Neue Elektrode zum Messen von Ionenkonzentrationen

Wolfgang Schuhmann entwickelt winzige Elektroden für die Messung von Ionenkonzentrationen / Bildquelle: RUB, Tim Kramer

Forscher um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Elektrode zum Messen von Lithiumionenkonzentrationen entwickelt. Anders als bisherige Systeme ließe sie sich in kleinem Format kostengünstig herstellen. Schlüssel zum Erfolg ist das Material Lithium-Eisen-Phosphat, das auch in Lithiumionen-Batterien Einsatz findet. Das Funktionsprinzip könnte sich auf die Messung weiterer Ionen übertragen lassen, wie sie für Blutanalysen und industrielle Tests nötig sind.

Für Blutanalysen und industrielle Tests müssen Anwender oft die Konzentration bestimmter Ionen messen. Die Geräte dafür sind derzeit groß und nicht günstig produzierbar. Eine neue trockene Elektrode könnte das ändern. Mini-Messsysteme für Ionenkonzentrationen haben Entwickler bislang vor große Herausforderungen gestellt. Stets mussten sie einen Kompromiss zwischen Größe, Kosten und reproduzierbaren Messergebnissen eingehen.

Eine Lösung für dieses Problem beschreibt ein Forscherteam um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition. Die Wissenschaftler konzipierten eine Elektrode, die stabil die Konzentration bestimmter positiv geladener Ionen misst und günstig in Masse produzierbar wäre. Die Elektrode könnte dabei kleiner als 100 Mikrometer sein und durch einfaches Drucken einer Paste produziert werden.

Bisheriges Messprinzip – Sogenannte ionenselektive Elektroden können zum Beispiel die Konzentration von positiv geladenen Ionen wie Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium- oder Lithiumionen erfassen. Sie besitzen eine Membran, die nur für die zu messende Ionensorte durchlässig ist. Das Innere des Messsystems enthielt bisher eine Elektrolytlösung, die ebenfalls die zu messende Ionensorte enthält.

Das Prinzip funktioniert wie folgt: Die Ionen wandern durch die Membran, bis ihre Konzentration auf beiden Seiten gleich ist. Da die Ionen positiv geladen sind, entsteht dabei ein Ladungsunterschied zwischen dem Inneren des Messsystems und der untersuchten Flüssigkeit. Diesen Ladungsunterschied erfasst eine Referenzelektrode, die sich in der Elektrolytlösung befindet. Aus dem gemessenen Wert lässt sich die Konzentration der analysierten Ionen berechnen.

Will man ein solches System in kleinem Format umsetzen, ist nicht genug Platz für die Elektrolytlösung. Schuhmanns Team fand jedoch einen Weg, eine Elektrode ganz ohne diese Flüssigkeit herzustellen. Das war bislang besonders für solche Elektroden problematisch, die die Konzentration von positiv geladenen Ionen ermitteln.

Lösung – Statt eine Elektrolytlösung mit den zu messenden Ionen zu verwenden, nutzten die Chemiker ein festes Elektrodenmaterial, das direkt für die zu messende Ionensorte sensitiv ist. Um Lithiumionen zu detektieren, griffen sie auf Lithium-Eisen-Phosphat zurück. Diese Substanz kann Lithiumionen temporär einlagern und später wieder abgeben.

Ein 42-Tage-Test im Rahmen der aktuellen Studie ergab, dass das System über längere Zeit stabile Messergebnisse liefert. Nun müssen die Wissenschaftler nach weiteren Elektrodenmaterialien suchen, die andere positiv geladene Ionen wie Natrium- oder Kaliumionen einlagern können.

Originalveröffentlichung – Y. Ishige, S. Klink, W. Schuhmann (2016): Intercalation compounds as inner reference electrodes enable reproducible and robust solid-contact ion-selective electrodes, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201600111

http://www.rub.de