen die
Elektroden, die einen Teil des Aufbaus bilden, Messungen der Parameter
der Proben durch und der Mikroprozessor 40 speichert diese
elektrischen Werte. Basierend auf den während des Durchtritts der Eichlösungen durch
den Elektrodenaufbau 10 durchgeführten Messungen und aufgrund
bekannter Werte der gemessenen Parameter, die in der Eichlösung von
den Behältern 14, 16 und 23 enthalten
sind, erzeugt der Mikroprozessor 40 wirksam eine Eichkurve
für jeden
der gemessenen Parameter, so dass dann wenn eine Blutprobe den Elektrodenaufbau 10 durchläuft, die
durch die Elektroden durchgeführten
Messungen benutzt werden können,
um genaue Messungen der interessierenden Parameter abzuleiten. Diese
Parameter werden vom Mikroprozessor 40 gespeichert und
von diesem angezeigt. Der Mikroprozessor 40 ist in geeigneter
Weise programmiert, um eine Messung, eine Berechnung, eine Speicherung
und eine Steuerfunktion, beispielsweise als Differenzen im elektrischen Potential über einer
oder mehreren Elektroden durchzuführen.
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Elektroden-Aufbau
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Gemäß 1 empfängt während der
Arbeitsweise der Pumpe 26 der Elektrodenaufbau 10 eine
konstant pulsierende Strömung
der Bezugslösung über die
Leitung 30 und aufeinanderfolgend intermittierend pulsierende
Strömungen
entweder der Blutproben oder einer der Eichlösungen über die Leitung 24.
Der Aufbau liefert einen entsprechenden Ausgang der Abfallprodukte
nach einem Abfallsammelbeutel 32 über eine Leitung 34.
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Gemäß 2 besteht
beispielsweise der Elektrodenaufbau 10 aus einer strukturell
starren, rechteckigen Karte 50 aus Polyvinylchlorid, mit
einer rechteckigen, aus Aluminium (oder einem anderen geeigneten
Material) bestehende Abdeckplatte 52, die an eine der Oberflächen angeheftet
ist. Die Abdeckplatte 52 schließt die Strömungskanäle 56, die in einer
Oberfläche
der Karte 50 ausgebildet sind und wirkt außerdem als
Wärmeübertragungsmedium,
um die Sensoren durch thermische Wechselwirkung zu hydrieren, wie
dies unten beschrieben ist, und um die Fluidströmungen durch den Elektrodenaufbau 10 aufrechtzuerhalten
und um die Elektroden selbst auf einer konstanten Temperatur zu
halten, während
die Eichung und die Messung der relevanten Parameter in der Probe
des Patienten durchgeführt wird.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Temperatur der Platte 52 gemessen
wird, und indem ein geeignetes Heiz- oder Kühlelement, zum Beispiel ein
Peltier-Element und ein Thermistor 41 vorgesehen werden,
um die Temperatur der Platte 52 auf einer erwünschten
Temperatur zu halten.
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Gemäß 2 wird
eine Bezugslösung
einem Raum 64 zugeführt,
der in der Oberfläche
des Substrats 50 in der gleichen Weise wie die anderen Strömungskanäle 56 angeordnet
und in gleicher Weise durch die Metallplatte 52 abgedeckt
ist. Die Bezugslösungs-Strömungsleitung 30 durchläuft ein schräges Loch
im Raum 64. Der Raum 64 ist an den Ausgang 34 des
Strömungskanals 56 über einen sehr
dünnen
Kapillarabschnitt 66 angeschlossen, der in der Oberfläche des
Plastiksubstrats 50 in der gleichen Weise wie die Hauptströmungskanäle 56 angebracht
ist. Der Kapillarkanal 66 ist beträchtlich schmaler und flacher
als der Hauptströmungskanal 56;
der Querschnitt beträgt
etwa 0,5 mm2. Bezugsfluid wird in den Raum 64 durch
die Pumpe 26 über
eine Leitung 30 gepumpt (vergleiche auch 1),
und dieses Fluid füllt
den Raum und wird über
den Kapillarabschnitt 66 gedrückt, wo eine Verbindung mit dem
Ausgangsstrom des Fluid stattfindet, das durch den Hauptströmungskanal 56 fließt und dann
damit in den Abfallbeutel 32 gelangt. Der kombinierte Einfluß der höheren Dichte
wie oben beschrieben und der Kapillarwirkung des Strömungskanals 66 dienen
zur Verminderung der Gefahr, dass Eichlösung oder Blut nach unten über den
Kanal 66 nach dem Raum 64 gelangt, und die elektrochemischen
Messungen verfälscht.
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Wenn
eine Blutprobe oder eine Eichlösungsmenge,
die in den Strömungskanal 24 eingeführt wurde,
durch den Strömungskanal 56 nach
dem Ausgangsabschnitt 34 strömt, gelangt es über mehrere Elektroden,
wie aus 2 ersichtlich.
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Gemäß 1 und 2 stößt die Heizplatte 52 am
Probenkanal 56 an und bildet eine Wand desselben. Die Wärmeplatte 52 steht
in Berührung
mit dem Peltier-Element des Thermoblockaufbaus 39, wie
weiter unten beschrieben. Der thermische Blockaufbau 39 ist
in der Lage, die Temperatur der Heizplatte 52 zwischen
15°C und
75°C zu
verändern
und einzustellen. Die Temperaturänderung
und die Steuerung wird durch einen Thermistor 41 überwacht
und durch den Mikroprozessor 40 geregelt.
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Ein
innerer digitaler Taktgeber des Mikroprozessors 40 steuert
Zeit und kann den thermischen Blockaufbau 39 gemäß einem
vorgegeben Programm an- und abschalten. So steuert der Mikroprozessor 40 den
thermischen Blockaufbau 39 und regelt die Temperatureinstellung
und die Dauer jeder Temperatureinstellung der Heizplatte 52.
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Beschreibung
der Enzym-Elektrode
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Ein
Enzymsensor besteht aus einem Drei-Elektroden-System, mit einer
Arbeitselektrode, einer Bezugselektrode und einer Zählelektrode.
Die Arbeitselektrode umfasst eine Verbundmembran, die auf einer
Oberfläche
in Berührung
mit einem leitfähigen
Draht, beispielsweise einem Platindraht, abgesetzt ist. Die Verbundmembran
besteht aus zwei oder mehreren Schichten, einschließlich beispielsweise einer
Enzymschicht und einer inneren Störverhinderungsmembran.
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Die
Sensorerzeugung kann auf einer auf diesem Gebiet bekannten Lösungsgießtechnik
beruhen. Die Dicke der Schichten kann durch Ausgabe präziser Volumen
gelöster
Stoffe gesteuert werden, die sich in den Schichten befinden. Die
Polymermembran, die eine innere Störverhinderungsmembran umfasst,
wie es im einzelnen weiter unten beschrieben wird, ist auf der Drahtelektrode
durch Elektropolymerisation der elektropolymerisierbaren Monomere
gebildet, wie dies weiter unten beschrieben wird.
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Gemäß 3A und 3B liegt
eine Enzymelektrode 59, beispielsweise eine Glucose-Elektrode, im Strömungskanal 56 der
Sensorkarte 50. 3B ist
eine vergrößerte Schnittansicht
der 3A. Die Enzymelektrode 59 umfasst eine
aus drei Schichten zusammengesetzte Membran 60, die, vom
Strömungskanal 56 nach
dem Draht 57, eine äußere Membran 51 benachbart
zum Strömungskanal 56,
eine Enzymschicht 53, zwischen der äußeren Membran 51 und
der inneren Störschutzmembran 55 benachbart
zu einem Draht 57, aufweist. Die Enzymelektrode 59 berührt die
Probe wenn die Probe im Strömungskanal 56 und über die äußere Membran 51 der
Enzymelektrode 59 fließt.
Das durch die Enzymelektrode 59 erzeugte elektrische Signal
wird von dem Draht 57 geführt und nach einem Leiter 61 geschickt,
der in elektrischer Verbindung mit dem Elektrodenaufbau 10 gemäß 2 steht.
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Wie
weiter aus den 3A und 3B hervorgeht,
bewirkt die äußere Membran 51 der
Enzymelektrode 59 allgemein eine Steuerung der Diffusion
des Analyten in die Enzymschicht 53 und einen Schutz der
anderen Komponenten der Elektrode 59 gegenüber einer
direkten Berührung
mit den Bestandteilen der Probe in dem Kanal 56. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die äußere Membran 51 eine
Polymermembran, die aus einer oder mehreren auf Polyurethan basierenden
Verbindungen besteht. Die Hydrophobie der Membran wird durch die
Mischung der Einzelteile der Polymerverbindungen bestimmt. Wenn
die Hydrophobie der Membran ansteigt, dann steigt auch die Diffusion
des Sauerstoffs durch die Membran an, während die Fähigkeit des Analyten zur Diffusion
durch die Membran abfällt.
Die bevorzugte Zusammensetzung der äußeren Membran 51 ist
die Konzentration bei der ein optimaler Ausgleich der Diffusionsraten
von Sauerstoff (dies ist das erforderliche Substrat der enzymatischen
Reaktionen) und dem Analyten (Lactat in einer Lactatsensor oder
Creatinin und Creatin in einem Creatininsensor und Glykose in einem
Glykosesensor) unter typischen Bedingungen besteht. Eine hochhydrophobe äußere Membran
kann vorteilhaft sein, weil Sauerstoff schnell nach der Enzymschicht 53 diffundiert und
dies ist kein beschränkender
Faktor der enzymatischen Reaktion. Die äußere Membran 51 kann
eine bevorzugte Dicke von 8 bis 15 μm haben und sie sollte in einem
Dickenbereich zwischen 5 und 30 μm
arbeiten können.
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Die äußere Membran 51 ist
aus einer Mischung von Polyurethanen mit unterschiedlichen Wasseraufnahmefähigkeiten
zusammengesetzt. Eine typische Zusammensetzung für die äußere Membran 51 besteht
aus 77 % aliphatischem, auf Polyether basierendem Polyurethan mit
20 %-iger Wasseraufnahme, 17 % aliphatischen, auf Polyether basierenden
Polyurethanen mit 60 %-iger Wasseraufnahme und 6 % aliphatischen,
auf Polyether basierenden Polyurethanen mit 3 %-iger Wasseraufnahme.
Die äußere Membran 51 mit
dieser Zusammensetzung kann erzeugt werden, indem ein Volumen einer
Lösung
von 3,0 ml Cyclohexanon-Lösungsmittel, 17,0
ml Tetrahydrofuran-Lösungsmittel,
1,08 g von 20 % Wasser aufnehmenden Polyurethanen, 0,24 g von 60
% Wasser aufnehmenden Polyurethanen und 0,8 g von 3 % Wasser aufnehmenden
Polyurethanen auf einer Enzymschicht 53 der Verbundmembran 60 aufgebracht
wird.
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Gemäß 3B dient
die äußere Membran 51,
die direkt in Berührung
mit der Enzymschicht 53 aufgebracht ist, zum Schutz der
Enzymschicht 53, indem ein Freisetzen eines Enzyms 49,
das in der Enzymschicht 53 eingebettet ist, verhindert
wird, und es wird außerdem
verhindert, dass die Stabilisierungsmatrix in der das Enzym 49 eingebettet
ist, schädlichen
Proteinen oder Verbindungen der Probe im Kanal 56 ausgesetzt
wird. In gleicher Weise verhindert die äußere Membran 51 eine
Diffusion des Enzyms 49 aus der Enzymschicht 53 heraus.
Die äußere Membran 51 bewirkt
außerdem
eine Steuerung der Diffusionsrate des Analyten (zum Beispiel Glucose, Lactat,
Creatin und Creatinin) und sie dient außerdem zur Steuerung des Sauerstoffs
aus der Probe in die Enzymschicht 53. Wenn die Diffusion
des Analyten und des Sauerstoffs in die Enzymschicht 53 nicht verhindert
wird, führt
dies zu nichtlinearen und ungenauen Messungen des Analyten in der
Probe.
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Gemäß 3B umfasst
die Enzymschicht 53 des Glucose- oder Lactatsensors wenigstens
eine Enzym-Art 49, die für die enzymatische Reaktion
notwendig ist, in der der spezifische Analyt vorhanden ist, der
in der Matrix der Enzymschicht 53 stabilisiert wird. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfasst das Enzym 49 wenigstens ein Protein mit enzymatischer
Aktivität.
Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst
das Enzym 49 eine Mischung verschiedener Enzyme, Proteine
und Stabilisatoren, beispielsweise.
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Bei
einem speziellen Ausführungsbeispiel der
Erfindung sind das Proteinenzym 49, die Glucoseoxidase
oder die Lactatoxidase in der Enzymschicht 53 eingebettet,
und bilden eine Elektrode 91 und 92, die speziell
empfindlich ist für
Glucose und Lactat, die in der Probe vorhanden sind. Die Glucose-Elektrode 91 umfasst
Glutaraldehyd und Glucoseoxidase in der Enzymschicht 53.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
kann die Glucose-Elektrode 91 0,10 g Glutaraldehyd pro
Gramm der Glucoseoxidase enthalten. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel umfasst
die Lactat-Elektrode 92 wenigstens Glutaraldehyd, Bovinserumalbumin,
einen Enzymstabilisator, wie zum Beispiel Polyethylenimin und Lactatoxidase in
einer Enzymschicht 53. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Lactat-Elektrode 92 45 % Lactatoxidase, 45
Gew.-% Bovinserumalbumin, 5 Gew.-% Polyethylenimin (einen Enzymstabilisator) und
5 Gew.-% Glutaraldehyd. Die Gewichtsanteile von Lactatoxidase und
Bovinserumalbumin können sich ändern. Der
prozentuale Gewichtsanteil von Polyethylenimin in der Enzymschicht
kann zwischen 1 und 20 Gew.-% schwanken, und der Anteil des Glutaraldehyd
kann zwischen 1 und 10 Gew.-% schwanken. Andere Enzymstabilisatoren
umfassen, ohne hierauf beschränkt
zu sein, Polyionic-Verbindungen,
beispielsweise Polypropylenimin, Poly(N-vinylimidazol), Polyallylamin,
Polyvinylpiridin, Polyvinylpyrollidon, Polylysin, Protamin und ihre
Derivate.
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Bei
noch einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst die Enzymschicht 53 eine Mischung
verschiedener Enzyme, Proteine und Stabilisatoren, die in der Matrix
der Enzymschicht 53 für eine
spezielle Detektion von Creatinin und Creatin oder Creatin allein
eingebettet sind. Enzymmischungen werden in der Creatinin-Elektrode 116 und
der Creatin-Elektrode 118 benutzt. Creatin allein wird
mit der Creatin-Elektrode 118 detektiert. Gemäß einem speziellen
Ausführungsbeispiel
umfasst die Creatinin-Elektrode 116 eine Mischung von 5
Gew.-% Creatininase, 55 Gew.-% Creatinase, 30 Gew.-% Sarcosinoxidase,
5 Gew.-% Poly(N-vinylimidazol) (ein Enzym-Stabilisator) und 5 Gew.-%
Glutaraldehyd. Die Gewichtsanteile von Creatininase, Creatinase
und Sarcosinoxidase in der Creatinin-Elektrode und die Gewichtsanteile
von Creatinase und Sarcosinoxidase in der Creatin-Elektrode können sich ändern. Das prozentuale
Gewicht von Poly(N-vinylimidazol) in Creatinin und Creatin-Elektroden
kann sich ändern, beispielsweise
von 1 % bis zu 20 % und der Gewichtsprozentsatz von Glutaraldehyd
in den Creatinin- und Creatin-Elektroden kann sich ebenfalls ändern, beispielsweise
von 1 % bis 10 %. Polyion-Stabilisatoren können, außer Poly(N-vinylimidazol), ebenfalls
benutzt werden, um die Enzymmischung zu stabilisieren. Beispiele
von polyionischen Verbindungen umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein,
Polyethylenimin, Polypropylenimin, Polyallylamin, Polyvinylpiridin,
Polyvinylpyrollidon, Polylysin, Protamin und ihre Derivate.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Glucose-, Lactat-, Creatin- und Creatinin-Elektroden, besteht die Enzymschicht 53 aus
einer vernetzten Matrix von Enzymen, Stabilisatoren wie Polyethylenimin oder
Poly-(N-vinylimidazol) und anderen Proteinen, wie beispielsweise
Bovinserumalbumin. Die Vernetzung der Enzyme, der Stabilisatoren
und anderer Proteinmoleküle
wird beispielsweise mit Glutaraldehyd, einem Dialdehyd bewirkt.
Andere Vernetzungsmittel, wie zum Beispiel 1,4-Diisocyanatobutan, einem Diisocyanato,
1,2,7,8-Diepoxyoctan und 1,2,9,10-Diepoxydecan, beides Diepoxide, können auch
benutzt werden. Eine Vernetzung der Enzymmoleküle und die Benutzung von polyionischen
Stabilisatoren und inerten Proteinen in der Enzymmatrix kann die
Lagerfähigkeit
und die Benutzungsdauer der Enzymelektroden beträchtlich verlängern.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung, das sich auf Creatinin-Elektroden 116 und Creatin-Elektroden 118 erstreckt,
umfasst die Enzymschicht 53 eine Mischung von verschiedenen Enzymen,
Proteinen, jedoch fehlt ein Enzymstabilisator. Bei diesen Ausführungsbeispiel
umfasst die Creatinin-Elektrode 116 eine Mischung von 30
% Creatininase, 30 % Creatinase, 30 % Sarcosinoxidase und 10 % Glutaraldehyd
(in Gewichtsprozent). Bei diesen Ausführungsbeispiel umfasst die
Creatin-Elektrode 118 eine Mischung von 45 % Creatinase,
45 % Sarcosinoxidase und 10 % Glutaraldehyd (in Gewichtsprozent).
Die Enzymschicht 53 kann eine Dicke im Bereich zwischen
1 und 10 μm
betragen und vorzugsweise ist sie 2–5 μm stark, gemessen von der inneren
Oberfläche
der äußeren Membran 51 nach
der äußeren Oberfläche der
inneren Störschutzmembran 55.
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Gemäß 3A und 3B umfasst
die Enzymelektrode 59 auch eine innere Störschutzmembran 55 und
dies ist eine restorierbare Polymermembran in dichter Berührung mit
dem Draht 57. Die innere Störschutzmembran 55 kann
durch Polymerisation der elektropolymerisierbaren Monomere gebildet werden.
Geeignete elektropolymerisierbare Monomere umfassen Benzothiophen,
Phenylendiamine und Phenole, beispielsweise. Die innere Störschutzmembran 55,
die im typischen Fall weniger als 1 μm dick ist, isoliert oder schützt den
Draht 57 gegenüber Verbindungen
in der Probe, insbesondere gegenüber oxidierbaren
Verbindungen, die eine richtige Funktion der Enzymelektrode stören.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Polymermembran, die die innere Störschutzmembran 55 aufweist,
durch das Anlegen eines elektrischen Potentials an den Draht 57 in
Gegenwart elektropolymerisierbarer Monomere gebildet. Die Monomere
polymerisieren in Gegenwart eines elektrischen Potentials am Draht 57,
und bilden eine elektrisch isolierende innere Polymer-Störschutzmembran 55 auf
dem Draht 57, wie dies in den 3A und 3B veranschaulicht
ist. Wasserstoffperoxid, das durch die Aktivität des Enzyms der Enzymelektrode
auf einen speziellen Analyten erzeugt wird, tritt durch die Poren
der inneren Störschutzmembran 55 hindurch
und berührt
den Draht 57, wodurch ein elektrisches Signal am Draht 57 erzeugt wird.
Die geringere Größe der Poren
in der inneren Störschutzmembran 55 begrenzt
die Verbindungen, die sich in der Probe befinden und größer sind
als Wasserstoffperoxid, wie zum Beispiel Acetaminophen, Ascorbinsäure, Urinsäure, Cystein
und andere elektroaktive Verbindungen, die größer als H2O2 sind und diese werden darin gehindert,
mit der Elektrode 59 des elektrochemischen Sensors zusammenzuwirken
und diesen zu stören.
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Entfernung
störender
Agenzien
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Wenn
die Enzymelektrode 59 der Probe in dem Strömungskanal 56 ausgesetzt
wird, verursacht die Verbundmembran 60 die Zurückhaltung
von Restkonzentrationen eines Substrats von der Probe und Produkten
der enzymatischen Reaktion von der Arbeitsweise der Enzymelektrode 59.
Diese Substanzen sind Beispiele von störenden Agenzien, die bewirken,
dass die Enzymelektrode 59 ihre Genauigkeit und Präzision bei
der Messung der speziellen beabsichtigten Analyte verliert. Um die
Genauigkeit und Präzision
der Enzymelektrode 59 wieder herzustellen, werden störende Agenzien
von der Verbundmembran 60 der Enzymelektrode 59 dadurch
entfernt, dass eine zusätzliche
Amplitude der Polarisation an den Draht 57 der Enzymelektrode 59 angelegt wird.
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Es
kann ein Polarisationsimpuls durch eine Energiequelle an den Draht 57 angelegt
werden, nachdem die Elektrode 59 frei der Probe ausgesetzt ist,
um die Elektrode 59 für
die nächste
Messung vorzubereiten. Beispielsweise ist Wasserstoffperoxid ein Produkt
der Reaktion von Enzym und Analyt gemäß der Arbeitsweise der Elektrode 59 ein
Beispiel eines störenden
Agens. Um das störende
Agens, beispielsweise Wasserstoffsuperoxid, zu entfernen, wird eine zusätzliche
Amplitude der Polarisation an den Draht 57 angelegt, und
dies verursacht eine Oxidation des störenden Agens. Um das störende Agens,
beispielsweise Wasserstoffperoxid, zu entfernen, wird eine zusätzliche
Amplitude der Polarisation an den Draht 57 angelegt, was
eine Oxidation des störenden Agens
bewirkt. Eine Oxidation des störenden
Agens bewirkt, dass das störende
Agens nicht mehr in der Lage ist, die elektrische Aktivität am Draht 57 zu
beeinträchtigen,
indem wirksam die Agenzien von der Elektrode 59 entfernt
werden. Die Analyte, wie Glucose und Lactat, bilden ebenfalls störende Agenzien, wenn
restliche Konzentrationen von Glucose und Lactat in der Enzymelektrode 59 zwischen
den Probenablesungen verbleiben. Ein Polarisationimpuls, der an
den Draht 57 angelegt wird, oxidiert den restlichen Analyten
und eliminiert auf diese Weise die Anteile des restlichen Analyts
zwischen den Proben, bezüglich
fehlerhafter Analytmessungen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nach Messung eines Analyten in einer Probe die
Enzymelektrode 59 wieder hergestellt, indem die Probe aus
dem Strömungskanal 56 abgepumpt
wird und indem ein Volumen einer Waschlösung aus dem Reservoir 17 durch
den Strömungskanal 56 gepumpt
wird. Dabei wird eine zusätzliche
Polarisation auf die stabile Polarisation kontinuierlich an die
Elektroden 59 angelegt, nachdem eine Probenmessung erfolgt
ist. Dann wird die Polarisation auf dem Basisleitungspegel zurückgeführt und
eine Eichlösung
wird in den Strömungskanal 56 eingeführt, und
es folgt eine Ein-Punkt-Eichung, um die Elektrode 59 für die nächste Messung
vorzubereiten.
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Die
genügende
Amplitude und Ausdauer des Polarisationsimpulses, der zur Oxidation
der störenden
Agenzien erforderlich ist, wird durch die Geometrie des Strömungskanals 56 bestimmt.
Größere Impulsamplituden
und längere
Impulszeiten sind für eine
Elektrode 59 mit einem schmalen Strömungskanal 56 erforderlich
und es ist eine langsamere Strömungsrate
der Waschlösung
nötig.
Gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
nach 3A ist eine Polarisationamplitude von 0,4 V gegenüber einer
auf der Printplatte befindlichen Bezugselektrode, bei einer Dauer
von 50 Sekunden ausreichend, um störende Verbindungen aus der Verbundmembran 60 zu
entfernen, und so die Genauigkeit und Präzision der Messungen der Elektrode 59 zu
verbessern. Eine Polarisationsamplitude in einem Bereich zwischen 0,1
bis 0,8 V gegenüber
einer Bezugselektrode auf der Printplatte bei einer Dauer von 10
bis 200 Sekunden kann ebenfalls ausreichend sein.
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Anfängliche
Arbeitsweise der Vorrichtung
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Es
wird auf 1 Bezug genommen. Wenn die Patrone
mit dem Sensoraufbau 10 und den gefüllten Beuteln 14, 16 und 28 das
erste Mal benutzt wird, dann wird das Ventil 18 so gesteuert,
dass eine der Eichlösungen,
beispielsweise die Eichlösung
B, in den Sensoraufbau gerichtet wird, so dass sie den Strömungskanal
vollständig
ausfüllt.
Dann wird die Pumpe während
einer Zeitdauer von 10 bis 30 Minuten, vorzugsweise während 12
bis 15 Minuten angehalten, währenddessen
die trockenen chemischen Sensorelektroden durch thermische Zyklen,
beispielsweise von 37°C
auf 60°C
und zurück
auf 37°C hydriert
werden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird der trockene chemische Elektrodensensoraufbau 10 in
das elektrochemische Sensorsystem 8 eingesetzt und das
Ventil 18 wird durch den Mikroprozessor 40 gesteuert,
um die Eichlösungen
B in den Sensoraufbau 10 zu schicken. Der thermische Blockaufbau 39 wird
auf eine Temperatur eingestellt, wodurch die Temperatur der thermischen
Platte 52 ausreicht, um die Eichlösung, die in Berührung mit dem
trockenen chemischen Sensor steht, auf eine Temperatur in einem
Bereich zwischen 55°C
bis 75°C
zu erwärmen,
und vorzugsweise auf 60°C,
für 10
bis 30 Minuten, und vorzugsweise für 12 Minuten. Nach der angegebenen
Zeitperiode kehrt der Mikroprozessor 40 den Stromfluß durch
die thermoelektrische Vorrichtung um, damit die thermische Platte 52 gekühlt wird.
Die Sensorkarte 50 und die in Berührung mit der thermischen Platte 52 stehende
Eichlösung
werden auf 37°C
abgekühlt.
Die vom Mikroprozessor 40 gesteuerte Temperatur wird während der gesamten
Lebensdauer der Patrone 37 auf 37°C gehalten. Nach Hydrierung
des Sensors beginnt der Konditionierungszyklus der Enzymelektroden 59,
indem die AO-Lösung 23 nach
der Sensorkarte 50 gepumpt wird und indem die Elektroden 59 1
bis 6 Minuten lang, vorzugsweise 3 Minuten lang, gewässert werden,
während
das Polarisationpotential der Enzymelektroden 59 von 0,25
auf 0,5 V relativ zur Bezugselektrode erhöht wird. Während ein Aussetzen der AO-Lösung erfolgt,
wird die innere Störschutzmembran 55 der
Enzymelektrode 59 gemäß 3B wieder hergestellt.
Außerdem
wird in diesem Zyklus auch der niedrige Sauerstoffpegel eingestellt.
Nach Vollendung des AO-Lösungszyklus
beginnt der Spülzyklus, in
dem Spüllösung aus
dem vorgepackten Behälter 17 in
den Strömungskanal 56 durch
die peristaltische Pumpe 26 gepumpt wird. Während des
Spülzyklus ändert sich
das Polarisierungspotential der Enzymelektroden 59 von
0,5 auf 0,4 V, um die Entfernung der AO-Reste aus der inneren Störschutzmembran 55 zu beschleunigen.
Nach Vollendung des Spülzyklus wird
das Polarisationspotential der Enzymelektrode 59 auf den
Normalwert von etwa 0,25 V gegenüber der
Bezugselektrode auf der Karte abgesenkt. Dann beginnt ein Eichzyklus
mit den Lösungen
A 14 und B 16. Die Patrone 37 wird innerhalb von 30 Minuten, nachdem
die Patrone 37 in das elektrochemische Sensorsystem 8 eingeführt wurde,
für eine
weitere Probenmessung bereit.