DE3822911A1 - Biosensor - Google Patents
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- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/38—Cleaning of electrodes
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Biosensor
und betrifft insbesondere einen Biosensor, der mit einer
Elektrodenauffrischanordnung versehen ist, die so angeord
net ist, daß einer Elektrode des Biosensors eine Vorspannung
mit entgegengesetzter Polarität zu der beim Meßvorgang zuge
führt wird, bevor die Messung beginnt.
Ein Biosensor hat die Eigenschaft, daß er verhältnismäßig
komplizierte organische Verbindungen usw. mit hoher Empfind
lichkeit und hoher Selektivität erfassen kann, wobei Unter
suchungen auf die verschiedensten Arten von Biosensoren aus
gedehnt wurden.
Ein derartiger Biosensor wurde vorgeschlagen, um das Vorhan
densein oder Nichtvorhandensein oder die vorhandene Menge
einer Probe auf der Grundlage eines elektrischen Signals zu
messen, das an einer Elektrode abgenommen wird, die mit einem
physiologisch aktiven Material befestigt ist und an der eine
vorbestimmte normale Vorspannung anliegt, z.B. wurde vorge
schlagen, daß als Ergebnis der Reaktion zwischen einem an
einem Enzymfilm befestigtes Enzym und einer zu messenden Pro
be erzeugtes H2O2 zur Oberfläche einer Elektrode durch eine
H2O2-durchlässige Folie geleitet wird, wobei eine Arbeits
elektrode und eine Gegenelektrode aus Platin vorgesehen sind,
so daß ein der die Folie durchdringenden H2O2-Menge entspre
chendes elektrisches Signal ausgegeben wird, um das Vorhan
densein oder Nichtvorhandensein der Probe oder die Menge der
vorhandenen Probe zu messen. D.h., an der Arbeitselektrode
liegt eine 0,6 V Normalvorspannung in bezug auf die Standard
gegenelektrode an.
Bei dem oben beschriebenen Biosensor wird, wenn die Messung
der Probe kontinuierlich in dem Zustand durchgeführt wird, bei
dem an der Arbeitselektrode die normale Vorspannung anliegt,
ein Störfilm gegen die Zirkulation der Elektrizität, wie z.B.
ein Oxydfilm, in nachteiliger Weise auf der Oberfläche der
Arbeitselektrode ausgebildet, die die Aktivität der Arbeits
elektrode verschlechtert. Um dieses Problem zu lösen, wurde
ebenfalls vorgeschlagen, wie dies in der japanischen Offen
legungsschrift Nr. 60-1 55 959 beschrieben ist, daß man, nach
dem mehrere Messungen durchgeführt wurden, eine umgekehrte
Vorspannung an die Arbeitselektrode anlegt, während die Mes
sung nicht durchgeführt wird, so daß etwa -0,6 V zur Arbeits
elektrode in dem oben beschriebenen Beispiel hinzugefügt
werden, wodurch die Entfernung des Störfilms erreicht und
eine Erneuerung der Aktivität der Arbeitselektrode durchge
führt wird, so daß das Ausgabesignal wieder auf sein ursprüng
liches Niveau zurückkehrt.
Somit kann man in der oben beschriebenen Weise die verschlech
terte Meßempfindlichkeit der Elektrode durch Anbringen einer
vorbestimmten Umkehrvorspannung an die Arbeitselektrode er
neuern, wenn die Messung nicht durchgeführt wird, woraufhin
dann die Messung wieder mit hoher Empfindlichkeit durchge
führt werden kann.
Bei dem bekannten Stand der Technik ändert sich jedoch der
Spannungsabfall (im folgenden als Überspannung bezeichnet)
in der Gegenelektrode durch den fließenden Strom, da eine
konstante Spannung zum Auffrischen zwischen der Arbeitselek
trode und der Gegenelektrode anliegt, was zu einer Änderung
der an der Arbeitselektrode anliegenden Spannung führt. Ent
sprechend ist nicht sichergestellt, daß man inmer einen kon
stanten Auffrischungseffekt erhält, daß nämlich die Erneue
rung der Aktivität der Arbeitselektrode immer sichergestellt
ist. Da die Änderung der Auffrischung den Aktivitätszustand
der Arbeitselektrode nach dem Auffrischen derselben ändert,
wird das Niveau des Ausgabesignals der Elektrode in nach
teiliger Weise verändert.
Weiter fließt während des Auffrischvorgangs ungefähr die
zehnfache Strommenge, verglichen mit dem bei der Messung
fließenden Strom, wodurch eine größere Fläche der Gegenelek
trode erforderlich ist. Die Anordnung ist somit in nachtei
liger Weise insgesamt großräumig, wodurch die Produktions
kosten hoch sind.
In Fig. 7 ist ein Schaltkreis der bekannten Vorspannungsan
ordnung in einem Biosensor dargestellt, die eine Bezugselek
trode 26 zusätzlich zu einer Arbeitselektrode 24 und einer
Gegenelektrode 27 aufweist. Bei der Vorspannungsanordnung
gemäß Fig. 7 ist eine Gleichstromquelle 21 zur Messung mit
einem Nichtumkehreingang eines Operationsverstärkers 23 und
der Erde verbunden, und weiter ist ein Widerstand 22 für eine
Strom-Spannungsumkehr mit einem Umkehreingang und einem Aus
gangseingang des Operationsverstärkers 23 verbunden. Die
Arbeitselektrode 24 ist mit dem Nichtumkehreingangsanschluß
des Operationsverstärkers 23 verbunden. Ein Operationsverstär
ker 25, der mit seinem Nichtumkehreingangsanschluß mit der
Erde verbunden ist, ist mit seinem Umkehreingangsanschluß mit
der Bezugselektrode 26 und mit seinem Ausgangsanschluß mit
der Gegenelektrode 27 verbunden.
Mit der obigen Konstruktion kann die Gegenelektrode 27 von
Einflüssen einer Überspannung freigehalten werden, so daß man
eine genaue Messung erhält, auch wenn die Gegenelektrode 27
nicht so groß ist, wenn die Potentialdifferenz zwischen der
Arbeitselektrode 24 und der Bezugselektrode 26 konstant ge
halten wird.
Wie in Fig. 5 dargestellt, beginnt bei der Konstruktion ge
mäß Fig. 7, da das Niveau des Ausgangssignals, wie durch die
gestrichelte Linie B dargestellt ist, vor einer beachtlichen
Zeitdauer nach der Zuführung der Elektrizität nicht stabil
ist, die Messung im allgemeinen nach einer ausreichenden Zeit
dauer zur Stabilisierung des Niveaus des Ausgangssignals
(ungefähr längstens eine Stunde), wobei die Konstruktion
weiter so angeordnet ist, daß die für eine darauffolgende
Messung erforderliche Zeit verkürzt wird, indem man den Zu
stand aufrechterhält, in dem die Elektrizität immer einmal
nach der Zuführung derselben zugeführt wird.
Wenn jedoch das stabilisierte Niveau des Ausgangssignals
wesentlich niedriger als das Niveau des Ausgangssignals zu
Beginn der Zuführung der Elektrizität ist, wird die Auflösung
verschlechtert. Wenn weiter die Zuführung der Elektrizität
unterbrochen wird oder die Batterie in der Mitte der Messung
abgeschaltet wird, dauert es sehr lange, bis das Niveau des
Ausgangssignals wieder stabil ist, nachdem erneut Elektrizi
tät zugeführt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bio
sensor zu schaffen, der zur Messung der Dichte eines Probe
materials mit großer Genauigkeit auf der Grundlage eines
unter bestimmten Bedingungen erzeugten elektrischen Signals
dient, wobei die oben beschriebenen Nachteile des Standes der
Technik vermieden werden.
Mit der Erfindung soll in vorteilhafter Weise eine Elektro
denauffrischanordnung für einen Biosensor geschaffen werden,
der mit einer Referenzelektrode versehen ist, um eine Gegen
elektrode kompakter Größe zu erreichen, und der gleichzeitig
so angeordnet ist, daß ein unmittelbarer Beginn der Messung
nach der Zuführung der Elektrizität mit verbesserter Meßauf
lösung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 2 gekennzeich
nete Erfindung gelöst.
Mit der Erfindung wird eine Elektrodenauffrischanordnung ge
schaffen, die eine erste Konstantspannungsversorgung zur An
lage einer konstanten Spannung zwischen einer Arbeitselektrode
und einer Bezugselektrode zur Auffrischung der Arbeitselek
trode, eine zweite Konstantspannungsversorgung zur Anlage
einer konstanten Spannung zur Messung der Probe und eine
Wähleinrichtung umfaßt, die bei einer Messung den Zustand
auswählt, bei dem die konstante Spannung zum Auffrischen
durch die erste Konstantspannungsversorgung anliegt und den
Zustand auswählt, bei dem die konstante Spannung durch die
zweite Konstantspannungsversorgung anliegt, und zwar abwech
selnd in dieser Reihenfolge.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß die oben erwähnte Wähl
einrichtung vorzugsweise so ist, daß sie den ersten Zustand
auswählt, bei dem die konstante Spannung durch die erste Kon
stantspannungsversorgung zum Auffrischen für eine relativ
kurze Zeitdauer anliegt, und dann den Zustand auswählt, bei
dem die konstante Spannung durch die zweite Konstantspannungs
versorgung zum Messen anliegt.
Die erste Konstantspannungsversorgung und die zweite Konstant
spannungsversorgung und die Wähleinrichtung sind vorzugsweise
so aufgebaut, daß ein Nichtumkehreingangsanschluß eines Ope
rationsverstärkers, dessen Ausgangsanschluß mit der Gegen
elektrode verbunden ist und sein Umkehreingangsanschluß mit
der Bezugselektrode verbunden ist, wahlweise mittels eines
Schalters mit dem Ausgangsanschluß der Auffrischgleichstrom
quelle und mit der Erde verbunden ist.
Vorzugsweise besteht die Bezugselektrode aus Silber.
Bei der Elektrodenauffrischanordnung mit dem oben beschriebe
nen Aufbau wählt die Wähleinrichtung vor Beginn der tatsäch
lichen Messung den Zustand aus, bei dem die konstante Span
nung zum Auffrischen durch die erste Konstantspannungsversor
gung anliegt, so daß die konstante Spannung zum Auffrischen
zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anliegt,
wodurch die Arbeitselektrode aufgefrischt wird, d.h. mit
anderen Worten, die Störsubstanz wird entfernt. Nach dem Auf
frischen der Arbeitselektrode wählt die Wähleinrichtung den
Zustand aus, bei dem die konstante Spannung zum Messen durch
die zweite Konstantspannungsversorgung anliegt. Entsprechend
liegt die konstante Spannung zwischen der Arbeitselektrode
und der Bezugselektrode zum Messen an, wodurch man einen
normalen Vorspannungszustand erhält. In dem oben beschriebe
nen Zustand wird ein elektrisches Signal entsprechend der
durch die Reaktion der zu messenden Probe mit dem physiolo
gisch aktiven Material erzeugten oder verbrauchten Material
menge zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode
erzeugt, auf dessen Grundlage die Dichte der zu messenden
Probe erfaßt werden kann.
D.h., das oben beschriebene Auffrischverfahren dient zum Ent
fernen der auf der Oberfläche der Arbeitselektrode erzeugten
Störsubstanz. Bei der Untersuchung der Entfernung der Stör
substanz fand man heraus, daß das Entfernen der Störsubstanz
in Abhängigkeit von dem zugeführten Strom durchgeführt wurde.
Wenn daher einfach die konstante Spannung kontinuierlich
zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode zum
Auffrischen anliegt, bedeutet das das selbe, wie daß die
Summe des Spannungsabfalls in der Nähe der Oberfläche der
Arbeitselektrode und des Spannungsabfalls in der Nähe der
Oberfläche der Gegenelektrode konstant gehalten wird und der
Spannungsabfall in der Nähe der Oberfläche der Arbeitselek
trode, der notwendig ist, um das Auffrischen zu bewirken,
nicht konstant gehalten wird. Hierdurch kann das Auffrischen
nicht konstant gehalten werden, und die Aktivität der Arbeits
elektrode nach dem Auffrischen wird gestört, wodurch es
schwierig ist, die Meßgenauigkeit nach dem Auffrischen inso
weit zu verbessern. Gemäß der Erfindung wird die Arbeitselek
trode aufgefrischt, während die zwischen der Arbeitselektrode
und der Bezugselektrode anliegende Spannung konstant gehalten
wird, so daß der Spannungsabfall in der Nähe der Oberfläche
der Arbeitselektrode konstant gehalten werden kann. Der Strom
wert beim Entfernen der Störsubstanz kann im wesentlichen
konstant gehalten werden, wodurch man ein wirksames Auffri
schen der Arbeitselektrode in einer kurzen Zeitdauer erhält.
Nach dem Auffrischen der Arbeitselektrode wählt die Wählein
richtung den Zustand aus, bei dem die konstante Spannung zum
Messen durch die zweite Konstantspannungsversorgung zwischen
der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anliegt, wodurch
man in der Anordnung den normalen Vorspannungszustand erhält.
Da die Aktivität der Arbeitselektrode ausreichend in dem
Normalvorspannungszustand gesteigert ist, bleibt das Ausgangs
signal auf einem hohen Niveau und die Meßauflösung hoch.
In dem Fall, in dem die Wähleinrichtung den Zustand auswählt,
bei dem die konstante Spannung zum Auffrischen eine relativ
kurze Zeitdauer anliegt, und dann den Zustand auswählt, bei
dem die konstante Spannung zum Messen anliegt, wird die Ar
beitselektrode ausreichend in einer nur relativ kurzen Zeit
dauer beim Auffrischen aktiviert, wodurch in großem Maße die
erforderliche Zeit vor dem Meßbeginn vermindert wird.
In dem Fall, in dem die erste Konstantspannungsversorgung zum
Auffrischen, die zweite Konstantspannungsversorgung zum Mes
sen und die Wähleinrichtung so aufgebaut sind, daß der Nicht
umkehreingangsanschluß des Operationsverstärkers, dessen Aus
gangsanschluß mit der Gegenelektrode verbunden ist und dessen
Umkehreingangsanschluß mit der Bezugselektrode verbunden ist,
wahlweise mit dem Ausgangsanschluß der Gleichstromquelle zum
Auffrischen oder der Erde durch einen Schalter verbunden wird,
können die meisten Teile der Anordnung gleich ausgebildet
werden, wodurch man einen einfachen Aufbau der Anordnung ins
gesamt erhält.
Wenn die Bezugselektrode aus Silber besteht, kann man das
Oberflächenpotential der Bezugselektrode konstant halten, so
daß das Oberflächenpotential der Arbeitselektrode durch die
konstante Spannung zum Auffrischen zwischen der Arbeitselek
trode und der Bezugselektrode positiv gehalten wird, wodurch
man einen stabilen Auffrischeffekt erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar
gestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Enzymelektrodenkörpers
eines Biosensors gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Aufsicht des Körpers von Fig. 1;
Fig. 3 ein Schaltbild eines Steuerschaltkreises, der mit
dem Körper des Biosensors von Fig. 1 verbunden ist;
Fig. 4 ein Diagranm zur Darstellung der an den Elektroden
des Biosensors von Fig. 1 gemessenen Spannungsände
rungen;
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung einer Beziehung zwi
schen dem Strom und der Spannung des Biosensors von
Fig. 1;
Fig. 6 eine Fig. 3 ähnliche Ansicht zur Darstellung einer
Abänderung des Steuerschaltkreises; und
Fig. 7 ein Schaltbild eines Steuerschaltkreises eines be
kannten Biosensors.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
Teile.
In Fig. 1 bis 3 ist ein Biosensor gemäß einer ersten Ausfüh
rungsform der Erfindung dargestellt, der einen Enzymelektro
denkörper 13 mit einer Basiselektrode und einem elektrischen
Schaltkreis zur Steuerung der Basiselektrode umfaßt. Die
Basiselektrode ist auf der Oberfläche des Enzymelektroden
körpers 1 vorgesehen, der an einer Seite konvex ausgebildet
ist und eine Arbeitselektrode 1 aus Platin, eine Bezugselek
trode 2 aus Silber und eine Gegenelektrode 3 aus Silber um
faßt, die so angeordnet sind, daß die Bezugselektrode 2 den
größeren Teil des äußeren Umfangs der Arbeitselektrode 1 und
die Gegenelektrode 3 die Arbeitselektrode 2 umgibt, wobei
ein Vorspannungspotential entsprechend der Änderung des
Potentials der Gegenelektrode 3 zugeführt wird.
Der Biosensor dient zur Erfassung einer Probe auf der Grund
lage eines elektrischen Signals, das zwischen der Arbeits
elektrode, die mit dem physiologisch aktiven Material ver
bunden ist, und der Gegenelektrode in dem Zustand erzeugt
wird, in dem eine vorbestimmte normale Vorspannung zwischen
der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode anliegt.
Der elektrische Schaltkreis ist mit einer Elektrodenauffrisch
anordnung versehen, die zur Anlage einer Vorspannung an die
Elektroden mit einer entgegengesetzten Polarität zu der bei
der Messung dient, bevor die Messung beginnt, um die Elektro
den aufzufrischen. Die Elektrodenauffrischanordnung umfaßt
eine Gleichstromquelle 12 zum Messen zur Anlage einer ersten
konstanten Spannung zwischen der Gegenelektrode 3 und der
Arbeitselektrode 1 zur Messung der Probe, eine Gleichstrom
quelle 6 zur Anlage einer zweiten konstanten Spannung zwi
schen der Arbeitselektrode 1 und der Bezugselektrode 2 zum
Auffrischen der Arbeitselektrode 1 und eine Wähleinrichtung
5, die beim Messen den Zustand auswählt, bei dem die konstan
te Spannung zum Auffrischen von der Konstantspannungsquelle
zum Auffrischen anliegt, und den Zustand auswählt, bei dem
die konstante Spannung zum Messen von der Konstantspannungs
quelle zum Messen anliegt, und zwar abwechselnd in dieser
Reihenfolge.
Die Bezugselektrode 2 und die Gegenelektrode 3 sind mit einem
Umkehreingangsanschluß 4 a bzw. einem Ausgangsanschluß 4 c
eines Operationsverstärkers 4 verbunden. Der Operationsver
stärker 4 ist mit seinem Nichtumkehreingangsanschluß 4 b wahl
weise mit der Gleichstromquelle 6 zum Auffrischen oder der
Erde 7 mittels eines Schalters 5 verbindbar. Ein Operations
verstärker 8 zur Strom-Spannungsumwandlung ist vorgesehen,
um ein Signal auszugeben, wobei sein Umkehreingangsanschluß
8 a mit der Arbeitselektrode 1 verbunden ist. Weiter ist ein
Widerstand 9 zur Verwendung bei der Strom-Spannungsumwandlung
mit einem Ausgangsanschluß 8 c und einem Umkehreingangsan
schluß 8 a des Operationsverstärkers 8 verbunden, und gleich
zeitig ist eine Diode 10 mit einem Umkehreingangsanschluß 8 a
des Operationsverstärkers 8 und eine Diode 10 mit deinem Um
kehreingangsanschluß 8 a und einem Nichtumkehreingangsanschluß
8 b des Operationsverstärkers 8 verbunden, wobei eine Anode
davon an der Seite des Umkehreingangsanschlusses 8 b angeord
net ist. Die Gleichstromquelle 12 zum Messen ist mit einem
Nichtumkehreingangsanschluß 11 b eines Trennverstärkers 11
und der Erde 7 verbunden. Ein Ausgangsanschluß 11 c des Trenn
verstärkers 11 ist direkt mit einem Umkehreingangsanschluß
11 a und ebenfalls mit dem Nichtumkehreingangsanschluß 8 b des
oben erwähnten Operationsverstärkers 8 verbunden. Es soll
darauf hingewiesen werden, daß die Anschlußspannung Vr der
Gleichstromquelle 6 und die Anschlußspannung Vm der Gleich
stromquelle 12 so sind, daß die Beziehung Vr < Vm ist.
Die Oberfläche des Enzymelektrodenkörpers 13 an der Seite,
an der die oben beschriebenen Elektroden 1, 2 und 3 vorgese
hen sind, ist konvex, und weiter ist ein durchlässiger Film
14, der einen Durchgang von Wasserstoffperoxyd gestattet, ein
fester GOD-Film 15, der aus fester Glucoseoxydase (im folgen
den als GOD bezeichnet) besteht und ein Dispersionssteuerfilm
16 aus Cellophan in dieser Reihenfolge vorgesehen, um die
konvexe Oberfläche abzudecken. Es soll darauf hingewiesen
werden, daß jeder Anschluß 17 mit den entsprechenden Elektro
den 1, 2 und 3 zur Abnahme eines Signals verbunden ist.
Im folgenden soll die Arbeitsweise des Sensors zur Erfassung
der Glucosedichte mit dem oben beschriebenen Aufbau beschrie
ben werden.
Um die Glucosedichte zu messen, wird zuerst der Schalter 5
so geschaltet, daß er den Nichtumkehreingangsanschluß 4 b des
Operationsverstärkers 4 mit der Auffrischgleichstromquelle 6
verbindet, so daß eine konstante Spannung zum Auffrischen
zwischen der Arbeitselektrode 1 und der Bezugselektrode 2
anliegt.
In dem Zustand ist die Auffrischgleichstromquelle 6 mit der
Meßgleichstromquelle 12 in Serie geschaltet, so daß eine
Spannung gleich der Anschlußspannungsdifferenz (Vr-Vm) zwi
schen den Gleichstromquellen 6 und 12 an der Arbeitselektrode
als Umkehrvorspannung in bezug auf die Bezugselektrode 2 als
Standard anliegt. Da das Oberflächenpotential der Bezugselek
trode 2 nicht geändert wird, kann das Oberflächenpotential
der Arbeitselektrode konstant gehalten werden, ohne Einflüsse
auf die Änderung des Potentials der Gegenelektrode 3, wie
dies in Fig. 4 mit einer durchgezogenen Linie A dargestellt
ist.
Entsprechend liegt an der Arbeitselektrode 1 ein überwiegend
konstanter Auffrischstrom an, wie dies in Fig. 5 mit der
durchgezogenen Linie A dargestellt ist, so daß die Stör
substanz gegen die Zirkulation der Elektrizität wirksam ent
fernt werden kann, wodurch die Aktivität der Arbeitselektrode
1 wieder hergestellt wird.
Wenn darauf der Schalter 5 geschaltet wird und der Nichtum
kehreingangsanschluß 4 b des Operationsverstärkers 4 mit der
Erde 7 direkt verbunden wird, liegt an der Arbeitselektrode
1 eine Spannung gleich der Anschlußspannung Vm der Gleich
stromquelle 12 als normale Vorspannung in bezug auf die
Standardbezugselektrode 2 an, so daß der Sensor in den Meß
zustand gebracht wird.
Wenn die Lösung der zu messenden Probe in die Enzymelektrode
eintaucht, wird ein der Glucosedichte entsprechendes Signal
in folgender Weise ausgegeben.
Während der Übertragung der Glucose in der Lösung oder die
zu messende Probe bis zu einem gewissen Grad durch den Dis
persionssteuerfilm 16 zurückgehalten wird, wird die Lösung
zu dem festen GOD-Film 15 geleitet, wo die Enzymreaktion ent
sprechend der Gleichung (Glucose +O2+H2OGOD→ Glukonsäure
+H2O2) stattfindet, wodurch H2O2 in der Menge entsprechend
der Dichte der in der Probe vorhandenen Glucose erzeugt wird.
Das durch den Wasserstoffperoxyd-durchlässigen Film 14 ge
langende erzeugte H2O2 wird dann zur Oberfläche der Arbeits
elektrode 2 geleitet, die aufgefrischt wurde und eine gute
Aktivität aufweist. Da die Arbeitselektrode 1 nicht nur eine
ausreichende Aktivität aufweist, sondern weiter an ihr die
normale Vorspannung anliegt, wird eine Oxydation auf der Ober
fläche der Arbeitselektrode 1 durchgeführt, und gleichzeitig
fließt durch die Arbeitselektrode 1 ein Strom entsprechend
der Menge des erzeugten H2O2. Der Strom wird dem Umkehrein
gangsanschluß 8 a des Operationsverstärkers 8 zugeleitet. Ent
sprechend kann man ein Spannungssignal in der Weise erhalten,
daß das Spannungssignal proportional zum obigen Strom mit der
durch die normale Vorspannung bewirktenVersetzungsspannung
überlagert wird. In diesem Fall ist das Niveau des Spannungs
signals höher als das stabile Niveau im Fall nach Ablauf
einer langen Zeitdauer, da die Elektrizitätszuführung, weil
die Arbeitselektrode 1 ausreichend aktiv ist, und entspre
chend die Meßauflösung hoch ist.
Danach wird daher nur das dem obigen Strom proportionale
Spannungssignal abgezogen und der primären Differentialbe
rechnung unterworfen, und der Spitzenwert der primären Diffe
rentialberechnung wird erfaßt, so daß man ein genaues Signal
der Glucosedichte erhält, wobei die notwendigen Operationen
durchgeführt werden.
Obwohl bisher nichts über die Spannung zum Auffrischen und
die Zeitdauer der Anlage der Spannung ausgeführt wurde, soll
darauf hingewiesen werden, daß man zur Erzielung einer guten
Auffrischung ungefähr 0 bis 1,2 V hinzufügen muß, die dazu
führen, daß ein etwa zehnfacher Strom gegenüber dem Meßstrom
fließt, und daß die Zeitdauer der Anlage der Spannung etwa
1 bis 10 Sekunden dauern soll.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfin
dung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform be
schränkt ist. Beispielsweise kann die Gegenelektrode 3 aus
Platin, Gold oder ähnlichem bestehen. Weiter kann die kon
stante Spannung zum Auffrischen in geeigneter Weise je nach
Art der Elektroden ausgewählt werden. Die Diode 8 bei der
oben beschriebenen Ausführungsform kann durch einen Schalt
transistor oder Schaltelemente für den Schalter 5 ersetzt
werden.
Fig. 6 zeigt eine Änderung des Schaltdiagramms zur Steuerung
der Basiselektrode im Schaltbild gemäß Fig. 3. Bei der Ände
rung von Fig. 6 sind der Trennverstärker 11 und die Diode 10
von Fig. 3 weggelassen, wobei der (-)-Anschluß des Opera
tionsverstärkers 8 direkt mit der Erde 7 verbunden ist und
die Gleichstromquelle zum Messen von Fig. 3 durch eine neue
Gleichstromquelle 12′ negativer Art ersetzt ist, die parallel
zur Gleichstromquelle 6 zum Messen zwischen dem Schalter 5
und der Erde geschaltet ist. Die Arbeitsweise der geänderten
Ausführungsform gemäß Fig. 6 entspricht im wesentlichen der
Ausführungsform gemäß Fig. 3, mit der Ausnahme, daß die neue
Gleichstromquelle 12′ zum Messen einen negativen Strom zu den
Elektroden über den Schalter 5 und den Operationsverstärker 4
zum Messen der Probe liefert.
Mit der beschriebenen Elektrodenauffrischanordnung wird eine
konstante Umkehrvorspannung zwischen der Arbeitselektrode
und der Bezugselektrode des Biosensors geschaffen, um die
Arbeitselektrode aufzufrischen. Während eine konstante nor
male Vorspannung an der Arbeitselektrode, die wie oben be
schrieben aufgefrischt wurde, und der Bezugselektrode anliegt,
wird die Dichte der Probe gemessen. Die Elektrodenauffrisch
anordnung gemäß der Erfindung hat somit den Vorteil, daß das
Messen mit hoher Genauigkeit innerhalb einer kurzen Zeit nach
der Zuführung der Elektrizität durchgeführt werden kann.
Claims (5)
1. Biosensor, gekennzeichnet durch
- - einen Enzymelektrodenkörper (13);
- - eine am Enzymelektrodenkörper (13) vorgesehene Basiselek trode mit einer Arbeitselektrode (1), einer Gegenelektrode (3) und einer Bezugselektrode (2);
- - eine auf der Oberfläche der Basiselektrode vorgesehene, mit einem physiologisch aktiven Material befestigte Enzym folie, so daß in der Basiselektrode auf der Grundlage des Ergebnisses der Enzymreaktion ein elektrisches Signal er zeugt wird, um die Dichte eines Probematerials zu messen, und einen elektrischen Schaltkreis mit einer Einrichtung zur Aufbringung eines Vorspannungspotentials zwischen der Arbeitselektrode (1) und der Bezugselektrode (2) entspre chend der Änderung des Potentials der Gegenelektrode (3), wobei die Elektrodenauffrischanordnung
- - eine Konstantspannungsversorgung (6) zur Anlage einer kon stanten Spannung zwischen der Arbeitselektrode (1) und der Bezugselektrode (2) zur Auffrischung der Arbeitselektrode (1),
- - eine Konstantspannungsversorgung (12) zur Anlage einer kon stanten Spannung zur Messung der Probe und
- - eine Wähleinrichtung (5) umfaßt, die bei einer Messung den Zustand auswählt, bei dem die konstante Spannung zum Auf frischen durch die Auffrisch-Konstantspannungsversorgung (6) anliegt und den Zustand auswählt, bei dem die konstante Spannung durch die Meß-Konstantspannungsversorgung (12) an liegt, und zwar abwechselnd in dieser Reihenfolge.
2. Elektrodenauffrischanordnung für einen Biosensor, mit
dem eine Probe auf der Grundlage eines elektrischen Signals
erfaßt wird, das zwischen einer Arbeitselektrode (1), die mit
physiologisch aktivem Material befestigt ist, und einer Gegen
elektrode (3) in den Zustand erzeugt wird, in dem eine vorbe
stimmte normale Vorspannung zwischen der Arbeitselektrode (1)
und einer Bezugselektrode (2) anliegt, wobei die Elektroden
auffrischanordnung
- - eine Konstantspannungsversorgung (6) zur Anlage einer kon stanten Spannung zwischen der Arbeitselektrode (1) und der Bezugselektrode (2) zur Auffrischung der Arbeitselektrode (1),
- - eine Konstantspannungsversorgung (12) zur Anlage einer kon stanten Spannung zur Messung der Probe und
- - eine Wähleinrichtung (5) umfaßt, die bei einer Messung den Zustand auswählt, bei dem die konstante Spannung zum Auf frischen durch die Auffrisch-Konstantspannungsversorgung (6) anliegt und den Zustand auswählt, bei dem die konstante Spannung durch die Meß-Konstantspannungsversorgung (12) an liegt, und zwar abwechselnd in dieser Reihenfolge.
3. Elektrodenauffrischanordnung für einen Biosensor nach
Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wählein
richtung (5) den Zustand auswählt, in dem die konstante Span
nung zum Messen anliegt, nach dem der Zustand ausgewählt
wurde, in dem die konstante Spannung zum Auffrischen für eine
relativ kurze Zeitdauer anliegt.
4. Blektrodenauffrischanordnung für einen Biosensor nach
Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffrisch-
Konstantspannungsversorgung (6), die Meß-Konstantspannungs
versorgung (12) und die Wähleinrichtung (5) so aufgebaut
sind, daß ein Nichtumkehreingang (4 b) eines Operationsver
stärkers (4), der mit seinem Ausgang (4 c) mit der Gegenelek
trode (3) und mit dem Umkehreingang (4 a) mit der Bezugselek
trode (2) verbunden ist, wahlweise mit einem Ausgangsanschluß
einer Gleichstromquelle (6) zum Auffrischen oder der Erde (7)
über einen Schalter (5) verbunden wird.
5. Elektrodenauffrischanordnung für einen Biosensor nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bezugselektrode (2) aus Ag besteht.
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