DE3750302T2

DE3750302T2 - Sauerstoffsensor.

Info

Publication number: DE3750302T2
Application number: DE3750302T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Shimomura; Norihiko Ushizawa
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1986-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2007-02-05
Also published as: EP0235016A3; JPH0431545B2; US4957615A; DK54987A; KR870008182A; JPS62180263A; EP0235016B1; US4861454A; EP0235016A2; DE3750302D1; DK54987D0; KR890004078B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Umfeld der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor, und insbesondere einen Festkörper- und Clark-Typ Sauerstoffsensor zur Messung der Konzentration von in einer Lösung gelöstem Sauerstoff mittels Stromreaktion.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Als Sauerstoffsensoren verwendete Sauerstoffelektroden können grob in zwei Typen eingeteilt werden. Dies sind:
(i) ein interner flüssigkeitszurückhaltender Typ mit einer internen Elektrolytkammer, welche von der flüssigen Probe etwa durch eine Polymermembran getrennt ist, sowie
(ii) ein trennender Typ, in dem ein Edelmetall wie etwa Platin mit einem Glas oder einer selektiv gasdurchlässigen Polymermembran beschichtet ist.
Der interne flüssigkeitszurückhaltende Typ (i) ist jedoch unvorteilhaft, da (1) die Membran leicht beschädigt wird, (2) die interne Elektrolytkammer leicht verunreinigt wird, und (3) eine Miniaturisierung der Elektrode schwierig ist. Aus diesen Gründen konzentriert sich die Aufmerksamkeit auf die Elektrode vom trennenden Typ (ii), insbesondere Festkörper-Elektroden, für eine Verwendung als Sauerstoffsensoren im medizinischen Bereich.
Ein Beispiel für eine Festkörper-Elektrode, welche erwähnt werden kann, wird durch Abscheiden einer Sauerstoff selektiv abtrennenden Membran auf der Platinoberfläche. Die Elektrode weist jedoch die folgenden Nachteile auf:
(1) Die Trennmembran muß eine Membrandicke von 0,5-50 um aufweisen, um ihre Trennleistung zu verbessern. Folglich braucht der Sauerstoff Zeit, um die Platinoberfläche zu erreichen, wodurch sich eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit (gewöhnlich 5 min.) ergibt.
(2) Beim Eintauchen in eine Flüssigkeitsprobe für eine längere Zeitperiode, um eine kontinuierliche Messung durchzuführen, wird die Elektrode durch störende Ionen in der Probe beeinflußt. Dies heißt, daß eine vorher erstellte Kalibrierungskurve nicht mehr verwendet werden kann.
(3) Als Folge von (2) wie oben, erfordert es eine Langzeitmessung, daß die Elektrode aus dem System zurückgezogen und wieder kalibriert werden kann. Somit trifft man auf Schwierigkeiten bei der Anwendung.
Bei einem Versuch, die obenstehenden Probleme zu lösen, schlägt die japanische Veröffentlichungsschrift Nr. 60- 52759 einen Sauerstoffsensor vor, welcher elektrisch leitfähigen Kohlenstoff anstelle von Platin und einen Metallkomplex, welcher als Katalysator für die Reduktionsreaktion von Sauerstoff dient, als sauerstoffselektive Trennmembran verwendet, wobei der Metallkomplex auf die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffes abgeschieden ist.
Da die Membran dieses Sauerstoffsensors jedoch beispielsweise durch Beschichten des leitfähigen Kohlenstoffes mit einer Lösung des Metallkomplexes und darauffolgendem Trocknen gebildet ist, tendiert der Metallkomplex dazu, in die flüssige Probe zu eluieren. Obwohl eine solche Elution dadurch verhindert wird, daß man den Sensor mit einer elutionsverhindernden Schicht wie etwa Nafion® versieht, reagiert das letztere mit anderen geladenen Substanzen als Sauerstoff, wodurch der Sauerstoffsensor seine Selektivität verliert.
Ein im Handel erhältlicher Sauerstoffsensor ist vom Clark- Typ, bei dem Silber/Silberchlorid als eine Bezugselektrode verwendet wird, Platin oder Platinschwarz als Arbeitselektrode verwendet wird, die Elektroden in eine alkalische Lösung wie etwa eine KOH-Lösung getaucht sind, und die Außenseite mit einem Silikonfilm beschichtet ist. Die bei diesem Sensor beobachteten Nachteile umfassen jedoch Undichtheit und Verunreinigung der inneren Flüssigkeitskammer der Elektrode.
Weitere Sauerstoffsensor sind in den folgenden Dokumenten beschrieben:
Patent Abstracts of Japan, Bd. 8, Nr. 48(P-258)[1485], 03.03.1984 beschreibt einen Sauerstoffsensor, bei dem ein positiver Pol u. a. ein Übertragungsmetall wie etwa Ni, Co, Fe, Cu und ein Porphyrinderivat in einer Teflonemulsion mit Kohlerußschwarz etc. aufweist.
Patent Abstracts of Japan, Bd. 6, Nr. 121(P-126)[999], 06.07.1982 beschreibt eine Elektrode, an welcher ein durch Metallisierung von Tetraaminophenyl-Porphyrin mit FeCl&sub2;, CoCl&sub2; oder dgl. hergestellter Katalysator mit der Funktion eines Transferkatalysators angebracht ist.
Für eine kontinuierliche Überwachung in einem zirkulierenden System steht das Bedürfnis nach kleineren, dauerhafteren Elektroden mit solchen Eigenschaften wie Temperaturkompensation im Vordergrund. Seit kurzem sind beschichtete Sauerstoffsensoren vom Drahttyp, bei denen eine Platinelektrode direkt mit einer Zellulosemembran oder anderen polymeren Membranen beschichtet ist, für Testzwecke auf dem Markt erschienen. Diese Sensoren zeigen Probleme mit Dauerhaftigkeit, und der Zeitraum, über den sie verwendet werden können, kann in Bereichen mit hohem PO&sub2; verkürzt werden. (Bei einem Oxygenierapparat kann dies beispielsweise in Abhängigkeit vom Einzelfall eine Höhe von 350 mmHg-760 mmHg sein.) Man könnte dies als Problem in Hinsicht auf Dauerhaftigkeit betrachten. Ein Sauerstoffsensor, welcher in einem zirkulierenden System verwendbar ist, ist noch nicht auf den Markt gekommen oder entwickelt worden.

Kurzfassung der Erfindung

Demzufolge führte der Erfinder umfangreiche Untersuchungen durch, um die oben erwähnten Nachteile der herkömmlichen Sauerstoffsensoren zu beseitigen. Als Ergebnis dieser Untersuchungen fand der Erfinder, daß ein Sauerstoffsensor mit ausgezeichneter Selektivität und einer Membrankomponente, welche nicht eluiert, hergestellt werden kann, wenn eine oxidative polymere Membran aus einer Porphyrinverbindung mit einem Phenylradikal als Substituent, welcher eine aktive Gruppe wie etwa OH oder NH&sub2; aufweist, oder aus einem Komplex, in dem die Porphyrinverbindung als Ligand dient, als die Beschichtungsmembran dient. Die Erfindung wurde auf der Basis dieser Erkenntnis fertiggestellt.
Insbesondere ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Sauerstoffsensor vorgesehen, welcher ein elektrisch leitfähiges Substrat sowie eine elektrolytische oxidative polymere Membran aufweist, mit der die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrates beschichtet ist. Die elektrolytische oxidative polymere Membran weist mindestens eine Substanz einer Porphyrinverbindung und einem Metallkomplex davon auf; sie weist eine Dicke von 0,01-50 um auf und ist durch elektrolytische oxidative Polymerisation gebildet.
Vorzugsweise ist das in dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor verwendete elektrisch leitfähige Substrat elektrisch leitfähiger Kohlenstoff, für welches pyrolytischer Basisflächen-Graphit (nachfolgend als "BPG", d.i. basal plane pyrolitic graphite bezeichnet), glasartiger Kohlenstoff und dergleichen Beispiele sind.
Bevorzugte Beispiele für die in dem Sauerstoffsensor der vorliegenden Erfindung verwendeten Porphyrinverbindungen, welche in der Meso-Position durch ein hydroxyaromatisches Derivat substituiert sind, und Porphyrinverbindungen, welche in der Meso-Position durch ein aminoaromatisches Derivat substituiert sind.
Bevorzugte Beispiele für den Metallkomplex der in dem Sauerstoffsensor der vorliegenden Erfindung verwendeten Porphyrinverbindung sind die in der Meso-Position durch ein hydroxyaromatisches Derivat substituierten Porphyrinmetallkomplexe und in der Meso-Position durch ein aminoaromatisches Derivat substituierte Metalloporphyrin Komplexe.
Beispiele für die Porphyrinverbindung mit einem hydroxyaromatischen Derivat oder aminoaromatischen Derivat als Substituent in der Mesoposition sind Tetra-, Tri- oder Mono-(hydroxyphenyl)porphyrin, Tetra-, Tri- oder Mono- (aminophenyl)porphyrin etc., welche durch die Formel
ausgedrückt sind, in der Ar eine aromatische Gruppe darstellt, R1 eine substituierende Gruppe, welche sich zum Zeitpunkt der elektrolytischen oxidativen Polymerisation beteiligt, R2 eine substituierende Gruppe, welche sich nicht an elektrolytischer oxidativer Polymerisation beteiligt, und im Prinzip ist n=l oder die effektive Valenz von Ar, und m=0 oder die effektive Valenz -1 von Ar. Die mit Hydroxygruppen und Aminogruppen substituierten Positionen sind vorzugsweise die ortho- und para-Positionen. Es ist auch zulässig, die Hydroxygruppe und die Aminogruppe oder andere substituierende Gruppen in anderen Positionen zu haben.
Beispiele für den Metallkomplex der Porphyrinverbindung, der in der Mesoposition durch ein hydroxyaromatisches Derivat oder ein aminoaromatisches Derivat substituted ist, sind Tetra-, Tri- oder Mono- (hydroxyphenyl)porphyrinkomplexe, Tetra-, Tri- oder Mono- (aminophenyl)porphyrinkomplexe usw., welche durch die Formel
ausgedrückt sind, in der Ar eine aromatische Gruppe darstellt, R1 eine substituierende Gruppe, welche sich an der elektrolytischen oxidativen Polymerisation beteiligt, R2 eine substituierende Gruppe, welche sich nicht an der elektrolytischen oxidativen Polymerisation beteiligt, und im Prinzip ist n=1 oder die effektive Valenz von Ar, und m=0 oder die effektive Valenz -1 von Ar. Beispiele für das komplexbildende Metall M sind Übergangsmetalle wie etwa Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Silber und Gold wie auch Zink oder Zinn. Besonders bevorzugt sind Kobalt, Nickel, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom und Platin.
Um die elektrolytische polymere Membran aus dem Porphyrin oder dessen Metallkomplex, welcher das hydroxyaromatische Derivat oder aminoaromatische Derivat als Substituent in der Mesoposition auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffsubstrates aufweist, abzuscheiden, wird eine elektrolytische oxidative Polymerisation durchgeführt, wobei das Kohlenstoffsubstrat in eine Elektrolytlösung eingetaucht ist, welche mindestens eine der oben erwähnten Porphyrinverbindungen oder ihrer Metallkomplexe aufweist und ein unterstützendes Elektrolyt enthält. Beispiele für das in der Elektrolytlösung verwendete Lösungsmittel sind Acetonitril, Methanol, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Propylencarbonat und dergleichen. Bevorzugte Beispiele für das unterstützende Elektrolyt sind Perchlorate, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Borsäure, Tetrafluor-Kaliumphosphat, quaternäre Ammoniumsalze und dergleichen. Es ist bevorzugt, daß die elektrolytische oxidative polymere Membran eine Membrandicke von 0,01-50 um aufweist.
Da die abgeschiedene elektrolytische oxidative Polymermembran eine Dichte aufweist und nicht leicht in eine flüssige Probe eluiert, kann sie normalerweise ohne Abscheidung einer weiteren Membran auf dieser verwendet werden. Wenn jedoch eine Messung in einer Körperflüssigkeit wie Blut oder Urin vorgenommen wird, ist es bevorzugt, wenn vor der Verwendung eine Membran aus regenerierter Zellulose, Acetylcellulose, Polystyrol, Polyhydroxyethylmethacrylat oder dergleichen. Auf der oben erwähnten Membran abgeschieden wird, um die Adhäsion von Proteinen und das Eindringen von reduzierten Substanzen zu verhindern. Die bevorzugte Membrandicke dieses abgeschiedenen Materials beträgt 0,5-50 um.
Da die erfindungsgemäße elektrolytische oxidative polymere Membran bei Kontakt mit Sauerstoff oxidiert wird, wird ein auf der Reduktionsreaktion der elektrolytischen oxidativen polymeren Membran beruhender Strom beobachtet, wenn ein festes Potential angelegt wird, indem man den erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor als Arbeitselektrode verwendet. Folglich, wenn von vorneherein eine Relation zwischen der Sauerstoffkonzentration in der Standardlösung und dem beobachteten Stromwert erstellt werden kann, kann die Sauerstoffkonzentration aus dem beobachteten Stromwert bestimmt werden, wenn eine Messung in der flüssigen Probe vorgenommen wird.
Obwohl das an die Arbeitselektrode angelegte Potential in Abhängigkeit von der Art der in der Beschichtungsmembran verwendeten Porphyrinverbindung oder ihres Komplexes sowie von dem Membranbildungsverfahren unterschiedlich ist, ist es insbesondere bevorzugt, wenn das Potential einen negativen Wert aufweist im Hinblick auf das Spitzenpotential des Sauerstoffreduktionsstromes in einem zyklischen Voltammogramm von dem in Fig. 3 gezeigten Typ, wie im folgenden beschrieben wird.
Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor mit dem oben beschriebenen Aufbau weist die folgenden Vorteile auf:
(1) Da die membranbeschichtete Festkörperelektrode keine interne Flüssigkeit anwendet, gibt es keine interne Verunreinigung, wie sie sich bei einer herkömmlichen Elektrode vom Clark-Typ mit einer internen Flüssigkeitskammer ereignet. Dies eliminiert die problematische Aufgabe des Ersetzens. Das Fehlen der internen Kammer macht es auch möglich, den Sensor zu miniaturisieren.
(2) Da das Elektrodensubstrat elektrisch leitfähiger Kohlenstoffist, sind die Kosten geringer als bei der Vorrichtung des Standes der Technik, welche ein Edelmetall einsetzt. Der Sauerstoffsensor ist daher für eine Einmalverwendung geeignet.
(3) Da der Sensor das Elektrodensubstrat (elektrisch leitfähigen Kohlenstoff) als direkte Beschichtung mit der polymeren Membran aus einer sauerstoffreduzierenden Spezies (Porphyrin) unter Verwendung eines elektrolytischen Polymerisationsverfahrens aufweist, werden im Vergleich mit der herkömmlichen Elektrode, welche zu einer mit einer sauerstoffreduzierenden Spezies, die in einer polymeren Membran getragen ist, beschichteten herkömmlichen Elektrode eine Anzahl von Vorteilen gewonnen. Diese Vorteile sind wie folgt:
(1) Die Konzentration der sauerstoffreduzierenden Spezies in der Membran kann erhöht werden, und eine dichte Membran kann gebildet werden. Folglich reicht eine dünne Membran aus, so daß die Ansprechzeit betreffend Sauerstoff verkürzt werden kann.
(2) Der Sensor besitzt eine ausgezeichnete Selektivität, da keine störenden Substanzen aufgenommen werden.
(3) Da die Membran selbst lösungsfest ist, eluiert der Metallkomplex nicht in die flüssige Probe. Dies beseitigt im allgemeinen die Notwendigkeit, eine zusätzliche Membran wie etwa eine elutionsverhindernde Membran abzuscheiden, und vereinfacht die Gesamtstruktur.
(4) Der Sensor kann im trockenen Zustand gelagert werden und kann direkt vom Lager der Verwendung unterzogen werden. Dies ermöglicht eine Messung der Sauerstoffkonzentration ohne Verzögerung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch die Herstellung eines Sauerstoffsensors mit einer Sauerstoffelektrode, welche aus einem mit einer Porphyrinderivatverbindung und einer Metallverbindung davon direkt beschichteten, elektrisch leitfähigen Substrat, einer Bezugselektrode, einem gelierten polymeren Elektrolyt, in welches die Sauerstoffelektrode und die Bezugselektrode eingetaucht sind, und einer das gelierte, polymere Elektrolyt beschichtenden, selektiv sauerstoffdurchlässigen Membran besteht. Ein Beispiel für den gelierten polymeren Elektrolyt besteht aus einer wäßrigen Lösung aus Polyvinylalkohol, welcher eine Phosphatpufferlösung und Natriumchlorid enthält.
Ein Beispiel für eine sauerstoffselektive durchlässige Membran zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besteht aus einer hydrophoben polymeren Membran wie etwa Silikon, Polypropylen, Polyethylen und Teflon.
Ein Beispiel für ein zur Verwendung in diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ideales, elektrisch leitfähiges Substrat ist ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffsubstrat.
Ein Beispiel für ein zur Verwendung in diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ideales Porphyrinderivat ist ein Phenylderivat vom Meso-Typ. Ideale Porphyrinkomplexe sind Fe, Co und Ni.
Die Merkmale des Sauerstoffsensors gemäß diesem Aspekt der

Erfindung sind wie folgt

(1) Die Menge von in Lösung (PO&sub2; mmHg) gelöstem Sauerstoff wird von dem reduzierenden Strom an der Membranoberfläche des Poly(porphyrin) und dessen Metallkomplex gemessen.
(2) In einem solchen Fall besteht ein lineares Verhältnis zwischen dem Stromwert (der Stromdichte) und PO&sub2;, selbst wenn die Meßtemperatur (15º-45ºC) variiert. Innerhalb dieses Temperaturbereiches ist daher eine Temperaturkompensation möglich mittels einer 4-Punkt-Kalibrierung basierend auf PO&sub2; (zwei Punkte) und der Temperaturveränderung (zwei Punkte).
(3) Unter konstanten Temperaturbedingungen kann PO&sub2; (mmHg) gemäß (2) wie oben kalibriert werden. Folglich ermöglicht der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor die Messung von PO&sub2; in einem kontinuierlichen System.
Der Sauerstoffsensor gemäß diesem Aspekt der Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
(1) Eine Temperaturkompensation ist möglich.
(2) Die Korrelation von PO&sub2; (mmHg) - reduzierender Strom zeigt gute Linearität bei einer konstanten Temperatur. Dies ermöglicht es, die PO&sub2;-Konzentration aus dieser Kalibrierkurve zu messen.
(3) Der Sauerstoffsensor kann in einem zirkulierenden System verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen in allen Figuren gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigt:
Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels für einen Sauerstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein zyklisches Voltammogramm, das man erhält, wenn eine elektrolytische Polymerisation gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird;
Fig. 3 ein zyklisches Voltammogramm, das man erhält, wenn man einen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellten Sauerstoffsensor in Lösungen mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen taucht;
Fig. 4 ein Schaltdiagramm einer Durchflußzelle;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Durchflußzelle von Fig. 4;
Fig. 6 eine graphische Darstellung von Stromwerten gegen PO&sub2;, welche unter Verwendung des gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellten Sauerstoffsensors erhalten wurden;
Fig. 7 eine graphische Darstellung von Stromwerten gegen PO&sub2;, welche unter Verwendung einer membranbeschichteten Platinelektrode erhalten wurden;
Fig. 8(A) und 8(B) Diagramme eines zirkulierenden Systems zur Messung der Ansprechzeit in Bezug auf O&sub2;;
Fig. 9 und 10 Strom-Zeit-Kurven für den Sauerstoffsensor der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellten Sauerstoffsensors;
Fig. 12 ein Schaltdiagramm zur Darstellung eines Beispiels für einen Meßkreis unter Verwendung des gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellten Sauerstoffsensors;
Fig. 13 eine graphische Darstellung von Stromdichte gegen PO&sub2; bei 25ºC;
Fig. 14 eine graphische Darstellung, in welcher der Logarithmus der Flanke einer PO&sub2;-Strom-Linie (einer geraden Linie) gegen den Kehrwert der absoluten Temperatur abgetragen ist;
Fig. 15 eine Kurve, in welcher Schnittpunkte der PO&sub2;- Strom-Linie (eine gerade Linie) gegen Temperatur (ºC) abgetragen ist;
Fig. 16 eine Kurve zum Vergleich zwischen geraden Kalibrierungslinien und tatsächlich gemessenen Werten;
Fig. 17 ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Sauerstoffmeßanordnung in dem zirkulierenden System einer Oxygenier-Vorrichtung;
Fig. 18(A)-(C) Ansichten zur Erläuterung der Resultate von Messungen unter Verwendung des Sauerstoffmeßsystems von Fig. 17.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

Die in Fig. 1 gezeigte Elektrode wurde durch ein Verfahren hergestellt, welches unter Bezugnahme auf diese Figur beschrieben wird.

(i) Herstellung der Kohlenstoffelektrode

Ein Kupferdraht 12 wurde mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers 13 (C-850-6, hergestellt von Amicon) and der Endfläche 11a von BPG 11 (Querschnitt: 0,25 mm·0,25 mm) befestigt. Dies wurde gefolgt von Beschichten und Isolieren des Umfangs des BPG 11 mit einem Epoxy-Klebemittel (14) (TB2067, hergestellt von Three Bond Corp.) und einer Teflonröhre 15 (Außendurchmesser: ca. 1,4 mm). Die vorstehende Spitze 16 der auf diese Weise hergestellten Elektrode wurde dann mit einer Messerklinge weggeschnitten, um eine neue BPG-Oberfläche 17 freizulegen mit dem Zweck, einen sauerstoffempfindlichen Abschnitt zu bilden. Eine elektrolytische oxidative polymere Membran 18 wurde auf dieser freiliegenden Oberfläche durch das folgende Verfahren gebildet:

(ii) Elektrolytische oxidative Polymerisation

Elektrolytische Oxidation wurde unter den folgenden Bedingungen unter Verwendung einer 3-Elektroden-Zelle durchgeführt, welche die oben in (i) hergestellte Elektrode, eine Platinspule und eine Silber/Silberchloridelektrode aufweist, welche als die Arbeitselektrode, Gegenelektrode bzw. Bezugselektrode dienten:
(Zusammensetzung der Elektrolytlösung)
Tetra(o-aminophenyl)porphyrin 10 mmol/l
Natriumperchlorat 0,1 mol/l
Lösungsmittel: Acetonitril

(Elektrolytische Bedingungen)

Die elektrolysierende Spannung wurde dreimal von 0 bis +1,7 V (vs. Ag/AgCl) durchgeregelt, gefolgt von einer Durchführung einer Konstantpotential-Elektrolyse während 1 h bei einem konstanten Potential von +1,7 V. Ein zu dieser Zeit erstelltes zyklisches Voltammogramm ist in Fig. 2 gezeigt. Die hergestellte Membran wies eine hellbraune Farbe auf.

(Experiment 1)

Eine 3-Elektroden-Zelle wurde unter Verwendung des gemäß Beispiel 1 hergestellten Sauerstoffsensors, einer Platinspule und einer gesättigten Natriumchloridcalomel-Elektrode (SSCE) als Arbietselektrode, Zählerelektrode bzw. Bezugselektrode gebaut. Ein zyklisches Voltammogramm wurde unter Verwendung von 50 mmol/l einer Phosphatpufferlösung (pH 7,4 mit Zugabe von 0,154 nol/l NaCl) erstellt. Die Schwenkrate betrug 50 mV/s.
Gemäß dem zyklischen Voltammogramm (a) von Fig. 3, welches unter einer Bedingung erstellt wurde, in der Sauerstoff durch ausreichende Blasenbildung der Elektrolytlösung mit Stickstoff entfernt wurde, erscheint im Bereich von 0,5 - 0,7 V keine Spitze. Wenn Sauerstoff der Elektrolytlösung hinzugefügt wird, erscheint jedoch eine Spitze in der Nähe von -0,45 V, und der Spitzenstrom steigt mit der Zunahme der Menge von in Lösung gelöstem Sauerstoff (b, c, d). Es ist somit verständlich, daß der gelöste Sauerstoff bei diesem Potential verringert wird.

(Experiment 2)

50 mmol/l einer Phosphatpufferlösung (pH 7,44 mit Zugabe von 0,154 mol/l NaCl) wurde in der Durchflußzelle von Fig. 4 bei einer Fließrate von etwa 1 l/min. zirkuliert. Der gemäß Beispiel 1 hergestellte Sauerstoffsensor und eine Ag/AgCl-Elektrode wurden in die zirkulierende Lösung getaucht (Fig. 5). Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, weist die Durchflußzelle einen Sauerstoffsensor 41, eine Silber/Silberchloridelektrode 42, ein thermostatiertes Bad 43, Wärmeaustauscher 44, 46, einen Oxygenierapparat 45, ein thermostatiertes Bad 47 vom zirkulierenden Typ, eine Rollenpumpe 48 und ein Ventil 49 auf.
Die beiden Elektroden wurden mit einem Apparat zur Messung der Sauerstoffkonzentration (Modell POG-201, hergestellt von Unique Medical) verbunden, und Stromwerte, welche vorherrschten, wenn das Potential auf -0,6 V (vs. Ag/Ag/Cl) reguliert wurde, wurden gemessen, während der Partialdruck von Sauerstoff (PO&sub2;) in der zirkulierenden Lösung von 50 bis 600 mmHg variiert wurde. Der Partialdruck von Sauerstoff wurde durch Variieren des Partialdruckverhältnisses von N&sub2;/O&sub2;-Gas mit einem Gasaustauscher eingestellt. Eine graphische Darstellung von Stromwerten gegen PO&sub2; bei 37ºC ist in Fig. 6 gezeigt.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, weist die graphische Darstellung eine gute Linearität über einen weiten Bereich von PO&sub2;-Werten von 50 bis 600 mmHg auf. Die Flanke der Linie ist 3·10&supmin;¹&sup0; A/mmHg, was als Stromdichte berechnet 4,8·10&supmin;&sup7; A/cm²mmHg beträgt. Aufgrund dieser Tatsachen zeigte es sich, daß ein ausgezeichneter Sauerstoffsensor mit guter Empfindlichkeit hergestellt werden konnte.

(Vergleichsbeispiel 1)

Eine graphische Darstellung (Fig. 7) von Stromwerten gegen PO&sub2;) wurde wie in Experiment 2 unter Verwendung einer membranbeschichteten Platinelektrode (Durchmesser: 0,08 mm, hergestellt von Unique Medical) erstellt.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, weist die Kurve über einen Bereich von PO&sub2;-Werten von 50 bis 400 mmHg eine Krümmung auf.

(Experiment 3)

Ein Sauerstoffsensor wurde durch Beschichten der Elektrodenoberfläche des gemäß Beispiel 1 hergestellten Sauerstoffsensors mit einer zersetzten, regenerierten Cellulosemembran, Trocknen der Elektrode und darauffolgendes Abscheiden einer regenerierten Cellulosemembran (Membrandicke: etwa 100 um) hergestellt. Der Sauerstoffsensor wurde verwendet, um seine Verhalten zu testen. Das verwendete Verfahren wird nun beschrieben.

(Das experimentelle Verfahren)

Der oben erwähnte Sauerstoffsensor und eine Ag/AgCl-Elektrode wurden mit einem Apparat zur Messung von Sauerstoffkonzentrationen (Modell POG-201, hergestellt von Unique Medical) verbunden, und eine Messung wurde in einem zirkulierenden System von der in den Fig. 8(A) und 8(B) gezeigten Art vorgenommen. Das System weist einen Oxygenierapparat 81, einen Wärmeaustauscher 82, ein thermostatiertes Bad 83 vom zirkulierenden Typ, Rollenpumpen 84, Ventile 85 und Durchflußzellen 86 auf. Zuerst wurden 50 mmol/l einer Phosphatpufferlösung bei PO&sub2; = 0 mmHg durch die Durchflußzellen 86 zirkuliert. Danach wurden die Ventile 85 betätigt und 50 mmol/l der Phosphatpufferlösung bei PO&sub2; = 143 mmHg durch die Durchflußzellen 86 zirkuliert. Die Fig. 9 zeigt die erhaltene Strom-Zeit-Kurve, und Tabelle 1 zeigt die Ansprechzeiten. Es ist zu beachten, daß die Fig. 9 eine Kurve zeigt, welche unter der Bedingung beobachtet wurde, in der die Zeitkonstante des Apparates zur Messung der Sauerstoffkonzentration 1 s betrug. Das Rauschen am flachen Abschnitt der Kurve kann eliminiert werden, wenn die Zeitkonstante auf 5 s eingestellt wird (Fig. 10).

Beispiel 2

Die Fig. 11 stellt schematisch einen in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Sauerstoffsensor dar. BPG 1 mit einem Querschnitt von 0,5 mm auf einer Seite und einer Länge von 3,0 mm diente als das elektrisch leitfähige Substrat, und ein Leitungsdraht 3 wurde mit einem elektrisch leitfähigen Klebemittel 2 (C-850-6, hergestellt von Amicon K.K.) an dem Substrat befestigt. Der Umfang wurde beschichtet und isoliert mittels eines Epoxy-Klebemittels 4 und einer Teflonröhre 5 mit einem Innendurchmesser von 1 nun. Nur der Querschnitt des BPG 1 diente als die Elektrodenoberfläche. Diese Elektrodenoberfläche wurde mit einer elektrolytischen polymeren Membran 6 aus Meso-tetra(o-aminopheyl ) kobaltporphyrin unter den folgenden elektrolytischen Bedingungen beschichtet:

(Zusammensetzung der elektrolytischen Lösung)

Meso-tetra(o-aminophenyl)kobaltporphyrin 1 mmol/l
Natriumperchlorat 0,1 mol/l
Lösungsmittel: Acetonitril

(Elektrolytische Bedingungen)

Die BPG-Elektrode, eine Ag/AgCl-Elektrode und eine Platinspule wurden als die Arbeitselektrode, Bezugselektrode bzw. Gegenelektrode verwendet. Die Elektroden wurden in das Elektrolyt eingetaucht und die elektrolysierende Spannung wurde dreimal von 0,0 bis 1,8 V (vs. Ag/AgCl) (Schwenkrate: 50 mV/s) durchgeregelt bei Raumtemperatur in einem Stickstoffluß, gefolgt von einer Durchführung einer Konstantpotential-Elektrolyse während 1 h bei einem konstanten Potential von +1,8 V.
Ein Silberdraht 7, auf dessen AbCl durch Elektrolyse abgeschieden war, wurde um die Teflonröhre 5 der BPG-Elektrode gewunden und diente als Bezugselektrode und Gegenelektrode in dem Sauerstoffsensor.
Die BPG-Elektrode und Ag/AgCl-Elektrode wurden mit einer Silikonröhre 9 (mit einem Innendurchmesser von 2 mm, einer Dicke von 0,5 mm und einer Fühlseitendicke von 0,1 nun) bedeckt, welche mit einer wäßrigen Lösung 8 von 10% Polyvinylalkohol (welche eine Phosphatpufferlösung von 50 mmol/l bei pH 7,38 und 0,154 mol/l NaCl enthielt) gefüllt war, die als das Elektrolyt verwendet wurde. Der Umfang dieses Aufbaus wurde dann fixiert und isoliert mittels eines Thermostöpsels 10 und einem Urethanzement 19. Ein Sauerstoffsensor 20 war damit fertiggestellt.

(Experiment 4)

Die Fig. 12 zeigt ein Beispiel für eine Partialdruck-Meßschaltung unter Verwendung des gemäß Beispiel 2 hergestellten Sauerstoffsensors 20. Die Schaltung weist eine elektrolytische Zelle 21, eine flüssige Probe 22, einen Stecker 23, eine Gasinjektionsröhre 24, eine Leistungsversorgung 25 mit 0,6 V DC und ein DC-Amperemeter 26 auf. Die Meßschaltung wurde verwendet, um den Partialdruck von Sauerstoff zu messen. Eine Phosphatpufferlösung von 50 mmol/l, welche 0,154 mol/l NaCl enthielt, wurde als die flüssige Probe 22 verwendet, die Lösung wurde mit einem Gasgemisch von N&sub2; und 02 mit einem bekannten Mischungsverhältnis mittels der Gasinjektionsröhre 24 gesättigt, wodurch der Partialdruck von Sauerstoff variiert wurde, und der Wert des fließenden Stromes wurde mit dem DC-Amperemeter 26 gemessen. Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle 2 gezeigt, und eine graphische Darstellung der Stromdichte gegen den Partialdruck von Sauerstoff ist in Fig. 13 dargestellt, aus der zu sehen ist, daß ein ausgezeichnetes lineares Verhältnis zwischen den beiden hergestellt ist. Die Messungen wurden bei 25±0,1ºC vorgenommen.
Als Ergebnis kann der Partialdruck von in Lösung gelöstem Sauerstoff aus dem (in Form von Stromdichte gemessenen) Strom errechnet werden. Die Tabelle 3 zeigt das Verhältnis zwischen PO&sub2; (mmHG), welches unter Berücksichtigung von Dampfdruck errechnet wurde, und der Gasgemischkonzentration (%/Volumen) bei unterschiedlichen Temperaturen.

(Experiment 5)

Es ist ersichtlich, daß in dem Experiment 4 ein lineares Verhältnis zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck und der Stromdichte hergestellt ist. Wenn man annimmt, daß die Rate der Reduktionsreaktion von O&sub2; bei dem vorliegenden Sauerstoffsensor durch die Diffusion von O&sub2; bestimmt wird, dann ist der erhaltene Stromwert bei Durchführung einer Transformation durch die folgende Gleichung ausgedrückt, welche die Meßbedingungen und dergleichen berücksichtigt gemäß der Cottrell-Gleichung:
I = Aoe&supmin;¹/(R·T)·PO&sub2;+Io
in der Ao, R Konstanten sind, T die absolute Temperatur und Io ein Reststrom sind. Wenn man Flanke für die Flanke der geraden Linie einsetzt und den Logarithmus beider Seiten nimmt, erhält man
log(Flanke) = A·(1/T) + B (1),
wobei A = -/R, B = log Ao sind.
Als Ergebnis von Messungen, welche auf die gleiche Weise wie in Experiment 4 und mit der gleichen Meßschaltung vorgenommen wurden, während die Temperatur der flüssigen Probe auf 15ºC, 25ºC, 30ºC, 37ºC und 40ºC variiert wurde, zeigte es sich, daß PO&sub2; und Stromdichte genau wie in Experiment 4 bei jeder Temeratur eine gute Linearität aufweisen, wie es in Tabelle 4 dargestellt ist.
Die Flanken der geraden Linien und die Logarithmen dieser Flanken sind in Tabelle 5 zusammengefaßt, und eine graphische Darstellung des Flankenlogarithmus gegen den Kehrwert der absoluten Temperatur ist in Fig. 14 gezeigt. Ein gut lineares Verhältnis besteht zwischen dem Logarithmus der Flanke und dem Kehrwert der absoluten Temperatur, was in Übereinstimmung mit der theoretischen Formel (1) steht.
Die Tabelle 6 zeigt die Werte des Reststromes bei jeder Temperatur, und Fig. 15 zeigt eine graphische Darstellung von Reststromwerten gegen die Temperatur (siehe Fig. 13 Reststromwerte bei 25±0,1ºC). Als Ergebnis ergibt sich, daß der Reststrom durch die folgende Gleichung als Funktion der Temperatur ausgedrückt ist:
Io = C·To + D (2)
Folglich kann das Verhältnis zwischen PO&sub2; und der Stromdichte durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, bei welcher eine Temperaturkompensation berücksichtigt ist:
I = e&supmin;¹/(A/T+B)·PO&sub2; + CTo + D (3),
wobei T die absolute Temperatur und To die Temperatur in Grad Celsius ist.
Durch Anwendung der oben erwähnten Beziehungen wurden die Stromwerte i&sub1;, i&sub2;, i&sub3;, i&sub4; des Sauerstoffsensors an insgesamt vier Punkten gemessen, nämlich bei zwei Temperatursätzen und zwei Sätzen des Sauerstoff-Partialdrucks, und diese Werte wurden in die Gleichungen (1), (2) eingesetzt, um die Koeffizienten A, B, C, D zu erhalten; dadurch kann Temperaturkalibrierungsformel (3) berechnet werden.

(Experiment 6)

Eine Temperaturkalibrierung wurde unter Verwendung eines 4- Punkt-Kalibrierungsverfahrens durchgeführt, um die Stromdichte des Sauerstoffsensors an zwei bekannten Partialdrücken einer Konzentration unter unterschiedlichen Temperaturbedingungen (einem Minimum von zwei unterschiedlichen Temperaturen, z. B. 15ºC und 45ºC) zu erhalten. Beispiele für den Partialdruck sind: 37,36 mmHg und 134,5 mmHg bei 15ºC. Dies wird nun aufeinanderfolgend beschrieben.
Tabelle 7 zeigt die bei der Kalibrierung des Sauerstoffsensors verwendeten 4-Punkt-Bedingungen [Temperatur, Gasgemischkonzentration (Vol.-%) und Sauerstoff-Partialdruck PO&sub2; (mmHg) sowie die Sauerstoffreduktions-Stromdichte (A/mm²)], welche an den vier Punkten tatsächlich gemessen wurden. Unter Verwendung dieser Werte ergeben sich die Verhältnisse von Stromdichte vs. Sauerstoffkonzentration bei 15ºC und 45ºC gemäß der Gleichungen:
Die erhaltenen Ausdrücke sind wie folgt:
15ºC: I←(A/cm²) = 2,858· 10&supmin;&sup7;·PO&sub2;(mmHg) + 3,163·10&supmin;&sup6; (5)
45ºC: I (A/cm²) = 5,406·10&supmin;&sup7;·PO&sub2;(mmHg) + 4,148·10&supmin;&sup6; (6)
Durch Einsetzen der Flanken der Gleichungen (5), (6) und der Schnittpunkte in Gleichungen (1), (2) von Experiment 5 und Erhalten der Koeffizienten A, B, C, D ergibt sich:
A = 2,125·10&supmin;²
B = 2,188
C = 3,283·10&supmin;&sup8;
D = 2,571·10&supmin;&sup6;
Die Gleichung für die Kalibrierung des vorliegenden Sauerstoffsensors kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
I = exp(2,125·10&supmin;²/T+2,188)·PO&sub2; + 3,282·10&supmin;&sup8;·To+2,671·10&supmin;&sup6; (7)
Ein spezifisches Beispiel für eine Temperaturkompensation bei 30ºC unter Verwendung der Kalibrierungsformel (7) wird nun dargestellt.
Eine Bewertung der Kalibrierungsformel des Sauerstoffsensors bei 30ºC bei Einsetzen von T = 30 + 273 = 303(ºK) ergibt
I (A/cm²) = 3,993·10&supmin;&sup7;·PO&sub2;(mmHg) + 3,656·10&supmin;&sup6; (8)
(siehe die durchgezogenen Linien in Fig. 16).
Unter Verwendung eines Verfahrens ähnlich dem von Experiment 4 wurde die Reduktionsstromdichte des Sauerstoffsensors bei 30ºC gemessen, die tatsächlich gemessenen Werte wurden in Tabelle 8 zusammengetragen, und diese Werte wurden, wie von den Kästchen angezeigt ist, in der Fig. 16 abgetragen. Als Ergebnis zeigte es sich, daß die Kalibrierungsformel (die durchgezogenen Linien in Fig. 16) und die tatsächlich gemessenen Werte bei 30ºC einen Korrelationskoeffizienten von 0,999 aufweisen und somit gute Übereinstimmung. Es wurde festgestellt, daß eine hochgenaue Temperaturkompensation unter Verwendung der Kalibrierungsformel (3) durchgeführt werden konnte.

(Experimente 7,8)

Als Ergebnis von Messungen, welche mit einem ähnlichen Verfahren bei Temperaturen von 37ºC und 25ºC vorgenommen wurden, zeigte es sich, daß eine hochgenaue Temperaturkompensation genau wie bei 30ºC durchgeführt werden konnte.

(Experiment 9)

Unter Verwendung eines gemäß Experiment temperaturkompensierten Sauerstoffsensors wurde der PO&sub2; eines zirkulierenden Systems mit einem Oxygenierapparat an einer Meßlösung (einer Phosphatpufferlösung von 50 mmol/l bei pH 7,38 und einer Einstellösung von 0,154 mol NaCl) und dem in Fig. 17 gezeigten Ablaufdiagramm (Flußrate der Lösung: 450 ml/min). Das System von Fig. 17 weist einen Oxygenierapparat 170, ein thermostatiertes Bad 171, einen Wärmeaustauscher 172, eine Rollenpumpe 173, einen Behälter 174, eine Durchflußzelle 175 zum Einstellen des Sauerstoffsensors 20, ein polarographisches Amperemeter 176, eine Vorrichtung 177 zur Messung der Sauerstoffkonzentration, und einen Prozessor 178 auf. Das polarographische Amperemeter 176 und die Vorrichtung 177 zur Messung der Sauerstoffkonzentration sind durch eine optische Faser 179 verbunden.
Die Fig. 18(B), (C) und (A) veranschaulichen die Temperaturveränderung innerhalb des Systems, die Veränderung im Reduktionsstrom des Sauerstoffsensors zu einem solchen Zeitpunkt, und die Veränderung bei kontinuierlicher Messung (wodurch der Druck des Gasgemisches variiert wurde), jeweils berechnet als PO&sub2;. Es stellte sich heraus, daß die tatsächlich gemessenen Werte (welche durch die punktierten Linien angedeutet sind) mit der PO&sub2;-Veränderung gut übereinstimmen. Somit ist gezeigt, daß der vorliegende Sauerstoffsensor in einem zirkulierenden System verwendet werden kann. TABELLE 1 Ansprechzeit Reaktion von Fig. 9 TABELLE 2 Konzentration des Gasgemisches (Vol.-%) Stromdichte TABELLE 3 Konzentration des Gasgemisches (Vol.-%) Dampfdruck TABELLE 4 TABELLE 5 Temperatur (ºC) Flanke (A/cm² mmHg) log (Flanke) TABELLE 6 Temperatur (ºC) Intercept (Reststrom) (A/cm²) log (Flanke) TABELLE 7 Konzentration des Gasgemisches (Vol.-%) Stromdichte (A/cm²)

Claims

1. Sauerstoffsensor zum Messen der Konzentration von Sauerstoff in einer Lösung, welcher aufweist: ein elektrisch leitfähiges Substrat und eine die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrates beschichtende elektrolytische oxidative polymere Membran, wobei die elektrolytische oxidative polymere Membran durch elektrolytische oxidative Polymerisation gebildet ist, und mindestens eine Substanz aufweist, die aus Porphyrinverbindungen und Metallkomplexen davon gewählt ist und eine Dicke von 0,01-50 um aufweist.

2. Sauerstoffsensor gemäß Anspruch 1, welcher des weiteren aufweist:

eine Bezugselektrode;

ein geliertes polymeres Elektrolyt, in welches die Bezugselektrode getaucht ist; und

eine sauerstoffselektive durchlässige Membran, mit der das gelierte polymere Elektrolyt beschichtet ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrisch leitfähige Substrat elektrisch leitfähiger Kohlenstoff ist.

4. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Porphyrinverbindung aus Porphyrinverbindungen gewählt ist, welche in der Mesoposition mit einem hydroxyaromatischen Derivat substituiert sind, und einer Porphyrinverbindung, welche in der Mesoposition mit einem aminoaromatischen Derivat substituiert ist.

5. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Metallkomplex der Phorphyrinverbindung aus Metalloporphyrinkomplexen gewählt ist, welche in der Mesoposition mit einem hydroxyaromatischen Derivat substituiert sind, und einem Porphyrin-Metallkomplex, welcher in der Mesoposition mit einem aminoaromatischen Derivat substituiert ist.

6. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das komplexbildende Metall des Porphyrinkomplexes ein Metall ist, welches aus der Gruppe von Fe, Co und Ni gewählt ist.

7. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das komplexbildende Metall des Porphyrinkomplexes ein Übergangsmetall wie Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Platin, Silber und Gold sowie Zink oder Zinn ist.

8. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Porphyrinverbindung ein Phenylderivat vom Mesotyp ist.

9. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, bei dem die Bezugselektrode eine Silber/Silberchlorid-Elektrode ist.

10. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, bei dem das gelierte polymere Elektrolyt eine wäßrige Lösung von Polyvinylalkohol ist, welche eine Phosphatpufferlösung und Natriumchlorid enthält.

11. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2' bei dem die sauerstoffselektive durchlässige Membran eine hydrophobe polymere Membran wie Silikon, Polypropylen, Polyethylen und Teflon ist.