DE2937773A1

DE2937773A1 - Verfahren zur bestimmung der gefrierpunktserniedrigung und eine vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2937773A1
Application number: DE19792937773
Authority: DE
Inventors: Takatoshi Uchigaki
Original assignee: Kyoto Daiichi Kagaku KK
Current assignee: Arkray Inc
Priority date: 1978-09-19
Filing date: 1979-09-19
Publication date: 1980-03-27
Also published as: JPS5831541B2; JPS5542047A; GB2032102B; GB2032102A; DE2937773C2; FR2436985B1; IT7925816A0; IT1123215B; US4304119A; FR2436985A1

Description

Bestimmung der

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur/Gefrierpunktserniedrigung sowie eine neue, auf dem Verfahren basierende Vorrichtung, wobei ein Teil der unterkühlten Probeflüssigkeit noch weiter unterkühlt wird, um als Gefrierstimulanz für die ganze übrige Probeflüssigkeit zu wirken zu dem Zweck, den osmotischen Druck von Probeflüssigkeiten, die Gegenstand klinischer Untersuchungen sind, zu bestimmen. Derartige Probeflüssigkeiten sind zum Beispiel Körperflüssigkeiten wie Plasma, Rückenmarksflüssigkeit, Tränen, oder dialysierte Flüssigkeiten wie Urin·

Der lebende Körper besteht bis zu etwa 60$ aus Wasser· Dieses Wasser ist im menschlichen Körper als Plasma, Zellflüssigkeit oder andere Körperflüssigkeiten mit darin gelösten Substanzen verschiedener Art vorhanden. Da die Zellmembran des lebenden Körpers eine semipermeable Membran ist, folgt daraus, daß der οsmotische Druck der Körperflüssigkeiten, die dialysiert werden, einen großen Einfluß auf die Funktionen des lebenden Körpers haben.

Davon ausgehend sind kürzlich nacheinander verschiedene Vorrichtungen zur Bestimmung des osmotischen Drucks verschiedener Körperflüssigkeiten und Urin auf den Markt gekommen, mit welchen die Bestimmung des osmotischen Drucks von Plasma, Urin, Rückenmarksflüssigkeit usw. in die tägliche Prüfung hineingenommen werden kann zur Diagnose und Kontrolle von Patienten, die an Fromdohydration, Diabetes lnsipidus,

030013/0111

Hyp ο chi or etui a, Hyperchloremia, Uremia, nicht ketonischem und hoch-osmotischem Koma usw. leiden, einschließlich der postoperativen Patienten.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des οsmotischen Drucks erforderlich, bei denen die Probeflüssigkeitsdosis, die zur Bestimmung der unbezahlbaren Rückenmarkeflüssigkeit oder der Tränenflüssigkeit nötig ist, so klein wie möglich ist. Es soll im Bedarfsfall eine große Zahl von Untersuchungen schnell in kurzer Zeit durchführbar sein und die Möglichkeit der kontinuierlichen Bestimmung von Dialyseflüssigkeiten bestehen, was während der Zeit der künstlichen Dialyse unverzichtbar ist.

Die vorstehend angegebenen Forderungen sind Jedoch mit den zur Zeit zur Verfügung stehenden sogenannten Vorrichtungen zur Bestimmung des osmotischen Drucks schwer zu erfüllen. Mit ihnen ist vor allem die zuletzt aufgeführte kontinuierliche Bestimmung nicht möglich. Außerdem stehen bei ihnen verschiedene Punkte in Frage, worauf später noch eingegangen wird. Unter diesen Umständen wird ein neuer Typ von Verfahren und Vorrichtung auf diesem Gebiet begierig erwartet·

Der osmotische Druck in einer Lösung ist ursprünglich definiert als der Druck, der durch Diffusion von reinem Wasser in die Lösung, welche durch eine semipermeable Wand abgetrennt ist, erzeugt wird. Im Fall einer verdünnten

030013/091· *··^/7

Lösung ist der οsmotische Druck, wie andere Eigenschaften, wie Gefrierpunktserniedrigung, Siedepunktserhöhung und Darapfdruckerniedrigung, direkt proportional der Zahl der Mole des in der Lösung enthaltenen Gelösten. Er wird direkt gemessen durch Verwendung einer semipermeablen Membran, aber indirekt wird er bestimmt durch Umwandlung der Werte, die von einer der drei vorstehend genannten anderen Eigenschaften stammen.

Im Fall von Körperflüssigkeiten verursacht das darin enthaltene Protein Hitzekoagulation bei der Siedepunktserhöhungsmethode. Andererseits gibt es einen beträchtlichen Fehler bei der Dampfdruckerniedrigungsmethode, wenn flüchtige Bestandteile, wie Alkohol vorliegen· Für die direkte Methode ist es auch nicht möglich, eine geeignete semipermeable Membran zu finden. Daher niituat die Bestimmung eine Menge Zeit in Anspruch. Folglich wird die Gefrierpunktserniedrigung ausschließlich angewandt·

Was hier al3 Gefrierpunktserniedrigung bezeichnet wird, ist das Phänomen, daß der Gefrierpunkt einer Lösung gegenüber dem des reinen Lösungsmittels entsprechend der Molkonzentration eines gelösten Stoffes erniedrigt wird, wie schon gesagt, was vielfach zur MolekulargewichtsbeStimmung herangezogen wird. Dies ist der Fall beim osmotischen Druck. Er ist auch proportional der Zahl der Moleküle (Atome) in der Lösung, so daß es möglich wird, den osmotischen Druck durch Messung des Grado3 der Gefrierpunktserniedrigung zu finden, wie durch folgende Formel I wiedergegeben werden kann:

030013/0Θ1Ι ^#··^/8

worin bedeuten: ATf der Grad der Gefrierpunktserniedrigung, R die Gaskonstante, Tf der Gefrierpunkt des Lösungsmittels (absolute Temperatur), Io die latente Schmelzwärme pro Gramm des Lösungsmittels, C die Molzahl des in einem kg Lösungsmittel Gelösten, und Kf die molare Gefrierpunktsdepression·

Venn das Lösungsmittel Wasser ist, wie in Körperflüssigkeiten, so ist der Grad der Gefrierpunktserniedrigung der Lösung der molaren Konzentration 1 Mol/kg Menge 1,858⁰C (Kf=1,858⁰C), und der Gefrierpunkt ist -1,858⁰C. Im Gegensatz dazu ist, wenn der Gefrierpunkt der Lösung -1,857°C ist, die molare Konzentration 1 Mol/kg. Da als Einheit des οsmotischen Drucks Osmol verwendet wird, kann der οsmotische Druck der Lösung der molaren Konzentration 1 Mol/kg ausgedrückt werden durch 1 Osm/kg. Da jedoch der osmotische Druck in der Körperflüssigkeit so sehr leicht schwankt, ist es angebracht, die Einheit von 1:1000 von 1 Osm/kg, das ist 1 m Osm zu verwenden»

Vorrichtungen zur Bestimmung des osmotischen Drucks, die jetzt im Gebrauch sind und zum Beispiel in der US-PS 3,203,226 offenbart sind, enthalten ein Kühlrohr, um Probeflüssigkeit in den unterkühlten Zustand zu bringen, also um es um einige Grade unter den Gefrierpunkt abzukühlen, einen Kopf, bestehend aus einem Stabthermistor zum anzeigen der Temperatur des Gefrierpunkts und einen elekromagnetischen

030013/0918

vribrierenden Rührstab für das Gefrieren, einen Meßkreis, einen Steuerteil, einen Anzeigeteil und weiteres. In einer solchen Zusammenstellung werden der Thermistor und der Rührstab in ein Testrohr (diskrete Zelle), das die Probeflüssigkeit enthält, eingesetzt. Dieses Testrohr wird in das Kühlrohr getaucht, um die Probeflüssigkeit in den unterkühlten Zustand zu bringen. Venn die Temperatur der Probeflüssigkeit auf -5 bis -6°C sinkt, wird der Rührstab getrieben, um schnell zu vibrieren und Kryohydratkerne darin zu bilden, durch welche die Probeflüssigkeit als ganzes zum Gefrieren gebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Temperatur der Probeflüssigkeit auf die Temperatur des Gefrierpunkts durch die Entwicklung von latenter Gefrierwärme, und bleibt einige Zeit stehen. Nach einer Weile beginnt die Temperatur allmählich zu sinken. Die Temperatur im gleichbleibenden Teil (Plateau), d.h. die Temperatur der ProbeflUssigkeit, bei der feste und flüssige Phase nebeneinander vorliegen, wird vom Thermistor ermittelt und in Form eines osmotischen Drucks nach Umwandlung auf Basis des Grades der Gefrierpunktserniedrigung angezeigt. Vie erwähnt, können die bekannten Vorrichtungen und Verfahren den Gefrierpunkt deutlich machen durch Gefrieren der Probeflüssigkeit nach Unterkühlen während das Gefrieren durch Vibration stimuliert wird, und sie können den osmotischen Druck genau messen und in relativ kurzer Zeit unter Verwendung eines Thermistors messen, der von geringer Wärmekapazität ist und in der Lage ist, eine geringe Differenz in der Temperatur zu erfühlen.

.../10

030013/0911

Da ein Rührstab als Gefrierstimulanz benutzt wird, ergeben sich folgende fragliche Punkte:

1) Es müssen gleichzeitig der Rührstab und der Thermistor zum Messen des Gefrierpunktes in die Probeflüssigkeit eingebracht werden. Folglich muß ein relativ großes Testrohr verwendet werden und daraus ergibt sich, daß es schwer ist, die zu testende Probe auf eine Mikromenge zu reduzieren· Selbst beim Versuch,Rührstab und Thermistor möglichst klein auszuführen, ist immer ein Abstand einer gewissen Größe erforderlich· Ferner sind der Verkleinerung aus folgenden Gründen Grenzen gesetzt:

Die Intensität der Gefriervibration des Rührstabes ist so stark, daß die Außenluft bei Gelegenheit in das Muster eingesaugt werden kann. Obwohl die Vibrationszeit nur etwa eine Sekunde beträgt, übt die Vibration im Verlauf des Gefrierene Druck auf den Thermistor aus mitten im Zustand der Koexistenz von fester und flüssiger Phase in der Probe. Daher ist die Verkleinerung von Thermistor und Rührstab vom Standpunkt der Festigkeit aus begrenzt.

2) Der Schwierigkeit der Verkleinerung des Testrohres und die Herabsetzung der zu testenden Probe auf Mikromengen schließt sich unvermeidlich an, daß die Kompressionsgefriermaschine, das Patier-Element, und andere Teile groß ausgelegt werden müssen, um die Kühlkraft zu verbessern; groß ausgelegte Mittel zur Luft- oder Wasserkühlung sind ebenfalls nötig, um die Wärme, die in den Kühlgeräten entsteht, wirksam abzuführen. Dadurch ist man gezwungen, die Vorrichtung als Ganzes

030013/0911 .../ii

so groß auszulegen*

3) In üblichen Geräten, die mit einem Kühlrohr mit flüssigem Kühlmittel versehen sind, werden Verfahren und Struktur leicht kompliziert, weil folgendes nötig ist: Die Probeflüssigkeit muß sanft beim Kühlen gerührt werden, damit die Messung des Gefrierpunktes leicht durchzuführen ist, indem einerseits die Probe so schnell wie möglich in einen unterkühlten Zustand gebracht wird und andererseits das Plateau nach dem Gefrieren, während die Probeflüssigkeit die Temperatur konstant hält, verlängert wird. Dann muß der Zellkörper schnell abgekühlt werden, bis er die geeignete Temperatur erreicht hat, während er in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht wird und dann muß der Zellenkörper langsam gekühlt werden, während er in kalter Luft nach dem Herausziehen aus dem flüssigen Kühlmittel gehalten wird, um den Gegenstand der Kühlung, das Muster, gleichmäßig zu kühlen.

k) Xn diesen Geräten wird der Rührstab ausschließlich als Gefriermittel benutzt 1 daher ist es schwer, eine Durchflußzelle zu verwenden und folglich kann keine kontinuierliche Messung oder eine Anzahl von Messungen in kurzer Zeit durchgeführt werden. Alle bekannten Geräte benötigen für jede Probe ein Rohr. Wenn man eine Art Gerät für kontinuierliche Messungen ein und derselben Probe konstruiert hat, 1st es notwendig, die ProbeflUssigkeit jedesmal quantitativ in das Testrohr zu pipettieren. Deshalb werden speziell angefertigte Pipettiervorrichtungen und Obertragungsmechanismen für die

030013/0918 ..._/12

Testrohre erforderlich, wodurch das Gerät als Ganzes strukturell kompliziert und groß wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die vorstehend aufgeführten Mangel der bekannten Vorrichtungen beseitigt sind· Es sollen alle weiter vorn aufgeführten Forderungen, die an ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des osmotischen Drucks gestellt werden, erfüllt werden. Es soll automatische Kontrolle und digitale Anzeige ermöglicht werden, so daß die individuelle Differenz des Gerätes (Measurer) so klein wie möglich gehalten werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung ist im Prinzip ein System, in welchem Kryohydratkerne beinahe spontan in einem Teil der Probeflüssigkeit durch Kühlen dieses Teils unter die Unterkühlungstemperatur (zu dem extrem-unterkühlten Zustand) entstehen, wodurch sie in der Lage sind, das Gefrieren der ganzen Probeflüssigkeit statisch zu induzieren, im Gegensatz zu den bekannten Gefriersystemen, die die mechanische Vibration des Rührstabes benötigen.

Die Messung kann durch Einsetzen eines Temperaturanzeigers (Thermometer) in die Probeflüssigkeit zur Messung der Gleichgewichtetemperatur als ein wesentliches Objekt im Zeitpunkt des Gefrierene durchgeführt werden, ohne Einbringen eines mechanischen Vibrationskörpers,wie einen Rührstab, wodurch

.../13

030013/0911

die Menge der Probeflüssigkeit auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Das Verfahren nach der Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel, einmal in der Probeflüssigkeit verwendet, nicht so stark zerstört werden, weil die Probeflüssigkeit selbst keiner starken Vibration ausgesetzt wird. Folglich können sie für eine weitere Messung wiederverwendet werden.

Basierend auf der Gefriermethode, welche ein kennzeichnendes Merkmal der Erfindung ist, ist es möglich, das Meßgefäß (der Zellenkörper) sehr klein zu halten, so daß sich die Anwendung dieser Erfindung auf übliche diskrete Typen als wirksam erwiesen hat (Fig. 6). Die Erfindung hat ferner zu einer strukturellen Vereinfachung der Vorrichtung geführt, indem eine Durchiaufzelle an das Meßsystem angepaßt wurde, in welche die zu messende Probeflüssigkeit periodisch einpipettiert wurde, so daß es nicht erforderlich war, viele bewegliche Teile einzubauen (Fig. 1 und 2).

In einem konventionellen System, bei dem flüssiges Kühlmittel zum Kühlen verwendet wurde, mußte das Kühlmittel in regelmäßigen Abständen ergänzt oder ersetzt werden. Es nahm auch viel Zeit, das Kühlmittel herauszunehmen, wenn das Gerät anderswo aufgestellt werden sollte. Diese störenden Punkte werden durch die Erfindung durch direktes Kühlen des Zellenkörpers unter Verwendung von Thermomodulen und dergleichen anstelle eines Kühlmittels beseitigt. Trotzdem kann die Erfin-

030013/0911

dung, die sich durch das Gefriermittel unterscheidet, auch auf Apparate angewendet werden, die mit flüssigem Kühlmittel arbeiten.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein senkrechtes Querschnittsbild durch den Gefrierpunkt-Meßteil der Vorrichtung nach der Erfindung unter Verwendung einer Durchflußzelle,

Figuren 2, k und 5 Blockdiagramme, die Konstruktion der

erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Ausführungsformen zeigend,

Fig. 3 einen Zeltplan, der die Arbeit jedes Teils der Vorrichtung nach Fig. 2 zeigt,

Figuren 6 und 7 senkrechte Querschnitte durch die Gefrierpunkts-Meßteile von verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Beispiel für vertikale Querschnittsbilder der verschiedenen Arten des Gefriermeßteils der Vorrichtung nach der Erfindung. Die Durchflußzelle 1, vorzugsweise aus einem Glasrohr oder dergleichen gemacht, ist so gebaut, daß sie zur Unterkühlungstemperatur durch Einfügung eines metallischen Durchflußzellenblocks 4 in die Kaskadenverbindung von Thermo-

030013/0911

.../15

* 15 -

modulen 2, 3, basierend auf dem bekannten Prinzip des Portier-Effekts, gekühlt werden kann. Eine Reihe solcher Kühlvorrichtungen bilden eine Hauptkühlvorrichtung A. Der untere Teil der Durchfluflzelle 1 ist zu einem schmalen Rohrteil 5 geformt, welcher durch einen metallischen kleinen Block 6 mittels eines Thermomoduls 7 auf eine niedrigere Temperatur, d.h. einen extrem unterkühlten Zustand, heruntergekühlt wird« Die eben beschriebene Kühlvorrichtung wird als lokale Kühlvorrichtung B bezeichnet. In dem schmalen Rohrteil 5 werden Kryohydratkerne gebildet. Die Struktur dieses Teils des Zellkörpers 1 zur extremen Unterkühlung ist aber nicht auf ein schmales Rohr beschränkt. Es muß nur so konstruiert sein, daß die Temperatur des extrem unterkühlten Teils nicht auf den Meßteil schädlich wirkt, wodurch die Messungsgenauigkeit beeinträchtigt werden könnte. Der Durchflußzellblock 4 und der kleine Rohrblock 6 sind aus Metall guter thermischer Leitfähigkeit. Um den KühlVorgang noch wirksamer zu machen, können die Thermomodule 3, 7 zylindrische Form haben oder eine Vielzahl von ihnen kann kreisförmig angeordnet sein.

Die Durchflußzelle 1 ist so konstruiert, daß ein Thermistor 8 zum Abfühlen der Temperatur der Probeflüssigkeit eingeführt werden kann, so daß er in der Lage ist, die Temperaturänderung der Probeflüssigkeit zu ermitteln.

Das Messen bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird nun im einzelnen mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben.

.../16

030013/091«

Nachdem die Stromquelle eingeschaltet ist, wird die Kühlplatte

auf eine niedrige Temperatur

10 durch eine äußere Kühlvorrichtung C/ gebracht. Die Vorrichtung C enthält den Thermomodul 2, eine Stromquelle 14, einen Stromsteuerkreis I5 und einen Thermistor 16 und ist so ausgelegt, daß sie den Thermomodul 3 und den Thermomodul 7 wirksam kühlen kann. Mit dem Bezugszeichen 11 ist in den Figuren wärmeleitendes Fett bezeichnet, das zwischen der Durchflußzelle. 1 und dem Durchflußzellblock k vorgesehen ist< mit 12 ist Isoliermaterial bezeichnet, welches den Gefrierpunktsmeßteil umgibt, und das Bezugszeichen 13 kennzeichnet einen Wärmestrahler, der dicht an der Abstrahlseite des Thermomoduls 2 angeordnet ist.

Wenn der Startschalter 17 auf "ON" gedreht wird, beginnt ein Probezieher 19 auf Anzeigen eines Mikrocomputers 18, eine arithmetische Prozeßeinheit,zu arbeiten, eine Düse 20 wird in einen Probebehälter 21 eingeführt (Fig. 3: Düse "IN"), und zur gleichen Zeit, wenn eine Förderpumpe 22 rotiert wird (Fig. 3» Förderpumpe "ON"),wird die Probeflüssigkeit 9 durch die Flüssigkeitsförderleitung Zh in die Durchflußzelle 1 eingeleitet.

Wenn die Oberfläche der Probeflüssigkeit von einem Fotokuppler 25 und einer Flüssigkeitsoberflächen-Meßfühlschaltung Z6 erfühlt wird, dann kommt die Pumpe 22 durch die Anzeige des Mikrocomputers 18 zum Halten und die Einführung der Probeflüssigkeit ist beendet (Fig. 3 Arbeitsverfahren at "Zustand dos Einleitens der Probeflüssigkeit")·

030013/091·

.../17

Nachdem die zum Füllen des Zellkörpers 1 erforderliche Menge Probeflüssigkeit aufgesaugt ist, geht' die Düse 20 hoch, wenn eine Luftschicht in die Flüssigkeitsförderleitung 2h geschickt wird (Fig. 3: Düse ⁿOUT^M). Das Bezugszeichen 23 in Fig. 3 zeigt ein Pumpenantriebsmittel.

Venn die Einleitung der Probeflüssigkeit beendet ist, beginnt auf Anzeige des Mikrocomputers 18 ein Fördermechanismus 31 zu arbeiten, wodurch der Thermistor 8 in die Probeflüssigkeit 9 eingeführt wird. Gleichzeitig damit beginnt die Hauptkühlvorrichtung A, die den Thermomodul 3,eine Stromquelle 27, einen Stromsteuerkreis 28, einen Polaritätsinverter 29 und einen Thermistor 30 aufweist, den Durchflußzellblock 1 zu kühlen und die Temperatur der Probeflüssigkeit beginnt dadurch zu sinken (Fig. 3, Arbeitsverfahren b:"untorkühlter Zustand").

Bei dieser Gelegenheit kann durch adäquates Steuern des Stromflusses durch den Thermomodul 3 in Übereinstimmung mit dem Proportionalkontrollsystem ein gleichmäßiger Kühleffekt erreicht werden, ähnlich der schnellen oder langsamen Kühlung, ausgeführt in den Fällen, wo konventionelle flüssige Kühlmittel verwendet werden.

Wenn der Fluß der Probeflüssigkeit stabil ist, wenn

der Thermistor 18 darin eingesetzt wird, ist es möglich, den Thermistor 18 in die Durchflußzelle 1 so einzuarbeiten, daß der vorstehend beschriebene Übertragungsmechaniemus weggelassen werden kann. Die Temperatur der ProbeflUosigkelt

030013/0911 ._

.../18

wird überwacht durch eine Rheostat-Spannungsumwandlungsschaltung 32, einen A/D-Wandler 33 und den Mikrorechner 18, und wenn die Arbeitsteuiperatur T des Thermomoduls 7 erreicht ist (Fig. 31 Kurve S), welche vorher im Mikrocomputer 18 gespeichert worden ist, beginnt die lokale Kühlvorrichtung B bestehend aus einer Stromquelle 3^» einem Stromsteuerkreis 35f einem Polaritätsinverter 36 und dom Thermomodul, zu arbeiten, um den schmalen Rohrteil der Durchflußzelle 1 zu kühlen (Fig. 3: Kurve F). Andererseits geht die Temperatur der Probeflüssigkeit allmählich auf Unterkühlungstemperatur T2 über, die im voraus durch den Thermistor 30 und den Sfcromsteuerkreis 28 festgelegt i3t.

Venn die Temperatur des schmalen Rohrteils 5 auf etwa -I5 bis etwa -25⁰C sinkt (Fig. 3: Kurve F), findet das Gefrieren fast spontan in diesem Teil statt, wobei Kryohydratkerne gebildet werden. Mit diesem als Beginn wird die ganze übrige Probeflüssigkeit schnell gefrieren (Fig. 3, Arbeitsverfahren Cj "Zustand der Bildung von Kryohydratkernen¹·). Die Temperatur, bei welcher dieses natürliche Gefrieren stattfindet, variiert, abhängig von der Konzentration der Probeflüssigkeit und anderen Dingen. Aber wenn die Probeflüssigkeit hier nur örtlich gekühlt wird, kann ihr Einfluß auf den gemessenen Wert ignoriert werden.

Gleichlaufend mit dem Gefrieren werden die Thermomodule 7 und 3 vom Kühlen (CM) zum Heizen (HM) durch die Polaritätsinverter 36 bzw. 39 umgestellt. Die Wärmemenge jedes der Thermomodule 3, 7 wird mit dem für die Messung günstigsten Strom geregelt,

030013/0911

.../19

dessen Wert im Mikrocomputer 18 vorprogrammiert ist.

Die Temperatur der Probeflüssigkeit steigt infolge des Freiwerdens von latenter Wärme nach dem Gefrieren und zeigt einmal das Plateau, steigt dann aber wieder allmählich bis zur rückläufigen S-förmigen Änderung der Temperatur an (Fig. 3» Arbeitsprozeß d: Gefrieren, Messen, Tauen). Die Gefrierpunktstemperatur wird gemessen durch Behandlung der Minimumpunkttemperatur T3 des Variationskoeffizienten, der gefunden wird durch die Differenzierung der S-förmigen Rücklaufkurve mittels eines Mikrocomputers, als die Gleichgewichtstemperatur im Zustand der Koexistenz von fester und flüssiger Phase und wird an einem Anzeiger 37 oder einem Drucker 38 ausgegeben.

Wenn die Probeflüssigkeit allmählich zu tauen beginnt und die Temperatur Τ** erreicht, wird dies so angesehen, daß die Probeflüssigkeit als Ganzes getaut ist. Dann rotiert die Förderpumpe 22 (Fig. 3: Förderpumpe "ON") und die Probeflüssigkeit wird abgegeben (Fig. 3 Arbeitsprozeß e: Entleerung). Der Probeaussaugmechanismus, bestehend aus einer Abgabedüse 39t einem Abgaberohr kO und einer Förderpumpe 22, ist nur dazu vorgesehen, die Abgabe (Entfernung) der Probe zu unterstützen; sie ist nicht unbedingt erforderlich. Demgemäß spielt es keine Rolle, ob sie durch ein System, das die Probeflüssigkeit direkt aus der Durchlaufzelle überfließen läßt, ersetzt ist, oder ob die Flüssigkeitszuführleitung Zk so ausgelegt ist, daß sie das Abgaberohr kO ersetzen kann. Mit dem Bezugszeichen kl in den Figuren ist ein Gefäß für gebrauchte

030013/0016

.../20

Flüssigkeit gekennzeichnet.

Der Grund, weshalb jeder der Blöcke 4, 6 in diesem Beispiel nach dem Gefrieren erhitzt wird, besteht darin, daß es notwendig ist, die gefrorene Probeflüssigkeit zum Zeitpunkt der Entleerung wieder in den flüssigen Zustand zu bringen, wenn eine Durchflußzelle verwendet wird. Wenn daher eine Wärmequelle benutzt wird, sind die Thermomodule leicht in der Lage,durch Umschalten des Stroms zu kühlen bzw. zu heizen. Die Steuerung der Stromstärke der Thermomodule ermöglicht es, die Kühlgeschwindigkeit leicht zu regulieren und die Probeflüssigkeit 9 gleichmäßig in Übereinstimmung mit der Programmierung des Mikrocomputers 18 zu kühlen, wie weiter oben beschrieben.

Fig. ka. zeigt ein Beispiel, bei welchem eine Meßvorrichtung für viele Stoffe eingebaut ist. Diese Vorrichtung ist durch Anschließen einer bekannten Probeüberführungsvorrichtung ^3 konstruiert, welche in der Lage ist, eine Vielzahl von Probebehältern 21 parallel zum Hauptteil einer Meßwertstrecke hZ zu überführen. In der Figur ist mit k$ ein Probenehmer und mit h"l ein flüssiges Netzmittel bezeichnet. Die Saugdüse 20 des Probenehmers k$ saugt alternierend Probeflüssigkeit 9 und flüssiges Netzmittel h7 an. Mit h8 ist eine Bezugsflüssigkeit bezeichnet. Die Fig. k b zeigt ein anderes Probeübertragungsmittel, das die Probebehälter 21 dreht und zuführt ..·; der Probenehmer hat das Bezugszeichen k6,

.../21

0300 13/0918

Pig. 5 zeigt als weiteres Beispiel eine als kontinuierliche Meßvorrichtung ausgelegte Vorrichtung, bei welcher die Düse 20 in einen Probeflüssigkeitsstrom ^9 eintaucht und die Probeflüssigkeit periodisch in einer festgelegten Menge einsaugt, um den osmotischen Druck in gleicher Weise, wie vorstehend beschrieben, zu messen. Wenn die Messung beendet ist, wird die Probeflüssigkeit aus der Durchflußzelle 1 abgelassen, die dann mit dem Netzmittel kj, das durch eine Düse 51 mittels des Umschaltventils 51 eingesaugt wird, gewaschen wird, um sie für die nächste Messung vorzubereiten. Mit 52 ist eine Düse für die Bezugs- oder Vergleichsflüssigkeit bezeichnet. Es ist auch gut, wenn eine Verschiebung vorgenommen wird, so daß man in der Lage ist, eine kontinuierliche Aufzeichnung mittels eines Registrierbandschreibers 53 vorzunehmen, statt eine digitale Anzeigevorrichtung 37 zu verwenden.

In den vorstehenden Beispielen wird eine Durchflußzelle in der Fassung eines Zellenkörpers (Meßgefäß) verwendet. Selbstverständlich kann die Gefriervorrichtung nach der Erfindung auch auf eine diskrete Zelle üblicher Art übertragen werden. Im Fall der Durchflußzelle ist es möglich, die Größe des Gerätes auf ein Mindestmaß herabzusetzen und die benötigte Probeflüssigkeitsmenge außerordentlich klein zu halten, da kein Rührstab erforderlich ist.

Fig. 6 zeigt eine solche Ausführungsform. Die diskrete Zelle 1· ist von einem diskreten Zellblock k* der Hauptkühlvorrichtung A und einem .kleinen Rohrblock 6» der lokalen Kühlvorrichtung B

030013/0918 -./22

umgeben, um durch die Thermomodule 2, 3 und 7 gekühlt zu werden} das Stirnendteil 5¹ der Zelle" 1^f ist schmaler, so daß es leichter gekühlt werden kann. Jedoch, anders als bei der Durchflußzelle, ist es nicht immer erfoi'derlich, nach dem Gefrieren aufzutauen, so daß es auch geht, wenn die Thermomodule 3» 5 nicht auf Heizen umschaltbar sind. Ferner, da die Steuerung der Kühltemperatur durch jeden der Blöcke k¹t 6' und die Thermomodule 3» 7 vorgenommen werden kann, ist es nicht notwendig, den Zellenkörper jedesmal nach schnellem und langsamem Kühlen auf- und abzubewegen, wie bei Verwendung üblicher flüssiger Kühlmittel. Die Vorrichtung und das Verfahren sind dadurch einfacher.

Trotzdem ist die Verwendung eines üblichen flüssigen Kühlmittels bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht verboten. Es spielt keine Rolle, ob sie als Heizmedium in kleinen Mengen zwischen der diskreten Zelle 1· und den Blöcken k*_t 6* benutzt werden, oder zwischen den Blöcken und den Thermomodulen, wie in Fig. 6 gezeigt oder in Form eines flüssigen Kühlmittels kⁿ, abgeschlossen in einem Kühlmittelbehälter $h, als Ersatz für den Zellenblock h* der Fig. 6, wie in Fig. 7 gezeigt. Jedoch, in dem in Fig. 7 dargestellten Fall ist die Vereinfachung der Vorrichtung und des Verfahrens nicht so gut wie erwartet.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können nicht nur zur Messung des osmotischen Drucks benutzt werden, sondern auch zur Bestimmung von physikalischen Eigenschaften,

030013/0911

wie dem Molekulargewicht, erhalten durch Ermitteln der Gefrierpunktserniedrigung. In diesem Fall muß natürlich der Mikrocomputer so programmiert werden, daß er in der Lage ist, aus der Gefrierpunktserniedrigung über den osmotischen Druck das Molekulargewicht zu errechnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Meßmethode zur Ermittlung der Gefrierpunktserniedrigung unter Anwendung der Unterkühlung, wobei Kryohydratkernbildung fast spontan in einem Teil der Probeflüssigkeit hervorgerufen wird durch Kühlung dieses Teils auf eine Temperatur unter der Unterkühlungstemperatur, wonach die ganze Flüssigkeit mit Hilfe der Kryohydratkerne als Gefriermittel statisch gefriert. Dadurch ist es möglich, die Größe der Zelle sehr klein zu halten und ferner die erforderliche Probemengo auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Andererseits kann bei diesem Verfahren die Probeflüssigkeit, wenn sie nicht ganz verdorben ist, wieder benutzt werden so wie sie ist. Die Kühlvorrichtung ist kompakt und das Meßverfahren vereinfacht.

Das Verfahren nach der Erfindung hat den weiteren großen Vorteil, daß es mit einer Durchflußzelle verwendbar ist. Dadurch wird es möglich, den osmotischen Druck von Körperflüssigkeiten wie Plasma, dialysierte Flüssigkeit, Urin und dergleichen kontinuierlich, und andererseits eine Vielzahl von Stoffen in kurzer Zeit zu bestimmen, was ihre Leistungsfähigkeit auf dem Gebiet der klinischen Analyse zeigt.

030013/0918 "'^/2k

-zh-

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist das erfindungsgemäße Verfahren zu verwirklichen. Sie hat die Merkmale und Vorteile, daß sie mit sehr kleinen Mengen Probeflüssigkeit, unabhängig von den einzelnen Unterschieden durch den Einbau eines Mikrocomputers, genau messen kann; daß sie Probeflüssigkeit gleichmäßig ohne Komplizierung der Vorrichtung durch Verwendung der Thermomodule und der Metallblöcke als Kühlmittel kühlen kann; daß die kontinuierliche Messung von Proben und die schnelle Behandlung einer Vielzahl von Stoffen möglich wird durch Verwendung des Durchflußzellensystems; und daß jedes Teil der Kühl- und Meßvorrichtungen einfach ausgelegt sein kann, weil nur eine kleine Menge Probeflüs3igkeit benötigt wird und Rührer nicht notwendig sind, so daß die ganze Vorrichtung klein ausgelegt sein kann und keine Schwierigkeiten bereitet.

030013/0918

-2S-

Leerseite

Claims

29 369-21

- A f: -77·

PATEN TAN'VAl TE

. H. XKGEKDAIiK-

Dipl. -ing. H. HAUCK · dipl-phys. W. SCHMITZ · dipping. E. GRAALFS Dipl..ing. W. AVEHNERT · dipl.-phys. W. CARSTENS · dr.-ing. W. DÖRING

HAMBURG· MÜNCHEN-DÜSSELDORF

'PATENTANWÄLTE ■ NEUEH WALL 41 ■ 20OO HAMBURG 9« ·

Kabushiki Kaiaha Kyoto -

Oaiichi Kagaku

57 Nishi Aketa-Cho, Higashi KuJo, Minami-Ku,

Kyoto City, Kyoto Japan

ZUSTELLUNGSANSCHRIFT/PLEASE REPLY TO:

SCHMITZ-GRAALFS

NEUERWALLH · SOOO HAMBURG 3β

TELEFON + TELECOPIER (010) S« 67

TELEX 02 11 769 INPAT D

CABLE NBQEDAPATENT HAMBURG

HAUCK- CARSTENS

MOZARTSTRASSE 23 -800OMUNCHEN TELEFON + TELECOPIER (089) OS 03 CABLE NEOEDAPATENT MÜNCHEN

WEHNERT-DÖRING

K.-WILH.-RI NG 41 · 4OOO DÜSSELDORF

TELEFON (0311) BT 30 27'38

TELEX OS S84 388 DVNA. D

CABLE NEOEDAPATENT DÜSSELDORF

Hamburg, 18. September 1979

Verfahren zur Bestimmung der Gefrierpunktserniedrigung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

1. Verfahren zur Bestimmung der Gefrierpunktserniedrigung, gekennzeichnet durch die Stufen: Erzeugen von Kryohydratkernen in einem Teil einer in unterkühlten Zustand gebrachten Probeflüssigkeit durch Weiterkühlen dieses Teils auf eine noch tiefere Temperatur; Gefrierenlassen der ganzen Probeflüssigkeit mit Hilfe der Kryohydratkerae als Gefrierstimulanz; und Messen der Temperatur der Probeflüssigkeit, welche im Zustand der Koexistenz von fester und flüssiger

030013/091·

Phase herrscht, durch die latente Gefrierwäimo, die zur Zeit der Koagulation frei wird. ·

2· Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Probeflüssigkeit im Zustand der Koexistenz von fester und flüssiger Phase kontinuierlich gemessen wird, wobei die Temperatur an einem Minimumpunkt des Variationskoeffizienten, durch eine arithmetische Verarbeitungseinheit berechnet, als seine Gefrierpunktstemperatur behandelt wird«

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Gefrieren der Probeflüssigkeit sogleich mit dem Erwärmen begonnen wird, d.h. daß die Probeflüssigkeit im Zustand der Koexistenz von fester und flüssiger Phase zum Tauen gebracht wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Zellenkörper zur Aufnahme der Probeflüssigkeit; eine Hauptkühl vorrichtung, um die Probeflüssigkeit in einen unterkühlten Zustand zu bringen; und eine lokale Kühlvorrichtung, um einen Teil der Probeflüssigkeit in einen weiter unterkühlten Zustand zu bringen; eine Gefrierpunktsmeßstrecke, bestehend aus einem Thermistor zum Messen der Temperatur der Probeflüssigkeit in dem Zellenkörper; eine Meß- und Kontrollstrecke mit einer arithmetischen Verarbeitungseinheit, verschiedenen Arten von Stromquellen und einem

030013/0918 "^³

Stromsteuerkreis, wobei die arithmetische Verarbeitungeinheit die Hauptkühlvorrichtung auf eine bestimmte Unterkühlungstemperatur festlegt und überwacht und andererseits den Einschaltbefehl an die lokale Kühlvorrichtung abgibt, wenn die augenblickliche Temperatur der Probeflüssigkeit auf die vorher festgelegte ünterkühlungstemperatur gekommen ist, während die gemessenen Temperaturen gespeichert, benutzt und verarbeitet werden; und eine Vorrichtung zur Ausgabe des durch die arithmetische Verarbeitungseinheit benutzten und verarbeiteten Ergebnisses.

5· Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenkörper eine Durchflußzelle ist) die Hauptkühlvorrichtung und die lokale Kühlvorrichtung kühl- und heizbar ausgelegt sind; die Einführung der Probeflüssigkeit in die Durchflußzelle in einer vorbestimmten Menge mit Hilfe einer Probenahmevorrichtung und einer Förderpumpe, welche durch die Befehle der arithmetischen Verarbeitungseinheit betätigt werden, erfolgt*

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenehmer eine nach oben und unten bewegbare Düse aufweist, welche nachdem die erforderliche Menge Probeflüssigkeit aus dem Probebehälter aufgesaugt ist, durch eingeschlossene Luft nach oben gezogen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

030013/091«

der Flüssigkeitsbehälter auf einer Probeübertragungsvorrichtung angebracht ist, welche rotierbar oder parallel verschiebbar ist; und daß die Düse wahlweise Probeflüssigkeit und Waschflüssigkeit einsaugt*

8. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Probenehmer die Düse, welche in den Probeflüssigkeitsstrom einführbar ist, zwei Düsen, welche in die Waschflüssigkeit bzw. eine Bezugsflüssigkeit einführbar sind , und für jede Düse ein Umschaltventil aufweist.

9» Vorrichtung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenkörper eine diskrete Zelle ist; und die Hauptkühlvorrichtung und die lokale Kühlvorrichtung kühl- und heizbar sind und mit einer Fördervorrichtung versehen sind, welche den Thermistor auf und abbewegt·

030013/091«