DE2841050C2

DE2841050C2 - Eichverfahren für einen Sensor sowie Sensor zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2841050C2
Application number: DE19782841050
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr.Med. 6200 Wiesbaden Kunke
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1978-09-21
Filing date: 1978-09-21
Publication date: 1982-04-15
Also published as: GB2030706B; FR2436990A1; FR2436990B1; DK394679A; CH643658A5; DE2841050A1; DK146985C; GB2030706A; DK146985B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Eichverfahren für einen eine polarographische Meßelektrode und eine Referenzelektrode enthaltenden Sensor zur Partialdruckmeslung von Gasen in Körperflüssigkeiten, wobei die Meßelektrode an ihrer Meßspitze eine gasdurchlässige Membran aufweist, und bei dem der Sensor durch Eintauchen der an eine Meßvorrichturig angeschlossenen Elektroden in zwei Medien mit verschiedenen bekannten Partialdrucken in einer Zweipunkteichung geeicht wird. Außerdem wird eine für dieses Eichverfahren besonders geeignete Ausbildung des Sensors angegeben.

Zur PC>2-Partialdruckmessung im Blut sind z. B. aus der US-PS 37 91 376 bereits Sensoren bekannt, welche eine polarographische Meßelektrode (Kathode) und eine Referenzelektrode (Anode) enthalten, die mit einem Elektrolytvorrat in Verbindung stehen. Gegenüber dem zu messenden Medium ist der Elektrolytvorrat durch eine für das Meßgas durchlässige Membran abgedeckt. Beim Betrieb wird der Sensor an eine mit digital- oder analoganzeigende bzw. schreibende MeßvGi-richtung angeschlossen.

Damit die in der Meßvorrichtung auftretenden Anzeigegrößen in Relation zu den zu messenden Partialdruckwerten des Gases gesetzt werden können, ist unter der näherungsweisen Annahme einer linearen Eichkurve wenigstens eine Zweipunkteichung erforderlich. Bei einer aus der Firmendruckschrift »Eicheinheit« Hillerkus & Co GmbH. 1977 bekannten Vorrichtung zur Eichung von PO₂-Meßelektroden bzw. Sensoren sind zwei Meßlösungen mit definierter Konzentration des Eichgases vorhanden, in die die Elektrode bzw. der Sensor nacheinander eingetaucht wird. Die an der Meßvorrichtung auftretenden Anzeigen in Verbindung mit den bekannten Konzentrationen des Eichgases in der Meßlösung bestimmen dann die beiden Eichpunkte der Geraden.

Bei transkutanen Sauerstoff-Meßelektroden ist der Verlauf der Eichkurve im gasförmigem Medium und im flüssigen Medium für großflächige Clark-EIektroden untersucht worden, vgl. hierzu Eberhard, P. Hammacher, K. Mindt, W. »Methode zur kutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes« Biomedizinische Technik 18 (1973) S.?16-221. Es ergab sich, daß sowohl bei der Eichung in Gasatmosphäre als auch bei Eichung in Flüssigkeiten annähernd lineare Eichkurven entstehen, die innerhalb der für biologische Messungen gegebenen Fehlergrenzen als etwa übereinstimmend betrachtet werden können.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, das Eichverfahren für eine polarographische Meßelektrode bzw. für einen mit dieser und mit einer Referenzelektrode bestückten Sensor wesentlich zu vereinfachen. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Sensor mit der Membran in eine mit dem Eichgas äquilibrierte Meßlösung eingetaucht und die befeuchtete Elektrode anschließend so lange der das Eichgas in definierter Konzentration enthaltenden Gasphase ausgesetzt wird, bis bei befeuchteter Elektrode ein Minimum der Anzeige der Meßvorrichtung eintritt. Auf diese Weise läßt sich eine Zweipunkteichung besonders einfach ausführen, wobei außerdem ein Eichpunkt in der Nähe des Nullpunktes erlangt wird. Es wird lediglich eine einzige mit dem Eichgas äquilibrierte Meßlösung benötigt, und die Messung kann dabei in relativ kurzer Zeit, d. h. innerhalb von wenigen Minuten, ausgeführt werden.

Das neue Eichverfahren beruht darauf, daß beim Eintauchen in die Meßlösung vom Sensor zunächst ein dem Gaspartialdruck entsprechender oberer Meßwert durch die Meßvorrichtung angezeigt wird. Nach dem Herausziehen des Sensors aus der Meßlösung wird der Eigenverbrauch der Meßelektrode für das Meßgas wirksam, und dieses Gas ist in dem die Meßspitze umgebenden Flüssigkeitsrest innerhalb kurzer Zeit vollständig aufgezehrt. Da aus der Gasphase keine hinreichende Nachlieferung des Eichgases in den am Sensor anhaftenden Rest der Meßlösung erfolgen kann, sinkt die Anzeige vom oberen Eichpunkt und erreicht schließlich ein Minimum in unmittelbarer Nähe des Nullwertes.

Für verschiedene Anwendungszwecke kann der Minimumwert der Anzeige der Meßvorrichtung unmittelbar mit dem Nullwert gleichgesetzt werden. Bei

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Ansprüchen höherer Genauigkeit ist für die entsprechende Elektrode zuerst eine herkömmliche Zweipunkteichung mit zwei Flüssigkeiten von entsprechendem Gaspartialdruck durchzuführen, wobei die eine Flüssigkeit den echten Nullwert des Gaspartialdi ucks verwirklicht Aus dem Unterschied zwischen dem in der herkömmlichen Eichung ermittelten Nullwert und dem durch Flüssigkeits-Gaseichung erzielten annähernden Nullwert ergibt sich eine Korrekturgröße, z. B. 10 Torr, die bei den späteren Eichverfahren jeweils berücksichtigt werden kann. Da derartige Elektroden und Sensoren während des Gebrauchs mehrfach und in manchen Fällen vor jeder Messung nachgeeicht werden müssen, ergibt sich für das Flüssigkeits-Gas-Eichverfahren ein wesentlicher technischer Fortschritt

Eine zusätzliche Vereinfachung kann dann erreicht werden, wenn das Eichverfahren für einen PO₂-Sensor oder eine PO₂-Meßeiektrode angewendet werden soll. In diesem Falle wird der Sensor zur Gewinnung des oberen Eichpunktes vorteilhaft in eine luf.äquilibrierte, der Körperflüssigkeit bzw. dem Blut ähnliche Lösung eingetaucht und nach dem Herausnehmen aus der Meßlösung der mit der Meßlösung im Gasaustausch stehenden Luft ausgesetzt. Da der Sauerstoffgehalt der Luft mit 20,9 Vol.-% O₂ als sehr konstant angenommen werden kann, ergibt sich bei der luftäquilibrierten Lösung ein 02-Partialdruck von annähernd 140 Torr, der als oberer Eichpunkt benutzt werden kann.

Nach dem Herausnehmen aus der Meßlösung sinkt die Anzeige der Meßvorrichtung auf den unteren Eichpunkt ab. Dieser wird entweder mit dem Nullwert unmittelbar gleichgesetzt oder als zusätzlicher Korrekturwert wie oben angegeben, beispielsweise mit 10 Torr, ermittelt.

Das angegebene Eichverfahren eignet sich für polarographische Meßelektroden bzw. Sensoren zur subkutanen, transkutanen und zur intravasalen Katheteranwendung.

Bei der PO₂-Messung wird als Meßlösung eine isotone Elektrolytlösung entsprechend dem Flüssigkeitsersatz des Blutes verwendet. Die Anwendung von Ringerlösung bzw. physiologischer Kochsalzlösung erscheint ebenfalls unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Zweckmäßig wird die Meßlösung in sterilen Ampullen abgefüllt geliefert. Nach dem Öffnen der Ampulle ergibt sich trotz einer gewissen Abhängigkeit vom Umgebungsluftdruck keine wesentliche Änderung der PO₂-Konzentration.

Zur Erreichung einer günstigen Langzeitstabilität kann es zweckmäßig sein, die Elektrodenspitze in einer gasdichten, mit Meßlösung gefüllten Kammer zu verpacken und durch eine in die Verpackung eingeschlossene galvanische Zelle mit geringer Betriebsspannung auf einem im Bereich des unteren Eichpunktes liegenden Partialdruck zu halten. Eine solche polarographische Meßelektrode bzw. Sensor zeigt durch den mit Hilfe der galvanischen Zelle über lange Zeit durchgeführten Reststrombetrieb im Gebrauch eine besonders gute Langzeitstabilität und vermeidet unerwünschte Drifterscheinungen. Der Sensor bzw. die Meßelektrode mit der mit Meßlösung gefüllten Kammer wird beim Gebrauch zur Eichung des Nullwertes zunächst an die Meßvorrichtung angeschlossen. Der angezeigte Wert entspricht mit hoher Genauigkeit dem als unteren Eichpunkt benötigten Nullwert. Der obere Eichpunkt wird, wie beschrieben, durch Eintauchen in eine gas- bzw. luftäquilibrierte Lösung gewonnen, nachdem die Meßspitze vorher durch öffnen der Kammer freigelegt

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Da für das angegebene Eichverfahren die Aufzehrung des Meßgases in der aus der Meßlösung herausgenommenen Elektrode wesentlich ist, erscheint es zweckmäßig, daß bei Elektroden mit geringem Eigenverbrauch des zu messenden Gases, beispielsweise bei impulsgettsteien Elektroden, dieser Eigenverbrauch während der Durchführung des Eichverfahrens kurzzeitig, beispielsweise durch Dauerstromschaltung, erhöht wird.

Damit der an der Meßspitze benötigte Flüssigkeitsrest nicht frühzeitig abtrocknet, bevor das Minimum der Anzeige der Meßvorrichtung erreicht wird, erscheint es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, einen Sensor bzw. eine polarographische Meßelektrode so auszubilden, daß im Bereich ihrer Meßspitze mit Membran eine solche geometrische Gestaltung vorgesehen ist, welche die Bildung und Erhaltung eines hinreichenden Flüssigkeitsfilmes ermöglicht. Hierzu können Gitterstrukturen aber auch ein- oder mehrfache Hohlsysteme mit geringem Fassungsvermögen zweckmäßig sein. Vorteilhaft erscheint es, im Bereich der Meßspitze eine einseitig offene Kammer zu bilden, die als Wand- und/oder Bodenfläche die gasdurchlässige Membran enthält.

Durch die Anwendung der Merkmale der Erfindung wird das mehrfach zu wiederholende Eichverfahren für polarographische Meßelektroden und Sensoren, insbesondere bei der PO₂-Messung, erheblich vereinfacht. Das Verfahren eignet sich sowohl für Meßelektroden, bei denen die Membran einen zusätzlichen Elektrolytvorrat abschließt, als auch für solche Ausführungsformen, in denen innere Hohlräume der hydrophilen Membran die Elektrolytfüllung aufnehmen. Die letztgenannte Ausführungsform erscheint besonders im Hinblick auf eine günstige Lagerfähigkeit und auf eine geringe Anzeigeträgheit zweckmäßig.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines für das angegebene Eichverfahren besonders geeigneten Sensors dargestellt.

Ein Sensor 1 enthält eine polarographische Meßelektrode (Kathode) 2, die in einem abgerundeten Glasstift 3 eingeschlossen ist. Der Glasstift 3 liegt in einem als Katheter benutzten Kunststoffschlauch 4. Als Referenzelektrode (Anode) dient eine Drahtwicklung 5 auf dem Glasstift 3. Die Meßspitze einschließlich der Windungen der Referenzelektrode ist durch eine hydrophile Cellophanmembran 6 abgedeckt, welche die erforderliche Elektrolytfüllung aufnimmt. Die Meßelektrode 2 und die Referenzelektrode 5 sind über Lötstellen mit entsprechenden isolierten Ableitdrähten 7,8 verbunden.

Der Glasstift ist in einer erprobten PO₂-Sensorausführung etwa 5 mm lang und 1 mm dick. In ihm ist als Meßelektrode 2 ein etwa 100 μπι dicker Platindraht eingeschmolzen. Die Referenzelektrode 5 wird aus einem ebenfalls etwa ΙΟΟμίη dicken Silberdraht gebildet, der innerhalb der Membran etwa fünf Windungen aufweist. Die Dicke der Membran beträgt etwa 10 bis 25 μηι. Sie ist mit AgCl als Elektrolyt getränkt.

An der Meßspitze befindet sich ein tassenförmiges Ansatzstück 9, welches dazu dient, beim Herausziehen des Sensors einen hinreichenden Flüssigkeitsrest an der Meßspitze aufrecht zu erhalten. Der Bereich der Verpackung mit Elektrolyteinschluß ist durch die gestrichelte Linie 10 angedeutet.

Eine für die Dauerstrombelastung des Sensors im Lagerzustand vorgesehene galvanische Zelle 11 ist in der Zeichnung ebenfalls gestrichelt gezeigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Eichverfahren für einen eine polarographische Meßelektrode und eine Referenzelektrode enthaltenden Sensor zur Partialdruckmessung von Gasen in Körperflüssigkeiten, wobei die Meßelektrode an ihrer Meßspitze eine gasdurchlässige Membran aufweist, und bei dem der Sensor durch Eintauchen der an eine Meßvorrichtung angeschlossenen Elektroden in zwei Medien mit verschiedenen bekannten Partialdrucken in einer Zweipunkteichung geeicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit der Membran in eine mit dem Eichgas äquilibrierte Meßlösung eingetaucht und die befeuchtete Elektrode anschließend so lange der das Eichgas in definierter Konzentration enthaltenden Gasphase ausgesetzt wird, bis bei befeuchteter Elektrode ein Minimum der Anzeige der Meßvorrichtung eintritt

2. Eichverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in eine luftäquilibrierte Lösung eingetaucht und nach dem Herausnehmen aus der Meßlösung der mit der Meßlösung in Gasaustausch stehenden Luft ausgesetzt wird.

3. Eichverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Elektroden mit geringem Eigenverbrauch des zu messenden Gases dieser Eigenverbrauch während der Durchführung des Eichverfahrens kurzzeitig erhöht wird.

4. Sensor für ein Eichverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze mit Membran eine solche geometrische Gestaltung aufweist, welche die Bildung und Erhaltung eines hinreichenden Flüssigkeitsfilms ermöglicht.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Meßspitze eine einseitig offene Kammer gebildet ist, die als Wand- und/oder Bodenfläche die gasdurchlässige Membran enthält.

6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Lagerung verpackte Meßspitze in einen Elektrolytvorrat mit definierter Konzentration des Meßgases eintaucht.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verpackung ein galvanisches Element angeordnet ist, welches einen geringen Dauerstrom zwischen den Elektroden wenigstens während eines Teils der Lagerzeit aufrechterhält.