DE2610530C2

DE2610530C2 - Ionenselektive Meßelektrode

Info

Publication number: DE2610530C2
Application number: DE2610530A
Authority: DE
Inventors: Jiri Frodsham Cheshire Janata; Curtis C. Sandy Utah Johnson; Stanley D. Kaysville Utah Moss
Original assignee: University of Utah
Current assignee: University of Utah
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1976-03-12
Publication date: 1987-01-15
Also published as: NZ180286A; SE428607B; JPS5513544B2; US4020830B1; ZA761431B; AU501668B2; MX142982A; FR2304083A1; BE839557A; SE7603229L; AU1193576A; US4020830A; CA1059645A; DE2610530A1; CH600334A5; NL7602619A; JPS51139289A; GB1529743A; FR2304083B1; IT1064789B

Description

Die Erfindung betrifft eine ionenselektive Meßelektrode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Feldeffekttransistor(FET)-Wandlervorrichtungen, die zur Erfassung und/oder Messung unterschiedlicher chemischer Eigenschaften wie z. B. der Ionen-Aktivität und -Konzentration, des Vorhandenseins und der Konzentration von Enzymen, Substraten, Antikörpern, Antigenen, Hormonen und reduzierbaren Gasen und verschiedenen anderen chemischen und biochemischen Substanzen einschließlich der Bestandteile enzymatischer Systeme, z. B. von Serumenzymen, Glucose, Milchsäure, Brenztraubensäure, Creatinin und Harnstoff, und der Bestandteile immunochemischer Systeme geeignet sind, sind bekannt. Beispielsweise können sich bei Patienten mit Arrhythmie, kardiogenem Schock und myokardialen Infarktbildungen während der Behandlung unterschiedliche Ionenkonzentrationen im Körper in schwerwiegendem Ausmaß verändern, so daß die Messung und die Überwachung derartiger Veränderungen wichtige Hinweise auf den Zustand des Patienten geben können. Eine Veränderung der Ionenkonzentration in dem Körper eines Patienten tritt gewöhnlich auch während chirurgischer Eingriffe am offenen Herzen oder größeren Gefäßen, während pharmakologischer Therapie, der Einspritzung von Flüssigkeiten und Elektrolyten in den Körper und während verschiedener anderer medizinischer Verfahren und Behandlungen auf. Eine solche Messung und Überwachung kann gänzlich durchgehend oder nur zu unregelmäßigen Intervallen erforderlich sein; es ist aber in jedem Fall erwünscht, daß die Messung und Überwachung so genau wie möglich und unter dem geringsten Ausmaß körperlichen Unbehagens für den Patienten ausgeführt wird.
Gewöhnlich ist es erwünscht, daß die Meßvorrichtung miniaturisiert wird. Wo es möglich ist, sollte auch die Geschwindigkeit der Durchführung der Messung vorzugsweise so hoch wie möglich sein und sollten die Kosten auf ein Mindestmaß herabgesetzt sein.
Zur Erfassung, zum Messen und zur Überwachung chemischer Eigenschaften einer Substanz wird im allgemeinen eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden gemessen, wobei eine derartige Potentialdifferenz von der gemessenen chemischen Aktivität abhängt. Bei einer Meßelektrode zur Durchführung einer solchen Messung - zumindest der Ionenaktivität - werden im allgemeinen Glaselektroden mit einer hydratisierten Glasschicht verwendet. Derartige Elektroden sind jedoch hinsichtlich der Art meßbarer chemischer Eigenschaften sehr eingeschränkt, wobei als derzeit erhältlich nur auf Kationen ansprechende Glaselektroden bekannt sind. (Siehe Veröffentlichung "Selective Ion Sensitive Electrodes" von G. J. Moody und J. D. R. Thomas, Merrow Publishing Co., Ltd., Watford, England, 1971.)
Eine andere bekannte Meßelektrode zur Messung von Ionenaktivität weist homogene und heterogene Festkörper-Elektroden und flüssige Ionenaustauscher-Membranelektroden auf (siehe vorgenannte Veröffentlichung von Moody und Thomas). Diese Meßelektrode ist im allgemeinen sehr kostspielig aufzubauen, sperrig und wie die Glaselektroden hinsichtlich der Arten meßbarer elektrochemischer Eigenschaften eingeschränkt.
Eine kürzliche Entwicklung einer Meßelektrode zur Messung von Ionenaktivitäten ist in dem Artikel "Development, Operation, and Application of the Ion-Sensitive Field-Effect Transistor as a Tool for Electrophysiology" von Piet Bergveld, in "IEEE Transactions of Biomedical Engineering", Septemper 1972, S. 342-351, beschrieben. Bergveld schlägt die Verwendung eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) vor, der zur Messung von Wasserstoff- und Natrium- Ionen-Aktivitäten in einer wässerigen Lösung durch Entfernen des Gate-Metalls modifiziert ist. Insbesondere wurde vorgeschlagen, einen MOSFET ohne das Gate-Metall aufzubauen, so daß beim Einbringen des Transistors in eine wässerige Lösung die Oxid- (Siliciumdioxid)-Isolationsschicht hydratisiert wird und danach bei Vorhandensein von Verunreinigungen in der hydratisierten Schicht ionenselektiv wird. Es wurde vorgeschlagen, daß nach der Hydratation der Isolationsschicht des MOSFET die Meßelektrode dadurch für die Ionenaktivitätsmessung verwendet werden kann, daß sie in die betreffende Lösung eingetaucht wird und dann ihre Leitfähigkeitsveränderungen aufgenommen werden.
Eine Schwierigkeit bei der von Bergveld vorgeschlagenen Meßelektrode besteht darin, daß das Eintauchen der Meßelektrode in eine wässerige Lösung eine Fortsetzung des Hydratationsvorgangs der Oxid-Isolationsschicht ergibt. Eine derartige Fortsetzung des Hydratationsvorgangs würde natürlich die Genauigkeit der Ionenaktivitätsmessungen beeinträchtigen und nach einer ganz kurzen Zeitdauer ein Kurzschließen der Meßelektrode ergeben, d. h. die Leitung durch die Meßelektrode von der Source-Elektrode zu der Drain-Elektrode würde schließlich nicht durch den Leitkanal, sondern vielmehr durch die hydratisierte Isolationsschicht erfolgen.
Aus "IEEE Transactions of Biomedical Engineering", November 1974, S. 485 bis 487, ist eine Meßelektrode gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt, die zur Messung biotischer Potentialdifferenzen und nicht zur selektiven Messung unterschiedlicher chemischer Eigenschaften ausgelegt ist. Nach diesem Stand der Technik ist über der Gate-Zone eine Isolationsschicht vorgesehen, die aus einer SiO₂-Schicht und einer Si₃N₄-Schicht besteht. Die Si₃N₄-Schicht ist ebenso wie die SiO₂-Schicht eine Isolationsschicht, die zur Stabilität des Gate-Isolators beiträgt. Bei Kontakt mit wäßrigen Lösungen, beispielsweise bei der Bestimmung des pH-Wertes, wird die Isolationsschicht hydratisiert und danach beim Vorhandensein von Verunreinigungen in der hydratisierten Schicht ionenselektiv, wobei die Einstellung des chemischen Gleichgewichts sehr lange dauert. Aufgrund dieses Hydratationsprozesses wird die Genauigkeit der Ionenaktivitätsmessung sehr stark eingeschränkt, und es kann nach kurzer Zeit zu einem Kurzschließen der Meßelektroden kommen. Ferner wurde bei der Bestimmung der Konzentrationen von Natrium- und Kaliumionen nur eine geringe Empfindlichkeit für diese Ionen festgestellt, so daß eine praktische Anwendung der bekannten Meßelektrode zur Bestimmung der Konzentrationen dieser Ionen nicht in Betracht kommt.
Aus der DE-AS 22 15 378 ist eine ionenselektive Meßelektrode mit einer Membran bekannt, die aus einer polymeren Matrix besteht, in der ein mit dem zu messenden Ion beladenes Ionenaustauschermaterial enthalten ist. Die Membran ist direkt auf die aus leitfähigem Metall oder Kohlenstoff bestehende Ableitelektrode aufgebracht.
Aus der US-PS 37 19 564 ist ein Gassensor für die Messung der Konzentration verschiedener reduzierbarer Gase bekannt, der eine elektrochemische Festkörperzelle mit einer Kathode und einer Anode aufweist, wobei zwischen Kathode und Anode eine als Elektrolyt dienende Dünnschicht aus einem Seitenerdmetallfluorid vorgesehen ist. Die Konzentration eines bestimmten reduzierbaren Gases wird dadurch gemessen, daß die Festkörperzelle einem dieses Gas enthaltenden Medium ausgesetzt und der Zellenstrom aufgezeichnet wird, der, wie ermittelt wurde, eine Funktion der Konzentration des Gases ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Oberbegriff von Patentanspruch 1 beschriebene ionenselektive Meßelektrode in der Weise zu verbessern, daß in einfacher Weise eine quantitative Erfassung unterschiedlichster chemischer Substanzen möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über der Isolationsschicht eine chemisch selektive Membran vorliegt, die einen Ionenaustauscher enthält.
Mit der erfindungsgemäßen Meßelektrode lassen sich nicht nur die Ionenaktivität, sondern auch die Konzentration von Enzymen und Substraten, insbesondere in tierischem Gewebe, bestimmen. Die ionenselektive Meßelektrode kann besonders fein ausgebildet werden und findet beispielsweise in einer Hohlnadel Platz, die leicht in das Gewebe eingeführt werden kann.
Der Halbleiter-Grundkörper der erfindungsgemäßen Meßelektrode hat eine bestimmte Dotierungspolarität, und die Diffusionszonen haben eine zu derjenigen des Grundkörpers entgegengesetzte Dotierungspolarität. Die chemisch selektive Membran kann mit bestimmten Substanzen, denen die Meßelektrode ausgesetzt wird, zusammenwirken, wobei dadurch ein in dem Grundkörper zwischen den Diffusionszonen erzeugtes elektrisches Feld entsprechend den chemischen Eigenschaften der Substanzen moduliert wird.
Eine der Erfindung entsprechende und diese erläuternde Meßelektrode ist ein selektiv chemisch empfindlicher FET-Wandler, der eine MOSFET-Vorrichtung enthält, bei der das Gate-Metall durch eine chemisch selektive Membran ersetzt wurde, die mit bestimmten Substanzen zusammenwirken kann, denen die Meßelektrode ausgesetzt wird. Ein derartiges Zusammenwirken bewirkt in der selektiven Membran die Entwicklung eines elektrochemischen Potentials, das das in dem Leitkanal der Meßelektrode erzeugte elektrische Feld moduliert. Die Größe dieses Potentials hängt von dem Ausmaß des Zusammenwirkens bzw. der Wechselwirkung in dem selektiven System ab, die wiederum allgemein von der Konzentration der Wechselwirkungskomponenten abhängig ist. Veränderungen des elektrischen Felds in dem Leitkanal der Meßelektrode ergeben eine Veränderung der Leitfähigkeit der Meßelektrode, wobei diese Veränderung auf einfache Weise gemessen werden kann und ein Maß für die chemischen Eigenschaften der Substanzen ergibt, denen die Meßelektrode ausgesetzt wird.
Vorteilhafterweise ist die Meßelektrode in ein für die Substanz undurchlässiges Material eingehüllt, das eine Öffnung zum Freilegen wenigstens eines Teilbereichs der chemisch selektiven Membran besitzt. Die Meßelektrode wird dann zur Erfassung chemischer Eigenschaften einer Substanz auf die Weise verwendet, daß die Meßelektrode der betreffenden Substanz ausgesetzt wird und Veränderungen der Leitfähigkeit der Meßelektrode beobachtet werden. Eine Anzahl derartiger Meßelektroden kann auf einem einzelnen integrierten Schaltungsplättchen eingesetzt sein, wobei jede eine unterschiedliche selektive Membran besitzt, die zum selektiven Zusammenwirken mit einer unterschiedlichen Substanz geeignet ist, der die Membran ausgesetzt wird.
Es sollen chemisch selektive Membranen zum Messen unterschiedlicher Ionenkonzentrationen von Lösungen, zum Messen der Konzentration unterschiedlicher reduzierbarer Gase, zum Messen der Konzentrationen unterschiedlicher Enzyme oder Substrate von Körperflüssigkeiten und zum Messen der Konzentration unterschiedlicher Antikörper und Antigene angegeben werden.
Gemäß einer Ausbildung der Erfindung ist eine Meßelektrode in Form eines FET- Wandlers der beschriebenen Art in der lichten Öffnung einer Hohlnadel nahe einem abgeschrägten Ende derselben befestigt und so angeordnet, daß die in die Höhlung an dem abgeschrägten Ende eintretende Lösung den freiliegenden Teilbereich der selektiven Membran der Meßelektrode berührt. Von der Meßelektrode erstrecken sich durch die Nadelöffnung hindurch elektrische Leiter für das Übertragen von Signalen an eine Auslesevorrichtung, die Leitfähigkeitsänderungen in der Meßelektrode anzeigt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Querschnitt einer normalen MOSFET- Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Meßelektrode in Form eines chemisch sensitiven FET-Wandlers, der zum Messen von Ionenaktivität oder Antikörper/Antigen- Konzentration geeignet ist.
Fig. 3 ist ein Querschnitt einer zur Messung der Konzentration reduzierbare Gase geeigneten Meßelektrode in Form eines chemisch sensitiven FET-Wandlers.
Fig. 4A und 4B zeigen Querschnitte von Meßelektroden in Form von chemisch sensitiven FET-Wandlern, die für die Messung von Enzym- oder Substrat-Konzentration geeignet sind.
Fig. 5A und 5B zeigen einen seitlichen Querschnitt bzw. einen Stirnquerschnitt einer Nadel und einer Meßelektrode für die Messung chemischer Eigenschaften einer Substanz.
Fig. 6A und 6B zeigen einen seitlichen Querschnitt bzw. einen Stirnquerschnitt einer Sonde bzw. eines Katheters mit geteilter Öffnung und einer Meßelektrode für die Messung chemischer Eigenschaften einer Substanz.
Fig. 7 zeigt einen Seitenquerschnitt eines hohlen Rohrs und einer Meßelektrode für die Messung chemischer Eigenschaften einer Lösung, die durch das Rohr läuft.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines integrierten Schaltungsplättchens mit mehreren Meßelektroden für die Messung chemischer Eigenschaften einer Substanz.
Vor der Beschreibung der Erfindung wird zweckmäßigerweise kurz die Wirkungsweise einer normalen MOSFET-Vorrichtung beschrieben. Die Fig. 1 ist ein Querschnitt einer MOSFET-Vorrichtung mit einem Halbleiter-Grundkörper 4, der typischerweise Silicium mit p-Dotierungspolarität ist. In dem Grundkörper sind an dessen oberer Fläche mit Abstand voneinander Diffusions-Zonen 6 und 8 mit n-Dotierungspolarität angeordnet. Eine dieser n- Diffusions-Zonen wird als Source-Zone (in diesem Fall die Zone 6) bezeichnet, während die andere als Drain-Zone (Zone 8 in Fig. 1) bezeichnet wird. Der Oberflächenbereich des Grundkörpers 4 zwischen den beiden Diffusions-Zonen wird allgemein als Gate- Zone bezeichnet. Elektrisch isolierendes Material 10, das typischerweise Siliciumdioxid oder eine Siliciumdioxid/ Siliciumnitrid-Schichtung ist, wird thermisch auf der Oberfläche des Grundkörpers 4 und insbesondere an der Gate-Zone zwischen den Diffusions-Zonen 6 und 8 gezüchtet. Das isolierende Material zwischen den beiden Diffusions-Zonen ist als Gate-Isolator bekannt. Auf der Source-Zone, der Gate-Zone und der Drain-Zone ist elektrisch leitfähiges Material 12, 14 bzw. 16 wie beispielsweise Aluminium abgelagert, um so mit diesen Teilbereichen des MOSFET-elektrischen Kontakt zu schaffen.
Wenn die Gate-Elektrode 14 bezüglich der Source-Zone 6 positiv gemacht wird, werden Mangelelektronen bzw. Löcher in dem Grundkörper 4 von einer Grundkörper-Isolator-Grenzfläche 18 weggestoßen, während Elektronen zu der Grenzfläche hin gezogen werden. Dies ergibt einen zwischen den beiden Diffusions-Zonen 6 und 8 ausgebildeten sog. Leitkanal, durch den ein Strom geleitet werden kann, sobald zwischen den beiden Diffusions-Zonen ein Potentialunterschied besteht. Die Leitfähigkeit dieses Kanals und damit die Stärke des fließenden Stroms ist abhängig von der Größe der Ladung an der Grundkörper-Isolator-Grenzfläche 18, d. h. von dem Potentialunterschied zwischen der Gate-Elektrode 14 und der Source-Zone 6. Anders ausgedrückt steuert die Gate- Spannung die Elektronendichte und damit den Stromfluß in dem Leitkanal, so daß andererseits die Größe des Stromflusses in dem Leitkanal eine Anzeige für die Größe der Gate-Spannung ergibt. Diese Eigenschaft wird bei der Erfindung gemäß der nachstehenden Beschreibung verwendet.
Ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Meßelektrode in Form eines selektiv chemisch empfindlichen FET-Wandlers ist in Fig. 2 gezeigt. Die Meßelektrode nach Fig. 2 besitzt einen dem Wandler nach Fig. 1 ähnlichen Aufbau mit einem p-leitenden Silicium-Grundkörper 30 und zwei n-leitenden Zonen 32 und 34, die in die Oberfläche des Grundkörpers 30 auf eine Tiefe von beispielsweise 1 bis 2 µm eindiffundiert sind und voneinander einen Abstand von ungefähr 20 µm haben. Die Meßelektrode besitzt ferner eine dünne Isolationsschicht aus elektrisch isolierendem Material 36 wie beispielsweise Siliciumdioxid, die über dem Grundkörper 30 und Teilen der Diffusions-Zonen 32 und 34 abgelagert ist. Auf der Source-Diffusions- Zone 32 und der Drain-Diffusions-Zone 34 sind zum Bilden elektrischen Kontakts mit diesen leitfähige Schichten 40 bzw. 42 wie Aluminium, n-leitendes Silicium usw. abgelagert. Der restliche Schaltungsaufbau der Meßelektrode nach Fig. 2 wird später beschrieben.
Die Meßelektrode nach Fig. 2 gemäß der bisherigen Beschreibung kann zur Messung unterschiedlicher Ionenaktivität, der Konzentration bestimmter reduzierbarer Gase, der Konzentration unterschiedlicher Enzyme oder Substrate oder der Konzentration bestimmter Antikörper oder Antigene verwendet werden. Dies soll durch Anbringen einer geeigneten chemisch selektiven Membran oberhalb des isolierenden Materials 36 über der Gate-Zone der Meßelektrode erfolgen. Eine derartige selektive Membran soll dazu geeignet sein, mit bestimmten Substanzen in Wechselwirkung zu treten, denen die Membran ausgesetzt wird, um dadurch elektrochemische Potentialveränderungen in der Membran zu erzeugen. Diese Potentialveränderungen sollen bewirken, daß das in dem Leitkanal zwischen den Diffusions-Zonen 32 und 34 erzeugte elektrische Feld und damit die Leitfähigkeit in dem Kanal moduliert wird. Die Ermittlung der Leitfähigkeitsveränderung soll daher die Erfassung und Messung unterschiedlicher chemischer Eigenschaften einer Substanz ermöglichen.
Die Meßelektrode nach Fig. 2 wird besonders hinsichtlich der Ausbildung zum Messen der Ionenaktivität und der Antikörper- oder Antigen-Konzentration beschrieben. Für die Messung der Ionenaktivität wird über dem isolierenden Material 36 oberhalb der Gate-Zone der Meßelektrode eine Membran 38 abgelagert. Die Membran 38 ist für das selektive Zusammenwirken mit einer bestimmten Art von Ionen bestimmt. Das heißt, die Membran 38 enthält einen Ionenaustauscher, der einen selektiven Ionenaustausch zwischen dem Austauscher und einer Lösung zuläßt, der die Membran ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die Membran 38 aus einem Ionenaustauscher wie in einem Plastifiziermittel wie Dioctyladipat gelöstem Calciumdidodecylphosphat zusammengesetzt sein, die in einem porösen Polyvinylchlorid gebunden sind. Diese besondere Membran wurde zum Aufbau von für Calcium selektive Elektroden verwendet (siehe vorgenannte Veröffentlichung von Moody und Thomas). Selbstverständlich können unter Verwendung bekannter Verfahren Membranen erzeugt werden, die für unterschiedliche Ionen selektiv sind (siehe vorgenannte Veröffentlichung von Moody und Thomas und die Veröffentlichung "Membrane Bioprobe Electrodes" von G. A. Rechnitz, C & EN, 27. Januar 1975, Seite 29). Die Ablagerung der Membran 38 auf das isolierende Material 36 kann durch einfaches Aufgießen einer Lösung durchgeführt werden, und die Membran kann beispielsweise eine Dicke von ungefähr 5 µm haben.
Da die Meßelektrode nach Fig. 2 bei der Verwendung für die Erfassung der Ionenaktivität typischerweise in Lösungen eingetaucht oder Lösungen ausgesetzt wird, die die betreffenden Ionen enthalten, ist es wünschenswert, daß die Meßelektrode mit Ausnahme eines Teils der Membran 38 vollständig mit irgendeiner Art eines lösungsundurchlässigen Materials abgedeckt wird. Die Schicht 44 in Fig. 2 stellt ein derartiges Material dar, das beispielsweise ein polymerisiertes Epoxyharz sein kann. Obgleich die Schicht 44 in Fig. 2 nur als Abdeckung des isolierenden Materials 36 und eines Teilbereichs der Membran 38 gezeigt ist, ist es selbstverständlich, daß das für die Lösung undurchlässige Material alle Teile der Meßelektrode unter Einschluß der elektrischen Zuleitungen usw. abdeckt, die in die Lösung getaucht werden könnten. Die verwendete Art des für die Lösung undurchlässigen Materials hängt natürlich von der Art der Lösung ab, in die die Meßelektrode eingetaucht wird, jedoch sollte allgemein das Material zumindest wasserundurchlässig und vorzugsweise biokompatibel sein, d. h., es sollte nicht nachteilig mit der Lösung oder dem Gewebe reagieren, dem die Meßelektrode ausgesetzt ist.
Eine Lösung, in die die Meßelektrode nach Fig. 2 eingetaucht wird, ist schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet, wobei sie so dargestellt ist, daß sie nur mit der für die Lösung undurchlässigen Schicht 44 und der Membran 38 in Berührung ist. Zum Anlegen einer Bezugsspannung für den Betrieb der Meßelektrode ist eine Bezugselektrode 48 aus Silber/ Silberchlorid, Kalomel bzw. Quecksilberchlorür oder einem anderen Material vorgesehen. Die Bezugselektrode 48 ist mit einer Spannungsquelle 50 verbunden, die die erwünschte Bezugsspannung abgibt. Ferner ist zwischen der Source-Elektrode 40 und der Drain-Elektrode 42 eine Spannungsquelle 52 zum Anlegen einer Potentialdifferenz vorgesehen, die ausreicht, einen Stromfluß in dem Leitkanal zwischen den Diffusions-Zonen 32 und 34 zu verursachen. Für die Messung des Drain-Stroms ist in den Schaltkreis zwischen die Spannungsquelle 52 und die Drain-Elektrode 42 ein Strommeßgerät 54 geschaltet.
Wenn die Meßelektrode nach Fig. 2 einer Lösung 46 ausgesetzt wird, die mit der Membran 38 zusammenwirkende Ionen enthält, arbeitet die Meßelektrode auf ähnliche Weise wie bei dem in Fig. 1 gezeigten MOSFET. Das heißt, wenn die Bezugselektrode 48 richtig vorgespannt ist, wirken die Ionen in der Lösung 46 mit der für Ionen selektiven Membran 38 unter Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen der Membran und der Lösung zusammen. Dies erzeugt ein elektrisches Feld in dem Leitkanal, wobei die von der Konzentration der Ionen in der Lösung abhängige Stärke dieses Felds die Stärke des Stromflusses durch den Leitkanal und damit die Stärke des Drain-Stroms steuert. Der Drain-Strom wird mittels des Strommeßgeräts 54 gemessen, das auf diese Weise ein Maß für die Ionenkonzentration in der Lösung 46 abgibt.
Die Membran 38 kann außer aus Polyvinylchlorid und einem geeigneten Ionenaustauscher auch aus Polyurethan, Siliconkautschuk oder einer Vielzahl anderer neutraler, hydrophober Matrizen zusammengesetzt sein, in denen ein geeigneter Ionenaustauscher gelöst ist (siehe vorgenannte Veröffentlichung von Moody und Thomas). Auch können ionisch leitende Festkörper der Kristallmembranen der beispielsweise in der vorgenannten Veröffentlichung von Rechnitz beschriebenen Art verwendet und z. B. mittels Vakuumablagerung über dem isolierenden Material 36 angebracht werden.
Zum Messen immunochemischer Aktivitäten - Antikörper- oder Antigen-Konzentration - kann die Meßelektrode nach Fig. 2 eine Membran 38 enthalten, die aus einem hydrophoben Polymer wie Polyvinylchlorid oder Polystyrol mit an dessen Oberfläche konvalent gebundenem Antikörper (oder Antigen) besteht. Ein Verfahren zur Durchführung einer derartigen Bindung ist aus der DE-OS 25 41 308 bekannt. Eine solche Membran wird über dem isolierenden Material 36 unter Verwendung gewöhnlicher Dünnfilmablagerungsverfahren wie beispielsweise Lösungsgießen abgelagert und kann beispielsweise eine Dicke von ungefähr 20 µm aufweisen. Die Membran kann ein Substrat aus einem hydrophoben Polymer besitzen, das durch Lösungsmittelwirkung anquellbar oder angequollen ist und in dem ein - gewöhnlich aliphatischer - Kohlenwasserstoffbestandteil mit einer geeigneten reaktiven Gruppe aus einem Lösungsmittelsystem absorbiert werden kann. Aus der sich ergebenden hydrophoben Membran hängt eine im wesentlichen aus Kohlenwasserstoff bestehende Kette, die eine auf Protein reaktive Gruppe wie beispielsweise eine Oxiran-Gruppe (Epoxid) oder eine andere auf Protein reaktive Gruppe enthält.
Vorzugsweise ist die Membran mit Kohlenwasserstoffketten versehen, die jeweils eine reaktive Gruppe haben, die eine besondere proteinreaktive Gruppierung durch Berührung der reaktiven Gruppe mit der proteinreaktiven Gruppierung binden können, wobei die Gruppierung über die Kette mit der Membran verbunden wird. Zweckmäßige proteinreaktive Gruppierungen sind Antigene oder Antikörper. Zu den typischen Polymeren für diesen Zweck gehören thermoplastische Polymere wie Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Silicon, Polyurethan, Polycarbonat, Polytetrafluorethylen und dgl. wärmehärtende Polymere wie Epoxyharze und vernetzte Polyester können ebenfalls geeignet sein. Typische Kohlenwasserstoffverbindungen mit reaktiven Stellen sind n-Decanol, n-Hexanol, n-Decylamin, n- Hexylamin, n-Decansäure und ähnliche Verbindungen mit beweglichem Wasserstoff. Andere geeignete reaktive Gruppen sind Hydroxyl-, Amin- und Carboxyl-Gruppen und dgl. Erforderlichenfalls kann eine Reihe von Behandlungsschritten zur Bildung einer Membran angewendet werden, die die Fähigkeit hat, eine besondere Komponente einzufangen.
Wenn die Meßelektrode mit einer derartigen Membran einer Lösung ausgesetzt wird, die ein Antigen enthält, mit dem der an der Fläche der Membran gebundene Antikörper eine Komplexverbindung eingehen kann (oder die einen Antikörper enthält, mit der das an der Oberfläche der Membran gebundene Antigen eine Komplexverbindung eingehen kann), ändert sich das Oberflächenpotential der Membran als Ergebnis der immunochemischen Reaktion der Antigen-Komplexbindung mit dem Membran-Antikörper (oder der Antikörper-Komplexbindung mit dem Membran-Antigen). Diese Reaktion ist aus der vorgenannten DE-OS 25 41 308 bekannt. Die Änderung des von der Konzentration des Antigens (oder Antikörpers) in der Lösung abhängigen Oberflächenpotentials moduliert das elektrische Feld in dem Leitkanal zwischen den Diffusions-Zonen 32 und 34, so daß dadurch die Leitfähigkeit der Meßelektrode geändert wird. Auf diese Weise kann die Konzentration unterschiedlicher Antikörper und Antigene in einer Lösung einfach und genau gemessen werden.
Die Fig. 3 zeigt eine Meßelektrode in Form eines chemisch sensitiven FET-Wandlers, der zur Messung der Konzentrationen von reduzierbarem Gas verwendet werden kann. Diese Meßelektrode enthält einen p-leitenden Silizium-Grundkörper 60 und zwei mit Abstand voneinander angeordnete n- leitende Diffusions-Zonen 62 und 64. In diesem Fall ist die Diffusions-Zone 62 die Drain-Zone und die Diffusions-Zone 64 die Source-Zone. Oberhalb der Gate-Zone des Grundkörpers 60 ist eine Siliciumdioxid-Isolationsschicht 66 abgelagert. In Berührung mit der Isolationsschicht 66 ist eine elektrochemische Zelle angeordnet, die eine Dünnfilm-Anode (oder -Kathode) 68 aufweist, die in Abstand von einem Dünnfilm-Kathoden-(oder -Anoden-)Gitter 70 angeordnet ist. Zwischen die Anode 68 und das Kathoden-Gitter 70 ist ein Elektrolyt 72 aus einem Seltenerdmetallfluorid wie z. B. Lanthanfluorid eingeschichtet. Oberhalb des Kathoden-Gitters 70 ist eine für ein reduzierbares Gas selektive Membran 74 angeordnet. Die Membran 74 dient zum selektiven Durchlassen bestimmter reduzierbarer Gase, die mit der Meßelektrode nach Fig. 3 erfaßt werden sollen, wie später erläutert wird. Wenn beispielsweise Sauerstoff ermittelt werden soll, kann die Membran 74 aus Polyethylen bestehen. Die Anordnung der Anode 68, des Kathodengitters 70, des Elektrolyten 72 und der Membran 74ist ausführlich in der US-PS 37 19 564 beschrieben, in der die Anwendung einer solchen, auf einem keramischen Grundkörper erzeugten Meßelektrode für die Messung der Konzentration von reduzierbaren Gasen erörtert ist. Gemäß der US-PS 37 19 564 kann die Kathode 70 aus einem Edelmetall und die Anode 68 aus einem gleichen Metall oder von dem Kathodenmetall verschiedenen Metall bestehen. In der US-PS 37 19 564 ist auch eine Vielzahl geeigneter Elektrolyte aus Seltenerdmetallfluoriden erörtert. Die Kathode und die Anode können mittels bekannter Vakuumablagerungsverfahren aufgebracht werden, und der Elektrolyt kann mittels bekannter Hochfrequenz-Aufsprühverfahren aufgebracht werden.
Nach Fig. 3 ist an die Anode 68 und das Kathoden- Gitter 70 eine Quelle 76 für konstanten Gleich- oder Wechselstrom angeschlossen, um die Elektroden so zu polarisieren, daß irgendeine Veränderung der Spannung zwischen den Elektroden das Ergebnis der Wechselwirkung des reduzierbaren Gases mit dem Zellen- Elektrolyt 72 ist, wie nachstehend erläutert wird. Im Betrieb wird die Konzentration des reduzierbaren Gases, dem die Meßelektrode nach Fig. 3 ausgesetzt ist, wiederum durch Feststellen des Drain-Stromes des FET mittels eines Strommeßgeräts 78 gemessen. Insbesondere ist der Spannungsabfall zwischen dem Kathoden-Gitter 70 und der Anode 68 eine Funktion der Konzentration des reduzierbaren Gases, wobei diese Spannung die Stärke des in dem zwischen den beiden Diffusions-Zonen 62 und 64 befindlichen Leitkanal erzeugten elektrischen Felds bestimmt. Das heißt, mit steigender Konzentration des reduzierbaren Gases verringert sich die Polarisationsspannung der Kathode. Daher fällt mit steigender Konzentration des reduzierbaren Gases die Spannung zwischen der Kathode 70 und der Anode 68 ab, so daß dadurch das elektrische Feld in dem Leitkanal verringert wird, was wiederum eine Verringerung des Drain-Stroms ergibt. Die Messung des Drain-Stroms mittels des Strommeßgeräts 78 ergibt daher eine Anzeige der Konzentration des gemessenen reduzierbaren Gases.
Die Meßelektrode nach Fig. 3 ergibt den Vorteil, daß die im Ansprechen auf Veränderungen der Spannung zwischen der Kathode und der Anode der elektrochemischen Zelle erzeugten Signale "an Ort und Stelle" verstärkt werden. Das heißt, die elektrische Zelle und der FET können auf einem einzelnen Blättchen gemäß der Darstellung in Fig. 3 aufgebaut werden, wobei diese Kombination sehr empfindlich und stabil ist und die erwünschten Signal-Störungs-Eigenschaften aufweist.
Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Meßelektrode zum Messen von Enzym- oder Substrat-Konzentration sind schematisch in den Fig. 4A und 4B dargestellt. Die Meßelektrode nach Fig. 4A enthält wie die zuvor beschriebenen Meßelektroden einen p-leitenden Grundkörper und n-leitenden Diffusions-Zonen (die zusammen durch den Block 63 dargestellt sind) und elektrisch isolierendes Material 65, das über dem Grundkörper und den Diffusions-Zonen liegt. Eine für Ionen selektive Membran 67 der vorstehend beschriebenen Art liegt über der Isolationsschicht 65. Gemäß der bisherigen Beschreibung entspricht der Aufbau nach Fig. 5A dem Aufbau nach Fig. 2. Der Unterschied zwischen den beiden liegt darin, daß die Meßelektrode nach Fig. 4A ferner eine Dünnfilm-Schicht oder Membran 69 enthält, die über der für Ionen selektiven Membran 67 liegt. Die Membran 69 ist aus einem Grundmaterial wie einem auf Wasser basierenden Gel (Agar, Polyvinylalkohol usw.) mit einem darin immobilisierten Enzym oder Substrat zusammengesetzt. Wenn die Membran ein immobilisiertes Enzym enthält, kann die Meßelektrode nach Fig. 4A die Konzentration von Substraten erfassen und messen, mit denen das Enzym reagieren kann. Wenn die Membran ein immobilisiertes Substrat enthält, kann die Meßelektrode die Konzentration von Enzymen erfassen und messen, mit denen das Substrat reagieren kann. Die Membran 69 kann über die Ionen selektive Membran 67 durch Lösungsguß aufgebracht werden und beispielsweise eine Dicke von 20 µm aufweisen.
Wenn die ein bestimmtes immobilisiertes Enzym enthaltende Membran 69 einer Lösung mit einem Substrat ausgesetzt wird, mit dem das Enzym reagiert, diffundiert das Substrat in die Membran, wo das Enzym die Umsetzung des Substrats in ein Produkt katalysiert, wobei diese Umsetzung entweder Ionen liefert oder Ionen verbraucht. Die Änderung der Ionenkonzentration wird dann wie vorstehend beschrieben mittels des übrigen Aufbaus der Meßelektrode nach Fig. 4A erfaßt. Eine entsprechende Reaktion tritt auf, wenn die bestimmte immobilisierte Substrate enthaltende Membran 69 einer Lösung mit einem Enzym ausgesetzt wird, mit dem die Substrate reagieren können. In jedem Fall ergeben die katalysierten Reaktionen entweder eine Steigerung oder eine Verminderung der Ionenkonzentration, auf die die für Ionen selektive Membran 67 anspricht. Da das Ausmaß der Ionenkonzentrationsänderung von der Menge des umzusetzenden oder reagierenden Substrats oder Enzyms abhängt, ergibt eine Messung der Ionenkonzentrationsänderung einen Maßstab für die Konzentration des umgesetzten Substrats oder Enzyms.
Für Enzyme und Substrate spezifische Membranen, die für die Verwendung bei der Meßelektrode nach Fig. 4A geeignet sind, sind in der Veröffentlichung "Enzyme Electrodes" von D. A. Gough und J. D. Andrade in "Science" 18D, 380 (1973) und den darin zitierten Literaturstellen beschrieben. Ein Beispiel für eine Membran ist Acrylamidgel, das immobilisierte β-Glucosidase enthält, die, wenn sie einer Amygdalin enthaltenden Lösung ausgesetzt wird, die Erzeugung von Glucose, Benzaldehyd und dem Ion CN^- bewirkt. Dieses Ion würde mit einer aus einer Silbersulfid/Silberjodid-Mischung zusammengesetzten, für Ionen selektiven Festkörpermembran 67 unter Modulation des elektrischen Felds in dem FET 63 reagieren und dadurch eine Anzeige der Konzentration von Amygdalin in der Lösung ergeben (siehe "Enzyme Elektrode For Amygdalin" von G. A. Rechnitz und R. Llenado in Anal. Chem., Band 43, 1971, Seite 283). Es ist natürlich selbstverständlich, daß nur bestimmte Enzyme und Substrate entweder zum Verbrauchen oder zum Erzeugen von Ionen reagieren und daß diese die Enzyme und Substrate sind, die bei der Meßelektrode nach Fig. 4A Verwendung finden.
Die Fig. 4B zeigt eine alternative Ausführungsform einer Meßelektrode die für die Erfassung von Enzym- oder Substrat-Konzentrationen bestimmt ist. Die Meßelektrode nach Fig. 4B enthält einen FET 71 mit p-leitenden und n-leitenden Zonen und elektrisch isolierendes Material 73 wie die vorstehend beschriebenen Meßelektroden. Eine elektrochemische Zelle 75 mit einer Konstantstromquelle 77 liegt über der Isolationsschicht 73 auf die schon in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Weise. Über der elektrochemischen Zelle 75 liegt eine für Enzyme oder Substrate empfindliche Schicht oder Membran 79.
Die Membran 79 besteht aus einem Grundmaterial wie auf Wasser basierendem Gel, das ein immobilisiertes Enzym oder Substrat enthält, das jeweils mit einem entsprechenden Substrat oder Enzym unter Erzeugung oder unter Verbrauch eines reduzierbaren Gases reagiert. Eine derartige Erzeugung oder ein derartiger Verbrauch reduzierbaren Gases beeinflußt die Konzentration eines solchen reduzierbaren Gases, das die elektrochemische Zelle 75 erreicht und mit ihr reagiert, was wiederum die Größe des in dem FET 71 erzeugten elektrischen Felds wie zuvor beschrieben beeinflußt. Daher kann eine Messung der Konzentration eines Enzyms oder eines Substrats in einer Lösung dadurch ausgeführt werden, daß die Meßelektrode nach Fig. 4B der Lösung ausgesetzt wird und die Veränderung der Leitfähigkeit des FET beobachtet wird.
Eine als Beispiel genannte Membran 79 ist aus einem Agar zusammengesetzt, das irgendeine immobilisierte Oxidase wie Lactatoxidase oder Glucoseoxidase enthält. Wenn eine solche Membran unter Vorhandensein von Sauerstoff einer ein oxidierbares Substrat wie Lactat oder Traubenzucker enthaltenden Lösung ausgesetzt wird, reagieren die Oxidase, das Substrat und der Sauerstoff und erzeugen CO₂ und H&sub2;O. Da das reduzierbare Gas Sauerstoff zur Reaktion verbraucht wird (wobei die verbrauchte Menge von der Konzentration von Lactaten in der Lösung abhängt), wird die Konzentration des die elektrochemische Zelle 75 erreichenden, mit ihr reagierenden Sauerstoffs verringert, was eine Veränderung der Spannung zwischen den Zellenelektroden und damit des in dem FET 71 erzeugten elektrischen Felds bewirkt.
Die Fig. 5A und 5B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Einführungsvorrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Meßelektrode. Die Fig. 5A ist eine seitliche Schnittansicht der Vorrichtung, während 5B eine Vorderschnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 5A ist. In der Fig. 5A ist eine Nadelspitzen-Einführungsvorrichtung mit einer Hohlnadel 80 gezeigt, deren eines Ende 82 angeschrägt ist, um ein Einführen der Nadel in lebendes Gewebe und dgl. zu ermöglichen. In der lichten Öffnung der Nadel ist nahe dem abgeschrägten Ende eine Meßelektrode in Form eines FET-Wandlers 84 angeordnet, der gemäß der vorangehenden Beschreibung mit einer (in Fig. 5A nicht gezeigten) chemisch selektiven Membran aufgebaut ist, die über der Gate-Zone des FET angeordnet ist. Die Meßelektrode 84 ist auf einem tragenden Grundkörper 90 angebracht, auf dem Anschlußteile 92 abgelagert sind, an die Zuleitungsdrähte 94 angeschlossen sind. Anschlußdrähte 96 verbinden die Zuleitungsdrähte 94 mit der Meßelektrode 84. Die Meßelektrode 84 und die zugehörigen Bauteile sind in einem für die Lösung undurchlässigen Material 86 eingehüllt, das eine Öffnung 88 für das Freilegen der selektiven Membran der Meßelektrode aufweist.
Die Zuleitungsdrähte 94 erstrecken sich längs der lichten Öffnung der Nadel und in dem Einhüllungs-Material 86 bis zu einer (nicht gezeigten) Stelle, wo sie zum Anschluß an eine Stromversorgung und eine irgendwie gestaltete Auslesevorrichtung wie ein Strommeßgerät aus der Nadel austreten. Die Meßelektrode 84 ist in der Öffnung der Nadel so angeordnet, daß die Öffnung 88 in dem für die Lösung undurchlässigen Material 86 in das Innere der Nadel 80 zeigt, so daß Flüssigkeit außerhalb von Zellen, Blut usw. aus dem Gewebe, in das die Nadel eingeführt wird, die selektive Membran der Meßelektrode badet. Das Einhüllungs-Material 86 kann innerhalb der Nadel in seiner Lage mittels eines geeigneten für die Lösung undurchlässigen Materials wie für medizinische Zwecke geeignetem elastischen Klebstoff auf Siliconbasis festgehalten werden.
Bei der Anordnung der Meßelektrode in der Öffnung der Nadel 80 ist es wichtig, daß der freiliegende Oberflächenbereich des für die Lösung undurchlässigen Materials 86 allgemein glatt ist und keine Taschen oder Höhlungen aufweist, wo sich die zu messende Lösung sammeln könnte und zurückbleiben könnte. Wenn die betreffende Lösung Blut ist, ist dies besonders wichtig, da Blut zum Gerinnen neigen würde und möglicherweise die Meßelektrode und die Nadelöffnungen verstopfen würde, wenn Taschen oder Höhlungen vorhanden wären. Aus diesem Grund ist an den Stellen, an denen das für die Lösung undurchlässige Material 86 an die Nadelwandung grenzt, wie an den Stellen 85 und 87 in Fig. 5B, das Material 86 zur Bildung einer ausgerundeten Kehlung gemäß der Darstellung geformt. Ferner ist die Oberfläche des für die Lösung undurchlässigen Materials 86 so gestaltet, daß sie allgemein mit der durch das abgeschrägte Ende der Nadel bestimmten Ebene abschließt. Die Formung des lösungsundurchlässigen Materials 86 in dieser Weise erleichtert das Einführen der Nadel in lebendes Gewebe.
Eine Bezugselektrode für die Meßelektrode-Nadel-Anordnung nach den Fig. 5A und 5B ist mit einer Elektrode 97 vorgesehen, die in einer elektrisch isolierenden Röhre 95 angeordnet ist, die wiederum in der lichten Öffnung der Nadel 80 angebracht ist. Ein Ende der Röhre 95 ist in einer Öffnung 99 in der Seitenwandung 80 so befestigt, daß das Innere der Röhre über die Öffnung mit dem Äußeren der Nadel in Verbindung steht. Das andere Ende der Röhre 95 erstreckt sich längs der Öffnung der Nadel bis zu einer Stelle, wo sie aus der Nadel austritt und mit einer Quelle 101 für eine elektrolytische Lösung wie Kaliumchlorid verbunden ist. Die Bezugselektrode 97 ist in der Röhre 95 um einen kurzen Abstand von der Öffnung 99 zurückgezogen und mit einer Bezugsspannungsquelle wie der in Fig. 2 gezeigten Quelle 50 verbunden. Die Quelle 101 für die elektrolytische Lösung ist für die Zufuhr eines langsamen Tropfenflusses der Lösung zu der Röhre 95 bestimmt, um so eine leitende Zwischenfläche zwischen der Bezugselektrode 97 und dem lebenden Gewebe zu bilden, in das die Nadel 80 eingeführt ist. Es ist offensichtlich, daß eine Vielfalt von Bezugselektrodenanordnungen zusammen mit der Meßelektrode-Nadel-Anordnung nach den Fig. 5A und 5B angegeben werden kann, so daß die gezeigte Anordnung nur ein Lösungsbeispiel ist.
Vorteilhafterweise ist das abgewandte Ende der Nadel 80 mit einer Injektionsspritze bekannter Art verbunden, so daß die Nadel dann in lebendes Gewebe gedrückt werden kann und die Injektionsspritze zum Herausziehen oder Einführen von Lösung betätigt werden kann. Selbstverständlich kann die Nadel mit irgendeinem anderen Instrument zum Zuführen von Lösung zu der Meßelektrode verbunden werden, um die Meßelektrode zu eichen oder die Messung chemischer Eigenschaften der Lösung zu erleichtern.
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einführvorrichtung mit der erfindungsgemäßen Meßelektrode. Die Fig. 6A zeigt einen seitlichen Querschnitt der Vorrichtung, während die Fig. 6B einen Stirnquerschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 6A zeigt. Die Einführvorrichtung nach Fig. 6A ist ein Katheter mit geteilter Durchlaßöffnung, der ein röhrenförmiges Element 100 mit einer Mittelwand 102 aufweist, welche sich von nahezu einem Ende des Katheters bis zu dessen anderem Ende erstreckt und das röhrenförmige Element 100 in zwei Abschnitte teilt, die getrennte Durchlaßöffnungen 118 und 120 bilden. In einer der Durchlaßöffnungen 118 ist eine auf einem Stützgrundkörper 106 befestigte Meßelektrode 104 angeordnet. Anschlußteile 108 verbinden Zuleitungen 110 mit Verbindungsleitungen 112, welche wiederum an die Meßelektrode 104 angeschlossen sind. Die Zuleitungen 110 erstrecken sich von den Anschlußteilen 108, durch die Durchlaßöffnung 118 bis zum entgegengesetzten Ende des Katheters, wo sie aus dem Katheter zum Anschluß an einen Signalverarbeitungsschaltungsaufbau austreten.
Die Meßelektrode 104 und die zugehörigen Bauteile sind in einem lösungsundurchlässigen Material 114 auf eine Weise eingehüllt, die der bei der Anordnung nach den Fig. 5A und 5B entspricht. In dem lösungsundurchlässigen Material 114 ist eine Öffnung 116 vorgesehen, um die chemisch selektive Membran der Meßelektrode 104 freizulegen. Das lösungsundurchlässige Material 114 mit der Meßelektrode 104 ist in dem Katheter mit einem lösungsundurchlässigen Klebstoff auf die Weise befestigt, daß die Durchlaßöffnung 118 vollständig gegen die andere Durchlaßöffnung 120 abgedichtet ist (siehe Fig. 6B). Wie bei der Anordnung nach den Fig. 5A und 5B ist das lösungsundurchlässige Material 114 in dem Katheter so gestaltet, daß es ausgerundete Kehlen bildet, so daß die zu messende Lösung sich nicht einfach sammeln kann und nicht den Katheter verstopfen kann.
Wie der Fig. 6A zu entnehmen ist, ist die Meßelektrode 104 so angeordnet, daß das bei der Öffnung 120 eintretende Fluid die chemisch selektive Membran der Meßelektrode berührt, so daß dadurch die Messung der chemischen Eigenschaften des Fluids möglich ist. Das Ende des Katheters, das dem Ende mit der darin befestigten Meßelektrode entgegengesetzt ist, kann vorteilhafterweise mit einer Injektionsspritze für das Ziehen oder Drücken von Flüssigkeiten über die Öffnung 120 an der Meßelektrode vorbei oder einfach für das Waschen und Reinigen des Katheters verbunden sein.
Eine in einer elektrisch isolierenden Röhre 121 enthaltene Bezugselektrode 123 ist in dem Katheter in einer Weise angebracht, die gleich derjenigen für die Nadel nach den Fig. 5A und 5B ist. Die Röhre 121 ist mit einer Elektrolytlösungsquelle 127 verbunden, wie sie für den Aufbau nach den Fig. 5A und 5B erläutert ist.
Die Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung die dazu dient, eine Meßelektrode 120&min; Lösungen anzusetzen, deren chemische Eigenschaften gemessen werden sollen. Zu dieser Anordnung zählt eine Röhre 122 mit einer Öffnung 124 in einer Seite derselben, über die die Meßelektrode 120&min; befestigt ist. Die Meßelektrode 120&min; ist in einem lösungsundurchlässigen Material 126 eingehüllt, das in einem an der Seite der Röhre 122 angebrachten Gehäuse 128 enthalten ist. Eine Öffnung 129 in dem lösungsundurchlässigen Material gibt die chemisch selektive Membran der Meßelektrode 120&min; frei. Die Meßelektrode 120 ist über Anschlußdrähte 130 an Zuleitungen 132 für die Übertragung von Signalen an eine Auslesevorrichtung irgendeiner Art angeschlossen. Die Öffnung 124 in der Seite der Röhre 122 ist vollständig mit dem lösungsundurchlässigen Material 126 und dem Gehäuse 128 ausgefüllt, so daß keine durch die Röhre 122 beförderte Flüssigkeit aus der Öffnung austreten kann. Wie in der Fig. 7 zu ersehen ist, berührt eine in irgendeiner Richtung die Röhre 122 durchlaufende Lösung die Meßelektrode und insbesondere die chemisch selektive Membran der Meßelektrode unter Abgabe einer Auslesung. Getrennt von dem Aufbau nach Fig. 7 kann eine Bezugselektrode verwendet werden, wie es vorangehend beschrieben ist.
Die Fig. 8 zeigt mehrere Meßelektroden 130 bis 136, die auf einem p-leitenden Grundkörper 138 aufgebaut sind.
Jede Meßelektrode enthält selbstverständlich ein Paar n-leitende Diffusions-Zonen, über denen eine geeignete Isolationsschicht liegt. Die Meßelektroden 130 und 132 enthalten ferner selektive Membranschichten, die jeweils für das Zusammenwirken mit einem bestimmten Ion und einem bestimmten Antikörper oder Antigen bestimmt sind. Die Meßelektrode 134 enthält eine chemisch selektive Membran, die zum Zusammenwirken mit einem bestimmten Enzym oder Substrat bestimmt ist, während die Meßelektrode 136 die Kombination einer Kathode, eines Elektrolyten, einer Anode und einer zum Zusammenwirken mit einem bestimmten reduzierbaren Gas geeigneten, für Gas selektiven Membran aufweist. Ein für Lösung und Gas undurchlässiges Material 140 ist über der Oberfläche des Grundkörpers 138 und über jeder Meßelektrode mit Ausnahme von Öffnungen angebracht, die einen Teil der chemisch selektiven Membran einer jeden Meßelektrode freigeben. Jede Meßelektrode 130 bis 136 ist mit geeigneten Spannungsquellen und Auslesevorrichtungen verbunden, so daß die Meßelektroden so arbeiten können, wie es vorstehend beschrieben ist.
Durch Anbringen mehrerer Meßelektroden auf einem einzelnen integrierten Schaltungsplättchen können unabhängige, jedoch gleichzeitige Ablesungen der chemischen Eigenschaften einer Lösung oder eines Gases vorgenommen werden, der oder dem das Plättchen ausgesetzt wird. Ein solches Plättchen kann sowohl der vorstehenden Beschreibung gemäß in einer Nadel, einem Katheter oder einer Röhre als auch in einer Vielzahl anderer Anordnungen für das gleichzeitige Freilegen der Meßelektroden auf dem Plättchen für unterschiedliche zu messende Lösungen oder Gase befestigt werden.
Auf die gezeigte und beschriebene Art und Weise kann eine billige, einfach aufzubauende und trotzdem stabile chemisch empfindliche Meßelektrode in Form eines FET-Wandlers geschaffen werden. Die Meßelektrode ergibt eine Verstärkung der im Ansprechen auf erfaßte chemische Eigenschaften erzeugten Signale an Ort und Stelle. Die Meßelektrode ist kompakt, besitzt lange Betriebsdauer und ist vielfältig verwendbar, wobei sie auf einfache Weise für die Verwendung bei einer Vielzahl von Einführungsvorrichtungen angepaßt werden kann.

Claims

1. Ionenselektive Meßelektrode mit einem Halbleiter-Grundkörper, einem Paar auf der Oberfläche des Grundkörpers mit Abstand voneinander angeordneten Diffusionszonen, die mit einem elektrischen Leiter verbunden sind, und einer Isolationsschicht, die über wenigstens einem Teilbereich der Diffusionszonen und über der zwischen den Diffusionszonen liegenden Oberfläche des Grundkörpers liegt, dadurch gekennzeichnet, daß über der Isolationsschicht (36; 65; 66) eine chemische selektive Membran (38; 67) vorliegt, die einen Ionenaustauscher enthält.

2. Meßelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem Polyvinylchlorid-, Polyurethan- oder Siliconkautschuk-Polymer und einem Ionenaustauscher besteht.

3. Meßelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran einen ionischen Festkörper-Leiter mit geringer Wasserlöslichkeit enthält.

4. Meßelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite chemische selektive Membran (69) über der ersten chemisch selektiven Membran (67) angeordnet ist, wobei die zweite chemisch selektive Membran ein Enzym enthält, das mit einem Substrat unter Abgabe von Ionen reagieren kann.

5. Meßelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite chemisch selektive Membran (69) ein Substrat enthält, das mit einem Enzym unter Abgabe von Ionen reagieren kann.