DE9307298U1

DE9307298U1 - Elektrochemischer sensor

Info

Publication number: DE9307298U1
Application number: DE9307298U
Authority: DE
Original assignee: Biomedical Sensors Ltd
Current assignee: Biomedical Sensors Ltd
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2003-05-14
Also published as: JP2761450B2; EP0571112A3; US5262037A; CA2096697A1; AU3873293A; US5310471A; AU646774B2; CA2096697C; EP0571112A2; JPH0647028A

Description

13". Mai 1993
PC 8271/MXD

BIOMEDICAL SENSORS, LTD.

5 Manor Court Yard
Hughenden Avenue

High Wycombe, Buckinghamshire PH13 5RE
Großbritannien

Elektrochemischer Sensor

Diese Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem elektrochemischen Sensor, der einen schnellen Ausfall der darin befindlichen Leiter verhindert. Die Erfindung befaßt sich auch mit einem elektrischen Schaltkreis, der einen elektrochemischen Sensor und eine stromempfindliche Meßvorrichtung umfaßt; und mit einem Verfahren zur Herstellung des elektrochemischen Sensors.

Das U.S. Patent Nr. 3,905,888 offenbart einen elektrochemischen Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks, insbesondere in vivo in biologischen Medien. Der Sensor besitzt zwei Elektroden, welche in einer Kammer angeordnet sind, die einen Elektrolyten enthält und deren Wände sauerstoffdurchlässig sind. Die Elektroden umfassen ein Paar zur Längsachse der Kammer parallele Drähte mit unterschiedlicher Länge. Der längere Draht besitzt eine Isolierschicht in dem Bereich, über den sich der kürzere Draht erstreckt, wobei die aktiven Oberflächen der Elektroden von den nicht isolierten Oberflächen der Drahtenden gebildet werden. Üblicherweise ist die Elektrode mit der längeren aktiven Oberfläche die Anode, und der Draht ist vorzugsweise aus Silber hergestellt. Die Elektrode mit der kürzeren aktiven Oberfläche ist die Kathode, und der Draht ist vorzugsweise aus Platin oder alternativ dazu aus Silber hergestellt.

Falls in der Isolierung der Kathode Löcher vorhanden sind, wachsen Dendriten durch das Loch zur Anode und schließen den Sensor kurz. Um das Problem zu vermeiden, wird die Strecke, über

nichtdie ein/isolierter Teilbereich nahe einem isolierten Teil liegt, minimiert. Diese geometrische Anordnung ist ebenfalls anfällig für Ausfälle, weil das verzehrte Metall vorzugsweise an der Basis der Anode nahe dem distalen Ende der Isolierung liegt, welches der Ort für den kürzesten Strompfad zwischen der Anode und der Kathode ist. Nach einer Weile löst sich die Spitze der Anode von ihrer isolierten Basis, sobald das Silber an dieser verzehrt worden ist.

Man hat nun herausgefunden, daß eine längerlebige und zuverlässigere Konstruktion für die Leiter in einem elektrochemischen Sensor durch den neuartigen Sensor der vorliegenden Erfindung geschaffen wird.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein elektrochemischer Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Blutstrom vorgesehen, der eine Kathode und eine Anode umfaßt, die in einem Elektrolyten eingetaucht sind, welcher in einer geschlossenen, von einer für Sauerstoffgas durchlässigen Membran umschlossenen Kammer enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Kathode als auch die Anode den freiliegenden, nicht isolierten distalen Teil einer Mehrzahl von langgestreckten isolierten Leitern umfaßt, von denen jeder eine freiliegende nicht isolierte distale Endoberfläche und ein proximales Ende besitzt; wobei die langgestreckten isolierten Leiter mit einer Halterung verbunden sind, die jeden Leiter so positioniert, daß die isolierten Teile parallel sind, und daß der langgestreckte Leiter oder die langgestreckten Leiter, welche die Anode bilden, in eine ¹¹U"-förmige Gestalt umgebogen sind, so daß ihre freiliegende distale Endoberfläche der distalen Endoberfläche der Kathode gegenüberliegt; wobei der Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden distalen Endoberflächen der Kathode und Anode mit einem Elektrolyten gefüllt ist, um das Fließen von elektrischer Stromenergie über den Zwischenraum zu ermöglichen; und wobei das proximale Ende jedes der Leiter zum Verbinden mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen stromempfindlichen

Meßvorrichtung angepaßt ist, um Änderungen im elektrischen Stromfluß zwischen den distalen Endoberflächen zu überwachen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors umfassen sowohl die Kathode als auch die Anode einen einzigen Leiter. Vorzugsweise sind die einander gegenüberliegenden distalen Endoberflächen parallel zueinander, obwohl dies nicht notwendig ist.

Vorzugsweise ist die Kathode aus Silber hergestellt und die Anode ist aus Silber ober Silberchlorid hergestellt.

Der Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden distalen Endoberflächen der langgestreckten isolierten Leiter umschließt etwa gleiche Abstände zwischen den gegenüberliegenden distalen Endoberflächen. Der Elektrolyt, vorzugsweise eine gepufferte Kaliumchloridlösung, welcher den Zwischenraum füllt, ermöglicht einen elektrischen Stromfluß über den Zwischenraum und zwischen den distalen Endoberflächen.

Die Erfindung stellt auch einen elektrischen Schaltkreis für die In-Vivo-Überwachung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Blutstrom eines Patienten bereit, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er in Kombination einen elektrochemischen Sensor, wie oben beschrieben, umfaßt, der über das proximale Ende jedes der Leiter mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen stromempfindlichen Meßvorrichtung verbunden ist, wodurch Änderungen im elektrischen Stromfluß zwischen den distalen Endoberflächen der Leiter überwacht werden können.

Am meisten bevorzugt besitzt der elektrische Schaltkreis zwei Leiter in mehrfacher Ausfertigung. Die gegenüberliegenden distalen Endoberflächen sind bevorzugt im wesentlichen parallel zueinander, obwohl dies nicht notwendig ist. Eine elektrochemische Zelle ergibt sich bevorzugt aus den Leitern, dem Elektrolyten im Zwischenraum und der an eine Stromquelle angeschlossenen stromempfindlichen Meßvorrichtung. Die

elektrochemische Zelle ist eine sauerstoffempfindliche Vorrichtung, die einen Stromfluß zwischen einem Leiter, der eine Anode ist, und einem anderen Leiter, der eine Kathode ist, erzeugt. Der Strom ist an den proximalen Enden meßbar.

Der Elektrolyt ist innerhalb einer gasdurchlässigen Membran enthalten, welche ein Hindurchdiffundieren von Sauerstoff zuläßt, und die Kathode ist ein isoliertes Metall, vorzugsweise Silberdraht, und die Anode ist ein isolierter Silber- und/oder Silberchloriddraht. Jeder Draht ist nahe seiner jeweiligen distalen Endoberfläche abisoliert. Die Membran ist vorzugsweise so groß, daß sie in einen Katheter hineinpaßt, der einen solchen Durchmesser und eine solche Länge aufweist, daß er in das Gefäßsystem eines Menschen oder Tiers eingeführt werden kann. Vorzugsweise besitzt die abisolierte Kathode eine kürzere Länge als die Länge der abisolierten Anode. Die langgestreckte Anode wird vorzugsweise parallel zu der langgestreckten Kathode gehalten, und die Anode ist nahe dem Übergang zwischen dem abisolierten Teilbereich und dem isolierten Teil umgebogen. Dort ist die Anode in eine "U"-Form umgebogen, so daß ihre distale Endoberfläche der distalen Endoberfläche der Kathode gegenüberliegt.

Der elektrochemische Sensor , der eine in einem Elektrolyten eingetauchte Kathode und Anode umfaßt, kann durch ein Verfahren hergestellt werden, welches die Schritte umfaßt:

Umbiegen eines langgestreckten isolierten Leiters mit einem in einer freiliegenden nicht isolierten Endoberfläche endenden freiliegenden nicht isolierten distalen Teil und einem proximalen Ende in eine "U"-Form, so daß der freiliegende nicht isolierte distale Teil einen Arm des "U" bildet und die freiliegende nicht isolierte Endoberfläche in die gleiche Richtung wie das proximale Ende zeigt;

Positionieren eines langgestreckten isolierten Leiters mit einem in einer freiliegenden nicht isolierten Endoberfläche endenden nicht isolierten distalen Teil benachbart zu dem langgestreckten isolierten Leiter, so daß die freiliegenden

nicht isolierten Endoberflächen jedes der Leiter einander gegenüberliegen, um eine Kathode und eine gegenüberliegende Anode mit einem Zwischenraum dazwischen zu bilden;

Anbringen der positionierten Kathode und der gegenüberliegenden Anode innerhalb und parallel zur Achse eines von einer gasdurchlässigen Membran umschlossenen hohlen Rohrs;

Abdichten der isolierten Teile der Leiter innerhalb des proximalen Endes des Rohrs;

Füllen des Rohrs mit einem Elektrolyten, so daß der Zwischenraum zwischen der Kathode und der Anode und das die Kathode und Anode umgebende Volumen mit Elektrolyt gefüllt sind; und

Abdichten des distalen Endes des Rohrs, um eine die Kathode, die Anode und den Elektrolyten enthaltende geschlossene Kammer zu bilden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform näher beschrieben, die in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht ist, in welchen:

Figur 1 eine perspektivische und schematische Ansicht eines elektrischen Schaltkreises ist;

Figur 2 eine vergrößerte Seitenansicht, (teilweise) im Querschnitt, eines Sauerstoff-Sensors nach dem Stand der Technik, wie demjenigen in Figur 1 ist, wie man ihn sehen würde, wenn der Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Figur 1 vorgenommen worden wäre. Der Sensor in Figur 2 ist demjenigen ähnlich, der im U.S. Patent 3,905,888 offenbart ist;

Figur 3 eine vergrößerte Seitenansicht, (teilweise) im Querschnitt, eines Sauerstoff-Sensors, wie demjenigen in Figur 1 ist, wie man ihn sehen würde, wenn der Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Figur 1 vorgenommen worden wäre. Der Sensor in Figur 3 ist ein Versuch die Schwierigkeiten der Anordnung in Figur 2 zu lösen; und

Figur 4 eine vergrößerte Seitenansicht, (teilweise) im Querschnitt, eines Sauerstoff-Sensors, wie demjenigen in Figur 1 ist, jedoch wie man ihn sehen würde, wenn der Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Figur 1 vorgenommen worden wäre. Der Sensor in Figur 4 enthält eine verbesserte Anordnung für die Kathode und Anode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 der Zeichnungen veranschaulicht in schematischer Form einen elektrischen Schaltkreis 10, der eine von einer gasdurchlässigen Membran 19 umschlossene geschlossene Kammer umfaßt, die zwei langgestreckte isolierte Leiter enthält (siehe Figuren 2 bis 4) mit proximalen Enden 14, die mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen Strommeßvorrichtung 18 verbunden sind.

Die geschlossene Kammer des elektrischen Schaltkreises 10 umfaßt bei einer bevorzugten Ausführungsform einen elektrochemischen Sensor zum Anbringen im Gefäßsystem eines Menschen oder Tiers und besitzt so einen Durchmesser, der ausreichend klein ist, so daß sie innerhalb eines Katheters untergebracht werden kann, der zum Einführen in ein Blutgefäß, beispielsweise eine Arterie angepaßt ist.

Wie in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt, umfaßt der elektrochemische Sensor eine Mehrzahl von langgestreckten isolierten Leitern 11 und 12, von denen jeder eine freiliegende nicht isolierte distale Endoberfläche 13 und ein proximales Ende 14 besitzt (Figur 1) . Die Leiter 11 und 12 sind bei der bevorzugten Ausführungsform der Figur 4 dünne Drähte, die für die Kathode aus Silber und für die Anode aus Silber oder Silberchlorid, jeweils mit einer Polyester-Isolierung hergestellt sind. Die bevorzugte Ausführungsform ist so gestaltet, daß sie den Sauerstoffpartialdruck mißt, mit dem der Blutstrom beladen ist.

Die distale Endoberfläche 13 jedes Leiters 11 oder 12 ist

bevorzugt im wesentlichen senkrecht zu dessen langgestrecktem Leiterdraht ausgerichtet. Eine mit der Mehrzahl langgestreckter isolierter Leiter 11 oder 12 verbundene Halterung 15 positioniert jeden Leiter 11 oder 12 so, daß seine nicht isolierte distale Endoberfläche 13 in einer allgemein gegenüberliegenden Beziehung zu den distalen Endoberflächen 13 eines oder mehrerer anderer langgestreckter isolierter Leiter 11 oder 12 angeordnet ist.

Ein Zwischenraum 16 zwischen den gegenüberliegenden distalen Endoberflächen 13 der langgestreckten isolierten Leiterdrähte umschließt etwa gleiche Abstände zwischen den gegenüberliegenden distalen Endoberflächen. Ein Elektrolyt 17 ist innerhalb des Zwischenraums 16 angeordnet, so daß die Elektrochemie einen elektrischen Stromfluß über den Zwischenraum 16 und zwischen den distalen Endoberflächen 13 als Funktion der Menge einer In-vivo-Gas-, d.h. Sauerstoffbeladung ermöglicht. Der Elektrolyt 17 ist bevorzugt eine gepufferte Kaliumchloridlösung. Eine an eine Stromquelle angeschlossene stromempfindliche Meßvorrichtung 18, wie in Figur 1 dargestellt, zum Beispiel ein Amperemeter und eine Batterie, ist mit den proximalen Enden 14 der langgestreckten isolierten Leiter 11 und 12 verbunden. Insbesondere ist das proximale Ende der Anode in einer wohlbekannten Weise mit dem positiven Anschluß der Batterie verbunden. Das Amperemeter überwacht so Änderungen im Stromfluß durch den Elektrolyten 17 zwischen den distalen Endoberflächen 13.

Die bevorzugte Ausführungsform des elektrischen Schaltkreises 10 besitzt zwei Leiter 11 und 12 in mehrfacher Ausführung. Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen jeweils nur zwei Leiter 11 und 12. Die gegenüberliegenden distalen Endoberflächen 13 sind im wesentlichen parallel zueinander. Obwohl parallele gegenüberliegende Enden nicht notwendig sind, sollten die Enden einander benachbart sein, so daß eine dazwischenliegende elektrochemische Zelle den nicht isolierten Draht derselben nur vom distalen Ende auf das proximale Ende zu verzehrt. Dies war

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bei den bekannten Gassensoren nicht der Fall.

Um die Zelle vom Blutstrom zu trennen und gleichzeitig eine Messung von In-Vivo-Gas zuzulassen, ist der Elektrolyt 17 innerhalb eines Behältnisses 23 enthalten, das von einer für Sauerstoffgas durchlässigen Membran 19 umschlossen ist, die ein Hindurchdiffundieren von Sauerstoff zuläßt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Figur 4 ist der Leiter 11 ein isolierter Silberdraht und die Kathode 20 ist ein freiliegender distaler Teil desselben. Der Leiter 12 ist ein isolierter Silber- oder Silberchloriddraht, und die Anode 21 ist ein freiliegender distaler Teil desselben. Sowohl die Kathode als auch die Anode enden in einer freiliegenden distalen Endoberfläche 13. Die gasdurchlässige Membran 19 ist so groß, daß sie in einen Katheter (nicht dargestellt) paßt, der einen solchen Durchmesser und eine solche Länge aufweist, daß er in das Gefäßsystem eines Menschen oder Tiers eingeführt werden kann.

Eine elektrochemische Zelle ergibt sich aus den Leiterdrähten, dem Elektrolyten 17 im Zwischenraum 16 und der an eine Stromquelle, beispielsweise eine Batterie, angeschlossenen stromempfindlichen Meßvorrichtung 18 zwischen den proximalen Enden 14. Die elektrochemische Zelle ist eine sauerstoffempfindliche Vorrichtung, die zwischen einem Leiterdraht, der die Anode 21 ist, und einem anderen Leiterdraht, der die Kathode 2 0 ist, einen Stromfluß erzeugt. Der Strom ist an den proximalen Enden 14 meßbar, die sich zweckmäßig außerhalb des Gefäßsystems befinden.

Der bevorzugte Sauerstoff-Sensor wird vorzugsweise in einer Schutzhülle (nicht dargestellt) mit einem Gesamtdurchmesser getragen, der zum Einführen durch einen Katheter, zum Beispiel mit Eichmaß 20, geeignet ist, wobei der Katheter so angepaßt ist, daß er in eine Öffnung des Gefäßsystems eines Menschen oder Tiers eingeführt werden kann. In Figur 4 besitzt die abisolierte Kathode 20 eine kürzere Länge als die Länge der abisolierten Anode 21. Wie in Figur 4 dargestellt, wird die langgestreckte

Anode im allgemeinen parallel zur Kathode 20 gehalten und ist in der Nähe des Übergangs zwischem dem abisolierten Teilbereich 21 und dem isolierten Teil der Anode in eine "U"-Form 22 umgebogen, so daß ihre distale Endoberfläche 13 der distalen Endoberfläche 13 der Kathode 21 gegenüberliegt. Während die Figuren zeigen, daß sich die Isolierung entlang der Anode 21 über die "U"-förmige Biegung 22 hinaus erstreckt, ist dies nicht erforderlich, solange die distale Endoberfläche 13 der Anode 21 der distalen Endoberfläche 13 der Kathode 20 näher ist, wie in Figur 4 dargestellt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Sensors mit der Anode 21 und der Kathode 2 0 umfaßt den ersten Schritt eines Umbiegens des Leiters 12 nahe des Übergangs zwischen dem isolierten Teil und dem abisolierten Teil der Anode 21 in eine "U"-Form 22, so daß ihre nicht isolierte distale Endoberfläche 13 in Richtung ihres proximalen Endes 14 zeigt. Der zweite Schritt positioniert die Kathode 20 benachbart zum isolierten Teil des Leiters 12, wobei die nicht isolierte distale Endoberfläche 13 der Kathode 20 der distalen Endoberfläche 13 der Anode 21 mit einem Zwischenraum 16 dazwischen gegenüberliegt. Figur 4 zeigt die Anbringung und Anordnung der Anode 21 und der Kathode 2 0 bei der bevorzugten Ausführungsform. Der nächste Schritt umfaßt ein Anbringen der positionierten Kathode 20 und der gegenüberliegenden Anode 21 innerhalb eines von der gasdurchlässigen Membran 19 umschlossenen hohlen Rohrs, wobei die Anode 21 und die Kathode 20 parallel zur Achse A, siehe Figur 1, des gasdurchlässigen Membranrohrs 19 sind. Ein Abdichten der isolierten Teile des Leiters 11 und des Leiters 12 an der Halterung 15 proximal vom Zwischenraum 16 schafft eine von dem gasdurchlässigen Membranrohr 19 umschlossene elektrochemische Zellenkammer 23. Das Abdichten kann in jeder beliebigen herkömmlichen, auf dem Gebiet bekannten Weise, oder vorzugsweise durch Schmelzen des gasdurchlässigen Membranrohrs 19 erfolgen, das die Leiter 11 und 12 in einer Beziehung im Abstand voneinander und parallel zueinander umgibt und hält. Die Kammer 23 wird dann mit einem Elektrolyten 17 gefüllt, der die

gegenüberliegenden distalen Endoberflächen 13 umgibt. Ein Abdichten des distalen Endes des gasdurchlässigen Membranrohrs 19 vervollständigt die Herstellung der elektrochemischen Zelle.

Claims

11 Schutzansprüche

1. Elektrochemischer Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Blutstrom, umfassend eine Kathode und eine Anode, die in einem Elektrolyten (IV) eingetaucht sind, welcher in einer Kammer (23) enthalten ist, die von einer für Sauerstoffgas durchlässigen Membran (19) umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Kathode

(20) als auch die Anode (21) den freiliegenden, nicht isolierten distalen Teil einer Mehrzahl von langgestreckten isolierter Leitern (11, 12) umfaßt, von denen jeder eine freiliegende nicht isolierte distale Endoberfläche (13) und ein proximales Ende (14) besitzt, wobei die langgestreckten isolierten Leiter mit einer Halterung (15) verbunden sind, die jeden Leiter so positioniert, daß die isolierten Teile parallel sind, und daß der langgestreckte Leiter oder die Leiter (12), welche die Anode

(21) bilden, in eine "U"-förmige Gestalt (22) umgebogen sind, so daß ihre freiliegende distale Endoberfläche (13) der distalen Endoberfläche (13) der Kathode (20) gegenüberliegt; wobei der Zwischenraum (16) zwischen den gegenüberliegenden distalen Endoberflächen (13) der Kathode (20) und Anode (21) mit einem Elektrolyten (17) gefüllt ist, um das Fließen von elektrischer Stromenergie über den Zwischenraum zu ermöglichen; und wobei das proximale Ende (14) jedes der Leiter zum Verbinden mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen stromempfindlichen Meßvorrichtung (18) angepaßt ist, um Änderungen im elektrischen Stromfluß zwischen den distalen Endoberflächen (13) zu überwachen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Kathode (20) als auch die Anode (21) einen einzigen Leiter umfassen.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (20) aus Silber und die Anode (21) aus Silber oder Silberchlorid hergestellt ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine gepufferte Kaliumchloridlösung ist.

5. Elektrischer Schaltkreis für die In-Vivo-Überwachung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Blutstrom eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, daß er in Kombination einen elektrochemischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt, der über das proximale Ende (14) jedes der Leiter (11, 12) mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen stromempfindlichen Meßvorrichtung (18) verbunden ist, wodurch Änderungen im elektrischen Stromfluß zwischen den distalen Endoberflächen (13) der Leiter überwacht werden können.