DE1933302C3

DE1933302C3 - Anordnung zur Messung der Konzentration einer Flüssigkeitskomponente

Info

Publication number: DE1933302C3
Application number: DE1933302A
Authority: DE
Inventors: Donald Bruce Peekskill Derr; Gordon William Mahopac Neff; Carlos Juan Mohegan Lake Sambucetti
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-07-15
Filing date: 1969-07-01
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE1933302A1; US3707455A; GB1229723A; DE1933302B2; FR2014592A1

Description

ti»er Glaszusammensetzung und Glasart verwendet werden können. Die Lagerhaltung wird dann sowohl bei Einzelanfertigungen als auch bei Massenproduktionen einfacher, und Verwechslungsmögiichkeiten sind ausgeschlossen. Ein Schritt, diesem Ziel näher zu kommen, ist durch den Gegenstand der Arbeit von Lubbers und Busch, »Neuartige Meßkelten zur Messung von Ionenkonzentrationen, insbesondere pH, in biologischen Flüssigkeiten und auf dem Gewebe«, Sonderdruck aus »Pflügers Archiv«, Band 276, Heft 4, Seiten 407 bis 414, Springer-Verlag 1963, getan worden. Nachteilig ist dabei jedoch, daß die eine der beiden angegebenen Zwillingselektroden mit einem besonderen Raum und einer darin enthaltenen Flüssigkeit zwecks Herabsetzung der Empfindlichkeit zu umgeben ist. Verwechslungsmöglichkeiten sind damit zwar nicht möglich, die Lagerhaltung bleibt jedoch gegenüber einer Anordnung erschwert, die elektrochemisch gleichartige Glaselektroden bei gleichartiger äußerer physikalischer Anordnung im Meßobjekt ermöglicht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, unter Ausnutzung der durch Verwendung von elektrochemisch und physikalisch gleichartig ausgebildeten Glaselektroden gegebenen Möglichkeiten eine Meßanordnung anzugeben, die sehr einfach ist und die bei nicht zerstörender Einwirkung auf die Gesamtflüssigkeit schnelle und direkte Meßergebnisse liefert. Eine umständliche Präparierung der Proben soll dabei vermieden werden und die Messung soll auch an kleinen Mengen der Flüssigkeil durchgeführt werden können. Die Meßanordnung soll schließlich innerhalb eines Strömungssystems angeordnet werden können, um eine kontinuierliche Anzeige der jeweiligen Konzentration der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente zu erhalten.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Meßanordnung, bei welchem die Glaselektroden in ein die Meßflüssigkeit führendes Rohr hineinragen, im Querschnitt und

Fig.2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Meßanordnung mit das von der Meßflüssigkeit durchströmte Rohr ringförmig umgebenden Elektroden, ebenfalls im Querschnitt.

In Fig. 1 ist mit 1 die zu untersuchende Flüssigkeit bezeichnet, die aus irgendeiner von vielen möglichen Flüssigkeiten bestehen kann. Beispielsweise können biologische Flüssigkeiten, wie Urin, Plasma oder ähnliches sowie Flüssigkeiten, die bei der Nahrungsmittelherstellung oder bei chemischen Prozessen auftreten, untersucht werden. Das einzige Erfordernis ist, daß die Flüssigkeit eine solche Viskosität besitzt, daß sie durch die Membranen 3 und 4 hindurchsickern kann. Die zu untersuchende Probe kann sogar aus einer gallertartigen Masse bestehen. Die zu untersuchende Flüssigkeitsprobe kann ferner in ruhendem oder in fließendem Zustand untersucht werden.

Die in der Form von Prüfröhrchen oder Kapillaren ausgebildeten Elektroden 5 und b sind am unleren Ende geschlossen und bilden einen Behälter. Selbstverständlich können auch andere Formen von Elektroden verwendet werden. Auch können die Elekfoden ganz oder nur teilweise für die Durchlässigkeit von Ionen ausgebildet sein. Auch können die Innenräume der Elektroden, die in F i g. 1 mit den leitenden Flüssigkeiten 7 und 8 gefüllt sind, anders ausgestaltet und von fester Form sein.

Die Glaselektroden können aus irgendeinem für

ϊ Wasserstoff-Ionen oder für andere Ionen empfindlichen Glas bestehen. Auch Halbleitermaterial ist als für Ionen empfindliche Fläche schon erfolgreich verwendet worden.

Im Gegensatz zu Fig. 1 werden in Fig.2 als

ίο Aufnahmegefäß für die zu untersuchende Flüssigkeit die offenen Kapillaren 20 und 22 verwendet, deren Glaswände für Ionen empfindlich sind. Auf den Außenflächen dieser Kapillaren sind die Elektrolytkammern 25 und 26 aufgekittet.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist lediglich, daß das differentiell arbeitende Elektrodenpaar elektrochemisch identisch ist. Diese elektrochemisch identischen Elektroden können in einfacher Weise dadurch erhallen werden, daß eine einzige Kapillare in zwei Teile geteilt wird.

Die in Fig. 1 mit 9 und 10 bezeichneten Anschlüsse können aus beliebigem, leitendem Material bestehen, das der jeweiligen Anwendung angepaßt ist. Für mit einem HCl-Elektrolyten gefüllte, auf Wasserstoff-Ionen ansprechende Elektroden sind Ag-AgCI-Anschlüsse besonders geeignet.

Die Anschlüsse 9 und 10 sind durch ein Meßinstrument hoher Impedanz, dargestellt durch den Spannungsmesser 11, miteinander verbunden. Die anderen

JO Enden dieser Anschlüsse sind über die elektrolytischen Pufferlösungen 7 und 8 mit den Innenflächen der Elektroden 5 und 6 verbunden.

Zwischen der empfindlichen Fläche der Elektrode 5 und der zu untersuchenden Flüssigkeit 1 ist die semipermeable Membran 3 angeordnet, durch die eine flache Reaktionskammer zwischen der Flüssigkeit 1 und der Oberfläche der Elektrode 5 gebildet wird. Die Membran 3 wird durch den um die Elektrode 5 gelegten Ring 12 in ihrer Lage gehalten. Innerhalb dieser

«ο Kammer befindet sich ein durch einen Elektrolyten und ein bestimmtes Reagens gebildetes System 13, das durch die Membran 3 in Kontakt mit der Oberfläche der Elektrode 5 gehalten wird. Als Abstandsmaterial zwischen der Membran und der Glasoberfläche kann poröser Gummi oder ein Kunststoffnetz dienen.

Das Reagens hat den Zweck, mit den Molekülen einer bestimmten Komponente der zu untersuchenden Flüssigkeit, deren Konzentration bestimmt werden soll, eine chemische Reaktion hervorzurufen. Das hierbei

so gebildete Reaktionsprodukt verursacht eine Änderung der Ionen-Konzentration des in der Kammer eingeschlossenen Elektrolyten. Diese lonen-Ändering wird durch die Elektrode 5 festgestellt. Dabei hat es sich herausgestellt, daß diese der Konzentration der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente proportional ist.

Die Auswahl der als Reagens dienenden Substanz ist notwendigerweise abhängig von der chemischen Struktur der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente. Bei

M> der Untersuchung des Glukose-Gehaltes im Blut bildet das Enzym Glukose Oxydase ein wirkungsvolles katalytisches Reagens zur Bildung von Glukon-Säure und Wassersioffperoxyd. Ebenso bildet Urease ι·^:η wii kungsvolles katalytisches Reagens zur Bildung eines,

'" Ammonium-Karbonat enthaltenden Rcaktionsproduktes beider Bestimmung des Hat nstotl'gehaltes im Blut.

Wie aus F i g. I ersichtlich, wird durch die Membran 4 an der Elektrode 6 eine Kammer gebildet, die der durch

die Membran 3 an der Elektrode 5 gebildeten Kammer entspricht. Die Membran 4 wird durch den Ring 15 in ihrer Lage festgehalten. Die durch die Membran 4 gebildete Kammer enthält jedoch lediglich die elektrolytische Pufferlösung 14 ohne Reagcnzrnittel. In der Umgebung der Elektrode 6 findet somit keine Reaktion statt. Die Membran 4 entspricht in ihren Eigenschaften der Membran 3. Auch sind die Eigenschaften des Elektrolyten 14 dieselben wie die des Elektrolyten 13 und der Anschluß 10 ist derselbe wieder Anschluß9. Die beiden einerseits mit dem Spannungsmesser 11 und andererseits mit der Flüssigkeitsprobe 1 verbundenen Elektrodensysteme sind somit in elektrochemischer Beziehung genau gleich.

Die Membranen 3 und 4 sind zumindest für die Moleküle der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente durchlässig, aber undurchlässig für die Moleküle des in der Kammer enthaltenen Reagenzmitlels. Bei Verwendung eines Enzyms als Reagens und einer Zellophan-Membrane werden die großen Protein-Moleküle des Enzyms daran gehindert, in die Flüssigkeitsprobe hinein zu diffundieren, andererseits können die Ionen und Moleküle der Flüssigkeit in die das Enzym enthaltende elektrolytische Lösung der Kammer hineindiffundieren. Umgekehrt kann auch ein kleinerer Betrag des in der Reaktionskammer enthaltenen Elektrolyten durch die Membran in die Flüssigkeil hineindiffundicrcn. Da diese Diffusion jedoch an beiden Elektroden in derselben Weise auftritt, ergibt sich hierdurch kein Einfluß auf die Messungen. Wird hierbei ein Elektrolyt gewählt, welcher der zu untersuchenden Flüssigkeit ähnlich ist, so ist diese Diffusion minimal.

Die Membranen 3 und 4 lassen natürlich auch andere Ionen der Probeflüssigkeil hindurch. Die Auswirkungen dieser Ionen auf des Potential gleichen sich jedoch aus. da sie an beiden Elektroden in gleicher Weise in Erscheinung treten. Die Ionen der zu untersuchenden Flüssigkeit oder deren Veränderungen verursachen daher, ebenso wie andere externe Bedingungen, keine Fehler bei der Messung, da die beiden Elektroden identische Eigenschaften besitzen. Es ist dabei nicht erforderlich, daß die Elektroden nur für die bei der Reaktion erzeugten Ionen empfindlich sind, sie können darüber hinaus auch noch auf andere Ionen ansprechen. Wenn die Elektroden 5 und 6 mit der Probeflüssigkeit 1 in Verbindung kommen, dringen verschiedenartige Ionen durch die Membranen 3 und 4 in die Reaktionsräumc ein und bewirken eine Potentialänderung an jeder Elektrode. Diese Potentialänderungen sind an beiden Elektroden gleich, da die Membranen in beiden Fällen gleich ausgebildet sind. Am Spannungsmesser 11 entsteht somit keine Anzeige.

In der durch die Membran 3 abgeschlossenen Reaktionskammer, in welcher sich das Reagens befindet, findet jedoch an der Oberfläche der Elektrode 5 eine zusätzliche Veränderung der Ionen statt. Diese wird durch das Reaktionsprodukt verursacht. Dabei ist die Menge des erzeugten Reaktionsproduktes eine Funktion der Konzentration der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente. Die Menge des erzeugten Reakiionsprodiiktcs spiegelt sich in einer proportionalen Ionen-Änderung im Elektrolyten wider und somit in einer Potentialänderung an der Elektrode 5. Da an der Elektrode 6 eine derartige Veränderung nicht auftritt, entsteht eine differcntielle Spannung zwischen den Elektroden 5 und 6. Die Größe dieser, durch den Spannungsmesser 11 angezeigten Spannungsänderung ist somit proportional der Konzentration der zu

is untersuchenden Flüssigkeitskomponente.

In einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wurden einem blutähnlichen Elektrolyten zwei verschiedene Mengen von Glukose zugegeben. Dieser Elektrolyt bestand aus einer isotonischen Salzlösung mit 30 Milli-Äquivalenten pro Liter Bikarbonat. Die Anschlüsse 9 und IO bestanden aus Ag-AgCI. Als elektrolytische Pufferlösungen 7 und 8 wurde HCl verwendet. Für die elektrolytischen Pufferlösungen 13 und 14 diente KH₂PO₄. Außerdem enthielt der Elektrolyt 13 eine bestimmte Menge des Enzyms Glukosc-Oxydase.

Im ersten Ausführungsbeispiel wurden 100 Milligramm Glukose auf 100 Kubikzentimeter Salzlösung gegeben und dadurch eine Spannungsänderung von 90 Millivolt erzielt. Im zweiten Beispiel wurden 1000 Milligramm Glukose auf 100 Kubikzentimeter Salzlösung gegeben und eine Spannungsänderung von 81 Millivolt erzielt. Die Spannungsänderung von 9 Millivolt erlaubt somit eine genaue Messung der Konzcntra-

J5 tion von Glukose innerhalb der benutzten Konzentrationsbereichc.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung hat im Prinzip dieselbe Wirkungsweise wie die Anordnung der Fig. I. Die durch die Außenflächen der Kapillaren 20 und 22 und die Innenflächen der aufgeschmolzenen ringförmigen Stücke 25 und 26 gebildeten ringförmigen Kammern sind mit den elektrolytischen Pufferlösungen 27 und 28 gefüllt. Die Kapillaren 20 und 22 und die entsprechenden aufgeschmolzenen Stücke 25 und 26

•»5 sind durch den isolierenden Ring 31 elektrisch voneinander getrennt. Die Leitungen 29 und 30, die mit einem Ende in die elektrolytischen Lösungen 27 und 28 eintauchen, sind mit ihren anderen Enden durch den Spannungsmesser 21 verbunden.

Die Membranen 23 und 24 sorgen dafür, daß die elektrolytischen Lösungen 32 und 33 die Kapillaren 20 und 22 an den für Ionen --mpfindlichen Flächen umgeben. Die elektrolytische Lösung 32 enthält auch das Reaktionsmittel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur direkten Messung der Konzentration einer bestimmten Komponente einer Flüssigkeit durch Bildung eines Ionen enthaltenden Reaktionsproduktes dieser Komponente und Messung der dabei in einer elektrolytischen Kette auftretenden galvanischen Spannung mit Hilfe eines Paares von mit der Flüssigkeit in Verbindung stehenden, für die jeweilige lonenart empfindlichen, elektrochemisch gleichartig ausgebildeten Glaselektroden, die durch einen Spannungsmesser verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glaseiektroden (z. B. 5 bis 10) in ihren mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Verbindung kommenden Bereichen von jeweils denselben Elektrolyten (U, 14) enthaltenden Reaktionskammern umgeben sind, in deren einer das die zu untersuchende Flüssigkeit (1) zersetzende Reaktionsmittel eingebracht ist, und daß beide Reaktionskammern jeweils durch eine, für die betreffende Flüssigkeitskomponente durchlässige, für das Reaktionsmittel undurchlässige, semipermeable Membran (3, 4) abgeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glaselektroden (z. B. 5 bis 10) hintereinander an einer die zu untersuchende Flüssigkeit (1) führenden Leitung (2) angeordnet sind und mit den ihre Ionen-empfindlichen Bereiche umgebenden Reaktionskammern unmittelbar in die Flüssigkeit hineinragen.

3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaseiektroden als ringförmige Bestandteile (20, 22) des die Flüssigkeit führenden Rohres ausgebildet sind, die auf der Außenseile von wulstförmigen Elektrolytgefäßen (25, 26) der Elektroden und auf der Innenseite von ringförmigen, jeweils durch eine semipermeable Membran (23, 24) abgeschlossenen Reaktionskammern umgeben sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an beiden Elektroden in gleicher Weise ausgebildeten Reaktionskammern mit durchlöchertem, chemisch neutralem Material ausgefüllt sind.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere zur Bestimmung des Glukose-Gehaltes in biologischen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsmittel das Enzym Glukose-Oxydase in eine der beiden, jeweils von einer für Glukose durchlässigen, für Glukose-Oxydase undurchlässigen Membran abgeschlossenen Reaktionskammern eingebracht ist und daß die beiden Glaselektroden zur Bestimmung des pH-Wertes ausgebildet sind.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, insbesondere zur Bestimmung des Harnstoffgehaltes in biologischen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsmittel das Enzym Urease in eine der beiden, jeweils von einer für Harnstoff durchlässigen, für Urease undurchlässigen Membran abgeschlossenen Reaktionskammern eingebracht ist und daß die beiden Glaselektroden zur Bestimmung des pH-Wertes ausgebildet sind.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur direkten Messung der Konzentration einer bestimmten Komponente einer Flüssigkeit durch Bildung eines Ionen enthaltenden Reaktionsproduktes dieser Komponente und Messung der dabei in einer elektrolytischen Kette auftretenden galvanischen Spannung mit Hilfe eines Paares von mit der Flüssigkeit in Verbindung stehenden, für die jeweilige lonenart empfindlichen, elektrochemisch gleichartig ausgebildeten Glaselektroden, die

η durch einen Spannungsmesser verbunden sind.

Die Bestimmung der Konzentration bestimmter Bestandteile von Flüssigkeiten, beispielsweise von biologischen Flüssigkeiten wie Blut ist für die Medizin, die Biochemie und für chemische Verfahren von großer

'5 Bedeutung. So ist die genaue, schnelle und einfache Bestimmung der Konzentration von Glukose oder Harnstoff im Blut für den praktizierenden und den diagnostizierenden Arzt sehr wichtig.

Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der im Blut

W vorhandenen Glukose beruht auf der katalytischen Wirkung des Enzyms Glukose-Oxydase auf eine Probe des Blutzuckers. Infolge der katalytischen Wirkung wird die Glukose aerobisch oxydiert, wobei als Reaktionsprodukte Glukon-Säure und Wasserstoffperoxyd gebildet wird. Die Menge der gebildeten Reaktionsprodukte ist eine Funktion der in der Probe vorhandenen Glukose. In entsprechender Weise kann mit Hilfe des Enzyms Urease bei der Harnstoffanalyse von Körperflüssigkeiten ein Reaktionsprodukt erzeugt werden,

JO dessen Menge eine Funktion des in der Probe vorhandenen Harnstoffs ist.

Bei diesen Meßverfahren ist es häufig notwendig, vor der Ausführung der Reaktion einen Trennungsprozeß durchzuführen, um bestimmte Bestandteile von der

^J5 Gesamtflüssigkeit zu trennen. Nach der Reaktion muß ein mühevoller kolometrischer Test durchgeführt werden, um die Menge des Reaktionsproduktes festzustellen.

Die durch das kolomctrische Meßsystem verursachten Schwierigkeiten liegen in der Tatsache begründet, daß die Messung nicht direkt erfolgt, sondern eine Reihe von komplizierten Anordnungen und Verfahrensschritten notwendig macht, um lediglich eine indirekte Bestimmung zu ermöglichen. Derartige Bestimmungen sind daher für Fehler besonders anfällig, und es ist oft bezweifelt worden, ob die Meßergebnisse die tatsächliche Zusammensetzung der ursprünglichen Probe richtig wiedergeben. Dies ist besonders dann zutreffend, wenn die gesamte Flüssigkeiten drastischen Veränderungen unterworfen sind.

Bei den bekannten Meßverfahren sind auch gewöhnlich relativ große Proben der zu untersuchenden Flüssigkeit erforderlich, die vor der Messung präpariert werden müssen. Meist wird durch diese Präparierung die Probe zerstört. Außerdem ist für jede Messung eine genaue Herstellung der Reagenzien und eine genaue volumetrische Abmessung der Proben erforderlich.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Bestimmung des pH-Wertes von Körperflüssigkeiten in lebendem Gewebe die Potentialdifferenz von zwei Glaselektroden mit unterschiedlicher Glaszusammensetzung auszunutzen. Dabei enthält eine der Elektroden einen für Wasserstoff-Ionen empfindlichen und auf diese mit Poientialbildung ansprechenden Glasbestandteil. Eine

¹^¹ solche Ausbildung mit Glaselektroden unterschiedlicher Glasart ist ■/.. B. in der US-PS 33 06 837 beschrieben.

Vorteile bei der Herstellung solcher Meßanordnungen lassen sich erzielen, wenn Glaselektroden gleichar-