2.1. Электроды сравнения

Потенциал измерительного электрода определить очень сложно. Поэтому измеряют разность потенциалов между измерительным электродом и электродом сравнения, потенциал которого постоянен. Обычно в качестве электродов сравнения выбирают электроды, потенциалы которых стабильны во времени, хорошо воспроизводимы, несложны в изготовлении, а протекающие на них электрохимические процессы высокообратимы. Большая часть электродов сравнения относится к электродам второго рода. Электроды второго рода представляют собой полуэлементы из металла, покрытого слоем его малорастворимого соединения (хлорида, оксида или гидрооксида), погруженного в раствор хорошо растворимой соли другого металла, содержащей тот же анион, что и у малорастворимого соединения электродного металла [Скорчеллети В.В., 1974г., Ротинян А.Л., с авторами, 1981г.].

Такие электроды обратимы не только к катионам металла (Ag⁺, Hg⁺ и т.д.), но и к общему аниону (например, Cl^-) солей.

Важнейшими из электродов второго рода являются хлорсеребряный, ртутнокаломельный, оксиднортутный, ртутносульфатный. Только каломельный и хлорсеребряный электроды сравнения нашли применение в конструкциях рН-датчиков для измерения внутрижелудочной кислотности.

Ртутнокаломельный электрод сравнения представляет собой ртутный электрод, находящийся в контакте с раствором, содержащим ртутистые катионы и ионы хлора, например, с раствором хлорида калия, насыщенным каломелью. Каломель, то есть хлорид ртути (Hg₂Cl₂), имеет относительно малую растворимость в воде: при 20°С – 0,0002 г в 100 граммах воды; при 43°С ~ 0,001 г. Поэтому в конструкциях ртутно-каломельных электродов сравнения использовали насыщенный каломелью раствор хлористого калия в присутствии избытка твердой каломели.

Для ртутнокаломельных электродов сравнения, применяемых в рН-датчиках для измерения внутрижелудочной кислотности, обычно применяли насыщенный раствор хлористого калия в присутствии избытка твердого хлорида калия. Преимуществом насыщенного раствора является то, что, с одной стороны, он обеспечивает постоянство концентрации ионов хлора, а следовательно, и ионов ртути при избытке твердой соли, а с другой стороны, диффузионный потенциал на границе насыщенный раствор хлорида калия – исследуемый раствор меньше, чем при использовании растворов хлорида калия меньшей концентрации (табл.4).

Таблица 4. Диффузионные потенциалы на границе раствора хлористого калия с раствором соляной кислоты при 25°С [Бейтс Р., 1972 г.]

Электродная реакция сводится к восстановлению каломели до металлической ртути и аниона хлора.

Hg₂Cl₂ + 2 e → 2 Hg + 2 Cl¯

Стандартный потенциал ртутнокаломельного электрода равен 0,26804 и 0,26390 В соответственно при температуре 26 и 37°С (Бейтс Р., 1972г.).

Потенциал ртутнокаломельного электрода зависит от активности ионов хлора (а_Cl ^-) и определяется по формуле:

φ = φ₀ - 2,3 RT/F lg а_Cl- ,

где 2,3·RT/F – коэффициент Нерста, равный 0,05916 и 0,06134 соответственно при 25 и 37°С.

Обычно при расчетах за коэффициент активности ионов хлора принимают средний коэффициент активности (γ) хлористого калия. Для насыщенного раствора KCl (4,80 m при 25°С) активность ионов хлора:

а_Cl- = m γ = 4,8 · 0,583 = 2,7984,

где m – молярная весовая концентрация

Поэтому потенциал насыщенного ртутнокаломельного электрода будет равен при 37°С:

φ=0,2639-0,06134·lg 2,7984=0,2365 В.

Обычно сам электрод сравнения выполнен в виде трубки из диэлектрика (стекла, керамики, пластмассы), в дне которой герметично закреплен кусочек платиновой проволоки. В трубку наливали чистую ртуть, чтобы покрыть кончик платиновой проволоки. Затем слой ртути покрывали слоем пасты, приготовленной из каломели, тщательно растертой со ртутью и хлористым калием. Затем на слой этой пасты помещали несколько кристаллов хлористого калия и оставшуюся полость трубки заполняли кусочками асбеста или бумаги [Линар Е.Ю., 1968г.], пропитанных насыщенным раствором хлорида калия.

Трубку, внутри которой находился ртутнокаломельный электрод, изготовливали из стекла или керамики, и закрепляли ее внутри пластмассового (рис. 5а) или керамического (рис. 5б) корпуса диаметром около 7 мм. В керамическом корпусе имелась полость, в которой находились кристаллы хлористого калия, а в процессе измерения рН – насыщенный раствор хлористого калия. В дне такого корпуса было сквозное отверстие (рис. 5б), обеспечивающее электролитический контакт ртутно-каломельного электрода с исследуемой в желудке средой [Новоселец С.А., 1999г.].

Схемы конструкций ртутнокаломельного электрода сравнения во внутрижелудочных датчиках кислотности показаны на рис.8.

Рис. 8 Конструкции ртутнокаломельных электродов сравнения:

а) 1 – вывод из платины; 2 – ртуть; 3 – корпус из полистирола; 4 – асбест, пропитанный насыщенным раствором КСl; 5 – кристаллы КСl; 6 – паста из каломели, ртути и КСl; 7 – сурьма; 8 – проводники;

б) 1 – вывод из платины; 2 – ртуть; 3- паста из каломели, ртути и КСl; 4 – кристаллы КСl; 5 – асбест; 6 – отверстие; 7 – корпус из керамики; 8 – раствор КСl; 9 – клей; 10 – основание корпуса; 11 – сурьмяное кольцо; 12 – проводники; 13 – втулка керамическая;

в) 1 – вывод; 2 – ртуть; 3- паста из каломели, ртути и КСl; 4 – раствор КСl; 5 – отверстие; 6 – корпус из керамики; 7 – основание корпуса; 8 – кольцо из сурьмы; 9 – клей; 10 – проводники.

В 1994г. Новоселец С.А. с соавторами разработали для обследования детей конструкцию рН-зонда с ртутнокаломельным электродом сравнения (рис.8в), размещенным непосредственно внутри керамической капсулы (корпуса) с наружным диаметром около 4 мм. То есть ртуть и каломель с кристаллами хлористого калия находились в полости этой капсулы, в дне которой выполнено сквозное отверстие. Такой корпус данного ртутнокаломельного электрода не был герметичным.

В ХХ веке указанный ртутнокаломельный внутриполостной электрод сравнения широко использовался в нашей стране в конструкциях внутрижелудочных рН-зондов. Практически все разработчики конструкций таких рН-зондов обосновывали свой выбор ртутнокаломельного электрода сравнения ссылкой на работу Кертиса Г., опубликованную в 1956г. Так они отмечали, что ртутнокаломельный электрод лучше хлорсеребряного потому, что он обладает постоянным и воспроизводимым потенциалом, если только при изготовлении ртутнокаломельного электрода соблюдены все необходимые меры предосторожности. Вот и все обоснование.

Хотя из самых общих соображений у ртутнокаломельного электрода сравнения были и очень серьезные недостатки, на которые им необходимо было обратить внимание при оценке возможности его использования в конструкциях внутрижелудочных рН-зондов для обследования человека.

Из общедоступных справочников известно, что главным недостатком ртутнокаломельного электрода, является то, что его основные компоненты: ртуть и каломель относятся к очень ядовитым веществам. Они отличаются высокой токсичностью для любых форм жизни. Основной мерой предосторожности при работе с изделиями, содержащими ртуть и ее соединения, является исключение попадания ртути в организм человека через дыхательные пути и поверхность слизистой рта, желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) или кожи.

Появление паров ртути возможно в помещениях, в которых хранилисься ртутьсодержащие рН-датчики (рН-зонды и т.д.) и проводились исследования внутрижелудочной кислотности. Известно, что максимально возможная концентрация паров ртути в воздухе при 20°С может достигать 15,2 мГ/м³ при ПДК (предельно допустимой концентрации) ртути в воздухе 0,0003 мГ/м³. Даже при концентрации паров ртути 0,005 мГ/м³ уже через 3 месяца снижается мышечная работоспособность и наблюдается патология в печени, почках и т.д.

Особенно чувствительны к ртутному яду дети. В конструкциях каломельных электродов, применявшихся для детских внутрижелудочных рН-зондов, ртуть находится в непосредственной близости к отверстию в дне корпуса ртутнокаломельного электрода сравнения (рис. 5).

Известно, что недостатком ртутнокаломельного электрода сравнения [Линар Е.Ю. 1968г., Панцырев Ю.М. со авторами 1972г. и др.] является соскальзывание ртути с кончика платиновой проволоки и смешивание ее с наполнителем ртутнокаломельного электрода. Очевидно, что при изучении кислотности в верхних отделах ЖКТ человека, который при обследовании в основном сидит, ртутнокаломельный электрод рН-зонда направлен своим торцем с отверстием вниз. Следовательно, полость с кристаллами хлористого калия находилась ниже слоев ртути и каломели, поэтому частицы ртути и каломели, имеющих значительно большую плотность (соответственно 13,55 и 7,15 г/м³), чем плотность насыщенного раствора хлорида калия, могли опускаться на дно корпуса электрода.

Нами был проведен визуальный осмотр содержимого, находящегося в полости ртутнокаломельного электрода сравнения диаметром 7 мм (рис. 5б) рН-зондов базовой конструкции [Новоселец С.А., 1999г.], находившихся в эксплуатации в течение нескольких месяцев и после эксплуатации в течение года.

После снятия керамического колпака с отверстием диаметром 0,1 мм с керамического корпуса ртутнокаломельного электрода на дне полости колпака была обнаружена порошкообразная смесь каломели со ртутью. В этой смеси было много шариков ртути диаметром 0,2÷0,5 мм и менее. Следовательно, при эксплуатации паста каломели со ртутью и ртуть выпали из внутреннего отверстия основания корпуса электрода (рис. 5б) и попали на дно колпака. Причиной этого могли быть также: резкие движения концом зонда, удары, циклы «размачивания» электрода сравнения с последующим высыханием между обследованиями.

Очевидно, что данные Линаром Е.Ю. в 1968 году и Панцыревым Ю.М. с соавторами в 1972г рекомендации о необходимости хранения рН-зонда ртутнокаломельным электродом вниз или вверх при температуре 10-25°C и относительной влажности не ниже 80% реально не могли исправить основные недостатки этих зондов даже, если бы в указанных рекомендациях были следующие пункты: рН-зонды с ртутнокаломельным электродом в негерметичном корпусе должны храниться в вытяжных шкафах и эксплуатироваться при температуре не выше 18°C; они также подлежат утилизации и уничтожению после эксплуатации.

При хранении таких рН-зондов после высыхания полости каломельного электрода происходило проникновение паров ртути в помещение через отверстие в корпусе этого электрода.

Попадание ртути в организм человека могло происходить и в случае, если каломельный электрод находится в ЖКТ. Отверстие диаметром около 0,1 мм в корпусе ртутнокаломельного электрода может препятствовать попаданию в ЖКТ частиц металлической ртути или каломели размером более 0,1 мм, но легко пропускает ионы ртути. Растворимость ртути в воде составляет около 0,06 мГ/л при ПДК ртути в воде 0,0005 мГ/л. ПДК каломели (в пересчете на ртуть) составляет 0,0005 мГ/л, а реальная концентрация каломели в воде на порядки выше (несколько мГ на литр).

Учитывая то, что ртутнокаломельный электрод содержал достаточно большое количество жидкой ртути и твердой каломели, попадание ионов ртути из насыщенного каломелью раствора хлорида калия в желудок человека могло происходить на протяжении всего срока эксплуатации каломельного электрода сравнения в составе рН-датчика. Это обусловлено, в частности, тем, что диффузия ионов через жидкостную границу между исследуемым раствором в ЖКТ человека и соединительным раствором в ртутнокаломельном электроде протекает в обоих направлениях.

Только из-за приведенных выше факторов опасности для человека ртутнокаломельный электрод сравнения нельзя было применять, по-нашему мнению, в конструкциях внутрижелудочных рН-зондов. Согласно «Санитарных правил…», утвержденных 6 марта 1969г., проведение работ, связанных с применением приборов с ртутным заполнением, допускалось с разрешения органов санитарного надзора лишь в тех случаях, когда технологически не представляется еще возможным замена их не содержащими ртуть приборами.

А такая возможность у разработчиков рН-зондов с внутрижелудочным ртутнокаломельным электродом была. Это применение хлорсеребряных электродов сравнения.

В настоящее время ртутнокаломельные электроды сравнения в конструкциях отечественных рН-зондов не используются.

Хлорсеребряный электрод сравнения состоит из серебряного электрода, хлористого серебра и раствора, содержащего анионы хлора, например, водного раствора хлористого калия. Он функционирует согласно реакции:

AgCl + е → Ag + Cl¯

Неизменность этой реакции доказана в растворах, рН которых лежат в пределах от 0 до 13 [Бейтс Р., 1972г.]. Хлорсеребряный электрод имеет потенциал, зависящий от концентрации ионов хлора в растворе, в который электрод погружен, так как она определяет растворимость хлористого серебра и, следовательно, концентрацию катионов серебра. Величины стандартного потенциала хлорсеребряного электрода приведены в таблице 5.

Таблица 5. Стандартный потенциал (φ₀) хлорсеребряного электрода

Потенциал хлорсеребряного электрода в насыщенном растворе KCl при 37°С равен:

φ=0,215-0,061·lgа_Cl-=0,215-0,061· lg(4,8·0,583)=0,188 В.

Потенциал хлорсеребряного электрода в нормальном (1н.) растворе KCl будет составлять при 37°С:

φ=0,215-0,061·lg (1,154·0,6)=0,225 В.

Величина потенциала насыщенного хлорсеребряного электрода в децинормальном растворе HCl составляет около 0,199 В (Бейтс Р.,1972г.). В эту величину входит и диффузионный потенциал соединения между насыщенным KCl и раствором соляной кислоты (0,1М). То есть реальный потенциал хлорсеребряного электрода в сильнокислой среде может отличаться от потенциала последнего в растворе KCl на величину диффузионного потенциала между электродом и исследуемой средой.

Хлорсеребряный электрод характеризуется постоянным устойчивым и воспроизводимым потенциалом в интервале температур 0 - 95°С, полностью безопасен и довольно прост в изготовлении (Бейтс Р., 1972г.).

Наиболее простым по конструкции и технологии изготовления является хлорсеребряный электрод, состоящий из серебра, находящегося в контакте с пастой на основе хлористого серебра и хлорида калия (или хлорида натрия). Так, Белоусов А.С. и Ястреб Н.И. в 1972г описали конструкцию такого хлорсеребряного электрода, использованного в рН-датчике внутрижелудочной радиокапсулы. Хлорсеребряный электрод представлял собой стаканчик из листового серебра, заполненный пастой из равных частей хлористого серебра и хлористого натрия.

Более сложными в технологическом плане являются электролитический и термический способы изготовления. Конструкция и технология изготовления таких электродов достаточно подробно описаны различными авторами [Бейтс, 1972г., и другие]. Электролитический способ изготовления хлорсеребряного электрода заключается в создании на рабочей части серебряных элементов, изготовленных, например, из проволоки диаметром 0,5 мм, слоя хлористого серебра путем анодного электролиза в 1 М растворе соляной кислоты в течение 30 - 45 минут.

В процессе электролиза серебряные элементы являются анодом, а катодом служит платиновая спираль. Слой хлористого серебра должен быть достаточно толстым, а в противном случае равновесие на электроде будет устанавливаться медленно. Для обеспечения достаточно прочного сцепления сплошного слоя хлорида серебра с рабочей поверхность серебряного элемента необходимо создать на ней неровности (царапины, выступы и т.д.).

Указанную технологию изготовления хлорсеребряных электродов элктролизом мы применяли при изготовлении электродов сравнения в корпусах с наружным диаметром не более 3÷4 мм (рис. 9).

Такие хлорсеребряные электроды сравнения для рн-зондов были впервые созданы в нашей стране в 1990-91г.г. группой сотрудников ГНПП «Исток» (г. Фрязино, Московская область) в составе Матафоновой Л.Ф., Цыкина А.В., Яковлева Г.А., собранной по инициативе Калюжного В.Н., и успешно применены в конструкциях первых в Российской Федерации и полностью безопасных для человека рН-зондов в качестве внутриполостного электрода сравнения, закрепленного на рабочем конце рН-зонда. Конструкция этих внутрижелудочных хлорсеребряных электродов сравнения защищена патентом РФ № 2008035 с приоритетом от 12.02.91г.

Как видно из рисунка 9 а, корпус этих электродов был составной – пластикокерамический. Хлорсеребряный элемент (Ag/AgCl) закрепляется в пластиковом основании (втулке), с которым герметично был соединен полимерным клеем керамический колпак с отверстием. Полость керамического колпака заполняется мелкозернистым порошком хлористого калия. Перед измерением внутрижелудочной кислотности керамический колпак погружали в насыщенный раствор хлористого калия, который проникал через капиллярное отверстие внутрь колпака, образовывая при этом насыщенный раствор хлористого калия с избытком его твердых кристаллов.

Рис. 9 Конструкции внутриполостных хлорсеребряных электродов сравнения с одним (а) и двумя электролитическими ключами (б)

а) 1 – проводник; 2 – основание корпуса; 3 – Ag/AgСl электрод; 4 – кристаллы КСl; 5 – керамический колпак с отверстием 6;

б) 1 – проводник; 2 – основание корпуса; 3 – Ag/AgСl электрод; 4 – кристаллы КСl; 5 – керамический колпак с отверстием 6; 7 – полимерная трубка.

Понятно, что при длительной (до года и более) многократной эксплуатации такого электрода, особенно в случаях длительных (до 24ч) циклов измерения кислотности и циклов обработки (длительностью до 6 часов) в жидких дезинфицирующих средствах на основе воды, концентрация хлористого калия в водном насыщенном растворе электрода сравнения может уменьшаться, в частности, за счет вымывания (вытяжки) хлористого калия из керамического корпуса электрода. Это будет приводить к росту потенциала электрода сравнения (см. табл. 4), а, следовательно, к изменению (увеличению) электродвижущей силы (ЭДС) рН-датчика.

С целью предотвращении этого явления нами была разработана конструкция электрода сравнения с двумя последовательно соединенными отрезком полимерной трубки керамическими колпаками (рис.9 б). В полости первого колпака размещен хлорсеребряный элемент вместе с кристаллами хлористого калия, а вторая полость, образованная вторым колпаком и отрезком полимерной трубки, заполнена кристаллами хлористого калия и защищает первую основную рабочую полость хлорсеребряного электрода от «вымывания» хлористого калия. Второй колпак может быть съемным, а при эксплуатации в него по мере необходимости может добавляться хлористый калий. Эти конструкции внутрижелудочных электродов сравнения защищены патентами РФ [Яковлев Г.А. рН-зонд. Патенты РФ №2115444; РФ №2063250].

Одна из разновидностей термического типа хлорсеребряных электродов представляет собой смесь серебра и хлорида серебра, образованную, например, термической диссоциацией пасты, нанесенной на платину (Бейтс Р., 1972г.). Паста может, например, состоять из смеси окисла серебра (Ag₂О) и хлората серебра (AgClО₃) или смеси окисла серебра и хлорида серебра (AgCl). В первом случае нагрева до 400°С и выше из окиси серебра образуется серебро, а из хлората серебра, уже начиная с температуры 270°С, образуется хлорид серебра.

Нами были разработаны конструкции хлорсеребряных электродов термического типа для многократного применения и технология их изготовления. Конструкции этих электродов защищены патентами Российской Федерации [Яковлев Г.А. Электрод для снятия биопотенциала. Патент РФ №2093067; Яковлев Г.А. Хлорсеребряный электрод для снятия биопотенциала. Патент РФ № 2177714]. Рабочий конец серебряного элемента электрода размещен на дне полости керамического корпуса, плотно заполненной материалом на основе хлорида серебра (рис. 10).

Хлорсеребряный электрод в керамическом корпусе имеет наружный пластмассовый корпус тарелкообразной формы с плоским фланцем, обеспечивающий контакт с кожей человека. То есть эти хлорсеребряные электроды, изготовленные в автономном пластикокерамическом корпусе, крепятся при обследовании к коже, например, запястья человека, с помощью ремня с липкой лентой или с помощью пластыря.

Рис. 10 Конструкция накожного хлорсеребряного электрода

1 – съемная крышка; 2 – пластмассовый корпус; 3 – электродная паста; 4 - Ag/AgСl электрод; 5 – керамический корпус; 6 – проводник

Нами был также предложен и разработан способ надежного «герметичного» крепления накожного электрода сравнения к коже обследуемого, например, в подключичной области с помощью двух пластырей: двухстороннего пластыря в виде кольца и одностороннего пластыря в виде квадрата с отверстием.

Сначала фланец накожного электрода сравнения приклеивают к коже с помощью двухстороннего кольцевого пластыря, а затем окончательно закрепляют накожный электрод сравнения с частью электродного провода на коже посредством прямоугольного, одностороннего пластыря с отверстием.

Испытания такого способа крепления накожного электрода сравнения рН-зонда проведенные на кафедре детских болезней №2 РГМУ и в других клиниках показали надежность фиксации электрода сравнения в течение всего периода суточного мониторирования рН, отсутствие реакций со стороны кожи в месте крепления и, следовательно, безопасность его для пациента.

Для обеспечения надежного и длительного (до 24ч и более) электрического контакта накожного хлорсеребряного электрода с кожей человека нами была усовершенствована электродная паста, содержащая воду, хлористый калий, глицерин и другие компоненты.

Состав этой пасты защищен патентом РФ [Яковлев Г.А. Электродная паста для накожного хлорсеребряного электрода сравнения рН-зонда. Патент РФ № 2204994]. Содержание в пасте 5,5÷8,5 мас.% хлористого калия обеспечивает качественную и достаточно быструю подготовку накожного электрода к работе, необходимую электропроводность контактной прослойки между электродом и кожей человека и относительно невысокое сопротивление (не более 20-30 кОм) хлорсеребряного электрода.

Электродная паста находится в полости хлорсеребряного электрода. Для предотвращения быстрого высыхания электродной пасты электрод имеет крышку, изготовленную из непрозрачной пластмассы. Крышка защищает также хлорсеребряный электрод от действия прямых солнечных лучей.

При эксплуатации рН-зонда электродную пасту в полости накожного электрода необходимо заменять на свежую ежедневно в зависимости от режима работы.

Были проведены медицинские испытания электродной пасты на кафедре гастроэнтерологии ФУВ РГМУ (зав. кафедрой гастроэнтерологии д.м.н., профессор Яковенко Э.П.), в МОНИКИ, на базе отделения гастроэнтерологии РНЦХ РАМН и ряде других клиник. Установлено, что паста обеспечивает надежный контакт накожного хлорсеребряного электрода с кожей пациента, не оказывает раздражающей аллергической реакции на кожу пациента, не высыхает в процессе суточного обследования в случае герметичного крепления накожного электрода к коже посредством двух пластырей и легко удаляется с кожи с помощью воды.

Токсиколого-гигиенические испытания накожного хлорсеребряного электрода и пасты показали, что они нетоксичны и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к медицинским изделиям, длительно контактирующим с неповрежденной кожей.