DE68922174T2

DE68922174T2 - Eine Lösung und ein Verfahren zur Kalibrierung eines Sensors.

Info

Publication number: DE68922174T2
Application number: DE68922174T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Shimomura; Atsushi Sone; Norihiko Ushizawa
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1988-09-24
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2009-09-22
Also published as: DK468689D0; EP0362032A2; DK468689A; EP0362032B1; JPH0287055A; DE68922174D1; EP0362032A3; US5132000A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kalibrierlösung und auf ein Kalibrierverfahren zur Verwendung bei der Messung der Ionenkonzentration in medizinischen Gebieten, klinischen Gebieten und biochemischen Gebieten, die sich mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten befassen, und zur Messung von Ionenkonzentrationen in Systemen mit variablem Gas-Partialdruck unter Verwendung eines Ionensensors oder eines Gassensors mit Festkörper-Elektroden.
Wenn der pH-Wert und die Partial-Gaskonzentration bei beispielsweise Blut und anderen Körperflüssigkeiten als zu überprüfender Lösung gemessen wird, wird gewöhnlich eine Standard- Pufferlösung verwendet, die in den JIS(Japanischer Industriestandard)-Standards und NBS-Standards (Nationales Normungsamt) vorgeschrieben ist, z. B. Phthalsäuresalz, Phosphat usw., und Messungen wurden unter Verwendung von Glaselektroden vorgenommen. In diesem Fall werden Elektroden derselben Art und mit demselben Aufbau wie die Innenelektrode der Glaselektrode als Referenzelektrode verwendet.
Verwendete Lösungen für die Kalibrierung von Analysen für die Messung von Blutgasen sind in FR 2 436 991 beschrieben.
US 3 681 255 bezieht sich auf Kalibrier-Flüssigkeiten mit vorbestimmtem gelösten Gasgehalt zum Kalibrieren von pH-Wert- und Gasanalysatoren.
Eine Standardlösung zum gleichzeitigen Kalibrieren einer Vielzahl von Ionenelektroden zum Bestimmen einer Vielzahl von Ionen ist in US 4 626 512 beschrieben.
Man hat gefunden, daß ionenselektive Elektroden sowie winzige Feststoff-Mikroelektroden und dergleichen extensiv für medizinische Sensoren ausgenutzt werden können, und es gibt Anzeichen für die praktische Verwendung von pH-Sensoren und Sensoren für andere Ionen in dem Gebiet der klinischen Chemie und der Kontrollvorrichtungen für künstliche Organe. Wenn es beabsichtigt ist, Sensoren auf medizinischem Gebiet anzuwenden, sind die Anforderungsniveaus für Messungen mit hoher Genauigkeit und Temperaturkompensation höher als in dem Fall der allgemeinen Analyse, und es ist schwierig, diese Niveaus zu erfüllen.
pH-Sensoren und Sensoren für andere Ionen messen die Elektroden-Potentialdifferenz, die der Ionenaktivität entspricht. Die Ionenaktivität ist das Produkt der Ionenkonzentration und des Aktivitätskoeffizienten. Gewöhnlich wird eine Glasmembranelektrode als pH-Elektrode verwendet, aber sie kann nicht die Definition des pH-Werts erfüllen, für die gilt:
pH = - log aH+ ... (1)
Das liegt daran, daß es unmöglich ist, diesen Wert genau zu erhalten, aufgrund der Anwesenheit des Flüssigkeits-Grenzflächenpotentials im Gegenelektrodenlösungsabschnitt und des Ionenaktivitätskoeffizienten, der der Messung unzugänglich ist. Aus diesem Grund wird ein pH-Wert, der mathematisch aus pH-Werten der inneren Lösung und der äußeren Meßlösung berechnet werden kann, definiert und verwendet, wobei dieser Wert definiert ist als:
pHx - pHs = [Ex - Es] / (2,303 RT/F) ... (2) worin R die Gaskonstante ist, T die absolute Temperatur ist, F die Faraday-Konstante ist, Ex und Es die elektromotorischen Zellen-Kräfte in den Lösungen X und S sind. Die Zelle ist aus Pt; H&sub2;-Lösung X oder S/gesättigter KCl-Lösung und gesättigter Kalomel-Elektrode zusammengesetzt.
Hier ist die Lösung mit pHs eine Standardlösung. Als Standardlösung wird eine 0,05 M Kaliumhydrogenphthalat-Lösung verwendet, und ihr pH-Wert ist auf 3,998 (0 ºC, 4,000) bei 15 ºC definiert. Dieser Standard entspricht dem NBS, und er ist in Japan übernommen.
Mit einer von einer Glasmembran verschiedenen Membranelektrode wird die Messung der Elektroden-Potentialdifferenz auf der Membranoberfläche durch nebeneinander vorliegende Stoffe in der zu untersuchenden Lösung, wie beispielsweise andere Ionen als die zu messenden, Protein, Aminosäure, beeinflußt. Das liegt daran, daß die Elektrodenpotentialdifferenz gemessen wird, um den pH-Wert auf der Grundlage der Definition von Gleichung (1) zu berechnen.
In der Messung, bei der die zu untersuchende Lösung Blut oder eine ähnliche Körperflüssigkeit ist, ist eine hohe Meßgenauigkeit erforderlich, trotz geringfügiger Veränderungen der Ionenkonzentration. Daher sind, bei der Kalibrierung des Sensors auf der Grundlage des gewöhnlichen Verfahrens zur Messung wie vorstehend bemerkt, die Meßfehler zu groß, als daß man einen Sensor mit hoher Genauigkeit erwarten könnte, insbesondere auf medizinischem Gebiet.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kalibrierlösung und ein Kalibrierverfahren bereitzustellen, die eine Messung mit hoher Genauigkeit unter Verwendung von Sensoren auf medizinischem und anderen Gebieten zulassen.
Um die vorstehende Aufgabe der Erfindung zu lösen, beruht die Erfindung auf der Tatsache, daß der vorstehend erwähnte Aktivitätskoeffizient durch die Ladung der Ionen und Gesamt-Ionenstärke in der Lösung bestimmt wird.
Die Ionenstärke I und der Aktivitätskoeffizient sind zueinander nach dem Debye-Hückel Grenzgesetz in Beziehung gesetzt:
- log (γi) = [AZi² I] / [1 + Bai I] ... (3)
worin A und B Konstanten sind, die durch die dielektrische Konstante und die Temperatur des Lösungsmittels bestimmt werden, Zi eine Ionenwertigkeit ist, I die Ionenstärke und ai der effektive Radius des Hydrations-Ions ist.
Der Aktivitätskoeffizient von einem bestimmten Ion hängt von der Gesamtionenstärke dieser Lösung ab. Daher variiert die Ionenstärke, d. h. der Aktivitätskoeffizient, mit Veränderungen der Konzentrationen der von Meß-Ionen verschiedenen, nebeneinander vorliegenden Ionen, selbst wenn die zu messende Ionenkonzentration konstant ist. Erfindungsgemäß wird die Ionenstärke so eingestellt, daß sie im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu messenden Lösung ist.
Erfindungsgemäß wird im wesentlichen eine Kalibrierlösung für einen Sensor mit einer Festkörperelektrode zum Messen der Ionenkonzentration einer zu untersuchenden Lösung zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung eine Standard-Pufferlösung umfaßt, die eine Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1- Verhältnis ist, wobei NaCl zu der Standardpufferlösung hinzugefügt wird, um eine Ionenstärke bereitzustellen, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist.
Die Kalibrierlösung mit dem vorstehenden Aufbau läßt Messung mit weniger Fehlern zu. Insbesondere kann die Erfindung geeigneter in medizinischen und ähnlichen Gebieten ausgenutzt werden, in denen die zu untersuchende Lösung Blut oder eine ähnliche Körperflüssigkeit ist, die weniger Ionenkonzentrationsveränderungen unterworfen wird.
Erfindungsgemäß wird auch ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Sensors, bei dem mindestens zwei Referenz-Kalibrierlösungen mit unterschiedlichen pH-Werten hergestellt werden, die elektromotorischen Kräfte des Sensors in diesen Referenz-Kalibrierlösungen gemessen werden, indem man den Sensor in diese Lösungen eintaucht, und eine Kalibrierformel (Kalibrierungskurve) der elektromotorischen Kräfte in Hinblick auf die pH-Werte der Referenz-Kalibrierlösungen zur Verfügung gestellt.
Durch Übernahme der vorstehend erwähnten Kalibrierlösung ist es möglich, eine Messung mit hoher Genauigkeit unter Verwendung eines pH-Sensors oder ähnlichen Sensors zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Kalibrierlösung zum Kalibrieren eines Sensors in dem Fall, daß der Partial-Gasdruck ebenso wie die Ionenkonzentration einer zu untersuchenden Lösung, die Kohlendioxidgas und/oder Sauerstoffgas enthält, gemessen wird, bereitgestellt, wobei die Kalibrierlösung eine Standardpufferlösung umfaßt, die eine Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1-Verhältnis ist, bei der eine vorbestimmte Menge Bicarbonatpufferlösung der Standardpufferlösung hinzugefügt wird, um eine im wesentlichen konstante Ionenkonzentration aufrechzuerhalten, ebenso, wie NaCl hinzugefügt wird, um eine Ionenstärke einzustellen, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist.
Diese Kalibrierlösung kann zum Kalibrieren eines Gassensors für Kohlendioxid ebenso wie eines pH-Sensors oder eines ähnlichen Ionensensors verwendet werden, das heißt, es ist möglich, eine Lösung zum gleichzeitigen Kalibrieren zu erhalten, die gleichzeitige Messung mit hoher Genauigkeit zuläßt.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Ionensensors und eines Gassensors zur Verfügung gestellt, bei dem mindestens zwei Referenz-Kalibrierlösungen mit unterschiedlichen pH-Werten und Gas-Partialdruckwerten hergestellt werden, die elektromotorischen Kräfte dieser Sensoren in diesen Referenz-Kalibrierlösungen gemessen werden, indem man die Sensoren in die Lösungen eintaucht, und Kalibrierformeln berechnet werden, indem man die elektromotorischen Kräfte der Sensoren für die PH-Werte und die Gas-Partialdruckwerte für Gassensoren aufträgt.
Durch Übernahme dieses Kalibrierverfahrens kann die Messung der Ionenkonzentration mit einem pH-Sensor oder einem ähnlichen Ionensensor und die Messung des partialen Gasdrucks von Carbonat oder einem ähnlichen Gas mit einem Gassensor gleichzeitig und mit besserer Genauigkeit unter Verwendung passender Kalibrierformeln vorgenommen werden.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der elektromotrischen Kraft des Sensors und dem pH-Wert zeigt, die gemäß den Ionenstärken der unterschiedlichen Beispiele in einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 2 und 3 sind graphische Darstellungen zum Bestimmen der NaHCO&sub3;-Konzentrationen bei unterschiedlichen pH-Werten, geeignet zur gleichzeitigen Kalibrierung des Ionensensors und des Gassensors in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4(a) und (b) bis 6(a) und (b) sind Ansichten der Umgebung der Membranoberfläche zum Erklären des Zustands von Ladungen, die auf der Elektrodenmembranoberfläche durch Ionen und/oder Protein in einer dritten Ausführungsform der Erfindung induziert werden, und die graphischen Darstellungen werden gezeigt.
Erfindungsgemäß wird eine erste Standardpufferlösung durch Verwendung einer Mischungslösung hergestellt, die aus Na&sub2;HPO&sub4; (27,2 mEq/l)/NaH&sub2;PO&sub4; (6,8 mEq/l) und Na&sub2;HPO&sub4; (22,5 mEq/l)/NaH&sub2;PO&sub4; (22,5 mEq/l) vom Phosphatpufferlösungssystem mit jeweiligen pH-Werten von 7,4 und 6,8 zusammengesetzt ist. Durch Zugabe von NaCl zu der Standardpufferlösung wird die Ionenstärke verändert. Das heißt, daß selbst, wenn die Na&spplus;-Ionenkonzentration in der Phosphatpufferlösung konstant ist, die Ionenstärke mit der Dissoziation der nebeneinander vorliegenden Nacl-Lösung, wie durch folgende Gleichung gegeben, verändert wird
pH = pKa+log[[HPO&sub4;²&supmin;] / [H&sub2;PO&sub4;&supmin;]] - (2n-1){0.5a91[ I/[1+ I] - o.1I]} --- (4)
worin: I (Ionenstärke) = 1/2 Zi² Ci
pKa: Dissoziationskonstante von Phosphat
Zi: Ionenwertigkeit
Ci: Ionen-Molkonzentration
n: Index, der für die Pufferlösung gegeben ist als
HnAn- Hn-1A(nH)- + H&spplus;
n =1 when
H&sub2;PO&sub4;&supmin; HPO&sub4;²&supmin; + H&spplus;
Mindestens zwei Standard-Pufferlösungen mit einer Ionenstärke, die im wesentlichen identisch mit der der zu untersuchenden Lösung ist und mit unterschiedlichen pH-Werten werden auf der Grundlage von Gleichung (4) hergestellt, und eine Kalibrierformel wird durch Auftragen der elektromotorischen Kräfte eines pH-Sensors oder dergleichen in diesen Standardpufferlösungen, indem man den Sensor in die Lösungen eintaucht, berechnet.
Somit werden Kalibrierlösung und Kalibrierverfahren für pH- Sensoren und ähnliche Ionensensoren erhalten.
Wenn man das gesamte menschliche Blut als zu untersuchende Lösung behandelt, ist die Ionenstärke 0,08 bis 0,18, obwohl sie vereinzelt individuell schwankt.
In diesem Fall kann daher eine Kalibrierlösung hergestellt werden, die eine Identische Ionenstärke hat.
Zweitens wird nun die Herstellung der Kalibrierlösung und das Kalibrierverfahren, das das Ziel der gleichzeitigen Kalibrierung eines Ionensensors und eines Gassensors zum Messen der Ionenkonzentration bzw. des partialen Gasdrucks erfüllen kann, beschrieben.
Wenn CO&sub2;-Gas beispielsweise in Lösung gelöst wird, verändert sich zum Beispiel [H&spplus;], das heißt, der pH-Wert so, daß:
CO&sub2; + H&sub2;O H&sub2;CO&sub3; HCO&sub3;&supmin; + H&spplus;
Durch Verwendung von Bicarbonat-Pufferlösung wie Phosphatpufferlösung kann der pH-Wert der Lösung bei Anwesenheit von CO&sub2; konstant gehalten werden.
In der Bicarbonat-Pufferlösung ist die Carbonat-Dissoziationskonstante K gegeben als
K = [[HCO&sub3;&supmin;] [H&spplus;]] / [CO&sub2;]
Nach dem Gesetz von Henry gilt:
K = [[HCO&sub3;&supmin;] [H&spplus;]] / αPCO&sub2;
worin α : Auflösungskoeffizient
PCO2: Partialdruck von CO&sub2;
Durch Logarithmieren auf beiden Seiten erhält man:
pH = pK + log[[HCO&sub3;&supmin;]/αPCO&sub2;] --- (5)
Man wird sehen, daß es für die Herstellung einer Kalibrierlösung mit einem konstanten pH nötig ist, eine konstante Konzentration von [HCO&sub3;&supmin;] und eine konstanten Partialdruck PCO2 aufrechtzuerhalten.
Die Konzentration von [HCO&sub3;&supmin;] kann durch den Schnittpunkt zwischen den Gleichungen (4) und (5) erhalten werden, indem man sie mit dem Standardpuffer-Lösungssystem mit pH-Wert 7,4 und 6,8 variiert, während [HPO&sub4;²&supmin;]/[H&sub2;PO&sub4;&supmin;] in Gleichung (4) und PCO2 in Gleichung (5) konstant gehalten werden.
Die Erfindung zeichnet sich ferner durch Ladungen aus, die auf der Membranoberfläche einer Festkörper-Membranelektrode durch Ladungen auf in der zu untersuchenden Lösung gelösten Ionen und Proteinen induziert werden.
Insbesondere wird gefunden, daß Ladungen auf Ionen und/oder Proteinen in der zu untersuchenden Lösung Einfluß auf die Oberfläche der Festkörpermembran haben. Es wird experimentell bestätigt, daß dieses Phänomen darauf zurückzuführen ist, daß NaCl-Elektrolyt vorherrscht. Bei der Erfindung wird angestrebt, eine Kalibrierlösung für einen Sensor bereitzustellen, mit der ein System, das erhalten wird, indem man NaCl zu einer Standardpufferlösung hinzufügt, und ein System aus in der zu untersuchenden Lösung gelösten Ionen und/oder Proteinen hinsichtlich des Zustands der Ladungen in Bezug auf die Ladungen, die auf Festkörpermembran-Oberflächen induziert werden, identisch gemacht werden.
Nun werden eine erste Ausführungsform der Erfindung, die die Kalibrierung eines einzigen pH-Sensors betrifft, eine zweite Ausführungsform, die die gleichzeitige Kalibrierung eines pH- Sensors und eines Gas-Sensors betrifft, und eine dritte Ausführungsform, die die Kalibrierung betrifft, um die Ionenstärke identisch mit dem Zustand der Ladungen auf in der zu untersuchenden Lösung gelösten Ionen und/oder Protein zu machen, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Wie in den Tabellen 1-A und 1-B gezeigt, wurden Kalibrierlösungs-Zusammensetzungen mit unterschiedlichen Ionenstärken von 0,05, 0,10, 0,16 und 1,0 gemäß Gleichung (4) als Beispiele 1 bis 8 in zwei Gruppen berechnet, eine mit einem pH in der Nähe von 7,4 (Tabelle 1-A) und die andere mit einem pH in der Nähe von 6,8 (Tabelle 1-B).
Das Verhältnis Na&sub2;HPO&sub4;:NaH&sub2;PO&sub4; in der Standard-Pufferlösung wurde auf 4:1 in den Beispielen 1 bis 4 und auf 1:1 in den Beispielen 5 bis 8 eingestellt.
Durch Auftragen der Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft und dem pH-Wert aus den vorstehenden Tabellen kann eine Kalibrierkurve, die jeder Ionenstärke wie in Fig. 1 gezeigt entspricht, erhalten werden. Tabelle 1-A (ungefähr pH = 7,4) Tabelle 1-B (ungefähr pH = 6,8) Tabelle 1-C Kalibrierlösung
Insbesondere, wenn man vollständiges menschliches Blut (mit einer Ionenstärke von ungefähr 0,15) als zu untersuchende Lösung behandelt, werden die elektromotorischen Kräfte von 151,1 und 187,24 mV, jeweils von dem pH-Sensor in den Kalibrierlösungen I und II in den Beispielen 3 und 7 erhalten, aufgetragen, und eine Kalibrierkurve mit einer Ionenstärke von 0,16, gezeigt durch die gestrichelte Linie in Fig. 1, wird verwendet.
Passende Bereiche für Komponenten der Kalibrierlösungen I und II sind wie in Tabelle 1-C wie vorstehend.
Die elektromotorische Kraft, die von einem pH-Sensor mit gesättigter Natriumchlorid-Kalomelelektrode (SSEC) als Elektrodenpotentialpaar in dem Fall von vollständigem menschlichen Blut erhalten wurde, war 153,30 mV, und dieses Mal war der pH, der bei einer Temperatur von 37 ºC unter Verwendung einer HL- Gasüberwachungsvorrichtung, hergestellt bei Radiometer Co., Ltd. gemessen wurde, 7,367.
Das auf die Kalibrierkurve von Fig. 1 kopierte Ergebnis, wie durch die schwarze Dreieck-Markierung gezeigt, war identisch mit der Ionenstärke von I = 0,16 auf der Kalibrierkurve.
Wenn vollständiges menschliches Blut die zu untersuchende Lösung ist, variiert die Ionenstärke in der Literatur und fluktuiert bei tatsächlichen Messungen, und man nimmt an, daß dies auf individuellen Unterschieden beruht.
Man kann annehmen, daß der Fluktuationsbereich 0,08 bis 0,18 ist, und eine Kalibrierkurve kann hinsichtlich der Ionenstärkewerte in diesem Bereich gebildet werden.

Zweite Ausführungsform

Kalibrierlösungen für die gleichzeitige Kalibrierung von Ionensensor und Gassensor wurden als Beispiele 9 bis 18 hergestellt, die nachstehend in den Tabellen 2-A und 2-B gezeigt sind. Kalibrierlösung I wurde für die Beispiele 9 bis 13 verwendet und Kalibrierlösung II für die Beispiele 14 bis 18. NaHCO&sub3; wurde diesen Kalibrierlösungen hinzugefügt, und die Zusammensetzungen der Kalibrierlösung wurden auf der Grundlage von Gleichung (5) berechnet.
Mischungsgas aus CO&sub2; und O&sub2; wurde in einem Verhältnis von PCO2 = 4,8 kPa (36,1 mm Hg) und PO2 = 4,6 kPa (35,2 mm Hg) in den Lösungen der Beispiele 9 bis 13 und in einem Verhältnis von PCO2 = 10,5 kPa (79,0 mm Hg) und PO2 = 18,9 kPa (142,6 mm Hg) im Fall der Beispiele 14 bis 18 gelöst.
Die NaHCO&sub3;-Menge in der Kalibrierlösung, die für eine gleichzeitige Kalibrierung des Ionensensors und Gassensors geeignet ist, wird wie folgt bestimmt.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, wurde unter Berücksichtigung der Gleichungen (4) und (5) die HCO&sub3;&supmin;-Konzentration in Lösung aus dem Schnittpunkt zwischen Kurven der Gleichungen (4) und (5) bestimmt, indem man [HCO&sub3;&supmin;] alleine in der Umgebung von pH = 7,4 (Fig. 2) und in der Nähe von pH = 6,8 (Fig. 3) variierte, während man [HPO&sub4;²&supmin;]/[H&sub2;PO&sub4;&supmin;] in Gleichung (4) und PCO2 in Gleichung (5) konstant hielt. Tabelle 2-A (ungefähr pH = 7,4, NaHCO&sub3; hinzugefügt) Tabelle 2-B (ungefähr pH = 6,8, NaHCO&sub3; hinzugefügt) Tabelle 2-C Kalibrierlösung
Die schwarzen Kreismarkierungen auf den Kurven stellen tatsächliche Meßwerte dar.
Es wurde bestimmt, daß Beispiel 12 als Kalibrierlösung III angemessen war und Beispiel 16 als Kalibrierlösung IV.
Kalibrierkurven für den pH-Sensor, Kohlendioxid-Gassensor und Sauerstoff-Gassensor können gebildet werden, indem man die elektromotorischen Kräfte des pH-Sensors und Kohlendioxid-Gassensors und den Strom in dem Sauerstoff-Gassensor sowohl in der Kalibrierlösung III als auch IV mißt, die elektromotorischen Kräfte des pH-Sensors und Kohlendioxid-Gassensors gegen den pH-Wert und PCO2-Wert der Lösungen III und IV aufträgt und den Strom in dem Sauerstoff-Gassensor gegen die PO2-Werte aufträgt.
Passende Bereiche der Bestandteile der Kalibrierlösungen III und IV sind wie vorstehend in Tabelle 2-C.
Indem man eine Kalibrierlösung in der vorstehenden Weise erhält, Kalibrierkurven herstellt, indem man einen Messungs-Temperaturbereich von 37 ºC bis 30 ºC betrachtet und gleichzeitig Elektrodeneigenschaften des Sensors festhält, ist es möglich, Kalibrierlösung und Kalibriersystem bereitzustellen, die für kontinuierliche Kontrolle bei biomedizinischer Technik geeignet sind.

Dritte Ausführungsform

Fig. 4 bis 6 veranschaulichen den Zustand der Ladungen, die auf Festkörper-Membranelektrodenoberflächen durch in der zu untersuchenden Lösung gelöste(s) Ionen und/oder Protein induziert werden.
Fig. 4 zeigt das Verhalten von Natrium-Ionen in der zu untersuchenden Lösung, die NaCl enthält, in Bezug auf die Filmoberfläche einer Wasserstoffion-Trägermembran einer Festkörper- Membranelektrode, die in die zu untersuchende Lösung getaucht ist. Wie in (a) gezeigt, werden Natriumionen in der Nähe der Membran-Oberfläche auf der Membranoberfläche eingefangen, wobei sie positive Ladungen induzieren, während negative Ladungen auf der Trägermembran der Elektrode auf der Seite der leitenden Basiszone induziert werden.
Das Membran-Oberflächenpotential E und die Natriumionenkonzentration verhalten sich wie in (b) gezeigt, und die hier verwendete Kalibrierlösung wird in Übereinstimmung mit dem Zustand der auf der Membranoberfläche induzierten Ladungen hergestellt.
Fig. 5 zeigt das Verhalten in dem Fall, in dem Magnesium- und Kalziumionen in der zu untersuchenden Lösung gelöst sind. Wie in (a) gezeigt, induzieren diese Ionen negative Ladungen auf der Wasserstoff-Trägermembranoberfläche, und beispielsweise stehen die Kalziumionenkonzentration und das Membranoberflächenpotential E zueinander in im wesentlichen linearer Beziehung, wie in (b) gezeigt. Dasselbe gilt im Fall von Magnesium- Ionen.
Die Kalibrierlösung wird in diesem Fall daher so hergestellt, daß sie dem Zustand der in der Membranoberfläche induzierten Ladungen entspricht, aus der Betrachtung der in der graphischen Darstellung gezeigten Beziehung.
Fig. 6 betrifft einen Fall, bei dem die zu untersuchende Lösung eine Proteinlösung ist, die gelöstes Rinderserumalbumin als Protein enthält.
Man wird sehen, daß eine Kalibrierlösung, die wie vorstehend eine Proteinlösung als die zu untersuchende Lösung betrifft, so hergestellt wird, daß sie dem Zustand der Ladungen aus der Berücksichtigung der in (b) gezeigten Beziehung entspricht.
Beispiele für Elektroden, die dem Einfluß von adsorbiertem Protein unterworfen sind, sind Ionenselektive Feldeffekttransistor-(ISFET)-Elektroden, Platin-Elektroden, SnO&sub2;-Elektroden und glasartige Kohlenelektroden. Bei ISFET-Elektroden, bei denen Glaselektrode und Sensormembran mit Glas bedeckt sind, verursachte die Schwankung der Proteinkonzentration keine Potentialveränderungen.

Claims

1. Kalibrierlösung für einen Sensor mit einer Festkörperelektrode zum Messen der Ionenkonzentration einer zu untersuchenden Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierlösung eine Standardpufferlösung umfaßt, die eine Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1- Verhältnis ist, und wobei NaCl zu der Pufferlösung hinzugefügt wird, um eine Ionenstärke bereitzustellen, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist.

2. Kalibrierlösung für einen Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Ionensensor ist.

3. Kalibrierlösung für einen Sensor nach Anspruch 2, wobei der Sensor ein pH-Sensor ist.

4. Kalibrierlösung für einen Sensor nach Anspruch 1, wobei die Ionenstärke der Kalibrierlösung in einem Bereich von 0,08 bis 0,18 ist.

5. Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Ionensensors, umfassend die folgenden Schritte:

Einstellen einer Ionenstärke, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist, indem man NaCl zu einer Standardpufferlösung hinzufügt, die eine Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1-Verhältnis ist, und wobei mindestens zwei Referenz-Kalibrierlösungen mit unterschiedlichen pH-Werten hergestellt werden;

Messen der elektromotorischen Kraft in jeder der Referenz-Kalibrierlösungen durch Eintauchen des Sensors in jede Lösung; und

Berechnen einer Kalibrierformel durch Auftragen der elektromotorischen Kräfte gegen die pH-Werte der Referenz-Kalibrierlösungen.

6. Kalibrierlösung für einen Sensor zum gleichzeitigen Kalibrieren eines Ionensensors und eines Gassensors, wobei diese Sensoren mit Festkörper-Elektroden ausgestattet sind, in Hinblick auf die Ionenkonzentration und die gelöste Gaskonzentration in der zu untersuchenden Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierlösung eine Standardpufferlösung umfaßt, die eine Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1: 1-Verhältnis oder in einem 4:1-Verhältnis ist, und daß NaCl zu der Standardpufferlösung hinzugefügt wird, wobei eine Ionenstärke bereitgestellt wird, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist, und daß eine vorbestimmte Menge Bicarbonatpufferlösung hinzugefügt wird, um die Ionenkonzentration im wesentlichen konstant zu halten.

7. Kalibrierlösung für einen Sensor nach Anspruch 6, wobei die Bicarbonatpufferlösung NaHCO&sub3; ist.

8. Kalibrierlösung nach Anspruch 7, die vorbestimmte Mengen an Kohlenstoff- und Sauerstoffgasen enthält.

9. Kalibrierlösung nach Anspruch 8, wobei der Sensor ein Kohlendioxidgas-Sensor ist.

10. Kalibrierlösung für einen Sensor nach Anspruch 9, wobei der Sensor ein Sauerstoffgas-Sensor ist.

11. Kalibrierverfahren zum gleichzeitigen Kalibrieren eines Ionensensors und eines Gassensors, umfassend die folgenden Schritte:

Herstellen von mindestens zwei Kalibrierlösungen durch Hinzufügen einer Bicarbonatpufferlösung zu mindestens zwei Standardpufferlösungen, die jeweils aus einer Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1- Verhältnis zusammengesetzt sind, mit unterschiedlichen pH- Werten und Gas-Partialdruckwerten bei Zugabe von NaCl zum Einstellen einer Ionenstärke, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist, um den pH- Wert zu stabilisieren;

Messen der elektromotorischen Kräfte des Ionen- und Gassensors in den Referenz-Kalibrierlösungen, indem man die Sensoren in die Lösungen eintaucht; und

Berechnen von Kalibrierformeln durch Auftragen der elektromotorischen Kräfte der Ionengassensoren jeweils gegen die pH- Werte und Gas-Partialdruckwerte der Standard-Pufferlösungen.

12. Kalibrierverfahren nach Anspruch 11, wobei die Ionen- und Gassensoren jeweils ein pH-Sensor und ein Kohlendioxidgas-Sensor sind.

13. Kalibrierverfahren zum gleichzeitigen Kalibrieren eines pH-Sensors, eines Kohlendioxidgas-Sensors und eines Sauerstoffgas-Sensors, umfassend die folgenden Schritte:

Herstellen von mindestens zwei Kalibrierlösungen durch Hinzufügen einer Bicarbonatpufferlösung zu mindestens zwei Standardpufferlösungen, die jeweils aus einer Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1- Verhältnis zusammengesetzt sind, mit unterschiedlichen pH-Werten, Kohlendioxid-Partialgasdruckwerten und Sauerstoff- Partialgasdruckwerten bei Zugabe von NaCl zum Einstellen einer Ionenstärke, die im wesentlichen identisch mit der Ionenstärke der zu untersuchenden Lösung ist, um den pH-Wert zu stabilisieren;

Messen der elektromotorischen Kräfte des pH- und Kohlendioxid- Gassensors und auch des Stroms in dem Sauerstoffsensor in den Referenz-Kalibrierlösungen durch Eintauchen der Sensoren in die Lösungen; und

Berechnen von Kalibrierformeln durch Auftragen der elektromotorischen Kräfte des pH- und Kohlenstoff-Gassensors gegen die pH-Werte und Kohlendioxidgas-Partialdruckwerte der Referenz- Kalibrierlösungen;

und auch Berechnen einer Kalibrierformel durch Auftragen des Stromwerts des Sauerstoffsensors gegen den Sauerstoff-Partialdruckwert.

14. Kalibrierverfahren nach Anspruch 11, wobei die Bicarbonatpufferlösung NaHCO&sub3; ist.

15. Kalibrierlösung für Sensoren mit einer Festkörperelektrode zum Messen von Ionenkonzentrationen einer zu untersuchenden Lösung, wobei die Kalibrierlösung eine Standardpufferlösung ist, die eine Mischungslösung aus Na&sub2;HPO&sub4; und NaH&sub2;PO&sub4; in einem 1:1-Verhältnis oder in einem 4:1-Verhältnis umfaßt, und wobei NaCl zu der Pufferlösung hinzugefügt wird, um zu erreichen, daß die Festkörper-Membranoberfläche der Elektrode auf einem Gleichgewichtspotential gehalten wird.