Automatisch arbeitendes Gerät zur Analyse von flüssigen Proben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisch arbeitendes Gerät zur Analyse von flüssigen Proben, welche durch Beimischen von Reagenzlösungen zubereitet werden, bestehend aus einer periodisch arbeitenden Druckluftquelle, einer Flüssigkeitsabsperrvorrichtung, einer Mischabmessvorrichtung für Probe und Reagenzlösungen, Überlaufpipetten für das Abmessen der Reagenzlösungen und ferner einer Photometerküvette mit einer Entleervorrichtung.
Die technische Entwicklung von Analysatoren, bei denen ein Abmessen, Umfüllen, Mischen und Ablassen der Flüssigkeiten nötig ist, bestand hauptsächlich im Suchen geeigneter Elemente für die Ausführung dieser Aufgaben. Zu diesem Zwecke wurden Verschlussorgane, wie elektrisch betätigte Quetschhähne, elektromagnetische Solenoidventile und pneumatisch gesteuerte Membranventile entwickelt, wobei eine zuverlässige Funktion unter Miniaturbedingungen selbst bei Anwendung aggressiver und korrodierender Lösungen sichergestellt werden sollte. Mit Hilfe dieser Verschlussorgane war es möglich, die gewünschten Leistungen mit Hilfe der Schwerkraft zu erzielen, die hierzu nötigen Apparaturen waren jedoch sehr kompliziert, teuer und störanfällig.
Unabhängig davon wurden daher kontinuierlich arbeitende Apparate entwickelt, die mittels peristaltischer Mikropumpen die Durchführung einer Reihe analytischer Operationen, wie dies die Automatisierung analytischer Prozesse erfordert, ermöglichen.
Schwierigkeiten verursachen hier die in diesen Mikropumpen verwendeten Schläuche, da sie bei jedem gewählten Material nach einiger Zeit ihre Elastizität einbüssen und die Zuverlässigkeit bei Anwendung dieser Apparaturen in Frage stellen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird nunmehr ein automatisch arbeiten des Gerät zur Analyse von flüssigen Proben, welche durch Beimischen von Reagenzlösungen zubereitet werden, bestehend aus einer periodisch arbeitenden Druckluftquelle, einer Flüssigkeitsabsperrvorrichtung, einer Mischabmessvorrichtung für Probe und Reagenzlösungen, Überlaufpipetten für das Abmessen der Reagenzlösungen und ferner einer Photometerküvette mit einer Entleervorrichtung vorgeschlagen, das sich erfindungsgemäss dadurch auszeichnet, dass das gesamte Abmessen der Probe und Reagenzlösungen und ihr gemeinsames Durchmischen periodisch durch Ein- und Ausschalten der Druckluftquelle erfolgt;
dass der erzeugte Luftstrom in der Flüssigkeitsabsperrvorrichtung das Überströmen der aus einer Zuleitung kontinuierlich zufliessenden Probe in einen Füll trichter verursacht, von wo die mit einem U-förmigen Entleerungsrohr versehene Mischabmessvorrichtung angefüllt wird, deren Rohr ein von der genannten Druckluftquelle abgezweigter Luftstrom periodisch zugeführt wird, der einerseits das Vermischen der in der Mischabmessvorrichtung angesammelten Flüssigkeit bewirkt, andererseits den Abfluss der Flüssigkeit aus der Misch abmessvorrichtung verhindert; und dass der in der Austrittsleitung der Druckluftquelle entstehende Überdruck gleichzeitig zur Betätigung der pneumatischen tXberlauf- pipetten ausgenützt wird.
Der Vorteil eines solchen Analysators besteht vor allem darin, dass sämtliche nötigen Handhabungen mit der Probe und den Reagenzlösungen mittels einer zeitweilig eingeschalteten und ausgeschalteten kleinen Luftpumpe erfolgen können. Ausserdem ist das hydraulischpneumatische System vollkommen störungsfrei, denn es hat keine beweglichen Teile, die einer Abnützung unterliegen.
Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Flüssigkeitsabsperrvorrichtung und
Fig. 2 die Kombination einer Flüssigkeitsabsperrvorrichtung mit einer Mischabmesseinrichtung mit pneu matischen Überlaufpip etten, sowie einer Photometerküvette mit einer Entleereinrichtung und mit einer periodisch ein und ausschaltbaren Luftpumpe.
Einen wesentlichen Bestandteil des selbsttätigen Analysators bildet die Flüssigkeitsabsperrvorrichtung, hier ein System von Kanälen, in dem durch Einführung strömender Luft die Ausflussstelle der Flüssigkeit geändert wird, die der Flüssigkeitsabsperrvorrichtung kontinuierlich zufliesst. Die Flüssigkeitsabsperrvorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. In den Behälter 1 der Flüssigkeitsabsperrvorrichtung 22 fliesst die Probe durch die Zuleitung 3 kontinuierlich zu. Der Behälter 1 ist durch einen Überlauf 2 der gehobenen Probe mit einer Sammelleitung 4 verbunden. Aus dem Boden des Behälters 1 ist ein Verbindungskanal 5 in Form einer U-Schleife herausgeführt und geht in ein Knie 6 über, in das ein Luftzufuhrrohr 7 mündet. Durch ein U-förmiges Abfuhrrohr 9 ist das Knie 6 über einen zweiten Uberlauf
11 mit einem Ablauf 10 verbunden.
Das Luftzufuhrrohr 7 ist an die Luftpumpe über eine Verengung 8 angeschlossen. Zwischen der Verengung 8 und dem Knie 6 ist an das Luftzufuhrrohr 7 ein Rohr 12 angeschlossen, das in einen Behälter 13 des Überdruckbegrenzers 14 mündet. In der Abbildung ist eine Alternative dargestellt, wo der Behälter 13 des Überdruckbegrenzers 14 zwischen das U-förmige Abfuhrrohr 9 und den zweiten Überlauf 11 gelegt ist. Vor der Verengung 8 kann das Luftzufuhrrohr 7 durch die Kapillare 18 mit der Aussenluft verbunden sein.
Die Flüssigkeitsabsperrvorrichtung arbeitet wie folgt: Falls die Luftpumpe nicht eingeschaltet ist, fliesst die durch die Zuleitung 3 zufliessende Probe durch den schleifenförmigen Verbindungskanal 5 und das Uförmige Abfuhrrohr 9 in den Abfall 10. Dabei füllt die Probe den Behälter 13 des Überdruckbegrenzers 14 an, das U-förmige Abfuhrrohr 9 und den schleifenförmigen Verbindungskanal 5 an, falls diese nicht schon früher angefüllt wurden. Es wird vorausgesetzt, dass die Kanäle eine genügende lichte Weite haben, die der abfliessenden Flüssigkeit praktisch keinen Widerstand entgegensetzen, so dass beim Abfliessen der Probe über den zweiten Überlauf 11 in den Ablauf 10 der Behälter
1 leer ist.
Sobald die Luftpumpe in Betrieb versetzt wird, entsteht im Luftzufuhrrohr 7 ein Üb erd ruck, der konstant bleibt, da die überflüssige Luft durch das Rohr 12 im Behälter 13 des Überdruckbegrenzers 14 entweicht.
Die Verengung 8 reduziert die Luftzufuhr in dem Masse, dass im Rohr 12 kein Druckabfall entsteht und im Luftzufuhrrohr 7 herrscht ein Überdruck, der der Wassersäule von der Tiefe 15 entspricht. Im U-förmigen Abfuhrrohr 9 entsteht ein Luftpolster, der den Durchfluss der Probe verhindert und die deshalb den Behälter 1 anfüllt, so dass sie schliesslich über den Überlauf 2 in die Sammelleitung 4 abfliesst. Das Niveau der überströmenden Probe ist dabei ruhig, da der Luftüberdruck in dem Luftzufuhrrohr 7 nicht genügt, um die Luft durch den schleifenförmigen Verbindungskanal 5 durchzudrücken. Voraussetzung ist, dass die Höhe 16 des Überlaufs 2 über der oberen Wand des Verbindungskanals 5 grösser ist als die Tiefe 15.
Um das Anstauen der Flüssigkeit zu ermöglichen, muss das Flüssigkeitsniveau im Verbindungskanal 5 tiefer liegen als die Trennwand im Knie 6, die von der unteren Wand des Verbindungskanals 5 gebildet wird. Diese Trennwand und auch der zweite Überlauf 11 liegen im Niveau des Bodens des Behälters 1. Deshalb muss die Höhe 17 des Überlaufs 2 der gehobenen Flüssigkeit über der unteren Wand des Knies 6 geringer sein als die Tiefe 15.
Wenn die Luftpumpe zu arbeiten aufhört, entweicht der Überdruck aus dem Luftzufuhrrohr 7 durch die Kapillare 18, wodurch der Abflussweg für die im Behälter 1 angesammelte Flüssigkeit frei wird. Falls die lichten Weiten des schleifenförmigen Verbindungskanals 5 und des U-förmigen Abfuhrrohres 9 genügend gross sind, kann bei genügender Weite der Verengung 8 und des Kapillarrohres 18 das Niveau im Behälter 1 nach Abstellung der Luftpumpe beinahe sofort absinken. Die Füllgeschwindigkeit des Behälters 1 hängt von der Menge der zufliessenden Probe und dem Fassungsraum des Behälters 1 ab.
Der nach Fig. 2 ausgeführte Analysator ist im wesentlichen mit einer Dosiereinrichtung versehen, die aus einer Flüssigkeitsabsperrvorrichtung 22, einer pneumatischen Überlaufpipette 38 für das Abmessen der Reagenzlösung oder mehreren parallel geschalteten Überdruckpipetten für verschiedene Reagenzlösungen, einer Mischabmessvorrichtung 23, einer Photometerküvette 24, einer Entleervorrichtung 25 und einer periodisch ein- und ausgeschalteten kleinen Luftpumpe 26 besteht. Der Behälter 1 ist durch den Überlauf 2 mit dem Fülltrichter 27 verbunden, der in das schräge Füllrohr 28 übergeht. Dieses hat oben einen Überlaufansatz 29 mit einer Überlaufkante 30 und geht in das Überlaufrohr 31 über. Mit dem anderen Ende mündet das Füllrohr 28 in die Mischabmessvorrichtung 23.
Sie dient zum Mischen und Abmessen der Probe und Reagenzlösung und hat im Oberteil über dem Niveau des Füllrohres 28 einen verengten Querschnitt. Durch diese Verengung wird eine vollkommene Reproduzierbarkeit der abgemessenen Probe und Reagenzlösung erzielt, falls die Niveauhöhe der Flüssigkeit beim Anfüllen nicht genau eingehalten wird, äussert sich dies in geringeren Unterschieden der Abmessung. Der abmessende Teil der Mischabmessvorrichtung 23 besteht aus dem U-förmigem Entleerrohr 33, an das oben das Rohr 34 für die Zufuhr der Druckluft angeschlossen ist. Mit seinem zweiten Ende mündet das Entleerrohr 33 in die Rohrleitung 52 für die verarbeitete Probe. Durch den engen Kanal 36 ist das Entleerrohr 33 mit dem Boden der Mischabmessvorrichtung 23 verbunden. In diese mündet der Flüssigkeitsverschluss 37 der Überlaufpipette 38.
Den Flüssigkeitsverschluss 37 bildet wieder ein U-förmiges Rohr, das mit einem Ende in die Seitenwand der Mischabmessvorrichtung 23 und mit seinem zweiten Ende in den Körper 39 der Überlaufpipette 38 übergeht.
Der Körper 39 der Überlaufpipette 38 ist oben mit der Rohrleitung 40 an das Rohr 41 angeschlossen und in den Körper 39 mündet seitlich das Füllrohr 42, das Uförmig und mit seinem zweiten Ende mit dem Boden des Vorratsbehälters 43 verbunden ist, in dem der Flüssigkeitsspiegel auf konstanter Niveauhöhe 44 gehalten wird. Im Vergleich zur Niveauhöhe 44 liegt die Mündung des Füllrohres 42 in den Körper 39 der Überlaufpipette 38 tiefer, die Mündung des Flüssigkeitsverschlusses 37 in den Abmessbehälter 32 jedoch höher. Ebenso liegt die Überlaufkante 30 des Überlaufansatzes 29 tiefer als die erwähnte Mündung des Flüssigkeitsverschlusses 37. Die der Luftzufuhr zur Pipette 38 dienende Rohrleitung 40 und das Rohr 34 für die Betätigungsluft der Mischabsperrvorrichtung 23 sind gemeinsam über die Verengung 45 an den Druckstutzen 46 der Luftpumpe 26 angeschlossen.
An diesen Druck stutzen 46 ist gleichzeitig über die Verengung 8 auch das Luftzufuhrrohr 7 für die Flüssigkeitsabsperrvorrichtung 22 angeschlossen. Die pneumatischen Impulse in der Austrittsleitung 48 werden durch die Luftpumpe 26 geschaffen, die z. B. durch den Schalter 49 periodisch einund ausgeschaltet werden kann. An die Austrittsleitung 48 kann über die Verengung 50 die Rohrleitung 51 für die Luftzufuhr zur Entleervorrichtung 25 der Photometerküvette 24 angeschlossen sein. So kann mit demselben pneumatischen Impuls die Photometerküvette 24 entleert werden, bevor die neu gemischte Reagenzlösung bereitgestellt ist, die dann in die Photemeterküvette 24 aus der Rohrleitung 52 für die verarbeitete Lösung zufliesst.
An die Austrittsleitung 48 kann auch das enge in die Aussenluft mündende Kapillarrohr 53 angeschlossen sein, das in der Ruhezeit der Luftpumpe 26 den Überdruck in der Austrittsleitung 48 gegenüber der Aussenluft ausgleicht. Ausser der Überdruckpipette 38 können an die Mischabsperrvorrichtung 23 auch die Flüssigkeitsverschlüsse mehrerer Pipetten angeschlossen sein, die gleich wie die Überlaufpipette 38 angeordnet und an die gleiche pneumatische Rohrleitung angeschlossen sind, die durch die Rohrleitung 40 und das Rohr 34 charakterisiert ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Apparatur arbeitet folgendermassen: Zu Beginn, wenn die Luftpumpe 26 in Ruhe ist, fliesst die Probe durch den Behälter 1, den Verbindungskanal 5, das Abfuhrrohr 9 und den Behälter 13 in den Ablauf 10. Die Überlaufpipette 38, ihr Füllrohr 42 und der Flüssigkeitsverschluss 37 sind mit zur Abmessung bestimmter Flüssigkeit bis zum konstanten Niveau 44 angefüllt. Schon früher wurde das Entleerrohr 33 bis zur Überlaufhöhe mit alter Flüssigkeit und auch die Photometerküvette 24 angefüllt.
Wenn der Schalter 49 die Luftpumpe 26 in Betrieb setzt, führt die Austrittsleitung 48 die Druckluft in alle Organe. Die entsprechenden Verengungen 8, 45 und 50 verteilen die Luft in einem Verhältnis wie dies die einzelnen Organe verlangen.
Im System mit der Verengung 45 entsteht anfangs praktisch kein Überdruck, solange die Luft durch den engen Kanal 36 entweichen kann. Die in die Flüssigkeitsabsperrvorrichtung 22 strömende Luft bildet im Verbindungskanal 5 und im Abfuhrrohr 9 einen Luftpolster, der das Herausfliessen der Probe in den Ablauf 10 verhindert. Der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 1 steigt an und die Probe fliesst schliesslich über den Überlauf 2 in den Fülltrichter 27 ab und gelangt durch das Füllrohr 28 in die Mischabmessvorrichtung 23.
Von hier kann die Probe nicht abfliessen, da in dem Entleerungsrohr 33 auch ein Luftpolster entsteht und die gesamte hergeleitete Luft durch den engen Kanal 36 entweicht. Dieser ist mit Luft ganz angefüllt und falls die Luft durch den Kanal 36 in genügender Menge zufliesst, kann die Flüssigkeit nicht durchdringen. In dem Masse wie der Flüssigkeitsspiegel, der von Luftblasen durchdrungenen Probe in der Mischabmessvorrichtung 23 ansteigt, steigt auch der Überdruck in der Rohrleitung 40 und dem Rohr 34 an und aus der Überlaufpipette 38 wird die Lösung herausgedrückt.
Im Augenblick, wenn das Niveau der Reagenzlösung im Körper
39 der Überlaufpipette 38 unter die Mündung des Füllrohres 42 abgesunken ist, wird der weitere Abfluss der Reagenzlösung in den Vorratsbehälter 43 verhindert und die im Körper 39 eingeschlossene Reagenzlösung wird nun durch den Flüssigkeitsverschluss 37 in die Mischabmessvorrichtung 23 gedrückt, wo sie durch die aufsteigende Luft mit der hier bereits vorhandenen Probe vermengt wird. Wenn die Mischabmessvorrichtung 23 bis zum Niveau der Überlaufkante 30 angefüllt ist, beginnt die durch das Füllrohr 28 zufliessende Probe in das Ablaufrohr 31 zu fliessen und das Niveau in der Mischabmessvorrichtung 23 bleibt auf dieser Höhe stehen.
In diesem Zustand ist in der Rohrleitung 40 und im Rohr 34 der Überdruck am grössten, der das Mass des Herausdrückens der Reagenzlösung aus der Überlaufpipette 38 reproduzierbar bestimmt und daher für die Menge der von der Überlaufpipette 38 abgemessenen Reagenzlösung entscheidend ist. Der Flüssigkeitsverschluss 37 muss natürlich so tief sein, dass die Druckluft nicht die gesamte Lösung herausdrückt. Wenn dann der Schalter 49 die Luftpumpe 26 von dem Netz 54 abschaltet, wird der Zufluss der Probe aus dem Behälter 1 unterbrochen und die mit dem Reagenzmittel vermischte Probe fliesst durch das Entleerrohr 33 in die Rohrleitung 52 für die verarbeitete Probe. Der Überdruck in der Austrittsleitung 48 wird rasch beseitigt, da die überflüssige Luft durch das Kapillarrohr 53 in die Aussenluft entweicht.
Selbstverständlich wird die Überlaufpipette 38 mit einer Reagenzlösung aus dem Vorratsbehälter 43 angefüllt. Die Photometerküvette 24 kann als Durchflussküvette ausgeführt sein. In diesem Falle wird die photometriente Lösung aus ihr in den Ablauf geleitet. Es kann jedoch auch eine selbsttätige Entleervorrichtung 25 installiert sein, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. In diesem Falle ist aus dem Photometerbehälter 24 unten ein doppelt gebogenes Abflussrohr 55 mit einem absteigenden Teil 56, unteren Knie 57 und einem aufsteigenden Teil 58 herausgeführt, das mit seinem oberen Knie 59 einen Überlauf bildet und in das in den Ablauf mündende Ablaufrohr 60 übergeht. In den unteren Teil des aufsteigenden Teiles 58 des doppelt gebogenen Abflussrohres 55 mündet das enge Rohr 61 für die Luftzufuhr mit dem nach oben gerichteten Ende 62.
Das enge Rohr 61 ist über die Verengung 50 an die Austrittsleitung 48 der Luftpumpe 62 angeschlossen.
Beim Einschalten der Luftpumpe 26 strömt die Druckluft durch das enge Rohr 61 und das nach oben gerichtete Ende 62 in den aufsteigenden Teil 58 und befördert das Gemisch von Flüssigkeit und Luft durch das obere Knie 59 und den absteigenden Teil 56 in das Ablaufrohr 60 und weiter in den Ablauf.
Die beschriebenen Einrichtungen können z.B. bei selbsttätigen Analysatoren für die Kontrolle der Wasserzusammensetzung genützt werden.