DE2041253C3 - Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des Gaswechsels kleiner biologischer Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des Gaswechsels kleiner biologischer Objekte. Diese Anordnung soll bei einfachem Aufbau gestatten, den Gaswechsel kleiner biologischer Objekte bei großer Empfindlichkeitsvariation, hoher Nullpunktkonstanz und hoher Stabilität der Meßbedingungen bei nur sehr geringer zeitlicher Verzögerung kontinuierlich zu registrieren.

Es ist bekannt, die O2-Aufnahme oder CXVAbgabe dadurch zu ermitteln, daß die Exspirationsluft eines gaswechselnden Organismus über eine volumetrische Meßanordnung mengenmäßig erfaßt und ihre prozentuale Gaszusammensetzung kontinuierlich mittels sogenannter physikalischer Gasanalysatoren (Wärmeleitfähigkeit, CO₂-Absorption, Paramagnetismus bzw. Massenspektrometrie) analysiert wird.

In einer weiteren bekannten Anordnung ist der gaswechselnde Organismus Teil eines geschlossenen Systems. Absorbiert man die anfallende CO2 an Atemkalk oder KOH und hält man den Druck und die Temperatur konstant, verringert sich in einem registrierenden Volumeter das Volumen gemäß der O2-Aufnahme des Organismus. Die an KOH oder Atemkalk gebundene CO2 wird nach Versuchsende durch eine stärkere Säure ausgetrieben und im gleichen Volumeter zur Anzeige bzw. Registrierung gebracht.

In einer anderen bekannten Anordnung ist der Organismus Teil eines geschlossenen Systems, in dem das Volumen und die Temperatur konstant gehalten werden. Da die anfallende CO2 gebunden wird, ist der sich in der Zeit einstellende Druckabfall proportional der 02-Aufnahme. Er wird über ein Manometer erfaßt. Die gebundene CO₂ wird nach Versuchsende durch stärkere Säure ausgetrieben und durch den Druckanstieg; eemessen.

In einer weiteren bekannten Anordnung verursacht der Gasstoffwechsel eines Organismus in der Flüssigkeit einer kleinen, mit gasdurchlässiger Membrane gedeckten Meßkammer oder im flüssigen Medium des Reaktionsortes Änderungen des Sauerstoff-Partialdrukkes, der den zwischen zwei Elektroden fließenden Polarisationsstrom bei einer angelegten Polarisationsspannung proportional ändert, welcher mit empfindlichen Galvanometern nachgewiesen wird.

Der entscheidende Nachteil der ersten Anordnung besteht darin, daß zur kontinuierlichen Erfassung des Gasstoffwechsels lebender Organismen neben dem eigentlichen physikalischen Analysator auch volumenmessende oder -registrierende Instrumente notwendig sind. Dadurch erhält die zusammengesetzte Meßkette von Volumeter und Analysator so große Totraumvolumina, daß selbst die extreic hohen Empfindlichkeiten der Massenspektrometrie und der CX^-Infrarotabsorption nicht ausreichen, die durch den Gasstoffwechsel kleiner Objekte veranlaßten geringen Gasmischungsveränderungen zu registrieren. Ferner verhindert der große Totraum die Erfassung schneller Stoffwechselschwankungen beträchtlich, da die Gasanteile auf dem Wege zum Analysator durch Diffusion und Strömung vermischt werden.

Die weiteren beiden Anordnungen sind die heute üblichen Verfahren zur Erfassung des Gaswechsels kleiner biologischer Objekte, weil sie durch geeignete Dimensionierung eine Anpassung an die Objektgröße und seines Stoffwechsels erlauben. Da der Stoffwechsel diesen Anordnungen nur einseitig gerichtete Druckoder Volumenbewegungen erteilt, ist eine dynamische Verfolgung eines Vorgangs bei hoher Empfindlichkeit durch die entsprechende Meßbereichseinengung zeitlieh sehr begrenzt, bei geringer Empfindlichkeit kaum möglich, bei den empfindlicheren manometrischen

Verfahren überdies noch mit der Änderung der Gaszusammensetzung nicht rückwirkungsfrei.

Die letztbeschriebene Anordnung ist nicht ohne

ίο Rückwirkung auf das Meßobjekt, weil die Änderung der Gaszusammensetzung (z. B. O2-Verarmung) der eigentliche Meßwert ist. Außerdem ist der Meßvorgang selbst mit O2-Verbrauch verbunden. Ferner ist durch größere Nullpunktschwankungen eine ständige Eichung nötig.

Es ist Zweck der Erfindung, bei Messung nur einer Gaskomponente den Gasstoffwechsel kleiner biologischer Objekte mit Gasbeteiligung in der Größenordnung von 1 ■ ΙΟ-'μΙ/ΜϊηΜε bis etwa 4—5 ml/Minute bei hoher Stabilität der Gaszusammensetzung kontinuierlich und zeitgetreu oder bei besonderer Anordnung die Messung mehrerer Gaskomponenten zur kompletten Erfassung des Gaswechsels kleiner Organismen zu registrieren.
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche, noch bei geringstem Totraum- und Reaktionsvolumen anwendbar, unmittelbar und hochempfindlich die Reaktionsgeschwindigkeit für Reaktionen mit Gasbeteiligung zu erfassen gestattet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der eingangs genannten Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

Es lassen sich selbstverständlich 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 gasstoffwechselndes kleines biologisches Objekt 3-efindet, das aus der vorbeiströmenden Luft O2 aufnimmt, dafür CO₂ abgibt, wird CO2 im folgenden Absorptionsgefäß aus dem Luftstrom an KOH oder Atemkalk gebunden.

Zur größeren Meßgenauigkeit dieser Anordnung wird die Pumpleistung fortlaufend über eine separate Meßzelle gemessen, deren Ausgang zur automatischen Kompensation derjenigen Luft, die am Gasaustausch nicht teilnahm., Basis der Registrierung der anderen Gasanteile ist

Die erfindungsgemäße Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des Gaswechsels kleiner biologischer Objekte ermöglicht also die praktisch zeitgetreue "Verfolgung entsprechender Reaktionen mit Gasbeteiligung im Mikro- und Ultramikrobereich.

Außerdem gestattet sie selbstverständlich auch mehrere Gaskomponenten, wie z. B. die O2-Aufnahme und COj-Abgabe kleiner biologischer Objekte, bei gleicher Meßempfindlichkeit im Mikrobereich dynamisch zu erfassen. Die fotoelektrische Manometerabtastung ist so empfindlich, daß ein totaler Meßbereich von 1 mm WS ausreicht, so daß die Meßbedingungen hinsichtlich Gaszusammensetzung und Volumen im Reaktionsgefäß praktisch konstant und die Beziehung von Differenzdruck und Stromzeitvolumen an der Gasdrosselvorrichtung linearproportional sind. Durch die Gasdrosselverstellung und elektrische Variation der Brückenspeisespannung bzw. des Shuntwiderstandes am Meßgerät ist eine großs Anpassungsfähigkeit an praktisch beliebig verschiedene Gasstoffwechselgrößen möglich, wodurch eine breite Anwendbarkeit resultiert. Das Fehlen jeglicher sich bewegender Teile bei der Meßwerterfassung macht die Anordnung störungsarm und betriebssicher.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Anordnung zur \erzögerungsfreien Erfassung einer Gaskomponente.

Ein therniostatisiertes Reaktionsgefäß 1 ist an einer Schütteleinrichtung 2 befestigt und über eine flexible, inkompressible, kleinkalibrige, wätmeisolierte und gasdiffusionshindernde Leitung 3 durch einen gasdichten Metallkonus 4 mit einer dynamischen Meßanordnung verbunden, die eine Gasdrosselvorrichtung 5, eine Shuntleitung 6 mit Absperrventil 15 und ein flüssigkeitsgefülltes Differenzdruckmanometer 7 enthält Die Gasdrosselvorrichtung 5 ist zweckmäßigerweise eine verstellbare Nadeldosiervorrichtung oder eine bistabile gasdurchlässige Membrane mit verstellbarer Diffusionsfläche. Zwischen beiden Manometerschenkeln befindet sich eine Lichtquelle 8, ihr zugeordnet Blenden 9 sowie CdS-Meß- und ICompensationsfotowiderstände 10, die in separat versorgten Meßbrücken mit proportionalem und differenziertem Ausgang 11 und 12 liegen.

Beide Ausgänge 11 und 12 beeinflussen die Meß- und Registrieranordnung 13. Die CdS-Meß- und Kompensationsfotowiderstände 10 sind justierbar. Disse Anordnung enthält ferner eine Eichvorrichtung 14, die durch definiertes Neigen bei geöffneter Shuntleitung 6 in der Meßebene eine Meniskusdifferenz bewirkt, so daß bei gegebener elektrischer Brückenspeisespannung und Meßinstrumentenempfindlichkeit ein entsprechender Zeigerausschlag in der Meß- und Registrieranordnung 13 folgt

Der Eichfaktor der Gasdrosselvorrichtung 5 bezieht sich auf diese Meniskusdifferenz.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung des Gaswechsels kleiner biologischer Objekte, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermostatisiertes und mit einer Scholleinrichtung (2) versehenes Reaktionsgefäß (1) durch einen gasdichten Metallkonus (4) über eine flexible, inkompressible, eng dimensionierte, gegen Temperaturschwankungen geschützte und die Zu- und Abdiffusion von Gasen verhindernde Leitung (3) über eine Gasdrosselvorrichtung (5) und ebensolcher Leitung mit einem als thermostatisiertes Kompensationsgefäß wirkendes Vorratsgefäß für den gasförmigen Reaktionspartner verbunden ist, zu beiden Seiten der Gasdrosselvorrichtung (5) ein eine Lichtquelle (8) mit zugeordneter Blende (9) einschließendes flüsstgkeitsgefülltes Differenzdruckmanorreter (7) vorgesehen, jedem Manometerschenkel ein CdS-Meß- und Kompensationsfotowiderstand (10) zugeordnet ist, die CdS-Meß- und Kompensationsfotowiderstände (10) in zwei Meßbrücken mit separaten Stromquellen angeordnet sind, von denen die eine Brücke einen verstellbaren proportionalen, die andere Brücke einen in seiner Zeitkonstanten verstellbaren differenzierten Ausgang (ti; 12) besitzt und beide Ausgänge über ein und dieselbe Meß- und Registrieranordnung (13) miteinander verbunden sind.