Medición de oxígeno por método potenciométrico

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1 Medición de oxígeno por método potenciométrico F A Niederle 1, R E Madrid y C J Felice Laboratorio de Medios e Interfases (LAMEIN), Departamento de Bioingeniería, FACET-UNT/INSIBIO-CONICET. 1 Abstract. Este trabajo presenta la evaluación de un nuevo sensor de oxígeno, similar al electrodo de Clark, pero que realiza determinaciones potenciométricas, a diferencia de las mediciones amperométricas que realiza dicho electrodo. Se encontró una correlación entre el potencial de media celda del electrodo y la concentración de oxígeno disuelto en la muestra. Se presentan mediciones preliminares de dichas determinaciones empleando dos métodos para obtener diferentes concentraciones de oxígeno, el burbujeo de aire, y el agregado de diferentes concentraciones de sulfito a la solución muestra. Se calibró el sensor frente a un oxímetro comercial. 1. Introducción La medición de oxígeno disuelto en sangre se realiza normalmente usando el electrodo de Clark [1]. El electrodo de oxígeno de Clark consiste en un electrodo activo de platino Pt y uno de referencia de Plata-Cloruro de plata (Ag-AgCl) inmersos en una solución saturada de KCl y separados de la muestra por una membrana de teflón, permeable al oxígeno, pero impermeable a los demás constituyentes de la solución externa. El método amperométrico de medición de oxígeno se basa en la reducción de la molécula de oxígeno en el cátodo de platino, que es el electrodo de trabajo (Working electrode). Dicha reacción genera iones OH - que al combinarse con el KCl generan iones Cl -. Éstos difunden y reaccionan con el ánodo (Reference Electrode) de Ag/AgCl generando los electrones necesarios para la reducción del oxígeno. La concentración de oxígeno disuelto en el agua es por lo tanto, proporcional a la corriente que circula entre los electrodos al ser aplicada una tensión en los mismos [3]. El diagrama del potencial aplicado versus corriente generada se llama Polarograma. En el mismo, se puede observar que a un potencial de -0.7V en el Working Electrode respecto del Reference Electrode, la curva presenta una saturación, cuyo valor de corriente depende de la concentración de oxígeno de la muestra. En la Figura 1, en el gráfico de la izquierda se observa el polarograma para diferentes concentraciones de oxígeno. A la derecha, se muestra la recta de calibración obtenida a partir de dicho polarograma [4].

2 Figura 1: Curvas del polarograma y la calibración Por otro lado, hay reportes en la bibliografía referidos al uso de un electrodo de oxígeno que no usa la membrana de teflón cubriendo al electrodo de sensado [5]. Dicho sensor usa un electrodo de carbón vítreo. El método consiste en aplicar dos niveles diferentes de potencial pre-establecidos, de manera cíclica. El flujo de corriente generado a un potencial negativo, es integrado luego de un pequeño retardo de tiempo, y la carga generada es proporcional a la concentración de O2. Luego, el electrodo se deja a un potencial positivo por un largo período de tiempo antes del próximo ciclo. Se usa el método de pulsado para minimizar el tiempo de reducción de oxígeno en el electrodo, puesto que el oxígeno es reducido sólo durante el pulso. Esto lo hace apto para medir la concentración de oxígeno en tejidos sin afectarlos, de hecho se prueba su efectividad usando sensores subcutáneos [4]. En este trabajo se presenta un electrodo para medir oxígeno, similar al electrodo de Clark, pero con la originalidad de hacerlo de manera potenciométrica y sin la membrana de teflón. Se midieron diferentes concentraciones de oxígeno en función del potencial a circuito abierto entre los electrodos. 2. Materiales y métodos Las mediciones electroquímicas fueron realizadas en un analizador de respuesta en frecuencia SI Solartron 1250, con una interfase electroquímica SI Solartron Fue comandado por el software CorrWare y con apoyo grafico del CorrView. Usamos una Bomba peristáltica MasterFlex para obtener soluciones con diferentes concentraciones de oxígeno. El agitador Magnético VELP se empleó para hacer el mezclado de la solución durante las mediciones. Se empleó un Oxímetro comercial Orosboros-2K con software de interfase DatLab como sistema de calibración de las mediciones. 2.1 Materiales y Reactivos Se empleó un electrodo de referencia de Ag/AgCl construido en nuestro laboratorio. El mismo consiste en un alambre de plata de 0.5mm de diámetro grado 900 sobre el que se depositó AgCl por electrodeposición, dispuesto en un tubo de vidrio con un tapón de asbesto, como se muestra en la Figura 3, que funciona como puente salino y que permite el intercambio iónico con la solución problema. Un disco de platino de 1mm de diámetro funciona como electrodo activo sumergido directamente en la solución problema. Dos soluciones de Sulfito de sodio a 0.2M y 7.7mM se usaron como soluciones con diferentes concentraciones de oxígeno. 2.2 Armado del electrodo El electrodo se armó en forma de lápiz y se implementó en un sistema como se muestra en la Figura 2.

3 Figura 2: Sistema de medición. Electrodo de Pt (Working Electrode (WE)) y electrodo de Ag/AgCl (Reference Electrode (RE)) Para realizar las mediciones se ubica el electrodo de referencia muy próximo al de platino, con ayuda de una estructura de acrílico que sostiene a ambos sumergidos en la solución a estudiar: en nuestro caso será agua corriente. El electrodo de trabajo WE es el electrodo de platino y el contra electrodo CE se une con el RE, electrodo de referencia de Ag/Ag.Cl, es decir en disposición Bipolar. 2.3 Método para variar la concentración de oxígeno. Se emplean dos métodos para obtener distintas concentraciones de oxígeno en una muestra de agua corriente. Por un lado, mediante distintas velocidades de burbujeo con la bomba peristáltica, y por otro, empleando sulfito de sodio, que es un secuestrante de oxígeno. Para conseguir dos concentraciones diferentes de oxígeno, se emplean dos concentraciones de sulfito de sodio: 0.2M y 7.7mM. Esto provoca la caída de la concentración de oxígeno en el agua permitiéndonos tener otro medio para realizar la calibración. 3. Resultados y discusión Se puede observar la dependencia de la variación de oxígeno en el agua al burbujear la misma con la bomba peristáltica, con dos intensidades diferentes. Se puede ver en la Figura 3 que al burbujear con la primera intensidad la caída del potencial se interrumpe para tomar un nivel de tensión en -0.27mV aproximadamente. Al burbujear por segunda vez, con mayor intensidad que antes, la subida es más grande y rápida. En ambos casos el potencial posterior al burbujeo es superior al potencial de estabilidad original. Al cabo de un tiempo retoma la curva original de potencial de estabilidad. Figura 3: (a) Potencial de media celda para dos burbujeos de aire de dos intensidades. El inset es una ampliación de la zona de medición.

4 Para calibrar el sensor, se mide la concentración de oxígeno del agua corriente con un oxímetro comercial y al mismo tiempo se registra con el Solartron el potencial de estabilidad del electrodo en Voltios con el mismo procedimiento. Se agregan a la muestra de agua, dos concentraciones distintas de sulfito de sodio: primero una cantidad que llevó a la solución a 7.7mM, la segunda a 0.2M. Debido a estas adiciones de sulfito, el agua pasó desde una concentración de oxígeno de 165 nmol/ml a una de 100 nmol/ml y luego a 1 nmol/ml. El potencial medido en circuito abierto partió desde mV, luego bajó a mV y por último llegó a mV respectivamente. Estos puntos, agua corriente y agua con sulfito a dos concentraciones diferentes, proporcionaron los puntos para hacer la calibración aproximada del sensor. En la Figura 4 se muestran los registros de las mediciones realizadas con Solartron cuando se agregan ambas concentraciones de sulfito. A B Figura 4: Agregado de dos concentraciones de sulfito a la solución. (A) Primer agregado (7.7 mm) y (B) Segundo agregado (0.2 M) El tiempo de respuesta es de aproximadamente 300 segundos. Una respuesta más rápida se obtuvo cuando la concentración de sulfito agregada era la máxima en un solo paso (Ver Figura 5), para lograr saturación de sulfito en la solución y lograr la menor concentración de oxígeno posible con este método. Figura 5: Registro de las mediciones de agua mezclada con sulfito hasta una concentración 0.2M en un solo paso. El agregado se hizo a los 3900 segundos. A continuación se muestra la calibración del electrodo con las 3 concentraciones de oxígeno disuelto medidas. Por un lado, la concentración en nm/ml obtenida con el oxímetro comercial y en el

5 eje de las ordenadas la tensión de estabilidad asociada en Volts, obtenida con el Solartron. La curva de calibración obtenida de los tres puntos relacionados se muestra en la Figura 6. Figura 6. Curva de Calibración del electrodo construido Al burbujear el agua con la bomba peristáltica se obtuvo un cambio en el potencial del electrodo. Al detener el burbujeo, este potencial cae nuevamente pero no a su nivel basal sino a uno mas positivo. Esto al parecer, se debe a que el burbujeo consiguió variar la concentración de oxígeno del agua y en consecuencia el potencial de estabilidad. Esta variación no dura más de 1000 segundos ya que como se puede observar, al cabo de ese tiempo el potencial de estabilidad retoma su valor basal. Las mediciones realizadas muestran una respuesta muy lenta. Al parecer este tiempo se debe básicamente a la configuración del electrodo de Ag/AgCl de vidrio, entonces se probó con otra configuración. Se obtuvieron buenos resultados usando el electrodo que disponía del electrodo de referencia incorporado, un disco de Ag/AgCl de 5mm de diámetro al lado del electrodo de Pt como se muestra en la Figura 7. Este sistema fue usado sin la membrana de teflón y por lo tanto la solución usada fue KCl 3M para mantener la función del electrodo de referencia. La ventaja de este método es que el tiempo de respuesta es mucho menor: véase el tiempo de estabilidad de la medición en KCl 3M en la Figura 8A. Figura 7: Esquema del nuevo sensor construido Dicha opción permite medir lo mismo pero en un tiempo mucho menor, permitiendo entonces deducir que la lentitud de las mediciones obtenidas con el sistema anterior se debería a la configuración del electrodo de referencia. En la Figura 8 B se muestra la reacción del electrodo cuando se hace variar la concertación de oxígeno de la solución al burbujear aire con la bomba.

6 Figura 8. Respuesta del electrodo de la Figura 7. (A) Estabilidad del potencial de media celda. (B) Respuesta del mismo cuando se burbujea aire a los 300 y 450 segundos. Esta configuración se empleó para verificar la respuesta del sensor y demuestra el funcionamiento del sistema potenciométrico. Sin embargo, no resultaría práctica para la medición directa de muestras, como sangre por ejemplo, ya que emplea el electrodo de Ag/AgCl desnudo. Sin embargo, es común hoy en día el uso de este tipo de electrodos de referencia directamente sobre la muestra. Se presentan en este trabajo la prueba de concepto del funcionamiento del sensor de oxígeno por mediciones potenciométricas, proponiendo a futuro la comprobación con muestras reales. Por otro lado, en caso de emplear el electrodo de referencia con la carcaza de vidrio, se podría optimizar la lenta respuesta empleando otro tipo de electrodo de referencia y/o cambiando la configuración del mismo. 4. Conclusión Este trabajo presenta un nuevo método para medir concertación de oxígeno disuelto, usando el principio del electrodo de Clark, pero realizando mediciones potenciométricas. El método resulta una ventaja a la hora de medir en sistemas en los que no podemos, por razones de seguridad, hacer circular una corriente. El tiempo de respuesta es elevado y su sensibilidad menor en comparación al método amperométrico, pero se podría optimizar modificando el electrodo de referencia usado. Agradecimientos Los autores agradecen a CIUNT por el apoyo económico. Agradecen también a la Dra. Luisa Rodríguez por facilitar el oxímetro para la calibración y a la Dra. Carmen Mayorga por su apoyo experimental. Referencias [1] L.C. Clark, Jr., Monitoring and control of blood and tissue oxygen tensions 1956, Trans. Am. Soc. Art. Internal Organs, Vol. 2, [2] L.C. Clark, The electrochemical device for chemical analysis 1959, United States Patent Specification, No. 2,913,386, 1-8. [3] John Kanwisher, Polarographic oxygen electrode 1959, Woods hole oceanographic institute, Vol. 4,

7 [4] Webster J, Chemical Biosensors 1992, Medical Instrumentation. Eds. Hougthon Miffling Company,Vol.1, [5] W. Preidel, J.R. Rao, K. Mund, O. Schunck and E. David, A new principle for an electrochemical oxygen sensor 1992, Proc. BIOSensors 92, Vol.00,1-4. [6] L.C. Clark and C. Lyons, Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery 1962, Ann. NY Acad. Sci., Vol. 102, 29.

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