WO2005059534A1 - Refillable microprobe - Google Patents

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WO2005059534A1
WO2005059534A1 PCT/DE2004/002722 DE2004002722W WO2005059534A1 WO 2005059534 A1 WO2005059534 A1 WO 2005059534A1 DE 2004002722 W DE2004002722 W DE 2004002722W WO 2005059534 A1 WO2005059534 A1 WO 2005059534A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
glass
micropipette
producing
tip
glass micropipette
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/002722
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Martin Hanstein
Original Assignee
Justus-Liebig-Universität Giessen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Justus-Liebig-Universität Giessen filed Critical Justus-Liebig-Universität Giessen
Publication of WO2005059534A1 publication Critical patent/WO2005059534A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/4035Combination of a single ion-sensing electrode and a single reference electrode

Definitions

  • the present invention relates to a micro probe for the enzymatic measurement of gases in biological samples, which allows the enzyme solution to be removed, refilled and / or exchanged.
  • the qualitative and quantitative detection of gases as well as gases and ions dissolved in liquids play an important role in science and technology.
  • the currently implemented probes and sensors allow the determination of gases, ions or ions formed from gaseous substances, for example in combustion plants, in the control of exhaust gases and in numerous biological systems.
  • Various measurement methods are used for substance determination, the use of a specific analysis method depending on the character and expected concentration of the substance to be determined and the place of use or measurement (macro or micro scale).
  • Suitable for detection are those physical and / or chemical properties of the analyte which allow clear conclusions to be drawn about its nature and which change in proportion to its concentration.
  • the measuring methods used include potentiometric and amperometric methods as well as measurements of conductivity, temperature, pressure or partial pressure, resonance frequency and magnetic susceptibility.
  • the change in the properties of the analyte can be determined directly, or the analyte is converted into a secondary substance, which is then measured. In the latter case, the primary and secondary substance must have a defined mathematical relationship to each other.
  • measuring devices are often used, in which the actual measuring range is separated from the mixture to be examined by a semipermeable membrane. Ideally, only one or a few of the substances to be analyzed can pass through this membrane.
  • This membrane can consist, for example, of glass, plastics / polymers or metallic compounds. Silicone membranes have long been used in measuring probes for carbon dioxide and oxygen. When used in conductive media, the high electrical resistance of silicones ensures that the electrical potential of the measurement solution does not affect the sensor circuit.
  • the present invention relates to a microprobe, with the aid of which substances in biological samples can be analyzed enzymatically on a microscale and which allows the enzyme solution to be removed, refilled and / or replaced.
  • the microsensor according to the invention thus represents a further development of the microsensor described in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114).
  • the microsensor according to the invention also contains the silicone seal described in DE 102 39 264.1 , which is permeable and at the same time electrically insulating for the analyte to be measured.
  • This micro-probe already described is very small, highly sensitive and selective, so that it does not impair or change the metabolism of biological samples.
  • the micro-probe is suitable for cell biological measurements, eg for measuring the concentration of C0 2 and 0 2 as control variables of the cellular energy
  • TM007 alternate and the cellular mass absorption or for measuring the formation of C0 2 and NH 3 in foci of infection on host cells or on microbial pathogens.
  • a suitable enzyme By doping the electrolyte behind the silicone seal with a suitable enzyme, it is possible to selectively convert a certain primary analyte from a biological sample into a secondary analyte.
  • the present invention relates to a novel method for producing such a microprobe, which makes it possible to install a device for exchanging and / or refilling the enzyme electrolyte solution.
  • TM007 DE 199 29 264 AI describes a transducer designed as a flow measuring cell for determining substance concentrations or substance activities in fluids.
  • the transducer contains a cavity which serves for the flow of the analytes and which can contain fillings made of membrane and / or gels which recognize the substance. These membranes and / or gels can additionally contain biocomponents such as enzymes, antibodies or microorganisms. It is not possible to replace or replace these biocomponents.
  • the transducer is not suitable for the determination of dry, gaseous analytes.
  • DE 694 02 705 T2 describes a sensor with which oxygen and carbon dioxide in body fluids can be determined.
  • the sensor contains a PTFE membrane for the passage of the analytes, a silver / silver chloride electrode and aprotic solvents, to which no or only a little aqueous medium is added.
  • the analytes are reduced electrochemically and measured amperometrically.
  • DE 196 02 861 C2 describes an oxygen sensor which consists of a dialysis membrane, a silver-silver chloride anode and a cathode made of silver or platinum.
  • the membrane is made from a gel that contains both a salt and an enzyme.
  • This sensor is designed as a flow-through device and can therefore only be used for analytes dissolved in carrier liquids, but not for dry gases.
  • the enzyme contained in the membrane cannot be exchanged or refilled.
  • a micro-probe containing bacteria for the determination of nitrate is explained in WO 99/45376.
  • the bacteria used for denitrification cannot be replaced or regenerated.
  • TM007 Substance and lactate in body fluids do not allow the enzymes used to be exchanged or replaced.
  • DE 38 13 709 AI describes an electrode for the determination of glucose in body fluids and contains a polymer membrane containing catalysis. With this electrode, used enzyme can only be replaced by replacing the complete, enzyme-containing polymer membrane.
  • the measuring principle of many sensors is based on the stoichiometric conversion of a primary analyte into a secondary analyte.
  • biosensors often contain enzymes that convert a specific primary analyte specifically and quantitatively into a secondary analyte.
  • the measuring arrangement contains a circuit which reacts to the concentration or activity of the secondary analyte and delivers a measurement signal which is dependent on its concentration.
  • the circuit of the sensor In the case of potentiometric probes, which must detect measurement signals of the order of 50 ⁇ V due to the required sensitivity, the circuit of the sensor must be electrically isolated from the sample so that the electrical potential of the sample liquid does not falsify the measurement result.
  • Silicones can be chemically designed to combine electrically insulating and (gas) permeable properties.
  • the silicone seal for micro probes described in DE 102 39 264.1 fulfills the condition of combining electrically insulating and (gas) permeable properties in the smallest space, so that a micro probe which contains this seal enables the determination of very low gas concentrations in very small
  • the microprobes according to the invention are provided by the production of two coordinated glass micropipettes with miniaturized tips made of commercially available glass capillaries, the production of an electrically insulating silicone seal that is permeable to the analyte in a first micropipette, and the attachment of an inlet tube (first capillary tube) the outside of a second micropipette, inserting the second into the first micropipette, then inserting a second capillary tube (outlet tube) and a reference electrode into the cavity between the first and second micropipette, fixing the parts pushed into one another and attaching a conventional electrode holder.
  • capillaries with a diameter of up to 2 mm for the production of micro-pipettes. Since capillaries with an outer diameter of
  • the glass micropipette 3 must not protrude more than 10 ⁇ m into the crosslinking silicone oil 12, since otherwise the probe diameter is increased by crosslinking silicone oil adhering to the outside. Due to the two-stage filling of the silicone oils (first the non-cross-linking, then the cross-linking silicone oil) the cross-linking only occurs when the silicone oils are in the correct position within the probe tip.
  • the protruding end of the second glass micropipette 25 is connected to a conventional electrode holder 27 after the fastener has hardened.
  • a conventional electrode holder, in which an electrode is integrated, is advantageously used as the working electrode and which allows the pH-sensitive microelectrode to be connected to another electrode.
  • the crosslinking silicone is preferably a mixture of dimethylsiloxane with terminal hydroxyl groups and trimethylsiloxane, for example Dow Corning Product (R) 1340 RTV Coating or alternatively mixtures of a silanol with a viscosity of 50-120 cSt, e.g. Dow Corning product DC 2-1273, or a silanol with a viscosity of 2,000 cSt, e.g. Dow Corning product DC 3-0133, each mixed with 5-10% by weight methyltrimethoxysiloxane.
  • a commercially available cannula with a length of 25-45 mm and a diameter of 0.3-0.6 mm can be used as the inlet tube.
  • Capillary tubes are used as outlet tubes, for example commercially available untreated or deactivated capillary columns for gas chromatography (“fused silica, Si0 2 ) with an inner diameter greater than or equal to 100 ⁇ m and 200-400 ⁇ m outer diameter.
  • gas chromatography fused silica, Si0 2
  • a disposable glass capillary made of borosilicate glass is inserted through the cannula protruding into the probe to fill the probe chamber.
  • the fine glass capillary with a corresponding outer diameter is
  • TM007 produced by a process known to the person skilled in the art on a single-stage drawing device.
  • the enzyme electrolyte solution 4 serves to convert a primary analyte quantitatively and stoichiometrically into a secondary analyte, which is then measured.
  • a particularly suitable enzyme is, for example, carbonic anhydrase.
  • the enzyme can be stabilized with suitable antioxidants.
  • suitable antioxidants are, for example, ascorbic acid, glutathione, rosemic acid, benzoic acid and catechins.
  • Potentiometric (pH, NH 4 + ) or amperometric micro probes are used as transducers to measure the concentration of primary or secondary analyte behind the silicone seal (see S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle, Sensors and Actuators 2001 , B81, 107-114). They are pushed into the glass micropipette 3 from the end that is not provided with the seal.
  • a large-diameter outer glass micropipette 3 made of borosilicate glass with an inner diameter of 1.6 mm and an outer diameter of 3 mm is used (for example from Hilgenberg GmbH, Malsdorf, Germany) .
  • the three-stage extraction takes place with the vertical pulling device LM-3 / PA (List Medical, Göttingen, Germany) with 1 mm thick standard heating coil made of Pt / Ir (80/20, respectively wt.%), Inside diameter of the coil 4 , 5 mm.
  • the outlet tube can be attached to the inner glass micropipette with glue, or it is possible to use an inlet instead of an inlet ss and outlet to attach only a single access, eg a cannula, to the inner glass micropipette. For later filling, this access can be used to insert an inlet tube. With the help of the adapter (Fig. 4), liquid can be brought through the inlet tube into the finished micro probe. Pressure and fluid equalization are carried out via the simple access.
  • This solution is placed in a sterile 1 ml disposable syringe and used to rinse and fill the probe chamber 28. After removing the syringe, the inlet and outlet of the probe are closed with Parafilm® (American National Can, Neenah, USA). After three hours of equilibration at room temperature, the probe is ready for use. Storage takes place in the refrigerator at 4-8 ° C.
  • Outlet tube (second capillary tube) Microscope objective Sterile distilled water Place for attaching the adapter Container-capillary non-cross-linking silicone Holder cross-linking silicone
  • FIG. 1 A first figure.
  • Fi_ Schematic representation of the introduction of the crosslinking silicone oil 12.
  • the illustration summarizes two processes. First (shown on the right), the sterile distilled water already sucked in through the tip of 3 is filled up from behind with the help of a filling capillary until the beginning of the rejuvenation of 3, the opening of the
  • Glass micropipette is understood, which has the larger diameter. Then (shown on the left) silicone oil applied to the holder 11 is brought into contact with the glass micropipette 3.
  • FIG. 1 Cross-sectional representation: adapter for sucking in non-crosslinking silicone oil 10 into the tip of a glass micropipette 3.
  • the adapter consists of a sealing screw 14, rubber seal 15, adapter head 16, a metal tube 17 for clamping the adapter in the micromanipulator and a plastic hose 18.
  • the Plastic hose 18 is connected to a three-way valve 19 for ventilation.
  • the three-way valve 19 has a Luer lock connection 20 to a 50 ml syringe 21.
  • the micro probe consists of two concentric, glass micropipettes pushed into each other (3 and 25).
  • the inner glass micropipette 25 contains a proton-sensitive cocktail covered with reference buffer 24.
  • Inner glass micropipette 25, proton-sensitive cocktail and working electrode covered with reference buffer together form the pH-sensitive microelectrode 1.
  • the electrode used is preferably one that is integrated in a conventional electrode holder (see FIG. 27).
  • the pH-sensitive microelectrode 1 is positioned in the tip of the outer glass micropipette 3.
  • the tip of the pH-sensitive microelectrode (1) is located about 20 ⁇ m behind the tip of the outer glass micropipette 3, which is sealed with a silicone seal 23.
  • an inlet tube 2 is attached to the outside of the inner glass micropipette, which allows the filling, refilling or replacement of enzyme solution 4 in the finished microprobe.
  • a silicone seal 23 is located in the tip of the outer, first glass micropipette 3.
  • the space behind this silicone seal 23 is filled with enzyme electrolyte 4.
  • a proton-sensitive cocktail 24 is located in the tip of the second glass micropipette 25.
  • Inlet 2 and outlet tubes 5 for the enzyme electrolyte 4 are located in the space between the two glass capillaries 3 and 25.
  • the first, outer glass micropipette tapers in two stages. Inlet and outlet tubes end before the first taper begins. 5 shows the first taper. The second taper can only be seen in FIG. 6.

Abstract

The invention relates to microprobes for enzymatically measuring gas concentrations, whose reservoir for the enzyme solution is configured as a flow chamber. The microprobes are provided with a seal that is highly permeable for the analyte and electrically insulating. The inventive microprobes are especially suitable for phytophysiological measurements and can for example be used for the high-resolution measurement of gases on individual stomata of plant leaves. Since the reservoir for the enzyme solution is configured as a flow chamber, the inventive microprobe can be used several times.

Description

Patentanmeldung Patent application
[Nachfüllbare Mikrosonde] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrosonde zur enzy- matischen Messung von Gasen in biologischen Proben, die es gestattet, die Enzymlosung zu entfernen, nachzufüllen und / oder auszutauschen.[Refillable micro probe] The present invention relates to a micro probe for the enzymatic measurement of gases in biological samples, which allows the enzyme solution to be removed, refilled and / or exchanged.
[Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung][Description and Introduction of the General Field of the Invention]
Der qualitative und quantitative Nachweis von Gasen sowie in Flüssigkeiten gelösten Gasen und Ionen spielt in Wissenschaft und Technik eine große Rolle. Die derzeit realisierten Sonden und Sensoren erlauben die Bestimmung von Gasen, Ionen oder aus gasförmigen Stoffen gebildeten Ionen beispielsweise in Verbrennungsanlagen, bei der Kontrolle von Abgasen und in zahlreichen biologischen Systemen. Dabei kommen verschiedene Messverfahren für die Substanzbestimmung zum Einsatz, wobei die Verwendung eines bestimmten Analyseverfahrens von Charakter und voraussichtlicher Konzentration des zu bestimmenden Stoffes und dem Einsatz- bzw. Messort (Makro- oder Mikromaß- stab) abhängt.The qualitative and quantitative detection of gases as well as gases and ions dissolved in liquids play an important role in science and technology. The currently implemented probes and sensors allow the determination of gases, ions or ions formed from gaseous substances, for example in combustion plants, in the control of exhaust gases and in numerous biological systems. Various measurement methods are used for substance determination, the use of a specific analysis method depending on the character and expected concentration of the substance to be determined and the place of use or measurement (macro or micro scale).
Zur Detektion geeignet sind solche physikalischen und / oder chemischen Eigenschaften des Analyten, die eindeutige Rückschlüsse auf seine Natur zulassen und die sich proportional zu seiner Konzentration verändern. Zu den eingesetzten Mess- verfahren zählen potentiometrische und amperometrische Verfahren sowie Messungen von Leitfähigkeit, Temperatur, Druck bzw. Partialdruck, Resonanzfrequenz und magnetischer Suszep-Suitable for detection are those physical and / or chemical properties of the analyte which allow clear conclusions to be drawn about its nature and which change in proportion to its concentration. The measuring methods used include potentiometric and amperometric methods as well as measurements of conductivity, temperature, pressure or partial pressure, resonance frequency and magnetic susceptibility.
TM007 tibilität. Je nach Messanordnung und Natur des Analyten und der Messeinrichtung kann die Änderung der Eigenschaften des Analyten (PrimärSubstanz) direkt bestimmt werden, oder der Analyt wird in eine SekundärSubstanz überführt, welche dann gemessen wird. Im letztgenannten Fall müssen Primär- und Sekundärsubstanz in einem definierten mathematischen Verhältnis zueinander stehen.TM007 bility. Depending on the measuring arrangement and the nature of the analyte and the measuring device, the change in the properties of the analyte (primary substance) can be determined directly, or the analyte is converted into a secondary substance, which is then measured. In the latter case, the primary and secondary substance must have a defined mathematical relationship to each other.
Um Analyten auch in Substanzgemischen bestimmen zu können, werden häufig Messapparaturen eingesetzt, bei denen der ei- gentliche Messbereich durch eine semipermeable Membran vom zu untersuchenden Gemisch getrennt ist. Im Idealfall kann diese Membran nur von einem oder wenigen der zu analysierenden Stoffe passiert werden. Diese Membran kann beispielsweise aus Glas, Kunststoffen / Polymeren oder metallischen Verbindungen bestehen. Silikonmembranen sind seit langem in Messsonden für Kohlendioxid und Sauerstoff im Einsatz. Der hohe elektrische Widerstand von Silikonen gewährleistet bei Benutzung in leitenden Medien, dass das elektrische Potenzial der Messlösung nicht den Sensorstromkreis beeinflusst.In order to be able to determine analytes also in substance mixtures, measuring devices are often used, in which the actual measuring range is separated from the mixture to be examined by a semipermeable membrane. Ideally, only one or a few of the substances to be analyzed can pass through this membrane. This membrane can consist, for example, of glass, plastics / polymers or metallic compounds. Silicone membranes have long been used in measuring probes for carbon dioxide and oxygen. When used in conductive media, the high electrical resistance of silicones ensures that the electrical potential of the measurement solution does not affect the sensor circuit.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrosonde, mit deren Hilfe Substanzen in biologischen Proben im Mikromaßstab enzy- matisch analysiert werden können und die es gestattet, die Enzymlosung zu entfernen, nachzufüllen und / oder auszutau- sehen. Die erfindungsgemäße Mikrosonde stellt damit eine Weiterentwicklung der in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114) beschriebenen Mikrosonde dar. Die erfindungsgemäße Mikrosonde enthält ferner die in DE 102 39 264.1 beschriebene Silikondichtung, wel- ehe für den zu messenden Analyten permeabel und gleichzeitig elektrisch isolierend ist. Dabei ist diese bereits beschriebene Mikrosonde sehr klein, hoch empfindlich und selektiv, so dass sie den Stoffwechsel biologischer Proben nicht beeinträchtigt oder verändert. Die Mikrosonde ist geeignet für zellbiologische Messungen, z.B. zur Messung der Konzentration von C02 und 02 als Steuergrößen des zellulären Energiestoff-The present invention relates to a microprobe, with the aid of which substances in biological samples can be analyzed enzymatically on a microscale and which allows the enzyme solution to be removed, refilled and / or replaced. The microsensor according to the invention thus represents a further development of the microsensor described in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114). The microsensor according to the invention also contains the silicone seal described in DE 102 39 264.1 , which is permeable and at the same time electrically insulating for the analyte to be measured. This micro-probe already described is very small, highly sensitive and selective, so that it does not impair or change the metabolism of biological samples. The micro-probe is suitable for cell biological measurements, eg for measuring the concentration of C0 2 and 0 2 as control variables of the cellular energy
TM007 wechseis und der zellulären Stoffaufnahme oder zur Messung der Bildung von C02 und NH3 in Infektionsherden an Wirtszellen oder an mikrobiellen Pathogenen. Durch Dotieren des Elektrolyten hinter der Silikondichtung mit einem geeigneten Enzym ist es möglich, einen bestimmten Primäranalyten aus einer biologischen Probe selektiv zu einem Sekundäranalyten umzusetzen.TM007 alternate and the cellular mass absorption or for measuring the formation of C0 2 and NH 3 in foci of infection on host cells or on microbial pathogens. By doping the electrolyte behind the silicone seal with a suitable enzyme, it is possible to selectively convert a certain primary analyte from a biological sample into a secondary analyte.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikrosonde, die es gestattet, eine Vorrichtung einzubauen, um die Enzymelektrolytlösung auszutauschen und / oder nachzufüllen.The present invention relates to a novel method for producing such a microprobe, which makes it possible to install a device for exchanging and / or refilling the enzyme electrolyte solution.
Stand der TechnikState of the art
Derzeit sind verschiedene Elektroden und Sensoren bekannt, mit denen gasförmige Stoffe oder in Flüssigkeit gelöste Gase und Ionen bestimmt werden können. Dabei werden verschiedene chemische und physikalische Parameter genutzt, um die zu bestimmenden Analyten ggf. auch in Substanzgemischen zu identifizieren. Viele Messmethoden bedienen sich verschiedener Elektroden aus Edelmetallen und ihren Salzen. Das Salz kann dabei je nach Ausführung der Elektrode in gelöster oder fester Form vorliegen. Die Detektion des Analyten kann beispielsweise durch amperometrische oder potentiometrische Messung erfolgen. Nachteilig für die Messung sehr kleiner oder sich rasch ändernder Analytkonzentrationen sind die meist zu hohe Nachweisgrenze des Sensors, eine zu geringe Selektivität für einen bestimmten Analyten in einem Gemisch sowie der Zeitbedarf bis zum Erhalt des Messsignals. Allen Messanordnungen ist gemein, dass sich zwischen dem Messmedium und dem Detektionssystem eine semipermeable Membran befindet, die nur für den Analyten oder das Gemisch der zu analysierenden Substanzen durchlässig ist, um auf diese Weise die Selektivität der Messung zu erhöhen.Various electrodes and sensors are currently known with which gaseous substances or gases and ions dissolved in liquid can be determined. Various chemical and physical parameters are used to identify the analytes to be determined, if necessary also in mixtures of substances. Many measuring methods use different electrodes made of precious metals and their salts. Depending on the design of the electrode, the salt can be in dissolved or solid form. The analyte can be detected, for example, by amperometric or potentiometric measurement. Disadvantages for the measurement of very small or rapidly changing analyte concentrations are the mostly too high detection limit of the sensor, an insufficient selectivity for a certain analyte in a mixture and the time required until the measurement signal is received. All measuring arrangements have in common that there is a semipermeable membrane between the measuring medium and the detection system, which is only permeable to the analyte or the mixture of the substances to be analyzed, in order to increase the selectivity of the measurement.
TM007 Die DE 199 29 264 AI beschreibt einen als Durchflussmesszelle ausgebildeten Transducer zur Bestimmung von Stoffkonzentrati- onen oder Stoffaktivitäten in Fluiden. Der Transducer beinhaltet einen dem Durchfluss der Analyten dienenden Hohlraum, welcher Füllungen aus Stoff erkennenden Membranen und / oder Gelen enthalten kann. Diese Membranen und / oder Gele können zusätzlich Biokomponenten wie Enzyme, Antikörper oder Mikroorganismen enthalten. Es ist nicht möglich, diese Biokomponenten auszutauschen oder zu ersetzen. Der Transducer ist nicht für die Bestimmung trockener, gasförmiger Analyte geeignet.TM007 DE 199 29 264 AI describes a transducer designed as a flow measuring cell for determining substance concentrations or substance activities in fluids. The transducer contains a cavity which serves for the flow of the analytes and which can contain fillings made of membrane and / or gels which recognize the substance. These membranes and / or gels can additionally contain biocomponents such as enzymes, antibodies or microorganisms. It is not possible to replace or replace these biocomponents. The transducer is not suitable for the determination of dry, gaseous analytes.
Die DE 694 02 705 T2 beschreibt einen Sensor, mit dem Sauerstoff und Kohlendioxid in Körperflüssigkeiten bestimmt werden können. Der Sensor enthält eine PTFE-Membran für den Durchtritt der Analyten, eine Silber/Silberchlorid-Elektrode und aprotische Lösungsmittel, denen kein oder nur wenig wässriges Medium zugesetzt wird. Die Analyten werden elektrochemisch reduziert und amperometrisch gemessen.DE 694 02 705 T2 describes a sensor with which oxygen and carbon dioxide in body fluids can be determined. The sensor contains a PTFE membrane for the passage of the analytes, a silver / silver chloride electrode and aprotic solvents, to which no or only a little aqueous medium is added. The analytes are reduced electrochemically and measured amperometrically.
Die DE 196 02 861 C2 beschreibt einen Sauerstoffsensor, der aus einer Dialysemembran, einer Silber-Silberchlorid-Anode und einer Kathode aus Silber oder Platin besteht. Die Membran wird aus einem Gel hergestellt, das sowohl ein Salz als auch ein Enzym enthält. Dieser Sensor ist als Durchflussapparatur ausgebildet und ist daher nur für in Trägerflüssigkeiten gelöste Analyte einsetzbar, jedoch nicht für trockene Gase. Außerdem ist das in der Membran enthaltene Enzym nicht austauscht- oder nachfüllbar.DE 196 02 861 C2 describes an oxygen sensor which consists of a dialysis membrane, a silver-silver chloride anode and a cathode made of silver or platinum. The membrane is made from a gel that contains both a salt and an enzyme. This sensor is designed as a flow-through device and can therefore only be used for analytes dissolved in carrier liquids, but not for dry gases. In addition, the enzyme contained in the membrane cannot be exchanged or refilled.
Eine Bakterien enthaltende Mikrosonde zur Bestimmung von Nitrat ist in WO 99/45376 erläutert. Die zur Denitrifizierung eingesetzen Bakterien können jedoch nicht ersetzt oder regeneriert werden. Auch die in der DE 695 14 427 T2 beschriebene Elektrode zur enzymatischen Bestimmung von Glucose, Sauer-A micro-probe containing bacteria for the determination of nitrate is explained in WO 99/45376. However, the bacteria used for denitrification cannot be replaced or regenerated. The electrode described in DE 695 14 427 T2 for the enzymatic determination of glucose, acid
TM007 stoff und Lactat in Körperflüssigkeiten gestattet es nicht, die verwendeten Enzyme auszutauschen oder zu ersetzen. Die DE 38 13 709 AI beschreibt eine Elektrode zur Bestimmung von Glucose in Körperflüssigkeiten und beinhaltet eine Kata- läse enthaltende Polymermembran. Bei dieser Elektrode kann verbrauchtes Enzym nur durch Austausch der kompletten, enzymhaltigen Polymermembran ersetzt werden.TM007 Substance and lactate in body fluids do not allow the enzymes used to be exchanged or replaced. DE 38 13 709 AI describes an electrode for the determination of glucose in body fluids and contains a polymer membrane containing catalysis. With this electrode, used enzyme can only be replaced by replacing the complete, enzyme-containing polymer membrane.
Alle genannten Elektroden und Sensoren sind jedoch nicht für die Messung physiologisch relevanter Konzentrationen in kleinsten Volumina biologischer Proben geeignet.However, all the electrodes and sensors mentioned are not suitable for measuring physiologically relevant concentrations in the smallest volumes of biological samples.
Das Messprinzip vieler Sensoren beruht auf einer stöchio- metrischen Umsetzung eines Primäranalyten zu einem Sekundär- analyten. Biosensoren enthalten zu diesem Zweck häufig Enzyme, die einen bestimmten Primäranalyten spezifisch und quantitativ in einen Sekundäranalyten umsetzen. In vielen Fällen enthält die Messanordnung einen Stromkreis, der auf die Konzentration bzw. Aktivität des Sekundäranalyten reagiert und ein von dessen Konzentration abhängiges Messsignal liefert. Bei potentiometrischen Sonden, die auf Grund der erforderlichen Messempfindlichkeit Messsignale in der Größenordnung von 50 μV erkennen müssen, uss der Stromkreis des Sensors von der Probe elektrisch isoliert sein, damit das elektrische Po- tenzial der Probenflüssigkeit nicht das Messergebnis verfälscht. Vorteilhaft ist weiterhin, mit Hilfe geeigneter Membranen eine Verdünnung des Sekundäranalyten durch Hinausdiffundieren aus dem Sensor zu unterbinden. Silikone können chemisch so beschaffen sein, dass sie elektrisch isolierende und (gas-) permeable Eigenschaften vereinen. Die in der DE 102 39 264.1 beschriebene Silikondichtung für Mikrosonden erfüllt die Bedingung, elektrisch isolierende und (gas-) permeable Eigenschaften auf kleinstem Raum zu vereinen, so dass eine Mikrosonde, die diese Dichtung enthält, die Bestimmung sehr geringer Gaskonzentrationen in sehr kleinenThe measuring principle of many sensors is based on the stoichiometric conversion of a primary analyte into a secondary analyte. For this purpose, biosensors often contain enzymes that convert a specific primary analyte specifically and quantitatively into a secondary analyte. In many cases, the measuring arrangement contains a circuit which reacts to the concentration or activity of the secondary analyte and delivers a measurement signal which is dependent on its concentration. In the case of potentiometric probes, which must detect measurement signals of the order of 50 μV due to the required sensitivity, the circuit of the sensor must be electrically isolated from the sample so that the electrical potential of the sample liquid does not falsify the measurement result. It is also advantageous to use suitable membranes to prevent dilution of the secondary analyte by diffusing out of the sensor. Silicones can be chemically designed to combine electrically insulating and (gas) permeable properties. The silicone seal for micro probes described in DE 102 39 264.1 fulfills the condition of combining electrically insulating and (gas) permeable properties in the smallest space, so that a micro probe which contains this seal enables the determination of very low gas concentrations in very small
Volumina gestattet. Die in S. Hanstein, D. de Beer and H.Volumes allowed. The in S. Hanstein, D. de Beer and H.
Felle (Sensors and Actuators 2001, B81 , 107-114) beschriebene TM007 tuators 2001, B81 , 107-114) beschriebene Mikrosonde sowie die in DE 102 39 264.1 beschriebene Sonde mit Silikondichtung verwenden eine Enzymlosung, um den gasförmigen Primäranalyten quantitativ und stöchiometrisch in den zu messenden ionischen Sekundäranalyten umzusetzen. Allerdings gestatten es diese Sondenausführungen nicht, das Enzym auszutauschen und / oder nachzufüllen, so dass die Verwendbarkeit der Sonden für die Bestimmung von Gasen durch die Haltbarkeitsdauer des Enzyms beschränkt ist.Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114) described TM007 tuators 2001, B81, 107-114) and the probe described in DE 102 39 264.1 with a silicone seal use an enzyme solution to convert the gaseous primary analyte quantitatively and stoichiometrically into the ionic secondary analyte to be measured. However, these probe designs do not allow the enzyme to be replaced and / or replenished, so that the usefulness of the probes for the determination of gases is limited by the shelf life of the enzyme.
Aufgabetask
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mikrosonde zur enzymatischen Messung von Gasen bereitzustellen, die es gestattet, niedrige Gaskonzentrationen in kleinsten Volumina zu bestimmen sowie die Enzymlosung zu entfernen, nachzufüllen und / oder auszutauschen.It is an object of the present invention to provide a microsensor for the enzymatic measurement of gases, which allows low gas concentrations to be determined in the smallest volumes and the enzyme solution to be removed, refilled and / or exchanged.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Mikrosonden, die eine miniaturisierte Sondenspitze, eine elektrisch isolierende und für das zu messende Gas hoch permeable Dichtung und ein Reservoir für Flüssigkeiten enthalten.This object is achieved according to the invention by micro-probes which contain a miniaturized probe tip, an electrically insulating seal which is highly permeable to the gas to be measured and a reservoir for liquids.
Unter „miniaturisiert" wird dabei eine Sondenspitze verstan- den, deren Außendurchmesser kleiner oder gleich 5 μm ist, wobei die Sondenspitze eine Silikondichtung enthält, welche eine hohe Permeabilität für den zu messenden Analyten aufweist und elektrisch isolierende Eigenschaften besitzt. Unter „Reservoir für Flüssigkeiten" wird dabei eine Vorrich- tung verstanden, die es gestattet, die Enzymlosung zu entfernen, nachzufüllen und / oder auszutauschen. Bevorzugt ist das Reservoir in Form einer Durchflusskammer ausgebildet, die beispielsweise aus einem Behälter besteht, in den je eine Einlass— und eine Auslassvorrichtung ragen. Besonders evor- zugt werden Einlass und Auslass miteinander kombiniert, indem“Miniaturized” is understood to mean a probe tip whose outer diameter is less than or equal to 5 μm, the probe tip containing a silicone seal which has a high permeability for the analyte to be measured and has electrically insulating properties. Under “Reservoir for liquids” is understood to be a device which allows the enzyme solution to be removed, refilled and / or replaced. The reservoir is preferably designed in the form of a flow-through chamber which, for example, consists of a container into which an inlet and an outlet device each protrude. Inlet and outlet are particularly preferably combined by
TM007 die Sonde mit nur einem Zugang versehen wird, durch den zum Befüllen und / oder Nachfüllen von Enzymlosung eine Einfüllkapillare eingeführt wird.TM007 the probe is provided with only one access through which a filler capillary is introduced for filling and / or refilling the enzyme solution.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung der in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actua- tors 2001, B81 , 107-114) beschriebenen Mikrosonde sowie der Mikrosonde mit der in DE 102 39 264.1 beschriebenen Silikondichtung dar, indem die vorliegende Erfindung den Austausch und / oder das Nachfüllen der Enzymlosung gestattet. Durch die Möglichkeit, die Enzymlosung Austauschen und / oder Nachfüllen zu können, ist die erfindungsgemäße Mikrosonde mehrfach verwendbar und besitzt im Vergleich zu bisher beschriebenen Mikrosonden eine höhere Lebensdauer, wodurch ein großer Zeit- und Kostenvorteil erzielt wird.The present invention represents a further development of the microsensor described in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114) and the microsensor with the silicone seal described in DE 102 39 264.1, by allowing the present invention to exchange and / or replenish the enzyme solution. Due to the possibility of being able to exchange and / or refill the enzyme solution, the microprobe according to the invention can be used multiple times and has a longer service life than previously described microprobes, thereby achieving a great time and cost advantage.
Die erfindungsgemäße Mikrosonde findet Anwendung bei der en- zymatischen Bestimmung von Substanzen im Mikromaßstab. Die Erfindung gestattet die Konstruktion sehr kleiner, hoch emp- findlicher, selektiver und mehrfach verwendbarer Sensoren, welche den Stoffwechsel biologischer Proben nicht beeinträchtigen oder verändern. Sie ist geeignet für Mikrosonden, die im zellbiologischen Bereich zum Einsatz kommen, z.B. zur Messung der Konzentration von C02 und 02 als Steuergrößen des zellulären Energiestoffwechsels und der zellulären Stoffaufnahme oder zur Messung der Bildung von C02 und NH3 in Infektionsherden an Wirtszellen oder an mikrobiellen Pathogenen. Die erfindungsgemäße Mikrosonde enthält eine in DE 102 39 264.1 beschriebene, für den Analyten hoch permeable Silikon- dichtung. Durch Dotieren des Elektrolyten hinter der Silikondichtung mit einem geeigneten Enzym (vgl. DE 102 39 264.1) ist es möglich, einen bestimmten Primäranalyten aus einer biologischen Probe selektiv zu einem Sekundäranalyten umzusetzen. In Kombination mit einer geeigneten Messelektrode ist es möglich, den Sekundäranalyten amperometrisch oder poten- tiometrisch zu messen. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen, als Durchflusskammer ausgebildeten Reservoirs der Enzymelek- trolytlösung ist die Mikrosonde außerdem mehrfach verwendbar und damit kostengünstiger als die bisher beschriebenen Sonden dieser Art. Konstruktionsbedingt eignet sich die erfindungsgemäße Mikrosonde besonders für mehrfach verwendbare Sonden, mit denen beispielsweise Kohlendioxid hinter einzelnen Stomata (Spaltöffnungen) von Pflanzenblättern als Steuergröße von Öffnungsund Schließbewegungen der Stomata gemessen werden kann.The microprobe according to the invention is used in the enzymatic determination of substances on a microscale. The invention permits the construction of very small, highly sensitive, selective and reusable sensors which do not impair or change the metabolism of biological samples. It is suitable for micro probes that are used in cell biology, e.g. to measure the concentration of C0 2 and 0 2 as control variables for cellular energy metabolism and cellular uptake or to measure the formation of C0 2 and NH 3 in infection foci on host cells or on microbial pathogens. The microprobe according to the invention contains a silicone seal that is highly permeable to the analyte and is described in DE 102 39 264.1. By doping the electrolyte behind the silicone seal with a suitable enzyme (cf. DE 102 39 264.1) it is possible to selectively convert a certain primary analyte from a biological sample into a secondary analyte. In combination with a suitable measuring electrode it is possible to measure the secondary analyte amperometrically or potentiometrically. When using the inventive The microsensor is also designed as a flow chamber of the enzyme electrolyte solution and can therefore be used multiple times and is therefore more cost-effective than the probes of this type described hitherto. Due to its construction, the microsensor according to the invention is particularly suitable for probes which can be used repeatedly and which, for example, use carbon dioxide behind individual stomata (stomata) of plant leaves as Control variable of opening and closing movements of the stomata can be measured.
Die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Mikrosonden erfolgt durch die Herstellung zweier aufeinander abgestimmter Glas- Mikropipetten mit miniaturisierten Spitzen aus kommerziell erhältlichen Glaskapillaren, die Herstellung einer für den Analyten permeablen, elektrisch isolierenden Silikondichtung in einer ersten Mikropipette, das Anbringen eines Einlass- röhrchens (erstes Kapillarröhrchen) an der Außenseite einer zweiten Mikropipette, das Einschieben der zweiten in die erste Mikropipette, darauf folgendes Einfügen eines zweiten Ka- pillarröhrchens (Auslassröhrchen) und einer Referenzelektrode in den Hohlraum zwischen erster und zweiter Mikropipette, Fixieren der ineinander geschobenen Teile und Anbringen eines konventionellen Elektrodenhalters .The microprobes according to the invention are provided by the production of two coordinated glass micropipettes with miniaturized tips made of commercially available glass capillaries, the production of an electrically insulating silicone seal that is permeable to the analyte in a first micropipette, and the attachment of an inlet tube (first capillary tube) the outside of a second micropipette, inserting the second into the first micropipette, then inserting a second capillary tube (outlet tube) and a reference electrode into the cavity between the first and second micropipette, fixing the parts pushed into one another and attaching a conventional electrode holder.
Die kommerziell erhältlichen Glaskapillaren werden auf einer dem Fachmann bekannten Vorrichtung zum Ausziehen von Glaskapillaren zu Mikropipetten gezogen. Für die äußere Glas- Mikropipette der Sonde werden Glaskapillaren mit einem Außendurchmesser von 2,6 bis 3,4 mm und einem Innendurchmesser von 1,3 bis 1,7 mm eingesetzt, die optional ein Innenfilament besitzen können.The commercially available glass capillaries are drawn into micropipettes on a device for pulling out glass capillaries known to the person skilled in the art. Glass capillaries with an outer diameter of 2.6 to 3.4 mm and an inner diameter of 1.3 to 1.7 mm are used for the outer glass micropipette of the probe, which can optionally have an inner filament.
Dem Fachmann ist bekannt, dass er üblicherweise zwei Ausziehvorgänge mit diesen Vorrichtungen durchführen muss, um Kapillaren mit einem Durchmesser bis 2 mm zur Herstellung von Mik- ropipetten zu erhalten. Da auf Grund der üblichen Konstruktion der Ziehgeräte Kapillaren mit einem Außendurchmesser grö-It is known to the person skilled in the art that he usually has to carry out two pull-out operations with these devices in order to obtain capillaries with a diameter of up to 2 mm for the production of micro-pipettes. Since capillaries with an outer diameter of
TM007 ßer als 2 mm oft nicht in zwei Ausziehvorgängen zu einer Mikropipette ausgezogen werden können, ist das bereichsweise Verringern des Kapillardurchmessers auf etwa 2 mm durch einen vorgeschalteten Ziehvorgang bevorzugt. Durch zwei weitere Ausziehvorgänge wird der eingeengte Kapillarabschnitt zu einer Mikropipette mit einem zwischen 2 und 5 μm wählbaren Außendurchm.esser der Spitze ausgezogen. Bei Messungen in Pflanzenblättern wird der maximal mögliche Durchmesser durch die jeweilige Öffnungsweite der Blattporen (Stomata) bestimmt. Je kleiner der Außendurchmesser ist, um so weniger beeinträchtigt der Sondenkörper den durch die Blattpore erfolgenden Gaswechsel. Andererseits steigt die Meßempfindlichkeit der Sonde mit dem Außendurchmesser. In der Praxis wird der Außendurchmesser der Sondenspitze so gewählt, daß er etwa 50% der zu erwartenden stomatären Öffnungsweite beträgt.TM007 If it is often not possible to pull out more than 2 mm into a micropipette in two pull-out operations, reducing the capillary diameter to about 2 mm by an upstream pull-in operation is preferred. Through two further pull-out operations, the narrowed capillary section is pulled out into a micropipette with an outer diameter of the tip that can be selected between 2 and 5 μm. For measurements in plant leaves, the maximum possible diameter is determined by the respective opening width of the leaf pores (stomata). The smaller the outside diameter, the less the probe body interferes with the gas exchange through the sheet pore. On the other hand, the measuring sensitivity of the probe increases with the outside diameter. In practice, the outer diameter of the probe tip is selected so that it is about 50% of the expected stomatal opening width.
Anschließend wird die Mikropipette 3 mit einer Lösung von 0, 01-0, 05%igem Tributylchlorsilan in Chloroform nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren innen silanisiert.The micropipette 3 is then silanized internally with a solution of 0.01-0.05% tributylchlorosilane in chloroform by a process known to the person skilled in the art.
Anschließend wird eine Silikondichtung wie prinzipiell in DE 102 39 264.1 beschrieben hergestellt:A silicone seal is then produced as described in principle in DE 102 39 264.1:
Das Herstellungsverfahren ist abhängig von den Spitzendimensionen der Sonde. Für Sonden mit einem Durchmesser kleiner als 4 μm wird das folgende Verfahren eingesetzt:The manufacturing process depends on the tip dimensions of the probe. The following procedure is used for probes with a diameter smaller than 4 μm:
Ein nicht vernetzendes Silikonöl 10 mit niedriger Viskosität wird in die Behälter-Kapillare 9 eingefüllt (siehe Fig. 2) und diese waagerecht unter dem Objektiv 6 eines Mikroskops montiert. Die frisch silanisierte Mikropipette 3 wird bis zur Verjüngung der Spitze mit sterilem destilliertem Wasser gefüllt. Hierzu wird die Spitze in destilliertes Wasser getaucht und durch den Unterdruck auf eine Länge von etwa 1 mm mit Wasser gefüllt. Der optionale Zusatz eines nichtionischen Tensids, beispielsweise 4 Vol-% n-Butanol, erleichtert das nachfolgende Einsaugen des Silikons. Um während des Einsau-A non-crosslinking silicone oil 10 with a low viscosity is filled into the container capillary 9 (see FIG. 2) and this is mounted horizontally under the objective 6 of a microscope. The freshly silanized micropipette 3 is filled with sterile distilled water until the tip tapers. For this purpose, the tip is immersed in distilled water and filled with water to a length of about 1 mm using the vacuum. The optional addition of a nonionic surfactant, for example 4% by volume n-butanol, facilitates the subsequent suction of the silicone. In order to
TM007 gens die Gefahr der Blockierung der Spitze durch Verunreinigungen des Wassers zu minimieren, wird weiteres Wasser von hinten mit einer Füllkapillare 13 zugegeben, bis die Spitze bis zum Beginn der Verjüngung mit Wasser gefüllt ist. Dem von hinten zugeführten Wasser können optional 50 ppm (w/v) Chlor- amphenicol zugesetzt werden.TM007 gens to minimize the risk of blocking the tip due to contamination of the water, further water is added from behind with a filling capillary 13 until the tip is filled with water until the tapering begins. Optionally, 50 ppm (w / v) chloramphenicol can be added to the water supplied from the rear.
Die mit Wasser gefüllte abzudichtende Glas-Mikropipette 3 wird in die Behälter-Kapillare 9 eingeführt. Am anderen Ende 8 der ersten Glas-Mikropipette 3 wird der Adapterkopf 16 auf- gesetzt (siehe Fig. 4), an dessen Ende sich eine 50ml-Spritze 21 befindet. Die Gummidichtung 15 wird mit Hilfe der Dichtungsschraube 14 am Ende 8 der Glas-Mikropipette 3 befestigt. Anschließend wird die Adaptervorrichtung am Metallrohr 17 in einen Mikromanipulator eingespannt. Das Metallrohr 17 ist über einen Kunststoffschlauch 18 und einen Dreiwegehahn 19 mit einer 50ml-Spritze 21 mit Luerlock-Anschluss 20 verbunden. Durch Schließen des Dreiwegehahns 19 und Kolbenhub der Spritze 21 wird ein Unterdr ck erzeugt und unter mikroskopischer Kontrolle nicht vernetzendes Silikon 10 in die Glas- Mikropipette 3 eingesaugt. Da die Grenzflächenspannung zwischen Silikonphase und wässriger Phase in der Spitze 3 überwunden werden muss, geschieht dies ruckartig. Dabei wird die notwendige scharfe Phasengrenze ohne Ausbuchtungen nur dann erzielt, wenn die wässrige Phase proteinfrei ist. Überschüs- siges Silikon wird in zwei Schritten aus der Spitze heraus gedrückt: Zuerst wird der Spritzenkolben so weit gesenkt, bis der Stopfen maximal fünfmal so lang ist, wie er in der endgültigen Dichtung sein soll. Anschließend werden Glas- Mikropipette 3, Adapter und Spritze aus der Behälter- Kapillare 9 entfernt. Die Verkürzung des Stopfens auf die endgültige Länge der Dichtung wird durch Senken des Spritzenkolbens vorgenommen, wobei überschüssiges nicht vernetzendes Silikon 10 abläuft. Das vernetzende Silikonöl 12 wird auf den Halter 11 aufgetra- gen und in Kontakt mit der Glas-Mikropipette 3 gebracht, dieThe glass micropipette 3 to be sealed, which is to be sealed, is introduced into the container capillary 9. The adapter head 16 is placed on the other end 8 of the first glass micropipette 3 (see FIG. 4), at the end of which there is a 50 ml syringe 21. The rubber seal 15 is fastened with the help of the sealing screw 14 at the end 8 of the glass micropipette 3. The adapter device on the metal tube 17 is then clamped in a micromanipulator. The metal tube 17 is connected via a plastic hose 18 and a three-way valve 19 to a 50 ml syringe 21 with a Luer lock connector 20. By closing the three-way valve 19 and the piston stroke of the syringe 21, a negative pressure is generated and silicone 10, which does not crosslink under microscopic control, is sucked into the glass micropipette 3. Since the interfacial tension between the silicone phase and the aqueous phase in the tip 3 has to be overcome, this happens suddenly. The necessary sharp phase boundary without bulges is only achieved if the aqueous phase is protein-free. Excess silicone is pressed out of the tip in two steps: First, the syringe plunger is lowered until the stopper is a maximum of five times as long as it should be in the final seal. Then glass micropipette 3, adapter and syringe are removed from the container capillary 9. The plug is shortened to the final length of the seal by lowering the syringe plunger, excess silicone 10 which does not crosslink run off. The crosslinking silicone oil 12 is applied to the holder 11 and brought into contact with the glass micropipette 3
TM007 mit dem nicht vernetzenden Silikonöl 10 befüllt ist (siehe Fig. 3) . Der Halter 11 mit dem vernetzenden Silikon 12 wird auf die Spitze der Glas-Mikropipette 3 zugeführt, und das vernetzende Silikon 12 wirkt mindestens 5 Sekunden, vorzugs- weise 45 Sekunden auf das nicht vernetzende Silikonöl ein. Anschließend wird die Glas-Mikropipette 3 aus dem vernetzenden Silikonöl 12 heraus gezogen. Nach Erneuern des vernetzenden Silikonöls auf dem Halter 11 wird der Vorgang, bestehend aus Zuführen des Halters 11 mit vernetzendem Silikon 12 auf die Spitze der Glas-Mikropipette 3, Einwirken des vernetzenden auf das nicht vernetzende Silikonöl sowie Herausziehen der Glas-Mikropipette 3 aus dem vernetzenden Silikonöl, einmal wiederholt. Die Unterbrechnung der Einwirkung und die Begrenzung auf zwei Anwendungen des vernetzenden Silikonöls 12 verhindern dessen. Haftung an der Außenseite der Glas- Mikropipette 3 bz: . das Herausziehen des Silikonölgemisches aus der Spitze der Glas-Mikropipette 3 beim Entfernen der Glas-Mikropipette 3 aus dem vernetzenden Silikonöl. Die Glas- Mikropipette 3 darf nicht weiter als 10 μm in das vernetzende Silikonöl 12 hinein ragen, da sonst der Sondendurchmesser durch außen anhaftendes vernetzendes Silikonöl erhöht wird. Durch das zweistufige Einfüllen der Silikonöle (zuerst das nicht vernetzende, dann das vernetzende Silikonöl) tritt die Vernetzung erst dann ein, wenn sich die Silikonöle in der korrekten Position innerhalb der Sondenspitze befinden. Die niedrige Viskosität des nicht vernetzenden Silikonöls und die angegebene Silanisierung der Mikropipette 3 sind Voraussetzungen für die Platzierbarkeit des Gemisches aus beiden Silikonölen innerhalb der Spitze der Glas-Mikropipette 3 mit ei- nem Durchmesser kleiner 4 μm. Die Vermischung der beiden Silikonöle im Mikro-Maßstab wird durch die Diffusionsbewegung der Silikonmoleküle geleistet.TM007 is filled with the non-crosslinking silicone oil 10 (see Fig. 3). The holder 11 with the crosslinking silicone 12 is fed onto the tip of the glass micropipette 3, and the crosslinking silicone 12 acts on the non-crosslinking silicone oil for at least 5 seconds, preferably 45 seconds. The glass micropipette 3 is then pulled out of the crosslinking silicone oil 12. After renewing the crosslinking silicone oil on the holder 11, the process consisting of supplying the holder 11 with crosslinking silicone 12 to the tip of the glass micropipette 3, the action of the crosslinking agent on the non-crosslinking silicone oil and pulling the glass micropipette 3 out of the crosslinker Silicone oil, repeated once. The interruption of the action and the limitation to two applications of the crosslinking silicone oil 12 prevent this. Adhesion to the outside of the glass micropipette 3 or:. pulling out the silicone oil mixture from the tip of the glass micropipette 3 when removing the glass micropipette 3 from the crosslinking silicone oil. The glass micropipette 3 must not protrude more than 10 μm into the crosslinking silicone oil 12, since otherwise the probe diameter is increased by crosslinking silicone oil adhering to the outside. Due to the two-stage filling of the silicone oils (first the non-cross-linking, then the cross-linking silicone oil) the cross-linking only occurs when the silicone oils are in the correct position within the probe tip. The low viscosity of the non-crosslinking silicone oil and the stated silanization of the micropipette 3 are prerequisites for the positionability of the mixture of both silicone oils within the tip of the glass micropipette 3 with a diameter of less than 4 μm. The mixing of the two silicone oils on a micro scale is accomplished by the diffusion movement of the silicone molecules.
Im Gegensatz zu DE 102 39 264.1 wird keine enzymhaltige Lö- sung, sondern steriles destilliertes Wasser 7 von hinten inIn contrast to DE 102 39 264.1, no enzyme-containing solution, but rather sterile distilled water 7 is injected from behind
TM007 diese erste Glas-Mikropipette 3 gefüllt. Unter „hinten" wird dabei diejenige Oberfläche der Silikondichtung verstanden, die der kleineren Öffnung der Mikropipette abgewandt ist. Das Aushärten der Silikondichtung erfolgt bei Raumtemperatur in etwa 2-6 Stunden oder kann alternativ auch bei 40-80 °C in Anwesenheit von Feuchtigkeit erfolgen, was den Aushärtepro- zess um einige Stunden beschleunigt. Besonders bevorzugt sind Aushärtezeiten von 4 Stunden bei Raumtemperatur bzw. 1 Stunde bei etwa 60 °C in Anwesenheit von Feuchtigkeit.TM007 filled this first glass micropipette 3. “Rear” is understood to mean that surface of the silicone seal which faces away from the smaller opening of the micropipette. The silicone seal cures at room temperature in about 2-6 hours or alternatively can also be carried out at 40-80 ° C. in the presence of moisture, which accelerates the hardening process by a few hours. Particularly preferred are hardening times of 4 hours at room temperature or 1 hour at about 60 ° C. in the presence of moisture.
Für Sonden mit einem Durchmesser der Sondenspitze größer oder gleich 4 μm wird das folgende Verfahren eingesetzt: Auf die Verwendung nicht vernetzenden Silikonöls 10 kann verzichtet werden, indem die trockene, frisch silanisierte äußere Glas- Mikropipette 3 wie oben beschrieben einmal in vernetzendes Silikonöl 12 getaucht wird. Anschließend härtet die Silikondichtung wie oben beschrieben aus. Nach dem Aushärten der Silikondichtung wird von hinten steriles destilliertes Wasser, das bevorzugt 4 Vol.-% n-Butanol enthält, in die Glas- Mikropipette 3 gefüllt. Die Glas-Mikropipette 3 wird sofort mit dehnbarer Verschlussfolie, beispielsweise Parafilm®, verschlossen und bei 4-8 °C gelagert, bis die wässrige Phase nach 12-36 h an die Dichtung gelangt ist.The following method is used for probes with a probe tip diameter greater than or equal to 4 μm: the use of non-crosslinking silicone oil 10 can be dispensed with by dipping the dry, freshly silanized outer glass micropipette 3 into crosslinking silicone oil 12 as described above , The silicone seal then hardens as described above. After the silicone seal has hardened, sterile distilled water, which preferably contains 4% by volume of n-butanol, is filled into the glass micropipette 3 from behind. The glass micropipette is immediately 3, such as Parafilm ® closed with extensible closure film and stored at 4-8 ° C, until the aqueous phase to 12-36 reaches the seal h.
Eine zweite Glaskapillare mit Innenfilament wird in einem ein- oder zweistufigen Verfahren zu einer Mikropipette ausgezogen, deren Spitzendimensionen ein Platzieren innerhalb der Spitze der ersten Mikropipette gestatten (siehe unten) . Ein zweistufiges Ausziehen der zweiten Glaskapillare ist dabei bevorzugt. Die Spitze der zweiten Pipette muss sich innerhalb der ersten Mikropipette bis auf die unten angegebenen Distanzen annähern lassen. Die zweite Mikropipette wird nach dem dem Fachmann bekannten Verfahren silanisiert S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81 , 107- 114) . Durch das Filament wird das Füllen der Spitze mit einem dem Fachmann bekannten Protonen-sensitiven hydrophoben Cock-A second glass capillary with an inner filament is drawn out into a micropipette in a one- or two-stage process, the tip dimensions of which allow it to be placed within the tip of the first micropipette (see below). A two-stage pull-out of the second glass capillary is preferred. The tip of the second pipette must be within the first micropipette up to the distances indicated below. The second micropipette is silanized by the process known to the person skilled in the art S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114). The filament fills the tip with a proton-sensitive hydrophobic cock known to those skilled in the art.
TM007 tail zur Herstellung der in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81 , 107-114) beschriebenen pH-sensitiven Mikroelektrode von hinten erleichtert, wobei unter hinten das Ende der Glas-Mikropipette verstanden wird, welches den größeren Durchmesser besitzt. (Cocktail: vergl. Ausführungsbeispiel Punkt 3, „Verfahren zur Herstellung der pH-sensitiven Mikroelektrode") Die Silanisierung verhindert in der zusammen gebauten Sonde das Eindringen von wässriger Lösung sowie Referenzpuffer (siehe unten) in die Glasspitze. Anschließend wird die Glas-Mikropipette 25 wie in DE 102 39 264.1 beschrieben mit einer Lösung aus einem Protonen-sensitiven Cocktail und PVC in THF befüllt. Durch Verdampfen des Lösungsmittels THF bildet sich ein festes PVC- Gel. Das feste PVC-Gel wird zunächst mit unverdünntem Proto- nen-sensitivem Cocktail und dann mit einem Referenzpuffer 24 überschichtet .TM007 tail for the production of the pH-sensitive microelectrode described in S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle (Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114), which is understood to mean the end of the glass micropipette, which has the larger diameter. (Cocktail: see exemplary embodiment point 3, “Process for the production of the pH-sensitive microelectrode”). The silanization in the assembled probe prevents the penetration of aqueous solution and reference buffer (see below) into the glass tip. The glass micropipette 25 is then Filled with a solution of a proton-sensitive cocktail and PVC in THF as described in DE 102 39 264.1 Evaporation of the solvent THF forms a solid PVC gel. The solid PVC gel is first made with undiluted proton-sensitive cocktail and then overlaid with a reference buffer 24.
Bei der vorliegenden Erfindung wird anschließend ein Einlass- röhrchen 2 für Flüssigkeiten an der Außenseite dieser zweiten Glas-Mikropipette 25 angebracht und mit einem Befestigungsmittel 22 fixiert. Als Einlassröhrchen eignet sich eine handelsübliche Kanüle. Sie wird wie in Abb. 5 dargestellt mit Hilfe einer Pinzette gebogen. Die zweite Glas-Mikropipette 25 mit fixiertem Einlassröhrchen 2 wird in die erste Glas-Mikropipette 3 eingefügt, aber noch nicht bis an die Silikondichtung 23 vorgeschoben. Dann wird eine Referenzelektrode sowie ggf. ein Auslassröhrchen 5 für Flüssigkeiten (siehe oben) zwischen die beiden Glas- Mikropipetten geschoben. Danach wird die zweite, innere Glas- Mikropipette 25 so weit in die erste Glas-Mikropipette 3 eingeschoben, daß der Abstand der Spitze der zweiten Pipette zur Spitze der ersten Pipette zwischen 5 und 100 μm beträgt, etwa 5-25 μm bei einem Außendurchmesser der äußeren Pipette 3 größer oder gleich 4 μm und 25-100 μm bei einem Außendurchmesser unter 4 μm. Dabei ragt die innere Mikropipette 25 wie in DEIn the present invention, an inlet tube 2 for liquids is then attached to the outside of this second glass micropipette 25 and fixed with a fastening means 22. A commercially available cannula is suitable as an inlet tube. It is bent using tweezers as shown in Fig. 5. The second glass micropipette 25 with the fixed inlet tube 2 is inserted into the first glass micropipette 3, but not yet advanced to the silicone seal 23. Then a reference electrode and possibly an outlet tube 5 for liquids (see above) are pushed between the two glass micropipettes. Then the second, inner glass micropipette 25 is inserted so far into the first glass micropipette 3 that the distance from the tip of the second pipette to the tip of the first pipette is between 5 and 100 microns, about 5-25 microns with an outer diameter outer pipette 3 greater than or equal to 4 μm and 25-100 μm with an outer diameter below 4 μm. The inner micropipette 25 projects as in DE
TM007 102 39 264.1 beschrieben an ihrem der Silikondichtung abgewandten Ende um etwa 2,5 cm über die erste, äußere Mikropipette 3 hinaus. Die beiden Mikropipetten 3 und 25, das Auslassröhrchen 5 und die Referenzelektrode 26 werden mit einem Befestigungsmittel 22 aneinander befestigt. Der auf diese Weise entstandene Hohlraum zwischen äußerer (3) und innerer (25) Mikropipette, in den Einlass- (2) und ggf. Auslassröhrchen (5) sowie die Referenzelektrode 26 ragen, bildet die Sondenkammer 28 zum Einfüllen von Lösungen. Vorteilhaft ist die Verwendung von speziellen handelsüblichen Glasklebern als Befestigungsmittel, die durch UV-Licht innerhalb von 12 h aushärten.TM007 102 39 264.1 describes at its end facing away from the silicone seal about 2.5 cm beyond the first, outer micropipette 3. The two micropipettes 3 and 25, the outlet tube 5 and the reference electrode 26 are fastened to one another with a fastening means 22. The cavity formed in this way between the outer (3) and inner (25) micropipette, into which inlet (2) and possibly outlet tubes (5) and the reference electrode 26 project, forms the probe chamber 28 for filling in solutions. It is advantageous to use special commercially available glass adhesives as fasteners, which harden within 12 hours using UV light.
Das heraus ragende Ende der zweiten Glas-Mikropipette 25 wird nach Aushärten des Befestigungsmittels mit einem konventionellen Elektrodenhalter 27 verbunden. Die zweite Glas- Mikropipette 25, der handelsübliche Protonen-sensitive Cocktail und der Referenzpuffer (Elektrolyt) 24 bilden gemeinsam mit einer einzubauenden Arbeitselektrode die pH-sensitive Mikroelektrode 1. Vorteilhaft wird als Arbeitselektrode ein konventioneller Elektrodenhalter verwendet, in den eine E- lektrode integriert ist und der es gestattet, die pH- sensitive Mikroelektrode mit einer weiteren Elektrode zu verbinden.The protruding end of the second glass micropipette 25 is connected to a conventional electrode holder 27 after the fastener has hardened. The second glass micropipette 25, the commercially available proton-sensitive cocktail and the reference buffer (electrolyte) 24, together with a working electrode to be installed, form the pH-sensitive microelectrode 1. A conventional electrode holder, in which an electrode is integrated, is advantageously used as the working electrode and which allows the pH-sensitive microelectrode to be connected to another electrode.
Vor dem Einsatz der Mikrosonde wird die Sondenkammer 28 mit frischem Enzymelektrolyt 4 gespült. Der Zugang des Einlass- röhrchens bzw. die Zugänge von Einlass- und Auslassröhrchen werden mit einer Wasser undurchlässigen, dem Fachmann bekann- ten Folie vor Verdunstung geschützt (beispielsweise Parafilm, s. unten). Nach einer Equilibrierzeit von etwa lh bei weiten Spitzen bis 3h bei engen Spitzen bei Raumtemperatur kann die Mikrosonde eingesetzt werden.Before the microsensor is used, the probe chamber 28 is rinsed with fresh enzyme electrolyte 4. The access to the inlet tube and the entrances to the inlet and outlet tubes are protected against evaporation with a water-impermeable film known to the person skilled in the art (for example parafilm, see below). After an equilibration time of about 1 hour for wide peaks to 3 hours for narrow peaks at room temperature, the microsensor can be used.
TM007 Als Ausgangsmaterial für die Formung der aneinander angepass- ten Glas-Mikropipetten eignet sich Borsilikatglas auf Grund seines niedrigeren Schmelzpunktes besser als Aluminiumsili- katlgas. Chemisch widerstandsfähiger sind Aluminiumsilikat- und Quarzglas, deren Formanpassung bedingt durch ihre höheren Schmelzpunkte die dem Fachmann bekannten besonders leistungsfähigen Glas-Ziehgeräte erfordert. Dabei können die beiden Glas-Mikropipetten aus derselben oder aus verschiedenen Glassorten bestehen. Als nicht vernetzendes Silikonöl kann beispielsweise ein nicht vernetzendes Silikonöl mit Trimethyl-Siloxy-Endgruppen mit einer Viskosität zwischen 0,02 und 0,2 Stokes verwendet werden, bevorzugt Dow Corning Produkt (R) 200 Fluid mit einer Viskosität von 0,1 Stokes (25 °C) und einer Aktivität von 100 %.TM007 Because of its lower melting point, borosilicate glass is more suitable than aluminum silicate gas as the starting material for the shaping of the glass micropipettes. Aluminum silicate and quartz glass are more chemically resistant, and their shape adaptation, due to their higher melting points, requires the particularly powerful glass drawing devices known to the person skilled in the art. The two glass micropipettes can consist of the same or different types of glass. A non-crosslinking silicone oil with trimethyl siloxy end groups with a viscosity between 0.02 and 0.2 Stokes, for example, can be used as the non-crosslinking silicone oil, preferably Dow Corning product (R) 200 fluid with a viscosity of 0.1 Stokes (25 ° C) and an activity of 100%.
Bei dem vernetzenden Silikon handelt es sich bevorzugt um ein Gemisch aus Dimethylsiloxan mit endständigen Hydroxylgruppen und Trimethylsiloxan, beispielsweise um Dow Corning Produkt (R) 1340 RTV Coating oder alternativ um Gemische aus einem Silanol mit einer Viskosität von 50-120 cSt, z.B. Dow Corning Produkt DC 2-1273, oder einem Silanol mit einer Viskosität von 2.000 cSt, z.B. Dow Corning Produkt DC 3-0133, jeweils gemischt mit 5-10 Gew.-% Methyltrimethoxysiloxan. Als Einlassröhrchen kann beispielweise eine handelsübliche Kanüle mit einer Länge von 25-45 mm und einem Durchmesser von 0,3-0,6 mm verwendet werden.The crosslinking silicone is preferably a mixture of dimethylsiloxane with terminal hydroxyl groups and trimethylsiloxane, for example Dow Corning Product (R) 1340 RTV Coating or alternatively mixtures of a silanol with a viscosity of 50-120 cSt, e.g. Dow Corning product DC 2-1273, or a silanol with a viscosity of 2,000 cSt, e.g. Dow Corning product DC 3-0133, each mixed with 5-10% by weight methyltrimethoxysiloxane. For example, a commercially available cannula with a length of 25-45 mm and a diameter of 0.3-0.6 mm can be used as the inlet tube.
Als Auslassröhrchen werden Kapillarröhrchen verwendet, beispielsweise handelsübliche unbehandelte oder desaktivierte Kapillarsäulen für die Gaschromatographie („fused silica, Si02) mit einem Innendurchmesser größer oder gleich 100 μm und 200 - 400 μm Außendurchmesser. Bei dem Sondentyp ohne separates Auslassröhrchen (siehe oben) wird zum Befüllen der Sondenkammer eine Einweg-Glaskapillare aus Borsilikatglas durch die in die Sonde ragende Kanüle eingeführt. Die feine Glaskapillare mit einem entsprechenden Außendurchmesser wirdCapillary tubes are used as outlet tubes, for example commercially available untreated or deactivated capillary columns for gas chromatography (“fused silica, Si0 2 ) with an inner diameter greater than or equal to 100 μm and 200-400 μm outer diameter. In the case of the probe type without a separate outlet tube (see above), a disposable glass capillary made of borosilicate glass is inserted through the cannula protruding into the probe to fill the probe chamber. The fine glass capillary with a corresponding outer diameter is
TM007 nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren auf einem einstufigen Ziehgerät hergestellt .TM007 produced by a process known to the person skilled in the art on a single-stage drawing device.
Als Befestigungsmittel werden bevorzugt Cyanacrylat- oder spezielle, durch UV-Licht härtende Glaskleber verwendet . Für die Fixierung des Einlassröhrchens wird bevorzugt ein handelsüblicher Cyanacrylatklefoer verwendet, beispielsweise UHU- Sekundenkleber mit einer Vi skosität von 70 mPa (UHU GmbH & Co . KG, Bühl / Baden) oder Tesa® Sekundenkleber (Beiersdorf AG, Hamburg) . Zum Befestigen der beiden Glas-Mikropipetten aneinander kann beispielsweise der UV-Glaskleber (Greven Klebstoffe, Heddesheim, Deutschland) oder alternativ der Methacrylatkleber Acrifix 1 92® (Röhm GmbH, Darmstadt ) verwendet werden .Cyanoacrylate or special UV-curing glass adhesives are preferably used as fasteners. For fixing the inlet tube, a commercial Cyanacrylatklefoer or Scotch ® Super Glue (Beiersdorf AG, Hamburg) is preferably used, for example UHU- superglue with a Vi skosität of 70 MPa (Buehl / Baden UHU GmbH & Co. KG,). To attach the two glass micropipettes to one another, for example, the UV glass adhesive (Greven adhesive, Heddesheim, Germany) or alternatively the methacrylate adhesive Acrifix 1 92 ® (Röhm GmbH, Darmstadt) can be used.
Die Enzymelektrolytlösung 4 dient in der gebrauchsfertigen Mikrosonde dazu, einen Primäranalyten quantitativ und stöchi- ometrisch in einen Sekundäranalyten umzusetzen, welcher anschließend gemessen wird. Ein besonders geeignetes Enzym ist beispielsweise Carboanhydrase .In the ready-to-use micro probe, the enzyme electrolyte solution 4 serves to convert a primary analyte quantitatively and stoichiometrically into a secondary analyte, which is then measured. A particularly suitable enzyme is, for example, carbonic anhydrase.
Das Enzym kann mit geeigneten Oxidationsschutzmitteln stabilisiert werden. Geeignete Oxidationsschutzmittel sind beispielsweise Ascorbinsäure, Glutathion, Rosmarinsäure, Benzoe- säure und Catechine .The enzyme can be stabilized with suitable antioxidants. Suitable antioxidants are, for example, ascorbic acid, glutathione, rosemic acid, benzoic acid and catechins.
Als Transducer zur Messung der Konzentration von Primär- oder Sekundäranalyt hinter der Silikondichtung kommen potentiomet- rische (pH, NH4 +) oder amperometrische Mikrosonden zum Einsatz (vgl. S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle, Sensors and Actuators 2001, B81, 107-114) . Sie werden von dem Ende her, das nicht mit der Dichtung versehen ist, in die Glas- Mikropipette 3 geschoben.Potentiometric (pH, NH 4 + ) or amperometric micro probes are used as transducers to measure the concentration of primary or secondary analyte behind the silicone seal (see S. Hanstein, D. de Beer and H. Felle, Sensors and Actuators 2001 , B81, 107-114). They are pushed into the glass micropipette 3 from the end that is not provided with the seal.
Als Referenzelektrode wird dabei eine Elektrode verwendet, die nicht toxisch ist und ein Metall und dessen Salz enthält oder aus einem Metall und dessen Salz besteht. VorteilhaftAn electrode that is non-toxic and contains a metal and its salt or consists of a metal and its salt is used as the reference electrode. Advantageous
TM007 wird eine Silber-Silberchlorid-Elektrode als Referenzelektrode verwendet . Als Arbeitselektrode wird vorteilhaft ein konventioneller E- lektrodenhalter verwendet, in den eine Elektrode integriert i ist, welche ein Metall und dessen Salz enthält, bevorzugt ein Edelmetall und dessen Salz.TM007 a silver-silver chloride electrode is used as the reference electrode. A conventional electrode holder is advantageously used as the working electrode, in which an electrode is integrated i which contains a metal and its salt, preferably a noble metal and its salt.
Ausführungsbeispie1Ausführungsbeispie1
1. Verfahren zum dreistufigen Ausziehen der äußeren Glas- Mikropipette Es wird eine weitlu ige äußere Glas-Mikropipette 3 aus Boro- silikatglas mit einem Innendurchmesser von 1,6 mm und einem Außendurchmesser von 3 mm verwendet (z.B. von Fa. Hilgenberg GmbH, Malsdorf, Deutschland) . Das dreistufige Ausziehen erfolgt mit dem Vertikal-Ziehgerät LM-3/P-A (List Medical, Göttingen, Deutschland) mit 1 mm starker Standard-Heizwendel aus Pt/Ir (80/20, jew. Gew.-%), Innendurchmesser der Wendel 4,5 mm. Innere Glas-Mikropipette 25: Borsilikat, 1 mm AD, 0,5 mm ID, Clark Electromedical Instruments, jetzt Harvard Apparatus, Holliston, Ma, USA). 1. Zug von 16 mm Höhe (oberer Anschlag) auf 5 mm Höhe bei einem Strom von 21 A; Kapillare anschlie- ßend 7 mm höher im oberen Halter befestigen. 2. Zug von 12 mm Höhe an unteren Anschlag (2 mm) bei einem Strom von 13 + 0,5 A je nach Wendelzustand und gewünschtem Spitzendurchmesser. Äußere Glas-Mikropipette 3: Borsilikat, 3 mm AD, 1,6 mm ID, Clark Electromedical Instruments, jetzt Harvard Apparatus, Holliston, Ma, USA). 1. Zug von 16 mm Höhe auf 12 mm Höhe bei 21 A; Kapillare anschließend 1,5 mm höher in oberem Halter befestigen. 2. Zug von 13,5 mm auf 7 mm bei 21 A; Kapillare (danach?) 5 mm höher in oberem Halter befestigen. 3. Zug von 12 mm an unteren Anschlag bei 12,6 ± 0,5 A je nach Wendelzu- stand und gewünschtem Spitzendurchmesser.1. Process for three-stage extraction of the outer glass micropipette A large-diameter outer glass micropipette 3 made of borosilicate glass with an inner diameter of 1.6 mm and an outer diameter of 3 mm is used (for example from Hilgenberg GmbH, Malsdorf, Germany) . The three-stage extraction takes place with the vertical pulling device LM-3 / PA (List Medical, Göttingen, Germany) with 1 mm thick standard heating coil made of Pt / Ir (80/20, respectively wt.%), Inside diameter of the coil 4 , 5 mm. Inner glass micropipette 25: borosilicate, 1 mm AD, 0.5 mm ID, Clark Electromedical Instruments, now Harvard Apparatus, Holliston, Ma, USA). 1st train from 16 mm height (upper stop) to 5 mm height with a current of 21 A; Then fix the capillary 7 mm higher in the upper holder. 2. Train of 12 mm in height to the lower stop (2 mm) at a current of 13 + 0.5 A depending on the spiral condition and the desired tip diameter. Outer glass micropipette 3: borosilicate, 3 mm AD, 1.6 mm ID, Clark Electromedical Instruments, now Harvard Apparatus, Holliston, Ma, USA). 1st train from 16 mm high to 12 mm high at 21 A; Then fix the capillary 1.5 mm higher in the upper holder. 2nd train from 13.5 mm to 7 mm at 21 A; Fasten the capillary (afterwards?) 5 mm higher in the upper holder. 3. Draw from 12 mm to the lower stop at 12.6 ± 0.5 A depending on the spiral condition and the desired tip diameter.
TM007 Vor Herstellung der Dichtung werden die Mikropipetten 3 und 25 wie beschrieben innen silanisiert.TM007 Before the seal is made, the micropipettes 3 and 25 are silanized on the inside as described.
2. Verfahren zur Herstellung der Dichtung Die frisch silanisierte Mikrokapillare wird wie beschrieben mit sterilem destilliertem Wasser gefüllt und die Silikondichtung wie beschrieben hergestellt. Als nicht vernetzendes Silikonöl wird Dow Corning Produkt 200 (R) Fluid mit einer Viskosität von 0,1 Stokes (25 °C) und einer Aktivität von 100 % eingesetzt. Die verwendete Behälterkapillare 9 hat einen Innendurchmesser von 2 mm. Als vernetzendes Silikonöl dient Dow Corning Produkt (R) 1340 RTV Coating.2. Process for making the seal The freshly silanized microcapillary is filled with sterile distilled water as described and the silicone seal is made as described. Dow Corning Product 200 (R) Fluid with a viscosity of 0.1 Stokes (25 ° C) and an activity of 100% is used as the non-crosslinking silicone oil. The container capillary 9 used has an inner diameter of 2 mm. Dow Corning Product (R) 1340 RTV Coating serves as the cross-linking silicone oil.
3. Verfahren zur Herstellung der pH-sensitiven Mikroelektro- de3. Process for the production of the pH-sensitive microelectrode
Eine weitere Glas-Mikropipette 25 (Außendurchmesser 1 mm, Innendurchmesser 0,5 mm) aus Borosilikatglas oder chemisch widerstandsfähigerem Aluminium-Silikatglas, beide mit Innenfi- lament, wird wie oben beschrieben silanisiert. Ein dem Fach- mann bekannter Protonen-sensitiver hydrophober Cocktail, bevorzugt Fluka Produkt #95297, Hydrogen ionophore II-Cocktail A, Selectophore®, wird in einem Gemisch aus 40 mg PVC / ml THF im Verhältnis 30:70 (V/V) gelöst. Diese (hydrophobe) Lösung wird mit Hilfe einer Füllkapillare von hinten in die zweite Glas-Mikropipette eingefüllt. Durch die Verdunstung des THF bildet sich ein festes PVC-Gel. Das feste PVC-Gel wird zunächst mit unverdünntem Protonen-sensitivem Cocktail überschichtet, anschließend mit Referenzpuffer. Referenzpuffer: 100 M 2- [N-Morpholino-] ethansulfonsäure wird mit einer Lösung von 100 mM Tris (hydroxymethyl) -aminomethan gemischt und auf pH 8,3 eingestellt, dann werden 100 mM KC1 hinzugefügt. Als Arbeitselektrode wird ein konventioneller Elektrodenhalter verwendet, in den eine Elektrode integriert ist und der es gestattet, die pH-sensitive Mikroelektrode mit einer weiteren Elektrode zu verbinden.Another glass micropipette 25 (outer diameter 1 mm, inner diameter 0.5 mm) made of borosilicate glass or chemically more resistant aluminum silicate glass, both with inner filament, is silanized as described above. A person skilled in the known proton-sensitive hydrophobic cocktail, preferably Fluka Product # 95297, hydrogen ionophore II Cocktail A, Selectophore ® is dissolved in a mixture of 40 mg PVC / ml THF in a ratio of 30:70 (V / V) , This (hydrophobic) solution is filled into the second glass micropipette from behind using a filling capillary. The evaporation of the THF forms a firm PVC gel. The solid PVC gel is first overlaid with undiluted proton-sensitive cocktail, then with reference buffer. Reference buffer: 100 M 2- [N-morpholino-] ethanesulfonic acid is mixed with a solution of 100 mM tris (hydroxymethyl) aminomethane and adjusted to pH 8.3, then 100 mM KC1 are added. A conventional electrode holder is used as the working electrode, in which an electrode is integrated and which allows the pH-sensitive microelectrode to be connected to a further electrode.
TM007 4. Herstellung der Re erenzelektrodeTM007 4. Production of the reference electrode
Als Referenzelektrode 26 (Einbau in die erste Glas- Mikropipette) wird eine Silber-Silberchlorid-Elektrode verwendet. Herstellung: Ca. 1 mm der Teflonbeschichtung eines Teflon-beschichteten Silberdrahtes (Durchmesser des Silberkerns 100 μm) werden durch Hitze abgelöst und die blanke Silberspitze 3 Minuten bei 100 μA in einer 3M KCl-Lösung chlori- diert .A silver-silver chloride electrode is used as the reference electrode 26 (installation in the first glass micropipette). Production: approx. 1 mm of the Teflon coating of a Teflon-coated silver wire (diameter of the silver core 100 μm) is removed by heat and the bare silver tip is chlorinated in a 3M KCl solution at 100 μA for 3 minutes.
5. Herstellung der Mikrosonde5. Manufacture of the micro probe
Der Zusammenbau erfolgt wie oben beschrieben. An die pH- sensitive Mikroelektrode 1 wird mittels Cyanacrylatkleber (Bsp.: Tesa® Sekundenkleber (Beiersdorf AG, Hamburg, Deutschland); UHU-Sekundenkleber (Viskosität 70 mPa; UHU GmbH & Co. KG, Bühl/Baden, Deutschland) ein Einlassröhrchen 2, z.B. in Form einer gebogenen Kanüle (Bsp.: 1 Sterican®, 0,4 x 40 mm (B. Braun Melsungen AG, Melsungen) fixiert. Beispiele für Auslassröhrchen 5 sind: Fused Silica-Kapillarrohr unbehan- delt, ID 0,15 mm, AD 0,22 mm (Best. -Nr. 0642472) oder Fused Silica-Kapillarrohr desaktiviert (unpolar) ID 0,15 mm, AD 0,22 mm (Best. -Nr. 06424460), SGE (Deutschland) GmbH, Darmstadt; Fused-Silica Kapillaren unbehandelt, ID 0,1 mm, AD 0,363 mm (Art. 23735) oder Fused-Silica Kapillaren desaktiviert (unpolar), ID 0,1 mm, AD 0,363 mm (Art. 25740-U) , Su- pelco, Taufkirchen, Deutschland. Vor dem Befestigen der beiden Glas-Mikropipetten kann das Auslassröhrchen mit Kleber an der inneren Glas-Mikropipette befestigt werden. Alternativ ist es möglich, statt Einlass und Auslass nur einen einzigen Zugang, z.B. eine Kanüle, an der inneren Glas-Mikropipette zu befestigen. Zum späteren Befüllen kann dieser Zugang für das Einführen eines Einlassröhrchens verwendet werden. Mit Hilfe des Adapters (Abb. 4) kann Flüssigkeit durch das Einlassröhrchen in die fertige Mikrosonde gebracht werden. Druck- und Flüssigkeitsausgleich erfolgen dabei über den einfach ausge- führten Zugang.The assembly is carried out as described above. An inlet tube 2 is attached to the pH-sensitive microelectrode 1 using cyanoacrylate adhesive (e.g. Tesa ® superglue (Beiersdorf AG, Hamburg, Germany); UHU superglue (viscosity 70 mPa; UHU GmbH & Co. KG, Bühl / Baden, Germany) , for example, are in the form of a curved cannula (Ex .: 1 Sterican ®, 0.4 x 40 mm (B. Braun Melsungen AG fixed, Melsungen) Examples of outlet tubes. 5: fused silica capillary tube untreated,, ID 0.15 mm, OD 0.22 mm (order no. 0642472) or fused silica capillary tube deactivated (non-polar) ID 0.15 mm, OD 0.22 mm (order no. 06424460), SGE (Deutschland) GmbH, Darmstadt; Fused-silica capillaries untreated, ID 0.1 mm, OD 0.363 mm (Art. 23735) or fused-silica capillaries deactivated (non-polar), ID 0.1 mm, OD 0.363 mm (Art. 25740-U), Su - pelco, Taufkirchen, Germany Before the two glass micropipettes are attached, the outlet tube can be attached to the inner glass micropipette with glue, or it is possible to use an inlet instead of an inlet ss and outlet to attach only a single access, eg a cannula, to the inner glass micropipette. For later filling, this access can be used to insert an inlet tube. With the help of the adapter (Fig. 4), liquid can be brought through the inlet tube into the finished micro probe. Pressure and fluid equalization are carried out via the simple access.
TM007 Die beiden Glas-Mikropipetten werden mit Kleber, vorzugsweise UV Glaskleber (Greven Klebstoffe, Heddesheim, Deutschland) aneinander befestigt . Der Kleber härtet durch Beleuchtung mit einer UV-Lampe in 12 h aus . Das freie, der Spitze abgewandte Ende der zweiten Glas-Mikropipette 25 wird anschließend in einen konventionellen Elektrodenhalter eingeführt . Dieser Elektrodenhalter enthält ein in Kunststoff gefasstes Ag-AgCl- Plättchen, das als Arbeitselektrode (siehe oben) dient .TM007 The two glass micropipettes are attached to each other with adhesive, preferably UV glass adhesive (Greven adhesive, Heddesheim, Germany). The adhesive cures in 12 hours by lighting with a UV lamp. The free end of the second glass micropipette 25 facing away from the tip is then inserted into a conventional electrode holder. This electrode holder contains an Ag-AgCl plate encased in plastic, which serves as a working electrode (see above).
Derj enige Bereich der äußeren Glas-Mikropipette, in dem sich die chloridierte Spitze der Silberelektrode befindet, wird mit einem 5 mm breiten Ring aus Acrylfarbe versehen, da das elektrische Potential an der Ag/AgCl-Elektrode lichtsensitiv ist . Die Sonde ist j etzt transport- und lagerfähig .The area of the outer glass micropipette in which the chlorinated tip of the silver electrode is located is provided with a 5 mm wide ring made of acrylic paint, since the electrical potential at the Ag / AgCl electrode is light-sensitive. The probe is now ready for transport and storage.
Um die Mikrosonde zur C02-Messung zu verwenden, wird die Sondenkammer 28 mit einer Carboanhydrase-Lösung gespült. Hierzu werden zunächst eine 1%-ige Stocklösung von Chloramphenicol in Ethanol, eine Pufferlösung aus 1 mM NaHC03 und 100 mM NaCl (pH 8,3) und eine 0,1 M neutrale Na-Ascorbat-Lösung (Antioxi- dationsmittel) hergestellt. Die Enzymlosung wird anschließend aus 0,4 ml der beschriebenen NaHC03-Pufferlösung, 3 mg ly- ophilisierter Carboanhydrase (Serva, Heidelberg, Deutschland), 2 μl Chloramphenicol-Stocklösung und 4 μl einer 0,1 M Na-Ascorbat-Lösung, die mit KOH auf pH 8,3 voreingestellt wurde, angesetzt. Diese Lösung wird in eine sterile 1 ml- Einwegspritze aufgenommen und zum Spülen und Füllen der Sondenkammer 28 verwendet. Nach Abnehmen der Spritze werden Einlass und Auslass der Sonde mit Parafilm® (American National Can, Neenah, USA) verschlossen. Nach einer dreistündigen E- quilibrierung bei Raumtemperatur ist die Sonde einsatzfähig. Lagerung erfolgt im Kühlschrank bei 4-8 °C.In order to use the microprobe for C0 2 measurement, the probe chamber 28 is rinsed with a carbonic anhydrase solution. For this purpose, a 1% stock solution of chloramphenicol in ethanol, a buffer solution of 1 mM NaHC0 3 and 100 mM NaCl (pH 8.3) and a 0.1 M neutral Na ascorbate solution (antioxidant) are first prepared. The enzyme solution is then made from 0.4 ml of the NaHC0 3 buffer solution described, 3 mg of lyophilized carbonic anhydrase (Serva, Heidelberg, Germany), 2 μl of chloramphenicol stock solution and 4 μl of a 0.1 M Na ascorbate solution was preset to pH 8.3 with KOH. This solution is placed in a sterile 1 ml disposable syringe and used to rinse and fill the probe chamber 28. After removing the syringe, the inlet and outlet of the probe are closed with Parafilm® (American National Can, Neenah, USA). After three hours of equilibration at room temperature, the probe is ready for use. Storage takes place in the refrigerator at 4-8 ° C.
TM007 BezugszeichenlisteTM007 LIST OF REFERENCE NUMBERS
pH-sensitive Mikroelektrode Einlassröhrchen (erstes Kapillarröhrchen) äußere Glas-Mikropipette (erste Pipette) Enzy (elektrolyt-) lösungpH-sensitive microelectrode inlet tube (first capillary tube) outer glass micropipette (first pipette) Enzy (electrolyte) solution
Auslassröhrchen (zweites Kapillarröhrchen) Objektiv des Mikroskops steriles destilliertes Wasser Stelle zum Ansetzen des Adapters Behälter-Kapillare nicht vernetzendes Silikon Halter vernetzendes SilikonOutlet tube (second capillary tube) Microscope objective Sterile distilled water Place for attaching the adapter Container-capillary non-cross-linking silicone Holder cross-linking silicone
Füllkapillare mit sterilem destilliertem Wasser Dichtungsschraube Gummidichtung AdapterkopfFilling capillary with sterile distilled water sealing screw rubber seal adapter head
Metallrohr zum Einspannen des Adapters in den Mikromani- pulatorMetal tube for clamping the adapter in the micromanipulator
Kunststoffschlauch (nur Anfang und Ende eingezeichnet) Dreiwegehahn Luerlock-Anschluss Spritze (50 ml) Befestigungsmittel SilikondichtungPlastic tubing (only the beginning and end drawn) Three-way valve Luer lock connection Syringe (50 ml) Fastener, silicone seal
Elektrolyt der pH-sensitiven Mikroelektrode (Referenzpuffer) innere Glas-Mikropipette (zweite Pipette) ReferenzelektrodeElectrolyte of the pH-sensitive microelectrode (reference buffer) inner glass micropipette (second pipette) reference electrode
Stelle zum Ansetzen des Elektrodenhalters Sondenkammer zum Einfüllen von Enzym (elektrolyt) -LösungPlace for attaching the electrode holder Probe chamber for filling in enzyme (electrolyte) solution
7 Abbildungs legenden7 Legends
Fig . 1 :Fig. 1 :
Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen nachfüllbaren Mikrosonde : Zwischen einer äußeren Glas-Mikropipette 3 und einer als pH-sensitive Mikroelektrode 1 ausgebildeten inneren Glas-Mikropipette 25 sind ein Einlass- 2 und ein Auslassröhrchen 5 angebracht, die das Einfüllen, Nachfüllen und / oder Austauschen der Enzymelektrolytlösung in der Sondenkammer 28 gestatten . Der eingezeichnete 3mm-Balken ist als Maßstab zu verstehen .Schematic representation of the refillable microprobe according to the invention: Between an outer glass micropipette 3 and an inner glass micropipette 25 designed as a pH-sensitive microelectrode 1, an inlet tube 2 and an outlet tube 5 are attached, which fill, refill and / or exchange the enzyme electrolyte solution allow in the probe chamber 28. The drawn 3mm bar is to be understood as a yardstick.
Fig.FIG.
Schematische Darstellung der Einbringung des nicht vernetzen- den Silikonöls 10 in die Glas-Mikropipette 3 unter mikroskopischer Kontrolle 6. Die Spitze der Glas-Mikropipette 3 ist mit destilliertem Wasser 7 gefüllt. Der Adapter wird am hinteren Ende 8 der Kapillare aufgesetzt. Die wassergefüllte Glas-Mikropipette wird in die Behälter-Kapillare 9 mit dem Silikonöl 10 eingeführt. Durch Kolbenhub der Adapterspritze (s. Fig. 4) wird ein Unterdruck erzeugt und Silikonöl 10 in die Glas-Mikropipette 3 gesaugt.Schematic representation of the introduction of the non-crosslinking silicone oil 10 into the glass micropipette 3 under microscopic control 6. The tip of the glass micropipette 3 is filled with distilled water 7. The adapter is placed on the rear end 8 of the capillary. The water-filled glass micropipette is introduced into the container capillary 9 with the silicone oil 10. A vacuum is generated by the piston stroke of the adapter syringe (see FIG. 4) and silicone oil 10 is sucked into the glass micropipette 3.
Fi_, Schematische Darstellung des Einbringens des vernetzenden Silikonöls 12. Die Abbildung fasst zwei Abläufe zusammen. Zunächst (rechts dargestellt) wird das bereits durch die Spitze von 3 eingesaugte sterile destillierte Wasser von hinten mit Hilfe einer Füllkapillare aufgefüllt bis zum Beginn der Ver- jüngung von 3, wobei unter „hinten" diejenige Öffnung derFi_, Schematic representation of the introduction of the crosslinking silicone oil 12. The illustration summarizes two processes. First (shown on the right), the sterile distilled water already sucked in through the tip of 3 is filled up from behind with the help of a filling capillary until the beginning of the rejuvenation of 3, the opening of the
Glas-Mikropipette verstanden wird, welche den größeren Durchmesser besitzt. Dann (links gezeigt) wird auf den Halter 11 aufgetragenes Silikonöl mit der Glas-Mikropipette 3 in Kontakt gebracht.Glass micropipette is understood, which has the larger diameter. Then (shown on the left) silicone oil applied to the holder 11 is brought into contact with the glass micropipette 3.
TM007 Fig . 4 :TM007 Fig. 4:
Darstellung im Querschnitt: Adapter zum Einsaugen von nicht vernetzendem Silikonöl 10 in die Spitze einer Glas- Mikropipette 3. Der Adapter besteht aus Dichtungsschraube 14, Gummidichtung 15, Adapterkopf 16, einem Metallrohr 17 zum Einspannen des Adapters in den Mikromanipulator und einem Kunststoffschlauch 18. Der Kunststoffschlauch 18 ist mit einem Dreiwegehahn 19 zum Be- und Entlüften verbunden; der Dreiwegehahn 19 hat über einen Luerlock-Anschluss 20 Verbin- düng zu einer 50 ml-Spritze 21.Cross-sectional representation: adapter for sucking in non-crosslinking silicone oil 10 into the tip of a glass micropipette 3. The adapter consists of a sealing screw 14, rubber seal 15, adapter head 16, a metal tube 17 for clamping the adapter in the micromanipulator and a plastic hose 18. The Plastic hose 18 is connected to a three-way valve 19 for ventilation. the three-way valve 19 has a Luer lock connection 20 to a 50 ml syringe 21.
Fig. 5:Fig. 5:
Schematische Darstellung der fertigen Mikrosonde: Die Mikrosonde besteht aus zwei konzentrischen, ineinander geschobenen Glas-Mikropipetten (3 und 25) . Die innere Glas-Mikropipette 25 enthält einen mit Referenzpuffer 24 überschichteten Protonen-sensitiven Cocktail. Innere Glas-Mikropipette 25, mit Referenzpuffer überschichteter Protonen-sensitiver Cocktail und Arbeitselektrode bilden gemeinsam die pH-sensitive Mikro- elektrode 1. Dabei wird als Arbeitselektrode bevorzugt eine solche Elektrode verwendet, wie sie in einen konventionellen Elektrodenhalter integriert ist (vgl. 27) . Die pH-sensitive Mikroelektrode 1 wird in der Spitze der äußeren Glas- Mikropipette 3 positioniert. Die Spitze der pH-sensitiven Mi- kroelektrode (1) befindet sich dabei etwa 20 μm hinter der Spitze der äußeren Glas-Mikropipette 3, die mit einer Silikondichtung 23 verschlossen ist. Der Raum zwischen äußerer Glas-Mikropipette 3 und pH-sensitiver Mikroelektrode 1 ist mit einer Enzymlosung 4 gefüllt. Eine Referenzelektrode 26 verbindet die Enzymlosung 4 mit der Erdung. Vor dem Zusammenbau von äußerer 3 und innerer 25 Glas-Mikropipette wird an der Außenseite der inneren Glas-Mikropipette ein Einlassröhrchen 2 befestigt, das in der fertigen Mikrosonde das Einfüllen, Nachfüllen bzw. Austauschen von Enzymlosung 4 gestattet.Schematic representation of the finished micro probe: The micro probe consists of two concentric, glass micropipettes pushed into each other (3 and 25). The inner glass micropipette 25 contains a proton-sensitive cocktail covered with reference buffer 24. Inner glass micropipette 25, proton-sensitive cocktail and working electrode covered with reference buffer together form the pH-sensitive microelectrode 1. In this case, the electrode used is preferably one that is integrated in a conventional electrode holder (see FIG. 27). The pH-sensitive microelectrode 1 is positioned in the tip of the outer glass micropipette 3. The tip of the pH-sensitive microelectrode (1) is located about 20 μm behind the tip of the outer glass micropipette 3, which is sealed with a silicone seal 23. The space between the outer glass micropipette 3 and the pH-sensitive microelectrode 1 is filled with an enzyme solution 4. A reference electrode 26 connects the enzyme solution 4 to the ground. Before assembling the outer 3 and inner 25 glass micropipette, an inlet tube 2 is attached to the outside of the inner glass micropipette, which allows the filling, refilling or replacement of enzyme solution 4 in the finished microprobe.
TM007 Dann werden die beiden Glas-Mikropipetten ineinandergeschoben, wobei die innere Mikropipette 25 noch nicht bis an die Silikondichtung 23 geschoben wird. Anschließend kann ggf. ein Auslassröhrchen 5 zwischen die beiden Mikropipetten geschoben werden, bevor die innere Glas-Mikropipette 25 bis an die Silikondichtung 23 vorgeschoben wird. Beide Glas-Mikropipetten (3 und 25), Einlass- 2 und ggf. Auslassröhrchen 5 werden mit Hilfe eines Befestigungsmittels 22 aneinander befestigt. Das hintere Ende 27 der pH-sensitiven Mikroelektrode wird mit ei- nem konventionellen Elektrodenhalter verbunden.TM007 The two glass micropipettes are then pushed into one another, the inner micropipette 25 not yet being pushed as far as the silicone seal 23. Then, if necessary, an outlet tube 5 can be pushed between the two micropipettes before the inner glass micropipette 25 is pushed as far as the silicone seal 23. Both glass micropipettes (3 and 25), inlet 2 and possibly outlet tubes 5 are fastened to one another with the aid of a fastening means 22. The rear end 27 of the pH-sensitive microelectrode is connected to a conventional electrode holder.
Fig. 6:Fig. 6:
Schematische Darstellung der Spitze der fertigen Mikrosonde:Schematic representation of the tip of the finished micro probe:
In der Spitze der äußeren, ersten Glas-Mikropipette 3 befin- det sich eine Silikondichtung 23. Der Raum hinter dieser Silikondichtung 23 ist mit Enzymelektrolyt 4 gefüllt. In der Spitze der zweiten Glas-Mikropipette 25 befindet sich ein Protonen-sensitiver Cocktail 24. Einlass- 2 und Auslassröhrchen 5 für den Enzymelektrolyten 4 befinden sich im Zwischen- räum zwischen den beiden Glaskapillaren 3 und 25.A silicone seal 23 is located in the tip of the outer, first glass micropipette 3. The space behind this silicone seal 23 is filled with enzyme electrolyte 4. A proton-sensitive cocktail 24 is located in the tip of the second glass micropipette 25. Inlet 2 and outlet tubes 5 for the enzyme electrolyte 4 are located in the space between the two glass capillaries 3 and 25.
Die erste, äußere Glas-Mikropipette verjüngt sich in zwei Stufen. Einlass- und Auslassröhrchen enden noch vor dem Beginn der ersten Verjüngungen. Fig. 5 zeigt die erste Verjüngung. Die zweite Verjüngung ist nur in Fig. 6 zu sehen.The first, outer glass micropipette tapers in two stages. Inlet and outlet tubes end before the first taper begins. 5 shows the first taper. The second taper can only be seen in FIG. 6.
TM007 TM007

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Mikrosonde zur Messung von Gaskonzentrationen, bestehend aus - einer äußeren Glas-Mikropipette (3) , enthaltend eine elektrisch isolierende und für das zu messende Gas hoch permeable Dichtung (23) in der Spitze der äußeren Glas-Mikropipette (3) , einer inneren (25) Glas-Mikropipette, die derart in die äußere Glas-Mikropipette (3) geschoben sind, dass ein Hohlraum in Form einer Sondenkammer (28) entsteht, wobei die Spitze der inneren Glas-Mikropipette (25) die Silikondichtung (23) nicht berührt, einer Enzymlosung (4) , die sich in der Sondenkammer (28) zwischen erster (3) und zweiter (23) Glas- Mikropipette befindet, einer pH-sensitiven Mikroelektrode (1) , bestehend aus der inneren Glas-Mikropipette (25) , einem hydrophoben Protonen-selektiven Cocktail, einem Referenzpuffer (24) und einer Arbeitselektrode, einer Referenzelektrode (26) , die in das hintere Ende der Sondenkammer (28) ragt und in die Enzymlosung (4) eintaucht, einem Befestigungsmittel (22) , das die beiden Glas- Mikropipetten (3 und 25) und die Referenzelektrode (26) am hinteren Ende der Sondenkammer miteinander verbindet, und einem Elektrodenhalter, der mit dem hinteren Ende der inneren Glas-Mikropipette (25) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenspitze der Mikrosonde miniaturisiert ist, der als Sondenkammer ausgebildete Hohlraum (28) der ineinander geschoben Glas-Mikropipetten (3 und 25) eine Durchflusskammer ist,1 . Micro probe for measuring gas concentrations, consisting of - an outer glass micropipette (3) containing an electrically insulating seal (23) that is highly permeable to the gas to be measured in the tip of the outer glass micropipette (3), an inner (25 ) Glass micropipette which are pushed into the outer glass micropipette (3) such that a cavity is formed in the form of a probe chamber (28), the tip of the inner glass micropipette (25) not touching the silicone seal (23), an enzyme solution (4), which is located in the probe chamber (28) between the first (3) and second (23) glass micropipette, a pH-sensitive microelectrode (1) consisting of the inner glass micropipette (25), one hydrophobic proton-selective cocktail, a reference buffer (24) and a working electrode, a reference electrode (26) which protrudes into the rear end of the probe chamber (28) and is immersed in the enzyme solution (4), a fastening means (22) which the two Glass M ikropipetten (3 and 25) and the reference electrode (26) at the rear end of the probe chamber, and an electrode holder which is connected to the rear end of the inner glass micropipette (25), characterized in that the probe tip of the microprobe is miniaturized The cavity (28), which is designed as a probe chamber, of the glass micropipettes (3 and 25) pushed into one another is a flow chamber.
TM007 die Sondenkammer (28) Ein- (2) und Auslassvorrichtungen (5) aufweist, und äußere (3) und innere (25) Glas-Mikropipette, Referenzelektrode, Einlass- und Auslassvorrichtung (2 und 5) am hinteren Ende der Mikrosonde mit einem Befestigungsmittel (22) aneinander befestigt sind. 2. Mikrosonde gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die miniaturisierte Sondenspitze einen Außendurchmesser kleiner oder gleich 5 μm hat. 3. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander folgende Schritte ausgeführt werden: I. Ausziehen einer ersten Glas-Kapillare zur Mikropipette, TM007 the probe chamber (28) has inlet (2) and outlet devices (5), and outer (3) and inner (25) glass micropipette, reference electrode, inlet and outlet device (2 and 5) at the rear end of the microsensor with a fastening means (22) are attached to each other. 2. Micro probe according to claim 1, characterized in that the miniaturized probe tip has an outer diameter less than or equal to 5 microns. 3. A method for producing a microsensor, characterized in that the following steps are carried out in succession: I. pulling out a first glass capillary to the micropipette,
2. Füllen der Spitze dieser ausgezogenen ersten Glas- Mikropipette mit einer Flüssigkeit, 2. Fill the tip of this extended first glass micropipette with a liquid,
3. Einsaugen eines nicht vernetzenden Silikonöls in die flüssigkeitsgefüllte erste Glas-Mikropipette, 4. Herausdrücken überschüssigen nicht vernetzenden Sili- konöls, 5. Eintauchen der Spitze der ersten Glas-Mikropipette in einen Tropfen vernetzenden Silikonöls, 6. Spitze der ersten Glas-Mikropipette für 5 bis 60 Sekunden im vernetzenden Silikonöl belassen, 7. erste Glas-Mikropipette aus dem vernetzenden Silikonöl herausziehen, 8. Schritte 5 bis 7 einmal wiederholen, 9. Aushärten der Silikondichtung, 10. Ausziehen einer zweiten Glas-Kapillare, die ein In- nenfilament besitzt, zur Mikropipette, II. Befüllen der zweiten Glas-Mikropipette mit einer Lösung aus einem hydrophoben Protonen-sensitiven Cocktail und einem flüssigen Polymer, wobei das Be-3. Suck a non-crosslinking silicone oil into the liquid-filled first glass micropipette, 4. Push out excess non-crosslinking silicone oil, 5. Immerse the tip of the first glass micropipette in a drop of crosslinking silicone oil, 6. Tip of the first glass micropipette for Leave in the cross-linking silicone oil for 5 to 60 seconds, 7. Pull the first glass micropipette out of the cross-linking silicone oil, 8. Repeat steps 5 to 7 once, 9. Harden the silicone seal, 10. Pull out a second glass capillary that has an inner filament has, for micropipette, II. filling the second glass micropipette with a solution of a hydrophobic proton-sensitive cocktail and a liquid polymer, the loading
TM007 füllen von der der Spitze abgewandten Seite der zweiten Glas-Mikropipette erfolgt, 12. Aushärten des Gemisches aus hydrophobem Protonensensitivem Cocktail und Polymer, 13. Überschichten des ausgehärteten Gemisches mit einem hydrophoben Protonen-sensitivem Cocktail und einem Referenzpuffer, 14. Anbringen und Befestigen eines Einlassröhrchens für Flüssigkeiten an der Außenseite der zweiten Glas- Mikropipette, 15. Verbinden einer Arbeitselektrode mit der zweiten Glas-Mikropipette, 16. Spitze der zweiten Glas-Mikropipette unter Wahrung eines Abstandes zwischen der Spitze der zweiten Glas- Mikropipette und der Silikondichtung in die erste Glas-Mikropipette schieben, 17. ein Auslassröhrchen für Flüssigkeiten und eine Referenzelektrode zwischen die beiden Glas- Mikropipetten schieben, 18. zweite Glas-Mikropipette in die erste Glas- Mikropipette so weit einschieben, daß der Abstand der Spitze der zweiten Pipette zur Spitze der ersten Pipette zwischen 5 und 100 μm beträgt, 19. beide Glas-Mikropipetten, das Auslassröhrchen und die Referenzelektrode durch ein Befestigungsmittel aneinander befestigen, 20. Verbinden des hinteren Endes der zweiten Glas- Mikropipette mit einem Elektrodenhalter, 21. Aushärten des Befestigungsmittels. TM007 filling from the side of the second glass micropipette facing away from the tip, 12. curing of the mixture of hydrophobic proton-sensitive cocktail and polymer, 13. covering of the cured mixture with a hydrophobic proton-sensitive cocktail and a reference buffer, 14. attaching and attaching an inlet tube for liquids on the outside of the second glass micropipette, 15. connecting a working electrode to the second glass micropipette, 16. tip of the second glass micropipette while maintaining a distance between the tip of the second glass micropipette and the silicone seal in the first glass - Insert the micropipette, 17. Insert an outlet tube for liquids and a reference electrode between the two glass micropipettes, 18. Insert the second glass micropipette into the first glass micropipette until the distance between the tip of the second pipette and the tip of the first pipette is between 5 and 100 μm, 19th at de Attach the glass micropipettes, the outlet tube and the reference electrode to each other using a fastener, 20. Connect the rear end of the second glass micropipette to an electrode holder, 21. Cure the fastener.
4. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausziehen der ersten Glas-Kapillare zur Mikropipette gemäß Schritt 1 in drei Stufen erfolgt.4. The method for producing a microprobe according to claim 3, characterized in that the first glass capillary is pulled out to the micropipette according to step 1 in three stages.
TM007 TM007
5. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausziehen der ersten Glas-Kapillare zur Mikropipette gemäß Schritt 1 in zwei Stufen erfolgt. 5. The method for producing a microprobe according to claim 3, characterized in that the pulling out of the first glass capillary to the micropipette according to step 1 takes place in two stages.
6. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausziehen der z:weiten Glas-Kapillare zur Mikropipette gemäß Schritt 10 in zwei Stufen erfolgt.6. The method for producing a microprobe according to claim 3, characterized in that the z: wide glass capillary is pulled out to form the micropipette according to step 10 in two stages.
7. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausziehen der zweiten Glas-Kapillare zur Mikropipette gemäß Schritt 10 einstufig erfolgt.7. The method for producing a microprobe according to claim 3, characterized in that the pulling out of the second glass capillary to the micropipette is carried out in one step according to step 10.
8. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Refe- renzpuffer, der gemäß Schritt 13 zum Überschichten des ausgehärteten Gemisches aus hydrophoben Protonensensitiven Cocktail und Polymer verwendet wird, durch Mischen von 100 mM 2- [N-Morpholino] -ethansulfonsäure mit einer Lösung von 100 mM Tris (hydroxymethyl) -aminomethan, einstellen des pH-Wertes dieser Mischung auf 8,3 und Zugabe von 100 mM KC1 erhalten wird.8. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 7, characterized in that the reference buffer, which is used according to step 13 to overlay the cured mixture of hydrophobic proton-sensitive cocktail and polymer, by mixing 100 mM 2- [ N-Morpholino] ethanesulfonic acid with a solution of 100 mM tris (hydroxymethyl) aminomethane, adjusting the pH of this mixture to 8.3 and adding 100 mM KC1 is obtained.
9. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Flüssigkeit, mit der die Spitze der ersten Glas- Mikropipette gemäß Schritt 2 gefüllt wird, um Wasser handelt, bevorzugt um steriles destilliertes Wasser.9. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 8, characterized in that the liquid with which the tip of the first glass micropipette is filled according to step 2 is water, preferably sterile distilled water.
TM007 TM007
10. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze der ersten Glas-Mikropipette gemäß Schritt 6 in Anspruch 3 für 40-50 Sekunden im vernetzenden Silikonöl be- lassen wird, bevorzugt für 45 Sekunden.10. The method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 9, characterized in that the tip of the first glass micropipette is left in step 3 in claim 3 for 40-50 seconds in the crosslinking silicone oil, preferably for 45 seconds.
11. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Glas- Mikropipetten aus Borosilikatglas, Aluminiumsilikatglas oder Quarzglas verwendet werden. 11. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 10, characterized in that glass micropipettes made of borosilicate glass, aluminum silicate glass or quartz glass are used.
12. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Glas-Mikropipette ein Innenfilament besitzt.12. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 11, characterized in that the first glass micropipette has an inner filament.
13. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Glas-Mikropipette kein Innenfilament besitzt.13. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 11, characterized in that the first glass micropipette has no inner filament.
14. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Glas-Mikropipette vor der Befüllung mit einer Flüssigkeit gemäß Schritt 2 silanisiert wird. 14. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 13, characterized in that the first glass micropipette is silanized before filling with a liquid according to step 2.
15. Verfahren zur Herstellung eine Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Glas-Mikropipette vor der Befüllung mit einem hydrophoben Protonen-sensitiven Cocktail und einem flüssigen Polymer gemäß Schritt 11 silanisiert wird. 15. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 14, characterized in that the second glass micropipette is silanized according to step 11 before filling with a hydrophobic proton-sensitive cocktail and a liquid polymer.
16. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit, mit der die erste Glas-Mikropipette gemäß16. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 15, characterized in that the liquid with which the first glass micropipette according to
TM007 Schritt 2 befüllt wird, Wasser ist, dem Chloramphenicol zugesetzt wurde, bevorzugt steriles destilliertes Wasser, dem 50 ppm Chloramphenicol (w/v) zugesetzt werden.TM007 Step 2 is filled, water to which chloramphenicol has been added, preferably sterile distilled water to which 50 ppm chloramphenicol (w / v) are added.
17. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Silikone permeabel für Gase und elektrisch i- solierend sind.17. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 16, characterized in that the silicones used are permeable to gases and electrically insulating.
18. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Einlassröhrchen um eine Kanüle mit einer Länge von 25-45 mm und einem Durchmesser von 0,3-0,6 mm handelt, bevorzugt um eine Kanüle mit einer Länge von 40 mm Länge und einem Durchmesser von 0,4 mm.18. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 17, characterized in that the inlet tube is a cannula with a length of 25-45 mm and a diameter of 0.3-0.6 mm, preferably around a cannula 40 mm long and 0.4 mm in diameter.
19. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Auslassröhrchen um ein Kapillarröhrchen mit einem Innendurchmesser von 100-350 μm und einem Außendurchmesser von 200-400 μm handelt.19. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 18, characterized in that the outlet tube is a capillary tube with an inner diameter of 100-350 μm and an outer diameter of 200-400 μm.
20. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Auslassröhrchen um ein Kapillarröhrchen aus Quarzglas handelt, bevorzugt um ein Kapillarröhrchen aus unbehandeltem oder desaktiviertem Quarzglas.20. A method for producing a microprobe according to claim 19, characterized in that the outlet tube is a capillary tube made of quartz glass, preferably a capillary tube made of untreated or deactivated quartz glass.
21. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Einbau der Arbeitselektrode gemäß Verfahrensschritt 15verzichtet wird und stattdessen nach der Befestigung der21. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 20, characterized in that the working electrode according to method step 15 is dispensed with and instead after the fastening of the
TM007 beiden Glas-Mikropipetten, des Auslassröhrchens und der Referenzelektrode durch ein Befestigungsmittel gemäß Verfahrensschritt 19 das hintere Ende der zweiten Glas- Mikropipette mit einem konventionellen Elektrodenhalter verbunden wird, wobei der Elektrodenhalter eine Elektrode aus einem Metall und einem Salz dieses Metalls enthält.TM007 two glass micropipettes, the outlet tube and the reference electrode are connected by a fastening means according to method step 19, the rear end of the second glass micropipette with a conventional electrode holder, the electrode holder containing an electrode made of a metal and a salt of this metal.
22. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektrode aus einem Silber-Silberchlorid-Plättchen besteht, das in Kunststoff gefasst ist.22. A method for producing a microprobe according to claim 21, characterized in that the working electrode consists of a silver-silver chloride plate which is encased in plastic.
23. Verfahren zur Herstellung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 3 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Elektroden um nicht toxische Elektroden handelt, bevorzugt um Silber-Silberchlorid-Elektroden. 23. A method for producing a microprobe according to one of claims 3 to 21, characterized in that the electrodes are non-toxic electrodes, preferably silver-silver chloride electrodes.
24. Verwendung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 1 und 2 zur enzymatischen Messung von Gaskonzentrationen, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Messung nacheinander folgende Schritte durchgeführt werden: Spülen der Sondenkammer der Mikrosonde mit Enzymlö- sung, Einlass- und Auslassröhrchen der Mikrosonde mit einem Verdunstungsschutz verschließen, Mikrosonde für 3 h bei Raumtemperatur equilibirieren lassen. 24. Use of a microsensor according to one of claims 1 and 2 for the enzymatic measurement of gas concentrations, characterized in that the following steps are carried out in succession before the start of the measurement: rinsing the probe chamber of the microsensor with enzyme solution, inlet and outlet tubes of the microsensor with a Close evaporation protection, allow microsensor to equilibrate for 3 h at room temperature.
25. Verwendung einer Mikrosonde nach Anspruch 24 zur enzymatischen Messung von Gaskonzentrationen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosonde zur Messung von Gasen aus der Gruppe Kohlendioxid, Ammoniak und Sauerstoff, bevorzugt für die Messung von Kohlendioxid, verwendet wird. TM007 25. Use of a micro probe according to claim 24 for the enzymatic measurement of gas concentrations, characterized in that the micro probe is used for measuring gases from the group of carbon dioxide, ammonia and oxygen, preferably for the measurement of carbon dioxide. TM007
26. Verwendung einer Mikrosonde nach Anspruch 25 zur enzyma- tischen Messung von Gaskonzentrationen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Enzym um Carboanhydrase handelt. 26. Use of a microprobe according to claim 25 for the enzymatic measurement of gas concentrations, characterized in that the enzyme is carbonic anhydrase.
27. Verwendung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosonde für Untersuchungen von biologischen Systemen eingesetzt wird. 27. Use of a micro probe according to one of claims 25 and 26, characterized in that the micro probe is used for investigations of biological systems.
28. Verwendung einer Mikrosonde nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosonde für Untersuchungen von Gasen in phytophysiologischen Systemen eingesetzt wird, bevorzugt für die Messung von Kohlendioxid und / oder Ammoniak in Pflanzenblättern, ganz besonders bevorzugt für hoch auflösende Kohlendioxid- und/oder Ammoniak-Messungen an einzelnen Stomata von Pflanzenblät- tern.28. Use of a micro probe according to one of claims 25 to 27, characterized in that the micro probe is used for investigations of gases in phytophysiological systems, preferably for the measurement of carbon dioxide and / or ammonia in plant leaves, very particularly preferably for high-resolution carbon dioxide and / or ammonia measurements on individual stomata of plant leaves.
TM007 TM007
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