Gasmessung Teil 1: Sauerstoff/ Kohlendioxid in Lösung

Gasmessung? Ja, das gibt`s und wenn`s nicht funktioniert, kommt der Techniker. Damit erschöpfte sich leider bis zum Facharzt mein Wissen über die Feinheiten dieses im Alltag eigentlich wichtigen Themas. Die ESA will`s etwas genauer wissen… also:

Gängige Narkosegeräte bzw. Narkosemonitorsysteme tragen Einheiten mit Messeinrichtungen für die in- und expiratorische Sauerstofffraktion (FiO2), für in- und endexpiratorisches Kohlendioxid als Partialdruck (mmHg oder kPa, meist auch graphisch als Verlauf dargestellt) und sie zeigen die gängigen Volatila (aktuell v.a. Desfluran, Sevofluran) als Volumenprozent oder relative MAC an.

Im Blut bestimmen wir Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdrücke. Meist mithilfe einer Sensorbank, die Sauerstoff, Kohlendioxid und pH gemeinsam bestimmen.  Die Spektrophotometrie zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung findet Ihr hier.

Teil 1 sind die Blutgasanalysen, Teil 2 die Atemgasanalysen.


Teil 1: BGA

O2 im Blut: Clarke-Sensor (Polarografischer Sensor)

Die Einheit besteht aus einer Edelmetallkathode (meist Platin, aber auch Gold oder Palladium) und einer Silber/ Silberchloridanode in einer gesättigten Kaliumchlorid-lösung (gel. Kaliumbromid). Das ganze ist durch eine semipermeable Teflonmembran von der Probe getrennt. Geeicht wird bei 37°C.

Nach Anlage einer Spannung im Bereich von 0,6 Volt wird der fliessende Strom gemessen.

Was passiert:

  • Anode: 4 Ag + 4 Cl -> 4 AgCl + 4 e
  • Kathode: 4 H+ + 4 e + O2 -> 2 H2O
  • gesamt: 4 Ag + 4 Cl + 4 H+ + O2 -> 4 AgCl + 2 H2O

Die Reaktion, also der Stromfluss ist angesichts der Elektroden und einer gesättigten KCl-Lösung der limitierende Faktor für den Stromfluss. Ein Stromfluss ist also nur in Anwesenheit von Sauerstoff möglich und der Stromfluss ist der Konzentration an Sauerstoff direkt proportional. Da die Konzentration wiederrum dem Partialdruck proportional ist erhalten wir als Ausgabe genau diesen in mmHg oder kPa. Eine nur für Sauerstoff permeable Teflonmembran (Polytetrafluorethylen… nur mal so) erlaubt die Isolation gegenüber anderen möglicherweise reagiblen Gasanteilen der untersuchten Probe (cave Lachgas gibt falsch hohe Werte!).


O2 im Blut: Hersch-Sensor (galvanischer Sensor oder Brennstoffzelle)

Die Kathode ist hier ein Netz aus Golddraht, die Anode besteht aus Blei. Beides liegt in einer gesättigten Lösung von Kaliumhydroxid.  Das Prinzip des sauerstoffabhängigen Stromflusses ist gleich.

  • Kathode O2 + 4 e + H2O -> 4 OH
  • Anode: Pb + 2 OH -> Pb + H2O + 2 e | *2

Spannung müssen wir nicht anlegen, der Aufbau stellt analog einer Batterie selbst eine Spannung. Entsprechend erschöpft sich die Herschzelle über die Zeit. Die typische Antwortzeit beträgt etwa 30 Sekunden. Unter Lachgasexposition entsteht am Blei Stickstoff, der zu Druckentwicklung und Funktionsverlust führt.


CO2 im Blut: Stow-Severinghaus-Sensor

Hier kommt eine gläserne pH-Elektrode zum Einsatz. Der Einsatzbereich mit linearer Abhängigkeit von pH (Eigentlicher Messparameter) und CO2 liegt zwischen 1,3 und 12 kPa (9,7-90 mmHg).

Auch hier trennt eine Teflonmembran Blut von Pufferlösung (üblicherweise HCO3, K+, Ca2+, and Li+-) mit Natriumchlorid und Silberchlorid. Kohlendioxid diffundiert frei durch diese Membran hin zu einer protonensensiblen Glasmembran (verschiedene Typen erlauben auch die Messung von Na+, K+, Ca2+, and Li+). Innerhalb dieser Elektrode liegt eine Quecksilber/ Quecksilberchlorid-Elektrode (HgCL2 heisst übrigens auch Kalomel, also Kalomelelektrode) in einer Kaliumchloridlösung.

Den Gegenpart bildet eine Silber/ Silberchloridelektrode im vorher erwähnten Hydrogencarbonat.
Letztlich misst die Elektrode also Protonen aus der Reaktion des Kohlendioxids mit Wasser:
CO + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3
Die Antwortzeit ist aufgrund der erschwerten Diffusion länger und etwa bei 2-3 Minuten. Die Genauigkeit liegt bei etwa 1 mmHg. Geeicht wird bei 37°C.
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