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Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des Gaswechsels kleiner biologischer
Objekte Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des
Gaswechsels kleiner biologischer Objekte, welche bei einfachem Aufbau gestattet,
den Gaswechsel kleiner und mittelgroßer vorwiegend biologischer Objekte bei großer
Empfindlichkeitsvariation, hoher Nullpunktkonstanz und hoher Stabilität der Meßbedingungen
bei nur sehr geringer zeitlicher Verzögerung, kontinuierlich zu registrieren.
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Es ist bekannt, die O2-Aufnahme oder CO2-Abgabe dadurch zu ermitteln,
daß die Exspirationsluft eines gaswechselnden Organismus über eine volumetrische
Meßanordnung mengenmäßig eF faßt und ihre prozentuale Gaszusammensetzung kontinuierlich
mittels sogenannter physikalischer Gasanalysatoren (Wä leitfähigkeit, CO2-Absorption,
Paramagnetismus bzw. Massenspektrometrie) analysiert wird.
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In einer weiteren bekannten Anordnung ist der gaswechselnde Organismus
Teil eines geschlosnenen Systems. Absorbiert man die anfallende CO2 an Atemkalk
oder K OH und hält man den Druck und die Temperatur konstant, verringert sich in
einom registrierenden Volumeter das Volumen gemäß der O2-Amfnahme des Organismus.
Die an KOH oder Atemkalk gebundene CO2 wird nach Versuchsende durch oine stärtere
Säur @usgetrieben und im gleichen Volumeter zur Anzoige bzw. Regintrierung gebraoht
In einer anderen bokanntea Amordnung ist der Organsmus Toil oino@ geschlessenen
Syntems, in dem das Volumen und dio Temporatur tonstant gehalen werden. Da die anfallende
CO2 gebunden wird. ist der sich in der Zeit oinstellonde Druehabfall proportiomal
dor O2-Aufnahme. Er wird über @in Masometer
erfaßt. Die gebundene
C02 wird nach Versuchsende duroh stärkere Säuren ausgetrieben und durch den Druckanstieg
gemessen.
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In einer weiteren bekannten Anordnung verursacht der Gasstoffwechsel
eines Organismus in der Flüssigkeit einer kleinen, mit gasdurchlässiger Membrane
gedeckten Meßkammer oder im flüssigon Medium des Reakionsortes Änderungen des Sauerstoff-Partialdruckes,
der den zwischen zwei Elektroden fließenden Polarisationestrom bei einer angelegten
Polarisationsspannung proportional ändert, welcher mit empfindlichen Galvanometern
nachgewiesen wird.
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Der entscheidende Nachteil der ersten Anordnung besteht darin, daß
zur kontinuierlichen Erfassung des Gasstoffwechsels lebender Organismen neben dem
eigentlichen physikalischen Analyeator auch volumenmeesende oder -registrierende
Instrumente notwenig sind. Dadurch erhält die zusammengesetzte Meßkette von Volumeter
und Analysato so große Totraumvolumina, daß selbst die extrem hohen @@@@@@@@@@@@@@un
d@r Mansenspektrometrie und der CO2 Infrar@@@@@@@@@@@@t@@@@@@@h @@usreic@en, die
durch den Gas-@t@ffwechse@@k@@@@@@@@@@@@@@veranlaßten geringen Gasmisohungsver@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@.
Ferner verhindert der große Totraum die E@@as@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ Stoffwechselschwankungen
beträchtlich, da @ie @asaneile auf dem Wege num Analysator durch Diffusion und Srimung
ver@@@ @t werden.
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Die woiteren beiden Anordaungen sind die beute übliohen Verfahren
zur Brfss@ung des Gaswechsele kleiner biclogischer Objekte, weil sie durch gesignete
Dimensionierung eine Anpasung an die Objektg@öße und sai@@@@ Sttoffwechseis erlauben.
D@ der Stoffwechsel diesen Anord@@@@en nur @@nseitig gerichtets Druck oder Volumenbowegunges
@@ @@@lt, let @@ne dynaminche Vorfolgung eines Vorgangs bei hoher @@@indl@@chteit
durch die entapreche@-de Meßber@lche@@nangung @@@@@@@b sehr be@renz@ bei geringer
Engflnd@@@ke@@@@au@@@@@@@@@ de@ om@findlicheren @anometrischen @@@@@@@@@n Ü@@@@@@@@@@och
mi@ der Ande@ung der Geszusamme@setzung@@@@@ @@@@@@@agefre@.
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Die letztbeschriebene Anordnung ist nicht ohne Rückwirkung auf das
Meßobekt, weil die Änderung der Gaszusammensetzung (z.B.
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02-Verarmung) der eigentliche Meßwert ist. Außerdem ist der Meßvorgang
selbst mit 02-Yerbrauch verbunden. Ferner ist durch größere Nullpunktschwankungen
eine ständige Eichung nötig.
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Es ist Zweck der Erfindung, bei Messung nur einer Gaskomponente den
Gasstoffwechsel kleiner Organismen oder vorzugsweise biochemische Reaktionen mit
Gasbeteiligung in der Größenordnung von 1 # 10-3 /ul/Minute bis etwa zu 4 - 5 ml/Minute
bei hoher Stabilität der Gaszusammensetzung kontinuierlich und zettgetreu, oder
bei besonderer Anordnung die Messung mehrerer Gaskomponenten zur kompletten Erfassung
des Gaswechsels kleiner Organismen zu registrieren.
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Der Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
welobe noch bei geringstem Totraum- und Reaktionsvolumen anwendbar, unmlttelbar
und hochempfindlich die Resktionsgeschwind@@keit für Resktionen mit Gasbeteiligung
zu erfassen gestattet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein geeignests
thermostatiertes und sohüttelberes Reaktionsgefäß, welches über eine flexible, inkompressible,
eng dimensionierte, gegen Temperaturschwankungen geschützte und die Zu- und Abdiffusion
von Gasen verhindernde Leitung, über eine geeignete Drosselvorrichtung und ebensolcher
Leitung mit einem als thermostatiertes Kompensationsgefäß wirkendes Vorratsgefäß
für den gasförmigen Reakttionspartner verbunden ist. Zu beiden Seiten der Drosselorrichttung,
vorzugsweise als verstellbares Nadeldosierventil oder als bistabile gandurchlässige
Membrane mit veründerllcher Diffusionsfläche und bekanntem Diffunionskoeffizienen
au@gebildet, liegt ein flüesigkeitagefüllten Differonzdruckmanometer, eine Lichtquelle
einschließand, joden Manometerechenkel eine CdS-Meß- und Komponsationsz@lle zugoodnot.
Die Meß- und Kompensationnzellen sind in zwel Meßbrücken mit soparaten Stromquellen
angeordnet, von
denen die eine Brücke einen verstellbaren proportionalen,
die andere Brücke einen in seiner Zeitkonstanten verstellbaren differenzierten Ausgang
besitzt. Beide Ausgänge sind über ein und dieselbe Meß- oder Registrieranordnung
miteinander verbunden, so daß die proportionale, jedoch durch das Systemvolumen
gedämpfte Anzeige des Differenzdruckes mit der entsprechenden Differenzierkonstante
zum Momentanverhalten ergänzt wird.
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In besonderer Anordnung lassen sich auch mehrere Gase gleichzeitig
dynamisch verfolgen, wenn mehrere dynamische Meßzellen in Reihe mit einem Reaktionsgefäß
und einem oder mehreren Absorptionsgefäßen geschaltet sind, wobei jeweils ein Reaktions-oder
Absorptionsgefäß von Meßzellen flankiert wird und durch diese Meßkette mittels Pump-
oder Saugvorrichtung ein Luftstrom gezogen wird. Während sich im Reaktionsgefäß
ein gasstoffwechselnder Organismus befindet, der aus der vorbeiströmenden Luft O2
aufnimmt, dafür C02 abgibt, wird CO2 im folgenden Absorptionsgefäß aus dem Luftstrom
an KOH oder Atemkalk gebunden.
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Zur größeren Meßgenauigkeit dieser Anordnung wird die Pumpleistung
fortlaufend über eine separate Meßzelle gemessen, deren Brückenausgang zur automatischen
Kompensation derjenigen Luft, die am Gasaustausch nicht teilnahm, Basis der Registrierung
der anderen Gasanteile ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des
Gaswechsels kleiner biologischer Objekte ermöglicht die praktisch zeitgetr Verfolgung
vorzüglich biologischer Reaktionen mit Gasbeteiligung mit Mikro und Ultramikrobereich.
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Außerdem gestattet sie in einer modifizierten Anordnung erstmalig,
mehrere Gaskomponenten, wie z.B. die 02-Aufnahme und C02-Abgabe kleiner biologischer
Objekte, bei gleicher Meßempfindlichkeit im Mikrobereich dynamisch zu erfassen.
Die fotoelektrische Manomeerabtastung ist Is t so empfindlich, daß ein totaler Meßbereich
von 1 mm WS ausreicht, so daß die Meßbedingungen hineichtlich Ganzunammense tzung
und Volumen im Reaktionsgefäß
praktisch konstant und die Beziehung
von Differenzdruck und Stromzeitvolumen an der Drosselvorrichtung linearproportional
sind. Durch Drosselverstellung und elektrische Variation der Brückenspeisespannung
bzw. des Shuntwiderstandes am Meßgerät ist eine große Anpassungsfähigkeit an praktisch
beliebig verschiedene Gasstoffwechaelgrößen möglich, wodurch eine breite Anwendbarkeit
resultiert. Das Fehlen jeglicher sich bewegender Teile bei der Meßwerterfassung
macht die Anordnung störungsarm und betriebssicher.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden.
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Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine dynamische Gasmeßanordnung zur
verzögerungsfreien Erfassung einer Gaskomponente einer mit Gasbeteiligung ablaufenden
Reaktion.
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Ein thermostatiertes Reaktionsgefäß 1 ist an einer Schüttelvorrichtung
2 befestigt und über eine flexible, inkompressible, kleinkalibrige, wämeisolierte
und diffusionshindernde Leitung 3 durch gasdichten Metallkonus 4 mit einer dynamischen
Meßanordnung verbunden, die eine Gasdrosselvorrichtung 5, eine Shuntleitung 6 mit
Absperrventil 15 und ein flüssigkeisgefülltes Differenzdruckmanometer 7 enthält.
Die Gasdrosseltorrichtung 5 ist zweckmäßigerweise eine verstellbare Nade ldosiervorrichtung
oder eine bistabile gasdurchlässige Membrane mit verstellbarer Diffusionsfläche.
Zwischen beiden Manometerschenkeln befindet sich eine Lichtquelle 8, ihr zugeordnet
Blenden 9 eowie Meß-und Kompensationswiderstände 10 (CdS-rotowiderstande), die in
separat versorgten Meßbrücken mit proportionalem Ausgang 11 und Differentialausgang
12 liegen. Beide Brückenausgänge beeinflussen das Meß- und Registrierinsttrument
13. Die Kompensations- d Meßfotowiderstände 10 sind justierbar. Diese Anordnung
enthält ferner eine Eichvorrichtung 14, die durch definiertes neigen bei geöffneter
Shuntleiun 6 in der Meßebene eine Meniskusdifferenz bewirkt, so daß bei gegebener
elektrischer Brückenspeisespannung
und lle ßins trumentenempf ind
1 ichkei t ein entsprechender Zeigerausschlag im Registrierinstrument 13 folgt.
Der Eichfaktor der Drosselvorrichtung bezieht sich auf diese Meniskusdifferenz.