Schindler, Schindler
und
Aziz:
Ein
NH
J-selektiv-enzymatisches
Durchflußsystem
447
J.
Clin.
Chem.
Clin.
Biochem.
Vol.
16,
1978,
pp.
447-450
Ein
NH
4
+-selektiv-enzymatisches
Durchflußsystem
Verfahren
zur
kontinuierlichen
enzymatischen
Elektroanalyse
von
Harnstoff,
II.
Mitteilung
Von
J. G.
Schindler,
R. G.
Schindler
und O.
Aziz
Medizinisches
Zentrum
für
Theoretische Medizin
Institut
für
Angewandte
Physiologie
der
Philipps-Unwersität
Marburg/Lahn
(Eingegangen
am 15.
November
1977/18.
April
1978)
Zusammenfassung:
Es
wird
ein
Durchflußsystem
zur
NH^-selektiv-enzymatischen
Harnstoffbestimmung beschrieben,
bei
der
mit
löslicher
Urease schwimmend eine
Harnstoff
Spaltung erfolgt
und die
NH
4
"
h
-Freisetzung
sekundär
mit
einer
ammoniumselektiven
Disk-Elektrode
erfaßt wird.
Als
aktive
Komponente
für die
Elektrodenmembran wurde
das
Carrier-Antibiotikum
Nonactin
in
eine
Polyvinylchlorid-Matrix
inkorporiert.
A
NH^-selective-enzymatic
flow-through system.
A
method
for the
continuous
enzymatic,
electrochemical
determination
of
urea,
II.
Summary:
A
flow-through
system
for the
measurement
of
urea
concentrations
is
described, using soluble urease
and
consecutive
determination
of
liberated
ammonium
ions
by a
selective
disc-electrode.
The
active component
of the
electrode
membrane
was the
carrier-antibiotic
nonactin
which
was
incorporated
in a
Polyvinylchloride matrix.
Einleitung
Die
elektrochemisch-enzymatische
Analytik
basiert
auf
der
Messung
von
Ionen
(1—4)
oder
Gasen
(2—6)
nach
erizymatischem
Substratumsatz.
Da
sich
derartige Meß-
systeme
in
kompakter
Bauform ausbilden
lassen
(3,4,7),
haben
sie
außer
für das
klinisch-chemische
Laboratorium
eine
besondere
Bedeutung
für
kontinuierliche
elektro-
chemische
Direktmessungeri
am
Patienten
(8).
Es er-
scheint
möglich,
derartige
Analyseneinrichtungen
zu-
sammen
mit
ionenselektiven
Sensoren
in
einen
geschlos-
senen
Regelkreis
zwischen
Patient
und
Theräpiegerät
zur
gesteuerten
Therapie
(Infusion,
Medikamentenappli-
kation,
Beatmung)
zu
integrieren
(4).
Bisher
wurden
derartige
Meßeinrichtungen
schön
zur
fortlaufenden
elektrochemischen
Hämoanalyse
des
Menschen
von
Na*,
K"
1
",
Ca"
1
"
1
"
und
j8-£)-Glucose
(8)
in
Analogie
zu der
bereits
eingeführten
Kontrolle
anderer
wichtiger
physiologischer
Meßdaten
wie
EKG,
Puls,
Blutdruck,
Atmung
und
Temperatur
eingesetzt.
Im
folgenden
wird
daher
ein
einfaches
Verfahren
zur
NH^-selektiv-enzymatischen
Durchflußmessung
von
Harnstoff
beschrieben.
Technik
und
Methodik
Das
ionenselektiv-enzymatische
Meßsystem
zur
kontinuier-
lichen
potentiometrischen
Harnstoffanalyse besteht
aus
einem
Metallrahmen
zur
elektrostatischen Abschirmung
mit
Buchsen
für
Sensoren
-
ionenselektive
Disk-Elektroden
—,
Stromschlüssel-
kontakt-Stecker
und
Enzymkontakt-Stecker
(3,
9,10).
Die
geringen Unterschiede
in den
lonenradien
von
NH/
(
=
148 pm) und
K!
1
"
(
=133
pm)
bedingen
die
hohe Querem-
pfindlichkeit
von
NH4
+
-selektiven
Membranen
mit dem
Carrier-
Antibiotikum
Nonactin gegenüber
K*
(2,
10);
umgekehrt weisen
kaliumselektive
Elektroden
mit dem
Träger-Antibiotikum
Valinomycin
eine geringe Selektivität gegenüber
NH
4
+
auf
(2,
3,4).
Dies erklärt
der
Komplexierungsvorgang,
der
in
gewisser Hinsicht
dem
Prinzip
der
optimalen
Hohlrauman-
passung
folgt,
wobei
das
Metallkation
in den an der
Bindung
teilnehmenden
Sauerstoffatomen
einen Ersatz
für
seine Hydrat-
hülle findet. Andererseits besteht daher
nur
eine geringe Trans-
portkonkurrenz
als
Funktion
des
lonenradius
gegenüber
Na
+
(Hon
= 95
pm),
Ca"
(ri
on
= 99 pm) und
Mg"
(ri
on
= 65
pm).
Die
Transportkonkurrenz
für
NH/und
K*
der
Carrier-Anti-
biotika
Nonactin
und
Valinomycin
ist
beim
Aufbau
eines
NH/-
selektiv-enzymatischen
Harnstoffmeßsystems
mit
elektroana-
lytischer
K*-Korrektur
zu
berücksichtigen.
Der
nach
Enzym-
kontakt
unter konstantem
Zupumpen
löslicher Urease erfolgen-
den
NH^-Messung
kann wegen
der
geringen Diskriminierung
von
Kalium-Ionen
zu
Korrekturzwecken
ein
Sensor
mit
Valino-
mycin
als
aktiver Komponente vorgeschaltet werden (Abb.
1),
der
seinerseits
auf
Grund
des
geringen
NH^-Pegels
bei
physio-
0340-076X/78/0016-0447S02.00
© by
Walter
de
Gruyter
& Co. ·
Berlin
· New
York
448
Schindler, Schindler
und
Aziz:
Ein
NHS-selektiv-enzymatisches
Durchflußsystem
16
Abb.
1.
lonenselektiv-enzymatisches
Durchfluß
system
mit
elektro-analy
tischer
Korrekturmessung.
1
Meßlösung
2
Pumpe
I
3
Ionen selektiver Sensor
I
(Korrektor)
4
Parallelepipedischer
Isolierkörper
I
5
Stromschlüsselkontaktzone
6
Stromschlüsselkontaktstecker
7
Abfluß
8
Anschlußstück
für
die
Bezugslösung
logischen
Messungen
nur
wenig
gestört
wird.
Um
aber
anderer-
seits
die
verhältnismäßig hohe Kaliumempfindlichkeit
von
Nonactin
in der
Elektrodenmembran
des
NH4
+
-Sensors
(KNH
-K
-1Ö"
1
)
ausreichend
zu
kompensieren, empfiehlt
es
sich gegen-
wärtig,
die
höhere
enzymatische
Aktivität löslicher Urease
dem
immobilisierten
Enzym vorzuziehen. Wenn dabei
der
NH/-
Pegel
selbst
bei
einer
Harnstoffkonzentration
von 1,7
mmol/1
aufwerte
von
3,2-3,4
mmol/1
-
näherungsweise
völliger
Sub-
stratumsatz
- bei
einer Enzymkontaktzeit
von 15
min
ange-
hoben
werden kann, bedarf
es
keiner kaliumselektiven Korrek-
turmessung
(Abb.
2).
Resultate
Die
Selektivitätskonstanten
von
pNH4
+
-Disk-Elektroden
als
quantitative Sensorkennzahlen wurden
für
die
physio-
logisch wichtigen Störionen
H*,
Na
+
,
K*,
Ca"
1
"
1
"
und
Mg"
1
"
1
"
nach
dem
Prinzip
der
Veränderung
der
Meßionenaktivität
bei
konstant gehaltener Störionenaktivität bestimmt (10).
Die
NH^-selektiv-enzymatische
Hamstoffmessung erfolgte
nach
schwimmend
durchgeführter
Substratspaltung
mit
tris-gepufferter
(pH
7,40) löslicher Urease
(Boehringer
Mannheim/Biochemica-Werk
Tutzing)
in
einem spiraligen
Enzym-Reaktor
zeit-
(15
min)
und
temperaturkonstant
(293,15
K). Im
Enzym-Reaktor
läßt
sich luftblasenge-
trennt
eine Vielzahl
von
Proben unterbringen.
Da
größere
Harnstoffschwankungen
kurzfristiger
kaum
zu
erwarten
sind,
erscheint
das
Verfahren auch
für
kontinuierliche
9
Pumpell
10
Enzymlösung
11
Enzymlösungskontakt-Stecker
12
Metallrahmen
13
Enzymlösungskontaktzone
14
Spannschraube
15
Parallelepipedischer
Isolierkörper
II
16
lonenselektiver
Sensor (Detektor)
}
Enzym-Reaktor
Messungen,
beispielsweise
im
Rahmen einer
Hämodialyse,
geeignet.
Die
langen
Erizym-Reaktorzeiten
wurden
ge-
Harnstoff
[mmol/l]
•j
6d-
J
50-
>
40-
^
30-
S
20-
i
10-
A
III
0
|,
/
^X
x^
_
X
J
O
X
/
^
./
'
.X^
S^
X^
T
=293.15
K
NH
^-selektiv
-enzymatische
Harnstoffmessung
0
,,
.,
1
.,
u
lösliche
klul
,
H
2
N
c
UreQse
^
N"4
•60
•50
•40
•30
•20
•10
1
-
234
5
678910,
234
5678910,
10~
3
10'
2
1CT
1
NHj
[molVl]
Abb.
2.
Standarddiagramm
zui
NH
4
-selektiv-enzymatischen
Elektroanalyse
von
Harnstoff
mit
löslieher
Urease
(Enzymkontaktzeit
15
min).
J.
Cliri.
Chem.
Clin.
Bioehem.
/
Vol.
16,1978
/ No. 8
Schindler, Schindler
und
Aziz:
Ein
NHJ-selektiv-enzymatisches
Durchflußsystem
449
wählt,
um
durch einen näherungsweise völligen Sub-
stratumsatz einen Kaliumeinfluß
auch
bei
niedrigem
Harnstoffpegel
weitgehend
zu
unterdrücken,
so daß auf
elektroanalytische
Korrekturmessungen
mit
einem vor-
geschalteten
kaliumselektiven
Sensor
verzichtet
werden
kann
(Abb.
2 und 3).
Zur
Abschätzung
des
Analysenfehlers
auf
Grund geringer
NH
4
"
l
'/K"
H
-Diskriminierung
wurden Modell-Versuche
mit
einem vorgegebenen Störionenspiegel
von 10
mmol/1
K
+
bei
Harnstoffkonzentrationen
zwischen
l ,7 und
16,7 mmol/1 durchgeführt (Abb.
3). Der
mögliche
Meß-
fehler
liegt selbst
im
unteren Analysenbereich
in den
Toleranzgrenzen
(Abb.
4)
handelsüblicher Kontroll-
seren
(DADE):
LAB-TROL
(5,2-5,8
mmol/1 Harnstoff),
MONI-TROLI
(5,3-5,8
mmol/1 Harnstoff),
MONI-TROL
II
(l
1,8-12,2
mmol/1 Harnstoff)
und
PATHO-TROL
(17,8-18,1
mmol/1
Harnstoff).
Im
Hinblick
auf die
Einbeziehung
der
potentiometri-
schen Harnstoffmessung
in die
kontinuierliche elektro-
NHt-selektiv-enzymatische
Harnstoffmessung
1,7
2,2 3.3
3,8
5.0
5,3
6j
6.8
8.3
10.0
11.713,3
Harnstoff
[mmol/U
Abb.
3.
K
Ha
rnstoff-K
16.7
chemische
Hämoanalyse
in
Analogie
zu den
bereits
durchgeführten
patientendirekten Messungen
für
Na"
1
",
K
, Ca und
|3-Z?-Glucose
(8)
wurden
in
vitro-Messungen
nach
dem
Prinzip
der
Zwischenträgeranalyse (Dialyse)
durchgeführt,
die in
guter Übereinstimmung
mit
Harn-
stoffmessungen
im
Serum stehen (Abb.
4).
Diskussion
Neben
der
O
2
-sensitiv-enzymatischen
Messung
von
ß-D-
Glucose
(2-8,
11)
ist die
NH
4
-selektiv-enzymatische
Bestimmung
von
Harnstoff
ein
Paradebeispiel
in der
enzymatischen
Elektroanalytik.
Der
Nachweis
für
die
Praktikabilität
der
potentiome-
trischen
Harnstoffmessung
läßt
sich sehr einfach durch
eine stationäre Versuchsanordnung erbringen, indem
das
Enzym Urease einer
thermostatisierten,
gerührten Sub-
stratlösung zugesetzt
und aus der
dann
meßion-indu-
zierten Potentialänderung
auf die
Substratkonzentration
geschlossen wird
(1).
In der
Weiterentwicklung
zur
Harn-
stoff-Elektrode
wurde eine
NH4*-sensitive
beziehungs-
weise
auf
Grund unzureichender Querempfindlichkeit
besser
als
kationenselektiv
zu
bezeichnende Glasmem-
branelektrode
mit
in
einer
photopolymerisierten
Acrylamidgel-Matrix
immobilisierten Urease
über-
zogen
(12,
13,
14).
Aus
Stabilitätsgründen
und
auch
unter
dem
Aspekt einer
Enzymverarmung
durch Aus-
wascheffekte
kann zusätzlich eine Gelfixation
mit
Nylonnetz
(15)
oder
Cellophanfolie
(14,
16)
erfolgen.
Für
Direkt
me
ssungen
von
Harnstoff
im
Serum oder ver-
dünnten Urin
ist die
zusätzliche Verwendung einer
un-
behandelten Kationen-Vergleichselektrode
in
einem
lonenaustausch-System
erforderlich
(17).
Eine verbes-
serte Harnstoffelektrode
gestattet
unter Ersatz
der
kationenselektiven Glasmembran durch eine Silikon-
gummimembran
mit
inkorporiertem
Nonactin
bei
60
l
iu
26
Ifi
Standardlösungen
Kontrollseren
Zwischenträger
-
Analyse
(Dialyse)
—
167
£
67
*3
—
167
Harnstoff
[mmol/l]
50
40
30
20
10
67
80
16,7
Abb.
4.
Potentiometrische
Harnstoff-Durchflußmessungen
von
Standardlösungen,
Kontrollsera
und
nach
dem
Prinzip
der
Zwischen-
träger-Analyse
(T =
293,15
K)
J.
Clin.
Chem.
Clin,
Biochem.
/
Voll
16,1978
/No.
8
450
Schindler,
Schindler
und
Aziz:
Ein
NH^-selektiv-enzymatisches
Durchflußsystem
bekanntem
Kaliumpegel eine genaue
Messung
in
bio-
logischen
Flüssigkeiten
(18,19).
Eine andere
Möglich-
keit sieht
vor,
C0
2
-
(20,21)
beziehungsweise
NHa*
Sensoren
(22,23,24,25)
als
Detektoren
mit den
Varianten
einer Sandwich-Bauweise
(21)
oder Luftspalt-
Elektrode
(26,27)
zu
verwenden.
Die
Elektroanalyse
mit
immobilisierten Enzymen stellt
gegenüber
dem
Einsatz
löslicher
Enzyme
die
wirtschaft-
lichere Alternative
dar (l
l,
28,29).
Da
aber
die
Immobi-
lisierung
verschiedener diesbezüglich interessanter
En-
zyme
Schwierigkeiten
zu
bereiten
scheint,
sind Zumisch-
verfahren
mit
schwimmendem Substratumsatz
bei
zeit-
konstanter Ionen- oder Gasmessung eine Alternative
auch
für
Analysenautomaten. Eine Auftrennung
in
bio-
chemische
Reaktionsstrecke
und
Sensor
(7,11)
ist vom
bautechnischen
Gesichtspunkt
im
Hinblick
auf
elektro-
chemische Multimeßsysteme eine praktikable Lösung.
Gegenüber
mit an
Schlauchinnenwandungen
(28,29)
oder
auf
Rührsteinoberflächen (26)
besetzten
Enzymen
bietet
das
schotterartig
aufgebaute
(11)
Schichtbett-
verfahren
(Enzympatrone)
den
größeren Oberflächen-
kontakt.
Bleibt
man bei
der
NH^selektiv^nzymatischen
Poten-
tiometrie,
so
dürften
sich auch andere
.Substrate
wie
Aminosäuren unter
NH^-Freisetzurig
(2,30)
nach
dem
hier
vorgestellten,
elektroanalytischen
Verfahren messen
lassen.
Das
Projekt wird durch
die Dr. E.
Fresenius Chemisch-pharma-
zeutische Industrie
KG
Apparatebau
KG
in Bad
Homburg
v.d.H.
im
Rahmen einer Koordinierten Forschung
zur
Ent-
wicklung elektrochemischer Sensoren
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Philipps-Universität
Lahnberge
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