DE2833356A1

DE2833356A1 - Verfahren zur optischen messung von stoffkonzentrationen

Info

Publication number: DE2833356A1
Application number: DE19782833356
Authority: DE
Inventors: Dietrich Werner Prof Luebbers
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1978-07-29
Filing date: 1978-07-29
Publication date: 1980-02-14
Also published as: ATA515779A; US4306877A; AT391949B; DE2833356C2

Description

DR. HANS W. HOFMANN

Hauberisserstraßa 36 Postfach 33 26 6200 Wiesbaden 1 Telefon (06121) 761479

Datum: 21 JL¹L 1978

Ihr Zeichen:

Mein Zeichen: "8015 MPG

"e+e-'bpt I sehe- Messung von Stoff- ^rtto6yfi._% konzentrat tonen"

\to.y? ^Erf< LUBBERS,

Π30007/0167

.DIE OPTISCHE MESSUNG VON STOFFKONZENTRATI O, NE N.

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und einer Anordnung zu Anwendung des Verfahrens zur

5 optischen Messung von Stoff konzentrationen durch Lichtmessung mittels eines Monochromator und einer Lichtmesseinrichtung an einem auf die Änderung der Stoffkonzentration mit einer Spektral änderung reagierenden Indikator, der in einem Indikatorraum an-

lOgeordnet ist, welcher durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist.

Bei Anordnungen der vorbeschriebenen Art ist es bei '·*PräzIsionsmessungen erforderlich, die Eichung der verwendeten Indikatoren vorzunehmen. Dies ist insofern von Bedeutung, als der Indikator durch die Absperrung durch die Membran nicht ohne weiteres zugängl ich i st.

Im Folgenden wird ein Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist,als OPTODE bezeichnet.

Die Eichung einer solchen Optode kann zwar derart erfolgen, dass diese einer Eichsubstanz bekannter Konzentration ausgesetzt wird . Es gibt jedoch Fälle/ in denen die Entfernung der Optode vom Messobjekt sehr hinderlich ist, wie dies beispielsweise bei Messungen mittels eines Katheters in den Blutgefässen der FaI1 Ist.

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. Um dIe Handhabung von Optoden zu verbessern, wird nach der Erfindung der Indikatorraum mit dem Messobjekt und mit mindestens einem Vergleichsstoff bekannter Konzentration in Wirkverbindung gestellt und die Signale vom Messobjekt und vom Vergleichsstoff verglichen.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass Eichungen sofort und auch während der Messungen vorgenommen werden können.

,«Insbesondere ist dies dann möglich, wenn bei einer Messanordnung ein optisch transparenter Vergleichsstoff bekannter Konzentration an der der Objektseite der Optode gegenüberliegenden Seite der Optode angeordnet ist.

15ln einer anderen Art der Anordnung besteht die Optode aus mindestens zwei Teiloptoden, die jeweils mit mindestens einem Vergleichsstoff bekannter Konzentration in Wirkverbindung stehen und dass das aus den Signalen der Lichtmesseinrichtung für beide Teiloptoden erzeugte

20Vergleichssignal anzeigbar ist.

.Für besondere Fälle ist es vorteilhaft, wenn der Vergleichsstoff eine Vergleichskammer durchströmt. Hierbei kann dann eine Nullmethode Verwendung finden, bei

der die Konzentration des Vergleichsstoffes solange 25

geändert wird, bis er die gleiche Spektral änderung wie das Messobjekt zeigt.

Vorteilhaft besteht dann der Vergleichsstoff aus einer Mischung aus dem zu messenden Stoff und einer Traget— 3QSubstanz.

Dann kann die Messung auch dadurch erfolgen, dass das Mischungsverhältnis anzeigbar ist, wenn die Nullmethode zur Verwendung kommt.

Eine We Iterentwiklung der Erfindung besteht darin, dass

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das Mischungsverhältnis selbsttätig regelbar ist, wobei die Steligrösse durch das Signal der Lichtmessung bestimmt ist.

Bei dieser Methode kann die eigentliche Messung mittels der leichter behercschbaren Messung des Mischungsverhältnisses zweier Substanzen erfolgen.

Besonders einfach ist die Messung dann, wenn der Vergleichsstoff gasförmig ist, weil dann die verwendenten Substanzen einfach vermischt und auch entfernt werden

können.
10

Auch hat die Verwendung von Eichflüssigkeiten einige Vorteile, wie insbesondere die Temperierung und die Hinleitung zur Optode.

Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, wenn die -Ί5Tei1optoden, die mit dem Verglerchsstoff in Wirkverbindung stehen jeweils an einem Teilstrang des objektseitigen Endes eines Lichtleiters angeordnet sind, dass die den Teiloptoden zugeordneten Empfänger jeweils an den Teilsträngen des zweiten Endes des

20LIcht1eiters angeordnet sind, dass an mindestens einem Teilstrang des zweiten Endes des Lichtleiters ein Monochromator · vorgesehen ist und dass die Teilstränge des objektseitigen Endes des Lichtleiters jeweils einem Empfänger und ein Monochromator zugeordnet sind.

Durch diese Anordnung ist es ermöglicht, den Vet— gleIchsstoff ausserhalb des Objektes zu verwenden, was insbesondere bei der Katheter is ierung in den Blutgefässen

zu einer Verringerung der Belastung von Patienten 30

führt.

Eine vorteΠ haft einfache Anordnung ergibt sich dadurch, dass die Vergleichskammer den Kopf eines aus einem Lichtleiter bestehenden Katheters bildet und dass die ZuIeItungen zu der Vergleichskammer mit dem Lichtleiter fest verbunden ist.

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• Durch diese Anordnung ergibt sich eine sehr einfache Vorrichtung, wenn an schwer zugänglichen Stellen gemessen werden sol I.

Insbesondere ist diese Anordnung vereinfacht, wenn die Zuleitungen zu der Vergleichskammer aus polymerisiertem Polyveny1 chi or id besteht, in das der Indikator eingesiegelt ist.

In der nachfolgenden Zeichnung sind verschiedene Einzelheiten der Erfindung zur Erläuterung schematisch ^dargestellt. Es zeigen:

Fig. l:Eine zwischen Messobjekt und Vergleichskammer eingeschlossene Optode,

Fig. 2:Eine Anordnung mit zwei Teiloptoden, Fig. 3:Einen Lichtleiter mit einer unabhängigen 15Vergleichsoptode_f

Fig. 4:Είηε Verg 1 e ichs kammer am Kopf eines L icht 1 e i ters, FIg. 5rEine Vergleichskammer aus einem Schlauch mit einpolymerisiertem Indikator.

In Fig. 1 wird eine Messkammer 10 vom Objekt 1 durch-20

flössen. Die Messkammer 10 ist durch eine Optode 30 abgeschlossen. Auf der der Messkammer 10 gegenüberliegenden Seite der Optode 30 ist eine Vergleichskammer 20 angeordnet, die ebenfalls mit der Optode

30 in Wirkverbindung steht und von einem Vergleichs-25

stoff 2 bekannter Konzentration durchströmt ist.Eine Beleuchtungseinrichtung k0 sendet monochromatisches Licht 400 aus, das die Optode 30 trifft. Das von der Optode ausgehende Licht 401, sei es reflektiertes

Licht oder Fluoreszenzlicht, trifft die Lichtmess-30

einrichtung 50 und erzeugt dort ein Signal in der Anzeigevorrichtung 60. Die Mischung des Vergleichsstoffes 2 wird nun derart verändert, bis die Anzeige der Anzeigevorrichtung den gleichen Wert hat, wie er ohne den Vergleichsstoff vorlag. Dann stimmt die

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• Mischung des Vergleichsstoffes, dessen Konzentration leicht einstellbar ist, mit der Konzentration des Messobjektes überein.

Bei einer Anordnung nach Fig. 2 werden zweckmässig zwei Lichtmesseinrichtungen ' 50 - 60 wie in Fig. verwendet, die die spektrale Änderung der Teiloptode 31, die mit dem Messobjekt 1 in Wirkverbindung steht, und der Teiloptode 32, die mit dem Vergleichsstoff 2 in Wirkverbindung steht, messen. Zeigen beide Anzeigeeinrichtungen den gleichen Wert an, dann ist

wegen der bekannten Konzentration des Vergleichsstoffes 2 auch die Konzentration des Messobjektes bekannt.

Diese Anordnung hat auch den besonderen Vorteil, dass sich Schwankungen der Spektralvertei1ung des Mono-V5 chromators 40 ausg 1 e ichen, . wenn der gleiche Optodentyp für beide Teiloptoden verwendet wird, weil dadurch in beiden Strahlengängen der gleiche Filterfaktor auf die Strahlungsintensität wirksam ist.

In Fig.3 ist 100 ein Lichtleiter, der am objektseitigen Ende in zwei Teilstränge 101 und 102 aufgespalten ist und der am zweiten Ende aus drei Teilsträngen 103, 104 und 105 besteht. Die Fasern des Teil stranges

103, an dem ein Monochromator 41 angeordnet ist werden in vorbest irrmtem Verhältnis in die Teilstränge 101 und 102 geleitet, während die Fasern des Teilstranges

104, an dem ein Empfänger 51 angeordnet ist, nur zum Teilstrang 101 laufen und die Fasern des Teilstranges

105, an dem ein Empfänger 52 angeordnet ist nur zum Teilstrang 102 geführt sind. In Teilstrang 102 be~ finden sich sonach Fasern zum Empfänger 52 und zum Monochromator 41, in Teilstrang 101 verlaufen Fasern zum Empfänger 51 und zum Monochromator 41. An der Endfäche der Teilstränge 102 und 101 sind diese Fasern statistisch oder in zweckmässiger räumlicher Verteilung festgelegt. Es gibt dort demnach Fasern die die Beleuchtung der Vergl e ichskaimfrier 20 und des ■ Objektes 1 vornehmen und solche, die das von dort ausgehende Licht zu den Empfängern zurückleiten. Zwischen der Vergleichskammer und der Endfläche des

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. Tei1 stranges!02 sowie zwischen dem Objekt 1 und der Endfläche des Teilstranges 101 befinden sich die

Zo Optoden 30 und 31, die mit der Vergleichskammer und

1
dem Objekt in Wirkverbindung stehen. Zur Verdeutlichung sind die Abstände in der Zeichnung vergrössert.

Mit dieser Anordnung können nunmehr gleichzeitig die Optoden 31 und 30 beleuchtet und ausgemessen werden. Wenn die Signale der Anzeigevorrichtungen 61 und 62 übereinstimmen, dann ist auch die Konzentration des gemessenen Stoffes bei dem Objekt und bei der Ver-

1OgIeichskammer gleich.

Die Signale können in bekannter Weise elektronisch verglichen, oder nur das Differenzsignal erzeugt und angezeigt werden. Die dazu erforderlichen Anordnungen sind bekannt und in der Zeichnung nicht dargestellt.

15ln Fig.if ist ein Lichtleiter 100 vorgesehen, der die Hinleitung von Monochromator 1 icht zu der Optode 30 und die Rückleitung des reflektierten Lichtes oder des 'Fluoreszenzlichtes aus der Optode vornimmt. Die Optode 30 steht In Wirkverbindung mit der Vergleichskammer deren Zuleitungen 201 und 202 fest mit dem Lichtleiter 100 verbunden sind. Zur besseren Übersicht sind die Zuleitungen getrennt vom Lichtleiter gezeichnet. Die richtige Konzentration wird durch die Optode dann angezeigt, wenn sich die Farbe der Optode bei durch-

25geleitetem Vergleichsstoff 2 nicht ändert.

In FIg.5 besteht die Vergleichskammer und die Zuleitungen aus einem Schlauch bspw. aus Polyvinylch'orid 2000 in den der Indikator In bekannter Weise eingesiegelt ist. Das hat den Vorteil, dass dieses Te-i 1 einstückig sein kann. Auch Agar oder Silikon ist als Material verwendbar.

Zoo)

Weiterhin kann die Vergleichskammer abwechselnd perfundiert und entleert werden, sodass noch genauer der Einfluss des Messobjektes auf die Optode mit dem Einfluss des VergleIchsstoffes verglichen werden kann. 35

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. Anordnungen nach Fig. 5 können darüberhinaus aber auch in Zusammenwirkung mit Polarografiesonden und dergl verwendet werden. Hierbei wird die Vergleichskammer als Membran (Doppelmembran;) zur Abdeckung der PolarografIesonde gegen den Aussenraum verwendet.

Der zu messende Stoff erreicht also die polaragraflschen Elektroden nach Diffusion durch die beiden, die Wand der Vergleichskammer bildenden Schlauchteile. Insoweit bildet die zusammengepresste Vergleichskammer die Abdeckungsmembran. Will man die Polaro- 0 grafiesonde eichen, lässt sich die Vergleichskammer mit Hilfe eines Vergleichsstoffes perfundieren, sodass nun dieser Vergleichsstoff durch die Wand der Vergleichskammer, .die jetzt hoch die Polarografiesonde abdeckt, die polarografI sehen Elektroden erreicht.

Auf diese Weise lässt sich auch eine polarografisehe Sonde mit einer Anordnung nach Fig.5 eichen. Dabei ist natürlich der eingesiegelte Indikator entbehr— lieh und bei der Messung am Objekt" ist zu beachten, dass der zu messende Stoff eine doppelte Membran zu durchqueren hat.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1, Verfahren zur optischen Messung von Stoffkonzentrat ionen durch Lichtmessung mittels eines Monochromators und einer Lichtmesseinrichtung an einem auf die Änderung der Stoffkonzentrat ion mit einer Spektral änderung reagierenden Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten

•jQSeite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt Ist, d a d u r c Y\ g e k e η η ζ e i_c h-

wO) Ci)

net, dass der Ind i katorraurrPmi t dem MessobjekC-^ und mit mindestens einem Verglelchsstoff^bekannter Konzentration Jn Wirkverbindung steht und die SLsnale

0) \Z) fä)

vom Messobjekt^lind vom Vergl eichsstof F-messbar sTnd
2. Anordnung zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisch transparenter Vergleichsstoff^bekannter

Go)--/ Konzentrat lon an der der Objektse i te der Optode-^

ßö)-2-

gegenüberliegenden Seite der Optode^-angeordnet ist.
3. Anordnung zur Anwendung des Verfahrens

nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet^ dass die

60(3·?) oiOptode aus mindestens zwe I Teifoptoderr-'bestehtv die

®- jeweils mit mindestens einem Vergiß Ichsstof r""bekannter

Konzentration sowie dem Messobjekt^iη Wirkverbindung

(33) stehen und dass das aus den Signalen der Tei1optod erzeugte Vergleichssignal anzeigbar ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche

2 odec^3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichs-

stof t*-e Ine Vergl e lchskammer-aurchströmt.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichsstoff aus einer Mischung aus dem zu messenden Stoff und einer Trägersu bstanz besteht.

c
6. Anordnung nach Anspruch 5_S

dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis anzeigbar ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5,dadurch

·, ngekennze lehnet, dass das Mischungsverhältnis selbsttätig

ioo) regelbar Ist, wobei die Stel1grösse durch das Signal der L ichtmesse i nr Ichtuntrbest immt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch ^gekennzeichnet, dass der Vergleichsstoff gasförmig
9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichsstoff flüssig ist.
10. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass TeiloptodenV die mit dem Vergleichsstoff In Wlrkverbindung stehen jeweils an einem Te i 1 strangles

_Ocobjektsei11 gen Endes eines Licht1eIters^angeordnet

Cii)··· sind, dass die den Te i loptoderf-'zugeordjieten Empf änger^-3 ewe 11 s an cign Te i 1 st rängerMdes zweiten

Woo)

Endes des Licht 1 e i ters^-angeordnet sind, dass an mindestens einem Te 11 strangles zweiten Endes des Lichtleiters Wn UoS)...

3Q ein Monochromator /'--vorgesehen ist, dass die Te i 1 st ränge-^ des objektseitigen Endes einschl iess 1 ich des dem Objekt

zugeordnetenι Te I 1 strangest-ties objektse i LJ gen Endes des ^ (Q (sä)... P) fen

Licht 1 e I ters^-jewe I 1 s einenv Empf änger-^uncr des Monochromators^

zugeordnet sind.
35

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.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche

1 bis i. dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichskammer-aen Kopf eines aus einem Licht 1 eiterVöestehenden

ΰθί\-(ΖΒ2)

Katheters bildet und dass die ZuIe.itungeYr zra der Ver- (Zo) Uom

gl e ichskammerMni t dem Licht 1 e i ter-^Fest verbunden sind.
12. Anordnung nach Ansoruch 11, dadurch

gekennzeichnet, dass die ZuI e i tungen^u der Vergleichskammer und die Vergleichskammer^einstückig aus einem Schlauch von polymerIsiertem Polyveny1 chi or id besteht,

"t Ö ΐ η das der Indikator eingesiegelt ist.
13. Anordnung zur Einwirkung auf eine

zur Messung von Konzentrationen eines Stoffes vor— gesehene Messonde, dadurch gekenn ζ eic h-15n et, dass eine aus einer für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran bestehende, perfundierbare Vergleichskammer die Messonde abdeckt.

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