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Die Erfindung bezeichnet eine automatische Analyseapparatur
zur Detektion von Agenzien in Stoffgemischen.
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Zur qualitativen und quantitativen
Analyse von Stoffgemischen werden automatisch arbeitende Analyseapparaturen
eingesetzt, die auf chromatographischen Verfahren basieren. Eines
dieser Verfahren ist die hochauflösende Flüssigkeitschromatografie (HPLC).
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik
sind hierfür
eine Reihe von HPLC-Maschinen bekannt, deren Hauptbestandteile üblicherweise
eine Pumpe für
ein Eluens, ein Probenaufgabesystem mit einem Umschaltventil mit
Proben-/Dosierschleife sowie Probeninjektor, Trennsäule und
Detektor mit Auswertesystem sind. Auf Grund der Empfindlichkeit
und Komplexität
der Analyseapparatur werden diese Geräte in der Regel nur in Laboren
betrieben.
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Beispielsweise wird in der Druckschrift
DE 39 43 524 C2 ein
derartiger Flüssigchromatograph
mit einer Säule
zur Trennung einer Probe, einem Eingabeteil zur Zuführung einer
mobilen Phase zur Säule, einem
Probeneingabeteil zur Aufnahme der Probe aus einer Probennadel in
eine Probenschleife, einem Kanalschaltventil, einem Detektorteil
als wesentliche Teile beschrieben. Die Besonderheit besteht darin, dass
in einer „Durchgangsstellung" eine direkte Verbindung
durch einen Behälter
der mobilen Phase zur Ablassöffnung
besteht und die Pumpe zum Austausch der mobilen Phase mit hoher
Geschwindigkeit betrieben wird.
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Weitere spezielle Details finden
sich unter anderem in der Druckschrift
DE 196 41 210 A1 , die eine
Vorrichtung und Verfahren auf HPLC-Basis zur Trennung hochkomplexer
Substanzgemische offenbart. Es werden mehrere Trennsäulensysteme
miteinander kombiniert, um eine Grob- und Feintrennung vorzunehmen
und zwischenzeitlich abgetrennte Fraktio nen abrufbereit auf festen
Phasen zu speichern, die später
in einer Detektoreinheit analysiert werden.
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Ein HPLC-Analysengerät wird auch
in der Druckschrift
DE
199 26 163 A1 beschrieben, das ebenfalls in üblicher
Weise aufgebaut ist, wobei ein Gefäßträger mit Mischgefäß, in der
sich die mit einem Reagenz versetzte Probe befindet, einer Rüttelbewegung
unterworfen wird, bevor diese eingebracht wird.
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Der prinzipielle Aufbau der Analyseapparatur entspricht
in beiden Fällen
dem einer üblichen HPLC-Maschine,
die im Laborbetrieb eingesetzt wird und kostenaufwändig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es,
eine Anordnung zur automatischen, qualitative. und quantitativen
Analyse von Stoffgemischen zu entwickeln, die mit Chromatographie-Geräten vergleichbare
Analyseergebnisse ermöglicht,
jedoch in der Gesamtheit keinen so komplexen Aufbau besitzt, die
auch unter ungünstigen
Umweltbedingungen einsetzbar und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch
1 aufgeführten
Merkmale gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung
zur automatischen qualitativen und quantitativen Analyse von Stoffgemischen
von löslichen
festen, flüssigen und
gasförmigen
Substanzen in Form einer Analyseapparatur umfasst im Wesentlichen
eine Mikrodosiereinheit mit zugehöriger Steuereinrichtung, wobei
die Mikrodosiereinheit auf einer Anordnung von drei elektrisch ansteuerbaren
Ventilen an einem Ventilblock beruht; ein Probenaufgabesystem, das
aus vier elektrisch ansteuerbaren Ventilen an einem Ventilblock
als Sixportventil mit einer Probenschleife besteht; eine Probeninjektionseinrichtung;
ein Detektormodul mit einem Array elektrisch leitfähiger Sensoren
in einer Probenkammer sowie eine Datenspeichereinheit, eine Analysesteuereinheit
und optional eine Datenverarbeitungseinheit in Form eines Computers
als Auswertesystem und Steuereinrichtung für den Analyseprozess, die untereinander
verbunden sind und miteinander in Wirkverbindung stehen.
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Das Detektormodul besteht aus einer
sandwichartigen Anordnung von zwei Trägern für Sensoren, wobei mindestens
auf einem Träger
ein Array, für unterschiedliche
Detergenzien empfindlicher, elektrisch leitfähiger Sensoren angeordnet ist,
zwischen denen beispielsweise eine, den äußeren Abmessungen der beiden
Träger
weitgehend entsprechende Folie mit einer Aussparung im Bereich der
Sensoren angeordnet ist, deren Aussparung den gas- und flüssigkeitsdichten
Probenkanal bildet. Diese Ausführung
des Detektormoduls stellt prinzipiell eine Multilayer-Anordnung
dar, deren Zwischenschicht zur Verbindung der beiden Layer mittels
einer Aussparung den Probenkanal mit darin als Array angeordneten Sensoren
bildet, die in diese mündendende
Kanäle zum
Durchleiten einer Probe sowie nach außen geführte Anschlüsse der elektrisch leitfähigen Sensoren aufweist.
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Die mit dem Detektormodul ermittelten
Werte in Form von den Sensoren initiierten elektrischen Größen können sowohl
online verarbeitet als auch in einer speziellen Speichereinheit
abgelegt werden, wobei eine spätere
Verarbeitung und Auswertung möglich
ist.
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Optional kann zwischen dem Probenaufgabesystem
und dem Detektormodul zusätzlich
eine für Chromatogrphie-Verfahren übliche Trennsäule angeordnet
sein.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen
insbesondere in deren robusten und eine geringe Masse aufweisenden
Aufbau. Alle für
den Analyseprozess notwendigen Pumpvorgänge einschließlich der
Probeninjektion erfolgen durch elektrisch ansteu erbare Ventile mit
geringem Energiebedarf ohne sonst übliche, aufwändige Mechaniken.
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Durch den Einsatz elektrisch leitfähiger Sensoren
zur Detektion der im zu untersuchenden Substanzgemisch enthaltenen
Agenzien sind nur elektrische Signale auszuwerten, wodurch sich
die Störanfälligkeit
verringert. Die Analyseapparatur kann modulartig aufgebaut sein,
wobei die Mikrodosiereinheit mit zugehöriger Steuereinrichtung, das
Probenaufgabesystem und das Analysemodul als separate Baueinheiten
ausgeführt
sind, die für
die Durchführung von
Analysen vor Ort lediglich miteinander verbunden werden. Das Analysemodul
kann zudem eine implementierte Auswerteeinheit und/oder Datenspeicher
aufweisen.
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Die Analyseapparatur kann aus Modulen oder
als geschlossene Einheit mit eigener Energieversorgung ausgeführt sein
und auch autark unter schwierigen Umweltbedingungen, wie unter Wasser oder
giftiger Atmosphäre über längere Zeiträume unbeaufsichtigt
für Langzeitanalysen
eingesetzt werden.
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Die ein breites Einsatzgebiet aufweisende Analyseapparatur
ist im Gegensatz zu bisher im Einsatz befindlichen chromatographischen
Apparaturen und Geräten
wesentlich handlicher und kostengünstiger.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an
Hand von
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1 als
prinzipielle Darstellung der Anordnung für eine automatische Analyseapparatur,
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2 als
prinzipielle Darstellung einer Analyseapparatur für Überwachungsanalysen
und
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3 als
prinzipielle Darstellung einer Analyseapparatur zur Analyse von
Einzelproben näher erläutert.
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Nach 1 besteht
eine automatische Analyseapparatur aus einzelnen, geschlossenen, äußere Anschlüsse aufweisenden
Modulen.
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Eine Mikrodosiereinheit 1 mit
zugehöriger Steuereinrichtung 2 bildet
ein erstes Modul, das mittels üblicher
Kapillarschläuche 3 mit
einer Quelle 4 für
ein Trägermedium
und einem Probenaufgabesystem 5 als zweites Modul verbunden
ist, wobei das Probenaufgabesystem 5 seinerseits mit einem
Injektionsmodul 6, einem Abfallgefäß 7 und mit einem
Detektormodul 8 verbunden ist, das wiederum eine Verbindung
zum Abfallgefäß 7 aufweist.
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Die Mikrodosiereinheit 1 basiert
auf einer Anordnung von drei elektrisch ansteuerbaren Ventilen, insbesondere
Magnetventilen an einem Ventilblock.
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Die Steuereinrichtung 2 für die Magnetventile
ist mittels eines Steuerbus 9 ebenso wie das zweite Modul
mit dem Probenaufgabesystem 5, das aus vier elektrisch
ansteuerbaren Ventilen, insbesondere bistabilen Zwei-Wege-Magnetventilen
an einem Ventilblock als Sixportventil mit einer Probenschleife
besteht, und das Injektionsmodul 6, das auf einer modifizierten
Anordnung von Magnetventilen an einem Ventilblock für die Mikrodosiereinheit 1 mit
integrierter Steuereinrichtung 2 beruht, mit einem Datenverarbeitungsmodul 10,
insbesondere in Form eines Computers, über entsprechende Schnittstellen
verbunden. Das Datenverarbeitungsmodul 10, das mittels
eines Datenbus 11 ebenfalls an das Detektormodul 8,
das aus einer Probenkammer mit darin angeordnetem Array elektrisch
leitfähiger
Sensoren gebildet wird, angeschlossen ist, steuert mittels einer
hinterlegten Software das Zusammenwirken der einzelnen Module 1; 5; 6; 8 und 10,
somit den gesamten Ablauf des Analysevorgangs sowie wertet die Signale
des Detektormoduls 8 aus, deren Ergebnis interpretiert
und gespeichert wird, als auch an einem Display angezeigt sowie
als Hardcopy ausgegeben werden kann. Zum Füllen der Analyseapparatur saugt die
Mikrodosiereinheit 1 das Trägermedium aus der Quelle 4 an,
fördert
dieses im Überschuß über das Sixportventil
im Probenaufgabesystem 5 zum Spülen des Detektormoduls 8 bis
zum Abfallgefäß 7, während parallel
dazu das Injektionsmodul 6 eine Probe im Überschuß in die
Probenschleife am Sixportventil des Probenaufgabesystem 5 eingibt.
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Der Überschuß wird in das Abfallgefäß 7 geleitet.
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Mittels Steuersignal vom Datenverarbeitungsmodul 10 werden
die bistabilen Zwei-Wegeventile des Sixportventils umgeschaltet,
so dass die Probenschleife im Strom des Trägermediums liegt und durch
den Druck des Trägermediums
die Probe der Probenkammer im Detektormodul 8 zugeführt wird. Die
im Array elektrisch leitfähiger
Sensoren initiierten Signale werden an das Datenverarbeitungsmodul 10 übertragen
und von diesem weiter verarbeitet.
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In einer alternativen, nicht dargestellten
Variante, kann im Detektormodul 8 zur Steuerung des Analyseablaufs
ein Mikroprozessor mit hinterlegtem Steuerprogramm sowie ein Speicher
für Analysedaten
und -werte implementiert sein, wobei das Detektormodul 8 über den,
dann an diesem angeschlossenen, Steuerbus 9 mit der Mikrodosiereinheit
1, dem Probenaufgabesystem 5 und dem Injektionsmodul 6 direkt
verbunden ist. Des Weiteren ist es günstig, das Injektionsmodul 6 in
das Modul des Probenaufgabesystems 5 zu implementieren.
Eine derartig zusammengestellte Analyseapparatur kann über längere Zeit
mit einer eigenen Energieversorgung als autarkes System zum Sammeln
von Werten aus einer Reihe von Analysen eingesetzt, wieder an die
Steuer- und Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, die Werte und
Daten aus dem Speicher ausgelesen sowie mit externen Datenverarbeitungsmodulen 10 weiterverarbeitet
werden. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang auch, die im Speicher
abgelegten Werte und Daten mittels eines ebenfalls im Detektormodul 8 integrierten
Senders drahtlos an einen Empfänger
zur Weiterleitung an ein Datenverarbeitungsmodul 10 zu übertragen.
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Zwischen dem Probenaufgabesystem 5 und dem
Detektormodul 8 kann auch eine für Chromatographie-Verfahren übliche Trennsäule angeordnet sein.
Der Ablauf der Analyse eines Stoff gemisches erfolgt dann in analoger
Weise zu üblichen
Chromatographie-Geräten.
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Außer den Kapillarschläuchen 3,
die dem Transport des Trägermediums
und des Mediums der Probe dienen, sind lediglich elektrische Verbindungen
zu bzw. zwischen den Modulen erforderlich, da diese mittels elektrischer
Signale angesteuert werden, Rückmeldungen
und Meßwerte
bzw. Daten liegen ebenfalls als elektrische Größen vor.
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In einer Variante kann die automatische
Analyseapparatur, die insbesondere für Analysen zur Überwachung
der Qualität
oder Zusammensetzung sowie Abweichungen von vorgegebenen Werten
eines Analyten einsetzbar ist, nach 2 im
einfachsten Fall aus dem Detektormodul 8 und dem Probenaufgabesystem 5 bestehen,
wobei das Detektormodul 8 über eine integrierte Analyseablaufsteuerung sowie
Datenspeicher für
Messwerte verfügen
kann oder über
eine nicht dargestellte Schnittstelle mit peripheren Einrichtungen
zur Analysesteuerung und Auswertung der Meßwerte der elektrisch leitfähigen Sensoren
in der Probenkammer des Detektormoduls 8 verbunden sein
kann sowie über
den Steuerbus 9 mit dem Probenaufgabesystem 5 verbunden
ist. Der Analyt wird dem Detektormodul 8 über einen
Kapillarschlauch 3 vom Probenaufgabesystem 5 zugeführt.
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Mittels einer Pumpe 12 wird
kontinuierlich ein Analyt, beispielsweise aus einem Gewässer 13 entnommen,
der in der Stellung „Füllen" des Sixportventils
im Probenaufgabesystem 5 unter Druck durch die Probenschleife
fließt.
Die Umschaltung des Sixportventils in die Stellung „Injizieren" erfolgt in vorgegebenen
Intervallen, so dass die chemische Zusammensetzung des Analyten
in zeitlichen Abständen untersucht
wird und Änderungen
registriert sowie die Daten zur Steuerung und Regelung von nachfolgenden
Prozessen oder zur Ausgabe von Warnmeldungen genutzt werden.
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In analoger Weise kann die aus dem
Detektormodul 8 und dem Probenaufgabesystem 5 bestehende
Analyseapparatur zur Über wachung
der Zusammensetzung von Medien in Rohrleitungen eingesetzt werden,
indem die Probenschleife als ein Bypass zu einem Transportsystem
eines Analyten angeschlossen ist. Die automatische Analyseapparatur nach 3 weist prinzipiell den
gleichen Aufbau wie die in 2 gezeigte
auf, wird jedoch vorzugsweise zur Untersuchung von Einzelproben
bzw. Probenchargen herangezogen. Im Ablauf der Analyse einer Probe,
die sich in einem Probenbehälter 14 befindet, fördert die
Pumpe 12, deren Förderrichtung
umschaltbar ist und eine Mikrodosiereinheit 1 sein kann, in
einem ersten wesentlichen Schritt ein Trägermedium aus der Quelle 4 zum
Spülen
des Probenaufgabesystems 5 über einen Ausgang in das Abfallgefäß 7.
Im zweiten wesentlichen Schritt wird die Förderrichtung der Pumpe 12 umgesteuert,
gleichzeitig der Ausgang des Probenaufgabesystems 5 mit
dem Probenbehälter 14 verbunden,
wodurch der Analyt aus dem Probenbehälter 14 in das Probenaufgabesystems 5 gesaugt
wird und die Probenschleife füllt.
Im dritten wesentlichen Schritt wird die Förderrichtung der Pumpe 14 zu
einem Zeitpunkt wieder umgesteuert, zu dem die Probenschleife sicher
mit dem Analyten gefüllt
ist, dieser jedoch nicht bis zur Pumpe 12 geströmt ist,
wobei gleichzeitig das Sixportventil im Probenaufgabesystem 5 umgeschaltet
wird, so dass der Analyt aus der Probenschleife mittels des Drucks des
Trägermediums
in bekannter Weise durch die Probenkammer mit den elektrisch leitfähigen Sensoren
im Detektormodul 8 geleitet wird.
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Die Behandlung der von den elektrisch
leitfähigen
Sensoren initiierten Signale erfolgt dann in analoger Weise wie
im Beispiel zu 1 und 2 beschrieben.
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- 1
- Mikrodosiereinheit
- 2
- Steuereinrichtung
- 3
- Kapillarschläuche
- 4
- Quelle
- 5
- Probenaufgabesystem
- 6
- Injektionsmodul
- 7
- Abfallgefäß
- 8
- Detektormodul
- 9
- Steuerbus
- 10
- Datenverarbeitungsmodul
- 11
- Datenbus
- 12
- Pumpe
- 13
- Gewässer
- 14
- Probenbehälter