FR2541462A1 - Electrode de reference electrochimique miniature - Google Patents

Abstract

ELECTRODE DE REFERENCE ELECTROCHIMIQUE MINIATURE, A RESERVOIR 1 SCELLE. ELLE EST CONSTITUEE PAR LA COMBINAISON D'UN GEL RETICULE 10 RIGIDE OU SEMI-RIGIDE CONTENANT DE 20 A 99 D'EAU, EN ETAT D'EQUILIBRE OSMOTIQUE AVEC UN ELECTROLYTE COMPORTANT DES IONS EQUITRANSFERANTS FORTEMENT CONCENTRE OU SATURE, ET D'UNE MEMBRANE SEMI-PERMEABLE 8 HYDROPHILE CONTENANT UN MINIMUM DE 5 A 20 D'EAU ET AYANT DES PORES DE FAIBLES DIMENSIONS NE DEPASSANT PAS 0,5 A 1,5 NANOMETRE. L'ELECTRODE SE PRETE PARTICULIEREMENT BIEN A LA MINIATURISATION ET EST UTILISABLE POUR DES MESURES DE PH DANS DES SOLUTIONS BIOLOGIQUES OU DES CAVITES CORPORELLES.

Description

Electrode de référence électrochimique miniature.

La présente invention concerne une électrode de référence électrochimique miniature, a réservoir scellé, destinée a être utilisee dans des mesures de concentration d'espèces chimiques (ions, molécules, etc...) par méthode potentiométrique soit dans de petits volumes de solutions biologiques, soit sur ou dans des cavités corporelles, par exemple pour servir. dans la mesure du pH, de concentrations partielles, etc... dans des milieux biologiques.

Pour la mesure de paramètres tels que le pH, des concentrations d'espèces chimiques etc... on utilise couramment des électrodes spécifiques a membrane sensible.

Ainsi on connaît par exemple des électrodes à fil d'argent /chlorure d'argent séparées de la solution à étudier par une membrane sensible en verre. Le principe de la mesure consiste a mesurer la différence de potentiel qui s'établit alors de part et d'autre de la membrane en verre, ce qui nécessite la mise en place dans la solution d'une seconde électrode, dite électrode de référence, l'appareil de mesure étant relié aux deux électrodes. Pour différentes raisons bien connues, la seconde électrode ne peut pas etre réalisée par une simple contre-électrode métallique et doit au contraire être une électrode chimique ne modifiant pas, ou seulement de façon négligeable, le milieu a étudier et dont le rôle est de fournir un potentiel constant et indépendant de la composition de l'électrolyte dans lequel elle est plongée.

Une telle électrode-de référence contient généralement un électrolyte interne, comportant des ions équi- tranférants en solution, souvent- proche -de la saturation, tel que par exemple, du chlorure de potassium, dans lequel plonge une électrode interne telle que, par exemple, un fil d'argent recouveru de chlorure d'argent.

La liaison électrique entre l'électrolyte interne et la solution externe a mesurer est réalisée exclusivement au travers d'une jonction liquide/liquide par ou s'écoule ou diffuse l'électrolyte interne vers la solution externe.

Cette jonction liquide/liquide permet d'éviter l'empoisonnement de l'électrode interne par des agents polluants extérieurs, de stabiliser dans le temps le niveau de concentration de l'électrolyte interne et de fournir un potentiel de jonction stable en assurant un niveau d'écoulement ou de diffusion qui soit le plus faible et le plus constant possible, de l'électrolyte interne vers la solution externe, -malgré la présence de particules aux propriétés colmatantes, telles. que par exemple les grosses molécules biologiques.

Les électrodes de référence les plus connues utilisent le plus couramment une jonction liquide/liquide a écoulement comprenant notamment une céramique poreuse scellée à ltextrémité d'un réservoir de verre comportant un orifice de renouvellement de l'électrolyte liquide interne.

Elles présentent l'inconvénient d'être difficilement miniaturisables, de se colmater rapidement au contact des milieux biologiques, d'avoir une durée de vie limitée lorsque l'électrolyte interne n'est pas renouvelé et d'utiliser la force de gravité pour actionner l'écoulement de l'électrolyte, limitant ainsi leur souplesse d'utilisation.

Une réalisation qui élimine une grande partie de ces défauts est illustrée dans le brevet U.S. 4 166 021 délivré le 28 août 1979 au nom de James W. ROSS.

Ici, l'écoulement de l'électrolyte liquide interne au travers d'une membrane poreuse est contrôlé par une différence de pression hydrostatique résultant d'une différence de pression osmotique entre l'électrolyte interne et la solution externe.

Elle présente l'inconvénient de nécessiter une construction soignée du fait de l'utilisation des forces créées par la différence de pression hydrostatique pouvant atteindre des niveaux importants et d'avoir une durée de vie limitée du fait de l'écoulement rapide de- l'électro- lyte interne, inconvénients préjudiciables à sa possibili- té de miniaturisation.

Une autre réalisation qui élimine également une partie des défauts cités précédemment est illustrée dans le brevet U.S. n" 3 705 089 délivré le 5 décembre 1972 au nom de William T. GRUBB.

Cette réalisation utilise un électrolyte interne gélifié, placé dans un tube souple de grande longueur, en contact direct avec la solution à mesurer. La surface du gel en contact avec la solution constitue une jonction liquide/liquide a structure de diffusion et non plus à structure d'écoulement, possédant des propriétés anti-colmatantes. Elle présente l'inconvénient de laisser diffuser l'électrolyte interne trop rapidement en lui conférant une autonomie de fonctionnement trop faible lorsque réalisée en version miniaturisée. Par ailleurs, l'empoisonnement de l'électrode interne se réalise assez rapidement par migration d'agents polluants externes lorsque la capacité du réservoir contenant l'électrolyte interne est faible, ce qui est le cas pour les électrodes miniatures.

La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients et l'un de ses objectifs est de disposer d'une électrode de référence dont le couple électrolyte interne et jonction liquide/liquide soit essentiellement une structure basée sur le principe de la diffusion d'ions par opposition à une structure d'écoulement d'électrolyte, de telle sorte qu'elle puisse fonctionner indépendamment de la force de gravité dans des positions variées et de telle sorte, également, que la quantité d'ions salins s'échappant de l'électrolyte interne vers l'extérieur, soit très faible, lui conférant d'une part une durée de vie maximale et lui permettant, d'-autre part, de ne pas notablement perturber le milieu de mesure, pouvant être situé dans une cavité corporelle.

Un autre objectif de l'invention est de réaliser une électrode de référence ou les effets de la pression osmotique, pouvant faire apparaître une différence de pression hydrostatique importante entre le milieu salin fortement concentré situé à l'intérieur de l'électrode et le milieu de mesure extérieur, soient notablement ou entièrement supprimés de façon, d'une part, a éliminer les contraintes mécaniques pouvant apparaître au niveau des parois de l'électrode, et d'autre part, à réduire la vitesse de diffusion des ions salins qui peut etre accrue par la présence de cette différence de pression hydrostatique.

Un autre objectif de l'invention est de fournir une électrode de référence qui soit susceptible d'être extrêmement miniaturisée et qui puisse, en conséquence, être utilisée dans des cavités ou des organes corporels.

Un autre objectif encore de l'invention est de fournir une telle électrode de référence qui soit d'un prix de revient faible et qui se prête à une fabrication industrielle de façon à pouvoir être à usage unique.

Un autre objectif encore de l'invention est de rournir une telle électrode de référence qui satisfasse aux conditions d'utilisation en milieu médical, notamment -en ce qui concerne la stérilité, la conservation avant l'usage, l'innocuité et la possibilité de fonctionner pratiquement instantanément.

L'invention a en conséquence pour objet une électrode de référence électrochimique miniature, a réservoir scellé. destinée a être utilisée dans des mesures concentrat ibn de/d'esp8ces chimiques par méthode potentiométrique, soit dans de petits volumes de solutions biologiques, soit sur ou dans des cavités corporelles contenant ces solutions, et caractérisée en ce qu'elle est constituée par la combinaison d'un gel réticulé, constituant l'électrolyte interne de l'électrode, et d'une membrane semi-perméable, constituant la jonction liquide/liquide à structure de diffusion d'ions de cette même électrode.

Ledit gel, de consistance rigide ou semi-rigide, contenant de 20 % a 99 % d'eau, se trouve en état d'équili- bre osmotique, contient un électrolyte constitué par des ions équitransférants fortement concentré ou a l'état saturé, et joue le rôle de ralentisseur de diffusion des ions de l'électrolyte interne.

Ladite membrane semi-perméable, préf érablement hydrophile, contenant un minimum de 5 a 20 % d'eau, à pores de faibles dimensions, ne dépassant pas 0,5 a 1,5 nanometre;, et possédant des propriétés anti-colmatantes vis-a-vis des particules biologiques, constitue une barrie re de diffusion complémentaire pour les ions de l'électro- lyte interne.

Ledit gel est de préférence enfermé dans un réservoir constitué d'un matériau étanche disposant, au niveau de la jonction liquide/liquide de l'électrode, d'une ouverture sur laquelle est scellée de manière étanche ladite membrane semi-perméable.

Le volume interieur de ce réservoir est entière- ment .occupE par le gel qui, se trouvant en état d'equili- bre tosmotique, permet d'éviter l'apparition d'une différence de pression hydrostatique importante entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir, pression pouvant être causée par l'existence d'une différence de pression osmQ tique entre ces deux milieux.

Cette caractéristique permet de disposer d'une électrode fonctionnant en régime de diffusion presque pur, exempte de contraintes mécaniques relatives à ces différences de pression.

La combinaison d'un gel réticulé et d'une membrane semi-perméable, permet de limiter efficacement la diffusion de ltélectrolyte interne, et de réaliser une électrode de référence miniature, à réservoir de faible volume à parois minces non soumises à des contraintes mécaniques relatives à des différences de pression hydrostatique, fonctionnant dans les milieux biologiques du fait de l'utilisation d'une jonction liquide/liquide à propriétés anticolmatantes.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et se référant au dessin annexé dans lequel la figure uniqué représente une vue en coupe schématique d'une électrode de référence selon l'invention.

Selon un mode de réalisation de cette figure, l'électrode de référence est constituée d'un corps de resérvoir 1, en matériau étanche, pouvant être constitue d'un ou de plusieurs éléments assemblés et scellés entre eux de manière étanche, pouvant être de forme quelconque et devant être chimiquement neutre vis-à-vis des solutions avec lesquelles il est en contact. Ce matériau peut être par exemple du verre.

Ce corps de réservoir est traversé, au moyen d'un scellement étanche 2, par exemple en colle époxy, par une électrode interne 3, proprement dite, pouvant typiquement être, -mais non limitée a, . une électrode à l'argent/chlorure d'argent, dont le fil d'argent 4 traverse le réservoir 1 et la jonction 2, où il est pourvu d'une perle de verre 5 pour l'adhérence avant de quitter l'elec- trode de référence en étant recouvert d'un revêtement isolant usuel 6. Aux bords de l'orifice 7, laissé libre par le corps du réservoir 1, déterminant l'emplacement de la jonction liquide/liquide de l'électrode de référence, est scellée de manière étanche une membrane semi-perméable 8, au travers de laquelle l'électrolyte interne peut diffuser.

Ce scellement de la membrane 8 au corps du réservoir 1, peut être réalisé par un joint étanche de colle 9.

Cette membrane semi-perméable 8 peut être constituée d'un matériau composite ou non, préférablement hydrophile ou partiellement hydrophile, à base d'acétate de cellulose, de nitrocellulose, de polychlorure de vinyle, de polyamide, de polyester, de polycarbonate, de polytétrafluoréthylène, etc. Son rôle est de constituer une barrière de diffusion pour les ions de l'électrolyte interne, et de constituer une jonction liquide/liquide de l'électrode de référence fonctionnant par diffusion d'ions et non par écoulement d'électrolyte. Ladite membrane doit contenir un minimum de 5 à 20 % d'eau, ainsi que des pores de faibles dimensions dont la valeur d'arrêt du poids moléculaire soit située entre 300 et 10 000.

I1 est rappelé qu'une barrière de diffusion ne diminue pas nécessairement la mobilité des ions. Elle ne laisse diffuser qu'une faible partie d'entre eux.

Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, il a été réalisé une membrane 8 en diacétate de cellulose de 30 microns d'épaisseur obtenue å partir d'une solution contenant 20 % de diacétate de cellulose,70 % d'acétone et 10 % d'eau, par un procédé d'évaporation à sec.

Le collage de la membrane a été réalisé à l'aide d'une colle élastomère a base de polyisobutylène (vendue sous lå référence E 826 par la société américaine 3M Company).

Le volume formé par le corps 1 et la membrane 8 est totalement occupé par un gel réticulé 10 en équilibre de pression osmotique, contenant une proportion de 20% à 99 % d'eau et un électrolyte comportant des ions équi- transférantsen forte concentration, préférablement à l'état saturé, tel que, typiquement, du chlorure de potassium.

Ce gel 10, constituant l'électrolyte interne de l'électrode de référence, fonctionne comme ralentisseur de diffusion d'ions.

On rappelle qu'un gel réticulé contient des chemins de diffusion s'apparentant à des labyrinthes, expliquant le mécanisme de ralentissement des ions.

Lorsque l'on met un sel concentré dans un gel, son activité décroît, ce qui a pour effet de réduire la différence de pression hydrostatique liée à la pression osmotique entre le milieu intérieur et extérieur du gel.

Un gel réticulé, en état d'équilibre osmotique, est un gel où l'attraction de l'eau attirée par la forte concentration de sel est équilibrée par l'effet de la contre-réaction des liaisons moléculaires qui contrebalancent la pression de l'eau.

On Peut citer, comme exemple de ael utile à . d9arpse ou ~ - - - - - lXlnvention, / Iwalcool polyvinylique, se réticulant par traitement thermique, ainsi que d'autres gels non réticulés, associés à des monomères réticulants, tels que par exemple le polyacrylamide associé à du méthacrylate de méthyle, la réticulation étant obtenue thermiquement ou par photo-irradiation.

Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, le gel a été constitué d'une solution à 3 ss d'agarose dans de l'eau saturée au chlorure de potassium et au chlorure d'argent, portée à une température de 90"C.

Une telle électrode de référence, disposant d'un volume de gel de quelques mm 3 et d'une jonction liquide/liquide d'une surface de 2 mm2 ,a démontré une durée de vie supérieure a un mois, une stabilité sur 12 heures inférieure à t 300 microvolts, un temps de réponse inférieur à la minute pour une stabilisation à 100 microvolts près, une variation du potentiel de jonction inférieure à 500 microvolts lorsqu'e-lle est alternativement plongée dans deux électrolytes, l'un contenant une solution de KC1 saturé, l'autre du KCI à concentration 10-2 molaire.

L'invention peut bien -entendu faire l'objet de nombreuses variantes tant au niveau des matières utilisées qu'au niveau de la forme de l'électrode. Ainsi, par exemple, au lieu de prévoir un réservoir tel que le réservoir 1, on pourrait déposer une masse de gel 10 autour de l'électrode proprement dite 3, puis entourer cette masse d'une membrane semi-perméable continue en plongeant la masse dans une solution convenable, l'étanchéité au niveau de la sortie du fil étant parachevée par enduction d'une colle.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Electrode de référence électrochimique miniature, à réservoir scellé, destinée à être utilisée dans des mesures de concentration d'espèces chimiques par méthode potentiométrique, caractérisée en ce qu'elle est constituée par la combinaison d'un gel réticulé (10), constituant l'électrolyte interne de l'électrode, et d'une membrane semi-perméable (8) constituant une jonction liquide/liquide à structure de diffusion d'ions.

2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gel, rigide ou semi-rigide, contient 20 à 99 % d'eau, se trouve en état d'équilibre osmotique et contient un électrolyte comportant des ions équitransférants fortement concentré ou à l'état saturé.

3. Electrode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le gel (10) comporte de l'agarose ou de l'alcool polyvinylique, réticulés par traitement thermique.

4. Electrode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le gel (10) est constitué d'un gel non réticulé associé à des monomères réticulants.

5. Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la membrane semiperméable est une membrane hydrophile.

6. Electrode selon la revendication 5, caractérisée en ce que la membrane comporte de 5 à 20 % d'eau au minimum.

7. Electrode selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des pores de dimensions inférieures à 0,5 à 1,5 nanomètre.

8. Electrode selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite membrane semi-perméable (8) est réalisée à base de diacétate de cellulose.

9. Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la membrane semiperméable est réalisée à base d'un composé choisi dans le groupe formé par : acétate de cellulose, nitrocellulose, polychlorure de vinyle, polyamide, polyester, polycarbonate, polytétrafluoréthyl8ne;

10. Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une électrode proprement dite (9) à l'argent/chlorure d'argent.

11. Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un réservoir (1) présentant un orifice (7) obturé par la membrane (8), laquelle est scellée contre le réservoir par collage.