DE2454339A1 - Vorrichtung zur relativen messung der konzentration einer probe in einem fluid - Google Patents
Vorrichtung zur relativen messung der konzentration einer probe in einem fluidInfo
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Description
Vorrichtung zur relativen Messung der Konzentration einer Probe in einem Fluid
Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung, welche die-relative
Messung der Konzentration einer Probe in einem Fluid ermög- licht.
Gewisse "bekannteVorrichtungen ermöglichen die Lösung
dieses Problems für bestimmte Proben. Ihr wesentlicher Bestandteil
ist eine Wand, die durch einen Festkörper-Elektrolyt gebildet ist. Diese Wand ist zwischen zwei Räumen angeordnet,
von denen der eine das zu untersuchende Fluid enthält, während sich in dem anderen Raum ein Vergleichsfluid
befindet, das die gleiche Probe mit einer genau definierten Konzentration enthält. Die Wand trägt auf ihren beiden entgegengesetzten
Flächen zwei Elektroden. Wenn ein lonentrans-port durch die Wand stattfindet, erscheint eine Potentialdifferenz
zwischen den beiden Elektroden. Im Gleichgewichtszustand folgt diese Potentialdifferenz V dem Gesetz von
Lei/Gl
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Fernst, das eine umkehrbar eindeutige Beziehung zwischen der Potentialdifferenz T und dem Verhältnis der Konzentrationen
der beweglichen Probe zu beiden Seiten der Wand festlegt.
Wenn nur die Ionen der zu analysierenden Probe durch die
Wand hindurchgehen, ermöglicht das iTernst-Potential unter
bestimmten Bedingungen die Messung des Verhältnisses der jeweiligen Konzentrationen der Probe zu beiden Seiten der
Wand. Das iiernst-Potential kann mit einer geeigneten
elektrischen Schaltung gemessen werden, die an die beiden Elektroden angeschlossen ist.
Bei bekannten Vorrichtungen wird diese Eigenschaft ausgenutzt. Sie enthalten jedoch eine verhältnismäßig dicke
Wand. Unter diesen Bedingungen erfolgt der Transport der Ionen der zu analysierenden Probe nur bei verhältnismäßig
hohen !Temperaturen, die im allgemeinen sehr viel größer
als die Umgebungstemperatur sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung dieser Art, die bei der Umgebungstemperatur arbeitet.
Die Vorrichtung zur relativen Messung des Partialdrucks oder der Konzentration einer Probe in einem Pluid enthält
eine Wand, die aus einem Pestkörper-Elektrolyt besteht, und zwei Elektroden auf den beiden entgegengesetzten Flächen
dieser Wand. Sie ist nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Wand und den
Elektroden bestehende Anordnung auf ein poröses Substrat aufgebracht ist, das als mechanischer Träger dient, daß
die Elektroden selbst porös sind, und daß die Wand so dünn ist, daß das Nernst-Potential nach Ablauf einer mit der
Messung vereinbaren Zeit bei der Umgebungstemperatur erreicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich,
aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Pig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,
Pig. 2 die atomare Struktur eines Festkörper-Elektrolyts,
der als Beispiel angegeben wird, und
Pig. 3 einen Querschnitt durch ein Anwendungsbeispiel der Torrichtung nach der Erfindung.
Pig. 1'zeigt im Querschnitt das Schema der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Der Pestkörper-Elektrolyt 2 ist sandwichartig zwischen zwei porösen Elektroden 1 und 3 eingeschlossen. Nach der Erfindung
hat die Schicht 2 eine sehr geringe Dicke in der Größenordnung von 100 bis 1000 a. Die ganze Anordnung ist auf ein
poröses Substrat ,4 aufgebracht. Die Elektroden 1 und 3 sind mit den Klemmen eines Meßgeräts verbunden, das entweder ein
Voltmeter oder ein Amperemeter sein kann oder auch, wie im vorliegenden Pail, ein Gleichstromverstärker 5, dessen Ausgangssignal
auf einem Meßgerät 6 abgelesen wird.
Auf der einen Seite der Wand ist das Bezugsfluid A angeordnet, und auf der anderen Seite das zu untersuchende
Meßfluid B. Das zu lösende Problem besteht darin, eine
relative Messung des Partialdrucks oder der Konzentration einer Probe E in dem Meßfluid vorzunehmen, während der'
Partialdruck bzw. die Konzentration der gleichen Probe in dem Bezugsfluid bekannt ist. Die Poren des Substrats
und der Elektroden müssen einerseits einen intimen Kontakt
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zwischen dem Bezugsfluid A und dem Festkörper-Elektrolyt und andererseits einen intimen Eontakt zwischen dem
Elektrolyt und dem Meßfluid B zulassen. Das Material der Wand muß in Abhängigkeit von der zu untersuchenden
Probe gewählt werden. Die dünne Wand wird beispielsweise durch Vakuumaufdampfung, Katodenzerstäubung, Cracking,
elektrochemische Verfahren oder auf andere' geeignete Weise hergestellt, und ihre Dicke hängt von der Beweglichkeit
der Ionen ab, die durch den Pestkörper-Elektrolyt gehen können.
Bei einem Anwendungsbeispiel, für das sich die Erfindung besonders eignet, ist die zu untersuchende Probe Sauerstoff.
Die Wand kann dann aus ZrOp (Zirkonoxid) oder aus Thoriumoxid bestehen, das mit Oxiden von alkalischen oder
erdalkalischen Metallen oder von seltenen Erden (Lanthan oder Yttrium) dotiert ist.
Die atomare Struktur von mit Kalzium dotiertem Zirkonoxid
ist in Pig. 2 erkennbar. Diese Zeichnung zeigt, daß gewisse Sauerstoff ionen freie Bindungen haben, die durch
das Vorhandensein von Kalziumionen in der Kristallstruktur verursacht werden. Die porösen Elektroden können nach
den bekannten Verfahren der Dünnschichttechnik hergestellt werden, die Fehlstellen entstehen lassen. Sie können
aus Silber, Platin, Gold, Kupfer oder Iridium hergestellt werden, doch ist diese Aufzählung nicht vollständig.
Unter dem Einfluß der Differenz der Partialdrücke oder der Konzentration des Sauerstoffs in den Medien A und B
wandern die freien Sauerstoffionen durch die Struktur hindurch, und sie werden durch Überschußionen desjenigen der
"beiden Medien ersetzt, in dem der Partialdruck oder die Konzentration höher ist. Dieser Ionentransport ist die
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Ursache für die Potentialdifferenz, die zwischen den beiden Elektroden erscheint und die relative Messung der Partialdrücke
des Sauerstoffs in dem zu untersuchenden Stoff ermöglicht.
Zur Durchführung einer Messung unter Ausnutzung dieser
Erscheinung ist es notwendig, daß ein Gleichgewichtszustand erreicht wird und daß sich der Ionenstrom im stationären
Zustand von der einen zur anderen Seite der Wand ausbildet. Nun hängt aber die Zeit, nach deren Ablauf
dieser Gleichgewichtszustand erreicht wird, wesentlich von der Dicke der Wand und ihrer Temperatur ab. Die beschriebene
Vorrichtung ermöglicht die Erzielung eines Gleichgewichtsstroras nach Ablauf einer ausreichend kurzen
Zeit bei der Umgebungstemperatur.
Es ist nicht notwendig,.daß die Fluide A und B von gleicher
Art sind. Das Bezugsfluid A kann eine Gasmischung sein, während das zu analysierende Meßfluid B eine Flüssigkeit
sein kann, welche die zu untersuchende Probe in Lösung oder in Adsorption enthält. Da die Messungen-stets relativ
sind und in Bezug auf ein Bezugsfluid durchgeführt werden, geben die elektrochemischen Potentialdifferenzen Auskunft
über die Konzentration der zu untersuchenden Probe.
Ein interessanter Fall ist die Messung des Sauerstoffanteils,
der im Blut oder einem anderen biologischen Fluid mitgeführt
wird. -
Die Erfindung eignet sich besonders gut für diesen Fall, weil die Vorrichtung bei der Umgebungstemperatur arbeitet.
Fig. 3 zeigt eine Sonde oder ein Katheter zur Durchführung
solcher Messungen.
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Die dargestellte Vorrichtung hat ein Rohr 100 von einigen Millimetern, beispielsweise 1 bis 3 mm Außendurchmesser
und 1 bis 2 mm Innendurchmesser. Der aktive Seil dieser Vorrichtung enthält am -Ende des Rohres von innen nach
außen der Reihe nach folgende Teile: Das poröse Substrat 104 ist in das Rohr eingesteckt und verschließt dieses.
Dieses Substrat kann aus poröser Keramik- bestehen (beispielsweise aus Aluminiumoxid); es ergibt die mechanische
Festigkeit der Anordnung. Auf das Substrat ist die erste poröse Elektrode 103 aufgebracht. An diese Elektrode ist
ein Draht 105 angelötet, der durch das Innere des Rohres geführt ist und mit einer Klemme des nicht dargestellten
Meßgeräts verbunden ist. Auf die Elektrode 103 ist der Festkörper-Elektrolyt 102 aufgebracht, der beispielsweise
aus Zirkonoxid ZrOp besteht, das mit Kalziumoxid dotiert
ist. Seine Dicke beträgt weniger als 1000 A*.
Auf den Festkörper-Elektrolyt ist die poröse Elektrode aufgebracht, an die ein Draht 107 angelötet ist, der mit
dem anderen Pol des Meßgeräts verbunden ist.
Die Meßdauer ist unter den angegebenen Bedingungen kurzer
als eine Minute und liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden.
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Claims (5)
- -7~ 245 A 339Patentansprüche1«)- Vorriehtung zur relativen Messung der Konzentration einer Probe in einem Fluid mit einer Wand aus einem JPestkörperElektrolyt, der Ionen der Probe transportieren kann, mit auf die beiden Seiten der Wand aufgebrachten Elektroden und mit einem an die Elektroden-angeschlossenen Meßgerät zur Messung der sich aus dem Ionentransport ergebenden Spannungsdifferenz an den Klemmen der Elektroden, wobei die Wand das Meßfluid von einem Bezugsfluid trennt, das eine genau definierte Konzentration der Probe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Wand und den Elektroden bestehende Anordnung auf ein poröses Substrat aufgebracht ist, daß die Elektroden selbst porös sind und daß die Wand so dünn ist, daß das Nernst-Potential sich nach Ablauf einer mit der beabsichtigten Verwendung vereinbaren Zeit ausbildet.
- 2. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Bezugsfluid eine Gasmischung ist, und daß der Partialdruck der Probe in dieser Gasmischung bekannt ist.
- 3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Elektrolyt ein Zirkonoxid oder Ihorium^ oxid ist, das mit einem Oxid eines alkalischen Metalls, . eines erdalkalischen Metalls oder einer seltenen Erde dotiert ist.
- 4. Torrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe Sauerstoff ist.S09821/0977
- 5. Torrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid, in dem die Sauerstoffkonzentration gemessen werden soll, Blut oder ein anderes biologisches Fluid ist,509821/0977,JLeerseite
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Cited By (5)
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- 1974-11-15 DE DE19742454339 patent/DE2454339A1/de not_active Withdrawn
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Also Published As
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