DE19715440C1

DE19715440C1 - Tauchmeßsonde zur Bestimmung permeabilisierender Analyte

Info

Publication number: DE19715440C1
Application number: DE1997115440
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Rer Nat Spohn; Bodo Dr Rer Nat Fuhrmann; Dieter Dipl Phys Beckmann; Elmar Dipl Ing Weckenbrock; Heinrich Dipl Chem Stoeber; Eugen Dipl Ing Most
Original assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Current assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2017-04-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Tauchmeßsonde zur Bestimmung permeabilisierender Analyte nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Tauchmeßsonden zur Bestimmung permeabilisierender Analyte, bei denen der Analyt über eine semipermeable Membran in einen Akzeptorstrom überführt und dort detektiert wird, sind bekannt.

(V.Blet, M.-H.Pons and J.L.Greffe, Separation of Ammonia with a gas-permeable tubular membrane, Anal.Chem.Acta, 219 (1989) 309-311.
C.F.Mandenius, B.Danielsson and B.Mattiasson, Evaluation of a dialysis probe for continuous sampling in fermentation broth, Anal.Chem.Acta, 163 (1984) 135-141).

Es sind gassensitive Sonden bekannt, die aus einer semiper meablen Membran bestehen, die die Probenlösung von einem Signaltransduktor abtrennt und über die der zu bestimmende Analyt in eine Akzeptorlösung diffundiert, in der gegebe nenfalls eine Indikatorreaktion abläuft, wobei der Signal transduktor den Analyten selbst oder ein bei der Indikator reaktion entstehendes Reaktionsprodukt anzeigt.

(J.W.Ross, J.W.Riseman and J.A.Krueger, Potentiometric gassensing electrodes, Pure Appl.Chem., 36 (1973) 473.
P.Jeroschewski, K.Haase, A.Trommer and P. Gründler, Galvanic sensor for determination of hydrogen sulphide, Electroanalysis, 6(1994)769-772).

Weiterhin sind amperometrische Gassensoren bekannt (DE 38 41 621 C2, DE 38 41 622 C2 , EP 0 607 756 A2), wobei bei dem in der letztgenannten Druckschrift genannten Gassensor die Akzeptorlösung an der inneren Fläche der semipermeablen Membran vorbeitransportiert wird.

Aus der US 5 462 645 ist eine Tauchmeßsonde unter Verwen dung einer semipermeablen Trennmembran zur Überführung von Analyten in einen Akzeptorstrom bekannt. Diese Tauchmeßson de weist eine Meßkammer auf, der über eine Leitung Elektro lyt zugeführt werden kann.

Bei den bisher bekannten Tauchmeßsonden muß die Probenlö sung vor der Messung konditioniert werden, was insbesondere bei der Detektion von in flüchtige oder extrahierbare Substanzen zu überführende Analyte zutrifft. Solche Tauch meßsonden müssen vor ihrem meßtechnischen Einsatz, d. h., off-line durch Eintauchen in eine vorkonditionierte und aufgrund der Flüchtigkeit des Analyten instabile Standardlö sung kalibriert werden. Eine unvorhergesehene Meßsignaldrift kann während der Messung bzw. der Meßdauer nicht berücksichtigt werden, was zu fehlerhaften Meßsigna len führt.

Aus der WO 96/36870 ist eine Durchflußmeßzelle bekannt, die insitu konditioniert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Tauchmeßson den für die Bestimmung permeabilisierender Analyte eine In-situ- Kalibrierung und -Konditionierung zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Eine Tauchmeßsonde zur Bestimmung permeabilisierender Analyte unter Verwendung einer semipermeablen Trennmembran zur Überführung der Analyte in einen Akzeptorstrom, dem ein Detektor zur Bestimmung der Analyte zugeordnet ist, besteht aus einem äußeren und einem inneren Lumen, wobei die semi permeable Trennmembran zur Überführung der Analyte in einen Akzeptorstrom als Wand zwischen dem inneren Lumen und der Akzeptorlösung vorgesehen ist, und wobei die Trennmembran zumindest teilweise durchlässig ist und das äußere Lumen eine Öffnung für den Einlaß einer Konditionier- und Stan dardlösung in das äußere Lumen und damit in die Probenlö sung aufweist. Weiterhin sind Pumpen für die Einstellung und Veränderung der Durchflußgeschwindigkeit im inneren und äußeren Lumen vorgesehen. Mittels der Pumpen sind die Durch flußgeschwindigkeiten im äußeren und inneren Lumen so einstellbar, daß der Analyt in das innere Lumen transpor tiert wird und an der Trennmembran vorbeifließt.

Bei dieser Tauchmeßsonde wird die zu analysierende Probenlö sung dem äußeren Lumen von außen zugeführt. Weiterhin sind dem äußeren Lumen flüssige Kalibrierstandards und Konditio niermedien zuführbar, die sich dort mit der zu analysieren den Probenlösung vermischen. Dadurch wird der zu bestimmen de Analyt an den auch durch die Trennmembran vorgegebenen Prozeß angepaßt und permeabilisierungsfähig. Weiterhin wird er im nachfolgenden Detektor als Aufeinanderfolge von Proben- und Standardsignalen registrierbar.

Es können verschiedenartige Trennmembranen eingesetzt werden. So kann die Trennmembran gaspermeabel sein. Diese ist für die Abtrennung von in wäßriger Lösung gelösten, flüchtigen bzw. in eine flüchtige Form überführbaren Analyten anwendbar. Im inneren Lumen wird der gasförmige Analyt in einen gasförmigen oder flüssigen Akzeptorstrom überführt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Trennmem bran für im Membranmaterial lösliche Substanzen permeabel ist. Hierbei wird der Analyt nach, mittels einer Konditio nierlösung erzielten, Umwandlung in eine membranlösliche Form über die Trennmembran in einen flüssigen oder gasförmi gen Akzeptorstrom im inneren Lumen überführt.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Trennmem bran für den Analyten durchlässig und für Substanzen mit einem wesentlich größeren Teilchendurchmesser undurchlässig ist.

Es ist zweckmäßig, daß für die Bestimmung des Analyten im Akzeptorstrom ein Durchflußdetektor angeordnet ist.

So sind für die Detektion im flüssigen Akzeptorstrom opti sche und/oder elektrochemische Signaltransduktoren und/oder Biosensoren mit immobilisierten Biorezeptoren vorgese hen.

Als optische Signaltransduktoren können photometrische, flu orimetrische, chemiluminometrische oder refraktrometrische Signaltransduktoren vorgesehen sein.

Als elektrochemische Signaltransduktoren können amperometri sche, potentiometrische, konduktometrische und impedimetri sche Signaltransduktoren vorgesehen sein.

Bei Biosensoren sind als immobilisierte Biorezeptoren Enzy me, DNA- oder RNA-Sequenzen, Antikörper oder Lektine vorge sehen.

Für die Detektion in gasförmigen Akzeptorströmen ist es zweckmäßig, Gastauchmeßsonden, Flammenionisationsdetekto ren, Wärmeleitfähigkeits-, photoakustische, Infrarotabsorp tions- und Chemilumineszenzdetektoren oder Massenspektrome ter vorzusehen.

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Tauchmeßsonde für die Detektion von in wäßriger Probenlösung gelösten gasförmigen Analyten;

Fig. 2 eine Tauchmeßsonde für die Detektion niedermole kularer Analyte;

Fig. 3 eine Tauchmeßsonde für die Detektion von Analy ten, die sich extraktiv abtrennen lassen;

Fig. 4a-c ein erstes Ausführungsbeispiel für die Steuerung der Durchflußraten durch die Tauchmeßsonde;

Fig. 5a-c ein zweites Ausführungsbeispiel für die Steuerung der Durchflußraten durch die Tauchmeß sonde.

Eine Tauchmeßsonde 1 weist eine Öffnung 2 auf, durch die eine Probenlösung in eine Endzone eines äußeren Lumens 3 eingebracht werden kann. Die Tauchmeßsonde 1 weist weiter hin eine Öffnung 4 für die Einleitung einer Konditionier- und Standardlösung auf. In das äußere Lumen 3 taucht ein Rohr 5 ein, das unten eine Öffnung 6 für den Eintritt und am anderen Ende eine Öffnung 7 für den Austritt der Proben lösung aufweist. Im Rohr 5 ist eine rohrförmige oder ander weitig geometrisch angepaßte semipermeable Trennmembran 8 vorgesehen, die ein inneres Lumen 9 einschließt. Als Trenn membran 8 kann eine mikroporöse Membran aus PTFE, Polyviny lidendifluorid oder Polypropylen sowie eine andere gasperme able Membran verwendet werden. Die Membran umhüllt einen Kanal 10 für die Zuführung einer Akzeptorlösung. Diese tritt über eine Öffnung 11 in den Kanal 10 ein und tritt aus diesem über ein Öffnung 12 in das innere Lumen 9 aus. Durch nicht dargestellte Pumpen sind die im äußeren Lumen 3 und im Rohr 5 auftretenden Durchflußgeschwindigkeiten V_A und V_I so einstellbar, daß die Probenflüssigkeit mit einer Geschwindigkeit V_S in die Tauchmeßsonde transportiert wird.

In dieser Ausführungsform ist die Tauchmeßsonde für die Detektion von in wäßriger Probenlösung gelöster, flüchtiger oder in eine flüchtige Form überführbarer Analyte geeignet. Der gasförmige Analyt wird durch die Trennmembran 8 von der Probenlösung abgetrennt und in den Akzeptorstrom überführt. Durch die Einführung in den Akzeptorstrom wird der Analyt in eine nichtflüchtige Form überführt und durch einen nachgeschalteten Detektor 13, in diesem Fall einen photome trischen Durchflußdetektor direkt oder nach einer Indikator reaktion angezeigt.

Mit dieser Tauchmeßsonde ist also infolge der Zuführung der Kalibrierstandards am Ort der Probenahme die In-situ Kalibi rierung möglich. Durch die Zuführung der Konditioniermedien am Ort der Probenahme ist die bezüglich des zu bestimmenden Analyten zu analysierende Probenflüssigkeit an den auch durch die Trennmembran vorgegebenen Prozeß anpaßbar und wird permeabilisierungsfähig. Umgekehrt ergibt sich eine automatische Anpassung der Kalibrierstandards an die vorlie gende Probenlösungsmatrix.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 weist die Tauchmeßsonde 1 prinzipiell den gleichen Aufbau wie die der Fig. 1 auf. Der Unterschied besteht in der Trennmembran. Als solche wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Dialysemembran 14 verwendet. In dieser Ausführungsform ist die Tauchmeßsonde für die Detektion niedermolekularer Analyte geeignet, die über die Dialysemembran in die Akzeptorlösung transportiert werden und von höhermolekularen Substanzen abgetrennt werden. Der Analyt wird in diesem Fall durch eine im Durch fluß betriebene ionensensitive Elektrode 15a detektiert, wobei im vorliegenden Fall eine Referenzelektrode 15b nachgeschaltet ist.

Auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weist die Tauchmeß sonde 1 prinzipiell den gleichen Aufbau wie die der Fig. 1 auf. Auch hier besteht der Unterschied in der Trennmembran. In diesem Fall ist eine Flüssigmembran 16 in Form einer imprägnierten oder homogenen Membran vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist die Tauchmeßsonde für die Detektion von Analyten geeignet, die sich über diese Membran extraktiv abtrennen lassen. In diesem Fall ist es möglich, den Analyten durch Anhalten des Akzeptorstromes anzureichern. Die Detektion erfolgt mittels einer Bio-Tauchmeßsonde 17, die aus einer mit Tyrosinase modifizierten Kohlekompositmem bran besteht.

Die Fig. 4a bis 4c verdeutlichen ein erstes Ausführungs beispiel für die Steuerung der Durchflußraten durch die Tauchmeßsonde; Die Durchflußgeschwindigkeiten V_A und V_I im äußeren bzw. inneren Lumen werden so gesteuert, daß eine Standardlösung pulsweise in den kontinuierlichen Probenlö sungsstrom injiziert wird. Dadurch wird an einem Durchfluß detektor 18 ein präzis definiertes Kalibriersignal erzeugt, das die In-line- und gegebenenfalls die kontinuierliche oder zumindest die periodische Kalibrierung ermöglicht und das dem kontinuierlichen Meßsignal überlagert ist. Die Fig. 4b zeigt die pulsweise Änderung der Durchflußgeschwindigkei ten V_A und V_I und die daraus resultierende pulsweise Ände rung der Geschwindigkeit V_S der Probenlösung. Die Fig. 4c zeigt die pulsförmigen Kalibriersignale, die dem kontinuier lichen Probensignal überlagert sind.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen ein zweites Ausführungsbei spiel für die Steuerung der Durchflußraten durch die Tauch meßsonde. Durch präzise Steuerung der Durchflußraten im äußeren und inneren Lumen und durch die Erzeugung eines Standardkonzentrationsprofils in Form eines gleichschenkli gen Dreiecks im äußeren Lumen sowie durch pulsweise Injek tion der Probenlösung in den kontinuierlichen Standardlö sungsstrom wird im Durchflußdetektor 18 eine Folge von Standardpeaksignalen erzeugt. Aus diesen läßt sich die Probenkonzentration durch lineare Extrapolation zwischen den Peakmaxima gemäß der Gleichung

[S] = (1-t/2τ)[S]_ST

Claims

1. Tauchmeßsonde zur Bestimmung permeabilisierender Analyte unter Verwendung einer semipermeablen Trennmembran (8) zur Überführung der Analyte in einen Akzeptorstrom, dem ein Detektor zur Bestim mung der Analyte zugeordnet ist, wobei die Tauchmeß sonde (1) aus einem äußeren und einem inneren Lumen (3, 9) besteht, wobei die semipermeable Trennmem bran (8) zur Überführung der Analyte in einen Akzeptorstrom als Wand zwischen dem inneren Lumen (9) und dem äußeren Lumen (3) von einer Wand be grenzt ist, die zumindest teilweise für eine Probe lösung durchlässig ist und die eine Öffnung (4) für den Einlaß einer Konditionier- und Standardlösung in das äußere Lumen (3) und damit in die Probenlö sung aufweist, und wobei Pumpen für die Veränderung der Durchflußgeschwindigkeit im inneren und äußeren Lumen vorgesehen sind.

2. Tauchmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Trennmembran (8) gaspermeabel ist.

3. Tauchmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Trennmembran für im Membranmaterial lösliche Substanzen permeabel ist.

4. Tauchmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Trennmembran für den Analyten durchlässig und für Substanzen mit einem wesentlich größeren Teilchendurchmesser undurchläs sig ist.

5. Tauchmeßsonde nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Akzeptorstrom ein Durchflußdetektor (13, 15, 17, 18) angeordnet ist.

6. Tauchmeßsonde nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Detektion im flüssigen Akzeptorstrom optische und/oder elektrochemische Signaltransduktoren und/oder Biosensoren mit immobilisierten Biorezeptoren vorgesehen sind.

7. Tauchmeßsonde nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Signaltransduktoren photometrische, fluori metrische, chemiluminometrische oder refraktrometri sche Signaltransduktoren vorgesehen sind.

8. Tauchmeßsonde nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrochemische Signaltransduktoren amperometri sche, potentiometrische, konduktometrische und impedimetrische Signaltransduktoren vorgesehen sind.

9. Tauchmeßsonde nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Biosensoren als immobilisierte Biorezeptoren Enzy me, DNA- oder RNA-Sequenzen, Antikörper oder Lekti ne vorgesehen sind.

10. Tauchmeßsonde nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Detektion in gasförmigen Akzeptorströmen Gassenso ren vorgesehen sind.

11. Tauchmeßsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß Flammenionisationsdetektoren, Wärmeleitfä higkeits-, photoakustische, Infrarotabsorptions- und Chemilumineszenzdetektoren oder Massenspektrome ter vorgesehen sind.