DE2726450C3

DE2726450C3 - Katheter-Meßanordnung zur elektrochemischen Analyse

Info

Publication number: DE2726450C3
Application number: DE2726450A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr.-Ing. 6380 Bad Homburg Schäl
Original assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG Apparatebau KG
Current assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Priority date: 1977-06-11
Filing date: 1977-06-11
Publication date: 1982-01-14
Also published as: GB2000294B; US4197852A; JPS6154410B2; FR2394082B1; GB2000294A; FR2394082A1; JPS544883A; DE2726450A1; DE2726450B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Katheter-Meßanordnung zur elektrochemischen Analyse im lebenden Organismus gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

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

Eine solche Katheterelektrode ist z. B. in der US-PS 34 15 730 beschrieben. Sie enthält eine Meßelektrode und eine diese umgebende Bezugselektrode und trägt an ihrer Spitze eine für Sauerstoff durchlässige Membran- ^r> <> kappe, die auch den die beiden Elektroden überbrückenden Elektrolyten enthält. Diese Katheterelektrode kann entweder mit Hilfe einer angeschliffenen Hohlnadel oder wenn sich die Meßstelle in einem von außen frei zugänglichen Hohlraum des Organismus befindet auch ohne Hilfsmittel eingeführt werden.

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

Es sind Multielektroden entwickelt worden, mit denen verschiedene Parameter gleichzeitig bestimmt werden μ können; die Unterbringung solcher Multielektroden in einem Katheter nicht zu großen Durchmessers bereitet aber erhebliche Schwierigkeiten. Zudem sind solche Katheter mit Multielektroden 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 Stabilisierung der Sauerstoffdiffusion benötigte Membran trägt (K. Ring, S. Schlecht, W. Eschweiler und ]. Kutscher: Eine Elektrode zur kontinuierlichen Messung des Gelöstsauerstoffs (PO2) in Fermenterkulturen, Archiv für Mikrobiologie, Band 65 (1969), Seiten 48 bis 60). Der als Schutzhülle dienende Außenkörper kann im Züchtungsgefäß mitsterilisiert werden; anschließend wird der aus Kathode und Anode bestehende, jedoch für sich allein nicht funktionsfähige Meßfühler in den als Schutzhülle dienenden Außenkörper eingeschoben. Die Verbindung zwischen Kathode und Anode geschieht über einen in den Außenkörper eingefüllten Elektrolyten. Jetzt kann das Meßsystem in Betrieb gesetzt und geeicht werden. Die Membran wirkt stabilisierend auf die kontinuierliche Messung und trennt ferner den meßaktiven Teil der Meßanordnung von der Kultur, so daß eine Verscnmutzung des Meßfühlers vermieden wird. Ohne die Membran wäre eine stabile Anzeige nicht erzielbar und es könnte keine eindeutige polarographische Meßkurve aufgezeichnet werden. Zur Abstandshaltung ist die Platinelektrode des Meßfühlers ferner mit einer weiteren Membran überzogen, die in Betriebsstellung unmittelbar der Außenmembran aufliegt. Hierdurch soll die Diffusionsstrecke für Sauerstoff stabilisiert und konstant gehalten werden, so daß die Messung weniger abhängig von der Turbulenz in der Meßlösung wird. Wie gesagt, stellt erst die Kombination von Meßfühler und Außenkörper eine vollständige, funktionsfähige Einheit dar. Diese ist aber nur für die Messung des Sauerstoffpartialdrucks und für nichts anderes geeignet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, wieder' ölte Messungen gleicher oder verschiedener Parameter im lebenden Körper bzw. in Kulturen durchzuführen, ohne daß jedesmal der Katheter gewechselt werden muß. Erfindungsgemäß umfaßt die Meßanordnung zusätzlich eine sterildichte, semipermeable oder gasdurchlässige Bereiche aufweisende Hülle, in die der Meßfühler auswechselbar einschiebbar ist. Da der auswechselbare Meßfühler bereits für sich eine vollständige, in sich abgeschlossene und funktionsbereite Elektrode darstellt, ist es möglich, nicht nur den Sauerstoffpartialdruck, sondern auch andere Parameter wahlweise nacheinander zu messen, indem jeweils ein entsprechender Meßfühler in die bereits liegende Hülle eingeführt wird. Umgekehrt lassen sich mit einem Meßfühler mehrere Patienten nacheinander mit liegender steriler Hülle überwachen. Mit einem Multimeßfühler ist auch die gleichzeitige Gewinnung verschiedener Meßdaten bei mehreren Patienten nacheinander möglich.

Für die Hülle 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 zweckmäßigerweise mit einer ebensolchen Folie ausgestaltet und die beiden Folien liegen

unmittelbar aneinander an. So können die Gasmolekule durch die beiden Folien hindurchdiffundieren und die Meßelektrode erreichen. Bei konstanten Diffusionsbedingungen zwischen dem gashaltigen Substrat, worin sich die Hülle befindet, und der Elektrxlenoberfläche kann aus der Stromstärke bei einer passenden äußeren Spannung auf die Konzentration der Gasmoleküle in dem Substrat und damit auf eieren Partialdruck geschlossen werden.

Bei der Verwendung ionenselektiver Meßelektroden m müssen die betreffenden Ionen die Membran der Hülle durchdringen können. Hierfür geeignete Membranen sind die für niedermolekulare Ionen durchlässigen Dialysemembranen mit Sterilfiltrationseigenschaften. Derartige Membranen sind bekannt. ι ■-

Der Kontakt von der Innenseite der Membran zur Elektrode des Meßfühlers kann auf flüssigem, gasförmigem oder kombiniertem Wege in bekannter Weise hergestellt werden. Die Dialysemembran läßt sich aber auch für eiektrochemischenzymatisdn Messungen verwenden, wenn der Meßfühler eine gassensitive Meßelektrode enthält, der ein Enzym- oder Multienzymsystem vorgeschaltet ist. Dieses Enzymsystem setzt sein Substrat unter Abgabe eines Gases um, das von der gassensitiven Elektrode des Meßfühlers angezeigt wird. .?-,

Gegebenenfalls kann das Enzym-Multienzymsystem auch der Membran der Hülle vorgeschaltet sein, also in unmittelbarem Kontakt mit der Membran stehen. In diesem Falle besteht die Membran der Hülle aus einer PTFE-Folie, durch die das von dem Enzymsystem jo abgegebene Gas diffundieren kann, so daß es von der gassensitiven Elektrode des Meßfühlers angezeigt wird. Messungen ohne das Enzymsystem sind dann allerdings nicht mehr möglich.

Es sind auch noch weitere Kombinationen der ji beschriebenen Grundtypen von Hülle und Meßfühler untereinander denkbar. Einige derselben werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung ist

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Katheter- mi meßanordnung für gassensitive Meßfühler und

F i g. 2 eine entsprechende Darstellung eines Systems für ionenselektive, gassensitive und enzymatische Meßfühler.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist das Ende der als Perikatheter zu bezeichnenden Hülle in einer ersten Ausführungsform schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Perikatheter 10 besteht aus einem sterilisierbaren Schlaue!; 1, der an seiner Stirnseite mit einer Membran 2 abgeschlossen ist. Die Membran 2 besteht hier aus einer PTFE-Folie, deren Rand mit dem Schlauch 1 verschweißt ist.

In den Perikatheter 10 können entsprechend der Gasdurchlässigkeit der PTFE-Folie 2 verschiedene gassensitive Meßfühler eingeschoben werden. Einige « Ausführungsbeispiele derselben sind im oberen Teil der Fig. 1 dargestellt.

Der Meßfühler 20 dient zur polarographischcn Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks. Er besitzt eine Elektrodenhülle 3, die mit einer abnehmbaren Kappe 4 bo versehen ist. Die Kappe 4 ist beispielsweise mit Schraub- oder Steckverbindung versehen. Die Kappe 4 ist mit einer PTFE-Folie 5 verschweißt, die sich nach dem Einschieben des Meßfühlers 20 in den Perikatheter 10 eng an die PTFE-Folie 2 anlegt. ^

In die Elektrodenhülle 3 und Kappe 4 ist eine Bezugselektrode 6 aus Silber eingesetzt. In einer MittL'lbohrung der ielztere.i befindet sich ein mit einem Glasmantel 7 umgebener Platindraht 8, der beispielsweise einen Durchmesser von 15 μπι hat. Am Ende der Bezugselektrode 6 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 Spannung wird der Mcßelektrode 8 über eine mit PTFE isolierte, versilberte Kupferlitze 11 und der Bezugselektrode 6 über einen lackisolierten Kupferdraht 12 zugeführt.

Der beschriebene Meßfühler ist völlig in sich abgeschlossen. Wenn er in den Perikatheter 10 eingeschoben wurde, berühren sich die PTFE-Folien 2 und 5, die je etwa 12 μπι stark sind, so daß in der Blutbahn od. dgl. gelöste Sauerstoffgase durch die beiden Folien 2, 5 hindurchdiffundieren und in den Bereich der Meßelektrode 8 gelangen können. Wird ferne negative Ladung an diese Elektroden gelegt, so werden die an die Elektrodenoberfläche gelangenden Sauerstoffmoleküle reduziert. Aus der Stärke des auftretenden Reduktionsstromes kann auf die Konzentration der Sauerstoffmoleküle und damit auf den Sauerstoffpartiaidruck im Blut oder der sonstigen Umgebung der Membran 2 geschlossen werden.

Der Meßfühler 30 ist ähnlich wie der Meßfühler 20 gebaut und dient zur Gasmessung mittels einer Glasmantelelektrode. Er ist ebenfalls mit einer Elektrodenhülle 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. Er dient zur Halterung einer vollständig mit Glas ummantelten Platineliktrode 15. Der Glasmantel 16 ist in diesem Falle ionenselektiv ausgebildet. Der Stopfen 14 trennt ferner die den Glasmantel 16 umgebende Innenlösung 17 von der Bezugslösung 18; jedoch stehen die beiden Lösungsräume über eine Mikrokerbe des Stopfens 14 miteinander in Verbindung. In der Bezugslösung 18 ist die nicht dargestellte Bezugselektrode untergebracht. Die Zuleitung für die Platinelektrode 15 ist mit 19 bezeichnet. Zur Konstanthaltung der Diffusionsstrecke zwischen Membran und Platinspitze befinaet sich zwischen der PTFE-Folie 5 und der Stirnseite des Glasmantels 16 ein dünnes Blättchen 21, das z. B. aus Cellophan, Perlongewebe, 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 Potentialänderung ist also ein Maß für die Konzentration des betreffenden Gases.

Eine stark selektive Gasmessung ist mit dem Meßfühler 40 möglich. Er ist weitgehend ebenso wie der Meßfühler 30 konstruiert, jedoch befindet sich hier zwischen Innenlösung 17 und Platinelektrode 15 ein Kunststoffblättchen 22, das mit einer ionenselektiven organischen Substanz getränkt ist.

Wenn z. B. NHj-Konzentrationen gemessen werden sollen, versetzt man den Kunststoff vor dem Auswerten mit einer Lösung von Valinomycin in Diphenyläther oder Nonactin-Monactin iaTris(2-äthylhexyl)phosphat. Die eindiffundierten NH₄ ⁺ -Ionen reagieren mit diesen Substanzen und führen so zu einer Potentialänderung der Meßelektrode 16.

Das in F i g. 2 dargestellte Katheterelektrodensystem ist vor allem für ionenselektive Messungen bestimmt. D«.r Perikatheter 50 besteht wieder aus einem schlauchförmigen Mantel 1, ist aber diesmal mit einer für niedermolekulare Substanzen durchlässigen, aber den Bedingungen der Sterilfiltration entsprechenden

Membran 23 abgeschlossen. Solche Membranen werden als Dialysemembranen bezeichnet. Sie bestehen z. B. aus Cellophan.

Einige Vorschläge für hiermit verwendbare Meßfühler sind lediglich beispielsweise im oberen Teil der Fig. 2dargestellt.

Der Meßfühk 60 ist ebenso aufgebaut wie der Meßfühler 40 in F i g. 1. Der einzige Unterschied bestehi darin, daß auch hier statt der gasdurchlässigen Membran 5 eine Dialysemembran 24 am Ende der Kappe 13 befestigt ist. Die Funktion der Meßelektrode ändert sich dadurch nicht, denn die zu messenden Gase sind niedermolekular, können also sowohl eine PTFE-Folie, als auch eine Dialysemembran durchdringen.

Der Meßfühler 70 in Fig. 2 entspricht weitgehend dem Meßfühler 30 in Fig. 1. Der wesentliche Unterschied besteht wieder darin, daß statt der PTFE-Folie 5 eine Dialysemembran 24 die Kappe 13 stirnseitig abschließt. Ferner endet die Glasmantelelektrode 15 in größerem Abstand von der Membran 24, so daß sich ein größerer Innenlösungsvorrat 17 zwischen beiden befindet. Hierdurch ist die Elektrode im wesentlichen nicht mehr gassensitiv, sondern ionenselektiv. Die Art der angezeigten Ionen hängt von den Eigenschaften der Innenlösung und der Selektivität des Glasmantels ab.

Die Meßfühler 80 und 90 stellen zwei Beispiele für elektrochemisch-enzymatische Meßvorrichtungen dar.

Der Meßfühler 80 dient zur prämembranösen Umsetzung mittels eines einer gassensitiven Elektrode vorgeschalteten Enzym- oder Multienzymsystems. Die Elektrode ist identisch mit dem Meßfühler 60, jedoch ist der ionenselektiven Kunststoffscheibe 22 und der Innenlösung 17 ein Enzym- oder Multienzymsystem 25 vorgelagert, das von der Innenlösung durch eine gasdurchlässige Folie 26 getrennt ist. Wenn der nachzuweisende Stoff (z. B. Glucose) durch die Membranen 23 und 24 in das Enzym- oder Multienzymsystem 25 eindiffundiert ist, setzt dieses sein Substrat unter Abgabe eines Gases um, das nach Durchdringen der PTFE-Folie 26 von der gassensitiven Meßelektrode 16 durch Potentiaiänderung angezeigt wird.

Der Meßfühler 90 dient zur postmembranösen Umsetzung durch elektrolytische Oxidation des reduzierten Akzeptors. Das Enzym- oder Multienzymsystem 25 steht in unmittelbarem Kontakt mit der Platinelektrode 15; die Stärke des Meßstromes bei einer bestimmten an die Meßelektrode angelegten Spannung ist ein Maß für das umgesetzte Enzymsubstrat und damit für die Konzentration der die Umsetzung auslösenden niedermolekularen Substanz.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Katheter-Meßanordnung zur elektrochemischen Analyse im lebenden Organismus mit einem auswechselbaren Meßfühler, der eine Umhüllung aufweist, die im meßempfindlichen Bereich des Meßfühlers für die zu messenden Substanzen durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zusätzlich eine sterildichte, semipermeable oder gasdurchlässige Bereiche aufweisende Hülle (10,50) umfaßt, in die der Meßfühler (20, 30, 40, 60, 70, 80, 90) auswechselbar einführbar ist.

2. Katheter-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (10, 50) und der Meßfühler (20,30,40,60,70,80,90) als biegsame Schläuche ausgebildet sind.

3. Katheter-Meßanordnung nach Anspruch 1 oder .?, dadurch gekennzeichnet, daß die semipermeablen oder gasdurchlässigen Bereiche als Membranen (2, 23) ausgebildet und mit dem Rand der Hülle (10, 50) verschweißt oder verklebt sind.

4. Katheter-Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der meßempfindliche Bereich des Meßfühlers (20, 30, 40, 60, 70, 80, 90) in dessen eingeschobener Lage an der Membran (2,23) der Hülle (10,50) anliegt.

5. Katheter-Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hülle (i0,50) als Meßfühler (20,30,40, 60,70,80,90) ein Multimeßfühler einführbar ist.

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