DE2725757A1 - Vorrichtung zur fortlaufenden analyse niedermolekularer bestandteile in stroemenden fluessigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zur fortlaufenden analyse niedermolekularer bestandteile in stroemenden fluessigkeitenInfo
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Description
'·' ■■'■'' - ; München, den 6. Juni 197
DU. »!Ξ'\Τ: : ■-■· ""'. .".'Ν
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Dr. E. Fresenius Chem. -phartn. Industrie KG, Apparatebau KG,
Bad Homburg
Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse niedermolekularer
Bestandteile in strömenden Flüssigkeiten
Zusammenfassung
Es wird eine Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse niedermolekularer
Bestandteile in strömenden Flüssigkeiten, insbesondere in strömendem Blut, vorgeschlagen. Sie enthält
einen Dialysator, der durch eine semipermeable Membran in zwei Kammern unterteilt wird. Die eine Kammer ist mit
Zu- und Ableitungen für Meßflüssigkeiten und die andere
Kammer mit Zu- und Ableitungen für eine Trägerflüssigkeit
versehen. In der Ableitung der Trägerflüssigkeit befindet sich eine Analysenstrecke, vorzugsweise in Form ionenselektiver
und/oder gassensitiver Sensoren. Die Zuleitung der Meßflüssigkeiten weist eine Anschluß zur Zuführung von Eichflüssigkeiten
auf. In den Strömungswegen der Meßflüssigkeiten und der Trägerflüssigkeit befinden sich Pumpen, die
in einem festen Förderverhältnis zueinander stehen. Die Analysenstrecke, die Absperrorgane und die Pumpen sind auf
einem gemeinsamen Grundgestell montiert, auf «as der mit
den Zu- und Ableitungen für die Meßflüssigkeiten versehene
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Dialysator derart aufsetzbar ist, daß seine Ableitung
einem für die Trägerflüssigkeit in Eingriff mityentsprechenden
Anschlußstück des Grundgestells steht.
Stand der Technik
Für die Beurteilung von Krankheitszuständen ist die chemische Analyse des Blutes und anderer Körperflüssigkeiten
ein wichtiges Hilfsmittel. Bisher sind meist nur einzelne Proben, die dem Kranken von Fall zu Fall entnommen werden,
analysiert worden. Es besteht aber häufig das Bedürfnis, in kurzen Zeitabständen und mit sehr geringer Verzögerung
Analysenwerte zur Verfügung zu haben. Es ist vorgeschlagen worden, für solche Zwecke elektrochemische Meßfühler in
Form ionenselektiver bzw. gassensitiver Elektroden zu verwenden, weil sie eine kontinuierliche, praktisch verzögerungsfreie
Direktmessung ermöglichen (vergl. C. Fuchs: Ionenselektive Elektroden in der Medizin, Georg Thieme-Verlag,
Stuttgart 1976). Der Einsatz solcher Meßfühler im Routineverfahren scheitert jedoch bisher an praktischen
Schwierigkeiten verschiedener Art. Ein schädigender Einfluß der Meßanordnung auf den Patienten muß vermieden werden,
insbesondere muß das Risiko einer Infektion ausgeschlossen werden. Umgekehrt besteht die Möglichkeit einer nachteiligen
Einwirkung des Meßmediums, ζ. B. des Blutes, auf die Meßanordnung. Durch Gerinnungsvorgänge und die Ablagerung von
Blutbestandteilen kann die Funktion der Meßfühler erheblich beeinträchtigt werden. Es ist bekannt, die zu analysierenden
niedermolekularen Bestandteile durch Dialyse aus der Meßflüssigkeit in eine parallel dazu strömende Trägerflüssigkeit
zu überführen und die Trägerflüssigkeit anschließend
zu analysieren (Technical Publication No. TAO-0211-00 vom
September 1970 der Technicon Instruments Corporation, Tarrytown, New York). Das bekannte Gerät zur Durchführung
dieses Vorschlags hat einen erheblichen Platzbedarf und ein großes Flüssigkeitsvolumen, so daß erhebliche Flüssigkeitsmengen
zur Durchführung einer Analyse benötigt werden.
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Außerdem ist das Gerät umständlich zu warten und zu reinigen.
Vorteile der Erfindung
Durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung werden die aufgeführten Nachteile vermieden. Das Gerät
ist leicht und kompakt und kann unmittelbar am Krankenbett aufgestellt werden. Der Dialysator zusammen mit
den Zu- und Ableitungen des Meßgutkreises kann kostengünstig als steriler Einmalartikel hergestellt werden,
so daß die mit der Reinigung und Sterilisierung kontaminierter Teile zusammenhängenden Probleme wegfallen.
Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung sind
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Stirnansicht einer Ausführungsform derselben, Fig. 3 ein Schnitt nach Linie A-B in Fig. 2
und
Fig. k eine Darstellung der Steuerung für die Sperrorgane.
Fig. k eine Darstellung der Steuerung für die Sperrorgane.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Meßprinzips.
Das Meßmedium wird durch eine Zuleitung 1, die mit einem Absperrorgan 2 versehen ist, einem Dialysator 3 zugeführt
und durch eine Ableitung k zurückgeleitet. Der Dialysator wird durch eine semipermeable Membran 5 i-n eine Meßflüssigkeitskammer
6 und eine Trägerkammer 7 unterteilt. Eine in der Ableitung k liegende Pumpe 8 erzeugt eine
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konstante Durchflußrate des Meßgutes. In der Zuleitung 1 befindet sich ein Anschluß 9 für die Zuführung von Eichflüssigkeiten
aus den Vorratsbehältern 10 und 11. Zur Zuführung einer Eichflüssigkeit wird eines der Absperrorgane
12 und 13 geöffnet, während gleichzeitig das Absperrorgan 2 geschlossen wird. Dadurch werden mit der
konstanten Förderrate, die durch die Pumpe 8 vorgegeben ist, die Eichflüssigkeiten durch den Dialysator 3 geleitet.
In die Leitungen von den Vorratsbehältern können Gasaustauscher ]k und 15 eingefügt werden, um die Eichlösung
definiert mit Eichgasen zu sättigen, falls die Analyse auch die Messung von gelösten Gasen einschließen soll.
Durch die semipermeable Membran 5 gelangen niedermolekulare
Bestandteile und gelöste Gase des Meßgutes bzw. der Eichlösungen in die Trägerkammer 7. Aus einem Vorratsbehälter
16 fließt eine als Träger der zu messenden Bestandteile dienende Flüssigkeit von konstanter Zusammensetzung
durch eine Zuleitung 17» die Kammer 7 und eine Ableitung zur Analysenstrecke 19» die mit der gewünschten Kombination
von Meßfühlern 20 für die Messung der Konzentration der interessierenden Bestandteile bestückt ist. Die Meßfühler
20 sind über elektrische Leitungen 21 mit einem Anzeige- und Auswertegerät 22 verbunden. Dieses Auswertegerät
kann auch Einrichtungen zur automatischen Steuerung des Eichvorganges durch Betätigung der Absperrorgane 2,
12 und 13 und zur Speicherung der während des Eichvorganges ermittelten Eichparameter enthalten.
Aus der Analysenstrecke 19 wird die Trägerflüssigkeit von
einer Pumpe 2k über die Leitung 23 in einen Sammelbehälter
25 gefördert. Ein konstantes Verhältnis der Förderraten
der Pumpen 8 und 2k wird durch eine Kupplung 26 erreicht.
Die Kupplung ist vorzugsweise mechanisch und besteht aus einem gemeinsamen Antrieb der beiden Pumpen.
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Es besteht die Möglichkeit, die Trägerfliissigkeit zu
regenerieren. Hierzu kann der Sammelbehälter 25 über eine Regenerierungsvorrichtung 27, z. B. in Form eines
Absorptionsfilters bzw. einer Absorptionspatrone, mit dem Vorratsbehälter 16 verbunden sein.
Die beschriebene Vorrichtung erfüllt die Forderung, daß einerseits ein kontaminierender Einfluß der Meßfühler
auf das Meßgut und andererseits ein kontaminierender Einfluß des Meßgutes auf die Meßfühler vermieden
werden soll, denn der Meßgutkreis und der Analysenkreis sind völlig voneinander getrennt. Der Dialysator 3 mit
der semipermeablen Membran 5 kann gegebenenfalls kostengünstig
als steriler Einmalartikel hergestellt werden. Das gleiche gilt für die Leitungen 1 und k des Meßgutkreises,
die als flexible Schläuche aus Kunststoff ausgebildet sein können, wobei die Pumpe 8 eine nicht mit
dem Meßgut in Berührung kommende Schlauchpumpe ist. Ein Fehlereinfluß durch den unvollkommenen Stoffaustausch
im Dialysator wird dadurch vermieden, daß die Zufuhr der Eichflüssigkeit aus den Vorratsbehältern 10 und 11 auf
der gleichen Seite der semipermeablen Membran 5 und mit der gleichen Durchflußrate erfolgt wie die Zufuhr des
Meßgutes, so daß Eichung und Messung unter gleichartigen Bedingungen stattfinden. Die Eichlösungen haben hinsichtlich
der für die Analyse interessanten Bestandteile eine ähnliche Zusammensetzung, wie sie im Normalfall für das
Meßgut zu erwarten ist. So sind beispielsweise für Blut Normalwerte der verschiedenen Bestandteile und ihrer
Streubereiche bekannt. Die erste Eichlösung hat zweckmäßig eine Konzentration, die etwas niedriger ist als
die Normalwerte, während die Konzentration der zweiten Eichlösungetwas höher als der Normalwert liegt. Beide
Eichlösungen sind steril und nach den Regeln, die für Infusionslösungen gelten, hergestellt; es hat also
prinzipiell keine nachteilige Wirkung, wenn solche
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Lösungen in den Blutkreislauf gelangen, zumal der Eichvorgang nur kurze Zeit dauert und es sich dementsprechend
nur um sehr geringe Mengen handelt.
Der Durchfluß der beiden Flüssigkeiten durch den Dialysator 3 kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom
erfolgen. In Fig. 1 ist eine Gegenstromanordnung dargestellt, aber auch die Gleichstromanordnung hat
bekanntlich ihre Vorteile.
Bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten Meßvorrichtung sind die Pumpen für die MeOflüssigkeit und die Trägerflüssigkeit,
die Absperrorgane zur Steuerung der Meßgut- und Eichlösungszufuhr, der Dialysator und die Analysenstrecke
zu einer funktionellen Einheit zusammengefaßt. Die mit dem Meßgut in Berührung kommenden Teile sind
als leicht austauschbarer Steckteil ausgebildet.
Das Meßgut fließt über einen flexiblen Schlauch 30 zu,
der zusammen mit den flexiblen Schläuchen für die Zufuhr der Eichlösungen und der Trägerlösung in einer Halterung
31 fixiert ist. Diese Halterung, die im vorliegenden Falle mit dem Dialysator 3 mechanisch verbunden ist,
ist auf das Grundgestell 32 der Vorrichtung gesteckt
und wird durch Zentrierungen 33» 3^ in einer definierten
Lage gehalten. Die Halterung 31 bildet zugleich das Widerlager
der Absperrorgane für die Umschaltung von der Zufuhr des Meßgutes auf diejenige der Eichlösungen. Zu diesem
Zweck hat die Halterung Ausschnitte 35t 36, die mit Klemmstiften
37» 38 korrespondieren und je zwei benachbarte Schläuche freilegen. Die vorderen Enden der Klemmstifte
sind so angeschrägt, daß sie sich beim Aufstecken der Halterung 31 auf das Grundgestell 32 leicht zwischen die
Schläuche in den Ausschnitten schieben. Der Klemmstift gibt je nach seiner Stellung den Durchfluß des Meßgutes
durch den Schlauch 3° oder den Durchfluß einer Eichlösung
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durch den Schlauch 39 frei. Ebenso bestimmt die Stellung des anderen Klemmstiftes 38 den Zufluß des Meßgutes
durch den Schlauch 30 oder einer zweiten Eichlösung durch den Schlauch kO. In der in Fig. 2 gezeigten
Stellung sind die beiden Schläuche 39, ^O für die Eichlösungen
abgeklemmt und der Schlauch 30 ist für das Meßgut freigegeben. Beim Abklemmen der Schläuche durch
die Klemmstifte 37f 38 dienen die oberen und unteren
Ränder der Aussparungen 35t 3^ als Widerlager. Im Normalzustand
befinden sich die beiden Klemmstifte durch Federkräfte in der in Fig. 2 gezeigten Stellung. Durch ein in
das Grundgestell 32 eingebautes Antriebsaggregat ^1, das
aus einem Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe und einem in Fig. h im einzelnen dargestellten Nockenmechanismus
besteht, wird jeweils einer der Klemmstifte entgegen der Federkraft gegen die andere Seite der betreffenden
Aussparung bewegt, so daß der Schlauch für das Meßgut abgeklemmt und der entsprechende Schlauch für die Eichlösung
freigegeben wird. Welcher der beiden Klemmstifte bewegt wird, hängt von der Drehrichtung des Elektromotors
ab. Der Antrieb der Absperrorgane durch einen Elektromotor hat den Vorzug, daß das Antriebsaggregat relativ
raum- und gewichtssparend aufgebaut sein kann im Vergleich zu einem Antrieb mit Elektromagneten. Es sind jedoch auch
andere Lösungen dieses Teilproblems denkbar.
Der Dialysator 3 besteht aus einem Unterteil JA und einem
Oberteil 3B, zwischen denen die semipermeable Membran
(nicht sichtbar) eingespannt ist. Im Bereich außerhalb der Membranfläche sind Unter- und Oberteil dicht schließend
miteinander verbunden. In das Unter- und Oberteil sind deckungsgleiche Rinnen eingearbeitet, um die Flüssigkeiten
definiert zu führen. Die drei Schläuche für die Zufuhr des Meßgutes und der Eichlösungen sind in dem Anschluß 9 zusammengeführt.
Von dort geht ein aus den Rinnen gebildeter
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gewundener Kanal l\2 aus, der in dem Anschluß kj endet.
Ein Schlauch kk verbindet diesen Anschluß mit der
Rollenpumpe 8, die in bekannter Weise z. B. aus einem Radteller mit drei oder mehr Walzen besteht, über die
ein elastischer Schlauchteil gespannt ist. Hinter der Pumpe leitet ein Schlauch k6 das Meßgut zurück. Die
bei Betätigung der Absperrorgane fließende Eichlösung nimmt den gleichen Weg. Die Trägerflüssigkeit, die
durch einen Schlauch ^7 zugeführt wird, tritt in ein
Anschlußstück 48, das sich am Oberteil 3B des Dialysators
3 befindet. Von dort führt eine Bohrung zu einem Kanalstück k9, das im Gegensatz zu dem spiralig gewundenen
Kanal h2 nur in das Unterteil eingearbeitet ist. Bei
der Anschlußstelle ^3 schließt sich der spiralig gewundene
Kanal kz an, der durch die Membran in die Kammern
und 7 (Fig. 1) geteilt wird. Die Trägerflüssigkeit fließt an der Unterseite der Membran entgegengesetzt zum Meßgut
bzw. zur Eichlösung in der gleichen Spiralform zu einem Anschluß 50 in der Mitte des Dialysators 3· Dieser Anschluß
ist dicht schließend in einen dazu passenden Stutzen ^5
am Grundgestell 32 gesteckt und stellt so die Verbindung zu einem Kanal 5I her, in dem die Analyse der Trägerlösung
stattfindet.
Die Meßfühler 20 sind an der Oberseite des Grundgestells 32 in mit dem Kanal 5I in Verbindung stehende Bohrungen
eingeschraubt und über Stecker ^k und Kabel 21 mit dem
Anzeige- und Auswertegerät 22 (Fig. 1) verbunden. Sie besitzen je eine Dichtfläche, die durch Einschrauben des
betreffenden Meßfühlers dichtend an eine entsprechende Dichtfläche der zugeordneten Bohrung 53 angedrückt werden
kann und so die Öffnung des Kanals 51 abschließt. Die Meßfühler
können beispielsweise als ionenselektive Elektroden, gassensitive Elektroden und/oder Bezugselektroden ausgebildet
sein. Ferner ist es möglich, über Einsatzkörper von
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gleicher Gestalt wie die Meßfühler einen Bezugselektrolyt und/oder Zusätze zur vorbereiteten Durchführung
chemischer Reaktionen der Trägerflüssigkeit zuzuführen.
Am Ausflußende des Kanals 51 wird die Trägerlösung
mittels eines Schlauches 55 abgeleitet und durch die Rollenpumpe 2k in ein Sammelgefäß gefördert. Ein am
Grundgestell befestigtes Antriebsaggregat 56, nämlich ein Elektromotor mit Getriebe, dient zum gemeinsamen
Antrieb der Rollenpumpen 8 und 2k.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung für den Antrieb
der Klemmstifte einschließlich der zugehörigen elektrischen Steuerschaltung ist in Fig. k dargestellt.
Die beiden Klemmstifte 37 und 38 sind an Hebeln 60 und 6i befestigt, die am anderen Ende an einer Drehachse
59 frei beweglich gelagert sind. Diese Drehachse ist z. B. die Getriebewelle des Getriebemotors kl. Die
beiden Druckfedern 62 und 63 geben den Hebeln die erforderliche Vorspannung, um im Ruhezustand die Schläuche
39 und *40 (Fig. 2) abzuklemmen. Die Bewegung der Hebel
entgegen den Federkräften erfolgt dadurch, daß ein fest an der Getriebewelle angebrachter Hebel 6k mit seinem
abgewinkelten Ende durch die Antriebskraft des Motors gegen einen der Hebel 60 und 61 bewegt wird und diesen
mitnimmt. Bei Linksdrehung der Getriebewelle wird gemäß Fig. k der Hebel 60 entgegen der Kraft der Feder 62 nach
unten gedrückt, bei Rechtsdrehung wird der Hebel 61 entgegen der Kraft der Feder 63 nach oben gedrückt. Die Kraft,
mit der diese Bewegungen erfolgen, kann durch eine Strombegrenzung im Motorstromkreis eingestellt werden, z. B.
durch einen in den Motorstromkreis eingeschalteten Widerstand 65.
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Bei Verwendung eines Gleichstrommotors wird die Drehrichtung durch die Polarität der Betriebsspannung bestimmt.
Zum Umpolen der Betriebsspannung dient ein Relais 66, das von einem Flipflop 67 gesteuert wird.
Die Setz- und Rücksetzeingänge des Flipflops sind mit einem Steuerschalter 68 verbunden. Wenn z. B. der
Steuerschalter in die Stellung E1 (Eichflüssigkeit 1)
gebracht wird, tritt am Ausgang Q des Flipflops 67 eine positive Spannung auf, so daß das Relais 66 anzieht
und der Motor auf Linkslauf geschaltet ist. Um den Motorstromkreis zu schließen, muß außerdem der Arbeitskontakt eines Relais 72 geschlossen sein. Dies ist dadurch
gewährleistet, daß die Spule dieses Relais vom Steuerschalter über eine Diode 69 eine positive Spannung
erhält und dadurch aktiviert wird. Der Motor läuft dann nach links, bewegt den Hebel 60 nach unten und
kommt aufgrund der strombegrenzenden Wirkung des Widerstandes 65 zum Stillstand. Beim Zurückschalten des
Steuerschalters 68 in die Stellung M (Messen) kommt ein positiver Spannungsimpuls auf den dynamischen Eingang des
Flipflops 67, so daß sich der Schaltzustand des Flipflops umkehrt und der Ausgang Q' spannungslos wird. Das Relais
fällt ab, so daß der Motor jetzt auf Rechtslauf eingestellt ist. Der Motorstromkreis bleibt geschlossen, weil die
Spule des Relais J2 vom Steuerschalter über den geschlossenen
Kontakt eines Mikroschalters 70 weiterhin eine positive
Spannung erhält. Der Motor läuft somit im Rechtslauf, bis ein am Hebel Gk befindlicher Nocken 71 den Mikroschalter
betätigt, so daß das Relais 72 abfällt und den Motorstrom unterbricht. Der Mechanismus bleibt in dieser Ruhestellung,
bis der Steuerschalter 68 erneut in eine der Stellungen E1 oder E2 gebracht wird. Die Arbeitsweise bei Umschaltung
in Stellung E2 ist völlig analog und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.
Ik/s ch
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Claims (5)
1./Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse nieder—molekularer
Bestandteile einer strömenden Flüssigkeit mit einem Dialysator, bestehend aus einem in Längsrichtung durch
eine semipermeable Membran zweigeteilten Kanal, dessen Membran die niedermolekularen Bestandteile aus der Meßflüssigkeit
in eine strömende Trägerflüssigkeit eindiffundieren läßt, und einer in der Ableitung der Trägerflüssigkeit
befindlichen Analysenstrecke für die niedermolekularen Bestandteile, sowie gesteuerten Absperrorganen
zum wahlweisen Einleiten der zu analysierenden Flüssigkeit und einer Eichlösung in den Dialysator, dadurch gekennzeichnet
« daß die Analysenstrecke (19), die Absperrorgane (37t 38) und die Pumpen (8, 2*0 zum Antrieb der
Meß- und Trägerflüssigkeit auf einem gemeinsamen Grundgestell
(32) montiert sind, auf das der Dialysator (3)
mit den Zu- und Ableitungen für die Meß- und Eichlösungen
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ORIGINAL INSPECTED
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derart aufsetzbar ist, daß sein Anschluß stück (50)
für die Analysenstrecke in Eingriff mit einem entsprechenden Anschlußstück (^5) des Grundgestells
steht.
steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dialysator (3) und die Zu- und Ableitungen (3°, Ί6) für das Meßgut als Einmalartikel ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dialysatorkanal (^2), der durch die semipermeable
Membran (5) in Längsrichtung unterteilt ist, spiralförmig im Dialysator (3) verläuft.
k. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuleitungen (30, 39, ho) in einer mit dem
Dialysator (3) verbundenen Halterung (31) derart geführt sind, daß die Halterung die Widerlager für die Absperrorgane (37, 38) bildet.
Dialysator (3) verbundenen Halterung (31) derart geführt sind, daß die Halterung die Widerlager für die Absperrorgane (37, 38) bildet.
5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansperrorgane als Klemmstifte (37, 38) ausgebildet
sind, die von einem Elektromotor (k"\) je nach
dessen Drehrichtung abwechselnd gegen die Widerlager in der Halterung (31) gedrückt werden können, um die
als nachgiebige Schläuche ausgebildeten Zuleitungen (30,
39, 4o) abzuklemmen.
Θ09851/0117
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