DE2414839A1

DE2414839A1 - Elektrochemischer sensor

Info

Publication number: DE2414839A1
Application number: DE2414839A
Authority: DE
Inventors: Willy Fehlmann; Wolfgang Dr Mindt
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: Kontron Instruments Holding NV
Priority date: 1973-05-10
Filing date: 1974-03-27
Publication date: 1974-11-28
Also published as: JPS5229197B2; DE2414839C3; GB1469835A; IT1009933B; DE2414839B2; DK141306B; DK141306C; CH564771A5; FR2229065A1; NL7404762A; DD114685A5; CA999928A; FR2229065B1; JPS5017293A; US3905888A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes, mit zwei in einer elektrolytgefüllten Kammer mit sauerstoffdurchlässigen V/änden angeordneten Elektroden· Ein solcher Sensor eignet sich insbesondere für Messungen in biologischen Medien in vivo.

Es sind elektrochemische Sensoren zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes bekannt, die nach folgenden Prinzipien arbeiten:

Sie bestehen aus zwei metallischen Elektroden, die über einen Elektrolyten in elektrisch leitender Verbindung stehen,Sine dieser Elektroden (Kathode) ist ein Metall, das die Eigenschaft besitzt, bei einer geeigneten Vorspannung die elektrochemische Reduktion des Sauerstoffmoleküls zu katalysieren. Der dabei " -

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auftretende Strom wird über die .zweite Elektrode (Anode) in einen äusseren Stromkreis abgeführt und gemessen. Unter bestimmten Voraussetzungen ist dieser Strom proportional zur Konzentration bzw. zum Partialdruck des Gases im Messmedium. Eine dieser Voraussetzungen ist, dass'der Transport des Sauerstoffs an die Kathode durch Diffusion durch eine Membran begrenzt wird, die sich zwischen der die Kathode bedeckenden Elektrolytschieht und dem Messmedium befindet. Als Material für diesen Membran haben sich.beispielsweise Polypropylen, Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen (TES¹LOIi), Polyester aus Aethylenglykol und Terephtalsäure (MYLAR), etc., als vorteilhaft erwiesen. (Vgl. z.B. Severinghaus, J.W., Measurement of blood gases? PO₂ and P₀₀ .in Ann* H.Y. Acad. Sei. 148« 115, 1968).

Während sich diese Messmethode für die Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in biologischen Medien in Vitro gut bewährt hat, ergaben sich bisher Schwierigkeiten bei der Anwendung in "vivo, insbesondere bei Messungen in Blutgefässen. Eine dieser Schwierigkeiten ist darauf surüekzuführen, dass eine Miniaturisierung des Sensors erforderlich ist. Ein an der Spitze .eines latheters befindlicher Sensor für intravaskuläre pO₂ Messung sollte nach Möglichkeit einen Durchmesser von weniger als 2 mn besitzen. Derartige Sauerstoffkathetersensoren lassen sich nach dem heutigen Stand der Technik zwar prinzipiell herstellen, Jedoch sind die bisher bekannten Typen aufwendig in der Konstruktion und schwierig in der praktischen Handhabung.. Ein Teil der bekannten Sensoren muss vor der Verwendung präpariert werden, wobei verschiedene, zum Teil komplizierte Arbeiten zu verrichten sind. So müssen beispielsweise die Elektroden zunächst mit der Elektrolytlösung benetzt und dann unter Yermeidung der Bildung von Luftblasen mit der Membran bespannt werden, wobei die Membran durch eine mechanische Vorrichtung (Kappe, O-Ring o.a.) gehalten wird. (Vgl. Grimmes S., Catheter Electrode for Absolute Determination of Oxygen Tension in Pigest of the 7th int. Conference on Medical and Biological Engineering 1967 Stockholm). Diese Kompliziertheit in der

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Handhabung hat mit dazu beigetragen, dass sich derartige Sauerstoffkathetersensoren für klinische Routinearbeiten bisher nicht" durchgesetzt haben. Hinzu kommt, dass als Folge der Kompliziertheit der Konstruktion die Kosten des Sensors zu hoch sind, um einen breiten klinischen Anwendungsbereich zu ermöglichen.

In Kenntnis dieser Nachteile wurden in den letzten Jahren einfachere Sensorkonstruktionen vorgeschlagen, in denen im wesentlichen die Membran nicht mechanisch gehalten, sondern durch Beschichtung auf die Elektroden aufgetragen wird. (Vgl. Niedrach L.W., et al., A new approach to sensors for in vivo monitoring: I. Oxygen in J. Assn. Advan.Med. Instrum.6:121-125, 1972). Diese Sensoren müssen nicht präpariert werden und können dem klinischen Personal gebrauchsfertig zur Verfügung gestellt werden. Obwohl damit bereits eine wesentliche Verbesserung erzielt worden ist, ist diese Lösung in bezug auf Einfachheit in der Herstellung noch nicht als optimal anzusehen. Hinzu kommt, dass alle für eine solche Beschichtung in Präge kommenden Membranmaterialien die Tendenz haben, in wässrigen Medien zu quellen und damit ihre Permeabilität für Sauerstoff zu verändern. Hierdurch wird eine Drift der Strom/pOp-Charakteristik des Sensors verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Sensor zur Bestimmung des Säuerstoffpartialdruckes zur Verfügung zu stellen, der möglichst einfach in der Bedienung und preiswert in der Herstellung ist, und der ausserdem ein minimales Driftverhalten aufweist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem Sensor der eingangs angegebenen Art die Kammer aus dem Innenraum eines teilweise mit einer Vergussmasse gefüllten und am Ende des verbleibenden Teils geschlossenen Schlauches aus einem sauerstoffdurchlässigen Kunststoff besteht und die Elektroden aus zwei in der Vergussmasse eingebetteten und mit ihren.Enden verschieden weit in den Innenraum ragenden Drähten

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bestehen, von denen der längere in dem Bereich über den sich der kürzere erstreckt, eine Isolationsschicht aufweist.

Im folgenden ist anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In einem dünnwandigen Polyäthylenschlauch 1 von 0.8 mm äusserem Durchmesser, der an seinem einen Ende zugeschmolzen ist, befinden sich ein mit einem Ueberzug aus Polytetrafluoräthylen isolierter Platindraht 2 und ein blanker Silberdraht 3· An der Spitze des Platindrahtes ist die Isolation auf eine Länge von ca. 3 mm entfernt. Der Silberdraht endet in einem solchen Abstand vom Ende des Platindrahtes, dass keine Berührung des blanken Teils des Platindrahtes mit dem Silberdraht möglich ist, im vorliegenden Falle also mehr als 3 mm vom Ende des Platindrahtes entfernt. Dieser nichtisolierte Teil 4 des Platindrahtes 2 dient als Kathode, während der Silberdraht 3 die Anode darstellt. Die durch den vorderen Teil des Polyäthylenschlauches 1 gebildete Kammer 5 ist mit einer Elektrolytlösung 6 gefüllt, welche die elektrische Verbindung zwischen Kathode und Anode herstellt. Der übrige Teil des Polyäthylenschlauches 1 ist mit einem flexiblen Kunstharzgefüllt.

Es hat sich gezeigt, dass diese Elektrodenanordnung nicht nur sehr einfach und preiswert in der Herstellung ist, sondern dass auch eine ausgezeichnete Stabilität der Strom/pCL Charakteristik des Sensors erhalten wird. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, dass Polyäthylen eine äusserst geringe .Wasseraufnahmefähigkeit besitzt und eine damit verbundene Aenderung der Sauerstoffpermeabilität vernachlässigbar ist. Als vorteilhaft erwies sich ferner, dass die mit Blut in Berührung kommende Oberfläche des Sensors vollständig aus Polyäthylen besteht. Dieses Material wird seit vielen Jahren bei der Katheterisierung von Blutgefässen verwendet und hat sich wegen seiner Verträglichkeit mit Blut und Körpergewebe bewährt.

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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Sensors ist, dass die Ansprechzeit des Sensors auf Aenderungen des Sauerstoffpartialdruckes durch Wahl der Wandstärke des Kunststoff Schlauches variiert werden kann. In dem oben angeführten Beispiel kann eine Verkürzung der Ansprechzeit erreicht werden, indem der Schlauch in dem die Kathode umgebenden Teil verjüngt wird.

Es versteht sich, dass als Material für den Schlauch auch andere Polymere verwendet werden können, die eine geeignete Permeabilität für Sauerstoff besitzen und mit Körpergewebe und Blut verträglich sind. Weiterhin kommen als Material für Anode und Kathode andere in Sauerstoffsensoren verwendbaren Metalle oder Verbindungen in Frage. Insbesondere eignet sich an Stelle von Platin auch Silber als Kathodenmaterial, da es billiger ist.

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Claims

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Patentanspruch

Elektrochemischer Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffpart ialdruckes mit zwei in einer elektrolytgefüllten gammer mit sauerstoffdurchlässigen Wänden angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (5) aus dem Innenraum eines teilweise mit einer Vergussmasse (7) gefüllten und am Ende des verbleibenden Teils geschlossenen Schlauches (1) aus einem sauerstoffdurchlässigen Kunststoff besteht und die Elektroden aus zwei in der Vergussmasse eingebetteten und mit ihren Enden verschieden weit in den Innenraum ragenden Drähten (2,5) bestehen, von denen der längere in dem Bereich, über den sich der kürzere erstreckt, eine Isolationsschicht aufweist.

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