Utveckling av metodik för mätning av pO2 i vävnad Development of ...

Rapport 187 

Utveckling av metodik för 

mätning av pO 2 i vävnad 

Development of methodology for measurement 

of oxygen partial pressure in tissue 

Examensarbete utfört av 

Karolina Lind 

1 

KAROLINSKA 

INSTITUTET 

Avdelningen för medicinsk teknik Avdelningen för medicinsk teknik 

Institutionen för Fysik 

Institutionen för medicinsk 

KTH 

laboratorievetenskap & teknik 

KI 

Stockholm 2003 

Nummer 187

Sammanfattning 

Det finns idag ett stort kliniskt behov av att kostnadseffektivt kunna mäta syrgasinnehållet i 

olika vävnader. Idag finns endast en godkänd och CE-märkt utrustning som kan mäta 

partialtrycket i vävnad. Sensorerna till denna utrustning är dyra och ganska ömtåliga. Det 

medför att denna utrustning inte används vid rutinsjukvård. I den kliniska vardagen får man 

därför förlita sig på indirekta metoder såsom mätning av regionalt blodflöde, transkutan 

syrgasmätning, mikrodialys eller mätning av hemoglobinets syremättnad i ett intilliggande 

blodkärl. 

Målet med examensarbetet har varit att vidareutveckla den metod för mätning av 

syrgastrycket i vävnad som tidigare utvecklats vid institutionen. 

Mätutrustningen består av tre elektroder med olika uppgifter: arbetselektrod, motelektrod och 

referenselektrod. Huvudkomponenten i arbetselektroden ska vara isolerad guldtråd. Tråden 

måste vara isolerad för att förhindra uppkomsten av läckströmmar. Guld har flertalet 

egenskaper som gör att det lämpar sig väl som elektrodmaterial. Det är dock väldigt svårt att 

få något att fästa vid guldytan vilket är ett problem ur isoleringssynpunkt. 

Elektroderna ska kopplas till en pO 2-monitor som använder sig av polarografisk teknik för att 

mäta pO 2 i det undersökta provet. 

Den i detta arbete utvecklade arbetselektroden är en nålelektrod med en isolerad guldtråd 

ingjuten i en injektionsnål. Guldtråden isolerades med en speciell typ av epoxi som har 

förmågan att fästa till guld. Referens- och motelektroderna bestod av kolelektroder (in vitro) 

och vanliga EKG-elektroder (in vivo). 

När mätningarna startade visade det sig tyvärr snart att det uppmätta pO 2 -värdet sjönk vid 

långtidsmätningarna in vitro. Detta var ett problem som bestod under hela projektet. Över kort 

tid var mätresultatet dock stabilt och det kunde även påvisas att de utvecklade elektroderna 

var känsliga för ändringar av pO 2 . 

2 

modifierade

Abstract 

There is today a big clinical need for a costefficient way of measuring the oxygen content in 

different tissues. Today, there is only one approved and CE-labelled equipment that can 

measure the partial pressure of oxygen in tissue. The sensors for this equipment are expensive 

and quite fragile. This brings about that this equipment is not used in routine medical care. 

Instead you have to rely on indirect methods in the clinical daily round, such as maesurements 

of the regional bloodflow, transcutan oxygenmeasurement, microdialyses or measurement of 

the oxygen saturation in an adjacent blood-vessel. 

The aim of this thesis has been to further develop the method for measuring the oxygen 

pressure in tissue that previously has been developed at the institution. 

The measuring equipment consists of three electrodes with different tasks: working electrode, 

counter electrode and reference electrode. The main component in the working electrode was 

going to be isolated gold thread. The thread has to be isolated to prevent the origin of current 

leakage. Gold has several properties that makes it well suited as electrode material. Still, it is 

very hard to attach something to the gold surface, which is a problem in an isolation point of 

view. 

The electrodes were to be connected to a pO 2-monitor which adopts a polarographic method 

for measurement of pO 2 in the examined sample. 

The working electrode that have been developed in this work is a needle electrode with an 

isolated gold thread infused in/casted into an injection needle. The gold thread was isolated 

with a special type of epoxy which has the ability to attach to gold. The reference- and 

counter electrodes consisted of ordinary EKG electrodes. 

Unfortunetaly, when the measurements started it soon became appearent that the pO 2 value 

droped in the in vitro measurements over long time. This was a problem that lasted during the 

entire project. Although, over short time the measurement result were stabil and it could also 

be shown that the electrodes that had been developed were sensitive to changes in pO 2 . 

3

Förord 

Detta examensarbete har utförts vid institutionen för medicinsk teknik, Karolinska Institutet, 

av Karolina Lind under våren och sommaren 2003 under tillsyn av Håkan Elmqvist, professor 

vid insitutionen. 

Jag skulle vilja tacka alla de på som hjälpt mig under mitt arbete; anställda på institutionen för 

medicinsk teknik (Novum) och på institutionen för kirurgisk vetenskap, anestesi lab (KS). 

Jag skulle speciellt vilja tacka: 

Jan Bergholm 

Håkan Elmqvist 

Nils Holmström 

Tommy Ribbe 

Anders Wallander 

Mats Wallin 

Malin Jonsson 

4 

handledning

Innehållsförteckning 

1 INLEDNING........................................................................................................................ 10 

1.1 PROBLEM ........................................................................................................................ 10 

1.2 UPPDRAG ........................................................................................................................ 10 

1.3 UPPDELNING.................................................................................................................... 10 

2 FYSIOLOGI ........................................................................................................................ 12 

2.1 GASUTBYTE I KROPPEN.................................................................................................... 12 

2.1.3 Partialtryck.............................................................................................................. 12 

2.1.1 Lungorna ................................................................................................................. 13 

2.1.2 Inre gasutbyte.......................................................................................................... 14 

2.2 SYRETRANSPORTEN I BLODET.......................................................................................... 14 

3 ELEKTROKEMISKA PROCESSER............................................................................... 15 

3.1 ELEKTRODREAKTIONER................................................................................................... 15 

3.2 DUBBELLAGERSKAPACITANS .......................................................................................... 16 

4 SYRGASMÄTNING........................................................................................................... 17 

4.1 BIOSENSORER.................................................................................................................. 17 

4.1.1 Elektrokemiska sensorer ......................................................................................... 17 

4.2 POLAROGRAFI ................................................................................................................. 17 

4.2.1 Clark-elektroden...................................................................................................... 19 

4.2.2 Pulsad polarografi .................................................................................................. 29 

5 ANVÄNDNINGSOMRÅDEN............................................................................................ 20 

5.1 HYPERBAR OXYGENTERAPI, HBO ................................................................................... 20 

5.2 CANCERFORSKNING......................................................................................................... 20 

5.3 HJÄRNISCEMI................................................................................................................... 21 

5.4 SÅRLÄKNINGSPROCESSES................................................................................................ 21 

6 MATERIAL OCH METODER ......................................................................................... 22 

6.1 ELEKTRODSYSTEM .......................................................................................................... 22 

6.1.1 Biokompatibla material för elektroder.................................................................... 22 

6.1.2 Temperaturberoende ............................................................................................... 23 

6.1.3 Syreförbrukning....................................................................................................... 23 

6.2 UTVECKLING AV ARBETSELEKTRODEN............................................................................ 23 

6.2.1 Guld......................................................................................................................... 23 

6.2.2 Isolering .................................................................................................................. 24 

6.2.3 Design...................................................................................................................... 26 

6.3 UTVECKLING AV REFERENSELEKTRODEN ........................................................................ 28 

6.3.1 Gelatin..................................................................................................................... 28 

6.4 PO 2-MONITOR.................................................................................................................. 30 

7.1 IN VITRO .......................................................................................................................... 33 

7.1.1 Utrustning................................................................................................................ 33 

7.2 IN VIVO............................................................................................................................ 37 

7.2.1 Utrustning................................................................................................................ 37 

7.2.2 Utförande och resultat ............................................................................................ 37 

8 DISKUSSION OCH SLUTSATSER ................................................................................. 38 

5

9 REFERENSER .................................................................................................................... 39 

BILAGA 1 Inledande försök.....................................................................................................40 

BILAGA 2 Syrekänslighet........................................................................................................41 

BILAGA 3 Försök i mätcell......................................................................................................43 

BILAGA 4 Mätningar vid Karolinska sjukhuset ...................................................... ............. 47 

a) In vivo 

b) In vitro 

BILAGA 5 Manual för framtagning av arbetselektroder.......................................................... 

6

TERMINOLOGI 

Alveol Hopar av små blåsor (lung-vesikler eller alveoler), 

vilka utgör (luft-)rörens ändar. 

Arteriellt Syresatt 

Biokompatibel Material som kroppen inte kan skilja från sitt eget. 

Kan implanteras i biologiska system, till exempel 

vävnadsimplantation, utan att orsaka omfattande 

fibros eller avstötningsreaktioner 

Biomaterial Ett material avsett att verka i en viss funktion i en 

viss biologisk miljö utan att negativt påverka den 

biologiska världen. 

Cellrespiration Inre respiration, sker i form av gasutbyte mellan 

blodet och cellerna. 

Cirkulation Sker genom hjärtat och blodkärlssystemet, varvid det 

syresatta blodet pumpas ut i det stora kretsloppets 

kapillärnät. 

Densitetsgradient Variation i densitet mellan två olika regioner i en 

lösning. 

Densitet Massan av en substans per volymenhet. För fasta 

ämnen eller vätskor uttrycks densiteten oftast i g/cm3 

eller g/ml. 

Diffusion Gasutbyte mellan luft och blod i alveolerna, som är 

omgivna lilla kretsloppets kapillärer./En spontan 

omblandning av olika substanser som sker som 

resultat av tillfälliga rörelser (diffusion) av dess 

atomära, joniska eller molekylära komponenter. 

Elektrod Benämning på de ledande kroppar mellan vilka 

elektricitetens strömning i ett ledande medium 

försiggår. 

Elektrokemisk cell En cell som utgörs av elektroder som doppats ner i en 

elektrolyt. I detta system överförs elektroner i 

kemiska reaktioner som antingen alstrar eller 

förbrukar elektrisk ström. 

Elektrolys Sönderdelning (av en sammansatt ledande, flytande 

kropp i sina beståndsdelar) vid genomledning av 

elektrisk ström. 

Elektrolyt Sammansatt ledande, flytande kropp som sönderdelas 

/ kan sönderdelas vid genomledning av elektrisk 

ström. 

7

Epoxi Lim, bindemedel i färg. En härdplast där 

molekylkedjorna är sammanlänkade med kortare 

molekylbryggor till stora tredimensionella nät. 

Nätstrukturen gör att härdplaster inte kan omformas 

utan sönderdelas kemiskt vid hög temperatur. 

Hemoglobin Det protein i blodets röda blodkroppar som fungerar 

som upptagare, transportör och avlämnare av syrgas 

mellan lungorna och kroppens olika vävnader. 

Hyperbar Med högre tryck än en atmosfär 

Icke-invasiv Ej genomträngande 

In vitro Provrörsförsök eller försök som inte görs på djur 

eller människor. 

In vivo I den levande kroppen. 

Kapillär Blodkärlssystemets finaste förgreningar. 

Membran Tunn hinna eller skiljevägg av varierande material. 

Metall Ett grundämne vars typiska egenskaper är att det är 

skinande, plastiskt formbart och en god ledare för 

elektricitet och värme. De flesta grundämnen är 

metaller. 

Oxidation Avgivande av elektroner. Medför en minskning av 

antalet negativa laddningar och därigenom en ökning 

av oxidationstalet hos den atom eller molekyl som 

blir oxiderad. 

Parenkymvävnad Ett organs specifika vävnad 

Perkutant Genom huden. 

Plasma Den vätska som blodkropparna flyter i. 

Polarografi Elektrokemisk analysmetod 

Reaktant En förening som reagerar kemiskt under bildning av 

en eller flera andra substanser (produkter). 

Reduktion Upptagande av elektroner. Medför en ökning av 

antalet negativa laddningar och därigenom en 

minskning av oxidationstalet hos den atom eller 

molekyl som blir reducerad. 

Sterilisering Göra fri från levande mikroorganismer. 

8 

det är väl inte 

rikttigt i den betydelsen man 

använder ordet?

Trakeotomi Operativt ingrepp, en form av strupsnitt, för att skapa 

fria luftvägar. 

Ventilation Luftväxling i alveolerna, sker genom bröstkorgens 

och mellangärdets pumprörelser. 

Venöst Icke syresatt. 

9

1 Inledning 

1.1 Problem 

Några av de viktigaste parametrarna som gör det möjligt för en narkosläkare eller doktor vid 

en intensivvårdavdelning att bedöma tillståndet hos en allvarligt sjuk patient är mätning och 

övervakning av syretryck. Att kunna mäta syrgastrycket lokalt i ett vävnadsparti och fastställa 

eventuella förändringar av detta, ger också viktig information om hur bland annat cirkulation 

och respiration fungerar i det aktuella området. 

Idag finns endast en godkänd och CE-märkt utrustning, Licox CMP, som kan mäta 

partialtrycket i vävnad. Sensorerna till denna utrustning är dyra och ganska ömtåliga. Det 

medför att denna utrustning inte används vid rutinsjukvård och att det därmed inte finns 

någon standardmetod för mätning av syrets partialtryck i vävnad, pO 2. [23] 

1.2 Uppdrag 

En långtidsimplantabel syrgassensor för mätning av syrgastrycket i centralvenöst blod har 

tidigare utvecklats vid institutionen av NilsHolmström, St Jude Medical[3]. Denna applikation 

har sedan vidareutvecklats för mätning av syrgastrycket i vävnad, exempelvis muskler. Detta 

examensarbete är en del av denna vidareutveckling och en fortsättning på ett tidigare 

examensarbete utfört av F Orneman och S Petterson [1]. 

( Det var tänkt att arbetet skulle baseras på den mätutrustning som utvecklats av A Wallander 

och beskrivs i examensrapporten ”PO 2-monitor” [2], men då det redan tidigare påvisats att 

denna ej gav riktigt tillförlitliga resultat utvecklades en ny mätutrustning av Håkan Elmqvist 

och Tommy Ribbe vid institutionen. Detta arbete drog ut på tiden och i början användes den 

gamla utrustningen för att utvärdera elektroderna.) 

En stor del av arbetet går ut på att tillverka riktigt stabila referens- och arbetselektroder till in 

vitro-tester med ovannämnda utrustning. 

Projektet har utförts som examensarbete för civilingenjörsexamen och blev möjligt våren 

2003 genom professor Håkan Elmqvist. Arbetet har pågått till hösten 2003. 

1.3 Uppdelning 

Detta är en tvärvetenskaplig rapport som täcker ämnesområdena teknik och medicin. 

Rapporten är indelad i två delar, en inledande medicinsk och fysiologisk del, som ger 

bakgrunden till problemet, och en avslutande problemlösningsdel. Den första delen är 

utförligt beskriven så att läsaren, oavsett vilken bakgrund denne har, ska kunna tillgodogöra 

sig rapportens innehåll. Medicinska och tekniska fackuttryck finns samlade och definierade i 

ett avsnitt före inledningen. 

Problemlösningsarbetet kan delas upp i följande delmål: 

• Utveckling av teoretisk modell för inverkan av olika felkällor, exempelvis 

referenselektrodens potentialdrift, pulsens symmetri och påverkan av temperatur. 

• Utveckling av referenselektrod. 

• Utveckling av metod för framställning av arbetselektrod. 

10 

pacemaker 

Och styrning av

• Undersökning av vilken noggrannhet och stabilitet som kan uppnås in vitro. 

• Demonstration av drift och reproducerbarhet m h a långtids in vitroförsök vid 0, 21 

och 100 % syrgasmättnad. 

• Verifiering av sensorernas funktion in vivo. 

Det slutgiltiga målet är att genomföra en klinisk utvärdering av hela apparaturen med en serie 

djurförsök samt en jämförelse med en kommersiellt tillgänglig pO 2-mätare. 

11

DEL I: BAKGRUND 

2 Fysiologi 

Syre är näst väte och helium det vanligaste grundämnet i universum. I de levande 

organismerna finns det bundet förutom i vatten främst i kolhydrater, fosfater och proteiner. En 

vuxen människa består till 65 % av syre och omsätter på ett dygn 900 g syre genom inandning 

av luft (svarande mot 630 l ren syrgas eller drygt 3 m 3 

luft av 25°C och 1 atm) och ytterligare 

ca 225 g genom födan. Kroppens celler använder syret när de oxiderar näringsämnen och 

därmed utvinner energi, varvid det bildas koldioxid och vatten. Då kroppen har ett obetydligt 

förråd av syre måste ständig tillförsel ske genom lungorna för vidare transport till vävnaderna 

för att motsvara förbrukningen. [22] 

2.1 Gasutbyte i kroppen 

När man talar om andning menar man ofta den yttre andningen, dvs. att luft passerar genom 

andningsorganen. Den inre andningen, cellandningen, sker i cellens mitokondrier och 

förbränner syremolekyler till koldioxid, vatten och energi i form av ATP. Gasutbytet sker 

genom diffusion direkt genom cellmembranen. [21] 

2.1.3 Partialtryck 

Det totala trycket i en gasblandning är lika med summan av de ingående gasernas tryck. 

Trycket för varje enskild gas kallas för gasens partialtryck. Luften är en gasblandning som 

framför allt innehåller kväve och syre. Gasutbytet mellan luften och blodet beror på att t ex 

syre diffunderar från lungalveolerna till blodet, eftersom dess partialtryck är större i 

alveolarluften än i blodet. 

Begreppet partialtryck kan även användas i de fall gaserna är lösta i t ex vatten, se fig 1. 

Vanlig luft innehåller ca 21 % syre. När luften kommer i kontakt med vatten kommer syret att 

lösa sig i vattnet. Mängden syre som en viss mängd vatten kan innehålla är beroende av flera 

faktorer som t ex vattnets temperatur, lufttrycket, salthalten i vattnet eller om det finns ämnen 

i vattnet som konsumerar syret. När andra ämnen, som olika salter, är lösta i vattnet, finns 

mindre plast för syre att lösas – syre är mindre lösligt än de flesta salter. För att full 

syremättnad ska kunna uppstå krävs också omrörning av vattnet och tillräckligt med tid. [14] 

[15] [12] 

Från start: Syret löser sig i vattnet Vid jämvikt är pO2 lika i 

Inget O 2 finns i lösningen luften och vattnet 

Figur 1 Hur man hanterar gaser i lösning 

Henry´s lag: Gasens konc. i lösning = gasens partialtryck gånger lösningskoefficienten 

Alltså [O 2 ] i mol/L: [O 2 ] = Po 2 * So 2 

12

2.1.1 Lungorna 

Lungorna är luftfyllda håligheter i kroppen, genom vilka luft 

pumpas för att medge gasutbyte. Människans lungor är 

uppbyggda kring luftrören, bronkerna, vilka grenar sig från 

luftstrupen, trakea. Hos människan har bronkträdet ett 

tjugotal greningsställen från luftstrupen ut till lungblåsorna, 

alveolerna,se fig 2. Utbytet av syre och koldioxid mellan 

alveolarluften och blodet i lungkapillärerne sker genom 

diffusion. Följande fyra faktorer är av betydelse för att 

åstadkomma en snabb och effektiv diffusion: 

• Hög koncentrationsskillnad 

• Kort diffusionsväg 

• Stor diffusionsyta 

• God permeabilitet för molekyler genom skiljeväggen 

Luft: 

Po 2 = 21,2 Pco 2 = 0,04 

Lungalveoler 

Pco 2 =5,3 Po 2 =13,3 

Po 2 =5,3 Po 2 =13,3 

Pco 2=6,1 Pco 2=5,3 

Lungkapillärer 

Vävnadskapillärer 

Po 2 =5,3 Po 2 =13,3 

Pco 2=6,1 Pco 2=5,3 

Pco 2 = 6,1 Pco 2 = 5,3 

Pco 2 >6,1 Po 2 < 5,3 

Cell 

13 

Figur 2 Människans andningsorgan 

Lungblåsornas väggar är tunnare än en tusendels 

millimeter och har hos en vuxen människa en 

sammanlagd yta av ca 100 m 2 . Således råder mycket 

nära kontakt mellan luft och blod. Det syresatta blodet 

förs med lungvener till vänster hjärthalva och därifrån 

vidare ut till kroppens organ. [21] 

Alveolarluften har en helt annan sammansättning än 

den luft vi andas in, se fig 3. Syrets partialtryck i 

lungorna är 13,3 kPa, medan det bara är 5,3 kPa i 

blodet. Kontakten mellan blodets hemoglobin och 

luftens syre varar i ungefär en sekund. Syretrycket är i 

stort sett lika efter bara 1/4 sekund, vilket gör att 

blodet syresätts riktigt även vid ansträngning, trots att 

det då flödar snabbare. Koldioxodens partialtryck i 

lungan är ca 5,3 kPa, och i blodet ca 6 kPa. 

Tryckskillnaden utjämnas redan i den första tiondelen 

av lungkapillärerna. Att koldioxiden försvinner ur 

lungorna beror på att "ytterluften" har ett partialtryck 

av koldioxid på endast 0,04 kPa. [12] 

Figur 3 Transporten av syre från luft till cell sker på följande 

sätt; 

• Luft in i lungan 

• Diffusion alveol till kapillär 

• Transport av blodet 

• Kapillär till cell genom diffusion

2.1.2 Inre gasutbyte 

Syre förbrukas alltså i cellerna och när syrekoncentrationen sjunker diffunderar syre in från 

omgivningen. Koldioxid som uppstår vid cellandningen diffunderar i motsatt riktning. 

Diffusion är endast effektivt över korta avstånd, varför större organismer måste ha speciella 

mekanismer (t ex blodomlopp) för transport av syre till cellerna. Celler kan inte växa sig 

större än att de kan försörjas genom diffusion. [21] 

2.2 Syretransporten i blodet 

Av det syre som transporteras med blodet är 99 % kemiskt bundet till hemoglobinet, varför 

blodets hemoglobinhalt (Hb-värdet) är lika betydelsefull som blodets syresättning. 

Syretransporten är vidare beroende av hjärtats minutvolym och blodflödets fördelning till 

olika organ via artärerna. När en eller flera av nämnda faktorer är bristfällig, eller när 

andningsluften har för låg halt av syre, uppstår syrebrist, hypoxi, som leder till nedsatt 

organfunktion eller till vävnadens död, infarkt. Syrebrist behandlas ofta genom tillförsel av 

syre i andningsluften, syrgasbehandling. [20] 

En mindre del av syretransporten sker normalt genom att resten, ca 1 %, är fysikaliskt löst i 

plasma. Ökas partialtrycket av syre ökas den lösta delen – vid andning av ren syrgas vid 300 

kPa kan cellernas hela syrebehov transporteras utan medverkan av hemoglobinet. Detta 

utnyttjas vid viss form av intensivvård. 

Ett visst syrgastryck i blodet resulterar i en viss syrgasmättnad. Med syrgasmättnad menas 

den procentuella delen av hemoglobinet som är bundet till syre. I arteriellt blod vid ett 

syrgastryck på 13 kPa är mättnaden nära 100 % medan det i blandat venöst blod ( före 

syresättning i lungorna) och ett syrgastryck på ca 5 kPa är ca 70 %. [8] 

14

3 Elektrokemiska processer 

Elektrokemi är läran om de reaktioner där laddade partiklar (joner eller elektroner) passerar 

över gränsen mellan två medier, ofta en metall (elektroden) och en lösning med 

ledningsförmåga, elektrolyten. Den typen av reaktion kallas ofta för elektrodreaktion. [6] 

3.1 Elektrodreaktioner 

I detta arbete används en metod för mätningar med guldelektroden som bygger på s k 

polarografisk teknik. Denna teknik finns utförligt beskriven i kapitel 4.2 men 

sammanfattningsvis kan sägas att en utomstående spänningskälla kopplas mellan två 

elektroder i en elektrolyt för att få en elektrokemisk reaktion, där syre reduceras vid den 

negarivt laddade elektrodytan. Vid reduktionen förbrukas elektroner, vilket innebär att en 

elektrisk ström genereras som går att mäta och som är linjärt proportionell mot pO 2 i 

elektrolyten. 

Vid reduktionsprocessen reduceras katodytans material O till R på grund av elektronupptag 

(se principskiss i fig 4). Elektrodreaktionen består av ett visst antal steg: 

• Reaktanten (O) rör sig, på grund av koncentrationsgradienten, till gränsytan. Detta 

kallas för masstransport. 

O lösning →O elektrod 

• På ytan kommer, under elektronöverföring från elektroden, reaktanten att reduceras till 

en produkt (R). 

O elektrod →R elektrod 

• Produkten transporteras sedan till lösningen genom diffusion, migration och/eller 

konvektion. 

R elektrod→R lösning 

Reaktant (O) Produkt (R) 

Transport av produkter 

och reaktanter 

O + e - → R elektrod 

e - e - e - 

Figur 4 Principskiss av en enkel elektrodreaktion 

Det långsammaste av dessa tre steg bestämmer den totala hastigheten hos den elektrokemiska 

ändringen. 

De ovanstående stegen kan också kompliceras genom: 

• Den pålagda spänningen på elektroden 

• De ingående komponenternas förmåga att reagera 

• Elektrodytans utseende 

• Strukturen hos gränsskiktet över vilken elektronerna transporteras 

15 

Adsorbat på 

elktrodytan kan bromsa reaktionen

Elektrodreaktionerna på elektrodens yta ger upphov till en obalans hos de laddade partiklarna 

på elektroden och i lösningen. Resultatet blir en potentialdifferens över gränsytan som 

materiellt kan påverka hastigheten och riktningen hos rektionen.[6] 

Den potentialdifferens som utvecklas i elektrod-elektrolyt system är begränsad till bara ett par 

volt som mest. Detta kan tyckas vara lite, men det är viktigt att tänka på att det är avståndet 

som potentialdifferensen existerar över som är det viktiga. I vårt fall består detta gränsskikt av 

de vattenmolekyler som fäster sig till elektrodytan, oftast bara ett fåtal atomdiametrar tjockt. 

På detta sätt kan en väldigt liten spänning producera en väldigt stor potentialgradient. 

3.2 Dubbellagerskapacitans 

När man i elektrokemi talar om ett elektriskt dubbellager menar man den separation av 

laddningar som existerar vid gränsytan mellan två faser, vanligtvis en fast (elektroden) och en 

flytande (elektrolyten) fas. Potentialdifferensen över en sådan gränsyta kan liknas vid ett 

elektriskt dubbellager vilket i sin tur är likvärdigt med en vanlig enkel kondensator. När man 

mäter elektriska potentialer i en lösning måste man försöka uppskatta influensen av den 

kapacitans som detta dubbellager ger upphov till. 

V 

- + 

- + 

- + 

Figur 5 Uppkomst av dubbellagerkapacitans 

Figur 5 visar en modell av händelserna vid gränsytan. De laddade lagren består av ett 

överskott eller underskott av elektroner på metallsidan och ett överskott eller underskott av 

joner med motsatt laddning på lösningsidan. Förutom dessa fria bärare av laddningar finns det 

dessutom orienterade molekyler med dipol moment som också bidrar till lagrets totala 

elektriska moment. 

Ännu ett bidrag är möjligheten av ett diffust 

dubbellager av laddningar längre bort i lösningen 

vilka helt eller delvis neutraliserar de joner som är 

adsorberade (kemiskt bundna) till metallen på 

lösningssidan, se fig 6. 

Vid mätningar liknande de i detta arbete är 

det av stort intresse att reducera den influens 

som uppladdningen av dubbellagerkapacitansen 

har på slutresultatet. Detta kan ske antingen 

med en väldigt slät elektrodyta eller med en 

procedur där den uppmätta mängden av 

laddningar reduceras med det bidrag som 

härrör från laddningen av dubbellagret. 

Det är denna metod som utnyttjats i detta arbete. 

[3] [6] Figur 6 Det diffusa dubbellagret 

16

4 Syrgasmätning 

4.1 Biosensorer 

Figur 7 visar de tre olika basfunktioner som biomedicinska hjälpmedel ofta består av. 

Fysiologiskt 

system 

Figur 7 Block diagram av ett generellt hjälpmedels system 

Eftersom sensordelen av instrumentet påverkar gränsytan till det fysiologiska system som ska 

mätas, representerar biosensorn en mycket viktig komponent i alla biomedicinska instrument. 

Sensorn måste kunna utföra en omvandling av en biologisk, kemisk eller fysisk händelse till 

en elektrisk signal utan att för den skull på något sätt ändra eller påverka denna händelse. [20] 

4.1.1 Elektrokemiska sensorer 

En elektrokemisk sensor används för att mäta syre eller giftiga gaser såsom svavelväte, 

kolmonoxid, svaveldioxid osv. Varje sensor är unik och anpassad till den gas och det 

mätområde som ska mätas. Den elektrokemiska sensorn reagerar med den specifika gasen och 

skapar en elektrisk signal som är proportionell mot den koncentration som sensorn utsätts för. 

Själva sensorn består oftast av en mätelektrod, en motelektrod, en referenselektrod, en 

elektrolyt och ett semipermeabelt membran, se figur 8. 

Gasen kommer in i sensorn och diffunderar igenom membranet. När gasen når mätelektroden 

sker antingen en oxidation eller en reduktion med hjälp av elektrolyten som också fungerar 

som katalysator och samtidigt leder den joniska laddningen mellan elektroderna. En resistor är 

kopplad mellan mätelektroden och motelektroden och den ström som bildas kan mätas för att 

bestämma gaskoncentrationen. Eftersom mätelektrodens potential inte är konstant används en 

referenselektrod för att ändå bibehålla en konstant spänning.[11] 

4.2 Polarografi 

sensor 

signal 

processor 

Diffusionbarriär 

Figur 8 Principskiss över elektrokemisk sensor Elektrolyt 

17 

display & 

lagring 

Membran 

Mätelektrod 

Referenselektrod 

Motelektrod 

Vid bestämning av syrets partialtryck, pO 2 , används ofta en polarografisk metod. I denna 

används en elektrokemisk cell med en metallkatod av guld och en silveranod. Elektroderna är

placerade i en vattenhaltig elektrolyt innehållande kloridjoner som t ex fysiologisk saltlösning 

(0,9 % natriumklorid i vatten, en koncentration liknande den extracellulära vätskan i 

kroppen). Även syre finns löst i elektrolyten. Samlingen av elektroder, elektrolyt och 

behållaren som innehåller elektrolyten brukar kallas för en elektrokemisk cell. När den 

elektrokemiska cellen kopplas till en spänningskälla startar reaktioner på katoden och anoden 

när spänningen är tillräckligt hög för att driva dem. Syre kan reduceras vid katoden enligt 

följande kemiska reaktion: 

2H 2 O + O 2 + 4e - → 4OH - 

Vid denna reaktion reduceras syre till hydroxyljoner och elektroner tas från katoden. Den här 

reaktionen kräver en spänning på ca 0,4 V och konsumerar syre, vatten och elektroner. 

Eftersom de två sista komponenterna finns i överskott är syre det hastighetsbestämmande 

ämnet i reaktionen och reaktionshastigheten ska vara proportionellt mot tillgängligt syre. 

Vid anoden blir silver från elektroden oxiderat till silverjoner och elektroner frisätts till 

anoden. Silverjonerna binder sig omedelbart till kloridjonerna i lösning för att bilda den 

svårlösliga föreningen silverklorid som fälls ut på elektrodytan. Denna reaktionen kräver en 

spänning på ca 0,22 V: 

Ag ↔ Ag + + e - 

18 

+ Cl - → AgCl 

Alltså behöver cellen totalt en spänning på 0,62 V; när denna minsta nivå en gång överskridits 

kommer elektroner att levereras till anoden och flyta genom kretsen till katoden. Den 

elektriska strömmen i kretsen är proportionell mot mängden syre som reduceras vid katoden, 

vilket i sin tur är proportionellt mot partialtrycket av syre i lösningen. Alltså kan den relativa 

strömmen genom cellen användas för att mäta syrespänningen. [20] 

Spänning-strömförhållandet för en 

polarografisk syrgassensor representeras 

av en karakteristisk kurva, ett 

polarogram,se fig 9. Nedanför ungefär - 

0,62 V är förhållandet praktiskt taget 

linjärt. I området ovanför når strömmen 

ett slags platå där voltändring har liten 

effekt på strömmen. I detta område är 

strömmen begränsad av syrets 

diffusionshastighet. När spänningen 

stiger över –1,1 V kommer strömmen 

återigen att stiga med spänningen p g a 

reduktion även av andra ämnen. [9] 

Figur 9 Polarogram 

I ett diffusionsbegränsat tillstånd reduceras syret direkt när det når katoden vilket resulterar i 

att katoden har noll procent syre på ytan och att strömmen är begränsad av den hastighet som 

syret kan diffundera till detta område. Diffusionshastigheten är en funktion av membranets- 

och det omslutande mediets syrediffusionskoefficient och det lösta syrets koncentration som, i 

sin tur, är proportionellt mot syrets partialtryck och temperatur. [9]

En kurva över förhållandet mellan ström 

och syrets partialtryck (vid en fixerad 

spänning) kallas för en standardkurva, se 

figur 10. För de flesta elektroder är 

kurvan linjär. Värt att poängtera är att 

linjen ej går igenom origo utan indikerar 

en svag ström även när syrets 

partialtryck är noll. Denna ström 

resulterar från faktorer som läckström 

från isolerande material i systemet och 

reduktion av syre som adsorberades in i 

elektrodmaterialet. 

4.2.1 Clark-elektroden 

19 

Figur10 Standard kurva 

Den vanligaste pO 2 -elektroden idag är av s.k. Clark-typ. 

Clark-elektroden är en polarografisk cell i miniatyr, se 

figur 11. Den består av en platinaelektrod med en 0,7 V 

negativ potential i förhållande till en referenselektrod 

av silver-silverklorid. De bägge elektroderna är 

omgivna av en fosfatbuffer med konstant pH, som även 

är mättad med kaliumklorid. Lösningen skiljs från 

mätobjektet av ett tunt, semipermeabelt 

polyetylenmembran. Detta membran tillåter syret i 

provet att passera genom det till elektroderna medan det 

blockerar för vätska, salter och stora molekyler, som 

proteiner, vilka kan förorena elektroderna. En reduktion 

av tillfört syre sker vid platinaelektroden, varvid en 

Figur 11 Polarografisk bestämning av 

elektrisk ström uppstår, som är proportionell mot syrgastryck med Clark-elektrod 

syrgastrycket. Spänningen mellan katod och anod är 

noggrant inställd så att bara syre reduceras. 

Platinaelektroden måste göras liten, diameter ca 0,01 mm. Per kPa syrgas fås typiskt en ström 

på 10 -7 till 10 -10 A beroende på mekaniskt utförande. 

Eftersom allt syre som diffunderar genom membranet blir elektrokemiskt reducerat vid 

katoden är syrets partialtryck i elektrolyten noll. En partialtrycks gradient existerar därför över 

membranet och mängden syre som kommer in i systemet är direkt proportionellt mot syrets 

partialtryck i provet. Ju högre syrets partialtryck är, desto mer syre diffunderar genom 

membranet på en given tid.[14] 

Partialtrycket av löst syre är en funktion av provets temperatur. Det är därför viktigt att 

mätapparaturen kalibreras vid denna temperatur eller har en funktion som gör att den 

automatiskt kan kompensera för varierande provtemperatur.[14]

Clark-elektroden är dock inte lämplig för långtidsimplementeringar i kroppen beroende på 

risken med membranbristningar och andra komplikationer. 

5 Användningsområden 

Mätning och övervakning av syretryck är de viktigaste parametrarna som möjliggör för en 

narkosläkare eller doktor vid en intensivvårdavdelning att bedöma tillståndet hos en allvarligt 

sjuk patient. Att mäta syrgastrycket lokalt ger också viktig information om hur bl a cirkulation 

och respiration fungerar i det aktuella området. 

5.1 Hyperbar oxygenterapi, HBO 

Som tidigare påpekats sker syretransporten i kroppen genom ventilation, diffusion, cirkulation 

och cellrespiration. Genom konstgjord andning påverkas endast ventilationen direkt. Defekter 

i de övriga stegen kan påverkas genom behandling med syrgas vid förhöjt atmosfärstryck, 

HBO. 

Vid normalt tryck och luftandning sker den huvudsakliga syretransporten i blodet genom 

kemisk bindning till hemoglobinet; bara en mindre del av det transporterade syret är 

fysikaliskt löst i plasma. Ökas syrgastrycket, exempelvis genom andning av ren oxygen vid 

300 kPa, kan vävnadernas hela syrgasbehov transporteras utan medverkan av hemoglobinet. 

Alternativt kan ett onormalt högt syrebehov eller en nedsatt transportkapacitet kompenseras 

med sådan syrgasbehandling. 

HBO-behandling utnyttjas för behandling av vissa sjukdomar med försämrat syreutnyttjande 

eller otillräcklig syretransport, främst anaeroba infektioner och kolmonoxidförgiftning. Den 

kan även användas för att underlätta läkningen efter vissa plastikoperationer och vid sår- och 

brännskadebehandling. 

HBO-behandling är förenad med risker, eftersom syrgas är toxiskt. Vid närvaro av syrgas i 

vävnader bildas fria syreradikaler; syreföreningar med ensamma opariga elektroner. Viktigast 

• • 

är superoxidradikalen, O2 , och hydroxylradikalen, OH , samt väteperoxid, H2O2, som 

sönderfaller under bildning av fria radikaler. Dessa radikaler är mycket reaktiva och toxiska 

varför biologiska organismer har utvecklat skyddsmekanismer mot dessa. Vid inandning av 

ren syrgas bildas dock en sådan mängd fria radikaler att kroppen ej klarar av att oskadliggöra 

dessa tillräckligt snabbt och det uppstår en syrgasförgiftning. 

För att få ett lyckat behandlingsresultat krävs det en balans mellan dessa ytterligheter så man 

uppnår en maximal syretillförsel till vävnaden med så liten giftverkan som möjligt. 

5.2 Cancerforskning 

Ett av de viktigaste sätten idag att behandla cancer är genom strålterapi. Cellernas 

strålkänslighet beror till viss del på den miljö de befinner sig i vid bestrålningstillfället. Av 

betydelse är bl a graden syrgasmättnad. Hög syrgasmättnad ökar strålkänsligheten, vilket är 

naturligt då syret i sig ger upphov till fria radikaler. Därför har man vid strålbehandling 

försökt öka syrespänningen genom att utföra behandling vid en hyperbar oxygenatmosfär (se 

ovan). Möjligheten att därmed öka hela tumörens strålkänslighet är dock begränsad då det i de 

centrala delarna av en större tumör ofta är så dålig blodkärlsförsörjning att tumören delvis dör. 

Syresättningen i dessa och kringliggande delar blir därför dålig. 

20

(Det har visat sig att solida cancertumörer inte kan växa sig större än ett pepparkorn utan 

kontakt med blodkärl. Tumörcellerna saknar helt enkelt tillräcklig tillgång till syre och näring 

och har heller ingen möjlighet att göra sig av med avfallsprodukter. Dessutom kan inte en 

lossnad cancercell från tumören metastasera då det saknas blodkärl som kan frakta iväg den 

lossnade cellen till en annan del av kroppen. Eftersom man känner till en del om vilka ämnen 

som medverkar i tumör-angiogenes har man tagit fram flera angiogenes-inhibitorer och 

modulerare som hindrar utvecklingen av nya kapillärer från de redan existerande blodkärlen. 

Fysiologiska parametrar som skulle kunna användas för att studera effekten av antiangiogenesterapi 

skulle kunna vara tumörens blodflöde, syretryck, inre tryck, 

genomsläpplighet och den tid det tar för blodet att passera tumören.) 

5.3 Hjärniscemi 

Vid eventuell hjärnskada kan man ha stor nytta av att mäta pO 2 då det verkar finnas en 

korrelation mellan det lokala blodflödet i hjärnan och pO 2 i hjärnans parenkymvävnad. PO 2 - 

mätning i hjärnvävnaden tycks återspegla det lokala blodflödet och därmed ge information om 

hjärnvävnadens syresättning. Under normala förhållanden ska blodflödet i hjärnan vara 

konstant. 

5.4 Sårläkningsprocesses 

Mätning av vävnadens syrgastryck är också mycket intressant vid sårläkningsprocessen. 

Kroppens sårläkningsceller, fibroblasterna, fungerar inte vid hypoxi. Även kroppens vita 

blodkroppar har en nedsatt förmåga att ta död på bakterier vid lokal syrebrist. En högre lokal 

syresättning i vävnaden gör att vävnaden läker bättre, bildar nya celler och blodkärl fortare, 

och samtidigt får ett bättre skydd mot infektioner. 

21 

ischemi

DEL II: PROBLEMLÖSNING 

6 Material och metoder 

Inför detta examensarbete fanns en del rekommendationer från anställda och tidigare 

examensarbetare för fortsatt utveckling: 

• Lösa problemen med felaktig mätpuls i apparaturen. 

• Utveckla en metod för egen isolering av guldtråd. 

• Tillverka en ny, stabil arbetselektrod baserad på tidigare applikationer. 

• Tillverka en riktigt stabil referenselektrod för in vitro-tester. 

• Utveckla en kompenseringsmetod för temperaturberoendet. 

• Utgå från en stabil mätmiljö med gasregulator och syretrycksmätare för vattnet under 

in vitro-tester. 

6.1 Elektrodsystem 

PO2-monitorn är ansluten till ett elektrodsystem som utgörs av tre elektroder med olika 

uppgift: 

• Arbetselektroden (WE) - består av en guldkatod som pulsas en gång per 

sekund med en spänning på 0,8 V. Vid varje puls 

reduceras en viss mängd syre och ger upphov till en 

ström vilken är linjärt beroende av pO 2 i elektrolyten 

(vävnadsvätskan). 

• Motelektroden (CE) - består av en EKG-elektrod och har till uppgift att 

generera en potentialskillnad på 0,8 V mellan 

elektrolyten och arbetselektroden. 

• Referenselektroden (RE) - används för att man ska kunna beräkna potentialen 

för arbetselektroden. 

Många material kan användas för att reducera syre i ett flytande medium, men denna speciella 

applikation där elektroden är i direkt kontakt med vävnaden, minimerar antalet kandidater. 

Följande kriterium måste uppfyllas: alla material måste vara biokompatibla och 

biofunktionella för användning inne i kroppen. Det är också viktigt att välja ett material som 

är lätt att tillverka med god reproducerbarhet och med låga kostnader. 

6.1.1 Biokompatibla material för elektroder 

När en främmande partikel kommer in i kroppen aktiveras kroppens immunförsvar. Effekten 

av denna reaktion beror på vilket ämne det handlar om men den kan aldrig uteslutas. En 

kraftig reaktion kan resultera i inflammation och, i värsta fall, en allergisk chock. Man måste 

alltså minimera immunförsvarets försök att förstöra det främmande ämnet. Det är därför av 

yttersta vikt att material som används i kroppen är biokompatibla. Biokompatibilitet innebär 

att kroppsfrämmande ämnen kan verka i en viss biologisk miljö utan att negativt påverka den 

biologiska vävnaden. De framkallar inga biverkningar hos patienten, såsom överkänslighet, 

allergi och inflammationer. Biokompatibiliteten är kopplad till material, design och funktion. 

22 

referenselektroden

Man måste också tänka på att material som i sig är ofarliga kan ge upphov till giftiga 

produkter när kemiska reaktioner uppstår mellan materialet och kroppsegna ämnen. Det är 

därför viktigt att undersöka de biprodukter som uppstår vid kontakt med kroppens vätskor och 

vävnader innan ett material tas i bruk. Biomaterial får heller inte vara cancerframkallande 

eller framkalla blodproppar. 

De mekaniska egenskaperna hos metallerna som hög hållfasthet, högt motstånd mot 

utmattning, lätt att tillverka och sterilisera, gör att de lämpar sig väl för ett flertal områden. Ett 

problem som dock är gemensamt för alla metaller är korrosion. Den miljö som omger 

materialet i kroppen är ofta extremt aggressiv och därför är ädelmetaller idealiska biomaterial. 

6.1.2 Temperaturberoende 

Strömmen som levereras av en syrgaselektrod ändras ca 3-4 % per ° C vid konstant 

partialtryck. När temperaturen ändras under mätningar måste man alltså kompensera för detta 

med en temperaturkoefficient för att tolka resultaten.[13] 

6.1.3 Syreförbrukning 

Som redan nämnts förbrukar katoden syre under reduktionsprocessen. För att katoden ska 

kunna ge bra mätresultat måste nytt syre hela tiden tillföras till katoden. Mängden beror på 

diffusionsförhållandet i elektrolyten. Syrereduktionen vid katodytan ger upphov till en 

diffusionsgradient mellan elektrolyten och katoden. Det finns dock ett antal lösningar på detta 

problem: 

• Ökad omrörning av elektrolyten reducerar diffusionsgradienten och nytt syre kommer 

hela tiden i kontakt med katodytan. Detta kallas flödeseffekt eller omrörningseffekt. Ju 

högre syreförbrukning katoden har desto större diffusionsgradient, d v s desto 

kraftigare omrörning krävs för att få nytt syre till katoden. 

• Vid användning av pulsad polarografi flyter ingen ström till elektroden mellan 

pulserna och syrekoncentrationen blir densamma som långt ifrån katodytan. Pulsad 

polarografi har även fördelen att katodytan inte lika lätt blir förorenad. 

• Katodens mätyta görs så liten som möjligt 

6.2 Utveckling av arbetselektroden 

En av huvuduppgifterna i detta examensarbete var att utveckla och utvärdera olika 

arbetselektroder in vitro och in vivo. Eftersom målet med elektroden är att man ska kunna 

mäta i olika biologiska vävnader ställs höga krav på utformning och material. 

En typ av nålelektrod hade tidigare utformats vid institutionen av föregående examensarbetare 

och min tanke var att arbeta vidare på denna idé. 

6.2.1 Guld 

Huvudkomponenten i arbetselektroden skulle vara isolerad guldtråd. Guld har flertalet 

egenskaper som gör att den lämpar sig väl som elektrodmaterial: 

23

• Störst smidbarhet av alla metaller 

• Mycket hög motståndskraft mot vanliga syror 

• Hög elektrodpotential och mycket god förmåga att leda elektrisk ström och värme 

• Oxideras inte i luft 

• Hög biokompatibilitet 

• Ej katalytisk 

Det är viktigt att mätytan i arbetselektroden består av helt rent guld, s k finguld, utan några 

legeringar. 

6.2.2 Isolering 

Det är mycket svårt att få något att fästa vid guldytan, vilket är en fördel för mätytan i 

kroppen men ett stort problem ur isoleringssynpunkt. Krav på isolationsmaterial var att det 

skulle tåla fukt, vara segt, elektriskt isolerande, ej giftigt och tåla sterilisering. 

Loctite 3425 är en tvåkomponentsepoxi som skulle uppfylla dessa krav. Det har hög viskositet 

och hårdnar vid rumstemperatur efter att lika delar av de båda komponenterna blandats. 

Denna epoxi skulle också fästa direkt till guldytan även om den inte rengjorts och utan 

användning av s k primer. 

Svårigheten med att använda Loctite 3425 som isoleringsmaterial var att det var svårt att få ett 

tunt och heltäckande lager på guldtråden då epoxin är mycket trögflytande. Ett för tjockt lager 

skulle medföra att tråden inte skulle kunna föras in i en kanyl. 

Diametern på den isolerade guldtråden fick inte vara större 

än diametern på den kanyl som den skulle gjutas in i. Därför 

användes en Sterican injektionskanyl, se figur 12, med en 

diameter på 0,7 mm som ett slags tratt vid isoleringen. 

Kanylnålen kapades av intill plastinfästningen och en 

Figur12 Stercan injektionskanyl 

guldtråd på 0,1 mm fördes igenom den kvarvarande delen. 

Denna fylldes därefter med Loctite 3425 och tråden fördes fram och tillbaka igenom den ett 

par gånger. Slutligen drogs hela tråden ut genom den avklippta nålen och hängdes upp för att 

torka i ca 24 timmar. Vid senare undersökning i mikroskop upptäcktes att ett förhållandevis 

tunt och jämnt lager av epoxi hade erhållits efter att ha upprepat isoleringsproceduren 

ytterligare en gång. 

24 

Ref, nisse

Ett test genomfördes för att få ett bevis på att tråden verkligen var elektrisk isolerad. Systemet 

visas nedan i figur 13. Är guldtråden ordentligt isolerad kommer ingen eller en mycket liten 

ström att flyta i kretsen. 

(5) 

(3) 

Figur 13 Uppställning vid isolationstest. 

(4) 

(1) 

25 

(2) 

1. Multimeter 

2. Motstånd på 5,6 MΩ, 

3. Kärl med saltlösning 

4. Guldtråd som ska 

undersökas 

5. Spänningsaggregat 

Vid test av den egenhändigt isolerade guldtråden applicerades en spänning på 10 V över 

kretsen och multimetern visade 0,3 mV. Enligt Ohms lag ger detta en ström i tråden på 

0,3*10 -3 

/5,6*10 6 

= 5*10 -11 

A. Detta tyder på god isolering. 

Vid användning till nålelektrod upptäcktes dock att den egenhändigt isolerade guldtråden 

tyvärr blivit aningen för tjock för att kunna dras igenom nålen. Ett annat tillvägagångssätt 

prövades därför. 

Den epoxi som använts vid följande metoder är Super Epoxy från Loctite, ett snabbhärdande 

tvåkomponents allroundlim som härdar efter blandning. Det fyller och limmar de flesta 

material och kan användas för inplastning/ingjutning av elektriska komponenter, isolering etc. 

En guldtråd utan isolering löddes fast vid en 

metallkontakt tillhörande en labbhylsa som skulle 

användas som övergångskontakt mellan guldtråd 

och sladd till pO2-monitorn, se figur 14. Epoxi 

ströks över lödinfästningen då det fanns risk för att 

guldtråden skulle brista där. Den fria delen av 

guldtråden fördes därefter in genom hylsan och Figur 14 Labbhylsa och metallkontakt. 

slutligen trycktes metallkontakten fast i hylsan. För 

att ytterligare minimera risken för brott på guldtråden och för att förhindra läckströmmar 

fylldes därefter hylsan med epoxi. Hålrummet i hylsan var nu fyllt med epoxi och guldtråden 

var stabiliserad. Epoxin fick nu härda under natten. 

Guldtråden fördes därefter igenom en kanyl utan att hylsan trycktes fast i plastbehållaren. 

Denna fylldes istället med Loctite 3425. Tanken var att när hylsan trycktes fast skulle epoxi 

tryckas ut genom kanylen och därmed lägga sig som isolering runt guldtråden. Detta såg till 

Är här kortsluten 

!

en början ut att fungera bra men vid närmare undersökning i mikroskop upptäcktes att 

guldtråden ej var riktigt rak utan låg an mot kanylens innersida. 

Eftersom det är svårt att vara riktigt säker på att det inte finns någon som helst kontakt mellan 

guldtråd och metall inne i kanylen ansågs det säkrast att ha någon sorts isolering på 

guldtråden. En liten mängd Super Epoxy blandades med några droppar metanol i ett provrör 

så att en väldigt lättflytande vätska erhölls. Vätskan droppades ner på en glasskiva så att det 

bildades en liten ”pöl”. En guldtråd, rengjord i metanol, drogs sedan genom blandningen 

upprepade gånger. Mellan varje gång jämnades epoxilagret, som gärna bildade ett slags 

”pärlband” längs tråden, ut genom att helt enkelt försiktigt dra med en fuktig trasa eller 

svamp längs det. När den utblandade epoxin började bli seg avbröts behandlingen och 

guldtråden hängdes upp för att härda. Samma försök gjordes därefter med Loctite 3425. 

Denna epoxi var något mer lättbearbetad då den inte hade samma benägenhet att dra ihop sig 

till droppar på tråden, eftersom den som sagt fäster bättre vid guld. Två av guldtrådarna, 

isolerade med Loctite 3425 respektive Super Epoxy, genomgick efter härdning samma 

behandling ytterligare en gång. 

Vid senare undersökning i mikroskop såg det ut som att trådarna var mer eller mindre täckta 

av epoxi och de var också fortfarande förhållandevis tunna. Små droppar av epoxi fanns dock 

fortfarande kvar på trådarna med epoxi men tanken var att dessa kanske ändå kunde förhindra 

att guldet kom i kontakt med kanylens insida. Vid isolationstest enligt ovan erhölls följande 

resultat: 

Isoleringstyp Uppmätt spänning Beräknad ström 

Loctite 3425 1 ggr 4 mV 7,1*10 -10 A 

Loctite 3425 2 ggr 2,5 mV 4,5*10 -10 

A 

Super Epoxy 1 ggr 10 mV 1,8*10 -9 A 

Super Epoxy 2 ggr 4 mV 7,1*10 -10 A 

Tabell 1 Resultat från isolationstest 

Upprepad isolation med Loctite 3425 gav alltså det bästa resultatet. 

6.2.3 Design 

Nästa problem vid tillverkningen var att löda fast guldtråd vid den metallkontakt som skulle 

användas. Kontakten måste vara mycket god och det var lätt att guldtråden smälte vid för hög 

lödtemperatur. Guldtråden blev också väldigt svag vid lödpunkten och gick lätt av. Detta 

löstes som tidigare med att lägga en avsmalnande droppe epoxi på detta område efter lödning. 

Efter lödning isolerades guldtråden en gång med Loctite 3425 enligt den procedur som är 

beskriven ovan. Guldtråden fick sedan härda under natten. För att metallkontakten skulle 

passa perfekt i kanylens plastinfästning värmdes två krympslangar fast på varandra över den 

del av kontakten som skulle tryckas fast i denna. Härefter träddes tråden genom kanylen men 

trycktes ej fast. En spruta fylldes med Super Epoxy. Sprutan passade perfekt med kanylen och 

epoxi sprutades in till man såg att en droppe kom ut ur kanylens spets. Sedan fylldes även 

kanylens plastinfästning med epoxi och metallkontakten klämdes dit. Ytterligare epoxi 

pressades på detta sätt genom kanylen. Epoxin fick nu härda i värmeskåp under natten. 

26

En krympslang värmdes nu fast även över den slutliga 

infästningen för att ytterligare förhindra uppkomsten av 

läckströmmar och för att uppnå en stabil konstruktion. 

Guldtråden klipptes av där den stack ut ur nålens spets och 

slipades till en riktigt fin mätyta. Resultatet visas i figur 15. 

För att man ska kunna tillverka en större mängd av dessa 

nålelektroder behöver tillverkades en jigg för att få fram en 

perfekt och reproducerbar vinkel på nålspetsen, se figur 16 

och 17. 

Figur 16 Nålelektrodens spets 

Figur 17 Skiss över nålelektrodens spets 

En manual för framtagning av nålelektråden finns i bilaga 4. 

27 

Kanylstål 

Figur 15 Färdig nålelektrod 

Guld 

Isolering (Loctite 3425) 

Super Epoxy

6.3 Utveckling av referenselektroden för in vitro försök 

Referenselektrodens uppgift är att fullborda mätkretsen och att tillhandahålla en stabil 

potential mot vilken arbetselektroden jämförs. Genom en vätskeförbindelse åstadkoms 

kontakt mellan referenselektrod och provet. En s k saltbrygga formas från provet genom 

elektrolyten till silversilverkloridreferenselementet.Även direkt metallkontakt skulle kunna 

fullborda kretsen men det skulle inte erbjuda en reproducerbar potential från en lösning till en 

annan.[16] 

Då de flesta felen vid tidigare in vitro-mätningar kunde troligtvis härledas till att silverklorid 

från referenselektroden kom ut i elektrolyten och förorenade guldytan. Således lades tid ner 

på att tillverka en riktigt stabil sådan. 

Det största kravet på en referenselektrod är att den ska erbjuda en väldefinierad och 

reproducerbar potential oberoende av hur mycket ström som passerar genom den. Ofta 

används en Ag/AgCl elektrod som referenselektrod, mycket på grund av att den är enkel och 

billig att tillverka, dessutom är den stabil och ganska okänslig. Den största nackdelen med en 

Ag/AgCl-elektrod är att silverklorid kan läcka ut till elektrolyten. Silverkloriden är giftig och 

löser sig dessutom i vävnadsvätska. Detta innebär att silverjoner kan lösgöras och slutligen 

övergå till katoden, d v s katodens guldyta täcks av silver. Ska man använda en Ag/AgClelektrod 

måste man alltså se till att ett membran hindrar silverkloriden att diffundera ut till 

elektrolyten.[16] 

Vid tidigare försök på institutionen hade både en Ag/AgClelektrod 

med ett keramiskt membran och en sönderklippt 

EKG-elektrod nedstoppad i en glaspipett fylld med bomull 

använts. Dessa hade gett varierande resultat och varit något 

instabila. En ny variant med en ny EKG-elektrod togs fram. 

EKG-elektroden klipptes sönder och limmades fast med 

epoxi på ena änden av ett plaströr. Röret fylldes sedan med 

en gelatingelé gjord av gelatinblad upplösta i 0,9 % 

saltlösning. En tejpbit hade fästs på den öppna sidan av röret 

föra att man skulle kunna fylla på gelatingelé lite högre upp 

än rörets kant, se figur 18. När gelén i röret hade stelnat, efter 

ett par timmar i kylen, lossades tejpen och gelén skars 

försiktigt av precis vid rörets kant. Om man inte på detta sätt får en jämn yta med gelé precis 

vid rörets öppning kan det lätt bildas luftfickor i ojämnheterna när man sänker ner röret i 

elektrolyten. 

Vid testmätningar visade det sig att de nya elektroderna fungerade bra. Vid olika frekvenser 

erhölls liknande värden på impedansen, ∼ 400 Ω. 

6.3.1 Gelatin 

Gelatin framställs av slakteriavfall som rensas från hår, ben och fett och kokas i vatten med 

hjälp av syror (gelatin typ A) eller alkalier (typ B), varvid proteinet kollagen övergår till 

glutin. Massan filtreras, dunstas in under vakuum, bleks och torkas slutligen i tumlare eller 

uthälld på skivor. [18] 

28 

Tejpbit 

Plaströr 

Gelatingelé 

EKG-elektrod 

Figur 18 Principskiss över tillverkning 

av referenselektrod 

silverjoner 

inte särskilt 

För att kunna 

använda en AgCl elektrod vid in 

vitroförsöken behöver vi en barriär 

för silverjonerna. Vid invivo 

applikationer utgör detta inte något 

problem då huden fungerar som 

barriär. 

Elektroderna är ju 

färskvara. Hur länge varade de?

Gelatin mjukas upp och sväller i kallt vatten. När vattnet sedan värms upp, löser sig gelatinet 

och börjar flyta. När blandningen åter svalnar stelnar den till en mjuk och dallrande gelé. 

Blandningen bildar sämre gelé om den värms på för hög temperatur. [18] 

Gelatinets fysikalisk-kemiska beteende bestäms, å ena sidan av molekylernas 

aminosyrasekvens och den tredimensionella struktur som följer härav, å andra sidan av pHvärde, 

jonstyrka och reaktivitet med andra molekyler. Gelatinmolekylen kan ha olika elektrisk 

laddning. Vid hantering av gelatin är det viktigt att känna till att grumling och försämrad 

gelbildning kan uppstå om pH-värdet hos en produkt sammanfaller med gelatinets 

isoelektriska punkt (IEP), dvs. det pH-värde som motsvarar ett neutralt laddningstillstånd hos 

gelatinmolekylen. Gelatinets kompatibilitet med andra hydrokolloider påverkas också av IEP. 

[17] 

29

6.4 PO 2-monitor 

De sensorer som här tagits fram var tänkta att användas till en befintlig apparatur, pO 2monitor, 

som fanns på institutionen [2]. De visade sig dock när testmätningar påbörjades att 

denna ej fungerade riktigt som den skulle. För att påvisa detta kopplades elektroderna bort och 

ersattes av en dummy, utvecklad av Nils Holmström, som simulerade elektrodsignalerna och 

där man kunde ställa in önskat motstånd, potential etc. Med denna prototyp inkopplad skulle 

alltså pO 2-monitorn uppvisa en stabil och reproducerbar signal. Så var icke fallet. Den 

uppkomna signalen svängde kraftigt och det fanns en påtaglig mängd bakgrundsbrus. Det var 

därmed nödvändigt att mjukvaran programmerades om och delar till ett nytt kretskort 

beställdes. En ny apparat tillverkades därefter av Håkan Elmqvist och Tommy Ribbe vid 

institutionen. En förenklad principskiss av denna visas i figur 19. 

CE 

RE 

WE 

R 

F1 

VWE 

F3 

Figur 19 Förenklat principschema för pO2 -potentiostat 

WE arbetselektrod 

CE motelektrod 

RE referenselektrod 

R strömbegränsande motstånd 

C0-C4 integrationskondensatorer 

S1-S4 väljer integrationskondensator 

SR nollställer integratorn 

S1 sluten ⇒ AE får potentialen VP (O respektive –0,7) i förhållande till RE 

F1 håller instrumentets referenspotential samma som referenselektrodens 

F2 integrator 

F3 ? buffert som möjliggör mätning av VWE 

30 

AD 

S1 

C4 S4 

C2 S2 

C1 S1 

C0 

SR 

F2 

VP 

Q 

AD 

Styrningen av 

funtionerna styrs av en Siemens 

C504 mikroprocessor, som också 

sköter AD-omvandlingen.

4.2.2 Pulsad polarografi 

PO 2 -sensorn som används i detta examensarbete bygger på polarografisk teknik (se kapitel 

4.2). Vid syrgasmätning ger syrereduktionen vid katodytan upphov till en diffusionsgradient 

mellan elektrolyten och katoden. Diffusionsgradienten ökar med ökad syreförbrukning på 

katoden. Nytt syre måste hela tiden tillföras till katoden, t ex genom omrörning. För att slippa 

denna flödeseffekt använder man istället pulsad polarografi så att syre endast förbrukas under 

den tid pulsen pågår. Mellan pulserna flyter ingen ström till elektroden. På detta sätt reduceras 

bara syremolekylerna tillfälligt och strömmen som uppstår blir diffusionsbegränsad. Om 

pulsbredden är tillräckligt kort blir tjockleken på diffusionslagret liten och flödesberoendet 

försvinner. Ju mer man ökar pulsbredden, ju större del av den genererade strömmen kommer 

att vara kinetiskt kontrollerad tills den slutligen helt dominerar. 

En annan fördel med pulsad polarografi är att katodytan inte blir lika förorenad. 

4.2.3 Laddningskompenserad coulometri 

Laddningskompenserad coulometri är en ny metod för att mäta koncentration av ett visst 

ämne i ett medium. Fördelen med metoden är att man, genom att både skicka ut en negativ 

och positiv puls, eliminerar det ström- eller laddningbidrag som härrör från uppladdningen av 

dubbellagrets kapacitans och minimerar variationerna i de uppmätta värdena som orsakas av 

variationer i arbetselektrodens vilopotential. 

De negativa och positiva potentialstegen ∆E kommer alltid att vara lika. Det kommer också de 

strömmar som laddar upp dubbellagerskapacitansen att vara efter de båda stegen, men med 

olika tecken. Strömmen efter det negativa steget innehåller också en del som är proportionell 

till syreförbrukningen. Summering av dessa strömmar leder alltså till att de oönskade delarna 

neutraliseras men att det syreberoende bidraget lämnas orört. 

31 

Ref 

laddningar

PO 2-sensorn som används i detta examensarbete bygger på en laddningskompenserad 

polarografisk teknik (se kapitel 4.2). Mätningarna utförs på följande sätt: 

- Potentialen på arbetselektroden sänks med 0.8V relativt vilopotentialen (uppmätt innan 

mätningen påbörjas), se figur 20. Den negativa pulsen sträcker sig över halva 

integrationsintervallet, 3.6 ms, och uppkommer genom en sänkning av potentialen på 

plusingången på integratorn. 

- Vid halva mätningsintervallet återställs potentialen till vilopotentialen. Elektrodpotentialen 

får sedan flyta i kretsen under resten av perioden. 

- Den laddning som tagits upp av kondensatorn i integratorn laddas ur. Vid mätintervallets 

slut upphör integrationen. 

- Mätning av den uppmätta utpotentialen sker omedelbart efter det att integrationen upphört. 

Mätresultatet är den laddning som tagits upp av kondensatorn och som motsvarar den ström 

som uppstår då syre reduceras vid den negarivt laddade elektrodytan och som är proportionell 

mot syrgastrycket. 

Virtuell jord 

-0,8 V 

I 

Figur20 Puls och ström genom integratorn 

Om man mäter på integratorns utgång med oscilloskop skulle man få något som motsvarar 

figur 21 nedan. 

T 1/2 T 1/2 

32 

}Mätresultat 

Figur 21 Utspänning på integratorn under integration. Resultatet visar den integrerade laddningen. 

till 0,8 V under 

referenspotentialen 

laddningen 

den erhållna

7 Försök 

7.1 In vitro 

För att undersöka syrekänsligheten och reproducerbarheten hos de tillverkade 

nålelektrodernas utfördes flertalet in vitro-mätningar. De första gjordes på plats vid Novum 

men senare gavs även tillfälle att testa elektroderna ute vid Karolinska sjukhuset, KS, i Solna. 

7.1.1 Utrustning 

För att göra de grundläggande mätningarna och kunna konstatera om 

tekniken och elektroderna fungerade, användes en vanlig bägare som 

fylldes med NaCl-lösning. I denna placerades en termometer, två 

kolelektroder som mot- och referenselektrod samt en av 

nålelektroderna, se figur 22. Försöken visade att utrustningen var 

känslig för förekomsten av syre men problem uppstod med sjunkande 

värden, såväl vid kort- som långtidsförsök. Exempel på detta finns 

bifogat i bilaga 1. 

För att kunna utesluta diverse felkällor och få en mer isolerad mätmiljö tillverkades en 

elektrokemisk mätcell av plexiglas i vilken elektroderna placerades enligt figur 23. 

Elektrodsystemet bestod fortfarande av en guldkatod (nålelektroden) som arbetselektrod men 

som referens- och motelektrod användes de egenhändigt tillverkade ”EKG-elektrodrören”. 

Elektrolyten var samma NaCl-lösning som tidigare. För att kunna kontrollera pO 2 -halten i 

elektrolyten fanns även möjlighet att ansluta en gasflaska med antingen N 2, O 2 eller luft till 

cellen för att få kända syreprocentsatser i elektrolyten. En termometer anslöts också till 

mätcellen för att kunna studera temperaturberoendet. 

Nålelektrod 

Referenselektrod 

Elektrolyt 

Figur 23 Elektrokemisk mätcell 

33 

Termometer 

Motelektrod 

Wettexbit 

Gasintag 

Figur 22 Uppställning vid 

testmätningar.

Fördelen med att även göra in vitro försök ute vid KS var att här fanns en blodgasapparat 

(Radiometer). På det viset kunde elektrolyten analyseras och den verkliga syrgashalten 

fastställas. Här fanns också tillgång till en magnetomrörare som användes för att blandningen 

snabbt skulle komma i jämvikt och en stabil mätmiljö erhållas. 

De första försöken som gjordes här var en jämförelse mellan två av de tillverkade 

nålelektroderna för att se att de gav ungefär samma mätvärden. Mätningar gjordes vid hög, 

mellan och låg syrgashalt (dock inga exakta värden). Resultatet finns i bilaga 4 och visar att 

de både elektroderna ger liknande värden vid ungefär samma partialtryck av syre. 

Vid försöken användes en liten E-kolv, ca 40 ml, som 

mätcell. I denna placerades nålelektroden, de två 

kolelektroderna samt en sårventilator som var kopplad till 

olika gasflaskor med syre respektive kväve. Sårventilatorn, 

som syns i figur 24, är utvecklad av Mikael Persson, 

doktorand på Novum, och gör så att gasen löser sig bättre i 

elektrolyten (dess egentliga uppgift är dock att med hjälp av 

koldioxid evakuera luft från sårkaviteten vid hjärtoperationer 

för att minska infektionsrisken). Som elektrolyt användes här 

en fysiologisk buffert som fanns i labbet. E-kolven 

placerades på magnetomröraren och som lock användes 

självhäftande plast. Labuppställningen visas i figur 25 nedan. 

Självhäftande plast 

PO 2 -monitor 

Magnetomrörare 

Figur 25 Labuppställning vid KS 

34 

Figur 24 Gasbubbling med sårventilator 

E-kolv med elektroder 

Sårventilatator 

Det var tänkt att resultaten som erhölls vid mätningarna skulle jämföras med en annan 

apparatur för mätning av syrgastryck, Licox CMP®, som hade köpts in till labbet. Licox CMP 

bygger på en metod att mäta pO 2 med en polarografisk elektrokemisk mikrosensor. Med hjälp 

av denna kan värden på vävnadens syrgastryck fås fram och data sparas sedan på ett 

minneskort, smart card, i den tillhörande mätboxen. Tyvärr visade det sig att denna utrustning 

bifogats en mycket knapphändig bruksanvisning och antagligen inte fungerade riktigt som 

den skulle. Det beslutades att den ej var tillförlitlig att användas som jämförande material. 

Dator 

Spruta för blodgasanalys

7.1.2 Utförande och resultat 

Min första uppgift var att undersöka hur känslig mätelektroden var för ändringar av 

syretrycket. Elektrolyten (9mg NaCl/ml) bubblades med luft (21 % O 2 ), syrgas (100 % O 2 ) 

resp. kväve (0 % O 2 ). Försöken visade att elektroden var känslig för dessa skillnader i 

syretryck och resultatet åskådliggörs i bilaga 2. 

Som redan nämnts var ett stort problem sjunkande värden även då syrehalten hölls konstant. 

För hoppningarna var att dessa problem kunde åtgärdas genom att använda den tillverkade 

mätcellen. Så var tyvärr inte fallet. Vid mätningar över natten i luftmättad (21 % syre) lösning 

sjönk fortfarande mätvärdena markant. Vid mätningarna över kort tid erhölls dock stabilare 

värden. Exempel på detta återfinns i bilaga 3. 

Försöken började med att återigen testa syrekänsligheten hos nålelektroden. 

Labuppställningen såg ut som i figur 25 med enda skillnaden att även sårventilatorn var 

placerad i elektrolyten. På det viset kunde syretrycket ändras utan att man behövde lyfta på 

plasten och störa mätmiljön. Till en början kopplades gasslangen till kväveflaskan med den 

följden att mätvärdet sakta sjönk och till sist stabiliserades på ett lägsta värden. En spruta 

fylldes med 0,2 ml av elektrolyten och sprutades in i blodgasanalysatorn. Denna visade att 

pO 2 i elektrolyten var ca 3,31 kPa. Efter detta tillfördes även lite syre till gasblandningen till 

sårventilatorn och mätvärdena ökade hastigt. Efter ett tag stängdes kvävet av och endast syre 

tillfördes nu mätcellen. När värdena återigen hade stabiliserats gjordes en ny gasanalys och 

radiometern visade att pO 2 nu hade ökat till 113,01 kPa. Detta är såklart praktiskt omöjligt 

vilket kan förklaras av att apparaten ej är tänkt att användas vid så höga syrgastryck. Det kan 

ändå sägas att blandningen var syrgasmättad och sålunda borde ha ett pO 2 på ca 101 kPa. Lite 

kvävgas tillfördes återigen och slutligen var bara kvävgasen på. Syretrycket var då nere på ca 

3,51 kPa. Hela händelseförloppet skildras i figur 26 och bevisar att elektroden väl registrerar 

skillnader i pO 2. 

Figur 26 Resultat från mätning med kväve- respektive syrebubbling 

35

Nästa uppgift var att mäta vid olika syretrycksnivåer, från låga till höga och sedan tillbaka till 

låga igen, och registrera det värde som pO 2-monitorn visade. Två olika mätningar, med 

samma förutsättningar, gjordes två olika dagar och resultaten finns illustrerade i figur 27 och 

28. Källdata för de två graferna finns bifogade som excellark i bilaga 4. 

Figur 27 & 28 Diagram med värden från pO 2-monitorn som funktion av pO 2-värdet från blodgasanalysatorn 

36

7.2 In vivo 

In vivo-mätningarna utfördes i anestesi labbet på KS. En doktorand vid namn Malin Jonsson 

skulle där påbörja en djurförsöksstudie på kanin och möjlighet gavs att testa den tillverkade 

elektroden. Tanken var att elektroden skulle sättas i olika vävnader som blod (arteriellt och 

venöst), muskel, etc. Kaninen var kopplad till en respirator och det var därmed möjligt att 

variera syrgastrycket på den gasblandning som tillfördes kaninen. 

7.2.1 Utrustning 

Som mot- och referens elektroder vid in vivo-försöken användes vanliga EKG-elektroder. 

Dessa fästes på den rakade huden vid sidan av det ställe där försöksdjuret snittats. De tre 

elektroderna var kopplade till pO 2-monitorn vilken i sin tur var kopplad till en laptop. Denna 

var tvungen att köras på batteri för att förhindra uppkomsten av svängningar i signalen vilket 

var ett stort problem i början. 

7.2.2 Utförande och resultat 

In vivo-försöken var tänkta att utföras på följande sätt; 

efter det att försöksdjuret sövts ned skulle det kopplas 

till en respirator. För att kunna göra detta måste djuret 

först genomgå en trakeotomi, se figur 29. Efter detta 

skulle nålen stickas in i lämpligt organ och mätningarna 

börja. Figur 30 nedan visar ett exempel på detta. 

Figur 30 Mätning i lårmuskel 

37 

Figur 29 Utförd trakeotomi 

Första dagen med djurförsök blev dock något av en besvikelse. Det började med uppkomsten 

av brum i signalen som gjorde det mycket svårt att avläsa några värden. Då datorn hade dåligt 

batteri och detta ändå inte var fulladdat fortgick ändå mätningarna med tanken att bruset 

kunde filtreras bort i efterhand. 

Trots dessa komplikationer gick det ändå att se eventuella 

skillnader då syremängden i den till respiratorn tillförda 

gasen ändrades. Resultatet blev dock detsamma oavsett 

vilket organ nålen stacks in i; stabila värden men ingen 

höjning av dessa då syrgastrycket ökades. Detta kanske 

kunde förklaras med att något fastnat på elektrodens 

mätyta eller att blodgenomströmningen varit alltför dålig. 

När de sista försöken gjordes hade kaninen varit nedsövd 

och ”öppen” i ca 10 timmar. Analys med 

blodgasapparaten visade dock att syretrycket i blodet 

hade höjts rejält.

Andra dagen började försöken bra. Nålen stacks in i en artär och kaninen andades in en 

gasblandning med 80 kPa syre. Värdena var både höga och stabila. Vid blodgasanalys visade 

det sig att blodet innehöll 86,23 kPa syre. När respiratorn istället kopplades till en 

gasblandning med ca 20 kPa syre sjönk också mycket riktigt värdena. Svaret från gasanalysen 

blev att blodets pO 2 nu hade sjunkit till 6,91 kPa. Problemet uppstod när syret till repiratorn 

återigen höjdes till ca 60 kPa. PO 2-monitorns värden följde då inte efter utan låg kvar på en 

mycket låg nivå, trots att blodet, enligt radiometern, hade ett pO 2 på 55,6 kPa. Nålen drogs då 

ut och stoppades istället in i muskelvävnad men utan förändring. Fortfarande erhölls samma 

låga värden. Resultatet finns i bilaga 4. 

8 Diskussion och slutsatser 

Målsättningen med examensarbetet var att utveckla sensorer till en redan framtagen 

mätapparatur, testa dessa i labmiljö och slutligen utvärdera apparatur med sensorer kliniskt. 

Det som har bevisats är att den elektroniska apparaturen fungerar som den ska utan brum och 

svängningar. Flera slutsatser kan även dras gällande sensorutvecklingen. 

Följande positiva framsteg har gjorts: 

• Ett sätt att egenhändigt kunna isolera guldtråd har tagits fram och visat sig vara lyckat 

vid isolationstester 

• Ett koncept för utveckling framställning av arbetselektroder har tagits fram och visat 

sig vara reproducerbart 

• En ny typ av referens- samt motelektrod har utvecklats 

• Framtagningsmetoderna för samtliga elektroder är enkel och billig i jämförelse med 

konkurrenter. 

• Det har framgångsrikt kunnat påvisas skillnader i mätresultat då syretryckshalten i 

undersökt prov ändrats. 

Det som ej har lyckats är att erhålla stabila värden vid långtidsmätningar in vitro och 

mätningar in vivo. 

Följande saker bör förbättras för fortsatt utveckling 

• Det bör undersökas om det finns något sätt att kompensera för den med tiden 

minskande känsligheten. Det är tänkbart att detta problem går att lösa genom löpande 

mätning av elektrodens småsignalimpedans som rimligtvis kan ge en uppfattning om 

inverkan av adsorbat mm. 

• De in vitro tester som lyckades bäst var de som gjordes ute vid KS. Min 

rekommendation blir därför att utföra dessa mätningar i labmiljö med lämplig 

utrustning. 

• Bygga en bättre mätcell för testmätningar in vitro. Som labuppställningen såg ut vid 

KS var det nödvändigt att lyfta på plasten som användes som lock varje gång man tog 

gasanalysprov. Dessutom kan det tänkas att man vill ha en smartare konstruktion för 

gastillförseln. 

• Det visade sig att användandet av magnetomrörare förbättrade mätresultaten. Det 

fanns även en magnetomrörare med temperaturregulator att tillgå. Det skulle vara 

intressant att undersöka temperaturberoendet med hjälp av denna, något som jag på 

grund av tidsbrist inte hann med. 

• Tidigare rekommendationer var att en guldtråd med minst 0,2 mm i diameter skulle 

användas. Detta har ej kunnat bestyrkas under mina försök. Vid jämförelse mellan en 

38 

mätningar 

för in vitro 

Detta beror 

sannolikt på att den effektiva 

elektrodytan minskar pga 

adsorbat.ref: Bockris/Reddy, 

Modern Electrochemistry 2, p 

1014. Om detta problem inte kan 

lösas blir det praktiska värdet av 

metoden ytterst begränsat. 

Bör hållas hemligt 

tills vi vet om det fungerar.

nålelektrod med en guldtråd med 0,3 mm i diameter och en med en guldtråd på 0,12 

mm i diameter erhölls liknande mätvärden. 

• Vid in vivo försöken var nålelektroden väldigt otymplig att använda. Man skulle här 

vilja att nålen var kortare och att mot- och referenselektrod antingen fanns på samma 

nål eller tillsammans på en separat nål. Användandet av två separata EKG elektroder 

var både besvärligt och en möjlig orsak till problemen vid in vivo försöken som 

antagligen var polarisationsrelaterade. En annan möjlighet är att utveckla en helt ny 

design och bara använda den isolerade guldtråden som den del som ska stickas in i 

vävnaden. Det skulle då bli enklare att arbeta mer smidigt och precist. 

• För alla typer av försök fanns en önskan att kunna jämföra med någon annan apparat. 

Den apparatur som var tänkt att användas till detta, Licox CMP®, verkar mycket bra 

om man får den att fungera ordentligt. 

• Fundera över en kalibreringsmetod. 

• Som redan påpekats flertalet gånger var det största problemet under projektet att 

mätvärdena sjönk under långtidsmätningarna. Detta borde berå på någon sorts 

blockering av elektrodytan och kurvorna över detta nästan exakt likadan ut vid alla 

mätningarna. Detta gör att det i framtiden borde vara möjligt att utveckla en 

kompenseringsmetod för detta. 

39 

det från början 

Det var så vi tänkt 

Har högst prioritet 

och sätts därför först och bakas 

ihop med jag skrev där

9 Referenser 

[1] Orneman, F. Petterson, S. (2003). Utveckling av sensorer för mätning av pO 2 i 

vävnad. Karolinska Institutet, Stockholm Sverige. 

[2] Wallander, A. (2003). PO 2 –monitor. Karolinska Institutet, Stockholm Sverige. 

[3] Holmström, N. (1999). Optimal Pacing with an Implantable pO 2 sensor. 

Karolinska Institutet, Stockholm Sverige. 

[4] Sundvisson, L. Wahlberg, F. (2000). Syrgasmätning i vävnad. Karolinska 

Institutet, Stockholm Sverige. 

[5] Tobiasson, L. Örtenblad, C. (1997). Evaluation and characterization of an 

electrochemical oxxygen sensor. Karolinska Institutet, Stockholm Sverige. 

[6] Electrochemical tutorials. (2003). [www]. Hämtat från 

Bilaga 1 Inledande försök 

Korttidstest 

Motelektrod: Kolelektrod O 2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling 

Referenselektrod: Kolelektrod Mätmiljö: Saltlösning i öppen bägare 

Arbetselektrod: 3-3 Pulstid: 3,4 ms 

Kondensator: 3 

Långtidstest 

Motelektrod: Kolelektrod O 2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling 


Arbetselektrod: 3-3 Pulstid: 3,4 ms Kondensator: 3 

41

Bilaga 2 Syrekänslighet 

Gasbubbling 

Motelektrod: Kolelektrod Pulstid: 3,4 ms 


Arbetselektrod: 3-2 Mätförlopp: 0 luftbubbling 

Kondensator: 3 1058 syrebubbling 

2844 kvävebubbling 

Saltlösningar med olika syrehalt 

42

Motelektrod: Kolelektrod Pulstid: 3,4 ms 


Arbetselektrod: 3-2 Mätförlopp: 0 100% syre 

Kondensator: 1 946 0% syre 

1899 21% syre 

43

Bilaga 3 Försök i mätcell 

Kortttidsförsök 

Mot- och referenselektrod: Sönderklippt Pulstid: 3,4 ms 

EKG-elektrod 

Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i mätcell 

K ondensator: 4 Mätförlopp: 0 luftmättad, ingen bubbling 

1665 elektroden togs upp ca 1 min 

44

Korttidsförsök 

Mot- och referenselektrod: 

Sönderklippta EKG-elektroder 

O2 halt: 21% (luftmättad), ingen bubbling 


Kondensator: 3 Pulstid: 3,4 ms 

45 

Kalla dem inte 


utan ngt trevligare ex vis 

barriärelektrod eller ngt annat du 

kan hitta på

Långtidsförsök 





Kondensator: 2,3 Pulstid: 3,4 ms 

46

Långtidsförsök 






47

Bilaga 4 Mätningar vid KS 

Mot- och referenselektrod: EKGelektroder 

Djurförsök på kanin-nål i artär 

Mätförlopp 92 

472 

Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Blod (artär) 


48 

936 

Blodgas: 86,23 kPa 

Blodgas: 6,91 

Blodgas: 55,60

In vitro- jämförelse mellan två tillverkade nålelektroder 



O2 halt: hög 

Arbetselektrod: 3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare 




O halt: hög 

2 

Arbetselektrod:svart Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare 

49 

Denna kurva (och 

andra) förefaller lågpassfiltrerad, 

bör kommenteras.


50



O halt: mellan 

2 

Arbetselektrod:3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare 




O halt: mellan 

2 



51



O halt: låg 

2 

Arbetselektrod:3-2 Mätmiljö: Buffrad saltlösning i bägare 




O halt: låg 

2 



52

Bilaga 5 Tillverkning av nålelektrod 

Komponenter 

Ca 15 cm guldtråd, 0,1 mm∅ 

Labhylsa med tillhörande metallkontakt 

Injektionsnål, Sterican®. 0,7-0,8 mm∅ 

Loctite 3425 

Super epoxy 

Krympslang, ca 6mm∅ och 8mm∅ 

Metanol 

Verktyg 

Lödtenn och lödkolv 

Värmeblås 

Svarv och slipskiva 

Diamantpapper 

Jigg 

Spruta 

Arbetsgång 

1. Rengör guldtråden i lite metanol. 

2. Löd fast guldtråden på metallkontakten (hanen). Använd låg lödvärme, ca 250° C (figur 1). 

Guldtråd Epoxi Metallkontakt 

Figur 1 

3. Lägg en droppe epoxi på lödinfästningen, låt härda (figur 1). 

4. Späd ut Loctite 3425-epoxi tills blandningen ej är trögflytande. Häll ut några droppar av 

blandningen på ett hårt underlag. Dra därefter guldtråden genom ”pölen” några gånger till 

epoxin börjat härda och blandningen börjat bli trögflytande. Dra försiktigt med fingret eller 

med en svamp längs tråden efter varje gång så att epoxi-lagret blir jämnt och det ej bildas 

några droppar längs tråden. Låt härda ca 24 timmar. Upprepa behandlingen. 

53

5. Värm fast två krympslangar (en i taget) på varandra över metallkontakten så att den passar 

att tryckas fast i behållaren (figur 2). 

6. Trä den fria änden av guldtråden genom injektionsnålen (figur 2). 

Injektionsnål Behållare 

Figur 2 

54 

Krympslang 

7. Fyll en spruta med super epoxy och tryck fast denna i behållaren (låt guldtråden hänga ut 

från sidan). Fyll injektionsnålen med epoxin tills man ser en droppe komma ut ur nålens spets. 

Då trycket blir ganska högt får man hålla emot sprutan hårt för att inte för mycket epoxy ska 

pressas utanör kanylbehållaren. 

8. Lossa försiktigt sprutan och fyll även behållaren med super epoxy. 

9. Tryck fast metallkontakt med krympslang i behållaren. Dra samtidigt försiktigt i guldtråden 

så att den blir rak och följer med in i nålen. Tänk på att det är lätt att den böjs och går av vid 

lödinfästningen. 

10. Torka bort överflödig epoxi ( rengjöring sker lättast med någon form av lösningsmedel) 

och låt härda i ca 24 timmar (helst i värmeskåp). 

11. Värm fast ytterliggare en krympslang över infästningen mellan kontakt och nål (figur 5). 

12. Klipp av överflödig guldtråd. 

13. Klipp till diamantpapper så att det täcker slipskivan. Fäst pappret på skivan. 

14. Drag fast slipskivan i svarven. 

15. Slipa försiktigt toppen av nålen till en jämn yta erhållits. Använd ett lågt varvtal! 

16. Undersök ytan i mikroskop för att verifiera att guldytan ligger i mitten och inte mot 

metallen i nålen (figur 3 och 4). 

Kanylstål 

Guld 

Isolering 

Epoxi 

Figur 5

Utveckling av metodik för mätning av pO2 i vävnad Development of ...

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?