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Die Erfindung betrifft eine Probenaufgabevorrichtung für eine Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration einer Probe, wobei die Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eine Sauerstoffdetektoreinrichtung, vorzugsweise eine HPLC-Anlage kombiniert mit einem elektrochemischen Detektor, aufweist, mit der die Probenaufgabevorrichtung in Verbindung bringbar ist. Weiters betrifft die Erfindung eine Probenkammer und eine Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration einer Probe mit einer Probenaufgabevorrichtung.
Durch die Erfindung ist die exakte Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen beliebiger Proben (Flüssigkeiten, Festkörper, Gase und biologische Proben) in einem breiten Konzentrationsbereich beispielsweise mit Fliessinjektionsanalyse (FIA) bzw. HPLC (High Performance Liquid Chromatography) mit elektrochemischer Detektion möglich.
Sauerstoffmessungen sind in vielen wissenschaftlichen und technischen Bereichen, wie z.B.
Medizin, Biochemie, Biotechnologie, Umweltschutz, Abfallbeseitigung, Meteorologie oder Korrosionsschutz von grosser Bedeutung. Aus diesem Grund wird laufend an der Entwicklung oder Verbesserung adequater Mess- und Bestimmungsmethoden für Sauerstoff gearbeitet. Die meisten dieser Methoden basieren entweder auf dem Einfluss von Sauerstoff auf die Relaxationszeit von Molekülen (NMR-, ESR-, Phosphoreszenz- und Luminiszenzmessungen), dem Prinzip der massenspektrometrischen Detektion oder der elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff. Bis auf die letztgenannte Methode sind diese Messverfahren technisch und finanziell sehr aufwendig und werden deshalb nur für spezielle Problemstellungen eingesetzt. Üblicherweise kommen elektrochemische Sauerstoffbestimmungsmethoden zum Einsatz.
Die universell einsetzbare Clark- Elektrode (membrangeschützte Sauerstoffelektrode) zeichnet sich durch einfache Handhabung, niedrige Kosten und durch für die meisten Fragestellungen ausreichende Empfindlichkeit aus.
Allerdings treten bei Messungen im unteren 02-Konzentrationsbereich Schwierigkeiten auf. Diese sind gekennzeichnet durch : des Messwertes durch Eigenverbrauch der Elektrode, unkontrollierbare Einflüsse des atmosphärischen O2, Störanfälligkeit bei Verwendung in komplexen Matrixen, starke Temperaturabhängigkeit und oftmals hohe Ansprechzeiten.
Bei der Messung von sehr geringen Sauerstoffkonzentrationen in beliebigen Medien ist es deshalb unerlässlich, das Auftreten der obengenannten Probleme auszuschalten. Durch die hier beschriebene Erfindung ist es nicht nur gelungen, den Eigenverbrauch der Sauerstoffelektrode bei gleichzeitiger Matrix- und Temperaturenempfindlichkeit auszuschliessen, sondern auch eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit und eine vielseitige Anwendbarkeit zu erreichen. Weiters ist es gelungen, den bei allen anderen 02-Messverfahren, die dem Stand der Technik entsprechen, mehr oder weniger stark störenden Einfluss des atmosphärischen Sauerstoffs auf die Detektion von O2 auch im untersten Konzentrationsbereich (1 x 10 M - 5 x 10-10 M) zu eliminieren.
Bei der Fliessinjektionsanalyse (FIA) wird eine Probe in den Lösungsmittelfluss eingebracht und mit Hilfe einer Pumpe zum Detektor transportiert. Wird vor Erreichen des Detektors eine Trenneinheit (z. B. eine mit verschiedensten Materialien gefüllte Säule) zwischengeschaltet, spricht man von High Performance Liquid Chromatographie (HPLC). Durch die gezielte Wahl der Säulenfüllung kann die Selektivität des Analysenverfahrens beeinflusst werden Die Detektion erfolgt im Falle der vorliegenden Erfindung in einem beliebigen voltammetrischen Detektor durch Messung der Strom-Spannungsbeziehung mit in die Elektrolytlösung eingetauchten Elektroden. Mit steigender Spannung können in der Lösung enthaltene reduzierbare Verbindungen reduziert werden, wobei ein entsprechender Strom zu fliessen beginnt.
Die gemessene Stromstärke ist im allgemeinen proportional zur Konzentration der reduzierbaren Substanzen in der Lösung, während die zur Erzielung dieses Stroms erforderliche Spannung Hinweis auf die Identität der Substanz in Lösung gibt. Auf diese Weise können über Messungen des Stromes mit eingetauchten Elektroden in Abhängigkeit vom angelegten Potential sowohl qualitative als auch quantitative Analysen reduzierbarer Substanzen erhalten werden. In dem bei der Erfindung bevorzugten Verfahren wird die an die Arbeitselektrode angelegte Spannung so gewählt, dass die Reduktion von Sauerstoff möglich wird :
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Derartige Verfahren sind im Prinzip bekannt (Patentschrift DD 233 195 A1 1984).
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Üblicherweise erfolgt die Probenaufgabe bei FIA oder HPLC durch direkte Injektion der Probenlösung über eine definierte Probenschleife mit Hilfe einer Spritze Dabei kann nicht verhindert werden, dass Sauerstoff aus der Umgebung während des Injektionsvorgangs mitinjiziert wird. Dadurch können besonders bei sehr niedrigen 02-Konzentrationen der Probenlösung unkontrollierbare Verfälschungen des Messsignals auftreten.
Weitere Probleme können durch Verfälschungen des Sauerstoffmesssignals durch im System vorhandenen O2 bzw durch Reaktion (Korrosion, Adsorption) des Messsystems mit dem in der Lösung vorhandenen O2 auftreten. Um aber den tatsächlichen 02-Gehalt einer beliebigen Probe messen zu können, ist es erforderlich, dass weder die Sauerstoffkonzentration in der Probe selbst noch das Messsignal durch das Messverfahren bzw. durch die Messanordnung und die Probenaufgabevorrichtung unkontrolliert verändert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der 02-Konzentration in beliebigen Proben anzugeben, wobei Verfälschungen des Messwertes durch atmosphärischen Sauerstoff, den Messvorgang sowie die Messanordnung ausgeschlossen sind und keine Störungen durch die Probenmatrix auftreten dürfen. Diese Bedingungen sollen auch bei der Messung geringster Sauerstoffkonzentrationen erfüllt sein.
Die erfindungsgemasse Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die gegenüber der Umgebungsatmosphäre gasdicht ausgeführte und aus sauerstoffinerten Materialien bestehende Probenaufgabevorrichtung aufweist: - mindestens eine gasdicht verschliessbare Probenkammer (1) zur Aufnahme der sauerstoffhältigen Probe, - eine mit der Probenkammer (1) in Verbindung stehende Ausgleichsvorrichtung (20) zum
Einbringen eines Fluids mit definierter Sauerstoffkonzentration in die Probenkammer (1) und - eine mit der Probenkammer (1) in Verbindung stehende Übergabevorrichtung (17) zur Übergabe einer vorbestimmten Fluidmenge aus der Probenkammer (1) an die Sauer- stoffdetektoreinrichtung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das chromatographische System aus einer HPLC-Pumpe, einer Trennsäule und einem elektrochemischen Detektor. Als Arbeitselektrode besonders geeignet erweist sich eine Quecksilberelektrode. An das chromatographische System angeschlossen ist eine Vorrichtung, die sowohl eine Aufbewahrung der zu bestimmenden Probe als auch deren Einbringen in das chromatographische System ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient ein gasdicht verschliessbares Gefäss aus inertem Material (günstigerweise aus Metall, Kunststoff oder Glas) als Probenkammer, welche über eine Kapillare gasdicht mit einem HPLC-Injektor verbunden ist. Durch Entnahme einer definierten Probenmenge aus der Probenkammer über die Probenschleife des HPLC-Injektors wird eine aliquote Probenmenge in den chromatographischen Fluss geschaltet und der Sauerstoffgehalt am elektrochemischen Detektor gemessen. Die Probenkammer ist über eine weitere Kapillare kommunizierend mit einem Ausgleichsgefäss verbunden, sodass das entnommene Probenvolumen exakt ersetzt werden kann.
Zwischen Probenkammer und Ausgleichsgefäss können weitere Injektoren zwischengeschaltet werden, über deren Probenschleifen sowohl Sauerstoffstandardlösungen für die Kalibrierung des Systems, als auch beliebige Flüssigkeiten und Gase in die Messkammer transferiert werden können.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen bevorzugter Ausführungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen Überblick über das chromatographische System mit Detektor, Probenkammer und Probenaufgabevorrichtung,
Fig. 2 eine detaillierte Darstellung einer bevorzugten Probenaufgabevorrichtung,
Fig. 3 eine Detailzeichnung der Funktionsweise eines bevorzugten Injektors,
Fig. 4 eine detaillierte Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Probenkammer,
Fig. 5 ein Beispiel eines Chromatogramms,
Fig. 6 ein Beispiel einer Kalibriergeraden.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in beliebigen Proben überblicksmassig dargestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Vorratsgefäss für die mobile Phase, eine HPLC-Pumpe, eine Trenneinheit (z.B. eine Trennsäule), einen beliebigen
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elektrochemischen Detektor bestehend aus Potentiostat und elektrochemischer Zelle mit drei Elektroden, eine Datenerfassung und eine erfindungsgemässe Probenaufgabevorrichtung mit Probenkammer, wie sie später noch näher erläutert wird. Das in der Erfindung eingesetzte chromatographische System ist als solches in seiner prinzipiellen Funktionsweise dem Fachmann geläufig (Stand der Technik) und von der Probenaufgabevorrichtung bzw. deren Probenkammer getrennt.
Als bevorzugte mobile Phase (Laufmittel) eignen sich sauerstofffreie Gemische aus wässrigen Pufferlösungen (z. B. Phosphatpuffer) und organischen Lösungsmitteln (z. B. Methanol oder Acetonitril). Als Füllmaterial für die Trennsäule eignet sich bevorzugt Silicagel bzw. alkyliertes Silicagel.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Probenaufgabevorrichtung. Die Probenaufgabevorrichtung weist eine Probenkammer 1 mit Magnetrührer 22a auf, die jeweils über Kapillaren mit einem Injektor 17 und einem Ausgleichsgefäss 20 in Verbindung steht.
In Fig 3 ist die Funktionsweise eines dem Fachmann geläufigen HPLC-Injektors 17 dargestellt.
Es gibt zwei Einstellmöglichkeiten- in Position LOAD kann die Probenschleife 2 entweder durch Injektion oder - bevorzugt - durch Aufsaugen mittels der Spritze 5 mit einem definierten Volumen an Probe oder 02-Standard gefüllt werden (über die Kapillare 16 von der Probenkammer 1 aus) In Position INJECT wird der Inhalt der Probenschleife in den chromatographischen Fluss eingeschleust. Die Leitung 3 kommt von der HPLC-Pumpe. Die Leitung 4 führt zur Trennsäule.
HPLC-Injektoren gewährleisten eine exakte Probenapplikation beliebig grosser Probenvolumina bei geringstem Totvolumen
In Fig 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Probenkammer 1 dargestellt. Ein Stopfen mit Normschliff 7, der auf der Unterseite konkav gewölbt ist, verschliesst einen Schliffkolben 9 mit beliebigem Volumen. In den Stopfen sind drei Kapillaren 14, 16,18 gasdicht eingearbeitet Um O2- Konzentrationsgradienten in der Probenkammer zu verhindern, befindet sich in dieser ein vorzugsweise glasummantelter Magnetrührer 22a mit Steuergerät 22 (Fig.2). Um eine ausreichende Dichtheit der Probenkammer zu erreichen und die störenden Einflüsse des Sauerstoffs der Umgebung auszuschliessen, wird der Stopfen mit einem dichtenden Material, vorzugsweise mit einer Teflondichtung 8, versehen und die Probenkammer in einer Einspannvorrichtung 11fixiert.
Natürlich ist nicht nur Metall, Kunststoff oder Glas als Werkstoff zur Fertigung der Probenkammer geeignet, sondern jedes andere Material, das keine Reaktion mit Sauerstoff eingeht und gasundurchlässig ist.
In der Probenkammer 1 (Fig. 2, Fig. 4) befindet sich die Probe, deren Sauerstoffgehalt gemessen werden soll. Die Überlaufkapillare 18 dient zum vollständigen Befüllen der Probenkammer. Durch den Einsatz eines Magnetrührers 22a in der Probenkammer 19 wird eine homogene Durchmischung erreicht und so das Auftreten von Sauerstoffgradienten im Probenvolumen verhindert. Die Kapillare 14 führt zum Ausgleichsgefäss 20. Ihre Eintauchtiefe im Ausgleichsgefäss ist variabel Das Ausgleichsgefäss enthält eine Lösung (beispielsweise gleicher Zusammensetzung wie jene der Probenkammer) und dient zum Volumsausgleich bei der Entnahme von Probenvolumen aus der Probenkammer 1. Das Ausgleichsgefäss ist zudem mit einer verschliessbaren Überdruckkapillare 13 versehen. Durch Spülen der Lösung im Ausgleichsgefäss in der bevorzugten Ausführungsform 20 mit Inertgas (z. B.
Argon, Helium, Stickstoff) wird die Lösung entweder sauerstofffrei gehalten oder durch Begasung mit unterschiedlichen Gasgemischen ein definierter Sauerstoffgehalt vorgegeben. Zwischen Ausgleichsgefäss 20 und Probenkammer 1 können weitere Injektoren 15 zwischengeschaltet werden, über deren Probenschleifen sowohl Sauerstoffstandardlösungen für die Kalibrierung des Systems als auch beliebige Flüssigkeiten und Gase in die Probenkammer transferiert werden können. Mit Hilfe von Injektor 17 kann eine definierte, aliquote Probenmenge über Kapillare 16 aus der Probenkammer 1 entnommen und in den chromatographischen Fluss geschaltet werden. Nach Passieren der Trenneinheit (Säule), wobei Störungen durch die Probenmatrix eliminiert werden, erreicht die Probe den elektrochemischen Detektor, wo der Sauerstoffgehalt gemessen wird.
Die Erfindung lässt sich in einem breiten Anwendungsbereich für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes, -verbrauches oder der-freisetzung in verschiedensten Proben einsetzen. Im folgenden soll das Verfahren zur Sauerstoffbestimmung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert werden.
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Eine feste Probe, deren Sauerstoffgehalt, -verbrauch oder-freisetzung gemessen werden soll, wird in die Probenkammer 1 transferiert und diese gasdicht (d. h Ausschluss der Umgebungsatmosphäre) verschlossen. In das Ausgleichsgefäss 20 wird über eine Kapillare 12 Spülgas (Inertgas oder Gas mit bestimmtem Sauerstoffanteil) eingeleitet. Wird Überdruckkapillare 13 verschlossen, entsteht im Ausgleichsgefäss 20 ein Überdruck.
Dadurch strömt Spülgas über eine Kapillare 14, die in die Spülgasphase eintaucht, in die Probenkammer 1 und verdrängt bei geöffneter Überlaufkapillare 18 die dort herrschende Atmosphäre Taucht man die Kapillare 14 in eine im Ausgleichsgefäss 20 befindliche und mit dem jeweiligen Spülgas gesättigte Lösung, wird die Probenkammer 1 über die kommunizierende Kapillare 14 mit dieser Lösung definierter Sauerstoffkonzentration (die natürlich auch Null sein kann) geflutet. Sobald die Probenkammer 1 vollständig gefüllt ist und der gesamte Gasraum durch die Überlaufkapillare 18 entweichen konnte, wird letztere gasdicht verschlossen und die Überdruckkapillare 13 wieder geöffnet. Auf diese Weise wird ein Überdruck im System vermieden. Zur eigentlichen Messung der Sauerstoffkonzentration in der Probenkammer 1 wird über Kapillare 16 und Injektor 17 (vgl.
Fig. 3) ein definiertes Volumen an Lösung aus der Probenkammer 1 aufgesaugt, über die Probenschleife 2 des Injektors 17 in den chromatographischen Fluss geleitet und nach Passieren der Trennsäuleneinheit 21 an der Elektrode detektiert (siehe Fig. 1 und Fig. 2). Im gleichen Ausmass wie Lösung aus der Probenkammer 1 entnommen wird, strömt aus dem Ausgleichsgefäss 20 über Kapillare 14 das entsprechende Volumen an mit Spülgas gesättigter Lösung in die Probenkammer 1 nach Die dadurch erfolge Veränderung der Sauerstoffkonzentration in der Probenkammer kann mathematisch berücksichtigt werden. Auf diese Weise können neben einmaligen Konzentrationsbestimmungen auch solche an 02-verbrauchenden bzw.-freisetzenden Proben durchgeführt werden, bei denen ein zeitabhängiges und wiederholtes Messen der jeweiligen O2- Konzentration erforderlich ist.
Die Messung von Sauerstoffkonzentration, -verbrauch oder-freisetzung eines Festkörpers kann wahlweise auch in einem gasförmigen Milieu in der Probenkammer 1 durchgeführt werden.
Die Vorgangsweise ist dabei analog wie oben, nur dass sich im Ausgleichsgefäss 20 nur Spülgas und keine Lösung befindet. Allgemein kann also als Milieu ein Fluid eingesetzt werden, wobei dieses Fluid eben eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann.
Die Durchführung der Messung der Sauerstoffkonzentration in flüssigen und gasförmigen Proben erfolgt analog zur Messung von festen Proben, nur dass die Probe nicht direkt in die Probenkammer 1 transferiert wird, sondern die Probenschleife des Injektors 15 mit einem definierten Volumen der flüssigen bzw. gasförmigen Probe gefüllt wird. Der Inhalt der Probenschleife 2 kann durch Aufsaugen bei Injektor 17 über die Kapillare 14 in die Probenkammer 1 gespült werden, ohne dass eine Störung durch Sauerstoff aus der Umgebung auftritt.
Die erfindungsgemässe Bauweise erlaubt eine gasblasenfreie Befüllung der Probenkammer (unter Ausschluss der Umgebungsatmosphäre) und eine leichte Thermostatisierbarkeit.
Zur Kalibrierung der 02-Messmethode wird die Probenschleife 2 des Injektors 15 mit sauerstoffgesättigter Lösung oder einem Gasgemisch mit definierter 02-Konzentration (O2- Standards) gespült. Die Sauerstoffkonzentration einer sauerstoff oder luftgesättigten Lösung ist von Druck und Temperatur abhängig und kann aus einschlägigen Tabellen entnommen werden.
Durch Umlegen des Injektors 15 in Stellung "Inject" (Fig. 3) und durch Entnahme eines definierten Volumens an Lösung bzw. Gasgemisches aus der Probenkammer 1 über Injektor 17 wird über Kapillare 14 der Inhalt der Probenschleife 2 des Injektors 15 in die Probenkammer 1 transferiert.
Diese Aufstockung der 02-Konzentration in der Probenkammer kann mehrmals wiederholt werden und so eine Kalibriergerade erstellt werden (externe oder interne Standardaddition möglich).
Ein typisches Chromatogramm ist in Fig. 5 dargestellt. Es ist der Detektorstrom gegenüber der Zeit aufgetragen. Die mit a, b und c bezeichneten, sich wiederholenden Peaks entstehen durch Abschlagen des Quecksilbertropfens der Elektrode (Peak a), durch Umlegen des Injektors 17 (Injektionspeak b) und durch Lösungsunterschiede zwischen mobiler Phase und der Probenlösung (Systempeak c). Die eigentlichen Sauerstoffpeaks sind mit arabischen Ziffern gekennzeichnet, wobei hier die Sauerstoffkonzentration von Peak 1 bis Peak 6 erhöht wurde. Bei Peak 7 ist diese gleich geblieben.
Eine Kalibriergerade für den untersten Konzentrationsbereich ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die Stromstärke am Detektor gegen die bekannte Sauerstoffkonzentration in der Probenkammer
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aufgetragen ist. Wichtig ist der lineare Zusammenhang (Korrelationskoeffizient R = 0. 99984) der aufgetragenen Grössen, wobei die Nachweisgrenze unter 5x10-10 MO2 liegt
Da bei jeder Messung durch das Aufsaugen der Probe über den Injektor und dem Ausgleich durch Nachströmen von Lösung aus dem Ausgleichsgefäss eine Verdünnung der Probelösung auftritt, muss diese mathematisch berücksichtigt werden.
Die Berechnung unterscheidet sich je nachdem, ob eine (a) wiederholte Messung der Probelösung oder gleichzeitig eine (b) Kalibrierung durch Zugabe eines 02-Standards zur Probelösung durchgeführt wird (a) Bei wiederholter Messung der gleichen Lösung ergibt sich die Verdünnung der Probelösung durch Multiplikation der letzten 02-Konzentration mit dem Quotienten des über Injektor 17 aus der Probenkammer 1 entnommenen Probenvolumens und dem Probenkammervolumen:
EMI5.1
(b) Bei der Kalibrierung durch Zugabe von definierten Sauerstoffmengen (siehe Punkt Kalibrierung) kann die Verdünnung der Probenlösung bei jeder Einzelmessung durch eine einfache geometrische Reihe beschrieben werden:
EMI5.2
Die mathematische Berücksichtigung der Verdünnung bei jeder Einzelmessung bzw bei der Kalibrierung gilt nicht nur für Flüssigkeiten, sondern auch für gasförmige Proben.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Probenaufgabevorrichtung für eine Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoff- konzentration einer Probe, wobei die Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoff- konzentration eine Sauerstoffdetektoreinrichtung, vorzugsweise eine HPLC-Anlage kombiniert mit einem elektrochemischen Detektor, aufweist, mit der die Probenauf- gabevorrichtung in Verbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Umgebungsatmosphäre gasdicht ausgeführte und aus sauerstoffinerten Materialien bestehende Probenaufgabevorrichtung aufweist - mindestens eine gasdicht verschliessbare Probenkammer (1) zur Aufnahme der sauerstoffhältigen Probe, - eine mit der Probenkammer (1) in Verbindung stehende Ausgleichsvorrichtung (20) zum Einbringen eines Fluids mit definierter Sauerstoffkonzentration in die Proben- kammer (1) und - eine mit der Probenkammer (1)
in Verbindung stehende Übergabevorrichtung (17) zur Übergabe einer vorbestimmten Fluidmenge aus der Probenkammer (1) an die
Sauerstoffdetektoreinrichtung.