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Vorrichtung zur Messung des pH-Wertes biologischer Flüssigkeiten Zwischen
den beiden Seiten einer Glasmembran, die mit zwei Lösungen von verschiedener Wasserstotvfionenkonzentration
in Berührung sind, entsteht ein Potentialunterschied, welcher für die Messung einer
unbekannten Konzentration benutzt werden kann. Das Gerät mit einer solchen Glasmembran
wird Glaselektrode genannt.
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Eines der wichtigsten Anwendungsgebiete für Glaselektroden ist die
pE-Messung biologischer Flüssigkeiten, wie Blut, Serum, Urin, Speichel, Magensaft
und anderer Sekrete. In vielen Fällen stehen nur sehr geringe Flüssigkeitsmengen
zur Verfügung, und die erforderliche Meßgenauigkeit muß sehr hoch sein um überhaupt
eine Erscheinung feststellen zu können.
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Die Meßgenauigkeit bei biologischen Flüssigkeiten, insbesondere bei
Blut, ist stark beeinträchtigt durch die mehr ausgeprägte Temperaturabhängigkeit
der Meßwerte. die bei Blut in der Höhe von etwa 0,015 p-Einheiten pro Grad Celsius
liegt. Soll eine Genauigkeit von mindestens 0,01 p-Einheiten erreicht werden, so
muß die Temperatur auf 0.5° C genau kontrolliert werden. Außer der Temperaturabhängigkeit
des p-Wertes der Meßlösung treten noch andere temperaturbedingte Faktoren auf, die.
hei gleicher Meßgenauigkeit, nur noch eine Temperaturschwankung von 0,30 C gestatten.
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Es sind aber gewisse, durch die Meßtechnik hestimmte Umstände, welche
die tatsächliche Durchführung einer so genauen Temperaturkontrolle bei Verwendung
der handelsiiblichen Glaselektroden sehr in Frage stellen.
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Bei biologischen Messungen treten auch zeitlich be dingte pEf-Verschiebungen
auf, so daß die Messung möglichst bald nach der Entnahme der betreffenden Flüssigkeit
durchgeführt werden muß. Diese Tatsache erschwert die Temperaturkontrolle insofern,
als frisch entnommene Körperflüssigkeiten gegenüber dem Raum eine erhöhte Temperatur
von etwa 37 C hesitzen. Für eine genaue Messung muß daher die ganze Meßkette, also
die Glaselektrode mit eingebauter Ableitungselektrode für die Lösung mit bekannter
H-Ionen-Konzentration (Bezugspufferlösung) und die meistens getrennte Bezugselektrode
für die Potentialableitung auf der Meßflüssigkeitsseite, auf derselben Temperatur
gehalten werden.
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Hierzu wurden bereits in die Meßkette eingebaute Thermometer sowie
auch Thermostaten verwendet, wobei man sieh auf die Anzeige der betreffenden Thermometer
verließ. Diese Temperaturwerte sind aber in vielen Fällen des praktischen Gebrauchs
unzuverlässig, und zwar aus folgenden Gründen: Zwischen Entnahme, Transport und
Einfüllung der Meßflüssigkeit in die Glaselekrode ist eine Temperaturlinderung der
Flüssigkeit selbst schwer zu verhindern Außerdem muß die Glaselektrode vor der eigentlichen
Messung mit anderen Flüssigkeiten geeicht und dann noch mehrmals ausgespült werden.
Wenn nun nicht alle verwendeten Flüssigkeiten genau die Thermostattemperatur haben,
wird die in der Elektrode eingeschlossene Bezugspufferlösung an der äußeren Seite
der sehr dünnen Glasmembran ihre Temperatur ändern.
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Da meistens nicht lange genug gewartet werden kann, bis dieser unkontrollierte
Temperaturuntersclmied von 1 bis 2° C durch die Thermostatheizung ausgeglichen ist,
wird die Thermostattemperatur als Meßtemperatur betrachtet. Der so verursachte Meßfehler.
der nur von einem geübten Experimentator durch umständliche Vorsichtsmaßnahmen vermieden
werden kann, setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Die eine ist durch die obenerwähnte
temperaturbedingte Änderung des pn-Wertes der Meßflüssigkeit gegeben, die andere
entsteht durch Änderung des Asymmetriepotentials der ÄIeßkette. Die Symmetrie des
Ableitungssystems wird nämlich durch die Ltntersdiiedlidkeit in der Temperatur der
Glaselektrode mit eingebauter Ableitungselektrode einerseits und Temperatur der
davon unabhängig gebauten Bezugselektrode andererseits gegeben. Letztere wird nutl
bei den meßXwechnischen Operationen nicht beansprucht und besitzt unverändert die
Temperatur des Thermostaten. Die zweite Fehlerkomponente bedingt eine Abweichung
im pn-Wert in der Größenordnung von 0.01 pro Grad. so daß bei einem Temperaturunterschied
von 10 C bei Blutmessung ein Fehler von etwa 0.025 pI-Einheiten verursacht wird.
Um eine Genauigkeit von 0.01 zu erreichen, muß also der Tempreraturunterschied auf
weniger als 1.30 C reduziert werden.
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Um eine exakte pH-ATessung zu ermöglichen, ist die \ orrichtung gemäß
der Erfindung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Glaselektrode einen
liaum
für die Bezugspufferlösung aufweist, welcher von der zur Aufnahme der l>iologischen
Flüssigkeit dienenden Glaselektrodenmembran durchsetzt wird, und ein Thermometer
in den Raum der Bezugspufferlösung hineinragt und das Verhältnis zwischen dem inneren
Volumen der verwendeten Membran und dem nußerhall> der Membran eingefüllten Flüssigkeitsvolunien
mindestens 1 :100 beträgt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung, in welch letzterer rein beispielsweise einige Ausfiihrungsformen
der erfindungsgemäßen \'orrichtung dargestellt sind. Es zeigt Fig. 1 eine Glaselektrode
mit Einrichtung zur intravenösen Blutentnahme. teilweise im Längsschnitt Fig. 2
eine Glaselektrode mit Einrichtung zur direkten oder indirekten Entnahme biologischer
Flüssigkeiten durch die verletzte Hand oder sonstige von außen zugängliche Stellen,
Fig. 2a in vergrößertem Maßstab eine Hilfsvorrichtung zur Glaselektrode nach Fig.
2, Fig. 3 eine Glaselektrode mit Einrichtung zur Entnahme geringster Flüssigkeitsmengen,
Fig. 4 zeigt eine Glaselektrode mit einem den Elektrodenkörper teilweise umgehenden
Mantel, nährend Fig. 5 eine Glaselektrode mit einer von einer Isolierbekleidung
umhüllten Grifffläche zeigt.
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Die Glaselektrode A an sich weist einen Hauptteil 1 zur Aufnahme
der Bezugspufferlösung 2 auf. deren Spiegel mit 3 bezeichnet ist. In dem Hauptteil
1 ist eine Glaselektrodenmembran 4 angeordnet, die an den Stellen 5 und 6 eingeschmolzen
(Fig. 1 und 2) bzw eingekittet (Fig. 3) ist. Auf der einen Seite des Glaskörpers
ist die Ableitungselektrode 7 und auf der anderen erfindungsgemäß ein Thermometer
8 eingebaut, dessen Ende 8a in die Bezugspufferlösung 2 eintaucht. Durch das Thermometer
8, 8a wird eine Temperaturkontrolle ermöglicht, welche die unerläßlicht Voraussetzung
für exaktes Messen ist. Ein eventuell auftretender Temperaturunterschied zwischen
der Bezugspufferlösung 2 und der an der inneien Seite der Glasmembran 4 befindlichen
Meßflüssigkeit gleicht sich wegen der Dünne der Membran 4 innerhalb weniger als
einer Minute aus, so daß in der Glaselektrode A eine einheitliche und zuverlässig
meßbare Temperatur vorliegt, welche Korrekturen oder Umrechnungen des ?vleßwertes
ermöglicht.
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Um überhaupt ein Auftreten von Temperaturiehlern zu verhindern bzw.
diese unter der Fehlergrenze von (),01 pn-Einheiten zu halten, wird die Glaselektrode
so dimensioniert, daß die durch unterschiedliche Temperatur der Meßflüssigkeit,
durch Eichung und Spülung verursachten Temperaturänderungen in der ganzen \N'ärmemasse
der Glaselektrode weniger als 0.30 C betragen.
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Am besten lassen sich die Verhältnisse betreffs Dimensionierung an
Hand eines praktisch wichtigen Falles erläutern, bei welchem kein Thermostat verwendet,
sondern die Messung bei Zimmertemperatur durch Einfüllung von körperwarmer Flüssigkeit
in die Glaselektrodenkapillare durchgeführt wird.
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Die Temperaturdifferenz zwischen der Meßflüssigkeit und der Glaselektrode
selbst beträgt in diesem Falle etwa 200 C (Körpertemperatur: 370 C; Raumtemperatur:
170 C).
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Die Wärmemasse der Glaselektrode ist hauptsächlich durch diejenige
der Bezugspufferlösung an der Außenseite der Kapillarmembran gegeben. Um in der
ganzen Masse nach hypothetischer Mischung eine Temperaturerhöhung von 0,30 C zu
haben, muß die
gesamte Fliissigkeitsmenge 20/0,3 = 67mal größer sein als diejenige
der Meßflüssigkeit. Bei Messung im Thermostaten kann der Temperaturfehler wegen
mehrfacher Spülung mit kalter Eichpufferlösung und Spülwasser noch 2- bis 3mal größer
sein. so daß als optimales Verhältnis. welches eine fehlerfreie Messung ohne besondere
'orsichtsmal3Ilahmen garantiert, ein solches von 1 :200 betrachtet werden kann.
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Aus verschiedenen abschwächenden Gründen kann man jedoch das Verhältnis
von 1 :100 als zuverlässig Ijetrachten. Bei den bisher hekannten Glaselektroden
liegt dieses Verhältnis zwischen 1:10 und 1: 30, nol,ei es bei den kugelförmigen
Glaselektrodeu besonders ungünstig ist.
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Um eine handliche Größe der Glaselektrode unter ßeibehaltung eines
günstigen Mengenverhältnisses zu erreichen, verwendet man vorteilhaft sogenannte
AIikrokapillarelektroden mit Fassungsvermögen von weniger als 200 mg Meßflüssigkeit.
Besonders gut eignen sich hierzu die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Arten
bzw. Beispiele.
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Für intravenöse Blutentnahme dient die Elektrode nach Fig. 1 mit
einer Meßflüssigkeit von 100 mg und einer Bezugspufferlösung von 5 bis 10 g. Durch
das Anbringen geeigneter Schliffe bei 9 und 10 kann das Instrument zweckmäßig mit
einer intravenösen So ringe 11, 11 a versehen werden. Dieser Elektrodentyp ist auch
für den Tierversuch geeignet.
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Für die direkte oder indirekte Entnahme l>iologischer Flüssigkeiten
durch die verletzte Haut oder sonstige von außen zugängliche Stellen dient zweckmäß
igerweise die Elektrodenausführung mit einer E-lilfsvorrichtullg nach Fig. 2 für
eine Rleßflüssigkeit von 20 bis 40 mg und einer Bezugspufferlösung von etwa 5 g.
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Die Glaselektrode nach Fig. 2 weist in baulicher Hinsicht gegenüber
der Ausführung nach Fig. 1 den Unterschied auf. daß unten keine Nadel, sondern eine
Saugspitze 12 angeordnet ist, die mit der Hilfsvorrichtung 13, 14 zusammenarbeitet.
Diese dient dazu, die Messung zu erleichtern und besteht im wesentlichen aus einer
kurzen Hülse 13 mit Auflagefläche 13a, mit welcher die Hülse 13 entweder an der
verletzten Körperstelle oder derjenigen Stelle des Körpers bzw. der Haut (Fingerbeere)
beim Menschen oder Tier aufgesetzt wird, an der Blut entnommen werden soll. Die
Hülse wird mittels Leukoplasts 14 od. dgl. in der in den Fig. 2 und 2a gezeigten
Weise auf der entsprechenden Körperstelle befestigt. Bei verletzten Körperstellen
wird die Hülse 13 durch Drücken auf die Umgehung der betreffenden Stelle bis zu
einer gewissen Höhe mit Blut gefüllt und dann durch Einführen der Saugspitze 12
die Glaselektrodenkapillare gefüllt Soll Blut einer unverletzten Körperstelle entnommen
und der Glaselektrode zugeführt werden, so kann zweckmäßigerweise ein Schnepper
16 mit Lanzette 17 folgendermaßen verwendet werden: Der Schnepper wird auf die Hülse
16 aufgesetzt, wobei durch Betätigung des Schneppers die Lanzette 17 aus der gestrichelt
gezeichneten Lage in die ausgezogen gezeichnete Lage vorschnellt und in die Haut
einsticht. Hierauf wird der Schnepper weggenommen, die Hülse durch Drücken der Umgebung
wit Blut gefüllt, die Saugspitze 12 eingeführt und die Glaselektrodenkapillare gefüllt.
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Das Verfahren, bei welchem das Blut vor der Einfüllung in die Elektrodenkapillare
in einer die Wunde umschließenden Hülse gesammelt wird, bietet folgende orteile:
a)
Ohne Verwendung der Hilfsvorrichtung 13 würde der Fall sehr oft eintreten, daß mehrmals
kleitiere Bluttropfen ausgepreßt werden müssen, um die Elektrodenkapillare ganz
zu füilen. Das bedingt eine größere Kontaktfläche mit der Luft, die zudem ganz verschieden
lang mit dem Blut in Berührung steht.
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Der Verlust von Kohlensäure ist somit gegenüber der Verwendung der
Hilfsvorrichtung 13 viel größer und son Fall zu Fall verschieden. h) Bei Verwendung
der Hilfsvorrichtung ist man außerdem sicher, daß genügend Blut vorhanden ist, Ulll
die Elektrodenkapillare auf einmal zu füllen, so daß das die Messung störende Auftreten
von Blasen in der Elektrodenkapillare verunmöglicht ist.
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Um in den Fällen der Verwendung der Hilfsvorrichtung beim Füllen
der Elektrodenkapillare den Kontakt des Blutes mit der Außenluft vollständig zu
R ermeiden, wird die Hauptpartie im Füllkanal der Aufsetzbülse 13 zweckmäßigerweise
mit einer ab dichtenden Masse 18, wie z. B. Paraffinöl, überschichtet, so daß das
Auffüllen der Hülse und anschließend der Elektrodenkapillare mit Blut unter Luftabschluß
erfolgt.
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Für geringste Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von 1 mg. z.
B. für Messungen bei kleinsten Tieren, dient die Glaselektrode nach Fig. 3, die
im Prinzip gleich gebaut ist wie diejenige nach Fig. 2, jedoch in Anpassung an die
Verhältnisse für Kleinstmengen.
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Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführung weist die Glaselektrode
4 einen Hauptteil 1 zur Auftiahme der Bezugspufferlösung 2 auf. deren Spiegel mit
3 bezeichnet ist. In dem Hauptteil 1 ist eine Glaselektrodenmembran 4 angeordnet,
die an den Stellen 5 und 6 eingeschmolzen ist. Auf der einen Seite des (;laskörpers
ist die Ahleitungselektrode 7 und auf der anderen ein Thermometer 8 eingebaut, dessen
Ende 8 a in die Bezugspufferlösung 2 eintaucht. Durch das Thermometer 8, 8a wird
eine Temperaturkontrolle ermöglicht. welche die unerläßliche Voraussetzung für exaktes
Messen ist.
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Durch das Anbringen geeigneter Schliffe bei 9 und 10 kann das Instrument
zweckmäßig mit einer intravenösen Syringe 11, 11 a versehen sein. Der Hauptteil
1 des Elektrodenkörpers ist nach unten zu einem Teil 1 a verlängert. der mit einem
Mantel 19 versehen bzw. mit diesem aus einem Stück besteht. Der Raum zxvischen dem
Elektrodenkörperteil 1 a und dem Mantel 19 kann gas- bzw. luftgefüllt oder luftarm
lizm. luftleer sein. Hierdurch ist beim Anfassen der Elektrode längs des Mantels
mit der Hand zwecks Flüssigkeitsentnahme oder Messung dafür gesorgt, daß die Berührungsstelle
eine gute Wärmeisolierung besitzt, so daß die Elektrode somit gegen äußere Temperatureinfiüsse
geschützt ist. Es ist selbstverständlich. daß der Elektrodenkörper überall da, wo
eine Handberührung stattfinden kann, mit einem wärmeisolierenden Mantel versehen
sein könnte.
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Die Glaselektrode, nach Fig. 5 weist in baulicher Hinsicht gegenüber
der Ausführung nach Fig. 4 den Unterschied auf, daß unten keine Nadeln, sondern
eine
Saugspitze 12 angeordnet ist, die mit der Hilfsvorrichtung 13, 14 zusammenarbeitet.
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Der Hauptteil des Elektrodenkörpers weist einen seitlichen, als Handgriff
ausgebildeten Ansatz 20 auf, an dem das Thermometer 8 und darunter die Ableitungselektrode
7 angeordnet sind. Der als Griff dienende Ansatz 20 besitzt eine Umkleidung 21 aus
Wärmeisoliermaterial, durch die die Glaselektrode gegen äußere Temperatureinflüsse
geschützt ist.