DE10215621A1

DE10215621A1 - Assembly to measure pressure changes, comprises a measurement cell filled with a sensitive fluid, separated from a compensation cell by a pressure sensing membrane

Info

Publication number: DE10215621A1
Application number: DE2002115621
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ehwald; Karl-Ernst Ehwald; Uwe Beyer; Axel Fleischer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-10-30

Abstract

The assembly to measure pressure changes in a zone filled with a fluid, which comprises small chambers. The assembly to measure pressure changes in a zone filled with a fluid, which comprises small chambers. A chamber, as the measurement cell volume variations, has two pressure sensors and a micro-pump with two connecting (a), is filled with a fluid which distorts the membrane (c) of a pressure sensor acting as the control sensor at a further chamber acting capacity of the measurement cell, with only a small contribution from the other walls to the as the compensation cell (b). The distorted membrane determines the elastic volume elastic volume capacity. The compensation cell is filled with a fluid and is sealed externally. The compensation cell acts on the porous or semi-permeable membrane (e) against the atmosphere as the sensor to give the measured values. A micro-pump (d) is linked to the compensation cell.

Description

Description of the invention

Wegen der Bedeutung des kolloidosmotischen Druckes in der Medizin, Veterinärmedizin und Polymerchemie besteht Bedarf an empfindlichen, zuverlässigen und leistungsfähigen Membranosmometern. Die auf dem Markt angebotenen Geräte sind nicht in der Lage, die Osmolarität von Polymeren oder den kolloidosmotischen Druck von Polyelektrolyten in sehr kleinen Flüssigkeitsvolumina zu erfassen. Sie verbrauchen im allgemeinen einen Teil der Probe und besitzen keine kleinlumigen Durchflußzellen. Bisher fehlen implantierbare Sonden für die Messung des chemischen Potentials einer Flüssigkeit im Organismus oder in einem Kapillarsystem. In der Pflanzenökologie besteht seit langem ein großer Bedarf an registrierenden Geräten für die Messung des Wasserpotentials in Teilen der Pflanze und im Boden. Because of the importance of colloid osmotic pressure in medicine, veterinary medicine and Polymer chemistry has a need for sensitive, reliable and powerful Membranosmometern. The devices offered on the market are unable to Osmolarity of polymers or the colloid osmotic pressure of polyelectrolytes in a lot to detect small volumes of liquid. They generally consume part of the Sample and have no small-lumen flow cells. So far, implantable probes are missing for measuring the chemical potential of a liquid in the organism or in a Capillary system. There has long been a great need in plant ecology devices for measuring the water potential in parts of the plant and in the Ground.

Im Tensiometer wird der Binnendruck in einer flüssigkeitsgefüllten Zelle, deren poröse Wand oder Membran nicht permselektiv für die Bestandteile der Flüssigphase ist, gemessen. Je nachdem, ob die Poren der Tensiometerzelle an eine feuchte Matrix oder einen Gasraum grenzen, wird entweder das sog. Matrixpotential (Quellungsdruck) oder das volumenbezogene chemische Potential der Flüssigkeit im Gleichgewicht mit dem Gasraum (z. B. das Wasserpotential) gemessen. Die zur Messung des Bodenmatrixpotentials eingesetzten Tensiometer beruhen auf Druckmessung in relativ großen porösen Zellen. Sie sind nicht in der Lage, ein Matrixpotential unter -0.09 MPa zu registrieren, da in der Wasserfüllung großer Zellen Kohäsionsspannungen nicht stabil aufrechterhalten werden. The tensiometer measures the internal pressure in a liquid-filled cell porous wall or membrane is not permselective for the components of the liquid phase, measured. Depending on whether the pores of the tensiometer cell on a moist matrix or a Limit gas space, either the so-called matrix potential (swelling pressure) or the volume-related chemical potential of the liquid in equilibrium with the gas space (e.g. water potential). The one for measuring the soil matrix potential tensiometers used are based on pressure measurement in relatively large porous cells. she are unable to register a matrix potential below -0.09 MPa because in the Water filling large cells cohesive tensions cannot be maintained stably.

Für die Herstellung verbesserter Meßgeräte für die genannten Anwendungen sind Mikrosonden geeignet, deren Sensorkammer durch ein Dialysefasersegment mit semipermeabler bzw. poröser Membran und einen angeschlossenen Drucksensor gebildet wird (Ehwald R, Frensch J, Peters K-J, DE 197 14 586 A1). Die geringe Größe der flüssigkeitsgefüllten Zelle ermöglicht einen extrem geringen Bedarf an Probevolumen, nahezu verbrauchsfreie Messung und geringe Verletzung und Gewebebeschädigung beim Implantieren in das physiologische oder ökologische System. Die Verwendung von kleinlumigen Hohlfasersegmenten ist auch aus mechanischen und hydrodynamischen Gründen für die Gestaltung der austauschfähigen Sensorkammer günstig; denn sie ermöglicht ein günstiges Vehältnis von Oberfläche zu Volumen sowie eine hohe Druckbelastbarkeit bei geringer Dicke der Membran. Es steht eine große Zahl verfügbarer Hohlfasern aus organischen und anorganischen Materialien mit dehnungsfesten Wänden (hohem Volumenelastizitätsmodulus) und unterschiedlichen definierten Größenausschlußgrenzen vom niedermolekularen Bereich bis zur Makroporosität zur Verfügung. Aus dem vorhandenen Sortiment lassen sich je nach Anwendungsgebiet Dialyse- oder Ultrafiltrationsfasern mit hoher hydraulischer Permeabilität für den Volumenfluß, scharfer Größenausschlußgrenze im Ultrafiltrationsbereich, hoher Druckbelastbarkeit und Deformationsfestigkeit sowie guter Umweltbeständigkeit auswählen. Ein Mikromembranosmometer mit einer Hohlfaser-Sonde wurde bereits zur Messung von Reflexionskoeffizienten und des kolloidosmotischen Druckes eingesetzt (Beyer U, Fleischer A, Kage A, Haueter U, Ehwald R: Bionsensors and Bioelectronics, zum Druck eingereicht). For the production of improved measuring devices for the applications mentioned Suitable micro probes, the sensor chamber with a dialysis fiber segment semipermeable or porous membrane and a connected pressure sensor will (Ehwald R, Frensch J, Peters K-J, DE 197 14 586 A1). The small size of the liquid-filled cell enables an extremely low need for sample volumes, almost consumption-free measurement and minor injury and tissue damage when Implant in the physiological or ecological system. The use of small-lumen hollow fiber segments is also made of mechanical and hydrodynamic Reasons for the design of the interchangeable sensor chamber favorable; because it enables a favorable surface-to-volume ratio and high pressure resistance thin membrane thickness. A large number of available hollow fibers are pending organic and inorganic materials with non-stretch walls (high Volume elastic modulus) and different defined size exclusion limits from low molecular weight range up to macroporosity. From the existing Depending on the application, the range can be dialysis or ultrafiltration fibers high hydraulic permeability for volume flow, sharp size exclusion limit in Ultrafiltration range, high pressure resistance and resistance to deformation as well as good Select environmental resistance. A micromembrane osmometer with a hollow fiber probe has already been used to measure reflection coefficients and colloid osmotic pressure used (Beyer U, Fleischer A, Kage A, Haueter U, Ehwald R: Bionsensors and Bioelectronics, submitted for printing).

In Tensiometer- oder Osmometerzellen werden Halbleiterdruckwandler eingesetzt. Empfindliche Drucksensoren messen den Druck an Hand der Verbiegung einer Halbleitermembran. Deshalb kann ein Mindestwert für die elastischen Volumenkapazität (C = dV/dP) einer Osmometer- oder Tensiometerzelle nicht unterschritten werden. Die Halbwertszeit τ für die Einstellung des Gleichgewichtsdruckes in einer Flüssigkeitsaustauschzelle ist der elastischen Volumenkapazität C sowie den Kehrwerten der Fläche der flüssigkeitsdurchlässigen Membran und der Volumenflußleitfähigkeit L_p proportional.

Semiconductor pressure transducers are used in tensiometer or osmometer cells. Sensitive pressure sensors measure the pressure using the bending of a semiconductor membrane. Therefore, a minimum value for the elastic volume capacity (C = dV / dP) of an osmometer or tensiometer cell cannot be undercut. The half-life τ for the establishment of the equilibrium pressure in a liquid exchange cell is proportional to the elastic volume capacity C and the reciprocal of the area of the liquid-permeable membrane and the volume flow conductivity L _p .

Da die Volumenflußleitfähigkeit feinporiger Membranen begrenzt ist, findet die angestrebte Miniaturisierung der Fläche der flüssigkeitsdurchlässigen Membran in einem Mikromembranosmometer oder -tensiometer ihre technische Begrenzung in der Verzögerung, mit welcher die Gleichgewichtseinstellung erfolgt. Ein ähnliches Problem ist von Mikrodrucksonden für die Druckmessung in turgeszenten Pflanzenzellen (Hüsken H, Steudle E, Zimmermann U: Plant Physiology 61, 158-163, 1978) bekannt. Da in den Mikrodrucksonden Drucksensoren mit einem Meßbereich von mehreren bar verwendet werden, ist die Volumenkapazität der verwendeten Drucksensoren gering, kann jedoch wegen der Kleinheit der zu untersuchenden Pflanzenzelle nicht vernachlässigt werden, so dass eine Kompensation der elastisch bedingten Volumenänderung im Druckmeßraum erforderlich wird, um die Verdünnung des Zellsaftes zu vermeiden. Sie erfolgt bei der Mikrodrucksonde durch Rejustierung der Position eines Öl/Wasser-Meniscus zwischen der Pflanzenzelle und der ölgefüllten Drucksensorkammer. Since the volume flow conductivity of fine-pored membranes is limited, the desired miniaturization of the surface of the liquid-permeable membrane in a micromembrane osmometer or tensiometer finds its technical limitation in the delay with which the equilibrium is established. A similar problem is known from micro-pressure probes for pressure measurement in turgescent plant cells (Hüsken H, Steudle E, Zimmermann U: Plant Physiology 61 , 158-163 , 1978 ). Since pressure sensors with a measuring range of several bar are used in the micro pressure probes, the volume capacity of the pressure sensors used is low, but cannot be neglected due to the smallness of the plant cell to be examined, so that a compensation of the elastically induced volume change in the pressure measuring space is necessary in order to achieve the Avoid dilution of the cell sap. With the micro pressure probe, this is done by adjusting the position of an oil / water meniscus between the plant cell and the oil-filled pressure sensor chamber.

Mikromembranosmometer für die Messung des kolloidosmotischen Druckes oder die Bestimmung des Molekulargewichtes von Polymeren erfordern eine hohe Empfindlichkeit (Meßwerte im mbar-Bereich). Je empfindlicher der Drucksensor, desto größer ist der für die druckabhängige Deformation des Sensors erforderliche Volumenfluß. Dieser ist zwar bei Hohlfaser-Osmometern oder -Tensiometern klein im Verhältnis zum Volumen der Messzelle, so dass kein Verdünnungsfehler entsteht. Es ergibt sich aber bei kleiner Membranfläche für die Einstellung des Gleichgewichtsdruckes durch den osmotisch bedingten Volumenfluss hoher Zeitbedarf (Beyer U, Fleischer A, Kage A, Haueter U, Ehwald R, Biosensors and Bioelectronics, submitted) Micromembrane osmometer for measuring colloid osmotic pressure or Determination of the molecular weight of polymers requires high sensitivity (Measured values in the mbar range). The more sensitive the pressure sensor, the bigger it is for them pressure-dependent deformation of the sensor required volume flow. This is with Hollow fiber osmometers or tensiometers small in relation to the volume of the measuring cell, so that there is no dilution error. However, it results for a small membrane area for the adjustment of the equilibrium pressure through the osmotically caused volume flow high time requirement (Beyer U, Fleischer A, Kage A, Haueter U, Ehwald R, Biosensors and Bioelectronics, submitted)

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Druckmeßvorrichtung, mit deren Hilfe der für die Druckänderung in einer Messzelle erforderliche Volumenfluss auf ein Minimum reduziert werden kann. An flüssigkeitsgefüllten Zellen mit kleiner Membranfläche soll beispielsweise eine automatische Einstellung des Gleichgewichtsdruckes in kurzer Zeit erfolgen, auch wenn der Volumenfluss der Flüssigkeit durch die poröse oder semipermeable Membran für eine schnelle Deformation der Membran eines empfindlichen Drucksensors nicht ausreicht. The object of the invention is to provide a pressure measuring device, the volume flow required for the pressure change in a measuring cell a minimum can be reduced. On liquid-filled cells with small Membrane surface should, for example, automatic adjustment of the equilibrium pressure done in a short time, even if the volume flow of the liquid through the porous or semipermeable membrane for rapid deformation of the membrane of a sensitive Pressure sensor is not sufficient.

Die o. g. Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit zwei Drucksensoren, zwei Kammern und einer Pumpe gelöst (Abb. 1). Eine Kammer dieses Systems, die Messzelle (a), ist mit einer Flüssigkeit gefüllt. Der Beitrag der Wände der Messzelle ausserhalb der Regelsensormembran zur elastischen Volumenkapazität der Messzelle ist klein. Die andere Kammer, die Messzelle (b), ist nach aussen dicht geschlossen und enthält ein Fluid. Zwischen beiden Kammern befindet sich die deformierbare Membran (c) eines empfindlichen Drucksensors, des Regelsensors. Zur Steuerung ihres Binnendruckes ist die Kompensationszelle mit einer Mikropumpe (d) verbunden. Die Druckdifferenz zwischen der Kompensationszelle und der Atmosphäre wird durch einen weiteren Drucksensor, den Messwert-Ausgabesensor (e) erfasst. Der Regelsensor ist Signalgeber einer Regelstrecke, die mit Hilfe der Pumpe den Druck in der Kompensationszelle vergrößert, sobald der Regelsensor eine positive Abweichung vom eingestellten Sollwert registriert. Eine negative Abweichung wird mit Druckabsenkung in der Kompensationszelle beantwortet. Die Pumpe bewirkt die Druckänderung z. B. durch einen Elektromotor mit einer Gewindestange oder, wie in der Abb. 1 dargestellt, durch die Deformation eines Piezokristalls. The above object is achieved according to the invention by a device and a method with two pressure sensors, two chambers and a pump ( Fig. 1). One chamber of this system, the measuring cell (a), is filled with a liquid. The contribution of the walls of the measuring cell outside the control sensor membrane to the elastic volume capacity of the measuring cell is small. The other chamber, the measuring cell (b), is tightly closed to the outside and contains a fluid. The deformable membrane (c) of a sensitive pressure sensor, the control sensor, is located between the two chambers. The compensation cell is connected to a micropump (d) to control its internal pressure. The pressure difference between the compensation cell and the atmosphere is recorded by another pressure sensor, the measured value output sensor (s). The control sensor is a signal generator of a controlled system that uses the pump to increase the pressure in the compensation cell as soon as the control sensor registers a positive deviation from the setpoint. A negative deviation is answered by lowering the pressure in the compensation cell. The pump causes the pressure change z. B. by an electric motor with a threaded rod or, as shown in Fig. 1, by the deformation of a piezo crystal.

Bei dieser Anordnung werden nur sehr kleine Volumenänderungen in der Messzelle für die Messung einer Druckänderung benötigt. Ist die Messzelle eine Osmometerzelle oder Tensiometerzelle, erfolgt die Einstellung des Gleichgewichtsdruckes mit sehr geringem Volumenfluss durch die flüssigkeitsdurchlässige Membran. Jede Änderung des Potentials der Flüssigkeit oder des Lösungsmittels an der Aussenfläche der flüssigkeitsdurchlässigen Membran wird nahezu verzögerungsfrei durch eine Druckänderung in der Kompensationszelle kompensiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise für ein kontinuierlich registrierendes Mikromembranosmometer mit angeschlossenem Hohlfasersegment (Abb. 1, f) eingesetzt werden. Dieses Gerät kann wahlweise mit einem implantierbaren Meßfühler ausgerüstet werden (g). Der Meßfühler kann als Durchflusszelle gestaltet werden (h). Das Einsatzgebiet des Hohlfaser-Membranosmometers ist die Medizin, die Veterinärmedizin, die Physiologie und die Polymerchemie, insbesondere die Analytik von Polymeren mit Hilfe der HPLC. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Tensiometer zur Messung von Wasserpotentialen in Pflanzengeweben. Die Druckmeßsonde wird in ähnlicher Weise wie bei der implantierbaren Sonde für das Membranosmometer in einer Stahlkanüle untergebracht und kann in verschiedene vor der Verdunstung geschützte Hohlräume von Pflanzenorganen, z. B. das Albedo von Zitrusfrüchten oder die Markhöhle in den Internodien der Getreidehalme implantiert werden. Für das Tensiometer wird die Sensorkammer der implantierbaren Druckmessonde mit einem osmotisch wirksamen, aber durch die Membran der Sensorkammer nicht permeablen Polymer (z. B. Polyethylenglykol) gefüllt, so daß der Gleichgewichtsdruck im wassergesättigten Zustand (100% rel. Luftfeuchte) bei 1-2 MPa liegt. In inneren Gasräumen der Pflanzensprosse, die durch eine Kutikula oder ein Periderm vor Verdunstung geschützt sind, liegt das Wasserpotential bei Werten zwischen 0 und -1.5 MPa. Die verwendete Hohlfaser ist durch eine implantierbare geschlitzte Stahlkanüle geschützt, welche ihr die notwendige mechanische Stabilität verleiht und gleichzeitig für den notwendigen Temperaturausgleich zwischen der Sensorkammer und dem Gewebe sorgt. With this arrangement, only very small volume changes in the measuring cell are required for measuring a pressure change. If the measuring cell is an osmometer cell or tensiometer cell, the equilibrium pressure is set with a very low volume flow through the liquid-permeable membrane. Any change in the potential of the liquid or the solvent on the outer surface of the liquid-permeable membrane is compensated for almost without delay by a change in pressure in the compensation cell. The device and the method according to the invention can be used, for example, for a continuously recording micromembrane osmometer with a connected hollow fiber segment ( Fig. 1, f). This device can optionally be equipped with an implantable sensor (g). The sensor can be designed as a flow cell (h). The field of application of the hollow fiber membrane osmometer is medicine, veterinary medicine, physiology and polymer chemistry, especially the analysis of polymers with the help of HPLC. Another application example for the device and the method according to the invention is a tensiometer for measuring water potentials in plant tissues. The pressure measuring probe is housed in a steel cannula in a manner similar to the implantable probe for the membrane osmometer and can be placed in various cavities of plant organs, e.g. B. the albedo of citrus fruits or the marrow cavity in the internodes of the cereal stalks. For the tensiometer, the sensor chamber of the implantable pressure measuring probe is filled with an osmotically effective polymer that is not permeable through the membrane of the sensor chamber (e.g. polyethylene glycol), so that the equilibrium pressure in the water-saturated state (100% relative humidity) at 1-2 MPa lies. In the inner gas chambers of the plant shoot, which are protected from evaporation by a cuticle or a periderm, the water potential is between 0 and -1.5 MPa. The hollow fiber used is protected by an implantable slotted steel cannula, which gives it the necessary mechanical stability and at the same time ensures the necessary temperature compensation between the sensor chamber and the tissue.

Weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich bei implantierbaren viskometrischen Affinitätssensoren für Glucose und andere Analyte (Ehwald R, Ehwald K-E, Thomas A, Beyer U, DE 197 14 087). In diesen Sensoren kann die Viskositätsmessung mit Hilfe kleiner Volumenflüsse der sensitiven Flüssigkeit durch eine enge Kapillare oder Düse in einer Dialysekammer (Dialysefasersegment) erfolgen (Fig. 2 in DE 197 14 087). Wegen der geringen Volumenkapazität der Dialysekammer sind nur sehr kleine Volumenverschiebungen durch die Düse oder Kapillare möglich. Sie führen nur dann zu einer gut messbaren viskositätsabhängigen Druckoszillation, wenn sie die elastische Volumenkapazität der Messzelle überschreiten. Dies ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Further applications of the device according to the invention result in implantable viscometric affinity sensors for glucose and other analytes (Ehwald R, Ehwald KE, Thomas A, Beyer U, DE 197 14 087). In these sensors, the viscosity can be measured using small volume flows of the sensitive liquid through a narrow capillary or nozzle in a dialysis chamber (dialysis fiber segment) ( FIG. 2 in DE 197 14 087). Because of the low volume capacity of the dialysis chamber, only very small volume shifts through the nozzle or capillary are possible. They only lead to an easily measurable viscosity-dependent pressure oscillation if they exceed the elastic volume capacity of the measuring cell. This is possible using the device according to the invention.

Claims

1. Device for measuring pressure changes in a liquid-filled room with small changes in volume with the following features: The device has two pressure sensors and a micropump, which are assigned to two interconnected chambers ( Fig. 1). One chamber, the measuring cell (a), is filled with a liquid. It borders on the deformable membrane (c) of a pressure sensor, the control sensor to another chamber, the compensation cell (b). The deformable membrane (c) of the control sensor determines the elastic volume capacity dV / dP of the measuring cell. The contribution of the remaining walls to the elastic volume capacity of the measuring cell is small. The compensation cell (b) contains a fluid and is sealed off from the outside. The compensation cell borders on the atmosphere via the membrane (s) of a second pressure sensor, the measured value output sensor. A micropump (d) is connected to the compensation cell.

2. Method for measuring pressure change in a liquid-filled room small volume changes with a device according to claim 1, with the following Features: The micropump controls changes in the volume of the compensation cell and the pressure difference at the measured value output sensor. Deviations in the pressure difference between the compensation cell and the measuring cell from a preset value, which caused by small changes in the volume of the measuring cell are followed by regulation the compensation principle balanced by using the pump the pressure at Measured value output sensor is changed until the control sensor reaches the preset value is. The pressure curve in the compensation cell, which is recorded with the measured value output sensor the measured variable delivers.

3. The method according to claim 2, wherein the measuring cell with the environment via a porous or semipermeable membrane is connected and the device as a micromembrane osmometer or micro membrane tensiometer is used to measure the equilibrium pressure.

4. The method according to claim 2, wherein the measuring cell is a sensitive liquid with one of contains the concentration of the analyte-dependent viscosity Flow resistance with a dialysis chamber, which also contains the sensitive liquid located, communicates, and the device in a viscometric affinity sensor is used to measure flow-induced pressure differences.