DE2454339A1 - Vorrichtung zur relativen messung der konzentration einer probe in einem fluid - Google Patents

Description

Vorrichtung zur relativen Messung der Konzentration einer Probe in einem Fluid

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung, welche die-relative Messung der Konzentration einer Probe in einem Fluid ermög- licht. Gewisse "bekannteVorrichtungen ermöglichen die Lösung dieses Problems für bestimmte Proben. Ihr wesentlicher Bestandteil ist eine Wand, die durch einen Festkörper-Elektrolyt gebildet ist. Diese Wand ist zwischen zwei Räumen angeordnet, von denen der eine das zu untersuchende Fluid enthält, während sich in dem anderen Raum ein Vergleichsfluid befindet, das die gleiche Probe mit einer genau definierten Konzentration enthält. Die Wand trägt auf ihren beiden entgegengesetzten Flächen zwei Elektroden. Wenn ein lonentrans-port durch die Wand stattfindet, erscheint eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden. Im Gleichgewichtszustand folgt diese Potentialdifferenz V dem Gesetz von

Lei/Gl

509821/0977

Fernst, das eine umkehrbar eindeutige Beziehung zwischen der Potentialdifferenz T und dem Verhältnis der Konzentrationen der beweglichen Probe zu beiden Seiten der Wand festlegt.

Wenn nur die Ionen der zu analysierenden Probe durch die Wand hindurchgehen, ermöglicht das iTernst-Potential unter bestimmten Bedingungen die Messung des Verhältnisses der jeweiligen Konzentrationen der Probe zu beiden Seiten der Wand. Das iiernst-Potential kann mit einer geeigneten elektrischen Schaltung gemessen werden, die an die beiden Elektroden angeschlossen ist.

Bei bekannten Vorrichtungen wird diese Eigenschaft ausgenutzt. Sie enthalten jedoch eine verhältnismäßig dicke Wand. Unter diesen Bedingungen erfolgt der Transport der Ionen der zu analysierenden Probe nur bei verhältnismäßig hohen !Temperaturen, die im allgemeinen sehr viel größer als die Umgebungstemperatur sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung dieser Art, die bei der Umgebungstemperatur arbeitet.

Die Vorrichtung zur relativen Messung des Partialdrucks oder der Konzentration einer Probe in einem Pluid enthält eine Wand, die aus einem Pestkörper-Elektrolyt besteht, und zwei Elektroden auf den beiden entgegengesetzten Flächen dieser Wand. Sie ist nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Wand und den Elektroden bestehende Anordnung auf ein poröses Substrat aufgebracht ist, das als mechanischer Träger dient, daß die Elektroden selbst porös sind, und daß die Wand so dünn ist, daß das Nernst-Potential nach Ablauf einer mit der Messung vereinbaren Zeit bei der Umgebungstemperatur erreicht wird.

509821/0977

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich, aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 2 die atomare Struktur eines Festkörper-Elektrolyts, der als Beispiel angegeben wird, und

Pig. 3 einen Querschnitt durch ein Anwendungsbeispiel der Torrichtung nach der Erfindung.

Pig. 1'zeigt im Querschnitt das Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der Pestkörper-Elektrolyt 2 ist sandwichartig zwischen zwei porösen Elektroden 1 und 3 eingeschlossen. Nach der Erfindung hat die Schicht 2 eine sehr geringe Dicke in der Größenordnung von 100 bis 1000 a. Die ganze Anordnung ist auf ein poröses Substrat ,4 aufgebracht. Die Elektroden 1 und 3 sind mit den Klemmen eines Meßgeräts verbunden, das entweder ein Voltmeter oder ein Amperemeter sein kann oder auch, wie im vorliegenden Pail, ein Gleichstromverstärker 5, dessen Ausgangssignal auf einem Meßgerät 6 abgelesen wird.

Auf der einen Seite der Wand ist das Bezugsfluid A angeordnet, und auf der anderen Seite das zu untersuchende Meßfluid B. Das zu lösende Problem besteht darin, eine relative Messung des Partialdrucks oder der Konzentration einer Probe E in dem Meßfluid vorzunehmen, während der' Partialdruck bzw. die Konzentration der gleichen Probe in dem Bezugsfluid bekannt ist. Die Poren des Substrats und der Elektroden müssen einerseits einen intimen Kontakt

509-82 1 /0377

zwischen dem Bezugsfluid A und dem Festkörper-Elektrolyt und andererseits einen intimen Eontakt zwischen dem Elektrolyt und dem Meßfluid B zulassen. Das Material der Wand muß in Abhängigkeit von der zu untersuchenden Probe gewählt werden. Die dünne Wand wird beispielsweise durch Vakuumaufdampfung, Katodenzerstäubung, Cracking, elektrochemische Verfahren oder auf andere' geeignete Weise hergestellt, und ihre Dicke hängt von der Beweglichkeit der Ionen ab, die durch den Pestkörper-Elektrolyt gehen können.

Bei einem Anwendungsbeispiel, für das sich die Erfindung besonders eignet, ist die zu untersuchende Probe Sauerstoff. Die Wand kann dann aus ZrOp (Zirkonoxid) oder aus Thoriumoxid bestehen, das mit Oxiden von alkalischen oder erdalkalischen Metallen oder von seltenen Erden (Lanthan oder Yttrium) dotiert ist.

Die atomare Struktur von mit Kalzium dotiertem Zirkonoxid ist in Pig. 2 erkennbar. Diese Zeichnung zeigt, daß gewisse Sauerstoff ionen freie Bindungen haben, die durch das Vorhandensein von Kalziumionen in der Kristallstruktur verursacht werden. Die porösen Elektroden können nach den bekannten Verfahren der Dünnschichttechnik hergestellt werden, die Fehlstellen entstehen lassen. Sie können aus Silber, Platin, Gold, Kupfer oder Iridium hergestellt werden, doch ist diese Aufzählung nicht vollständig.

Unter dem Einfluß der Differenz der Partialdrücke oder der Konzentration des Sauerstoffs in den Medien A und B wandern die freien Sauerstoffionen durch die Struktur hindurch, und sie werden durch Überschußionen desjenigen der "beiden Medien ersetzt, in dem der Partialdruck oder die Konzentration höher ist. Dieser Ionentransport ist die

503821/0977

Ursache für die Potentialdifferenz, die zwischen den beiden Elektroden erscheint und die relative Messung der Partialdrücke des Sauerstoffs in dem zu untersuchenden Stoff ermöglicht.

Zur Durchführung einer Messung unter Ausnutzung dieser Erscheinung ist es notwendig, daß ein Gleichgewichtszustand erreicht wird und daß sich der Ionenstrom im stationären Zustand von der einen zur anderen Seite der Wand ausbildet. Nun hängt aber die Zeit, nach deren Ablauf dieser Gleichgewichtszustand erreicht wird, wesentlich von der Dicke der Wand und ihrer Temperatur ab. Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Erzielung eines Gleichgewichtsstroras nach Ablauf einer ausreichend kurzen Zeit bei der Umgebungstemperatur.

Es ist nicht notwendig,.daß die Fluide A und B von gleicher Art sind. Das Bezugsfluid A kann eine Gasmischung sein, während das zu analysierende Meßfluid B eine Flüssigkeit sein kann, welche die zu untersuchende Probe in Lösung oder in Adsorption enthält. Da die Messungen-stets relativ sind und in Bezug auf ein Bezugsfluid durchgeführt werden, geben die elektrochemischen Potentialdifferenzen Auskunft über die Konzentration der zu untersuchenden Probe.

Ein interessanter Fall ist die Messung des Sauerstoffanteils, der im Blut oder einem anderen biologischen Fluid mitgeführt wird. -

Die Erfindung eignet sich besonders gut für diesen Fall, weil die Vorrichtung bei der Umgebungstemperatur arbeitet.

Fig. 3 zeigt eine Sonde oder ein Katheter zur Durchführung solcher Messungen.

509821 /0977

Die dargestellte Vorrichtung hat ein Rohr 100 von einigen Millimetern, beispielsweise 1 bis 3 mm Außendurchmesser und 1 bis 2 mm Innendurchmesser. Der aktive Seil dieser Vorrichtung enthält am -Ende des Rohres von innen nach außen der Reihe nach folgende Teile: Das poröse Substrat 104 ist in das Rohr eingesteckt und verschließt dieses. Dieses Substrat kann aus poröser Keramik- bestehen (beispielsweise aus Aluminiumoxid); es ergibt die mechanische Festigkeit der Anordnung. Auf das Substrat ist die erste poröse Elektrode 103 aufgebracht. An diese Elektrode ist ein Draht 105 angelötet, der durch das Innere des Rohres geführt ist und mit einer Klemme des nicht dargestellten Meßgeräts verbunden ist. Auf die Elektrode 103 ist der Festkörper-Elektrolyt 102 aufgebracht, der beispielsweise aus Zirkonoxid ZrOp besteht, das mit Kalziumoxid dotiert ist. Seine Dicke beträgt weniger als 1000 A*.

Auf den Festkörper-Elektrolyt ist die poröse Elektrode aufgebracht, an die ein Draht 107 angelötet ist, der mit dem anderen Pol des Meßgeräts verbunden ist.

Die Meßdauer ist unter den angegebenen Bedingungen kurzer als eine Minute und liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden.

509821 /0977

Claims (5)

1. -7~ 245 A 339

   Patentansprüche

   1«)- Vorriehtung zur relativen Messung der Konzentration einer Probe in einem Fluid mit einer Wand aus einem JPestkörperElektrolyt, der Ionen der Probe transportieren kann, mit auf die beiden Seiten der Wand aufgebrachten Elektroden und mit einem an die Elektroden-angeschlossenen Meßgerät zur Messung der sich aus dem Ionentransport ergebenden Spannungsdifferenz an den Klemmen der Elektroden, wobei die Wand das Meßfluid von einem Bezugsfluid trennt, das eine genau definierte Konzentration der Probe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Wand und den Elektroden bestehende Anordnung auf ein poröses Substrat aufgebracht ist, daß die Elektroden selbst porös sind und daß die Wand so dünn ist, daß das Nernst-Potential sich nach Ablauf einer mit der beabsichtigten Verwendung vereinbaren Zeit ausbildet.
2. 2. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Bezugsfluid eine Gasmischung ist, und daß der Partialdruck der Probe in dieser Gasmischung bekannt ist.
3. 3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Elektrolyt ein Zirkonoxid oder Ihorium^ oxid ist, das mit einem Oxid eines alkalischen Metalls, . eines erdalkalischen Metalls oder einer seltenen Erde dotiert ist.
4. 4. Torrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe Sauerstoff ist.

   S09821/0977
5. 5. Torrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid, in dem die Sauerstoffkonzentration gemessen werden soll, Blut oder ein anderes biologisches Fluid ist,

   509821/0977

   ,J

   Leerseite