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B e s c h r e i b u n g
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Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung der im Oberbegriff des- Anspruchs
1 angegebenen Art. Derartige Meßanordnungen dienen zur Aufnahme von Elekroden für
die potentiometrische Messung von Ionenkonzentrationen in einer strömenden Probenflüssigkeit.
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In jüngster Zeit werden zu Elektrolytbestimmungen in biologischen
Flüssigkeiten (sowie ähnlichen Meßmedien mit grundsätzlich bekannter chemischer
Matrix-Zusammensetzung) in zunehmenden Maß Analysengeräte mit ionensensitiven Meß-systemen
eingesetzt, da die potentiometrische Bestimmung der Elekrtolyte gegenüber dem herkömmlichen
Verfahren der Flammenphotometrie deutliche Vorteile bietet. Die Sensoren eines solchen
Analysators sind ionensensitive Elekroden (ISE), die prinzipiell aus dem eigentlichen
Sensor - der sogenannten ionensensitiven "Membran" - und einem elektrischen Arbeitssystem
bestehen.
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Nach Aufbau und Zusammensezung ihrer Membran unterscheidet man zwischen
Glasmembran-, Festkörper- bzw. Kristallmembran-, Flüssigmembran- und Matrix- bzw.
Polymermembran-ISE. In den letzten Jahren setzen sich für Analysatoren der beschriebenen
Art zunehmend Polymembran-Sensoren durch, da solche Membranen erheblich bessere
Eigenschaften in Hinblick auf den gewünschen Einsatzzweck bieten als andere Membran-Typen.
Herstellung und Anwendung von ionensensitiven Polymermembranen sind grundsätzlich
bekannt und werden seit Jahren in der einschlägigen Literatur disku-
tiert
(siehe z.B. W.E.Morf und W.Simon in "Ion-Selective Electrodes Based on Neutral Carriers,
sowie G.J.Moody und J.D.R.Thomas in "Poly(Vinyl Chloride) Matrix Membrane Ion-Selective
Electrodes"; beide in "Ion-Selective Electrodes in Analytical Chemistry", Volume
1 von Henry Freiser (Ed.) Plenum Press New York 1978). Die entsprechenden Verfahren
sind im Prinzip Stand der Technik und kein Gegenstand dieser Erfindung.
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Der Austausch der gealterten Sensoren soll von Anwendern des Analysengerätes
ohne vorherige Schulung einfach und schnell vorgenommen werden können. Obwohl in
aller Regel nur die ionensensitive Membran einer ISE der Alterung unterliegt (nicht
jedoch ihr elektrisches Ableitsystem), setzt ein Membran-Wechsel durch den Anwender
oft große Fingerfertigkeit voraus, und ist daher in den meisten Fällen kaum zumutbar.
Aus diesem Grund ist es Stand der Technik, solche Polymermembran-Sensoren als komlette
Einheiten (d.h. zusammen mit dem elektrischen Ableitsystem) auszuwechseln. Als Wegwerf-
bzw. Austausch-Artikel werden Polymer-ISE (PME) damit zu einem bedeutenden Kostenfaktor
für den Anwender.
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In klinisch-chemischen Analysengeräten erfolgt üblicherweise eine
simultane Messung unterschiedlicher Parameter mit mehreren verschiedenen ISE zur
gleichen Zeit. Da hierzu in der Regel nur eine geringe Probenmenge zur Verfügung
steht, muß die aktive Sensorflälche - d.h. die Kontaktfläche Sensor/Meßgut - möglichst
klein gestaltet werden, um gleichzeitig mehrere PME mit der geringen Probenmenge
(üblicherweise weniger als 500 /ul) in Verbindung
bringen zu können.
Bei der Herstellung der beschriebenen FK-PME ergeben sich daher besondere fertigungstechnische
Schwierigkeiten aus dem Umstand, daß einerseits die ionensensitive Membran probenseitig
sehr kleinflächig und von reproduzierbarer Geometrie sein soll, andererseits aber
die Herstellung solcher reproduzierbaren Membranen erschwert wird durch das Vergießen
der Membran-Lösung in flüssigem Zustand. Hierdurch muß eine hohe Ausschußrate in
Kauf genommen werden, da eine reproduzierbare Trocknung und Aushärtung der zuvor
flüssigen Komponenten (Membran und verfestigter Ableit-Elektrolyt) nur schwer erreichbar
ist, und eventuelle Fehlfunktionen des fertigen Sensors (aufgrund von Härtungs und
Trocknungsfehlern, wie z.B.
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Luftblasen etc.) erst bei einer späteren Funktionskontrolle erkannt
werden können. Da nach dem Trocknen und Aushärten Membran und Ableitsystem unlösbar
verbunden sind, können fehlerhafte Sensoren dann nur komplett verworfen werden,
was bei der üblichen Verwendung von Edelmetallen (insbesondere Silber oder Platin)
als elektrische Ableiter sowie einer verfahrensbedingten hohen Ausschuß-Rate zu
einer erheblichen Verteuerung solcher FK-PME führt.
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Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Meßsystem zur Aufnahme derartiger Sensoren anzugeben, das einerseits eine leichte
und schnelle Austauschbarkeit der beschriebenen Elektroden gewährleistet, und andererseits
so klein gestaltet ist, daß auch geringe Probenmengen noch zuverlässig gemessen
werden können. Das System soll darüberhinaus schnell und sicher handhabbar sein.
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Die Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf: Durch
die Art der Flüssigkeitsführung, wobei im auswechselbaren Elektrodenkopf ein Teil
des Probenkanals enthalten und lediglich eine Zu- und eine Abflußöffnung offenstehen,
bleibt die empfindliche Membran für Finger und Werkzeuge unerreichbar. Ein Versand
der Elektrodenköpfe als Ersatzteile auf dem Postweg ist ohne Schwierigkeiten möglich.
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Alle Kunststoffteile können als Formteile ausgebildet sein, so daß
keine handwerklichen Nacharbeiten notwendig sind.
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Mechanisch selbst justierende und dichtende Systeme beim Zusammenbau
der Elektrode und beim Elektrodenwechsel gestatten eine schnelle und unkomplizierte
Handhabung.
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Das Verhältnis vom Membranvolumen zur aktiven Sensorfläche beträgt
ca. 1,6 mm im Vergleich zu dem bekannter Elektroden von weniger als 0,5 mm. Demgemäß
kann eine etwa dreimal längere Lebensdauer der Membranen erwartet werden.
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Der Erfindung liest die Erkenntnis zugrunde, daß mit der Aufnahme
eines Teils des Probenkanals jeweils in den Elektrodenkopf, unter anderem wegen
der sich verkleinernden Anschlußquerschnitte, eine derart kompakte Anordnung möglich
ist, daß mit geringsten Probenvolumina ausgekommen
werden kann.
Trotz der gedrängten Anordnung sind die einzelnen Elektrodenköpfe zum Auswechseln
ohne weiteres manuell erreichbar. Gegenstand einer bevorzugten Weiterbildung ist
auch eine einfach zu handhabende Arretiereinrichtung für mehrere Elektroden.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben bzw. werden anhand des Ausführungsbeispiels, welches in den Figuren dargestellt
ist, näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht des erflndungsgemäßen
Elektrodensystems und Figur 2 dieselbe Anordnung in der Draufsicht.
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Bei der in Figur 1 wiedergegebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems ist ein Grundkörper 1 des Durchflußsystems fest in einem nicht näher dargestellten
Gerät für ionensensitive Analysen zur Aufnahme von vier Elektroden installiert.
Der Grundkörper ist als Thermoplastspritzteil ausgeführt. Die zu untersuchende Flüssigkeit
gelangt in Pfeilrichtung zu einer Zuflußöffnung 2 und von da aus in geradem Weg
über einen Aufnahmeansatz 3 in die erste Elektrode 4, welche nur zum Teil dargestellt
ist.
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Der Verbindungsweg für die Flussigkeit zur Auslaßöffnung verläuft
innerhalb eines entfernbaren Elektrodenelementes und schließt an einem Anschlußelement
5 wiederum an den Grundkörper 1 an, welcher mittels einer gerade verlaufenden Bohrung
6 die Verbindung zur nachfolgenden Elektrode herstellt. Entsprechend gelangt die
zu analysierende
Flüssigkeit noch zu zwei weiteren Elektroden 8
und 9, die ebenfalls mit dem Grundkörper 1 in Verbindung stehen.
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Es ist ersichtlich, daß der Weg für die Flüssigkeit äußerst kurz ist,
so daß die betreffenden Tests mit einer sehr kleinen Substanzmenge durchführbar
sind. Dazu kommt, daß die Elektroden einzeln zugänglich und von dem Grundkörper
ohne weiteres entfernbar sind. Die zu analysierende Flüssigkeit verläßt nach dem
Durchströmen der ionensensitiven Elektroden einschließlich Referenzelektrode den
Grundkörper durch eine Auslaßöffnung 10. Der Aufbau einer einzelnen Elektrode soll
nachfolgend näher dargestellt werden.
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Ein ringförmiges Trägerelement 11 bildet den Elektrodenkopf und schließt
eine Membran 12 nach außen hin zylindermantelförmig ab. Der Elektrodenkopf 11 weist
einen inneren Hohlraum 13 für die hindurchtretende Flüssigkeit auf, welcher der
Membran 12 benachbart ist und somit eine abgeschlossene Kammer bildet. Diese Meßkammer
steht durch eine Zu- und Abflußöffnung 14 bzw. 15 mit den entsprechenden Anschlüssen
der geraden Verbindung des Durchflußsystems in Verbindung.
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Auf diese Weise ist die Membran im Elektrodenkopf beim Auswechseln
des Kopfteils bestens geschützt, da sie bei den dafür erforderlichen Handhabungen
nicht von den Fingern der Bedienungsperson erreicht wird. Werkzeuge sind zum Auswechseln
nicht erforderlich.
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Die Membran wird in üblicher Weise - allerdings als separates Element
ohne jegliche Kontaktierungs- und Ableitelemente
in homogener
Form als Scheibe - hergestellt. Die Membran kann dabei eine relativ große Dicke
erhalten, welche ihre Gebrauchsdauer verlängert, da damit das Verhältnis von Membranvolumen
zu aktiver Sensorfläche steigt. Bei einer Membrandicke von 0,3 mm läßt sich beispielsweise
ein Verhältnis von 2,95 mm erreichen.
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Durch den dargestellten abgewinkelten Verlauf des Durchflußkanals
durch den Elektrodenkopf läßt sich gleichzeitig die Dichtigkeit der Anschlüsse zum
Grundkörper gewährleisten, da diese senkrecht zur Membran und zur Einbaurichtung
der Elektrode verlaufen, so daß die den Elektrodenkopf in seiner Position fixierenden
Kräfte eine Druckkraft auf die den Durchflußkanal umgebenden Dichtflächen 16 und
17 ausüben. Die Wirkung der Dichtflächen wird noch erhöht durch sie umgebende O-Ringe
19. Es ist dabei zu beachten, daß diese Dichtflächen die einzigen Abstützpunkte
für die Elektroden auf dem Grundkörper bilden, so daß hier eine maximale Pressung
entsteht.
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Die Membran 12 wird bei der Montage einfach in den zylinderförmigen
Elektrodenkopf 11 eingelegt, wobei sie sich auf einem umlaufenden ringförmigen Ansatz
abstützt. Bei einem entsprechenden Anpreßdruck erfolgt auch die Abdichtung der Elektrodenanordnung
gegen das Meßgut in diesem Bereich.
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Auf der Membran 12, welche sich auf einem im Inneren des Elektrodenkopfes
umlaufenden ringförmigen Ansatz abstützt, liegt eine Ag-Scheibe 19 auf, deren der
Membran zugewandte Fläche mit einer Chloridschicht versehen ist. Diese Teile
bilden
zusammen mit dem den Elektrodenkopf 12 darstellenden ringförmigen Träger eine auswechselbare
Einheit, welche an ihrem Randbereich leicht manuell erfaßt, aus der dargestellten
Position nach (in der Zeichnung) rechts abgezogen und durch ein entsprechendes Element
ersetzt werden kann. Der Zugriff erfolgt dabei zweckmäßigerweise mit Daumen und
Zeigefinger, welche in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene ausreichend Platz
finden.
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Das Ableitelement 19 aus Silber liegt mit seiner chlorierten Fläche
auf der Membran 12 lose auf und wir mittels einer Schraubenfeder 40 im Randbereich
angepreßt. Als Führung der Schraubenfeder dient eine Innenhülse 41 mit Kragen, an
dem sich das andere Ende der Schraubenfeder abstützt. Von der Innenhülse wird die
Kraft der Schraubenfeder 40 auf mit dem Elektrodenkopf (Trägerelement) 11 verbundene
elastische Haken übergeleitet, welche zur Demontage ausrastbar sind.
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Auf den Elektrodenkopf aufgesteckt ist eine Kontaktierungseinheit
20, welche auf den Elektrodenkopf 12 nach Art eines Steckers aufgeschoben werden
kann und über einen Kontakt 21, der in einer Bohrung geführt und unter der Kraft
einer Druckfeder 22 steht, mit einer Koaxialbuchse 23 verbunden wird, mittels der
die elektrische Verbindung zum elektronischen Teil des Geräts hergestellt wird.
Das die Kappe bildende und die Kontaktelemente aufnehmende Element bildet ein Isolierstoffgehäuse,
in das gegebenenfalls erforderliche Abschirmelemente gegen elektromagnetische Srörstrahlung
eingelegt werden können.
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Die Bemessung ist derart gewählt, daß bei auf das Gehäuse 7 ausgeübter
Druckkraft sich die Elektrodenkappe auf dem Elektrodenkörper abstützt.
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Die das Kontaktelement 21 führende Bohrung 23 hält im Bereich ihrer
Vorderflächen jedoch einen gewissen Abstand von dem aus Silber bestehenden Ableitelement
19, so daß die Kontaktierung ausschließlich über die Druckfeder 22 erfolgt und die
Kontaktkräfte somit innerhalb vorgegebener Grenzen kontrollierbar sind.
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In Figur 2 ist dieselbe Anordnung in der Draufsicht wiedergegeben,
wobei ersichtlich ist, daß die Verschlußkappe 20 mit einem Trägerelement in Verbindung
steht, welches um eine Achse 30 schwenkbar gelagert ist. Während die Elektrodenanordnung
selbst bis auf die Ausbildung des Durchflußkanals 13 rotationssymmetrisch ausgebildet
ist, erstreckt sich die Verschlußkappe im wesentlichen in Richtung der Zeichenebene
gemäß Figur 2, so daß trotz eng benachbarter Elektroden ein Betätigungselement zur
Verfügung steht, welches trotz beschränkter Platzverhältnisse der Elektroden leicht
betätig- und ausschwenkbar ist. Anschlagflächen 31 und 32 begrenzen den Weg der
Verschlußkappe, wobei die entsprechenden Stege auf dem Elektrodenkörper 12 aufliegen
und diesen in einer definierten Stellung in Bezug auf den Grundkörper 1 festhalten.
Die Verschlußkappe 20 ist mittels eines Widerhakens 32a an eine Rastnase 33 verriegelt,
wobei die Verriegelung über eine Betätigungstaste, welche aufgrund der Elastizität
der Anordnung eine Freigabe des Widerhakens 32 bewirkt, ausrastbar ist. Nach Betätigung
der Taste 33s und dem Aus-
rasten des Widerhakens kann ohne Loslassen
der Taste mit leicht veränderter Kraftrichtung die Verschlußkappe ausgeschwenkt
werden, so daß der Elektrodenkörper 12 ohne weiteres ergriffen und ausgewechselt
werden kann.
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Es ist ersichtlich, daß die Anzahl der beim Auswechseln mit der Elektrode
zu entfernenden Teile minimal ist, so daß das betreffende Ersatzteil kostengünstig
herstellbar ist. Dazu kommt, daß auch bei der Herstellung selbst Vorteile auftreten,
welche aus der dargestellten Scheibenform der Membran resultieren, die ausschließlich
durch auf den losen Membrankörper ausgeübte Kräfte fixiert wird. Auch die Silberplatte
wird lediglich eingelegt, wobei im montierten Zustand die zur Kontaktierung notwendigen
Kräfte sicher aufgebracht werden und ein betriebsstabiler Zustand erreicht wird.
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Mit der dargestellten Anordnung gemäß der Erfindung können die Elektroden
äußerst dicht benachbart vorgesehen werden, so daß nur kurze Leitungswege erforderlich
sind, wobei trotzdem die zum Auswechseln erforderlichen Handhabungen ohne weiteres
ausführbar sind und die Betätigungsteile sicher erreicht werden können. So wird
im Gegensatz zu bekannten Ausführungen entsprechender technischer Elemente auf eine
Schraub- oder Bajonettverbindung verzichtet und die erforderliche Anpreßkraft ausschließlich
durch eine geeignete Hebelwirkung erzielt, welche durch die in Querrichtung vom
Elektrodenanschluß entfernt gelegene bei der Betätigungstaste gelegenen Verriegelungselemente
aufgebracht wird. Bei dem angegebenen Konstruktionskonzept läßt sich die Verschlußkappe
bevorzugt einstückig aus
Kunststoff als Spritzwerkstück herstellen,
so daß auch eine kostengünstige Fertigung gewährleistet ist.