DE4317085A1

DE4317085A1 - Verfahren zur Kalibrierung elektrochemischer Meßeinrichtungen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4317085A1
Application number: DE19934317085
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr Oelsner; Heiner Prof Dr Kaden; Heiner Dr Bellee
Original assignee: FORSCHUNGSINSTITUT "KURT SCHWABE" MEINSBERG 04736 MEINSBERG DE; FORSCH KURT SCHWABE MEINSBERG
Current assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1994-11-24

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung elektrochemischer Meßeinrichtungen für die Messung in Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsfilmen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und bezieht sich insbesondere auf Meßeinrichtungen mit miniaturisierten elek trochemischen Sensoren in Anwendungen, die eine Desinfektion des Sensors erfordern, so in der Nahrungsmitteltechnologie, der Biotechnologie, der Medizin und der Veterinärmedizin.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß elektrochemische Meßgeräte diskontinuierlich und wiederholt an die indi viduellen Eigenschaften von elektrochemischen Sensoren angepaßt werden müssen. Für diesen Vorgang werden nicht ganz einheitlich die in der Norm DIN 1319 definierten Begriffe "Kalibrieren", "Justieren" und "Eichen" verwendet (H. Galster, pH-Messung, Weinheim: VCH- Verlagsgesellschaft 1990, Seite 188). Das in DIN 19268 "pH-Messung von klaren, wäßrigen Lösungen" benutzte Wort "Eichung" kann zu Mißverständnissen führen; daher ist in DIN 19267 "pH-Messung" klargestellt, daß das Wort "Eichen" in dieser Norm nicht im Sinne des amtlichen Eichens durch eine Eichbehörde zu verstehen ist. In der pH-Meßtechnik wird die Zweipunktkalibrierung, bei der sowohl Nullpunkt wie auch Steilheit kalibriert werden, empfoh len; eine sogenannte Einpunktskontrolle ist ebenfalls möglich (P. Meier, A. Lohrum, J. Gareiss, Praxis und Theorie der pH-Meßtechnik. Herausg.: Ingold Meßtechnik AG. Urdorf/Schweiz 1989, Seite 21). Bekannt ist auch die Automatisierung des Kalibriervorganges durch Verwen dung eines Mikrorechners (Patent DE 29 37 227: "Verfahren zum Eichen eines elektrometri schen pH-Meßgerätes und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens).

Ferner ist bekannt, sterile Messungen durchzuführen, im Fall der pH-Messung in Bioreaktoren mittels Druckkammergebern unter Einwirkung von Wasserdampf bei Temperaturen < 121 °C (H. Galster, a. a.O. Seite 260). Dieses Verfahren betrifft ortsunveränderliche Reaktoren und kann wegen der Größe und Robustheit der einzusetzenden Sensoren, Sonden und Armaturen nicht benutzt werden, um pH-Messungen in kleinen, empfindlichen Proben vorzunehmen.

Nach dem Stand der Technik kann man den pH-Wert in kleinen Probemengen oder in anhaf tenden Flüssigkeitsfilmen mit Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) bestimmen, die in Sonden nebst einer zur Durchführung der Messung unverzichtbaren Referenzelektrode einge bracht sind [W. H. Ko (Ed.): Implantable Sensors for closed-loop prosthetic systems, New York: Futura Publ. Corp. 1985, Seiten 89-151]. Solche Sensoren können einer Dampfsterili sation infolge der Temperaturempfindlichkeit der am Sensoraufbau beteiligten Werkstoffe nicht unterworfen werden.

Allgemein bekannt ist, Sonden oder Instrumente durch Einwirkung von Desinfektionsmitteln von pathogenen Erregern, Bakterien, Pilzen und Protozoen zu befreien. Eine Übersicht zu der artigen Desinfektionsmitteln ist beispielsweise im Wörterbuch der Medizin (Herausg. H. Schal dach), Berlin: Verlag Volk und Gesundheit 1980, Seite 234, aufgeführt. Die Anwendung sol cher Flüssigkeiten auf chemische Sensoren kann zwar durchaus vollzogen werden; es ist jedoch zu beachten, daß infolge der Einwirkung des Desinfektionsmittels die Kalibrierung des Sensors verändert werden kann, so daß entweder eine erneute Kalibrierung unter sterilen Bedingungen notwendig wird oder die Kalibrierung prinzipiell nach der Desinfektion bzw. Sterilisation ge schieht, wobei ein relativ großer Aufwand für die Beschaffenheit der zu verwendenden Mittel hinsichtlich ihrer Sterilisation zu betreiben ist.

Kritik am Stand der Technik

Beim derzeitigen Stand der Technik ist es nachteilig, daß zur pH-Messung in kleinen, steril zu haltenden Proben oder anhaftenden Flüssigkeitsfilmen entweder ein hoher Aufwand für die Desinfektion bzw. Sterilisation mit mehreren Arbeitsgängen oder unkontrollierbare Verände rungen der Sensorkalibrierung infolge der Einwirkung flüssiger Desinfektionsmittel in Kauf genommen werden müssen. Ferner ist es ungünstig, daß im Fall der Sensorkalibrierung im An schluß an eine Desinfektion bzw. Sterilisation die Mittel zur Kalibrierung selbst steril gehalten werden müssen. Die nach dem Stand der Technik bekannten sterilisierbaren pH-Meßsonden sind aufwendig und an ortsunveränderliche Armaturen gebunden. Zudem ermöglichen sie nicht Messungen in kleinen Probevolumina unter Verwendung von Halbleitersensoren.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur pH-Messung in kleinen Proben unter Sterilbedingungen zu schaffen, das mit ortsveränderlichen Sonden und ohne aufwendige Armatur zuverlässig, möglichst zeitsparend und unter Verzicht auf getrennte bzw. aufeinander folgende Desinfektions- und Kalibriervorgänge durchgeführt werden kann. Die Ausgestaltung der Erfindung soll weiterhin die Durchführung der Messung mit miniaturisierten Sensoren er lauben, so daß Probenvolumina bis hinunter zu < 1 µl möglich sind.

Lösung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Desinfektion der Sonde bzw. des elektrochemischen Sensors und die Kalibrierung der Meßeinrichtung mit einer Flüssigkeit durchgeführt werden, die in einem die Wirkung eines Desinfektionsmittels ausübt und gleich zeitig die Eigenschaften einer Kalibrierlösung aufweist. Im Falle eines pH-Sensors wird dies dadurch erreicht, daß einer Desinfektionslösung Substanzen zugesetzt werden, die nach Auflö sung in der Flüssigkeit dieser die Eigenschaft einer pH-Pufferlösung verleihen. Umgekehrt ist es auch möglich, pH-Pufferlösungen desinfizierend wirkende Substanzen zuzusetzen. Die Kali brierung des Sensors, üblicherweise als Ein- oder Zweipunktkalibrierung durchgeführt, ge schieht demzufolge gleichzeitig mit der Desinfektion des Sensors. Nach der Kalibrierung wird der Sensor mit sterilem Wasser gespült.

Um sicherzustellen, daß die nachfolgende Messung nicht durch an dem Sensor anhaftende Pufferlösung verfälscht wird, wird der Spülvorgang durch gleichzeitige Messung des pH-Wer tes der Spüllösung mit diesem Sensor überwacht. Weiterhin erfolgt aus diesem Grunde die Ka librierung und Spülung des Sensors in speziellen, der Form des Sensors angepaßten Gefäßen, die so gestaltet sind, daß beim Einführen des Sensors dieser zwangsläufig von der Flüssigkeit umströmt wird und daß bei der Entnahme des Sensors an diesem anhaftende Flüssigkeit abge streift und der Sensor mit sterilem, auswechselbarem Material getrocknet wird. Diese Maß nahmen sind bei der Messung kleiner Flüssigkeitsvolumina von besonderer Bedeutung, da da durch die Verfälschung des Meßwertes durch am Sensor anhaftende Kalibrier- oder Spüllö sung vermieden wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden: Als Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein ISFET-pH-Sensor und eine Ag/AgCl-Referenzelektrode, eingefügt in eine stabförmige Sonde, benutzt, so daß beide an der Spitze der Sonde nahe ihrer Oberfläche gelegen sind. Anordnung und Kleinheit von Sensor und Referenzelektrode ermöglichen es, Volumina < 1 µl sowie in Oberflächenfilmen von einer Dicke < 0,3 mm zu messen. Die Sonde ist 300 mm lang und hat einen Durchmesser von 8 mm. Der Meßwert wird an einem batteriegespeisten ISFET-pH-Handmeßgerät (TM 50, Forschungsinstitut "Kurt Schwabe" Meinsberg) digital angezeigt. Das Gerät enthält die für die Zweipunktkalibrierung hinsichtlich Nullpunkt und Steilheit erforderlichen Bedienelemente.

Eine mögliche Ausführungsform des Kalibriergefäßes zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 1 dargestellt. Die Spülvorrichtung 1 taucht mit der rohrförmigen Aufnahme 2 für die pH- Sonde in die Kalibrier- oder Spülflüssigkeit 3, die sich in der Vorratsflasche 4 befindet. Da der Innendurchmesser der Aufnahme 2 nur geringfügig größer als der Außendurchmesser der Son de ist, wird die Sonde beim Eintauchen von der verdrängten Flüssigkeit umströmt. Beim Her ausziehen der Sonde wird zunächst die anhaftende Flüssigkeit mittels einer Lippendichtung 5 abgestreift; anschließend wird die Sonde noch zwangsläufig mit sterilem Tupfermaterial 6, das nach Lösen der Kappe 7 leicht auswechselbar ist, getrocknet. Die beim Eintauchen der Sonde verdrängte Luft kann über die Entlüftungsbohrung 8 entweichen.

Im Falle der Zweipunktkalibrierung wird für den ersten Kalibrierschritt eine handelsübliche, unsterile pH-Pufferlösung pH = 6,86 benutzt. Danach wird die Sonde mit destilliertem Wasser gespült. Für den zweiten Kalibrierschritt wird erfindungsgemäß eine handelsübliche Pufferlö sung pH = 4,65 (Acetat-Puffer) verwendet, der 2,5% eines handelsüblichen Instrumenten- Desinfektionsmittels (Aseptisol-Konzentrat, Hersteller: Firma Bode Chemie Hamburg) zuge setzt worden sind. Sowohl der pH-Wert (pH = 4,67) als auch der Pufferwert β nach DIN 19267 (β = 0,1 mol/l) dieser Kalibrierlösung unterscheiden sich nicht wesentlich von den ent sprechenden Werten der ursprünglichen Pufferlösung, so daß die Genauigkeit des Kalibrier vorganges durch den Zusatz des Desinfektionsmittels nicht beeinträchtigt wird. Der Sensor verbleibt die vorgeschriebene Desinfektionszeit (mindestens 15 Minuten) in dieser Kalibrierlö sung; die Kalibrierung erfolgt kurz vor Ablauf dieser Frist. Bei der Entnahme des Sensors aus dem Kalibriergefaß wird die am Sensor haftende Kalibrierflüssigkeit abgestreift. Anschließend erfolgt die Spülung des Sensors in sterilisiertem destilliertem Wasser, wobei dessen pH-Wert mit demselben Sensor gemessen wird. Der Spülvorgang wird erst beendet, wenn der gemes sene pH-Wert der Spüllösung einen Wert < 5,2 erreicht hat und innerhalb von 10 Sekunden um nicht mehr als 0,05 pH-Einheiten ansteigt. Nach dem Abstreifen der am Sensor haftenden Spülflüssigkeit ist der Sensor meßbereit. Im Falle der Einpunktkalibrierung entfällt der erste Kalibrierschritt mit der Pufferlösung pH = 6,86.

Darstellung der Vorteile der Erfindung

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Desinfektion eines elektrochemischen Sensors und die Kalibrierung der Meßeinrichtung gleichzeitig in einem Arbeitsgang erfolgen und daß eine Verfälschung des Meßergebnisses durch am Sensor haftende Kalibrierflüssigkeit vermie den wird. Diese einfache, bequem durchzuführende und die notwendige Genauigkeit des Meß vorganges gewahrleistende Arbeitsweise war bisher nicht bekannt.

Bezugszeichenliste

1 Spülvorrichtung
2 Sondenaufnahme
3 Kalibrier- oder Spülflüssigkeit
4 Vorratsflasche
5 Lippendichtung
6 Tupfermaterial
7 Kappe
8 Entlüftungsbohrung

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung elektrochemischer Meßeinrichtungen für die Messung in Flüs sigkeiten oder Flüssigkeitsfilmen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, da durch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung mit einer Flüssigkeit erfolgt, die gleichzeitig als Desinfektionsmittel wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung mit einer Desinfektionslösung erfolgt, der in flüssiger oder fester Form Stoffe mit Pufferwirkung zu gesetzt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung einer pH- Meßeinrichtung mit einer pH-Pufferlösung erfolgt, der desinfizierend wirkende feste oder flüssige Stoffe zugesetzt sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierlösung als puffernde Substanzen Natriumacetat und Essigsäure und als desinfizierend wirkende Substanzen Aldehyde zugesetzt sind und die so zusammengesetzte Kalibrierlösung einen pH-Wert im Bereich pH = 4 . . . 5 aufweist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Anschluß an die Desinfektion erforderliche Spülung des für die Messung verwendeten Sensors in einer ungepufferten sterilen Flüssigkeit erfolgt und der Spülvorgang durch gleichzeitige Messung des pH-Wertes der Spüllösung mit diesem Sensor überwacht wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, bestehend aus einer pH-Sonde, einer Kalibriereinrichtung und einem ISFET-pH-Meßgerät, dadurch ge kennzeichnet, daß die pH-Sonde stabförmig ist, einen Durchmesser von 5 . . . 10 mm und eine Länge von 150 . . . 300 mm hat und an der Spitze mit einem ISFET-pH-Sensor ausge rüstet ist, daß die Kalibriereinrichtung eine rohrförmige, mit der Kalibrier- bzw. Spüllösung gefüllte Aufnahme für die pH-Sonde, deren Durchmesser nur geringfügig größer als der der pH-Sonde ist, enthält und mit Vorrichtungen zum Abstreifen der an der Sonde anhaftenden Kalibrier- oder Spülflüssigkeit sowie mit auswechselbarem Material zum Trocknen der Sonde bei Entnahme aus der Kalibriereinrichtung versehen ist.