DE4404130A1

DE4404130A1 - Elektrochemische Bestimmung der Sauerstoffkonzentration

Info

Publication number: DE4404130A1
Application number: DE4404130A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Chem Dr Preidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Pacesetter AB
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1995-08-10
Also published as: JPH0835948A; EP0667524A2; US5562815A; EP0667524A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration mittels eines Sauer stoffsensors, der eine Arbeitselektrode aufweist.

Die Messung des Sauerstoffpartialdrucks ist ein wichtiges analytisches Problem. Insbesondere in der medizinischen Tech nik ist eine rasche und genaue Ermittlung des Sauerstoffwer tes notwendig. So erfordert die Bestimmung des Sauerstoffs im Blut von Patienten eine Genauigkeit von ca. 1 Torr, und zwar im Bereich etwa zwischen 10 und 300 Torr. Die Drift des Signals sollte dabei im Verlauf von drei Tagen, was im wesentlichen der Dauer der Messung im Blut entspricht, einen Wert von 5 Torr nicht überschreiten. Die bislang in der Medi zin verwendeten Sauerstoffsensoren genügen diesen Anforderun gen aber bei weitem nicht.

In der medizinischen Technik wird derzeit im allgemeinen noch der Sauerstoffsensor nach Clark eingesetzt (siehe dazu: US-PS 2 913 386, 3 260 656 und 4 075 596). Dieser Sensor kann nun zwar in Blutgasanalysatoren Verwendung finden, zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Blut ist er allerdings nicht geeig net, da einige wesentliche Sensormerkmale einer Implantation bzw. einem langer andauernden Betrieb im Körper entgegenste hen. Dazu zählt insbesondere eine hydrophobe Membran, die vor der Meßelektrode angeordnet ist. Diese Membran wird nämlich durch Wechselwirkungen im Körper in ihren Eigenschaften deut lich verändert. Außerdem führt der ständige und hohe Sauer stoffverbrauch des Sensors zu einer ausgeprägten Abstoßungs reaktion, die den Betrieb des Sensors weiter erschwert.

Aus der EP-OS 0 170 998 ist ein Verfahren zur elektroche mischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, insbesondere in biologischem Material, mittels eines Sauerstoffsensors be kannt, der eine Meß- und eine Gegenelektrode aufweist. Bei diesem Verfahren werden der Meßelektrode zyklisch zwei Poten tiale aufgeprägt, und als Meßsignal wird der während der Meß periode fließende Strom ausgewertet. Das Verfahren dient in erster Linie dazu, relative Veränderungen der Sauerstoffkon zentration zu messen, um die Frequenz eines Herzschritt machers dem Bedarf des Patienten anzupassen.

Beim Einsatz von Sauerstoffsensoren in der Intensivmedizin ist es erforderlich, den Sauerstoffpartialdruck - mit mög lichst geringer Drift - über einen Zeitraum von mehreren Ta gen genau zu bestimmen. Hierzu eignet sich ein Verfahren, das aus der DE-OS 40 14 109 bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird der Meß- bzw. Sensorelektrode (des Sauerstoffsensors) ein Potentialprofil mit mehreren Potentialstufen aufgeprägt, nämlich zwei Meßpotentiale und ein Ruhepotential. Dabei wird bei einem Meßpotential der Strom im Potentialbereich der Sauerstoffreduktion integriert; das andere Meßpotential liegt oberhalb des Reduktionspotentials von Sauerstoff, so daß der Strom nur die ohnehin an der Elektrode ablaufenden Reaktionen umfaßt. Durch Differenzbildung der beiden Integrale wird dann ein zur Eichung geeignetes Signal für den Sauerstoffpar tialdruck erhalten.

Messungen in vitro und in vivo im Blut haben gezeigt, daß das bekannte Verfahren für die geforderte Genauigkeit von nur wenigen Torr Abweichung noch nicht präzise und driftarm genug ist. Hinzu kommt, daß verschiedene Elektroden, auch bei einer Massenproduktion, unterschiedlich große Flächen haben und damit eine unterschiedliche Aktivität besitzen, so daß der Meßfehler über den geforderten Maxiinalfehler (im Sauerstoff druck) von wenigen Torr hinausgehen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur elektro chemischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration - mittels eines eine Arbeitselektrode aufweisenden Sauerstoffsensors - anzugeben, das auch bei unterschiedlichen Elektrodenflächen, unter gleichen Umgebungsbedingungen, ein vergleichbares Meß signal liefert.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,

- daß der Arbeitselektrode ein Potentialprofil mit mehreren Potentialstufen aufgeprägt wird, wobei die erste Potential stufe im Bereich zwischen -700 und -1000 mV (1. Meßpoten tial), die zweite Potentialstufe im Bereich zwischen -750 und -1100 mV (2. Meßpotential) und die dritte Potential stufe im Bereich zwischen +150 und -300 mV liegt, jeweils bezogen auf eine Ag/AgCl-Referenzelektrode,
- daß die Verweildauer bei den beiden Meßpotentialen jeweils zwischen 10 und 100 ms beträgt (Meßperiode),
- daß der bei den beiden Meßpotentialen fließende Strom ermittelt und jeweils über die Zeit integriert wird, wobei die Integration jeweils 5 bis 35 ms nach Beginn der Meß periode einsetzt und zwischen 5 und 35 ms dauert,
- daß in Abhängigkeit von der Differenz der beiden Integrale (ΔQ) eines der beiden Meßpotentiale so lange geändert wird, bis ΔQ = 0 ist,
- und daß aus dem Wert des dabei resultierenden Potentials die Sauerstoffkonzentration ermittelt wird.

Bei diesem Verfahren werden somit die Integrale des Stroms bei den beiden Meßpotentialen bestimmt, und mit dem Wert der Differenz dieser Integrale wird dann eines der beiden Meß potentiale - je nach dem Vorzeichen der Differenz - ein wenig erhöht oder erniedrigt, und zwar so lange, bis beide Inte grale gleich sind, d. h. die Differenz der Integrale ΔQ = 0 ist; das andere Meßpotential bleibt dabei unverändert. Wenn ΔQ < 0 ist, dann wird entweder das erste Meßpotential erniedrigt oder das zweite Meßpotential erhöht, bei ΔQ < 0 wird das erste Meßpotential erhöht oder das zweite Meßpoten tial erniedrigt. Das auf diese Weise erhaltene Potential ist dann der Meßwert. Die Potentialdifferenz zwischen diesem Potential und dem nicht-veränderten Meßpotential ist ein Maß für den Sauerstoffpartialdruck (im Elektrolyt).

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Körperflüssig keiten, es kann vorteilhaft aber auch zum Eichen von Sauer stoffelektroden verwendet werden. Der Reduktionsstrom von Sauerstoff ist bei niedrigen Meßpotentialen, beispielsweise -1 V (gegen Ag/AgCl), flächenproportional. Da die Aktivität des Elektrodenmaterials nicht genügend gut reproduzierbar ist, reicht dies für eine Eichung von Sensoren nicht aus. Da für ist vielmehr eine weitere Information über den Sensor er forderlich. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden nun aber Einflüsse durch die Elektrodenfläche und durch Aktivitäts unterschiede unterdrückt, d. h. dieses Verfahren ist weit gehend unabhängig von der Elektrodenfläche und liefert somit kein flächenproportionales Signal. Es eignet sich deshalb be sonders gut zum Eichen von Sauerstoffelektroden.

Zusätzlich besteht auch noch die Möglichkeit, durch eine Impedanzmessung die Kapazität der Arbeitselektrode zu bestim men. Auf diese Weise wird eine Korrekturgröße erhalten, auf die das Integral des nicht-veränderten Meßpotentials bezogen wird, d. h. es wird der Quotient aus dem Wert dieses Integrals und dem Wert der Kapazitätsmessung gebildet. Auf diese Weise wird eine zweite Meßgröße erhalten, die zur Korrektur des eigentlichen Meßwertes dienen kann.

Das Potentialprofil, das der Arbeitselektrode (Meßelektrode, Sensorelektrode) im allgemeinen mittels eines Potentiostaten aufgeprägt wird, besteht aus drei Potentialstufen. Die erste Stufe liegt im Potentialbereich etwa von -700 bis -1000 mV, vorzugsweise etwa bei -800 mV. Die zweite Stufe liegt im Be reich etwa von -750 bis -1100 mV, vorzugsweise etwa bei -1000 mV. Die dritte Stufe liegt im Bereich etwa von +150 bis -300 mV, vorzugsweise etwa bei 0 mV. Bei diesem Potential, das die Ruhephase der Arbeitselektrode darstellt, fließt nach der Phase der Umladung der Doppelschichtkapazität (der Arbeitselektrode) nur noch ein sehr geringer Strom. Nach der Umladung, etwa nach 5 bis 20 ms, kann der Potentiostat des halb abgeschaltet werden, beispielsweise mittels eines Ana logschalters. Es ist aber auch möglich, den Potentiostat schon am Ende der zweiten Potentialstufe abzuschalten und die Elektrode bis zur nächsten Belastung in ihrem Potential floa ten zu lassen. Nach ca. 10 bis 200 ms stellt sich dann ein Potential von etwa -250 mV ein. Das Abschalten des Poten tiostaten spart Energie; diese Vorgehensweise eignet sich deshalb insbesondere für vollimplantierte Sensoren.

Die Verweildauer bei den beiden Meßpotentialen beträgt je weils etwa zwischen 10 und 100 ms, vorteilhaft etwa zwischen 10 und 40 ms und vorzugsweise etwa 20 ms. Die Verweildauer bei der dritten Potentialstufe, d. h. die Ruhephase der Arbeitselektrode, beträgt vorteilhaft etwa zwischen 0,5 und 10 s, vorzugsweise etwa 2 s. Die Gesamtzeit eines Meßvorgangs liegt vorzugsweise im Bereich etwa von 1,5 bis 5 s.

Die Integration des Stroms bei den Meßpotentialen erfolgt je weils etwa 5 bis 35 ms nach Beginn der Meßperiode, vorzugs weise nach etwa 15 ms. Die Integration selbst dauert jeweils etwa zwischen 5 und 35 ms, vorzugsweise etwa 5 ms. Vorteil haft ist bei den beiden Meßpotentialen die Verweildauer und/oder der Beginn der Integration und/oder die Dauer der Integration gleich.

Das Verfahren nach der Erfindung wird beispielsweise in fol gender Weise durchgeführt:

- 1. Potentialstufe: -800 mV; Dauer: 20 ms;
- 2. Potentialstufe: -1000 mV; Dauer: 20 ms;
- 3. Potentialstufe: 0 mV; Dauer: 1960 ms;

Der Strom wird während der beiden ersten Potentialstufen ge messen und das Integral jeweils - für die Dauer von 5 ms - 15 ms nach Beginn der Meßperiode gebildet.

Der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Sauerstoff sensor ist in an sich bekannter Weise aufgebaut: Für allge meine Anwendungen wird eine Durchflußmeßzelle verwendet oder ein stabförmiger Sensor bzw. ein Kathetersensor zum Eintau chen in den Elektrolyt; für medizinische Anwendungen dient eine invasive bzw. implantierbare Version mit katheterförmi gem Aufbau oder eine planare Ausführungsform, die auf der Oberfläche anderer Implantate oder von Gehäusen und sonstigen Anordnungen angebracht ist, die mit Blut, Gewebeflüssigkeit, Gewebe oder einem Organ in Kontakt sind.

Der Sensor weist im allgemeinen die klassische 3-Elektroden- Anordnung mit Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegen elektrode auf. Die Referenzelektrode kann gegebenenfalls mit der Gegenelektrode zu einer einzigen Elektrode zusammengefaßt werden, wenn das Potential dieser Elektrode bei Belastung stabil genug ist für eine Messung. Als Material für die Arbeitselektrode dient Glaskohlenstoff, Pyrographit oder ein anderes Kohlenstoffmaterial mit geringer elektrokatalytischer Aktivität und geringer Doppelschichtkapazität. Die Referenz elektrode ist eine Ag/AgCl-Elektrode oder eine ähnlich poten tialstabile Elektrode. Die Gegenelektrode besteht aus einem Material wie Platin, Gold, Titan, Edelstahl, Kohlenstoff, aktivierter Glaskohlenstoff, Pyrographit oder aktivierter Pyrographit.

Claims

1. Verfahren zur elektrochemischen Bestimmung der Sauerstoff konzentration mittels eines eine Arbeitselektrode aufweisen den Sauerstoffsensors, dadurch ge kennzeichnet,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Potentialstufe etwa bei -800 mV, die zweite Potentialstufe etwa bei -1000 mV und die dritte Potentialstufe etwa bei 0 mV liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verweildauer bei den bei den Meßpotentialen zwischen 10 und 40 ms beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verweildauer etwa 20 ms beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß bei den bei den Meßpotentialen die Verweildauer und/oder der Beginn der Integration und/oder die Dauer der Integration gleich ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver weildauer bei der dritten Potentialstufe zwischen 0,5 und 10 s beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verweildauer etwa 2 s beträgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Impedanzmessung die Kapazität der Arbeitselektrode be stimmt und damit eine Korrekturgröße erhalten wird, auf die das Integral des nicht-veränderten Meßpotentials bezogen wird.