DE3414866A1

DE3414866A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der osmolaritaet von fluessigkeitsproben

Info

Publication number: DE3414866A1
Application number: DE19843414866
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. 8011 Pliening Schickle; Erwin Dipl.-Ing. 8000 München Strigl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-19
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1985-10-31

Description

Dlpl, Ing. Erwin Strigl
Bauerstraße 24 8000 München 40 Dipl.Phys. Karl Schickle Petriweg 2 8011 Pliening Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Osmolarität von Flüssigkeitsproben.
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen insb. der Ospolarität von Flüssigkeitsproben, insbesondere von wenigen Nano-Litern, bei dem die Temperatur der Probe verändert wird und die dem Phasenübergang "fest/flüssig" der unter z.B. Ö1-abschluß gehaltenen Probe entsprechende Temperatur gemessen wird, welche ein Maß für die Osmolarität ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
In der bio-medizinischen Forschung, der Physiologie und der Chemie ist es häufig erforderlich, kleinste Flüssigkeitsproben zu untersuchen. Insbesondere bei physiologischen Untersuchungen der Tubuli der Niere wird eine kleinste Flüssigkeitsprobe im Bereich von wenigen Nano-Litern auf ihre Osmolarität untersucht. Zum Begriff der Osmolarität s.z.B.Netter, THEORETISCHE BIOCHEMIE, Springer-Verlag, Berlin, 1959 S.108. Die gemessene Osmolarität gibt Aufschluß über die Stoffwechsel vorgänge in den Tubuli.
Es ist bekannt, die Osmolarität einer Lösung durch deren Gefrierpunktserniedrigung zu bestimmen. Dabei wird das bekannte Phänomen ausgenutzt, daß sich der Gefrierpunkt, also der Übergang von der flüssigen in die feste Phase einer Flüssigkeit, mit der Konzentration ändert. Diese Vorgänge sind wohlbekannt und Lehrbüchern der physikalischen Chemie zu entnehmen.
Es ist ein Verfahren zum Messen der Osmolarität von kleinsten Flüssigkeitsproben im Bereich von wenigen Nano-Litern bekannt, bei dem die Probe unter Öl abschluß mikroskopisch beobachtet und abgekühlt wird. Die durch das Mikroskop die Probe beobachtende Person erkennt im Augenblick des Phasenüberganges "flüssig/fest" der Probe eine Änderung im durch die Probe erzeugten optischen Eindruck. Die Bedienungsperson mißt sodann die dem beobachteten Phasenübergang zugehörige Temperatur des Systems, in dem die Probe eingeschlossen ist.
Somit ergibt sich die Gefrierpunkterniedrigung, aus der sich die Osmolarität aus bekannten Tabellen ermitteln läßt (Geigy, Wissenschaftliche Tabellen).
Die Flüssigkeitsprobe wird bei diesem Verfahren unter Ölabschluß gehalten, da anderenfalls die Probe sofort verdunsten würde und/oder die Probe ihre Osmolarität ändern würde.
Das bekannte Verfahren weist eine Reihe von Mängeln auf.
Da es auf die Zuverlässigkeit der Beobachtungsgabe der Bedienungsperson ankommt, ist die Messung mit einem relativ großen subjektiven Fehler behaftet. Auch ist das bekannte Verfahren mit einer Reihe von technischen Schwierigkeiten bei der Handhabung der Probe verbunden, die es sehr zeitaufwendig machen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Osmolarität von Flüssigkeitsproben zu schaffen, welches bzw. welche exakte, gut reproduzierbare Meßergebnisse liefert und leicht zu handhaben ist sowie eine Automatisierung des Meßverfahrens gestattet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß die Probe abgekühlt oder erwärmt wird, daß elektromagnetische Strahlung auf die Probe gestrahlt wird und daß die Änderung der Transmission (oder Reflexion) der Probe bei einem Phasenübergang gemessen wird.
Im Unterschied zum Stand der Technik wird also gemäß der Erfindung die Beobachtung im Mikroskop durch eine rein physikalische Messung ersetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als elektromagnetische Strahlung Licht eingesetzt wird und daß die Änderung der Transmission der Probe mittels eines Fotodetektors oder -multiplier gemessen wird.
Besonders geeignet für die Messung ist eine Kapillare, in welche die Probe unter Öl abschluß eingeschlossen wird, wobei in eine Öffnung der Kapillare Licht eingekoppelt wird, die Kapillare abgekühlt oder erwärmt wird, und mittels eines an der anderen Öffnung der Kapillare positionierten Fotoelementes die Änderung des Lichtdurchganges durch die Kapillare beim Phasenübergang gemessen wird.
Es ist bekannt, daß bei der Abkühlung von Lösungen im Bereich des Gefrierpunktes Verzögerungen beim Phasenübergang "flüssig/fest" auftreten. Diese Verzögerungen hängen mit dem Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein von sogenannten Kristallisationskeimen zusammen. Diese Gefrierpunkt verzögerung beim Abkühlen der Probe hat zur Folge, daß die Messung der dem Phasenübergang zuzordnenden Temperatur schlecht reproduzierbar ist. Demgemäß wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Probe zunächst unter den Gefrierpunkt abgekühlt und sodann wieder erwärmt, wobei die dem Phasenübergang beim Erwärmen entsprechende Temperatur als Messresultat gewählt wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens ist vorgesehen, daß beim Abkühlen der Phasenübergang der Probe grob ermittelt wird und daß beim anschließen den Erwärmen ein vorgewählter Meßbereich um den zuvor grob ermittelten Phasenübergang mit erhöhter Meßauflösung durchfahren wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Kapillare, in der die Flüssigkeitsprobe unter z.B. Ölabschluß gehalten wird; eine Lichtquelle, aus der Licht in eine Öffnung der Kapillare eingestrahlt wird; und einen Fotodetektor, der das aus der anderen Öffnung der Kapillare austretende Licht empfängt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 10 bis 19 beschrieben.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht nur für die Messung der Osmolarität von Flüssigkeitsproben geeignet ist, sondern vielmehr ganz allgemein gestattet, den Phasenübergang "fest/flüssig" oder "flüssig/fest" bei Proben im z.B. Nano-Filter-Bereich zu ermitteln.
Auch braucht gemäß der vorliegenden Erfindung die zu vermessende Probe nicht notwendig unter Ölabschluß gehalten werden.
Bei Proben-Materialien, bei denen keine Verdunstung zu befürchten ist, oder die in so großem Volumen vorliegen, daß die Verdunstung vernachlässigbar ist, kann die Probe frei, ohne Ölabschluß, gehandhabt werden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Messen der Osmolarität von Flüssigkeitsproben; und Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Kapillare 10 von z.B. 3 cm Länge weist typischerweise ein Gesamtvolumen von etwa 1 p-Liter auf. Der Durchmesser der Kapillare 10 beträgt z.B. 200 p m. Mittels einer weiteren, dünneren Kapillare (nicht gezeigt) wird die zu untersuchende Flüssigkeitsprobe 12 unter Ölabschluß in die Kapillare 10 eingeführt. Beiderseits der Flüssigkeitsprobe 12 von typischerweise etwa 10 Nano-Litern ist wassergesättigtes Öl 15 angeordnet, damit die Flüssigkeitsprobe ihre Osmolarität nicht verändert.
Mittels einer Lichtquelle 14 wird Licht über einen Lichtleiter 14 in die Öffnung 16 der Kapillare 10 durch Einführen des Lichtleiter 24 eingekoppelt. Die Lichtquelle 14 ist mit der Kapillar-Anordnung gemeinsam auf einer Basis 26 montiert, wobei sich die Lichtquelle 14 zusammen mit dem Lichtleiter gemäß dem Pfeil 28 in Richtung auf die Kapillare 10 verschieben läßt.
Unmittelbar der weiteren Öffnung 18 der Kapillare 10 benachbart ist ein Fotodetektor 17 angeordnet, der das aus der Öffnung 18 austretende Licht empfängt. Die Anschlußleitungen 19 des Fotodetektors 17 verbinden die Vorrichtung mit einer Auswerteelektronik (nicht gezeigt).
Zum Verändern der Temperatur der Flüssigkeitsprobe 12 dienen Peltier-Elemente 20 und 22, zwischen denen eine Scheibe 23 angeordnet ist. Eines der Peltier-Elemente (20) ist in direktem Wärmekontakt zur Kapillare 10 angeordnet, während das andere Peltier-Element 22 in Wärmekontakt zu einem Wasser-Reservoir 30 steht. Mittels des Peltier-Elementes 22 wird die Scheibe 23 auf z.B. 2" Celsius abgekühlt und auf dieser Temperatur stabilisiert. Das weitere Peltier-Element 20 dient dann der kontinuierlichen Abkühlung bzw. Erwärmung der Flüssigkeitsprobe 12. Die Kapillare 10 ist bis auf den Wärmekontakt zu dem einen Peltier-Element 20 von einer Wärmeisolierung 32 umgeben. Wird beim Abkühlen der Flüssigkeitsprobe 12 mittels des Peltier-Elementes 20 der Gefrierpunkt der Flüssigkeitsprobe 12 erreicht, so erfolgt in der Probe ein Phasenübergang "flüssig/ fest". Dabei ändern sich die optischen Transmissionseigenschaften des Probematerials, so daß sich am Fotodetektor 17 eine Änderung der empfangenen Lichtmenge zeigt, welche in der Auswerteelektronik auswertbar ist.
Aufgrund der eingangs geschilderten Gefrierpunktsverzögerungen beim Abkühlen von Flüssigkeitsproben, wird vorzugsweise die Flüssigkeitsprobe zunächst unter den Gefrierpunkt abgekühlt, worauf die Probe wieder mittels des Peltier-Elementes 20 allmählich erwärmt wird und der Phasenübergang "fest/flüssig" mittels der Anordnung aus Lichtquelle 14 und Fotodetektor 17 gemessen wird. Die dem Phasenübergang entsprechende Temperatur der Flüssigkeitsprobe 12 dient der Bestimmung der Osmolarität, wozu bekannte Tabellen den funktionalen Zusammenhang liefern.
Die Messung der Gefrierpunktstemperatur der Flüssigkeitsprobe 12 erfolgt in möglichst unmittelbarer Nähe der Flüssigkeitsprobe 12, beispielsweise mittels eines Thermoelementes, oder eines temperaturabhängigen Widerstandes 34. Der Temperatur der Scheibe 23 wird ebenfalls mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes 36 gemessen.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung des Phasenüberganges "flüssig/fest" einer Flüssigkeitsprobe dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Flüssigkeitsprobe 12 nicht unter Ölabschluß. Die Kapillare 10 ist etwa U-förmig ausgebildet, wobei die beiden Schenkel des "U" zur Öffnung hin trichterförmig aufgeweitet sind. Im linken trichterförmigen Schenkel 10a der Kapillare 10 wird die zu untersuchende Flüssigkeit 12 eingefüllt, welche in der U-förmigen Kapillare auch in den rechten Schenkel1Ob ansteigt. Im unteren, horizontal verlaufenden Abschnitt befindet derjenige Teil der Flüssigkeitsprobe 12, der mittels des Phasenüberganges "fest/flüssig" untersucht werden soll. Dazu dienen zwei Peltier-Elemente 20,22, welche in gutem Wärmekontakt zu dem horizontal verlaufenden Abschnitt der U-förmigen Kapillare 10 stehen. Ein Lichtleiter 24 wird in den Schenkel 10a der Kapillare 10 bis zu dessen Ende eingeschoben, während im gegenüberliegenden Schenkel 10b der Kapillare 10 ebenfalls ein Lichtleiter 24a zum Empfang des vom Lichtleiter 24 ausgehenden Lichtes eingeschoben ist. Das vom Lichtleiter 24a empfangene und weitergeleitete Licht wird in einen Detektor 17 gegeben. Im übrigen entspricht die Einkoppelung des Lichtes in den Lichtleiter 24 der Anordnung, wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurde.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ist besonders gut geeignet für eine vollautomatische Messung des Phasenüberganges der Flüssigkeitsprobe, wobei als Flüssigkeit z.B. Urin, Blutserum oder andere, zu analysierende Substanzen in Frage kommen.
Auch hat diese Vorrichtung den Vorteil, daß sie eine leichte Reinigung (Spülung) ermöglicht, so daß fortlaufend neue Proben untersucht werden können, wobei es sich nicht nur um kleine, sondern auch um großvolumige Proben handeln kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE e .) Verfahren zum Messen tinsb. der Osmolarität von Flüssigkeitsproben, insbesondere von wenigen Nano-Litern, bei dem die Temperatur der Probe verändert wird und die dem Phasenübergang "fest/flüssig" der unter z.B. Ölabschluß gehaltenen Probe entsprechende Temperatur gemessen wird, welche ein Maß für die Osmolarität ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe abgekühlt oder erwärmt wird, daß elektromagnetische Strahlung auf die Probe gestrahlt wird und daß die Änderung der Transmission der Probe beim Phasenübergang gemessen wird.
2. Verfahren zum Messen insb. der Osmolarität von Flüssigkeitsproben, insbesondere von wenigen Nano-Litern, bei dem die Temperatur der Probe verändert wird und die dem Phasenübergang "fest/flüssig" der unter z.B. Ölabschluß gehaltenen Probe entsprechende Temperatur gemessen wird, welche ein Maß für die Osmolarität ist, dadurch g ek en n zei chnet, daß die Probe abgekühlt oder erwärmt wird, daß elektromagnetische Strahlung auf die Probe gestrahlt wird und daß die Änderung der Reflexion der Probe beim Phasenübergang gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als elektromagnetische Strahlung Licht vorgesehen ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e kenn ze ich n et , daß die Änderung der Transmission bzw. Reflexion mittels eines Fotodetektors gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe unter z.B. Ölabschluß in eine Kapillare eingeführt wird; daß in eine Öffnung der Kapillare Licht eingekoppelt wird; daß die Kapillare abgekühlt oder erwärmt wird; und daß mittels eines an der anderen Öffnung der Kapillare positionierten Fotoelementes die Änderung des Lichtdurchganges durch die Kapillare beim Phasenübergang gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmenge und/oder der Durchmesser der Kapillare so gewählt werden, daß die Probe entlang ihrem Umfang einen Teil der Innenwand der Kapillare benetzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch g ek enn zeichn et , daß die Probe zunächst unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird und daß die Temperatur gemessen wird, die dem Phasenübergang beim anschließenden Erwärmen der Probe entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen der Probe der Phasenübergang grob ermittelt wird und daß beim anschließenden Erwärmen ein vorgewählter Meßbereich um den zuvor beim Abkühlen grob ermittelten Phasenübergang mit erhöhter Meßauflösung durchfahren wird.
9. Vorrichtung zum Messen insb. der Osmolarität von Flüssigkeitsproben, insbesondere im Bereich von wenigen Nano-Litern, mit Einrichtungen zum Verändern der Temperatur der Probe, wobei die Probe unter z.B. Ölabschluß gehalten wird und die dem Phasenübergang "fest/flüssig" entsprechende Temperatur der Probe gemessen wird, welche eine Funktion der Osmolarität ist, gekennzeichnet durch eine Kapillare (10), in der die Flüssigkeitsprobe (12) unter z.B. Ölabschluß (15) gehalten wird; eine Lichtquelle (14), aus der Licht in eine Öffnung (16) der Kapillare (10) eingestrahlt wird; und einen Fotodetektor (17), der das aus der anderen Öffnung (18) der Kapillare (10) austretende Licht empfängt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Verändern der Temperatur der Probe (12) zumindest ein Peltier-Element (20) vorgesehen ist, welches in gutem Wärmekontakt mit der Kapillare (10) steht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e kenn ze ich net, daß das Peltier-Element (20) langgestreckt, längsachsenparallel zur Kapillare (10) angeordnet ist.
1 2. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g ek en n zei chn et, daß zwei Peltier-Elemente (20,22) nacheinander geschaltet sind, wobei eines (20) direkten Wärmekontakt zur Kapillare (10) hat.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (10) bis auf ihren Kontakt zu dem oder den Peltier-Elementen (20,22) im wesentlichen wärmeisoliert angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (22) welches keinen direkten Wärmekontakt zur Kapillare (10) aufweist, in Wärmekontakt zu einem Wasser-Reservoir (30) steht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (14) mittels eines Lichtleiters (24) in die Öffnung (16) der Kapillare (10) eingekoppelt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch g ek en n zei ch ne t, daß der Abstand zwischen der Lichtquelle (14) und der Kapillare (10) veränderbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (24) in die Kapillare (10) teilweise eingeführt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (24) mit der Lichtquelle (14) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (10) auf ihrer Innen-Wandung verspiegelt ist.