DE10050883A1

DE10050883A1 - Vorrichtung zur Bestimmung von ionalen Bestandteilen in Körperflüssigkeiten

Info

Publication number: DE10050883A1
Application number: DE2000150883
Authority: DE
Inventors: Rudolf Gambert
Original assignee: IT Dr Gambert GmbH
Current assignee: IT Dr Gambert GmbH
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-05-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration ionaler Bestandteile von Körperflüssigkeiten mittels einer als Einwegteil konzipierten Kassette, die einen elektrochemischen Sensor enthält und mit einer elektronischen Auswerteeinheit elektrisch verbunden werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Vorrichtung zur Mes sung von ionalen Bestandteilen in Körperflüssigkeiten von Mensch und Tier mit Hilfe einer Einwegkassette, die in elek trischem Kontakt zu einem Anzeigegerät steht.

Stand der Technik

Der Bestimmung der Konzentration von Ionen in Körperflüssig keiten kommt eine hohe Bedeutung in der medizinischen Diagno stik und bei der Überwachung von Patienten zu. Üblicherweise werden hierzu Proben von Körperflüssigkeit des Patienten ent nommen und im Labor auf chemischen oder auf physikalisch- chemischen Weg die Konzentrationen bzw. die Aktivitäten der interessierenden Ionen in der Körperflüssigkeit bestimmt. Dieser Vorgang liefert in der Regel sehr genaue Werte. Nach teilig ist jedoch, daß die Werte, insbesondere in kleineren Kliniken und im Bereich niedergelassener Ärzte ohne eigenem Labor, erst mit erheblicher Verzögerung zur Verfügung stehen. Es besteht zudem die Gefahr, daß durch den Transport der Pro be oder während des Transports auftretenden Umwelteinflüssen die Probe verfälscht wird.

Weiterhin sind zur Bestimmung der Konzentration für verschie dene Ionen Teststäbchen mit Farbumschlag als Konzentrati onsangabe in der Literatur beschrieben und im Handel verfüg bar. Diese Tests sind meist einfach in der Handhabung und teilweise auch für eine Anwendung im Heimbereich geeignet, jedoch entspricht die Genauigkeit häufig nicht den geforder ten Ansprüchen. Ein erhebliches Problem stellt die Tempera turabhängigkeit der chemischen Reaktion auf dem Teststäbchen dar. Bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt der Farbum schlag unterschiedlich schnell bzw. unterschiedlich intensiv. Dies kann in der Auswertung erhebliche Fehler verursachen.

Ein weiteres Problem kann aus einer unsachgemäße Lagerung bei zu hoher Temperatur folgen, wenn dadurch die Funktion der chemischen Substanzen auf dem Teststäbchen beeinträchtigt wird, ohne daß dieses Fehlverhalten direkt bemerkt wird.

Zur Bestimmung von Jodid im Urin ist z. B. ein Testkit im Han del. Die Probe muß jedoch vor der eigentlichen Messung des Jodids zuerst extrahiert und dann mittels Zufügen chemischer Substanzen aufbereitet werden. Die Handhabung ist relativ um ständlich und zeitintensiv.

A - Aufgabe der Erfindung

Abgeleitet von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine neue, einfache, anwendungssichere und preis werte Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration bzw. Akti vität von ionalen Bestandteilen von Körperflüssigkeiten zu entwickeln. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können zuverlässig Messungen außerhalb des klinischen Berei ches mit hoher Genauigkeit und auf einfache Weise durchge führt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die zugehörigen Unteran sprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Konzentration von ionalen Bestandteilen von Körperflüs sigkeiten von Mensch oder Tier erzeugt ein elektrochemischer Sensor in einer als Einwegteil konzipierten Kassette ein elektrisches Signal, aus dem die Konzentration bzw. Aktivität der zu messenden Ionen rechnerisch abgeleitet werden kann. Das Sensorsignal wird an eine elektronische Auswerteeinheit weitergeleitet, verarbeitet und registriert.

Elektrochemische Sensoren werden in vielfältiger Weise als sensorisches Element in Geräten zur medizinischen Diagnostik eingesetzt. Diese Sensoren müssen für den Dauergebrauch kon zipiert sein und erfordern daher eine aufwendige Konstrukti on, die zu vergleichsweise hohen Herstellkosten führt. Wird mit dem Sensor jedoch nur eine einzige Anwendung durchge führt, kann die konstruktive Auslegung wesentlich einfacher erfolgen. So können die für einen elektrochemischen Sensor notwendigen Elektroden z. B. in Dünn- oder Dickschichttechnik auf einem Keramik- oder Kunststoffträger in großen Stückzah len hergestellt werden, die dann maschinell zu einer Einmal kassette weiter verarbeitet werden.

Das Aufbringen der Probe kann über eine Öffnung in der Kas sette erfolgen, die zweckmäßigerweise erst vor dem Gebrauch der Kassette z. B. durch Aufreißen einer aufgeschweißten Alu miniumfolie geöffnet wird. Nach Aufbringen der Probeflüssig keit tritt diese mit der Meßelektrode des elektrochemischen Sensors in Kontakt.

Um störende Bestandteile der Probeflüssigkeit von der Elek trode fernzuhalten kann die Meßelektrode durch ein Vlies ge schützt sein, welches gröbere Bestandteile der Probeflüssig keit von der Meßelektrode fernhält. Die Anordnung kann auch so gestaltet sein, daß die Meßelektrode durch eine Folie aus Kunststoff bedeckt ist, die gewisse Ionen von der Oberfläche der Meßelektrode fernhält oder deren Konzentration vermin dert. Derartige Folien sind kommerziell erhältlich.

Zugehörig zur Meßelektrode befindet sich im Sensor noch min destens eine weitere Elektrode. Verschiedene elektrochemische Verfahren, die z. B. in P. T. Kissinger, W. R. Heineman "Labora tory Techniques in Electroanalytical Chemistry", Marcel Dek ker Inc., 1984 oder Hamann/Vielstich "Elektrochemie II, Verlag Chemie Physik, 1981 beschrieben sind, können nun angewen det werden um ein spannungs-, strom-, oder ladungsabhängiges Signal von der Meßelektrode in Abhängigkeit von der Ionenkon zentration zu erhalten.

Ein der ionalen Konzentration entsprechendes, spannungsabhän giges Signal kann mit einer 2-Elektrodenanordnung realisiert werden, wobei eine Elektrode ein festes, vom der Konzentrati on des zu messenden Tons nahezu unabhängiges elektrisches Po tential aufweist und das Potential der anderen Elektrode in definierter Weise von der Konzentration des zu messenden Ions abhängt. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektro den entspricht einer EMK und liefert ein elektrisches Signal, das von der ionalen Konzentration des zu messenden Ions ab hängt und gemessen werden kann. Sofern sich beide Elektroden im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, ergibt sich ent sprechend der Nernst'schen Gleichung ein logarithmischer Zu sammenhang zwischen Aktivität des Tons und dem elektrischen Signal. Sofern die Konzentrationen sämtlicher Ionen in der Lösung nicht zu hoch sind, entspricht die Ionenaktivität in erster Näherung der Ionenkonzentration. In der Praxis kann in vielen Fällen mit dieser Näherung gearbeitet werden.

Die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichtes an der Meßelektrode ist für eine Auswertung des Signals nicht zwingend erforderlich. So kann die Potentialdifferenz auch über die Zeit registriert werden und die Potentialdifferenz nach einer bestimmten, festgelegten Zeit als Meßgröße heran gezogen werden. Voraussetzung hierfür ist eine definierte Diffusionsgeometrie, die z. B. durch eine geeignete geometri sche Anordnung der Elektroden erreicht werden kann.

Da sowohl die EMK als auch die Diffusion von Ionen in Flüs sigkeiten temperaturabhängig ist, muß für eine genaue Messung auch die Temperatur gemessen und bei der Signalauswertung be rücksichtigt werden. Dies läßt sich auf einfache Weise durch einen Temperaturfühler im Gerät realisieren. Ein im Gerät be findlicher Mikrocontroller kann somit das Signal temperatur kompensieren.

Wesentlich für die Funktion dieses Prinzips ist, daß die Me ßelektrode mit dem zu messenden Ion eine Wechselwirkung ein geht, die zu einer Potentialabhängigkeit der Meßelektrode führt und das Potential der anderen Elektrode von der Konzen tration des zu messenden Ions nicht beeinflußt wird.

Die geometrische Anordnung der Elektrode kann in verschieden ster Weise erfolgen. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist die Anordnung der Referenzelektrode hinter der Meßelektrode. In diesem Fall kommt die Meßelektrode nach Beaufschlagung mit der Probeflüssigkeit zuerst in Kontakt und ändert ihr Poten tial entsprechend der ionalen Konzentration des zu messenden Ions. Die Referenzelektrode kann durch ein zwischen der Meß- und Referenzelektrode befindliches Vlies vor dem Einfluß et waiger störender Ionen geschützt werden. In einer anderen Ausführungsform können beide Elektroden nebeneinander auf ei ner planaren Oberfläche angeordnet sein und die Referenzelek trode z. B. durch eine Anionen- oder Kationen durchlässige Po lymerschicht abgedeckt werden. Durch diese Anordnung können störende Ionen von der Referenzelektrode weitgehend fernge halten werden.

Die Bestimmung der Konzentration des interessierenden Ions kann auch durch eine Strommessung durchgeführt werden. In diesem Fall benötigt man 2 Elektroden, vorteilhafterweise je doch 3 Elektroden, wobei eine Elektrode ausschließlich als Referenzelektrode dient und der Strom mittels eines Poten tiostaten über die beiden anderen Elektroden gezogen wird.

Das Potential der Meßelektrode wird derart gewählt, daß das interessierende Ion reduziert oder oxidiert wird. In der Li teratur sind verschiedene Verfahren beschrieben, die zu einem der Konzentration des Ions proportionalen Strom führen. Nutzt man eine potentiodynamische Methode, läßt sich zur Ermittlung der Konzentration die Peakhöhe des zeitlichen Stromverlaufes oder auch das Integral über den zeitlichen Stromverlauf, das der geflossenen Ladung entspricht, heranziehen.

Das Aufbringen der Körperflüssigkeit in die Öffnung der Kas sette kann z. B. durch eine Spritze, eine Pipette oder einem geeignetem Speichelsammler erfolgen. Die Gefahr einer Berüh rung des Bedienpersonals mit der Körperflüssigkeit des Pro banden wird im Vergleich zum Einsatz von Teststäbchen erheb lich reduziert.

Ebenso kann die Kassette nach der Messung problemlos entsorgt werden, ohne daß ein Kontakt des Bedienpersonals mit der Kör perflüssigkeit entsteht.

Die Kassette ist außenseitig, abhängig vom gewählten Meßver fahren mit mehreren elektrischen Kontakten ausgestattet, die beim Einfügen der Kassette in das Meßgerät einen elektrischen Kontakt zum Meßgerät herstellen. Das Meßgerät enthält einen Mikroprozessor, der den Ablauf der Messung steuert, das Si gnal aufnimmt und die Signalauswertung durchführt. Das Ergeb nis der Messung kann auf einem Display dargestellt werden.

Die Elektroden und die Kontaktierungen können auf unter schiedlicher Weise hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kassette aus einem Verbundspritz guß aus elektrisch leitfähigen und elektrisch nicht leitfähi gen Kunststoffen. Die elektrisch leitfähigen Teile des Gehäu ses stellen die Durchkontaktierungen durch das Gehäuse dar.

Fig. 1 Testkassette zur Messung von Jodid in menschlichem Speichel

Fig. 2 Testkassette zur Messung von Blei-Ionen im Speichel von Mensch und Tier

In Fig. 1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die zur Messung von Jodid in menschlichem Speichel geeignet ist.

In einer Kunststoffkassette (1) aus Verbundspritzguß mit leitfähiger Durchkontaktierung (2) sind im Dünnschichtverfah ren eine Referenzelektrode (3) bestehend aus Silber und einer Silberchloridschicht und eine Meßelektrode (4) bestehend aus Silber auf dem elektrisch leitfähigen Teil des Verbundspritz gusses aufgebracht. Die Elektroden sind mit einem Glasfaserv lies (5) bedeckt. Das Glasfaservlies ist mit einer physiolo gischen Kochsalzlösung getränkt. Der Deckel der Kunststoff kassette weist eine Öffnung (6) auf, durch die eine Meßlösung aufgetragen werden kann. Die Öffnung ist mit einer innensei tig mit Kunststoff beschichteten Aluminiumfolie (7) ver schlossen, die vor der Messung abgezogen wird.

Nach Auftragen des Speichels, der z. B. mittels eines Spei chelsammlers von einem Probanden gewonnen wurde, diffundiert der Speichel durch das Vlies (5) zu den Elektroden. Während das Potential der Referenzelektrode konstant bleibt, wird sich an der Meßelektrode ein Potential einstellen, das in er ster Linie von der Jodid-Konzentration im Speichel abhängt, da der Gehalt an Chlorid-Ionen im Speichel in etwa der im Vlies befindlichen physiologischen Kochsalzlösung entspricht. Die elektrischen Potentiale werden über den leitfähigen Kunststoff und den Kontaktierungen zum Gerät geführt. Auf grund des logarithmischen Zusammenhangs zwischen Konzentrati on und Potential wird die Konzentration des Jodids aus der gemessenen Spannungsdifferenz mittels eines im Gerät befind lichen Mikrocontrollers ermittelt und auf dem Display des Ge rätes angezeigt. Auf diese Weise kann auch die Konzentration anderer Ionen gemessen werden, sofern sich an der Messelek trode ein Potential einstellt, das mit der Konzentration des Ions korreliert. Die Kassette wird nach der Messung aus dem Gerät entfernt und entsorgt.

In Fig. 2 wird eine Vorrichtung beschrieben, die zur Messung von Blei-Ionen im Speichel von Mensch und Tier geeignet ist.

Eine Kassette aus Kunststoff (1) enthält drei Metalldurchfüh rungen, von denen innenseitig eine mit Platin (8) und zwei mit Gold beschichtet sind (9) und (10). Die mit Platin be schichtete Elektrode dient als Referenzelektrode, an ihr stellt sich das Sauerstoff-Redoxpontial ein. Die mit Gold be schichteten Elektroden dienen als Gegen- und Messelektrode. An der Außenseite bilden die Durchführungen einen elektri schen Kontakt (11) zu einem Gerät. Die innenliegenden Elek troden sind mit einem Vlies (5) bedeckt, das physiologische Kochsalzlösung enthält. Nach Aufbringen einer definierten Menge Speichel, die über einen Speichelsammler gewonnen wer den kann, diffundieren die im Speichel befindlichen Blei- Ionen zu der Messelektrode.

Im Gerät befindet sich ein Potentiostat, der bezüglich der Referenzelektrode an der Messelektrode ein Potential anlegt, bei dem Blei-Ionen zu metallischem Blei reduziert werden. Nach einer definierten Zeit wird das Potential an der Messe lektrode derart geändert, dass an der Messelektrode das abge schiedene Blei anodisch wieder aufgelöst wird. Der dabei fließende Strom wird über die Zeit registriert. Hieraus kann mittels eines Mikrocontrollers die Ladung berechnet werden.

Die Ladung stellt eine der Konzentration der im Speichel be findlichen Blei-Ionen proportionale Größe dar.

Auf diese Weise können auch andere Metall-Ionen aus Körper flüssigkeiten gemessen werden, sofern sie sich in wäßriger Lösung als Metall abscheiden lassen.

Bezugszeichenliste

1

Kunststoffkassette

2

Durchkontaktierung

3

Referenzelektrode

4

Meßelektrode

5

Glasfaservlies

6

Öffnung

7

Aluminiumfolie

8

Referenzelektrode

9

Messelektrode

10

Gegenelektrode

11

elektrischer Kontakt

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration ionaler Be standteile von Körperflüssigkeiten von Mensch oder Tier dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einer als Einwegteil ausgebildeten Kassette und einer elektroni schen Auswerteeinheit besteht, wobei die Kassette eine Öffnung aufweist, durch die die Probe eingeführt werden kann, innenliegend einen elektrochemischen Sensor enthält und mit mindestens 2 Kontakten versehen ist, die eine Übertragung eines elektrischen Signals zur Auswerteein heit ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemische Sensor ein potentiometrischer Sensor ist, dessen Signal eine logarithmische Abhängigkeit von der Ionenaktivität aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemische Sensor ein amperometrischer Sensor mit mindestens 2 Elektroden ist, der einen der ionalen Konzentration proportionalen Strom oder eine der ionalen Konzentration proportionale Ladungsmenge als Signal lie fert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die ionalen Bestandteile der Körperflüssig keiten Schwermetalle sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der ionale Bestandteil der Körperflüssig keit ein Halogenid-Ion ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Körperflüssigkeit Speichel ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperflüssigkeit Blut, Serum, Urin oder Speichel ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeich net, daß der elektrochemische Sensor aus 2 Silberelektro den besteht, wovon eine Silberfläche mit einer Sil berchloridschicht und die der anderen Elektrode mit Sil beramalgam bedeckt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kassette aus einem Verbundspritzguß aus leitfähi gem und nicht leitfähigem Kunststoff besteht, derart daß sich die Elektroden auf dem leitfähigem Kunststoff befin den und die elektrische Kontaktierung über den leitfähi gen Kunststoff erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Durchführungen in eine aus Kunststoff be stehende Kassette eingespritzt oder eingefügt sind, auf deren Innenseite die Elektroden aufgebracht sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden auf dem elektrischen Leiter in Dünn- oder Dickschichttechnik aufgebracht sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, 8 und 9, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine Elektrode aus der Reihe der Platinmetalle, Gold, Silber oder Kohlenstoff besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeich net, daß die Gegenelektrode oder die Referenzelektrode von der Messelektrode durch einen für Anionen- oder Ka tionen durchlässigen Kunststoff abgetrennt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode eine Sauerstoffelektrode ist.