DE3854286T2

DE3854286T2 - Vorrichtung und verfahren zum nachweis flüssiger komponenten.

Info

Publication number: DE3854286T2
Application number: DE3854286T
Authority: DE
Inventors: Vinodhini Guruswamy
Original assignee: Medtest Systems Inc
Current assignee: Medtest Systems Inc
Priority date: 1987-01-29
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2008-01-30
Also published as: MX172462B; EP0300027B1; EP0300027A1; WO1988005833A1; AU1361488A; EP0651246A2; KR890700697A; US4762594A; CA1276229C; ATE126279T1; EP0300027A4; JP2758183B2; JPH01502360A; CN1015663B; KR950011404B1; IN171168B; AU621818B2; CN1031425A; BR8805405A; DE3854286D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die analytische Messung von Lösungen und insbesondere ein Verfahren zur bezugslosen Sensormessung unter Verwendung der Einpunkt-Kalibrierung bzw. Eichung.
Die traditionellen "nassen" Chemieverfahren in der analytischen Chemie und ihrer ausgeklügelteren Weiterentwicklung, der klinischen Chemie, wurden in den letzten Jahrzehnten durch elektronische Instrumente ersetzt. Mit dem Aufkommen verschiedener Instrumente wurde die Genauigkeit der Reproduzierbarkeit von Versuchsmessungen verbessert. Eine derartige Genauigkeit ist in klinisch chemischen Verfahren und insbesondere bei biomedizinischen Messungen von größter Bedeutung, wo winzige Messungen (Teile pro Million) üblich sind. Die Verbindung solcher Instrumente und einer solchen automatisierten Verarbeitung mit den Mikroprozessoren und kostengünstiger Computertechnologie bedeutete einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einer Verbesserung analytischer und klinischer chemischer Verfahren.
In der Unterdisziplin elektrochemischer Messungen wurden große Fortschritte bei den eingesetzten Instrumenten erzielt. Im allgemeinen erfordern herkömmliche elektrochemische Messungen die Messung zweier Probelösungen, die zwei unterschiedliche, bekannte Konzentrationen einer Substanz enthalten, zu Kalibrierungszwecken und die anschließende Messung einer Lösung, die eine unbekannte Menge der Spezies enthält. Elektrochemische Methoden erfordern im allgemeinen die Verwendung einer Bezugselektrode, einer substanzspezifischen Elektrode und einer Brücke zwischen der Lösung, um eine Zelle für potentiometrische Messungen zu bilden. Das aus der Zelle erhaltene elektrische Signal (üblicherweise in Millivolt) ist proportional zur Ionenaktivität und daher zur Konzentration der Substanz in der Lösung. Die Beziehung zwischen Signal und Konzentration ist algebraisch durch eine Nernst-Gleichung ausdrückbar:
V = Mf[C] + l + J
worin V die Spannung bzw. das Spannungssignal ist
Mf die Rampe ist (eine Konstante für die bestimmte Elektrode und Substanz)
l eine Konstante für eine bestimmte Substanz ist
J das Anschlußpotential der Zelle ist
[C] die Ionenaktivität (Konzentration der Substanz) ist.
Um die zur Lösung der Gleichung erforderlichen Werte festzulegen, ist es zunächst erforderlich, die Rampe Mf für die Elektrode zu bestimmen. Für diesen Schritt werden Messungen zweier bekannte Konzentrationen enthaltender Lösungen vorgenommen, die Werte in die obige Gleichung eingesetzt und die Gleichungen gleichzeitig gelöst, um die Rampe zu erhalten. Als nächstes muß man die Konstante l für die jeweilige Substanz in Lösung relativ zur jeweiligen Elektrode bestimmen. Das Anschlußpotential wird auch durch herkömmliche Verfahren bestimmt. Das obige Verfahren wird üblicherweise als Doppel- oder Zweipunkt-Kalibrierung bezeichnet. Entwicklungen in jüngster Zeit auf dem Gebiet der Elektrodentechnologie machten die Rampenbestimmung überflüssig, indem sie voreingestellte, Einweg-Elektroden bereitstellten, bei denen die Rampe für eine bestimmte Substanz und Elektrodenstruktur bekannt ist. Diese Vorrichtungen sind jedoch im allgemeinen aufgrund der Rampenverschiebung nach einer gewissen Kontaktzeit mit der Lösung auf eine einmalige Verwendung beschränkt. Die Rampenverschiebung ist neben anderen Ursachen auf die Hydrierung einer zuvor unhydrierten Elektrode zurückzuführen. Aufgrund dieser Anordnung sind solche Einweg-Elektroden auf die Verwendung mit spezifischen Systemen und Elektrodenanordnungen beschränkt.
Große Verbesserungen wurden hinsichtlich der Empfindlichkeit der für die elektrochemische Analyse verwendeten Sensoren erzielt. Viele relativ neue Sensortypen werden nunmehr in Laboratorien eingesetzt Am interessantesten sind dabei die ionenselektive Elektrode (ISE), die auf Enzymbasis selektive Elektrode (EBSE), die auf Antikörperbasis selektive Elektrode, der chemische Feldeffekt-Meßwandler (CHEMFET) und der ionenselektive Feldeffekt-Meßwandler (ISFET). Jeder dieser Sensortypen kann in eine Anzahl physikalischer Varianten, einschließlich beschichteter Drahtelektroden, Dünnfilmelektroden usw., eingebaut werden. Diese eignen sich nicht nur für klinischchemische Anwendungen, sondern auch für allgemeine Anwendungen auf den Gebieten der industriellen Chemie, Pharmazie, Biochemie, Umweltschutz usw. Diese Vorrichtungen stellen dem Techniker eine große Auswahl an Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung, die elektrische Signale produzieren, die proportional zur Ionenaktivität einer oder mehrerer bestimmter Substanzen sind, für die die Sensoren speziell konstruiert sind; daraus ergeben sich immer genauere Messungen
Bezüglich optischer Sensoren und analytischer Verfahren, die vor allem auf Kolorimetrie beruhen, ist kurz anzumerken, daß auch sie eine entsprechend rasche Entwicklung erfuhren. Zu großen Fortschritten kam es vor allem auf dem Gebiet der Biochemie, d.h. bei Enzym- und Antikörper-Antigen-Reaktionen.
Der Techniker auf dem Gebiet sieht sich allerdings einer zunehmenden Anzahl an Problemen in Zusammenhang mit den neuen Technologien gegenüber. Aufgrund der Empfindlichkeit der oben erwähnten Sensoren sind sie oft sperrig konstruiert. Vor allem elektrochemische Sensorsysteme erfordern im allgemeinen eine Bezugselektrode und eine auf eine Spezies ansprechende Elektrode, die beide sorgfältig kalibriert oder voreingestellt bzw. vorbehandelt werden müssen Besonders im Falle von Bezugselektroden kann es vorkommen, daß sich vermeintlich identische Elektroden aufgrund von Herstellungstoleranzen geringfügig voneinander unterscheiden, wobei dies zu Fehlmessungen, Abweichungsproblemen und Anschlußpotential-Fehlern führen kann
Messungsvariationen können bei der Verwendung solcher Elektroden aufgrund der Signalabweichung und variierender Anschlußpotentiale zwischen der Bezugselektrode in den untersuchten Medien und zugehörigen Elektroden auftreten Der Beitrag des Anschlußpotentials zum Signal ergibt sich nicht nur aus der Elektrodenstruktur, sondern variiert auch von Instrument zu Instrument und von Messung zu Messung. Bei empfindlichen bzw. sehr exakten Messungen sind solche Variationen völlig inakzeptabel. Weitere Probleme entstehen durch die steigende Empfindlichkeit der Elektroden, vor allem in biomedizinischen Anwendungen, wo präzise Messungen entscheidend sind. Faktoren wie Langlebigkeit, Stabilität und Kontaminierung der Bezugselektrode, insbesondere bei Verwendung in aggressiver Umgebung, z.B. bei der invasiven Überwachung während chirurgischer Eingriffe, müssen berücksichtigt werden; diesbezügliche Probleme wurden noch nicht gelöst. Schließlich stehen elektrochemische Systeme, die Vorrichtungen umfassen, die relativ sperrige Bezugselektroden erfordern, in mehr oder weniger krassem Gegensatz zur Bestrebung, immer kleinere Geräte zu produzieren.
Während elektrochemischer Messungen von komplexen, d. h. Multikomponenten- Lösungen tritt ein weiteres Problem auf, nämlich die Trennung des Signals vom Bezugselektroden-Anschlußpotential. Zur Messung komplexer Lösungen, die viele potentiell zusammenwirkende elektroaktive Spezies enthalten, kann im Gegensatz zur elementaren Bewertung einer Einzelspezies-Lösung der Aktivitätskoeffizient (die Beiträge der einzelnen Komponenten) aufgrund elektrochemischer Synergie nicht präzise bestimmt werden. Elektrochemische Messungen komplexer organischer Lösungen wie z.B. Blut erfordern daher die Interpretation des Signals aufgrund der mangelnden Präzision bei der Bestimmung des Beitrags einer bestimmten Substanz. Wenn präzise Messungen notwendig sind, ist die durch eine derartige Interpretation entstehende Mehrdeutigkeit im besten Fall riskant und im schlechtesten Fall letal. Der Einfluß, den die Abweichung der Bezugselektrode und der Probenelektrode hat, und das Problem mit der Identifizierung dem Anschlußpotentials könnten zu abnormalen Messungen führen.
Ein praktisches Problem in Zusammenhang mit Systemen des Stands der Technik ist die Herstellung und die Bereitstellung von speziesspezifischen Elektroden und Bezugselektroden. Im allgemeinen besitzen die Bezugselektroden eine komplexere Konstruktion, um wiederverwendbar zu sein. Daraus ist bereits ersichtlich, daß Messungen unter Verwendung solcher Elektroden aufgrund von Herstellungstoleranzen in jeder Hinsicht variieren. Es bestehen also nicht nur das Abweichungs- und Kalibrierungsproblem, sondern auch jenes der Standardisierung; diese ist besonders dann schwierig, wenn mehrere Messungen von unterschiedlichen Lösungen durchgeführt werden, die zur Kalibrierung und Bewertung unbekannter Lösungen erforderlich sind.
Die meisten analytischen Systeme sind der Umgebung ausgesetzt und nicht anaerob. Eine anaerobe Umgebung ist wünschenswert, um den in vivo-Bedingungen mehr zu entsprechen. Weiters ist es z.B. bei der Blutgas-Analyse wichtig, die Probenkontaminierung durch Luft zu vermeiden, damit die Ergebnisse nicht verzerrt sind. Schließlich ist die Durchführung einer Reihe an Substanzmessungen aus einer Probe sehr zeitaufwendig und erfordert viele Einzelmessungen. Es ist nicht nur der Zeitfaktor ein Problem, sondern es kommt auch wahrscheinlich zur Probenkontaminierung und chemischen Veränderungen in der Probe. Daher ist es wünschenswert, eine anaerobe Meßumgebung aufrechtzuerhalten, um genaue Messungen bestimmter Substanzen und vor allem von Blutgas-Konzentrationen zu erzielen. Die meisten der in letzter Zeit entwickelten Systeme bieten keine Fixierung oder fixe Volumenszufuhr. Es werden komplizierte Ruhr- oder Mischanordnungen verwendet, um eine gleichmäßige Zufuhr zum Sensor zu gewährleisten. Es wäre wünschenswert, Messungen eines fixen Lösungsvolumens vorzunehmen und besonders wunschenswert, eine Analyse zu ermöglichen, die nur ein geringes Lösungsvolumen erfordert, das zum Zwecke der Messung gleichmäßig dem Sensor zugeführt wird.
Andere praktische Überlegungen ergeben sich aus der Laborverwendung durch den Kliniker. Wenn ein System wiederverwendbar sein soll, obliegt es dem Bediener oder Techniker, dafür zu sorgen, daß die Elektroden bei der Vorbereitung auf einen Versuch nicht kontaminiert werden. Vor jeder Verwendung ist eine gründliche Reinigung und erneute Kalibrierung notwendig. Solche Tätigkeiten sind arbeitsintensiv und machen den Einsatz wiederverwendbarer Systeme - insbesondere in Krankenhauslabors usw. - kostenineffizient. Bei Verwendung von Einweg-Systemen ergeben sich Probleme bezüglich der durch den Techniker angewendeten Verfahren.
Ein weiterer bislang noch nicht entwickelter Aspekt einer elektrochemischen Vorrichtung ist ein kompaktes, leicht verwendbares Instrument zum Einsatz im Labor oder vor Ort, das durch minimal eingeschultes Personal bedient werden kann. Standardisierte Miniaturgeräte stehen für analytische elektrochemische Messungen wie die oben beschriebenen derzeit nicht zur Verfügung.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Probleme in Zusammenhang mit den Verfahren und Techniken des Stands der Technik zu lindern.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Kalibrierungsmessung von Chemikalien in einer Lösung bereitgestellt, die nur N + 1 Sensoren benutzt, worin N gleich der Anzahl, einschließlich eins, der nachzuweisenden Chemikalien ist, wobei zumindest eine erste chemische Spezies in einer Lösung mit wenigstens zwei Chemikalien nachgewiesen werden sollen, wobei wenigstens ein erster ionenspezifischer Sensor und ein zweiter ionenspezifischer Sensor, die Elektroden umfassen, ohne eine Bezugselektrode verwendet werden, wobei der erste Sensor eine Kombinationselektrode ist, die nur auf die erste und eine zweite verschiedene chemische Spezies anspricht, und der zweite Sensor eine Elektrode ist, die nur auf die zweite Spezies anspricht, wobei die Elektroden des ersten und zweiten Sensors jeweils eine elektrische Ladung entwickeln, die von der Konzentration in einer Lösung der Spezies abhängt, auf die sie nach Kontakt mit der Lösung anspricht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
(a) In-Kontakt-Bringen der Sensoren mit einer Lösung, die wenigstens die erste und zweite verschiedene ehem sche Spezies enthält.
(b) Erhalten eines ersten Signals, das von den Unterschieden der elektrischen Ladungen bestimmt wird, die von den beiden Sensoren entwickelt werden, wenn sie durch die Lösung kontaktiert werden,
(c) In-Kontakt-Bringen der Sensoren mit wenigstens einer zweiten Lösung, die bekannte Mengen der ersten und zweiten Spezies enthält, und Erhalten wenigstens eines zweiten Signals, das der Differenz zwischen den Ladungen entspricht, die als Reaktion auf die zweite Lösung vom ersten und zweiten Sensor entwickelt werden,
(d) Übertragen des wenigstens ersten und zweiten Signals zu einem Signalprozessor,
(e) wenn N = 1, In-Kontakt-Bringen der Sensoren wenigstens mit einer dritten Lösung, die bekannte Mengen der ersten und zweiten Spezies enthält, und Erhalten eines dritten Signals, das der Differenz zwischen den Ladungen entspricht, die als Reaktion auf die dritte Lösung vom ersten und zweiten Sensor entwickelt werden, und Übertragen des dritten Signals zu einem Signalprozessor,
(f) Bestimmen der Konzentration der ersten chemischen Spezies mit einer Berechnungsvorrichtung, die operativ an den Signalprozessor angeschlossen ist.
Ein Verfahren zur Kalibrierungsmessung zumindest einer ersten und einer zweiten Spezies in Lösung sieht gemäß der Erfindung nur die Verwendung ionenspezifischer Sensoren vor, wobei die Zahl ionenspezifischer Sensoren der Zahl der Spezies plus eins entspricht, wenn in einer Mehrkomponenten-Lösung mit zumindest zwei zu messenden Lösungen zumindest ein erster, zweiter und dritter Sensor mit Elektroden ohne eine Bezugselektrode verwendet werden, wobei der erste Sensor eine Kombinationselektrode ist, die auf die erste und zweite Spezies anspricht, der zweite Sensor eine Elektrode ist, die nur auf die erste Spezies anspricht, und der dritte Sensor eine Elektrode ist, die nur auf die zweite Spezies anspricht, wobei die Elektroden des ersten, zweiten und dritten Sensors jeweils eine elektrische Ladung entwickeln, die von der Konzentration in einer Lösung der Spezies abhängt, auf die sie bei Kontakt mit der Lösung anspricht. Das Verfahren umfaßt das In-Kontakt-Bringen der Sensoren mit einer Lösung, die die erste und zweite Spezies enthält, das Erhalten eines ersten und zweiten Signals, worin das erste Signal der Differenz zwischen der elektrischen Ladung, die als Reaktion auf die erste Lösung durch den ersten und zweiten Sensor entwickelt wird, und das zweite Signal der Differenz zwischen der elektrischen Ladung, die als Reaktion auf die erste Lösung durch den ersten und dritten Sensor entwickelt wird, entspricht. Die Signale werden dann an einen Signalprozessor weitergeleitet. Der nächste Schritt umfaßt das In-Kontakt-Bringen der Sensoren mit einer zweiten Lösung, die bekannte Mengen der ersten und zweiten Spezies enthalt, und das Erhalten eines korrespondierenden dritten und vierten Signals aus dem ersten und zweiten Sensor bzw dem ersten und dritten Sensor, die einem Signalprozessor zugeführt werden, sowie das Bestimmen der Konzentration der ersten und zweiten Spezies.
Ebenso kann das Verfahren zunächst das Einbringen der bekannten Lösung und danach der unbekannten Lösung vorsehen. Es ist weiters dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, daß die Konzentrationsbestimmung der Bestimmung der Aktivität der jeweiligen Substanzen in Lösung entspricht. Die durch diese Technik erzielten Vorteile in elektrochemischen Verfahren lassen sich darin zusammenfassen, daß sie eine Bezugselektrode und entsprechende Rampen- und Erfassungsvariationen überflüssig machen. Sie ist auf die Miniaturisierung einstellbar und erfordert nur Vergleichsmessungen zwischen bestimmten Spezies und lediglich N + 1 Sensoren zur Messung von N Spezies. Außerdem minimiert sie den Arbeitsaufwand und Interpretationsfehler, besonders in Kombination mit den hierin beschriebenen Geräten
Eine Kassette zur Verwendung bei der Messung von Chemikalien in Lösung unter Verwendung von N + 1 Sensoren, worin N gleich der Anzahl, einschließlich eins, von Chemikalien ist, die nachgewiesen werden sollen, umfaßt ein Gehäuse, eine Kammer, um ein vorbestimmtes Lösungsvolumen zu enthalten, ein erstes Einlaßmittel, um eine Lösung, die eine erste und zweite unterschiedliche Spezies enthält, in die Kammer einzuführen, ein zweites Einlaßmittel, um eine zweite Lösung, die bekannte Mengen der ersten und zweiten chemischen Spezies enthält, in das Gehäuse einzuführen, wenigstens zwei Sensoren, von denen jeder Elektroden umfaßt, aber ohne Bezugselektrode, wobei ein erster der Sensoren eine Kombinationselektrode umfaßt, die auf die erste und zweite Spezies anspricht, und ein zweiter der Sensoren eine Elektrode umfaßt, die nur auf die zweite Spezies anspricht, wobei die Elektroden dem ersten und zweiten Sensors jeweils eine elektrische Ladung entwickeln, die von der Konzentration in einer Lösung der Spezies abhängt, auf die sie bei Kontakt mit der Lösung anspricht, einen Speicher im Gehäuse, um Fluid aufzunehmen, das aus der Kammer verdrängt wird, ein Mittel, um das Fluid in die Kammer zu zwingen, um davon in den Speicher zu fließen, ein Mittel, um im wesentlichen Fluidrückströmung vom Speicher zur Kammer zu verhindern, wobei die Sensoren im Gehäuse angeordnet sind und an die Kammer zwischen dem Einlaßmittel und dem Rückströmverhinderungsmittel angeschlossen sind, ein Mittel, um Signale, die von den Sensoren erzeugt werden und den Defferenzen der elektrischen Ladungen entsprechen, die als Reaktion auf eine Lösung von den Sensoren entwickelt werden, wenn sie mit der Lösung in der Kammer in Kontakt gebracht werden, aus dem Gehäuse zur Verarbeitung zu übertragen, und ein Berechnungsmittel, um die Konzentration von wenigstens der ersten Spezies in der ersten Lösung anhand der Signale zu bestimmen.
Diese Kassette ist vorzugsweise für ein Miniaturinstrument konstruiert, hält die Versuchslösung in einer anaeroben Umgebung, erfordert das Einbringen nur einer geringen Lösungsmenge für die Versuchsverfahren, ist auf den Einbau einer Anzahl unterschiedlicher Sensoren und Sensortypen einstellbar und ist sogar entsorgbar.
Der Sensor besitzt ein leitendes Element, das Signale leiten kann, das eine erste Oberfläche bestimmter Querschnittsdimensionen aufweist und mit einem speziesspezifischen reaktiven Mittel zum Reagieren mit einer ausgewählten aktiven Spezies in Lösung gekoppelt ist. Das reaktive Mittel steht in engem Kontakt mit dem leitenden Element ist kann ein Signal erzeugen, das der aktiven Spezies in Lösung entspricht. Das reaktive Mittel besitzt eine Größe, um die erste Oberfläche zu bedecken und sich in einem beträchtlichen Ausmaß über den Umfang der ersten Oberfläche zu erstrecken, um die Kantenwirkung zu minimieren.
Die klar beschriebene Sensoranordnung erleichtert gleichmäßige und reproduzierbare Messungen einer Lösung, indem eine einheitliche Wechselwirkung zwischen dem speziesspezifischen Empfänger und dem Signalleiter an der Grenzfläche des Empfängers und Leiters sichergestellt wird. Dies wird durch Eliminieren oder Minimieren der Kantenwirkung am Leiterumfang erzielt. Der Sensor ist zum Einbau in die hierin beschriebenen Geräte vorgesehen und kann leicht auf die Verwendung beim bezugslosen Verfahren eingestellt werden. Der entscheidende Aspekt der Sensorstruktur steht im Gegensatz zur allgemeinen Auffassung. Nicht die präzise Sensorgeometrie bietet gleichmäßige Messungen (besonders bei Einpunkt-Kai ibrierungsverfahren), sondern das Vorsehen einer beträchtlichen Überlappung, die den Einfluß der Kantenwirkung minimiert und Messungen höherer Genauigkeit ungeachtet der Sensorgeometrie ermöglicht.
Die Kassette kann in einem besonders vorteilhalten, komptakten Instrument zur Lösungsanalyse verwendet werden. Das Instrument enthält ein Gehäuse, ein Informationsanzeigemittel, das auf der Oberfläche des Gehäuses enthalten ist, um Informationen anzuzeigen, bin Auswahlmittel, um die anzuzeigenden Informationen auszuwählen, einen auf dem Gehäuse positionierten Behälter vorbestimmter Dimensionen, und- ein Mittel zur Verarbeitung elektrischer Signale und zur Weiterleitung der verarbeiteten Signale an die Informationsanzeige. Das Instrument enthält weiters die Kassette, die so dimensioniert ist, daß sie in den Behälter paßt.
Das beschriebene Instrument ist so beschaffen, daß es-ein weitaus einfacheres, kleineres und leichter zu bedienendes Gerät bereitstellt, das besonders zur Verwendung vor Ort geeignet ist. Es verringert das erforderliche Ausmaß klinischer Fertigkeiten und Kentnisse sowie den Arbeitsaufwand, der zur Bedienung und Erzielung einer genauen Lösungsanalyse erforderlich ist. In Kombination mit den Verfahren und der Vorrichtung, die hierin beschrieben sind, eignet sich das Instrument besonders dazu, eine breite Palette analytischer Bestimmungen bereitzustellen, bei denen eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren und Sensortypen zum Einsatz kommt, um rasche Probenbewertungen vorzunehmen.
Zusammenfassend gesagt ist ein neues bezugsloses analytisches Verfahren, eine Sensorstruktur, die den Einfluß der Kantenwirkung ausschalten eine Kassette, die unter anderem zur Miniaturisierung ausgebildet ist und die Versuchslösung in einer neutralen Umgebung hält, und eine kompakte, in sich geschlossene, leicht zu verwendende analytische Messungsverarbeitungseinheit bereitgestellt.
Es folgt eine Beschreibung erfindungsgemäßer Anordnungen anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigelegten Abbildungen, worin:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist;
Fig.2 eine grafische Darstellung der Flußdichte-Verteilung über die Sensoren ist;
Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensorkassette ist;
Fig.4 eine Draufsicht einer Sensoranordnung ist;
Fig.5 eine perspektivische Ansicht eines kompakten erfindungsgemäßen Instruments ist;
Fig.6 eine Ansicht des Instruments in einer zusammengefalteten Konfiguration ist;
Fig.7 eine perspektivische Ansicht einer entsorgbaren, sensorenthaltenden Kassette ist;
Fig.8 eine grafische Darstellung der Sensorkonstruktion und der Flußdichte-Variationen ist, die durch die Kantenwirkung hervorgerufen werden.
Zur besseren Übersichtlichkeit werden die dargestellten Ausführungsformen erstens durch das neue Verfahren in Zusammenhang mit der elektrochemischen Analyse spezifischer Substrate, zweitens durch die Sensorstruktur in Form einer Elektrode, drittens durch eine Sensoranordnung in Form einer eine Miniaturelektrode enthaltenden Kassette und viertens durch ein solarbetriebenes Miniaturinstrument auf der Basis eines Mikroprozessors zur Verwendung im Labor und vor Ort beschrieben.
Zu Beginn ist zu beachten, daß die dargestellten Ausfuhrungsformen präzise Strukturen und Miniaturausführungen vorsehen, die nicht entscheidend sind. Beispielsweise ist es offensichtlich, daß Laborgeräte beträchtlicher Größe hergestellt werden können. Es können auch Mehrzweck-Kassetten mit Bezugselektroden vorgesehen sein, die jeweils bestimmte der hierin beschriebenen Prinzipien verkörpern.
Bezugnehmend auf das Verfahren und Fig.1 ist ein Mehrkanal-Sensorsystem 10 dargestellt. Sensor 10 umfaßt eine Anordnung an Sensoren 12, die in diesem Fall aus vier einzelnen Elektrodensensoren 16, 18, 20 und 22 bestehen. Der Einfachkeit halber nimmt man an, daß der elektroaktive Sensor 16 auf eine Spezies A, Sensor 18 auf eine Spezies B, Sensor 20 auf eine Spezies A und B und Sensor 22 auf Spezies A und C anspricht. (Diese Spezies können aus vielen Spezies wie z.B. Kalium, Natrium, Chlor, Wasserstoffion oder ausgewahlten biologischen und organischen Molekülen ausgewählt werden.) Alle Spezies A, B und C sind Substanzen, die in einem Fluid enthalten sind, das mittels einer der zwei Variationen des unten beschriebenen Verfahrens elektrochemisch bewertet werden soll Genauer gesagt geht man davon aus, daß ein komplexes biologisches Fluid wie z.B. Blut einer solchen Bewertung unterzogen wird.
Speziesspezifische Abdeckungsmembranen 17, 19, 21 und 23 (nähere Beschreibung weiter unten), die jeweils den Sensoren 16, 18, 20 bzw. 22 entsprechen, sind mit ionenausgewählten Materialien imprägniert, wobei die Elektroden auf A, B und C und Kombinationen A und B sowie A und C ansprechen. Die Membranen und Sensoren sind so angeordnet, daß sie für ein im wesentlichen gleichmäßiges elektrisches Signal sorgen, das durch die Wechselwirkung zwischen der Zielspezies in Lösung und der elektroaktiven Verbindung in der Membran hervorgerufen wird. Eine entsprechende Ladung entwickelt sich zwischen der Membran und dem Sensor, wodurch eine Ladungsverteilung und ein Potential entsteht, die bzw das proportional zur Ionenaktivität der Spezies ist.
Es wird nun die wichtigste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die potentiometrischen Elektrodensensoren 16, 18 und 20 beschrieben. Es ist für den Fachmann auf dem Gebiet offenkundig, daß Sensoren 16, 18 und 20 Halbzellen darstellen, wobei die Kombination von zwei Halbzellen eine elektromotorische Kraft (EMK) erzeugt, die für die Potentialdifferenz zwischen ledem der jeweiligen Sensoren repräsentativ ist. Bezugnehmend auf Sensor 20, eine Kombinationselektrode für Spezies A und B, wird sein elektrisches Potential in der einfachsten Form durch die Gleichung
E20halb = MAlogCA + MBlogCB + lAB (2)
ausgedrückt. MA und MB sind Konstanten für Spezies A bzw. B, die für bestimmte Zusammensetzungen und Elektroden vorbestimmt und in eine Berechnungsvorrichtung einprogrammiert werden können CA und CB sind Konzentrationen von Spezies A bzw. B. Gleichung 2 kann auf den folgenden Ausdruck reduziert werden:
E20halb = MAB[logCA + logCB] + lAB (3)
worin die Menge der in der Membran 21 imprägnierten elektroaktiven Spezies sorgfältig proportioniert ist. Bei jeder solchen Kombination wäre es vor der Herstellung erforderlich, die Mengen zu bewerten, um zur Bildung der einfacheren Gleichung die wirkungsvollste Kombination festzulegen.
Bezugnehmend auf die anderen Elektroden wird das elektrische Potential von Sensor 18, der auf Spezies B anspricht, durch folgende Gleichung ausgedrückt:
E18halb = MBlog[CB] + lB (4)
Ebenso ist das Halbzellen-Potential von für Spezies A spezifischen Sensor A als
E16halb MAlog[CA]+lA (5)
ausdrückbar.
Die obigen Gleichungen stellen die klassischen Gleichungen des Nernst-Typs dar, die man aus ionenselektiven Elektroden zur Messung gegenüber Standardelektroden erhält. Die Notwendigkeit einer Bezugselektrode und ihr Einfluß auf das Signal wird ausgeschaltet, indem Zellen zwischen Sensoren 16 und 20 und Sensoren 18 und 20 angeordnet werden, wobei die Signale über Drähte 24 zum Multiplexer 26 geleitet werden, der durch einen Mikrocomputer 32 über Drähte 36 gesteuert wird. Die Signale werden zum Operationsverstarker 28 ausgesendet, in diesem Fall einem Differentialverstärker, wo Signale aus 16 und 18 zum Analog(Digital-Umwandler 30 und schließlich zum Mikrocomputer 32 und zur Anzeige 34 gelangen. Auf diese Weise erhält man die E&sub2;&sub0;-E&sub1;&sub8; und E-E&sub1;&sub6; entsprechenden Differentialpotentiale. Die Differentialsignale werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
E220-18 = (MAlog [CA]+Mglog[CB]+IAB) -(MBlog[CB]+IB) (6)
Einfacher ausgedrückt
E&sub2;&sub0;&submin;&sub1;&sub8; = MAlog[CA] +IAB-IB (7)
Daher
E&sub2;&sub0;&submin;&sub1;&sub6; = MBlog[CB]+IAB-IA. (8)
Die Rampenwerte MA, MA, MAB und alle anderen Rampenkonstanten sind aus früheren Versuchen bestimmter Elektrodenstrukturen mit Standardlösungen bekannt. Diese Werte werden einem Mikrocomputer 32 entweder eingegeben oder in diesem gespeichert, um in die Gleichungen Eingang zu finden. Wenn die Rampenwerte und Signalwerte bekannt sind, sind die Konstanten und die Konzentrationswerte bestimmbare, vorgegebene Messungen einer Bezugslösung, um die Konstanten zu bestimmen. Zur Lösung der Gleichungen wird eine Bezugslösung mit bekannten Konzentrationen von Spezies A und B gemessen. Da die Konstanten lA, lB und lAB für beide Lösungen gleich sind, wird ihr Beitrag zur Gleichung wegsubtrahiert:
E20-18 Standard-E20-18 Test = MA(log[CA] (Standard) -MAlog[CA] (Test) (9)
Die Kenntnis über das Signalpotential und die Rampen- (M) Werte ermöglicht die direkte Berechnung von CA und CB. Gemäß dem oben Gesagten sind zur Erhaltung von Differentialmessungen zweier unterschiedlicher Spezies nur drei Elektroden erforderlich; eine Elektrode ist für die Kombination beider untersuchter Spezies selektiv, und zwei Einzelelektroden sind für jede der ausgewählten untersuchten Spezies selektiv, Vereinfachend betrachtet bietet die Kombinationselektrode ein Signal, das der Aktivität von A+B entspricht, worin bei Subtraktion des Beitrags von Spezies A vom Signal die Konzentration von B bestimmt wird. Wenn der Beitrag vom Spezies B vom Kombinationselektroden-Wert substrahiert wird, ist demzufolge die Konzentration von Spezies A bestimmbar.
Ein zweites Verfahren zur Analyse einer größeren Anzahl an Spezies kann durchgeführt werden. Unter Anwendung der obigen Prinzipien kann die Konzentration einer dritten Spezies C durch Verwendung zumindest der vierten Kombinationselektrode 22, die auf Spezies A und C anspricht, bestimmt werden. Die Konzentration von C wird durch Subtrahieren des durch Elektrode 16 erzeugten Signals von Elektrode 22 bestimmt. In einem solchen Fall muß die Kalibrierungslösung auch Spezies C enthalten.
Man beachte, daß das erfindungsgemäße Verfahren nur eine zusätzliche Elektrode zur Anzahl an bewerteten Spezies erfordert. Wenn N die Anzahl der zur Analyse vorgesehenen Spezies st, sind mathematisch gesehen nur N + 1 Sensoren zur Durchführung des Verfahrens erforderlich. Überdies erfordert das Verfahren die Messung von nur zwei Spezies enthaltenden Lösungen, nämlich die Kalibrier- und die unbekannte Lösung.
Ein Mehrkombinations-System, wie es oben in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist, kann aufgrund der Gegenwart einer zusätzlichen Spezies (B) in Lösung eine gewisse Störung aufweisen. Demzufolge könnte es sich als vorteilhaft erweisen, zusatzliche Elektroden vorzusehen, die auf Spezies C alleine und/oder die Kombination von A, B und C ansprechen. In einem solchen Fall wird die Bernchungsvorrichtung dazu verwendet, Vergleichsdaten zwischen den speziesspezifischen Elektroden 16, 18 und 22 oder den Kombinationselektroden 20 und einer auf Spezies A, B und C ansprechenden Elektrode zu liefern. Da Mehrkombinations-Elektroden (mehr als zwei Spezies) einer elektrochemisch synergistischen Wechselwirkung unterliegen können, ist es möglich, daß abnormale Ergebnisse auftreten. Daher wird vorgeschlagen, die Empfindlichkeit jeder Elektrode auf zwei Spezies zu beschränken.
Zusammenfassend gesagt ist die Bewertung einer Lösung für (N) getrennte Spezies mit nur zwei Messungen möglich, nämlich der unbekannten Lösung und der Kalibrierlösung, wobei nur (N + 1) Elektroden zum Einsatz kommen.
Nun seien einige Aspekte des oben beschriebenen Verfahrens hervorgehoben. Im Prinzip macht das Verfahren in Zusammenhang mit elektrochemischer Analyse die Verwendung einer Bezugselektrode überflüssig und macht somit 0berlegungen bezüglich des Anschlußpotentials überflüssig. Weiters minimiert die Eliminierung der Bezugselektrode die Abweichungsprobleme durch Verringern des Auftretens der Abweichung auf zwei ähnlich strukturierte Elektroden. Anstelle einer relativen kombinierten Abweichung der Bezugs- und der speziesspezifischen Elektrode, deren jeweils eigene typische Abweichung aufgrund unterschiedlicher Geometrien, Zusammensetzungen usw. beiträgt, sorgt die Verwendung ähnlich strukturierter und zusammengesetzter Elektroden für eine vergleichsweise gleichmäßige Abweichung. Die Abweichungskomponente ist oft zu vernachlässigen oder linear und bewertbar. Sie ist weder exponential noch schwierig zu bewerten. (Die Abweichung wird aufgrund des getrennten Einflusses der Bezugs- und Spezieselektroden zur zweiten Potenz erhoben.) Zweitens eignet sich das Verfahren zur Verwendung in Miniaturvorrichtungen.
Es sollte für einen Fachmann offensichtlich sein, daß das vorliegende Verfahren bei elektrochemischen Mehrkomponenten-Analysen nicht nur arbeitssparend ist, sondern auch im Bedarfsfall ein günstiges Mittel zur Erzielung von Echtzeitergebnissen darstellt. Diese Vorteile sind besonders in einer klinischen chemischen Umgebung während heikler Verfahren, wie z.B. bei chirurgischen Eingriffen an einem menschlichen Patienten, von entscheidender Bedeutung.
Herkömmliche Elektroden können mit den obigen Verfahren und in der unten beschriebenen Vorrichtung verwendet werden. Es eignen sich Draht-, drahtbeschichtete und Filmelektroden, Dick- oder Dünnfilmelektroden eines Redox-, Halbleiter- oder eines anderen Typs mit einer polymeren Matrix, die einen darin imprägnierten elektrochemisch aktiven Empfänger immobilisiert. Genauer gesagt sind Varianten der Dünnfilmelektrode (beschrieben in US-4.214.968), der Graphitelektrode (beschrieben in US-4.431.508) und der konvex gewölbten Elektrode (beschrieben in US-4.549.951) in den hierin beschriebenen Anordnungen und Verfahren zweckmäßig.
Die Modifizierung der obigen Elektroden umfaßt die Auswahl des ionenselektiven Elektrodenabschnitts bzw der Membran mit einem wesentlich größeren Querschnittsbereich als der zugrundeliegende Leiter, um die gleichmäßige Ladungsdichte zwischen der Lösung und dem Leiter zu fördern.
Es wurde bereits vorgeschlagen (siehe US-4.549.951), daß eine konvexe geometrische Konfiguration der Membran dazu beitrug, die Gleichmäßigkeit der Signale vom Transport der elektroaktiven Spezies einer ionenselektiven Membran zum Grenzflächen-Querschnitt des Leiters und somit die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen zu fördern. Die gewölbt ausgebildete Membranelektrode wurde für diesen Zweck vorgesehen. Es wurde jedoch der Einfluß der Kantenwirkung (Haften aufgrund Oberflächenspannung, größerer Elektronentransfer usw. entlang des Umfangs des Leiterkörpers) auf die räumliche Ladungsverteilung und Transportphänomene und folglich auf das Signal nicht berücksichtigt. Im Grunde genommen ergibt sich die Kantenwirkung aus ungleichmäßigen Schichten der Ladungsverteilung zwischen den Grenzflächen der Lösung, der Membran und dem elektrisch leitenden Element der Elektrode. Die Ungleichmäßigkeit ist besonders entlang des Umfangs des Leiters und der Membran ausgeprägt; dies ist auf Oberflächenphänomene und den Kontakt mit einem relativ großeren Lösungsvolumen mit einer entsprechend höheren Flußdichte zurückzuführen. Dieser Faktor führt zu Rampenvariationen von Elektrode zu Elektrode, selbst für die gleiche Spezies.
Man stellte nun fest, daß die Ausschaltung der Kantenwirkung die Signalgleichmäßigkeit fördert, ohne die Konfiguration der Membran auf eine bestimmte Geometrie einschränken zu müssen. Demzufolge ist man jetzt der Ansicht, daß die Membran keine bestimmte geometrische Konfiguration (Kuppelform usw.) besitzen muß, sondern daß sie eine Fläche einer ausreichend größeren Größe als der Leiterquerschnitt bietet, um die Kantenwirkung zu minimieren. Es ist vorzuziehen, einen Membran- Oberflächenbereich bereitzustellen, der zumindest zweimal so groß ist wie die Querschnittsfläche des Leiters. Genauer gesagt ist das Ausmaß der Membranüberlappung mathematisch aus der Membran/Elektroden-Geometrie und klassischer Elektronentransport-Gleichungen errechenbar.
Kurz bezugnehmend auf Fig.2 sieht man eine grafische Darstellung der Elektronenwege zwischen Lösung S, der Membran 37 mit rechteckigem Querschnitt und der gewölbten Membran 38 zu den darunterliegenden Leitern 36. Obwohl ein bestimmter Signaleinfluß aus den Außenmembran-Abschnitten festzustellen ist, wird die vorherrschende gleichmäßige Flußverteilung vom Abschnitt über der Elektrode und einem abgefasten Abschnitt von zwischen 30 und 45º erzeugt, der aus der Kante des Leiters 36 vorragt. Zur Förderung der Gleichmäßigkeit der Kantenwirkung und daher zur Vermeidung ungleich mäßiger Messungen wird der Membranbereich vergrößert, um sich weit über den Leiterumfang zu erstrecken.
Kurz bezugnehmend auf Fig.8 sieht man den Einfluß der Kantenwirkung auf verschiedene Elektrodenstrukturen. Elektroden 110, 112 und 114 mit konkaven, konvexen und flachen Membranen zeigen jeweils gleichmäßige Flußdichten über die gesamte Leiteroberfläche. Die konvex gewöibte Elektrode 116 mit einer Membran, die sich etwas über den Leiterumfang erstreckt, weist eine geringe Abweichung der Flußdichte auf. Die Elektrode 118 ohne Vorragung zeigt eine beträchtliche Flußdichten- Variation auf der Leiteroberfläche. Wie bereits erwähnt, unterstreicht Fig.7 den Vorteil der Minimierung einer ungleichmäßigen Flußdichte entlang der Kante der Elektrode, indem eine Membran mit einem wesentlich größeren Querschnitt als die zugrundeliegende Leiteroberfläche bereitgestellt wird. Es ist jedoch vorgesehen, daß die Elektrode einen speziesreaktiven Abschnitt oder eine Membran mit einer Überlappung enthält, um einen Lösungs-Grenzflächenbereich zu besitzen, der wesentlich (etwa zweimal) größer als der Querschnitt des Leiters ist.
Zusammenfassend sind die Elektroden bekannte Elektroden, die modifziert sind, um eine vergrößerte elektrochemisch aktive Oberfläche eines deutlich größeren Oberflächen-Kontaktbereichs als der darunterliegende elektrisch leitende Abschnitt der Elektrode zu bieten, um die Kantenwirkung und die daraus resultierende ungleichmäßige Flußdichte im wesentlichen auszuschalten.
Der erfindungsgemäße Sensor, der eine Kassette enthält, soll mehrere Mikrosensoren ähnlicher oder unterschiedlicher Art umfassen, eine anaerobe Probenkammer aufrechterhalten und ein Fixwert-Zufuhrmittel zur Fixvolumskammer aufweisen.
Fig.3 zeigt eine Kassette 40 mit zwei Hauptabschnitten, einem Kammergehäuse 42 und einem unteren Einsetzabschnitt 44. Im Kammergehäuse 42 ist eine Fixvolumskammer 46 enthalten, die typischerweise konstruiert ist, ein Volumen von weniger als 1 ml und vorzugsweise zwischen 10-50 ul zu halten. Die Kammer 46 besitzt im allgemeinen eine rechteckige Konfiguration und ist im Kammergehäuse 42 abgedichtet. Im Kammergehäuse 42 sind Sensoren 16, 18, 20 und 22 eingebettet und in einer Anordnung auf der unteren Oberfläche der Kammer 46 positioniert. Die Sensoren sind elektrisch voneinander isoliert und solcherart in der Kammer 46 positioniert, daß darin eingeführtes Fluid die Membranen 17, 19 usw. völlig abdeckt.
Quer entlang einer Seite der Kammer 46 ist ein Abfallabzugsspeicher 50 mit einem vier bis sechsmal größeren Fassungsvermögen als die Kammer 46 vorgesehen. Entlüftungen 52 für eine Strömungsrichtung sind an ausgewählten Stellen angeordnet, um Luft oder Gas austreten zu lassen und das gleichmäßige Einströmen von Fluid aus der Kammer 42 in den Speicher 50 und dessen Füllen damit zu ermöglichen. Zwischen dem Speicher 50 und den Sensoren befinden sich die Riefe 48 und Überlaufwehr 43. Die Riefe 48 und das Überlaufwehr 43 sind konstruiert, die Fluidrückströmung vom Abfallspeicher 50 in die Kammer 46 zu vermeiden, wobei an der unteren Oberfläche die Anordnung an Sensoren vorgesehen ist. Insbesondere bei Verwendungen vor Ort sollte das Überlaufwehr 43 eine Höhe besitzen, die über die Dicke der Membranen 17, 19 usw. hinausgeht, um die Versuchslösung darüber zu halten. Die Riefe 48 und das Überlaufwehr 43 dienen dazu, Fluidrückströmung vom Abfallspeicher 50 in die Kammer 46 und die resultierende Massenübertragung und Kontaminierung zwischen den Abfallfluids und dem analytischen fluid zu verhindern. Man beachte, daß das Überlaufwehr überflüssig ist, wenn die Kassette eine Konstruktion aufweist, die sich die Oberflächenspannung zunutze macht, um das Probenfluid einerseits und das Kalibrierfluid andererseits über dem Sensor zu stabilisieren.
Am gegenüberliegenden Ende des Kammergehäuses 42 vom Abfallspeicher 50 befinden sich die Kalibrierfluideinlaßöffnung 56, die Kalibrierfluidspritze 54 und die Probeneinlaßöffnung 62, wobei sich das Probeneinlaßelement 60 daraus erstreckt. Das Probeneinlaßelement 60 bietet eine Kautschuk-Trennwand über seine obere Fläche, um die Probe in das Element 60 durch die Öffnung 62 und in die Kammer 46 aus einer herkömmlichen Spritze oder altemativ dazu einer Kapillarröhre einzuspritzen. Obwohl es wünschenswert ist, eine Menge an Probenfluid einzuspritzen, das dem Volumen der Kammer 46 entspricht, fließt das überschüssige Fluid in die Riefe 48 und anschließend in den Abfallspeicher 50.
Die Kalibrierfluidspritze 54 enthält ein vorbestimmtes Volumen eines geeigneten Kalibrierfluids mit Substanzen, auf die die in der Kammer 46 angeordneten Sensoren ansprechen. Vorzugsweise wird ein gesteuertes Volumen Kalibrierfluid in die Kammer 46 eingespritzt, indem ein Plungerkolben 58 hinuntergedrückt wird, wo das Fluid durch die Einlaßöffnung 56 in die Kammer fließt.
Die Struktur des unteren Einsetzabschnitts 44 setzt sich ähnlich wie das Kammergehäuse 42 vorzugsweise aus einem geeignet starren, starken, transparenten Polymer zusammen, wobei sich die leitenden Elemente (Graphit, Draht usw.) von den Sensoren 16, 18 usw. entlang seiner gesamten Länge erstrecken.
Die deutliche Verlängerung der Sensoren minimiert besonders bei elektrochemischen Messungen die Signalinterferenzen aus angrenzenden Sensoren. Praktisch gesehen wird während der Herstellung einer membranbedeckten Elektrode die Membran in einem teilweise gelierten Zustand über den Leiter gelegt. Das im allgemeinen organische verbleibende Lösungsmittel wird dann abgedampft. Eine bestimmte Lösungsmittelmenge wandert jedoch in die Poren im Kassettenkörper. Das wandernde Lösungsmittel kann die elektroaktive Spezies mittragen. Daher kann der Kassettenkörper selbst sensibilisiert oder sogar kreuzsensibilisiert werden. Wo Elektroden zu knapp zueinander positioniert sind, kann gegenseitige Kontaminierung eintreten. Eine speziesspezifische Elektrode kann demnach ein schwaches Signal erzeugen, das einer anderen Spezies entspricht, auf die die benachbarte Elektrode anspricht. Diese Möglichkeit wird verstärkt, wenn der Kassettenkörper sehr kurz ist, das Wanderungsausmaß entsprechend verrringert ist und das Vermischen in der Nähe der Sensor-Empfängeroberfläche auftritt. Durch Verlängerung der Sensoren und der Kassette bewirkt die Schwerkraft, daß die Lösung, die die restlichen elektroaktiven Spezies trägt, einem Weg nach unten angrenzend zur Elektrode folgt und sich nicht in knappem Abstand von der Rezeptormembran quer vermischt. Daher ist es vorzuziehen, daß die Kassette zur Minimierung solcher Effekte ausreichend lang ist.
Wieder bezugnehmend auf die Struktur der Kassette 40 erstreckt sich der Speicher 50 zum Boden des unteren Einsetzabschnitts 44. Aus dem Boden der Kammer 44 ragen elektrische Punktkontakte 47, die für elektrische Kommunikation zwischen Sensoren 16, 18 und einem geeigneten Signaldetektor sorgen. Aufgrund potentieller innerer Signalinterferenz oder Interferenz aus externem elektrischem Rauschen kann es wünschenswert sein, jeden der Sensoren 16, 18 usw. zu isolieren. Demzufolge ist der Sensor 16 - wie aus der Figur ersichtlich - mit einer Isolierhülle 49 umwickelt. Wenn alle Sensoren so isoliert sind, wird die Möglichkeit elektrischer Signalinterferenz minimiert.
Kurz gesagt wird die Kassette 40 verwendet, indem ein ausreichendes Volumen des Probenfluids über die Einlaßöffnung 62 in die Kammer 46 eingespritzt wird, um die Kammer 46 zu füllen. Messungen der elektrochemischen Aktivität erfolgen über die Sensorenanordnungen. Sobald die Messungen vorgenommen wurden, wird ein fixes Volumen an Kalibrierfluid über die Spritze 54 durch die Einlaßöffnung 56 eingebracht, die das Probenfluid von der Kammer 46 über das Überlaufwehr 43 in die Riefe 48 und in den Abfallspeicher 50 spült. Eine Zweite Menge wird hinzugefügt, die die erste Menge über das Überlaufwehr 43 aus der Kammer 46 und in den Speicher 50 spült. Schließlich wird eine dritte Menge hinzugefügt, um die zweite Menge zu verdrängen. Dadurch wird das restliche Probenfluid im wesentlichen vollständig aus der Kammer 46 und den elektrochemisch aktiven Membranen 17, 19 usw. entfernt. Wenn die Probe einer höhere Konzentration eines bestimmten Ions als das Kalibrierfluid enthält, ermöglichen die Mehrfachspülungen die Schaffung eines Gleichgewichts, um ungenaue Messungen einer bestimmten Ionenkonzentration in der Kalibrierlösung aufgrund der restlichen Ionenaktivität der Probe auf Membranen 17, 19 usw. zu minimieren.
In Fig.4 sieht man eine alternative Ausführungsform des Kassettenkammergehäuses 42 und der Kammer 46. In dieser Ausführungsform ist eine Anordnung aus 14 Sensoren vorgesehen, die 13 elektrochemisch aktive Spezies analysieren können. An einem Ende der Kammer 46 ist wie in der Ausführungsform in Fig.3 der Speicherbehälter 50 zum Halten der analysierten Probe und des Volumens des Kalibrierfluids, das zum Ausspülen des Probenfluids aus der Kammer 46 verwendet wurde, vorgesehen. Zwischen dem Behälter 50 und der Sensorenanordnung befinden sich die Riefe 48 und das Überlaufwehr 43. Das Überlaufwehr 43 ist in diesem Fall zwischen der Riefe und den Sensoren positioniert und unterstützt die Definierung eines spezifischen Fluidvolumens, das in der Kammer 46 enthalten sein wird. Die Fluideinbringung kann nach den oben beschriebenen Schritten stattfinden, oder das Kalibrierfluid kann zuerst in die Kammer 46 eingefüllt und Messungen nach der Einbringung der Probenlösung in die Kammer vorgenommen werden, wobei Messungen des Probenfluids vorgenommen werden. Wenn das Kalibrierfluid zuerst eingebracht wird, ist es möglich, auf die Ausspülungsschritte zu verzichten, indem ein relativ großes Volumen an Probenfluid bereitgestellt wird, die Kalibrierlösung zu verdrängen, ein Gleichgewicht zu schaffen und gemessen zu werden. Jegliches überschüssiges Probenfluid fließt in den Abfallspeicher 50.
Die oben beschriebenen Kassettenausführungsformen sind als entsorgbar konzipiert, da sie aus relativ billigem Polymermaterial bestehen. Es ist jedoch auch möglich, die Kassette wiederzuverwenden (aufgrund des Vorhandenseins wiederverwendbarer Sensoren in der Kassette), indem die Kassette 40 sorgfältig gereinigt wird. Wie man dies von einer solchen Ausführungsform erwarten würde, wäre der Speicher 50 mit einem geeigneten Fluidauslaß in der Nähe oder am Boden des Speichers im unteren Einsetzabschnitt 44 versehen, um eine Reihe zweckmäßiger Ausspülungen zu ermöglichen. Eine alternative Konstruktion würde eine nach oben offene fluidenthaltende Kammer 46 vorsehen. Dies wäre in bestimmten Fällen unerwünscht, da keine anaerobe Umgebung mehr bestünde, da die Spezies und das Kalibrierfluid einer Umgebungsatmosphäre ausgesetzt sind. (Wie bereits erwähnt, ist es insbesondere in Zusammenhang mit biomedizinischen Messungen vorzuziehen, eine anaerobe Umgebung beizubehalten.) Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, daß die Kammer 46 und der Abfallspeicher 50 nach dem Zusammenbau und vor der Verwendung mit einem neutralen Gas wie z.B. Stickstoff ausgespült werden, um die Gegenwart von atmosphärischem Sauerstoff und Kohlendioxid während des Testens zu minimieren.
Eine zusätzliche Konstruktionsvariante enthält ein modifizierendes Element 60, das ein Strömungsablenkungsventil oder ein Spender ist, das bzw. der ausgebildet ist, eine Probe direkt aus der Quelle zu entnehmen- Beispielsweise kann das Element 60 mit einem Katheter kombiniert sein, um Blut direkt aus einem Patientenkörper zu entnehmen. Punktkontakte 47 können auch bezüglich ihrer Struktur und Position modifiziert werden. Sie können aus einem tinteren Abschnitt 44 auf seiner Seite austreten und eine Struktur besitzen, die einen wischenden elektrischen Kontakt mit einem geeigneten zusammenpassenden Behälter herstellt.
Schließlich ist es möglich, die Kassette für andere Instrumente als elektrochemische Analysatoren zu modifizieren. Beispielsweise könnten Lichtleiter zur Messung der fluidoptischen Eigenschaften eingebaut sein. In diesem Fall wäre es angebracht, Quellenfasern und Empfängerfasern in einer Anordnung zu Positionieren, um die Lichtübertragung und den Lichtempfang zu maximieren. Vorzugsweise würde man herkömmliche Koaxialfasern verwenden. Außerdem kann die obere Fläche der Kammer 46 mit einem lichtreflekierenden Material beschichtet sein. Eine zusätzliche Variante wäre eine optische kolorimetrische Analyse der mit einer speziesspezifischen interaktiven Substanz imprägnierten Membran, die bei der Reaktion eine Farbveränderung erfährt. Farbveränderungen können mittels koaxialer optischer Sensoren nachgewiesen werden. Als weitere Variante können optische und elektrochemische Sensoren in der gleichen Kassette kombiniert werden.
Zusammenfassend erfüllt die Kassette 40 die Aufgabe der Positionsstabilisierung und Aufrechterhaltung einer spezifischen Geometrie zwischen den darin untergebrachten Sensoren, definiert ein präzises Fluidvolumen zur Analyse, bietet eine anaerobe Versuchsumgebung, verhindert im wesentlichen die Sensorkontaminierung, ermöglicht die Lagerung von abgeschiedenem Fluid, während dessen Vermischung vermieden wird, und bietet ein Mittel zur genauen Ausrichtung der Sensoren mit der geeigneten Nachweisvorrichtung.

MINIATURSYSTEM

In Figuren 5 und 6 sieht man ein Miniaturinstrument zur Verwendung als sensorenthaltende Kassette, die wie oben die oben geoffenbarten Elektroden enthält und Messungen durch die oben dargelegten Verfahren ermöglicht. Ein kompaktes Instrument 80 zur biomedizinischen Verwendung hesteht aus einem aufklappbaren Gehäuse 82 mit einem oberen Abschnitt 81 und einem Ausklapp-Abschnitt 83, die schwenkbar sind (nicht dargestellt). Die im Gehäuse verwendeten elektronischen Bauteile sind im Handel erhältlich. Es sind dies Mikroprozessoren, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festspeicher (ROM), Verstärker, Schalter, Analog/Digital-Umwandler, Leistungskondensatoren, Transformatoren usw.
Die wichtigsten Merkmale des oberen Abschnitts 81 sind das Flüssigkristallanzeige-Feld 84 (gesteuert durch den nicht dargestellten Mikroprozessor) und eine Reihe an Betätigungsknöpfen 86 zur Aktivierung der jeweils erwünschten Funktion. Der obere Abschnitt 81 ist auch mit einem nicht dargestellten Kassettenbehälter geeigneter Größe ausgestattet, um das Einsetzen der Sensorkassette 94 darin zu ermöglichen. Sobald dieser Einsetzvorgang abgeschlossen ist, werden die Signale aus den in der Kassette 94 enthaltenen Elektroden verarbeitet und sind auf dem Flüssigkristallanzeige-Feld anzeigbar. Knöpfe 86 erleichtern die Auswahl der Daten, z.B. bestimmter Blutgas- Konzentrationen oder sogar des Blutdrucks, die auf der Anzeige 84 erscheinen sollen.
Der Behälter kann modifiziert werden, um eine optische Zeichen- Erkennungsvorrichtung oder eine magnetische Abtastungsvorrichtung zum Ablesen von Informationen zu enthalten, die sich auf der Seite der Kassette 94 befinden. Beispielsweise kann ein Strichcode oder ein Stück eines magnetisch kodierten Bands auf der Kassette positioniert sein, das automatisch Daten wie z.B. Rampenwerte eingibt (siehe obiges Verfahren), spezifische Sensoren und Kombinationssensoren identifiziert usw. Die Modifzierung würde es überflüssig machen, daß ein Bediener solche Werte und Informationen beispielsweise durch eine nicht dargestellte Programmierungstastatur eingibt. Die Codes könnten die Knöpfe 86 auf bestimmte, durch bestimmte Kassetten durchgeführte Tests umprogrammieren.
Das untere Feld 83 umfaßt ein Solarzellenfeld 89, einen RS232-Port und Steckadapter 91 und 92 zur Verbindung peripherer Geräte wie z.B. eines Phonokardiogramm- und Blutdruckmonitors. Signale aus einem Phonokardiogramm- oder Blutdruckmonitor können nach der entsprechenden Signalverarbeitung durch den Mikroprozessor und Aktivierung durch den geeigneten Knopf auf der LCD angezeigt werden. RS232-Port 90 ermöglicht die digitale Kommunikation zwischen der Einheit und einem entfernten digitalisierten Patienteninformations-Speicherbereich, sollte es wünschenswert sein, die in der Kassette 94 oder Zusatzgeräten wie dem obigen Phonokardiogramm- oder Blutdruckmonitor verarbeiteten Daten zu einem Computer usw. zu leiten. Aufgrund der Fortschritte auf dem Gebiet der Mikroprozessor- und Elektroniktechnologie ist es neben der durch die oben definierten Strukturen und Verfahren erzielten Miniaturisierung möglich, eine Ausführungsform des Instruments 80 bereitzustellen, die ausgebildet ist, in eine Tasche zu passen. Die Dimensionen sollten 3 1/4 Zoll (8,3 cm) in der Breite, 9 Zoll (23 cm) in der Länge und 1 1/4 Zoll (3,2 cm) in der Tiefe nicht überschreiten. Weiters kann das Gewicht der gesamten Einheit auf etwa 1/2 Pfund (0,23 kg) beschränkt werden. Aus diesem Grund ist die Einheit leicht handzuhaben und zu lagern. Es ist möglich, daß ein Arzt die gesamte Einheit im gefalteten Zustand (siehe Fig.6) nach der Patientenuntersuchung in seine Manteltasche steckt. Aufgrund des Vorsehens eines Solarzellenfelds 89 zur Erzeugung der notwendigen Energie ist der Arzt, medizinische Techniker oder Kliniker nicht immer auf eine Steckdose angewiesen. Alternativ dazu können chemische Batterien usw. als geeignete Stromquelle vorgesehen sein. Die Einheit kann demnach problemlos auf eine Verwendung vor Ort, z.B. an Unfallschauplätzen usw., angepaßt werden. Das im Instrument 80 enthaltene RAM ermöglicht es dem medizinischen Techniker oder Arzt, eine Reihe an Patientenproben zu entnehmen, die später aufgerufen und einer primären Patientendatenbank eingegeben werden können
Bezugnehmend auf Fig.7 ist eine tragbare Einweg-Variante der oben beschriebenen und zur Verwendung mit der Einheit 80 vorgesehenen Kassette 40 dargestellt. Hauptsächlich enthält die Kassette 94 einen oberen Abschnitt 95 und einen unteren Abschnitt 97, wobei der untere Abschnitt 97 ausgebildet ist, in die in der Einheit 80 vorgesehene komplementäre Öffnung eingesetzt zu werden und elektrischen Kontakt dazwischen herzustellen. Es ist vorgesehen, daß geeignete elektrische Schaltkreise und Steuerungen, wie sie in bezug auf Fig.1 beschrieben sind, im Instrument 80 eingebaut sind, um eine Fluidanalyse durch das beschriebene Verfahren zu ermöglichen. Das in einer solchen Einheit verwendete ROM würde Rampeninformationen für bestimmte Substanzen im Verhältnis zur jeweiligen Elektrodenstruktur speichern.
Die Konfiguration des oberen Abschnitts 95 enthält eine Kammer, die Kalibrierlösung und einen Druckknopf-Kalibrierfluid-Einspritzer 98 zum Spülen der Probenkammer enthält (nicht dargestellt). Weiters sieht man eine Probenöffnung 96 zum Einspritzen von Blut oder eines anderen geeigneten Fluids in die Probenkammer. In der vorliegenden Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Abfallspeicher vollkommen im oberen Abschnitt 95 enthalten ist. Die Betriebsweise dieser Kassette ist mit den weiter oben beschriebenen Verfahrensweisen identisch.
Wie dies bereits offenkundig ist, eignen sich die Einheit 80 und Kassette 94 in Taschengröße zur Verwendung durch medizinisches Personal entweder in einem Krankenhaus oder vor Ort. Natürlich gelten die gleichen Prinzipien in anderen Disziplinen wie z.B. bei Umwelt-Wasseranalysen.

Claims

1. Verfahren zur Eichungsmesswig vom wenigstens ersten und zweiten Arten in Lösung, die nur ionenspezifische Sensoren benutzt, wobei die Anzahl von ionenspezifischen Sensoren gleich der Anzahl von Artenplus eins ist, wo wenigstens erste, zweite und dritte Sensoren, die Elektroden umfassen, in einer Multikomponentenlösung, die wenigstens zwei Arten enthält, die gemessen werden sollen, ohne eine Bezugselektrode benutzt werden, wobei der erste Sensor eine Kombinationselektrode ist, die auf die ersten und zweiten Arten reagibel ist, der zweite Sensor eine Elektrode ist, die nur aui die erste Art reagibel ist, und der dritte Sensor eine Elektrode ist, die nur auf die zweite Art reagibel ist, wobei die Elektroden der ersten, zweiten und dritten Sensoren jeweils eine elektrische Ladung entwickeln, die von der Konzentration in einer Lösung der Arten abhängt, auf die sie bei der Berührung bzw. In-Kontakt-Bringen mit der Lösung reagibel sind, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

a) die Sensoren werden mit einer ersten Lösung berührt bzw. in Kontakt gebracht, die die ersten und zweiten Arten enthält,

b) erste und zweite Signale werden erhalten, wobei das erste Signal dem Unterschied zwischen den elektrischen Ladungen entspricht, die in Reaktion auf die erste Lösung von den ersten und zweiten Sensoren entwickelt werden, und das zweite Signal dem Unterschied zwischen der elektrischen Ladung entspricht die in Reaktion auf die erste Lösung von den ersten und dritten Sensoren entwickelt wird,

c) die ersten und zweiten Signale werden auf einen Signalprozessor übertragen,

d) die Sensoren werden mit einer zweiten Lösung berührt, die bekannte Mengen der ersten und zweiten Arten enthält, und dritte und vierte Signale werden jeweils von den ersten und zweiten Sensoren und den ersten und dritten Sensoren erhalten, wobei das dritte Signal dem Unterschied zwischen den elektrischen Ladungen entspricht, die in Reaktion auf die zweite Lösung von den ersten und zweiten Sensoren entwickelt werden, und das vierte Signal dem Unterschied zwischen den elektrischen Ladungen entspricht, die von den ersten und dritten Sensoren entwickelt werden,

e) die dritten und vierten Signale werden auf einen Signalprozessor übertragen,

f) die Konzentration der ersten und zweiten Arten in der ersten Lösung wird mit einer Rechenmaschine bestimmt, die betrieblich an den Signalprozessor angeschlossen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Anzahl von Arten, die gemessen werben soll, N ist, und die Anzahl von Sensoren N + 1 ist, wobei N größer als 2 ist.

3. Verfahren nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem die Konzentration der ersten Art durch Berechnungen bestimmt wird, die die Halbzellenspannung benutzen, die von dem ersten Sensor hergestellt wird, und die Halbzellenspannung, die von dem dritten Sensor hergestellt wird.

4. Verfahren zur Eichungsmessung von Chemikalien in einer Lösung, die nur N + 1 Sensoren benutzt, worin N gleich der Anzahl einschließlich eins, der Chemikalien ist, die in einer Lösung mit wenigstens zwei Chemikalien nachgewiesen werden sollen, wobei wenigstens ein erster ionenspezifischer Sensor und ein zweiter ionenspezifischer Sensor, die Elektroden ohne eine Bezugselektrode umfassen, benutzt werden, wobei der erste Sensor eine Kombinationselektrode ist, die nur auf die ersten und zweiten verschiedenen chemischen Arten reagibel ist, und der zweite Sensor eine Elektrode ist, die nur auf die zweite Art reagibel ist, wobei die Elektroden der ersten und zweiten Sensoren jeweils eine elektrische Ladung entwickeln, die von der Konzentration in einer Löung der Art ahhängt, auf die sie nach Berührung mit der Lösung reagibel ist, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

a) die Sensoren werden mit einer Lösung berührt, die wenigstens die ersten und zweiten verschiedenen chemischen Arten enthalten,

b) ein erstes Signal wird erhalten, das von den Unterschieden der elektrischen Ladungen bestimmt wird, die von den beiden Sensoren entwickelt werden, wenn die von der Lösung berührt werden,

c) die Sensoren werden wenigstens mit einer zweiten Lösung berührt, die bekannte Mengen der ersten und zweiten Arten enthält, und es wird wenigstens ein zweites Signal erhalten, das dem Unterschied zwischen den Ladungen entspricht, die in Reaktion auf die zweite Lösung von den ersten und zweiten Sensoren entwickelt werden,

d) die wenigstens ersten und zweiten Signale werden auf einen Signalprozessor übertragen,

e) die Sensoren werden, in dem Fall, daß N = 1 ist, mit wenigstens einer dritten Lösung berührt, die bekannte Mengen der ersten und zweiten Arten enthalten, und ein drittes Signal wird erhalten, das dem Unterschied zwischen den Ladungen entspricht, die in Reaktion aur die dritte Lösung von den ersten und zweiten Sensoren entwickelt werden, und das dritte Signal wird auf einen Signalprozessor übertragen,

f) die Konzentration der ersten chemischen Art wird mit einer Rechenmaschine bestimmt, die betrieblich an den Signalprozessor angeschlossen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Konzentration der ersten Art durch Berechnungen bestimmt wird, die die Halbzellenspannung benutzen, die von dem zweiten Sensor hergestellt wird.

6. Verfahren nach entweder Anspruch 3 oder Anspruch 5, in dem die Spannungen von den Sensoren multiplexiert werden und an einen Differentialverstärker gegeben werden.

7. Verfahren nach entweder Anspruch 4 oder Anspruch 5, in dem das Verfahren von Sensoren ausgeübt wird, die Einpunkteichung vorsehen, und das einschließt, N + 1 Lösungen über die Elektroden fließen zu lassen.

8. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprüche, das einschließt, die ersten und zweiten Sensoren mit einer Eichlösung zu berühren, die die ersten und zweiten Arten enthält.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Sensoren entlang einer internen Oberfläche einer Kammer angeordnet sind, die von der Umgebung isoliert ist, und ein genaues Volumen jeder Lösung in die Kammer eingeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wenn er von Anspruch 8 abhängt, in dem die Messung mit der ernten Lösung in der Lösungskammer vor der Messung mit der Eichlösung durchgeführt wird, und die Kammer zwischen den zwei Messungen wiederholt mit Eichlösung ausgewaschen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, in dem die Sensoren von der ersten Lösung in vivo berührt werden.

12. Kasette (40, 94) zur Benutzung bei der Messung von Chemikalien in Lösung, die nur N + 1 Sensoren benutzt, wobei N gleich der Anzahl, einschließlich eins, von Chemikalien ist, die nachgewiesen werden sollen, wobei die Kassettte ein Gehäuse (42) umfasst, eine Kammer (46), um ein vorbestimmtes Lösungsvolumen zu enthalten, ein erstes Einlaßmittel (60, 62, 96), um eine Lösung, die erste und zweite verschiedene Arten von Chemikalien enthält, in die Kammer (46) einzuführen, ein zweites Einlaßmittel (54, 55), um eine zweite Lösung, die bekannte Mengen der ersten und zweiten chemischen Arten enthält, in das Gehäuse (42) einzuführen, wenigstens zwei Sensoren (16, 18, 20, 22), von denen jeder Elektroden (110, 112, 114) umfasst, aber ohne Bezugselektrode, wobei ein erster der Sensoren eine Kombinationselektrode umfasst, die auf die ersten und zweiten Arten reagibel ist, und ein zweiter (18) der Sensoren eine Elektrode umfasst, die nur auf die zweite Art reagibel ist, wobei die Elektroden (110, 112, 114) der ersten and zweiten Sensoren (18, 20) bei Kontakt mit der Lösung jeweils eine elektrische Ladung entwickeln, die von der Konzentration in einer Lösung der Art abhängt, auf die sie reagibel ist, einem Speicher (50) in dem Gehäuse (42), um Flüssigkeit zu empfangen, die von der Kammer (46) verschoben wird, ein Mittel (54, 56), im Flüssigkeit zwangsläufig in die Kammer (46) zu drängen, um davon in den Speicher (50) zu fließen, ein Mittel (43, 48), um im wesentlichen Flüssigkeitsrückströmmung von dem Speicher (50) zur Kammer (46) zu verhindern, wobei die Sensoren (16, 18, 20, 22) in dem Gehäuse (42) angeordnet sind, und an die Kammer (46) zwischen dem Einlaßmittel (54, 56, 60, 62, 96) und dem Rückströmungsverhinderungsmittel (43, 48) angeschlossen sind, ein Mittel (47), um Signale, die von den Sensoren (16, 18, 20, 22) erzeugt werden, die den Unterschieden zwischen den elektrischen Ladungen entsprechen, die in Reaktion auf eine Lösung von den Sensoren (18, 20) entwickelt werden, wenn sie mit der Lösung in der Kammer (46) berührt werden, aus dem Gehäuse (42) zur verarbeitung zu übertragen, und ein Rechenmittel, um die Konzentration von wenigstens der ersten Art in der ersten Lösung von dem Signalen zu bestimmen.

13. Kassette nach Anspruch 12, in der die Sensoren (16, 18, 20, 22) ionenselektive Elektroden (110, 112, 114) mit einer dünnen reagibelen Filmmembran über einem Elektrodenteil, das an die Flüssigkeit in der Kammer angeschlossen ist, wobei die Membran sich aber die Ränder der Elektrode erstreckt.

14. Kassette nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, in der die Sensoren (16, 18, 20, 22) einen gleichförmigen geometrischen Aufbau an der Grenzfläche mit der Kammer (46) haben.

15. Kassette nach einem der Ansprüche 12 bis 14, in der das Gehäuse (42) ein oberes Teil hat, das die Kammer (46) enthält, und ein unteres Teil, und die Sensoren (16, 18, 20, 22) an die Kammer (46) entlang deren Boden angeschlossen sind, und sich durch das Gehäuse (42) erstrecken.

16. Kassette nach Anspruch 15, in der jeder der langgestreckten Leiter einen Isoliermantel hat.

17. Kassette nach einem der Ansprüche 12 bis 16, in der der Speicher (50) ein Volumen hat, das ein vielfaches des Kammervolumens ist.

18. Kassette nach einem der Ansprüche 12 bis 17, in der das Rückströmungsverhinderungsmittel ein Überlaufwehr (43) umfasst, das zwischen den Sensoren (16, 18, 20, 22) und dem Speicher (50) angeordnet ist, und das sich der die ganze Breite der Kammer (46) erstreckt.

19 Kassette nach Anspruch 18, in der das Rückströmungsverhinderungsmittel weiterhin eine Rinne (48) umfasst, die sich über die Kammer (46) an einer Stelle zwischen den Sensoren (16, 18, 20, 22) und dem Speicher (50) und parallel zum Überlaufwehr (43)erstreckt.

20. Kassette nach einem der Ansprüche 12 bis 19 in Kombination mit einem Signalverarbeitungsmittel, das in einem getrennten Kasten enthalten ist, wobei ein Teil des Gehäuses der Kassette als ein Stecker gebildet ist, um in eine Empfängersteckdose auf dem Kasten, der das Signalverarbeitungsmittel enthält, gesteckt zu werden, dabei die Signale von den Sensorelementen der Kassette in den Signalprozessor einzugeben.

21. Gerät (80) zur Lösungsanalyse, das ein Gehäuse (81, 83) umfasst, ein Informationsanzeigemittel (84), das auf einer Oberfläche des Gehäuses (81) enthalten ist, um Information anzuzeigen, einen Behälter mit vorbestimmten Ausmessungen, der auf dem Gehäuse (81) angeordnet ist, ein Mittel zur Verarbeitung elektrischer Signale und zur Übertragung der verarbeiteten Signale auf die Informationsanzeige, und eine Kassette (94) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die Kassette so bemessen ist, daß die in den Behälter paßt.