DE3429583A1 - Verfahren zur elektrochemischen bestimmung der sauerstoffkonzentration - Google Patents

Verfahren zur elektrochemischen bestimmung der sauerstoffkonzentration

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 8^P 33 16 DE
Verfahren zur elektrochemischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, insbesondere in biologischem Material, mittels eines Sauerstoffsensors mit einer Meßelektrode und einer Gegenelektrode.
In der modernen Medizin werden für die Therapie von Herzrhythmusstörungen in zunehmendem Maße implantierbare Herzschrittmacher eingesetzt. Dabei wird der Herzmuskel durch kurze Stromimpulse stimuliert, die mittels einer Reizelektrode übertragen werden. Die implantierten Herzschrittmacher arbeiten im allgemeinen mit konstanter Frequenz und simulieren somit die Steuerung des gesunden Herzens, das seine Schlagzahl bei Bedarf ändert, nur unvollkommen. Deshalb wird eine physiologische Steuerung der Herzschrittmacher angestrebt, wozu beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Blut oder Gewebe als Steuerparameter dienen kann. Dabei wird dann die Frequenz der Reizimpulse der Sauerstoffkonzentration bzw. dem 02-Partialdruck angepaßt, um das Herz bei mangelhafter 02-Versorgung schneller schlagen zu lassen. Zu diesem Zweck muß also die 02-Konzentration kontinuierlich gemessen werden, d.h. es wird ein implantierbarer Sauerstoffsensor benötigt. Neben der Verwendung in Herzschrittmachern eignen sich Sauerstoffsensoren auch zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes bei der Respiration und können somit bei der Anästhesie und der intensiven Patientenüberwachung eingesetzt werden.
Bh 2 Koe / 8.8.1984
-S- VPA MP 3 3 I 6 OE
Bislang wird die Sauerstoffkonzentration im Blut bzw. Gewebe im allgemeinen extrakorporal gemessen, in vivo dagegen nur in sehr begrenztem Umfang und nur kurzzeitig. Als Grundlage dient dabei im wesentlichen das elektrochemische Prinzip, wozu eine sogenannte Clark-Zelle verwendet wird (siehe US-Patentschriften 2 913 386, 3 260 656 und 4 076 596). Bei einem derartigen Sauerstoffsensor ist vor der Meßelektrode eine Membran angeordnet, wodurch sich an der Elektrode ein Diffusionsgrenzstrom einstellt, d.h. es wird ein konzentrationsproportionales MeGsignal erhalten.
Für eine langfristige Implantation ist die vorstehend genannte Meßmethodik nicht geeignet, da der Grenzstrom stark von der Diffusionsschicht abhängt und die sich im Körper nach der Implantation zwangsläufig bildende Bindegewebsschicht somit das Meßsignal verfälschen kann. Die prinzipielle Lösung dieses Problems besteht darin, langfristig implantierbare Membranen zu verwenden. Für diesen Zweck geeignete Membranen sind bislang aber noch nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das - unter Verwendung eines Sauerstoffsensors mit einer Meß- und einer Gegenelektrode - auch bei einer Implantation des Sensors eine Bestimmung der Sauerstoffkonzentration über lange Zeiträume hinweg ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Meßelektrode zyklisch zwei Potentiale aufgeprägt werden, wobei das eine Potential (Meßpotential) im Bereich -1,4 V s ^fln/AaCl - -°>4 V liegt und das andere Potential (Erholungspotential) im Bereich -0,2 V *= yAq/AaCl * +0>2 v> daß die Verweildauer beim
Meßpotential klein ist im Vergleich zur Zyklusdauer und daß der während der Meßperiode fließende Strom als Meßsignal ausgewertet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nicht die Verwendung einer Membran und vermeidet somit die damit verbundenen Nachteile. Das Grundprinzip dieses Verfahrens besteht darin, daß - bei der Messung - der unmittelbaren Umgebung der Meßelektrode, beispielsweise dem Gewebe, so wenig Sauerstoff wie möglich entnommen wird, um diese Umgebung nicht wesentlich an Sauerstoff abzureichern. Auf diese Weise degeneriert das Gewebe nicht, d.h. es wird nicht in Bindegewebe umgewandelt, sondern bleibt intakt. Ein entsprechender Sauerstoffsensor eignet sich somit insbesondere für eine langfristige Implantation, d.h. für einen Zeitraum von mehreren Jahren.
Praktisch wird das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Prinzip in der Weise verwirklicht, daß der Meß- bzw. Sensorelektrode zunächst - für relativ lange Zeit - ein Potential aufgeprägt wird, bei cem keine Sauerstoffumsetzung und keine Elektrodenkorrosion erfolgt, nämlich das sogenannte Erholungspotential.
Dann wird der Elektrode ein Meßpotential in der Weise aufgeprägt, daß die Sauerstoffumsetzung in einem Maße erfolgt, wie es für die Messung erforderlich ist, der Ölverbrauch dabei aber möglichst gering bleibt. Dies wird durch eine relativ kurze Verweildauer beim Meßpotential erreicht, d.h. durch eine Dauer des Meßpotentials, die klein ist im Vergleich mit der Zyklusdauer bzw. mit der Erholungsphase. Die Erholungsphase ist deshalb relativ lang, damit der während der Messung erfolgende Sauerstoffverlust durch Nachlieferung aus dem Gewebe ausgeglichen wird.
Die Zyklusdauer beträgt beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft zwischen 0,5 und 10 s und vorzugsweise zwischen 1 und 5 s. Die Verweildauer beim Meßpotential liegt vorteilhaft zwischen 5 und 100 ms und vorzugsweise zwischen 10 und 50 ms. Die Verweildauer am Meßpotential ist vorzugsweise wenigstens um den Faktor 20 kleiner als die Zyklusdauer.
Das Meßpotential liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich zwischen -0,4 und -1,4 V, bezogen auf das Potential der Ag/AgCl-Elektrode (bzw. zwischen +0,2 und -0,8 V, bezogen auf das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode); das Erholungspotential liegt im Bereich zwischen +0,2 und -0,2 V, bezogen auf das Potential der Ag/AgCl-Elektrode (bzw. zwischen 0,8 und 0,4 V, bezogen auf das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode). Durch diese Potentialbereiche ist gewährleistet, daß physiologische Begleitsubstanzen, wie Glucose, Harnstoff und Aminosäuren, die Sauerstoffmessung im Körper nicht beeinträchtigen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren, das ohne Störung und ohne Beeinträchtigung der Elektrodenumgebung verläuft, wird der von der Sauerstoffkonzentration abhängige Reduktionsstrom erfaßt und als Meßsignal ausgewertet. Vorteilhaft wird dabei der während der Meßperiode fließende Strom integriert und das Ladungsintegral als Meßsignal ausgewertet.
Die Auswertung des Stromes bzw. seine Integration erfolgt vorteilhaft etwas zeitverzögert, d.h. mit einer zeitlichen Verzögerung in bezug auf den Beginn der Meßperiode. Auf diese Weise wird bei der Auswertung die Umladung der Elektrodendoppelschichtkapazität, die in den ersten 2 bis 5 ms erfolgt, eliminiert, d.h. es wird
-*- VPA 84 P 3 3 t 6 DE
nur der eigentliche Reaktionsstrom berücksichtigt. Vorteilhaft erfolgt die Auswertung des Stromes 2 bis 40 ms, vorzugsweise 10 bis 15 ms, nach Beginn der Meßperiode.
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Die Meßelektrode des beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Sauerstoffsensors ist vorzugsweise eine (glatte) Glaskohlenstoffelektrode. Glaskohlenstoff, der sich bereits als Material für die Reizelektrode von Herzschrittmachern bewährt hat (siehe beispielsweise DE-OS 26 13 072), ist körperverträglich und wird im Körper von Bindegewebe mit einer Dicke von weniger als 100 pm umhüllt. Durch eine derartige Bindegewebsschicht wird die Diffusion von Sauerstoff zur Oberfläche der Meßelektrode nicht behindert. Da Glaskohlenstoff katalytisch wenig aktiv ist, werden darüber hinaus körpereigene Substanzen kaum adsorbiert und lösen somit keine Reaktionen aus. Neben Glaskohlenstoff können als Material für die Meß- bzw. Sensorelektrode beispielsweise auch Gold und Pyrographit verwendet werden. Elektrodenmaterialien der genannten Art sind im übrigen an sich bekannt (vgl. dazu: F. Kreuzer, H.P. Kimmich und M. Brezina in J. Koryta "Medical and Biological Applications of Electrochemical Devices", John Wiley & Sons Ltd., 1980, Seite 173 ff.).
Die Gegenelektrode besteht aus einem Material, das sowohl inert als auch biokompatibel ist und eine hohe Doppelschichtkapazität gegenüber der Meßelektrode aufweist. Vorzugsweise ist die Gegenelektrode eine Platinelektrode. Als weitere Elektrodenmaterialien können beispielsweise aktivierter Glaskohlenstoff, d.h. Glaskohlenstoff mit einer mikroporösen Oberflächenschicht (siehe dazu DE-OS 26 13 072), und Titannitrid (DE-OS 33 00 668) verwendet werden.
-s- VPA 84P33 I6 0E
Neben der Meß- und der Gegenelektrode kann der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Sauerstoffsensor vorteilhaft auch noch eine Bezugselektrode aufweisen. Als Bezugselektrode dient dabei vorzugsweise eine Ag/AgCl-Elektrode. Eine derartige Elektrode kann beispielsweise durch Anodisieren eines Silberdrahtes in einer chloridhaltigen Lösung oder durch Eintauchen eines Silberdrahtes in eine Silberchloridschmelze hergestellt werden.
Der Sauerstoffsensor selbst besteht dann aus einer Zwei- oder Dreielektrodenanordnung, wobei die Elektroden vorteilhafterweise in Form einer kleinen Kathetersonde zusammengebaut sind. Auf diese Weise kann die Elektrodenanordnung leicht ins Blut, beispielsweise durch Venen, oder ins Gewebe eingebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei Sauerstoffsensoren zur Steuerung von Herzschrittmachern als auch bei anderen Anwendungen in der Medizin verwendet werden, insbesondere bei der Anästhesie und der Patientenüberwachung. Darüber hinaus eignet sich dieses Prinzip auch in der Umweltanalytik und zur Prozeßsteuerung.
Anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Sauerstoffsensors weist folgende Elektroden auf: Eine Meßelektrode aus glattem, d.h. nicht aktiviertem Glaskohlenstoff, ein Platinblech als Gegenelektrode und eine Ag/AgCl-Bezugselektrode (Elektrolyt: 3 M KCl). Diese Elektroden sind bei Versuchsmustern des Sauerstoffsensors in einer Zelle aus Glas angeordnet. Bei den Versuchen wurde zum Teil mit
_*_ VPA WP 33 16 OE
einer rotierenden Meßelektrode (200 U/min) in Form eines zylinderförmigen Stabes gearbeitet (Durchmesser: 2 mm; Mantelfläche: 0,19 cm2). Bei scheibenförmigen Meßelektroden, welche ebenfalls einen Durchmesser von 2 mm aufweisen, beträgt die Fläche 0,03 cm2.
Bei einer Dreielektrodenanordnung der vorstehend genannten Art kann die Meßelektrode auch aus Gold bestehen, d.h. es wird ein Goldstab verwendet. Bei einem Sauerstoffsensor mit einer Zweielektrodenanordnung wird beispielsweise eine glatte Glaskohlenstoffelektrode als Meßelektrode mit einer großflächigen Scheibe aus aktiviertem Glaskohlenstoff (Durchmesser: 4 cm) als Gegenelektrode kombiniert.
Mit Sauerstoffsensoren der vorstehend genannten Art werden deutlich reproduzierbare und von der Sauerstoffkonzentration abhängige Meßsignale erhalten und somit auch gute Eichkurven, und zwar auch bei der Verwendung verschiedener Elektrolyte. Als Elektrolyt diente beispielsweise eine physiologische Kochsalzlösung (mit 0,9 % NaCl und 0,1 % NaHCO3); etwa 150 ml dieser Lösung wurden jeweils eingesetzt (Grundelektrolyt). Der Grundelektrolyt kann auch physiologische Substanzen enthalten, wie Glucose, Harnstoff und Aminosäuren. Zur Herstellung eines derartigen Elektrolyten werden dem Grundelektrolyt 1 g/l Glucose, 388 mg/1 Harnstoff und 398,3 mg/1 eines Aminosäuregemisches (aus 16 Aminosäuren, jeweils in der physiologisch maximalen Konzentration) zugesetzt. Als Elektrolyt kann ferner auch Rinderserum oder Humanserum dienen.
In Figur 1 und Figur 2 sind Beispiele für Eichkurven bei verschiedenen Bedingungen dargestellt (in-vitro-Messungen); dabei dient die umgesetzte Ladung Q als Maß
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für die Sauerstoffkonzentration Cn . Die Kurven 10
U 2
(Figur 1) und 20 (Figur 2) gelten jeweils für den Grundelektrolyten, die Kurven 11 und 21 für den Grundelektrolyten mit physiologischen Substanzen und die Kurven 12 und 22 für Rinderserum.
Bei den Eichkurven nach Figur 1 diente eine glatte Glaskohlenstoffelektrode als Meßelektrode, bei den Eichkurven nach Figur 2 eine Goldelektrode; als Gegenelektrode wurde jeweils eine Platinelektrode und als Bezugselektrode eine Ag/AgCl-Elektrode verwendet. Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt, d.h. bei ca. 24 bis 280C. Bei beiden Meßelektroden betrug die Zyklendauer 1 s und die Meßperiode 50 ms. Das Erholungspotential lag bei beiden Elektroden bei ca. 0 V, das Meßpotential bei der Glaskohlenstoffelektrode bei ca. -1 V und bei der Goldelektrode bei ca. -0,8 V, jeweils bezogen auf die Ag/AgCl-Bezugselektrode.
Den Figuren 1 und 2 ist zu entnehmen, daß gute Eichkurven erhalten werden, und zwar sowohl beim Grundelektrolyten als auch bei Anwesenheit physiologischer Substanzen, d.h. von Glucose, Harnstoff und Aminosäuren, und auch bei der Verwendung von Rinderserum als Elektrolyt.
Ein beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendetes Steuerungs- und Anzeigegerät, ein sogenannter 02-Monitor, weist einen Sauerstoffsensor, d.h. eine elektrochemische Zelle mit einer Meßelektrode, einer Gegenelektrode und einer Bezugselektrode, einen Potentiostaten, einen Spannungsgeber und einen Integrator auf. Die drei Elektroden des Sauerstoffsensors sind dabei mit dem Potentiostaten verbunden. Der Spannungsgeber gibt sein Signal an den Potentiostaten, womit der
-^ VPA WP 33 16 DE
Ablauf der Zyklen mit den beiden Potentialen festgelegt wird. Springt das Potential auf den negativeren Wert, d.h. auf das Meßpotential, so liefert der Spannungsgeber mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung einen Triggerimpuls zum zeitgesteuerten Integrator. Der Integrator beginnt dann, den Strom, der über den Potentiostaten durch die Meßelektrode fließt, zu integrieren, bis nach Ablauf der Meßperiode das Potential wieder gewechselt wird; dazu ist der Integrator mit dem Potentiostaten verbunden. Das Meßsignal (in Form des Betrages der Ladung), das auf diese Weise nicht vom kapazitiven Strom der Ladung der Doppelschicht beeinflußt wird, bzw. der entsprechende Wert für die Sauerstoffkonzentration gelangt dann zur Anzeige.
Mit einem derartigen 02-Monitor erfolgte eine Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Humanserum, deren Ergebnisse in Figur 3 wiedergegeben sind. Dabei wurde die Sauerstoffkonzentration stufenweise geändert, wobei zur Begasung ein Gemisch aus O2, CO2 und N2 diente.
Figur 3 kann entnommen werden, daß die Ansprechzeit des 02-Sensors (als Meßelektrode diente eine Glaskohlenstoffelektrode) in Humanserum bei einer Änderung der Sauerstoffkonzentration relativ kurz ist.
9 Patentansprüche
3 Figuren

Claims (9)

Patentansprüche
1. A/erfahren zur elektrochemischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, insbesondere in biologischem Material, mittels eines Sauerstoffsensors mit einer Meßelektrode und einer Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßelektrode zyklisch zwei Potentiale aufgeprägt werden, wobei das eine Potential (Meßpotential) im Bereich -1,4 V « ffla/AaCl ~ -°»4 V liegt und das andere Potential (Erholungspotential) im Bereich -0,2 V «s ^Aa/AaCl £ +0,2 V, daß die Verweildauer beim Meßpotential klein ist im Vergleich zur Zyklusdauer und daß der während der Meßperiode fließende Strom als Meßsignal ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklusdauer zwischen 0,2 und 10 s beträgt, vorzugsweise zwischen 1 und 5 s.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verweildauer am Meßpotential zwischen 5 und 100 ms beträgt, vorzugsweise zwischen 10 und 50 ms.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des Stromes mit einer zeitlichen Verzögerung in bezug auf den Beginn der Meßperiode vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Auswertung des Stromes 2 bis 40 ms, vorzugsweise 10 bis 15 ms, nach Beginn der Meßperiode erfolgt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsignal die umgesetzte Ladung ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelektrode eine Glaskohlenstoffelektrode verwendet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenelektrode eine Platinelektrode verwendet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Bezugselektrode, insbesondere eine Ag/AgCl-Elektrode, eingesetzt wird.
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