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Verfahren und Gerät zur automatischen elektrochemischen Analyse Diese
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und Gerät zur automatischen elektrochemischen
Bestimmung anorganischer Bestandteile von Flüssigkeiten, vorzugsweise von Blutproben.
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Es ist bereits bekannt, z. B. aus dem Buch"Elektrische Messung nichtelektrischer
Größen"von Dr.-Ing. H. F. Grave, Akademische Verlagsgesellschaft Geest und Partig
KG, Leipzig 1962, Seiten 493 bis 505 und 510 bis 515, die Ionenkonzentration, genauer
die mit wachsender Konzentration etwas abweichende Ionenaktivität, von anorganischen
Flüssigkeitsbestandteilen elektrisch zu messen mittels eines Elektrodenpaares.
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Diese beiden Elektroden bestehen bei der Messung der Wasserstoffionenkonzentration
pH aus einer Bezugselektrode mit definiertem Potential und
einer
Meßelektrode, zwischen denen eine I) proportionale Spannung entsteht mit dem sog.
Nernstfaktor als Proportionalitätsfaktor. Dieser Nernstfaktor ist nicht nur von
der Temperatur, sondern auch von der Konstruktion der Elektroden abhängig und muß
deshalb für jede plI-Meßeinrichtung durch Eichung mittels Normallösungen mit bekannter
Wasserstoffionenkonzentration und Temperatur bestimmt werden.
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Als Bezugselektroden werden in dieser Literaturstelle die Kalomel-,
die Silberchlorid-und die Thalamid-Elektrode genannt, deren Potentialbildner Quecksilber
und Kalomel (Quecksilberchlorür Hg Cl) bzw. Silber und Silberchlorid AgCl bzw. Thallium-Amalgam
und Thalliumchlorid T1C1 sindletztere mit besonders großem Temperaturbereich und
guter Konstanz-und die sich in einem länglichen, mit Kaliumchlorid- (KC1-) Lösung
gefüllten Elektrodengefäß aus isolierendem Glas befinden. Im Boden dieses Gefäßes
stellt eine eingeschmolzene poröse Trennwand kleinen Querschnitts (z. B.-Asbestdocht,
Tonstift) die galvanische Verbindung mit der Meßlösung her, in welche diese Bezugselektrode
eintaucht.
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Dieselbe Literaturstelle nennt als übliche,-ebenfalls in die Meßlösung
eintauchende Meßelektroden die Antimonelektrode und die Glaselektrode. Die unmittelbar
in die Meßlösung tauchende Antimonelektrode in Form massiven Materials oder einer
elektrolytisch erzeugten Antimonschicht auf anderem Metall ist zwar robust, liefert
aber eine nichtlinear vom pH-Wert
der Meßlösung abhängige Spannung,
Spannung, auch noch leicht durch Reaktionen mit Krcmdionen, oxydierenden oder reduzierenden
Substanzen verfälscht wird. Daher sind ständige mechanische Säuberungen der Antimonelektrode
sowie wiederholte Eichung unter Betriebsbedingungen erforderlich.
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Die Glaselektrode liefert demgegenüber eine der Wasserstaffionenkonzentration
I) II der Meßlösung proportionale, von Fremdionen sowie oxydierenden oder reduzierenden
Substanzen weitgehend unabhängige Spannung. Sie besteht aus einem länglichen, mit
einer Pufferlösung, d. h. einem Gemisch aus einer starken Säure und schwachen Base
oder sdiwachen Säure und starken Base mit durch Zusätze kaum veränderbarem pIi-Wert,
gefüllten Elektrodengefäß aus isolierendem Glas, das am Boden durch ein sehr dünnes,
gut leitendes Spezialglas abgeschlossen ist. Letzteres stellt die galvanische Verbindung
der Pufferlösung mit der umgebenden Meßlösung her und hat eine durch den Verwendungszweck
bestimmte unterschiedliche bekannte Form, z. B. einer Kugel, Ebene, Nadel usw.,
sowie verschiedene Glaszusammensetzungen je nach dem zu erfassenden pII-Bereich
innerhalb der Grenzen 0, 5<pH<13, 5. Die Stromverbindung zur Pufferlösung
wird innerhalb derselben durch eine stabförmige Ableitelektrode hergestellt, die
aus einem mit Quecksilber und Kalomel (Hg~2^CL~2^) gefüllten rohrartigen Glasgefäß
mit einem poröseri Durchlaß (Docht) in Höhe der Kalomelschicht besteht.
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Auch Glaselektroden sind, insbesondere bei Betriebsmessungen, Verunreinigungen
und Ablagerungen durch entsprechende Meßlösungen ausgesetzt ; wegen ihrer Empfindlichkeit
erfolgt ihre automatische Reinigung z. B. mittels weichet Bürsten oder Ultraschall.
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Mit einer der genannten Anordnungen aus einer Meßelektrode und einer
Bezugselektrode ist jeweils der pH-Wert nur einer Kompnnente der Meßlösung meßbar.
Für die Messung anderer Komponenten mit ausgewechselten Elektroden sind entsprechend
weitere Füllungen mit der Meßlösung, also insgesamt eine größere Menge der letzteren,
erforderlich. Außer solchen Anordnungen mit einem Meß-und Bezugselektrodenpaar,
das meistens noch durch ein Widerstandsthermometer ergänzt wird, nennt und zeigt
die ge-< nannte Literaturstelle bereits eine Meßanordnung mit mehreren Glaselektroden,
welche also die Bestimmung von pH-Werten in mehreren Meßbereichen ermöglichen.
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Zur Analyse mehrerer reduzierbarer gelöster Flüssigkeitsbestandteile
nach dem Polarographie-Verfahren werden zufolge derselben Literaturstelle zwei Quecksilber-Elektroden
oder eine Quecksilber-und eine Kalomel-Bezugselektrode, letztere als nicht polarisierbare
Anode, verwendet, an die eine variable Gleichspannung gelegt und die Strom-Spannungskurve-meistens
automatisch, z. B. mittels Nullmotorschreibers-aufgenommen wird. Dieses sog. Polarogramm
weist eine den vorhandenen Komponenten entsprechende
Anzahl von
Stufen auf, deren Stufenhöhe für die jeweilige Ionenkonzentration und deren in halber
Stufenhöhe gemessene Halbstufenspannung für die betreffende Art der Ionen charakteristisch
ist und tabellarisch festgelegt ist.
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Hier sind also bereits die Messungen mehrerer Bestandteile einer einzigen
Flüssigkeitsprobe automatisiert, jedoch nicht die Aufeinanderfolge der Messungen
an mehreren Proben.
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Es ist auch bereits-durch das USA-Patent 3 058 901-eine im Durchlaufverfahren
automatisch arbeitende Einrichtung zur fortlaufenden Messung der veränderlichen
Fluoridionen-Konzentration einer Meßflüssigkeit bekannt.
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Letztere wird gewonnen durch Absorption der z. B. bei einem Fabrikationsprozeß
laufend anfallenden gasförmigen Fluorverbindungen in einer angesäuerten Absorberflüssigkeit.
Dieser Elektrolyt durchströmt eine Selbstelektrolyse-Zelle mit einer indifferenten
Elektrode und einer Aluminium-Elektrode. Bei der vom Fluoridgehalt des Elektrolyten
abhängigen Elektrolyse des Aluminiums liefert die Zelle einen Strom als Maß für
die jeweilige Fluoridionen-Konzentration. Periodische Eichungen der Meßeinrichtung,
mittels einer Normallösung durch entsprechende selbsttätige Einstellung der Mef3strom-Registrie-rung
bei gleichzeitiger Unterbrechung der Messung werden ebenfalls durch eine Programmeinrichtung
automatisch gesteuert.
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Diese Ionenkonzentrations-Mef3einrichtung arbeitet zwar vollautomatisch,
ist jedoch nur für Verbindungen eines bestimmten chemischen Elements (Fluor) in
einer stetig anfallenden Meßlösung, aber nicht für anorganische Blutbestandteile
brauchbar.
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Ferner ist es bekannt,-z. B. durcll einen E'rospekt Beck nn lnstructions
1203-A der amerikanischen Meßgeräte-Firma Beckmann Instruments, Inc. über"Silber-Elektroden"-die
lonenkonzentration bzw. Aktivität von Verbindungen der lIalogene, vorzugsweise von
Chlor oder Brom, mittels Meßelektroden zu ermitteln, die aus einer Silberelektrode
mit einer wirksamen Oberflächenschicht aus dem betreffenden Silberhalogenid, z.
B.
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Silberchlorid AgCl, bestehen. Unter diesen Elektroden befindet sich
auch eine spezielyf ür die Messung der Chloridionen-Konzentration in Blut geeignete
Silberelektrode.
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Die Oberflächenschicht wird elektrolytisch erzeugt bzw. erneuert
mit Hilfe einer Gegenelektrode ebenfalls aus Silber, einer entsprechenden Halogenidlösung
als Elektrolyten und einer Hilfsstromquelle. Durch entsprechende Umpolung einer
an beide Elektroden angelegten Gleichspannung wird zuerst die alte Silberhalogenid-Oberflächenschicht
entfernt und anschließend wieder eine neue erzeugt.
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Bei den folgenden Eichungen und Messungen mit dieser so erzeugten
Silber-Silberhalogenidelektrode, während denen die Gegenelektrode unbenutzt bleibt,
unterliegt die Silberhologenidschicht jedoch einer allmählichen Veränderung, also
Alterung, welche die Genauigkeit der Messungen verringert. Deshalb wird für übliche
Genauigkeitsansprüche eine tägliche Wiederholung der Eichung und bei Überschreitung
bestimmter Abweichungen die elektrolytische Erneuerung der wirksamen Silberhalogenidschicht
empfohlen. Mittels dieser Silberelektroden mit elektrolytisch erzeugter
wirksamer
Silberhologenidschicht an stelle einer üblichen Glaselektrode in einem I) I-Gerät
für Blutmessungen können Ionenkonzentrationen nur einer, der Schicht entsprechenden
Ionenart (chlorid- bzw. Bromidonen) gejnessen werden.
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Ausschließlich für Konzentrationsmessungen von anorganischen Blutbestanclteilen
wurden ferner-z. B. durch die österreichische Patentschrift 188 845 und die DDR-Patentschrift
14 023 - Meßeinrichtungen vorgeschlagen, die konstruktiv mit einer Injektionsnadel
vereinigt sind, mittels der das Blut unmittelbar in eine Meßkammer gesogen wird.
Laut erstgenannter Patentschrift enthält diese Meßkammer mehrere unterschiedliche
Elektroden bekannter Art zur gleichzeitigen Messung verschiedener Blutbestandteile.
Diese Meßeinriclltungen sind also manuell zu betätigen und erlauben keine automatisch
schnell aufeinanderfolgenden Messungen verschiedener Blutproben.
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Wegen des ständig wachsenden Umfanges von medizinischen Massenuntersuchungen
ist man jedoch bestrebt, die der eigentlichen Diagnose vorangehenden Routineuntersuchungen
weitgehend zu automatisieren. Einige Fortschritte wurden bereits erreicht, wobei
meist ein bereits weitverbreitetes und anerkanntes Testverfahren ausgewählt und
automatisiert wurde. Viele bewährte Testverfahren eingneten sich aber nicht besonders
zur Automatisierung, und die sich ergebenden Verbesserungen waren nur geringfügig,
da
ein Teil des Testes doch manuell durchgeführt werden mußte. In anderen Fällen waren
keine für die Automatisietung geeigneten Teile verfügbar, oder obgleich verschiedene
Teilmessungen nach neuen Verfahren ausgeführt werden konnten, verhinderten nur nach
alten, langsamen Verfahren durchgeführte einzelne Spezialmessungen eine wirksame
Erhöhung der Gesamt-Arbeitsgeschwindigkeit. Blutmessungen müssen besonders genau
sein, da ihre Ergebnisse oft maßgeblich die zu ergreifenden ärztlichen Maßnahmen
bestimmen.-Aus diesem Grunde und wegen der Inkonstanz mancher Meß-und Bezugselektroden
ist eine ständige Nach-bzw.
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Neueichung der Meßeinrichtungen mittels Standardlesungen erforderlich.
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Diese Forderung erschwert die erwünschte Automatisierung der Blutmessungen
noch zusätzlich.
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Als bisherige Hinderungsgründe für eine wirksame Automatisierung der
Blutanalyse ergeben sich somit aus dem Vorstehenden : Mangelnde Eignung des Meßverfahrens,
ungeeignete oder inkonstante und daher ungenau arbeitende Bauteile, für die Messung
mehrerer Blutbestandteile erforderliche zu große Probenmengen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein
solches Verfahren und Gerät zur elektrochemischen Bestimmung anorganischer I Blutbestandteile
zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und die vollständige
Analyse der wichtigsten Bestandteile an
Hand von möglichst kleinen
Blutproben mit großer Genauigkeit und in möglichst kurzzeitiger automatischer Aufeinanderfolge,
d. h. ohne manuellen Eingriff in die Messung, ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren zur elektrochemischen
Bestimmung anorganischer Bestandteile von Flüssigkeiten, vorzugsweise von Blutproben,
durch Messung der Ionenkonzentrationen bzw.-Aktivitäten mittels der von ihnen abhängigen
Meßspannungen zwischen einer Bezugselektrode und verschiedenen, den einzelnen Bestandteilen
zugeordneten Mef3elektroden, die sämtlich mit der jeweils zu messenden Probe in
Berührung stehen, dadurch, ctaß eine Programmsteuereinrichtung zu Meßbeginn die
aufeinanderfolgenden Zuführungen von zwei Normallösungen mit bekannten Konzentrationen
bekannter Ionen zu den Elektroden z. B. mittels eines Umschaltventils steuert zwecks
selbsttätiger Messung und Speicherung einiger Werte von Eichkurven (Geraden) durch
eine Recheneinrichtung, die Zuführung einer einzigen Normallösung vor der jeder
Blutprobe oder jeder Gruppe von Blutproben zu den Elektroden steuert zwecks laufender
Korrektur der Eichkurvenwerte durch wiederholte Eichung und zwecks gleichzeitiger
Ausspülung aller Flüssigkeitsleitungen sowie Entfernung
etwaiger
Blutprobenreste, während jeder-Flüssigkeits- (Normallösungs-oder Blhtproben-) Zuführung
das (vorzugsweise Silber-) Elektrodenpaar der Meßelektrode für Halogenidionen-Konzentrationsmessungen
in an sich bekannter Weise nacheinander an Gleichspannung entgegengesetzter Polarität
legt zwecks elektrolytischer Entfernung und Erneuerung der relativ schneller Alterung
ausgesetzten wirksamen Silberhalogenid- (vorzugsweise-Chlorid-) Schicht auf der
eigentlichen Meßelektrode, nach jeder Flüssigkeitszufuhr zu allen Elektroden im
Ruhezustand der Flüssigkeit nacheinander die Verbindung aller Meßelektroden zum
Rechner steuert zwecks Eichung oder Messung der Konzentrations-bzw. Aktivitätswerte
der zugeordneten, z. B. Halogenid- (vorzugsweise Chlorid-), Wasserstoff-, Natrium-,
Kalium-, Kalzium-, Sauerstoff-, Kohlensäure-, Ionen.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein beschleunigter
Wechsel der Flüssigkeitsproben infolge : verkürzter Speicherung von deren Ionen
in der porösen Trennwand zwischen Bezugselektrode und Flüssigkeitsprobe durch Verwendung
einer (vorzugsweise Kunststoff-) Membran sehikleiner Dicke zwischen der Flüssigkeitsprobe
und einer der Bezugselektrode ##### #### üblicher Bauart vorgeschalteten
zusätzlichen
Elektrolytsäule und infolge a sehr kleinen Volumens der die Flüssigkeitsprobe entlialtenden
Teile der Elektroden sowie ihrer Verbindungs-und Zuleitungen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Gerätes zur automatischen
elektrochemischen Analyse von Flüssigkeiten, vorzugsweise von Blut, können die Ionenkonzeentrationen
bzw.-Aktivitäten vom deren anorganischen Kalium-Bestandteilen, z. B. von Chloridionen,
Wasserstoffionen, Natrium-Yund Kaliumionen sowie von gelösten Gasen wie Sauerstoff
und Kohledioxyd selbsttätig gemessen werden.
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ABerdem wird, um die Auswirkungen von Veränderungen der Elektroden
zu vel, ringerii, das Gerät vor jeder Meßreilie einer Fliissigkeitsprobe, oder zu
mindest vor jeder Gruppe von Meßreihen mittels einer oder mehrerer Normallösungen
automatisch geeiclit und dadurch eine große Genauigkeit der Messungen gewährleistet.
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Aus demselben Grunde wird vor jeder Messung der Halogenid- (vorzugsweise
Chlorid-) Ionenkonzentration die relativ schneller Veränderung (Alterung) ausgesetzte
wirksame Silberllalogenid-Oberflächenschicht der dafür geeigneten Silber-Silberhalogenid-Meßelektrode
mit Hilfe einer Silber-Gegenelektrode elektrolytisch zunächst entfernt und dann
wieder neu
erzeugt, lediglich duch Anschalten einer geeigneten
Gleichstromquelle zwischen Meßelektrode und Gegenelektrode erst in der einen und
dann in der anderen Stromrichtung, wobei als Elektrolyt eine-bei der Eichung bzw.
Messung verwendete, das betreffende Halogenid enthaltende Normallösung oder Meßlösung
dienen kann.
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Darüberhinaus wird das Gerät nach jeder Messung automatisch ausgespült,
beispielsweise mit einer für die zwischen den einzelnen Messungen erfolgenden Eichungen
des Gerätes sowieso erforderlichen Standardlösung, wodurch Verunreinigungen durch
Blutprobenreste und dadurch bedingte Meßfehler verhindert werden. Zur Vermeidung
von Ablagerungen aus den Blutproben, insbesondere an den Elektrodenwänden, haben
alle Flüssigkeitsleitungen innerhalb und außerhalb der Elektroden einen weitgehend
gleichmäßigen Querschnitt ohne Querschnittssprünge.
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Eine große Genauigkeit von Eichungen und Messungen wird auf3erdem.
gesichert durch weitgehende Verwendung von Glaselektroden als Meßelektroden, die
sich bereits in der Praxis wegen der Unabhängigkeit ihrer Meßspannung von der Anwesenheit
anderer als der zu messenden Ionen und wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen oxydierende
und reduzierende Substanzen als sehr zuverlässig erwiesen haben. Die große Genauigkeit
wird ferner gewährleistet durch Konstanthaltung der Temperatur aller Flüssigkeiten
mittels
eines Thermostaten sowie durch Abschirmung der Elektroden und Meßleitungen gegen
Fremdspannungen mittels metallischer Kaps elung.
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Als Voraussetzung für die wirkungsvolle Automatisierung der Messungen
wird eine wesentliche Verkürzung des Zeitabstandes zwischen den einzelnen Eichungen
und Messungen erreicht durch Verkürzung der relativ langen Ionenspeicherung in der
üblichen dicken porösen Trennwand zwis-chen der Bezugselektrode und der Eich-bzw.
Meßflüssigkeit. Dies erfolgt durch Zwischenschaltung einer weiteren Elektrolyt-
(KC1-) Säule zwischen Bezugselektrode und Eich-bzw. Meßflüssigkeit und Trennung
von letzterer durch eine dünne ionendurchlä-ssige Trennwand in Form einer Membran.
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Das erfindungsgemäße Gerät enthält Vorratsbehälter mit mindestens
zwei Normallösungen für die Eichung des Gerätes, die von jedem der zu messenden
Ionen und gelösten Gase bekannte unterschiedliche Konzentrationen enthalten, s.
owie mindestens einen-vorzugsweise auswechselbaren-Behälter mit der zu messenden
Flüssigkeit, vorzugsweise einer Blutprobe.
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Alle Behälter sind an ein um-schaLthares Ventil angeschlossen, das
in der gew. unschten Reihenfolge jeweils nur einen behälter mit dem gemeinsamen
Ventilausgang verbindet. An diesen Ventilausgang sind hintereinander eine Anzahl
von Meßelektroden, die jeweils auf eine andere Art von Ionen oder . gelösten Gasen
ansprechen, sowie eine Bezugselektrode angeschloßsen.
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Eine der Bezugselektrode nachgeschaltete Pumpe saugt aus dem der jeweiligen
Ventilstellung entsprechenden Behälter Eich- oder Meßlösung und bringt sie nacheinander
mit den einzelnen Meßelektroden und der Bezugselektrode in Verbindung. Ein Meßschritt
erfolgt jeweils dann, wenn eine der Flüssigkeiten mit den Meßelektroden und der
Bezugselektrode in Berührung steht, und zwar durch aufeinanderfolgende Erregung
mehrerer Relais, von denen jedes einer eine bestimmte Art von Ionen oder gelösten
Gasen messenden Elektrode-zugeordnet ist. Bei Erregung verbindet jedes Relais durch
seinen Kontakt die betreffende Meßelektrode über einen Verstärker mit einem Ziffernvoltmeter.
Die für jede Messung als zweite.
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Elektrode erforderliche Bezugselektrode ist mit dem Verstärkereingang
direkt verbunden, so daß das Ziffernvoltmeter die Differenz zwischen der Meß-und
der Bezugsspannung als Meßwert für die jeweilige Ionenkonzentration bzw.-Aktivität
anzeigt. Vom Ziffernvoltmeter werden die sich ergebenden Spannungswerte in digitaler
Form einer Datenverarbeitungs-bzw.
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Rechenanlage zugeführt, die schließlich einen absoluten Wert der in
der Probe befindlichen Konzentrationen an Ionen und gelötem Gas liefert. Als Voraussetzung
dafür werden zuvor die Meßwerte des Ziffernvoltmeters für die Standardlösungen von
der Rechenanlage als Meßpunkte von Eichkurven gespeichert, mit deren Hilfe sie dann
bei der anschließenden Messung einer Meßlösung bzw. Blutprobe die deren Meßspannungswerten
entsprechenden Ionenkonzentrationswerte bestimmt.
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Eine beträchtliche Beschleunigung der Messungen ohne Beeinträchtigung
ihrer
Genauigkeit wird erreicht, indem nach der ersten Eichung des Gerätes mit zwei Standardlysungen
vor jeder weiteren Messung einer Probe eine Eichung mit nur noch einer Standardlösung
durchgeführt wird.
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Diese verkürzte Eichung liefert nämlich genügend Informationen über
etwaige Veränderungen der Elektroden und der von ihnen gelieferten Mef3spannungen,
da die Eichkurven geneigte gerade Linien sind und die Korrektur nur weniger ihrer
Meßpunkte durch die verkürzte Eichung ausreicht, um den ricltigen Verlauf der Eichkurve
neu zu bestimmen. Wenn die Veränderungen der Elektroden nur sehr langsam vor sich
gehen, so erübrigt es sich, die verkürzte Eichung mit nur einer Standardlösung vor
jeder einzelnen Probenmessung durchzuführen. Es genügt dann, wenn diese Eichung
erst nach mehreren Probenmessungen wiederholt wird, was xur weiteren Beschleunigung
der Messungen beiträgt.
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Alle Funktionen des erfindungsgemäßen Gerätes, wozu die aufeinanderfolgenden
Betätigungen des Ventils, der Pumpe, der Relais, einschließlich des Umschaltrelais
für die elektrolytische Entfernung und Erneuerung der Silberhalogenid-Meßelektrodenschicht,
sowie des Rechners gehören, werden durch eine Programmsteuerung nach einstellbarem
Zeitplan vollautomatisch gesteuert. Bei Anschluß einer größeren Anzahl von Behältern
mit Meßflüssigkeit (Blutproben) an ein entsprechendes Umschaltventil kann deren
aufeinanderfolgender manueIler Austausch in ausreichenden zeitlichen Abständen ohne
Eingriff in den automatischen Ablauf der Messungen
erfolgen, wodurch
ununterbrochener Dauerbetrieb ermöglicht wird.
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Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen
elektrochemischen Bestimmung anorganischer Bestandteile von Flüssigkeiten, vorzugsweise
von Blutproben, und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes zur Durchführung
dieses Verfahrens an Hand von Zeichnungen näher beschrieben. Von letzteren sind
: Fig. 1 : Blockschema des erfindungsgemäßen Gerätes zur automatischen elektronhemischen
Analyse, Fig. 2 : Übersichtsplan über die Meßschrittfolge für jede Normal-und Meßlösung
(Meßprogramm), Fig. 3 : Teil-Längsschnitt durch die Reihenanordnung der Meßelektroden
1-6 und der Bezugselektrode 7 nach Fig. 1, Fig. 4A: Grundriß des Ventils nach Fig.
1, Fig. 4B : Axialschnitt durch das Ventil nach Fig. 4A, Fig. 5 : perspektivisches
Bild der Hauptbestandteile der Meßelektrode 1 nach Fig. 1 und 3 in auseinandergezogener
Anordnung, Fig. 6A : Grundriß der vollständigen Meßelektrode 1, Fig. 6B : vertikalerAxial-Längsschnitt
durch die Meßelektrode nach Fig. 6A, Fig. 7 : vergrößerter vertikaler Axial-Schnitt
durch die Bezugselektrode 7 nach Fig. l und 3.
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Das Blockschema Fig. 1 des erfindungsgemäßen Gerätes zur automatischen
elektrochemischen Bestimmung anorganischer Bestandteile von Flüssigkeiten, vorzugsweise
von Blutproben, zeigt mehrere Meßelektroden 1-6 und eine Bezugselektrode 7, die
hintereinander und zwischen einem Ventil 8 und einer Pumpe 9 angeordnet sind. Die
Elektroden 1-7, die anschließend im Zusammenhang mit Fig. 3 im einzelnen beschrieben
werden, sind miteinander durch Kunststoffschlauchstiickchen 10 verbunden. Die Elektroden
2-6 bestehen aus den abgedichteten Gehäusen 11 und den koaxial zu den Geengen Rohren
Rohr hausen 11 angeordneten-
Jedes
besteht aus leitendem Spezialglas, das auf mindestens ein anderes Ion anspricht.
Bei Blutmessungen sind die Hauptionenbestandteile Chlorid, Wasserstoff, Kalzium,
Natrium und Kalium und die hauptsächlichen gelösten Gase Sauerstoff und Kohlensäure.
Der Raum zwischen den abgedichteten Gehäusen 11 und Rohren ~ ~ den
wird von einem Elektrolyten (0, 1 N HC1) ausgefüllt, Rohren der einen Stromkreis
zwischen den ionenempfindlichen
12 und einem ebenfalls im Elektrolyten befindlichen Silber-Silberchloridleiter herstellt.
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Die Elektrode l weicht in ihrem Aufbau von den Elektroden 2-6 ab und
wird zur Messung der Chloridionenkonzentration in der Flüssigkeitsprobe be-Rohrnutzt.-Die
Elektrode 1 besteht aus einem
der eine ionenempfindliche silberchloridbeschichtete Silberelektrode und eine zweite
Elektrode enthält, die bei Spannungsbeaufschlagung bei den Elektroden
als
Gegenelektrode wirkt. Diese in Fig. 1 nicht dargestellten Elektroden werden im einzelnen
im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben. Mit diesen Elektroden sind nach Fig. 1 die
elektrischen Leitungen 14 und 15 verbunden. Entsprechend sind die Leitungen 16 bis
2Q mit den nicht gezeichneten, in den Elektrolyten der Elektroden 2 bis 6 eintauchenden
Leitern verbunden.
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Die Bezugselektrode 7 in Fig. 1 weist ebenfalls einen besonderen Aufbau
auf, der nachstehend im einzelnen zusammen mit Fig. 3 beschrieben wird, und der
die Erzeugung hochstabiler und genauer Spannungen ermöglicht.
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Die Ausgangsleitung 21 der Bezugselektrode 7 ist innerhalb des Gehäuses
22 mit einer Calomel-oder Silberchloridelektrode bekannter Art verbunden.
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Das Umschaltventil 8 steht an seinem Ausgang über das Rohr 23 mit
der Elektrode 1 in Verbindung und an seinen Eingängen über die Rohre 24, 25 und
26 mit den Behältern 27, 28 und 29, in denen sich jeweils die Normallösung A, die
Normallösung B und eine zu messende Lösung, z. B. eine Blutprobe, befinden. Das
Ventil 8 ist in solche Stellungen elektrisch einstellbar, in denen sein Ausgang
mit einem der Eingänge verbunden ist. Vom Ventil ist in Fig. 4A und 4B eine für
die Praxis geeignetere Ausführungsform mit einer größeren Anzahl von Eingängen für
mehrere Blutprobenbehälter dargestellt, die später noch ausführlich beschrieben
wird.
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Die Normallösungen A und B wurden besonders angesetzt und geeicht,
da aus mehreren Bestandteilen bestehende Normallösungen nicht im Handel erhältlich
waren. Bei der Rezeptur und Eichung der Normallösungen A
und B
ging man von dem Ziel aus, ihre Bestandteile den tatsächlich im menschlichen Plasma
vorkommenden anzupassen. Bei den zur Zubereitung der Norinallösungen verwendeten
Chemikalien handelte es sich um f olgende : NaCl, 2 Stunden lang bei 600°Cgetrocknet,KHPONaHPO.xH-0
über 12 Stunden lang bei 110 C getrocknet und dann als NaH2PO4 verwendet (der theoretische
Gewichtsschwund betrug < # 1 %), Na2HPO4 x 12 HO (die Hydrierung wurde experimentell
ermittelt und stimmte innerhalb < 1 %).
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Die Ionenaktivitäten aller Bestandteile dieser Lösungen A und B wurden
' dann durch potentiometrische Messungen unter Verwendung reiner NaCl-und pII-Normallösungen
als Normalien bestimmt. Dabei betrugen die Konzentrationen der reinen NaCl-Lösungen
0, 1024 M, 0, 0784 M und 0, 0576 M.
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Die Aktivitätskoeffizienten dieser Konzentrationen sind tabellarisch
für verschiedene Temperaturen erfaßt. Die Aktivitätskoeffizienten bei 38. C wurden
durch graphisclie Interpolation mit 0, 7730, 0, 7904 und 0, 8100 festgelegt.
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Anschließend wurden Kurven der Ionenaktivität in Abhängigkeit von
der Ausgangsspannung des Elektrodenpaares Natriumelektrode/Bezugselektrode gezeiclmet.
Ihre Linearitätsabweichungen lagen unter 1 % bezogen auf die Aktivitätsskala.-Diesen
Kurven der Ionenaktivitäten als Funktion der Elektrodenspannungen wurden dann die
noch unbekannten Aktivitäten der Normallösungen
A und B entnommen.
Dieser Vorgang wurde mindestens 5 mal für jeden Punkt wiederholt. Die so bestimmten
Aktivitätswerte stimmten auf + I % überein.
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Die Chloridionen-Aktivität wurde auf analoge Weise gemessen unter
Verwendung derselben NaCl-Lösungen als Normalien.
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Die Wasserstoffionenaktivitäts- (pH-) Werte der Lösungen A und B wurden
mittels amtlicher Normallösungen genormt, wobei sich Werte von pH = 6, 840 und 7,
384 ergaben.
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Die Bestimmung der Natriumionenaktivität wirft ein schwierigeres Problem
auf, da die"Kaliumelektrode"auch auf Natrium anspricht. Ein Näherungswert der Kaliumaktivität
wurde mittels des Natriumaktivitätskoeffizienten berechnet.
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Alle Aktivitäten sind in nachstehender Tabelle I angefüyhrt.
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TABELLEI Formeln der Normallösungen Normallösung A : Konzentrationen
Aktivitäten (38 C) 0. 00300 M KH PO K : 0. 00300 M K : 0. 022 M * 0. 01200 M NaH2P04
Na : 0. 12800 M Na : 0. 09397 M 0.01500 M Na2HPO4 C1: 0.08600 M @C1: 0.06412 M 0.08600
M naC1 pH: 6.740
Normallösung B : Konzentrationen Aktivitäten (38
C) 0. 00 700 M KH2 PO4 K : 0. 00700 M K : 0. 0051 M 0. 0245 M Na HPO Na : 0. 16000
M Na : 0. 1132 M 0. 111 M NaCl Cl : 0. 11100 M Cl : 0. 08147 M pH : 7. 236 ) wurde
unter Verwendung des durch Versuch bestimmten Aktivitätskoeffizienten für Natrium
berechnet.
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Die Leiter 16 bis 20 in Fig. 1 sind mit den normalerweise offenen
Kontakten 30 bis 34 der Relais R2 bis R6 verbunden. Der an der Meßelektrode der
Elektrode 1 angeschlossene Leiter 14 ist mit dem Kontakt 35 des Relais R1 und über
den Leiter 36 mit dem Kontakt 37 des Relais R 7 verbunden. Ferner führt der Leiter
14 über den Leiter 39 zum Anker 38 des Relais R8. Der mit der Gegenelektrode der
Elektrode 1 verbundene Leiter 15 führt zu den Kontakten 40 und 41 des Relais R7.
Die Anker 42 und 43 des Relais R7 sind an eine 1, 5 V-Batterie 44 angeschlossen.
Im Ruhezustand berühren diese Anker 42 und 43 des Relais R7 die Kontakte 45 und
40. Bei Betätigung des Relais R8 schließt dann sein Anker 38 einen Stromkreis vom
Leiter 14 über Leiter 39, Anker 38 und Kontakt 46 des Relais R8, Kontakt 45 und
Anker 42 des Relais R7 zur negativen Seite der Batterie 44, weiter von der positiven
Seite der Batterie 44 über Anker 43 und Kontakt 40 des Relais R7, Leiter 15 zur
Gegenelektrode der Elektrode 1.
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Bei der nachfolgenden Erregung des Relais R7 werden seine Anker 42
und 43 mit den Kontakten 41 und 37 verbunden, wodurch die zwischen Meßelektrode
und Gegenelektrode der Elektrode 1 liegende Batteriespannung umgepolt wird. Wie
aus nachstehender Beschreibung hervorgeht, wird vor der Messung einer Normallösung
oder Meßlösung die Spannung an der Elektrode 1 solange angelegt und dann umgepolt,
bis die ionenempfindliche Silberchloridschicht auf der Meßelektrode der Elektrode
1 entfernt und wieder ersetzt worden ist.
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Alle in Fig.-1 gezeigten Relais werden durch die Programmsteuereinrichtung
47 gesteuert. Darüberhinaus steuert die Programmsteuerung 47 die Einstellung des
Ventiles 8 und die Pumpe 9. Die Programmsteuerung 47 i&t in konventioneller
Bauart ausgeführt.
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Fig. 2 stellt einen Übersichtsplan über die von der Programmsteuerung
47 bestimmt Meßschrittfolge für jede Normal-und Meßlösung, also das Meßprogramm,
dar.
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Beim 1. Programmschritt nach dem Start (Ventilverstellung) wird das
Ventil 8 über die Leitung 48 von der Programmsteuerung so eingestellt, daß der Behälter
27 über das Rohr 24 mit dem Rohr 23 verbunden wird. Beim nächsten Programmschritt
(Pumpenstart) schaltet die Programmsteuerung 47 über die Leitung 49 die Pumpe 9
ein, die nun die Normallösung A mit
den Meßelektroden 1-6 und der
Bezugselektrode 7 in Berührung bringt.
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Während des Pumpvorganges wird l) eim folgenden Programmschritt (Gleichspannung
an Meßelektrode l) das Relais R8 über die Leitung 50 erregt, wodurch der Aleß-und
Gegenelektrode der Elektrode l die Spannung der Batterie 44 zugeführt wird zwecks
Säuberung der Meßelektrode. Beim anschließenden Schritt (Gegenspannung an Meßelektrode
1) erregt die Programmsteuerung 47 über Leitung 51 das Relais R7, das nun die an
der Elektrode 1 liegende Batteriespannung umpolt zwecks Bildung bzw. Erneuerung
der Silberchloridschicht auf der Meßelektrode. Nach ge-und R7 wünschter Stromdauer
werden die Relais RSVund dadurch auch die Batterie 44 wieder abgesclialtet. Nach
einer Programmpause gewünschter Dauer (Ruse0 schaltet die Programmsteuerung 47 die
Pumpe 9 wieder ab (Pumpenstopp) und schließlich nach einer kurzen Beruhigungszeit
(Pause) das Relais Rl ein, um die erste Meßelektrode wirksam zu machen (Meßelektroden-Auswalll)
Das an der Meßelektrode 1 und ihrer Ableitung 14 lierrscliende Meßpotential wird
nämlich durch das sich schließende Kontaktpaar 35, 53 des Relais RI über Sammelleitung
54 an den Eingang eines Gleichspannungs-Verstärkers, 55 gelegt. Da gleichzeitig
das Potential der Bezugselektrode i über Leiter 21 am Eingang dieses Verstärkers
liegt, wird er von der Potentialdifferenz, also der Meßspannung, beaufschlagt.
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Nach einer kurzen Wartezeit (Pause) während der die Meßeinrichtung
ihren Gleichgewichtszustand erreicht, gibt die Programmsteuerung über .',j'.
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Leiter 56 das Ziffernvoltmeter 57 frei zur digitalen Anzeige der analogen
Ausgangsspannung
des Verstärkers 55 (Ziffernvoltmeter-Start). Gleichzeitig wird die Recheneinrichtung
58 zur Aufnahme und Speicherung bzw.
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Auswertung der Ausgangsspannung des Ziffernvoltmeters 57 veranlaßt
(Rechnerstart) durch die Programmsteuerung über Leiter 119 oder di-". rekt durch
den Ausgang des Ziffernvoltmeters.
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Anschließend an diesen Programmschritt wählt die Programmsteuerung
47 eine andere Meßelektrode, z. B. Elektrode 2, aus durch Erregung des entsprechenden
Relais, z. B. R2. Der Programmschritt"Meßelektrodenauswahl"und die folgenden drei
Scliritte bis einschließlich"Rechnerstart" werden also wiederholt, und zwar so lange,
bis alle Meßelektroden 1 bis 6 mit der Normallösung A geeicht sind.
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Danach wird das ganze Programm, vom Programmschritt"Ventilverstellung"angefangen,
mit der Normallösung B für alle Meßelektroden wiederholt. Schließlich läuft auch
die Messung der Meßlösung (Blutprobe) mit derselben Schrittfolge wie die Eichung
ab, wodurch größtmögliche Genauigkeit gewährleistet ist.
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Bei der Durchführung des weiteren Meßprogramms nach Fig. 2 werden
die Relais R2 bis R6 von der Programmsteuerung 47 über die Leitungen 59 bis 63 erregt,
wodurch die Anker 64 bis 68 die Kontakte 30 bis 34 berühren. tuber die Leitungen
69 bis 73, zwischen den Ankern unSe « ammelleitung 54 gelangt dann das Potential
der zugehörigeil Meßelektrode an den Verstärker 55.
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Unter Benutzung der eben beschriebenen Programmschrittfolge nach
Fig. 2 wird zunächst eine erste Eichung der Meßeinrichtung mittels beider Normallösungen
A und B und dann die Messung einer unbekannten Blutprobe durchgeführt. Obwohl in
Fig. 1 nur ein Blutprobenbehälter 29 dargestellt ist, können weitere Probenbehälter
an die Meßeinrichtung angeschlossen werden, deren Anzahl nur durch die am Ventil
8 vorhandenen Anschlußstellen begrenzt ist. Wenn Messungen weiterer Blutproben nacheinander
erfolgen sollen, so können vor diesen die neuen Eichungen der Meßelektroden 1 bis
6 mittels nur einer der Normallösungen A oder B erfolgen. Dies ist möglich, weil
die Neigung der gerade Linien darstellenden ursprünglichen Eichkurven im wesentlichen
konstant bleibt und Anderungen der Meßelektroden lediglich senkrechte Verschiebungen
der gesamten Eichkurve zur Folge haben, die bereits durch die Verschiebungen eines
einzigen Kurvenpunktes bestimmt sind. Durch diese Einsparung eines der beiden Eichprogrammdurchläufe
erfährt die Bearbeitung der unbekannten Proben eine beträchtliche Beschleunigung.
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Die Messungen lassen sich noch weiter beschleunigen,, indem auch
ein Teil der einfachen Nacheichungen weggelassen und erst nach mehreren, ohne Zwischeneichung
unmittelbar aufeinanderfolgenden Blutprobenmessungen wieder eine solche einfache
Nacheichung durchgeführt wird. Die Anzahl der nacheinander ohne Zwischeneichung
durchführbaren Blutprobenmessungen hängt von der Größe der zeitlichen Empfindlichkeitsänderungen
der Elektroden
ab.
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Um solche Anderungen möglichst Hein zu halten, werden alle E : ich-Un
(l Meßflüssigkeiten, Rohrleitungen und vor allem die Elektroclen auf konstanter
Temperatur-im Ausführungsbeispiel auf 38° C 0, 1° C-gehalten z. B. mittels eines
Thermostaten, der in Fig. 1 durch die gestrichelte Umrandung 74 angedeutet ist.
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In der ausgeführten Meßeinrichtung nach Fig. 1 wird als Pumpe 9 eine
normale Peristaltik-Saugpumpe verwendet, deren Geschwindigkeit durch ein zusätzliches
Untersetzungsgetriebe stark herabgesetzt ist. Der Verstärker 55 ist ein üblicher
Gleichspannungsverstärker. Seine Ausgangsspannung wird durch ein übliches, beispielsweise
vierstellige Ziffernvoltmeter angezeigt. Die Meßgenauigkeit der gesamten Anordnung
nach Fig.1 von den Elektroden bis zum Rechner 58 beträgt + 0, 03 mV.
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Fig. 3 zeigt einen axialen Teil-Längsschnitt durch die Reihenanordnung
der Meßelektroden 1, 2 und 6 und der Bezugselektrode 7 mit Einzelheiten des Aufbaus,
der eine vollautomatische elektrochemische Analyse ermöglicht.
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Von ausschlaggebender Bedeutung dafür sind die Bezugselekt) Gde 7
mit extrem großer Stabilität und Genauigkeit sowie die Meßelektrode 1 mit ihrer
Möglichkeit der wiederholten elektrolytischen Erneuerung ihrer wirksamen Elektroden-Oberflächenschicht
während des Betriebes. Ohne
(lies beiden Elektroden wären die Genauigkeitsanforderungen
nicht zu erfüllen und nur ein lialbautomatischer Betrieb möglich.
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Für die zunächst betrachtete Elektrode l in Fig. 3 verlaufen Zuleitungen
14 und 15 durch das Gehäuse 75 bzw. Isolatoren 76 und 77 und sind mit Anschlußklemmen
78 und 79 verbunden, die ihrerseits aufeinanderfolgende Schichten eines Kunstoffes
80 (z. B. Deirin) und des Gummis 81 durchdringen und mit der Meßelektrode 82 und
der Gegenelektrode 83 verbunden sind. Die Meßelektrode 82 und die Gegenelektrode
83 bilden die unteren und oberen gewölbten Teile des engen Rohres 13 und werden
durch die Kunststoffteile 84, die zwischen den beiden Elektroden die restlichen
beiden gewölbten Teile des Rohres 13-bilden, voneinander isoliert.' Das Rohr 13
hat einen Innendurchmesser von nur ca. einem Millimeter und ist innerhalb der Rahmenteile
85 mit den Verbindungsrohren'23 und 10 verbunden. Die Innendurchmesser dieser Rohre
10 und 25 beträgt ebenfalls einen Millimeter.
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In Fig. 5 ist in auseinandergezogener Anordnung der Hauptbestandteile
ein Beispiel der konstruktiven Ausführung der in Fig. 1 und 3 prinzipiell gezeigten
Meßelektrode 1 perspektivisch dargestellt, die zur Messung der Konzentration bzw.
Aktivität vorzugsweise von Halogenidionen und auch von
Wasserstoffionen
dient. Diese Meßelektrode 1 wird in der Beschreibung nur der Einfachheit halber
lediglich als Chloridelektrode bezeichnet, jedoch ist sie gleich gut auch zur Konzentrationsmessung
der (neben den Chloridionen) auch n'och zur Halogengruppe gehörenden Bromid-und
Jodidionen sowie von Wasserstoffionen geeignet.
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Die Meßelektrode 1 besteht hauptsächlich aus je zwei T-förmigen Isolierstoffteilen
202 und rechteckigen Elektrodenblechen 203. Die Isolierteile 202 weisen konkav gekrümmte
Flächen 204 auf und die Elektroden 203 ebensolche Flächen 205. Diese Flächen 204
und 205 stellen Teilflächen eines Iiohlzylinders dar und bilden in dem durch strichpunktierte
Linien für die Konturen der Elektroden angedeuteten fertig montierten Zustand ein
die Eich-oder Meßflüssigkeit enthaltendes Rohr 206 in der Längsachse der Meßelektrode
1.
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Quer zur den horizontalen Teilen 209 und 210 der Isolierteile 202
mit den konkaven Flächen 204 erstrecken sich Vorsprünge 207 und 208 nach oben bzw.
unten und bilden eine Vertiefung zur Aufnahme der Elektrodenbleche 203. Die Breite
w dieser Vertiefung entspricht derjenigen der Elektroden 203 so, daf3 bei Berührung
der Längsränder der Elektroden mit den Vorsprüngen 207 und 208 die konkav gekrümmten
Flächen 204 und 205 einen Hohlzylinder mit genauem Kreisquerschnitt bilden. Die
Isolierteile-202
bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, z. B. Delrin,
und die Elektrodenbleche 203 vorzugsweise aus Silber, ausgenommen bei der noch zu
beschreibenden Verwendung zur Wasserstoffionen-Konzentrationsmessung.
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In die Vertiefungen zwischen den Vorsprüngen 207 und 208 passen oberhalb
bzw. unterhalb der Elektrodenbleche 203 rechteckige Platten 211 aus elastischem
Isolierstoff, die mittels Deckplatten 212 gleicher Größe mit gleichmäßigem Druck
gegen die Elektrodenbleche 203 gepreßt werden, um Verformungen vonxleren gekrümmten
Flächen 205 zu verhindern und zugleich eine gute Abdichtung zu gewährleisten. Die
elastischen Platten 211 bestehen vorzugsweise aus Gummi und die Deckplatten 212
aus Isolierstoff, beispielsweise Delrin.
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Das obere und untere Elektrodenblech 203 weisen je eine Anschlußklemme
213 bzw. 214 zur Befestigung von elektrischen Leitungen 231 bzw. 232 auf, die mit
den Leitungen 15 bzw. 14 der Fig. 1 und 3 identisch sind.
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Nach Fig. 5 enthalten die horizontalen Isolierteile 209 und 210 vier
Löcher 215 zur Befestigung mit den Elektrodenblechen 203, den Dichtungsplatten 211
und den Deckplatten 212, die entsprechende Löcher 216 bzw. 217 bzw.
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218 aufweisen. Sämtliche Teile werden mittels vier Schrauben 228 aus
Isoliermaterial, Muttern 229 und Unterlegscheiben 230 in der aus Fig. 6A
und
6B. ersichtlichen Weise zusammengehalten. Die Anschlußklemmen 213 und 214 der Elektroden
203 ragen dabei durch passende Löcher 219 in den Gummiplatten 211 und Deckplatten
212 hindurch und sind außerhalb der letzteren zugänglich.
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Fig. 6A und B zeigen den Grundriß bzw. vertikalen Axial-Längs schnitt
der vollständigen, in ein Gehäuse 220 eingebauten Meßelektrode 1. Das Gehäuse 220
besteht aus zwei U-förmigen Rahmen 221, die am Umfang der eigentlichen Meßelektrode
1 nach Fig. 5 überall dicht anliegen und an ihren beiden Enden mittels Stiften 226
und Locher 227 fest aber lösbar miteinander verbunden sind. Jeder Rahmen 221 hat
in seiner Symme-. trieachse eine mit dem Flüssigkeitskanal 206 in der Meßelektrode
1 fluchtende Bohrung 222 bzw. 223, in deren äußerem Teil eine Rohrleitung 224 mit
gleichem Innendurchmesser mittels Dichtungsringen 225 befestigt ist.
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Kanal 206, Bohrungen 222, 223 und Rohre 224 sind somit genau koaxial
ausgerichtet und bilden eine glatte Flüssigkeitsleitung überall gleichen Durchmessers
von nur etwa einem Millimeter. Infolgedessen wird für jede Messung nur eine sehr
kleine Menge von Meßflüssigkeit (Blut) benötigt.
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Die Batterie 233 und der Umschalter 235 der Fig. 6B sind mit der Batterie
44 und den Kontakten des Relais R7 in Fig. 1 identisch.
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Durch Betätigung des Ventiles 8 und der Pumpe 9 nach Fig. 3 wird gemäß
Fig. 2 das Rohr 13 mit Flüssigkeit gefüllt. Ohne Rücksicht darauf, ob es sich bei
der Flüssigkeit um eine Normallösung A oder B oder eine Blutprobe liandelt, werden
die Elektroden 82 und 83 über die Leitungen v 14 und 15 mit einer Gleichspannung
beaufschlagt, und zwar die Elektrode 82 negativ und die Elektrode 83 positiv. Die
Spannung wird so lange an die Elektroden gelegt, bis die ionenempfindliche Silberchloridschicht
von der Elektrode 82 entfernt ist. Dann wird die Spannung in der bereits beschriebenen
Weise umgepolt und die Silberchloridschicht auf der Meßelektrode 82 erneuert. Auf
diese Weise wird die wirksame Oberflächen-Schicht der Meßelektrode 82 aufgrund ihrer
besonderen Konstruktion wällrend des Betriebes erneuert, was nicht nur die Automatisierung
der Eichungen und Messungen ermöglicht, sondernjauch die Meßgenauigkeit der Elektrode
1 und somit die Gesamtgenauigkeit der Meßeinrichtung nach Fig. 1 erhöht.
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Wird die erwälmte Konzentrationsmessung von Wasserstoffionen an Stelle
von Halogenidionen gewünscht, so ist eine gleiche Konstruktion verwendbar nur mit
dem Unterschied, daß das Material der eigentlichen Meßelektrode des Elektrodenpaares,
also laut Annahme der unteren Elektrode, an Stelle von Silberchlorid aus. Antimonoxyd
oder Wismutoxyd bestehen muß. Das untere Elektrodenblech muß in diesem Fall aus
Antimon oder Wismut bestehen, auf dem die wirksame Oxydschicht mit Hilfe der unveränderten
oberen
Gegenelektrode aus Silber in derselben Weise wie die zuvor beschriebene Silberchloridschicht
elektrolytisch mittels umgepolter Gleichspannungen zunächst entfernt und dann neu
erzeugt wird.
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Die Meßelektroden 2 bis 6 nach Fig. 3 stellen eine besondere, neue
Form der bekannten Glaselektroden dar. Sie haben alle gleichen Aufbau und unterscheiden
sich nur durch die Glasart des in jeder Elektrode enthaltenen ionenempfindlichen
leitenden Glasrohres 12. Diese Glasrohre haben einen Innendurchmesser von etwa einem
Millimeter und eine Wandstärke von 0, 1-0, 2 mm.
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Die Elektroden 2 bis 6 befinden sich nach Fig. 3 in einem gemeinsamen
rohrförmigen Metallgehäuse= 11. Jede Elektrode besteht aus einem Glasrohr 87, das
an jedem Ende durch eiren Stopfen 86 aus weichem Isoliermaterial abgeschlossen ist.
Beide Stopfen werden nun axial mit einer dickeren Injektionskanüle durchstochen.
Anschließend wird das Glasrohr 12 in die Öffnung der Injektionskanüle eingeschoben
und dann die Nadel langsam zurückgezogen, so daß das Rohr 12 innerhalb der Stopfen
zurückbleibt. Ein vorher mit Silberchlorid beschichteter Silberdraht 88 wird auf
dieselbe Art in den Zwischenraum zwischen den Glasrohren 12 und 87 eingeführt. Schließlich
wird mittels einer Injektionsspritze eine verdünnte Salzsäurelösung (0, 1N HC1)
in den Raum zwischen den Glasrohren 12 und 87injiziert. Der
Silberdraht
88 wird mittels des Isolators 89 durch das Gehäuse 11 geführt und dann mit der Leitung
16 verbunden,. die ihrerseits durch den Isolator 90 das Gehäuse 75 verläßt. Isolierstoffröhrchen
10 verbinden die Glasrohre 12 miteinander und mit der Meßelektrode 1 sowie der Bezugselektrode
7 und isolieren sie zugleich elektrisch.
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Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Meßelektroden 2 bis 6
lediglich durch das in ihnen verwendete ionenempfindliche Glasrohr 12.
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Ein natriumempfindliches Glasrohr hat beispielsweise folgende Zusammensetzung
: 1I % NaO, 1 % A1203, 71 % SiO2 und reagiert auf Natriumione nach der Nernst-Gleichung
: E = E+Sloga-,-(l) worin E = Spannung in Volt Eo = Bezugspotential in volt S =
Konstante (0, 061 74 V bei 38° C) a des Natriumions na bedeuten.
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Ein Glasrohr zur Bestimmung von Kalium besteht z. B. aus 27 % Na2O,
4 % Al2O3, 69 % SiO2 und entspricht folgender Gleichung: E = Eo + S log (aK + kaNa)
(2)
worin E, eo, S und aNa wie vorstehend definiert sind und aK
= Aktivität des Kaliumions k = Selektivitätskonstante bedeuten.
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Das Glasrohr zur Bestimmung der Wasserstoffionenkonzentration(pH)
enthält beispielsweise 22 % Na2O, 6 % CaO,, 72 % siO2 und entspricht folgender Gleichung:
E = Eo + S log aH (3) worin E, Eo, S wie vorstehend definiert sind und aH = Aktivität
des Wasserstoffions bedeutet.
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Die die Meßspannung liefernde Silberelektrode mit Silberchloridschicht
der Meßelektrode l nach Fig. 3, 5, 6 spricht auf das Chloridion nach folgender Gleichung
an : E = Eo-S log aCi (4) worin E, Eo und S wie vorstehend definiert sind und aC
1 = Aktivität des Chloridions bedeutet.
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Diese Gleichung 4 gilt nur dann, wenn in der Lösung keine anderen
Ionen, die mit dem Silberion unlösliche Verbindungen bilden, z. B. Bromidione, enthalten
sind.
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ITm aufgrund der Gleichungen (1) bis (4) unbekanntelonenaktivitäten
zu bestimmen, müssen die Konstanten E, S und k mittels Losungen mit bekannten lonenaktivitäten
geeiclit werden. Um die Eichvorgänge auf ein Mindestmaß zu beschränlien, werden
nur zwei Eichlösungen A und B verwendet.
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Hierdurch ergeben sich für die Gleichungen (1), (3) und (4) keine
Schwierigkeiten, da sie jeweils nur zwei Unbekannte (E und S) enthalten. In Gleichung
(2), die 3 unbekannte Konstanten enthält, werden Eo und k geeicht, während S auf
den theor etischen Wert von 0,0617 V festgelegt wird.
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Da der theoretische Wert G1, 7 m\ von S in der Praxis im allgemeinen
nur um einige Millivolt schwankt, eignet sich diese Größe am besten als Festwert.
Darüberhinaus können durch Anpassen von k kleine Änderungen von S ausgeglichen werden.
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In einem Rechner wurden Versuchsdaten mit systematischen Anderungen
des Wertes von S verarbeitet. Die Ergebnisse bewiesen, daß Schwankungen des theoretischen
Wertes von S um einige Millivolt die berechnete Kaliumaktivität nur um einen Bruchteil
von 1 % verändern. Bei der Behandlung der Kaliumelektrode wird daher für S der theoretische
Wert von 61, 7 mV
angenommen und die Werte E und k aufgrund dieses
Wertes berechnet.
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Die Bezugselektrode 7 ist in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt, den
vergrößert und genauer auch noch Fig. 7 zeigt. Die unteren Teile 100 und 91 der
Elektrode 7 befinden sich innerhalb des Gehäuses 75, während ihre oberen Teile 101,
104, 103 daraus nach oben hervorragen. Der untere Teil 91 enthält einen engen Flüssigkeitskanal
92. Eine Öffnung 93 mit einem Durchmesser von ca. einem Millimeter kreuzt den Kanal
92 und stellt eine Verbindung zwischen dem Bezugselektrodengehause 94 und dem Kanal
92 her. Das Gehäuse 94 hat einen hohlzylindrischen Teil 95, der in die Bohrung 96
im unteren Teil 91 paßt. Zwischen dem unteren Ende des Teils 95 und dem unteren
Ende der Bohrung 96 befinden, sich eine Gummischeibe 97 mit Mittelloch und eine
Me. mbran 98. IJber den Absatz 99 am Gehäuse 94 greift die Kappe 100, deren Innengewinde
117 am unteren Ende in das Außengewihde'118 am oberen Ende des Teiles 91 paßt. Auf
diese Weise werden die Gummischeibe 97 und die Membran 98 durch den Teil 95 fest
über die Öffnung 93 gehalten, wenn die Kappe 100 auf das obere Ende des Teiles 91
aufgeschraubt ist. Vom Absatz 99 aus erstreckt sich das Hohlteil 101 durch eine
CXfnung 115 in der Kappe 100 nach oben und besitzt eine Öffnung 116, durch die sich
ein Elektrolytbehälter 104 mit einer darin befindlichen handelsüblichen Bezugselektrode
103 erstreckt. Der Behalter,]. Q4 besitzt am unteren Ende eine enge poröse Trennwand
102, z. B.
einen Docht, durch den eine leitende Verbindung zwischen
dem Elektrolyten im Behälter 104 und einem das Gehäuse 94 füllenden Elektrolyten
12Q, der vorzugsweise aus einer gesättigten KCL-Losung besteht, hergestellt wird.
Die Leitung 21 verbindet die Bezugselektrode 1G3 direkt mit dern Verstärker 55 nach
Fig. 1.
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Während des Betriebs ist der Kanal 92 der Bezugselektrode 7 entweder
mit einer Normallösung A oder B oder einer Blutprobe angefüllt. Die Membran 98,
die vorzugsweise aus großporigem Zellophan hergestellt ist, stellt dann zwischen
der Flüssigkeit im Kanal 92 und dem Elektrolyten im Hohlgehäuse 94 eine scharfe
Trennfläche dar. Da die Zellophanmembran 98 Ionen und gelöste Gase durchläßt, stellt
sie einen Stromweg zwischen der Flüssigkeit im Kanal 92 und dem Elektrolyten im
Gehäuse 94 her.
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Die Membran 98 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Dicke von
nur 0, 013 mm. Die kleinste verwendbare Dicke ist nur durch die mechanische Festigkeit
der Membran begrenzt. Je dünner die Membran ist, desto besser sind die Meßergebnisse.
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Durch die Membran 98 werden Hysteresewirkungen vermieden und stabile
und genaue Messungen mit einer relativ einfachen Anordnung erzielt. Diese Art Hysterese,
die zu Unstabilität und Ungenauigkeit der Bezugselektrode führt, besteht nämlich
darin, daß der normalerweis-e bei handelsüblichen
Bezugselektroden
an stelle der Membran verwendete Docht bis zur nächsten Messung nicht genügend Zeit
hat, sich von der zuletzt gemessenen, in ihn eingedrungenen Lösung zu reinigen.
Durch die e. rfindungsgemäße scharfe Trennung zwischen der Flüssigkeitsprobe und
dem Elektrolyten mittels einer dünnen Membran können die wenigen in ihr von der
vorhergehenden Messung zurückgebliebenen Ionen noch vor Durchführung der nächsten
Messung sehr schnell im Elektrolyten aufgelöst werden. Auf diese Weise bleiben die
Eigenschaften des Stromkreises von der Flüssigkeitsprobe durch die Membran 98, den
Elektrolyten, den Docht 102, der eigentlichen Bezugselektrode 104, deren Elektrolyten
zu deren Elektrode 103 praktisch unverändert, da die vom Kanal 92 in den Elektrolyten
des Gehäuses 94 gelangende Flüssigkeitsmenge im Vergleich zu Volumen des Elektrolyten
vernachlässigbar gering ist. Durch Verwendung der Zellophanmembran als Trennwand
zwischen dem Kanal 92 und der Bezugselektrodenanordnung ergibt sich im Kanal eine
durch Dochte und dergleichen ungestörte Strömung, wodurch die Neigung zum Gerinnen
bzw. zur, Klumpenbildung im Blut an dieser Stelle weitgehend vermieden wird.
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Mittels der Elektrode 7 sind daher nach Wechsel der Prüflösungen die
Meßspannungen mit einer Genauigkeit von weniger als 0, 1 mV reproduzierbar.
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Während eine Lösung durch den Kanal 62 gepumpt wird, schwankt die
Spannung um f 0, 5 mV. Bei ruhender Lösung bleibt die Spannung konstant.
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Wenn gewünscht wird, zugleich mit Ionen und gelösten Gasen auch Makromoleküle,
wie z. B. Proteinmoleküle, zu messen, so ist die beschriebene Cellophanmembran 98
für eine Mischung aus Ionen, gelösten Gasen und Makromolekülen nur halb-durchlässig,
da ihre Poren zu klein sind, um Moleküle oberhalb einer bestimmten Größe durchzulassen.
In diesem Falle entstelien durch Ladungstrennung unerwünschte Spannungen. Um diese
Ladungstrennung zu vermeiden, muß eine Membran verwendet werden, deren Poren groß
genug sind, um auch die Makromoleküle durchzulassen. Dafür geeignet ist eine Teflonmembran
mit einer Vielzahl von Löchern kapillarer Größe. Wird durch sie die Cellophanmembran
98 ersetzt, so erhält man auch in diesem Fall richtige Ergebnisse. zum Messen Wie
bereits erwähnt, eignet sich die Einrichtung gemäß Fig. 1 nicht nur von Ionen, sondern
auch von gelösten Gasen wie Sauerstoff und Kohlensäure.
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Daher können auf solche gelösteil Gase ansprecllende Elektroden jederzeit
an Stelle der Elektroden 2-6 verwendet oder mit diesen in Reihe geschaltet werden.
Dafür eignen sich handelsübliche Elektroden, beispielsweise solche zum Messen der
Sauerstoffkonzentration und der Kohlensäurekonzentration. Aus vorstehenden Ausführungen
geht hervor, daß die Meßeinrichtung nach Fig. 1 sehr vielseitig ist und zur Messung
der Konzentrationen aller Arten von Ionen und gelösten Gasen benutzt werden kann,
wenn entsprechende Elektroden verfügbar sind.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, in Reihe mit den von den Meßelektroden
1 bis 6 kommenden Leitungen 14 und 69 bis 73 nach Fig. 1 nicht gezeichnete Potentiometer
zu schalten, mit denen ein größerer Teil der von den Elektroden gelieferten Spannungen
unwirksam gemacht werden kann. Da oft nur die Anderungen dieser Sapnnungen (z. B.
gegenüber einem Mittel-oder Sollwert), aber nicht ihre Absolutwerte interessieren,
können die Meßspannungen mittels dieser Potentiometer einheitlich auf einen Spannungsbereich
von 0-100 mV eingestellt werden. Die sich ergebende Genauigkeit der Meßeinrichtung
wird dadurch erhöht, da der Verstärker 55 dann nur in diesem relativ engen Bereich
arbeiten muß.
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In Fig. 4A und 4B sind ein Grundriß bzw. ein Axialschnitt des Ventils
8 nach Fig. 1 dargestellt. Das Ventil 8 besteht vollständig aus einem ge-' eigneten
Kunststoff (z. B. Delrin). Es enthält einen Ventilkörper 105 mit einem koaxial in
der Ventilmitte angeordneten konischen Hohlraum 106, der nach unten in eine zylindrische
Bohrung übergeht. In letzterer ist ein zylindrischer Kunststoffteil befestigt, der
in seinem oberen Abschnitt einen axialen senkrechten engen Kanal 109 aufweist, von
dessen unterem Ende ein entsprechender waagrechter Kanal 108 eine Verbindung mit
einem Ausgang 107 herstellt. Der Ventilkörper 105 enthält oben, gleichmäßig um seinen
Umfang verteilt, eine Anzahl radialer enger Kanale 110, die alle in gleicher Hoche
in den Hohlraum 106 münden. In diesem konischen Hohlraum 106 Docket YO 966-005
ist
der genau passende Ventilkegel 111 drehbar, der mittels-seiner nach oben ragenden
Achse beispielsweise durch einen nicht gezeichneten Schrittmotor in bestimmte Stellungen
gedreht werden kann, in denen der horizon-L-förmigen Kanals112 talt Teil eines im
ventilekgel befindlichen / mit einem der radialen Kanäle 110 im Ventilkörper 105
fluchtet. Da der vertikale Teil des Kanals 112 ständig mit dem vertikalen Kanal
109 fluchtet, wird dann für die Flüssigkeit in dem betreffenden radialen Kanal 110
eine Verbindung zum Ausgang 107 hergestellt. Der Ventilkegel 111 wird im konischen
Hohlraum 106 durch die Befestigungsplatte 114 festgehalten und durch den Dichtungsring
113 abgedichtet.
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Nach Fig. 1, 4A und 4B können die Kanäle 110 durch Rohrleitungen 24-26
mit den Behältern 27 bis 29 und auch noch mit weiteren, nicht gezeichneten Behältern
mit anderen Blutproben oder Normallösungen zwecks Beschickung der Meßeinrichtung
verbunden werden. Die Welle des Ventilkegels 111 ist zweckmäßigerweise-abweichend
von den Zeichnungen-mechanisch mit einem nicht dargestellten 12-Stellungs-Schrittmotor
gekuppelt, der nach Fig. 1 über die Leitung 48 von der Programmsteuerung 47 erregt
wird.
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V-orsteherid beschriebenes Gerät liefert in Verbindung mit einer Rechenanlage
schnelle und sehr genaue Meßwerte für eine große Anzahl von Proben, die verschiedene
Ionen und gelöste Gase enthalten. Es eignet sich insbesondere zum Messen solcher
in Blutproben enthaltenen Bestandteile. Die
bei solchen Blutproben
innerhalb der Meßanordnung leicht auftretende Klumpenbildung wird weitgehend verhindert
durch die Herstellung der Rohrleitungen vorzugsweise aus Teflon und durch die Vermeidung
von plõtzlicheh Querschnittsänderungen durch Elektroden oder Rohrverbindungen.
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Alle Rohrleitungen haben einen Durchmesser von nur í mm, so daß selbst
bei einem Volumen der Testproben von nicht mehr als einem Kubikzentimeter sämtliche
Elektroden gute Meßergebnisse liefern. Zufriedenstellende Ergebnisse lassen sich
sogar auch noch bei Verwendung von nur einem halben Kubikzentimeter Flussigkeit
erzieleni Der zeitliche Ablauf der Vorgänge nach Fig. 2 kann weitgehend geändert
werden, so daß die Einrichtung auch in diesem Punkte sehr flexibel ist.
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Eine typische Durchlaufzeit pro Lösung sind z. B. 65 Sekunden.
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Die im Zusammenhang mit der Einrichtung verwendete Rechenanläge ist
relativ einfach mit Ausnahme der Berechnung der Kaliaktivit-ät, die ein Iterationsverfahren
erfordert.