DE3247575A1

DE3247575A1 - Elektrodenmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3247575A1
Application number: DE19823247575
Authority: DE
Inventors: Takashi Tokyo Kamiyama; Noriaki Akishima Tokyo Ono
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-12-22
Filing date: 1982-12-22
Publication date: 1983-07-07
Also published as: DE3247575C2; US4440620A

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenmeßvorrichtung zum Messen der Konzentration eines Gases oder einer biochemischen Substanz, die in einer zu untersuchenden Flüssigkeit gelöst ist.

Ein Verfahren zum Messen der Konzentration von beispielsweise im Blut gelöstem Kohlendioxidgas (Partialdruck des Kohlendioxidgases) beispielsweise ist bekannt als ein Mittel zur Untersuchung der metabolischen Punktionen eines TQ lebenden Körpers. Eine Kohlendioxidgas-Meßelektrode wird im allgemeinen zur Messung der Konzentration verwendet. Bisher wurde eine Elektrode vom Severinghaus^-Typ als Elektrode dieser Art verwendet,- die Elektrode ist genauer beschrieben in "A Symposium of pH and Blood Gas Measurement", S. 126 - 142, J & A. Churchill Ltd., 1959. Figur 1 zeigt die Kohlendioxidgas-Meßelektrode vom Severinghaus-Typ.

Die Kohlendioxidgas-Meßelektrode 100 besitzt ein Außengehäuse 102, einen gaspermeablen Film, eine gaspermeable Membran 106, die auf einem O-Ring 104 am unteren Ende des Gehäuses 102 angebracht ist und das untere Ende des Gehäuses 102 schließt. Ein äußerer Elektrolyt 108 ist im Gehäuse 102 untergebracht; eine pH-Elektrode 110 und eine Bezugselektrode 112, die im Gehäuse 102 angeordnet sind, tauchen in den Elektrolyten 108. Die Membran 106 ermöglicht es dem in der Flüssigkeit gelösten Gas, zur Untersuchung durch die Membran 106 zu wandern, läßt aber es nicht zu, daß Wasser oder Ionen in der Flüssigkeit durch die Membran 106 treten. Der Elektrolyt 108 ist beispielsweise eine verdünnte Lösung von Natriumbicarbonat. Er reagiert mit dem Kohlendioxid in dem durch die Membran 106 kommenden Gas; so wird ihr pH-Wert variiert. Die Bezugselektrode 112, die in den Elektrolyten 108 taucht, arbeitet mit einer Ag/AgCl-Elektrode. Um das Potential der Elektrode 112 kontant zu halten, enthält der Elektrolyt 108 eine bestimmte ,Menge an Chlorid, wie Natriumchlorid (NaCl). Die Elektrode 112 besteht aus einem Silberdraht, der in Drahtgestalt geformt

und dann durch eine Elektrolyse der Elektrode in einer Chlorwasserstofflösung (HCl) chloriert oder versilbert wird. Selbst wenn der pH-Wert des Elektrolyten 108 verändert wird, verändert sich nicht das Potential der Bezugselektrode 112.

Die pH-Elektrode 110 besitzt ein Innengehäuse 114, eine bekannte pH-empfindliche Glasmembran 116, die in das untere Ende des Gehäuses 114 reicht, einen inneren Elektrolyten 118, der im Gehäuse 114 untergebracht ist, um einen elektrischen Kontakt mit der Membran 116 aufrecht zu erhalten, und besteht beispielsweise, aus einer Flüssigkeit vorbestimmten pH-Werts, wie beispielsweise eine Phosphorsäurepufferlösung. Weiterhin ist eine Innenelektrode 120 im Gehäuse 114 derart angeordnet, daß sie den elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyten 118 hält und besteht aus einer Ag/AgCl-Elektrode. Das Glas 116 der Elektrode 110 sowie die Membran 106 sind einander gegenüberstehend durch ein hydrophiles Distanzteil 122, wie Cellophan, angeordnet. Der Elektrolyt 108 wandert durch das Distanzteil 122 und bildet eine äußere Elektrolytschicht 124.

Wird die Membran 106 der Kohlendioxidgas-Meßelektrode in eine zu untersuchende Flüssigkeit, wie Blut, getaucht, so läßt die Membran 106 nur zu, daß das in der Flüssigkeit gelöste Gas durch die Membran auf die Seite der Elektrodenschicht 124 wandert, ermöglicht es der Flüssigkeit oder den Ionen allerdings nicht, durch die Membran zu wandern. Das Kohlendioxidgas in dem "Durchsatzgas" wird mit Wasser

°0 in der Schicht 124 umgesetzt und erreicht einen mit der folgenden Gleichung zu beschreibenden Gleichgewichtszustand:

CO₂ + H₂ J ^H2^CO3 £ H⁺ + HCO₃" . 35

Durch diese Reaktion erzeugte H -Ionen verändern den pH-Wert der Elektrolytschicht 124. Die Glasmembran 116 erfaßt die Veränderung im pH-Wert; eine Potentialdifferenz abhängig vom pH-Wert wird in der Grenzschicht zwischen der Membran 116 und der Schicht 124 erzeugt. Diese Potentialdifferenz wird durch den Elektrolyt 118 auf die Elektrode 120 übertragen; eine Potentialdifferenz, die abhängig von der Veränderung im pH-Wert des äußeren Elektrolyten ist, wird zwischen der Elektrode 120 und der Bezugselektrode 112 erzeugt. Dann wird die Potentialdifferenz durch einen äußeren Potentialdetektor gemessen; die Konzentration des Kohlendioxidgases in der Flüssigkeit kann indirekt vom . gemessenen Ergebnis erhalten werden.

Die übliche Kohlendioxidgas-Meßelektrode verwendet einen pH-empfindlichen Gasfilm 116 als pH-Elektrode 110, um die Veränderung im pH-Wert des äußeren Elektrolyten 108 zu ermitteln. Somit hat die Meßelektrode einen Nachteil, da die Elektrode 100 zu groß wird, was eine große zu untersuchende Flüssigkeitsmenge (wie Blut) erforderlich macht, um den Meßvorgang durchführen zu können. Dieser Nachteil läßt sich zu einem gewissen Grade beheben, indem die pH-empfindliche Glasmembran der pH-Elektrode 110 kleiner gemacht wird. Wird allerdings die Glasmembran 116 in der Größe vermindert, so nimmt ihr Widerstand beachtlich zu, was zur Induktion von Störungen und zur Schwierigkeit, genaue Messungen zu machen, führt. Wenn die Membran hinsichtlich der Dicke 116 stark vermindert ist, so läßt sich ihr Widerstand reduzieren, da jedoch das Material aus Glas ist, nimmt auch ihre mechanische Festigkeit ab, was leicht zu Bruch führt. Da darüber hinaus die pH-Elektrode 110 so konstruiert ist, daß sie den inneren Elektrolyten 108 wie oben beschrieben hierin speichert, läßt sich die Elektrode nicht auf mehr als einen gewissen Grad mindern, mit dem Ergebnis, daß die Kohlendioxidgas-Meßelektrode 100, die die pH-Elektrode speichert, in den Abmessungen vergrößert werden muß.

-ιοί Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßelektrodeneinrxchtung anzugeben, die hinsichtlich ihrer Abmessung kleiner baut und, selbst bei verringerten Abmessungen,
eine niedrige Impedanz beibehält, keine Störungen indues ziert und eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und
ein gutes Ansprechverhalten liefert.

Die Erfindung geht aus von einer Meßelektrodeneinrxchtung
mit einer pH-Elektrode mit einem pH-empfindlichen Element,

IQ welches ein Halbleitersubstrat und eine auf dem Substrat

ausgebildete pH-empfindliche Membran umfaßt. Die pH-empfindliche Membran ist so auf .dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Selbst wenn also die Membran hinsichtlich ihrer Dikke vermindert ist, läßt sich eine ausreichende mechanische Festigkeit erhalten. Somit läßt sich das pH-empfindliche
Element hinsichtlich der Größe reduzieren, wodurch die pH-Elektrode und die gesamte Einrichtung kleiner baut. Da
die pH-empfindliche Membran in der Dicke kleiner gebaut werden kann, läßt sich auch die Impedanz der pH-empfindlichen Membran reduzieren; Störungen werden vermieden. So läßt
sich das Ansprechverhalten der Vorrichtung verbessern.

Die Erfindung soll nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den wesentlichen Teil einer üblichen Meßelektrodeneinrxchtung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Meßelektrodeneinrichtung einer Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein vergrößertes pH-empfindliches Element der Einrichtung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Darstellung eines modifizierten Beispieles
des pH-empfindlichen Elementes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung für den Fall, daß eine zu untersuchende Flüssigkeit mit einer Einrichtung nach der Erfindung gemessen wird; und

■ . -

Fig. 6 einen Längsschnitt einer modifizierten Äusführungsform, die zum Messen einer biochemischen Substanz mit der Vorrichtung nach Fig. 2 ausgebildet ist.

Nach Fig. 2 besitzt eine Meßelektrodeneinrichtung 10 ein zylindrisches Außengehäuse 12, das an beiden Enden offen ist. Am unteren Ende des Gehäuses 12 ist eine gaspermeable Membran 16 über einen O-Ring 14 gelagert. Die untere Stirnöffnung des Gehäuses 12 ist durch eine gaspermeable Membran 16 verschlossen. Die Membran besteht beispielsweise aus einem synthetischen Harz mit einer Gaspermeabilität und hydrophoben Eigenschaften, wie beispielsweise denen eines Teflon-Harzes, Silikonharzes etc. Wird das untere Ende des Gehäuses 12 in eine zu untersuchende Flüssigkeit getaucht, so ermöglicht die Membran 16 es nur dem in der Flüssigkeit gelösten Gas durch die Membran gegen die Innenseite des Gehäuses 12 zu wandern, läßt aber den Durchtritt von Wasser oder Ionen durch die Membran nicht zu. Das obere Ende des Gehäuses 12 ist andererseits durch die obere Stirnplatte 18 geschlossen, die lösbar am oberen Ende des Gehäuses 12 befestigt ist.

Ein Elektrolyt 20 ist im Gehäuse 12 in Kontakt mit der Membran 16 untergebracht. Nach dieser Ausführungsform wird die Meßelektrodeneinrichtung 10 verwendet, um ein Kohlendioxidgas zu messen; der Elektrolyt 20 ist eine verdünnte Lösung von Natriumbicarbonat. Der Elektrolyt 20 reagiert mit dem Kohlendioxid in dem durch die Membran 12 kommenden Gas; sein pH-Wert wird verändert.

Weiterhin der Elektrolyt 20 einen vorbestimmten pH-Wert, selbst wenn der Elektrolyt 20 mit dem Gas nicht umgesetzt wird. Zusätzlich enthält der Elektrolyt 20. eine bestimmte

Konzentration eines Chlorids, beispielsweise Natriumchlorids (NaCl), um so das Potential einer Bezugselektrode, die später beschrieben werden wird, aufrecht zu erhalten.

Die Meßelektrodeneinrichtung 10 hat weiterhin eine pH-Elektrode 22, die im Gehäuse 12 angeordnet ist. Die pH-Wertelektrode 22 besitzt ein zylindrisches Innengehäuse 24, das am unteren Ende offen ist. Dieses Innengehäuse 24 ist koaxial zum Gehäuse 12 ausgebildet und taucht am unteren Endteil in den Elektrolyten 20. Das obere Ende des Gehäuses 24 ist verschlossen. Das Gehäuse ist am oberen Ende an der oberen Stirnplatte 18 befestigt. Die Elektrode 22 besitzt ein pH-empfindliches Element 26, das am unteren Ende des Gehäuses 24 gelagert ist und damit das untere Ende des Gehäuses 24 schließt. Das Element hat, wie Fig. 2 und 3 zeigen, ein Halbleitersubstrat, beispielsweise ein Silikonsubstrat 28 sowie eine pH-empfindliche Membran 30, die auf dem Substrat28 ausgebildet ist. Die Membran 3 0 ist hergestellt durch Vakuumabscheidung (Kathoden), Versprühen oder einer CVD (chemischen Vakuumabscheidung) wenigstens einer Verbindung von Siliziumnitrid (Si^N^) , Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Tantalpentoxid (Ta₂O^) auf dem Siliziumsubstrat 28. Das Element 26 ist auf dem Gehäuse 24 aufgebracht, so daß die Membran 30 unter vorbestimmtem Abstand der Membran 16 gegenübersteht. Weiterhin besitzt die Elektrode 22 eine Zuführung 32, die nach außen durch das Gehäuse 24 und die obere Stirnplatte 18 vom Gehäuse 12 reicht. Ein Ende des Kerndrahtes 34 der Zuführung 32 ist mit einem leitenden Harz (adhäsiv) 36 mit dem Substrat 28 verbunden. Der Kerndraht 34 der Zuführung 32 läßt sich nicht direkt an das Substrat 28 anlöten. Wird der Kerndraht 34 angelötet, so wird eine Aluminiumelektrodenschicht 18 auf die Seite abgeschieden, die der Seitenfläche des Substrats 28 gegenüberliegt, auf der die Membran 30 ausgebildet ist, wie in Fig. 4 gezeigt. Eine Chrom-Kupfer (Cr-Cu)-Elektrodenschicht 40 wird weiter auf die Schicht 38 abgeschieden; der Draht

34 an die Schicht 40 angelötet. Die Elektrode 22 kann das Potential ermitteln, das an der Membran 30 des Elementes 26 erzeugt wird.

Im Gehäuse 12 ist eine Distanzplatte 42, die aus einer Substanz mit einer hydrophilen Eigenschaft wie Cellophan gebildet ist, zwischen die Membran 16 und das Element 26, je nachdem wie erforderlich ist, zwischengeschaltet. Ein Teil des Elektrolyten 20 wandert durch das Distanzstück und bildet hierdurch eine Elektrolytschicht 44 zwischen Membran 16 und Membran 30.

Die Meßelektrodeneinrichtung 10 hat weiter eine Bezugselektrode 46, .die im Gehäuse 12 angeordnet ist. Die Elektro de 4 6 wird am unteren Ende in den Elektrolyten 20 getaucht und geht außen am oberen Ende von der Stirnplatte 18 des Gehäuses 12 ab. Die Elektrode 46 ist aus einem Silberdraht geformt, dem Drahtgestalt verliehen ist und der nach einer Elektrolyse in einer Chlorwasserstoffsäurelösung (HCl) auf der Oberfläche chloriert oder aufgesilbert ist. Das Potential der Elektrode 46 ist wie oben beschrieben, konstant, da ein Chlorid wie Natriumchlorid (NaCl) in vorbestimmter Konzentration im Elektrolyten 20 enthalten ist.

Die Arbeitsweise mit der Meßelektrodeneinrichtung 10 soll nun beschrieben werden.

Der Fall, daß die Konzentration des Kohlendioxids in einer ³^ zu untersuchenden Flüssigkeit wie Blut mit der Meßelektrodeneinrichtung 10 gemessen wird, soll nun beschrieben werden. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Anordnung so getroffen, säe am unteren Ende eintaucht, was bedeutet, daß die Membran 16 in das Blut 48 taucht. Die Elektroden 22 und 46 der Einrichtung 10 sind jeweils über Zuführungen 50 mit einem Potentialdetektor 52 verbunden. So wandern im Blut 48 enthaltene Gase durch die Membran 16 und bewegen sich

gegen die Seite des Elektrolyten 20. Blut oder Ionen wandern nicht durch die Membran 16. Das wandernde Gas ist nicht nur auf Kohlendioxidgas begrenzt. Andere Gase, wie Sauerstoff, die im Blut gelöst sind, können die Membran 16 durchsetzen; Gase außer Kohlendioxid tragen aber nicht zur folgenden Reaktion bei.

Das Kohlendioxidgas in dem so zur Elektrolytschicht 44 bewegten Gas reagiert mit Wasser im Elektrolyten 20 und erreicht einen Gleichgewichtszustand, der durch die folgende Formel beschrieben ist:

CO₂ + H₂ Ζ H₂CO₃ t H⁺ + HCO₃"

Die in dieser Reaktion erzeugten H -Ionen verändern den pH-Wert der Schicht 44. Die Veränderung des pH-Wertes wird durch die Membran 30 des Elementes 26 ermittelt; eine Potentialdifferenz, abhängig von der Veränderung im pH-Wert wird an der Grenze zwischen Membran 30 und Schicht 44 erzeugt. Diese Potentialdifferenz wird durch das Substrat 28 und das Harz 36 an den Kerndraht 34 der Zuführung 32 gelegt. Auf diese Weise stellt sich eine Potentialdifferenz, abhängig vom pH-Wert in der Schicht 44 zwischen dem Kerndraht 34 und der Elektrode 46 ein. Es ist bekannt, daß die Änderung im pH-Wert proportional zu log PCO„ der Henderson-Hasselbach-Formel ist. Somit wird die obengenannte Potentialdifferenz vergrößert und durch den Potentialdetektor 52 gemessen; der gemessene Wert wird durch eine arithmetische, nicht dargestellte Einheit errechnet, wodurch die Konzentration des Kohlendioxidgases im Blut 48 erhalten wird.

Wie oben beschrieben, wird die pH-empfindliche Membran 30 des Elementes 26 durch eine Vakuumabscheidung Sprühen oder das CVD-Verfahren auf dem Substrat 28 gebildet; diese Membran 36 kann extrem dünn und gleichförmig ausgebildet sein. Die Membran 30 kann etwa 500 Ä bis 5000 A und vorzugsweise zwischen 1000 bis 1500 Ä dick ausgebildet sein. Der Grund zur Begrenzung der Dicke der Membran 30 besteht

darin, daß, wenn die Membran 30 mit weniger als 500 Ä ausgebildet wird, die Dicke unregelmäßig wird; Defekte, wie Feinlunker oder Gasporen, können erzeugt werden. Das Ergebnis stellt sich so, daß die Ausbeute beeinträchtigt und die Haltbarkeit der Membran abnimmt. Wenn weiterhin die Dicke

der Membran 30 etwa 5000 Ä überschreitet, so nimmt die Impedanz der Membran 30 zu, was dazu führt, daß Störungen leicht induziert werden und die Tastgenauigkeit verzögert wird.

Das Silikonsubstrat 28 wird in großem Umfang in der Halbleiterindustrie verwendet; die Oberfläche kann in preiswerter Weise spiegelblank gemacht werden; indem zur Verbesserung der Glättung ein Ätzen vorgenommen wird. Weiterhin kann das Substrat 28 als Substrat für die Membran 30 die mechanische Festigkeit der Membran 30 erhöhen; die Funktion besteht darin, die erzeugte Potentialdifferenz an der Grenzfläche zwischen Membran 30 und Schicht 44 auf den Kerndraht 44 der Zuführung 32 zu übertragen. In diesem Fall darum kann das Silikonsubstrat 28 von irgendeinem P-Typ und von η-Leitfähigkeit sein. Es kann sich entweder um ein Einkristall oder eine polykristalline Struktur handeln. Es ist notwendig, daß die Membran extrem dünn und gleichförmig ausgebildet wird. Da das Substrat 28 in oben beschriebener Weise spiegelpoliert sein kann, läßt sich vorzugsweise die Membran ohne Lunkerlocher schnell auf dem Substrat 28 ausbilden. Weiterhin hat das Substrat 28 keinen Einfluß auf die Impedanz und auf das Ansprechverhalten der Membran 30. Die Dicke des Silikonsubstrats 28 läßt sich auf einen gewünschten Wert einstellen. Die mechanische Festigkeit der Membran 30 läßt sich so unter Bildung eines dicken Substrat 28 erhöhen.

Die so konstruierte Meßelektrodeneinrichtung 10 hat die folgenden Merkmale und Vorteile:

BAD ORIGINAL

Die Elektrode 22 verfügt über ein pH-empfindliches Element 26, welches das Silikonsubstrat 28 und die auf dem Substrat 28 ausgebildete pH-empfindliche Membran 30 umfaßt. Die Membran 30 ist extrem dünn, hat jedoch noch ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufgrund des Substrats 28. Daher läßt sich das Element 26 auf etwa 1/4 der Größe einer üb-. liehen Größe reduzieren, was zu einer Verminderung in der gesamten Elektrodenmeßeinrichtung 10 führt. Darüber hinaus ist das Element direkt mit der Zuführung 32 verbunden. Es ist somit nicht notwendig, den Innenelektrolyten im Gehäuse 24 aufzufüllen; die Elektrode 22 kann in der Größe vermindert werden, mit dem Ergebnis, daß die gesamte Meßelektrodeneinrichtung in der Größe weiter reduziert wird. Weiterhin wird die Membran 30 dünn ausgebildet; ihre Impedanz ist somit klein, was zu einer sehr geringen "Geräusch"- oder Störungserzeugung führt. Die Meßelektrodeneinrxchtung 10 verfügt über ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten.

Nach der beschriebenen Ausführungsform wird die Meßelektrodeneinrichtung zur Messung von Kohlendioxidgas verwendet. Die Meßelektrodeneinrxchtung nach der Erfindung ist jedoch nicht auf Kohlendioxidgas beschränkt, kann vielmehr auch für die Messung anderer Gase, wie Ammoniakgas, Verwendung finden.

Wird die Konzentration des Ammonikgases, das in der zu untersuchenden Flüssigkeit gelöst ist, durch die Meßelektrodeneinrxchtung 10 gemessen, so wird eine verdünnte Lösung von Ammoniumchlorid als Elektrolyt 20 in Fig. 2 verwendet* Der Elektrolyt 20 reagiert nur mit dem Ammoniakgas der Gase, die die Membran 16 durchsetzen; sein pH-Wert variiert. Die andere Konstruktion der Meßelektrodeneinrxchtung ist die gleiche wie die der oben beschriebenen Ausführungsform.

Der Fall, in dem die Konzentration des Ammoniakgases in einer zu untersuchenden Flüssigkeit durch die Meßelektrodeneinrxchtung 10 gemessen wird, soll nun beschrieben werden.

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Nach Fig. 5 ist die Meßelektrodeneinrichtung 10 so angebracht, daß sie am unteren Ende eintaucht; d.h. die Membran 16 wird in die zu untersuchende Flüssigkeit .48 eingebracht. Die Elektroden 22 und 46 der Einrichtung 10 sind jeweils über den Zuführungsdraht 50 mit dem Potentialdetektor 52 verbunden. Dadurch sättigen die Gase, die in der Flüssigkeit 48 vorhanden sind, die Membran 16 und bewegen sich gegen die Seite des Elektrolyten 20. Das so gegen die Schicht 20 bewegte Ammoniakgas in den Gasen reagiert mit dem Wasser in der Schicht 20 und erreicht einen Gleichgewichtszustand, wie durch die folgende Formel bezeichnet:

NH₃ + H₂O t OH" + NH₄ ⁺

Die durch diese Reaktion so erzeugten OH -Ionen verändern den pH-Wert der Schicht 44. Diese Veränderung im pH-Wert wird durch die Membran 3 0 des Elementes 26 ermittelt; eine Potentialdifferenz, abhängig von der Veränderung im pH-Wert, wird im Grenzbereich zwischen der Membran 30 und der

^O Schicht 44 erzeugt. Diese Potentialdifferenz wird durch das Substrat 28 und das leitende Harz 36 auf den Kerndraht 34 der Zuführung 32 übertragen; die vom pH-Wert in der Schicht 4 4 abhängige Potentialdifferenz stellt sich zwischen den Kerndraht 34 und der Elektrode 46 ein. Dann wird die Potentialdifferenz verstärkt und durch den Potentialdetektor 52 gemessen; der gemessene Wert wird durch eine nicht dargestellte Rechnereinheit errechnet, wodurch die Konzentration des Ammoniakgases in der Flüssigkeit erhalten wird.

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ist.

Weiterhin ist die Meßelektrodeneinrichtung 10 nicht auf Kohlendioxidgas und Ammoniakgas begrenzt, kann vielmehr die Konzentration einer biochemischen Substanz, wie Harnstoff messen, der in der zu untersuchenden Flüssigkeit gelöst

Auf dem Gebiet der klinischen Untersuchung leisten die
Messungen von Stickstoff-Harnstoff im Blut, im folgenden als "BUN" bezeichnet, günstige Funktionen für die Diagnose der Nierenkrankheiten, Urämie, starke Lebererkrankungen, Proteinkatabolismus, etc. Messungen des BUN werden wünschenswert gleichzeitig mit den obengenannten Vorgängen, wie
einer Notuntersuchung mit Elektrolyt und Glukose, wie
Natrium (Na), Kalium (K), etc. durchgeführt-

Bei Analysen dieser Art setzte man bisher ein chemisches Verfahren vom nassen Typ ein, das mit einem Enzymreagens arbeitete; dieses langwierige Verfahren mußte jedoch unter äußerst sorgfältigen Bedingungen durchgeführt werden. Es wurden kürzlich Enzymverfestigungstechniken und Einrichtungen zur klinischen Untersuchung unter Verwendung solcher Techniken entwickelt, bei denen sich eine ausgezeichnete Meßdauer und Durchführbarkeit, verglichen mit dem obenbebeschriebenen chemischen Verfahren vom nassen Typ ergab. Unter diesen bekannten Verfahren sind zu nennen ein Säulenverfahren, bei dem das BUN-zersetzende Enzym in einer Röhre an einer Membran und porösen Glaskugeln verfestigt wird, sowie ein Enzymelektrodenverfahren, bei dem eine verfestigte Enzymmembran auf der Oberfläche einer Ionenselektionselektrode oder einer Gaselektrode angebracht wurde. Der

BUN wird durch Urease zersetzender Enzyme in Ammoniak
und Kohlendioxid zersetzt.

Fig. 6 zeigt eine an der Meßelektrodeneinrichtung 10
angebrachte Modifikation zum Messen des BUN. Bei dieser
abgeänderten Ausführungsform verfügt die Meßelektrodeneinrichtung 10 über eine ureaseverfestigte Enzymmembran 54, die auf der Außenseite der gaspermeablen Membran 16 über einen O-Ring 14 zum Abdecken der gaspermeablen Membran angebracht ist. Diese Membran 54 zerfällt, wenn sie in Kontakt mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit kommt; der in der

Flüssigkeit existierende BUN wird in Ammoniak und Kohlensäure umgewandelt. Beim Elektrolyten 20 kann es sich um eine verdünnte Lösung von Ammoniumchlorid handeln, die ihren pH-Wert bei Reaktion mit dem Ammoniak verändert oder es kann sich um eine verdünnte Lösung aus Natriumbicarbonat handeln, das seinen pH-Wert bei Reaktion mit der Kohlensäure verändert.

Es soll nun der Fall beschrieben werden, bei dem die Konzentration des in der Flüssigkeit enthaltenen BUNs mit der Meßelektrodeneinrichtung 10 gemessen wird. Wie Fig. 5 zeigt, ist die Meßelektrodeneinrichtung 10 zum Eintauchen mit dem unteren Ende angeordnet, d.h. die ureaseverfestige Enzymmembran 54 wird in das Blut 48 getaucht. Dann werden die Elektroden 22 und 46 der Einrichtung 10 jeweils mit dem Potentialdetektor 52 über die Zuführung 50 verbunden. So wird das Blut 48 mit der ureaseverfestigten Enzymmembran kontaktiert; der im Blut enthaltene BUN wird durch die Urease entsprechend der folgenden Formel zersetzt: 20

(NH₂) ₂CO + H₂O 2NH₃ +CO₂.

Die durch diese Reaktion erzeugten Ammoniak- und Kohlendioxidgase werden in die Atmosphäre aufgrund der Partialdruckdifferenz gegenüber dem atmosphärischen Druck abgegeben; in diesem Falle tritt der größte Teil des Ammoniak- und Kohlendioxidgases durch die gaspermeable Membran 54 und die Membran 16 und bewegt sich gegen die Seite des Elektrolyten 20. Im Falle, daß Elektrolyt 20 eine verdünnte Lösung aus Natriumbicarbonat ist, reagiert nur das Kohlensäuregas mit dem Wasser im Elektrolyten und erreicht einen Gleichgewichtszustand, der durch die folgende Formel beschrieben wird:

CO₂ + H₂ ί H₂CO₃ '<- H⁺ + HCO₃".

Für den Fall, daß der Elektrolyt 20 eine verdünnte Lösung aus Ammoniumchlorid ist, reagiert nur das Ammoniak mit dem Wasser-im Elektrolyten und erreicht einen Gleichgewichtszustand, der durch die folgende Formel beschrieben wird:

NH₃ + H₂O J 0H~ + NH₄ ⁺.

Der pH-Wert des Elektrolyten 20 variiert bei jeder der oben angegebenen Reaktionen. Die Änderung im pH-Wert wird von der Membran 30 des Elementes 26 erfaßt und eine Potentialdifferenz abhängig von der Veränderung im pH-Wert wird im Grenzbereich zwischen dem Elektrolyten 20 und der Membran 30 erzeugt. Diese Potentialdifferenz wird durch die Substrat 28 und das leitfähige Adhäsivmittel 36 auf die Zuführung übertragen und die Potentialdifferenz, die von dieser Änderung im pH-Wert abhängt, wird so zwischen der Elektrode und der Elektrode 46 erzeugt. Diese Potentialdifferenz wird verstärkt und durch den Potentialdetektor 52 gemessen; der gemessene Wert wird durch eine nicht dargestellte Rechnereinheit berechnet, wodurch man die Konzentration des BUN im Blut 48 erhält.

Wie genauer beschrieben, hat die Meßelektrodeneinrichtung 10 ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten, kann in verminderten Abmessungen - verglichen mit bekannten Einrichtungen hergestellt werden und kann verschiedene Gase oder biochemische Substanzen messen, die in der zu untersuchenden Flüssigkeit enthalten sind.

^⁰ Die obige Ausführungsform diente nur der Erläuterung und begrenzt die Erfindung in keiner Weise. So können beispielsweise Gestalt von Innen- und Außengehäuse 12 und 14 anders als zylinderförmig sein, beispielsweise in quadratischer,

rechteckiger oder hexagonaler Gestalt. 35

Leerseite

Claims

Pa tentansprüche

( 1y Elektrodenmeßeinrichtung zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases oder einer biochemischen Substanz, die in einer zu untersuchenden Flüssigkeit gelöst ist mit einem Außengehäuse (12) von im wesentlichen zylindrischer Gestalt mit einem offenen Ende; einer gaspermeablen Membran (16), die an einem Ende des äußeren Gehäuses befestigt ist, um das eine Ende zu schließen und nur Gas, das in der zu untersuchenden Flüssigkeit gelöst ist, gegen das äußere Gehäuse durchläßt, v/enn der Kontakt zur untersuchenden Flüssigkeit hergestellt ist;

einem im äußeren Gehäuse untergebrachten Elektrolyt (20) in Kontakt mit der gaspermeablen Membran, der seinen pH-Wert bei Reaktion mit dem bestimmten durch die gaspermeable i-lembran wandernden Gas verändert;

einer Bezugselektrode (46), die im äußeren Gehäuse angeordnet ist und teilweise in den Elektrolyten taucht und auf einem bestimmten Potential gehalten ist; und einer pH-Wert-Elektrode (22), die im äußeren Gehäuse (12) angeordnet ist und über ein pH-empfindliches Element (26) in Kontakt mit dem Elektrolyten verfügt, wobei eine Potentialdifferenz zwischen dem Element und dem Elektrolyten entsprechend der Änderung des pH-Wertes des Elektrolyten sowie eine Potentialdifferenz zwischen der pH-Wert-Elektrode und der Bezugselektrode entsprechende Änderung des pH-Wertes des Elektrolyten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieses pH-Wert-empfindliche Element (26) ein Halbleitersubstrat (28) sowie eine auf dem Substrat ange-

¹^ ordnete pH-Wert-empfindliche Membran (30) in Kontakt mit dem Elektrolyten (20) umfaßt, wobei eine Potentialdifferenz zwischen der pH-Wert-empfindlichen Membran (30) und dem Elektrolyten entsprechend der Änderung des pH-Werts des Elektrolyten erzeugt wird, wobei die pH-Wert-

²^ empfindliche Membran aus wenigstens einem Element gebildet ist, das gewähltfaus der Gruppe, die aus Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und Tantalpentoxid besteht.

2. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e ²^ kennzeichnet, daß der Elektrolyt (20) eine verdünnte Lösung aus Natriumbicarbonat ist, der den pH-Wert bei Reaktion mit Kohlensäure verändert.

3. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge -

kennzeichnet , daß der Elektrolyt (20) eine verdünnte Lösung aus Ammoniumchlorid ist, die ihren pH-Wert bei Reaktion mit Ammoniakgas verändert.

4. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e 35

kennzeichnet , daß diese pH-Wert-Elektrode

(22) ein inneres Gehäuse (24) im wesentlichen zylindrischer

Gestalt aufweist, die im äußeren Gehäuse (12) angeordnet ist und mit dem einen offenen Ende in den Elektrolyten (20) taucht, und daß das pK-Wert-empfindliche Element (26) an dem einen Ende des inneren Gehäuses befestigt ist, um dieses eine Ende zu schließen und in einem vorbestimmten Raum der gaspermeablen Membran (16) gegenübersteht.

5. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch 10. gekennzeichnet, daß die pH-Wert-Elektrode (22) über eine Zuführung (32) verfügt, die vom inneren Gehäuse (24) zum äußeren Gehäuse (12) reicht, daß der Zuführungsdraht mit der Halbleitereinrichtung (28) des pH-Wert-empfindlichen Elementes (26) verbunden ist und die im Grenzbereich zwischen der pH-Wert-empfindlichen Membran (3 0) und dem Elektrolyten (20) erzeugte Potentialdifferenz durch das Substrat (28) aus dem äußeren Gehäuse heraus leitet.

6. Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuführung (32) über einen leitfähigen Klebstoff (36) mit dem Substrat (28) verbunden ist.

η _t Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das pH-Wert-empfindliche Element (26) eine Aluminiumelektrodenschicht (38) aufweist, die auf der Seite ausgebildet ist, die abgelegen zu der mit der pH-Wert-empfindlichen Membran (30) des

Substrats (28) ausgebildeten Seite ist und daß eine Chrom-Kupfer-(Cr-Cu) Elektrodenschicht (40) auf der Aluminiumelektrodenschicht ausgebildet ist und daß der Zuführungsdraht (22) an die Chrom-Kupfer-Elektrodenschicht gelötet ist.

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18. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das innere und äußere Gehäuse (12,24) jeweils von zylindrischer Gestalt ist und daß das Innengehäuse koaxial zum Außengehäuse angeordnet ist.

9. Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugselektrode (46) aus einem Silberdraht gebildet ist, der auf der Oberfläche chloriert und versilbert ist und deren oberes Ende aus dem Gehäuse (12) herausreicht.

10. Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Elektrolyt (20) eine bestimmte Chloridkonzentration enthält, um das Potential der Bezugselektrode (46) konstant zu halten.

11. Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat

(28) aus einem Siliziumsubstrat gebildet ist.

12. Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das pH-Wert-empfindliche Element (26) mit einer Dicke von im wesentlichen 500 bis 5000 K ausgebildet ist.

13. Meßelektrodenexnrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine verfestigte Enzymmembran (54), die auf der Außenseite der gaspermeablen Membran (16) ausgebildet ist und die gaspermeable Membran überdeckt, wobei die verfestigte Enzymmembran durch ein verfestigtes Enzym gebildet ist, um eine bestimmte biochemische Substanz zu zersetzen, die in der zu untersuchenden Flüssigkeit enthalten ist und in Kontakt mit der zu untersuchenden Flüssigkeit steht.

η «λ ^

-δ-

14. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die verfestigte Enzynunembran (54) durch Urease unter Zersetzung von Ureidostickstoff, das in der zu untersuchenden Flüssigkeit enthalten ist, in Kohlendioxidgas und Ammoniak bei Kontaktieren der zu untersuchenden Flüssigkeit gebildet ist.

15. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Elektrolyt (20) eine verdünnte Lösung aus Natriumbicarbonat ist, das seinen pH-Wert bei Reaktion mit Kohlensäure verändert.

16. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektrolyt (20) eine verdünnte Lösung aus Natriumchlorid ist, das seinen pH-Wert bei Reaktion mit Ämmoniakgas verändert.

17. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß diese pH-Wert-Elektrode (22) ein inneres Gehäuse (24) von im wesentlichen zylindrischer Gestalt aufweist, das im äußeren Gehäuse (12) angeordnet ist und mit einem offenen Ende in den Elektrolyten (20) taucht und daß das pH-Wertempfindliche Element (26) an dem einen Ende des inneren Gehäuses befestigt ist, um dieses eine Ende zu verschließen und in einem bestimmten Raum der gaspermeablen Membran (16) gegenübersteht.

18. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß diese pH-Wert-Elektrode (22) über einen Zuführungsdraht (32) verfügt, der vom inneren Gehäuse (24) zum äußeren Gehäuse (12) ^° nach außen reicht, wobei der Zuführungsdraht mit der Halbleitereinrichtung (28) des pH-Wert-empfindlichen Elementes verbunden ist und eine Potentialdifferenz, die im Grenzbereich zwischen der pH-Wert-empfindlichen Membran

* (30) und dem Elektrolyten (20) erzeugt ist, durch das Substrat (28) aus dem äußeren Gehäuse hinaus überträgt.

19. Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bezugselektrode (46) aus einem Silberdraht gebildet ist, der an der Oberfläche chloriert und versilbert ist und über ein aus dem äußeren Gehäuse (12) hinausreichendes Ende verfügt.

.Meßelektrodeneinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektrolyt (20) über eine bestimmte Konzentration an Chlorid verfügt, um das Potential der Bezugselektrode (46) konstant zu

halten. 15