DE2101339A1

DE2101339A1 - Ionenselektive Elektrode

Info

Publication number: DE2101339A1
Application number: DE19712101339
Authority: DE
Inventors: Gerard Michael Lombard 111 Farren (V St A)
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1970-03-03
Filing date: 1971-01-13
Publication date: 1971-09-16
Also published as: JPS5038359B1; US3657093A; GB1298720A; CA931482A

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERG · PATENTANWALT HANMOVtR · «CHACKSTRASSE 1 · TELEFON (0511) 1140·· · KAIEL PATENTION HANNOVER

The Perkin-Elmer Corporation . 233/171

Ionenselektive Elektrode

Die Erfindung betrifft eine ionenselektive Elektrode und insbesondere eine feste Mischung mit geringer Löslichkeit für eine ionenselektive Elektrode zur Messung der Aktivi tät eines Kations, das keinen ionischen Halbleiter bildet.

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Es gibt viele Metallsalze, die ionische Halbleiter sind. Dies bedeutet, daß durch das feste Salz, das entweder eine einzel- oder polykristalline Form aufweist, durch die Bewegung eines der das Salz bildenden Ionen ein elektrischer Strom transportiert werden kann. Das bewegliche Ion kann das Kation (das Metall) oder das Anion sein. Wenn sich nur eines der Ionen bewegt, so ist die Transportzahl dieses Ions im Salz gleich eins, und das an der Grenzfläche zwischen einem aus dem Salz gebildeten Körper - nachfolgend Membran genannt - und einer Lösung, die ein Ion enthält, das auch das Salz bildet, aufgebaute Potential folgt der bekannten Nernst-Grleichung für eine reversible Elektrode. Dieses Potential ist dann ein Maß für die Aktivität des Ions in der Lösung.

Durch Anbringung eines geeigneten Kontaktes an der anderen Fläche der Membran - wie z.B. beschrieben in den deutschen Patentanmeldungen P 19 40 353.3, P 20 06 051.9 und P 20 02 676.0 - läßt sich eine Elektrode herstellen, mit der in einem geeigneten Meßkreis die Aktivität oder Konzentration entweder des Kations oder des Anions der Membran - je nachdem welches davon in der Lösung vorhanden ist bestimmt werden kann. Eine Reihe solcher ionischer Halbleiter ist ebenso wie ihre Verwendung in Elektroden in der Fachwelt bekannt.

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Bei den bekannten Elektroden war jedoch üblicherweise die der Lösung abgekehrte Seite der Membran mit einem Elektrolyten in Kontakt, der seinerseits mit einer reversiblen Bezugselektrode in Berührung stand. Die Technik solcher Elektroden ist geläufig und braucht daher hier nicht näher erläutert zu werden.

Es ist seit 1902 Stand der Technik (W. Nernst und E.H. Riesenfeld, Ann. Physik (4)8,600 ), daß jede verhältnismäßig unlösliche Membran.;, die einen ionischen Halbleiter darstellt, als ionische Membran in einer ionenselektiven Elektrode verwendet νβνά,βιι kann, um die Aktivität des Ions, für das sie durchlässig ist, oder bestimmter anderer Ionen in einer Lösung bis zu einer Konzentrationsgrenze zu messen, die durch die Löslichkeit der ionischen Membran bestimmt ist. Es gibt Elemente, wie z.B. Kalzium, deren Salze entweder so stark löslich sind, daß sie in einer ionenselektiven Elektrode nicht verwendet werden können, oder die - falls sie unlöslich sind - keine ionischen Halbleiter sind.

Insbesondere Kalzium als ein wichtiger Bestandteil biologischer Flüssigkeiten muß häufig in klinischen Laboratorien gemessen werden. Seine Bestimmung ist auch ein Maß für die Härte von Wasser; hierbei spielt Magnesium, das dem Kalzium ähnlich ist, ebenfalls eine Rolle. Bisher hat man Verfahren

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wie Flammenfotometrie, Absorptionsspektrographie, Titrimetrie und Fluorimetrie zur Bestimmung von Kalzium verwendet. Hierbei wird jedoch die Konzentration gemessen, während der sachdienlicheren Ionenaktivitätsmessung der Vorzug zu geben wäre.

Trotz aller Bemühungen ist bisher die einzige Kalziumaktive Elektrode in der Praxis die Elektrode mit einem Flüseig-Austausch geblieben, die eine verhältnismäßig geringe spezifische Wirksamkeit besitzt. Ausführungsformen dieser Elektrode sind beispielsweise in den US-Patentschriften

2 614 976, 3 406 102, 3 429 785, 3 438 886, 3 445 365 und

3 448 032 beschrieben. Diese Elektrode weist keine fest^ unporöse ionische Halbleitermembran auf. Die gezeigte Membran ist porös, elektrisch inert und dient nur als Träger für ein organisches Salz des Kalziums, das als ionenselektives Mittel wirkt. Diese Elektroden sind im Aufbau kompliziert, in den Abmessungen umfangreich, weisen eine geringe spezifische Wirkung für Kalzium auf und sind ihrer Natur nach nicht beständig, so daß sie eine häufige Neufüllung erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ionenselektive Elektrode zur Messung der Aktivität eines Kations mit einer festen Membran zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Elektrode vermeidet und insbesondere zur Bestimmung von Kalzium verwendbar ist. Gemäß der Erfindung besteht die

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für die Membran verwendete Mischung aus einem ersten schwer löslichen Fluoridsalz des Kations und wenigstens einem weiteren Fluoridsalz von geringerer Löslichkeit als das erste Fluoridsalz, wobei das zweite Fluoridsalz außerdem ein ionischer Halbleiter ist.

Sie Elektrode gemäß der Erfindung gehört zu der Art von Elektroden, die als Elektroden der dritten Art bekannt sind. Entsprechend der Definition in der Elektrochemie kann eine Elektrode der dritten Art wie folgt dargestellt werden:

R/G-,A, C₂A/Lösung O₁ (oder A)

Dabei ist R eine Bezugselektrode, die mit der Membran über die durch den Schrägstrich (/) bezeichnete Grenzfläche Kontakt macht. C₁A ist ein Salz des zu messenden Kations C-, ; mit Anion A, das eine verhältnismäßig geringe Löslichkeit ; aufweist und kein ionischer Halbleiter ist. CgA ist ein Salz eines anderen nicht zu messenden Kations Cg mit dem gleichen | Anion A, das eine geringere Löslichkeit als C₁A aufweist und mit dem beweglichen Ion A einen ionischen Halbleiter bildet. C₁A und C₂A sind physikalisch zu einer Festkörpermembran gemischt. Lösung C ist die für die Aktivität yon Lösung C₁ (oder A) zu analysierende Lösung, die mit der Membran an der durch die doppelten Schrägstriche (//) bezeichneten Grenzfläche in Kontakt ist. (Das Ansprechen auf A ist wie eine Elektrode der zweiten Art).

Elektroden der dritten Art sind für eine begrenzte-Zahl von Kombinationen bekannt. Wegen der oben erwähnten

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Löslichkeitsbeziehung ist jedoch das Auffinden nützlicher Kombinationen nicht ohne weiteres naheliegend oder selbstverständlich. Aus diesem Grunde bestehen die einzigen bekannten Elektrodensysteme der dritten Art zur Bestimmung von Kalzium aus:

R/Hg, CaOx, Ca (NO)^(ag) // Lösung Ca und R/Hg, HgWO₄, Ca(NO₅)₂(ag) // Lösung Ca (siehe M. LeBlanc und 0. Harnapp, Z. Physik. Chem. A166, (1933) 321).

Diese Systeme sind weder in der Herstellung noch im Gebrauch einfach, weil die Bestandteile mit dem Quecksilber eine Paste bilden und daher eine feste Elektrode von einfachem Aufbau nicht zu realisieren ist. Insofern sind die zuvor erwähnten Kalziumelektrodensysteme mit Pltissis-Plüssig-Austausch den zuletzt genannten Systemen vorzuziehen. Darüber hinaus haben die beiden erwähnten Systeme einen metallischen Leiter, nämlich Quecksilber, der sich durch die Membran erstreckt und mit der zu analysierenden Lösung in Kontakt steht. Daher können bei diesen Elektroden Redox-Fehler auftreten, wenn die Lösung oxidierende oder reduzierende Stoffe enthält. Sie arbeiten zudem nur, wenn das Quecksilber in Kontakt mit der Lösung ist, weil die Salze keine ionischen Halbleiter sind. Trotz dieses bescheidenen Standes der Technik in bezug auf Kalzium ergeben andere Elektroden der dritten Art gute Meßergebnisse, Eine dieser kommerziell verwendeten Ausführungsformen ist:

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R/PbS, Ag₂S// lösung Pb.

Diese Elektrode ist der BIe!-Bezugselektrode der zweiten Art überlegen: .

R/PbP₂// Lösung Pb

weil die Löslichkeit von PbS kleiner ist als die Löslichkeit von PbP₀ und daher die erstere eine um A Größenordnungen

—7 niedrigere Konzentration der Lösung messen kann, d.h. 10 M

im Vergleich za 1Cf-⁵M.

Die erfindungsgemäße Elektrode der dritten Art mit einer festen, nicht porösen Membran hat keinen flüssigen Inhalt und ist völlig'unempfindlich gegenüber Redox-Fehlern. Es wurde gefunden, daß bestimmte Fluoridsalze wie z.B. ScF,, YF,, BiF, und die Fluoride der seltenen Erden ausreichend unlöslich sind, während sie zugleich ionische Halbleiter sind und innig mit CaFg kombiniert werden können, das verhältnismäßig unlöslich (aber nicht mehr löslich als die zuvor erwähnten Fluoride) ist und das kein Halbleiter ist, so daß eine feste» unporöse Membran gebildet werden kann, aus der eine spezifisch auf Kalzium ansprechende Elektrode herstellbar ist. Eine ähnliche Mischung aus Fluoridsalz kann

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durch Substitution von MgP₂ verwendet werden, so daß man eine Mg-Elektrode erhält. Weiterhin ist es möglich , eine Kombination von zwei Salzen zu verwenden , um eine kombinierte "Wasserhärte"-Elektrode zu erhalten.

Durch die Erfindung wird eine Elektrode geschaffen, deren Membran frei von Plüssigkeitsbestandteilen ist und zur "ionischen Messung von Kationen verwendbar ist, deren Salze keinen geeigneten Halbleiter bilden, so daß sie als Elektrode der zweiten Art verwendbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Mischung wird der Vorteil der extremen Unlöslichkeit von Fluoridsalzen zur Ausdehnung des Arbeits-Bereiches der Elektrodenmembran ausgenutzt.

Die Erfindung erlaubt nicht nur die Herstellung einer Elektrode zur Bestimmung von Kalzium, sondern es ist darüber hinaus auch möglich, Mg und andere Metalle oder Kombinationen solcher Metalle zu bestimmen, deren Fluoride verhältnismäßig unlöslich und keine ionischen Halbleiter sind.

Die erfindungsgemäße Elektrode besitzt eine größere spezifische Wirksamkeit , eine höhere Beständigkeit, kleinere Abmessungen, geringere Temperatur-empfindlichkeit, größere Einfachheit und ist im Gebrauch bei der Messung von Kalzium oder der anderen erwähnten Metalle einfacher als andere bekannte Elektroden.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Pigur 1 eine Ausführungsform der Elektrode im Querschnitt und

Pigur 2 eine Querschnittsansicht einer die Erfindung verkörpernden Membran.

Gemäß Pig. 1 weist die Membran 10 die Porm einer Scheibe auf. Die Porm und Größe der Membran 10 begrenzt nicht ihre Punktion, jedoch stellt die Scheibe eine zweckdienliche Porm dar. Die Membran 10 ist am Ende eines Schaftes 12 mittels eines Dichtungsmittels 14 befestigt. Einzelheiten hierüber sind in den oben erwähnten Patentanmeldungen beschrieben. Ein geeigneter Kontakt 16 ist an der rückseitigen Pläche der Membran 10 vorgesehen - und mit einem Zuführungsdraht 18 verbunden. Abgesehen von dieser Beschreibung bilden Einzelheiten des Xontaktes nicht Seil der vorliegenden Erfindung.

Die Membran 10 kann auf verschiedenen Wegen hergestellt werden:

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- ιοί . Durch Mischung der Bestandteile und anschließendes Zusammenpressen unter hohem Druck zur Bildung eines nicht porösen Körpers,

2. durch Niederschlagung einer porösen Schicht des Halbleiters auf der Oberfläche eines Einkristalls oder eines polykristallinen Körpers aus der ionischen Haltleiterkomponente oder

3. durch Bildung einer porösen Membran aus den in Fig. 2 mit 20 bezeichneten Bestandteilen mit einer Mischung aus einem mit 22 in Fig. 2 bezeichneten Dichtungsmittel, das die Zwischenräume ausfüllt und die Membran undurchlässig macht.

Beispielsweise bei Herstellung der Membran 10 zur Messung von Ca⁺⁺ nach der ersten Methode werden gereinigtes LaF, und CaF₂ in Form kristallinen Pulvers von kleinstmöglicher Körnung gemischt. Der Anteil von CaF₂ beträgt dabei vorzugsweise zwischen 10 f> und 50 i» des Molgewichtes. Dieses Gewichtsverhältnis ist nur eine empfehlende Angabe. Die Elektrodenwirkung läßt allmählich nach, wenn das Verhältnis sich Null und 100 56 annähert. Die Mischung kann auch durch Coprecipitation aus einer Lösung von La und Ca-Salzen, z.B. Nitraten und Chloriden durch Hinzufügen von NaF hergestellt werden. Diese Mischung wird in eine Form gebracht und unter Bedingungen zusammengepreßt, wie sie in der US-Patentschrift 3 206 279 beschrieben sind, um einen nicht porösen Körper zu bilden* Bei der Praktiziexung der zweiten Herstellungs-

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methode wird die Oberfläche des ionischen Halbleiter-Körpers mittels der üblichen bei der Aufdampfung benutzten Methoden gereinigt. Der Körper wird dann in das Vakuumsystem gesetzt, wo eine Schicht aus CaP₂ durch Aufdampfung , Zerstäubung oder andere Mittel nach Wahl aufgebracht wird. Die Schicht muss die gesamte Oberfläche bedecken, um ein ungleiches Ansprechen von Punkt zu Punkt zu vermeiden. Die Schicht muß so dick wie möglich sein, jedoch porös bleiben, wenn nur CaF₂ aufgebracht wird. Eine Spur eines inerten Gases von einigen mm Quecksilbersäule - wie an sich bekannt bei der Beschichtung metallischer Blöcke - erleichtert die Aufrechterhaltung der Porosität , obwohl ein zu hohes Maß zu einer brüchigen Schicht führt. Ein alternatives Verfahren, das keine Porösität entwickelt, ist die Verdampfung einer Mischung von CaP« und !«d?* unter hohem Vakuum. Dies kann unmittelbar auf einem rückwärtigen Kontakt 16 aus Wismut oder Blei erfolgen. Das Molgewicht von CaP« sollte in der Mischung zwischen 5$ und 25# im Hinblick auf die größere Flüchtigkeit von CaF₂ gegenüber IaP, gehalten werden. Dieser Bereich ist wiederum keine Grenze, sondern nur ein Vorschlag für den Arbeitsbereich. Die abgedichtete poröse Membran 10 in Fig. 2 kann durch Verfahren hergestellt werden, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 20 06 051.9 beschrieben sind. Das empfohlene Mischungsverhältnis ist das gleiche wie für die nicht poröse zusammengepreßte Membran . Es sind auch andere Verfahren zur Herstellung der Membran möglieh und die Erfindung ist daher nicht auf das verwendete Verfahren zur Herstellung der Membran beschränkt. Die Wahl des Ver-

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fahrens hängt von den Kosten, der Bequemlichkeit, der Beständigkeit und anderen Faktoren ab. Alle Verfahren erreichen das Ziel der Erfindung und begrenzen die Erfindung nicht.

Vorzugsweise wird LaF·^ wegen seiner extrem geringen Löslichkeit als ionischer Halbleiter verwendet. Es kann jedoch ■auch Sei¹·* oder YF₅ mit Vorteil verwendet werden. Desgleichen kann BiF₅ benutzt werden, jedoch spricht dieses auch auf Cl" an. Palls Cl" in der Lösung nicht vorhanden ist, besteht hierin kein Problem. Bei einer klinischen Elektrode würde jedoch Chlorid vorhanden sein, so daß BiF, nicht verwendbar ist. Es können auch andere Fluoridsalze aus der Reihe der seltenen Erden verwendet werden.

Die Löslichkeitsprodukte der möglichen Komponenten der Membran 12 sind zur Zeit nicht alle mit Sicherheit bekannt. Sie sind annähernd:

Ionische	Halbleiter:	Nicht-Halbleiter:
LaF₅	ΙΟ"¹⁸	CaF₂ 1O~¹¹
ScFj	1O~¹⁵bis 10~¹⁸	MgF₂ 1O~⁹
YF₅	1O"¹⁵bis 10~¹⁸
BiF₅	1O"¹⁵bis 10"¹⁸

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Die Nicht-Halbleiter genügen der Forderung, daß ihr Löslichkeitsprodukt größer sein muß als dasjenige des ionischen Halbleiters. Wenn dies nicht so wäre, würden die Ionen der ersteren die Ionen der letzteren aus der Lösung verdrängen, und die Elektrode würde auf die ersteren nicht ansprechen.

Die Wirkungsweise als Elektrode sei als Beispiel für die CaF₂* LaF» Kombination erklärt. Eine Lösung enthaltend 1M Ca⁺⁴* Ion entfernt F~ von der Fläche der Elektrode gemäß der Gleichung:

(Ca⁺⁺)(F~)² m ■ 1O"¹¹ Wenn Ca - 1M ist: (1)(F~)² « 1(T¹¹

F" β VKD ¹ ~ 3 Σ 10~⁶

Wenn Ca - 10"²M ist:(1O~²)(F')² » 10""¹¹

F" = \/¹⁰"^y w 3 X 1O"⁴

Die Aktivität des freigegebenen F" wird dann durch die Elektrode als Fluoridelektrode gemessen. Das Ansprechen folgt der Nernst-Beziehung, ist jedoch im Verlauf umgekehrt

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Als eine Messung von Ca . Durch Ausdehnung der obigen Ausführungen auf geringere Ca⁺⁺ Konzentrationen bis zu einem Punkt, wo die F" Konzentration die gleiche ist, liegt -wie gefunden wurde- die untere verwendbare Grenze der Elektrode als eine Ca⁺⁺Elektrode annähernd bei 1,4 ζ 10 M. Hierdurch ist die Elektrode in der Lage, den Bereich der biologischen flüssigkeiten und ausgeprägten Wasserhärte zu erfassen. Im Vergleich zu bekannten Elektroden mit Flüssig-Flüssig-Austausch liegt der Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrode in der erheblich größeren Genauigkeit und dem größeren Anwendungsbereich. Beim Vergleich der Ca^Elektrode wurde folgendes gefunden:

	Stand der Technik	Erfindung
Sr⁺⁺ Störfaktor	0,017*	0,010
Mg⁺⁺ »	0,014	0,005
Pb⁺⁺	0,63	0,001
Ba⁺⁺	0,01	0,00001
Na⁺ oder K⁺	veränderlich	vernachlässigbar
H⁺ Fehler unter	5.5 P_H

*Somit verursacht 1M von Sr⁺⁺ einen Fehler in der Ca"¹"¹" Messung von 0,017M und so weiter für die folgenden Ionen.

Die angegebenen Störfaktoren sind typisch. Aufgrund der größeren Genauigkeit der erfindungsgemäßen Elektrode ist diese insbesondere nützlich für biologische Messungen.

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Bei dem "beschriebenen Beispiel sind CaF« und IaF, als Mischungsbestandteile verwendet worden. Je nach Wahl können aber auch andere ionische Halbleiter des Fluorid-Typs mit CaFg für eine Ca Elektrode substituiert werden, oder es kann MgFg mit einem der Fluorid-Halbleiter benutzt werden, um eine Magnesiumelektrode herzustellen. Auch andere mögliche Kombinationen sind aufgrund der Offenbarung der vorliegenden Erfindung für den Fachmann auswählbar.

-Patentansprüche-

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Claims

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Patentansprüche :

1. Ieate Mischung mit goringer LösliohVci1 für eine ioiienselektive Elektrode zur Messung der Aktivität ei non Kations, das keinen ioninelnnj Halbleiter bildet, dadurch /u^onnr"!obnet, daß die Hiachun^ nun einem ernten mljwei löölicben riuoridoalz den Fatione und wenißnteno einem weiteren Fluorid ealz von geringerer LöelicbVreit als dtu- orete Pluoridnalsi besteht, wobei daß zweite i'luorideuliF. «ujUerdein ein ioniecbor Halbleiter lot.

2. MiQchung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kation Kalzium ist.

3. Mischung nach Anspruch 1, j.ad.urxb^fiekennzeiebnet, daß

das zweite Flucridnolz wenigstens ein Salz aus der Gruppe ScF YF,, BiF^t und einem Fluoridpelz eines Ilemenies der seltenen Erden ist.

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4. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet! daß das Kation Magnesium ist,

5. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kation eine Mischung als Kalzium und Magnesium ist.

6. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kation-Fluorid zwischen 10 und 50 f> des Molgewichts der Mischung ausmacht.

Ionenselektive Elektrode der dritten Art zur Messung der Aktivität eines Kations, das kein ionischer Halbleiter ist, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kontakt mit der Lösung eine feste Membran (10) vorgesehen ist, daß die Membran aus einer Mischung eines gednglöslichem Fluoridsalzes des Kations mit einem weiteren Pluoridsalz mit geringerer Löslichkeit als das Kation-Fluoridsalz besteht, daß das zweite Fluoridsalz außerdem ein ionischer Halbleiter ist und daß Mittel zur Herstellung eines elektrischen Kontaktee mit der i Jj Membran vorgesehen sind.

8. Elektrode nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das Kation aus der Gruppe Kalzium und Magnesium ausgewählt ist.

9* Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite iluoridsala wenigstens ein SaIs aus der Gruppe So?,,

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YF,, BLF-z, und einem FLuoridaalz eines Elementes der seltenen Erden ist.

10. Elektrode nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Kationsalz eine Mischung aus CaF₂ und MgF₂ ist.

11. Elektrode nach Anspruch 7_f dadurch gekennzeichnet, daß das Kation zwischen 10 und 50 Ji des Molgewichtes der Membran ausmacht.

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