Ionenselektive Elektroden: Grundlagen und Anwendungen in Biologie und Medizin

295 Pages·1991·7.28 MB·German

by  Dr. Frank Honold

Frank Honold
Brigitte Honold
lonenselektive
Elektroden
Grundlagen und Anwendungen
in Biologie und Medizin
Springer Basel AG
Anschrift der Autoren:
Dr. Frank Honold
Dr. Brlgitte Honold
Prölatenweg 2
D - W-8128 Polling
Die Deutsche Bibliothek - CIP - Einheitsaufnahme
Honold. Frank:
Ionenselektive Elektroden: Grundlagen und Anwendungen In Biologie und Medizin /
Frank Honold; Brlgltte Honold. -
Basel; Boston; Berlin: Birkhöuser. 1991
NE: Honold. Brigitte:
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München. wahrgenommen.
©1991 Springer Basel AG
Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag 1991.
P. O. Box 133
CH - 4010 Basel/Swltzerland
ISBN 978-3-0348-5225-8 ISBN 978-3-0348-5224-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-0348-5224-1
VORWORT
Die Harnstoffsynthese durch Wöhler 118281 zeigte, daß die belebte und die
unbelebte Natur aus denselben Bausteinen, den Atomen, aufgebaut sind und
sich allenfalls durch deren Anordnung voneinander unterscheiden. Die Lebens
prozesse unterliegen also den Gesetzmäßigkeiten der Physik und Chemie und
bedürfen keiner völlig andersgearteten Wissenschaft. Das Leben beruht auf
Stoffveränderungen, die mit den Mitteln der analytischen Chemie, analytischen
Biochemie und klinischen Chemie erfaßt werden können. Die Biowissenschaften
und die Medizin bedienen sich dieser Mittel, die heutzutage sehr empfindliche
Nachweise gestatten ·oder große Probenmengen in kurzer Zeit durchsetzen.
Ionenselektive Elektroden sind Sensoren oder Meßfühler, mit denen ionogen
vorliegende oder in Ionen umwandelbare Stoffe bestimmt werden können. Das
Spektrum der nachweisbaren Substanzen reicht von den einfachen Ionen wie
H+ oder Na< über enzymatisch zugängliche Verbindungen wie Penicillin oder
Glucose bis zu solch komplexen Molekülen, wie sie Antigene oder Antikörper
darstellen. Ionenselektive Elektroden können, je nach Versuchsbedingungen,
außer der Konzentration die Aktivität bestimmen und sind deshalb für Unter
suchungen in reizbarem Gewebe, wie Nerven oder Muskeln, konkurrenzlos. Sie
können in preiswerten Meßsystemen für Einzelbestimmungen oder als wichtige
Bestandteile von Analysenautomaten eingesetzt werden.
Studierende der Chemie, Biologie, Pharmazie und Medizin sowie theoretisch
interessierte Leser finden in diesem Buch eine Beschreibung der potentialbil
denden Vorgänge an Phasengrenzflächen und Erläuterungen der Zusammen
setzung und der Eigenschaften von Elektrolytlösungen. Die Kenntnis der
Grundlagen erleichtert das Verständnis des Verhaltens ionenselektiver Elek
troden. Auf die in verschiedenen Ausführungen herstellbaren Elektrodentypen
wird näher eingegangen. Dabei spielen Biosensoren, Enzym- und Immunosen
soren eine wichtige Rolle.
Den Anwendern ionenselektiver Elektroden soll dieses Buch Leitfaden und
Orientierungshilfe sein. Für sie sind die Kapitel über die einzelnen Analysen
techniken von der Probennahme bis zum Bestimmungsschritt geschrieben.
Diese enthalten insbesondere auch Hinweise, wie man richtige und präzise
5
Meßwerte erhält. Die meß- und gerätetechnischen Voraussetzungen werden
ausführlich geschildert und die im klinischen Bereich eingesetzten Automaten
gesondert berücksichtigt. Mögliche Fehlerquellen beim Arbeiten mit ionense
lektiven Elektroden werden diskutiert und Hinweise zu ihrer Beseitigung
gegeben. Ausgesuchte Beispiele zeigen eine Vielzahl unterschiedlicher Anwen
dungsmöglichkeiten auf.
Weilheim i. OB, April 1991
Frank Honold, Brigitte Honold
6
~TSVBRZEICßN[S
1 EINLEITUNG 11
2 ELEKTROCHBMISCBB GRUNDLAGEN 15
2.1 Eigenschaften des Elektrolyten 15
2.1.1 Wasser als Lösungsmittel 15
2.1.2 Dissoziation 17
2.1.3 Die Aktivität 20
2.1.4 Das Löslichkeitsprodukt 27
2.2 Potentialbildung 29
2.2.1 Grundlagen der Phasengrenzpotentiale 29
2.2.2 Die Nernst-Gleichung 40
2.2.3 Die Nikolsky-Gleichung 43
2.2.4 Die Austauschstromdich te 44
2.2.5 Die Diffusionsspannung 46
2.3 Elektrodenarten 52
3 AUFBAU VON ELEKTRODEN 56
3.1 Bezugselektroden 56
3.1.1 Allgemeines 56
3.1.2 Die Standardwasserstoffelektrode 60
3.1.3 Die Silber ISil berchlorid-Elektr::>de 62
3.1.4 Die Kalomelelektrode 65
3.1.5 Die Thalamidelektrode 66
3.1.6 Die Iod/Iodid-Elektrode 67
3.1.7 Die Problematik der Bezugselektroden 69
3.2 Ionenselektive Elektroden (lSEI 72
3.2.1 Glaselektroden 72
3.2.2 Weitere Festkörperelektroden 78
3.2.3 Flüssigmembranelektroden 84
3.2.4 PVC-Membranelektroden 89
3.2.5 Coated-wir~Elektroden 93
3.2.6 Filmelektroden 94
3.2.7 Ionenselektive Feldeffekttransistoren 94
7
Inhaltsverzeichnis
3.3 Gasselektive Elektroden 100
3.4 Weitere Mö~lichkeiten 103
3.5 Biosensoren 104
3.5.1 Allgemeines 104
3.5.2 Enzymelektroden 107
3.5.2.1 Enzyme 107
3.5.2.2 Enzymimmobilisierung 111
3.5.2.2.1 Gründe für das Immobilisieren 111
3.5.2.2.2 Physikalische Verfahren 112
3.5.2.2.3 Chemische Immobilisierung 114
3.5.2.3 Eigenschaften immobilisierter Enzyme 122
3.5.2.3.1 Kinetik 122
3.5.2.3.2 pH-Einfluß 129
3.5.2.3.3 Temperatur 130
3.3.2.4 Enzymelektroden 132
3.5.2.5 Sensoren mit ganzen Zellen 146
3.5.3 Immunoelektroden 149
4 KENNGRöSSEN FttR IONENSELEKTIVB ELEKTRODEN 152
4.1 Steilheit 152
4.2 Ansprechzeit 155
4.3 Nachweisgrenze 156
4.4 Asymmetriespannung 158
4.5 Isothermenschnittpunkt 160
4.6 Selektivität 163
4.7 Lebensdauer 165
5 MESS- UND GERÄTETECBNIK 166
5.1 Meßtechnik 166
5.2 Die orientierende Messung 175
5.3 Einfache Messung 176
5.4 Feldmessung 176
5.5 Labormessung 177
5.6 Analysenautomaten 177
5.7 Titrierautomaten 189
5.8 Fließinjektionsanalyse 190
5.9 Betriebskontrolle 191
8
Inhaltsverzeichnis
6 MESSVERFABREN UND AUSWERTUNGSMETHODEN 193
6.1 Grundsätzliches zum praktischen Messen 193
6.2 Kalibrierung 196
6.3 Probenvorbereitung 199
6.3.1 Probennahme 199
6.3.2 Probenbearbeitung 201
6.4 Der Bestimmungsschritt 207
6.4.1 Direktpotentiometrie 207
6.4.1.1 Ermittlung der Aktivität 210
6.4.1.2 Erinittlung der Konzentration 211
6.4.1.3 Arbeiten im nichtlinearen Teil der Kalibrierkurve 213
6.4.2 Standardaddition 215
6.4.3 Titration 221
6.4.4 Fließanalyse 227
6.5 Das Meßergebnis 229
6.5.1 Fehlerbetrachtung 229
6.5.1.1 Allgemeines 229
6.5.1.2 Systematische Fehler 231
6.5.1.3 Statistische Fehler 233
6.5.2 Bewertung von Analysenergebnissen 237
6.6 Meßprobleme und ihre Beseitigung 237
7 AUSWAHL VON GERÄTEN UND METHODEN 241
8 ANWENDUNGEN 244
8.1 Allgemeines 244
8.2 Anwendungen allgemeiner Art 245
8.3 Prozeßüberwachung 246
8.4 Biologie 247
8.4.1 Mikroelektroden 247
8.4.2 Beispiele für Biosensoren 251
8.4.3 Fließinjektionsanalyse 257
8.4.4 Biologische Produktionsverfahren 259
8.5 Medizin 260
8.5.1 Anforderungen 260
8.5.2 Anwendungsbereiche 261
8.6 Pharmazie 264
9
Inhaltsverzeichnis
9 ALTBRNATIVB VBRFABRBN 269
ABKÜRZUNGBN 272
LITBRATUR 275
SACHRBGISTBR 290
10