DE10207897B4 - Method for calibrating bio-chemosensors of an analysis device - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Kalibrierung von Bio- oder Chemosensoren einer Analyseeinrichtung, unter Verwendung eines vom Analyten verschiedenen, haltbaren, transport- und lagerfähigen Ersatzkalibrators, der eine für das Detektionsprinzip der Analyseeinrichtung geeignete Verbindung enthält,
wobei eine elektrochemische Oxidation oder Reduktion als Umsetzung und Reaktion des Ersatzkalibrators und des Analyten an einer Elektrode bei einem an die Elektrode angelegten Potential erfolgt,
wobei das Verhältnis der Umsetzung und Reaktion des Ersatzkalibrators zur Umsetzung und Reaktion des Analyten werks- oder laborseitig bestimmt und in einem Faktor oder einer mathematischen Funktion ausgedrückt wird und nach der Messung der Realprobe zur Berechnung der Konzentration des zu bestimmenden Analyten dient, und
wobei zur Kalibrierung von Reduktionsreaktionen Ersatzkalibratoren mit gleichem oder höherem Reduktionspotential als das angelegte Potential an der Elektrode in oxidierter Form und
zur Kalibrierung von Oxidationsreaktionen Ersatzkalibratoren (Mediatoren) mit gleichem oder niedrigerem Oxidationspotential als das angelegte Potential an der Elektrode in reduzierter Form verwendet...Method for calibrating bio- or chemosensors of an analysis device, using a different, durable, transportable and storable replacement calibrator, which contains a compound suitable for the detection principle of the analysis device, other than the analyte,
wherein electrochemical oxidation or reduction takes place as reaction and reaction of the replacement calibrator and the analyte on an electrode at a potential applied to the electrode,
wherein the ratio of the reaction and reaction of the Ersatzkalibrators for reaction and reaction of the analyte plant or laboratory determined and expressed in a factor or a mathematical function and is used after the measurement of the real sample for calculating the concentration of the analyte to be determined, and
wherein for the calibration of reduction reactions Ersatzkalibratoren with the same or higher reduction potential than the applied potential at the electrode in oxidized form and
for the calibration of oxidation reactions substitute calibrators (mediators) with equal or lower oxidation potential than the applied potential at the electrode in reduced form used ...

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Einrichtungen zur Analyse insbesondere der Atemluft und kondensierter Atemluft, vor allem von dabei verwendeten Bio- oder Chemosensoren mittels einer Kalibrierlösung.The The invention relates to a method for calibrating devices for analyzing in particular the respiratory air and condensed respiratory air, especially by using biosensors or chemosensors a calibration solution.

Eine bekannte Methode der Kalibrierung von Analyseeinrichtungen ist die Kalibrierung mittels der Analyse einer Standardlösung, deren Zusammensetzung bekannt ist. Kalibrierungsvorgänge dieser Art werden regelmäßig stationär in Labors durchgeführt und entziehen sich aufgrund der dafür notwendigen Apparaturen und Verfahrensschritte einem Einsatz unmittelbar vor Ort, wo die Analyse tatsächlicher aktueller Proben vorgenommen werden soll.A known method of calibration of analytical equipment is the Calibration by analysis of a standard solution, its composition is known. calibration procedures This species is regularly hospitalized in laboratories performed and elude because of it necessary equipment and process steps use immediately spot where the analysis is actual current samples should be made.

Um dieses Problem für automatische Messstationen z. B. für Meerwasser zu lösen, wird in der DE 196 10 855 A1 ein Verfahren zur Kalibrierung von Einrichtungen zur Analyse chemischer Elemente und/oder Verbindungen in Lösungen und/oder flüssigen Gemischen (Proben), insbesondere von in Wasser enthaltenen Nährstoffen, mittels einer Standardlösung vorgeschlagen, bei dem eine Mehrzahl unterschiedlicher Standardlösungen auf die Analyseeinrichtung zu deren Analyse gegeben werden, wobei die Werte der vorgebbaren ermittelten Analyseparameter nachfolgend gespeichert werden, und dann, nachdem die Werte der Standardlösungen ermittelt und gespeichert worden sind, aus den ermittelten Werten eine Kalibrierfunktion abgeleitet wird, die der Analyse aktueller Proben mittels der Analyseeinrichtung zur Ermittlung entsprechender tatsächlicher Werte zugrundegelegt wird.To solve this problem for automatic measuring stations z. B. for seawater, is in the DE 196 10 855 A1 a method for calibrating means for analyzing chemical elements and / or compounds in solutions and / or liquid mixtures (samples), in particular nutrients contained in water, proposed by means of a standard solution in which a plurality of different standard solutions are given to the analysis device for their analysis , wherein the values of the predetermined determined analysis parameters are subsequently stored, and then, after the values of the standard solutions have been determined and stored, a calibration function is derived from the determined values, which is based on the analysis of current samples by means of the analysis device for determining corresponding actual values becomes.

Ein derartiges Verfahren ist bei der Verwendung der in der DE 101 37 565 A1 beschriebenen Kassette zur Bestimmung von Parametern des Atemkondensats zu teuer. Gelöst werden damit auch nicht die Schwierigkeiten, die instabile, nicht transport- oder lagerfähige Analyten mit sich bringen. Dies trifft beispielsweise auf reaktive Verbindungen wie Wasserstoffperoxid, organische Peroxide und andere kurzlebige Biomoleküle zu.Such a method is in the use of in the DE 101 37 565 A1 cassette described for the determination of parameters of respiratory condensate too expensive. This does not solve the difficulties that unstable, non-transportable or storable analytes bring with them. This applies, for example, to reactive compounds such as hydrogen peroxide, organic peroxides and other short-lived biomolecules.

Aus der DE 196 11 458 A1 ist ein Kontroll- und Eichserum bekannt, dass das ansonsten gegen Licht und Oxidationsmittel sehr empfindliche Bilirubin in einer stabilisierten Form enthält. Dies wird durch eine zusätzliche chemische Verbindung, Hilfsstoffe und die Aufbewahrung unter einer Schutzgasatmosphäre erreicht.From the DE 196 11 458 A1 For example, a control and calibration serum is known which contains the bilirubin, which is otherwise highly sensitive to light and oxidant, in a stabilized form. This is achieved by an additional chemical compound, auxiliaries and storage under a protective gas atmosphere.

Insbesondere für die eingangs genannte Kassette zur Analyse der Inhaltsstoffe der Ausatemluft ist dies auch kein akzeptabler Lösungsansatz.Especially for the initially mentioned cassette for analyzing the ingredients of the exhaled air this is also not an acceptable solution.

In der DE 695 09 664 T2 wird gezeigt, dass Ersatzstoffe für Triglyzeride in klinisch-chemischen Kontrollen, Kalibratoren, Standards und ähnlichen Erzeugnissen verwendet werden können. Verfahrensbedingt wird der Kalibrator zersetzt und ist danach für diese Funktion nicht mehr geeignet.In the DE 695 09 664 T2 It is shown that substitutes for triglycerides can be used in clinical chemical controls, calibrators, standards and similar products. Due to the process, the calibrator is decomposed and is then no longer suitable for this function.

Aus der US 5 185 263 und der US 4 905 497 sind Kalibrierverfahren bekannt, bei denen mit Kalibrierkurven gearbeitet wird. Letztlich finden bei diesen Verfahren aber keine Ersatzkalibratoren Verwendung, sondern wird als Kalibrator die später zu messende Substanz genutzt.From the US 5,185,263 and the US 4,905,497 Calibration methods are known in which work with calibration curves. Ultimately, however, no substitute calibrators are used in these methods, but the substance to be measured later is used as the calibrator.

So wird bei der US 5 185 263 durch „Wegnahme" des Sauerstoffes der 0-Wert der Kalibrierkurve festgestellt. Da Luft gewöhnlich einen bestimmten Sauerstoffanteil besitzt, der mit dem Einschaltendes Analysegerätes auch angezeigt wird, ist für eine davon abweichende Konzentrationsermittlung zuerst der 0-Wert zu ermitteln. Eine lineare Eichkurve y = ax + b wird auf diese Weise um einen bestimmten Betrag b reduziert, um den 0-Wert zu bestimmen.So will the case of US 5,185,263 Since air usually has a certain amount of oxygen, which is also displayed when the analyzer is switched on, the 0 value must first be determined for a different concentration determination, a linear calibration curve y = ax + b is reduced in this way by a certain amount b to determine the 0 value.

Bei der US 4 905 497 erfolgt das Kalibrieren mit CO2 was nachfolgend auch gemessen werden soll. Die hier verwendete Kalibrierkurve ist real.In the US 4,905,497 Calibration is carried out with CO 2, which should also be measured below. The calibration curve used here is real.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine Kalibrierung unabhängig vom Ort zulässt, auch wenn der Analyt instabil, nicht transport- oder lagerfähig ist und damit die einmal eingestellte Konzentration des Analyten in der Kalibrierlösung nicht konstant ist.task The invention is to provide a method, which is a calibration independently from the place, even if the analyte is unstable, not transportable or storable and thus the once set concentration of the analyte in the calibration solution is not constant.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Is solved this object by a method having the features of the claim 1, advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung von Analyseeinrichtungen, insbesondere von Bio- und Chemosensoren, unter Verwendung eines Kalibrators, sieht vor, dass ein haltbarer, transport- und lagerfähiger Ersatzkalibrator, der eine für das Detektionsprinzip der Analyseeinrichtung geeignete Verbindung enthält, eingesetzt wird, wobei Umsetzung und Reaktion des Ersatzkalibrators in einem definierten Verhältnis zur Umsetzung und Reaktion des Analyten steht, und dieses Verhältnis nach der Messung der Realprobe zur Berechnung der Konzentration des zu bestimmenden Analyten dient.The inventive method for calibrating analytical equipment, in particular biotechnology and chemosensors, using a calibrator, provides that a durable, transportable and storable spare calibrator, the one for the detection principle of the analysis device suitable connection contains is used, with implementation and reaction of the Ersatzkalibrators in a defined ratio for the reaction and reaction of the analyte, and this ratio the measurement of the real sample to calculate the concentration of the determining analyte serves.

Das Verhältnis der Umsetzung und Reaktion des Ersatzkalibrators zur Umsetzung und Reaktion des Analyten wird werks- oder laborseitig bestimmt und in einem Faktor oder einer mathematischen Funktion ausgedrückt.The relationship the implementation and reaction of the Ersatzkalibrators for implementation and Reaction of the analyte is determined on the factory or laboratory side and expressed in terms of a factor or mathematical function.

Als Ersatzkalibratoren werden bei einer elektrochemischen Detektion bevorzugt Redoxmediatoren verwendet. Diese umfassen anorganische Verbindungen wie Komplexverbindungen mit redoxaktivem Zentralatom (z. B. Kaliumhexacyanoferrat), redoxaktive organische Verbindungen z. B. mit chinoider Struktur (Chinone), Benzene oder Heterocyclen, Farbstoffe und metallorganische Verbindungen wie Metallocene (z. B. Ferrocene, Osmium- und Rutheniumkomplexe) und Derivate der genannten Verbindungen.When Spare calibrators are used in electrochemical detection preferably used redox mediators. These include inorganic Compounds such as complex compounds with redox-active central atom (eg potassium hexacyanoferrate), redox-active organic compounds z. With quinoid structure (quinones), benzene or heterocycles, dyes and organometallic compounds such as metallocenes (eg, ferrocenes, Osmium and ruthenium complexes) and derivatives of the compounds mentioned.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, den Ersatzkalibratoren Konservierungsstoffe und/oder Stabilisatoren und/oder Hilfsstoffe zuzusetzen.Also according to the invention provided, the replacement calibrators preservatives and / or stabilizers and / or adjuvants.

In Abhängigkeit vom System (Oxidation oder Reduktion bei einem bestimmten Potential) ist ein geeigneter Redoxmediator auszuwählen, der beim gewünschten Potential ein Messsignal erzeugt. Dabei kann der Redoxmediator in einer elektrochemischen Reaktion an der Elektrode reagieren, oder die Reaktion über eine oder mehrere Redoxreaktionen mit einer oder mehreren zum Mess-, Analyse- oder Detektionssystem gehörenden Komponenten an eine Elektrode vermitteln.In dependence from the system (oxidation or reduction at a certain potential) a suitable redox mediator should be selected which is the desired one Potential generates a measuring signal. In this case, the redox mediator in reacting to an electrochemical reaction at the electrode, or the reaction over one or more redox reactions with one or more measuring, To analysis or detection system belonging components Mediate electrode.

Dabei gilt:

  • – Kalibrierung von Reduktionsreaktionen: Ersatzkalibratoren mit gleichem oder höherem Reduktionspotential als das angelegte Potential an der Elektrode, Verwendung der oxidierten Form des Mediators, so dass dieser reduziert wird.
  • – Kalibrierung von Oxidationsreaktionen: Ersatzkalibratoren mit gleichem oder niedrigerem Oxidationspotential als das angelegte Potential an der Elektrode, Verwendung der reduzierten Form des Mediators, so dass dieser oxidiert wird.
Where:
  • - Calibration of reduction reactions: Replacement calibrators with the same or higher reduction potential than the applied potential at the electrode, using the oxidized form of the mediator so that it is reduced.
  • - Calibration of oxidation reactions: Replacement calibrators with equal or lower oxidation potential than the applied potential at the electrode, using the reduced form of the mediator, so that it is oxidized.

Die technische Messung mit dem Ersatzkalibrator erfolgt bei gleichem Potential wie die des Analyten oder bei einem anderen geeigneten Potential, vorausgesetzt zwischen der Konzentration des Ersatzkalibrators und der Konzentration des Analyten besteht mathematische Proportionalität, wobei die vorgenannten Bedingungen gewährleistet werden sollen.The technical measurement with the replacement calibrator takes place at the same Potential like that of the analyte or another suitable one Potential, provided between the concentration of the spare calibrator and the concentration of the analyte consists of mathematical proportionality, where ensures the above conditions should be.

Das Prinzip der Verwendung eines Ersatzkalibrators ist beispielsweise für die empfindliche Bestimmung von Wasserstoffperoxid (H2O2) mittels eines elektrochemischen Bio- oder Chemosensors zur Wasserstoffperoxid-Bestimmung einsetzbar.The principle of using a Ersatzkalibrators example, for the sensitive determination of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) by means of an electrochemical biosensor or chemosensor for hydrogen peroxide determination can be used.

Ein Biosensor ist dabei ein analytisches Gerät oder System, in dem biologisches, biologisch abgeleitetes oder biomimetisches Material räumlich direkt an einen physikochemischen Transducer (z. B. potentiometrische oder amperometrische Elektrode) gekoppelt ist und ein elektronisches Signal liefert, dass proportional zur Konzentration eines bestimmten Analyten ist.One Biosensor is an analytical device or system in which biological, biologically derived or biomimetic material spatially directly to a physicochemical transducer (e.g., potentiometric or amperometric electrode) is coupled and an electronic Signal provides that proportional to the concentration of a given Analyte is.

Im Chemosensor dagegen fehlt die biologische Komponente. Der Analyt wird direkt an einem geeigneten Transducer, z. B. einer modifizierten oder unmodifizierten Elektrode, umgesetzt.in the Chemosensor, however, lacks the biological component. The analyte is directly attached to a suitable transducer, e.g. B. a modified or unmodified electrode, reacted.

Wasserstoffperoxid-Lösungen sind instabil, insbesondere Lösungen geringer Konzentration sind nicht mehrere Stunden haltbar. Die für die Kalibrierung des Sensors notwendige Verdünnung von Wasserstoffperoxid-Lösungen, die aus handelsüblichen Wasserstoffperoxid-Lösungen hergestellt werden, oder die Freisetzung von Wasserstoffperoxid durch eine geeignete chemische oder biochemische Reaktion würde eine Laborausstattung erforderlich machen. Deshalb erfolgt die Kalibrierung mit einem geeigneten Ersatzkalibrator, dessen Umsatz zum Umsatz von Wasserstoffperoxid werksseitig für die Sensor-Charge bestimmt wurde, und in einem Berechnungsfaktor ausgedrückt wird. Der Berechnungsfaktor erlaubt die schnelle und unkomplizierte Kalibrierung des Sensors mit dem Ersatzkalibrator am Einsatzort.Hydrogen peroxide solutions are unstable, especially solutions low concentrations can not be kept for several hours. The for the calibration the sensor necessary dilution of hydrogen peroxide solutions, which are made from commercially available hydrogen peroxide solutions, or the release of hydrogen peroxide by a suitable chemical or biochemical reaction would require a laboratory equipment. Therefore, the calibration is done with a suitable replacement calibrator, whose sales to sales hydrogen peroxide factory determined for the sensor batch was expressed and expressed in a calculation factor. The calculation factor allows quick and easy calibration of the sensor with the replacement calibrator on site.

Für die Reduktion von H2O2 im Bereich um –100 mV gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektode mittels eines Biosensors, wird gemäß einer Ausführung als Ersatzkalibrator ein Redoxmediator mit einem Reduktionspotential größer –100 mV in der oxidierten Form verwendet (ein Ferroceniumderivat, vorzugsweise Ferroceniumhexafluorophosphat, Redoxpotential: +170 mV gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektode) und reduziert.For the reduction of H 2 O 2 in the range around -100 mV against an Ag / AgCl reference electrode by means of a biosensor, according to one embodiment, a redox mediator with a reduction potential greater than -100 mV in the oxidized form is used as a replacement calibrator (a ferrocenium derivative, preferably Ferrocenium hexafluorophosphate, redox potential: +170 mV vs. Ag / AgCl reference selectivity) and reduced.

Für die Oxidation von H2O2 im Bereich um +600 mV gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektode bei einem Chemosensor, kann gemäß einer weiteren Ausführung als Ersatzkalibrator ein Redoxmediator mit einem Redoxpotential kleiner +600 mV verwendet werden, der in der reduzierten Form eingesetzt und oxidiert wird.For the oxidation of H 2 O 2 in the region around +600 mV against an Ag / AgCl reference electrode in a chemosensor, according to another embodiment, a redox mediator with a redox potential lower than +600 mV can be used as a replacement calibrator, which is used in the reduced form and is oxidized.

In Abhängigkeit von der konkreten Sensorbeschaffenheit sind bei weiteren Ausführungen auch Messungen bei jedem konstanten Potential, vorzugsweise im Bereich von etwa –200 bis +100 mV bzw. +400 bis +700 mV, gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektode realisierbar.In dependence from the specific sensor condition are in further versions also measurements at each constant potential, preferably in the range from about -200 to +100 mV and +400 to +700 mV, respectively, against an Ag / AgCl reference electrode realizable.

In den 1 und 2 wird gezeigt, dass die Verwendung von solchen Ersatzkalibratoren erfolgsversprechend ist, wo im Kurvenverlauf Stromstärke Konzentration sich bei gleicher Stromstärke die Konzentration vom Ersatzkalibrator zu der vom Analyten proportional verhält.In the 1 and 2 It is shown that the use of such substitute calibrators is promising, where in the course of the current intensity concentration the concentration of the equivalent calibrator at the same current strength is proportional to that of the analyte.

Die Kalibrierung des Bio- oder Chemosensors und die Messung von Realproben kann so vor Ort kostengünstig und unabhängig von einem chemischen Labor erfolgen. Die Kalibrierung kann teilweise oder vollständig automatisiert bzw. online oder offline mit der Realprobe erfolgen.The Calibration of the biosensor or chemosensor and the measurement of real samples Can be so cost effective locally and independent done by a chemical laboratory. The calibration can be partial or Completely automated or online or offline with the real sample done.

Claims (6)

Verfahren zur Kalibrierung von Bio- oder Chemosensoren einer Analyseeinrichtung, unter Verwendung eines vom Analyten verschiedenen, haltbaren, transport- und lagerfähigen Ersatzkalibrators, der eine für das Detektionsprinzip der Analyseeinrichtung geeignete Verbindung enthält, wobei eine elektrochemische Oxidation oder Reduktion als Umsetzung und Reaktion des Ersatzkalibrators und des Analyten an einer Elektrode bei einem an die Elektrode angelegten Potential erfolgt, wobei das Verhältnis der Umsetzung und Reaktion des Ersatzkalibrators zur Umsetzung und Reaktion des Analyten werks- oder laborseitig bestimmt und in einem Faktor oder einer mathematischen Funktion ausgedrückt wird und nach der Messung der Realprobe zur Berechnung der Konzentration des zu bestimmenden Analyten dient, und wobei zur Kalibrierung von Reduktionsreaktionen Ersatzkalibratoren mit gleichem oder höherem Reduktionspotential als das angelegte Potential an der Elektrode in oxidierter Form und zur Kalibrierung von Oxidationsreaktionen Ersatzkalibratoren (Mediatoren) mit gleichem oder niedrigerem Oxidationspotential als das angelegte Potential an der Elektrode in reduzierter Form verwendet werden.Method for calibrating bio- or chemosensors an analyzer, using a different analyte, durable, transportable and storable Spare calibrator, one for the detection principle of the analysis device suitable connection contains in which an electrochemical oxidation or reduction as a reaction and Reaction of the replacement calibrator and the analyte to an electrode at a potential applied to the electrode, in which The relationship the implementation and reaction of the Ersatzkalibrators for implementation and Reaction of the analyte factory or laboratory determined and in one Factor or a mathematical function is expressed and after measuring the real sample to calculate the concentration the analyte to be determined is used, and where for calibration of reduction reactions substitute calibrators with the same or higher reduction potential as the applied potential at the electrode in oxidized form and for calibration of oxidation reactions replacement calibrators (Mediators) with the same or lower oxidation potential than used the applied potential at the electrode in a reduced form become. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die Reduktion von H2O2 im Bereich um –100 mV gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode mittels Biosensor, als Ersatzkalibrator ein Redoxmediator mit einem Reduktionspotential größer –100 mV in der oxidierten Form, vorzugsweise eines Ferroceniumderivats mit einem Redoxpotential von +170 mV verwendet und reduziert wird.The method of claim 1, wherein for the reduction of H 2 O 2 in the range of -100 mV against an Ag / AgCl reference electrode by means of biosensor, as Ersatzkalibrator a redox mediator with a reduction potential greater than -100 mV in the oxidized form, preferably a Ferroceniumderivats with a redox potential of +170 mV is used and reduced. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die Oxidation von H2O2 im Bereich um +600 mV gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode als Ersatzkalibrator ein Redoxmediator mit einem Oxidationspotential kleiner +600 mV in der reduzierten Form verwendet und oxidiert wird.The method of claim 1, wherein for the oxidation of H 2 O 2 in the range of +600 mV against an Ag / AgCl reference electrode as Ersatzkalibrator a redox mediator with an oxidation potential less than +600 mV in the reduced form is used and oxidized. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei in Abhängigkeit von der konkreten Sensorbeschaffenheit Messungen bei einem konstanten Potential, vorzugsweise im Bereich von etwa –200 bis +100 mV oder +400 bis +700 mV, gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode durchgeführt werden.Method according to one of claims 2 or 3, wherein depending on from the concrete sensor condition measurements at a constant Potential, preferably in the range of about -200 to +100 mV or +400 to +700 mV, against an Ag / AgCl reference electrode. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die technische Messung des Ersatzkalibrators und des Analyten bei einem Potential erfolgt, bei dem zwischen diesen Proportionalität besteht.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the technical Measurement of the replacement calibrator and the analyte at a potential takes place, between which there is proportionality. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei den Ersatzkalibratoren Konservierungsstoffe und/oder Stabilisatoren und/oder Hilfsstoffe zugesetzt sind.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the Ersatzkalibratoren Preservatives and / or stabilizers and / or auxiliaries are added.
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