DE2211032B2

DE2211032B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Partialdrucke oder Konzentrationen von in einer Flüssigkeit, insbesondere im Blut, gelösten Gasen

Info

Publication number: DE2211032B2
Application number: DE2211032A
Authority: DE
Inventors: Klaus D. Dipl.-Phys. Dr. 3052 Bad Nenndorf Schuy
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Varian Mat GmbH
Priority date: 1972-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1974-10-03
Also published as: DE2211032C3; US3920396A; DE2211032A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partialdrucke oder Konzentrationen von in einer Flüssigkeit, insbesondere im Blut, gelösten Gasen, unter Anwendung eines kombinierten Spül- und Extraktionsverfahrens, bei dem in einem Spülvorgang das zunächst im Extraktionssystem noch vorhandene Gas durch ein Extraktionsgas ausgespült und ersetzt, sodann eine Probe der Flüssigkeit in eine Extraktionskammer des Extraktionssystems eingebracht und schließlich das im Gasraum des Extraktionssystems durch Extraktion der gelösten Gase aus der Flüssigkeit in diesem Gasraum sich ergebende Gasgemisch einer Analyse unterworfen wird.

Auf manchen Gebieten von Forschung und Praxis ist die Kenntnis der Konzentration (Gehalte) von in Flüssigkeiten physikalisch oder chemisch gelösten Gasen von wesentlicher Bedeutung, .beispielsweise auf medizinischem Gebiet zur Erlangung exakter diagnostischer Informationen aus der Untersuchung von Blut, Urin oder Liquor, oder auf verschiedenen verwandten Gebieten, wie dem der Hygiene oder der Umweltverschmutzung durch Messung oder Kontrolle von schädlichen oder nützlichen Komponenten in Wasser oder anderen Flüssigkeiten.

Bei dem bekannten Verfahren der eingangs bezeichneten Art — mit Gleichgewichtsherstellung und Einführung des Extraktionsgases durch einen vorhergehenden Spülvorgang sowie Analyse an dem im geschlossenen System befindlichen Gasgemisch — wird zunächst die Probenflüssigkeit in das Extraktionssystem eingebracht, danach eine abgemessene Menge Extraktionsgas zum Zwecke der Spülung des Übernahmesystems unter mehrfacher Verwerfung in das Extraktionsgefäß geführt, das Gleichgewicht durch Schütteln und Umkehren des Extraktionsgefäßes herbeigeführt, das System mit dem Analysator verbunden, sodann wieder geschlossen und das zur Analyse überführte Gasvolumen gemessen. Dieses Verfahren ist nicht nur zeitraubend, es ist auch ungenau, insbesondere weil bei der Überführung des zu analysierenden Gasgemischs Gleichgewichtsstörungen auftreten; ferner besteht der Nachteil, daß das Verfahren wegen der jedesmaligen individuellen Volumenbestimmung keiner Wiederholung der Messung an derselben Probe zugänglich ist.

Wegen all dieser Nachteile hatte man dieses bekannte Verfahren mit Gleichgewichtsherstellung auf-

gegeben und im Durohflußverfahren gearbeitet. Dabei werden die in der eingebrachten Flüssigkeitsprobe gelösten Gase vollständig in das Trägergas extrahiert, das kontinuierlich durch die Extraktionsfcammer roit der Probe bindurchfüeßt, zur Analyse von einer Sonde abgeschnüflelt und sodann verworfen wird und dabei entweder über die Flüssigkeitsprobe hinweggeleitet (P. Lotz in »Kolloguium über Respirations-Massenspektrometne« vom 18. bis 20. September 1969, Bonn, Schattauer-Verlag, Stuttgart, Seite 85 bis 93) oder unter Benutzung einer die Ftüssigkeitsprobe tragenden Fritte durch die Flüssigkeitsprobe hindurcbgeleitet wird (G. ν ο η N i e d i η g jn der oben zitierten Veröffentlichung, Seite 85 bis 93). In diesen bekannten Vorrichtungen, in denen als Gasanalysator ein Massenspektrometer verwendet wird, erscheinen am Massenspektrometerausgang bei den den nachzuweisenden Gasen entsprechenden Massenspektrometereinstellungen mehr oder weniger breite Konzentrationspeaks. Um die dadurch qualitativ erfaßten Gase auch quantitativ bezüglich ihrer Konzentrationen zu bestimmen, ist es e -forderlich, die durch fortlaufende Analyse entstehenden Konzentrationskurven manuell oder elektronisch zu integrieren. Dieses Meßverfahren hat den Nachteil, daß mit der bisweilen über längere Zeitintervalle erforderlichen Integration des Signals eine erhebliche Genauigkeitseinbuße verbunden ist. Bei diesem Verfahren wäre zur Erreichung einer Meßgenauigkeit, wie sie durch das unten beschriebene erfindungsgemäße Verfahren gegeben ist, eine wesentliche höhere Nachweisempfindlichkeit des Meßsystems erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben bezeichneten Art zu schaffen, das bei hoher Nachweisempfindlichkeit und hoher Meßgenauigkeit selbstintegrierend arbeitet.

Bei der Lösung der genannten Aufgabe geht die Erfindung von dem Gedanken aus, daß die Extraktion der gelösten Gase nicht unter fortlaufender Verwerfung, sondern wie bei dem althergebrachten Verfahren mit Gleichgewichtsherstellung unter Ansammlung der während des Extraktionsvorgangs nach und nach aus der Flüssigkeitsprobe extrahierten Gase erfolgen müßte.

Ausgehend von dieser Überlegung wird erfindungsgemäß das Extraktionssystem nach Beendigung des Spülvorgangs geschlossen, nach Einbringen der Flüssigkeitcprobe in das so geschlossene Extraktionssystem das Gleichgewicht zwischen allen in der Flüssigkeitsprobe gelösten Gasen und den Gasen im Gasraum des geschlossenen Extraktionssystems unter Umwälzung des Trägergases durch die in der Extraktionskammer sich befindende Probe hergestellt, und die Analyse des sich hierbei ergebenden Gasgemischs bei noch geschlossenem System durchgeführt. Der am Ende dss Extraktionsvorgangs erreichte Gleichgewichtszustand erlaubt nicht nur die Bestimmung der Partialdrucke, sondern bei entsprechender Eichung auch die Messung der Konzentrationen (Gehalte) der in der Flüssigkeitsprobe gelösten Gaskomponenten. Pa während der Messung effektiv keine Gasverluste auftreten, lassen sich hohe Nachweisempfindlichkeiten realisieren.

Das neue Verfahren bietet auch die vorteilhafte Möglichkeit, eine Eichung auf einfache und zuverlässige Weise durchzuführen, indem zur Eichung das Extraktionssystem mit der in ihm befindlichen Flüssigkeitsprobe nach Beendigung der Analyse des interessierenden Gasgemischs (Hauptanalyse) erneut mit Extraktionsgas gespült und danach das Extraktionssystem wieder geschlossen wird, sodann ein be-

kanntes Volumen einer Eichgasmischung der interessierenden, durch die Analyse zu bestimmenden Gase in genau bekanntem Konzentrationsverhältnis in das geschlossene Extraktionssystem eingebracht, und anschließend wie bei der Hauptanalyse verfahren wird, wonach das Analysenergebnis zur Kalibrierung des Hauptanalysenergebnisses benutzt wird. Beim Verfahren nach der Erfindung besteht der Vorteil, daß der Gasstrom bei der Extraktion nicht konstant gebalten werden muß, wie das bei den

is bekannten, nicht selbstintegrierenden Verfahren der Fall ist; das neue Verfahren zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, insbesondere, da es nicht erforderlich ist, den Löslichkehskoeffraenten des betreffenden Gases in der Flüssigkeit zu kennen, d<\ bei der Gewinnung der Meßwerte und der Eichwerte dieselbe Flüssigkeit vorliegt und .-eren Volumenverlust durch Verdampfung bei der vollständigen Extraktion bzw. Spülung vor Einbringen der Eicheasmischung weniger als 0,5 ⁰Zo des Flüssigkeitsvolumen!, beträgt und vernachlässigbar ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung sei nunmehr sn Hand der Zeichnung weiter erläutert.

Diese zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Bestimmung von in Blut gelösten Gasen, die im wesentlichen aus einem kombinierten Spüi- und Extraktionssystem 1,2 mit Extraktionskammer 3,

einem Analysensystem 4 sowie Einrichtungen 5, 6, 7 zum Einführen der Flüssigkeitsprobe, einer Hilfsflüssigkeit und zum Wiederabsaugen der untersuchten Flüssigkeitsprobe besteht.

Das Extraktionssystem 2 ist in einem auf konstanter Temperatur zu haltenden Temperiergefäß 8 untergebracht.

Die Extraktionskammer 3 wird von einem mehrteiligen kleinen, hermetisch abgedichteten kreiszylindrischen Gefäß gebildet, das sich schnell und

leicht zusammensef7fn und auseinandernehmen läßt. Ein mittlerer Teil in Form einer Glasröhre 9 von z. B. 15 mm Innendurchmesser ist fest zwischen ein Gefäßunterteil 10 mit Boden 11 und ein Gefäßoberteil 12 mit Deckel 13 aus rostfreiem Stahl einklemm-

bar.

In das Gefäßunterteil 10 ist dicht abschließend eine kreisplattenförmige Glasfritte 14 eingesetzt, die für Gase durchlässig, für Flüssigkeiten dagegen weitgehend undurchlässig ist.

Am Boden 11 und Gefäßoberteil 12 ist die Extraktionskammer mit Anschlußleitungen 15, 16 des Spül- und Extraktionssystems verbunden.

Der Deckel 13 enthält ein auswechselbares Septum 17, durch das mit Hilfe von Injektionsspritzen 18,19 hoher Präzision (in der Zeichnung ist nur eine Spritze dargestellt) das vorgegebene Volumen der Probenflüssigkeit oder des Eichgases eingebracht werden kann.
Um bei Blutproben Messungen des ohne weiteres

nicht extrahierbaren O₂-Gehalts und CO₂-Gehalts durchführen zu können, wird in an sich bekannter Weise vor jeder Messung als Hilfsflüssigkeit zum Aufschließen für die O₂- und CO₂-Extraktion Van-

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Slyke-Lösung 20 in vorgegebener Menge über einen stimmt werden soll, aus dem Extraktionssystem 2 und Einlaß mit einer Hamiltonspritze 21 eingebracht. der eingebrachten Van-Slyke-Lösung 20 ausgespült Van-Slyke-Lösung 20 und Blutprobe 22 bilden in und ersetzt wird. Dieser Spülvorgang ist nach weni-

der Extraktionskammer 3 oberhalb der Frittel4 ger als 10 see beendet, einen Flüssigkeitsraum mit einem darüber befind- 5

liehen Oasraum. 3. Extraktionssystem

Um die Blutprobe 22 mit der Van-Slyke-Lösung

20 nach Abschluß der Messung durch eine kleine Anschließend an den Spülvorgang wird das Ex-

Membfanpumpe 28 absaugen zu können, ist ein traktionssystetn 2 durch Schließen der Spülventile 33,

durch den Deckel 13 bis zur Glasfritte 14 hinab- io 34 nach außen abgeschlossen; das Umwälzventil 30

reichender Absaugschlauch 24 vorgesehen, der über wird geöffnet. eine durch ein Ventil 25 absperrbare Leitung 26 an

eine Sammelflasche 27 für verbrauchte Flüssigkeit 4. Einbringen der Probe angeschlossen ist.

Für den Extraktionsbetrieb des kombinierten 15 Nach dem Verschließen des Extraktionssystems 2 Spül- und Extraktionssystems ist die Extraktions- wird eine kleine Menge von z. B. 200 oder 250 μΐ

kammer 3 als Teil eines geschlossenen Umwälz- Blut mittels der Injektionsspritze 18 über das Septum

systems ausgebildet, in dem Extraktionsgas, z. B. 17 in die Kammer eingebracht. Helium, durch eine kleine gasdichte Membranpumpe

23 in geschlossenem Kreislauf über die Leitung 15, ao S. Extraktionsvorgang die Glasfritte 14, die Probenflüssigkeit 22 mit der

Van-Slyke-Lösung 20, den Gasraum über dem Flüs- Durch Umwälzung des Extraktionsgases im Ex-

sigkeitsspiegel, die Leitung 16 und eine Rückleitung traktionssystem wird nach einer Zeit, die sich nach

29 zur Pumpe 28 umgewälzt wird. d*m Löslichkeitskoeffizienten des Gases in der Blut-

An die Rückleitung 29 dieses Extraktionssystems 2 »5 pwhe richtet und zwischen einigen Sekunden und

sind, vor bzw. hinter einem Absperrventil 30 (Um- einigen Minuten liegen kann, für alle im Blut ge-

wälzventil) Gasleitungen des Spülsystems 1 (Spül- lösten Gase ein thermodynamisches Gleichgewicht

leitungen 31, 32), ebenfalls durch Ventile 33, 34 zwischen flüssiger und gasförmiger Phase im Extrak-

(Spülventile) absperrbar, angeschlossen. Die hinter tionssystem erreicht. Die Konzentration irgend eines

dem Umwälzventil 30 angeschlossene Spülleitung 32 3° im Blut gelösten Gases ist direkt proportional dem

ist über das Spülventil 34 mit einer Extraktionsgas- Partialdruck dieses Gase» im Gasraum des Systems,

quelle 35 verbunden, während die andere vor dem Durch die Funktion der Van-Slyke-Lösung gilt dies

Umwälzventil 30 angeschlossene Spülleitung 31 über auch für die im Blut chemisch gebundenen Gase O₅

das Spülventil 33 als freier Auslaß für das auszu- »nd CO₂.

spülende Gas oder Gasgemisch dient. 35 6. Aufnahme der Meßkurven

In die Leitung 16 des Spül- und Extraktionssystems ist eine Schnüffelsonde 36 eingeschaltet, an Das Analysensystem kann bei allen Verfahrensdie als Analysensystem über eine beheizte Kapillare schritten eingeschaltet sein. Die Signalhöhen der vom 37 ein Massenspektrometer 38 mit Mehrkanalschrei- Massenspektrometer mit seinem Mehrkanalschreiber ber 39 angeschlossen ist. 4° erfaßten Gase sind den Gaskonzentrationen propor-

Über ein elektromagnetisches Doppelventil 40 tional. Die Anzahl der simultan oder quasisimultan kann bei Störungen oder bei Austausch von Teilen erfaßbaren Gase richtet sich nach der Anzahl der im Massenspektrometereinlaß das Massenspektro- vorhandenen Meßkanäle. Nach Aufnahme der Meßmeter schnell vom Einlaß getrennt und der Einlaß werte für die gemessenen Gase kann noch eine vor der nächsten Messung, z. B. mit einer rotierenden 45 Eichung zur Bestimmung der entsprechenden Pro-Vorpumpe 41. evakuiert werden. portionalitätsfaktoren, das heißt, zur Ermittlung der

Die Bestimmung der Konzentrationen der in der absoluten Konzentrationswerte dieser Oase vorge- Probenflüssigkeit gelösten Gase mit Hilfe der oben nommen werden.

beschriebenen Vorrichtung wird in folgenden Ver- Zu diesem Zweck werden an die zuvor geschilfahrensschritten vollzogen: 50 denen noch folgende Verfahrensschritte angeschlossen:

1. Einbringen der Van-Slyke-Lösung 7. Erneuter Spülvorgang

Bei der Untersuchung einer Blutprobe wird zu- Nachdem die Signalamplituden der zu messenden nächst mit Hilfe der Spritzen die vorgegebene 55 Gase registriert sind, wird das System durch

Menge von z.B. 200μΐ Van-Slyke-Lösung in die Schließen des Umwälzventils30 und öffnen dei

Extraktionskammer 3 eingebracht. Spülventile 33, 34 erneut mit Trägergas gespült, wobei alle in der Blutprobe 22, der Van-Slyke-Lösung

2. Spülvorgang 20 und im Gasraum des Extraktionssystems 2 noefc

6» vorhandenen Gase, ausgenommen das Extraktions-

Anschließend wird bei geschlossenem Umwälz- gas, vollständig aus dem Extraktionssystem ausgetrie-

ventil3G und geöffneten Spülventilen 33, 34 der ben und wiederum durch Extraktionsgas ersetzt

Spülvorgang durchgeführt, bei dem das zunächst im werden. Extraktionssystem 2 noch vorhandene Gasgemisch,

sei es Luft oder ein Gasgemisch aus der voraufge- ⁶5 8. Erneuter Abschluß des Extraktionssystems gangenen Messung, durch ein Extraktions- bzw.

Trägergas, z. B. Ar, He, N₂, SF₆ oder irgend ein Nach diesem Spülvorgang, dessen Dauer von dei

anderes reines Gas, das durch die Messung nicht be- Temperatur abhängt, auf der sich das Extraktions-

gefäß befindet, und der bei 30 bis 40° C normalerweise nur einige Sekunden erfordert, wird das Extraktionssystem, wie in Ziffer 3 beschrieben, wieder geschlossen.

9. Einbringen einer Eichgasmischung

Anschließend wird ein genau bekanntes Volumen von z. B. 200 μΐ einer Gasmischung der interessierenden Gase mit genau bekanntem Konzentrationsverhältnis mit Hilfe der Injektionsspritze 19 eingebracht.

10. Ausgleichsvorgang

Durch Umwälzung des Extraktionsgases und der eingebrachten Eichgasmischumg im Extraktionsgefäß 2 stellt sich nach einiger Zeit im Extraktionssystem wiederum ein Gleichgewicht der Gase in der flüssigen und der gasförmigen Phase ein.

11. Aufnahme der Eichkurven

Die vom Schreiber 39 für die verschiedenen Gasgemischkomponcntcn aufgezeichneten Kurven lassen sich unmittelbar als Eichkurven zur Auswertung der nach Ziffer 6 aufgenommenen Meßkurven durch aufeinander bezogene Ablesung oder durch Multiplikation der Meßkurvenwerte mit einem aus den Eichkurven sich ergebenden Eichfaktor (»Proportionalitätsfaktor«) benutzen.

Bei Verwendung eines Massenspektrometers als Gasanalysengerät ist die Beziehung zwischen Gaskonzentration und zugehöriger Signalhöhe linear. Die Eichkurven, die natürlich für jedes Gas getrennt is vorliegen, gehen durch den Nullpunkt.

Die Analyse der extrahierten Gase muß nicht

massenspektrotnetrisch, sondern kann mit anderer geeigneten Verfahren erfolgen, z. B. durch Absorp tionsspe'arophotometrie (UV-, IR- oder sichtban

so Strahlung).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409540

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Partialdrucke oder Konzentrationen von in einer Flös- S sigkeit, insbesondere im Blut, gelösten Gasen, unter Anwendung eines kombinierten Spill- und Extraktionsverfahrens, bei dem in einem SpUI-vorgang das zunächst im Extraktionssystem noch vorhandene Gas durch ein Extraktionsgas ausgespült und ersetzt, sodann eine Probe der Flüssigkeit in eine Extraktionskammer des Extraktionssystems eingebracht und schließlich das im Gasraum des Extraktionssystems durch Extraktion der gelösten Gase aus der FIüssigkeit in diesem Gasraum sich ergebende Gasgemisch einer Analyse unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Extraktionssystem (2) nacli Beendigung des Spülvorgangs geschlossen, daß nach Einbringen der Flüssigkeitsprobe (22) in das so geschlossene Extraktionssystem das Gleichgewicht zwischen allen in der Flüssigkeitsprobe gelösten Gasen und den Gasen im Gasraum des geschlossenen Extraktionssystems unter Umwälzung des Extraktionsgases durch die in der Extraktionskammer sich befindende Probe hergestellt wird, und die Analyse des sich hierbei ergebenden Gasgemisches bei noch geschlossenem System durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichuns das Extraktionssystem mit der in ihm befindlichen Flüssigkeitsprobe nach Beendigung der Analyse des interessierenden Gasgemischs (Hauptanalyse) erneut mit Extraktionsgas gespült und danach das Extraktionssystem wieder geschlossen wird, daß sodann ein bekanntes Volumen einer Eichgasmischung der interessierenden, durch die Analyse zu bestimmenden Gase in genau bekanntem Konzentrationsverhältnis in das geschlossene Extraktionssystem eingebracht, und anschließend wie bei der Hauptanalyse verfahren wird, wonach das Analysenergebnis zur Kalibrierung des Hauptanalysenergebnisses benutzt wird.

3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem kombinierten Spül- und Extraktionssystem, bei dem eine Extraktionskammer zwischen einer Extraktionsgasquelle und einem freien Gasauslaß liegt, und mit Einrichtungen zum Einbringen einer Probe der zu untersuchenden Flüssigkeit nach Beendigung des Spülvorgangs und zur Analyse des im Gasraum des Extraktionssystems durch Extraktion der gelösten Gase aus der Flüssigkeitsprobe in dem Gasraum sich ergebenden Gasgemischs, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung vom offenen Spülsystem (1) durch Absperrung der Verbindungen (32) sowohl zur Extraktionsgasquelle (35) als auch zum freien Gasauslaß (31) auf ein geschlossenes Extraktionssystem (2) umschaltbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Extraktionssystem (2) als hermetisch geschlossenes Gasumwälzsystem ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionskammer (3) in eine Gasumw8teJeiwng (16, 29, IS) mit Pumpe (23) eingeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Kombination von Spülsystem (1) und Extraktionssystem (2) dergestalt, daß zu beiden Seiten eines in der Gasurawälzleitung (16, 29, 15) liegenden UmwälzventiJs (30) Gasleitungen (31, 32) des Spülsystems (I), ebenfalls durch Ventile (33, 34) absperrbar, angeschlossen sind, deren eine mit einer Extraktionsgasquelle (i5) verbunden ist, während die andere als freier Gasauslaß dient.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anscl.luß des Analysensystems eine Schnüffelsonde (36) von außerhalb der Extraktionskammer (3) an das Extraktionssystem (2) angeschlossen ist.