Amperometri

Amperometri er en elektrokjemisk prosess, der prinsippet bygger på at elektrisk strøm i en elektrolytisk elektrokjemisk celle kan måles gitt at det er en kontrollert potensiell forskjell mellom en referanseelektrode og en "working" elektrode.

Ved bruk av elektroder, også kalt amperometriske sensorer, kan man måle en analytt ved en kontant elektrisk strøm, og relatere avlest strøm med konsentrasjonen til analytten. Strømmen som passerer i gjennom en analytt ved et konstant potensiale vil være i proporsjonalitet med konsentrasjonen.

En av de mest vanlige sensorene i forbindelse med klinisk laboratoriearbeid er Clark oksygen sensoren, som vist i figur 1. Den benyttes til blant annet å måle oksygen i flere løsninger, og i klinisk laboratoriearbeid vil den kunne benyttes til å måle oksygen i blod.



Clark oksygen sensoren består av en katode platinaskive som fungerer som «working» elektrode. Selve katoden ligger godt beskyttet og islolert i en sentralt plassert sylinder. Rundt sylinderen ligger en ny sylinder som inneholder en bufret løsning av KCl.

Rundt nedre del av sylinderen ligger anoden (1), en o-ring av sølv, som også sørger for at den tynn oksygen-gjennomtrengelig membran av teflon eller polyetylen holdes på plass. Avstanden mellom membranen og sylinderen er ca. 10 µm.

Anodisk reaksjon: Ag (s) + Cl- ↔ AgCl (s) + e- (1)

For kliniske analyser av oksygen i blod, vil oksygensensoren benyttes ved at den senkes ned i analyttløsningen, der oksygenet vil diffundere gjennom membranen og inn i det tynne laget av elektrolytter som ligger i direkte kontakt med katodeskiven. Deretter vil oksygenet diffundere til elektroden, og reduseres til vann (2). Dette innebærer dermed to diffusjonsprosesser; der den første er gjennom membranen, og den andre gjennom løsningen mellom membranen og elektrodens overflate.

Katodisk reaksjon: O2 + 4H+ + 4e- ↔ 2H2O (2)

For å oppnå en stabil tilstand innenfor en passende tid, standardisert til å være 10-20 sekunder, må tykkelsen på membranen og elektrolyttfilmen være 20 µm eller mindre. Med de rette forholdene vil den stabile strømmen bli bestemt av selve hastigheten til oksygenmolekylene i deres søken etter likevekt over membranen. Det vil si at det er graden av likevekta av antallet oksygenmolekyler som går i gjennom membranen som gir et mål konsentrasjonen av oppløst oksygen i løsningen. Hastigheten er i direkte proporsjonalitet med oksygenkonsentrasjonen i løsningen som måles.

Det finnes flere amperometriske sensorer. Ett eksempel er en glukosesensor som også er mye brukt i kliniske laboratorier, og som har en lignende konstruksjon som Clark oksygen sensoren. Hovedforskjellen er at membranen ved glukosesensoren har tre lag, der det ytterste laget er laget slik at det er permeabelt for kun glukose, og ingen andre proteiner og innholdsstoffer i blod. Det midtre laget har enzymet glukose-oxidase, og det innerste laget består av cellulose-acetat som som er permeabel for små molekyler som hydrogenperoksid (H2O2 ). Ved måling av glukose i en løsning, vil glukosemolekylene diffundere gjennom den ytre membranen og komme i kontakt med enzymet glukose oksidase som fører til en katalytisk reaksjon (3).

(3)

Hydrogenperoxid (H2O2 ) vil diffundere gjennom det innerste laget, der det kommer i kontakt med selve overflaten på elektroden, som fører til at det oksideres til oksygen (4).

H2O2 + 2OH- ⟶ O2 + H2O + 2e- (4)

Avlest strøm er i direkte proporsjonalitet med glukosekonsentrasjonen i løsningen som måles.

Det finnes også andre sensorer som er basert på amperometrisk måling av hydrogenperoxid som produkt av enzymreaksjoner, som sukrose, laktose, etanol og L-laktat. Alle disse analysene vil være aktuelle innen klinisk laboratoriearbeid.

Referanser:

1) Skoog, West, Holler, Crouch: “Fundamentals of Analytical Chemistry”, 8.ed.Thomsen, 2004 (s. 681 og 682)

2) Tietz, “Fundamentals of Clinical Chemistry”, 6. ed, 2008 (s. 84, s. 91-94)