DE2726450A1

DE2726450A1 - Elektrode fuer die elektrochemische analyse

Info

Publication number: DE2726450A1
Application number: DE19772726450
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Ing Schael; Johannes Georg Dr Dr Schindler
Original assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG
Current assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Priority date: 1977-06-11
Filing date: 1977-06-11
Publication date: 1978-12-21
Also published as: GB2000294B; DE2726450B2; GB2000294A; JPS6154410B2; DE2726450C3; JPS544883A; US4197852A; FR2394082B1; FR2394082A1

Description

2726A50

DR. HL-INRH;n ΗΠ1ΜΒ!.iNK München, den 1 L\ ϋϋΠ! 197?

» 101/011

Dr. E. Fresenius Chem.-pharm. Industrie KG, Apparatel>au I'G.,

Bad IIomburcr

Elektrode für die elektrochemische Analvse

Die Erfinduno bezieht sich auf eine Elektrode für die elektrochemische Analyse, insbesondere für Messunaen im lebenden Körper.

Ionenselektive, aassensitive und Enzym-Elektroden haben in letzter Zeit für elektrochemische Messungen verschiedener Art, insbesondere in der Physiolooie und Pathophysiologie, erhebliche Pedeutuna gewonnen. Häufig ist es erwünscht, solche Messungen an genau lokalisierbaren Stellen des lebenden Körpers vorzunehmen. Hierzu müssen die Elektroden als Katheter ausgebildet sein.

In vielen Fällen müssen verschiedene Parameter bestimmt werden, z. B. mehrere Ionenarten, verschiedene Gase oder Kombinationen derselben. Das Einführen mehrerer Katheter gleichzeitig ist aber meistens kaum möglich; auch wenn mehrere Katheter in kurzen Zeitabständen nacheinander eingeführt v/erden, stellt dies eine große Belastung des Patienten dar.

.Hk/Du.

809851/0283

Es sind Multielektroden entwickelt worden, mit denen verschiedene Parameter gleichzeitig bestimmt werden können; die Unterbringung solcher Multielektroden in einem Katheter nicht zu großen Durchmessers bereitet aber erhebliche Schwierigkeiten. Zudem sind solche Katheter mit ilultielektroden sehr kostspielig; insbesondere in der Intensivmedizin muß oft eine ganze Gruppe von Patienten mit solchen Katheterelektroden versorgt und überwacht werden.

Es ist vorgeschlagen worden, zur kontinuierlichen Messung des gelösten Sauerstoffs in Fermenterkulturen die bekannte Platinelektrode nach Clark in zwei Baugruppen zu unterteilen, nämlich in einen meßaktiven Teil mit Kathode und Anode einerseits und in einen Außenkörper andererseits, der die bei dieser Elektrodenart zur Stabilisieruna der Sauerstoffdiffusion benötigte Membran trägt (K. Ring, S. Schlecht, Vl. Eschweiler und J. Kutscher: Eine Elektrode zur kontinuierlichen Messung des Gelöstsauerstoffs (^0_) in Fermenterkulturen, Archiv für Mikrobioloaie Band 65 (1969) Seiten 40 bis 60). Der als Schutzhülle dienende Außenkörper kann im Züchtungsgefäß mitsterilisiert v/erden; anschließend wird der aus Kathode und Anode bestehende Meßfühler iVi den als Schutzhülle dienenden Außerkörper eingeschoben. Die Verbindung zwischen Kathode und Anode geschieht über einen in den Außenkörper eingefüllten Elektrolyten. Die Membran wirkt stabilisierend auf die kontinuierliche Messuno und trennt ferner den meRaktiven Teil der Meßanordnung von der Kultur, so daß eine Verschmutzung des Meßfühlers vermieden wird. Ohne die Membran wäre eine stabile Anzeioe nicht erzielbar und es könnte keine eindeutige polarograph!sehe Meßkurve aufgezeichnet

809851/0283

werden. Zur Abstandshaltung ist die Platinelektrode des Meßfühlers ferner mit einer weiteren Membran überzogen, die in Betriebsstellung unmittelbar der AuPenmembran aufliegt. Hierdurch soll die Diffusionsstrecke für Sauerstoff stabilisiert und konstant oehalt^n werden, so daß die Messung weniger abhängig von der* Turbulenz in der Meßlösung wird. Erst die Kombination von Meßfühler und Außenkörper stellt also eine vollständige, funktionsfähige Einheit dar, die nur für die Messung des Sauerstoffpartialdrucks und für nichts anderes geeignet ist.

Der im Hauptanspruch gekennzeichneten Frfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, wiederholte Messungen gleicher oder verschiedener Parameter im lebenden Körper bzw. in Kulturen durchzuführen, ohne daß jedesmal der Katheter gewechselt werden muß. Hierzu ist erfindungsgemäß die Schutzhülle einer ähnlich wie soeben beschrieben aufgebauten Elektrode als Perikatheter ausgebildet und der in sie einschiebbare Meßfühler stellt bereits für sich eine vollständige in sich abgeschlossene und funktionsbereite Flektrode dar. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur den Sauerstoff partialdruck, sondern auch andere Parameter wahlweise nacheinander zu messen, indem jeweils ein entsprechender Meßfühler in den liegenden Perikatheter eingeführt wird. Umgekehrt lassen sich mit einem Meßfühler mehrere Patienten nacheinander mit liegendem sterilen Perikatheter überwachen. Mit einem Multimeßfühler ist auch die gleichzeitige Gewinnung verschiedener Meßdaten bei mehreren Patienten nacheinander möglich.

Für den Perikatheter sind zwei Grundtypen denkbar. Für die Verwendung mit gassensitiven Meßfühlern benötigt man eine gasdurchlässige, aber ionenundurchlässige Membran. Bekanntlich zeigen Folien aus Tetrafluoräthylen (PTFE) und Polyäthylen diese Eigenschaft. Der Meßfühler ist

809851/0283

vorzugsweise mit einer ebensolchen Folie ausqestattet und die beiden Folien liegen unmittelbar aneinander an. So können die Gasmoleküle durch die beiden Folien hindurchdiffundieren und. die Meßelektrode erreichen. Bei konstanten Diffusionsbedingungen zwischen dem gashaltiaen Substrat, worin sich der Perikatheter befindet, und der Elektrodenoberfläche kann aus der Stromstärke bei einer passenden äußeren Spannung auf die Konzentration der Gasmoleküle in dem Substrat und damit auf deren Partialdruck geschlossen v/erden.

Bei der Verwendung ionenselektiver Meßelektroden müssen die betreffenden Ionen die Membran des Perikatheters durchdringen können. Hierfür geeignete Membranen sind die für niedermolekulare Ionen durchlässigen Dialysemembranen mit Sterilfiltrationseigenschaften. Derart irre Membranen sind bekannt.

Der Kontakt von der Innenseite der Membran zur Flektrode des Meßfühlers kann auf flüssigem, gasförmigem oder kombiniertem Wege in bekannter Weise heroestellt v/erder.. Dip Dialysemembran läßt sich aber auch für elektrochemischenzymatische Messungen verwenden, wenn der Meßfühler eine gassensitive Meßelektrode enthält, der ein Enzym- oder Multienzymsysteir. vorgeschaltet ist. Dieses Enzymsystem setzt sein Substrat unter Abgabe eines Gases um, das von der gassensitiven Elektrode des Meßfühlers anaezeiat wird.

Gegebenenfalls kann das Enzym-Multienzymsystern auch der Membran des Perikatheters vorgeschaltet sein, also in unmittelbarem Kontakt mit der Membran stehen. In diesem Falle besteht die Membran des Perikatheters aus einer PTFE-Folie, durch die das von dem Enzymsystem abgegebene Gas

809851/0283

diffundieren kann, so daß es von der aassensitiven
Elektrode des ,Meßfühlers angezeigt vird. Messuncien
ohne das Enzymsystem sind dann allerdinns nicht mehr
möglich.

Es sind auch noch weitere Kombinationen der beschriebenen Grundtypen von Perikatheter und Meßfühler untereinander denkbar. Einige derselben v/erden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung sind

Fin. 1 die schematische Darstellung eines Katheterelektrodensystems für gassenstive Meßfühler
und

Fig. 2 eine entsprechende Darstellunq eines Eystems

für ionenselektive, gassensitive und enzymatische Meßfühler.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist das Ende des Perikatheters in einer ersten Ausführungsform schematisch im Längsschnitt daroestellt. Der Perikatheter 10 besteht aus
einem sterilisierbaren Schlauch 1, der an seiner Stirnseite mit einer Membran 2 abgeschlossen ist. Die Membran besteht hier aus einer PTFE-Folie, deren Rand mit dem Schlauch 1 verschv/eißt ist.

In de η Perikatheter 10 können entsprechend der Gasdurchlässigkeit' der PTFE-Folie 2 verschiedene gassensitive Meßfühler eingeschoben werden. Einige Ausführungsbeispiele derselben sind im oberen Teil der Fiq. 1 daraestellt.

809851/0283

fr

Der Meßfühler 20 dient zur polarographischen Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks. Er besitzt eine Hülle 3, die mit einer abnehmbaren Kappe 4 versehen ist. Die Kanne 4 ist beispielsweise mit Schraub- oder Steckverbindung versehen. Die Kappe 4 ist mit einer PTFE-Folie 5 verschv/eißt, die sich nach dem Einschieben des Meßfühlers 20 in den Perikatheter IO eng an die PTFE-Folie 2 anleqt.

In die Hülle 3 und Kappe 4 ist eine Bezugselektrode 6 aus Silber eingesetzt. In einer Mittelbohrung der letzteren befindet sich ein mit einem Glasmantel 7 umgebener Platindraht 8, der beispielsweise einen Durchmesser von 15 jom hat. Am Ende der Bezugselektrode befindet sich eine Innenlösung 9, beispielsweise aus KCl, die als Elektrolyt dient, um den Stromfluß zwischen Meßelektrode 8 und Bezugselektrode 6 zu ermöglichen. Die äußere Spannuno vird der Meßelektrode über eine mit PTFE isolierte, versilberte Kupferlitze 11 und der Bezugselektrode über einen lackisolierten Kupferdraht 12 zugeführt.

Der beschriebene Meßfühler ist völlig in sich abaeschlossen. Wenn er in den Perikatheter 10 eingeschoben v.mrde, berühren sich die PTFE-Folien 2 und 5, die je etvra 12 λιπ stark sind, so daß in der Blutbahn od. dgl. gelöste Sauerstoffgase durch die beiden Folien hindurchdiffundieren und in den Bereich der Meßelektrode 8 gelangen können. Wird eine negative Ladung an diese Elektrode gelegt, so v/erden die an die ElektrodenoberflSche gelangenden Fauerstoffmoleküle reduziert. Aus der Stärke des auftretenden P.edukt ions stromes kann auf die Konzentration der Sauerstoffmoleküle und damit auf den Sauerstoffpartialdruck im Blut oder der sonstigen Umgebuna der Membran 2 geschlossen werden.

809851/0283

Der Meßfühler 30 ist ähnlich vie der Meßfühler 2O gebaut und dient zur Gasmessung mittels einer Glasmantelelektrode. Er ist ebenfalls mit einer Hülle 3 umgeben, an die eine Kappe 13 angesetzt ist. Innerhalb der Kappe 13 befindet sich ein Stopfen 14 aus Isolierstoff, z. B. PTFE oder Acrylglas. Fr dient zur Halterung einer vollständig mit Glas ummantelten Platinelektrode 15. Der Glasmantel 16 ist in diesen Falle ionenselektiv ausgebildet. Der Stopfen 14 trennt ferner die den Glasmantel 16 umgebende Innenlösung 17 von der Rezugslösung IR; jedoch stehen die beiden Lösungsrrume über eine Mikrokerbe des Stopfens 14 miteinander in Verbindung. In der Bezuaslösuna IB ist die nicht dargestellte Bezugselektrode untergebracht. Die Zuleituna für die Platinelektrode 15 ist mit 19 bezeichnet. Zur Konstanthaltunq der Diffusionsstrecke zwischen Membran und Platinspitze befindet- sich zwischen der PTFF-Folie und der Stirnseite des Glasmantels 16 ein dünnes Blättchen 21, das z. B. aus Cellophan, Perloncrevebe, Seidenpapier od. dgl. besteht.

Die im Betrieb durch die "Membranen 2 und 5 eindiffundierenden Gasmoleküle führen zu einer pH-Verschiebung im Innenlösungsraum, wodurch das elektrochemische Potential der Platinelektrode 15 verändert wird. Diese Potentialcnderung ist also ein !laß für die Konzentration des betreffenden Gases.

Eine stark·selektive Gasmessung ist mit dem Meßfühler 4n möglich. Er ist weitgehend ebenso wie der Meßfühler 30 konstruiert, jedoch befindet sich hier zwischen Innenlösung 17 und Platinelektrode 15 ein Kunststoffblättchen, das mit einer ionenselektiven organischen Substanz getränkt ist.

809851/0283

Wenn ζ. R. NII^-Konzentrationen gemessen werden solion, versetzt nan den Kunststoff vor dem Auswerten mit einer Lösung von Valinomycin in Diphenyläther oder Konactin-Monactin in Tris (2-äthylhexyl) phosphat. Die eindiffundierten KH. -Ionen reagieren mit diesen Substanzen und führen so zu einer Potentialänderung der ".eßelektrode

Das in Fig. 2 dargestellte Katheterelektrodensyster int vor allen für ionenselektive Messungen bestimmt. Der Perikatheter 50 besteht wieder aus einem schlauchförmiaen Mantel 1, ist aber diesmal mit einer für niedermolekulare Substanzen durchlnscinen, aber den Bedingunqen der Sterilfiltration entsprechenden Membran 23 abgeschlossen- Folcho Membranen v/erden als Dialysemembranen bezeichnet. Fi ο bestehen z. B. aus Cellophan.

Einige Vorschläge für hiermit verwendbare Meßfühler sim¹ ledialich beispielsweise im oberen Teil der Fia. 2 dai— gestellt.

Der f'eßfühler 6O ist ebenso aufgebaut wie der Meßfühler 40 in Για. 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß auch hier statt der gasdurchlässigen Membran 5 eine Dialvr.emembran 24 am Ende der Kappe 13 befestigt ist. Die Funktion der fleßelektrode ändert sich dadurch nicht, denn die zu messenden Gase sind niedermolekular, können also sowohl eine PTFE-Folie, als auch eine Dialysemembran durchdringen.

Der Meßfühler 7O in Fig. 2 entspricht weitgehend dem ,Meßfühler 30 in Fia. 1. Der wesentliche Unterschied besteht v.'ieder darin, daß statt der PTFF-Folie 5 eine Dialysemembran 24 die Kappe 13 stirnseitig abschließt. Ferner endet die Glasmantelelektrode 15 in größerem Abstand von der

809851/0283

Membran 24, so daß sich ein crrößerer InnenlÖsungsvorrat 17 zwischen beiden befindet. Hierdurch ist die Elektrode im wesentlichen nicht mehr gasscirsitiv, sondern ionenselektiv. Die Art der anaezeigten Ionen hängt von den Fiaenschaften der Innenlösung und der Selektive tot des Glasmantels ab.

Die f'eRfühler 80 und 90 stellen zwei Pcispiele für elektrocherr.isch-enzymatische Meßvorrichtuncren dar.

Der Meßfühler RO dient zur prämembranösen Umsetzung mittels eines einer qassensitiven Elektrode vorgeschalteter Enzym- oder Multienzymsystems. Die Elektrode ist identisch mit dem MePfühler 60, jedoch ist der ionenselektiven Kunststoffscheibe 22 und der Innenlösung 17 ein Fnzvm- oder flultienzymsystem vorgelagert, da«? von der Innenlösunn durch eine gasdurchlässiae Folie 2f> getrennt ist. Uenn der nachzuweisende Stoff (z. R. Glucose) durch die lienbranen 23 und 24 in das Enzym- oder ''ultionz^'mr.ystem 25 eindiffundiert ist, setzt dieses sein Substrat unter Abgabe eines Gases um, das nach Durchdringen der PTFE-EoIie 26 von der rrassens.itiven Mefelektrode 16 durch Potentialenderunq anaezeigt v.'ird.

Der T'e.Gfühler 90 dient zur postmemliranösen Umsetzung durch elektrolytische Oxidation des reduzierten Akzeptors. Das Enzym- oder Multienzymsystem 50 steht in unmittelbarem Kontakt mit der Platinelektrode 15; die Strrke des MePstromes bei einer bestimmten an die Meßelektrode angeleaten Spannung ist ein Haß für das umgesetzte Enzymrubstrat und damit für die Konzentration der die Umsetzur.a auslösenden niedermolekularen Substanz.

809851 /0283 ORIGINAL INSPECTED

Claims

/Ansprüche

1. /Elektrode für die elektrochemische Analyse, bestehend

aus einer Schutzhülle, die an ihrer¹ Fnde mit einer ^für die zu bestimmenden Substanzanteile durchlässigen, ffr .Makromoleküle und Bakterien jedoch undurchlässigen Membran verschlossen ist, und einen in die Schutzhülle einschie>— baren I'eßfühler, dadurch gekennzeichnet, da η die Schutzhülle als Perikatheter (10) ausgebildet ist und daf der Meßfühler (20, 30, 40) eine vollständige, in sich abgeschlossene Flektrode darstellt.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1, 2) des Perikatheters (10, 50) ringsum mit dem Rand desselben verschweißt oder verklebt ist.

Dr.Hk/Du.

809851/0283 ORIGINAL INSPECTED

2726A50

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ne.Ve.rnzeichnet, daß PeriKatheter und Meßfühler als biegsame Schläuche ausaebildet sind.

4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch crekennzeichnet, daP der Meßfühler mit einer Membran (5, 24) abaeschlossen ist, die in der eingeschobenen Lage unmittelbar an der Membran (2, 23) der Perikatheters anliegt.

809851 /0283