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Verfahren zur Durchführung von Analysen im Durchflußvcr-
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fahren und Meßvorrichtung hierfür
Verfahren zur Durchführung
von Analysen im Durchflußverfahren und Meßvorrichtung hierfür Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Durchführung von Analysen im Durchflußverfahren unter Verwendung
von Meßsystemen, mit einem oder mehreren Durchflußkanälen für das zu analysierende
Medium und mit diesen zugeordneten Analysemeßeinrichtungen, wobei das zu analysierende
Medium in einer stau- und totzonenarmen Strömungsbahn durch die Durchflußkanäle
geführt wird und dabei im Wirkungsbereich der Analyse-Meßeinrichtungen jeweils eine
Beschleunigunq erfährt, gemäß Patent (Patentanmeldung P 29 34 691.6), sowie ein
Meßsystem zur Durchführung des genannten Verfahrens.
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Bei dem in der genannten Hauptanmeldung beschriebenen Verfahren zur
Durchführung von Analysen im Durchflußverfahren wird infolge der stau- und totzonenarmen
Strömungsführung und der Strömungsbeschleunigung im Bereich der Analyse-Meßeinrichtungen
eine erhebliche Verminderung der Probenverschleppung im Durchflußkanal erreicht,
so daß die Einstellzeit (Ansprechzeit) für die Messungen beachtlich verkürzt wird.
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Versuche haben nun erwiesen, daß die genannten Wirkungen der Strömungsführung
und Strömungsbeschleunigung abhängig von der Wahl der Meßmedien sind. So hat es
sich gezeigt, daß beispielsweise bei Versuchen mit Blut, Blutplasma und Blutserum
bereits relativ geringe Strömungsbeschleunigungen genügen, um bei aufeinanderfolgenden
Messungen eine Probenverschleppung im Strömungskanal zu vermeiden, während beispielsweise
bei wäßrigen Elektrolytlösungen höhere Boschleunigungawerte zu besseren Ergebnissen
führen.
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Es wird angenammen, daß das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen
Stoffe durch Grenzflächeneigenschaften zwischen dem Meßmedium und dem Material des
Strömungskanales bedingt wird. Auch wird vermutet, daß die gefundenen Effekte bei
Messungen mit Blut und dessen verwandten Stoffen mit den
rheologischen
Eigenschaften des Blutes und anderer kolloidaler Flüssigkeiten im Zusammenhang stehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Durchführung von Analysen
im Durchflußverfahren zu entwickeln, welches die vorstehend genannten Erkenntnisse
berücksichtigt, sowie ein Meßsystem zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei der Durchführung des Verfahrens
gemäß der Hauptanmeldung bei Verwendung von kolloidalen Meßmedien (z.B. Blut, Blutplasma,
Blutserum und dgl.) die mittlere Strömungsgeschwindigkeit auf das 1,17-bis 5-fache
erhöht.
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Bei abwechselnder Verwendung von Meßmedien mit kolloidalen Eigenschaften
einerseits und wäßrigen Elektrolytlösungen andererseits wird angestrebt, eine Beschleunigung
zu finden, die ein etwa gleichgutes Einstellverhalten für beide Typen der Meßlösungen
gewährleistet.
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Gemäß einer vorzugsweisen Verfahrensweise wird dies dadurch erreicht,
daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Durchflußkanal im Meßbereich der Analyseeinrichtungen
auf das 1,54-fache erhöht wird. Damit liegen die Einstellzeiten
für
die wäßrigen Elektrolytlösungen in der gleichen Größenordnung wie für Blut. Durch
Wahl eines Meßsystems, das in den Meßbereichen einen Anstieg der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
auf das 1,17- bis 5-fache, vorzugsweise auf das 1,54-fache, aufweist, läßt sich
daher ein besonders günstiger Kompromiß erreichen, wenn Messungen mit den genannten
verschiedenen Menmedlen mit Hilfe des gleichen Meßsystemes durchgeführt werden sollen.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den GegenstAnd der Ansprüche
bildenden Merkmalen sowie aus der nachstehenden Beschreibung von Versuchen anhand
der in der Zeichnung dargestellten Meßanordnungen. Hierin zeigen: Fig. 1 eine konventionell
gestaltete Durchfluß-Meßanordnung, Fig. 2 eine Durchfluß-Meßanordnung gemäß der
Erfindung in allgemeiner schematischer Form, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit
einem Meßfühler, Fig. 4 das gleiche Ausführungsbeispiel, dargcstellt als Schnittansicht
längs der Linie A-B von Fiq. 3, Fig. S ein Ausführungsbeispiel mit mehreren hintereinander
angeordneten MeRfühlern, bei stromlinienförmiger Einengung Jm Bereich der Menanordnuns
Fig.
6 ein anderes Ausführungsbeispiel mit mehreren hintereinander angeordneten Meßfühlern,
und Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem im Durchflußkanal angeordneten
Verdrängungskörper und mehreren Meßfühlern.
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In Fig. 1 ist als Beispiel eine Durchflußmeßanordnung nach dem bisherigen
Stand der Technik dargestellt. Der DurchfluB-kanal la,lb von beispielsweise kreisrundem
Querschnitt ist zu einer Meßkammer 2 erweitert, die z.B. die Form eines Zylinders
hat und an einer Stirnseite von der meßaktiven F1äche des Sensors 3 abgeschlossen
ist. Dieser Sensor, der wesentlicher Bestandteil der analytischen Meßvorrichtung
ist, kann z.B. eine ionenselektive Elektrode sein. Es kann sich aber auch um einen
Strahlungssensor handeln, evtl. kombiniert mit einer an der gegenüberliegenden Seite
der Meßkammer angeordneten Strahlungsquelle.
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Ein Meßsystem, gebildet aus drei hintereinandergeschalteten Meßanordnungen
gemäß Fig. 1 mit Elektroden für Na+, K+ und Ca++ und einer nachgeschalteten Bezugselektrode
gleicher Bauart, kann dazu verwendet werden, um mehrere Analyseparameter des gleichen
Meßmediums zu bestimmen. Es hat sich gezeigt,
daß die Probenverschleppung
in solchen Meßsystemen bei konventioneller Gestaltung der Durchflußkanäle und -kammern
eine beachtliche Größe hat, weil Reste einer vorhergehenden Probe aus den am Anfang
des Strömungsweges liegenden Meßkammern nur langsam ausgespült werden und daher
die stromabliegenden Sensoren entsprechend lange mit einer von Resten der vorhergehenden
verunreinigten Probe in flerührung kommen.
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Versuche mit einer solchen Meßanordnung gemäß Fig. 1 sind in einer
ersten Versuchsreihe durchgeführt worden, deren Ergebnisse unter der Bezeichnung
1UVersuchsreihe 1" in der nachstehenden Tabelle der Meßergebnisse aufgezeichnet
sind.
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Fig. 2 zeigt demgegenüber das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Meßanordnung.
Der Durchflußkanal 5a,5b mit kreisförmigem Querschnitt hat in diesem Falle in dem
Bereich, in dem sich der meßempfindliche Teil der Meßvorrichtung 6 befindet, eine
konzentrisch zur Mittellängsachse verlaufende Verengung. Diese ist erfindungsgemäß
so gestaltet, daß sich eine stau- und totzonenarme Strömung ausbildet. Die Randschichtdicke
auf den meßempfindlichen Flächen wird durch den damit erzielten Strömungsverlauf
besonders gering. s folgt ein sehr rascher Austausch der diesen Flächen benachbarten
Flüssigkeitsschichten. Luftblasen oder Feststoffpartikel, die sich in diesem Bereich
befinden, werden hevorzugt
mit der Strdoung abgeführt.
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Nähere Einzelheiten eines Ausführungsbeispieles sind in Fig. 3 und
Fig. 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt einen tänc;sschnitt, Fig. 4 einen Querschnitt der
gleichen Anordnung.
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Der Strömungskanal 5a,5b hat im vorliegenden Falle einen rechteckigen
Querschnitt, der im Bereich des Meßsensors durch eine stromlinienförmige, der Kontur
eines Tragflügele ähnliche Erhebung 7 auf der dem Meßsensor gegenüberliegenden Seite
eingeengt ist. Hierdurch erfährt die durch den Kanal 5a,5b fließende Probe im Bereich
der Meßanordnung eine Beschleunigung, wodurch einer Probenverschleppung entgegengewirkt
wird. Der Meßsensor ist im vorliegenden Falle eine ionenselektive Elektrode von
der Art, wie sie bereits in der deutschen Patentanmeldung P 28 20 474 angegeben
ist. Dieser Meßsensor besteht aus einem metallischen Ableitkontakt 8, einem die
Diffusion von Sauerstoffen hemmenden ionenleitenden Uberzug 9 und einer ionenselektiven
Membran lo.
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Fig. 5 zeigt eine Durchflußmeßanordnung für Na+, K+ und Ca , z.B.
ionenselektiven Elektroden oder andersgearteten Meßfühlern, denen eine nicht dargestellte
Bezugselektrode gleicher Bauart nachgeschaltet ist.
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Die Zahl der Meßstellen ist aber beliebig wählbar. In dem dargestellten
Beispiel engt die Erhebung 7 den Strömungskanal
soweit ein, daß
ein Anstieg der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf das 4-fache erreicht wird.
Die Sensoren 11, 12 und 13 sind unmittelbar gegenüber den Erhebungen 7 angeordnet,
die eine der Kontur des Tragflüqels ähnliche Gestalt haben. Die durch den Kanal
fließende Probe erfährt hierdurch im Bereich der Meßanordnunaen 11, 12 und 13 eine
Bsschleunigung, die einer Probenverschleppung entgegenwirkt. In der Versuchsreihe
2a sind die Meßergebnisse aufgeführt, die unter Verwendung eines wäßrigen Elektrolyten
mit der in Fig. 5 gezeigten Meßanordnunq gewonnen wurden. In der Versuchsreihe 2b
wurde in diese Meßanordnung anstelle des wäßrigen Elektrolyten Blut einem setzt.
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Zwei weitere Versuchsreihen 3a und 3b mit einem wäßrigen Elektrolyten
bzw. mit Blut als Meßmedien wurden mit einer Meßanordnung durchgeführt, deren grundsätzlicher
Aufbau dem der in Fig. 5 gezeigten Meßanordnung entsprach, jedoch lag hier ein Anstieg
der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf das 1,54-fache vor.
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In der nachstehenden Tabelle sind die Versuchsergebnisse der Versuchsreihen
1, 2a, 2b und 3a, 3b aufgeführt.
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TABELLE DER MESSERGEBNISSE Durchfluß- Meßmedium Einstellzeit T (sec)
Systemvolumen system Na+ K+ Ca++ (/ul) Versuchs- wäßrige 4-5 11-12 16-18 40 reihe
1 Elektrolytlösung Versuchs- wäßrige reihe 2a Elektrolyt- o,85 o,58 o,54 lösung
# 50 Versuchs- Blut l,05 1,65 2,8 reihe 2b Versuchs- wäßrige reihe 3a Elektrolyt-
1,25 1,5 1,7 lösung AS50 Versuchs- Blut 1,6 1,73 2,1 reihe 3b Diskussion der Versuchsergebnisse
Ein Vergleich der mit dem konventionellen Meßsystem nach Fig. 1 gewonnenen Ergebnissen
(Versuchsreihe 1) mit den mit Hilfe des Meßsystems nach Fig. 5 gewonnenen (Versuchsreihen
2a, 2b bzw. 3a, 3b), zeigt, daß, wie in der Hauptanmeldung bereits ausgeführt wurde,
die verbesserte Strömungsführung generell zu einer erheblichen Verminderung der
Einstellzeiten (Ansprechzeiten) führt.
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Ein Vergleich der Versuchsreihen 2a und 2b bzw. 3a und 3b, jeweils
für sich, zeigt, daß die durch die Strömungsführung erzielte Verbesserung von der
Wahl des Meßmediums abhängig ist.
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Bei der Verwendung von Blut als Meßmedium erweist ein Vergleich der
Versuchsreihe 3b mit den Versuchsreihen 1 und 2b, daß bereits eine geringe Erhöhung
der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf das 1,54-fache (siehe Versuchsreihe 3b)
im Bereich der Meßeinrichtungen schon eine beachtliche Verringerung der Einstellzeiten
ergibt, sich diese aber durch eine weitere Erhöhung der mittleren StrOmungsgeschwindigkeit
auf das 4-fache (siehe Versuchsreihe 2b) nicht mehr wesentlich verbessern läßt.
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Demgegenüber lassen sich die Einstellzeiten bei der Verwendung von
wäßrigen Elektrolyten als Meßmedium durch eine weitergehende Erhöhung der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit auf das 4-fache noch stärker verkürzen (siehe hierzu die
Meßergebnisse der Versuchsreihen 1, 3a und 2a).
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Aus den Versuchsergebnissen ist insgesamt zu erkennen, daß der relativ
geringe Anstieg der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf das 1,54-fache zu Einstellzeiten
führt, die für
wäßrige Elektro lyt lösungen und für Blut etwa in
der gleichen Größenordnung liegen. Daraus kann gefolgert werden, daß für Meßsysteme,
die für verschiedene Meßmedien eingesetzt werden sollen, die Anhebung der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit auf das 1,54-fache,entsprechend einer Kanaleinengung im
Bereich des Sensors um 35%, als ein besonders günstiger Kompromiß anzusehen ist.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf Meßsysteme
der vorstehend beschriebenen Art beschränkt.
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Weitere Beispiele möglicher Ausbildungsformen stellen die in den Fig.
6 und 7 beschriebenen Anordnungen dar.
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausschnitt aus einer Multimeßkette sind
die Erhebungen 7,7a an den Kanalwänden, die zur Erzeugung der strömungsgünstigen
Verengungen dienen, abwechselnd an sich gegenüberliegenden Wandflächenbereichen
des Durchflußkanales angeordnet. Dadurch kann der Abstand der Sensoren vermindert
werden, ohne daß der Strömungsverlauf ungünstiger wird, d.h. auf der gleichen Kanallänge
mit etwa gleichem Kanalvolumen kann eine größere Anzahl von Meßstellen untergebracht
werden. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind die Sensoren, z.B. ionenselektive
Elektroden 11, 12 und 13 mit der Bezugselektrode 14 teils auf der der Erhebung gegenüberliegenden
Seite angeordnet, teils enden
sie auf der Erhebung selbst. Jede
dieser beiden Möglichkeiten kann auch allein Anwendung finden, wobei die Anordnung
der meßempfindlichen Fläche auf der Erhebung als die strömungstechnisch vorteilhaftere
Lösung anzusehen ist, während die Anordnung gegenüber der Erhebung herstellungstechnisch
einfacher ist.
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Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die strömungsgünstige
Verengung des Durchflußkanales durch einen im Kanal angeordneten Verdrängungskörper
18 erreicht wird.
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In diesem Beispiel sind mehrere Sensoren an der 80 geschaffenen Verengung
angeordnet, was sinngemäß auch bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen Anwendung
finden kann.
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Die meßempfindlichen Flächen der Sensoren s&nd in Fig. 7 an den
dem Verdrängungskörper gegenüberliegenden Kanal wänden angeordnet. Ebenso besteht
die Möglichkeit, die Sensorflächen auf der Oberfläche des Verdrängungskörpers selbst
anzuordnen. Abgesehen davon, daß dies strömunqstechnisch etwas günstiger ist, kann
diese Möglichkeit noch dahingehend ausgebildet werden, daß der Verdrängungskörper
als auswechselbare Sonde mit einem oder mehreren Sensoren gestaltet wird. Der stromab
liegende Teil des VerdrSngungskörpers würde in diesem Falle mit einem Schaft versehen,
der
sowohl zur Befestigung als auch zur Herstellung der Verbindungen für die Meßsignaldbertragung
dient.
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Die in Fig. 7 gezeigte Anordnung mit einem Verdrängungskörper kann
so gestaltet werden, daß sich der Verdrängungskörper in einer Richtung quer zur
Kanal achse über die gesamte Breite des Durchflußkanales erstreckt, so daß hierdurch
der Kanal in zwei gleiche oder unterschiedliche grosse Teilkanäle aufgeteilt wird.
Dies ist z.B. dann anzuwenden, wenn Meßverfahren und entsprechende Meßsensoren eingesetzt
werden, die sich gegenseitig stören können und daher nicht am gleichen Kanal in
Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden sollen. Beispielsweise können
an einem der Teilkanäle eine oder mehrere ionenselektive Elektroden angeordnet werden,
während sich an dem anderen Teilkanal die zugehörige Referenzelektrode befindet,
die wegen des dort austretenden Referenzelektrolyten die Meßsignale der ionenselektiven
Elektroden beeinflussen könnte.
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