DE2924086A1

DE2924086A1 - Verfahren zur bestimmung der konzentration von reaktionsloesungen

Info

Publication number: DE2924086A1
Application number: DE19792924086
Authority: DE
Inventors: Uwe Prof Dr Faust
Original assignee: STUTTGART INSTGEMEINSCHAFT EV
Current assignee: FAUST, UWE, PROF.DR.-ING., 7000 STUTTGART, DE HAGE
Priority date: 1979-06-15
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1981-01-08
Also published as: DE2924086C2

Description

Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Reaktionslösungen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung der Konzentration und der Temperatur von Reaktionslösungen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 28 20 441) wird der Substanzumsatz einer katalysierten chemischen Reaktion gemessen, indem Licht mit einer bestimmten Wellenlänge, für die die Substanz eine hohe spezifische Absorption aufweist, in die Reaktionslösung eingestrahlt wird. Mit einem Silizium-Element, Fotomultiplier oder einem anderen geeigneten fotoelektrischen Empfänger wird das transmittierte Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt und in einer nachfolgenden Umwandlungschaltung in ein Extinktionssignal umgewandelt. In einem Konzentrationsbereich der Substanz, in dem das Lambert-Beer'sche Gesetz gilt, ist die Extinktion der Konzentration direkt proportional. Somit erhält man aus der änderung der Extinktion pro Zeiteinheit ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit, die zur Angabe der Aktivität eines Katalysators oder zur Bestimmung der Substanzkonzentration verwendet wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit spontan ablaufender und katalysierter Reaktionen ist jedoch von der Temperatur der Reaktionslösung abhängig entsprechend der Arheniusgleichung. Die Reaktion muß also bei einer standardisierten Temperatur stattfinden oder es muß die Temperatur der Reaktionslösung exakt erfaßt und dann als grundlegende Komponente berücksichtigt werden. Da die Reaktionsgeschwindigkeit meist sehr groß ist, bleibt für ersteres Verfahren, nämlich die standardisierte Temperatur einzustellen, meist zu wenig Zeit. Man ist also darauf angewiesen, die gegebene Temperatur möglichst genau zu messen und die Abweichung von einer Bezugssoll-Temperatur im Rechner zu korrigieren.
Die Reaktionslösungen werden in Reaktionsgefäßen, durchsichtigen Meßzellenküvetten, für die Messung aufgenommen, wobei sich entweder durch zugeführte Wärme oder durch Abziehen von Wärme aufgrund der natürlichen Gewichteunterschiede von kälteren und wärmeren Teilen dieser Reaktionslösung die wärmeren Teile oben und entsprechend die kalten Teile unten in der Küvette häufen.
Wenn berücksichtigt wird, daß 1 Kelvin Temperierfehler bereits 100 % Abweichung des Meßergebnisses bewirken, wird klar, daß eine an einer Stelle, nämlich nur in einem Teil des gesamten Küvettenvolumens erfolgte Messung, meist fehlerhaft sein muß.
Ein weiterer Meßfehler tritt auf, wenn ein Reaktionspartner eine hohe Viskosität besitzt. Dies ist häufig der Fall bei der Bestimmung von Enzym-Aktivitäten oder Substrat-Konzentrationen in Körperflüssigkeiten, die in klinisch-chemischen Laboratorien bestimmt werden.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Reaktionslösungen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei der partiellen Messung in der obenbeschriebenen Art ein tatsächlich repräsentatives Ergebnis des gesamten Lösungsvolumens erzielt wird. Dies gilt nicht nur für die Temperatur, sondern auch für die homogene Vermischung von Reaktionspartnern unterschiedlicher Viskosität. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Ultraschallschwingungen verhältnismäßig schnell eine zusätzliche Erwärmung der Reaktionslösung erfolgt, beispielsweise zur Erreichung einer Bezugstemperatur. Eine derartige Erwärmung einer Reaktionslösung über Ultraschallschwingungen ist etwa hundertmal schneller als eine übliche ERwärmung durch Wärmeübertragung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Ausnutzung der Ultraschallschwingungen zur Spülung der Küvette. Die Küvette wird nach Beendigung der Messung entleert und mit Spülflüssigkeit gefüllt, welche dann durch die Einwirkung der Ultraschallschwingungen eine besonders gute Reinigung bewirkt und eine Verschleppung der Reaktionslösung vermeidet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 das Ausführungsbeispiel im grundsätzlichen Aufbau und Fig. 2 eine Ausgestaltung der Erfindung in Form einer Infrarot-Temperaturmessung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels In dem in Fig. 1 stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel dient eine Küvette 1 zur Aufnahme einer zu messenden Reaktionslösung. An die Küvette 1 ist über ein Koppelelement 2 ein elektroakustischer Wandler 3 gekoppelt, der über ein elektronisches Steuergerät 4 angesteuert wird. Der elektroakustische Wandler kann ein piezokeramisch oder magnetostriktiver Wandler sein. Je nach Art des Wandlerelements ist auch das Koppelelement 2 ausgebildet, welches durch Kleben, Schrauben oder andere Mittel mit dem Reaktionsgefäß 1 verbunden ist. Die Temperatur der Reaktionslösung wird durch einen Geber 5 gemessen und ebenfalls dem elektronischen Steuergerät 4 eingegeben. Das vom Temperaturgeber 5 gelieferte elektrische Signal ist vorzugsweise der Temperatur proportional. Mit diesem Signal wird die elektrische Anregeschaltung in geeigneter Weise so angesteuert, daß bei einer vorgewählten Temperatur die elektrische Erregung abgeschwächt oder abgeschaltet wird.
Die optische Messung der Konzentrationsunterschiede in der Reaktionslösung ist nicht näher dargestellt, in ihrer Art jedoch auch, wie eingangs beschrieben, vielfach bekannt.
Licht mit einer bestimmten Wellenlänge durchstrahlt die Reaktionslösung, wobei ein Siliziumelement, ein Fotomultiplier oder ein anderer geeigneter fotoelektrischer Empfänger das transmittierte Licht mißt. Diese Messung erfolgt in der Umsetzung in ein elektrisches Signal, das als Extinktionssignal den Substanzumsatz angibt.
Bei der berührungslosen Messung der Temperatur besteht ein Vorteil, daß als Reaktionsgefäße auch Einmal-Küvetten verwendbar sind, die nach der Messung weggeworfen werden können.
Eine derartige berührungslose Temperaturmessung ist in Fig. 2 dargestellt, bei der die Intensität der von der Reaktionslösung ausgesandten Infrarotstrahlung gemessen wird. Ein Siliziumelement, Bolometer oder ein anderes geeignetes Infrarot-Wandlerelement erzeugt ein der Temperatur entsprechendes elektrisches Signal. Dieses wird dann in der Umwandlungsschaltung 4' so abgeändert, daß es zur Ansteuerung der elektrischen Anregungschaltung des Schwingerregers 3 geeignet ist.
Die Erfindung ist insbesondere in Form der berührungslosen Temperaturmessung zur Bestimmung der Aktivierungsenergie und Errechnung der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer standardisierten Bezugstemperatur geeignet, ohne daß deshalb diese Bezugstemperatur eingehalten werden muß, da schnell eine höhere Temperatur im Reaktionsgemisch eingestellt werden kann. Die Reaktionsgeschwindigkeit selbst wird bei zwei Temperaturen gemessen, wobei die Temperatur von einem Ausgangswert nach einer bestimmten Zeit durch die Einwirkung von Ultraschall auf einen Sollwert angehoben wird. In einem geeigneten Zwischenspeicher, z.B.
einem Digitalrechner, werden die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Ausgangstemperatur und die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Solltemperatur festgehalten und in einem nachfolgenden Rechenschritt verarbeitet. Als Ergebnis erhält man die Aktivierungsenergie des Katalysators und die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Bezugs temperatur. Es ist heute technisch unproblematisch, diese Werte anzuzeigen, auszudrucken oder zur weiteren Verarbeitung dann zwischenzuspeichern.
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Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration und der Temperatur von Reaktionslösungen mit für das ganze Lösungsvolumen gültiger Messung in nur einem Teil des Volumens, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsvolumen durch turbulenzerzeugende Ultraschallschwingungen homogenisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ultraschallschwingungen eine gezielte Veränderung der Temperatur der Reaktionslösung bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Konzentration bestimmt wird durch Messen der Absorption von die Reaktionslösung durchdringendem oder von derselben gestreutem Licht einer bestimmten Wellenlänge.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die änderung Extinktion pro Zeiteinheit unter Berücksichtigung der Reaktionstemperatur zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer katalysierten chemischen Reaktion dient.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Reaktionslösung über die von ihr ausgesandte Infrarotstrahlung gemessen wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lösung in einem Reaktionsgefäß (1) befindet und diese mit einem elektrisch angesteuerten Ultraschallschwingerreger gekoppelt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingerreger (3) ein elektroakustischer Wandler dient, der von einem die Ist-Meßwerte der Lösung verarbeitenden elektrischen Steuergerät (4) (Anregeschaltung) angesteuert wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Koppelung zwischen Gefäß (1) und Schwingerreger (3) eine Vorrichtung (2) mit einer Schraub- oder Klebeverbindung dient.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingerreger (3) mit piezokeramischen oder magnetostriktiven Mitteln arbeitet.