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Die Erfindung betrifft ein Analysegerät zur automatisierten Bestimmung einer Messgröße einer Messflüssigkeit.
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Solche Analysegeräte werden beispielsweise in der Prozessmesstechnik oder in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Beispielsweise können Analysegeräte zur Überwachung und Optimierung der Reinigungsleistung einer Kläranlage, z. B. bei der Überwachung von Belebungsbecken und des Kläranlagenauslaufs dienen. Weiterhin können Analysegeräte zur Überwachung von Trinkwasser oder zur Qualitätsüberwachung von Lebensmitteln eingesetzt werden. Von Analysegeräten bestimmte und überwachte Messgrößen sind beispielsweise ein Analytgehalt einer Flüssigkeit, z. B. ein Gehalt an Ionen wie Ammonium, Phosphat oder Nitrat, der Gehalt an biologischen oder biochemischen Verbindungen, z. B. Hormonen, oder auch der Gehalt an Mikroorganismen. Weitere Messgrößen, die durch Analysegeräte in der Prozessmesstechnik, insbesondere im Bereich der Überwachung von Wasser bestimmt werden, sind z. B. der Gesamtkohlenstoffgehalt (TOC) oder der chemische Sauerstoffbedarf (CSB).
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Häufig wird in Analysegeräten die zu analysierende Probe mit einem oder mehreren Reagenzien versetzt, so dass eine chemische Reaktion auftritt, die mittels physikalischer Methoden, beispielsweise durch optische Messungen, nachweisbar ist. Beispielsweise kann die chemische Reaktion eine Färbung der Flüssigkeitsprobe oder einen Farbumschlag bewirken, der fotometrisch detektierbar ist.
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Um solche Analyseverfahren im industriellen Bereich einzusetzen, ist es wünschenswert ein Analysegerät bereitzustellen, das die benötigten Analyseverfahren automatisiert durchführt, und das möglichst wenige Eingriffe oder Wartungsmaßnahmen durch qualifizierte Bedienpersonen erfordert. Die wichtigsten Anforderungen an ein solches Analysegerät sind, neben einer ausreichenden Messgenauigkeit, Robustheit, einfache Bedienbarkeit und die Gewährleistung einer ausreichenden Arbeits- bzw. Umweltsicherheit. Da die für die Analyse verwendeten Reagenzien zum Teil nicht ohne weiteres in den Wasserkreislauf gegeben werden können, spielt deren sichere Entsorgung ebenfalls eine wesentliche Rolle.
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Aus dem Stand der Technik sind halb-automatische und automatische Analysegeräte bekannt. Diese sind im Aufbau oft verhältnismäßig kompliziert und daher anfällig für Defekte und in der Regel nur für geschultes Bedienpersonal zu bedienen. So zeigen beispielsweise
DE 102 22 822 A1 und
DE 102 27032 A1 Online-Analysatoren zum Analysieren von Messproben. Die Online-Analysatoren sind jeweils als Schrankgerät ausgestaltet, in dem eine Steuereinheit, Reagenzienvorratsbehälter, Pumpen zum Fördern und Dosieren einer Flüssigkeitsprobe und von Reagenzien aus den Reagenzienvorratsbehältern in eine Messzelle, sowie ein Messaufnehmer zur Durchführung optischer Messungen an der in der Messzelle aufgenommenen, beispielsweise durch Versetzen der Flüssigkeitsprobe mit den Reagenzien gebildete Messflüssigkeit, angeordnet sind. Die Reagenzien werden über durch Schlauchverbindungen gebildete Flüssigkeitsleitungen aus den Reagenzienbehältern gefördert und in die Messzelle transportiert. Entsprechend wird verbrauchte Messflüssigkeit wiederum über eine Schlauchverbindung in einen Abfallbehälter überführt. Muss der Abfallbehälter oder einer oder mehrere der Reagenzienvorratsbehälter ausgetauscht werden, ist dafür Sorge zu tragen, dass die Schlauchverbindungen anschließend wieder richtig angeschlossen werden. Die Schläuche und die Förderpumpen sind anfällig für Materialermüdung und müssen ebenfalls von Zeit zu Zeit gewartet oder ausgetauscht werden.
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In
DE 10 2009 029 305 A1 ist ein Analysegerät zur automatisierten Bestimmung einer Messgröße einer Flüssigkeitsprobe beschrieben, das einen oder mehrere Flüssigkeitsbehälter für eine oder mehrere Flüssigkeiten, z. B. Reagenzien, eine Messzelle zur Aufnahme einer durch Vermischen der Flüssigkeitsprobe mit einem oder mehreren Reagenzien erzeugten Messflüssigkeit und eine Messeinrichtung zur Bereitstellung von einem oder mehreren mit der Messgröße korrelierten Messsignalen aufweist. Das Analysegerät besitzt weiterhin eine Elektronikeinheit, welche eine Steuereinheit zur Steuerung des Analysegerätes und zur Bestimmung der Messgröße anhand der von der Messeinrichtung bereitgestellten Messsignale umfasst, und eine von der Steuereinheit gesteuerte Verfahrenstechnik-Einheit aufweist, die eine Förder- und Dosiereinrichtung zur Förderung und Dosierung der Flüssigkeitsprobe und von Flüssigkeiten aus dem Flüssigkeitsspeicher in die Messzelle umfasst. Das Analysegerät besitzt mindestens eine austauschbare Kassette, in die die Flüssigkeitsbehälter und/oder mindestens Teile der Verfahrenstechnik-Einheit integriert sind.
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Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Flüssigkeitsbehälter oder Verschleißteile der Verfahrenstechnik-Einheit, wie Schläuche oder Verschleißteile der Förder- und Dosiereinrichtung, die von Zeit zu Zeit vom Bedienpersonal erneuert werden müssen, in der Kassette angeordnet werden können. Eine Bedienperson muss dann zur Bereitstellung neuer Flüssigkeiten oder zum Ersetzen der Verschleißteile lediglich die „verbrauchte” Kassette mit den auszutauschenden Flüssigkeitsbehältern bzw. Verschleißteilen durch eine neue Kassette ersetzen.
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In den in
DE 10 2009 029 305 A1 beschriebenen Ausführungsbeispielen weist die Förder- und Dosiereinrichtung zwei Schlauchpumpen auf, wobei eine erste Schlauchpumpe zur Förderung und Dosierung von wahlweise einer Flüssigkeitsprobe aus einer Probenvorlage, einer Reinigungsflüssigkeit aus einem Flüssigkeitsbehälter oder eines Kalibrierstandards aus einem anderen Flüssigkeitsbehälter des Analysegeräts in die Messzelle dient. Eine zweite Schlauchpumpe dient zur Förderung und Dosierung eines Reagenz in die Messzelle. Zur Auswahl der jeweils durch die erste Schlauchpumpe zu fördernden Flüssigkeit sind Ventile vorgesehen, die durch die elektronische Steuereinheit des Analysegeräts jeweils entsprechend angesteuert werden. Dieser Aufbau ist verhältnismäßig einfach und erlaubt die Integration beispielsweise von Verschleißteilen der Schlauchpumpen in eine austauschbare Kassette. Die Förderung mehrerer Flüssigkeiten mittels ein und derselben Schlauchpumpe lässt jedoch nur eine geringe Verfahrensflexibilität zu, Generell ist die Dosierpräzision von Schlauchpumpen bzw. Peristaltikpumpen im Allgemeinen derjenigen von Kolbenpumpen unterlegen und kann sich über die Einsatzdauer des Schlauches durch Materialalterung stark verändern. Die Verwendung mehrerer einzeln anzusteuernder Ventile ist zwar grundsätzlich problemlos möglich, jedoch wird je nach Ausgestaltung der Ventile ein verhältnismäßig großer Bauraum benötigt.
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In Dokument
WO 2005/064328 A1 ist ein Analysegerät zur fotometrischen Bestimmung eines Parameters einer einem oxidativen Aufschluss unterzogenen Flüssigkeitsprobe, z. B. des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) oder des Gesamt-Stickstoffgehalts, beschrieben. Das Gerät weist mehrere Flüssigkeitsbehälter auf, aus denen mittels einer mit allen Flüssigkeitsbehältern verbundenen Kolbenpumpe Flüssigkeiten in eine Messzelle gefördert werden können. Jedem Flüssigkeitsbehälter ist ein eigenes Ventil zugeordnet, durch das der Flüssigkeitsweg zwischen dem jeweiligen Flüssigkeitsbehälter und der Kolbenpumpe sperrbar ist. Somit kann beispielsweise nur ein einzelnes Ventil geöffnet werden, so dass nur aus dem zugehörigen Flüssigkeitsbehälter Flüssigkeit in den Zylinder der Kolbenpumpe gefördert wird. Alternativ können mehrere Ventile gleichzeitig geöffnet werden, um mehrere Flüssigkeiten gleichzeitig zu fördern. Trotzdem ist die Flexibilität der Verfahrensführung der Analyse in dieser Anordnung eingeschränkt, da sie zwar grundsätzlich die gleichzeitige Förderung mehrerer Flüssigkeiten erlaubt, jedoch ist es in dieser Anordnung nicht möglich, für die verschiedenen Flüssigkeiten individuelle Förderraten einzustellen bzw. unterschiedliche Volumina der gleichzeitig geförderten Flüssigkeiten in die Messzelle zu dosieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Analysegerät der vorgenannten Art mit einem kompakten und robusten Aufbau anzugeben, das eine hohe Flexibilität des Analyseverfahrens erlaubt und geeignet ist, den Wartungsaufwand für das Analysegerät gering zu halten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Analysegerät zur automatisierten Bestimmung einer Messgröße einer Messflüssigkeit, umfassend:
- – eine Messzelle zur Aufnahme der Messflüssigkeit;
- – einen Messaufnehmer zur Erfassung eines mit der Messgröße korrelierten Messwerts der in der Messzelle aufgenommenen Messflüssigkeit;
- – eine Kontrolleinheit, welche zur Bestimmung der Messgröße anhand des von dem Messaufnehmer erfassten Messwerts ausgestaltet ist;
- – ein System von Flüssigkeitsleitungen;
- – einen ersten Flüssigkeitsbehälter, welcher über einen in dem System von Flüssigkeitsleitungen verlaufenden, mittels mindestens eines ersten Ventils sperrbaren, ersten Flüssigkeitsweg mit der Messzelle verbunden ist,
- – einen zweiten Flüssigkeitsbehälter, welcher über einen in dem System von Flüssigkeitsleitungen verlaufenden, mittels mindestens eines zweiten Ventils sperrbaren, zweiten Flüssigkeitsweg mit der Messzelle verbunden ist,
wobei dem ersten Flüssigkeitsbehälter eine erste Pumpe zum Transport von Flüssigkeit entlang des ersten Flüssigkeitswegs zugeordnet ist,
und wobei dem zweiten Flüssigkeitsbehälter eine, von der ersten Pumpe verschiedene, zweite Pumpe zum Transport von Flüssigkeit entlang des zweiten Flüssigkeitswegs zugeordnet ist,
wobei das Analysegerät ein zentrales, insbesondere von der Kontrolleinheit steuerbares, Ventil-Schaltwerk zum Betätigen des ersten und des zweiten Ventils aufweist.
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Indem dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbehälter jeweils eine eigene Pumpe zum Transport der in dem ersten oder in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter enthaltenen Flüssigkeit entlang eines durch mindestens ein Ventil sperrbaren Flüssigkeitswegs zwischen dem jeweiligen Flüssigkeitsbehälter und der Messzelle zugeordnet ist, lassen sich für die in dem ersten Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit und für die in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit individuelle Förderraten einstellen und/oder individuelle Volumina der ersten bzw. zweiten Flüssigkeit in die Messzelle dosieren. Es ist auch möglich, jeweils nur eine der Flüssigkeiten oder beide Flüssigkeiten gleichzeitig mit gleicher oder unterschiedlicher Förderrate aus den Flüssigkeitsbehältern in die Messzelle zu transportieren. Dies führt zu einer hohen Flexibilität bei der Durchführung von Analyseverfahren mit dem Analysegerät. Die Verwendung eines zentralen Ventil-Schaltwerks erlaubt im Vergleich zu einer Anordnung mit mehreren einzeln ansteuerbaren Ventilen einen kompakteren Aufbau und eine vereinfachte Steuerung.
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Die Kontrolleinheit kann eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung umfassen, die mindestens einen Mikrokontroller und eine oder mehrere Datenspeicherschaltungen, sowie mindestens eine erste Schnittstelle zur Verbindung der Kontrolleinheit mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Prozessleitsystem oder einer sonstigen externen, d. h. nicht zum Analysegerät selbst gehörigen Datenverarbeitungseinrichtung aufweist. Die Kontrolleinheit kann dazu ausgestaltet sein, das Analysegerät zur vollautomatischen Durchführung von Analysen zu steuern und aus den vom Messaufnehmer erfassten Messwerten die zu bestimmende Messgröße zu ermitteln.
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Das Analysegerät kann neben dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbehälter mehrere weitere Flüssigkeitsbehälter umfassen, in denen weitere Flüssigkeiten enthalten sind. Alle Flüssigkeitsbehälter des Analysegeräts können über das System von Flüssigkeitsleitungen mit der Messzelle verbunden sein. Die Verbindung jedes der Flüssigkeitsbehälter mit der Messzelle kann durch einen individuellen mittels mindestens eines Ventils sperrbaren, durch das System von Flüssigkeitsleitungen verlaufenden Flüssigkeitsweg gebildet sein, dem eine individuelle Pumpe zum Transport von Flüssigkeit entlang des Flüssigkeitswegs zugeordnet ist. Das zentrale Ventil-Schaltwerk kann dazu ausgestaltet sein eine Vielzahl, insbesondere alle Ventile des Analysegeräts zu betätigen. Weiterhin kann in dem System von Flüssigkeitsleitungen mindestens ein, ebenfalls durch ein von dem zentralen Ventil-Schaltwerk betätigbaren Ventil sperrbarer zusätzlicher Flüssigkeitsweg gebildet sein, der eine Probenvorlage, aus der das Analysegerät zu untersuchende Flüssigkeitsproben entnimmt, mit der Messzelle verbindet. Diesem zusätzlichen Flüssigkeitsweg kann eine zusätzliche Pumpe individuell zugeordnet sein. Alternativ kann eine der Pumpen, die in dem Analysegerät zum Transport einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsbehälter dient, zusätzlich die Förderung der Flüssigkeitsprobe in die Messzelle übernehmen.
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Das Analysegerät kann eine, insbesondere aus einzelnen Modulen gebildete, Analysegerät-Grundstruktur und eine mit der Analysegerät-Grundstruktur verbundene, austauschbare Kassette aufweisen, welche mindestens den ersten und zweiten Flüssigkeitsbehälter und gegebenenfalls weitere Flüssigkeitsbehälter des Analysegeräts umfasst. Die Verwendung eines zentralen Ventil-Schaltwerks zur Betätigung der zur Sperrung von Flüssigkeitswegen aus den Flüssigkeitsbehältern zur Messzelle dienenden Ventile erlaubt einen besonders kompakten Aufbau und ist daher für ein derartiges Analysegerät mit austauschbarer Kassette gut geeignet. Die austauschbare Kassette ist im Betrieb des Analysegeräts mit der Analysegerät-Grundstruktur über mechanische Verbindungselemente verbunden. Sie kann ein Gehäuse besitzen, das das Kassetteninnere gegenüber der Umgebung bis auf einen oder mehrere Anschlüsse abschließt, über die fluidische Verbindungen zwischen Flüssigkeitsleitungen oder Flüssigkeitsbehälter innerhalb der Kassette und Flüssigkeitsleitungen oder Flüssigkeitsbehältern außerhalb der Kassette gebildet werden können. Vorzugsweise sind diese Anschlüsse flüssigkeitsdicht verschließbar. Unter einer fluidischen Verbindung wird hier eine strukturelle Verbindung zwischen den Komponenten verstanden, über die ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, von der ersten zur zweiten Komponente transportiert werden kann. Insbesondere soll nicht ausgeschlossen sein, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und der zweiten Komponente, die in fluidischer Verbindung stehen, angeordnet sind. Eine fluidische Verbindung ist weiterhin insbesondere derart abgedichtet, dass eine verlustfreie Übertragung des Fluids zwischen der ersten und der zweiten Komponente möglich ist.
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Unter einer austauschbaren Kassette ist eine Kassette zu verstehen, die über einen oder mehrere Anschlüsse mit der Analysegerät-Grundstruktur verbunden und wieder von dieser gelöst werden, und durch eine gleichartige Kassette ersetzt werden kann. Gleichartige Kassetten weisen gleiche Anschlüsse auf, so dass jede der gleichartigen Kassetten ohne weitere Modifikationen des Analysegeräts mit der Analysegerät-Grundstruktur verbunden werden kann. Vorzugsweise besitzen gleichartige Kassetten auch ein Gehäuse mit im Wesentlichen identischer Geometrie, insbesondere mit im Wesentlichen identischen Abmessungen. Dies erlaubt einen sehr einfachen Austausch mindestens der Flüssigkeitsbehälter, da eine Bedienperson nur noch die Kassette auswechseln muss, ohne direkt mit den in den Flüssigkeitsbehältern enthaltenen Chemikalien umgehen zu müssen. Die Gehäuse der Analysegerät-Grundstruktur und der austauschbaren Kassette können so ausgestaltet sein, dass die Position und Orientierung der Kassette bezüglich der Analysegerät-Grundstruktur eindeutig vorgegeben ist. So wird gewährleistet, dass die Kassette ausschließlich in der für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Analysegeräts vorgesehenen Position relativ zu den in der Analysegerät-Grundstruktur angeordneten Komponenten des Analysegeräts befindet.
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Die Analysegerät-Grundstruktur kann insbesondere langlebige, wenig wartungsanfällige und/oder kostspielige Komponenten des Analysegeräts enthalten, während die austauschbare Kassette vorzugsweise neben den Flüssigkeitsbehältern auch weitere Komponenten des Analysegeräts enthält, die weniger langlebig sind und von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden müssen. Insbesondere kann die Analysegerät-Grundstruktur die Kontrolleinheit enthalten.
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Die Kassette kann mindestens Teile der ersten und zweiten Pumpe und gegebenenfalls mindestens Teile weiterer Pumpen umfassen. Die weiteren Pumpen können zum Transport von Flüssigkeiten aus gegebenenfalls im Analysegerät vorhandenen weiteren Flüssigkeitsbehältern entlang jeweils eines einen Flüssigkeitsbehälter mit der Messzelle verbindenden Flüssigkeitswegs dienen. Bei den Pumpen kann es sich beispielsweise um Peristaltikpumpen, um Membranpumpen oder um Kolbenpumpen handeln.
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Als vorteilhaft erweist sich eine Ausgestaltung des Analysegeräts, bei der die erste Pumpe, die zweite Pumpe und gegebenenfalls vorhandene weitere Pumpen des Analysegeräts als Kolbenpumpen, insbesondere Spritzenpumpen, ausgestaltet sind. Die Kolbenpumpen können jeweils einen Zylinder und einen in dem Zylinder beweglichen Kolben, insbesondere einen Zylinder und einen in dem Zylinder beweglichen Kolben einer Einweg-Spritze, umfassen, welche in der austauschbaren Kassette aufgenommen sind, wobei die Analysegerät-Grundstruktur einen oder mehrere Pumpenantriebe, insbesondere einen oder mehrere Linearantriebe, aufweist, welcher oder welche mit den Kolben der Pumpen in Wirkverbindung stehen, wenn die Kassette mit der Analysegerät-Grundstruktur verbunden ist. Die in der austauschbaren Kassette aufgenommenen Kolben und Zylinder können aus einem preiswerten Material, beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein. Als geeignet haben sich insbesondere Zylinder und Kolben herkömmlicher Einweg-Spritzen erwiesen. Die austauschbare Kassette enthält somit sehr preisgünstige Pumpenteile, die nach dem Gebrauch der Kassette einfach entsorgt werden können, während die aufwändigeren Linear-Antriebe außerhalb der Kassette in der Analysegerät-Grundstruktur angeordnet sind. Sie können über lange Zeiträume verwendet werden, während derer die Kassette mehrfach getauscht wird.
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Die Ventile können als Mehrwegeventile, beispielsweise als 3/2-Wegeventile, ausgestaltet sein, wobei in einer ersten Ventilstellung ein erster Flüssigkeitswegabschnitt von den Flüssigkeitsbehältern in die Zylinder der Kolbenpumpen freigegeben und ein zweiter Flüssigkeitswegabschnitt von den Zylindern der Kolbenpumpen zur Messzelle gesperrt ist, und wobei in einer zweiten Ventilstellung der erste Flüssigkeitswegabschnitt von den Flüssigkeitsbehältern in die Zylinder der Kolbenpumpen gesperrt und der zweite Flüssigkeitswegabschnitt von den Zylindern der Kolbenpumpen in die Messzelle freigegeben ist. Zum Ansaugen von Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsbehälter in die Kolbenpumpe wird die erste Ventilstellung gewählt, während zum Transport der Flüssigkeit aus der Kolbenpumpe in die Messzelle die zweite Ventilstellung gewählt wird. Die Einstellung der jeweiligen Ventilstellungen der Ventile wird, wie bereits erwähnt, mittels des von der Kontrolleinheit steuerbaren zentralen Ventil-Schaltwerks durchgeführt.
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Die Kassette weist einen Verfahrenstechnikblock auf, in dem mindestens ein Teil des Systems von Flüssigkeitsleitungen als Kanalstruktur gebildet ist, und der Anschlüsse zur flüssigkeitsdichten Verbindung der Kanalstruktur mit den Flüssigkeitsbehältern und Anschlüsse zur fluidischen Verbindung der Kolbenpumpen mit der Kanalstruktur aufweist. Vorzugsweise verbinden die Anschlüsse die Kanalstruktur unmittelbar, d. h. ohne dazwischengeschaltete Schläuche, mit den Ausgängen der Kolbenpumpen und mit der Messzelle oder einer der Messzelle vorgeschalteten Mischzelle. Auf diese Weise kann gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Analysegeräten die Anzahl der anfälligen Schlauchleitungen stark reduziert werden.
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Der Verfahrenstechnikblock kann beispielsweise aus einem einzigen Spritzgussteil gebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Verfahrenstechnikblock aus mehreren Einzelbauteilen, beispielsweise aus aneinandergelegten Platten gebildet ist, in denen kanalförmige Ausnehmungen in der Plattenebene und/oder senkrecht zur Plattenebene gebildet sind, so dass bei Aneinanderlegen der Platten eine dreidimensionionale, Flüssigkeitsleitungen bildende Kanalstruktur entsteht.
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Die Kassette kann weiterhin einen Ventilblock aufweisen, der das erste und zweite Ventil und gegebenenfalls vorhandene, weitere in dem System von Flüssigkeitsleitungen gebildete Flüssigkeitswege sperrende oder freigebende, weitere Ventile umfasst, wobei die Ventile als Mehrwegeventile, insbesondere als 3/2-Wegeventile, ausgestaltet sind.
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Die Mehrwegeventile können jeweils einen in dem Ventilblock gebildeten Hohlraum aufweisen, der als von einer flexiblen, insbesondere elastisch verformbaren, Wand, insbesondere einer elastisch verformbaren Membran, flüssigkeitsdicht überdeckte Ausnehmung in einer Seitenfläche des Ventilblocks gebildet ist, und in den mehrere Flüssigkeitsleitungen münden, welche als innerhalb des Ventilblocks verlaufende Kanäle ausgestaltet sind, wobei mindestens eines der Mehrwegeventile ein oder mehrere an der flexiblen Wand anliegende Sperrglieder umfasst, wobei jedes Sperrglied zur Betätigung des Mehrwegeventils in einer Bewegungsrichtung, welche mindestens eine senkrecht zur flexiblen Wand verlaufende Komponente aufweist, verschieblich ist, um durch Deformierung der flexiblen Wand mindestens eine der in den Hohlraum mündenden Flüssigkeitsleitungen gegenüber den anderen in den Hohlraum mündenden Flüssigkeitsleitungen zu sperren. Dabei kann die Mündung mindestens einer der in den Hohlraum mündenden Flüssigkeitsleitungen als Ventilsitz dienen, gegen den ein Sperrglied die flexible Wand zur Sperrung der Flüssigkeitsleitung anpresst.
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Der Ventilblock kann mit dem Verfahrenstechnikblock, in dem mindestens ein Teil des Systems von Flüssigkeitsleitungen als Kanalstruktur gebildet ist, derart verbunden sein, dass die in dem Ventilblock gebildeten Mehrwegeventile mit den in dem Verfahrenstechnikblock gebildeten Flüssigkeitsleitungen zu deren Sperrung und/oder Freigabe zusammenwirken. Der Verfahrenstechnikblock und der Ventilblock können zum Beispiel in einem einstückigen Spritzgussteil gebildet sein. Der Ventilblock und der Verfahrenstechnikblock können auch aus zwei getrennten Bauteilen bestehen, die lösbar miteinander über Anschlüsse verbunden sind. Der Ventilblock kann wie der Verfahrenstechnikblock aus mehreren aneinanderliegenden und/oder aneinandergefügten Komponenten, beispielsweise aus mehreren aneinanderliegenden Platten bestehen.
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Das zentrale Schaltwerk kann die Sperrglieder elektrisch, pneumatisch, mechanisch oder in sonstiger Weise verschieben und so die Ventile betätigen. Die Sperrglieder können beispielsweise als in axialer Richtung beweglich gelagerte Stifte oder Stempel ausgestaltet sein, die mittels zugehöriger Linearantriebe bewegt werden. Das zentrale Schaltwerk kann in einer Ausgestaltung eine drehbare Welle umfassen, welche Nocken oder Ausnehmungen aufweist, die mit den Sperrgliedern der Ventile zusammenwirken, um die durch die Ventile sperrbaren Flüssigkeitswege freizugeben oder zu sperren. Die Welle kann in dieser Ausgestaltung an den Sperrgliedern derart anliegen, dass bei einer Drehbewegung der Welle um die eigene Achse die Ausnehmungen oder die Nocken der Welle eine Bewegung der Sperrglieder gegen die flexible Wand erzwingen bzw. eine Bewegung der Sperrglieder in von der flexiblen Wand weg weisender Richtung erlauben.
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Der Ventilblock und Teile des zentralen Schaltwerks können Bestandteil der austauschbaren Kassette sein. Weist das Schaltwerk beispielsweise eine drehbare Welle mit Ausnehmungen oder Nocken zur Betätigung der Sperrglieder auf, kann die Welle Bestandteil der Kassette sein. In diesem Fall kann die Analysegerät-Grundstruktur einen von der Kontrolleinheit steuerbaren Antrieb aufweisen, der mit den zur Kassette gehörenden Bestandteilen des zentralen Schaltwerks, beispielsweise einer drehbaren Welle, in Wirkverbindung steht, wenn die Kassette mit der Analysegerät-Grundstruktur verbunden ist. Auf diese Weise kann der relativ aufwändige, aber wenig verschleißanfällige Antrieb in der Grundstruktur verbleiben, während die verschleißanfälligeren Ventile und mechanische Bestandteile des Schaltwerks mit der austauschbaren Kassette getauscht und regelmäßig erneuert werden können.
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Die Kassette kann einen Datenspeicher enthalten, der dazu ausgestaltet ist, Daten der Kassette, Informationen zu den in der Kassette enthaltenen Flüssigkeitsbehältern und/oder zu den in den Flüssigkeitsbehältern aufgenommenen Flüssigkeiten, insbesondere die in den Flüssigkeitsbehältern enthaltene Flüssigkeitsmenge, zu speichern, wobei die Kontrolleinheit dazu ausgestaltet ist, Daten in dem Datenspeicher abzulegen und/oder aus dem Datenspeicher auszulesen, wenn die Kassette mit der Analysegerät-Grundstruktur verbunden ist. Hierzu kann die Kontrolleinheit eine zusätzliche Schnittstelle aufweisen, die bei der Verbindung der austauschbaren Kassette mit der Analysegerät-Grundstruktur mit einer komplementären Schnittstelle des Datenspeichers verbunden wird. Der in der Kassette enthaltene Datenspeicher kann Bestandteil eines Mikrocomputers sein, welcher neben dem Datenspeicher mindestens einen Mikrocontroller umfasst.
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In einer Ausgestaltung kann die Kassette einen Anschluss zur Verbindung des in der Kassette enthaltenen Teils des Systems von Flüssigkeitsleitungen mit der in der Analysegerät-Grundstruktur enthaltenen Messzelle aufweisen. In dieser Ausgestaltung sind also der Messaufnehmer und die Messzelle außerhalb der Kassette in der Analysegerät-Grundstruktur enthalten, wobei der Messaufnehmer bezüglich der Messzelle so angeordnet ist, dass er mit einer in der Messzelle aufgenommenen Messflüssigkeit zur Erfassung von Messwerten in Kontakt steht.
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Alternativ kann die Messzelle aber auch Bestandteil der Kassette sein. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, alle flüssigkeitsberührenden Komponenten des Analysegeräts in der Kassette unterzubringen. Ist die austauschbare Kassette mit der Analysegerät-Grundstruktur verbunden, steht der in der Analysegerät-Grundstruktur angeordnete Messaufnehmer mit einer in der Messzelle enthaltenen Messflüssigkeit zur Messwerterfassung in Kontakt.
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Handelt es sich bei dem Messaufnehmer beispielsweise um einen optischen Sensor mit einer Messstrahlung emittierenden Strahlungsquelle und mit einem Empfänger, welcher ein von der auf eine sensitive Oberfläche des Empfängers auftreffenden Strahlungsintensität abhängiges Messsignal ausgibt, wird der Messaufnehmer mit der Messflüssigkeit in Kontakt gebracht, indem von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung auf einem zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger verlaufenden Strahlungspfad durch die Messflüssigkeit, insbesondere durch die Wand oder durch ein oder mehrere Fenster der Messzelle, gestrahlt wird. Ist der Messaufnehmer als amperometrischer oder als potentiometrischer Sensor, z. B. als ionenselektive Elektrode, oder als Leitfähigkeitssensor ausgestaltet, wird er mit der Messflüssigkeit in Kontakt gebracht, indem ein zum Kontakt mit der Messflüssigkeit bestimmter Eintauchbereich des Messaufnehmers von der Messflüssigkeit benetzt wird. Beispielsweise kann zu diesem Zweck der Messaufnehmer oder zumindest der Eintauchbereich des Messaufnehmers innerhalb der Messzelle angeordnet sein. Die Erfassung eines Messwerts durch den Messaufnehmer kann von der Kontrolleinheit initiiert werden. Die Bestimmung der Messgröße aus dem Messwert erfolgt ebenfalls durch die Kontrolleinheit.
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Die Flüssigkeitsbehälter können als flexible Reagenzienbeutel mit jeweils einem, insbesondere einzigen, Anschluss zur Verbindung der Reagenzienbeutel mit jeweils einer Flüssigkeitsleitung ausgestaltet sein. Ein flüssiges Reagenz kann einem flexiblen Reagenzienbeutel entnommen werden, ohne dass für einen Druckausgleich innerhalb des Flüssigkeitsbehälters gesorgt werden muss. Somit wird nur eine einzige Behälteröffnung zur Entnahme von Flüssigkeit benötigt, nämlich der erwähnte Anschluss zur Verbindung des Reagenzienbeutels mit einer Flüssigkeitsleitung, so dass das Eindringen von Luft, insbesondere von Sauerstoff, oder anderen reaktiven Gasen in den Flüssigkeitsbehälter weitgehend unterbunden werden kann.
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Die, insbesondere als flexible Reagenzienbeutel ausgestalteten, Flüssigkeitsbehälter können vorteilhafterweise eine für sichtbares Licht und/oder UV-Strahlung undurchlässige Behälterwand aufweisen. Damit werden photochemische oder durch Strahlung beschleunigte Alterungs- bzw. Zersetzungsprozesse der darin enthaltenen Flüssigkeit zumindest verlangsamt oder sogar unterbunden. Bei einer Ausgestaltung der Flüssigkeitsbehälter als Reagenzienbeutel kann die Behälterwand beispielsweise durch eine für sichtbares Licht und/oder UV-Strahlung undurchlässige Folie gebildet sein. Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Folien oder Beschichtungen, die zusätzlich IR-Strahlung reflektieren, und so den Beutelinhalt auch thermisch isolieren.
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In einer Ausgestaltung kann mindestens einem der Flüssigkeitsbehälter eine Temperiervorrichtung, insbesondere eine Kühlvorrichtung, zugeordnet sein, welche beispielsweise ein Peltier-Element umfasst.
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Sind die Flüssigkeitsbehälter als Reagenzienbeutel ausgestaltet, können sie im Analysegerät, insbesondere innerhalb der austauschbaren Kassette, in Stützbehältern angeordnet sein, die einen Boden und die Reagenzienbeutel seitlich umgebende feste Wände aufweisen. Die Temperiervorrichtung kann beispielsweise innerhalb des Stützbehälters oder integriert in mindestens eine Behälterwand des Stützbehälters angeordnet sein. Die Behälterwände und der Boden des Stützbehälters können eine thermische Isolierung aufweisen. Beispielsweise können die Behälterwände und der Boden eine doppelwandige Struktur besitzen.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Analysegeräts;
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2 eine schematische Schnitt-Darstellung einer austauschbaren Kassette eines Analysegeräts gemäß der schematischen Darstellung in 1;
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3a eine schematische Schnitt-Darstellung eines Ventilblocks, wobei der Schnitt durch eines der Ventile verläuft;
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3b eine schematische Schnitt-Darstellung des in 3a dargestellten Ventilblocks mit einer Welle eines zentralen Ventil-Schaltwerks zur Betätigung der Ventile.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Analysegeräts 1 mit mehreren Flüssigkeitsbehältern 3, 5, 7, 9, 11, 13 und einem System von Flüssigkeitsleitungen 14–29, über das die Flüssigkeitsbehälter 3, 5, 7, 9, 11, 13 über eine Mischzelle 31 mit einer Messzelle 32 verbunden sind. Die von den Flüssigkeitsbehältern 3, 5, 6, 9, 11, 13 zur Messzelle 32 durch das System von Flüssigkeitsleitungen verlaufenden Flüssigkeitswege sind jeweils durch mindestens ein Mehrweg-Ventil V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8 sperrbar. Alle Ventile V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 sind mittels eines zentralen Schaltwerks 34 betätigbar. Der Flüssigkeitstransport entlang der in dem System von Flüssigkeitsleitungen gebildeten Flüssigkeitswege erfolgt mittels einer Reihe von Kolbenpumpen S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7.
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Das Analysegerät 1 kann vollständig automatisiert betrieben werden. Hierzu besitzt es eine Kontrolleinheit 33, die im hier gezeigten Beispiel sowohl die Funktionen einer Auswertungseinheit zur Bestimmung der Messgröße als auch die Funktionen einer Steuereinheit zur Steuerung des in dem Analysegerät durchgeführten Verfahrens zur Verfügung stellt. Die Kontrolleinheit 33 umfasst eine Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder einen Messumformer, mit mindestens einem Prozessor und einer oder mehreren Datenspeichern. Sie kann auch über eine Eingabevorrichtung zur Eingabe von Befehlen oder Parametern durch eine Bedienperson und/oder eine Schnittstelle zum Empfang von Befehlen, Parametern oder sonstigen Daten von einer übergeordneten Einheit, beispielsweise von einem Prozessleitsystem, verfügen. Weiterhin kann die Kontrolleinheit 33 auch über eine Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von Daten, insbesondere Messergebnissen oder Betriebsinformationen an einen Benutzer oder über eine Schnittstelle zur Ausgabe von Daten an die übergeordnete Einheit verfügen. Die Kontrolleinheit 33 kann auch durch mehrere, insbesondere räumlich verteilte, miteinander zur Kommunikation in Verbindung stehenden Datenverarbeitungseinheiten realisiert sein.
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Die Kontrolleinheit 33 ist mit Pumpenantrieben 36–42 (in 1 ist nur die Verbindung mit Antrieb 42 exemplarisch dargestellt) der Kolbenpumpen S1, S2, S3, S4, S5, S6 und S7 und mit einem Antrieb M des zentralen Schaltwerks 34 verbunden, um Flüssigkeiten in die Mischzelle 31 und von dort weiter in die Messzelle 32 bzw. aus der Messzelle 32 heraus zu transportieren. Die Kontrolleinheit 33 ist außerdem mit einem optischen Messaufnehmer 35 verbunden, der einen optischen Sender und einen optischen Empfänger umfasst, um zum einen den Messaufnehmer 35 zu steuern und zum anderen aus Messsignalen des Empfängers 35 die zu bestimmende Messgröße zu ermitteln. Der optische Sender kann beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs), insbesondere mehrere LEDs, welche Licht jeweils unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, umfassen. Der Empfänger kann ein oder mehrere photoelektrische Elemente, insbesondere eine oder mehrere Photodioden aufweisen.
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Das Analysegerät 1 weist weiterhin eine Flüssigkeitsleitung 14 zur Förderung einer Flüssigkeitsprobe aus einer nicht näher dargestellten Probenvorlage auf. Die Flüssigkeitsleitung 14 für die Flüssigkeitsprobe ist über eine weitere Flüssigkeitsleitung 16 mit der Mischzelle 31 verbunden. Die Kontrolleinheit 33 fördert die Flüssigkeitsprobe zur Vorbehandlung durch entsprechende Ansteuerung des Pumpenantriebs 36 und des zentralen Schaltwerks 34 mittels des Antriebs M zur Betätigung des Ventils V1 in die Mischzelle 31.
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Im vorliegenden Beispiel ist die von dem Analysegerät zu bestimmende Messgröße eine Analytkonzentration in der Flüssigkeitsprobe. Das Analysegerät 1 weist drei Flüssigkeitsbehälter 9, 11, und 13 auf, die Reagenzien enthalten, welche gleichzeitig oder nacheinander mit der Flüssigkeitsprobe vermischt werden, um mittels einer chemischen Reaktion mit einem in der Flüssigkeitsprobe enthaltenen Analyten eine mittels des Messaufnehmers 35 fotometrisch detektierbare Veränderung in der Probe, beispielsweise eine Färbung oder einen Farbumschlag zu bewirken. Die Reagenzien können von der Kontrolleinheit 33 durch Betätigen der Pumpenantriebe 40, 41, 42 in Zusammenspiel mit den Ventilen V5, V6 und V7 in die Mischzelle 31 eindosiert und dort mit der Flüssigkeitsprobe vermischt werden. Zur fotometrischen Bestimmung der Analytkonzentration kann die durch Vermischen der Flüssigkeitsprobe mit den Reagenzien erzeugte Messflüssigkeit weiter in die Messzelle 32 transportiert werden. Die Messzelle 32 weist optische Fenster auf, die für von dem optischen Sender ausgesendete Messstrahlung durchlässig sind. Die von der Messflüssigkeit transmittierte Strahlung wird vom Empfänger des optischen Messaufnehmers 35 empfangen, der ein mit der Intensität der transmittierten Strahlung korreliertes Messsignal an die Kontrolleinheit 33 ausgibt. Diese ist dazu ausgestaltet, aus dem Messsignal einen Messwert der zu bestimmenden Messgröße, hier der Analytkonzentration, abzuleiten und abzuspeichern und/oder über eine Benutzerschnittstelle oder an eine übergeordnete Einheit auszugeben.
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Das Analysegerät 1 verfügt weiterhin über drei weitere Vorratsbehälter 3, 5 und 7. Der Vorratsbehälter 3, der über dieselbe Flüssigkeitsleitung 16 mit der Mischzelle verbunden ist wie die Flüssigkeitsleitung 14, über die die Flüssigkeitsprobe aus der Probenvorlage entnommen wird, enthält eine Reinigungslösung. Die beiden weiteren Vorratsbehälter 4 und 5 enthalten jeweils eine Standardlösung, beispielsweise in dem einen Vorratsbehälter 4 eine Standardlösung mit einer bekannten Konzentration des Analyten und in dem anderen Vorratsbehälter 5 Analyt-freies, insbesondere destilliertes, Wasser. Mittels der Kolbenpumpen S1, S2 und S3 im Zusammenspiel mit den Ventilen V1, V2 und V3 können diese Flüssigkeiten gesteuert durch die Kontrolleinheit über die Flüssigkeitsleitungen 15, 16, 17, 18, 19 und 20 in die Mischzelle 31 und weiter in die Messzelle 32 gefördert werden.
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Die Mischzelle 31 ist über einen mittels des Ventils V4 sperrbaren, durch die Flüssigkeitsleitungen 23 und 21 verlaufenden Flüssigkeitsweges mit einem nicht näher dargestellten Abfallbehälter verbunden. Die Pumpe S4 dient dazu, verbrauchte Messflüssigkeit aus der Messzelle 32 über die Mischzelle 31 und die Flüssigkeitsleitungen 23 und 21 in den Abfallbehälter zu transportieren.
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Die Flüssigkeitsbehälter 3, 5, 7, 9, 11, 13, Teile der Kolbenpumpen S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, zumindest ein Teil des Systems von Flüssigkeitsleitungen und die Mischzelle 31 können in einer austauschbaren Kassette angeordnet sein, die lösbar mit einer Analysegerät-Grundstruktur verbunden werden kann. Die Analysegerät-Grundstruktur umfasst die weiteren Komponenten des Analysegeräts 1, beispielsweise die Messzelle 32, den Messaufnehmer 35, die Kontrolleinheit 33, die Pumpenantriebe 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42 der Kolbenpumpen S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 den Antrieb M des zentralen Schaltwerks 34 und gegebenenfalls weitere Komponenten, wie z. B. ein Lüftungs- und/oder Kühlungssystem für das Analysegerät. Die Analysegerät-Grundstruktur kann einteilig oder aus mehreren, insbesondere lösbar miteinander verbundenen Modulen gebildet sein.
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Ein Beispiel für eine austauschbare Kassette 50 ist schematisch in 2 dargestellt. Die in der Kassette enthaltenen Flüssigkeitsbehälter sind im hier gezeigten Beispiel als Reagenzienbeutel 53 mit flexibler Wandung ausgestaltet, die in einer in der Kassette 50 gebildeten Stützstruktur 52 aufgenommen sind. Sie können aber auch als herkömmliche Behälter mit fester Wandung ausgestaltet sein. Der hier gezeigte Reagenzienbeutel 53 weist eine für sichtbares Licht und/oder UV-Strahlung undurchlässige Wandung auf, um fotochemische oder durch Strahlung beschleunigte Zersetzungsprozesse, die in der im Reagenzienbeutel 53 enthaltenen Flüssigkeit stattfinden können, zu verlangsamen bzw. zu unterbinden. Zur Verlängerung der Haltbarkeit der in den Reagenzienbeuteln 53 aufgenommenen Flüssigkeit kann die Kassette 60 eine Temperiereinrichtung, insbesondere ein Kühleinrichtung, für die Reagenzienbeutel umfassen. Die Temperiereinrichtung kann beispielsweise Peltier-Elemente umfassen, die an einer oder mehreren Wänden der Stützstruktur 52 angebracht sind (hier nicht gezeigt).
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Der Reagenzienbeutel 53 weist einen mit einer Flüssigkeitsleitung 55 verbundenen Anschluss 54 auf, über den die Flüssigkeit dem System von Flüssigkeitsleitungen, das im hier gezeigten Beispiel als in einem Verfahrenstechnikblock 56 gebildete Kanalstruktur 57 ausgestaltet ist, zuführbar ist. Der Verfahrenstechnikblock 56 kann aus einem oder mehreren aneinander befestigten Bauteilen bestehen, die beispielsweise in Spritzgusstechnik herstellbar sind. Die Kanalstruktur 57 bildet die in 1 gezeigten Flüssigkeitsleitungen 14–29 aus, so dass Flüssigkeitswege zwischen den in der Kassette 50 aufgenommenen Flüssigkeitsbehältern 53 und der Mischzelle 31 durch die Kanalstruktur 57 verlaufen. Der Verfahrenstechnikblock 56 weist an einer Seite Anschlüsse für mehrere Kolbenpumpen 58 und an einer anderen, hier gegenüberliegenden, Seite einen Anschluss an die Mischzelle 31 auf. Die Anzahl von durch Schläuche gebildeten Flüssigkeitsleitungen ist in dieser Ausgestaltung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Analysegeräten stark reduziert. Da Schlauchverbindungen anfällig für Alterungserscheinungen und Defekte sind, wird so die funktionale Stabilität des Analysegeräts erheblich verbessert und der Wartungsaufwand gesenkt. Außerdem wird das Risiko verringert, dass bei einem Eingriff in die Kassette 60 durch eine Wartungsperson Schlauchanschlüsse vertauscht werden.
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Die Kolbenpumpen 58 weisen jeweils einen Zylinder und einen in dem Zylinder zum Ansaugen von Flüssigkeit in den Zylinder oder zum Abgeben von Flüssigkeit aus dem Zylinder axial beweglichen Kolben auf. Es hat sich gezeigt, dass eine Kolbenpumpe 58 mit ausreichender Dosiergenauigkeit aus einem Zylinder und Kolben einer herkömmlichen Einweg-Spritze, insbesondere aus Kunststoff, unter Verwendung einer in einer umlaufenden Ausnehmung des Kolbens befestigten, in dem Zylinder bei der Kolbenbewegung gleitenden Ringdichtung aus einem chemisch inerten Dichtungsmaterial zur Abdichtung des zur Aufnahme von Flüssigkeit dienenden Zylinderinnenraums gebildet werden kann. Jede Kolbenpumpe 58 kann mittels eines eigenen Pumpenantriebs (vgl. Pumpenantriebe 36–42 in 1) betätigt werden. Die Pumpenantriebe sind als Linearantriebe ausgestaltet und außerhalb der austauschbaren Kassette 50 in der Analysegerät-Grundstruktur angeordnet. Beim Verbinden der Kassette 50 mit der Analysegerät-Grundstruktur greifen die Kolben oder mit den Kolben verbundene Verbindungselemente in eine bewegliche Komponente, beispielsweise einen Schlitten, der Linearantriebe ein.
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Die austauschbare Kassette 50 weist weiterhin eine Elektronik-Einheit 59 auf, die mindestens einen Datenspeicher umfasst. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Elektronik-Einheit 59 auch als Mikrocomputer mit mindestens einem Mikroprozessor und einem Datenspeicher ausgestaltet sein. Die Elektronik-Einheit 59 weist eine Schnittstelle auf, über die sie mit der in der Analysegerät-Grundstruktur untergebrachten Kontrolleinheit 33 zum Datenaustausch und zur Energieversorgung der Elektronik-Einheit 59 durch die Kontrolleinheit 33 verbindbar ist. Im Datenspeicher der Elektronik-Einheit 59 können Informationen über die Kassette 50 oder über die in den Flüssigkeitsbehältern der Kassette 50 aufgenommenen Flüssigkeiten gespeichert sein. Mögliche im Datenspeicher abgespeicherte Informationen zu den Flüssigkeiten können deren chemische Zusammensetzung, ein Mindesthaltbarkeitsdatum oder die in den Flüssigkeitsbehältern enthaltene Flüssigkeitsmenge sein. Die Kontrolleinheit 33 kann Daten aus dem Datenspeicher auslesen und Daten in den Datenspeicher schreiben. Beispielsweise kann die Kontrolleinheit 33 die aktuelle in den Flüssigkeitsbehältern 53 enthaltene Flüssigkeitsmenge aus dem Datenspeicher auslesen und während des Analysebetriebs den Verbrauch der einzelnen Flüssigkeiten überwachen und von Zeit zu Zeit anhand des von der Kontrolleinheit 33 registrierten Flüssigkeitsverbrauchs aktualisierte Werte der noch in den Flüssigkeitsbehältern 53 enthaltenen Flüssigkeitsmengen in den Datenspeicher schreiben.
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In der Kassette 50 können außerdem Sensoren enthalten sein, die den Füllstand der Flüssigkeitsbehälter 53 oder eine in der Kassette 50 herrschende Temperatur überwachen. Die Sensormesswerte können von der Elektronik-Einheit 59 erfasst und/oder gespeichert werden und zu Diagnosezwecken herangezogen werden. Anhand eines von einem Temperatursensor erfassten Temperaturverlaufs, kann ein eventuell in der Elektronik-Einheit 59 vorhandener Mikrocomputer oder die übergeordnete, mit der Elektronik-Einheit 59 verbundene Kontrolleinheit 33 des Analysegeräts 1 eine einer Mindesthaltbarkeit der Flüssigkeiten entsprechende Zeitspanne ableiten. Diese wird bei niedrigen Temperaturen, bei denen Zersetzungsreaktionen langsamer ablaufen, länger sein als bei hohen Temperaturen. Indem der Temperaturverlauf und/oder andere die Haltbarkeit der Flüssigkeiten beeinflussende Messgrößen erfasst und in dem Datenspeicher der Elektronik-Einheit 59 der Kassette 50 gespeichert wird, kann eine über die Betriebsdauer der Kassette 50 erfasste Daten-Historie, wie z. B. Zeiträume, in denen die Flüssigkeiten erhöhten Temperaturen ausgesetzt waren, bei der Ermittlung der verbleibenden Haltbarkeitsdauer der Flüssigkeiten berücksichtigt werden.
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An einer Seite des Verfahrenstechnikblocks 56, in dem die einen Teil der Flüssigkeitsleitungen bildende Kanalstruktur 57 gebildet ist, sind Ventile angeordnet, mittels derer die zwischen den Flüssigkeitsbehälter und der Probenvorlage verlaufenden Flüssigkeitswege sperrbar sind (nicht in 2 dargestellt). Die Ventile können in dem Verfahrenstechnikblocks 56 selbst oder in einem mit dem Verfahrenstechnikblock, insbesondere lösbar, verbundenen Ventilblock gebildet sein.
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3a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines solchen Ventilblocks 60. Der Ventilblock 60 ist mit dem in 2 gezeigten Verfahrenstechnikblock 56 derart verbindbar, dass mittels der in dem Ventilblock 60 gebildeten Ventile durch die Kanalstruktur 57 verlaufende Flüssigkeitswege zwischen den Flüssigkeitsbehältern 3 und der Mischzelle 31 sperrbar bzw. freigebbar sind. In 3a ist ein Schnitt durch eines der in dem Ventilblock 60 gebildeten Ventile gezeigt.
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Das im Schnitt gezeigte Ventil 61 wird durch einen Hohlraum 62 gebildet, in den drei Flüssigkeitsleitungen 63, 64, 65 münden. Der Hohlraum 62 ist von einer Dichtplatte 66, die auch als dünne Dichtmembran ausgestaltet sein kann, aus einem flexiblen Material überdeckt und flüssigkeitsdicht abgeschlossen. An der Dichtplatte 66 liegen zwei Sperrglieder 67, 68 an, die senkrecht zur Dichtplatte 66 in einer Halteplatte 70 beweglich geführt sind. Jedes Sperrglied 67, 68 ist gegenüber einer Mündung einer der Flüssigkeitsleitungen 63, 65 liegend angeordnet. Zur Sperrung einer dieser Flüssigkeitsleitungen 63, 65 gegenüber den beiden anderen in den Hohlraum 62 mündenden Flüssigkeitsleitungen kann ein Sperrglied 67 bzw. 68 in axialer Richtung gegen die Dichtplatte 66 verschoben werden, so dass diese verformt und von dem Sperrglied 67 bzw. 68 gegen die gegenüberliegende Mündung der Flüssigkeitsleitung 63 bzw. 65 angepresst wird, so dass die auf diese Weise als Ventilsitz dienende Mündung flüssigkeitsdicht verschlossen wird.
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Zur Betätigung der Ventile ist ein außerhalb der austauschbaren Kassette 50 in der Analysegerät-Grundstruktur angeordnetes zentrales Ventil-Schaltwerk vorgesehen. Im hier gezeigten Beispiel weist das Schaltwerk einen oder mehrere Aktoren (in 3a durch Pfeile angedeutet) auf, die zum Sperren eines Flüssigkeitswegs eine axial wirkende Kraft auf die Sperrglieder 67, 68 ausüben. Eine Freigabe des Flüssigkeitswegs erfolgt, indem die Aktoren keine axial wirkende Kraft auf das entsprechende Sperrglied 67, 68 ausüben, sodass aufgrund der Rückstellkraft der verformbaren Dichtplatte 66 bzw. aufgrund eines Flüssigkeitsdrucks innerhalb des Hohlraums 62 das Sperrglied 67, 68 in axialer Richtung von dem durch die Mündung der Flüssigkeitsleitung gebildeten Ventilsitz weg verschoben wird und die Flüssigkeitsleitung wieder freigibt. Alternativ können die Aktoren auch dazu ausgestaltet sein, die Sperrglieder 67 bzw. 68 aktiv in von der Dichtplatte abgewandter Richtung zu bewegen, um die Mündung der zugehörigen Flüssigkeitsleitung 63 bzw. 65 freizugeben.
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Die Flüssigkeitsleitung 63 kann beispielsweise über die im Verfahrenstechnikblock gebildete Kanalstruktur mit einem Flüssigkeitsbehälter des Analysegeräts verbunden sein. Die Flüssigkeitsleitung 64 kann gleichermaßen über die im Verfahrenstechnikblock gebildete Kanalstruktur an eine Kolbenpumpe angeschlossen sein. Die Flüssigkeitsleitung 65 kann mit der Mischzelle 31 des Analysegeräts verbunden sein. In einer ersten Ventilstellung, bei der das erste Sperrglied 67 die Dichtplatte 66 gegen die Mündung der Flüssigkeitsleitung 65 anpresst, das zweite Sperrglied 68 aber nur ohne zusätzliche Krafteinwirkung gegen die Dichtplatte 66 anliegt, ist ein erster Flüssigkeitswegabschnitt, der von dem Flüssigkeitsbehälter über die Flüssigkeitsleitung 63 und die Flüssigkeitsleitung 64 in den Zylinder der Kolbenpumpe verläuft, freigegeben und die Kolbenpumpe kann die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter anziehen. In einer zweiten, in 3 gezeigten, Ventilstellung, bei der das erste Sperrglied 67 nur ohne zusätzliche Krafteinwirkung gegen die Dichtplatte 66 anliegt, und das zweite Sperrglied 68 die Dichtplatte gegen die Mündung der Flüssigkeitsleitung 63 anpresst, ist der erste Flüssigkeitswegabschnitt gesperrt, jedoch ein zweiter Flüssigkeitswegabschnitt, der von der Kolbenpumpe über die Flüssigkeitsleitung 64 und die Flüssigkeitsleitung 65 in die Mischzelle 31 verläuft, freigegeben. Die Kolbenpumpe kann die in ihrem Zylinder aufgenommene Flüssigkeit somit über den freigegebenen zweiten Flüssigkeitswegabschnitt in die Messzelle dosieren. Weiterhin gibt es eine dritte Ventilstellung, bei der beide Sperrglieder 67, 68 die gegenüberliegenden Mündungen der Flüssigkeitsleitungen 63 und 65 durch Anpressen der Dichtplatte 66 verschließen. In dieser Stellung sind beide Flüssigkeitswegabschnitte gesperrt. Der Ventilblock 60 kann eine Vielzahl von derartigen Ventilen umfassen, und so in Zusammenwirkung mit den in der Kassette 50 aufgenommenen Kolbenpumpen und den in dem Verfahrenstechnikblock gebildeten Flüssigkeitsleitungen eine Anordnung wie die in 1 schematisch gezeigte bilden.
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Das zentrale Ventil-Schaltwerk kann die Sperrglieder elektrisch, pneumatisch, mechanisch oder in sonstiger Weise verschieben und so die Ventile betätigen. Die Sperrglieder können beispielsweise als in axialer Richtung bewegliche Stempel ausgestaltet sein, die mittels zugehöriger Linearantriebe oder sonstiger Druck- bzw. Kraftgeber bewegt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß 3b weist das zentrale Ventil-Schaltwerk eine drehbare Welle 69 auf, welche Ausnehmungen besitzt, die mit den Sperrgliedern der in dem Ventilblock gebildeten Ventile zusammenwirken, um die durch die Ventile sperrbaren Flüssigkeitswege freizugeben. In dieser Variante sind die Ventile im unbetätigten Zustand geschlossen, d. h. beide Sperrglieder 67, 68 des Ventils 61 pressen die Dichtplatte 66 gegen die durch die Mündungen der Flüssigkeitsleitungen 63, 65 gebildeten Ventilsitze an, so dass sich beispielsweise das voranstehend detaillierter beschriebene Ventil 61 im unbetätigten Zustand in seiner dritten Ventilstellung befindet. Durch Drehung der Welle 69 kann eine Ausnehmung 71 in der Welle 69 derart mit dem ersten oder zweiten Sperrglied 67, 68 zusammenwirken, dass jeweils eine der Flüssigkeitsleitungen 64 oder 65 freigegeben wird, um das Ventil 61 in seine erste oder zweite Ventilstellung zu schalten.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann die Welle auch Nocken aufweisen, die mit den Sperrgliedern zusammenwirken um die Flüssigkeitswege zu sperren. Das zentrale Ventil-Schaltwerk kann mindestens teilweise Bestandteil der austauschbaren Kassette 50 sein. Der Antrieb des zentralen Schaltwerks, beispielsweise ein Antrieb der drehbaren Welle 69 ist vorzugsweise in der Analysegerät-Grundstruktur angeordnet. Alle mittels der Welle 69 betätigbaren Ventile des Ventilblocks 60 sind in dieser Ausgestaltung in axialer Richtung bezogen auf die Achse der Welle 69, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 3b angeordnet. Auf diese Weise kann die Welle 69 alle Ventile in der beschriebenen Weise betätigen.
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Im Folgenden wird nun anhand der 1 der Ablauf eines von dem Analysegerät durchgeführten Analyseverfahrens zur Bestimmung einer Analytkonzentration in einer Flüssigkeitsprobe beschrieben:
Zu Beginn eines Analysezyklus wird die Flüssigkeitsprobe entlang eines ersten Flüssigkeitsweges entlang der Flüssigkeitsleitungen 14 und 16 in die Mischzelle 31 transportiert. Die Ventilstellung des Ventils V1 wird mittels des zentralen Schaltwerks 34 gesteuert durch die Kontrolleinheit 33 so eingestellt, dass ein erster Flüssigkeitswegabschnitt von der Probenvorlage in die Kolbenpumpe S1 freigegeben wird, während ein zweiter Flüssigkeitswegabschnitt von der Kolbenpumpe S1 zur Mischzelle 31 gesperrt ist. Auch ein weiterer Flüssigkeitsweg von dem eine Reinigungsflüssigkeit enthaltenen Flüssigkeitsbehälter 3 zu der Kolbenpumpe über die Flüssigkeitsleitung 15 ist in dieser Ventilstellung gesperrt. Nachdem eine von der Kontrolleinheit 33 durch entsprechende Steuerung des Pumpenantriebs 36 vorgegebene Flüssigkeitsmenge in die Kolbenpumpe S1 gefördert wurde, wird das Ventil V1 in eine zweite Ventilstellung geschaltet, bei der der zweite Flüssigkeitswegabschnitt freigegeben ist, während der erste Flüssigkeitswegabschnitt gesperrt ist und der Flüssigkeitsweg zu dem die Reinigungsflüssigkeit enthaltenden Flüssigkeitsbehälter 3 ebenfalls gesperrt ist. Die Steuereinheit steuert dann den Pumpenantrieb 36 in geeigneter Weise an, um eine vorgegebene Menge der Flüssigkeitsprobe in die Mischzelle 31 einzudosieren.
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Gleichzeitig oder nacheinander können in die Mischzelle 31 Reagenzien aus den Flüssigkeitsbehältern 9, 11 und 13 dosiert werden. Hierzu werden die Ventile V5, V6 und V7 in eine erste Ventilstellung geschaltet, in der der jeweilige erste Flüssigkeitswegabschnitt von den Flüssigkeitsbehältern 9, 11 und 13 über die Flüssigkeitsleitungen 24, 26 und 28 in die Zylinder der Kolbenpumpen S5, S6 und S7 freigegeben ist, während der zweite Flüssigkeitswegabschnitt von den Kolbenpumpen S5, S6 und S7 über die Flüssigkeitsleitungen 25, 27 und 29 in die Mischzelle 31 gesperrt ist. Die Kolbenpumpen S5, S6, S7 können bei dieser Stellung der Ventile V5, V6 und V7 jeweils eine von der Kontrolleinheit 33 vorgegebene Flüssigkeitsmenge in ihre Zylinder ansaugen. Danach werden die Ventile V5, V6 und V7 in eine zweite Ventilstellung umgeschaltet, in der der zweite Flüssigkeitswegabschnitt freigegeben und der erste Flüssigkeitswegabschnitt gesperrt ist. Die Kontrolleinheit kann die Pumpenantriebe 40, 41 und 42 dann zur Dosierung der jeweils gewünschten Menge der Reagenzien in die Mischzelle 31 betätigen. Da jedem Reagenz eine individuelle Kolbenpumpe mit einem individuellen Pumpenantrieb zugeordnet ist, kann jedes Reagenz mit einer unterschiedlichen Förderrate und/oder mit variablem Volumen in die Mischzelle 31 transportiert werden.
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In der Mischzelle 31 werden die Reagenzien mit der Flüssigkeitsprobe zur Bildung einer Messflüssigkeit vermischt. Enthält die Flüssigkeitsprobe den Analyten, dessen Konzentration zu bestimmen ist, erfolgt dabei eine chemische Reaktion, die eine fotometrisch zu detektierende Veränderung bewirkt. Die Messflüssigkeit wird mittels der Kolbenpumpe S1 weiter in die Messzelle 32 transportiert, wo der optische Messaufnehmer 35 ein Messsignal erfasst, das eine Abhängigkeit von der zu bestimmenden Analytkonzentration aufweist. Die Kontrolleinheit 33 empfängt das erfasste Messsignal des Messaufnehmers 35 und leitet daraus die in der Flüssigkeitsprobe vorliegende Analytkonzentration ab. Nach Beendigung der Messung wird die Messzelle 32 entleert, indem mittels des Ventils V4 ein Flüssigkeitsweg von der Messzelle 32 über die Mischzelle 31 und die Flüssigkeitsleitung 23 in die Kolbenpumpe S4 freigegeben wird, und die Kolbenpumpe S4 betätigt wird, um die verbrauchte Messflüssigkeit aus der Messzelle 32 abzusaugen. Die Messflüssigkeit wird dann nach Umschalten des Ventils V4 in eine zweite Ventilstellung, in der der Flüssigkeitsweg zwischen der Messzelle 32 und der Kolbenpumpe S4 gesperrt ist und ein Flüssigkeitsweg von der Kolbenpumpe S4 über die Flüssigkeitsleitung 21 in einen Abfallbehälter freigegeben ist. Die verbrauchte Messflüssigkeit wird dann von der Kolbenpumpe S4 in den Abfallbehälter transportiert. Der Analysezyklus ist damit beendet.
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Der Analysezyklus kann außerdem noch eine Nulllinien-Messung umfassen, bei der in analoger Weise wie zuvor beschrieben mittels der Kolbenpumpe S1 eine Flüssigkeitsprobe in die Messzelle 32 gefördert wird, ohne jedoch Reagenzien aus den Behältern 9, 11 oder 13 zuzusetzen. Mittels des Messaufnehmers 35 kann an der in der Messzelle enthaltenen Flüssigkeitsprobe ein Null-Signal ermittelt werden, dessen Wert von der Kontrolleinheit 33 gespeichert wird, und bei Bestimmung des Messwerts der Analytkonzentration an einer durch Vermischen einer Flüssigkeitsprobe mit den Reagenzien gebildeten Messflüssigkeit berücksichtigt wird.
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Das Analysegerät 1 kann wiederholt einen solchen Analysezyklus durchführen. Zwischen den einzelnen Analysezyklen oder nach Durchführung einer Reihe von Analysezyklen kann außerdem noch ein Reinigungsschritt durchgeführt werden, bei dem mittels der Kolbenpumpe S1, die im hier gezeigten Beispiel auch der Förderung der Flüssigkeitsprobe in die Mischzelle 31 dient, aus dem Behälter 3 eine Reinigungsflüssigkeit in die Mischzelle 31 und weiter in die Messzelle 32 gefördert wird und mittels der Kolbenpumpe S4 wieder abgesaugt und in einen Abfallbehälter entleert wird. Der Flüssigkeitstransport erfolgt, wie detailliert anhand des Messzyklus beschrieben, durch Betätigen der Pumpenantriebe 36 und 39 und durch entsprechende Schaltung der Ventile V1 und V4 mittels des zentralen Schaltwerks 34.
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In vorgegebenen Zeitabständen, zum Beispiel nach einer vorgegebenen Anzahl von Analysezyklen oder vor Durchführung eines jeden Analysezyklus können eine oder mehrere Kalibriermessungen durchgeführt werden, bei der/bei denen anstelle einer Flüssigkeitsprobe aus der Probenvorlage eine Standardlösung aus den Flüssigkeitsbehältern 5 und/oder 7 mittels der Kolbenpumpen S2 und/oder S3 und der durch das zentrale Schaltwerk betätigten zugehörigen Ventile V2 und V3 in analoger Weise wie weiter oben für die Förderung der Reagenzien aus den Behältern 9, 11 und 13 beschrieben in die Mischzelle 31 gefördert wird. Der Ablauf einer Kalibriermessung erfolgt im übrigen in gleicher Weise wie ein Analysezyklus mit einer Flüssigkeitsprobe aus der Probenvorlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10222822 A1 [0005]
- DE 10227032 A1 [0005]
- DE 102009029305 A1 [0006, 0008]
- WO 2005/064328 A1 [0009]
