DE2930074A1

DE2930074A1 - Messvorrichtung fuer die bestimmung des sauerstoffpartialdruckes in fluessigkeiten und gasen

Info

Publication number: DE2930074A1
Application number: DE19792930074
Authority: DE
Inventors: geb.Kardosova Dipl.-Phys. Maria von 3550 Marburg Gülich; J.G. Dr.Dr. Schindler
Original assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG; Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG Apparatebau KG
Current assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1979-07-25
Publication date: 1981-04-16
Also published as: JPS6246827B2; US4486291A; DE2930074C2; GB2054869B; JPS56111458A; FR2462705B1; GB2054869A; FR2462705A1

Description

1979

"4%^m Mein Zeichen: Iol/o74

Dr. Eduard Fresenius, Chemisch-pharmazeutische Industrie KG Apparatebau KG, 638 Bad Homburg v.d.H.

Meßvorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten und Gasen

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2ο. Juli 19 79 -•73- Mein Zeichent Xol/o74

Dr. Eduard Fresenius, Chemisch-pharmazeutische Industrie KG Apparatebau KG, Bad Homburg v.d.H.

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die kontinuierliche Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere im Blut.

Die Messung des Sauerstoffpartialdruckes erfolgt mit Hilfe gassensitiver Elektroden, und zwar durch Bestimmung des Reduktionsstromes, der durch Anlagerung des Sauerstoffes an die Kathode fließt, sobald Kathode und Anode an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und die beiden Elektroden über einen Elektrolyten miteinander in Verbindung stehen. Obwohl der Reaktionsablauf bis heute noch nicht vollständig geklärt ist, darf man annehmen, daß der an die Elektrode gelangende

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Sauerstoff dort durch Anlagerung von Elektronen reduziert wird und oern.'iß nachstehender Gleichung zu 0Η~ umgewandelt wird.

O₂ + 2H₂O + 2e~ H₂O₂ + 20H~

2e

An der Anode wird ein der Elektronenabgabe an der Kathode ; äquivalenter Anteil von Atomen des Anodenmetalls zu Ionen : oxidiert, im Falle einer Silberanode also von Silberatomen zu Silberionen (Ag ). Der dabei fließende Strom ist abhängig von der Zahl der die Kathodenoberfläche erreichenden Sauerstoffr"olel:.üle. Ist die Spannung zwischen Anode und Kathode groß genug, um sämtliche an die Kathode gelangenden Sauorstoffmoleküle zu reduzieren, dann wird innerhalb des Plateaus des Polarogramms auch eine Spannungserhöhung keine Vergrößerung des gemessenen Stromes herbeiführen. D.h., der Stromfluß ist dann unabhängig von der angelegten Spannung und wird nur noch durch die Anzahl dor an die Kathode gelangenden Sauerstoffmoleküle bestimmt. Man arbeitet im Grenzstrombereich, und der sogenannte Reduktionsgrenzstrom liefert ein Maß für den in der Koßlösung vorhandenen Sauerstoff partialdruck.

Tür die Durchführung der Messung des Sauerstoffpartialdruckes verwendet man bisher bevorzugt Meßeinrichtungen mit

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glasummantelten Kathoden aus Platin oder anderen JMeI-iuc-Ldll«.;n_# 'lie von der fleßkamineir, in <ler !..ich mu¹ f.u untf ι-suchende Probe befindet, durch eine für Ionen undurchlässige, aber für Sauerstoff durchlässige Membran von dem "■■ Elektrodensystem getrennt ist. Der eigentliche ließ fühler ;.. enthält also z.B. eine mit Glas ummantelte Platinelektrode, deren Spitze an der Stirnfläche des Glasmantels freiliegt. Als Anode wird häufig eine Silberelehtrode verwendet, die zur Erhöhung der Meßwertstabilität mit einer Silhorchloridschicht überzogen sein kann. Anode und Kathodensr>it-2f sind von einer Elektrolytlösung, in der Regel einer o,2 riKCl-Lösung, umgeben.

Die beschriebene Trennung von Meßprobe und Meßfühler hat die Aufgabe, Veränderungen der Elektroden durch Niederschläge, z.B. durch reduzierende und oxidierende Substanzen aus der MeBPrObS₇vorzubeugen. Die Präzision der Messung wird jedoch auch noch durch eine beobachtete Inkonstanz des Meßfühlers selbst beeinflußt. Untersuchungen halm erwiesen, daß die Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes durch Messung des Stromflusses zwischen Kathode und Anode durch einen überlagerten anodischen Grundstrom verfälscht wird, der zu einem hohen Anteil durch eine Wanderung von Ionen des Anodenmaterials, also z.B. Silberionen, an die Kathode entsteht. Diese sogenannte Silberionendrift findet auch dann statt, wenn die Anode bereits mit einer Silberchloridschicht überzogen ist, da erfahrungsgemäß ein solcher überzug immer Lücken auf v/eist, durch die 13 über ionen hindurchtreten können. Wie man durch

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mikroskopische Betrachtung der Kathodenoberfläche feststellt, kann bei den bisher bekannten Meßfühlern eine durch die Wanderung der Silberionen bedingte, zunehmende Verunreinigung der Kathodenoberfläche nicht verhindert werden. Diese Veränderung der Kathodenoberfläche stellt aber eine wesentliche Ursache für die Meßwertinstabilität des Meßfühlers und eine Fehlerquelle für die Feststellung des Sauerstoffpartialdruckes dar.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Meßvorrichtung für eine kontinuierliche Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere im Blut, zu schaffen, deren Mefiwertstabilitlt gegenüber den bekannten Meßvorrichtungen verbessert ist, so daß die Meßvorrichtung auch über einen längeren Betriebszeitraum ohne eine die Messung unterbrechende Reinigung der Kathode verwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Meßvorrichtung, die eine die zu messende Substanz enthaltende Meßkanner umfaßt, die über eine flüssigkeitsdichte und ionenundurchlässige, aber sauerstoffdurchlässige Membran mit dem Gehäuse eines Meßfühlers verbunden ist, der eine gegebenenfalls mit Glas ummantelte Kathode und eine gegebenenfalls mit einer Silberchloridschicht überzogene Anode umfaßt, die in einen Elektrolyten eintauchen, dadurch erreicht, daß zwischen die Anode und die Kathode eine Sperr-

1 ίο au /oe ι· ^oWGlN"

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schicht aus einer für Ionen des Anocenrcaterials undurchlässigen Substanz eingebracht ist.

Durch Vermeidung einer Anlagerung der von der /..node in den Ionenzustand übergegangenen und im Elektrolyt gelösten Ionen an der Kathodenober flache l"-ft sich der Sauerstoffpartialdruck fehlerfrei als Funktion der gemessenen Stromstärke angeben. Die Langzeit-Heßwertstabilität der Anordnung ist um ein Vielfaches r-.rhöht. Man hat experimentell etwa der Faktor Io 1 is Ire festgestellt. Daher wird es jetzt möglich, mit Hilfe der beschriebenen ileßeinrichtung auch Versuchs- wad ileßreihen durchzufuhren, die über längere Zeiti-c'ui.o laufen, ohne die Untersuchungen durch wiederholten .Ausbau der Meßvorrichtung für eine Reinigung der Γ at! eternit anschließender neubestimmung der apparativen Konstanten unterbrechen oder evtl. sogar abbrechen zu iimscen. Infolge der jetzt creschaf fenen Vorausset zünden für Langzeitmessungen werden völlig neue Anwenouncfsrrcbiete für die beschriebene Meßmethode eröffnet. Iicrzu sei lediglich auf den möglichen Einsatz der lleßeinrichtungen in den menschlichen Körner in Forn von Γοη-den zur Bestimmung und Überwachung des Sauerstoffj-'artial-

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jii iiiiii.jev'i>-ii3eii, oder auf eine Verwendung der Meßeinrichtung als Monitor bei Langzeitbeobachtungen, wie künstlicher Beatmung, Überwachung enzymatischer Prozer.se, z.B. Glukoseumsatz, überwachung der Sauerstoffzufuhr bei Verbrennungsprozessen, sowie bei der Zellkultur.

Gemäß vorzugsveiser Ausbildungen der Erfindung wird zur Vermeidung einer Abwanderung von Ionen des Anodenmaterials an die Kathode die Sperrschicht aus kationenabstoßenden Substanzen, nämlich organischen oder anorganischen Anionenaustauschern, ferner Kationenaustauschern, amphoteren Ionenaustauschern, Ionen des Anodenmaterials selektivbindenden Substanzen, Substanzen mit Komplexbildungseigenschaften, und zwar mit ungeladenen und/oder geladenen Atomgruppen (Liganden) und einer Komplexbindung an Anion(en) und/oder Kation(en) gewählt.

Alle aktiven Komponenten können matrixgebunden, beispielsweise durch Polymerbindung immobilisiert sein.

Irr. folgenden werden einige solcher Substanzer, angeführt, die sich für eine Herstellung der erfindungseemäßen Sperrschicht als geeignet erwiesen haben. Diese Aufstellung läßt sich jedoch von jedem auf diesem Gebiete arbeitenden

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Fachmann ohne weiteres ergänzen.

Unter den organischen Ionenaustauschern werden als Anionenaustauscher vorzugsweise Kunstharze, aliphatische und/oder aromatische, primäre, sekundäre und tertiäre ^: " Amine und/oder quarternäre Ammoniumbasen, die in Wasser unlöslich, aber in mit Wasser nicht mischbaren, orga- : nischen Lösungsmitteln löslich sind, verwendet. Es ha- * ben sich aber auch sogenannte Schlangenkäfig-Polyelektrolyte und Anionenaustauscher vom Pyridintyp bewährt. Als flüssige Anionenaustauscher werden beispielshalber genannt :

Tri-n-octylamin (TnOA)

Tri-iso-octylamin (TiOA)

Tri-2-äthylhexylamin

Tribenzylamin (TBA)

Didecylamin

Methyldioctylamin

Methyldidecylamin

Tridodecylamin

Tributylamin
Nachstehende Amingemische sind im Handel erhältlich:

Trialkylmethylamin (homologe Mischung mit

je 18 bis 24 C-Atomen, Primene JM)

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2"⁹ 3 Q 07 4

N-Dodocenyl-N-trialkyl-methyl nmin (Mischung mit je 24 bis 27 C-Atomen,

Amberlite LA-I)

N-Lauryl-N-trialkyl-methylamin (Amberlite LA-2)

Ν,Ν-Didodecenyl-N-n-butylamin (Amberlite XE-2o4)

Tri-caprylamin (Alaraine 336) Trioctylmethylammoniumchlorid (Aliquat 336 S, Adogen 464) Dimethyldistearylammoniumchlorid

Unter den geeigneten Kationenaustauschern unterscheidet man abhängig von den matrixgebundenen Festionen schwachsaure (z.B. Carboxylgruppen) und starksaure (z.B. Sulfonsäuregruppen). Dabei kann die Matrix beispielsweise auf der Basis von Polystyrol oder Acrylsäure bzw. Methacrylsäure bestehen. Heute werden aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit Polymerisationsharze bevorzugt.

Zum Aufbau von gegenüber Schwermetallionen wirksamen Sperrschichten seien aus der Reihe der amphoteren Substanzen beispielhalber -N(CH₂ - COOH)₂ und HO₃S-MatrIx-N⁺ (CH₃)₃ genannt, die ebenfalls matrixgebunden Anwendung finden.

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Als kationenselektive Komponenten in den Sperrschichten kommen solche Substanzen in Frage, die eine hohe Selektivitätskonstante und/oder Stabilitätskonstante für Ionen des Anodenmaterials haben, also als Komplexbildner, beispielsweise in einer Membran fungieren. Die Liganden können geladen, und/oder neutral und ein- und/oder mehrzähnig sein. Ge- I ladene wie ungeladene Liganden können kationen- und/oder anionenselektiv wirken. Als Beispiel für geladene Liganden sind unter den flüssigen Anionenaustauschern Trioctylmethylammoniumchlorid und. Dimethyldistearylammioniumchloriä, unter den Carrier-Antibiotika die kationenselektiven, monobasischen Säuren Nigericin, Monensin, Grisorixin, X-537A und das Ca-SaIz der Didecylphosphorsäure in Dioctylphenylphosphat, zu nennen. Geeignete neutrale Liganden sind die monocyclisehen Coronanden, oligocyclischen Cryptanden, polycyclischen Cryptanden und offenkettigen Podanden.

Zu den monocyclischen Coronanden sei als Beispiel auf den sogenannten Kronenäther Perhydrodibenzo J18jkrone-6 hingewiesen.

Als Cryptanden seien lediglich beispielhalber Kryptofix @ 222, 4,7,13,16,21,24-Hexaoxa-l,lo-diazabicyclo-[δ,8, δ]-hexacosan, und Kryptofix HU 221, 4,7,13,16,21-Pentaoxa-l, lo-diazabicyclo- j8,8,5j-tricosan, angeführt. Beide Cryptanden sind sowohl in Wasser als auch in vielen organischen

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!.'■raini-rni.ii Ltoln lüslic^ri. Kb empfiehlt Rich llirr· niomirnnöse Verankerung an einem polymeren Träger. Die Stabilitätskonstanten für Ag wurden für Kryptat 221 in Wasser zu lo,C und für Kryptat 222 zu 9,6 bestimmt (siehe hierzu Dietrich, B., Lehn J.M. und Sauvage, J.-P.: Chemie in unserer Zeit, 7, (1973), 12o). Generell gilt al er für silnt liehe Liaanden, daß bei zu geringen Selektivitätskonstanten und/oder Stabilitätskonstanten zwischen Ar- und Γ durch Verwendung eines anderen Innenelektrolyten aus der Alkalinetallionenreihe einschließlich ITII . eine höhere 'merempfindlichkeit, z.B. Ag gegen ila und Li erzielt werden kann.

7ms der Literatur kann der Fachmann zahlreiche geeignete offenkcttige Podanden, Cryptanden und Coronanden, ferner Carrier-Antibiotika entnehmen. Es ist unmöglich, die nCglichen Beispiele erschöpfend aufzuzählen. Doch seien zu den Ag - komplexierenden Carrier-Antibiotika die makrocyclischen neutralen Moleküle wie Valinomycin, Konactin und andere liakrotetrolide und die monobasischen Säuren wie Kigericin, Ilonensin, Grisorixin, X-537A, Polyetherin A, hervorgehoben.

Hierzu sei noch auf eine Publikation von Metz, B., Rosalky, J.Ά., Weiss, R.: J.C.S. Chera.Comm. (1976), 533, hingewiesen, in der ein neutraler anionenselektiver Typ eines

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Λ ,

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makrotricyclischen Liganden genannt ist.

Neutrale Liganden können Sauerstoff atome und/oder Stickstoffatome und/oder Schwefelatome und/oder ccaol-er.·'r>^irallf: auch andere Ligandgruppierungen als 1'oordina.ticnsstellen auf v/eisen. Ein selektiveres Bindungsvemögen gegenüber Schwermetallen wie Ag bei gleichzeitig ausgeprägter Diskriminierung von Alkalimetallionen kann bei durch Schwefel und/oder Stickstoff ersetzten ilthersauersto^fatomen in Kroncniitherringon erzwungen wordrn. Analoar:; gilt für andere neutrale Komplexbildner vor;¹ Ty; dor Cryptanden und Podanden. Lrwäunensv/urt sino noch uic sngenannten Glymes, das sind Oliqonlykoldirnethyl." tii.r v<·.. Typ CII^O - (CH₉CH₀O) - CI· Dir.se Verbindungen hai rn eine hohe Anzahl von Koordinationsstellcn. nic.r; ll'Ft -au, sie als offenkettige Kronenäthr?ranplog_t» aufzufarssen. ^T"ür sämtliche der genannten Korr.plexbildner gilt, daß sie polymergebunden werden können und daß ihre Wasserunlöslichkeit, sofern sie hydrophil sind, über einen lipophilen Rest oder durch Polymerbindung zu erzwingen ist.

Als Komplexbildner seien noch genannt:

Coronanden, z.B. Kronenäther, Ilehrfach-Kronenäther mit multipler Selektivität, auch in immobilisierter Form, z.B.

polymergebunden.

Anstelle einer Verwendung von lipophilen Komplex}.ildnern (Liganden) in immobilisierter Form können sie in einer

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lipophilen Membranphaae, bestehend aus polymerer Matrix, z.B. pvc, WeichmacherzusätJeen, i.B. Triß(2-ethy^.hexyl)-phosphat, Dinonyiphthalat und den lipophilen Liganden Anwendung finden.

Podanden: Krakenmoleküle und andere offenkettige

Komplexbildner (Liganden), wie z.B. vom Typ der Dioxakorksäure- und Dioxaazelainsäurediamide sowie Polyäthylenglycole, auch in immobilisierter Form, z.B. polymergebunden

Kryptanden: Kryptate, auch im immobilisierter

Form, z.B. polymergebunden

Carrier-Antibiotika: cyclisch und/oder acyclisch, auch in immobilisierter Form, z.B. polymergebunden.

Andere Möglichkeiten sehen die Verwendung von Weichmachern, z.B. Tris(2-ethylhexyl)-phosphat,Dinonyiphthalat in polymerer Ilatrix, z.B. PVC, Kohle-Ionenaustauschern, anorganischen Ionenaustauschern, u.a. der Heteropolysäuren, wie z.B. Ammonium-12-molybdoarsenat und/oder Ammonium-12-wolframatophosphat sowie polymere Ionenaustauscher vor. Als Ionenaustauscher können auch durch Polymerisation hergestellte Stoffe eingesetzt werden. Hierau wird angeführt: a) Polyacrylsäure / DVB, höher vernetzt, schwach sauer mit Carboxylgruppen (z.B. vom Typ des Permutit C-67 M*J ).

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b) Redox-Harze, an deren I-Iatrix ein reversibles Pec'.oxsystem kovalent gebunden ist. So v:ird beispielnvo.n Silber mit einem aas i\ntrachinonsyr;tera enthalten -en Hedo.charz aus seinen Salzlösungen abcjeKobicdor..

c) Handelsüblicher Anionenaustauscher auf Polv.^tyrol-1 asis Oowex 1 Qy .

. für Ionen des AnoHpnnatprini :·

Her Klinj i>nt.i

7,.^r.\. nn !'o'ilr, oder die
Ko'.iplexbildners dienen, der durch dan SchverH<:talli/:'n in einen löslichen oder unlöslichen IOmple:. üL^rgef·"! rt wird, für Vielehen eine unspezifische oder selehtiv-.r ilembran irapemeabel ist. Eine andere JT.glichxr.it nicht vor, daß ein lösliches Anion mit dein Cchv.

(z.B. 7-g ) ein v/asserunlösliches Salz (liicclcrpch Fällungsreal'.tion) bildet. So bildet das lösliche TVnior, Cl mit Ag ein schwerlösliches Salz, das für eine; "er.ibran schlecht pemeabel ist, ζ.Γ. fi'r einn Cclatinoschicht oder eine Gelschicht. Ferner hüiincn verschio-^cv;e Stoffe in Ionenaustauscher durch chemische Behandlung verv/andelt v;erden. Hierfür sind Papier, Baunv/olle, Pehtin, Tannin und Lignin beispielsweise bekannt.

So entsteht beim Lignin durch Einwirkung von Schwefelsäure Ligninsäure mit bekannteöftaßen ionenaustauschenden

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Eigenschaften, die beispielsweise in Verbindung mit Kunstharzen als Kunstharz-Ionenaustauscher genutzt werden können.

In der Regel wird man vorzugsweise die erfindungsgemäße Sperrschicht unmittelbar auf die mit dem Elektrolyten in Berührung kommende Oberfläche der Anode aufbringen, wobei gegebenenfalls diese bereits einen überzug aus Silberchlorid aufweisen kann. Liegt die als Sperrschicht in Frage kommende Substanz bei Raumtemperatur in fester oder zähflüssiger Konsistenz vor, dann kann man vorzugsweise die Substanz, gelöst in einem organischen Lösungsmittel, in flüssiger Form auf die Elektrode aufstreichen oder aufsprühen und diesen Vorgang nach erfolgter Trocknung gegebenenfalls mehrfach wiederholen, bis eine Schichtdicke von etwa o,l bis Io mm, vorzugsweise von o,5 mm bis o,7 mm, vorliegt. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, die als Sperrschicht geeignete Substanz auch dann, wenn sie bei Raumtemperatur fest ist, mit einem Polymer zu vermischen, oder sie in flüssigem Zustand mit diesem zusammenzubringen, um ein ionenselektives Polymer herzustellen. Der Vorteil eines solchen Vorgehens ist darin zu sehen, daß hierdurch eine ln>rjondora <Hchte, stabil· und dauerhafte Sperrschicht

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mit besonders guter Haftfähigkeit erzielt wird. Geeignete Ionenaustauscher und Komplexbildner lassen sich auch durch Polymerisation selbst herstellen.

Ist die als Sperrschicht dienende Substanz bei Raumtemperatur flüssig/ so empfiehlt sich eine Verbindung mit einem Polymer oder eine Incorporation in eine polymere Matrix.

So kann die Sperrschicht auch mit Hilfe eines mit der für vAnodenmaterials,

Ionen des ^v undurchlässigen Substanz getränkten Trägermaterials, z.B. poröses Material, Filze, Schaumstoff und dgl. zwischen die Anode und die Kathode eingebracht sein. Sie kann aber auch als Membran zwischen den beiden Elektroden angeordnet sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der Sperrschicht besteht darin, sie auf der aus dem Glasmantel hervorragenden Spitze der Kathode aufzubringen. Hierbei kann sie auch mit einer den Glasmantel umgebenden Isolierstoffhülse verbunden sein.

Die erfindungsgemäße Elektrode kann als Tauchelektrode oder als Katheterelektrode oder als Durchflußelektrode oder als Einstichelektrode ausgebildet sein. Sie kann aber auch als Sekundärelektrode bei vorgeschalteter Enzymmem-

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bran, z.T.. zur Bestimmung von Glukose, verwendet \renUm.

Kinzellieiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend beschriebenen Versuchen. Die Versuche wurden un- - ter Verwendung von Meßvorrichtungen durchgeführt, die in dor Zeichnung wiedergegeben und in der nachstehenden Be- '....:.

Schreibung erläutert sind. Grundsätzlich ist es aber vor- ;

gesehen, die Erfindung bei Meßanordnungen oder Meßfühlern . auch anderer Konstruktionen zu verwenden, mit dem gemein- . —. samen lierkmal, daß der Elektrolytraum, der die Anode und die Kathode enthält, durch eine ionenundurchlässige, aber sauerstoffdurchlässige Membran gegenüber dem Meßmedium abgeschlossen ist.

In den voranstehenden Erläuterungen der Erfindung wurde bevorzugt auf die Kombination von Silberanode und Platinkathode Bezug genommen. Auch bei den nachstehend beschriebenen Versuchen wurde diese Elektrodenkombination als typisches Beispiel verwendet. Sinngemäß erfüllt die erfindungsgemäße Sperrschicht aber den gleichen Zweck auch bei anderen Kombinationen von Anoden- und Kathodenmaterialien.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Meßfühler, dessen Anode mit der erfindungsgemäßen Sperrschicht überzogen ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Meßfühler, dessen Elektroden durch eine im Zwischenraum der Elektroden angeordnete Sperrschicht voneinander getrennt sind.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Meßfühler/ in dem zwischen den Vridrr. ricktroclor r>it r.inor

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verschlossene Scheibe vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Elektrode, bei der die Meßkammer zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen ist. Uie Flektrodennpilze ist mit einer scheibenförmigen iiembran versehen, die den Ionenaustauschzusatz enthält.

Der in Fig. 1 im Schnitt wiedergegebene Meßfühler weist einen Stecker 1 auf, der an einem Elektrodenkopf 2 befestigt ist. Mit dem Elektrodenkopf ist der Elektrodenhalter 6 aus Isolierstoff für die Elektrodenanordnung verbunden. Die Elektrodenanordnung besteht aus der Platinkathode 12 und der Silberanode 7. Die Platinkathode 12 ist zusammen mit ihrer ebenfalls aus Platin bestehenden Zuleitung 4 in einen etwa 1 mm dicken Glasmantel 8 eingeschmolzen. Der Glasmantel 8 ist seinerseits von einer Isolierstoffhülse 23 und von der Silberanode 7 umgeben, jedoch ragt sein vorderes Ende frei aus der Anode 7 heraus. Die Spitze der Platinkathode 12, die vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 15 ,um hat, ist an der Stirnfläche des Glasmantels 8 frei zugänglich. Die Zuleitungsdrähte 3 und 4 sind mit dem Stecker 1 verbunden.

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Zur Aufbringung der erfindungsgemäßen Sperrschicht wurde die Anode mehrfach mit einer Lösung aus 9 ml 15 Gew.% Polyvinylchlorid in Cyclohexanon und 1,5 ml Trioctylmethylammoniumchlorid beschichtet und jeweils etwa fünf Stunden bei Raumtemperatur getrocknet, bis schließlich nach zwei- bis fünfmaligem Auftragen eine Gesamtschichtdicke von etwa o,5 mm - o,7 mm vorlag.

Für einen zweiten Meßfühler wurde die gleichgestaltete Silberelektrode mit einem Lösungsgemisch aus Io ml 15 Gew.% Polyvinylchlorid in Cyclohexanon und 1 ml Dimethyldistearyl ammoniumchlorid bestrichen. Dieser Vorgang wurde nach mehrstündigem Trocknen bei Raumtemperatur etwa fünf mal wiederholt, bis eine Gesamtschichtdicke von 1 ma entstand.

Nach Einbau der Platinkathode 12 und der Silberelektrode 7 in das Elektrodengehäuse, gebildet aus Stecker 1, Elektrodenkopf 2 und Elektrodenhalter 6, kann der Meßfühler fertiggestellt werden. Eine zylindrische Hülse aus Polytetrafluoräthylen ist bis zum Anschlag an dem Halter 6 über die Elektrodenanordnung 7, 12 geschoben. Der Innenraum 11 der Hülse Io stellt den Elektrolytraum der Meßzelle dar, der mit einer ungepufferten o,l bis o,2 M^Cl-Lösung als Elektrolyt gefüllt ist. Auf die Stirnwand der Hülse Io ist eine Membran 16 aus Polytetrafluoräthylen dichtend aufgeschweißt. Die Membran 16 hat vor-

zugsweise eine Dicke von etwa 12 ,um. Die Länge der Hülse Io ist so gewählt, daß die Membran 16 an der Stirnfläche dor Platinkathode 12 anliegt, wobei zwischen Kathode und Membran jedoch ein Elektrolytfilm bestehen bleibt.

Auf die Hülse Io ist ein Meßkammergehäuse 9 aufgeschoben. Es besteht vorzugsweise aus Acrylglas und ist mit einen Flansch versehen, so daß der ganze Aufbau mittels einer auf den Elektrodenkopf 2 aufgeschraubten überwurfmutter 5 zusammengehalten werden kann. Im Me Rkamner gehäuse. 9 ist eine Meßkammer 15 ausgebildet, deren eine Uanc offer ist und im zusammengebauten Zustand durch die Ilen! ran 16 gebildet wird. Die Meßkammer 15 ist mit Zu- und /'

13 und 14 versehen und hat ein Volumen von etwa 1 ,ul.

Der in Fig. 2 gezeigte Meßfühler ist entsprechend den Meßfühler nach Fig. 1 aufgebaut. Anstelle der Schicht 17 auf der Oberfläche der Anode befindet sich bier eine Sperrschicht 18 im Zwischenraum der Elektroden und bildet dort eine für Silberionen undurchlässige Barriere. Dio P^errschicht IC ist beispielsweise aus einem von einer scl-.ranrartigen, polymeren Matrix auf genommenen flüssigen .r.r: ionenaustauscher der vorstehend genannten Art gebildet. Γ-ir Sperrschicht grorzt dabei richtend nn oon ^leH

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und an die Außenwandflache des Glasmantels C oder eier ihn umaebenden Isolierstoff hülse 23 an. _:

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausbildung des erfindungsgemäßen Meßfühlers ist die nit dem Elektrolyten ge- I füllte Meßzelle von einer Zwischenwand 2o, die beispielsweise aus Kunststoff besteht, unterbrochen. In dieser Wand Lefindet sich eine öffnung, die mit einer "'eifbran 21 verschlossen ist. Diese Membran 21 besteht aus einem in eine polymere Ilatrix eingebrachten Ionenaustauscher. Die Zwischenwand 2o und die Membran 21 sind somit für die von der Anode in LÖEunr gegangenen Silberionen undurchlässig.

In Fig. 4 ist die Sperrschicht in Form eines Scheihcnßnr. 19 unmittelbar auf die von dem Glasmantel P umgebene Spitze der Platinelektrode 12 aufgebracht. Der Durchmesser dieses Scheibchens 19 kann dem der Platinelektrode 12 oder dem Außendurcbmesser des Glasmantels B entsprechen, oder üler diesen noch hinausragen und mit der den Glasmantel umgebenden Isolierstoffhülse 23 verbunden sein. Das Scheibchen 19 besteht aus einem Polymer mit Ionenaustauscbzusatz. I.'s kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man einen porösen Träger in eine Lösung eines 1 ei Zimmertemperatur aushärtenden Ionenaustauschers eintaucht und/oder daß man Polymer und Ionenaustauscher

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unmittelbar auf die Elektrodenspitze aufbringt.

Die Anode ist mit einer Silberchloridschicht 22 überzogen. Es soll bereits hier darauf hingewiesen v/erden, daß das Einbringen einer Sperrschicht 17 oder einer Membran 18,21 oder einer Sperrschicht in Form eines die Elektrodenspitze abdeckenden Scheibchens 19 die Meßwerte bei der Sauerstoffpartialdruckbestimraung nicht ändert. Lediglich bei flächenhaftetn Aufbringer der Sperrschicht auf die Kathodenoberfläche kann eine Verzögerung der Sauerstoffdiffusion eintreten. Durc' diese werden aber die Meßendwerte nicht verändert.

Nachstehend werden fünf Versuchsreihen beschreiben, die mit grundsätzlich übereinstimmenden Meßfühlern durchgeführt werden, deren Konstruktion in Fig. 1 gezeigt ist. Versuch 1;

Die Anode ist nicht mit einer Silberchloridschicht versehen, und es befindet sich auch keine erfindungsaerrüße Sperrschicht zwischen Anode und Kathode. Versuch 2:

Der Meßfühler hat eine mit Silberchloridschicht beschichtete Anode. Eine Sperrschicht aus einem Anionenaustauscher fehlt.
Versuch 3;

Eine Anionenaustauscherschicht 17 ist unmittelbar auf

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die Anode 7 aufgebracht. Diese Sperrschicht hat, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits beschrieben, eine Gesamtschichtdicke von ca. o,5 mm - o,7 mm, gebildet aus einer Lösung, enthaltend 9 ml 15 Gew.% Polyvinylchlorid in Cyclohexanon und 1,5 ml Trioctylmethylammoniumchlorid.
Versuch 4:

Eine Anioneraustauscherschicht 17 ist auf eine mit AgCl beschichtete Silberanode aufgebracht.

Die Versuchsbedingungen stimmen bei den vier Versuchsreihen überein.

Die Kathode des Meßfühlers besteht aus einem ca. 15 ,um starken Platindraht. Als Elektrolyt ist eine Kaliumchloridlösung von o,l ."iol/1 - 1 Mol/l gewählt.

Bei Versuch 1 zeigt es sich, daß die Nullstromwerte rapid ansteigen, so daß der Meßfühler bereits nach drei Tagen als unbrauchbar verworfen werden muß.

Bei Versuch 2, nämlich mit einem Meßfühler mit einer mit Silberchlorid beschichteten Anode, wird ein stetiger Anstieg des Meßwertes in Höhe von ca. o,o3 nA täglich fest-

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gestellt. Der Meßfühler muß daher nach vier Wochen wegen eines zu hohen Kullstromes und eines deutlichen Stabilitätsverlustes als unbrauchbar bezeichnet v:erden.

Versuch 5:

Mit den beiden zuletzt beschriebenen Meßfühlern gomr'ß Versuch 3 und 4 werden Dauerversuche zur nostinmunrr des Sauerstof fpartialdruckes bei mit T-Jassorclamrf gesättigter Atmosphäre durchgeführt. Dabei v/erden 6o ml Luft pro Stunde durch die Meßkaramern gesaugt. Din ITeR-ergebnisse bleiben bei der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung innerhalb eines Fehlerbereiches von - o,ol vJ reproduzierbar. Die Dauerversuche wurden nach drei Ilonaten beendet, ohne daß Alterungserscheinungen der Ileßfühler erkennbar waren.

Die Kathodenoberfläche zeigt nach dieser Betriebsdauer bei mikroskopischer Untersuchung keine Veränderung.

Die Ileßergebnisse, die bei Verwendung eines ließ fühl ers mit einer nur mit Silberchloridschicht beschichteten Anode erzielt werden, zeigen jedoch in der gleichen Seit Wertveränderungen von ca. loo%. Es wird ein starker Anstieg des Meßstromes bei erhöhtem Nullstrom festgestellt; der I'eßfühler kann eine zunehmende Instabilität aufweisen,

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Es sei noch erwähnt, ciaß bei Umstellung der Meßneber von reinen Stickstoff auf reinen Sauerstoff bei der erfindungsgemäßen Elektrode bis zur Erreichung von 99,8 % des Endwertes etwa Io bis 15 see. ausreichen.

Die Versuchsergebnisse erweisen, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Elektrode eine gleichbleibende Stabilität über einen langen Betriebszeitraum erreicht wird, itit anderen Worten, es wird effektiv eine erhebliche Erhöhung der Nutzungsdauer erreicht.

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Claims

2o. Juli 1979

Mein Zeichen: Iol/o74

Patentansprüche

1.) Meß vorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere im Blut, mit einer die zu messende Substanz enthaltenden Meßkammer, die über eine flüssiglreitsdichte und ionenundurchlässige, aber sauerstoffdurchlässige Membran mit dem Gehäuse eines Meßfühlers verbunden 1st, der eine gegebenenfalls mit Glas ummantelte Kathode und eine gegebenenfalls mit einer Silberchloridschicht überzogene Anode umfaßt, die in einen Elektrolyten eintauchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anode (7) und Kathode (12) eine Sperrschicht (17, 18, 19, 21) aus einer für Ionen des Anodenmaterials undurchlässigen Substanz eingebracht ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (17) auf die Oberfläche der gegebenenfalls mit einer Silberchloridschicht (22) überzogenen Anode (7) aufgebracht ist.

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3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Sperrschicht dienende Substanz als Membran (21) zwischen den Elektroden (7,12) angeordnet ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (19) auf die von dem Glasmantel (8) umgebene Spitze der Kathode (12) aufgebracht ist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht mit einer den Glasmantel (8) umgebenden Isolierstoff hülse (23) verbunden ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Komponente der für Ionen des Anodenmaterials undurchlässigen Sperrschicht bei Zimmertemperatur von flüssiger Konsistenz ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanz zum Aufbau einer Sperrschicht in Verbindung

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mit einem bei Rauntemperatur festen Polymer verwendet ist, wobei sie gegebenenfalls in einem Lösungsmittel gelöst in eine polymere Ilatrix eingebracht ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht mit Hilfe eines mit der für Ionen des Anodenmaterials undurchlässigen Substanz getränkten Trägermaterials (18) (z.B. poröses Material, Filze, Schaumstoff und dgl.) zwischen die Anode (7) und die Kathode (12) eingebracht ist.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (7) gegebenenfalls nach Eeschichtuncr mit Silberchlorid (22), mit der für den Auflau ein^r Sperrschicht dienenden, bei Raumtemperatur in flüssigem oder zähflüssigem Zustand vorliegenden Substanz bis zur Erreichung einer Schichtdiel'e von o,ol hip Io mr.\, vorzugsweise von o,5 bis o,7 ram, ein- oder mehrfach derart beschichtet ist, so daß sie vollständig von dem Elektrolyten abgeschirmt int.

Io. rießvorrichtung nach einem der vorhergehenden ?r\-

-A-

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Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanz ein organischer Ionenaustauscher verwendet wird.

11. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für Ionen des Anodenrnaterials undurchlässige Substanz durch einen Anionenaustauscher gebildet ist.

12. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anionenaustauscher Kunstharze, aliphatlsche und/oder aromatische, primäre, sekundäre und tertiäre Amine und/oder quarternäre Amoioniumbasen verwendet sind, die in Wasser unlöslich, aber in mit Wasser nicht mischbaren, organischen Lösungsmitteln löslich sind.

13. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionenaustauscher sogenannte Schlangenkäfigpolyelektrolyte verwendet sind.

14. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden An-

110 011/1011 _0R1GINAL ,,Spected

Sprüche, dadurch gekennzeichnet, ^:" daß Anionenaustauscher vom Pyridintyp verwendet sind.

15. iießvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anionenaustauscher

Tri-n-octylamin (TnOA)

Tri-iso-octylamin (TiOA)

Tri-2-äthylhexylarain

Tribenzylamin (TBA)

Didecylamin

Methyldioctylamin

Methyldidecylamin

Tridodecylamin

Tributylamin

Trialkylmothylamin (homologe Mischung

mit je 18 bis 24~C-Atonien, Printern· Jn)

N-Dodecenyl-N-trialkyl-methylniTij.n (ni.nchung

mit je 24 bis 27 C-Atomen, Ainberlito LA-I)

N-Lauryl-N-trialkyl-methylamin (/iniberlite

LA-2)

N,N-Didodecenyl-K-n-butylamin (Amberlite

XE-2o4)

Tri-caprylamin (Alamine 336)

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Trioctylmethylammoniumchlorid (Aliquat 336 S, Adogen 464)
Dimethyldistearylammoniumchlorid verwendet sind.

16. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanzen Kationenaustauscher Verwendung finden.

17. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanzen amphotere, gegebenenfalls matrixgebundene Ionenaustauscher, beispielsweise -N (CH- - COOH)₂* HO₃S-Matrix - N⁺(CH₃J₃, Verwendung finden.

18. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanzen kationenselektive Verbindungen verwendet sind.

19. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als kationenselektive Verbindung das Ca-SaIz der

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- ORIGINAL INSPECTED

«. 7 _M

Didecylphosphorsäure, gelöst in Dioctylphenylphosphonat verwendet ist.

20. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanzen mit Schwermetallionen Metallkomplexe bildende Verbindungen verwendet sind.

21. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Liganden geladen und/oder neutral sein können.

22. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neutrale Komplexbildner (Liganden) mit Sauerstoffatomen und/oder Stickstoffatomen und/oder Schwefelatomen und/oder gegebenenfalls auch anderen Lic-rardgruppierungen als Koordinationsstellen verv/endot werden.

23. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Liganden ein- oder mehrzähnig sind.

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24. Heftvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansrrilchr, <1 a d u r σ h g e }i c η η ζ e | c h η e £,

daß die geladenen und/oder ungeladenen Liganden kationen- und/oder anlonenselektiv sind.

25. i-leßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Komplexbildner verwendet sind: Coronanden: z.B. Kronenäther, Mehrfach-Kronenäther

mit multipler Selektivität, auch in immobilisierter Form, z.B. polymergebunden, und/oder

Podanden: Krakenmoleküle und andere offenkettige Komplexbildner oder Liganden, wie z.B. vom Typ der Dioxakorksäure und Dioxaazelainsäurediamide sowie Polyäthylenglykole und Oligoglykoldimethylather, auch in immobilisierter Form, z.B. polymergebunden, und/oder

Kryptanden: Kryptate, (z.B. Kryptat 222 und 221),

auch in immobilisierter Form, z.B. polymergebunden, und/oder

Carrier-Antibiotika: cyclisch (Valinomycin, Nonactin, und andere Makrotetrolide) und/oder acyclisch (z.B. Nigericin, ifonen - 9 -

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INSPECTED

sin, Grisorixin, Χ-537Λ, Polyetherin Λ), auch in immobilisierter Porr.i, z.i;. polymergebunden.

26. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den für Ionen des Anodenraaterials undurchlässigen Substanzen um einen Kohle-Ionenaustauscher handelt.

27. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehender. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als für Ionen des Anodenmaterials undurchlässige Substanz ein anorganischer Ionenaustauscher verwendet wird.

28. Heßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Ionenaustauscher eine Ileteropolysäure ist, (z.B. Amnonium-12-molybdoarsenat, Ammonium-12-wolframatophosphat).

29. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen durch Polymerisation hergestell-

- Ib =

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ORIGINAL

-loten Ionenaustauscher oder Komplexbildner handelt.

30. I-ießvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht aus einem lipophilen Komplexbildner in einer Polymer-Hatrix mit Weichmacherzusätzen besteht.

31. "teßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionenaustauscher ein Stoff verwendet ist, eier durch chemische Behandlung in einen Ionenaustauscher umgewandelt wird, wie Papier, raumwolle, Pektin, Tannin, Lirrnln.

32. TIeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elimination von Ionen des Anodenmaterials durch einen Adsorptionsprozeß (z.B. an Kohle) erfolgt.

33. Heßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elimination von Ionen des Anodenmaterials ein löslicher Komplexbildner Verwendung findet, der mit den Ionen des Anodenmaterials einen löslichen

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130016/0011 or,g:;··!al inspected

oder unlöslichen Komplex bildet, welcher von einer unspezifischen (^.B. aus eiru-n HcI her.tehonden) odor einer selektiven Membran zurückgehalten v/ird.

34. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehende;: Tnsprüche, dadurch g e k e η η ζ ο i c b η c L, daß für die Elimination von Ionen des AnoclcnnuiLf-riiil:· ein lösliches Anion vorv/onüot v/ird, (Uir, i»ü lotui· .'f.-. Anodeninaterial« ein unlösliches Salz (niederschlag) bildet.

35. iießvorrichtung nacli einera der vorhergehende:}-. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Komponenten matrixgebunden sind, z.P. in immobilisierter Forrn polymergebunc.en.

36. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ ο. i c l· η ■/ t, daß die Elektrode als Tauchelektrode odor Durchflurelektrode odor "atheterelektrocie odor rinntic]:rli?-- trode ausgebildet, oder als Sekundärelektrocc Lei vorgeschalteter En ζ ynm erb ran, ξ.Π. zur Bestir.imung von Glukose, einzusetzer, ist.

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