DE2832501A1 - Elektrochemischer sensor zur messung des partialdrucks von sauerstoff und kohlendioxid - Google Patents

Elektrochemischer sensor zur messung des partialdrucks von sauerstoff und kohlendioxid

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DE2832501A1 DE19782832501 DE2832501A DE2832501A1 DE 2832501 A1 DE2832501 A1 DE 2832501A1 DE 19782832501 DE19782832501 DE 19782832501 DE 2832501 A DE2832501 A DE 2832501A DE 2832501 A1 DE2832501 A1 DE 2832501A1
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Description

Unsere Nr. 22 O69 F/La
G.D. Searle & Co.
Skokie, 111., V.St.A.
Elektrochemischer Sensor zur Messung des Partialdrucks von Sauerstoff und Kohlendioxid.
Vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Sensorsystem zur gleichzeitigen und kontinuierlichen Messung des Partialdrucks von Sauerstoff (im folgenden als POp bezeichnet) und des Partialdrucks von Kohlendioxid (im folgenden als PCOp bezeichnet) in Pluiden. Der erfindungsgemäße elektrochemische Sensor ist besonders für die intraarterielle Messung von PCO2 und PO2 im Blut geeignet; in einer besonderen AusfUhrungsform ist er für eine transkutane Messung dieser Blutgase ausgebildet, indem er zusätzlich ein Heizelement und geringfügige bauliche Veränderungen aufweist.
Herkömmliche Sensoren für POp umfassen ein Paar Metallelektroden, welche durch einen Elektrolyten in elektrischem Kontakt stehen und die von einer sauerstoffdurchlässigen Membran umgeben werden, welche mit dem Elektrolyten und dem zu untersuchenden Fluid in Berührung steht. Eine Elektrode die Kathode, besteht aus einem Metall, durch das "Sauerstoff, welcher durch die Membran tritt, elektrochemisch reduziert werden kann, wobei ein vom Sauerstoffpartialdruck in dem Fluid abhängiger Strom erzeugt wird.
Auch herkömmliche PC02-Sensoren umfassen ein Paar von Elektroden, einen Elektrolyten und eine Membran, die in diesem Fall für Kohlendioxid durchlässig ist. Der Sensor
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funktioniert, indem die Wirkung der pH-Wertveränderung als Folge des Durchgangs von Kohlendioxid und Wasser durch die Membran, deren Auflösung unter Bildung von Kohlensäure und die Dissoziation derselben, wobei nach folgender Gleichung Protonen freigesetzt werden, aufgezeichnet wird;
CO2 + H2O ; » H2GO3
H2CO3 * > H++HCO3-
Ein Einfäch-Sensorsystem mit einer Mikroelektrode für Kohlendioxid und Sauerstoff ist in Respiration Physiology, Bd. 23, Seite 371-379 (1975) offenbart. Bei diesem System wird eine Platinkathode und eine Silber-Silberchlorid-Anode in Chinhydron/Kaliumchlorid als Elektrolyt verwendet. Dieses System kann zur Messung von PCO2 und PO2 unabhängig voneinander, jedoch nicht gleichzeitig, verwendet werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Sensor zur gleichzeitigen und kontinuierlichen Messung von PO2 und PCO2 in Fluiden, welcher umfaßt:
(a) eine Elektrodenkammer, in der angeordnet sind* eine erste Elektrode, welche auf die durch Anwesenheit von Kohlendioxid hervorgerufenen Änderungen des pH-Wertes anspricht,
eine zweite Elektrode, die Sauerstoff elektrochemisch reduzieren kann,
eine Bezugselektrode für jeweils die erste und die zweite Elektrode oder für beide gemeinsam, eine Einrichtung zur Halterung der ersten, der zweiten und der Bezugselektrode im Abstand und isoliert voneinander,
ein. Elektrolyt in Berührung mit der ersten, der zweiten und der Bezugselektrode;
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(b) eine für Sauerstoff und Kohlendioxid durchlässige Membran mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite mit dem Elektrolyten in Berührung steht,und die zweite Seite so ausgebildet ist, daß sie gasförmigem Kohlendioxid und Sauerstoff von dem zu testenden Fluid ausgesetzt werden kann, und die Membran den Elektrolyten in Berührung mit den Elektroden hält und einen Eintritt von gasförmigem Sauerstoff und Kohlendioxid in den Elektrolyten ermöglicht und wobei die Membran, falls der alkalische Elektrolyt fest ist, wasserdurchlässig ist.
Vorzugsweise ist der Elektrolyt alkalisch.
Vorzugsweise sind Vorrichtungen zum gleichzeitigen Messen elektrischer Veränderungen, welche durch Kohlendioxid zwischen der ersten Elektrode und der Bezugselektrode und durch Sauerstoff zwischen der zweiten Elektrode und der Bezugselektrode bewirkt werden, mit den jeweiligen Elektroden verbunden.
Bei einer Ausführungsform ist der Sensor so ausgebildet, daß er an der Spitze eines intraarteriellen Katheters zur Messung von POp und PCO- im Blut angebracht werden kann. Die auf die Veränderungen bezüglich Kohlendioxid ansprechende Elektrode ist eine -ρΉ-Glaselektrode; die Elektrode zur elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff besteht aus Silber oder Platin, während die Bezugselektrode aus Silber/Silberchlorid besteht; die Membran besteht aus für Wassers Kohlendioxid und Sauerstoff durchlässigem Polystyrol., und der Elektrolyt ist eine getrocknete oder halbfeste Schichts welche von einer wässrigen Lösung von Natriumbicarbonat und Kaliumchlorid erhalten wird»
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Die vorzugsweise aus einem biologisch inertem Polymeren hergestellte Membran ist für Kohlendioxid und Sauerstoff durchlässig. Wenn ein fester Elektrolyt verwendet wird, muß die Membran auch wasserdurchlässig sein. Eine geeignete Membran wird hergestellt, indem man den mit dem Elektrolyten beschichteten Sensor durch Tauchbeschichten mit einer Membran aus Polystyrol, die für CO2, O2 und H3O durchlässig ist, überzieht. Wenn man den Sensor in dieser Form herstellt, werden die Elektroden zuerst in der Katheterspitze angebracht, welche sodann mit einem festen Elektrolyten beschichtet wird, der seinerseits durch Tauchbeschichtung mit einer Membran, die für Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser durchlässig ist, überzogen wird, wobei beide Überzüge die Elektroden völlig bedecken:* /
Bei einer anderen Ausführungsform wird die für Kohlendioxid und Sauerstoff durchlässige Membran so angeordnet, daß sie in Berührung mit der Haut oder in Nähe derselben gebracht werden kann, so daß Kohlendioxid und Sauerstoff aus dem Blut durch die Haut, die Membran und in den Elektrolyten gehen kann.
Diese letztere Ausführungsform ist vorteilhafterweise mit einem regulierbaren Heizelement (d.h. einem solchen, das mit einem Thermistor reguliert wird) ausgerüstet, wodurch der Sensor auf eine Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten werden kann, welche zur Erhöhung des Blutflusses in der in Berührung mit dem Sensor stehenden Hautfläche geeignet ist. ■.'■'-■■■
Infolgedessen ist eine wichtige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein transkutaner Sensor, welcher durch die Haut PO2 und PCO2 messen kann, indem der Partialdruck von Sauerstoff und Kohlendioxid von durch die Haut diffundierenden
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Gasen ermittelt wird. Ein Beispiel für eine derartige Modifikation des erfindungsgemäßen Sensors ist eine pH-Glaselektrode für COp9 welche durch eine ringförmige Bezugselektrode umgeben wird, in die eine oder mehrere Silber-Elektroden für C>2 und ein regulierbares Heizelement einverleibt sind, das zur Erhöhung des Blutflusses in der Hautfläche dient, wenn die Messung vorgenommen wird. Die freiliegenden Flächen der Elektroden stehen in Berührung mit einem geeigneten Elektrolyten, der flüssig sein kann, und es können für diese Vorrichtung weniger strenge Sterilisationsverfahren angewandt werden, als es bei der intraarteriellen Ausführungsform erforderlich ist. Schließlich ist der Elektrolyt mit einer für Op und COp durchlässigen Membran bedeckt. Die Wasserdurchlässigkeit ist nicht wesentlich, falls ein "feuchter" oder flüssiger Elektrolyt verwendet wird. Dieser Sensor kann direkt auf die Haut, welche lokal durch ein elektrisches Heizelement mit Thermistorsteuerung zur Erhöhung des Blutflusses erwärmt wird, aufgebracht werden, und es können verlässliche Messungen des Partialdruckes von 0« und COp im Blut von durch die Haut diffundierenden Gasen vorgenommen werden. Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors wird es bevorzugt, die COp-Elektrode und die Op-Elektrode zumindest teilweise durch die Bezugselektrode zu trennen, um jede Be einflussung zwischen den an der COp-Elektrode anwesenden Waeserstoffionen und den an der Op-Elektrode erzeugten Hydroxylionen auf ein Minimum zu beschränken.
Vorzugsweise ist die auf Veränderungen des pH-Wertes, welche durch die Anwesenheit von Kohlendioxid bewirkt werden, ansprechende erste Elektrode eine pH-Glaselektrode.
Die zweite Elektrode, welche fähig ist, Sauerstoff elektro chemisch zu reduzieren, besteht aus einem beliebigen Material, welches die erforderliche Eigenschaft, Sauerstoff mit einem
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Polarisierungsstrom elektrochemisch zu reduzieren, besitzt, wie z.B. aus Silber^ Gold, Platin, Kohlenstoff oder einem geeigneten Halbleitermaterial.
Die Bezugselektrode besteht vorzugsweise aus Silber/Silberchlorid in Blockform oder in Form eines gewundenen Drahtes.
Die Ausgangsleistung der elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff wird durch einen herkömmlichen polarographischen Schaltkreis (circuitry) unter Verwendung einer Polarisierungsquelle und eines Stromverstärkers gemessen. Die Ausgangsleistung der pH-Glaselektrode wird durch einen Spannungsverstärker hoher Impedanz gemessen. Der Sauerstoff und das Kohlendioxid werden gleichzeitig intraarteriell oder transkutan ohne Störung gemessen. Dem Fachmann sind die verschiedenen elektrischen Einrichtungen zum Messen der durch CO _ und Ο« hervorgerufenen Veränderungen in den Elektroden geläufig.
Das bevorzugte Elektrolytmaterial ist ein solches, das im ungepufferten Zustand alkalisch ist und freie Halogenidionen enthält. Die Wahl des Elektrolyten ist durch die Wahl der Elektrodenmaterialien bestimmt.
Ein bevorzugter Elektrolyt zur Verwendung mit einer pH-Glaselektode für COp, einer Silber/Silberchlorid-Bezugs^jelektrode und einer Silberelektrode für Sauerstoff ist ein Gemisch von NaHCO3 und KCl. Der Elektrolyt kann in "feuchtem" (flüssigem) oder in halbfestem Zustand vorliegen. Bei der besonderen Ausbildung des erfindungsgemäßen Sensors für eine transkutane Messung ist als alkalischer Elektrolyt Natriumbicarbonat/ Kaliumchlorid in Ethylenglycol vorteilhaft.
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Die zuvor beschriebene transkutane Form des Sensors kann auch zur Messung von POp und PCO„ im Blut in vitro verwendet werden. In diesem Falle wird die Membran des Sensors in Berührung mit einer Blutprobe gehalten, wobei die Elektroden den Partialdruck von Sauerstoff und Kohlendioxid^ welche vom Blut durch die Membran diffundieren, messen.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensor zur Montage auf der Spitze eines Katheters;
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensor für die transkutane Messung von Kohlendioxid und Sauerstoffj
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf den elektrochemischen Sensor zur transkutanen Messung von Kohlendioxid und Sauerstoff.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In Figur 1 ist der elektrochemische Sensor in der Spitze eines Katheters 1 aus Polyvinylchlorid 5F angebracht. Der elektrochemische Sensor besteht aus einer gegenüber Kohlendioxid empfindlichen Elektrode 2 in Form eines pH-Glaskopfstücks, welches im Ende des Katheters angebracht ist. Die Elektrode zur elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff 3 ist ein Silberdraht mit einem Durchmesser von 180 um. Den Elektroden 2 und 3 gemeinsam ist eine Silber/Silberchlorid-Bezugs elektrode 4. Diejenige Fläche des Katheters, welche die Elektroden trägt, ist mit einer Schicht eines alkalischen Elektrolyten 5 bedeckt, der aus einem halbfesten Natriumbicarbonat/Kaliumchlorid-Elektrolyten bestehts der seinerseits mit einer Polystyrol-Membran 6S die für 0_s CO5 und H9O durchlässig ist, beschichtet^. Die Elektrode zur Sauerstoffreduktiona nämlich der Silberdraht 3^ steht in Berührung mit der Schicht aus alkalischem Elektrolyten 5. Von den jeweiligen Elektroden
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erstrecken sich herkömmliche elektrische Anschlüsse 7, 8 und 9. Die pH-Glas elektrode 2 ist auf einem HbhiL^^schaft 10 aus Bleiglas angebracht, welcher durch eine Dichtung 11 aus Silikonkautschuk verschlossen wird. Die lichte Weite des Glasschaftes ist mit einem gelierten Chloridion-Elektrolyten oder aber auch einem elektrisch leitfähigen Epoxyharz 12 gefüllt. Die auf Kohlendioxid ansprechende Elektrode 2 und eine Elektrode zur elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff
3 sind in dieser Ausführungsform in einem Abstand von 2 bis
4 mm angebracht.
Gemäß Figur 2 besteht der transkutane Sensor aus einem Sensorkörper 21, in dem zentral die pH-Glaselektrode 22 zur Messung von Kohlendioxid angeordnet ist. Die pH-Glaselektrode ist von einer ringförmigen Silber/Silberchlorid-Bezugsanode 24 umgeben, in der 2 einander radial gegenüber liegende Platinelektroden 23 für den>ebi^ttoff,isoliert angebracht sind. Die Bezugsanode 24 ist mit einer Heizvorrichtung 25 versehen, deren Temperatur durch einen Thermistor 26, welcher in der Bezugselektrode angeordnet ist, gesteuert wird. IUe freiliegenden Elektrodenoberflächen stehen in Berührung mit einem Elektrolyten 27, welcher aus einer 0,1 m NaHCO,/O,l m KCl-Lösung in Ethylenglycol besteht. Der Elektrolyt wird durch eine für Sauerstoff und Kohlendioxid durchlässige Membran 28 zurückgehalten, welche durch einen Ring 29 aus Polytetrafluorethylen und einem mit Gewinde versehenen Haltering 30 an Ort und Stelle gehalten wird; hierdurch wird der alkalische Elektrolyt innerhalb der Elektrodenkammer eingeschlossen, und ermöglicht, daß Sauerstoff von der Haut eines Lebewesens durch die Membran in den alkalischen Elektrolyten eintritt.
Es ist ein Feldeffekt-Transistor 31 vorgesehen, um die Impedanz der COg-Elektrode zu verringern. Bei der Anwendung wird der Sensor in Berührung mit der Haut des Patienten oder in Nähe derselben gebracht, und die Heizvorrichtung
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BAD
wird betätigt, um die Temperatur der Haut auf einen solchen Wert zu erhöhen, daß der Blutfluß lokal erhöht wird. Der Sauerstoff und das Kohlendioxid im Blut diffundieren durch die Hautschicht und die Membran und sie werden durch die Sauerstoffkathode bzw. die pH-Glaselektrode ermittelt, und die Ströme werden in geeigneter Vfeise aufgezeichnet.
Figur 3 zeigt die beiden radial angeordneten Platinelektroden 23 für Sauerstoff innerhalb der Bezugselektrode 24 aus Silber/Silberchlorid, jedoch isoliert von derselben.
Für: G.D. SearIe & Co.
Skokie, 111., V.St.A.
Dr.H.J.Wolff Rechtsanwalt
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Claims (10)

BEIL, WOLFF & BEIL 2 *· Juli 1978 RECHTSANWÄLTE ADELONSTRASSE 58 2832501 FRANKFURT AM MAIN 80 Patentansprüche:
1. Elektrochemischer Sensor zur gleichzeitigen und kontinuierlichen Messung von Sauerstoff- und Kohlendioxidpart ialdrucken in Fluiden, gekennzeichnet durch
(a) eine Elektrodenkammer, in der angeordnet sinds eine erste Elktrode, welche auf die durch Anwesenheit von Kohlendioxid hervorgerufenen Änderungen des pH-Wertes anspricht,
eine zweite Elektrode, die Sauerstoff elektrochemisch reduzieren kann,
eine Bezugselektrode für jeweils die erste und die zweite Elektrode oder für beide gemeinsam, eine Einrichtung zur Halterung der ersten, der zweiter und der Bezugselektrode im Abstand und isoliert von- .
einander,
ein Elektrolyt in Berührung mit der ersten, der zweiten und der Bezugseleketrode;
(b) eine für Sauerstoff und Kohlendioxid durchlässige Membran mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite mit dem Elektrolyten in Berührung steht und die zweite Seite so ausgebildet ist, daß sie gasförmigem Kohlendioxid und Sauerstoff von dem zu testenden Fluid ausgesetzt werden kann, und die Membran den Elektrolyten in Berührung mit den Elektroden hält und einen Eintritt von gasförmigem Sauerstoff und Kohlendioxid in den Elektrolyten ermöglicht und wobei die Membran, falls der alkalische Elektrolyt fest ist, wasserdurchlässig ist.
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ORIGINAL !N8PECTBD
2. Sensor gemäß Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt fest, und die Membran wasserdurchlässig sind.
3. Sensor gemäß Anspruch 1 zur gleichzeitigen und kontinuierlichen transkutanen Messung des Sauerstoff- und Kohlendioxidpart ialdrucks durch die Haut von Lebewesen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Seite der permeablen Membran so ausgebildet ist, daß sie gasförmigem Kohlendioxid und Sauerstoff aus der Haut des zu testenden Lebewesens ausgesetzt werden kann, und daß die Elektrodenkammer zusätzlich ein regulierbares Heizelement zur Erwärmung der Haut des Lebewesens in Berührung mit oder in Nachbarschaft von der Membran aufweist.
4. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt ein alkalischer Elektrolyt ist.
5· Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine Einrichtung zur gleichzeitigen Messung von elektrischen Änderungen aufweist, welche durch Kohlendioxid zwischen der ersten Elektrode und der Bezugselektrode und durch Sauerstoff zwischen der zweiten Elektrode und der Bezugselektrode · bewirkt werden.
6. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine pH-Glaselektrode ist.
7. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5S dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode eine solche aus Silber oder Platin ist.
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8, Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 Λ dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode aus Silber/Silberehlorid hergestellt ist.
9. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Polystyrol besteht.
10. Sensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er auf der Spitze eines intraarteriellen Katheters3 zwecks Messung des Partialdrucks von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blutj angebracht ist.
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DE19782832501 1977-07-26 1978-07-25 Elektrochemischer sensor zur messung des partialdrucks von sauerstoff und kohlendioxid Ceased DE2832501A1 (de)

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