DE2616952A1

DE2616952A1 - Verfahren zur messung der gasanteile von sauerstoff, kohlenmonoxyd und kohlendioxyd unbekannter gasfoermiger oder fluessiger proben, insbesondere des atems und des bluts

Info

Publication number: DE2616952A1
Application number: DE19762616952
Authority: DE
Inventors: Rolf Prof Dr Med Zander
Original assignee: Wolf hans Uwe drrernat
Current assignee: Wolf hans Uwe drrernat
Priority date: 1976-04-17
Filing date: 1976-04-17
Publication date: 1977-11-03
Also published as: DE2616952C2

Description

der Herren ProfO Dr. med. Rolf Zander, DrOrerOnatç Wernef Lang
und Dr. rer.natO IIans Uwe Wolf, 6500 Mainz, Gutenberg-Universität Verfahren zur Messung der Gasanteile von Sauerstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd unbekannter gasförmiger oder flüssiger Proben, insbesondere des Atems und des Bluts.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Gasanteile von Sauerstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd unbekannter gasförmiger oder flüssiger Proben, insbesondere des Atems und des Bluts0 In der medizinischen und naturwissenschaftlichen Forschung sowie in anderen Anwendungsbereichen, beispielsweise auch bei regelmäßigen Kontrollmessungen im Rahmen des Umweltschutzes, sowie in Fermentern, stellt sich häufig die Aufgabe, geringe Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlenmonoxyd oder Kohlendioxyd in geringen Probenmengen schnell und mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmend Seit langem ist eine Reihe von gasanalytischen Verfahren bekannt, die teils auf physikalischen, teils auf chemischen Methoden beruhen, Die physiskiische Bestimmung von Sauerstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd kann mit Hilfe der Massenspektrometrie und Gaschromatographie erfolgen. Für die Bestimmung des Sauerstoffs können zusätzlich paramagnetische und polarographische Verfahren sowie die Wärmeleitfähigkeitsmessung und schließlich galvanische Zellen hinzutreten0 Im Falle von Kthlenmonoxyd und Kohlendioxyd kommen zusätzlich Verfahren auf der Grundlage der Ultrarotabsorption in Frage Klassische chemische Verfahren sind manometrische oder volumetrische Methoden zur Sauerstoff- und Kohlendioxydbestimmung (Messung einer Druck- oder Volumenänderung nach Absorption einer Gasfraktion), sowie die Verwendung von Redoxsystemen für den Sauerstoffnachweis oder die Registrierung der Farbänderung von Hämoglobin bei Reaktion mit Sauerstoff oder Kohlenmonoxyd.
Jede der bisher gebräuchlichen Methoden ist mit mindestens einem der nachfolgenden Nachteile behaftet Hohe Gerätekosten, große Störanfälligkeit der Geräte, anspruchsvolle Gerätebedienung, lange Analysendauer, großes Probenvolumen, mangelnde Spezifität für das zu untersuchende Gas, Messung entweder nur in der Gas- oder nur in der flüssigen Phase oder Notwendigkeit der Verwendung zahlreicher, teurer Chemikalien.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein an den jeweiligen Zweck anpaßbares Verfahren vorzuschlagen, daß für Gas - oder Flüssigkeitsproben geeignet ist, welches für drei unterschiedliche Gase in der gleichen Weise gehandhabt wird und bei dem lediglich billige Chemikalien auszutauschen sind.
Gleichzeitig wird angestrebt, die Analysendauer zu verkürzen und die Empfindlichkeit zu steigern.
Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch Verwendung eines Reaktionslösungsgemisches von 25 mMol/l Brenzkatechin in 0,1 n NaOH und beispielsweise 5 mMol/l Fe (NH4)2(S04) (Mohr'sches Salz)als Farbverstärkungsfaktor oder von 25 mMol/l Pyrogallol in 1n NaOH und 5 mMl/l Fe (NH4)2(SO4)2 (Mehr'sches Salz) für die Sauerstoffbestimmung, eines Reaktionslösungsgemisches von in liertem Wasser für im Verhältnis 1 t 200 oder 1 t 1000 untem Blut für die Kohlenmonoxydbestimmung ein und eines R akt ionslösungsgemisches von 0,1 - 0,2 mMol/l Fuchsin und 4 4 mMol/l Hydrazinhydrat für die Kohlendioxydbestimmung'durch kontinuierliches Zuführen und Nischen der Gas- oder Flüssigkeitsprobe mit dem jeweiligen Reaktionslösungsgemisch unter Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden Zufuhrmengen- bzw.
Mischungsverhältnisses der Probe und der Reaktionslösung und durch Bestimmen der Konzentration des einfärbenden Stoffes (°2 CO oder CO2) durch Messen des Absorptionsgrades in einem Ehotometer.
Bin abgewandeltes, mit den gleichen Chemikalien arbeitendes Verfahren kennzeichnet sich durch Einspritzen der in einer Injektionsspritze befindlichen Probe in eine mit einer inerten Flüssigkeit -insbesondere destilliertem Wasser- gefüllte und durch hochgererigtes Inertgas -insbesondere Stickstoffkontinuierlich durchströmte Injektionskammer, durch kontinuierliches Zuführen und Mischen des Gemisches des aus der Gas-oder Flüssigkeitsprobe stammenden zu analysierenden Gases und des Inertgases mit dem jeweiligen Reaktionslösungsgemischo unter Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden Zufuhrmengen-bzw. Mischungsverhältnisses der Probe und der Reaktionslösung und durch Bestimmen der Konzentration des einfärbenden Stoffes (o2, CO oder Co2) durch Messen in einem mit einem Kurvenschreiber ausgerüsteten Photometer.
Bin drittes abgewandeltes Verfahren, bei dem ebenfalls die gleichen Reagenzlösungen Anwendung finden, ist gekennzeichnet durch Einspritzen der in einer PräzisionsinJektionsspritze befindlichen Probe in eine allseits geschlossene durchsichtige, mit jeweils einem für eine Gasbestimmung geeigneten Reaktionslösungsgemisch gefüllte Küvette und durch Bestimmen der Konzentration des einfärbenden Stoffes (/ 02> CO oder CO ) durch Messen 2 des Absorptionsgrades der nach Ablauf einer Reaktionszeit -insbesondee zwei Minuten- in ein Photometer eingesetzten Küvette, wobei die Änderung des Absorptionsgrades durch Vergleich mit einer einen Standardleerwert darstellenden Küvette ermittelt wird, die mit der gleichen Flüssigkeitsmenge, aber ohne die zum Nachweis verwendeten Reagenzien, gefüllt ist.
Bei dem erstgenannten Verfahren kann eine an sich bekannte Pumpe Verwendung. finden, welche die Gas- oder Flüssigkeitsprobe zusammen mit einer oder mehreren geieigneten Reaktionslösungen kontinuierlich und unter Aufrechterhaltung eines bestimmen Mengenverhältnisses zum Mischort und -nach Abscheidung von Gasblasen- zum Photometer gw fördert0 Vorteilhaft werden in den Förderstrom einer Flüssigkeitsprobe kontinuierlich Gasblasen eines Inertgases -insbesondere hochgereinigter Stickstoff- eingeleitet. Zweckmäßig ist ferner, vor dem Einleiten einer Gasprobe in den Förderstrom durch Hindurchleiten eines Inertgases -insbesondere hochgereinigter Stickstoffdurch den Förderstromkanal und durch das Photometer eine Nullwertbestimmung in demselben vorzunehmen.
Ein Druckausgleich in den die Reaktionslösungen abgebenden Behältnissen kann durch ein Nachströmen des Inertgases -insbesondere durch Stickstoffgas, das durch eine alkalische Pyrogallol-Lösung hindurchgeleitet wurde - hergestellt werden0 Das zweite abgewandelte Verfahren sieht die Verwendung einer Injektionskammer vor, welche durch ein von der Unterseite durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Sperrwand -insbesondere Fritte - eintretendes Inertgas durchst=st wird.
Vorteilhaft ist diese Injektionskammer über eine mit einem Absperrventil ausgestattete Verbindungsleitung mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Vorratsbehälter verbunden.
Es kann eine Flüssigkeit mit einer besonderen Zusammensetzung verwendet werden, die den Austritt des zu untersuchenden Gases aus einer Probenfldssigkeit beschleunigt.
Bei kleinen Probemengen wird der Mengenanteil des zu untersuchenden Gases durch planimetrisches Messen des Flächeninhalts unterhalb der Meßkurve im Kurvenschreiber des Photometers errechnet oder durch einen iektronisehen Integrator bestimmt.
Bei dem dritten abgewandelten Verfahren werden mit den jeweiligen Reaktionslösungen gefüllte Küvetten verwendet, die mit einem aus gadichtem, aber durchstechbarem Werkstoff hergestellten Verschlußdeckel gasdicht verschlossen sind0 In jedem Fall empfiehlt es sich, bei der Sauerstoffbestimmung mit Hilfe von Brenzkatechin eine Lichtwellenlänge von 490 nm und bei der Sauerstoffbestimmung mit Hilfe von Pyrogallol eine Lichtwellenlänge von etwa 520 nm im Phtotometer zu verwenden.
Bei der Kohlenmonoxydbestimmung mit Hilfe von 1 : 200 verdünntem Blut empfiehlt sich eine Lichtwellenlänge von ca. 536 nm und bei Verwendung von 1 t 1000 verdünntem Blut eine Lichtwellenlänge von ca. 420 nm.
Für die Kohlendioxydbestimmung wird eine Lichtwellenlänge von ca. 545 nm empfohlen.
Nachfolgend werden anhand der beiden Zeichnungen die beiden Verfahren schematisch dargestellt, wogegen das dritte Verfahren bildlich nicht erläutert ist, da es lediglich einer Präzisionsspritze, einer geschlossenen Küvette und eines Photometers bedarf.
Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten ersten Verfahren wird eine Gasprobe durch eine Präzisionspumpe in eine Mischspirale gefördert. Dieselbe Präzisionspumpe fördert in einem bestimnfeq knnstanten Mengenverhältnis Reaktionslösung I und/oder II benfalls in die Mischspirale, wo die Einfärbung stattfindet.
Nach Austritt der Gasblasen wird die Probenflüssigkeit durch ein Photometer geleitet und dorthin der aus anderen Verfahren bekannten Weise analysiert.
Der Nullwert des Photometers wird zweckmäßig dadurch bestimmt, daß vor Durchführung der Analyse anstelle der Gasprobe ein hochgereinigtes Stickstoffgas eine Zeitlang eingeleitet wird, das zuvor durch eine alkalische Pyrogallollösung von etwaigen Sauerstoffgasbestandteilen befreit wurde Das in Figur 2 dargestellte abgewandelte zweite Verfahren findet insbesondere dann Anwendung, wenn nur geringe Probemengen verfügbar sind. Diese werden mit einer Spritze aufgenommen und in eine senkrecht stehende Injektionskammer injiziert, die mit einer Flüssigkeit angefüllt ist. Letztere wird durch einen Gasstrom aus hochgereinigtem Stickstoff durchströmt, der von unten her durch eine Bodenplatte aus Fritte in die Injektionskammer eintritt und die Flüssigkeit zu dem Zweck durchwirbelt, so daß das zu untersuchende Gas aus der Gasprobe oder der Probenflüssigkeit nach oben mitgerissen und zu der Präzisionspumpe gefördert wird.
Die besagte Präzisionpumpe fördert ebenso wie beim ersten Verfahren in konstantem Mengenverhältnis kontinuierlich die entsprechenden Reaktionslösungen in die nachfolgenden Mischspirale, von welcher die engefärbte Lösung in das Photometer gelangt. Die in der Injektionskammer befindliche Flüssigkeit kann über eine Verbindungsleitung dund durch Öffnung des Hahn 2 aus einer Vorratskammer ersetzt oder durch eine Ablaufleitung durch öffnen des Hahn 1 abgelassen werden.
Das dritte in der Zeichnung nicht dargestellte Verfahren bedarf lediglich einer Präzisionsinjektionsspritze, einer allseits geschlossen an einer Seite einsteckbaren durchsichtigen Küvette, die mit jeweils einer der verschiedenen Reaktionslösungen gefüllt ist und eines 1hctomet'ers, in welches die Prüfküvette nach Injektion der Probe, Schütteln und zweiminütiger Wartezeit eingesetzt und beobachtet wird. Die Änderung des Absorptionsgrades ergibt sich durch Vergleich einer einen Standardleerwert darstellenden Küvette, die mit der gleichen Flüssigkeitsmenge, aber ohne die zum Nachweis verwendeten Reagenzien gefüllt ist. Dieses Verfahren arbeitet also nicht kontinuierlich mit hilfe einer Präzisionspumpe, sondern diskontinuierlich.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Verfahren liegen auf der Hand.
Es wird die Möglichkeit eröffnet, gliche Apparaturen für die Bestimmung von drei unterschiedlichen Gasen zu verwenden, wobei lediglich einige Reagenzien auszutauschen sind. Die Verfahren sind in ihrer Durchführung sehr einfach, so daß sie auch durch ungeschultes Personal durchgeführt werden können.
werner fallen die hohen Empfindlichkeiten ins Gewicht. Bei einem Gasprobenstrom von 2,5 ml/min werden folgende MaximalempSindlichkeiten erreicht : Sauerstoff 0,002 Vol, Kohlenmonoxyd 0,005 Vols und iBhlendioxyd 0,01 Vol'io. Es kann hierbei ein relativ einfaches Photometer benutzt werden. Beim zweiten Verfahren liegt die untere iNachweisgrenze im Fall des Sauerstoffs bei 0,1 mikroliter, für Kohlenmonoxyd bei 0,5 mikroliter und für Kohlendioxyd bei 1 mikroliterg (unter physikalischen Standardbedingungen) bei Verwendung eines relativ einfachen Photometers. Das dritte Verfahren eignet sich gerade dann, wenn nur geringe Probemengen zur Verfügung stehen und ist bei Probemengen von ca. 1 bis 100 mikrolitern Gas oder Flüssigkeit anwendbar. Jede geschlossene Küvette kann beispielsweise mit 2,5 milliliter Flüssigkeit und 0,5 milliliter Inertgas gefüllt sein. Die Lichtweglänge der Küvette mag 10 mm betragen, so daß sie in jede Halterung eines herkömmlichen Photometers einzusetzen ist.
Beachtenswert ist ferner der geringe bauliche Aufwand, der erfindungsgemäßen Verfahren, der sich in niedrigen Gestehungskosten und niedrigen Gebrauchskosten niederschlägt, da billige Chemikalien verwendet werden. Der besagte geringe bauliche Aufwand ergibt auch eine hohe örtliche Mobilität, so daß insbesondere das dritte Verfahren auch bei Felduntersuchungen im Rahmen von Umweltschutzüberwachungen und -maßnahmen anwendbar ist.
Ins Gewicht fällt auch die hohe Variabilität und Anpassungsfähigkeit an den jeweiligen Zweck, da drei Verfahren zur Verfügung stehen, die alle Möglichkeiten einer gasförmigen oder flüssigen Probe, großer oder kleiner Probenmengen und der drei unterschiedlichen Gassorten abdecken.
Alle Verfahren verkürzen überdies die bislang üblichen Analysenzeiten von 5 min auf 2 min.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Messung der Gasanteile von Sauerstoff, Kohlenmmonoxyd und Kohlendioxyd unbekannter gasförmiger oder flüssiger Proben, insbesondere des Atems und des Bluts, gekennzeichnet durch Verwendung eines Reaktionslösungsgemisches von 25 mMol/l Brenzkatechin in 0,1 n NaOH und beispielsweise 5 mMol/l Fe (NH4)2 (SO4)2 (Mohr'sches Salz) als Farbverstärkungsfaktor oder von 25 mMol/l Pyrogallol in 1m NaOH und 5 mMol/l Fe (NH4)2 (SO4)2 (Mohr'sches Salz) für die Sauerstoffbestimmung, eines Reaktionslösungsgemisches von in destilliertem Wasser im Verhältnis 1 : 200 oder 1 : 1000 verdünntem Blut für die Kohlenmonoxydbestimmunjg und eines Reaktionslösungsgemisches von 0,1 - 0,2 ,Mol/l Fuchsin und 2-4 mMol/ö Hydrazinhydrat für die Kohlendioxydbestimmung, durch kontinuierliches Zuführen und Mischen der Gas-oder Flüssigkeitsprobe mit dem jeweiligen Reaktionslösungsgemisch unter @ufrechterhaltung eines gleicch -bleibenden Zufuhrmengen- bzw. Mischungsverhältnisses der grobe und der Reaktionslösung un.i durch bestimmen der Konzentration des einfärbenden Stoffes (O2, CO oder CO2) durch Messen des Absorptionsgrades ili einem photometer.
2. Verfahren zur Messung der Gasanteile von Sauerstoff, kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd unbekannter gasförmiger oder flüssiger Proben, insbesondere des Atems und des Bluts, gekennzeichnet durch Verwendung eines Reaktionslösungsgemisches von 25 mMol/l Drenzkatechin in 0,1 n NaOH und beispielsweise 5 mMol/l Fe (NH4)2 (SO4)#2 (Mohr'sches Salz) als Farverstärkungsfaktor oder von 25 mMol/l Pyrogallol in 1 n NaOH und 5 mMol/l Fe (NH4)2 (SO4)2 (Mohr'sches Salz)für die Sauerstoffbestimmung, eines I'eaktionslösungsgemisches von in destilliertem| Wasser im Verhältnis 1 : 200 oder 1 : 1000 ¢wr verdünnteQ Blut für die Kohlenmonoxydbestimmung und eines Reaktionslösungsgemisches von 0,1 - 0,2 mMol/l Fuchsin und 2-4 mEiol/l Hydrazinhydrat für die Kohlendioxydbestimmung, durch Einspritzen der in einer Injektionsspritze befindlichen Probe in eine mit einer inerten Flüssigkeit -insbesondere destilliertem Wasser - gefüllte und durch hochgereinigtes Inertgas -insbesondere Stickstoff -kontinuierlich durchströmte Injoktiorlskammer, durch kontinuierliches Zuführen und Mischen des Gemisches des aus der Gas- oder Flüssigkeitsprobe stammenden zu analysierenden Gases und des Inertgases mit dem jeweiligen Reaktionslösungsemisch unter Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden Zufuhrmengen- bzw. Mischungsverhältnisses der Probe und der Reaktionslösung und durch Bestimmen der Konzentration des einfärbenden Stoffes (o2, Co oder C02) durch Messen des Absorptionsgrades in einem mit einem Kurvenschreiber ausgerüstebon Photometer.
3. Verfahren zur Messung der Gasanteile von Sauerstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd unbekannter gasförmiger oder flüssiger Proben, insbesondere des Atems und des Bluts, gekennzeichnet durch Verwendung eines Reaktionslösungsgemisches von 25 mMol/l Brenzkatechin in 0,1 n NaOX und beispielsweise 5 mMol/l Fe (i;iI14)2 (S04)2 (Mohr'sches Salz) als Farbverstärkungsfaktor oder von 25 mMol/l Pyrogallol in n NaOH und 5 mMol/l Fe (NH4)2 (SO4)2 (Mohr'sches Salz) für die Sauerstoffbestimmung, eines Reaktionslösungsgemisches von in destilliertem Wasser im Verhältnis 1 : 200 oder 1 : 1000 verdünntem Blut für die Kohlenmonoxydbestimmung und eines Reaktionslösungsgemisches von 0,1 - 0,2 mMol/l Fuchs in und 2 - 4 mMol/l Hydrazinhydrat für die Kohlendioxydbestimmung, durch Einspritzen der in einer Präzisionsinjektionsspritze befindlichen Probe in eine allseits geschlossene durchsichtige, mit jeweils einem für ### eine Gasbestimmung geeignetenReaktionslösungsgemisch gefüllte Küvette und durch Bestimmen der Konzentration des einfärbenden Stoffes (O2, CO oder CO2) durch Messen des Absorptionsgrades der nach Ablauf einer Reaktionszeit -insbesondere 2 Minuten - in ein Photometer eingesetzten Küvette, wobei die Änderung des Absorptionsgrades durch Vergleich mit einer einen Standardleerwert darstellenden Küvette ermittelt wird, die mit der gleichen Flüssigkeitsmenge, aber ohne die zum Nachweis verwendeten Reagenzien, gefüllt ist,
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung einer Pumpe, welche die Gas-oder Flüssigkeitsprobe zusammen mit einer oder mehreren geeigneten Reaktionslösungen kontinuierlich und unter Aufrechterhaltung eines bestimmten Mengenverhältnisses zum Miscllort und - nach Abscheiden von Gasblasen - zum Fhotometer g fördert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Förderstrom einer Flüssigkeitsprobe kontinuierlich Gasblasen eines Inertgases - insbesondere hochgereinigter stickstoff - eingeleitet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einleiten einer Gasprobe in den Förderstrom durch Hindurchleiten eines Inertgases - insbesondere hochgereinigter Stickstoff - durch den Förderstromkanal und durch das Photodmeter eine Nullwertbestimmung in demselben vorgenommen wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Reaktionslösungen abgebenden Behältnissen ein Druckausgleich durch eh nachstörmendes Inertgas - insbesondere durch Stickstoffgas, das durch eine alkalische Pyrogallol-Lösung hindurchgeleitet wurde - hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verwendung einer Injektionskammer, welche durch ein von der Unterseite durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Sperrwand -insbesondere Fritte - eintretendes Inertgas durchströmt wird.
9. Verfallrell nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verwendung einer InJ ektionskammer, die über eine mit einem bsperrventil ausgestattete Verbindungsleitung mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Vorratsbehälter verbunden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verwendung einer Flüssigkeit mit einer besondcen Zusammensetzung, die den Austritt des zu untersuchenden Gases aus einer Probenflüssigkeit beschleunigt.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Probemengen der Mengenanteil des zu untersuchenden Gases durch planimetrisches Messen des Flächeninhalts unterhalb der Meßkurve im Kurvenschreiber des Photometers errechnet wird oder durch einen elektronischen Integrator bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Verwendung von mit den jeweiligen Reaktioiislösungen gefüllten Küvetten, die mit einem aus gasdichtem, aber durchstechbarem Werkstoff hergestellten Verschlußdeckel gasdicht verschlossen sind.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Anwendung einer Lichtwellenlänge von ca. 490 nm bzw. ca. 520 nm im Photometer bei Verwendung von Brenzkatechin bzw. Pyrogallol zur Sauerstoffbestimmung.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Anwendung einer Lichtwellenlänge von ca. 536 nm bzw. 420 nm im Photometer bei Verwendung von 1 : 200 bzw, 1 : 1000 mit destilliertem Wasser verdünntem Blut zur Kohlenmonoxydbestimmung.

15e Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, gekennzeichnet durch Anwendung einer Lichtwellenlänge von ca. 545 nm im Photometer zur Kohlendioxydbestimmung.