Brevet FR2611050A1 — publié le 19880819

La présente invention a pour objet une nouvelle électrode sélective à membrane pour le dosage d'ions, ainsi qu'une méthode potentiométrique utilisant ladite électrode. On sait que le dosage potentiométrique des ions, en particulier dans les liquides biologiques, se développe de façon importante depuis plusieurs années. Cette méthode comporte en effet, par rapport à d'autres techniques telles que la photométrie de flamme, plusieurs avantages - l'appareillage est simple à manipuler et ne nécessite que peu de maintenance - il n'est pas nécessaire de disposer de gaz inflammables - l'échantillon dosé n'est pas modifié et peut être réutilisé, par exemple pour étudier d'autres paramètres - il est possible de réaliser des systèmes portables. On sait que les électrodes classiques permettant de mesurer 11 activité d'une espèce ionique en solution comportent une membrane présentant une structure analogue à une feuille, avec deux faces actives, une des faces étant destinée à être mise en contact avec la solution d'ions à doser, et l'autre face étant destinée à être mise en contact électrique avec un conducteur de sortie à l'aide de moyens permettant de réaliser une différence de potentiel fixe entre ladite face interne et ledit conducteur de sortie, ces moyens étant couramment appelés, de façon abrégée, "référence interne". La référence interne est généralement constituée par un électrolyte liquide et les recherches actuelles portent notamment sur les possibilités de substitution d'un électrolyte solide à l'électrolyte liquide. La présente invention a pour objet un nouveau type d'électrode sélective à membrane, dans laquelle la référence interne est supprimée puisque la membrane est en contact direct avec le conducteur de sortie. La présente invention a donc pour objet une électrode sélective à membrane pour le dosage des ions, comprenant une membrane sensible aux ions et un conducteur de sortie, caractérisée par le fait que ladite membrane est réalisée en une couche mince d'un matériau polymérique contenant un ionophore sélectif, et que ladite couche mince est appliquée directement sur le conducteur de sortie. La membrane est constituée par une matrice polymérique pouvant etre constituée en tout matériau polymérique non ionique insoluble dans l'eau et soluble dans des solvants hydrophobes. Parmi les matériaux polymériques utilisables, on citera en particulier les silicones et les polymères vinyliques. Les silicones utilisables sont ceux qui se présentent sous la forme de solides plastiques. Ces silicones peuvent être appliqués sous la forme de précurseurs tels que des siloxanes comportant un groupément silanol estérifié par un acide tel que l'acide acétique. De tels esters s'hydrolysent en présence de l'humidité de l'air en libérant des groupements silanol qui, par condensation entre eux, formeront des ponts oxygène entre les channes polymériques. Parmi les silicones utilisables, on peut citer notamment les silicones commercialisés sous la marque SILASTIC (Dow Corning) tels que le Silastic A, les silicones commercialisés sous la marque SILOPREN (Bayer) tels que le Silopren 3096, les silicones vendus sous la dénomination CAF (Rhône Poulenc) tels que le CAF 7037, etc... La matrice polymérique est appliquée sur le conducteur sous la forme d'une solution dans un solvant ou plastifiant qui améliore la fluidité du polymère et en facilite donc l'application. En outre, la présence d'un solvant ou plastifiant hydrophobe, insoluble dans l'eau et ayant une faible pression de vapeur permet de réaliser une membrane semi-solide.On sait que dans de telles membranes constituées par un matériau polymérique contenant un solvant ou plastifiant, ce dernier apporte plusieurs avantages : il permet de solubiliser l'ionophore et il améliore la mobilité des ions et des complexes dans la membrane. Il en résulte généralement une amélioration de la sélectivité de la membrane et aussi une amélioration de la pente de la courbe de réponse. il est connu que de tels solvants ou plastifiants doivent avoir une faible constante diélectrique, par exemple inférieure à 15. Parmi les solvants ou plastifiants utilisables, on citera par exemple des esters hydrophobes tels que des adipates, phtalates ou sébacates d'alkyle (l'alkyle ayant par exemple 4 à 12 atomes de carbone), des éthers tels que le diphenyl éther ou le dibenzyl éther, le nitrobenzène et ses dérivés tels que par exemple le diméthyl nitrobenzène, le p-hexyl nitrobenzène ou l'o-nitrophényl octyl éther, le tétrahydrofuranne, des hydrocarbures comme le mésitylène, et des solvants halogénés tels que lthexafluoropropane, le trichlorotrifluoroéthane, etc.... La proportion de solvant par rapport au polymère peut varier de façon très large et peut être facilement déterminée dans chaque cas par des expériences de routine. Bien entendu, il est nécessaire que le mélange polymère + solvant ne constitue qu'une seule phase. Le mélange fluide polymère + solvant, contenant l'ionophore en proportions convenables, est appliqué sur le conducteur de sortie par tout moyen approprié, par exemple à l'aide d'un pinceau, ou encore par imprégnation. Il est possible d'améliorer l'uniformité de la couche, dans le cas d'un conducteur de sortie cylindrique, en donnant à celui-ci une vitesse de rotation convenable, selon son axe. De préférence, on applique sur le conducteur de sortie une quantité suffisante du matériau de membrane pour que l'épaisseur de la membrane soit comprise entre 0,04 et 0,4 mm environ. Avec des épaisseurs plus faibles ou plus élevées, le temps de réponse est généralement augmenté et les résultats sont irréguliers. Le mode de réalisation le plus simple consiste à appliquer le matériau de membrane de façon continue sur tout le pourtour du conducteur de sortie, et sur une hauteur pouvant aller par exemple de 10 à 20 millimètres. Le conducteur de sortie peut être tout métal ou alliage conducteur ayant une stabilité chimique suffisante, en particulier l'acier inoxydable ou les métaux nobles, ou encore le graphite ou le carbone vitreux. Il peut également être constitué par une courbe mince métallique, par exemple en or, déposée sur la face externe de la paroi d'un tube de verre. Les ionophores sont des agents capables de capter des ions de la solution échantillon et de les transporter à travers la membrane. Les ionophores ont généralement la propriété de complexer les ions, en particulier les cations. Les ionophores doivent être suffisamment solubles dans la membrane et insolubles dans l'eau. Ce sont généralement des molécules organiques ayant de longues channes hydrocarbonées. Parmi les ionophores connus, on citera en particulier les depsipeptides acycliques, les macrotétrolides et divers polyéthers. Ces ionophores sont électriquement neutres dans les-conditions d'utilisation, et forment des complexes 1:1 avec les ions alcalins. Les depsipeptides cycliques sont des molécules en forme de couronne constituées en alternance d'acides alpha-aminés et d'alpha-hydroxy acides aliphatiques. Parmi ces composés, le plus connu est la valinomycine. Les macrotétrolides sont des antibiotiques découverts dans diverses cultures d'actinomycètes, notamment de streptomycètes. Ce sont des tétralactones dérivées de l'acide nonactinique et diversement substituées. Parmi ces composés, on citera en particulier la nonactine. Parmi les polyéthers utilisables comme ionophores, on citera notamment ceux dont la molécule est en forme de couronne, comme par exemple le dicyclohexyl-18-crown-6 décrit par J. Pedersen, J. Am. Chem. Soc., 89 > pp.7017 (1967). On peut encore citer le dibenzo-30-crown 10. D'autres substances sont utilisables comme ionophores, en particulier les gramicidines (par exemple gramicidine S) qui sont des antibiotiques de type peptidique formant des complexes avec les ions alcalins, l'antanamide qui fixe préférentiellement le sodium, la nigéricine isolée de cultures de Streptomyces cinamonensis, On a en outre découvert que les esters de cholestérol formés avec les acides aliphatiques ayant 2 à 20 atomes de carbone, comme l'acétate de cholestérol, constituent des ionophores sensibles notamment aux ions potassium. Parmi les électrodes de l'invention, on citera en particulier celles dont la membrane est sensibles aux ions alcalins (sodium, potassium, lithium) ou alcalino-terreux (notamment calcium), ou aux ions chlorure. L'invention a notamment pour objet une électrode telle que définie précédemment, caractérisée par le fait que le conducteur de sortie est un corps creux de forme allongée et que la membrane est appliquée, au voisinage de l'extrémité inférieure du conducteur de sortie supposé vertical, sur une partie de la surface, exposée au milieu extérieur, dudit conducteur de sortie. Une électrode ayant une telle structure est très avantageuse car elle permet de réaliser une électrode plongeante avec l'électrode de référence, en l'isolant convenablement, à l'intérieur dudit corps creux. Selon un premier mode de réalisation d'un tel système à électrode de référence incluse, l'électrode à conducteur de sortie creux comporte un bouchon isolant obturant ledit corps creux au voisinage de son extrémité inférieure et ladite électrode de référence traverse ledit bouchon de façon que l'extrémité active de ltélectrode de référence débouche dans le milieu extérieur. Le bouchon isolant peut être réalisé avec une résine isolante connue, par exemple une résine époxy. L'électrode de référence est alors une électrode solide, par exemple une électrode d'argent dont l'extrémité débouchant vers l'extérieur est recouverte d'une couche de chlorure d'argent. On sait qu'une tel:e électrode argent/chlorure d'argent est sensible uniquement aux ions chlorure. Selon un deuxième mode de réalisation de l'électrode avec électrode de référence incluse, ledit corps creux est muni intérieurement d'un revêtement isolant et est obturé, au voisinage de son extrémité inférieure, par un diaphragme poreux (appelé aussi "pont") dont la face externe est destinée à etre mise en contact avec la solution à étudier et dont la face interne est destinée à être mise en contact avec une référence interne liquide pour l'électrode de référence qui est disposée dans la partie creuse du conducteur de sortie de façon que l'extrémité inférieure active de ladite électrode de référence plonge dans ladite référence interne liquide. Dans ce second mode de réalisation, le diaphragme poreux est par exemple un verre microporeux ou un matériau polymérique poreux tel qu'un polyacrylamide. On a découvert qu'on obtient des résultats particulièrement intéressants avec un diaphragme constitué par un gel conducteur de polyacrylamide comportant des substituantsionisables tels que des groupements carboxyliques et/ou des groupements amine. De tels gels conducteurs sont obtenus de façon connue en copolymérisant l'acrylamide avec des dérivés de formule CH2=CH-CO-NE-R, R contenant un groupement acide carboxylique ou un groupement amine tertiaire. De tels systèmes copolymérisables sont commercialisés sous la dénomination "Immobiline" (marque déposée) par le firme LKB-Produkter (Suède) ; voir aussi le brevet US n04.130.470. Dans ce deuxième mode de réalisation de ltélectrode avec électrode de référence incluse, l'électrode de référence peut être toute électrode capable de fonctionner avec une référence interne liquide, par exemple une électrode au calomel. L'invention a également pour objet un dispositif potentiométrique permettant de mesurer l'activité d'ions en solution, caractérisé par le fait qu'il comprend une électrode telle que définie précédemment, ainsi qu'une électrode de référence et des moyens pour mettre en connection électrique lesdites électrodes avec un appareil permettant de mesurer la différence de potentiel entre ces deux électrodes. L'invention a également pour objet une méthode potentiométrique de mesure de l'activité d'ions en solution, caractérisée par le fait qu'elle comprend l'étape consistant à mettre en contact ladite solution avec une électrode telle que définie ci-dessus et avec une électrode de référence, puis à mesurer la différence de potentiel entre les deux électrodes. La comparaison des résultats obtenus avec ceux obtenus avec des solutions étalons permet de déterminer l'activité de l'ion considéré dans la solution étudiée. Les électrodes telles que celles décrites ci-dessus sont bien entendu utilisées comme électrodes plongeantes. Lors de l'utilisation de ltélectrode, il faut évidemment contrôler la descente de l'électrode etjou le volume de l'échantillon analysé de façon qu'il y ait toujours une même aire de la membrane active en contact avec la solution étudiée. Ces électrodes permettent le dosage des ions notamment dans les sérums, les plasmas, le sang complet, les urines, etc.... éventuellement après dilution convenable. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLE 1 Dans cet exemple on fait référence à la figure 1, qui représente une vue en coupe axiale d'une électrode cylindrique selon l'invention. Dans cette électrode, le conducteur de sortie 1 est un tube en acier inoxydable de diamètre extérieur 2mm et de diamètre intérieur 1,8mm. Dans ce tube d'acier inoxydable est introduit en force un tube de teflon 2, de diamètre extérieur 1,8mm et de diamètre intérieur 1,2mm. Sur l'extrémité inférieure du conducteur 1 est appliquée une couche polymérique constituant la membrane 3. Cette membrane a une épaisseur d'environ O,lmm. La membrane est appliquée sur le conducteur de sortie sur une hauteur de 15mm. L'électrode de référence est constituée par un fil d'argent 4 ayant un diamètre 0,5mm. Comme on le voit, l'extrémité inférieure de l'électrode est noyée dans un bouchon 5 de résine époxy qui recouvre extérieurement l'électrode jusqu'à l'extrémité inférieure de la membrane, de façon à éviter tout contact du conducteur de sortie avec la solution étudiée lors de l'utilisation. Le bouchon de résine époxy permet aussi le maintien de l'électrode de référence. Comme on le voit, l'électrode de référence traverse le bouchon et son extrémité inférieure dépasse d'environ 5mm. L'extrémité inférieure du fil d'argent est recouverte d'une couche de chlorure d'argent 6, qui est obtenue en effectuant une électrolyse dans une solution de chlorure de sodium contenant du chlore (100mmoles/litre) sous une tension continue de 10 volts, le fil à chlorurer étant relié au pôle positif du générateur. Le temps d'électrolyse est d'environ 30 minutes. La membrane est constituée de 250mg de Silastic A (Dow Corning réf. 891), de 5mg de valinomycine (Fluka réf.94675), et de 2ml environ de mésitylène (Merck réf.805.890). On laisse polymériser ce mélange après application, en atmosphère contrôlée (humidité relative : 40% ; température : 200C). Une température supérieure, par exemple de 30 à 400C, accélère la polymérisation du silicone. On obtient ainsi une électrode sensible aux ions potassium. On a également réalisé de la même façon une électrode sensible aux ions sodium-dont la membrane a la constitution suivante - chlorure de polyvinyle (Fluka réf.81837) 200mg - Solvant : nitrophényl octyl éther (Fluka réf.73732) 550mg - ionophore : ETH 227 (Fluka réf.71732) IOmg - mésitylène (Merck réf.805.890) 2ml L'ionophore ETH 227 est un composé décrit par Simon (Zürich), Helv. Chim. Acta 19t6, 58, 2417. L'extrémité supérieure de l'électrode est scellée par un manchon 7 en résine isolante. L'extrémité supérieure du conducteur de sortie est reliée, gracie à un contact de type "wrapping" sur lequel est soudé un fil de liaison conducteur (non représenté). L'électrode de mesure et l'électrode de référence sont reliées à un voltmètre de haute impédance d'entrée (10ȏhms) et de faible courant d'entrée. Le signal de basse impédance est ensuite transmis à un convertisseur analogique-numérique, puis traité par un ensemble informatique. Pour étudier la réponse de l'électrode, on utilise une gamme de solutions mixtes chlorure de sodium + chlorure du potassium, à activité constante en ions interférents j et activité croissante en ions i à doser. On trace la courbe E - f (log ai). On obtient ainsi une courbe de sélectivité qui tend vers deux asymptotes, une correspondant à l'activité élevée en ions i, l'autre tendant vers la valeur de potentiel aj correspondant à la présence de l'ion interférent j seul. En prolongeant la partie linéaire de la courbe, on détermine l'activité a0 qui permet de calculer le coefficient de sélectivité La pente de la partie linéaire de la courbe est théoriquement d'environ 59 millivolts par décade pour un ion monovalent à 250C. La réponse de l'électrode est d'autant plus satisfaisante que l'on s1 approche davantage de cette valeur théorique. Les résultats sont résumés dans le tableau I suivant. Dans ce pot tableau on a exprimé la sélectivité sous la forme de l'inverse de KP. . Par exemple si 1/KPOt = 1000, cela signifie que l'électrode est 1000 fois plus ij sélective pour l'ion i que pour l'ion j. Pour l'électrode sensible aux ions potassium, i = K et j = Na , et inversement pour l'électrode sensible aux ions- sodium. TABLEAU I Electrode Pente Sélectivité Temps de réponse/ Durée de vie sensible mV/décade décade (en secondes) (mois) aux ion8 > 50 > 5000 > 9 Na > 45 > 50 > 2 EXEMPLE 2 De façon analogue on a réalisé une électrode sensible aux ions potassium en utilisant l'acétate de cholestérol comme i9nophore, la membrane étant en silicone (Silastic A). On a préparé la membrane de la façon suivante : on dissout 10mg d'acétate de cholestérol dans le minimum (soit environ lml) de tétrahydrofuranne, et on mélange la solution, de façon homogène, avec 300mg de Silastic A. On obtient une pâte qui est étendue de façon homogène en couche mince, à l'aide d'un pinceau, sur la face externe de l'extrémité inférieure d'un tube d'acier inoxydable, ayant les dimensions suivantes : longueur 25mm diamètre externe 3mm ; diamètre interne 1,5mm. On laisse la polymérisation du silicone steffectuer à l'air libre pendant 7 jours. Le tube est ensuite introduit dans une enceinte à vide, sous vide poussé de 10-6 Torr (environ 1,3.10 Pa) pendant 4 heures. La réalisation de l'électrode est ensuite terminée comme à l'exemple 1. Plusieurs électrodes ainsi préparées ont donné une réponse satisfaisante aux ions K+, avec des pentes comprises entre environ 45 et 60 mV/décade environ, et des spécificités de l'ordre de ot = 8500 à 19500 K+Na+ REVENDICATIONS 1. Electrode sélective à membrane pour le dosage des ions, comprenant une membrane sensible aux ions et un conducteur de sortie, caractérisée par le fait que ladite membrane est réalisée en une couche mince (3) d'un matériau polymérique contenant un ionophore sélectif et que ladite couche mince est appliquée directement sur le conducteur de sortie (1). 2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'ionophore, sensible aux ions potassium, est un acyl cholestérol. 3. Electrode selon la revendication 2, caractérisée par le fait que l'ionophore est l'acétate de cholestérol. 4. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait-que le conducteur de sortie est un corps creux (1) de forme allongée et que la membrane (3) est appliquée, au voisinage de l'extrémité inférieure du conducteur de sortie supposé vertical, sur une partie de la surface exposée au milieu extérieur dudit conducteur de sortie. 5. Electrode selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre une électrode de référence (4) disposée à l'intérieur dudit corps creux et convenablement isolée de celui-ci. 6. Electrode selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'elle comporte un bouchon isolant (5) obturant ledit corps creux au voisinage de son extrémité inférieure, et que ladite électrode de référence traverse ledit bouchon de façon que l'extrémité active (6) de ladite électrode de référence débouche dans le milieu extérieur. 7. Electrode selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit corps creux est muni intérieurement d'un revêtement isolant et est obturé, au voisinage de son extrémité inférieure, par un diaphragme poreux dont la face externe est destinée à être mise en contact avec la solution à étudier et dont la face interne est destinée à être mise en contact avec une référence interne liquide pour l'électrode de référence. 8. Electrode selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ledit diaphragme poreux est constitué par un gel de polyacrylamide conducteur contenant des substituants ionisables. 9. Dispositif potentiométrique caractérisé par le fait qu'il comprend une électrode telle que définie précédemment, ainsi qu'une électrode de référence et des moyens pour mettre en connection électrique lesdites électrodes avec un appareil permettant de mesurer la différence de potentiel entre ces deux électrodes. 10. Méthode potentiométrique de mesure de l'activité d'ions en solution, caractérisée par le fait qu'elle comprend l'étape consistant à mettre en contact ladite solution avec une électrode telle que définie ci-dessus et avec une électrode de référence, puis à mesurer la différence de potentiel entre les deux électrodes.