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Elektrochemische Referenzelektrode
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~~ ~~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~~ ~ ~~ ~ w ~ ~ Die Erfindung betrifft
eine elektrochemische Referenzelektrode zur potentiometrischen Messung von Ionenkonzentrationen,
bestehend aus einem Elektrodenkörper aus elektrisch isolierendem Material, in welchem
sich ein Hohlraum befindet, der über eine Öffnung im Elektrodenkörper mit der zu
untersuchenden Probe in Kontakt bringbar ist und in welchem eine reversible Ableitelektrode
zweiter Art, vorzugsweise vom Typ Ag/AgCl, eingeschlossen ist.
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Zur Messung von Ionenkonzentrationen auf potentiometrischem Weg mit
Hilfe von selektriven ionensensitiven Elektroden werden Jeweils eine spezifische
aktive Elektrode und eine Referenzelektrode, die gemeinsam mit der Probe in gontakt
sind, angewandt. Nach bekannten Gesetzen ist die Potentialdifferenz zwischen einem
solchen Elektrodenpaar ein Maß für die gesuchte Ionenkonzentration in der Lösung.
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Eine Referenzelektrode besteht im allgemeinen aus einer Ableitelektrode
vom Typus einer sog. "reversiblen Elektrode zweiter Art" (vergl. dazu Kortüm: Lehrbuch
der Elektrochemie, Verlag Chemie, 3. Aufl. S. 264), die in einem Behälter aus elektrisch
isolierendem Material angeordnet ist und in eine geeignete Elektrolytldaung eintaucht.
Der elektrische Kontakt zwischen der Elektrolytlösung und der zu analysierenden
Probe erfolgt an einer Offnung im isolierenden Behälter.
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Diese Öffnung, sie wird in der Literatur als FlUssigkeitsverbindung
bezeichnet, ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. In konventioneller Weise
besteht diese FlUssigkeitsverbindung in einer Offnung mit geringem Durchmesser,
durch die eine geringe Menge Elektrolytlösung in die Probe austritt. Diese als offene
Flüssigkeitsbrücke bezeichnete Ausbildung des Verbindungsteiles der Referenzelektrode
wird auch heute noch angewandt.
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Die offene FlüssigkeitsbrUcke bringt das Problem mit sich, daß die
Vermischung von Elektrolytlösung aus der Referenzelektrode, meist gesättigter KCl-Lösung,
mit der Probe schwer kontrollierbar ist und Teile der Probe häufig in das Innere
des Elektrolytbehälters eindringen und die Referenzelektrode verunreinigen.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden verschiedene Versuche unternommen,
Flüssigkeitsverbindungsbauteile zu schaffen, die den Elektrolytaustritt in die Probe
regeln und das Eindringen von Probe in die Referenzelektrode vermeiden.
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So ist es bekannt, die Elektrolytbrücke der Referenzelektrode mit
einer Membran aus hydrophilem Material zu verschliessen. Als Membranmaterialien
wurden Cellophan, Kollodium, Celluloseacetat und Proteiumembranen genannt. Bei derartigen
Referenzelektroden erfolgt der Elektrolytkontakt zur Probe durch lonendiffusion.
Nachteilig iet dabei die träge Einstellung des Ionengleichgewichts und die Notwendigkeit,
die Referenzelektrode mit einer dünnen Membran zu bespannen, was insbesondere bei
kleiner Bauweise schwierig durchführbar ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Flüssigkeitsbrücke, bei der der
Elektrolytkontakt vorwiegend durch Ionendiffusion erfolgt, wurde aus der DE-OS 20
19 523 bekannt. Hier wird vorgeschlagen, ein an sich hydrophobes Polymer durch Beimengung
von feinst verteiltem kristallinem Kaliumchlorid oder Glasfasermaterial zu flhydrophilisierenfl
und dieses derart präparierte Polymermaterial zur Herstellung des FlUssigkeitsbrückenteiles
einer Referenzelektrode zu verwenden. Mit derartigen Elektroden wurde ein hoher
elektrischer Ubergangswiderstand bei langsamer Potentialeinstellung gefunden. Bei
Messungen
in Blut wurde darüberhinaus festgestellt, daß sich ein von den Komponenten des Blutes
herrührendes zusätzliches Potential an der Grenze zur Referenzelektrode bildet,
das als Störpotential Messungen verfälscht.
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Auch eine Weiterbildung dieses Prinzips nach der Japanischen Patentschrift
23621-75, die die Hydrophilisierung eines an sich hydrophoben Polymers und dessen
Verwendung als Flüssigkeitsbrückenteil offenbart, ist schwer realisierbar und vermeidet
nicht die Nachteile hohen elektrischen Übergangswiderstandes und langsamer Potentialeinstellung.
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Weiters ergibt auch die Anwendung microporöser Membranen aus hydronhilen
oder hydrophoben Polymeren, wie sie in der AT-PS 321 868 bzw. der DE-OS 24 59 466
geoffenbart sind, nur dann brauchbare Referenzelektroden, wenn Mittel vorgesehen
sind, die filr einen konstanten geringen Elektrolytfluß durch derartige microporöse
Membranen sorgen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsbrücke
zu schaffen, die sowohl einen niedrigen elektrischen Übergangswiderstand als auch
eine rasche Potentialeinstellung aufweist und eine Vermischung von Elektrolytlösung
mit der Probe vermeidet. Weiters war eine Anordnung gefordert, die auch bei kleinster
Bauweise zur Analyse von Mikromengen biologischer Flüssigkeiten geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zur Probe
führende Öffnung im Elektrodenkörper durch ein synthetisches hydrophiles organisches,
eine wässerige Lösung eines Neutralsalzes oder Neutralsalzgemisches enthaltendes
Gel verschlossen ist und der Hohlraum von derselben Salzlösung und/oder demselben
Gel ganz oder teilweise erfüllt ist.
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Das genannte Gel besteht aus einem oder dem Gemisch mehrerer Polymere
der Gruppe: Polyacrylamid, Polyacrylat, Polymetacrylat, Polymetacrylamid, Polyvinylpyrrolidon,
Polyvinylalkohol, Hydroxyaethylacrylat, welchen in wässeriger Lösung ein Neutralsalz
oder ein Gemisch von Neutralsalzen beigemischt ist, von denen wenigstens eines ein
gemeinsames Anion mit der im Hohlraum befindlichen Ableitelektrode zweiter Art aufweist.
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Als Ableitelektrode kommt jede Form der für Referenzelektroden bekannten
reversiblen Elektroden zweiter Art in Frage, vorzugsweise die Ag/AgCl-Elektrode
wegen ihrer einfachen Herstellbarkeit.
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Bei langdauerndem Gebrauch derartiger Referenzelektroden hat sich
gezeigt, daß eine langsame Verarmung des Gels an Neutralsalz erfolgt, wodurch eine
unkontrollierbare Beeinträchtigung des Meßergebnisses eintritt. Zunächst verarmt
die unmittelbar mit der Probe in Kontakt stehende Grundschichte. In weiterer Folge
dehnt sich die Tiefe der betroffenen Schichte in das Innere der Referenzelektrode
aus.
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Es wäre denkbar, daß man diesen Nachteil vermeidet, indem man die
Referenzelektrode von Zeit zu Zeit aus dem Analysenapparat entnimmt und für Stunden
in einer Lösung mit derselben Neutralsalzkonzentration, die dem ursprünglichen Gehalt
im Gel entspricht, einlegt. Dadurch reichert sich die verarmte Schichte wieder an
und man erhält die ursprünglichen Meßeigenschaften der Elektrode. Dieses Verfahren
ist unvorteilhaft, weil es umständlich und zeitraubend ist und man schwer feststellen
kann, zu welchem Zeitpunkt die verarmte Schicht des Gels wieder regeneriert ist.
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Es wurde nun die überraschende Beobachtung gemacht, daß man wässerige
Salzlösungen leicht durch eine Schichte des polymeren Gels drücken kann. Daran anknüpfen
besteht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin, daß in den Hohlraum im Elektrodenkörper
von außen ein Kanal einmündet, über den die im Hohlraum enthaltene Flüssigkeit bzw.
auch das in diesem enthaltene Gel zumindest zeitweise unter Druck setzbar ist. Es
ist dadurch möglich, in vorbestimmten Zeitintervallen eine kleine Flüssigkeitsmenge
durch das Gel zu drUkken, wodurch eine Erneuerung der Grenzschichte des Gels erfolgt,
ohne die Referenzelektrode aus dem Analysengerät ausbauen zu müssen. Die Zeitintervalle
können unter Berücksichtigung der Betriebsart und -dauer des Analysengerätes so
gewählt werden, daß die Neutralsalzkonzentration in der Grenzschicht des Gels nie
tonen unzulässigen Wert unterschreitet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kanal den Ableitstift
und ggf. die daran anschließende Ableitelektrode in axialer Richtung durchsetzen,
wodurch ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Referenzelektrode erhalten
wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann ferner der Hohlraum über den
Kanal dieselbe wässerige Lösung eines Neutralsalzes oder Reutralsalzgemisches, wie
sie im Gel bzw.
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im Hohlraum enthalten ist, zugeführt erhalten. Dadurch wird nicht
nur Salzlösung in vorbestimmten Zeitabständen durch das Gel gedrückt, sondern es
wird auch der Referenzelektrode von außen immer wieder Salzlösung in dem Ausmaße
zugeführt, als Salzlösung verbraucht wird, sodaß die Lebensdauer der Referenzelektrode
wesentlich erhöht ist.
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In Fortführung des Erfindungsgedankens kann der Hohlraum des Elektrodenkörpers
Uber den Kanal mit einem höher angeordneten Vorratsbehälter für die wässerige Lösung
verbunden sein, so daß der Hohlraum zumindest zeitweise unter dem entsprechenden
hydrostatischen Druck steht. Hiezu ist natürlich eine Abstimmung der Geldicke und
des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeit erforderlich, um die Erneuerung der
Grenzschichte des Gels zu bewirken.
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Ferner kann, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, der Kanal über
eine Pumpe mit einem FlUssigkeits-Vorratsbehälter verbunden sein, wobei eine Steuervorrichtung
vorgesehen ist, die eine Flüssigkeitszufuhr zum Kanal in vorbestimmten Zeitintervallen
bewirkt. Diese Zeitintervalle können in geeigneter Weise vom Einschaltvorgang und/oder
von der Anzahl der durchgeführten Analysen abhängig gemacht sein.
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Die Ausführungen, bei welchem der Hohlraum unter Druck setzbar ist,
eignen sich besonders für Jene Ausführungsform der elektrochemischen Referenzelektrode,
bei welcher der Hohlraum der Elektrode nur zum Teil erfüllt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand von drei
Ausführungsbeispielen der Erfindung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine stabförmige Referenzelektrode, Fig. 2 eine Kapillarreferenzelektrode,
Fig. 3 eine Mikroelektrode, Fig. 4 eine elektrochemische Referenzelektrode gemäß
der Erfindung mit Pumpe und Vorratsbehälter und Fig. 5 eine zweite Ausführungsform
hiezu.
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In der einfachsten Form gemäß Fig. 1 weist die Referenzelektrode
eine an sich bekannte konstruktive Grundausbildung auf. Der Elektrodenkörper 1 besteht
aus einem Rohr aus elektrisch isolierendem Material, s.B. Plexiglas, und weist an
einem Ende eine kleine Öffnung 2 auf, die erfindungsgemäß aber von einem hydrophilen
polymeren Gel ausgefüllt ist. Die Gelzone steht mit einer Elektrolytlösung im Innenraum
3 des Elektrodenkörpers 1 in Verbindung, in die weiters die Ableitelektrode 4 eintaucht,
deren elektrische Ableitung 5 am anderen Ende des Elektrodenkörpers 1 isolierend
herausgeführt ist. Das polymere Gel in der Öffnung 2 steht mit dem Elektrolyt im
Innenraum 3 im Ionengleichgewicht, d.h. es enthält dieselbe Salzkonzentration. An
seiner Außenfläche 6 kommt das polymere Gel mit der Probe in Kontakt und verhindert
das Eindringen von Probe in den Elektrolyt im Innenraum 3. Da das Polymergertst
des Gels nicht ionogen ist, liefert es keinen Beitrag zur Potentialbildung und die
Elektrode wirkt wie eine solche mit offener FlUssigkeitsbrUcke, jedoch ohne Vermischung
von Elektrolyt und Probe. Versuche haben gezeigt, daß man vorteilhafterweise sogar
den überwiegenden oder gesamten Innenraum 3 mit dem polymeren Gel ausfüllen kann,
sodaß die Ableitelektrode direkt mit dem polymeren Gel in Verbindung steht, da der
Feststoffanteil der Gele auf weniger als 20 « des Volumens beschränkbar ist.
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Als polymere Gele können vorteilhaft solche auf der Basis von Polyacrylamid,
Polymetacrylamid, Polyvinylalkoholen, Polyacrylat, Polymetacrylat, Polyvinylpyrrolidon,
Bydroxyaethylacrylat oder ähnliche hydrophile, gelbildende Polymere sowie Gemische
derselben angewandt werden.
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Als Neutralsalze, die in der wässerigen Phase des Gels enthalten
sind, kommen in bekannter Weise insbesondere Alkalimetallhalogenide, wie Kalium-
oder Natriumchlorid, sowie Ammoniumchlorid, Ammoniumnitrat in Frage, darüber hinaus
aber ohne Einschränkung der Erfindung, auch andere wasserlösliche Salze, wie dies
für Referenzelektroden aus der Literatur bekannt ist (vergl. insbesondere IVES,
D.J.G. und JANZ, G.J. "Reference electrodes - Theory and Practice" Academic Press,
New York).
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Eine besonders bevorzugte Konstruktion der Referenzelektrode ist
in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einem zylindrischen Elektrodenkörper 7 mit
einem Kanal in Form einer axialen Bohrung 8, in die die Probe einfließen kann, weiters
aus einem dazu vorzugsweise im rechten Winkel angeordneten, als Bohrung ausgeführten
Innenraum 9 mit einer dünnen Verbindungsbohrung 10 zur Bohrung 8 sowie einer an
dem Abschlußteil 11 dicht fixierten Ableiteleketrode 12 aus Ag/AgCl. Der Innenraum
9 sowie die Verbindungsbohrung 10 sind mit dem Polymergel erfüllt, mit dem die Ableitelektrode
12 direkt in Kontakt steht.
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Zu erwähnen ist, daß es für die Wirksamkeit der ReSerenzelektrode
gemäß der Erfindung nicht erforderlich ist, den gesamten Innenraum 9 mit dem Polymergel
zu erfüllen. Das Polymergel kann auf die Verbindungsbohrung 10 in dünner Schicht
beschränkt bleiben, der übrige Raum kann mit der Elektrolytlösung erfüllt sein.
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In Fig. 3 ist eine Mikroreferenzelektrode gezeigt, wie sie bei biologischen
Untersuchungen zur Messung von Ionenkonzentrationen in lebenden Zellen eingesetzt
werden kann.
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Deren El.ektrodenkörper 13 besteht beispielsweise aus einer zu einer
dünnen Spitze ausgezogenen Glaskapillare, in die eine dünne Ableitelektrode 14 eingesetzt
ist. Der Innenraum 15 und die Öffnung 16 an der Spitze sind mit dem Polymergel gefüllt.
Über die Öffnung 16 an der Spitze erfolgt der Kontakt zur Probe. Da Glaskapillaren
zu Spitzen von weniger als 1 /um ausgezogen werden können, ergibt sich die Möglichkeit,
eine solche Elektrode auch bei mikroskopisch kleinen Proben
einzusetzen.
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Zur weiteren Verdeutlichung sei ein Beispiel der Herstellung einer
erfindungsgemäßen Referenzelektrode beschrieben.
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In einen Elektrodenkörper 7 nach Fig. 2 wird ein exakt dichtender
Stift in die Bohrung 8 eingeführt. In den Innenraum 9 wird das Gel in flüssiger,
nicht polymerisierter Form eingegossen und die Ableitelektrode sofort eingesetzt
und fixiert.
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- Ein Gel, das sich erfindungsgemäß als geeignet erwiesen hat, wird
wie folgt hergestellt: Lösung A 3 g Acrylamid 0,15 g §,N'-methylenbisacrylamid 0,006
ml N,N,N,N'-Tetramethylaetylendiamin gemeinsam gelöst in 7,5 ml H20 Lösung B 0,015
g Kaliumperoxodisulfat 1,3 g gC1 (Neutralsalz für Referenzelektrodenfunktion) in
10 ml H20 gelöst Die Lösungen A und B werden getrennt mit Stickstoff durchblasen,
um gelösten Sauerstoff weitgehend auszutreiben, da dieser die Polymerisation verzögert
bzw. verhindert. 1,5 ml Lösung A und 2 ml Lösung B werden vermischt und sofort luftblasenfrei
in den Innenraum 9 des Elektrodenkörpers 7 eingefüllt. Die Ag/AgCl-Ableitelektrode
12 wurde eingesetzt und über den Abschlußteil 11 verklebt.
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Nach abgeschlossener Polymerisation wird der Stift aus der Bohrung
8 vorsichtig herausgezogen, wodurch vorteilhafterweise eine sehr glatte Oberfläche
der Kontaktzone zwischen Gel und Probenkanal entsteht und die Referenzelektrode
somit gebrauchsfertig ist.
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Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist im Hohlraum 3 des
Elektrodenkörpers
1, der aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist, eine Ableitelektrode
4 angeordnet, von der der Ableitstift 5 nach außen fUhrt. Vom Hohlraum 3 ist der
leil 3 ' mit Gel erfüllt; im restlichen Teil des Hohlraumes befindet sich Elektrolytflüssigkeit.
Der Elektrodenkörper 1 weist am unteren Ende eine kleine Öffnung 2 auf, die ebenfalls
von hydrophilem polymerem Gel ausgefüllt ist. An der Außenfläche kommt das polymere
Gel mit der Probe in Kontakt und verhindert das Eindringen von Probenmaterial in
die Flüssigkeitsverbindung. An der unmittelbar mit der Probe in Kontakt stehenden
Außenfläche 6 würde eine langsame Verarmung des Gels an Neutralsalz erfolgen, was
durch die Erfindung verhindert wird. In den oberen Teil des Hohlraumes 3, welcher
mit Elektrolytflüssigkeit erfüllt ist, mündet ein Kanal 17, der über die Leitung
18 und ein Steigrohr 20 mit dem Elektrolyt-Vorratsbehälter 19 in Verbindung steht.
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Eine Pumpe 21 drückt Luft über eine Leitung 22 in den Vorratsbehälter
19, sodaß die im Vorratsbehälter befindliche Elektrolytflüssigkeit in der Art eines
Windkessels unter Druck gesetzt wird. Dieser Druck kann durch ein entsprechendes,
an die Leitung 22 angeschlossenes Ventil geregelt werden.
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Die Elektrolytflüssigkeit im Hohlraum 3 kann somit unter den gleichen
Druck gesetzt werden wie der Vorratebehälter 19, über eine bestimmte Zeitdauer,
welche durch nicht dargestellte Regelorgane vom Bedarf entsprechend der Arbeitsweise
des Analysengerätes abhängig gemacht werden kann. Der Druck im Vorratsbehälter bzw.
die Zeitintervalle werden so gewählt, daß durch das Gel die gerade notwendige Elektrolytmenge
bis zur Außenfläche des Gels in der Öffnung 2 durchtritt.
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Anstelle der Pumpe 21 kann unter Umständen der Vorratsbehälter so
hoch über dem Elektrodenkörper angeordnet werden, daß der hydrostatische Druck für
die Erneuerung der Außenfläche 6 des Gels ausreicht.
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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung gemäß der Erfindung,
bei
welcher der Kanal 23 den Ableitstift 5 und die Ableitelektrode 4 axial durchsetzt.
Die Zuführung der Elektrolytflüssigkeit kann dieselbe sein wie zu Fig. 4 beschrieben.
Bei dieser Ausführung ist nur die Offnung 2 mit Gel ausgefüllt und der Hohlraum
3 des Elektrodenkörpers ist zur Gänze mit Elektrolytflüssigkeit ausgefüllt.