DE2132333C3

DE2132333C3 - Elektrochemische Elektrode

Info

Publication number: DE2132333C3
Application number: DE19712132333
Authority: DE
Inventors: Richard Elmond Los Angeles; Krull Irwin Herbert; Mask Charles Arnold Garden Grove; Calif. Cosgrove (V.St.A.)
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1970-06-29
Filing date: 1971-06-29
Publication date: 1976-07-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode zur Messung der lonenaktivität in einer Lösung, mit einer ionenempfindlichen Grenzschicht, welche eine makrozyklische Verbindung und ein zusammengesetztes Lipoid enthält.

Zur Messung der Ionenaktivitäl sind verschiedenartige Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Wenngleich die Erfindung grundsätzlich auch zur Messung anderer lonenaktivitäten in Frage kommt, eignet sie sich im besonderen zur Messung von Kaliumionen- und Ammoniumionenaktivitäten.

Es ist seit langem bekannt, daß Kaliumionen eine lebenswichtige Rolle in vielen physiologischen Prozessen spielen. Beispielsweise ist die elektrische Potentialdifferenz im Ruhezustand (Ruhepoteniial) zwischen der Innen- und der Außenseite der meisten erregbaren Zellen (wie beispielsweise Nervenzellen: Skelett-, Glättungs- und Herzmuskelzellen) davon abhängig, daß die Kaliumionenkonzentration in der Intrazellular-Flüssigkeit wesentlich höher als in der Extrazellular-Flüssigkeit ist, und daß die Oberflächenmembran dieser Zellen, wenn sie sich in Ruhe befinden, für Kaliumkationen wesentlich stärker durchlässig als für andere Kationen ist. In der Tat wurde gezeigt, daß die Größe des Ruhepotentials in derartigen Zellen zu einem großen Teil vom Verhältnis der Intrazellular- zur Fxtrazellular-Kaliunnonenkonzentration abhängt. Da die Erregbarkeit ihrerseits wieder von der Größe des Ruhepotentials abhängt, ist ohne weiteres einsichtig, daß kleine Änderungen der Konzentration der Kaliumionen in der Extrazellular-Flüssigkeit tiefgreifende Auswirkungen auf die Aktivität von Nerven und Muskelzellen haben. Beispielsweise kann ein Anstieg der Kaliumionenkonzentration in der Extrazellular-Flüssigkeit (beispielsweise dem Blutplasma) von dem Normalwert von 4 bis 5 niM auf 8 bis 9 tnM einen vollständigen Verlust der Erregbarkeit von Herzinuskelzellen und damit ein Aussetzen der Pumpwirkung des Herzens zur Folge haben. Aus diesem und weiteren wichtigen Gründen ist die Kenntnis der Konzentration von Kaliumionen im Blutplasma von großer Bedeutung

für Ärzte bei der Behandlung vieler klinischer Störungen, wie beispielsweise akuter und chronischer Nierenerkrankung, endokrinen Erkrankungen Wie beispielsweise Adrenalinsuffizienz und Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit). Störungen des Flüssigkeits- s gleichgewichts durch Erbrechen und Diarrhöe. Kreislaufschock. Digitalis-Vergiftung usw. Ein Verfahren zur schnellen, direkten Messung der Kaliumaktivität in biologischen Flüssigkeiten, wie es durch die vorliegende Erfindung geschaffen wird, ist daher nicht ι ο nur in der biologischen, physiologischen, biochemischen und pharmakologischen Forschung, sondern auch für die klinische Medizin von hohem Nutzen.

Kaliumionenkonzentrationen in biologischen und anderen wäßrigen Flüssigkeiten wurden bisher nach Ausfällungsverfahren sowie durch Flammenemission und Atomabsorptionsphotometrie gemessen. Für diese Verfahren ist eine umfangreiche Vorbereitung und Handhabung der Meßproben erforderlich, wodurch diese Verfahren sehr zeitaufwendig werden. Außerdem wird bei diesen Verfahren die Menge der in der Probe vorhandenen Kaliumionen statt die Aktivität der betreffenden lonenart in der untersuchten Lösung gemessen. In einer Reihe von Laboratorien wurden auch Versuche zur Herstellung von selektiv für ;s Kaliumionen empfindlichen Glaselektroden durchgeführt. Falls derartige Elektroden eine ausreichende Selektivität besäßen, würden sie eine rasche, direkte Bestimmung der Kaliumionenaktivität ermöglichen. Bisher hat es sich jedoch als unmöglich erwiesen, Glaselektroden mit einem Selektivitätsverhältnis Tür Kalium gegenüber Natrium von mehr als etwa 10: 1 herzustellen. Da die Konzentration von Natriumionen in menschlichem Blutplasma dreißigmal größer als die Konzentration von Kaliumionen ist. eignen sich diese Glaselcktroden daher nicht zur Messung der Kaliumionenaktivität in derartigen Flüssigkeiten.

Im Verlauf der letzten Jahre haben verschiedene Laboratorien mitgeteilt, daß bestimmte makrozyklischc Verbindungen, wie beispielsweise Valinomycin, Enniatin B, Nonactin. Monactin. Dinactin. bei Verwendung auf dünnen (etwa 10 ⁽¹ cm) Lipoid-Doppelschichtmembranen, die aus reinem Lecithin, gemischten Gehirnlipoiden und Lipoiden roter Zellen von Schafen hergestellt sind, eine ausgeprägte Selektivität für Kalium gegenüber Natrium bewirken. Die elektrische Potentialdifferenz über derartigen dünnen Membranen spricht augenblicklich auf Änderungen des Verhältnisses der Kaliumionenkonzentrationen in an den beiden Seiten der Membran anliegenden wäßrigen Phasen an. Jedoch eignen sich dei artige dünne Zweischicht-Membranen infolge ihrer extremen mechanischen Zerbrechlichkeit nicht für die praktische Messung von Kaliumionenaktivitäten, jedoch haben diese Untersuchungen die erhebliche Selektivität für Kalium über Natrium (bis zu HXX): 1) erkennen lassen, welche bestimmte makrozyklische Verbindungen in dünnen Doppelschichten von Phospholipoid besitzen.

In jüngster Zeit wurden verschiedene auf Kalium- < >" ionen ansprechende Elektroden, welche bestimmte makro/yklische Verbindungen enthalten, in der Literatur beschrieben und auch kormiier/idl 1111 Handel verfügbar. Eine tür Kaliumionen empfindliche Elektrode, bei der als ionenempfindliche Grenzschicht '¹^ ein mit einer als eigentliches empfindliches Medium dienenden flüssigen organischen Lösung imprägniertes 'viiiiinoie-liikT dient, ist in einem Aufsatz von P i ο d a et al mit dem Titel »Highly Selectively Potassium lon Responsive Liquid-Membrane Electrode« in Analytical Letters, Vol. 2, pp. 665 bis 674 (1969) sowie in der britischen Patentschrift 1 177 690 (Simon) beschrieben. In diesen Veröffentlichungen ist angegeben, daß die als empfindliches Medium dienenden flüssigen organischen Lösungen Valinomycin. Nonactin oder Monactin in Diphenyläther enthalten.

In einem Artikel von F r a η t et al mit dem Titel »Potassium lon Specific Electrode with High Selectivity for Potassium over Sodium«, in Science, Vol. 167. pp. 98S bis 989 (1970). sind eine Elektrode zur Messung von Kaliumionen mit einer Nonactin in Nujoi-octano! enthaltenden ionenempfindlichen Grenzschicht sowie eine kommerziell erhältliche Elektrode mit einer flüssigen organischen ionenempfindlichen Schicht, welche ein Gemisch von Valinomycni und ein aromatisches Lösungsmittel enthält, erwähnt. Als Lösungsmittel sind in dem Artikel beispielsweise Nitrobenzol und höhere Homologe. Diphenyläther. C'hlorbenzol und Brombenzol erwähnt.

Bei einer weiteren kommerziell erhältlichen Kaliumionen-Meßelektrode wird eine empfindliche Lösung verwendet, welche als Hauptbestandteil ein nicht wäßriges hydrophobes Lösungsmittel, wie beispielsweise Dekan und kleinere Anteile von Valinomycin und Phospholipoid, Lecithin, enthält. Eine derartige als empfindliches Medium dienende Lösung ist zwischen zwei C ellophanmembranen in einer Probenmeßzelle untergebracht, in welcher die Probe die Außenoberfläche einer der Membranen berührt, während eine KCl-Lösung. in die eine Silberchloridelektrode eintaucht, die Außenseite der anderen Membran berührt. "·

Aus der vorstehenden Übersicht über neuere Entwicklungen von organischen Elektroden zur Kaliumionenmessung ist ersichtlich, daß hierbei als empfindliches Medium flüssige organische Lösungen verwendet werden, die entweder in einem Filterpapier oder zwischen Cellophanmembranen untergebracht sind. Demgegenüber soll durch die vorliegende Erfindung eine Meßelektrode zur Bestimmung von Kaliumionen mit einer im wesentlichen festen ionenempfindlichen, eine makrozyklische Verbindung enthaltenden Grenzschicht geschaffen werden, die infolge des festen Aggregatzustands der Grenzschicht wesentlich einfacher zu handhaben ist als die mit Flüssigkeiten und Membranen arbeitenden bekannten Elektroden, und die außerdem eine ausgezeichnete Selektivität für die zu messende lonenart besitzt.

Es ist bekannt, daß die vorstehend erwähnten Kahumionen-Meßelektroden nach dem Stand der Technik eine gewisse Empfindlichkeit für Ammoniumionen besitzen, die eine mögliche Störionenart bei der Messung von Kaliumionen darstellen. Durch die Erfindung soll des weiteren auch eine Elektrode mit einer im wesentlichen festen ionenempfindlichen Grenzschicht mit einer makrozyklischen Verbindung geschaffen werden, die selektiv auf Ainmoniumionen in Gegenwart von Kaliumionen anspricht. Eine derartige auf Ainmoniumionen ansprechende Elektrode is! nützlich für Untersuchungen der Wasserpollution und zur Bestimmung des UarnstolTgchnlts in biologischen Flüssigkeiten, hei welcher der Flüssigkeit Urease beigegeben wird, um Ammoniumionen freizusetzen, deren Aktivität dann ein Maß für den I larnstoffgchali der Flüssigkeit ist.

Aufgabe der Erfindung isi es. cine l-.k-ktrotlc der eingangs genannten Art zu schallen, (.lie eine im wesentlichen feste ionenemptindliche Grenzschicht besitzt und eine spezifische Ansprechempfindlichkeit für Kaliumionen oder Ammoniumionen aufweist.

In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sieh die Ausdrücke »flüssig«, »fest«, »unvermisehbar« u. dgl. jeweils auf die betreffenden Eigenschaften unter im wesentlichen normalen Bedingungen, wie beispielsweise Zimmertemperatur und atmosphärischer Druck. Beispielsweise bezeichnet der Ausdruck »lest« einen Zustand, in welchem unter den angegebenen Normalbedingungen die Elemente einer Matrix- oder Gitterstruktur eine über die gewöhnlichen Zeitdauern, innerhalb welcher die Eestkörpereigcnschafi bedeutsam oder erforderlich ist. im wesentlichen statische oiler feste Raumorientierung /eigen.

Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der vorstehend genannten Art ciTmdungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grenzschicht zusätzlich ein Mineralöl aufweist und daß das Lipoid in einer zur Verfestigung der Grenzschicht ausreichenden Menge enthalten ist.

Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, daß das Lipoid aus der Gruppe Phosphatide. Phosphatidsäuren. Glykolipoide und SuI-lolipoide gewählt ist: daß die makrozyklische Verbindung aus der Gruppe der Monaetmreihe. Valinomycin. Enniatin B. Dicyclohexyl-lX-erown-d. Cyclohexyl- 15-CrOWn-? und Gramicidin gewählt ist und daß die Grenzschicht eine aromatische Komponente aufweist.

Indem durch die Erfindung eine feste ionenempfindliche Grenzschicht ermöglicht wird, kann die Elektrode in an sich bekannter Weise als Stand- oder Eintauchelektrode ausgebildet werden hei welcher die Grenzschicht das eine Ende eines nicht leitenden Rohrs abschließt, das mit einer Lösung gefüllt ist. in weiche in bekannter Weise eine Bezug'--Halbzelle eintaucht. Da ferner die Grenzschicht fest ist. kann sie nicht ausfließen und die Probeniösung \ ei unreinigen, wie dies bei den in den Elektroden nach dem Stand der Technik verwendeten flüssigen Membranen der EaIl ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert: in dieser zeigt

E i g. 1 in Teillängsschnitlansicht eine Meßelektrode mit einer ionenempfindlichen Grenzschicht gemäß der Erfindung.

F i g. 2 eine Slirnansicht der Elektrode aus E" g von vorn.

F i g. 3 eine graphische Darstellung des experimentell bestimmten Ansprechverhaltens (in mV) einer typischen Kaliumionen-Meßelektrode gemäß der Erfindung bei Testung in fünf wäßrigen Lösungen mit Kaliumionenaktivitäten im Bereich von 10"⁵ bis 1 M.

F i g. 4 eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens der vorstehend genannten Kaliumionen-Meßelektrode in Lösungen von 10"\ 10"³ und 10"' M KCl über einen pH-Bereich zwischen 2 und 12.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird eine im wesentlichen feste, mit wäßrigen Lösungen unvermischbare ionenempfindliche Grenzschicht für eine elektrochemische Meßelektrode zur Bestimmung der lonenkonzentration bzw. -aktivität geschaffen.

gleich nicht notwendigerweise, weist die Grenzschicht auch eine aromatische Komponente auf.

Die makrozyklische Verbindung bildet den hauptsächlichen ionenemplindliclicn Bestandteil der Gienzschicht. Von dem öl darf angenommen werden, daß es die loncnbewcglichkeil in Verbindung mit der makrozvklisehen Verbindung erhöht, während die aromatische Komponente die Langz.eitslabilitäl der Grenzschicht gewährleistet. Das zusammengesetzte

κι lipoid dient als Verfestigen

Als geeignete makrozyklische Verbindungen kommen die Monactin-Reihe. zu welcher Nonaclin. Monactin. Dinactin und Trinactin gehören. Valino· myein und dessen loncnselektiviliit aufweisende

is Analoge und Enniatin B in Frage. Ferner hat sich ergeben, daß wenigstens einige makrozyklische PoIyätherserbindungen die gewünschten Ergebnisse gewährleisten. Insbesondere wurde ein durch CJ. P e d e r s e η synthetisierter makrozyklischer PoIviilher mil IrIoIg verwendet; es wurde festgestellt, daß der speziell verwendete l'oiyäther infolge seiner Fähigkeit, mit den Kaliumionen Komplexe zu bilden, als ionen-seleklives Medium wirkt. Die verwendete spezielle Zusammensetzung wurde als XXX-I bezeichnet

2s und dahingehend identifiziert, daß sie IX Ringatome und 6 Ring-Sauerstoffe aufweist. Pedersen bezeichnet diese Klasse von Verbindungen als »Crown«- Vcrbindungen. und nach seiner Nomenclalur handelt es sieh bei dem speziell verwendeten Stoff um Dicyclohexyl-1 X-crown-d.

Zur weiteren Erläuterung sei auf die folgende Literalurstelle verwiesen: »Cyclic Polyethers and Their Complexes with Metal Salts«. Journal of American Chemical Society. Bd. 89. S. 7017 bis 7036

.is (1967) von C. J. P e d e r s e n. Auch Gramicidin, ein Cj-'clopeptid und Cyclohexyl 15-crown-5 können verwendet weiden.

Alle diese Stoffe sind große Ringstrukturen mit Mitlelöffnungen und Elektroneridonaloren entlang dem I ^;mfang dieser Mittelöffnungen. Die Mittel-Öffnungen sind solcher Art. daß Kationen bestimmter Größe in sie hineinpassen, derart, daß die Elektronendonatoren sich mit den Kationen koordinieren und so die erforderliche Solvalation gewährleisten. Unter diesen Umständen bevorzugen derartige Kationen nicht mehr eine wäßrige Umgebung und können in eine organische Umgebung eingeführt werden.

Für die Zwecke der Erfindung geeignete Mineralöle sind Nujol sowie Vaselin. das. ein längerkettiges 1 ?"■ Mineralöl ist. Beispiele für geeignete aromatische Komponenten sind Nitrobenzol, Phenyläther, Chlorbenzol. Brombenzol und alkylierte Aromaten. Die aromatische Komponente kann entweder fest odei flüssig sein.

Das zusammengesetzte Lipoid wird in einer solcher ausreichenden Menge verwendet, um die Grenz schicht im wesentlichen zu verfestigen, d. h. in Forn eines dicken Schlamms oder Kitts. Zusammenge setzte Lipoide sind Ester von Fettsäuren mit Aiko holen und enthalten außer Alkoholen und Säurei noch andere Gruppen. Beispiele für geeignete zu sammengesetzte Lipoide sind Phosphatide oder Phos pholipide (wie etwa Lecithin, Lysolecithin, Cephalir Inosital-Lipoide und Sphingomyelin). Phosphatid

säuren. Glykolipoide und Sulfolipoide. Diese Vei

zyKiiscnen verumauiig, cn uuu ^..n-i.i

zusammengesetzten Lipoid aut. Vorzugsweise, wennund haben ein wachsartiges Gefüge (im Gegensat

zu einem regulär-kristallinen Material). Sie sind in Wasser unlöslich (können jedoch in Gegenwart von Wasser anschwellen). Sie wirken als oberflächenaktives Agens (surfactant) und vermögen nicht homogene Lösungen zu emulgieren. Diese letzterwähnte Eigenschaft beruht auf zwei unterschiedlichen chemischen Hälften, d. h.. das Material ist in der Hauptsache aus lipoidartigen (d. h. Kohlenwasserstoffen ohne nennenswerte anderweitige I unkt ion ( Ketten oder Kingen zusammengesetzt, mit einem verhältnismäßig kleinen ionisch geladenen Teil, derail, daß der bzw. die geladenc(n) lcil(e) von Wasser benetzt wird, wahrend der llaupttcil des Materials eine nicht wäßrige oiganische I 'mgebung vorsieht. Der geladene Teil kann gleichzeitig sowohl eine positive und eine negative ladung tragen, d. h. ein /wilterion sein. Hie kommerziell verfügbaren Phosphatide oiler Phos· pholipoide. wie sie auch genannt werden, werden häufig als ·>1 ecilhin« bezeichnet, obwohl Lecithin eigentlich die Bezeichnung eines der reinen Phosphatide ist. Sie werden manchmal auch als Phosphalidvlcholme. I ecithol. Vitellin. Kclecm. Phosphohiiemgranulestin bezeichnet. Wegen ihrer Häufigkeit und Billigkeit werden diese kommerziell \erliigbaren Phosphatide (die nachfolgend der Linlachlieit halber mit der Sammelbezeichnung »Lecithin« IxveiiJinei weidenl als zusammengesetzte Lipoide Im die /wecke der vorliegenden LiTinduiig vorgezogen. In der nachfolgenden Beschreibung wird /war nur auf Lecithin Bezug genommen; selbstverständlich können jedoch ebensogut die anderen obenerwähnten zusammengesetzten Lipoide und anderweitige Stoffe mit den genannten !Eigenschaften fin die /wecke der Lrlindung verwendet werden.

/ur Herstellung einer für Kaliumionen selektiven lonenemplmdlichen Grenzschicht dient Valinomyein als he\!!!YUiite makrozyklische Verbindung, ein Phen\lather als bevorzugte aromatische Komponente und Vijol als bevorzugtes Mineralöl. Die makro-Mlische Komponente muß in ausreichender Menge vorliegen, um der (irenzschicht eine selektive Empfindlichkeit für die zu bestimmende lonenart zu verleihen, beispielsweise können die Gewichtsanteile des Mineralöls, der aromatischen Komponente, des Lecithins und Valinomycins in einer für Kaliumionen empfindlichen (irenzschicht etwa 1:1:6:0.04 bett.igen. Mn anderen Worten: Die Grenzschicht enthält Igewichtsniäßig) etwa dreimal so viel Lecithin wie die anderen Bestandteile. Jedoch wurden auch zufriedenstellende Grenzschichten hergestellt, die nur etwa doppelt soviel Lecithin wie die anderen erwähnten Bestandteile enthielten. Außerdem wurden gut brauchbare Grenzschichten hergestellt, in welchen die aromatische Komponente vollständig durch das Mineralöl ersetzt war. derart, daß das Gewichtsverhältnis von Mineralöl, Lecithin und Vaiinomycin e'wa 2:6: 0.04 betrug. Jedoch besaß eine derartige Grenzschicht eine etwas geringere Langzeitstabilität als eine die aromatische Komponente enthaltende Grenzschicht.

Für eine selektiv auf Ammoniumionen in Gegenwart anderer Kationen ansprechende Elektrode enthält die ionenempfindliche Grenzschicht gemäß der Prfi^ri,._„ xi .:_ „ι«. ,voVrnTvklische Komponente.

Bestandteilen. Vorzugsweise dient für
moniumionen ansprechende Grenzschient als Mineralöl Nujol und als aromatische Komponente eiuweder 2-Phenyloxybiphenyl oder Bromdiphenyläthei. Das bevorzugte Gewichtsverhältnis von Nujol. aromatischer Komponente. Lecithin und Nonactin bei rügt etwa 1: 1:6:0.1. Obwohl es bekannt war. daIi iiiakrozyklisehe Verbindungen eine gewisse !Empfindlichkeit für Ammoniumionen besitzen, liegt der lilindung in dieser Hinsicht die Lrkenntnis zugrunde, daß durch die eiTmdungsgemäße Verfestigung einer Nonaclinlösung mittels Lecithin eine ioncncmpfindliehe (irenzschicht geschaffen wird, die hochsclekliv bezüglich Ammoniumionen in Gegenwart anderer Kationen ist. Vor allem besitzt die eiTmdungsgemäße feste, auf Ammoniumionen ansprechende Grenzschicht eine wesentlich größere Selektivität für Ammoniumionen über Natriumionen als eine entsprechende flüssige (irenzschicht.

/um Vergleich wurden auch Lleklroden hergestellt, deren ionenemplindliche Grenzschichten wie die erlindungsgcmäßen ausgebildet waren, mit dem Unteren schied, daß einige als Verfestigungsmittel bekannte Stoffe, nämlich Kollodium. Polystyrol. Silikagel und kolloidales Silika. an Stelle von Lecithin verwendet wurden. Dabei wurde festgestellt, daß diese bekannten, üblichen Verfestigungsmittel die Selektivität derGrenz-

2s schicht für bestimmte lonenarten weilgehend verringern, wenn nicht vollständig zerstören. Da dies bei Lecithin nicht der Lall ist. stellt seine Lignung ak Verfestigungsmittel für ionenselektive Lleklroden-(irenzschichtcn eine unerwartete, überraschende Li-

K) genschaft dar.

In den L' i g. 1 und 2 ist eine elektrochemische !Elektrodenanordnung des Typs, in welchem die ionenemplindliche (irenzschicht gemäß der Lrlindung verwendet werden kann, gezeigt. Die als (ianz.es mit Kl bezeichnete !Elektrodenanordnung weist einen hohlen zyhnderförmigen Llektrodenkörper 12 auf. der in seinem vorderen, an die vordere Stirnseite 16 anschließenden Teil 14 mit verringertem Durchmesser ausgebildet ist. Mit diesem vorderen Teil 14 ist eine Kappe 18 verschraubt. Die Kappe 18 und der Llektrodenkörper 12 sind normalerweise aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise Polypropylen. Tctrafkiorälhylen od. dgl. hergestellt. Das hintere Ende des Llektrodcnkörpers 12 ist mit einem Verschluß-

4s kappenaggregal 20 verschlossen. Dieses Aggregat 20 kann wie in der USA.-Patentschrift 3 476 672 beschrieben ausgebildet sein. Ls besteht aus einer Metallkappe 22 und zwei an der Stirnseite der Kappe 22 überstehenden konzentrischen elektrischen Leitern 24 und 26. Die beiden Leiter 24, 26 sind voneinander durch eine nicht dargestellte Kunststoffhülse getrennt Eier Innenleiter 26 ist mit einem Metalldraht 28 verbunden, der zu einem als Ganzes mit 30 bezeichneter Meßfühleraggregat führt und in einer inneren Halbzelle 32 endet. Der Außenleiter 24 ist mit einer elektrostatischen Abschirmung in Gestalt eines Metallzylinders 34 verbunden, der in die Wandung de; Elektrodenkörpers 12 eingebettet ist.

Das Meßfühleraggregat 30 ist in dem Elektroden

körper 12 mittels der Kappe 18 herausnehmbar an geordnet. Das Meßfühleraggregat 30 weist ein läng liches Rohr 36 auf das an seiner vorderen Stirnseiti mit einem ionener. "-""idien Grenzschichtmateria 38 gemäß der Erfindung ■ hlossen ist. Wie ersieht

koaxialen Halterung des Ds ah " innerhalb de Elektrodenkörpers 12 ist eine mit einer Mittelöffnunj

609 630/12

versehene Scheibe 42 lest in dem Eleklrodenkörper 12 vorgesehen.

Der vordere Teil des Meßfühleraggregales 30 ent hüll einen wäßrigen Lleklrolytcn 44. in welchen die innere Halb/eile 32 eintaucht. Der rohrförmige Teil 36 des Meüfühleraggregats 30 ist ein Kapillairohr. so dall die Oberflächenspannung des Llekirolyten 44 an der Wandung des Kapillarkanals in iiem Rohr ein Austreten des I leklrolyien am hinleren olTenen linde 40 des Aggregats bei normaler Handhabung der Llektrode verhindert.

An dem Rohr 36 ist an einer in einigem Absland vom vorderen stirnseiti^en Lnde 48 gelegenen Stelle ein nach außen gerichteter Flansch 46 angeformt. Heim Aufschrauben der Kappe 18 auf den vorderen Teil 14 des 1 ileklrodenkoi pers 12 wird der I lausch 46 durch eine nach hinten gerichtete Koiuisflüche 50 an der Kappe 18 in dichtsehließende Anlage gegen die vordere Stirnseile des Klektrodenkörpers 12 gedrück!, /wischen dem hinteren linde der Kappe 18 und einer an dem 1 lekirodenkörper 12 angol'ormlen. nach vorn gerichteten ringförmigen Schulter 54 is! ein elastomere!' Dichtungsring 52 vorgesehen.

Vorzuiisweise ist über der vorderen Stirnseite 48 des Rohrs 36 eine Membran 56 mit mehreren öffnungen 58 vorgesehen, als Schutzüberzug für das ionenemplindlicheCiren/schichtmaterial 38. Durch die mil öffnung versehene Membran wird die Gefahr einer Verformung oder Verschiebung des Grenzsehichtmaterials 38 in dem Rohr 36 durch den Benutzer der Elektrode 1(1 weitgehend verringert.

Das Rohr 36 besteht vorzugsweise aus Glas, die Membran 56 kann ein mit der voideren Stirnseite des Glasrohrs dichlsehließend verbundener KoIIodiumlilm sein. Alternativ kann die Membran 56 aus Polyäthylen. Tetrafluorethylen od. dgl. bestehen, jedoch müßten diese Werkstoffe mit dem Vorderende des Glasrohrs 36 mit Hilfe eines Llastomerrings od. dul. verbunden werden, da sie von sich aus mit Glas nicht ohne weiteres eine dicht schließende Verbindung ergeben. Die Verwendung einei Kollodiummembran 56 biete! somit den Vorteil der leichteren Anbringung am vorderen Lnde des Rohrs 36 und hat darüber hinaus gegenüber der Verwendung einer Membran aus den anderen genannten Werkstoffen den Vorteil höherer Biegsamkeit und geringerer Bruch- oder Reißgefahr bei Anbringung der öffnungen 58.

/ur Herstellung des Meßfühleraggregats 30 wird das «ohr 36 mit seinem vorderen Lind'* in eine Kollodiumlösung eingetaucht. Dieses Material weist eine Lösung von Cellulosenitrat in einem Gemisch aus Äther. Äthanol, Rizinusöl und Kampfer auf. Nach dem Herausnehmen des Rohrs 36 aus dieser Lösung bildet sich eine dünne feste Membran aus. die dichtschließend mit dem Rohrende verbunder, ist und den gewünschten Schutzüberzug 56 bildet. Sodann werden die Öffnungen 58 in der Membran 56 an das Grenzschichtmaterial 38 angrenzend hergestellt, um einen freien lonenübergang aus der Probenlösung zu dem Grenzschichtmaterial 38 zu ermöglichen. Es wurde festgestellt, daß drei Öffnungen mit einem Durchmesser von je etwa 0,25 mm ausreichen. Diese Öffnungen können in einfacher Weise dadurch hergestellt ponente. einem Mineralöl, einer makro/yklisehen Verbindung und Lecithin in einem geeigneten leichtflüchtigen I ösungsmitlel. wie beispielsweise Chloroform, aufgelöst. Unter Verwendung einer vom liins leren linde 40 des Rohrs 36 her eingeführten Injektionsspritze wird diese Lösung in den Bereich des vorderen l.ndes des Rohrs eingebracht. Sodann läßt man die im Rohr befindliche Lösung bei Zimmertemperatur aushallen, worauf das Chloroform sieh

ίο verflüchtigt und die feste Grenzschicht 38 zurückbleibt. Danach wird ebenfalls mittels einer Injektionsspritze tier llektrolyi 44 durch das hinlere linde 40 in das Innere des Rohrs 36 eingebracht. Dann wird das ganze Aggregat 30 in dem hohlen I lektroden-

is körper 12 angeordnet, wobei die innere Halbzelle 32 vom hinteren linde des Rohrs 36 her eingeführt wird. Schließlich wird mittels der Schraubkappe 18 das Meßfühleraggregat 30 in dem Llektrodenkörper 12 fixiert

ίο Ls sei betont, daß die vorstehend beschriebene Llektrode 10 lediglieh ein Beispiel für eine Elektrodenanordnung darstellt, in welcher das den eigentlichen Gegenstand der Lrfindung bildende feste ionenemplindliche Gren/schiehtmaterial verwende! weiden

:s kann. Offensichtlich können auch andere Llektrodenausführungen hierfür verwendet werden. Beispielsweise könnte eine Llektrode verwende! werden, die lediglich aus einem mit einer Kappe verschlossenen Hohlkörper bezieht, durch dessen vordere Stirnseite

ίο öffnungen führen, welche mit dem Grenzschichtmalenal ausgefüllt sind. Bei einer derartigen Anordnung wäre das Innere des Llektrodenkörpers mit dem Elektrolyten gefüllt, in welchen tue innere 1 lalbzelle eintaucht.

.15 Is wurden mehrere Meßelektroden der h:er beschriebenen und in den L i g. I und 2 gezeigten Art /ur Messung von Kaliumionen hergestellt, wobei als Grenz.schichlmaterial ein Gemisch aus Nuj'¹! Diphenyläther. Lecithin und Valinomycin in einem

Gewichtsverhältnis von etwa 1:1: 6:0.04 verwendet wurde Das verwendete Lecithin isl aus Sojabohnen gewonnen. Die lilektroden vurden jeweils mit einer Standardkalomel-Bezugsclektrode mit einem herkömmliehen pH-Meßgerät verbunden. Zur Kondi-

lionierung wurden die Lilektroden 2 Stunden lang in 10'-M KCl getränkt. Nach dieser Konditionierungsperiode lag der Widerstand der lilektroden beständig zwischei-f 100 und 500 MOhm.

Ls wurde festgestellt, daß die Elektroden aiii den Logarithmus der Aktivität von Kaliumionen in den Testlösungen im Bereich von 10" ⁵ bis 1 M ir Übereinstimmung mit der Nernstscheri Gleichung ansprechen:

£ = Constant + 59.16 log u_k+ (D

mit E als dem Potential in mV. wobei

"■κ + = Yk* ' Ck* und

u_k * = die Aktivität der Kalium-Ionen.

•;_k. = der Aktivitätskoeffizient.

C_k+ = die Kaliumionenkonzentration.

Die Aktivitätskoeffizier.tcn wurden nach derr Dcbye-H ückel-Begrenzungsgesetz berechnet:

der Grenzschicht 38 in dem Meßfühleraggregat zunächst ein Gemisch aus einer aromatischen

worin ■>. = die ionenstärke.

Ilk· I'otcMi i;ilc einer typischen Hek ι π nie dieser Λιι sind in I-" i ii. 3 dargestellt. Die I lcklrodenpoienliale wurden täglich über eine konlinuiei liehe I rankungsdaucr von 240 Stunden in IO ' Mol K( I überwacht. Hierbei wurde keine nennenswerte Drill des Ausgangspolcntials der lleklrode wahrend dieser Zeitdauer beobachte!, wie ein Vergleich der Anlangspoteiilialwerle mil den am Milde der Periode von 240 Stunden erhaltenen Weiten gemäß der naehs foluenden IaIx-IIe 1 /eint.

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^l).XN > 10 -	129
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7.7 ■ Kl '	■ 42

Dill in mV

5X
54

Λη/οιμι* nach	DiIT in
Il Stunden Uetnch
in mV
1X7	M)

127	57

70	57

13	54

t 41

η mV

Bi im linien der I lektroden in I cstlosuuLvn mn kaliumioncnkon/enirationen im Hereich \mi Ki ' his 10 ^; Mol K(I bei einem konstanten llintergiund \ on 0.2 Mol \a( 1 l'elen die Potentiale der Heklroden mn um etwa 2 oder 3 inV gegenüber ilen in dei labelle 1 aulsjel'iilirlen Werten ab. Die ! ests ergaben weitei. da!.< die Aiisprcchdauer der 1 lektroden in I estlosiinuen /wischen 10 und 10 ^! Viol k¹ I wciugci al·· eine Sekunde war Dei I mlluH des pll-W ei Is .ml die Kahuinelektruden wurde an 1 osuiilkti \on in \ 10 ' und Id ' Mol K( I untersucht. Der pll-Weri winde diiieh Zugaben von Hai iumh\dro\\d oiler \on 0.1 Mol S.il/s.iure /u den AusgniiüsKisunL'cn emnestelll Dk heim I erteil enier I \ pisehen I iekuode m deLiniyin Losungen erhallenen Polenliale sind in I ι ._. 4 Lie;:en den pll-\\eit .iiil'geirajien Wie ei-■.ichilich. wurden die KaliumionenAieBeiekiioiieii durch die I nlerschie.k· der pi I- \kti\ il.il der lestiosiimjcn mehl ernsihal'i beeintraehii;jt.

Ionenemplindliclie 1 lektroden de- allgemeinen I \ ps. au! welchen sich du 1 rlmdung be/iehi. sprechen eharakteristiseherweise auf mehrere \erschiedene Ionen.irten an. Der Weil einer I lektnnle als analytisches Werk/euu hangt von ihrem \ crmoücn /um Nachweis des interessierenden oder Haupt-Ions Om vorliegenden lall Kaliumi gegenüber in der lestlosung möglicherweise vorhandenen störenden lonenaiten ab. Die Aftinitiil der llektrode tür störende lonenarten kann mittels eines sogenannten Sclektivitätskoeffizienten K gemäß der Nicolsky-Gleichung ausgedrückt werden:

E=E₀+ ψ in a_{K +}

Darin bedeutet

das abgelesene Potential in mV.
die universelle Gaskonstantc.
die absolute Temperatur,
die Faraday-Konstante.
eine Konstante, die von der jeweils verwendeten inneren Elektrode und der Bezugselektrode abhängt.

. nden lonenfl^r

(i, = die A»;. -

r, = die Ladung der stör

In den nachfolgenden I abdieii 2 und 3 sind dii U eile de· Selektiv laktors K der Hlektrodc für eini Reihe von Kationen aufgeführt. Diese Werte wurder nach zwei verschiedenen Verfahren bestimmt. Zu I-1 milt lung der W er te in Tabelle 2 wurde das Polen Oa der kaliiimionen-Melielektrode in Lösungen be stimmt, in welchen der Pegel der störenden lonenar konstant gehalten und die Kahumkon/cntration übe eine Dekade variiert wurde. Die erhallenen Mel.Vlalci wurden nach der folgenden He/iehung ausgewertet

/I₁ ^:

π f-> den Ausdruck e ' ^i! Ί \ RT bedeutet.

I abeiIe 2
Selektiv itätskoelTi/ienien aus Gleichung l3)

Inn SelcktivilütskocPfizicni IK'I

(2! MIj
Ca '
Cu'^T
FT

Mg-"
Na*

1.9 x IO ^:

2 χ 10 '

3 χ 10 ⁵ 2 χ 1(T⁴ 2 χ 1(T⁵ 5 χ 10 ⁵

Die in Tabelle 3 aufgeführten Selektivitätskoef: zienten wurden nach der folgenden Gleichung e halten:

K =

F 1E, RT

In dieser Beziehung werden die absoluten Potentis der Elektrode in zwei Lösungen verglichen. v< die eine nur Kaliumsalze und die ande nur F ize einwertiger Störionen enthielt.

2

Tabelle 3
Selektivitätskoeffizienten nach Gleichumi (4)

333

lon
Cs"

Ag ⁺
Rb)"

Seleklivinitskoeffizieni (K I

0.5

3 x 10 ⁴

1.7 χ 10 ^Λ

~l 1

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die -zweiwertigen Ionen äußerst niedrige Selektivitätskoeffizienten besitzen. Die einwertigen Ionen (vgl. Tabellen 2 und 3) überdecken einen Bereich von 5 χ K) ^ bis 2.2. Die größte Störwirkung kommt von Rubidium und Cäsium. Diese fönen liegen jedoch in den meisten Testlösungen nicht vor. Die Slörwirkungen durch Silber- und Ammoniumionen sind nicht ernsthaft. Die Selektivität von Kalium gegenüber Natrium und Lithium ist genügend groß, um Kaliumionen-Messungen in Gegenwart extrem hoher Konzentrationen dieser Störionen durchführen zu können.

Es wurde auch eine Anzahl erfindungsgemaßer Elektroden zur Ammoniumionen-Messung hergestellt, unter Verwendung der Elektrodenanordnung K) gemäß dei. E i g. 1 und 2. Bei einer Gruppe dieser Elektroden bestand die ioncnemplindliche Grenzschicht aus einem Gemisch von Nujol, 2-Phenyloxybiphenyl. Lecithin und Nonaclin in einem Gewichtsverhällnis von etwa 1:1:6:0.1. Die Elektroden wurden z.ur Vorkonditionierung 72 Stunden lang in 10 '■' Mol Ammoniumchloridlösung getränkt. Am Ende dieser Periode betrug der Widerstand der Elektroden etwa 400 M Ohm. Die nachfolgende Tabelle 4 veranschaulicht den Unterschied der Potentiale (in mV) von drei Elektroden dieses Typs bei Testunsi in verschiedenen Testlösungen, und zwar Lösuimen. die nur eine lonenart. nämlich Ammoniumionen enthielten, und Mischionenlösungen mit Ammonium- und Natriumionen bzw. Ammoniuni- und Kaliumionen.

Tabelle

Tcstlösunti

10'⁵MoI NH₄Cl

10 ⁴MoI NH₄CI

10 -¹MoI NH₄Cl

ΚΓ- Mol NH₄Cl

10 ' Mol NH₄Cl

K)"⁴ Mol NH₄CI 10 ' Mol NaCl

K)-³MoI NH₄Cl 10 ' Mol NaCl

ΚΓ² Mol NH₄Cl - K)"¹ Mol KCl

IO ' Mol NH₄Cl IO ' Mol KCl

Elektrode 59 60

58
53

34 36

PilTcren/. (in mV)
Flcklrode Il _

58
55

38
36

Elektrode III

57
57
59
54

38

37

Unter Verwendung der Gleichung (3) betragen die Selektiviiätskoeffizicnten der vorstellenden Ammoniumionen-Eleklroden gegenüber Natriumionen etwa 2.5 χ 10 ^λ und gegenüber Kaliumionen etwa 1.7 χ K) '.

Weitere auf der Gleichung (3) basierende Werte für den Selektivitiitskoeffizienten K wurden an einer Ammoniumionen-Flektrode bestimmt, die mit der für Tabelle 4 verwendeten bis auf die Verwendung von Broindiphcnyläther an Stelle von 2-Pheno.\ybiphcnyl als Lösungsmittel übereinstimmte. Die K'-Wertc für eine derartige Elektrode sind in der nachfolgenden Tabelle 5 zusammengestellt:

Tabelle 5

lon

Na'

K'
υ., <

Selckiivitiitskoefli/ient (K I

1.·' >- 10 '

1.5 x 10 ' 1 χ 10 ⁴

lon

Mg'
CV
( u '
Zn*

Ni¹ '
Pb '
Uli'
AiT
Rb¹

Scleklivitätskoeflizient (K I

7 X K) ⁵ 7 X K) ^s 1 X K) ⁴

7 χ K) ^? 7 χ K) ⁵ 1 χ K) ⁴ 3 χ 10 ' 5 χ K) ' 1.2 χ 10 '

Die Tests an der zuletzt erwiihnten. für Aiiimoniumioneii selektiven Elektrode zeigen eine Ansprechdauer Min weniger als einer Sekunde für eine Änderung der Ammoniumionen-Kon/enlriition der 1 estlösuiiüen um eine Dekade. Des weiteren blieb das

Elektrodenpotential bei einer Variation des pH-Wertes der Testlösungen von 2 bis 8.5 praktisch konstant.

Vergleichshalber wurde auch eine Elektrode des Typs hergestellt, welche entsprechend einer derzeit auf dem Markt befindlichen kommerziellen Elektrode eine Grenzschicht in Form einer durch ein Filter gehaltenen organischen, ionenempfindlichen Lösung aufweist. Die ionenempfindliche Lösung enthielt ein Gemisch aus gleichen Gewichtsteilen Nujol und Diphenyläther und 1 Gewichtsprozent Nonactin. Lecithin war in der ionenempfindlichen Grenzschicht nicht enthalten. Die Elektrode wurde in zwei Testlösungen »etestet. von welchen die eine 10~² Mol NH₄Cl und 10"¹ KCl und die andere 10"' Mol NH₄Cl und 10"' Mol KCl enthielten. Der Unterschied der Ausgangsgrößen der Elektrode (in mV) zwischen diesen beiden Testtösungen betrug zwischen

1 und 2. Durch Vergleich dieser Potentiale mit den am unteren Fnde der Tabelle 4 für die gleichen Testlösungen aufgerührten Potentiale läßt erkennen, daß die erfindungsgemäße Elektrode mit Lecithin als Verfesligungsmittel eine wesentlich höhere Selektivität für die zu messende Ionenart besitzt als eine entsprechende Elektrode ohne Lecithin.

Aus den vorstehenden Darlegungen ist ersichtlich, daß durch die vorliegende Erfindung eine Meßelektrode für Ionenmessung mit einer im wesentlichen festen ionenempfindlichen Grenzschicht geschaffen wird, die bequemer zu handhaben ist als flüssige Grenzschichten, die selektiv für die zu messenden Ionen ist, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und einen zufriedenstellenden elektrischen Widerstand besitzt und die daher für schnelle, genaue und bequeme Ionenkonzentrationsmessungen hervorragend geeignet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 630/129

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrode zur Messung der Ionenaktivität

in einer Lösung, mit einer ionenempfindlichen Grenzschicht, welche eine makrozyklische Verbindung und ein zusammengesetztes Lipoid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (38) zusätzlich ein Mineralöl aufweist und daß das Lipoid in einer zur Ver-Festigung der Grenzschicht ausreichenden Menge enthalten ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lipoid aus der Gruppe Phosphatide, Phosphatidsäuren, Glykolipoide und Sulfolipoide gewählt ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die makrozyklische Verbindung aus der Gruppe der Monactinreihe. VaIinomycin, Enniatin B, Dicyclohexyl-lS-crown-o, Cyclohexyl-15-crown-5 und Gramicidin gewählt ist.

4. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (38) eine aromatische Komponente aufweist.

5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aromatische Komponente ein Phenylather und vorzugsweise Bromdiphenyläther ist.

6. Elektrode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (38) etwa gleiche Gewichtsanteile des Mineralöls und der aromatischen Komponente enthält.

7. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lipoid ein Phosphatid ist !ind daß das Verhältnis des Gewichtsanteils des Mineralöls und der aromatischen Komponente zu dem Gewichtsanteil des Phosphatids etwa 1 : 3 beträgt.

8. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lipoid ein Phosphatid ist und daß das Verhältnis des Gewichtsanteils an Mineralöl zu dem von Phosphatid etwa 1 : 3 beträgt.

9. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (38) eine aromatische Komponente enthält, daß die makrozyklische Verbindung Valinomycin ist und daß das Lipoid ein Phosphatid ist.

10. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht eine aromatische Komponente enthält, daß die makrozyklische Verbindung Nonactin ist und daß das Lipoid ein Phosphatid ist.

11. Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gewichtsanteile des Mineralöls, der aromatischen Korn- (10 ponente. des Phosphatids und des Valinomycins e!wii I : I : 6:0.04 ist.

12. Elektrode nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gcwichtsanteile dos Mineralöls, der aromatischen Korn- (\s ponente, des Phosphatids und des Nonactins etwa 1:1:6 :0.l beträgt.

13. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (38) eine aromatische Komponente aufweist und daß der Gewichtsanteil des Lipoids etwa doppelt so groß oder größer als der Gesamtanteil des Mineralöls und der aromatischen Komponente ist.

14. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. 3 bis 6 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Lipoid Lecithin ist.

15. Elektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein nichtleitendes Rohr (36) aufweist, das an seinem einen Ende mit der ionenempfindlichen Grenzschicht (38) verschlossen ist. und daß das mit der ionenempfindlichen Grenzschicht (38) versehene Ende des Rohrs (36) mit einer mit öffnungen (58) versehenen Membran (56) überzogen ist.

16. Elektrode nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß der Membranüberzug (56) auf dem einen Ende des Rohrs (36) aus Kollodium besteht.