EP2791662A1 - Referenzelektrode - Google Patents

Referenzelektrode

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Publication number
EP2791662A1
EP2791662A1 EP11808184.3A EP11808184A EP2791662A1 EP 2791662 A1 EP2791662 A1 EP 2791662A1 EP 11808184 A EP11808184 A EP 11808184A EP 2791662 A1 EP2791662 A1 EP 2791662A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrolyte
modifying
reference electrode
diaphragm
electrode according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11808184.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Thrier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mettler Toledo Schweiz GmbH
Original Assignee
Mettler Toledo AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mettler Toledo AG filed Critical Mettler Toledo AG
Publication of EP2791662A1 publication Critical patent/EP2791662A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/301—Reference electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/302—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells pH sensitive, e.g. quinhydron, antimony or hydrogen electrodes
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/411—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing of liquid metals
    • G01N27/4115—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • G01N27/4117—Reference electrodes or reference mixtures
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    • G01N27/4166—Systems measuring a particular property of an electrolyte
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    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/4166—Systems measuring a particular property of an electrolyte
    • G01N27/4167—Systems measuring a particular property of an electrolyte pH

Definitions

  • the invention relates to a reference electrode for an electrochemical measuring chain with a porous diaphragm whose surface is modified in-situ.
  • Reference electrodes are used in numerous electrochemical sensors and / or measuring chains, for example in potentiometric or amperometric sensors. These electrochemical sensors are used in the laboratory as well as in various industries, such as the chemical industry, the food industry, biotechnology or the pharmaceutical industry.
  • Known reference electrodes include, for example, a housing in the interior of which a reference electrolyte is located, via an overpass, too
  • Liquid connection or called "liquid junction” in contact with a
  • Measuring medium is.
  • reference electrodes which in addition to the reference electrolyte also comprise a bridge electrolyte, wherein the bridge electrolyte via a transfer, also called liquid connection or "liquid junction", is in contact with a measuring medium and via a further transfer with the
  • Reference electrolyte is in contact.
  • dual-chamber systems are used in particular when the electrolyte must not come into direct contact with the measuring medium.
  • the substances and materials coming into contact with the measuring medium should be chemically inert towards the measuring medium and preferably harmless, in particular non-toxic.
  • the reference electrodes should be easy to clean and sterilize.
  • the known cleaning methods include, for example, CIP and / or SIP cycles, the be carried out under high temperatures with highly concentrated alkalis or acids.
  • the so-called biofouling, ie deposits and deposits of foreign substances or interfering substances should be prevented in particular on the diaphragm surface.
  • the transfer for example, be an open transfer or be designed as a porous diaphragm. The transfer should, on the one hand, have the lowest possible electrical resistance and, on the other hand, stop the mixing of the reference or bridge electrolyte and of the medium to be measured
  • Reference electrodes with open transfer in combination with a solid or solidified reference electrolyte for example a polymer electrolyte.
  • a solid or solidified reference electrolyte for example a polymer electrolyte.
  • an uncontrolled outflow of the reference electrolyte can be prevented or at least greatly reduced by the open transfer into the measuring medium.
  • the polymer electrolytes used often consist of organic
  • Diaphragm can also prevent or at least greatly reduce the uncontrolled outflow of the reference or bridge electrolyte by the transfer into the medium.
  • Porous diaphragms can be used, for example, in
  • printed reference electrodes are used, as disclosed inter alia in DE 3 702 501 A1. These are designed such that the reference electrolyte exits continuously through the diaphragm from the pressurized reference electrode due to an increased internal pressure. So the
  • Reference electrolyte is not consumed too fast, the pores of the diaphragm should be as small as possible. By the pressurization, both a possible penetration of the measuring medium and an addition or clogging of the pores of the diaphragm by the exiting reference electrolyte can be prevented or at least reduced.
  • reference electrodes with porous diaphragms also show disadvantages when used in biomass or protein-containing measuring media.
  • Difficulty in the use of reference electrodes in protein-containing measuring media is the so-called biofouling.
  • Most naturally occurring proteins have a negative charge at neutral pH and thus have an affinity for adsorption to oxidic surfaces.
  • diaphragms consist of oxidic substances, such as, for example, oxidic ceramics, so that they can be contaminated and / or clogged, in particular if small-pore diaphragms are used, in particular in protein-containing measuring media. Diaphragm contamination by protein-containing measuring media leads to transfer
  • the diaphragm should also be free from contamination during use in protein-containing measuring media or in biomass during operation.
  • Bridges electrolyte pulls With thickened and thus less flowable reference or bridge electrolytes cleaning of the diaphragm by flushing can not be achieved, also many of the thickening agents used are organic substances that can not be classified as harmless and can contaminate the medium, for example.
  • the reference or bridge electrolyte can of course also be used with naturally occurring and substantially acceptable polymers, such as agar-agar or cellulose, but these substances do not withstand the specified
  • the object of the invention is therefore the development of an improved
  • Reference electrode which provides reliable and reproducible results even when measurements in biomasses and protein-containing measuring media and is also resistant to the known cleaning methods and process conditions.
  • Sensors comprising a housing, a discharge element, a flowable modifying electrolyte disposed in the housing and a porous diaphragm.
  • the porous diaphragm constitutes a fluid connection or a transfer between the modifying electrolyte and a measuring medium, the modifying electrolyte exiting through the diaphragm during operation.
  • the modifying electrolyte comprises a first component and a surface-modifying component which surrounds the surface of the diaphragm as it passes through
  • the in-situ modification of the diaphragm surface is advantageous over a factory modification, since this can be carried out in the operation of the reference electrode, ie in-situ, and an aging and / or cleavage of a before in
  • Diaphragm for example, during the implementation of CIP and / or SIP processes or when using aggressive measuring media, can be largely prevented.
  • the reference electrode diaphragm is made of a porous material having continuous pores in the interior of the diaphragm.
  • Diaphragms referred to herein thus not only designates the surface facing the measuring medium but also the surface provided by the pores.
  • the first component of the modifying electrolyte may be an electrolytically conductive and / or potential-determining substance, as frequently used in or as a reference or reference electrolyte.
  • the first component is electrolytically conductive, wherein preferably equitransferent salts are used, their anions and cations in aqueous solution in
  • Equitransferenter salts is advantageous because so disturbing diffusion potentials can be reduced at the transfer.
  • the first component may comprise a chloride compound such as KCl, NaCl, MgCl 2 or CsCl 2 .
  • the bridge electrolyte may include, for example, Na 2 S0 4 as a first component.
  • the bridge electrolyte may include, for example, Na 2 S0 4 as a first component.
  • other known as reference or bridge electrolytes substances as the first component of
  • the first component comprises a pH buffer system and in redox reference systems a redox buffer.
  • the first component of the modifying electrolyte becomes
  • aqueous solutions in particular an aqueous potassium chloride solution is used, preferably in a concentration of 3 mol / L.
  • porous diaphragm serves to prevent or at least greatly reduce biofouling on the surface of the porous diaphragm, which has already been attempted by various means.
  • Porous diaphragms can be made, for example, with an inert polymer,
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • hydrophilic cross-linked hydrogel are coated.
  • these layers are difficult to apply, partially dissolve easily and are also relatively thick, reducing the pores the porous diaphragms become too narrow, which may result in undesirable, elevated diaphragm resistances.
  • the modifying electrolyte comprises a surface-modifying compound in addition to the first component
  • Component which, by virtue of its characteristics, is capable of in situ modifying the surface of the diaphragm so as to target proteins and / or
  • Repulsive amino acids acts.
  • the modification takes place in-situ, so that it is also possible to use substances as surface-modifying components which bind reversibly to the surface and thus change the surface charge. Preference is given to surface-modifying substances which also bind quickly to the surface.
  • the surface-modifying component is added to the modifying electrolyte exiting the diaphragm during operation so that the diaphragm surface, during operation of the diaphragm
  • Reference electrode a uniform occupancy with the surface-modifying component, even when using a reversibly adsorbing surface-modifying component or when using a substance as a surface-modifying component, which are replaced, for example by the usual cleaning method of the diaphragm surface.
  • the surface-modifying component used should be non-toxic. This is particularly important when the inventive
  • Reference electrode for measurements in biomass or protein-containing solutions to be used.
  • the reference electrode is configured such that in use the modifying electrolyte continuously exits through the porous diaphragm so that the surface-modifying component can continuously modify the surface of the diaphragm.
  • This refinement of the reference electrode is particularly advantageous, since the continuous passage of the modifying electrolyte through the porous electrolyte
  • reversible bonding may be via hydrogen bonds, electrostatic interactions, or Van der Waals forces.
  • Reference electrode be pressurized. Due to diffusion and capillary forces, even with a non-pressurized reference electrode, the diaphragm surface would be slowly coated with the surface-modifying component in the modifying electrolyte or it would be on the surface thereof
  • the modifying electrolyte flows through the diaphragm at a constant exit velocity, so that new surface-modifying components are continually introduced through the pores of the diaphragm
  • Diaphragm is passed.
  • the modifying electrolyte may be a reference electrolyte into which the diverting element is immersed.
  • the modifying electrolyte may be a bridge electrolyte, which via the diaphragm with the Measuring medium is in contact.
  • the reference electrode also has a reference electrolyte and a reference housing with a further diaphragm, wherein the diverting element dips into the reference electrolyte and the reference electrolyte is in contact with the bridge electrolyte via the further diaphragm.
  • Such reference electrodes can, for example, a
  • Dual chamber system comprising an inner and an outer electrolyte, wherein the outer electrolyte, the bridge electrolyte, with the measuring medium in contact via a diaphragm and comprises the surface modifying component.
  • a further embodiment is the embodiment of a reference electrode according to the invention as a pH electrode, which is a pH buffer system as the first
  • Component of the modifying electrolyte comprises. Such systems are also referred to as the differential pH measuring chain.
  • the pH buffer system can be the first
  • Component comprise a potential determining substance, such as an acetate or citrate buffer.
  • a potential determining substance such as an acetate or citrate buffer.
  • the surface-modifying component one of the already mentioned substances can be used.
  • Substances which adsorb or deposit on the diaphragm surface and subsequently inhibit the protein absorption or the addition of other or further foreign substances can be used as the surface-modifying component.
  • the substance used as surface-modifying component is non-toxic and chemically inert to the measured medium.
  • the subsequent adsorption of foreign substances or interfering substances, such as proteins, can be inhibited either by electrostatically acting or by sterically demanding substances. Electrostatically active substances change the surface charge of the
  • Diaphragm which inhibits the adsorption of foreign substances on the diaphragm surface and thus prevents or at least reduces biofouling. Adsorption on the diaphragm surface is enhanced or accelerated when attractive surface forces prevail for the adsorbent, for example proteins.
  • the diaphragm surface modified by an electrostatic substance has a charge or forces repulsive for adsorption, so that disturbing protein adsorption on the diaphragm surface is electrostatically inhibited. It should be noted that the charge of the diaphragm, as well as the adsorbent is often a pH-dependent size.
  • a sterically demanding substance can be used as a surface-modifying component which can sterically hinder or even prevent the addition of substances contained in the measurement medium, in particular of proteins.
  • sterically demanding substances are referred to, which can significantly hinder the adsorption of other substances on the diaphragm surface by their space filling.
  • the steric hindrance can also affect the reaction kinetics and, for example, slow down competing adsorptions, since the adsorption of further substances by the already adsorbed bulky substance can be prevented.
  • An example of a sterically demanding substance is polyethylene glycol (PEG).
  • the surface-modifying component may be an organic substance comprising at least one hydroxy substituent and at least one carbonyl substituent. These substances can u. a. bind to the diaphragm surface via hydrogen bonds and thus inhibit the adsorption of other substances, such as proteins.
  • organic acids such as organic acids
  • the exemplified carboxylic diacids are negatively charged and, due to their intrinsic charge, adsorb particularly effectively on positively charged diaphragm surfaces.
  • Malic acid, ascorbic acid or other reducing substances are preferably used in reference electrodes with silver chloride-free modifying electrolyte, since these can cause an undesirable reduction of silver chloride to silver, especially at elevated temperatures.
  • citric acid or its salts due to their reduction potential reference electrodes with
  • Silver chloride-containing modifying electrolyte even at elevated temperatures substantially not change. Therefore, in particular citric acid, as well as their salts, are suitable for use as a surface-modifying component in Ag / AgCl reference electrodes.
  • the reference electrode may include polylysine-polyethylene glycol (PLy-PEG) as a surface-modifying component.
  • PEG polylysine-polyethylene glycol
  • This substance can adsorb by means of its polyamino acid part on an oxidic surface, after which the surface facing away from the PEG part can prevent the adsorption of other interfering foreign substances or interfering substances.
  • foreign substances for example, proteins and other molecules from a biomass are referred to, which adsorb on a blank diaphragm surface or occupy it, thereby clogging the diaphragm and thus make it useless.
  • the surface-modifying component is added to the modifying electrolyte in a low concentration of less than 0.1 weight percent (wt.%), And more preferably from about 0.01 to 0.1 wt.%.
  • Concentration is sufficient to ensure a modification of the diaphragm surface, and at the same time is so low that the occurrence of disturbing diffusion potentials by the added surface-modifying component in the
  • the porous diaphragm may comprise a ceramic material or a metallic structure having a large surface area.
  • Zirconia-containing ceramics are preferably used, since they are particularly stable to alkalis, ie in particular also stable with respect to the known ones
  • Cleaning methods are, and therefore are particularly suitable for use as a porous diaphragm in a reference electrode.
  • aluminum-silicate ceramics can be used as porous diaphragms, but these are much less resistant to the usual cleaning methods.
  • An example of a metallic structure is a bundle, capillaries or balls of metal wires, which consist for example of a noble metal and in particular of passivated platinum.
  • Another aspect of the invention relates to a method for the in-situ modification of a porous diaphragm, which is arranged as a transfer or fluid connection in a reference electrode according to the invention.
  • This method includes, among other things, adding a surface-modifying component to a modifying electrolyte disposed in the reference electrode, as well as ensuring the exit of the modifying electrolyte through the porous diaphragm. In this way, the surface of the diaphragm of a
  • Reference electrode in operation - ie in situ - be modified and a clogging and / or contamination of the diaphragm by others, for example in
  • the reference electrode is pressurized to a continuous passage of the modifying electrolyte through the
  • a reference electrode according to the invention and the method for the in-situ modification of a porous diaphragm of a reference electrode according to the invention are explained below with reference to the figures, wherein the same features are provided with the same reference numerals.
  • the exemplary embodiments are described in particular with reference to a pH measuring chain with a reference electrode according to the invention which comprises a reference electrolyte.
  • the term reference electrolyte will therefore be partially in the following used synonymously with the term modifying electrolyte.
  • reference electrode according to the invention can also be used with other electrochemical measuring chains or sensors.
  • the figures show:
  • Fig. 1 is a schematic representation of a combined pH electrode with a
  • Fig. 2 is a schematic representation of a combined pH electrode with a
  • Reference electrode in longitudinal section, wherein the reference electrode comprises a reference and a bridge electrolyte
  • Fig. 3 is a schematic representation of a measurement setup for measuring a pH reference electrode against an external reference of the same type.
  • FIG. 5 time-voltage diagrams of an Ag / AgCl reference electrode against an external reference of the same type, wherein the measuring medium after 600 s sodium citrate was added and the reference electrode
  • a zirconia diaphragm having an average pore size of 70 nm or 120 nm;
  • Fig. 6 is a time-voltage diagram of an Ag / AgCl reference electrode to an external reference of the same design, the modifying electrolyte was mixed with 5x10 "4 mol / L sodium citrate;
  • Fig. 7 time-voltage diagram of an Ag / AgCl reference electrode whose
  • modifying electrolyte was added with 5x10 "4 mol / L sodium citrate, against an external reference of the same type, wherein the measuring medium after 600 s sodium citrate was added and the reference electrode
  • a zirconia diaphragm having an average pore size of 70 nm or 120 nm;
  • a zirconia diaphragm having an average pore size of 400 nm or 800 nm.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a combined pH electrode with a pressurized reference electrode in section.
  • the reference electrode has a substantially tubular housing 1, which is filled with a reference electrolyte 2 and in the wall of a transfer is arranged, which is here designed as a porous diaphragm 3 and through which the reference electrolyte 2 emerges continuously during operation.
  • a first electrolyte 2 dives a first electrolyte 2
  • Reference element or discharge element 4 a Reference element or discharge element 4 a.
  • the pH measuring chain consists of a housing 1 arranged
  • Inner housing 5 which has a pH-sensitive glass membrane 6 and is filled with an inner buffer 7.
  • a second discharge element 8 protrudes.
  • the pH measuring chain dips into a measuring medium 9, so that
  • the glass membrane 6 and the porous diaphragm 3 are in contact with the measuring medium 9.
  • the reference electrolyte 2 is in contact with the measuring medium 9 via the diaphragm 3.
  • One of the most well-known reference electrodes for pH measuring chains is the so-called Ag / AgCl electrode with a first diverting element 4 made of Ag / AgCl and one
  • chloride-containing first component of the reference electrolyte 2 for example, a KCl solution.
  • Further known reference electrodes are silver chloride-free pH differential electrodes or redox reference electrodes.
  • the reference electrolyte 2 which essentially consists of a first component, is a surface-modifying component is added, so that the reference electrolyte 2 is the modifying electrolyte according to the invention.
  • the reference electrolyte 2 is preferably a surface-modifying
  • the modifying electrolyte of a pH differential electrode is preferably added with a surface-modifying component which itself constitutes a buffer system, such as a citrate buffer.
  • reference electrodes for use in electrochemical sensors are known, which will not be described in detail here.
  • FIG. 1 shows the electrochemical potentials which occur during a measurement in a pH measuring chain and which can influence the measurement result. These include the potential E1 of the first diverter element 4, the diffusion potential or the diaphragm potential E2 through the diaphragm 3, the potential E3 of the second diverter, the potential E4 on the inside of the glass diaphragm 6, the asymmetry potential E5 between the first and second diverting element 4, 8 and the pH-dependent potential E6 on the outside of the
  • the potential occurring between the two diverting elements 4, 8, here the pH potential E5 can be measured with a voltmeter 13 and comprises the sum of the indicated potentials. This can be converted into a pH value.
  • the potential E1 according to Nernst's equation corresponds to the potential of the chloride ions on the first diverting element 4.
  • the potential E1 is substantially constant as long as the concentration of chloride ions in the reference electrolyte 2 does not change.
  • the diffusion potential E2 is a function of several quantities, to which the
  • the diffusion potential E2 should also be substantially constant and preferably have a value of 0 mV.
  • the potentials E3 and E4 are substantially constant as long as the chloride ion potential at the second discharge element 8 and the H + ion potential of the inner electrolyte remain constant at the inner pH glass, which is due to the closed inner casing 5 with the inner electrolyte 7.
  • the asymmetry potential E5 of a combined pH electrode is considered to be approximately constant as long as the temperature is constant.
  • the potential E6 changes as a function of the H + potential on the outside of the glass membrane 6, that is, as a function of the pH of the medium to be measured.
  • FIG. 2 shows a combined pH measuring chain with a dual-chamber reference system.
  • the pH measuring chain has essentially the same characteristics as the pH measuring chain according to FIG. 1, but this pH measuring chain has a different reference electrode.
  • the first discharge element 204 is located in a further reference housing 220, in which the reference electrolyte 202 is arranged.
  • This reference housing 220 has a further diaphragm 219, which represents a transfer between the reference electrolyte 202 and a bridge electrolyte 218 arranged in the housing 201.
  • the bridging electrolyte 218 is in contact with the measuring medium 209 via the diaphragm 203.
  • the bridge electrolyte 218 represents the modifying electrolyte in the sense of the invention and comprises a first component and a surface-modifying component, so that the diaphragm 203 is modified in-situ during operation upon passage of the bridge electrolyte 218.
  • the arrangement shown comprises a pressurized reference electrode 312, which dips into a first vessel 31 1, and an external reference 315.
  • the external reference 315 has a further vessel 310, wherein the two vessels 310, 31 1 via a diaphragm tube 314 with each other are connected.
  • the diaphragm tube 314 is fluid filled and provides fluid communication between the two
  • the vessel 310 for example a beaker, contains an electrolyte 316 of the external reference 315 in which a reference element 317 is immersed.
  • the vessel 310 thus represents the half-cell of the external reference 315.
  • the pressurized reference electrode 312 is immersed in a measuring medium 309 arranged in the second vessel 31 1.
  • the reference half cell or reference electrode 312 comprises a housing 301, which is filled with a reference electrolyte 302 and has a diaphragm 303 as a transition to the measurement medium 309.
  • a first diverting element 304 in turn dips into the reference electrolyte 304.
  • Reference electrode 312 is pressurized so that the reference electrolyte 302 can continuously leak through the diaphragm 303.
  • Measuring media 309 performed.
  • Example 1 Standard reference electrode against an external reference
  • the reference electrode 312 a pressurized Ag / AgCl electrode having an Ag / AgCl wire as the first diverter 304 and a microporous zirconia diaphragm 303 was used.
  • the reference electrolyte 302 included only a 3 mol / L KCI aqueous solution as a first component and no surface-modifying component.
  • the reference electrode used was
  • the vessel 310 was used which contained an Ag / AgCl wire as the second dissipation element 8 and an aqueous 3 mol / L KCl solution as the electrolyte 317.
  • the measuring medium was likewise an aqueous 3 mol / L KCl solution and the two vessels 310, 31 1 were connected to one another via a large-pore diaphragm tube 314.
  • FIG. 4 shows a plot of the time-voltage diagram of the reference electrode against an external reference, which reproduces this situation. The plot shows that the measured voltage over time was essentially at about zero.
  • Example 2 Citrate-containing measuring medium
  • Pore sizes of the porous zirconia diaphragm 303 performed, more precisely, with average pore sizes of 70nm, 120nm, 200nm, 400nm and 800nm.
  • the surface of the diaphragm 303 is wetted with citrate ions, whereupon the surface potential (zeta potential) and the isoelectric point (ISE) of this surface change accordingly so that also the diffusion potential E2 changed, that is no longer constant.
  • the change in the diffusion potential E2 is particularly pronounced for small-pore diaphragms and in measuring media with low ion concentration and resulting strong diffusion.
  • Diagrams 5a-c can be seen, wherein the observed tendency of the diagrams is independent of the diaphragm pore size used.
  • the solid line shows the course for a diaphragm with an average pore size of 70 nm and the dashed line the course for a diaphragm with an average pore size of 120 nm.
  • FIG. 5 b shows the course for a diaphragm with an average pore size of 200 nm and shown in Figure 5c for diaphragms with an average pore size of 400 nm (solid line) and 800 nm (dashed line).
  • Measuring medium 309 increases.
  • a pressurized Ag / AgCl electrode was used with Ag / AgCl wire as the first diverter 304 and a
  • the first vessel 310 As an external reference electrode, the first vessel 310 was used, which contained an Ag / AgCl wire as reference element 317 and an aqueous 3 mol / L KCl solution as electrolyte 316.
  • the measuring medium was an aqueous 3 mol / L KCl solution.
  • the potential E2 is substantially constant, but deviates from zero, as it is a function of the diaphragm pore size which has been altered by occupancy with citrate ions.
  • the sum of the potentials is a constant, deviating from zero size, as can be seen in the diagram of Figure 6.
  • the in situ occupancy or modification of the diaphragm surface by the preferably continuously flowing out surface-modifying component, here sodium citrate leads to a change in the reference potential, which, however, can be compensated by a suitable calibration.
  • the zero point shift of the combined pH measuring chain to be recognized in FIG. 6 can also be adjusted or set to zero again by adapting the inner buffer 7.
  • Example 4 Citrate-containing reference electrolyte and citrate-containing measuring medium
  • Measuring medium 309 mixed with sodium citrate.
  • the aqueous 3 mol / L KCl solution of the measuring medium 309 was admixed with 0.1 mol / l sodium citrate after a measuring time of 600 s.
  • the other parameters of the arrangement corresponded to Example 3, wherein here measurements were carried out with different pore sizes of the porous zirconium oxide diaphragm 3, more precisely with pore sizes of 70 nm, 120 nm, 200 nm, 400 nm and 800 nm.
  • the diaphragm surface was, as in Example 3, in-situ and preferably continuously occupied by the nachströmenden due to the pressurization of the reference electrode 312 reference electrolyte 302 with citrate ions. Therefore, the diaphragm surface was already occupied when the citrate salt was added to the measurement medium, so that the surface charge and the diffusion potentials of the diaphragm changed only insignificantly. As the diagrams of FIGS. 7a-c show, after citrate addition to the
  • FIG. 7a shows the course for a diaphragm with an average pore size of 70 nm and the dashed line the course for a diaphragm with an average pore size of 120 nm.
  • FIG. 7b shows the course for a diaphragm with an average pore size of 200 nm and shown in Figure 7c for diaphragms with an average pore size of 400 nm (solid line) and 800 nm (dashed line).
  • Measurement result of a pH measuring chain in citrate-containing measuring media can be corrected by addition of citrate salt as a surface-modifying component to the reference electrolyte. Furthermore, it has been shown that even a low concentration of citrate in the modifying electrolyte, in this case the reference electrolyte, is sufficient to add the diaphragm surface in situ and preferably continuously modify and thus counteract further attachment of citrate from the measured medium.
  • Example 5 Differential electrode with reference electrode of the invention
  • the measurement setup was adapted according to Example 4 by using a pH reference electrode instead of an Ag / AgCl reference electrode. There were as in Example 4
  • the reference electrolyte used was a pH 4.6 buffer solution containing ascorbic acid as the surface-modifying component at a concentration of about 0.05 mol / L.
  • Measuring time the medium a salt of the surface-modifying component, here sodium ascorbate added.
  • Diaphragm realized and measured. It was noticeable in the measurements carried out that new platinum wire bundles had a relatively large pore size, whereby reference electrodes 312 with such new platinum wire bundles showed the same effects as the reference electrodes with large-pore zirconia diaphragms from Examples 1 to 4. Platinum wire bundles have the property to be very soft and tend to deformation during mechanical cleaning and mechanical action. The pores in the wire bundle become increasingly smaller and diffusion potential effects greater. After repeated mechanical cleaning of the platinum wire bundles, for example by grinding or heavy abrading of the diaphragms, the potential effects of the diaphragms became ever greater, so that finally similar results were achieved, as with the microporous diaphragms (70 nm, 120 nm) from Examples 2 to 4. Likewise could the diffusion potential effect by using citrat restroomr
  • diaphragms made of metallic structures are less susceptible to the adsorption of foreign substances by the addition of a surface-modifying component to the reference electrolyte.
  • a 2.5 L bioreactor with a working volume of 2 L was used (MBR Bioreactor, Zurich).
  • Cell growth of CHO cells was performed in a reaction medium with 7 g / L glucose and 7 mmol / L glutamine as the primary carbon source at a temperature of 36.5 ° C.
  • the oxygen saturation was adjusted to 50% and kept at this value by gassing with nitrogen and / or oxygen.
  • the pH of the biomass was adjusted to pH 6.8 and kept at this value by metering 0.3 mol / L NaOH.
  • the biomass was then seeded with 8.5x10 6 CHO cells / mL and maintained by continuous thinning and loss of the cells at 10x10 6 cells / mL.
  • the throughput rate was about 1.5 bioreactor volume / day and the reactor was operated continuously for seven days.
  • the bioprocess was monitored with different sensors, u. a.
  • Oxygen sensors, temperature sensors and CO 2 sensors, as well as several pH electrodes of different design were used. After completion of the seven-day cell production, the measurement performance of the different pH electrodes was compared.
  • the diaphragms of the reference electrodes of the measuring chains PH-4 and PH-5 included an old, highly depressed platinum wire bundle and therefore had a very small pore size.
  • Measuring chain PH-4 behaved analogously to PH-1.
  • the displayed pH fluctuated strongly and could not be read at the end of the bioprocess.
  • Measuring chain PH-5 as well as PH-3 showed the correct value of pH 6.8, but with a somewhat stronger noise of 0.2 pH units.
  • Standard buffer solutions calibrated at pH 4 and pH 7.
  • the calibration showed that the measuring chains PH-1 and PH-4 could not be calibrated due to insufficient final values due to excessive noise.
  • Regenerated hydrochloric acid / pepsin-containing regeneration solution (Mettler-Toledo) and re-calibrated in pH 4 and pH 7 buffer solutions.
  • Measuring chain PH-2 could be regenerated in this way and then recalibrated. After this procedure, the zero point of PH-2 was 5 mV with a slope of 97.6%.
  • the measured values of the measuring chains PH-1 and PH-4 after regeneration during the calibration in buffer pH 4 still showed a strong noise of +/- 5 mV and took a very long time for the measured value determination. After changing to buffer pH 7, the measured values started to strongly roar again and no final value could be determined.
  • measuring chain PH-2 could be regenerated, it showed a significantly reduced measuring performance in protein-containing solutions.
  • the measuring chains PH-3 PH-5 which an inventive
  • Embodiments in knowledge of the present invention can be provided, for example by combining the features of the individual embodiments with each other and / or individual functional units of

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Abstract

Referenzelektrode mit einem in-situ modifizierten porösen Diaphragma sowie ein Verfahren zur in-situ Modifizierung des porösen Diaphragmas, wobei die Referenzelektrode mindestens ein Gehäuse (1, 201, 301), ein erstes Ableitelement (4, 204, 304), einen modifizierenden Elektrolyten, welcher fliessfähig und im Gehäuse (1, 201, 301) angeordnet ist, und ein poröses Diaphragma (3, 203, 303) umfasst, welches poröse Diaphragma eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem modifizierenden Elektrolyten und einem Messmedium (9, 209, 309) bereitstellt und durch welches im Betrieb der modifizierende Elektrolyt austritt, wobei der modifizierende Elektrolyt eine erste Komponente und eine oberflächen-modifizierende Komponente umfasst, welche die Oberfläche des porösen Diaphragmas (3, 203, 303) beim Durchtritt des modifizierenden Elektrolyten in-situ modifiziert.

Description

Ref e re n ze I e ktrod e
Die Erfindung betrifft eine Referenzelektrode für eine elektrochemische Messkette mit einem porösen Diaphragma, dessen Oberfläche in-situ modifiziert wird.
Referenzelektroden werden in zahlreichen elektrochemischen Sensoren und/oder Messketten eingesetzt, beispielsweise in potentiometrischen oder amperometrischen Sensoren. Diese elektrochemischen Sensoren werden sowohl im Labor als auch in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, wie der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, der Biotechnologie oder der pharmazeutischen Industrie.
Wesentlich bei solchen Referenzelektroden ist es, dass sie ein möglichst konstantes Referenzpotenzial abgeben.
Bekannte Referenzelektroden umfassen beispielsweise ein Gehäuse in dessen Inneren sich ein Referenzelektrolyt befindet, der über eine Überführung, auch
Flüssigkeitsverbindung oder "liquid junction" genannt, in Kontakt mit einem
Messmedium steht.
Weiterhin sind Referenzelektroden bekannt, welche neben dem Referenzelektrolyten auch einen Brückenelektrolyten umfassen, wobei der Brückenelektrolyt über eine Überführung, auch Flüssigkeitsverbindung oder "liquid junction" genannt, in Kontakt mit einem Messmedium steht und über eine weitere Überführung mit dem
Referenzelektrolyten in Kontakt steht. Derartige Doppelkammersysteme werden insbesondere dann eingesetzt, wenn der Elektrolyt nicht direkt mit dem Messmedium in Kontakt treten darf.
Insbesondere im Bio-, Pharma- oder Lebensmittelbereich werden hohe Anforderungen an die Unbedenklichkeit, Reinigung und Sterilisierbarkeit der Referenzelektrode bzw. des Sensors und der darin enthaltenen Materialien gestellt. Die mit dem Messmedium in Kontakt kommenden Substanzen und Materialien sollten dem Messmedium gegenüber chemisch inert und vorzugsweise unbedenklich, insbesondere nicht toxisch sein. Die Referenzelektroden sollten gut zu reinigen und zu sterilisieren sein. Zu den bekannten Reinigungsmethoden zählen beispielsweise CIP- und/oder SIP-Zyklen, die unter hohen Temperaturen mit hoch konzentrierten Laugen oder Säuren durchgeführt werden. Weiterhin sollte das sogenannte Biofouling, also Ab- und Anlagerungen von Fremdstoffen bzw. Störsubstanzen insbesondere auf der Diaphragma-Oberfläche verhindert werden. Die Überführung kann beispielsweise eine offene Überführung sein oder als poröses Diaphragma ausgestaltet sein. Die Überführung soll einerseits einen möglichst kleinen elektrischen Widerstand aufweisen und andererseits die Vermischung des Referenzoder Brückenelektrolyten und des Messmediums aufhalten, was durch
unterschiedliche Massnahmen zu erreichen versucht wird. US 7,387,716 B2 oder EP 1 560 019 B1 offenbaren beispielsweise
Referenzelektroden mit offener Überführung in Kombination mit einem festen oder verfestigten Referenzelektrolyten, beispielsweise einem Polymerelektrolyten. Auf diese Weise kann ein unkontrolliertes Ausfliessen des Referenzelektrolyten durch die offene Überführung in das Messmedium verhindert oder zumindest stark reduziert werden. Die verwendeten Polymerelektrolyte bestehen jedoch häufig aus organischen
Verbindungen, welche nicht immer unbedenklich sind oder sogar toxisch sein können.
Bekannt ist zudem der Einsatz von porösen Diaphragmen als Überführung,
vorzugsweise in Kombination mit einem fliessfähigen Elektrolyten. Das poröse
Diaphragma kann ebenfalls das unkontrollierte Ausfliessen des Referenz- oder Brückenelektrolyten durch die Überführung in das Messmedium verhindern oder zumindest stark reduzieren. Poröse Diaphragmen können beispielsweise in
sogenannten bedruckten Referenzelektroden eingesetzt werden, wie sie unter anderem in DE 3 702 501 A1 offenbart sind. Diese sind derart ausgestaltet, dass der Referenzelektrolyt aufgrund eines erhöhten Innendrucks kontinuierlich durch das Diaphragma aus der druckbeaufschlagten Referenzelektrode austritt. Damit der
Referenzelektrolyt nicht zu schnell verbraucht ist, sollten die Poren des Diaphragmas möglichst klein sein. Durch die Druckbeaufschlagung kann sowohl ein mögliches Eindringen des Messmediums als auch ein Zusetzten oder Verstopfen der Poren des Diaphragmas durch den austretenden Referenzelektrolyten verhindert oder zumindest reduziert werden. Allerdings zeigen auch Referenzelektroden mit porösen Diaphragmen Nachteile beim Einsatz in Biomassen oder proteinhaltigen Messmedien. Eine wesentliche
Schwierigkeit beim Einsatz von Referenzelektroden in proteinhaltigen Messmedien ist das sogenannte Biofouling. Die meisten natürlich vorkommenden Proteine weisen bei neutralem pH-Wert eine negative Ladung auf und haben somit eine Affinität zur Adsorption an oxidischen Oberflächen. Häufig bestehen Diaphragmen aus oxidischen Substanzen, wie beispielsweise oxidischen Keramiken, so dass diese insbesondere in proteinhaltigen Messmedien kontaminiert werden und/oder verstopfen können, vor allem wenn kleinporige Diaphragmen eingesetzt werden. Die Diaphragma- Kontamination durch proteinhaltige Messmedien führt zu Überführungs-
Fehlpotentialen und daraus resultierenden Messfehlern, wobei sich die Tendenz zur Kontamination mit abnehmender Porengrösse verstärkt. Es kann sogar zu fehlerhaften Messsignalen oder zu einem vollständigen Ausfall der Referenzelektrode kommen. Selbst der erhöhte Innendruck einer bedruckten Referenzelektrode und der damit verbundene Auslauf des Referenz- oder Brückenelektrolyten reichen für eine effiziente Reinigung des Diaphragmas nicht aus. Zudem ist eine Kontamination des
Messmediums durch den austretenden Referenz- oder Brückenelektrolyten oder durch Ablagerungen auf dem Diaphragma möglich. Vorteilhafterweise sollte das Diaphragma jedoch auch bei Anwendungen in proteinhaltigen Messmedien oder in Biomassen während des Betriebs frei von Verunreinigungen sein.
Die bekannten Lösungen zur Vermeidung oder Reduzierung von Biofouling und insbesondere der Proteinkontamination von Sensoroberflächen und von Diaphragmen haben Nachteile. Bei druckbeaufschlagten Referenzelektroden ist das Spülen des porösen Diaphragmas nur mit einer relativ hohen Auslaufgeschwindigkeit möglich, was einen hohen Verbrauch an Referenz- oder Brückenelektrolyt und damit eine
engmaschige Elektrodenwartung zum Nachfüllen des Referenz- oder
Brückenelektrolyten nach sich zieht. Mit verdickten und damit weniger fliessfähigen Referenz- oder Brückenelektrolyten ist ein Reinigung des Diaphragmas durch Spülen nicht zu erreichen, zudem sind viele der eingesetzten Verdickungsmittel organische Substanzen, die nicht als unbedenklich eingestuft werden können und beispielsweise das Messmedium kontaminieren können. Der Referenz- oder Brückenelektrolyt kann selbstverständlich auch mit natürlich vorkommenden und im Wesentlichen unbedenklichen Polymeren, wie zum Beispiel Agar-Agar oder Cellulose, verfestigt werden, allerdings widerstehen diese Substanzen nicht den angegebenen
Reinigungsverfahren.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Entwicklung einer verbesserten
Referenzelektrode, welche auch bei Messungen in Biomassen und proteinhaltigen Messmedien zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse liefert und zudem beständig gegen die bekannten Reinigungsverfahren und Prozessbedingungen ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Referenzelektrode für elektrochemische
Sensoren, welche ein Gehäuse, ein Ableitelement, einen im Gehäuse angeordneten fliessfähigen modifizierenden Elektrolyten und ein poröses Diaphragma umfasst. Das poröse Diaphragma stellt eine Flüssigkeitsverbindung bzw. eine Überführung zwischen dem modifizierenden Elektrolyten und einem Messmedium dar, wobei durch das Diaphragma im Betrieb der modifizierende Elektrolyt austritt. Der modifizierende Elektrolyt umfasst eine erste Komponente und eine oberflächen-modifizierende Komponente, welche die Oberfläche des Diaphragmas beim Durchtritt des
modifizierenden Elektrolyten in-situ modifiziert.
Die in-situ-Modifikation der Diaphragma-Oberfläche ist vorteilhaft gegenüber einer werksseitigen Modifikation, da diese im Betrieb der Referenzelektrode, also in-situ, durchgeführt werden kann und eine Alterung und/oder Abspaltung einer vor in
Betriebnahme aufgebrachten oberflächen-modifizierenden Komponente vom
Diaphragma, beispielsweise während der Durchführung von CIP- und/oder SIP- Prozessen oder bei Verwendung aggressiver Messmedien, weitestgehend verhindert werden kann.
Das Diaphragma der Referenzelektrode besteht aus einem porösen Material, welches durchgängige Poren im Inneren des Diaphragmas aufweist. Die Oberfläche des
Diaphragmas auf die hier Bezug genommen wird, bezeichnet somit nicht nur die dem Messmedium zugewandte Fläche sondern auch die durch die Poren bereitgestellte Oberfläche. Die erste Komponente des modifizierenden Elektrolyten kann eine elektrolytisch leitende und/oder potentialbestimmende Substanz sein, wie sie häufig in oder als Referenz- oder Bezugselektrolyt eingesetzt werden.
Die erste Komponente ist elektrolytisch leitend, wobei vorzugsweise equitransferente Salze verwendet werden, deren Anionen und Kationen in wässriger Lösung im
Wesentlichen dieselbe Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen. Der Einsatz
equitransferenter Salze ist vorteilhaft, da so störende Diffusions-Potentiale an der Überführung reduziert werden können.
In Referenzelektroden zweiter Art kann die erste Komponente eine Chloridverbindung, wie beispielsweise KCl, NaCI, MgCI2 oder CsCI2 umfassen.
In Doppelkammer-Referenzsystemen mit einem Brückenelektrolyten als
modifizierendem Elektrolyt, kann der Brückenelektrolyt beispielsweise Na2S04 als erste Komponente umfassen. Selbstverständlich können auch andere als Referenzoder Brückenelektrolyten bekannte Substanzen als erste Komponente des
modifizierenden Elektrolyten verwendet werden. In pH-Referenzelektroden umfasst die erste Komponente ein pH-Puffersystem und in Redox-Referenzsystemen einen Redoxpuffer. Die erste Komponente des modifizierenden Elektrolyten wird
vorzugsweise in Form von wässrigen Lösungen eingesetzt, wobei insbesondere eine wässerige Kaliumchlorid-Lösung verwendet wird, bevorzugt in einer Konzentration von 3 mol/L.
Die in-situ-Modifikation des porösen Diaphragmas dient dazu, das Biofouling auf der Oberfläche des porösen Diaphragmas zu verhindern oder zumindest stark zu reduzieren, was bereits durch verschiedene Massnahmen zu erreichen versucht wurde. Poröse Diaphragmen können beispielsweise mit einem inerten Polymer,
beispielsweise PTFE (Polytetrafluoroethylen), oder einem hydrophilen, vernetzten Hydrogel beschichtet werden. Leider sind diese Schichten schwierig aufzubringen, lösen sich teilweise leicht wieder ab und sind zudem relativ dick, wodurch die Poren der porösen Diaphragmen zu stark verengt werden, wodurch unerwünschte, erhöhte Diaphragmen-Widerstände resultieren können.
Eine weitere Möglichkeit stellt die Belegung der Diaphragma-Oberfläche mit kovalent gebundenen Substanzen dar, welche jedoch den Nachteil hat, dass die entstehenden kovalenten Bindungen häufig nicht hydrolysestabil gegenüber den beispielsweise zur Reinigung eingesetzten Säuren und Basen sind und sich die aufgebrachten Schichten teilweise bereits nach einer einzigen CIP-Behandlung ablösen. Als Substanzen wurden beispielsweise Silane eingesetzt. Insbesondere die Pegylierung durch Silane mit PEG-Rest (Polyethylenglycol), welche die Protein-Anlagerung relativ vollständig verhindern, unterliegen jedoch auch den aufgezeigten Nachteilen.
Zur Überwindung dieser Nachteile des Stands der Technik umfasst der modifizierende Elektrolyt neben der ersten Komponente eine oberflächen-modifizierende
Komponente, welche auf Grund ihrer Charakteristika in der Lage ist, die Oberfläche des Diaphragmas in-situ so zu modifizieren, dass sie auf Proteine und/oder
Aminosäuren abstossend wirkt. Die Modifikation geschieht in-situ, so dass auch Substanzen als oberflächen-modifizierende Komponente eingesetzt werden können, welche reversibel an die Oberfläche anbinden und so die Oberflächenladung verändern. Bevorzugt werden oberflächen-modifizierende Substanzen die zudem schnell an die Oberfläche anbinden. Die oberflächen-modifizierende Komponente wird dem im Betrieb durch das Diaphragma austretenden modifizierenden Elektrolyten zugesetzt, so dass die Diaphragma-Oberfläche, während des Betriebs der
Referenzelektrode, eine gleichmässige Belegung mit der oberflächen-modifizierenden Komponente aufweist, auch bei Verwendung einer reversibel adsorbierenden oberflächen-modifizierenden Komponente oder bei Verwendung einer Substanz als oberflächen-modifizierende Komponente, welche beispielsweise durch die üblichen Reinigungsverfahren von der Diaphragma-Oberfläche abgelöst werden.
Die verwendete oberflächen-modifizierende Komponente sollte insbesondere nichttoxisch sein. Dieses ist besonders wichtig, wenn die erfindungsgemässe
Referenzelektrode für Messungen in Biomassen oder proteinhaltigen Lösungen eingesetzt werden soll. Vorteilhafterweise ist die Referenzelektrode derart ausgestaltet, dass der modifizierende Elektrolyt im Betrieb kontinuierlich durch das poröse Diaphragma austritt, so dass die oberflächen-modifizierende Komponente die Oberfläche des Diaphragmas kontinuierlich modifizieren kann. Diese Ausgestaltung der Referenzelektrode ist besonders vorteilhaft, da durch den kontinuierlichen Durchtritt des modifizierenden Elektrolyten durch das poröse
Diaphragma dieses einerseits mechanisch gereinigt wird, indem der modifizierende Elektrolyt beim Durchtritt Fremdstoffe aus dem porösen Diaphragma herausspült, und andererseits kann auf diese Weise die Oberflächen-Modifikation fortlaufend erneuert oder ergänzt werden. Dieses ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung einer oberflächen-modifizierenden Komponente, welche reversibel an der Diaphragma- Oberfläche anbindet oder physisorbiert. Eine reversible Bindung kann zum Beispiel über Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Wechselwirkungen oder Van-der- Waals-Kräfte erfolgen. Um den kontinuierlichen Durchtritt des modifizierenden Elektrolyten durch das poröse Diaphragma zu gewährleisten und vorzugsweise auch zu steuern, kann die
Referenzelektrode druckbeaufschlagt sein. Aufgrund von Diffusion und Kapillarkräften würde die Diaphragma-Oberfläche auch bei einer nicht mit Druck beaufschlagten Referenzelektrode langsam mit der oberflächen-modifizierenden Komponente im modifizierenden Elektrolyten belegt werden oder diese an deren Oberfläche
adsorbieren. Durch die Druckbeaufschlagung fliesst der modifizierende Elektrolyt mit einer konstanten Austrittsgeschwindigkeit durch das Diaphragma, so dass immer wieder neue oberflächen-modifizierende Komponente durch die Poren des
Diaphragmas geleitet wird. Dadurch wird eine in-situ und insbesondere eine
kontinuierliche Modifikation der Diaphragma-Oberfläche ermöglicht. Zudem kann eine verhältnismässig schnelle in-situ-Modifikation erreicht werden.
In einer Ausgestaltung der Referenzelektrode kann der modifizierende Elektrolyt ein Referenzelektrolyt sein, in welchen das Ableitelement eintaucht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Referenzelektrode kann der modifizierende Elektrolyt ein Brückenelektrolyt sein, welcher über das Diaphragma mit dem Messmedium in Kontakt steht. Die Referenzelektrode weist in dieser Ausgestaltung ferner einen Referenzelektrolyten und ein Referenzgehäuse mit einem weiteren Diaphragma auf, wobei das Ableitelement in den Referenzelektrolyten eintaucht und der Referenzelektrolyt über das weitere Diaphragma mit dem Brückenelektrolyten in Kontakt steht. Derartige Referenzelektroden können beispielsweise ein
Doppelkammersystem mit einem inneren und einem äusseren Elektrolyten umfassen, wobei der äussere Elektrolyt, der Brückenelektrolyt, mit dem Messmedium über ein Diaphragma in Kontakt steht und die oberflächen-modifizierende Komponente umfasst. Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt die Ausgestaltung einer erfindungsgemässen Referenzelektrode als pH-Elektrode dar, welche ein pH-Puffersystem als erste
Komponente des modifizierenden Elektrolyten umfasst. Solche Systeme werden auch als Differential-pH-Messkette bezeichnet. Das pH-Puffersystem kann als erste
Komponente eine potentialbestimmende Substanz umfassen, beispielsweise einen Acetat- oder Citratpuffer. Als oberflächen-modifizierende Komponente kann eine der bereits erwähnten Substanzen verwendet werden.
Als oberflächen-modifizierende Komponente können insbesondere Substanzen eingesetzt werden, welche an der Diaphragma-Oberfläche adsorbieren oder diese belegen und anschliessend die Proteinabsorption oder die Anlagerung von anderen oder weiteren Fremdstoffen hemmen. Vorzugsweise ist die als oberflächen- modifizierende Komponente eingesetzte Substanz nicht-toxisch und chemisch inert gegenüber dem Messmedium. Die nachfolgende Adsorption von Fremdstoffen oder Störsubstanzen, wie beispielsweise Proteinen, kann entweder durch elektrostatisch wirkende oder durch sterisch anspruchsvolle Substanzen gehemmt werden. Elektrostatisch wirkende Substanzen verändern die Oberflächenladung des
Diaphragmas, wodurch die Adsorption von Fremdstoffen an der Diaphragma- Oberfläche gehemmt und somit das Biofouling verhindert oder zumindest reduziert wird. Die Adsorption an der Diaphragma-Oberfläche wird verstärkt oder beschleunigt, wenn für das Adsorbens, zum Beispiel Proteine, attraktive Oberflächenkräfte vorherrschen. Die durch eine elektrostatische Substanz veränderte Diaphragma- Oberfläche weist eine für die Adsorption repulsive Ladung oder Kräfte auf, so dass eine störende Protein-Adsorption auf der Diaphragma-Oberfläche elektrostatisch gehemmt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Ladung des Diaphragmas, wie auch die des Adsorbens häufig eine pH-Wert abhängige Grösse ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann eine sterisch anspruchsvolle Substanz als oberflächen-modifizierende Komponente eingesetzt werden, welche die Anlagerung von im Messmedium enthaltenen Stoffen, insbesondere von Proteinen, sterisch behindern oder sogar verhindern kann. Als sterisch anspruchsvoll werden Substanzen bezeichnet, die eine Adsorption weiterer Substanzen auf der Diaphragma-Oberfläche durch ihre Raumerfüllung erheblich behindern können. Die sterische Hinderung kann sich zudem auf die Reaktionskinetik auswirken und beispielsweise konkurrierende Adsorptionen verlangsamen, da die Adsorption weiterer Substanzen durch die bereits adsorbierte raumerfüllende Substanz gehindert werden kann. Ein Beispiel für eine sterisch anspruchsvolle Substanz stellt Polyethylenglycol (PEG) dar.
In weiteren Ausgestaltungen kann die oberflächen-modifizierende Komponente eine organische Substanz sein, welche mindestens einen Hydroxy-Substituenten und mindestens einen Carbonyl-Substituenten umfasst. Diese Substanzen können u. a. über Wasserstoffbrückenbindungen an die Diaphragma-Oberfläche anbinden und so die Adsorption weiterer Substanzen, wie zum Beispiel von Proteinen, hemmen.
Beispiele für solche organischen Substanzen stellen organische Säuren, wie
Milchsäure, Zitronensäure, Äpfelsäure, Weinsäure, Ascorbinsäure, deren Salze oder Mischungen daraus dar. Diese Verbindungen weisen alle mindestens einen Hydroxyl- und einen Carbonyl-Substituenten auf und zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie nicht-toxisch sind. Die beispielhaft erwähnten Carbondisäuren sind negativ geladen und adsorbieren aufgrund ihrer Eigenladung besonders effektiv auf positiv geladenen Diaphragma-Oberflächen.
Äpfelsäure, Ascorbinsäure oder andere reduzierend wirkenden Substanzen werden vorzugsweise in Referenzelektroden mit Silberchlorid-freien modifizierendem Elektrolyt eingesetzt, da diese insbesondere bei erhöhten Temperaturen eine unerwünschte Reduktion des Silberchlorids zu Silber bewirken können. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass insbesondere Zitronensäure bzw. deren Salze aufgrund ihres Reduktions-Potentials Referenzelektroden mit
Silberchloridhaltigem modifizierenden Elektrolyten auch bei erhöhten Temperaturen im Wesentlichen nicht verändern. Daher eignen sich insbesondere Zitronensäure, sowie deren Salze, zum Einsatz als oberflächen-modifizierende Komponente in Ag/AgCI- Referenzelektroden.
Eine weitere Ausgestaltung der Referenzelektrode kann Polylysin-Polyethylenglycol (PLy-PEG) als oberflächen-modifizierende Komponente umfassen. Diese Substanz kann mittels ihres Polyaminosäure-Teils an einer oxidischen Oberfläche adsorbieren, worauf der der Oberfläche abgewandte PEG-Teil die Adsorption weiterer störender Fremdstoffe oder Störsubstanzen verhindern kann. Als Fremdstoffe werden hier beispielsweise Proteine und weitere Moleküle aus einer Biomasse bezeichnet, welche an einer unbelegten Diaphragma-Oberfläche adsorbieren bzw. diese belegen, dadurch das Diaphragma verstopfen und dieses somit unbrauchbar machen würden. Vorzugsweise wird die oberflächen-modifizierende Komponente dem modifizierenden Elektrolyten in einer geringen Konzentration von weniger als 0.1 Gewichtsprozent (Gew.%) und insbesondere von etwa 0.01 bis 0.1 Gew.% zugesetzt. Diese
Konzentration reicht aus, um eine Modifikation der Diaphragma-Oberfläche zu gewährleisten, und ist gleichzeitig so niedrig, dass das Auftreten störender Diffusions- Potentiale durch die zugesetzte oberflächen-modifizierende Komponente im
Wesentlichen verhindert oder zumindest stark reduziert wird.
Das poröse Diaphragma kann beispielsweise ein keramisches Material oder eine metallische Struktur mit einer grossen Oberfläche umfassen.
Vorzugsweise werden zirkonoxidhaltige Keramiken eingesetzt, da diese besonders laugenstabil sind, also insbesondere auch stabil gegenüber den bekannten
Reinigungsmethoden sind, und daher besonders geeignet für die Verwendung als poröse Diaphragma in einer Referenzelektrode sind. Weiterhin können auch Aluminium-Silikatkeramiken als poröse Diaphragmen eingesetzt werden, allerdings sind diese deutlich weniger beständig gegenüber den üblichen Reinigungsverfahren.
Ein Beispiel für eine metallische Struktur stellt ein Bündel, Kapillaren oder Knäuel aus Metalldrähten dar, welche beispielsweise aus einem Edelmetall und insbesondere aus passiviertem Platin bestehen.
Sowohl die aufgeführten keramischen Materialien als auch metallische Strukturen zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegenüber den gängigen
Prozessbedingungen und Reinigungsverfahren aus. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ-Modifikation eines porösen Diaphragmas, welches als Überführung oder Flüssigkeitsverbindung in einer erfindungsgemässen Referenzelektrode angeordnet ist. Dieses Verfahren umfasst unter anderem die Zugabe einer oberflächen-modifizierenden Komponente zu einem in der Referenzelektrode angeordneten modifizierenden Elektrolyten, sowie das Gewährleisten des Austritts des modifizierenden Elektrolyten durch das poröse Diaphragma. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Diaphragmas einer
Referenzelektrode im Betrieb - also in-situ - modifiziert werden und eine Verstopfung und/oder Kontamination des Diaphragmas durch andere, beispielsweise im
Messmedium vorhandene Substanzen wirksam verhindert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Referenzelektrode druckbeaufschlagt, um einen kontinuierlichen Durchtritt des modifizierenden Elektrolyten durch das
Diaphragma zu gewährleisten.
Verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemässen Referenzelektrode sowie des Verfahrens zur in-situ-Modifikation eines porösen Diaphragmas einer erfindungsgemässen Referenzelektrode werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert, wobei gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Ausführungsbeispiele werden insbesondere anhand einer pH-Messkette mit einer erfindungsgemässen Referenzelektrode, welche einen Referenzelektrolyten umfasst, beschrieben. Der Begriff Referenzelektrolyt wird daher im Folgenden teilweise synonym mit dem Begriff modifizierender Elektrolyt verwendet. Eine
erfindungsgemässe Referenzelektrode kann selbstverständlich auch mit anderen elektrochemischen Messketten oder Sensoren verwendet werden. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer kombinierten pH-Messkette mit einer
Referenzelektrode im Längsschnitt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer kombinierten pH-Messkette mit einer
Referenzelektrode im Längsschnitt, wobei die Referenzelektrode einen Referenz- und einen Brückenelektrolyten umfasst;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Vermessung einer pH- Referenzelektrode gegen eine externe Referenz gleicher Bauart.
Fig. 4 ein Zeit-Spannungs-Diagramm einer ideal messenden Ag/AgCI-
Referenzelektrode gegen eine externe Referenz gleicher Bauart, mit 3 mol/L KCI-Lösung als erste Komponente des modifizierenden Elektrolyten;
Fig. 5 Zeit-Spannungs-Diagramme einer Ag/AgCI-Referenzelektrode gegen eine externe Referenz gleicher Bauart, wobei dem Messmedium nach 600 s Natriumeitrat zugesetzt wurde und die Referenzelektrode
a. ein Zirkondioxid-Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 70 nm oder 120 nm umfasst;
b. ein Zirkondioxid-Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 200 nm umfasst;
c. ein Zirkondioxid-Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 400 nm oder 800 nm umfasst;
Fig. 6 ein Zeit-Spannungs-Diagramm einer Ag/AgCI-Referenzelektrode gegen eine externe Referenz gleicher Bauart, deren modifizierender Elektrolyt mit 5x10"4 mol/L Natriumeitrat versetzt wurde;
Fig. 7 Zeit-Spannungs-Diagramm einer Ag/AgCI-Referenzelektrode, deren
modifizierender Elektrolyten mit 5x10"4 mol/L Natriumeitrat versetzt wurde, gegen eine externe Referenz gleicher Bauart, wobei dem Messmedium nach 600 s Natriumeitrat zugesetzt wurde und die Referenzelektrode
a. ein Zirkondioxid-Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 70 nm oder 120 nm umfasst;
b. ein Zirkondioxid-Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 200 nm umfasst;
c. ein Zirkondioxid-Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 400 nm oder 800 nm umfasst.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer kombinierten pH-Messkette mit einer druckbeaufschlagten Referenzelektrode im Schnitt. Die Referenzelektrode weist ein im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuse 1 auf, welches mit einem Referenzelektrolyten 2 gefüllt ist und in dessen Wand eine Überführung angeordnet ist, welche hier als poröses Diaphragma 3 ausgestaltet ist und durch welche der Referenzelektrolyt 2 im Betrieb kontinuierlich austritt. In den Referenzelektrolyten 2 taucht ein erstes
Referenzelement bzw. Ableitelement 4 ein.
Weiterhin besteht die pH-Messkette aus einem im Gehäuse 1 angeordneten
Innengehäuse 5, welches eine pH-sensitive Glasmembran 6 aufweist und mit einem Innenpuffer 7 gefüllt ist. In diesen Innenpuffer 7 ragt ein zweites Ableitelement 8.
Zur pH-Messung taucht die pH-Messkette in ein Messmedium 9 ein, so dass
zumindest die Glasmembran 6 und das poröse Diaphragma 3 mit dem Messmedium 9 in Kontakt stehen. Der Referenzelektrolyt 2 steht über das Diaphragma 3 mit dem Messmedium 9 in Kontakt.
Eine der bekanntesten Referenzelektroden für pH-Messketten ist die sogenannte Ag/AgCI-Elektrode mit einem ersten Ableitelement 4 aus Ag/AgCI und einer
chloridhaltigen ersten Komponente des Referenzelektrolyten 2, zum Beispiel eine KCI- Lösung. Weitere bekannte Referenzelektrode sind silberchloridfreie pH-Differential- Elektroden oder Redox-Referenzelektroden.
Erfindungsgemäss wird dem Referenzelektrolyten 2, welcher im Wesentlichen aus einer ersten Komponente besteht, eine oberflächen-modifizierende Komponente zugesetzt, so dass der Referenzelektrolyt 2 der modifizierende Elektrolyt im Sinne der Erfindung ist. Bei Silberionen-haltigen Referenzelektroden oder Referenzsystemen wird dem Referenzelektrolyten 2 vorzugsweise eine oberflächen-modifizierende
Komponente zugesetzt, welche Silberionen auch bei Temperaturen um oder über 130°C nicht reduziert, wie beispielsweise Zitronensäure und deren Salze. Der modifizierende Elektrolyt einer pH-Differential-Elektrode wird vorzugsweise mit einer oberflächen-modifizierenden Komponente versetzt, welche selbst ein Puffersystem darstellt, wie zum Beispiel ein Citrat-Puffer.
Zudem ist eine Vielzahl weiterer Typen von Referenzelektroden zur Verwendung in elektrochemischen Sensoren bekannt, welche hier nicht im Detail beschrieben werden. Selbstverständlich ist es auch möglich diese weiteren Typen von Referenzelektroden im Sinne der Erfindung zu modifizieren, indem dem modifizierenden Elektrolyten eine geeignete oberflächen-modifizierende Komponente zugesetzt wird.
Weiterhin sind in Figur 1 die elektrochemischen Potentiale dargestellt, welche während einer Messung in einer pH-Messkette auftreten und welche das Messergebnis beeinflussen können. Zu diesen gehören das Potential E1 des ersten Ableitelements 4, das Diffusions-Potential oder das Diaphragma-Potential E2 durch das Diaphragma 3, das Potential E3 des zweiten Ableitelements, das Potential E4 auf der Innenseite der Glasmembran 6, das Asymmetrie-Potential E5 zwischen dem ersten und zweiten Ableitelement 4, 8 und das pH-abhängige Potential E6 an der Aussenseite der
Glasmembran 6.
Das zwischen den beiden Ableitelementen 4, 8 auftretende Potential, hier das pH- Potential E5, kann mit einem Voltmeter 13 gemessen werden und umfasst die Summe der angegebenen Potentiale. Dieses kann in einen pH-Wert umgerechnet werden. Bei einer bekannten Ag/AgCI-Referenzelektrode entspricht das Potential E1 gemäss der Nernst'schen Gleichung dem Potential der Chloridionen am ersten Ableitelement 4. Das Potential E1 ist im Wesentlichen konstant, solange sich die Konzentration der Chloridionen im Referenzelektrolyten 2 nicht ändert. In bekannten Ag/AgCI- Referenzelektroden ist diese CI"-Konzentration im Referenzelektrolyten relativ konstant mit ungefähr c(CI")=3 mol/L. Dieses gilt insbesondere für druckbeaufschlagte Referenzelektroden, da eine Verdünnung oder Vergiftung des Referenzelektrolyten 2 durch die Druckbeaufschlagung im Wesentlichen vermieden werden kann.
Das Diffusions-Potential E2 ist eine Funktion mehrerer Grössen, zu denen die
Differenz der Ionen-Konzentration zwischen Referenzelektrolyt 2 und Messmedium 9 und die Oberflächenladung des Diaphragmas 3 gehören, welche durch das Zeta- Potential und die Porengrösse des Diaphragmas beeinflusst wird. Das Diffusions- Potential E2 sollte ebenfalls im Wesentlichen konstant sein und vorzugsweise einen Wert von 0 mV haben. Die Potentiale E3 und E4 sind im Wesentlichen konstant, solange das Chloridionen-Potential am zweiten Ableitelement 8 und das H+-lonen- Potential des Innenelektrolyten am inneren pH-Glas konstant bleiben, was aufgrund des geschlossenen Innengehäuses 5 mit dem Innenelektrolyten 7 gegeben ist. Das Asymmetrie-Potential E5 einer kombinierten pH-Messkette ist als ungefähr konstant anzusehen, solange die Temperatur konstant ist. Das Potential E6 verändert sich in Abhängigkeit des H+-Potentials an der Aussenseite der Glasmembran 6, also in Abhängigkeit des pH-Werts des Messmediums.
Figur 2 zeigt eine kombinierte pH-Messkette mit einem Doppelkammer- Referenzsystem. Die pH-Messkette weist im Wesentlichen die gleichen Merkmale auf, wie die pH-Messkette gemäss Figur 1 , allerdings weist diese pH-Messkette eine unterschiedliche Referenzelektrode auf. Das erste Ableitelement 204 befindet sich in einem weiteren Referenzgehäuse 220, in dem der Referenzelektrolyt 202 angeordnet ist. Dieses Referenzgehäuse 220 weist ein weiteres Diaphragma 219 auf, welches eine Überführung zwischen dem Referenzelektrolyten 202 und einem im Gehäuse 201 angeordneten Brückenelektrolyten 218 darstellt. Der Brückelektrolyt 218 steht über das Diaphragma 203 mit dem Messmedium 209 in Kontakt. Der Brückenelektrolyt 218 stellt den modifizierenden Elektrolyten im Sinne der Erfindung dar und umfasst eine erste Komponente sowie eine oberflächen-modifizierende Komponente, so dass das Diaphragma 203 im Betrieb beim Durchtritt des Brückenelektrolyten 218 in-situ modifiziert wird.
Anhand der folgenden Beispiele soll der Einfluss einer dem modifizierenden
Elektrolyten zugesetzten oberflächen-modifizierenden Komponente auf eine pH- Messung, insbesondere in einem proteinhaltigen Messmedium, aufgezeigt werden. Die Beispiele 1 bis 7 wurden alle in einer Anordnung gemäss Figur 3 durchgeführt. Die gezeigte Anordnung umfasst eine druckbeaufschlagte Referenzelektrode 312, die in ein erstes Gefäss 31 1 eintaucht, und eine externe Referenz 315. Die externe Referenz 315 weist ein weiteres Gefäss 310 auf, wobei die zwei Gefässe 310, 31 1 über ein Diaphragma-Rohr 314 miteinander verbunden sind. Das Diaphragma-Rohr 314 ist flüssigkeitsgefüllt und stellt eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den beiden
Gefässen 310, 31 1 her. Das Gefäss 310, beispielsweise ein Becherglas, enthält einen Elektrolyten 316 der externen Referenz 315, in welchen ein Referenzelement 317 eintaucht. Das Gefäss 310 stellt somit die Halbzelle der externen Referenz 315 dar. Die druckbeaufschlagte Referenzelektrode 312 taucht in ein im zweiten Gefäss 31 1 angeordnetes Messmedium 309 ein. Die Referenzhalbzelle bzw. Referenzelektrode 312 umfasst ein Gehäuse 301 , welches mit einem Referenzelektrolyten 302 gefüllt ist und ein Diaphragma 303 als Übergang zum Messmedium 309 aufweist. Ein erstes Ableitelement 304 taucht wiederum in den Referenzelektrolyten 304 ein. Die
Referenzelektrode 312 ist druckbeaufschlagt, so dass der Referenzelektrolyten 302 kontinuierlich durch das Diaphragma 303 austreten kann.
Um den Einfluss der Zugabe einer oberflächen-modifizierenden Komponente, wie beispielsweise Natriumeitrat, auf die Messeigenschaften einer Referenzelektrode aufzuzeigen, wurden zunächst mit der Anordnung gemäss Figur 3 Messungen mit unterschiedlich ausgestalteten Referenzelektroden 312, unterschiedlichen
Zusammensetzungen des Referenzelektrolyten 302 und unterschiedlichen
Messmedien 309 durchgeführt.
Beispiel 1 : Standard-Referenzelektrode gegen eine externe Referenz
Als Referenzelektrode 312 wurde eine druckbeaufschlagte Ag/AgCI-Elektrode mit einem Ag/AgCI-Draht als erstem Ableitelement 304 und einem Diaphragma 303 aus mikroporösem Zirkondioxid verwendet. Der Referenzelektrolyt 302 umfasste nur eine wässrige 3 mol/L KCI-Lösung als erste Komponente und keine oberflächenmodifizierende Komponente. Die verwendete Referenzelektrode war
druckbeaufschlagt, um einen kontrollierten Durchtritt des Referenzelektrolyten 302 durch das Diaphragma 303 zu gewährleisten. Als externe Referenz wurde das Gefäss 310 verwendet, welches einen Ag/AgCI-Draht als zweites Ableitelement 8 und eine wässrige 3 mol/L KCI-Lösung als Elektrolyten 317 enthielt.
Das Messmedium war ebenfalls eine wässrige 3 mol/L KCI-Lösung und die beiden Gefässe 310, 31 1 waren über ein grossporiges Diaphragma-Rohr 314 miteinander verbunden.
Da in diesem Beispiel alle Elektrolyte sowie auch das Messmedium wässrige KCI- Lösungen gleicher Konzentration waren und sich somit über das Diaphragma 303 bzw. das Diaphragma-Rohr 314 kein Konzentrationsgradient ausbilden konnte, war bei einer Messung das Diffusions-Potential E2 im Wesentlichen konstant Null und somit die Summe aller Potentiale E1 bis E6 im Wesentlichen gleich Null.
Figur 4 zeigt einen Plot des Zeit-Spannungs-Diagramms der Referenzelektrode gegen eine externe Referenz, welcher diese Situation wiedergibt. Im Plot ist zu erkennen, dass die gemessene Spannung über die Zeit im Wesentlichen bei ca. Null war. Beispiel 2: Citrathaltiges Messmedium
In einem weiteren Beispiel, welches im Wesentlichen Beispiel 1 entspricht, wurde nach einer Messdauer von 600 s das Messmedium 309, eine 3 mol/L KCI-Lösung, mit 0.1 mol/L Natriumeitrat versetzt.
Diese Messungen wurden mit Referenzelektroden 312 mit unterschiedlichen
Porengrössen des porösen Zirkonoxid-Diaphragmas 303 durchgeführt, genauer mit mittleren Porengrössen von 70nm, 120nm, 200nm, 400nm und 800nm.
Bei Zugabe von Natriumeitrat zum Messmedium 309 wird zunächst die Oberfläche des Diaphragmas 303 mit Citrationen benetzt, worauf sich das Oberflächen-Potential (Zeta-Potential) und der isoelektrische Punkt (ISE) dieser Oberfläche entsprechend verändern, so dass sich auch das Diffusions-Potential E2 verändert, also nicht mehr konstant ist. Die Veränderung des Diffusions-Potentials E2 ist besonders ausgeprägt bei kleinporigen Diaphragmen und in Messmedien mit geringer lonenkonzentration und daraus resultierender starker Diffusion.
Aufgrund der Veränderung des Potentials E2, verändert sich auch die Summe der Potentiale und damit das Messergebnis, wie es als Potentialsprung in den
Diagrammen der Figuren 5a-c zu erkennen ist, wobei die beobachtete Tendenz der Diagramme unabhängig von der eingesetzten Diaphragma-Porengrösse ist. In Figur 5a zeigt die durchgezogene Linie den Verlauf für ein Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 70 nm und die gestrichelte Linie den Verlauf für ein Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 120 nm. In Figur 5b ist der Verlauf für ein Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 200 nm und in Figur 5c für Diaphragmen mit einer mittleren Porengrösse von 400 nm (durchgezogene Linie) und 800 nm (gestrichelte Linie) dargestellt.
Mit kleinporigen Diaphragmen ist der Effekt stärker (Figur 5a), da die
Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass ein Ion (incl. Hydrathülle) mit der Oberfläche des Diaphragmas 303 wechselwirkt bzw. an dieser adsorbiert und/oder vom Diaphragma 303 zurückgehalten wird, woraus eine Ladungstrennung und somit eine Veränderung des Diffusions-Potentials resultieren kann.
In Messmedien mit geringer lonenkonzentration ist dieser Effekt stärker, da die treibende Kraft für die Diffusion und somit auch die Diffusion aufgrund des
Konzentrationsunterschieds der Ionen zwischen Referenzelektrolyt 302 und
Messmedium 309 zunimmt.
Das Rauschen des Messsignals und die Änderung des Diffusions-Potentials E2 sind umso grösser, je grösser die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Elektrolyt-Ion mit der Diaphragma-Oberfläche interagiert. Diese Wahrscheinlichkeit nimmt mit abnehmender Porengrösse im Diaphragma zu. Die Änderung des Diffusions-Potentials E2 führt zum Potentialsprung nach 600 s und somit zu einem Messfehler in der kombinierten pH- Messkette. Beispiel 3: Citrathaltiger Referenzelektrolvt
In diesem Beispiel wurde als Referenzelektrode 312 eine druckbeaufschlagte Ag/AgCI- Elektrode mit einem Ag/AgCI-Draht als erstem Ableitelement 304 und einem
Diaphragma 303 aus porösem Zirkondioxid verwendet. Der Referenzelektrolyt 302 bestand aus einer wässrigen 3 mol/L KCI-Lösung als erste Komponente, welche mit Natriumeitrat in einer Konzentration von c(Na-Citrat)=5x10"4 mol/L als oberflächenmodifizierende Komponente versetzt wurde, so dass der Referenzelektrolyt 302 als modifizierender Elektrolyt wirken konnte. Die verwendete Referenzelektrode war druckbeaufschlagt, um einen kontrollierten Durchtritt des Referenzelektrolyten 302 durch das Diaphragma 303 zu gewährleisten.
Als externe Referenzelektrode wurde das erste Gefäss 310 verwendet, welches einen Ag/AgCI-Draht als Referenzelement 317 und eine wässrige 3 mol/L KCI-Lösung als Elektrolyt 316 enthielt.
Das Messmedium war eine wässrige 3 mol/L KCI-Lösung. Für dieses Beispiel ist das Potential E2 im Wesentlichen konstant, weicht jedoch von Null ab, da es eine Funktion der Diaphragma-Porengrösse ist, welche durch die Belegung mit Citrationen verändert wurde. Somit ist auch die Summe der Potentiale eine konstante, von Null abweichende Grösse, wie es im Diagramm der Figur 6 zu erkennen ist. Die in-situ-Belegung oder Modifikation der Diaphragma-Oberfläche durch die vorzugsweise kontinuierlich ausströmende oberflächen-modifizierende Komponente, hier Natriumeitrat, führt zu einer Änderung im Referenz-Potential, welche jedoch durch eine geeignete Kalibrierung kompensiert werden kann. Die in Figur 6 zu erkennende Nullpunktsverschiebung der kombinierten pH-Messkette kann zudem durch eine Anpassung des Innenpuffers 7 wieder auf Null eingeregelt bzw. eingestellt werden. Beispiel 4: Citrathaltiger Referenzelektrolvt und citrathaltiges Messmedium
In diesem Beispiel wurde sowohl der Referenzelektrolyt 302 also auch das
Messmedium 309 mit Natriumeitrat versetzt. Dazu wurde nach 600 s Messdauer die wässrige 3 mol/L KCI-Lösung des Messmediums 309 mit 0.1 mol/L Natriumeitrat versetzt. Die weiteren Parameter der Anordnung entsprachen Beispiel 3, wobei hier Messungen mit unterschiedlichen Porengrössen des porösen Zirkonoxid-Diaphragmas 3 durchgeführt wurden, genauer mit Porengrössen von 70 nm, 120 nm, 200 nm, 400 nm und 800 nm.
Die Diaphragma-Oberfläche wurde, wie im Beispiel 3, in-situ und vorzugweise kontinuierlich durch den aufgrund der Druckbeaufschlagung der Referenzelektrode 312 nachströmenden Referenzelektrolyten 302 mit Citrationen belegt. Daher war die Diaphragma-Oberfläche bereits besetzt, als dem Messmedium das Citratsalz zugegeben wurde, so dass sich die Oberflächenladung und die Diffusions-Potentiale des Diaphragmas nur unwesentlich änderten. Wie die Diagramme der Figuren 7a-c zeigen, ist nach der Citratzugabe zum
Messmedium kein Potentialsprung mehr zu erkennen. Dieser Effekt ist wiederum unabhängig von der Porengrösse der verwendeten Diaphragmen. Die nach wie vor existierende Nullpunktabweichung kann wiederum leicht durch Veränderung des Innenpuffers kompensiert werden. In Figur 7a zeigt die durchgezogene Linie den Verlauf für ein Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 70 nm und die gestrichelte Linie den Verlauf für ein Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 120 nm. In Figur 7b ist der Verlauf für ein Diaphragma mit einer mittleren Porengrösse von 200 nm und in Figur 7c für Diaphragmen mit einer mittleren Porengrösse von 400 nm (durchgezogene Linie) und 800 nm (gestrichelte Linie) dargestellt. Anhand der Beispiele 1 bis 4 konnte gezeigt werden, dass Störungen des
Messergebnisses einer pH-Messkette in citrathaltigen Messmedien durch Zusatz von Citratsalz als oberflächen-modifizierende Komponente zum Referenzelektrolyten behoben werden können. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bereits eine geringe Citratkonzentration im modifizierenden Elektrolyten, hier der Referenzelektrolyt, ausreicht, um die Diaphragma-Oberfläche in-situ und vorzugsweise kontinuierlich zu modifizieren und so einer weiteren Anlagerung von Citrat aus dem Messmedium entgegenzuwirken.
Beispiel 5: Differentialelektrode mit erfindunqsqemässer Referenzelektrode
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde der Messaufbau gemäss Beispiel 4 angepasst, indem anstelle einer Ag/AgCI-Referenzelektrode eine pH- Referenzelektrode eingesetzt wurde. Es wurden wie bereits in Beispiel 4
Referenzelektroden mit unterschiedlichen Porengrössen der Diaphragmen vermessen. Als Referenzelektrolyt wurde eine Pufferlösung mit pH 4.6, versetzt mit Ascorbinsäure als oberflächen-modifizierende Komponente in einer Konzentration von etwa 0.05 mol/L verwendet.
Wie bereits im Zusammenhang mit Beispiel 4 beschrieben wurde nach 600s
Messdauer dem Messmedium ein Salz der oberflächen-modifizierenden Komponente, hier Natriumascorbat, zugesetzt.
Durch den Zusatz von Ascorbinsäure zum Referenzelektrolyten, hier ein pH- Puffersystem, war auch nach Zugabe des Ascorbats zum Messmedium ebenfalls kein Potentialsprung mehr zu erkennen, wobei der Effekt unabhängig von der Porengrösse der verwendeten Diaphragmen war. Die nach wie vor existierende
Nullpunktabweichung kann wiederum leicht durch Veränderung des Innenpuffers kompensiert werden. Beispiel 6: Einsatz von metallischen Strukturen als Diaphragma
Analog zu den in den Beispielen 1 bis 4 verwendeten Messaufbauten, wurden auch Messaufbauten mit metallischen Strukturen, genauer Platindrahtbündeln als
Diaphragma realisiert und vermessen. Auffällig bei den durchgeführten Messungen war, dass neue Platindrahtbündel eine relativ grosse Porengrösse aufwiesen, wodurch Referenzelektroden 312 mit derartigen neuen Platindrahtbündeln dieselben Effekte zeigten wie die Referenzelektroden mit grossporige Zirkonoxid-Diaphragmen aus den Beispielen 1 bis 4. Platindrahtbündel haben die Eigenschaft, sehr weich zu sein und neigen bei mechanischer Reinigung und bei mechanischer Einwirkung zu Verformung. Dabei werden die Poren im Drahtbündel zunehmend kleiner und Diffusions-Potentialeffekte grösser. Nach mehrmaliger mechanischer Reinigung der Platindrahtbündel, beispielsweise durch Schleifen oder starkes Abreiben der Diaphragmen, wurden die Potentialeffekte der Diaphragmen immer grösser, so dass schlussendlich ähnliche Ergebnisse erreicht wurden, wie mit den mikroporösen Diaphragmen (70nm, 120nm) aus den Beispielen 2 bis 4. Ebenso konnte der Diffusions-Potentialeffekt durch Verwendung citrathaltiger
Referenzelektrolyte in ähnlicher Weise wie in Beispiel 4 reduziert werden.
Aus diesen Ergebnissen konnte die Schlussfolgerung gezogen werden, dass auch Diaphragmen aus metallischen Strukturen durch Zusatz einer oberflächenmodifizierenden Komponente zum Referenzelektrolyten weniger anfällig für die Adsorption von Fremdstoffen sind.
Beispiel 7: Messung in proteinhaltigen Messmedien
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden anschliessend pH-Messketten mit unterschiedlichen Referenzelektroden zur Bestimmung des pH-Werts eines
proteinhaltigen Messmediums eingesetzt und deren Messleistung verglichen. Diese vergleichenden Messungen wurden in einem„Mammalian Bioprocess" zur Herstellung von rekombinanten Laktogen-Proteinen aus Eierstock-Zellen von
Hamstern (CHO = Chinese hamster ovary) durchgeführt.
In diesem Bioprozess treten als Proteine u. a. bovine serum albumin (BSA) mit einem isoelektrischen Punkt von ca. 4.5 und das Milchprotein Casein mit einem
isoelektrischen Punkt von ca. 4.6 auf. Für den Bioprozess wurde ein 2.5 L Bioreaktor mit einem Arbeitvolumen von 2 L verwendet (MBR Bioreactor, Zürich). Das Zellwachstum von CHO-Zellen wurde in einem Reaktionsmedium mit 7 g/L Glucose und 7 mmol/L Glutamin als primäre Kohlenstoffquelle bei einer Temperatur von 36.5°C durchgeführt. Die Sauerstoffsättigung wurde auf 50% eingestellt und durch Begasen mit Stickstoff und/oder Sauerstoff auf diesem Wert gehalten. Der pH-Wert der Biomasse wurde auf pH 6.8 eingestellt und durch Dosierung von 0.3 mol/L NaOH auf diesem Wert gehalten. Die Biomasse wurde anschliessend mit 8.5x106 CHO-Zellen/mL geimpft und durch kontinuierliches Ausdünnen und Abnahme der Zellen bei 10x106 Zellen/mL gehalten. Die Durchsatzrate betrug ca. 1 .5 Bioreaktorvolumen/Tag und der Reaktor wurde während sieben Tagen kontinuierlich betrieben.
Der Bioprozess wurde mit unterschiedlichen Sensoren überwacht, u. a.
Sauerstoffsensoren, Temperatur-Sensoren und CO2-Sensoren, sowie mehreren pH- Messketten unterschiedlicher Ausgestaltung. Nach Abschluss der siebentägigen Zellproduktion wurde die Messperformance der verschiedenen pH-Messketten miteinander verglichen.
Es wurden folgende pH-Messketten eingesetzt:
* Die angegebenen Konzentrationen sind auf pH 7 bezogen und in mol/L angegeben.
Es wurden zwei pH-Messketten des Typs PH-3 eingesetzt, wobei eine als
prozesskontrollierende pH-Messkette verwendet wurde.
Nach Beendigung des siebentägigen Bioprozesses ergab sich folgendes Ergebnis in Bezug auf die Messperformance der unterschiedlichen pH-Messketten. Messkette PH-1 zeigte im Verlauf des Bioprozesses einen stark schwankenden pH- Wert und am Ende des Bioprozesses gar keinen pH-Wert mehr an. Die von der Messkette PH-2 anzeigten pH-Werte unterlagen einem starken Rauschen von bis zu ±1 pH-Einheiten, jedoch konnte im Unterschied zur PH-1 auch nach Beendigung des Prozess noch ein pH-Wert abgelesen werden. Die Messkette PH-3 zeigte während der Durchführung des Bioprozesses einen stabilen Wert von pH 6.8 +/- 0.1 an.
Die Diaphragmen der Referenzelektroden der Messketten PH-4 und PH-5 umfassten ein altes, stark verdrücktes Platin-Drahtbündel und wiesen daher eine sehr kleine Porengrösse auf. Messkette PH-4 verhielt sich analog zu PH-1 . Der angezeigte pH- Wert schwankte stark und konnte am Ende des Bioprozesses nicht mehr abgelesen werden. Messkette PH-5 zeigte wie auch PH-3 den korrekten Wert von pH 6.8, allerdings mit einem etwas stärkeren Rauschen von 0.2 pH-Einheiten.
Nach Abschluss des Bioprozesses wurden alle fünf pH-Messketten mit
Standardpufferlösungen bei pH 4 und pH 7 kalibriert. Bei der Kalibrierung zeigte sich, dass die Messketten PH-1 und PH-4 aufgrund mangelnder Endwerte wegen zu starkem Rauschen nicht kalibriert werden konnten.
Die Kalibrierung von Messkette PH-2 konnte gerade noch durchgeführt werden, allerdings erst nach langen Wartezeiten, da die Ansprechzeiten der Messkette PH-2 stark verlangsamt war. Es zeigte sich, dass die Steilheit der Messkette PH-2
nachgelassen hatte und diese insbesondere wegen der langen Ansprechzeit und/oder der stark verrauschten Signale keine ausreichend stabilen Endwerte anzeigte.
Es wurde versucht, die Messketten PH-1 , PH-2 und PH-4 zu regenerieren und nochmals zu kalibrieren. Dazu wurden die Messketten für 12 h in einer
Salzsäure/Pepsin-haltigen Regenerationslösung (Mettler-Toledo) regeneriert und nochmals in Pufferlösungen mit pH 4 sowie pH 7 rekalibriert.
Messkette PH-2 konnte auf diese Weise regeneriert und anschliessend wieder kalibriert werden. Nach dieser Prozedur lag der Nullpunkt von PH-2 bei 5 mV bei einer Steilheit von 97.6%. Die Messwerte der Messketten PH-1 und PH-4 zeigten nach der Regenerierung bei der Kalibrierung in Puffer pH 4 immer noch ein starkes Rauschen von +/- 5 mV und benötigten sehr lange für die Messwertermittlung. Nach dem Wechsel in Puffer pH 7 fingen die Messwerte wieder an stark zu rauschen und es konnte kein Endwert mehr ermittelt werden.
Offensichtlich reichte selbst eine zwölfstündige Regeneration der Messketten in Salzsäure/Pepsin nicht aus, um die Proteinabsorption an der Oberfläche des
Diaphragmas vollständig zu beseitigen.
Die Messketten PH-1 und PH-4 zeigten somit auch nach zwölfstündiger Regeneration weder eine ausreichende Messperformance noch eine genügende Reproduzierbarkeit in proteinhaltigen Messmedien und konnte daher für weitere Messungen nicht mehr eingesetzt werden.
Messkette PH-2 konnte zwar regeneriert werden, zeigte jedoch eine deutlich verminderte Messperformance in proteinhaltigen Lösungen. Hingegen zeigten die Messketten PH-3 PH-5, welche eine erfindungsgemässe
Referenzelektrode mit einem modifizierenden Elektrolyten aufwiesen, ein sehr gutes Kalibrationsverhalten und die Endwerte stellten sich schnell ein. Selbst nach dem siebentägigen Einsatz in einem stark proteinhaltigen Bioprozess zeigten die
Messketten noch Steilheiten von 98% (PH-3) und 96.3% (PH-4). Obwohl die Erfindung durch die Darstellung spezifischer Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass zahlreiche weitere
Ausführungsvarianten in Kenntnis der vorliegenden Erfindung geschaffen werden können, beispielsweise indem die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert und/oder einzelne Funktionseinheiten der
Ausführungsbeispiele ausgetauscht werden. Bezugszeichenliste , 201 , 301 Gehäuse
, 202, 302 Referenzelektrolyt
, 203, 303 Diaphragma
, 204, 304 erstes Ableitelement
, 205, 305 Innengehäuse
6, 206 Glasmembran
7, 207 Innenpuffer
8, 208 zweites Ableitelement
, 209, 309 Messmedium
310 erstes Gefäss
31 1 zweites Gefäss
312 Referenzelektrode
, 213, 313 Voltmeter
314 Diaphragma-Rohr
315 externe Referenz
316 Elektrolyt
317 Referenzelement
218 Brückenelektrolyt
219 weiteres Diaphragma
220 Referenzgehäuse
E1 Potential des ersten Ableitelements
E2 Diffusions-Potential / Diaphragma-Potential
E3 Potential des zweiten Ableitelements
E4 Potential der Innenseite der Glasmembran
E5 Asymmetrie-Potential
E6 Potential der Aussenseite der Glasmembran

Claims

Patentansprüche
1 . Referenzelektrode mit mindestens einem Gehäuse (1 , 201 , 301 ), einem ersten Ableitelement (4, 204, 304), einem modifizierenden Elektrolyten, welcher fliessfähig und im Gehäuse (1 , 201 , 301 ) angeordnet ist, und einem porösen Diaphragma (3, 203, 303), welches eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem modifizierenden Elektrolyten und einem Messmedium (9, 209, 309) bereitstellt und durch welches im Betrieb der modifizierende Elektrolyt austritt, wobei der modifizierende Elektrolyt eine erste Komponente und eine oberflächenmodifizierende Komponente umfasst, welche die Oberfläche des porösen
Diaphragmas (3, 203, 303) beim Durchtritt des modifizierenden Elektrolyten in- situ modifiziert.
2. Referenzelektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberfläche des porösen Diaphragmas (3, 203, 303) kontinuierlich modifiziert wird.
3. Referenzelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese druckbeaufschlagt ist, so dass der modifizierende Elektrolyt im Betrieb
kontinuierlich durch das poröse Diaphragma (3, 203, 303) austritt.
4. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierende Elektrolyt ein Referenzelektrolyt (2, 302) ist, in welchen das erste Ableitelement (4, 304) eintaucht.
5. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierende Elektrolyt ein Brückenelektrolyt (218) ist und dass die Referenzelektrode ferner einen Referenzelektrolyten (202) und ein
Referenzgehäuse (220) mit einem weiteren Diaphragma (219) umfasst, wobei das erste Ableitelement (204) in den Referenzelektrolyten (202) eintaucht und der Referenzelektrolyt (202) über das weitere Diaphragma (219) mit dem
Brückenelektrolyten (218) in Kontakt steht.
6. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächen-modifizierende Komponente eine elektrostatisch wirkende Substanz umfasst.
7. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächen-modifizierende Komponente eine sterisch anspruchsvolle
Substanz umfasst.
8. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächen-modifizierende Komponente eine organische Substanz umfasst, welche mindestens einen Hydroxy-Substituenten und mindestens einen Carbonyl-Substituenten aufweist.
9. Referenzelektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
oberflächen-modifizierende Komponente Milchsäure, Zitronensäure, Äpfelsäure, Weinsäure, Ascorbinsäure, deren Salze oder Mischungen daraus umfasst.
10. Referenzelektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die oberflächen-modifizierende Komponente Polylysin-Polyethylenglykol umfasst.
1 1 . Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierende Elektrolyt die oberflächen-modifizierende Komponente in einer Konzentration von weniger als 0.1 Gew.%, insbesondere von etwa 0.05 bis 0.1 Gew.%, aufweist.
12. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Diaphragma (3, 203, 3033) im Wesentlichen ein keramisches Material umfasst.
13. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Diaphragma (3, 203, 303) im Wesentlichen eine metallischen Struktur umfasst. Verfahren zur in-situ-Modifikation eines porösen Diaphragmas (3, 203, 303), welches als Flüssigkeitsverbindung zu einem Messmedium (9, 209, 309) in einer Referenzelektrode gemäss einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a. Zugabe einer oberflächen-modifizierenden Komponente zu einem in der Referenzelektrode angeordneten modifizierenden Elektrolyten; und b. Gewährleisten des Austritts des modifizierenden Elektrolyten durch das poröse Diaphragma (3, 203, 303).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierende Elektrolyt im Betrieb kontinuierlich durch das poröse Diaphragma (3, 203, 303) austritt.
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