DE3729290C1 - Pruefelement zur Bestimmung von Bestandteilen einer insbesondere gasfoermigen Probe und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Prüfelement zur Bestimmung von Bestandteilen einer insbesondere gasförmigen Probe mit Reagenzien, die im Lagerzustand des Prüfelements in Form von zwei voneinander getrennten Teilmengen vorliegen, welche zur Herstellung des Benutzungszustandes des Prüfelements in Kontakt zueinander gebracht werden können, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Prüfelements.

Prüfelemente, mit deren Hilfe Gase auf darin enthaltene Bestandteile verhältnismäßig einfach, schnell und kostengünstig untersucht werden können, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.

In der deutschen Patentschrift 34 07 686 wird beispielsweise ein Meßgerät beschrieben, welches mit einem reagenzhaltigen Indikatorband arbeitet. Das zu prüfende Gas wird durch dieses Indikatorband hindurchgesaugt. Dabei reagieren die Reagenzien auf dem Indikatorband spezifisch mit den zu bestimmenden Bestandteilen der Probe. Dies führt zu einem Farbumschlag, welcher photoelektrisch nachgewiesen werden kann.

Häufig sind die Prüfelemente auch als Gasprüfröhrchen ausgebildet. Darin sind Reagenzien so angeordnet, daß sie von dem zu prüfenden Gas möglichst intensiv kontaktiert werden, wenn dieses, beispielsweise mittels einer speziellen Pumpe, durch das Röhrchen hindurch gesaugt wird.

Bei der Entwicklung derartiger Prüfelemente stellt sich häufig das Problem, daß mehrere Reagenzien verwendet werden müssen, welche gemeinsam nicht lagerbeständig sind. Deswegen sind bei den Prüfelementen der eingangs bezeichneten Art die Reagenzien in Teilmengen unterteilt, wobei jede Teilmenge nur solche Reagenzien enthält, die im Kontakt miteinander lagerbeständig sind. Dieser Zustand des Prüfelements wird als Lagerzustand bezeichnet.

Erst kurz vor der Benutzung werden solche Prüfelemente in den Benutzungszustand überführt, wobei die zuvor getrennten Teilmengen der Reagenzien in Kontakt zueinander gebracht werden.

Bei dem oben erwähnten Indikatorband gemäß der DE-PS 34 07 686 sind beispielsweise drei verschiedene Mikrokapseln vorgesehen, welche die Teilmengen der Reagenzien enthalten und durch entsprechende Quetschwalzen des zugehörigen Geräts zerstört werden, so daß die in ihnen enthaltenen Reagenzlösungen zusammenfließen und sich vermischen.

In der DE-PS 7 13 659 und in dem DE-GM 17 48 816 sind zwei verschiedene Konstruktionen von Prüfröhrchen beschrieben, welche im Lagerzustand zwei voneinander getrennte Teilräume für zwei gemeinsam nicht lagerbeständige Teilmengen von Reagenzien enthalten. Im erstgenannten Fall wird die Verbindung der Teilräume und damit die Vermischung der darin enthaltenen Reagenzien dadurch ermöglicht, daß die Trennwand einen plastischen Stopfen enthält, welcher durch den Unterdruck beim Ansaugen des zu prüfenden Gases herausgesaugt werden soll. Im zweiten Fall erfolgt die Trennung durch einen Trennfilm, welcher durch die Saugwirkung der Pumpe zerreißt. Es sind auch Prüfröhrchen bekannt, welche Reagenzien in getrennten Ampullen enthalten, welche zur Überführung in den Benutzungszustand zerbrochen werden müssen.

In der DE-OS 30 31 731 wird ein Prüfelement in Form eines Gasdosimeters beschrieben, bei welchem die nachzuweisenden Verunreinigungen in einen inneren Teil diffundieren können, in welchem sie bis zur Durchführung einer Analyse gehalten sind. Das Dosimeter enthält ferner mehrere spezifische Farbreagenzien, die jede für sich gesondert in Kammern aufgenommen sind, die jedoch in Kontakt mit dem die nachzuweisenden Verunreinigungen aufzunehmenden Sammelmedium gebracht werden können.

Nach durchgeführter Probenahme werden die Kammern mit den Reagenzien geöffnet, so daß sich deren Inhalt in das Sammelmedium ergießt, dort mit der gesammelten Verunreinigung zu einer Farbreaktion führt und kolorimetrisch ausgewertet werden kann.

Ein weiteres Prüfelement nach CH-PS 6 37 483 zeigt eine Testvorrichtung, bei der die verschiedenen Reagenzien, die zu einer Farbreaktion mit der nachzuweisenden Substanz führen können, in diskreten Raster-Bereichen auf einer dafür vorgesehenen Prüffläche aufgebracht sind. Die Reagenzien sind jeder für sich beständig, jedoch miteinander unverträglich, müssen aber zum Nachweis der fraglichen Substanz zusammengeführt werden. Die Reaktion der verschiedenen Reagenzien miteinander, die zum Nachweis einer Substanz nötig ist, kann beispielsweise durch Anfeuchten der Rasterbereiche erfolgen, wodurch die Reagenzien freigesetzt, miteinander und gemeinsam mit der nachzuweisenden Substanz reagieren können.

Die vorbekannten Prüfelemente können nicht in jeder Hinsicht befriedigen. Insbesondere sind sie häufig zu aufwendig in der Herstellung und/oder nicht ausreichend zuverlässig in der Benutzung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Prüfelement, insbesondere in Form eines Prüfröhrchens, zur Verfügung zu stellen, bei dem die getrennte Lagerung von miteinander unverträglichen Teilmengen der Reagenzien und deren Überführung in den Benutzungszustand mit einfachen Mitteln und guter Zuverlässigkeit möglich ist.

Die Aufgabe wird bei einem Prüfelement der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß mindestens eine der Teilmengen im Lagerzustand in einer Vielzahl von Partikeln enthalten ist, die jeweils einen reagenzhaltigen Kern und eine den Kern umgebende Umhüllung aufweisen, wobei die Umhüllung aus einem Material besteht, welches bei Normaltemperatur fest ist, jedoch bei einer höheren, für die übrigen Bestandteile des Testelements unschädlichen Temperatur schmilzt, so daß die Umhüllung durch Erhitzen entfernbar ist, um das Testelement von dem Lagerzustand in den Benutzungszustand zu überführen.

Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Prüfelements ist dadurch gekennzeichnet, daß man die reagenzhaltigen Kerne mit einer Umhüllung beschichtet, die aus einem Material besteht, welches die genannten Eigenschaften aufweist und die so gebildeten Partikel in das Prüfelement derartig integriert, daß es von dem Lagerzustand in den Benutzungszustand übergeht (also die Reagenzteilmengen in Kontakt zueinander treten), wenn man es auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Umhüllung erhitzt.

Die Teilmengen der Reagenzien können jeweils eines oder mehrere Reagenzien enthalten. Zweckmäßigerweise sind die Partikel, welche mindestens eine der Reagenzteilmengen enthalten, zwischen den übrigen Reagenzien in weitgehend gleichmäßiger Verteilung angeordnet. Beim Schmelzen der Umhüllung ergibt sich somit eine schnelle homogene Durchmischung der Reagenzien im Gegensatz zu den vorbekannten Prüfröhrchen mit mehreren Teilräumen, bei denen Konzentrationsgradienten nach dem Öffnen der Verbindung zwischen den Teilräumen unvermeidlich sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Teilmengen der Reagenzien in jeweils einer Vielzahl von mit einer schmelzbaren Umhüllung umgebenen Partikeln enthalten. Die Partikel sind untereinander weitgehend homogen vermischt angeordnet.

Soweit die Reagenzteilmenge, die in die Partikel inkorporiert werden soll, fest ist, können die Kerne unmittelbar aus dem Reagenz oder aus einer Mischung des Reagenz mit geeigneten Hilfsmitteln gebildet und mit dem Umhüllungsmaterial beschichtet werden.

Bei im Normalzustand flüssigen Reagenzien müssen dagegen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um für die Umhüllung geeignete Kerne herzustellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthalten derartige Kerne ein poröses Trägermaterial. Dieses Material wird mit dem Reagenz, bzw. mit Reagenzgemisch, welches die Teilmenge bildet, beladen, beispielsweise indem man das poröse Trägermaterial in ein Gefäß gibt, ein schwaches Vakuum anlegt, dann mit dem Reagenz vermischt und wieder belüftet. Dadurch wird das Reagenz in die Poren des Trägermaterials hineingedrückt. Das gleiche Ergebnis kann man durch Erwärmen des Trägermaterials, anschließendes Imprägnieren und Abkühlenlassen erzielen.

Die so erhaltenen Kerne werden in einem zweiten getrennten Verfahrensschritt mit der Umhüllung beschichtet, wobei die Kerne zweckmäßigerweise während des Beschichtungsvorganges in Bewegung gehalten werden. Hierzu ist insbesondere ein Wirbelschichtreaktor geeignet.

Das Umhüllungsmaterial ist bevorzugt inert gegenüber den Reaktionen, die im Prüfelement ablaufen. Besonders geeignet ist Paraffin, welches chemisch sehr träge und in verschiedenen Schmelzbereichen erhältlich ist. Es sollte ein sehr reines Paraffin verwendet werden. Alternativ können jedoch auch andere Verbindungen zum Einsatz kommen, die chemisch inert gegenüber allen Reagenzien im Prüfelement sind und deren Schmelztemperaturbereich den jeweiligen Anforderungen entspricht. Bei den üblichen Reagenzien sind je nach Einsatzzweck im einzelnen Schmelztemperaturbereiche zwischen etwa 50° und etwa 130°C geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Prüfelement in Form eines Prüfröhrchens,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Partikel für ein erfindungsgemäßes Prüfelement.

Das in Fig. 1 dargestellte Prüfröhrchen 1 besteht aus einem Glasröhrchen 2 mit zwei abbrechbaren Spitzen 2 a und 2 b. Im Inneren des Röhrchens 2 ist eine Füllung 3 rüttelsicher zwischen gasdurchlässigen Halteelementen 4 angeordnet.

Die Füllung besteht aus zwei verschiedenen, mit 5 und 6 bezeichneten Typen von Partikeln, die in weitgehend homogener Mischung vorliegen und so angeordnet sind, daß der zu prüfende Gasstrom, wenn er durch das Prüfröhrchen 1 gepumpt wird, zwischen den Partikeln hindurchströmt.

Das in Fig. 2 dargestellte Partikel 5 besteht aus einem insgesamt mit 7 bezeichneten Kern und einer Umhüllung 8. Der Kern 7 besteht aus einem Korn 9 eines geeigneten porösen Trägermaterials, wobei die Poren mit 10 bezeichnet sind. Sie sind mit einem Reagenzmaterial 11 gefüllt. Das Reagenzmaterial 11 kann ein einziges Reagenz oder eine Mischung verschiedener Reagenzien, gegebenenfalls gemischt mit Hilfsstoffen, sein.

Der Kern 7, welcher auch aus mehreren zusammenhängenden Körnern bestehen kann, ist von einer Umhüllung 8 umgeben, die beispielsweise aus Paraffin bestehen kann. Sie verschließt die Öffnungen 10 a der Poren 10, so daß das Reagenzmaterial 11 im dargestellten Lagerzustand des Prüfelements nicht aus dem Kern 7 austreten kann.

Die Korngröße der Kerne 7 liegt bevorzugt zwischen 0,2 mm und 3,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Die im Einzelfall zu wählende Korngröße hängt insbesondere von dem erforderlichen Widerstand des Prüfröhrchens ab. Die Kerne sollten möglichst gleichmäßig im Durchmesser sein. Dadurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige Beschichtung.

Als Kernmaterial geeignet sind insbesondere Materialien, die als Molekularsieb verwendet werden. Außerdem hat sich "CPG-Glas" der Firma Schott, BRD als geeignet erwiesen.

Die Porengröße des Kernmaterials sollte mindestens 1 nm betragen.

Um das Prüfröhrchen 1 von dem Lagerzustand in den Benutzungszustand zu überführen, wird es auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Umhüllung 8 erwärmt. Hierzu kann es beispielsweise in eine temperierte Heizröhre eingeführt werden. Die Umhüllung 8 schmilzt und gibt das Reagenzmaterial 11 frei. Dadurch kann sich das in den Partikeln 5 und 6 jeweils enthaltene Reagenzmaterial kontaktieren und miteinander vermischen, wodurch die eigentliche Nachweisreaktion vorbereitet wird.

Das so aktivierte Prüfröhrchen wird in üblicher Weise weiterverwendet, indem die Spitzen 2 a und 2 b abgebrochen werden, das Prüfröhrchen in eine übliche Spürpumpe eingesteckt und das zu untersuchende Gas durch das Röhrchen hindurchgesaugt wird. Dabei kommt es zu einem von der Zusammensetzung des Gases unabhängigen Farbumschlag im Inneren des Prüfröhrchens, aufgrund dessen die Bestimmung der gesuchten Bestandteile möglich ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind zwei Teilmengen von Reagenzien jeweils in entsprechenden Partikeln 5 bzw. 6 enthalten. Statt dessen ist es aber auch möglich, daß nur eine Teilmenge in Form umhüllter Partikel vorliegt, welche zwischen den übrigen Reagenzien angeordnet sind. Die übrigen Reagenzien können beispielsweise als Pulver oder als nicht umhüllte Partikel (z. B. Lyophilisat) vorliegen.

Die Erfindung ist zwar zur Anwendung bei Prüfröhrchen bevorzugt geeignet, kann jedoch auch im Zusammenhang mit Prüfelementen anderer Art eingesetzt werden. So können die umhüllten Partikel beispielsweise auf einem Indikatorband, wie es in der DE-PS 34 07 686 beschrieben wird, mit den übrigen Reagenzien vermischt, enthalten sein. Auch hier läßt sich das Prüfelement einfach dadurch aktivieren, daß das Band aufgeheizt wird, um die Umhüllung der Partikel zu entfernen und damit die in den Partikeln enthaltenen Reagenzien freizusetzen.

Die umhüllten Partikel für erfindungsgemäße Prüfelemente lassen sich beispielsweise wie folgt herstellen:

In einem ersten Verfahrensschritt werden die Kerne beladen. Hierzu werden 100 ml Kernmaterial in einen 500-ml- Rundkolben gegeben und dieser wird auf 300 bis 400 mbar evakuiert. Die Reagenzteilmenge, mit der die Kerne beladen werden sollen, wird in flüssiger Form über eine Spritze mit Hahn zugegeben, wobei der Rundkolben geschüttelt wird, um eine gleichmäßige Verteilung zu erhalten. Die Menge der Flüssigkeit hängt vom Flüssigkeitsaufnahmevermögen des Kernmaterials ab. Je nach gewähltem Kernmaterial kann bis zu 1 ml Reagenzflüssigkeit pro ml Kernmaterial aufgenommen werden.

Der Druckausgleich wird unter ständigem Schütteln und sehr langsam, beispielsweise innerhalb von etwa 10 Minuten durchgeführt.

In einem zweiten getrennten Verfahrensschritt erfolgt die Beschichtung der beladenen Kerne mit einem Paraffin, dessen Schmelzbereich bei 65 bis 70°C liegt. Es wird auf 100°C erhitzt und unter sehr intensivem Schütteln zu den in einem Erlenmeyerkolben befindlichen reagenzbeladenen Kernen gegeben. Das intensive Schütteln muß so lange fortgesetzt werden, bis das Paraffin auf dem Kernmaterial erstarrt ist (ca. 2 Min.). Eine besonders gleichmäßige Beschichtung erhält man, wenn man das Kernmaterial etwas (auf maximal 40°C) erwärmt.

Von besonderer Bedeutung sind die Mengenverhältnisse zwischen Kernmaterial und Paraffin. Folgende Mengenverhältnisse haben sich als besonders geeignet erwiesen:

Für Kernmaterial mit Durchmesser:

0,5 mm: 0,4 g Paraffin pro ml Kernmaterial
1,0 mm: 0,8 g Paraffin pro ml Kernmaterial
1,5 mm: 1,2 g Paraffin pro ml Kernmaterial

Die zuvor beschriebene Beladung des Kernmaterials unter Anwendung eines leichten Vakuums ist besonders geeignet, wenn Reagenzgemische mit mehreren Komponenten verarbeitet werden sollen. Wenn dagegen die zu beladene Reagenzienteilmenge nur eine Komponente enthält, kann es zweckmäßig sein, das Trägermaterial unter Anwendung erhöhter Temperatur zu beladen.

Hierzu können beispielsweise 100 ml Kernmaterial in einen 500-ml-Erlenmeyerkolben gefüllt werden. Danach wird das Reagenz im Überschuß (z. B. 200 ml) zugegeben und zum Sieden erhitzt. Nach 10 Minuten Sieden läßt man den Ansatz abkühlen und filtert ihn unter vermindertem Druck ab ("abnutschen").

Claims (9)

1. Prüfelement zur Bestimmung von Bestandteilen einer insbesondere gasförmigen Probe mit Reagenzien, die im Lagerzustand des Prüfelements in Form von voneinander getrennten Teilmengen unterschiedlicher Zusammensetzung vorliegen, welche zur Herstellung des Benutzungszustandes des Prüfelements in Kontakt zueinander gebracht werden können, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Teilmengen im Lagerzustand in einer Vielzahl von Partikeln (5, 6) enthalten ist, die jeweils einen reagenzhaltigen Kern (7) und eine den Kern umgebende Umhüllung (8) aufweisen, wobei die Umhüllung (8) aus einem Material besteht, welches bei Normaltemperatur fest ist, jedoch bei einer höheren, für die übrigen Bestandteile des Testelements unschädlichen Temperatur schmilzt, so daß die Umhüllung durch Erhitzen entfernbar ist, um das Testelement von dem Lagerzustand in den Benutzungszustand zu überführen.

2. Prüfelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne der Partikel ein poröses Trägermaterial (9) enthalten, in dessen Poren (10) ein Reagenz (11) enthalten ist.

3. Prüfelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Umhüllung (8) inert gegenüber den Reagenzien ist.

4. Prüfelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Umhüllung (8) Paraffin ist.

5. Prüfelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei jeweils in einer Vielzahl von Partikeln (5, 6) enthaltene Teilmengen aufweist, wobei die Partikel dergestalt vermischt angeordnet sind, daß nach dem Erhitzen aus ihnen freiwerdenden Reagenzien sich kontaktieren.

6. Prüfelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfelement ein Gasprüfröhrchen (1) ist, in dem die Partikel so angeordnet sind, daß der zu prüfende Gasstrom die Zwischenräume zwischen den Partikeln (5, 6) durchströmt.

7. Verfahren zum Herstellen eines Prüfelements zur Bestimmung von Bestandteilen einer insbesondere gasförmigen Probe, wobei das Prüfelement Reagenzien enthält, die im Lagerzustand des Prüfelements in Form von zwei voneinander getrennten Teilmengen vorliegen, welche zur Herstellung des Benutzungszustandes des Prüfelements in Kontakt zueinander gebracht werden können, dadurch gekennzeichnet, daß man reagenzhaltige Kerne bildet, die Kerne mit einer Umhüllung beschichtet, die aus einem Material besteht, welches bei Normaltemperatur fest ist, jedoch bei einer höheren, für die übrigen Bestandteile des Testelements unschädlichen Temperaturen schmilzt, und die so gebildeten Partikeln in das Prüfelement derartig integriert, daß es von dem Lagerzustand in den Benutzungszustand übergeht, wenn man es auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Umhüllung erhitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die reagenzhaltigen Kerne bildet, indem man entsprechende Teilchen aus einem porösen Trägermaterial unter Anwendung von Vakuum und/oder erhöhter Temperatur mit dem Reagenz in flüssiger Form belädt und die so erhaltenen Kerne in einem weiteren getrennten Verfahrensschritt unter ständiger Bewegung mit dem Hüllmaterial beschichtet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten in einem Wirbelschichtreaktor erfolgt.