DE3537919A1 - Anordnung zur stabilisierung einer gas-bezugselektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stabilisierung einer Gas- Bezugselektrode bei der elektrochemischen Messung von Aktivitäten, mit einer Bezugselektrode aus Edelmetall und einer die Bezugselektrode teilweise bedeckenden lipophilen Membran, die zwischen der Bezugselektrode und einem, in einem Elektrolytraum enthaltenen, Elektrolyten angeordnet ist.

Eine entsprechende Vorrichtung ist aus der EP-OS 01 41 178 bekannt. Unter "Aktivitäten" sollen hier ggfs. auch die den Gas-Partialdrucken entsprechenden Fugazitäten verstanden werden. "Teilweise bedeckend" bezieht sich auf die Gesamt-Bezugselektrode, die im übrigen, d. h. in anderen Teilbereichen, von einer Isolierschicht bedeckt sein kann. Die Membran dient jedenfalls dazu, Elektrode und Elektrolyt so zu trennen, daß der Elektrolyt an keiner Stelle direkt an die Elektrode angrenzt. Der elektrische Widerstand dieser durch eine lipophile Membran bedeckten Metallelektrode liegt in einer Größenordnung von mindestens 10⁹Ω.

Derartige Vorrichtungen sind als Bezugselektroden besonders geeignet, da sie durch die Schutzmembran, auf die wegen näherer Einzelheiten ausdrücklich auf die obige EP-OS 01 41 178 hingewiesen wird, schon an sich eine im Vergleich zu früheren Bezugselektroden hohe Stabilität aufweisen. Die Erfindung ermöglicht es, diese Stabilität noch zu steigern. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Quelle für das Gas für die Gas-Bezugselektrode erreicht.

Dadurch ist es möglich, den Partialdruck des jeweiligen Gases für die Bezugselektrode auf einem gleichmäßigeren Wert zu halten und somit die Meßgenauigkeit der Gesamtanordnung, in der die Bezugselektrode verwendet wird, zu erhöhen. Die Quelle kann eine, bpsw. flexible, Zuleitung von einem Reservoir aus sein. Sie ist bevorzugt auch ein geeignetes Speichermedium, wie ein H₂ speichernder Metallschwamm.

Bevorzugt weist die Quelle eine Elektrode, vorzugsweise aus Edelmetall, auf, an der das für die Bezugselektrode benötigte Gas (aus dem Elektrolyten) freigesetzt wird, und die ebenfalls im Elektrolytraum der Bezugselektrode angeordnet ist. Dadurch läßt sich eine wesentliche Verkleinerung der Gesamtanordnung erreichen. Die direkte Zuführung des jeweiligen Gases benötigt doch immer erheblichen Raum, der insbesondere bei physiologischen Anwendungen oft nicht zur Verfügung steht. Durch die Erzeugung auf elektrolytischem Wege im Elektrolytraum läßt sich eine entsprechende Miniaturisierung erreichen.

Bevorzugt ist im gleichen Elektrolytraum, dem der Bezugselektrode, eine Gegenelektrode für die Quellen-Elektrode vorgesehen. Die Erzeugung des Gases findet dann in einem eigenen elektrolytischen Kreis aus Quellen- Elektrode und Gegenelektrode statt.

Besonders bevorzugt ist eine Konstantstromquelle zwischen Quellen- Elektrode und Gegenelektrode angeordnet, die die Gasquelle betreibt. Dadurch kann mit einfachen elektronischen Mitteln eine konstante Gaserzeugung und damit eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Gasquelle, insbesondere mit den oben genannten Merkmalen. Eine solche Gasquelle ist einerseits zweckmäßig elektrolytisch und damit im Elektrolytraum angeordnet, sie soll aber ihrerseits möglichst wenig von den sonstigen Stoffen und Vorgängen im Elektrolyten beeinträchtigt werden. Daher weist sie gemäß einer Weiterbildung von eigenständiger und erfinderischer Bedeutung eine, bevorzugt lipophile, für das Gas durchlässige, besonders bevorzugt einen Protonencarrier aufweisende, Membran zwischen der Quellen-Elektrode und dem Elektrolytraum auf. Hinsichtlich des Wortes "zwischen" wird auf die obigen Bemerkungen zur Trennung von Elektrode und Elektrolyt verwiesen. Bezüglich der speziellen Ausgestaltung der Membran wird insbesondere auf die DE-OS 27 30 143 und die EP-OS 01 41 178 verwiesen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Stabilisierung einer Gas-Bezugselektrode bei der elektrochemischen Messung von Aktivitäten, mit einer Bezugselektrode.

Derartige Bezugselektroden sind bekannt. Sie werden über einen Elektrolyten mit einer Meßelektrode verbunden, an der die Konzentration (und damit die Aktivität) eines zu messenden Stoffes veränderlich ist. Die sich nach dem Nernstschen Gesetz ergebende Spannungsänderung der Meß-Elektrode wird in bekannter Weise gemessen und als Maß für die Aktivität (und damit die Konzentration) des zu messenden Stoffes gewonnen. Hierzu werden die Anschlüsse der Meß- und der Bezugselektrode an die jeweiligen Eingänge eines Meßinstrumentes gelegt. Zu "Aktivitäten" wird auf die eingangs gemachten Bemerkungen verwiesen.

Eine wichtige Voraussetzung für die Genauigkeit einer solchen Messung ist aber eine hinreichende Stabilität und damit Konstanz des Potentialwertes E _O der Nernstgleichung, und damit insbesondere der Bezugselektrode. Dieser Potentialwert ist aber wesentlich von den Bedingungen, unter denen sich die Gas-Bezugselektrode befindet, wie dem Partialdruck des zugehörigen Gases und der Temperatur, abhängig.

Die Bezugselektrode zeigt ferner eine gewisse Drift, die bei den hier bevorzugt ins Auge gefaßten Anwendungen, z. B. Implantation der Gesamt-Meßanordnung im menschlichen Körper, nicht durch Nacheichung korrigiert werden kann. Diese Drift ist auch unabhängig von der Konstanthaltung der sonstigen Bedingungen für die Bezugselektrode. Die Drift einer typischen Wasserstoff-Bezugselektrode liegt z. B. in der Größenordnung von 1 mV/5 Tagen.

Die Erfindung schafft daher eine Anordnung zur Stabilisierung von Gas-Bezugselektroden, die auf einfache Weise eine sichere Stabilisierung des Bezugspotentials gewährleistet.

Dies wird gemäß der Erfindung durch zwei in Aufbau und Anordnung weitestgehend gleiche Bezugselektroden, wobei die Anschlüsse der Bezugselektroden an den einen bzw. den anderen Eingang eines Differenzverstärkers angelegt sind, und dadurch, daß der Ausgang des Differenzverstärkers der Ausgang der Bezugselektrodenanordnung ist, erreicht.

Die Ausgänge der Elektroden, die im Falle einer Elektrode, selbst an die Meßeinrichtung angelegt werden, liegen hier also an den Eingängen eines Differenzverstärkers an. Unter "angelegt sein (oder werden)" soll hier auch verstanden werden, daß die Ausgänge der Bezugselektroden erst über weitere Schaltungselemente, bevorzugt Impedanzwandler (s. u.), mit dem Eingang des Differenzverstärkers verbunden sind. Der Ausgang des Differenzverstärkers wird dann - wiederum im eben erläuterten Sinn - an Stelle des Bezugselektrodenanschlusses an das Meßinstrument angelegt.

Unter Differenzverstärker wird hier insbesondere eine Schaltung verstanden, die eine Ausgangsspannung U _x aus den beiden Eingangsspannungen U _e1 und U _e2 nach der Formel

U _x = k(U _e1 - U _e2) (+ggfs. const.)

schafft.

Konkret verwendete Schaltungen werden unten angegeben.

Zwei in Aufbau und Anordnung weitestgehend gleiche Bezugselektroden soll heißen, daß die Bezugselektroden möglichst gleich ausgebildet sind, um schon von daher ein gleiches Driftverhalten zu zeigen. Dies kann bspw. bevorzugt dadurch erreicht werden, daß die beiden Bezugselektroden im gleichen Arbeitsgang mit den gleichen Materialien und Abmessungen hergestellt werden.

Die "gleiche Anordnung" kann z. B. in Symmetrie zu anderen, das Bezugspotential beeinflussenden Einrichtungen gewählt sein, so daß sich auch von dorther kein unterschiedliches Verhalten ergibt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich, da nun somit sichergestellt ist, daß sich die erfindungsgemäß zwei Bezugselektroden praktisch völlig gleich verhalten, daß die Eingangsspannungen an den beiden Eingängen des erfindungsgemäß vorgesehenen Differenzverstärkers praktisch gleich sind, so daß der Spannungswert am Ausgang des Differenzverstärkers dementsprechend konstant (z. B. bevorzugt Null) bleibt. Dies ist dann der Bezugs-Meßwert für die (bevorzugt Spannungs-)- Meßeinrichtung. Diese Konstanz ist aber auch unabhängig von den Umgebungsbedingungen für die beiden Bezugselektroden (sofern diese nur gleichmäßig auf beide einwirken). So haben Messungen ergeben, daß die Anordnung praktisch unempfindlich gegen Änderungen des jeweiligen Gas-Partialdruckes ist.

Somit hat die Erfindung insbesondere den Vorteil, daß damit an den einen Eingang der Spannungs-Meßeinrichtung für die Gesamtanordnung aus Meß- und Bezugselektroden ein konstanter Spannungswert (der bspw. auf Null normiert werden kann) angelegt ist.

Bevorzugt sind zwischen die Anschlüsse der Bezugselektroden und den jeweiligen Eingang des Differenzverstärkers Impedanzwandler geschaltet, um die Anordnung hochohmig zu machen. Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erhalten, wird die Gesamt-Anordnung aus Bezugselektrode und Meßelektrode nämlich hochohmig betrieben, so daß eine potentiometrische Messung durchgeführt wird. Die Ströme liegen dabei in der Größenordnung von 10^-15 A. Dies wird besonders durch weitere Maßnahmen (Membran) möglich, auf die unten näher eingegangen wird.

Die durch geeignete Maßnahmen erreichte Hochohmigkeit der Bezugselektroden paßt diese auch an die Meßelektrode an, so daß der Meß- Differenzverstärker zur Rauschunterdrückung dienen kann.

Um evtl. trotz der Übereinstimmung der beiden Bezugselektroden auftretende Ungleichgewichtszustände kompensieren zu können, also zum Ausgleich etwaiger Potentialunterschiede zwischen den beiden Bezugselektroden, wird an eine der beiden Bezugselektroden eine von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers abhängige Kompensationsspannung angelegt, die besonders bevorzugt geregelt ist. Dadurch wird die Stabilität des Gesamtsystems weiter wesentlich erhöht.

Hierbei werden allerdings bevorzugt nur Unterschiede von einigen Millivolt ausgeglichen, besonders bevorzugt bis zu zwischen 1,5 und 3 mV. Zeigen die beiden Bezugselektroden größere Abweichungen voneinander, so weist das auf einen Fehler zumindest einer der beiden hin, so daß die Bezugselektrodenanordnung nicht mehr verwendet werden sollte. Es ist hieraus auch ersichtlich, daß die Verwendung zweier gleicher unabhängiger Elektroden eine zusätzliche Kontrollmöglichkeit für die Elektrodenfunktion bietet und damit zu einer höheren Meßsicherheit führt. Bevorzugt weist die Anordnung eine Anzeigeeinrichtung auf, die größere Abweichungen durch ein entsprechendes Signal zu erkennen gibt. Bevorzugt sind die Bezugselektroden Wasserstoffelektroden. Diese haben sich bei den hier ins Auge gefaßten Anwendungsgebieten besonders bewährt. Wenn die Bezugselektrode eine (als Anode geschaltete bzw. wirkende) Wasserstoffelektrode ist, können damit das Gas O₂ und zahlreiche Kationen an einer zugehörigen Meßelektrode gemessen werden, z. B. K⁺, Na⁺. Eine solche Gesamtanordnung, z. B. mit einer Sauerstoffelektrode wie sie in der DE-OS 27 30 143 beschrieben ist, ist ausdrücklich bevorzugt.

Alternativ bevorzugt sind die Bezugselektroden Sauerstoffelektroden. Diese werden als Bezugselektroden bei der Messung bestimmter Stoffe mit Vorteil verwendet. Die zugehörige MeßElektrode kann dann Gase (z. B. H₂, vgl. die Parallel-Anmeldung vom gleichen Tage zu dieser Anmeldung des Erfinders und Anmelders dieser Anmeldung) und H₂O₂ messen (vgl. die eingangs erwähnte EP-OS 01 41 178). Die zugehörige Meßelektrode kann ferner weitere Anionen, z. B. Cl^- oder HCO₃ ^- messen. Hierzu werden die Membranen mit geeigneten Carriern versetzt.

Jedenfalls sind die Bezugselektroden besonders bevorzugt Gaselektroden, da die Erzeugung und Abführung der benötigten Gase besonders einfach ist.

Goldelektroden haben sich für die Gas-Bezugselektroden besonders bewährt, da sich Gold besonders gut z. B. auf Membranen aufsputtern läßt. Alternativ sind Platinelektroden oder andere Edelmetallelektroden bevorzugt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Bezugselektroden aus palladiniertem Platin.

Besonders bevorzugt ist zwischen dem Elektrolyten und der Bezugselektrode eine Schutzmembran vorgesehen. "Zwischen" ist oben erläutert. Diese verbessert schon an sich die Stabilität der Bezugselektroden wesentlich, und ermöglichen im Zusammenhang mit dem durch die beschriebenen Maßnahmen erreichten hohen Widerstand und damit geringen Strom eine potentiometrische Messung. Die hohe Stabilität der Elektroden beruht vor allem darauf, daß die Verschmutzung der Elektroden durch an der Reaktion nicht beteiligte Stoffe vermieden werden kann. Solche Membranen sind in der eingangs genannten EP-OS 01 41 178 näher beschrieben. Auch im vorliegenden Fall sind lipophile Membranen bevorzugt, die besonders bevorzugt einen Protonencarrier aufweisen.

Bevorzugt ist eine Membran beiden Bezugselektroden gemeinsam. Dadurch kann auch einfache Weise die Symmetrie der Gesamtanordnung erhöht bzw. sichergestellt werden.

Bevorzugt weist die Anordnung eine Wasserstoffquelle für die Bezugselektroden auf. Dadurch lassen sich gleichmäßige Bedingungen für die Bezugselektroden herstellen, wie weiter oben erläutert. Diese gleichmäßigen Bedingungen für beide Bezugselektroden sind trotz der erfindungsgemäßen Kompensation wichtig, da wie gesagt nur geringe Abweichungen im Potential beider Bezugselektroden geduldet werden sollen.

Im Falle der Sauerstoff-Bezugselektroden weist die Anordnung bevorzugt dementsprechend eine Sauerstoffquelle auf.

Die Erfindung betrifft auch eine elektrolytische Katheter- oder Kanülenmeßvorrichtung, mit einem hohlzylindrischen, länglichen Gehäuse und mit daran angeordneten Meß- und/oder Bezugselektroden. Dabei haben die Meß und Bezugselektroden insbesondere und besonders bevorzugt die oben angegebenen Merkmale einzeln oder in Kombination.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lassen sich besonders günstig bei physiologischen Messungen, insbesondere in vivo, nutzen. Dort stehen in der Regel nur äußert geringe Substanzmengen zur Verfügung, die einerseits eine hohe, mit vorstehenden Maßnahmen erreicht Meßgenauigkeit erfordern, andererseits aber auch eine besondere Anpassung an die Meßumstände erfordern. Die Erfindung schafft daher eine Meßvorrichtung, die sich besonders gut im menschlichen Körper einsetzen läßt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Meß- und Bezugselektroden im Innern des Meßzylinders angeordnete, im wesentlichen achsparallele Drähte aufweisen.

Dadurch ist es möglich, die Elektroden raumsparend in einem Katheter oder einer Kanüle unterzubringen. Die Drähte lassen sich aber trotzdem mit den Membranen versehen (z. B. durch Ummantelung) und leicht an die vorgesehene Elektronik anschließen.

Ggfs. in Kombination mit den vorstehenden Merkmalen sind die Meß- und/oder Bezugselektroden bei einer solchen Meßvorrichtung im wesentlichen ringförmig um den Außenmantel des Hohlzylinders angeordnet.

Dadurch können Sie, z. B. in Form eines flachen, aufgedampften oder aufgesputterten Gürtels, raumsparend angebracht werden und dennoch auf einfache Weise mit den physiologischen Lösungen, z. B. den Gewebsflüssigkeiten der Gewebe, in die die Kanüle eingestochen ist, in Verbindung treten.

Besonders bevorzugt ist die eine, einführseitige Öffnung des Hohlzylinders durch eine ionenpermeable (bevorzugt Poren-)Membran gegen den Außenraum abgeschlossen. Insbesondere durch die oben geschilderten Maßnahmen ist es möglich, den Elektrolyten der Meßvorrichtung z. B. den Werten des Blutes anzupassen. Es reicht dann eine einfache Porenmembran zur Trennung von Elektrolyt und Meßflüssigkeit aus. Durch die erfindungsgemäß erreichte Hochohmigkeit der Meßanordnung stören Anlagerungen von Proteinen nicht durch Impedanzerhöhung, da sie nur unwesentlich zu der insgesamt hohen Gesamtimpedanz beitragen. Hingegen verhindert die Membran eine Verschmutzung des inneren Meßraumes der Kanüle.

Bevorzugt ist der Innenraum des Hohlzylinders mit einem Elektrolyten gefüllt. Dieser ist zweckmäßig der vorgesehenen Meßlösung angepaßt, sofern nicht ohnehin enzymatisch gearbeitet wird (vgl. z. B. die eingangs genannte EP-OS 01 41 178).

Besonders bevorzugt sind auch die Gas-Erzeugerelektroden wie oben erläutert, draht- oder ringförmig ausgebildet. Auf diese Weise lassen sie sich gut in die Meßeinrichtung integrieren. Bevorzugte An- und Zuordnungen der einzelnen Elemente werden noch bei den Ausführungsbeispielen dargestellt.

Besonders bevorzugt sind zwei Meßelektroden vorhanden, von denen die eine anodisch und die andere kathodisch ausgebildet ist. "Anodisch (bzw. kathodisch) ausgebildet" soll heißen, daß die Elektrode durch ihren Aufbau, durch ihre Materialien, und ggfs. die Polarisationsspannung als Anode oder Kathode relativ zu den Bezugselektroden wirkt. Bevorzugt sind dann jeweils geeignete Bezugselektroden ausgebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, auf die wegen ihrer großen Klarheit und Übersichtlichkeit bezüglich der Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird, noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Eine erfindungsgemäße Anordnung von Bezugselektrode und elektrolytischer Gasquelle;

Fig. 2: Eine Anordnung mit zwei Bezugselektroden, die erfindungsgemäß verbunden sind:

Fig. 3: Die Anordnung aus Fig. 2 mit einer Gas-Erzeugerquelle;

Fig. 4: Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung für die beiden Bezugselektroden und die Meßelektrode;

Fig. 5: Kurven, die ohne bzw. mit der Erfindung gewonnen wurden; und

Fig. 6: eine erfindungsgemäße Katheter-Meßeinrichtung.

Eine Wasserstoff-Bezugselektrode aus Gold, 6, die bis auf eine Fläche von einem Isoliermaterial 28 umgeben ist, ist auf dieser Fläche durch eine lipophile Membran 30 mit einem Protonencarrier abgedeckt. Die Elektrode ist durch die Membran 30 von dem Elektrolyten 2 getrennt, der sich in einem angedeuteten Elektrolytraum 3 befindet. In Gegenüberlage zur Membranfläche ist, ebenfalls im Elektrolytraum, eine Wasserstoffquelle 32 angeordnet. Diese ist, um eine gleichmäßige Wasserstoffabgabe zu gewährleisten, durch eine lipophile Membran 34, bspw. aus PVC, vom Elektrolyten getrennt. Die Gegenelektrode der Erzeugerelektrode, bspw. eine Sauerstofferzeugerelektrode, ist über eine entsprechend gepolte Gleichspannungsquelle mit der Wasserstoff-Erzeugerelektrode 32 verbunden. Eine Konstantstromquelle 40 sorgt dabei durch I = const. im Erzeugerkreis für eine gleichmäßige Erzeugungsrate, hier bspw. mit einem Partialdruck von 1 mm Hg. Dadurch bleibt die schädigende Wirkung des H₂ an den Elektroden niedrig.

In Fig. 2 wird die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Bezugselektroden im Zusammenwirken mit einer zugehörigen Meßelektrode näher erläutert. In einem Elektrolyten 2 in einem Elektrolytraum 3 befinden sich die Meßelektrode 4, hier eine Kathode, und die beiden Bezugs- oder Referenzelektroden 6 und 7, hier Anoden. Die Wasserstoffgas-Bezugselektroden 6 und 7 stimmen in Abmessung, Material und Aufbau überein. Sie sind auch, wie aus der Zeichnung nicht zu erkennen, in Bezug auf andere Elemente der Anordnung symmetrisch angeordnet. Sie sind im vorliegenden Fall durch Teilung einer einzigen Bezugselektrode gebildet. Sie sind, bis auf die Membranfläche (und den Anschluß) durch ein Isolationsmaterial 28 isoliert.

Die für die Gas-Elektroden erforderlichen Polarisationsspannungsquellen sind in Fig. 2 nicht eingezeichnet. Es wird auf Fig. 4 verwiesen.

Die Anschlüsse 10 bzw. 11 der Bezugselektroden 6 und 7 sind jeweils an einen Eingang 14 bzw. 16 eines Differenzverstärkers 18 angeschlossen, während der Anschluß 12 der Meßelektrode 4 mit dem einen Eingang 20 eines Meß-Differenzverstärkers 22 verbunden ist. An den anderen Eingang 24 des Verstärkers 22 ist der Ausgang 26 des Ausgleichs-Differenzverstärkers 18 angelegt. Der Ausgang 26 des Ausgleichs-Differenzverstärkers 18 liegt außerdem an einer Schaltung 27 an, die in Abhängigkeit von evtl. Änderungen dieses Ausgangswertes eine Kompensationsspannung U _komp an den Ausgang einer der beiden Bezugselektroden, hier der Bezugselektrode 6, anlegt. Damit ist die Kompensation kleiner Asymmetrien, bis ca. 1,5 mV, angestrebt und möglich.

In Fig. 3 sind die Bezugselektroden 6 und 7 noch einmal gesondert mit einer gegenüberliegenden, hier für beide Bezugselektroden symmetrischen und gemeinsamen, (Wasserstoff-)Gasquelle gezeigt. Die elektrischen Anschlüsse 10 und 11 sind nur angedeutet. Gezeigt ist hingegen, wie die beiden Elektroden 6 und 7 jeweils an den Seiten und gegeneinander abgeschirmt, hier durch PVC 28, sind. Die an sich zum Elektrolyten 2 offenen Flächen der Bezugselektroden sind durch eine gemeinsame, lipophile Schutzmembran 30, vorzugsweise aus PVC, vom Elektrolyten getrennt. Die Schutzmembran 30 ist durch einen Protonencarrier protonenpermeabel gemacht worden. Die gemeinsame Schutzmembran für beide Bezugselektroden erhöht die Symmetrie und erlaubt eine geringere Baugröße der Gesamt-Bezugsanordnung. Die Gasquelle ist bei Fig. 1 näher erläutert worden. Die Schutzmembran 34 ist für das zu erzeugende Gas und die Ionen, aus denen das Gas erzeugt wird, durchlässig, ggfs. weist sie geeignete Carrier auf.

Fig. 4 zeigt die Schaltung nach den Elektroden mehr im Einzelnen. Die Nummern der Bauelemente sind die der Fa. Analog Devices. Die unbezeichneten Widerstände betragen 10k. Die Spannungsversorgung ist ± 8 V, je über 2,2 µF geblockt. Die Bezugszeichen sind weitestmöglich die gleichen wie in Fig. 1 bis 3.

Der Anschluß 10 der (nicht gezeigten) Bezugselektrode 6 ist über eine Polarisationsspannungsquelle 42 (von bspw. 150 mV) an den positiven Eingang eines Impedanzwandlers 15 angeschlossen. Die Polarisationsspannungen ermöglichen, wie hier hervorgehoben sei, die Polarisation der Elektroden, was wiederum zu einem Spannabfall an den Elektroden führt, so daß die EMK zwischen Bezugselektrode und Meßelektrode vernachlässigbar klein wird. Dadurch beeinflussen sich Meß- und Referenzelektrode nur minimal.

Der Ausgang des Impedanzwandlers ist an den negativen Eingang rückgekoppelt. Der Ausgang des Impedanzwandlers ist über eine Widerstand an den negativen Eingang 14 eines Differenzverstärkers 18 angeschlossen, an den über einen Widerstand auch der Ausgang von 18 anliegt. Zwischen den Ausgang 10 der einen Bezugselektrode 6 und der Polarisationsspannungsquelle 42 ist noch ein mit Masse verbundener Widerstand von 10GΩ angeschlossen, der der Impedanzabsenkung gegenüber dem Wert, der durch den Impedanzwandler allein erhalten würde, dient.

Die Verbindung zwischen dem Anschluß 11 der Bezugselektrode 7 und dem positiven Eingang 16 des Differenzverstärkers 18 ist völlig gleich aufgebaut. Jedoch ist zwischen Masse und die Verbindung zwischen dem Widerstand, der sich nach dem Ausgang des Impedanzwandlers befindet, und dem positiven Eingang 16 des Differenzverstärkers 18 ein weiterer Widerstand geschaltet.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 18 ist über einen Widerstand mit dem negativen Eingang 20 eines Meß-Differenzverstärkers 22 verbunden, dessen (22) Ausgang über einen veränderlichen Widerstand (100 kΩ) an den negativen Eingang 20 angeschlossen ist. Der Ausgang des Meß-Differenzverstärkers liefert die Ausgangsspannung U _meß , die die Änderung des Potentials an der Meßelektrode angibt.

Der Ausgang des Ausgleichs-Differenzverstärkers 18 ist noch über die schon erwähnte Kompensationsschaltung 27 an den positiven Eingang 16 von 18 angeschlossen.

Der Ausgang 12 der Meßelektrode ist über einen Widerstand von 10 GΩ mit Masse verbunden und liegt über eine Polarisationsspannungsquelle 44 von ca. 300 mV am positiven Eingang eines Operationsverstärkers 19, dessen Ausgang mit seinem (19) negativen Eingang verbunden ist. Der Ausgang von 19 ist über einen Widerstand mit dem positiven Eingang 24 des Meß-Differenzverstärkers 22 verbunden, wobei diese Verbindung zwischen Widerstand und Eingang 24 über einen Widerstand an Masse angeschlossen ist.

Der Differenzverstärker 18 bildet nun die Differenz der voraussetzungsgemäß gleichen Spannungen an seinen Eingängen und damit die Spannung 0. Der Differenzverstärker 22 läßt also unmittelbar die durch die zu messende Substanz bewirkten Änderungen an der Meßelektrode erkennen. Bei der potentiometrischen Messung, die einerseits durch die den Schutzmembranen zu verdankende hohe Stabilität möglich ist, und die durch die hohen Impedanzen erreicht wird, fließen nur äußerst geringe Ströme in der Größenordnung von 10^-15 A.

Fig. 5 zeigt eine Messung, einmal an den Bezugselektroden ohne Differenzverstärker und einmal am Ausgang eines Differenzverstärkers, der dem Differenzverstärker 18 entsprach (mittlere Kurve). Es ist ersichtlich, daß, von Einschwingvorgängen abgesehen, die Ausgangsspannung im letzteren Fall praktisch unabhängig von Änderungen des P_H an den Bezugselektroden war.

In Fig. 6 ist bei 50 ein Hohlzylinder gezeigt. Mit jeweils geeigneten Abmessungen kann diese Anordnung als Katheter, Kanüle oder Stichelektrode verwendet werden. Dessen vordere Öffnung ist durch eine ionenpermeable Porenmembran 52 herkömmlicher Ausbildung abgeschlossen. Im vorderen Bereich, nahe der ionenpermeablen Porenmembran 52, befinden sich in dieser Reihenfolge vom Ende weg eine pO₂-Meßelektrode 4, die dementsprechend als Kathode ausgebildet und angeschlossen ist, dahinter eine pH₂- oder H₂O₂-Meßelektrode 4′, und wieder dahinter zwei Gas-Bezugselektroden 6′ und 7′, die dementsprechend als Sauerstoff-Kathoden ausgebildet sind. Im Inneren 3′ des Hohlzylinders 50 befindet sich ein Innenelektrolyt 2, der über die Porenmembran 52 die elektrolytische Verbindung z. B. mit der Gewebsflüssigkeit und damit letztlich zu den Außenelektroden 4, und ggfs. 4′, 6′ und 7′ herstellt. Der Innenelektrolyt 2 kann, wie gesagt, bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Elektroden insbesondere durch Verwendung von Gaselektroden und insbesondere durch die Verwendung von Membranen, den Blutwerten entsprechende Molstärken haben. Es tritt dann kein Diffusionspotential auf. Ein Niederschlag aus dem Blut, der die Porenmembran verstopfen könnte, kann weitgehend vermieden werden.

Im Inneren des Hohlzylinders sind ferner im wesentlichen achsparallel drei Edelmetalldrähte angeordnet, die über einen gewissen Bereich mit einer lipophilen Carriermembran umgeben sind. Der Draht 32 mit der Membran 34 dient dabei der elektrolytischen Wasserstofferzeugung. Die Drähte 6 und 7 sind Gas-Bezugselektroden, die hier als Wasserstoffanoden ausgebildet sind. Sie sind mit Membranen 30 bzw. 31 umgeben. Die Drähte sind durch isolierte Kabel nach außen geführt, was bei 6 und 7 durch die Bezeichnung der Anschlüsse 10 und 11 angedeutet ist.

In einigem Abstand weg von der Membran 52 ist ferner noch eine Ring- oder Gürtelelektrode 32′ zur elektrolytischen Sauerstofferzeugung vorgesehen. Die Ringelektroden sind ebenfalls jeweils durch isolierte Kabel angeschlossen, was für die Elektrode 7′ durch das Kabel bzw. den Anschluß 11′ angedeutet ist.

Die beschriebene und gezeigte Anordnung der Elektroden zueinander ist besonders bevorzugt, da sich hierdurch einerseits die gewünschten Beeinflussungen ergeben, unerwünschte Beeinflussungen aber vermieden werden können.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, durch geeignetes An- und Abschalten der jeweiligen Elektroden entweder eine anodische Messung (Elektrode 4′) oder eine kathodische Messung (Elektrode 4) oder beide gemeinsam durchzuführen.

Im übrigen sind die Elektroden elektrisch angeschlossen wie in Fig. 2 und 4 näher erläutert.

Claims (24)

1. Anordnung zur Stabilisierung einer Gas-Bezugselektrode bei der elektrochemischen Messung von Aktivitäten, mit einer Bezugselektrode aus Edelmetall (6), und einer die Bezugselektrode (6) teilweise bedeckenden lipophilen Membran (30), die zwischen der Bezugselektrode (6, 6′) und einem, in einem Elektrolytraum (3, 3′) enthaltenen, Elektrolyten (2) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Quelle (32, 32′) für das Gas für die Gas-Bezugselektrode (6, 6′).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine Elektrode (32), vorzugsweise aus Edelmetall, aufweist, die das für die Bezugselektrode (6) benötigte Gas freisetzt, und die ebenfalls im Elektrolytraum (3) der Bezugselektrode (6) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Gegenelektrode (36) für die Quellen-Elektrode (32), im Elektrolytraum (3) der Bezugselektrode (6).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Konstantstromquelle (40) zwischen Quellen-Elektrode (32) und Gegenelektrode (36), zum Betreiben der Gasquelle.

5. Gasquelle für das Gas für eine Gas-Bezugselektrode, insbesondere mit einem oder mehreren der Merkmale der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine lipophile, für das Gas durchlässige, bevorzugt einen Protonencarrier aufweisende, Membran (34) zwischen der Quellen- Elektrode (32) und dem Elektrolytraum (3).

6. Anordnung zur Stabilisierung einer Gas-Bezugselektrode bei der elektrochemischen Messung von Aktivitäten, mit einer Bezugselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode durch zwei im Aufbau und in der Anordnung weitestgehend gleiche Bezugselektroden (6, 7; 6′, 7′) ersetzt ist, daß die Anschlüsse (10, 11; 10′, 11′) der Bezugselektroden an den einen (14) bzw. den anderen (16) Eingang eines Differenzverstärkers (18) angelegt sind, und daß der Ausgang (26) des Differenzverstärkers (18) der Ausgang der Bezugselektrodenanordnung ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anschlüsse (10, 11) der Bezugselektroden und den jeweiligen Eingang (14 bzw. 16) des Differenzverstärkers (18) Impedanzwandler (15, 17) geschaltet sind, um die Anordnung hochohmig zu machen.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Anschluß (10) einer (6) der beiden Bezugselektroden (6, 7) eine, bevorzugt geregelte (27), Kompensationsspannung (U _komp ) angelegt wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektroden Wasserstoff-Elektroden (6, 7) sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektroden Sauerstoff-Elektroden (6′, 7′) sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektroden Edelmetallelektroden, bevorzugt Gold- oder Platinelektroden (6, 7; 6′, 7′), sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektroden palladinierte Platinelektroden sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektrolyten (2) und den Bezugselektroden (6, 7; 6′, 7′) jeweils eine lipophile Schutzmembran (30) angeordnet ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lipophile Schutzmembran (30) einen Protonencarrier aufweist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bezugselektroden (6, 7) eine gemeinsame Membran (30) aufweisen.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, gekennzeichnet durch eine Gasquelle (32, 32′), insbesondere mit einem oder mehreren der Merkmale der Kennzeichen der Ansprüche 2 bis 4.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasquelle eine Wasserstoffquelle (32) ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasquelle eine Sauerstoffquelle (32′) ist.

19. Elektrolytische Katheter- oder Kanülen-Meßvorrichtung, mit einem hohlzylindrischen, länglichen Gehäuse (50) und mit daran angeordneten Meß- und/oder Bezugselektroden, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Bezugselektroden (6, 7) im Innern (3′) des Hohlzylinders (50) angeordnete, im wesentlichen achsparallele Drähte aufweisen.

20. Elektrolytische Katheter- oder Kanülen-Meßvorrichtung, mit einem hohlzylindrischen, länglichen Gehäuse, und mit daran angeordneten Meß- und/oder Bezugselektroden, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, insbesondere nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und/oder Bezugselektroden (4, 4′; 6′, 7′) im wesentlichen ringförmig um den Außenmantel des Hohlzylinders (50) angeordnet sind.

21. Meßvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die eine, einführseitige, Öffnung des Hohlzylinders (50) durch eine ionenpermeable Membran (52) gegen den Außenraum (3″) abgeschlossen ist.

22. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (3′) des Hohlzylinders (50) mit einem Innenelektrolyten (2) gefüllt ist.

23. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, gekennzeichnet durch draht- (32) oder ringförmig (32′) ausgebildete Gas-Erzeugerelektroden (Fig. 6).

24. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, gekennzeichnet durch zwei Meßelektroden (4, 4′), von denen die eine anodisch und die andere kathodisch ausgebildet ist.