DE2000526A1 - Flammenphotometrisches Verfahren zum Analysieren von Koerperfluessigkeiten - Google Patents

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERG

PATENTANWALT S HANNOVI(I · SCHACKtTRASSt 1 · TELEFON (0S11) 814098 · KABEL PATINTIOH HANNOVER

The Perkin-Elmer Corporation 233/160 '

Plammenphotometrisches Verfahren ;

zum Analysieren von Körperflüssig- ^:

keiten. '

Die Erfindung "betrifft ein flammenphoto- j metrisches Verfahren zum gleichzeitigen Analysieren j von Körperflüesigkeiten hinsichtlich eines ο_β ^ηει1^ΪΘΒ
an Natrium, Kalium und Calzium in einer einzigen Verdünnung· . I

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Die Bestimmung von Natrium und Kalium
hat lan^ Zeit mit zu den am häufigsten notwendigen
Untersuchungen in klinischen labors gehört. Ein drittes
ebenfalls wichtiges Blutmetall, nämlich Calzium, ist
nicht so häufig festgestellt worden, da es wesentlich
schwieriger ist, dieses zu bestimmen. Das. bevorzugte
Verfahren zum Bestimmen von Natrium und Kalium wird
aufgrund der großen Schnelligkeit, der Leichtigkeit
und Genauigkeit mittels eines Flammenphotometers
durchgeführt. In diesem Instrument wird die Probe
nach dem Verdünnen in einer Flamme zur optischen
Emission angeregt und die Intensität dieser Emission
photometrisch als Maß für die Konzentration von Na- ;

trium und Kalium gemessen. Auf der anderen Seite ist

Calziura wesentlich schwerer in einer Flamme anzuregen !

und wird deshalb, da geeignete Flammenphotometer
nicht vorhanden sind, im allgemeinen durch das Clark-Colip-Verfahren, durch Fluorezenz oder durch atomare ; Absorption bestimmt. Keines dieser Verfahren ist so
schnell oder so einfach wie die Flammenphotometrie. :

Auch mit ionenselektiven Elektroden ist dieses Pro- !

blem nicht gelöst worden, da, obgleich die Natriumelektrode relativ schnell ist, die Oalziumelektrode j langsam ist und die Kaliumelektrode keine spezifische i Wirksamkeit besitzt. '

Es sind bis heute verechiedene Flammen- j

photometer entworfen worden, mit .denen gleichzeitig !

Natrium und Kalium mit einer einzigen Verdünnung ge- j messen werden können. Diese Photometer verwenden

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typischerweise Brenner mit niedriger Temperatur, Luftgas und laminarer Flamme, die von Natur aus Abweichungen unterworfen sind, weshalb Lithium, das nicht ein normaler Serumbestandteil ist, als ein bekannter, zugefügter Bestandteil erregt wird, um das Ergebnis trotz der Abweichung zu "standardiesieren". Diese Näherung gestattet nicht, daß

Calzium als dritter zu bestimmender Bestandteil M

vorhanden ist, da die Emission von Calzium bei Serummaßen bei der niedrigen Flammenteraperatur unterhalb einer meßbaren Intensität liegt. Weiterhin würde das Lithium optisch die Calziumbestimmung stören.

Ein Brenner hoher Temperatur, der mit Acetylen oder Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird, kann Calzium erregen. Aufgrund der Gefahr beider Brennstoffe, ist deren Verwendung jedoch an vielen Orten für Krankenhäuser verboten, so daß derartige Brenner im allgemeinen nicht in klinischen Flammenphotometern benutzt werden können. Dies gilt jedoch nicht für M einen Brenner mit hoher Temperatur, wie er in der US-Patentschrift 3 015 983 beschrieben ist. Dieser Brenner wird mit Naturgas oder Stadtgas, Propan oder Butan betrieben, wobei jedoch eine turbulente Verbrennung mit Sauerstoff erfolgt, wodurch eine sehr hohe Temperatur erreicht wird, mit der Calzium in einem geeignet verdünnten Serum in einem solchen Grad erregt werden kann, daß es photometrisch gemessen werden kann* Ein im Handel

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erhältliches Gerät mit diesem Brenner ist das im letzten Jahrzehnt auf diesem Gebiet am meisten verwendete Flammenphotometer gewesen, obgleich damit immer nur eins der Elemente Natrium, Kalium oder Calzium gleichzeitig gemessen werden kann. Diese» Gerät kann auch zur Bestimmung von Natrium und Kalium mit einer einzigen Verdünnung" verwendet werden, dabei muß jedoch während des Verfahrens ein Filter ausgewechsit werden.

Es würde logisch erscheinen, dieses Gerät so umzubilden, daß aus einer einzigen Verdünnung Natrium, Kalium und Calzium bestimmt werden kann. Dieses kann jedoch nicht durch einfaches Vorsehen von drei geeigneten photometrischen Systemen erreicht werden. Die Stromerfordernisse des Gerätes hinsichtlich eines digitalisierten Festkörperschaltkreises und eines digitalen Ausganges machen dieses unstatthaft teuer, wenn die Emission-Konzentration-Verhältnisse nicht liniar sind. Dieses ist jedoch, wie anschließend gezeigt wird, bei diesem Gerät nicht der Fall gewesen.

Bei der Flammenphotometrie besteht das herkömmliche Verfahren darin, daß Serum oder Plasma bis zu einem bestimmten Betrag durch Hinzufügen eines geeigneten Verdünnungsmittels verdünnt wird. Dieses Verdünnungsmittel kann Bestandteile enthalten, durch die das Schwanken der Ablesungen aufgrund der unterschiedlichen Zulieferung der Probe zur Flamme auf ein Minium herabgesetzt wird. Es können ebenfalls Bestand-

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teile zugefügt werden, durch die optische oder chemische Beeinflussungen kompensiert oder herabgesetzt werden, die die Emission-Konzentration-Verhältnisee nachteilig beeinflussen. Je größer der Yerdünnungsfaktor ist, desto geringer let das notwendige Volumen des ursprünglichen Serums. Um so geringer wird aber auch die Emissionsintensität sein, wobei die Forderungen an das photometrische System um so größer sein werden.

Bei den bekannten Systemen ist Natrium im allgemeinen mittels der intensiven gelben Doppellinie bei 589 Nanometern beobachtet worden. Es sind zwar auch andere Natriumlinien beobachtet worden, diese jedoch nur als mögliche spektrale Interferenzen. Alle bisher im Handel erhältlichen Flammenphotometer, die der Anmelderin bekannt sind, benutzen ^%die Wellenlänge von 589 Nanametern für Natrium. Kalium wird allgemein durch die Doppellinie im roten Bereich mit der Wellenlänge von 766/770 Nanometern beobachtet.. Die Beobachtung von Calzium ist problematisch gewesen, da die Liniengruppe im grünen Bereich bei 558/560 Nanometern relativ schwach ist und im Bereich einer hohen Hintergrund-Emission der Flamme liegt. Die Kante der Molekularbande bei 622 Nanometern ist infolgedessen wirksamer, insbesondere wenn Filtergeräte benutzt werden.

Es ist nun überraschend gefunden worden, daß durch die Benutzung einer ungewöhnlichen Kombination von ausgesandten Wellenlängen, die bisher nie

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für Flammenphotometer verwendet wurden, ein Filter-Flamme npho tome t er Natrium, Kalium und Calzium aus einem Serum als direkte, liniare Konzentrationsangaben aus einer einzigen Verdünnung der Probe angibt. Anscheinend hat die Benutzung der intensiven Natrium-Doppellinie bei 589 Nanometer die. Realisierung dieser Möglichkeit bisher ausgeschlossen. Diese Doppellinie ist eine Resonanzlinie, d.h., daß die gleichen Wellenlängen, die ausgesandt werden, auch teilweise in der Flamme absorbiert werden. Die Flamme ist infolgedessen teilweise für die Natrium-Emission, die sie erzeugt, undurchlässig. Als Folge davon ist die Emission keine liniare Funktion der Konzentration, da bei zunehmender Konzentration die Flamme einen immer zunehmenden Prozentsatz der Emission absorbiert. Die Emissionskurve wird infolgedessen bei hoher Konzentrationen immer mehr abgeflacht.

Es ist ebenfalls festgestellt worden, daß eine hohe Flammentemperatur von mehr als 2 500° K notwendig ist, um die erwünschte Emission zu erzeugen. Wenn bei einer niedrigen Temperatur gearbeitet wird, ist die Nichtliniarität aufgrund der Flammenabsorption geringer als bei einer hohen Flajmnentemperatur, die bis zu 10 Teilen pro Million von Natrium unschädlich ist. • Bei der Verwendung von relativ hohen Verdünnungsfaktoren j von 1/100 oder 1/200 konnten Benutzer von Anordnungen mit ! geringer Flammentemperatur die Nichtlinearität bei den Serummessungen mit annehmbarer Ungenauigkeit ignorieren.

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Bei geringer Flamraentemperatur wird jedoch Calzium nicht einem meßbaren Ausmaß erregt.

Wenn eine hohe Flammentemperatur benutzt wird, beginnt die Natrium-Nichtlinearitat bei 2 Teilen pro Million. Da eine 1/25-Verdünnung mit dieser Flamme erforderlich ist, damit ein angemessenes Verhältnis von Galzium-Emission gegenüber dem Flammmenhintergrund sichergestellt ist, würde das Natrium aus dem Serum bei 130 Teilen pro Million liegen, so daß Natrium nicht linear angegeben würde. (Wenn die Verdünnung größer als ein 1/25 ist, fällt die Emissionsintensität von Calzium aufgrund eines hohen Verhältnisses von Störung zu Signal ab auf ein zum Nachweis uneignetes Niveau). Die bevorzugte Verdünnung liegt zwischen l/lO und 1/50. Unterhalb 1/10 ist die Viskosität für eine wirksame Zerstäubung zu hoch. Es ist gefunden, daß beim Verzicht auf die Natriumbeobachtung von Linien bei 589 Nonometern und Benutzung anderer Linien ein ausreichendes Verhältnis eines abgegebenen Signals gegenüber dem Hintergrund sichergestellt und zur gleichen Zeit eine Linearität der Natrium-Emission als Funktion der Konzentration erhalten werden kann. Zwei Linien,die als zufriedenstellend erkannt worden sind, sind die Linie bei 330 Nanometern und die Doppellinie bei 818/819 Nanometern. Die erstere liegt um vier Größenordnungen niedriger als die Doppellinie bei 589 Nanometern. Die letztere liegt zwei Größenordnungen niedriger. Dies erklärt, weshalb diese Linien bisher nicht

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für die erwähnten Zwecke "benutzt worden sind. Traditionsgemäß ist in der Flammenphotometrie bisher die am meisten empfindliche Wellenlänge, d.h. die Wellenlänge be-.jutzt worden, deren Verhältnis von Emission gegenüber dem Hintergrund am größten ist. Durch Brechen mit dieser 2radition sind völlig unerwartet eine angemessene Empfindlichkeit, eine wesentlich verbesserte Linearität und mehrere andere Vorteile wie auch die bereits erwähnte, bisher nicht realisierte Möglichkeit, nur eine Verdünnung zu verwenden, erhalten worden.

In einem speziellen Beispiel sind acht Mikroliter einer Blutserumprobe mit 200 Mikrolitern destilliertem HpO verdünnt worden, das ein wenig Netzmittel enthielt. Die verdünnte Probe wurde in einer Naturgasflamme (eines in der US-Patentschrift 3 015 983 beschriebenen Brenners) mit einer Temperatur von 2 800 ° K mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 2 Millilitern pro Minute eingebracht. Ea wurden drei zur Vermeidung von optischen Interferenzen von den anderen beiden Metallen mit geeigneten Sperrfiltern versehene Interferenzfilter ausgewählt, die die Natriumlinien bei 818/ 819 Nanometern,die Kaliumlinien bei 766/770 Nanometern und die Calziumbande bei 662 Nanometern durchließen. Diese Wellenlängen ergeben eine angemessene Empfindlichkeit für Serum-oder Plasmamessungen. Die Photosensoren hattaiS-1-, S-IO- und S-4-Oberflachen für Natrium, Kalium und Oalzium. Diese Oberflächenangaben beziehen sich auf das spektrale Ansprechen der Photoeensoren und sind in der einschlägigen Technik bekannt, wobei S-I die Empfindlichkeit für Rot_fS-10 die

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Empfindlichkeit für Wellenlängen jenseits Blau und
S-4 die Empfindlichkeit für Blau angeben. Das Ansprechen gegenüber dem Flammenhintergrund war geeignet
für die Anzeige der Metalle, wobei die Emission als !

Punktion der Metallkonzentration linear war. Der Aus- I gang der Fotozellen wurde auf einem digitalen Volt- ,

meter gemessen, das so geeicht war, daß direkt die
Teile pro Million des gewünschten Metalles abgelesen I werden konnten.

Die Photosensoren für Kalium können auch eine
S-10-Oberflache und für Calzium auch eine S-IO- oder S-4-Oberflache haben.

Die Auswahl der niedrigsten der drei Linien
für Natrium, was gegenüber dem bekannten Stand der Technik
unüblich ist, liefert für Natrium ein unerwartet hohes
Verhältnis des Ansprechens auf Natrium gegenüber dem
Hintergrund, da diese Linie in dem Bereich auftritt, ■

in dem der Hintergrund der hochtemperaturigen Sauerstoff -Gas-Flamme gering ist. Es ist festgestellt worden, daß dieser Hintergrund unterhalb 600 Nanometern ; bis 300 Nanometer sehr hooh ist. Er fällt überhalb 600 ! Nanometern auf eine niedrigen Wert ab und behält diesen j niedrigen Wert von ungefähr 610 Nanometern bis über ί 850 Nanometer hinaus bei, wonach er wieder zu steigen
beginnt. Auf diese Weise sind alle drei erwähnten Wellen- ! längen in dem einzigen von der Flamme erzeugten niedrigen : Hintergrund angeordnet, der für normale Photozellen und ;

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Glasoptiken erhalten werden kann. Hierdurch wird nicht nur die Genauigkeit und die Stabilität des Ansprechens des Gerätes verbessert, sondern es werden auch die Gerätekosten .beträchtlich reduziert, da besondere Maßnahmen zum Reduzieren des Fluktationsprozesses im Flammenhintergrund nicht notwendig sind und keine Quarzoptiken und Photozellen mit speziellem Hartglas notwendig sind.

Ein wetterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Linearität des Eichungsverhältnisses (Emission/Konzentration) bei der Natrium-Doppellinie 818/819 Nanometer besser ist als das vorher bei 589 Nanometern gefundene Verhältnis, selbst wenn Geräte mit niedriger Flammentemperatur benutzt werden, mit denen Calzium nicht gemessen werden kann. Es sind Eichkurven von 0 bis 130 Teile pro Million aufgestellt worden, die normales, auf 1/25 verdünntes Serum-Natrium an geben mit einem Linearitätsverlust von weniger als Ifi. Im Vergleich zu Messungen bei 589 Nanometer kann dieses Linearitätsausmaß nicht überhalb 10 Teilen pro Million erhalten werden. Infolgedessen ergibt sich für Natrium mit dem erfindungsgemäßen Photometer eine Linearität, die mit der vergleichbar ist, die vorher nur für Kalium und Calzium erreicht werden konnte. Diese Linearität ermöglicht Festkörperschaltkreise in digitaler oder anloger Form bei minimalen Schaltkreiskosten. Sie vereinfacht weiterhin alle Querverbindungen, die vorgesehen sein können zur Korrektion von Beeinträchtigungen der Elemente untereinander wie . die Unterstützung von Kalium durch Natrium und die optische Be-

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, ORIGINAL INSPECTED

einträchtigung zwischen Natrium und Calzium.

-Patentansprüche-

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Claims (5)

1. Patentansprüche :

   Flammenphotometrisch.es Verfahren zum gleichzeitigen Analysieren von KörperflüsBigkeiten hinsichtlich eines Gehaltes an Natrium, Kalium und Calzium in einer einzigen Verdünnung, gekennzeichnet durch

   a) Verdünnen der Flüssigkeit,

   b) Einbringen der verdünnten Flüssigkeit in eine Gasflamme mit einer Temperatur von mehr als 2500° K, damit von der Flamme Spektrallinien einschließlich derer, die für die drei Metalle in der Flüssigkeit charakteristisch sind, ausgesardfc werden,

   c) Isolieren von vorher festgesetzten, für Natrium, Kalium und Calzium charakteristischen W_ellenlängen von den ausgesandten Spektren, wobei diese Wellenlängen eine lineare Beziehung zwischen der Emissionsintensität und der Metallkonzentration liefern und die Intensität der Wellenlängen, die den Metallen zugeordnet sind,im Vergleich zu der Intensität des Flammenhintergrundes groß ist, und

   d) photometrisches Abtasten der W_ellenlängen, um eine Ablesung zu erhalten, die die Menge jedes der drei Metalle in der Flüssigkeit anzeigt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorher festgesetzte Wellenlänge für Natrium die Doppellinie bei 589 Nanometer ausschließt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorher festgesetzten, in Nanometern angegebenen Wellenlängen die folgenden sind: Natrium 330 oder 818/819, Kalium 766/770 und Calzium 622.

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4. 4. Terfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Blutserum ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Ms zu einer Konzentration von
   1/10 bis 1/50 verdünnt wird.

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