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Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemisch-enzvnatischen
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Analyse strömender Flüssigkeiten Zusammenfassung Zur Feststellung
bestimmter, insbesondere organischer Bestandteile in einer Flüssigkeit wird derselben
eine Enzymlösung zugesetzt, die mit dem betreffenden Pestandteil reaaiert. nas Peaktionsprodukt
dient als Indikator für den betreffenden Pestandteil. Die Konzentrationen dieses
Indikators am Anfang und am Fnde einer vorgegebenen Meßstrecke werden miteinander
verglichen. Hierzu ist in einem Analvsehlock, der die verschiedenen Sensoren und
Dosiervorrichtuneen umfaßt, eine Umwegleitung passender Länne zwischen den beiden
fjr den betreffenden Indikator empfindlichen Sensoren vorgesehen.
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Stand der Technik Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
elektrochemisch-enzymatischen Analyse strömender Flüssinkeiten nach den Gattunnsbeariff
des Hauptanspruchs. Ferner hezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Ausfiihruna
dieses Verfahrens. Insbesondere ist die Frfinduna zur Messuna der Konzentration
organischer Moleküle in wässrigen Medien, bei medizinischen Anwendungen insbesondere
im Blut, aeeianet.
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Das Prinzip der Analyse organischer Moleküle unter Ausnutzung enzymatischer
Reaktionen ist bekannt. Ein Beispiel hierfür ist die Messung der Glucosekonzentration
unter Anwendung des Enzyms Clucoseoxidase, das sein Substrat (Glucose) unter Sauerstoffverbrauch
in Gluconsäure umsetzt. Der Sauerstoffverbrauch ist damit ein.Maß für die Menae
der umaesetzten Glucose. Analoge Methoden sind z.B. zur Bestimmunq von Harnsäure,
Aminosäuren usw. bekannt.
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Diese enzymatischen Methoden eignen sich für eine Kombination mit
einem elektrochemischen Meßprinzip, in dem ein Reaktionspartner, der durch die enzymatische
Reaktion verbraucht oder freigesetzt wird, mit einem elektrochemischen Sensor quantitativ
erfaßt brd (M. Kessler, L.C. Clark, D.W. Lübbers, I.A. Silver und W. Simon: Ion
and Enzym Electrodes in Bioloay and Medicin.
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Urban + Schwarzenberg, München-Berlin-t'.ien 1976).
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So sind z.B. zur Konzentrationsbestimmunq von Glucose in wassriqem
Medium unter Anwendung von Glucoseoxidase zwei Methoden dieser Art bekannt, nämlich
entweder ionenselektive Anzeige ritter einer semipermeablen Membran oder ein amperometrisches
Verfahren, bei dem eine Platinelektrode mit einer Enzymschicht beschickt wird und
der Ablauf der Enzymreaktion an einen Redoxprozeß gekoppelt wird, so daß eine Stromst<4rkemessung
in Relation zur Substratkonzentration mittels der elektrolytischen Oxidation des
reduzierten Akzeptors möglich wird (Seite 173 dessen zitierten Buches).
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In beiden Fällen ist eine immobilisierte Enzymschicht einem Sensor
vorgeschaltet. Es ist auch bekannt, schlauchartige, oberflächlich mit Enzymen besetzte
Reitoren in räumlicher Trennung von einem Sensor zu verwenden; auch hier ist das
Enzym immobilisiert und der Uebergang zu einem anderen Enzym zwecks Untersuchunq
eines anderen Bestandteils des Me.nqutes bedingt eine Auswechslunn der gesamten
Analysevorrichtung.
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Vorteile der Erfinduna Die im Hauptanspruch gekennzeichnete Frfindung
bezweckt, eine einheitliche Analysevorrichtung für verschiedene durch enzymatische
Reaktionen der beschriebenen Art umsetzbare Substanzen zu schaffen, d.h. die gleiche
Analysevorrichtung kann nach Bedarf für verschiedene Analysen eingesetzt werden.
Insbesondere ist eine quasi-kontinuierliche Analyse von Blut und anderen biologischen
Flüssigkeiten möglich, wohei durch einfache Umschaltung bestimmter Betriebsparameter
eine sequentielle Abfrage verschiedener Analysenwerte durchgeführt werden kann.
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Dies gelingt durch Übergang zum schwimmenden Verfahren, d.h.
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das Enzym wird dem Meßut in flüssiger bzw. gelöster Form zuqesetzt.
Durch die damit einaeleitete Umsetzung des Substrats mit dem Enzym ändert sich der
Anteil des zur Anzeige benutzten Reaktionsprodukts in dem Gemisch von MeR- und Enzymlesuno
zeitlich. Da es sich um ein Durchflugsystem handelt, führt diese zeitliche Abnahme
zu einem vom Mischpunkt an über die gesamte Flußstrecke verteilten Konzentrationsaradienten.
Die Zeit, die das Cemisch zum Zurücklegen einer definierten Strecke benötigt, ist
durch die räumlichen Verhältnisse und die durch flußrate bestimmt und stellt die
für die messung ausgenutzte Reaktionszeit dar. Am Anfang und am Ende dieser rXeP.strecl-e
befinden sich für den betreffenden Indikator empfindliche Sensoren, deren Anzeigedifferenz
gemessen wird.
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Die Auswertung der von den beiden Sensoren qelieferten ßlesignale
gestattet es, den EinfluR von unterschiedlichen Ausganswerten der Indikatorkonzentration
im MePgut und/oder der Enzymlösung auf das Analysenergebnis auszuschließen, da aufgrund
der zwei gewonnenen Meßwerte die zwei Veränderlichen, näinl ich anfängliche Indikatorkonzentration
und anfänaliche Konzentration des Substrats in der Flüssigkeit, eindeutig bestimmbar
sind; dies läßt sich mittels einer entsprechenden
elektronischen
Auswertschaltung in bekannter Weise durchführen.
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Hierin liegt ein beachtlicher Vorteil dieses Verfahrens, denn es erübrigt
sich auf diese Weise,die Meßlösung und die Enzym lösung vorher auf einen genau definierten
Indikatorgehalt einzustellen, wie es hei den bisher bekannten Verfahren erforderlich
ist.
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Beschreibung der Erfindung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Jede Frisur zeigt einen
Längsschnitt einer Analysevorrichtung.
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Die Analysevorrichtunn nach Fig. 1 enthält einen Analysatorblock 1
mit einem in Langsrichtunq verlaufenden, teilweise unterbrochenen MeEgutkanal 2
und mehreren seitlichen, mit Gewinde versehenen Bohrunaen. In diese sind Ahzweiganschlüsse
3, 4, 5 und Sensoren 6 und 7 eingeschraubt.
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Die Sensoren sind hier als Meßelektroden ausgebildet.
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Die zu analysierende Meßlösung tritt mit definierter Flußrate von
links in den Meßgutkanal des Analysatorblocks ein.
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Durch den Abzweiganschluß 3 wird mit Hilfe einer Pumpe P aus einem
Vorratsgefän eine Fnzymlösuna mit definierter Förderrate zugeführt und mit der Meßflüssigkeit
gemischt. Das Gemisch passiert die erste Meßelektrode 6 und wird dann durch den
Abzweiganschluß 4 in die Umwegleitung 9 gefiihrt. Durch den Abzweiganschluß 5 gelangt
das Gemisch in den zweiten Xanalabschnitt des Analysatorblocks 1 und passiert die
zweite Meßelektrode 7. Es fließt dann durch ein Anschlußstück 10 und eine Leitung
11 mm Abfluß.
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Die Umwegleitung 9 besteht hier einfach aus einem Schlich passender
Länge. Diese Lösung ist einfach, billig und bequem; die Schlauchlänge 1Rt sich ohne
Mühe an die jeweiligen
Erfordernisse anpassen. Die Zeit,die das
Gemisch von 6reR-und Enzymlösung zwischen der ersten Meßelektrode 6 und der zweiten
Meßelektrode 7 benötigt, ist durch die räumlichen Verhältnisse und die Durchflußrate
bestimmt und stellt die für die Messung ausgenutzte Reaktionszeit dar.
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Die beschriebene Vorrichtung kann z.B. zur kontinuierlichen Analyse
von Blut hinsichtlich seines Gehalts an Glucose dienen.Da das im Blut enthaltene
Hämoglobin durch seine Affinität zu Sauerstoff den der Messung zugänglichen Gehalt
an gelöstem Sauerstoff in unvorhersehbarer Weise beeinflussen wiirde, ist die Vorschaltunq
eines Dialysators vor die eiaentliche Analysevorrichtung vorgesehen. Dieser Dialysator
besteht gemäß Fig. 1 aus zwei Gehäusehälften 11 und 12 mit eingearbeiteten Kanälen
13, die z.B. spiralig verlaufen und aufeinanderpassen. Zwischen beiden Gehäusehälften
ist eine dilnne Folie eingespannt, die als semipermeable r.embran dient unO z.B.
aus Cellulosederivaten, Polycarbonat oder einem anderen Material loesteht. Die Isembran
ist jedoch für korpuskultre und hochmolekulare Bestandteile (z.P. Eilzeißmolekiile)
undurchlässig.
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Das Meßgut (Blut) wird durch einen Schlauch 35, ein AnschluP-stück
16 und einen Kanal 17 auf die eine Seite der Membran geleitet, fließt durch die
Spiralwindungen des Kanals 13 an der Membran entlang und wird schließlich durch
einen Kanal 18 und eine Schlauchleitung 19 mit Hilfe der Pumpe 20 zurfickoeführt.
Im Gegenstrom fließt auf der anderen Seite der rtembran eine Träerflüssigkeit, die
aus einem Vorratsgefäß mit Hilfe einer Pumpe 21 durch die Schlauchleitung 22 zuqefishrt
wird.
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Diese Trägerlösung nimmt die für die Analyse interessierenden Substanzen
bis zu einer gewissen Gleichgewichtskonzentration aus dem Blut auf und wird dann
der eigentlichen Analysenstrecke tber den Kanal 40 zugeführt.
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Die Eichung der beschriebenen Vorrichtung aeschieht vorzugsweise derart,
daß anstelle des Meßgutes (Blut) eine Losuna bekannter Konzentration des betreffenden
Bestandteils zuaeführt wird, um den Einfluß des Austauschprozesses an der Membran
in die Eichung einzubeziehen.
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Bei der Glucosebestimmung wird über den Anschluß 3 Glucoseoxidase
zugeführt. Die Sensoren 6 und 7 sind als sauerstoffempfindliche SlePketten mit Platinkathode
ausgebildet.
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Der vorgeschaltete Dialysator ist auf den Analysatorblock 1 aufgesteckt
und kann als steriler Einmalartikel ausgebildet sein, der zur Untersuchung jedes
Patienten ausgewechselt werden kann.
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Die Umschaltung von einerEnzymlösun4 auf eine andere und damit die
Messung eines weiteren Bestandteils kann ohne jede Schwierigkeit durchgeführt werden.
So kann mit geringem Aufwand und sehr rasch eine Vielzahl von Parametern im Blut
oder einer sonstigen Flüssigkeit auantitativ bestimmt werden.
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Eine andere Ausführungsform des Analvsatorblocks ist in Fig.2 dargestellt.
In einem rohrförmigen Gehäuse 30 von vorzunsweise rundem Querschnitt befindet sich
eine Anzahl von Isolierkörpern 31, die je einen axialen Meßgutkanal 32 aufweisen.
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Dieser tteßgutkanal bildet innerhalb jedes Isolierkbrpers eine Meßkammer
33, die über eine seitliche Bohrung 34 des Isolierkörpers zugänglich ist. In diese
Bohrungen ragen Sensoren 35, 35a, Dosiervorrichtunqen 36 oder sonstige Vorrichtunoen,
die in Wechselwirkung mit dem Meßgut in der betreffenden MeP,-kammer 33 treten solXn.Das
Ganze wird durch an den Enden des Gehäuses30 angeordnete Anschlußstücke 37, 38 vervollständigt
und von einem eingeschraubten Stopfen 39 zusammengehalten. Die Sensoren, Dosiervorrichtungen
35 und 36 usw. sind in die Wand des Gehäuses30 eingeschraubt.
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Im vorliegenden Falle dient die Dosiervorrichtunq 36 zur Zuführung
der Enzymlösuns und zwei Sensoren 35 und 35a sind als sauerstoffemfindliche Elektroden
ausgebildet. Zwischen den beiden Sensoren ist eine Reaktionsstrecke 23 einqeschaltet,
die aus spiralförmigen Kanälen besteht. In die beiden Stirnflächen einer Kanalplatte
24 sind spiralförmige Kanüle 2P, 29 eingearbeitet, deren äußere Enden ber eine Bohrung
27 miteinander in Verbindung stehen. Die Kanalplatte 24 ist von seitlichen Deckplatten
25 und 26 eingeschlossen. Das Gemisch von !leE-flüssigkeit und Enzymlösung tritt
aus dem zentralen MeBautkanal 32 des Isolierkörpers auf der Zuflußseite in einen
ersten spiralförmigen Kanal 28, durchläuft diesen von innen nach außen und wird
durch die Bohrung 27 in einen zweiten spiralförmigen Kanal 29 geleitet, den es von
außen nach innen durchflieht. Schließlich gelangt es in den zentralen Meßgutkanal
32 des Isolierkörpers auf der Abflußseite.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die spiralformigen Kanäle
28 und 29 in die Deckplatten 25 und 26 statt in die Kanalplatten 24 einzuarbeiten.
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Zur Eichung der Analysevorrichtung werden dem Analysatorblock eine
oder mehrere Flüssigkeiten mit bekanntem (;lucosegehalt zugeführt. Die Konzentration
der interessierenden Moleküle kann mittels bekannter mathematischer Formeln aus
den Elektrodenmeßwerten errechnet werden.
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