DK164838B - Ionfoelsom membranelektrode - Google Patents

Description

- i -

DK 164838 B

Opfindelsen angår en ionfølsom, især chloridfølsom membranelek-trode med en anionfølsom membran/ som, idet den er indlejret i en blødgørerfri polymermatrix, har i det mindste en elektro-aktiv komponent.

Ionfølsomme elektroder er sensorer, som selektivt reagerer 5 på ioner, idet man udnytter den foretrukne ladningsoverføring af en bestemt ion i prøven eller prøveopløsningen til membranfasen og den dermed sammenhængende ændring i det elektrokemiske potential. Sådanne ionselektive elektroder benyttes i stort omfang til måling af selve ionerne i ufortyndede legemsvæsker, 10 da den målemetodik har store fordele.

Sådanne ionfølsomme elektroder er indgående beskrevet i faglitteraturen. Således giver f.eks. en bog af Karl Cammann med titlen "Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden" Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (1973) et omfat-15 tende overblik over grundlaget og udførelsesformerne for de mest forskelligartede ionfølsomme elektroder til de mest forskelligartede anvendelser, også på området for anvendelse af ionfølsomme elektroder til analyse af ioner.

Også i forbindelse med målingen i biologiske væsker eksisterer der en omfattende faglitteratur, for hvilken man som repræsentativ kan nævne en bog af Ji£i Koryta med titlen "Medical and biological application of elektrochemical devices", John Wiley and Sons, New York (1980).

Medens man allerede i mange år har benyttet et stort 25 antal af sådanne kationfølsomine elektroder til praktiske analytiske formål, bereder udviklingen af anionfølsomme sensorer i form af ionselektive elektroder stadig vanskeligheder.

Blandt sådanne anioner, som analyseres rutinemæssigt i f.eks. biologiske væsker, indtager chloridet den dominerende stil-30 ling. Chlorid er den anion, som er stærkest repræsenteret i ekstracellulærvæsken og dermed også i blodserum med en koncentration på ca. 0,1 mol/1. Sammen med bicarbonationen, som normalt bestemmes via den samlede CC^-mængde, udgør den den overvejende del af anionbalancen.

35 - 2 -

DK 164838 B

Forsøg på at måle chlorid i blod, blodserum, blodplasma og urin med ionfølsomme elektroder går allerede tilbage til tiden for de første overhovedet beskrevne ionfølsomme sensorer. Til at begynde med har man forsøgt at benytte de kendte "halo-5 genidmembranelektroder" til dette formål. Sådanne elektroder er på kendt måde opbygget af et fast sølvlegeme med et derpå elektrolytisk anbragt sølvchloridlag. Efter de elektrokemiske love er en sådan opbygning én for chloridioner reversibel elektrode, hvis potential følger Nernst' ligning.I virkelig-10 heden kan man benytte en sådan elektrode sammen med en egnet referenceelektrode til måling af chlorid i vandige opløsninger. Ved kontakt med biologiske væsker sker der ganske vist en række uønskede interferens- og forstyrrelsesreaktioner, som medfører, at måleresultaterne ikke blot for en stor del bliver groft 15 forfalsket, men også at elektroden efter forholdsvis kort tid bliver uanvendelig.

De såkaldte væskemembranelektroder har vist sig at være en succesrig gruppe af ionfølsomme elektroder til måling af navnlig chlorid. Deres bestemmende og karakteristiske bygge-20 element er en ionfølsom membran, som i hovedsagen består af en opløsning af en elektroaktiv komponent i en egnet membran-matrix, idet den elektroaktive komponent er følsom for den ion, som skal måles. Medens sådanne elektroaktive komponenter tidligere var opsuget i porøse materialer såsom små skiver af 25 indifferent filtermateriale, benytter man efter de grundlæggende arbejder af Moody, Oke og Thomas (som beskrevet i "A calcium sensitive elektrode based on a liquid ion exchanger in a Polyvinyl chloride matrix", Analyst, 95, 910 f (1970)) overvejende PVC med et normalt højt blødgørerindhold som mem-3 0 branmatrixmateriale.

På grund af denne kendte omstændighed er det ikke længere overraskende, at et stort antal offentliggørelser, herunder patentlitteratur, beskriver anionfølsomme elektroder til måling af chlorid, som består af følgende grundkomponenter: 35 1) En opløsning af en polymer (især PVC) i et passende opløsningsmiddel som f.eks. tetrahydrofuran eller cyclohexanon, - 3 -

DK 164838 B

2) en elektroaktiv substans, som tillader den mere eller mindre selektive vekselvirkning med opløsningens chloridion, og 3) en blødgører i høj koncentration (dvs. høj procentisk andel af membranens vægt), som giver membranen en 5 blød konsistens og reducerer den elektriske modstand af sådanne formstofmembraner til brugbare værdier på nogle hundrede megaohm.

Som elektroaktive komponenter har man i de kendte anordninger i hovedsagen benyttet' kvaternære ammoniumforbindelser 10 i form af chloridet eller også kvaternære phosphoniumchlorider. Ved undersøgelser som f.eks. af K. Hartman et al: "Chloride-Selektive Liquid-Membrane Electrodes Based on Lipophilic Methyl-Tri-N-Alkyl-Ammonium Compounds and Their Applicability to Blood Serum Measurements", offentliggjort i Microchimica 15 Acta, side 235-246 (1978), ved man, at det er fordelagtigt at benytte sådanne kvaternære forbindelser i en sådan form, at disse ved hjælp af tilknyttede alkylkæder af passende længde opnår en høj lipofili og derved - i kontakt med vandige opløsninger eller sådanne opløsninger, som ligeledes udviser et 20 vist indhold af lipofile stoffer såsom blod og blodserum - trods dette på grund af en høj fordelingskoefficient til gunst for membranen fortrinsvis forbliver i membranen og ikke træder ud i prøven.

Medens man ved kendte tidligere udførelsesformer for 25 chloridfølsomme væskemembranelektroder som elektroaktiv komponent benyttede det kendte industrielle produkt "Aliquat 336", som er methyltricaprylylammoniumchlorid, har det gennem de ovennævnte undersøgelser entydigt vist sig, at forbindelsen methyltridodecylammoniumchlorid frembyder fordele som elektro-30 aktiv komponent. Disse fordele består i, at denne forbindelse foruden methylgruppen på grund af 3 dodecylgrupper har en høj lipofili. Skønt man i den videre udvikling i faglitteraturen hyppigt nævner denne ene forbindelse, er det i henseende til den foreliggende opfindelse ikke nogen nødvendighed udeluk-35 kende at benytte denne specielle forbindelse som elektroaktiv komponent. Enhver analogt opbygget kvaternær ammonium- eller phosphoniumhalogenidforbindelse, som ved hjælp af passende - 4 -

DK 164838 B

sidegrupper har tilstrækkelig lipofili til opnåelse af en i praksis tilstrækkelig høj membranlevetid, er principielt anvendelig til det foreliggende formål.

De kendte membraner er altså i hovedsagen opbygget på den måde, at en bestemt procentdel af den elektroaktive komponent 5 sammen med PVC og en blødgørersubstans er opløst i et passende opløsningsmiddel. Af denne opløsningsmiddelblanding støber man ved fordampning af opløsningsmidlet en normalt stiv, transparent membran af en i forvejen bestemt geometri. Typiske udførelsesformer, som i faglitteraturen beskrives som fordelagtige 10 membraner, indeholder f.eks. ca. 29 vægtprocent PVC, 65 vægtprocent af en blødgører som f.eks. o-nitrophenyloctylether eller denitrobutylphtalat eller lignende og ca. 6% af membranvægten af elektroaktiv komponent som f.eks. methyltridodecyl-ammoniumchlorid.

15 Angivelserne vedrørende de kendte membransammensætninger varierer i de forskellige litteratursteder, herunder patentskrifter. Således angiver f.eks. USA-patentskrift 4 349 426 en koncentration af methyltridodecylammoniumchlorid på 10-20 vægtprocent, endvidere en koncentration af blødgøreren n-tetra- 20 decylalkohol på 20-40 vægtprocent og en restkoncentration af PVC på 40-60 vægtprocent. DE-OS 30 00 886 angiver en membransammensætning på 20-24 vægtprocent methyltridodecylammonium-chlorid, 5-15 vægtprocent phenylalkylalkohol som blødgører og 60-79 vægtprocent polyvinylchlorid opløst i tetrahydrofuran.

25 Fælles for alle hidtil kendte membransammensætninger er følgende: membranen består som allerede nævnt ovenfor af mindst 3 grundkomponenter, nemlig: 1) PVC eller et andet til formålet egnet kendt polymermateriale som f.eks. polycarbonat, polymethylacrylat eller 30 siliconekautschuk som membranmateriale, 2) en elektroaktiv komponent, som vælges blandt tetraalkyl- ammoniumchlorider og tetraalkylphosphoniumchlorider, og 3) en varierende procentsats af en egnet blødgører for matrixpolymeren med en som oftest meget høj procent- 3 5 andel.

Alene i den allerede ovenfor nævnte offentliggørelse af K. Hartman et al angives der 2 membransammensætninger, som er - 5 -

DK 164838 B

noget forskellig fra de nævnte. Det er en første membransammen-sætning, hvor blødgøreren 5-phenyl-l-pentanol alene benyttes i en mængde på 10 vægtprocent, og en yderligere udførelsesform, som helt giver afkald på blødgører og udelukkende består af 5 18 vægtprocent methyltridodecylammoniumchlorid og 82% PVC.

Denne sidste membransammensætning angives som en membran, der funktionerer, men ikke som en fordelagtig udførelsesform.

Ved anvendelsen af ionfølsomme, navnlig chloridfølsomme elektroder af denne type opstår der ved kontakten med biologi-10 ske væsker, især med blodserum og urin, problemer, som fører til forfalskning af måleværdierne ved interferens, som fremkaldes af tilstedeværelsen af andre anioner. Navnlig forstyrrende er lipofile anioner, således som de f.eks. kan være til stede i form af Rhodanid (SCN) i særdeles betragtelige mængder i urin 15 fra storrygere.

Selektivitetstabeller for en række forskellige anioner kan tages fra det ovennævnte litteratursted af K. Hartman et al. Desuden er det vigtigt, at sådanne elektroder heller ikke reagerer på anioner af stoffer, som indgives til terapeutiske formål, 20 her skal især nævnes bromid, salicylat og ascorbat.

Ved anvendelsen af de hidtil kendte membranelektroder af denne art har der også, navnlig i ufortyndede urinprøver, vist sig interferensfænomener, hvis egentlige årsag endnu ikke kendes . Også i fortyndede urinprøver har man fundet interferens 25 af denne art.

Det skal i denne sammenhæng også nævnes, at heller ikke blandinger af 2 eller flere elektroaktive komponenter af forskellig bygningsart af de overordnede grupper af kvaternære ammonium- eller phosphoniumchlorider fører til nogle forbed-30 ringer. Visse interferensfænomener kan forbedres ved, at man overtrækker de ionfølsomme væskemembraner med hydrofile ion-permiable beskyttelsesmembraner. Disse beskyttelsesmembraner fremstilles f.eks. af regenereret cellulose eller en passende celluloseester eller en blanding af sådanne celluloseestere.

35 Trods dette kan der ikke under alle omstændigheder garanteres for en tilfredsstillende interferensfri måling.

Det skal endvidere tages i betragtning, at der generelt ved anvendelse af ionbyttersalte som f.eks. de nævnte kvaternære - 6 -

DK 164838 B

ammoniumchlorider foreligger en vis selektivitetssekvens over for forstyrrende ioner. Denne sekvens kan principielt ikke forandres ved hjælp af blødgørertilsætninger, membranovertrækning osv./ men man kan kun forandre det område/ som konstanterne 5 indtager, som en helhed. Dette betyder, at ved forringelse af forstyrrelsesionaktiviteten af ioner med selektivitetskonstant K over 1 bliver samtidig selektiviteten over for forstyrrelsesioner med selektivitetskonstanter K under 1 forringet.

Opgaven i forbindelse med den foreliggende opfindelse er 10 at anvise en ionfølsom membranelektrode af den ovenangivne art på en sådan måde, at den selektive opførsel over for den ion, som skal påvises, forbedres, uden at de nævnte ulemper ved de kendte udførelsesformer må tages med i købet. Især anvises på simpel måde en chlorfølsom membranelektrode med høj 15 selektivitet over for andre anioner samt lignende lipofile ioner i blodet og andre interferensstoffer i legemsvæsker.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at andelen af elektro-aktiv komponent i membranen ligger i området 50-90 vægtprocent. Denne udformning udnytter den helt overraskende omstændighed, 20 at den selektive opførsel af de ovenfor beskrevne væskemembraner kan forbedres drastisk, når man helt giver afkald på de ifølge den kendte teknik i polymermatrixen benyttede blødgører-substanser og i stedet forøger indholdet af elektroaktiv komponent drastisk til over 50 vægtprocent.

25 Navnlig i sammenhæng med en membranelektrode med PVC som polymermatrix og methyltridodecylammoniumchlorid som elektro-' aktiv komponent har ifølge en særlig foretrukken udførelsesform for opfindelsen en andel af elektroaktiv komponent i membranen i området 60-80 vægtprocent vist sig særlig fordelagtig.

30 Udformningen af den anionfølsomme membran ifølge den foreliggende opfindelse udgør - i forhold til de kendte udførelsesformer og også med henblik på den af K. Hartman et al som en ikke fordelagtig udførelsesform fremførte blødgørerfrie membran - en overvindelse af en fordom blandt fagfolk, idet der 35 for tiden kun eksisterer vage formodninger om den teoretiske begrundelse for den mekanisme, som giver fordelene ifølge opfindelsen.

- 7 -

DK 164838 B

De uventede egenskaber og fordele ved ionfølsomme membran-elektroder ifølge opfindelsen fremgår af nedenstående tabel 1 ved sammenligning af selektivitet eller interferens af et antal anioner i forhold til chlor for 3 forskellige membransam-5 mensætninger.

Disse membransammensætninger er: 1) en konventionel elektrodemembran med blødgører (f.eks.

27 vægtprocent methyltridodecylammoniumchlorid (MTDDAC1), 5 vægtprocent 2-nitro-p-cymol og 5 vægtprocent 5-phenyl-1° 1-pentanol som blødgører og 63 vægtprocent PVC), 2) en blødgørerfri membran med 80 vægtprocent PVC og 20 vægtprocent tridodecylammoniumchlorid svarende til oplysningen ifølge K. Hartman et al og 3) en membran ifølge den foreliggende opfindelse bestående 15 af 80 vægtprocent tridodecylammoniumchlorid og 20 vægt procent PVC.

Selektivitetskonstanten bestemmes i alle tilfælde efter en målemetode, som er kendt under betegnelsen FIM (fixed interference method).

20 TABEL 1:

Typiske selektivitetsdata af forskellige membransammensætninger (angivet som logaritmen til selektivitetskonstanten) 25 Ion_Membran 1_Membran 2_Membran 3 C104 — 3,7 0,6 I 1,77 — 0,32 N03 1,0 1,6 0,56

Br 0,62 1,0 0,19 30 N02 0,65 0,7 0,51 HC03 -1/17 -1,0 -0,045

De i denne tabel 1 selektivitetsdata viser allerede, at der findes ioner, for hvilke den ifølge opfindelsen udformede 35 membranelektrode har højere selektivitet end for chlorid. I passende målemedier kan derfor en ifølge opfindelsen udformet ionfølsom membranelektrode helt igennem også anvendes til måling af andre ioner som f.eks. ClO^, SCN, iodid, NC>3 og bromid.

- 8 -

DK 164838 B

De derved opnåede fordele afhænger af den specielle sammensætning af den opløsning, som skal måles. I fysiologiske opløsninger er - på grund af koncentrationsforholdene af de enkelte ioner - fortrinsvis chlor målelig med en ifølge opfindelsen 5 udformet membranelektrode.

I denne sammenhæng skal det også nævnes, at man uden videre kan udføre de ifølge opfindelsen udformede ionfølsomme membranelektroder med også ladede elektroaktive komponenter, som er fordelagtige til de mest forskelligartede formål. Den elektri-10 ske modstand af den opnåede membran er forholdsvis lav (i området 0,1-1 megaohm), hvilket letter den praktiske anvendelse af membranelektroden til gennemførelse af målinger, og hvilket sandsynligvis skyldes den i membranen forekommende forholdsvis høje elektriske ladningstæthed.

15 Fordelene ved elektroden ifølge opfindelsen fremgår endvi dere også tydeligt af en sammenligning af chloridmålinger på urinprøver.

I tabel 2 er anført resultaterne af en undersøgelse af 5 urinprøver dels efter den kendte kolorimetrifremgangsmåde, 20 dels med en konventionel elektrodemembran med blødgører (membran 1 fra tabel 1) på chlorid. Ved kolorimetrien indføres urinprøverne ufortyndet, og den fornødne fortynding foretages automatisk af apparatet. Med "membran 1" var det ikke muligt at foretage en brugbar måling på ufortyndet urin, da der op-25 træder en stærk fluktuation på grund af indflydelsen fra forstyrrende ioner, og der foretages derfor en fortynding af prøverne (2 dele fortynder til 1 del urin).

TABEL 2: 30

Prøve_Kolorimetri_Membran 1 1 66 m mol/1 347 m mol/1 2 85 " 95 3 99 " 154 35 4 136 " 309 5 176 " 228 "

DK 164838B

- 9 -

De iøjnefaldende store forskelle i måleværdierne ifølge de to metoder ville ved måling på ufortyndede prøver med membran 1 blive væsentlig større.

I tabel 3 vises en sammenligning mellem kolorimetrimåling 5 og en blødgørerfri elektrodemembran (membran 2 i tabel 1).

TABEL 3:

Prøve_Kolorimetri_Membran 2_ 10 1 16 m mol/1 1117 (617) m mol/1 2 43 " 86 3 79 " 119 " 4 91 " 130 5 119 " 400 15

Også her er der med henblik på målingen med membran 2 foretaget en fortynding af prøven i forholdet 2:1.

I tabel 4 vises endelig ovenstående sammenligning med en elektrodemembran ifølge opfindelsen (membran 3 i tabel 1).

20 TABEL 4:

Prøve_Kolorimetri_Membran 3_ 1 39 m mol/1 43 m mol/1 25 2 70 " 75 3 91 " 93 " 4 170 " 169 5 233 " 241 " 30 Af denne sammenligning ses det umiddelbart, at chlorid- målingen med en ifølge opfindelsen udformet membranelektrode også kan gennemføres på ufortyndet urin, uden at der - som ved de kendte membranelektroder - optræder væsentlige afvigelser i måleværdierne.

35

Claims (2)

1. Ionfølsom, især chloridfølsom membranelektrode med en anionfølsom membran, som, indlejret i en blødgørerfri polymer- 5 matrix, i det mindste har én elektroaktiv komponent, kendetegnet ved, at andelen af den elektroaktive komponent i membranen ligger i området 50-90 vægtprocent.

2. Membranelektrode ifølge krav 1 med PVC som polymer-matrix og methyltridodecylammoniumchlorid som elektroaktiv 10 komponent, kendetegnet ved, at andelen af den elektroaktive komponent i membranen ligger i området 60-80 vægtprocent. 15