<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Partialdruckes von Sauerstoff in einem Medium, mit einem sterilisierbaren Sauerstoffmessfühler, der als Sauerstoffsensor einen Fluoreszenzlöschung durch molekularen Sauerstoff zeigenden Indikator an einem am mit der zu messenden Probe in Kontakt bringbaren Ende des Fühlergehäuses angeordneten Träger aufweist, sowie mit einer Anregungslicht-Quelle und einem Detektor für die Fluoreszenzstrahlung, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist und wobei die in der Auswerteeinrichtung aufbereiteten Detektorsignale dem gesuchten Partialdruck zugeordnet sind.
Derartige Messeinrichtungen werden beispielsweise im medizinischen oder biologischen Bereich eingesetzt, wo es darauf ankommt, dass jede Beeinflussung des zu messenden Mediums etwa durch Krankheitserreger oder unerwünschte biologische Reaktionen hervorrufende Rückstände einer früheren Messung vermieden werden müssen.
Bei bekannten Einrichtungen zur Partialdruckbestimmung von Sauerstoff werden Sauerstoffmessfühler verwendet, welche aus einer Kathode und einer Anode bestehen, die über eine Elektrolytlösung in Kontakt stehen und durch eine gaspermeable Membran vom Messmedium getrennt sind.
Dabei werden im wesentlichen zwei Kategorien unterschieden. Es sind dies einerseits die galvanischen Elektroden, bei denen zwischen Kathode (z. B. aus Silber) und Anode (z. B. aus Blei) eine Spannung gegeben ist, die ausreicht, um Sauerstoff kathodisch zu reduzieren, weshalb keine externe Spannungsquelle benötigt wird. Anderseits werden auch polarographische Elektroden eingesetzt, bei denen zwischen Kathode (z. B. aus Platin) und Anode (z. B. aus Silber) eine Spannung angelegt wird, welche ausreicht, um Sauerstoff kathodisch zu reduzieren. Es wird also in beiden Fällen Sauerstoff an der Kathode verbraucht und muss aus dem Messgut nachgeliefert werden, was unmittelbar eine Beeinflussung des zu messenden Wertes durch die Messung selbst ergibt.
Als weiterer Nachteil ist in diesem Zusammenhang zu nennen, dass der entsprechende Polarisationsstrom - und damit auch die gemessene Grösse - nicht nur abhängig vom Sauerstoffpartialdruck im Messmedium, sondern auch von den Transportwiderständen für Sauerstoff zwischen Messmedium und Kathode ist.
In vereinfachter Weise kann die Messgrösse (der Polarisationsstrom i) folgendermassen dargestellt werden :
EMI1.1
EMI1.2
des Sauerstoffverbrauches während der Messung unter anderem auch vom Bewegungszustand des Messmediums ab, was eine Signalabhängigkeit beispielsweise von der Rührgeschwindigkeit ergibt.
Da die Grösse des Membranwiderstandes gegen Sauerstofftransport bei derartigen Messeinrichtungen entscheidenden Einfluss auf das Messsignal nimmt, besteht auch eine relativ grosse Gefahr einer Veränderung der Messgrösse durch auf den Membranwiderstand einwirkende äussere Einflüsse, wie Druck, Temperatur, mechanische Belastung, wie sie vor allem bei den laufend erforderlichen Sterilisationsvorgängen auftreten.
Einige der bei derartigen Messeinrichtungen in diesem Zusammenhang auftretenden Nachteile sind durch verschiedene zusätzliche bekannte mechanische Vorkehrungen versucht worden zumindest in ihrem Einfluss zu verringern ; so etwa durch Verwendung von zusätzlichen Stützmembranen, von Metallgittern als Membranverstärkung, von speziellen Kathodenformen, welche als mechanische Membranverstärkung wirken, oder von dicken Membranen. Diese Vorkehrungen bewirken jedoch teilweise andere Nachteile - wie beispielsweise Empfindlichkeitsverlust bei dickeren Membranen-und erfordern einen nicht unbeträchtlichen Mehraufwand.
Weiters sind beispielsweise aus der DD-PS Nr. 106086 Messeinrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, die den Vorteil haben, dass auf Grund des fluoreszenzoptischen Messprinzips der Sauerstoffverbrauch entfällt, was sowohl jede Beeinflussung des Messresultats durch die Messung
<Desc/Clms Page number 2>
selbst als auch durch den jeweiligs vorliegenden Bewegungszustand des Messmediums ausschliesst.
Obwohl in der genannten DD-PS Nr. 106086 nicht explizit auf die Eigenschaft der Sterilisierbarkeit hingewiesen wird, lässt sich aus dem beschriebenen Verwendungszweck ableiten, dass die
EMI2.1
sche Geräte wie Kanülen oder Katheter sind.
Auf Grund der Beschreibung des Aufbaues der aus dieser Schrift bekannten Einrichtungen ist es allerdings für den Fachmann auszuschliessen, dass Dampfsterilisation und damit Temperaturen von 1200C in Frage kommen, da es dabei zu Zerstörung oder Ablösung der Membran, Auswaschen des Indikators, oder Zerstörung des Trägers kommen würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen nicht auftreten und dass insbesonders eine Sterilisation mit Dampf ohne Beeinflussung der Eigenschaften des Sauerstoffmessfühlers möglich ist.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der Indikator in an sich bekannter Weise in einer Polymermembran eingebaut vorliegt, dass diese Membran an der dem zu messenden Medium abgewendeten Seite fest mit dem mechanisch stabilen, temperaturbeständigen und transparenten Träger in haftender Verbindung steht, und dass zur Dampfsterilisation sowohl die Anregungslicht-Quelle als auch der Detektor aus dem mit dem Träger als vorderem Abschluss verbunden bleibendem Gehäuse ausbaubar ist.
Es wird damit das Prinzip der fluoreszenzoptischen Sauerstoffbestimmung nach wie vor als vorteilhaft beibehalten, was aber gemäss den obigen Ausführungen im Hinblick auf die Sterilisierbarkeit nicht ohne weiteres möglich war. Erst die Verwendung eines Sauerstoffmessfühlers mit einem in einer Polymermembran ohne flüssige Phase eingebauten Indikator - wie dies in anderem Zusammenhang beispielsweise aus der DE-OS 3001669 bekannt ist-wobei die Membran überdies noch an der dem zu messenden Medium abgewendeten Seite mit einem mechanisch stabilen Träger in Verbindung steht, gibt die Möglichkeit, die an sich gegebenen Vorteile der fluoreszenzoptischen Messmethode auch in diesem Zusammenhang voll auszunutzen.
Der Träger mit der indikatorhaltigen Polymermembran dient als vorderer Abschluss des rohrförmigen Gehäuses, wobei sowohl die Anregungslicht-Quelle als auch der Detektor zur Sterilisation aus dem Gehäuse ausbaubar sind. Dies ist etwa insbesondere bei einem Bioreaktor bzw. Fermenter, der genormte, abgedichtete Anschlussstutzen zum Einstecken des z. B. ein im wesentlichen rohrförmiges Gehäuse aufweisenden Sauerstoffmessfühlers hat, sehr vorteilhaft.
Derartige Bioreaktoren sind üblicherweise als zylinder- bzw. tonnenförmige Behälter ausgebildet, die an den Aussenflächen genormte Stutzen für verschiedene Messeinrichtungen oder Zusatzgeräte aufweisen. Um den eigentlich messempfindlichen Teil des Sauerstoffmessfühlers in einem interessierenden Bereich im Bioreaktor anordnen zu können, sind lange rohrförmige Sonden vorgesehen, die zur Sterilisation eingebaut bleiben. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung kann das rohrförmige Gehäuse des Sauerstoffmessfühlers zur Sterilisation des Bioreaktors von den nur für die Messung erforderlichen Teilen geleert werden, so dass nur mehr der mechanisch stabile Träger mit der aufgebrachten indikatorhaltigen Polymermembran als vorderer Abschluss verbleibt.
Da die üblicherweise verwendeten Polymeren in dem für die Sterilisation erforderlichen Temperaturbereich vollkommen stabil sind, ist dies ohne weiteres möglich. Es ist also mit der Erfindung eine sterilisierbare Sauerstoff-Messeinrichtung geschaffen, welche einfach aufgebaut ist und sämtliche Nachteile der genannten bekannten Einrichtungen vermeidet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die indikatorhaltige Membran an der dem Träger abgewendeten Seite eine sauerstoffdurchlässige Schichte mit geringer Lichtdurchlässigkeit auf. Auf diese Weise ist die fluoreszenzoptische Sauerstoffbestimmung von den Umgebungsbedingungen im Bioreaktor vollkommen unabhängig, da kein störendes Aussenlicht eindringen und die Fluoreszenzlichtmessung verfälschen kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, wobei die Anregungslicht-Quelle in einem im messbereiten Zustand des Sauerstoffmessfühlers im Abstand zum Sauerstoffsensor befindlichen Lampengehäuse angeordnet und optisch mit dem indikatorhaitigen Sauerstoffsensor über einen Lichtleiter
<Desc/Clms Page number 3>
in Verbindung steht, ist vorgesehen, dass der Detektor für die Fluoreszenzstrahlung in der Nähe des indikatorhaltigen Sauerstoffsensors im rohrfömrigen Gehäuse angeordnet und mit einem als Teil der Auswerteeinrichtung innerhalb des Lampengehäuses vorgesehenen Vorverstärker verbunden ist.
Da der Detektor selbst keine Wärme produziert, ist seine Anordnung möglichst nahe am Ort der Entstehung der Fluoreszenzstrahlung hinsichtlich der aufgenommenen Intensität sehr günstig ; durch die Vorverstärkung der Detektorsignale bereits im Sauerstoffmessfühler können Einstrahlungen über das Messkabel in ihren Auswirkungen verringert werden. Damit ist sowohl die gegebenenfalls erforderliche Kühlung des Bereiches der Lichtquelle als auch deren Einund Ausbau vereinfacht. Als weiterer Vorteil wäre dazu anzuführen, dass die für bestimmte Prozesse erforderliche genaue Temperaturregelung im Bioreaktor nicht durch von der Anregungslicht- -Quelle abgegebene Wärme gestört werden kann.
Zwischen Anregungslicht-Quelle und Lichtleiter können selektive Filter im Lampengehäuse angeordnet sein, womit die nicht für die Anregung des Fluoreszenzindikators erforderlichen Wellenlängen des von der Quelle emittierten Lichtes bereits vor Eintritt in den Lichtleiter und damit den Bioreaktor ausgefiltert werden können, was ebenfalls sehr vorteilhaft ist.
Zusätzlich zum Detektor für die Fluoreszenzstrahlung kann beispielsweise auch ein vom Anregungslicht beaufschlagter, mit der Auswerteeinrichtung verbundener Referenzdetektor vorgesehen sein, dessen Signal in einer Verknüpfungsschaltung in der Auswerteeinrichtung zur Normierung des eigentlichen Messsignals auf die jeweilige Anregungsintensität dient. Auf diese Weise können Schwankungen in der Intensität der Anregungslicht-Quelle auf einfache Weise berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, die Verknüpfungsschaltung im Lampengehäuse des Sauerstoffmessfühlers anzuordnen, da dann nur das bereits normierte Messsignal zu den ausserhalb des Sauerstoffmessfühlers liegenden Teilen der Auswerteeinrichtung übertragen werden muss.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Messeinrichtung nach der Erfindung in teilweise schematischer Darstellung und Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung in einer Explosionsdarstellung.
Die Messeinrichtung nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Sauerstoffmessfühler-l- und einer die von dem Sauerstoffmessfühler über eine Leitung --2-- gelieferten elektrischen Signale verarbeitenden Auswerteeinrichtung --3--, und dient zur Bestimmung des Partialdruckes von Sauerstoff in einem zumindest am vorderen Ende --4'-- mit dem Sauerstoffmessfühler-l- in Kontakt bringbaren Medium. Um die Verwendung der Messeinrichtung für biologische bzw. medizinische Messungen zu ermöglichen, ist zumindest der mit dem Medium in Kontakt kommende Teil des Sauerstoffmessfühlers-l-mit Dampf sterilisierbar (üblicherweise Wasserdampf mit einer Temperatur von etwa 120 C und einem Druck von etwa 2, 2 bar) was gewisse, noch zu beschreibende Massnahmen erfordert.
Der Sauerstoffmessfühler-l-ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Verwendung an einem nicht weiter dargestellten Bioreaktor ausgebildet, der genormte, abgedichtete Anschlussstutzen zum Einstecken des Sauerstoffmessfühlers hat. Am vorderen Ende --4'-- des ein im wesentli-
EMI3.1
vorderer Abschluss des rohrförmigen Gehäuses --5-- gegenüber dem zu messenden Medium dienenden, mechanisch stabilen Träger --4--, z.B. aus Glas oder durchscheinendem Kunststoff, angeordnet ist. Der Sauerstoffsensor --6-- enthält einen in eine Polymermembran eingebauten, 02-abhängig fluoreszierenden Indikator.
Für die Polymermembran können dabei beispielsweise Weichmacher-kompatible, insbesonders lineare, amorphe, Polymeren vorgesehen sein, welche neben den eingebetteten Indikatormolekülen noch zusätzlich Weichmacher enthalten, da damit eine erhöhte Löslichkeit für den Indikator und somit ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis bei der Messung gegeben ist. Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass die auf dem mechanisch stabilen Träger angebrachte Polymermembran von einem ausgehärteten Siliconpolymeren gebildet ist, in dem die Indikatorsubstanz in solubilisierter Form gebunden vorliegt, was ebenfalls eine hohe Signalausbeute sichert.
Unabhängig von der Art der verwendeten Polymermembran als Träger für die Indikatormoleküle
<Desc/Clms Page number 4>
kann an der dem mechanisch stabilen Träger --4-- abgewendeten, unmittelbar an das zu messende Medium angrenzenden Seite eine sauerstoffdurchlässige Schichte --6'-- mit. geringer Lichtdurchlässigkeit aufgebracht sein, was die Unabhängigkeit der fluoreszenzoptischen Messung vom Aussenlicht sicherstellt.
Als weitere wesentliche Bestandteile des Sauerstoffmessfühlers --1-- sind die Anregungslicht- - Quelle-7--sowie ein Detektor-8--zu nennen ; die Anregungslicht-Quelle --7-- ist in einem an der dem vorderen Ende --4'-- des rohrförmigen Gehäuses --5-- gegenüberliegenden Seite angeordneten Lampengehäuse --10-- angeordnet und optisch über ein Anregungsfilter-11-
EMI4.1
in Verbindung ; der Detektor für die bei Anregung über die Quelle --7-- vom fluoreszierenden
Indikator abgegebene Strahlung ist neben dem vorderen Ende des Lichtleiters --12-- angeordnet und trägt ein vorgesetztes Emissionsfilter --13--. Der Detektor --8-- ist über Signalleitungen --14-- mit einem Stecker --15-- am Lampengehäuse --10-- verbunden.
Weiters ist aus Fig. l noch ein Sammelspiegel --16-- für die von der Anregungslicht-Quelle-7emittierte Strahlung zu ersehen, der die in den Lichtleiter --12-- eingebrachte Anregungslicht-Intensität erhöht. Seitlich am Lampengehäuse --10-- sind Lüftungsschlitze --17-- vorgesehen, welche gegebenenfalls eine Überhitzung verhindert sollen.
Abgesehen von der dargestellten Ausführung wäre es natürlich auch möglich, auch den Detektor --8-- im Bereich des Lampengehäuses anzuordnen, wobei dann das Fluoreszenzlicht ebenfalls über einen Lichtleiter nach aussen geführt werden könnte. Gleichfalls könnte auch die Anregungslicht-Quelle --7-- in den Bereich des vorderen Endes --4'-- des rohrförmigen Gehäuses --5-- verlegt werden, was die Anordnung des Lichtleiters --12-- überflüssig machen würde.
Um die Sterilisation der mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommenden Teile der dargestellten Einrichtung auf einfache Weise und ohne Beeinflussung von folgenden Messungen zu ermöglichen, kann auf hier nicht weiter dargestellte Weise ein den Detektor --8-- samt Emissionsfilter --13-- sowie den Lichtleiter --12-- umfassender Teil des Sauerstoffmessfüh- lers --1-- - gegebenenfalls zusammen mit der Anregungslicht-Quelle --7-- und sonstigen im Lampengehäuse --10-- enthaltenen Bauteilen - aus dem rohrförmigen Gehäuse --5-- gezogen werden, womit nur noch der als vorderer Abschluss dienende mechanisch stabile Träger --4-- mit der indikatorhaltigen Polymermembran sowie das üblicherweise aus Metall bestehende rohrförmige Gehäuse --5-- selbst der Sterilisation ausgesetzt ist.
Da die als Beispiel angeführten Polymermembranen mit eingebauten Indikatormolekülen bei den üblichen Sterilisationsbedingungen ohne weiteres stabil sind, ist jede Gefahr einer Beeinflussung von späteren Messungen durch die Sterilisation des Sauerstoffmessfühlers ausgeschlossen.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ebenso wie das nach Fig. 1 zur Verwendung an einem Bioreaktor mit genormten Anschlussstutzen ausgebildet. Am vorderen Ende --4'-- des rohrförmigen Gehäuses --5-- ist ein Einsatz --18-- zur Aufnahme der auf einem mechanisch stabilen Träger --4-- aufgebrachten Polymermembran vorgesehen. Der auf dem stabilen Träger - angeordnete, aus Polymermembran mit eingebautem Indikator und Aussenlicht anhaltender Abdeckschicht (nicht dargestellt) aufgebaute Sauerstoffsensor --6--, wird über einen Dichtring --19-- und einen Gewindering --20-- befestigt.
Anschliessend an den Einsatz --18-- ist im Inneren des rohrförmigen Gehäuses --5-- eine Aufnahmehülse --21-- für den Detektor --8-- sowie das hier zweiteilig ausgebildete Emissionsfilter --13-- und das vordere Ende des Lichtleiters --12-- vorgesehen.
Das hintere, dem Sauerstoffsensor --6-- abgewendete Ende des Lichtleiters --12-- steckt in einem Träger --2--, der das ebenfalls zweiteilige Anregungsfilter --11-- und die Teile --23, 24, 25-- der Halterung für die Lampe --26-- aufnimmt.
Der als Sammelspiegel wirkende Teil --23-- der Lampenhalterung weist eine Bohrung --27-auf, durch die Licht der hier beispielsweise als Miniatur-Entladungsröhre ausgebildeten Lampe --26-- über in einer Halterung --28-- angeordnete Referenzfilter --29-- direkt zu einem Referenzdetektor --30-- gelangt. Dieser Referenzdetektor --30--, welcher beispielsweise wie der Detektor --8-- für die Fluoreszenzstrahlung als Photodiode ausgebildet sein kann, ist in
<Desc/Clms Page number 5>
einem den oberen Teil des Lampengehäuses bildenden Schaltungskasten --31-- angebracht, welcher neben einer die Signale von Detektor --8-- und Referenzdetektor --30-- beispielsweise durch Division verknüpfenden Normierungsschaltung auch Elemente zur Vorverstärkung des auf die Intensität des Anregungslichtes normierten Messsignals enthält.
Die Ableitung des Messsignals sowie die Auswerteeinrichtung sind hier nicht dargestellt.
Über eine leicht zugängliche Rändelschraube --32-- können die in Fig. 2 in der linken und mittleren Kolonne dargestellten Teile als gemeinsame Baueinheit von der von den Teilen in der rechten Kolonne gebildeten, zur Sterilisation im Bioreaktor verbleibenden Baueinheit einfach und schnell gelöst werden, was sehr vorteilhaft ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messeinrichtung zur Bestimmung des Partialdruckes von Sauerstoff in einem Medium, mit einem sterilisierbaren Sauerstoffmessfühler, der als Sauerstoffsensor einen Fluoreszenzlöschung durch molekularen Sauerstoff zeigenden Indikator an einem am mit der zu messenden Probe in Kontakt bringbaren Ende des Fühlergehäuses angeordneten Träger aufweist, sowie mit einer Anregungslicht-Quelle und einem Detektor für die Fluoreszenzstrahlung, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist und wobei die in der Auswerteeinrichtung aufbereiteten Detektorsignale dem gesuchten Partialdruck zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator in an sich bekannter Weise in einer Polymermembran eingebaut vorliegt, dass diese Membran an der dem zu messenden Medium abgewendeten Seite fest mit dem mechanisch stabilen,
temperaturbeständigen und transparenten Träger (4) in haftender Verbindung steht, und dass zur Dampfsterilisation sowohl die Anregungslicht-Quelle (7,26) als auch der Detektor (8) aus dem mit dem Träger (4) als vorderem Abschluss verbunden bleibendem Gehäuse (5) ausbaubar ist.