DE3786055T2

DE3786055T2 - Verfahren und Gerät zur genau kontrollierten Verdünnung flüssiger Proben.

Info

Publication number: DE3786055T2
Application number: DE87307601T
Authority: DE
Inventors: Harold Hauer; George B Parrent
Original assignee: Hercules LLC
Current assignee: Hercules LLC
Priority date: 1986-10-14
Filing date: 1987-08-27
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2007-08-28
Also published as: ES2040755T3; DE3786055D1; FI874513A0; JPS63184069A; DK534287A; CA1309880C; IL84162A0; AU7944187A; EP0264182A2; EP0264182B1; AU601496B2; IL84162A; ATE90158T1; FI874513A; NO874274D0; NO874274L; EP0264182A3; DK534287D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung und ein Verfahren zur Analyse flüssiger Proben und insbesondere zur Steuerung der Verdünnung einer zu analysierenden Flüssigkeit.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Art sind in EP-A-0247800 offenbart.
Kleine Mengen von Flüssigkeitsproben werden in einem Detektor analysiert, welcher charakteristische Eigenschaften der Flüssigkeitsprobe erfaßt und die Information auf zeichnet. Die Probenflüssigkeit wird selektiv in den Detektor eingeführt und individuell analysiert durch Abtasten und Messen, wobei die Information schnell aufgezeichnet wird.
Beim Verarbeiten der Probenflüssigkeit im Detektor wird die Probenflüssigkeit in einer Verdünnungsflüssigkeit verdünnt und das Verarbeiten der Probenflüssigkeit und ihre Analyse werden durchgeführt, während die Probenflüssigkeit in einem Verdünnungsmittel getragen wird.
Das Ausmaß der Verdünnung der Probenflüssigkeit in dem Verdünnungsmittel wird gesteuert. Einer von mehreren Gründen für die Durchführung einer Steuerung ist die Erhaltung der Probenflüssigkeit oder des Reagens. Dies ist besonders wichtig, wenn die zur Verfügung stehende Probenflüssigkeitsmenge beschränkt ist.
In vielen automatisierten chemischen Analysesystemen muß die zu unterscheidende Probe verdünnt, mit Reagenzien gemischt und durch einen geeigneten Sensor geführt werden.
Die Probeentnahme von Lösungen und das Abführen einer verdünnten Probe ist in US-3522819 (Roberts) für Vorrichtungen zum Testen von Lösungen, die Feststoffe enthalten, beschrieben. Eine Trennungsvorrichtung zum Entfernen von Flüssigkeit von einer Suspension wird beschrieben. Eine Membrane trennt den Verdünnungsmittelstrom von der Probensuspension Wasser, das durch die Membran durchgeleitet wird, zieht die Probenflüssigkeit durch die Membran mittels kapillarer Kräfte und mittels der Druckdifferenz, die durch den Fluß von Lösungsmittel entsteht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verdünnungsmittel dadurch daran gehindert, in die Probenlösung zu fließen, daß die Vorrichtung so ausgestaltet ist, daß das in den Apparat eintretende Verdünnungswasser eine Kammer, in der die Membran angeordnet ist, nicht erreicht.
Eine Dialysevorrichtung ist in W-081/00911 offenbart (The Prince Charles Hospital Development Center Trust). Eine Dialysemembran ist zwischen zwei ebenen Platten eingeklemmt, um eine Trennung zwischen einer festen und einer flüssigen Phase zu bewirken. Der Probenstrom wird, nachdem er durch die Vorrichtung geführt wurde und bevor er abgeführt wird, zurückgeführt durch eine Pumpvorrichtung mit einem durch den Benutzer vorgewählten Pumpvolumen, um dadurch ein geschlossenes System zu erhalten. Dieses Rezyklieren des Probenstroms ist erforderlich zur Aufrechterhaltung eines synchronen Stroms von Probe und Rezipient.
Eine Vorrichtung zur Abtrennung unlöslicher Teilchen in einer Mischung mit einem wäßrigen Medium ist in FR-2091793 (Wilson Pharmaceutical) offenbart. Die beschriebene Vorrichtung ist ein Gerät zur Trennung von flüssigen und festen Phasen mittels Zentrifugieren. Eine hydrophobe Membran trennt zwei Abteilungen, die jeweils zur Wiedergewinnung des Inhalts geöffnet werden können. Die Kriterien zur Auswahl der Membran sind folgende:
1. Ein Berührungswinkel, der hinreichend groß ist, so daß Wasser unter Atmosphärendruck nicht in die Poren gelangt, aber klein genug, daß eine geeignet angelegte (zentrifugale) Kraft die Flüssigkeit durch die Poren treiben kann; und
2. Ein ausreichend niedriger Siedepunkt, so daß Gas durch die nasse Membran hindurchtreten kann, um den Druck auf beiden Seiten auszugleichen.
Es ist dabei nicht vorgesehen, daß fließende Ströme die Probe zuführen oder das gefilterte Material transportieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur genau gesteuerten Verdünnung von flüssigen Proben in Analyseflüssigkeitsproben vorgesehen, unter Verwendung eines analytischen Detektors zum Messen von Eigenschaften der Flüssigkeit, mit den Schritten:
Bereit stellen von Probenflüssigkeit in Kontakt mit einer Oberfläche einer Poren aufweisenden Membran; Leiten eines Stroms von Verdünnungsmittel über die andere Oberfläche der Membran und durch einen analytischen Detektor zum Analysieren der Probenflüssigkeit; und Anlegen einer Druckdifferenz über die Membran, um Mengen der Probenflüssigkeit in den Verdünnungsmittelstrom zu bringen, die für das Detektieren der Probenflüssigkeit durch den analytischen Detektor ausreichen, wobei die Probenflüssigkeit bei Anlegen der Druckdifferenz in dem Verdünnungsmittelstrom verdünnt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Membran angelegte Druckdifferenz mindestens gleich einer Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt ist, die für das Zuführen einer verdünnten Flüssigkeitsprobe zu dem analytischen Detektor erforderlich ist, und das die Flüssigkeitsprobe die Membran nicht durchdringt, wenn diese Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt nicht angelegt ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum genau gesteuerten Verdünnen von Flüssigkeitsproben bei der Analyse von Flüssigkeitsproben, mit Zuführmitteln zum Liefern einer Probenflüssigkeit und eines Verdünnungsmittels für die Flüssigkeit; Leitungsmittel zum Fördern des Verdünnungsmittels in der Vorrichtung, und mit den Leitungsmitteln verbundene Mittel zum Anlegen von Druck, um die Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel durch die Leitungsmittel zu bewegen; einem Detektor zum Erfassen der Menge der Flüssigkeit in dem Verdünnungsmittel; einem Paar von Kammern in einem Gehäuse, die derart angeschlossen sind, daß eine erste Kammer die Probenflüssigkeit enthält und eine zweite Kammer einen Strom des Verdünnungsmittels aufnimmt; einer porösen Membran, die in dem Gehäuse zwischen den Kammern angeordnet ist und die darin enthaltene Probenflüssigkeit und Verdünnungsmittel voneinander trennt, und Mittel zum Anlegen einer Druckdifferenz an die Probenflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran für den Durchgang der Probenflüssigkeit von der ersten in die zweite Kammer undurchlässig ist, wenn keine Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt an die in der ersten Kammer enthaltene Probenflüssigkeit angelegt ist; daß die Mittel für das Anlegen einer Druckdifferenz, die mindestens gleich der Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt ist, ausgebildet sind, und daß Leitungsmittel für das Fördern der Probenflüssigkeit in der Vorrichtung vorgesehen sind.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlauben eine hochgradig präzise Steuerung des Verdünnungsgrades der Probenflüssigkeit im Verdünnungsmittel, und erlauben insbesondere eine hochprozentige Verdünnung der Probenflüssigkeit im Verdünnungsmittel.
Darüberhinaus ist die Vorrichtung der Erfindung von einfacher Konstruktion und leicht zu fertigen und zu handhaben.
Im allgemeinen wird im Betrieb die Probenflüssigkeit vorzugsweise aus einem Probenflüssigkeitsvorrat durch eine vorzugsweise nicht benetzbare poröse Membran in einen fließenden Strom des Verdünnungsmittels geleitet, welches vorzugsweise einen konstanten Fluß aufweist, wenn die Probenflüssigkeit die Membran durchdringt unter einer positiven Druckdifferenz auf der Probenseite der Membran. Die Druckdifferenz kann entweder durch Anlegen von Druck auf die Probenflüssigkeit, wie z. B. auf den Strom der Probenflüssigkeit auf der Eingangsseite der Membran, oder durch Verringerung des Druckes auf der Ausgangsseite der Membran, erreicht werden.
Der Durchgang der Probenflüssigkeit durch die Membran verlangt eine Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt, die im weiteren als MLEPD bezeichnet wird, quer zur Membran, um ein Eindringen durch die Poren und nicht das Material zu bewirken. Diese MLEPD muß groß genug sein, um ein Eindringen der Probenflüssigkeit zu ermöglichen, welche in dem zu analysierenden Lösungsmittelstrom eine nachweisbare Anwesenheit der Probenflüssigkeit im analytischen Detektor gibt, der den Strom empfängt und mißt.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise weggebrochen, der Verdünnungsanordnung, die der Vorrichtung gemäß verwendet wird;
Fig. 3 eine um 90º gegen den Uhrzeigersinn gedrehter Schnitt der Verdünnungsanordnung;
Fig. 4 die Deckplatte der Verdünnungsanordnung von Fig. 2 in einer Ansicht von unten;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Bodenplatte der Verdünnungsanordnung von Fig. 2;
Fig. 6 einen Schnitt eines Teiles der Förderungsleitung für den Probenflüssigkeitsstrom;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm zur Erklärung der Arbeitsweise eines Mittels zur Steuerung des Druckes der Probenflüssigkeit an der Membranvorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 8 ein Schnitt einer T-Verbindung in der Förderleitung der Probenflüssigkeit;
Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung, mit einer speziellen Probenflüssigkeit und Membran; und
Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Vorrichtung nach der Erfindung, mit einer spezifischen Probenflüssigkeit und einer anderen spezifischen Membran.
Die Bezeichnung Probenflüssigkeit, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf Proben und Reagenzien und andere Einsätze, wie in der oben erwähnten europäischen Patentschrift Nr. 87 304 538.9 offenbart.
Die hier verwendete Bezeichnung "Vorrat" bezeichnet einen Teil der Vorrichtung, in welchem eine Probenflüssigkeit gehalten wird. In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist der Vorrat jener Teil des Apparates, welcher zwischen den Ventilen 38 und 16' angeordnet ist, und umfaßt einen Teil der Zuleitung 11, die Kammer 20 in der Verdünnungsanordnung 12, den Auslaß 30 (Fig. 2) und jenen Teil der Zuleitung 17, welcher den Auslaß 30 mit dem Ventil 16' verbindet.
In der zu beschreibenden Vorrichtung werden Proben und Reagenzien verarbeitet, um einen Probenflüssigkeitsstrom zu bilden, welcher durch die Vorrichtung zu einem Detektor strömt, der Eigenschaften der Zusammensetzung der Probenflüssigkeit erfaßt und bestimmt. In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung werden Proben und Reagenzien aus Zuführmitteln 10 zur Bildung eines Flüssigkeitsstroms zur Verfügung gestellt. Die mit 12 bezeichnete Struktur ist eine Verdünnungsvorrichtung, die so angeordnet ist, daß sie den fließenden Strom der Probenflüssigkeit und einen Verdünnungsmittelstrom, der von einem Verdünnungsmittelvorrat 13 durch eine Leitung 14 geführt wird, empfängt. In der Verdünnungsanordnung 12 wird ein Teil der Probenflüssigkeit mit dem Verdünnungsmittel gemischt, um eine verdünnte Probenflüssigkeit zu bilden, welche aus der Verdünnungsvorrichtung 12 durch eine Leitung 18 transportiert wird. Der nicht mit dem Verdünnungsmittel gemischte Rest der Probenflüssigkeit fließt durch Leitung 17 ab. Die fließenden Ströme werden durch den Apparat durch eine Antriebskraft gefördert, welche entweder durch eine Vakuumquelle 15 oder durch einen positiven Druck geschaffen wird. Die Vakuumquelle 15 ist mit der Vorrichtung über Ventile 16' und 16'' verbunden. Eine Quelle positiven Drucks wäre in ähnlicher Weise über Ventile mit der Vorrichtung zu verbinden.
In Fig. 1 bewegt sich die Probenflüssigkeit innerhalb des Probenstroms von Vorrat 10 durch die Leitung 11 in die Verdünnervorrichtung 12, und eine gesteuerte Menge wird gezwungen, aus dem in der Verdünnungsvorrichtung und der Leitung 17 gebildeten Vorrat in das Verdünnungsmittel überzugehen, wie weiter unten beschrieben. Die verdünnte Flüssigkeitsprobe wird aus der Verdünnungsvorrichtung 12 durch die Leitung 18 gezogen und wird durch einen analytischen Detektor 19, wie z. B. einen photometrischen Detektor, geleitet. Der Transport des Flüssigkeitsstroms durch die Leitungen 11 17 und 18 und den Verdünner 12 wird durch das Ventil 16' in der Leitung 17 und das Ventil 16'' in der Leitung 18 gesteuert. Bei normalem Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Systems ist die treibende Druckdifferenz in der Größenordnung von 8465 N/m² bis 50790 N/m² (2 ½ bis 15 inch Quecksilbersäule).
Der Aufbau der Verdünnungseinrichtung 12 ist in Fig. 2, 3, 4 und 5 dargestellt. Die Vorrichtung enthält zwei kleine Kammern 20 und 21 in einem Gehäuse 22, wobei die Kammern 20 und 21 durch eine sich seitwärts erstreckende Membran 23 getrennt sind. Eine geeignete Membran 23 ist eine Membran aus Gore-Tex (Handelsname) mit einer Porengröße von 1,0 um, die von einer nicht gewebten Polypropylenbahn getragen wird.
In Fig. 2 ist die Verdünnungsvorrichtung 12 in Vorderansicht gezeigt mit teilweise weggebrochenem Gehäuse 22. Das Gehäuse 22 hat eine Deckplatte 24, in welcher ein Dichtungsring 25 in einer in der Deckplatte 24 gebildeten Nut 26 vorgesehen ist. Das Gehäuse 22 hat eine Bodenplatte 27, die mit der Deckplatte 24 verbunden ist und an sie angrenzt. Eine Kammer 20 ist in der Deckplatte 24 gebildet, und eine Kammer 21 ist in der Bodenplatte 27 gebildet, und die Kammern 20 und 21 treffen einander, wenn die Platten 24 und 27 miteinander verbunden werden.
Fig. 4 ist eine Bodenansicht von der vom Vorrichtungsgehäuse 22 getrennten Deckplatte 24. Die Ansicht zeigt eine ebene Oberfläche 32, die die Seite der Platte 24 bildet, welche mit der Bodenplatte 27 zusammenwirkt. Die Membran 23 erstreckt sich über die Oberfläche 33 und ist teilweise weggebrochen gezeigt, um den Dichtring 25 zu zeigen. Der Dichtring 25 ist seinerseits teilweise weggebrochen, um seine Anordnung in der Nut 26 darzustellen.
Auf der rechten Seite von Fig. 2, in dem weggebrochenen Bereich, sind die Kammer 20 und das Ende des Auslasses 30, die sich zur Kammer 20 hin öffnet, in durchgezogenen Linien zu sehen. Links ist der Rest der Kammer in gestrichelten Linien gezeigt, um die längliche Form der Kammer 20 darzustellen.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Bodenplatte 27, die die ebene Oberfläche 35 zeigt, welche die Seite der Platte 27 bildet, die mit der Bodenplatte 24 zusammenwirkt. Die enge längliche Kammer 21 und die Mündungen der Anschlüsse 29 und 36 in die Kammer 21 sind gezeigt.
Die Membran 23 und der Dichtring 25 sind zwischen den Platten 24 und 27 angeordnet. Die Membran 23 erstreckt sich seitwärts zwischen den Kammern 20 und 21, so daß sie die Kammern 20 und 21 voneinander trennt, während sie aufgrund ihrer Porösität den Durchgang von Flüssigkeit von Kammer 20 in die Kammer 21 ermöglicht. Der weggebrochene Schnitt der Platten 24 und 27, der auf der rechten Seite von Fig. 2 gezeigt ist, veranschaulicht die Zusammenwirkung zwischen den verbundenen Platten 24 und 27 am rechten Ende der Kammern 20 und 21. Eine Kante der Membran 23, die sich unter den Dichtring 25 erstreckt, ist unter dem Dichtring zwischen den Platten 24 und 27 eingeklemmt. Die Klemmwirkung dient sowohl zum Befestigen der Membran 23 in ihrer Lage zwischen den Kammern 20 und 21, als auch zur Schaffung einer flüssigkeitsdichten Abdichtung gegen Durchsickern der Flüssigkeiten.
Fig. 2 und Fig. 3 sind unterschiedliche Ausführungsformen der Verdünnungsvorrichtung 12. Die Platten 24 und 27 sind dicht gegeneinander gespannt mittels Schrauben 28 in Fig. 2 und Schrauben 28' in Fig. 3. In Fig. 2 sind die Köpfe der Schrauben 28 auf der Platte 24 dargestellt. In Fig. 3 sind die Köpfe der Schrauben 28' auf der Platte 27 dargestellt.
Fig. 3 ist ein Querschnitt. In Fig. 3 ist die Verdünnungsanordnung 12 um 90º in Bezug auf die Orientierung in Fig. 2 gedreht.
Die Kammern 20 und 21 in der Mitte des Gehäuses 22 sind durch eine Membran 23 getrennt dargestellt, welche im Querschnitt gezeigt ist. Der Kanal 29 schafft einen Durchgang zur Kammer 21 in der Bodenplatte 27, während der Kanal 30 einen Zugang zur Kammer 20 schafft. In Gewindeöffnungen der Platten 27 und 24 eingeschraubte Nippel 31 und 32 verbinden die Leitungen 18 und 17 mit den zugehörigen Kanälen 29 bzw. 30. Somit zeigt Fig. 3 die Mittel zum Auslaß des Flüssigkeitsstroms aus der Verdünnungsanordnung 12.
Die Membran 23 zeichnet sich durch ihre nichtbenetzende Eigenschaft in Bezug auf die Probenflüssigkeit und das Verdünnungsmittel aus. Die nichtbenetzende Eigenschaft ist ein Faktor beim Durchgang der Probenflüssigkeit durch die Membran. Ein anderer Faktor ist die Kraft oder der Druck, der auf der Probenseite der Membran 23 auf die Flüssigkeit wirkt.
Da die Membran durch den Flüssigkeitsstrom oder das Verdünnungsmittel während des Arbeitsvorgangs nicht benetzt wird, sind die normalen Kräfte der kapillaren Wechselwirkung, welche Flüssigkeit in beiden Richtungen durch die Membran ziehen würden, nicht wirksam. Somit muß Flüssigkeit durch die Membran durch äußere Mittel, wie eine angelegte Druckdifferenz, gezwungen werden.
Der Probenstrom kann durch die Membran in den Lösungsmittelflußstrom gezwungen werden durch Anlegen eines positiven Druckes, der größer ist als die MLEPD an den Probenvorrat. Die Geschwindigkeit des Transports in das Verdünnungsmittel ist eine Funktion der Membranporosität, den Benetzungseigenschaften der Membran, ausgedrückt durch die MLEPD, der freien Oberflächen der Membran, des auf die Flüssigkeit wirkenden Druckes, um diese durch die Membran zu treiben, und des Druckgefälles im Verdünnungsmittelstrom.
Der absolute Strömungswiderstand in jedem Strömungsweg ist eine wichtige Komponente des Flüssigkeitstransports. Somit ist der Strömungswiderstand durch die Membran durch die Porengröße und -verteilung innerhalb der Membran , die Benetzungsfähigkeit der Membran und alle Strömungswiderstände, den die Flüssigkeit auf dem Weg zur Membran erfährt, vorgegeben. Zum Beispiel wird eine Verengung in der Leitung, durch welche die Flüssigkeit hindurchläuft, zu dem Widerstand beitragen.
In der Vorrichtung von Fig. 1 wird Druck auf die Probenflüssigkeit durch die Leitung 17 angelegt. Eine Druckquelle ist in Fig. 1 durch den Block 37 dargestellt. Um Druck an die Probenflüssigkeit anzulegen, werden das Ventil 16' und das Ventil 38 in Leitung 11 beim Versorgungsvorrat 10 geschlossen; es ist möglich, eine Druckdifferenz durch die Membran 23 in Fig. 2 zu schaffen, da das Verdünnungsmittel in einem Strom aus dem Vorrat fließt, wobei ein offener, unbehinderter Durchgang unterhalb der Membran geschaffen wird. Das Verdünnungsmittel muß aus dem Vorrat 13 durch die Kammer 21 fließen, um den Durchgang der Probenflüssigkeit durch die Membran 23 zu bewirken. Ferner ist die Transportgeschwindigkeit durch die Membran abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Verdünnungsmittels. Somit ist das Fließen des Verdünnungsmittels durch die Kammer 21 eine Einflußgröße für die erreichte Verdünnung.
Wenn die Ventile 16' und 38 geschlossen sind, wird ein Vorrat gebildet und ein positiver Druck kann nach Öffnen von Ventil 39 durch die Quelle 37 ausgeübt werden. Dieser Druck drückt gegen den Flüssigkeitsstrom in Leitung 17 und in der Kammer 20.
Wie weiter oben ausgeführt, sorgt die Beziehung zwischen der Probenflüssigkeit und der nichtbenetzenden Membran dafür, daß kein Transport der Flüssigkeit durch die Membran möglich ist, ohne das Anlegen von wenigstens der MLEPD auf der Probenseite der Membran. Wenn der angelegte Druck gleich oder größer der MLEPD ist, so entsteht ein Fluß durch die Membran. Das Ausmaß der Verdünnung ist eine Funktion des angelegten Druckes. Der funktionale Zusammenhang wird dabei benutzt, um eine Steuerung des Grades der Verdünnung der Probe zu schaffen. Es ist möglich, hohe Verdünnungsverhältnisse genau zu steuern.
Bei einigen Ausführungsformen der Vorrichtung kann der Fluß des Verdünnungsmittelstroms durch die Membran in eine Kammer, z. B. wie Kammer 21, kleinste Mengen der Probenflüssigkeit durch die Membran, wie Membran 23, zielen, auch wenn ein Mindest-Flüssigkeitseintrittsdruck auf der Probenseite der Membran nicht vorhanden ist. Ein solcher Transport ist jedoch nicht genau steuerbar.
Wenn, wie oben beschrieben, Druck bei P angelegt wird, so nimmt die Steuerbarkeit des Durchtritts der Probenflüssigkeit aus dem Reservoir durch die nichtbenetzende Membran 23 deutlich zu. Somit beeinflußt das Ausmaß des Druckes die Strömungsmenge durch die Membran, und die Änderung des ausgeübten Drucks ist funktional mit der Menge der Flüssigkeitsmenge, die aus dem Reservoir durch die Membran 23 in Fig. 2 transportiert wird, verknüpft. Die Menge der Probe, die innerhalb eines Zeitabschnitts in eine Verdünnungsmittelmenge gelangt, ist somit in erster Linie eine Funktion der Eigenschaften der Membran in Bezug auf die Benetzung und den veränderlichen angelegten Druck. Das heißt, MLEPD definiert den Mindestarbeitsdruck auf den Vorrat auf der Probenseite der Membran 23, d. h. in Kammer 20, welcher Transport zum Verdünnungsmittelstrom bewirkt, um in den Verdünnungsmittelstrom eine Menge an Probenflüssigkeit einzubringen, welche im analytischen Detektor 19 nachweisbar gemessen werden kann. Desweiteren zeigt sich, daß bei Drücken oberhalb des MLEPD, wie er durch die Eigenschaften des Materials und die Membrane 23 vorbestimmt ist, Veränderungen im Druck bei P Einfluß auf die Menge der transportierten Probenflüssigkeit haben, indem die Transportgeschwindigkeit geändert wird.
Es ist klar, daß diese Kombination von Einflußgrößen ein Mittel zur Steuerung des Ausmaßes der Verdünnung der Probenflüssigkeit im Verdünnungsmittel darstellt. Die Wirksamkeit der Kombination hängt jedoch von den nichtbenetzenden Eigenschaften der Membran ab.
Nichtbenetzend, in der hier verwendeten Bedeutung, kann definiert werden anhand der MLEPD für die Membran, ausgedrückt durch die beobachtete Druckdifferenz, bei welcher das Eindringen der Flüssigkeit in das Membranmaterial beginnt. Dies kann durch eine Modifikation der ASTM-Methode D774-67 und der zugehörigen TAPPI-Methode C403os-76 durchgeführt werden. Kurzgefaßt werden bei dieser Technik Wasser und die zu testende Membran in eine "Mullin Burst" Testvorrichtung gebracht, und der hydrostatische Druck auf das Wasser und die Membran wird langsam gesteigert. Der Druck, bei welchem Tropfen auf der Außenseite der zu testenden Folie auftreten, ist der Mindest-Wassereintrittsdruck. Auch andere Flüssigkeiten als Wasser können benutzt werden, je nach der Wahl der zu verdünnenden Flüssigkeit und der Membran, die zur Steuerung der Verdünnung benutzt wird. Dieser Druck kann als betrieblicher Schwellenwert betrachtet werden.
Wie weiter unten ausführlicher erklärt wird, ist der Schwellenwert oder MLEPD eine Eigenschaft des jeweiligen Materials der Membran und hängt ab sowohl von der Materialzusammensetzung, als auch von der Porengröße der Durchgänge, und der Porösität des Membranmaterials.
Der Durchgang der Probenflüssigkeit erfolgt nur durch die Poren des Materials, nicht durch das Material selbst. Die Membran ist aus einem Material zusammengesetzt, das Poren und eine Porösität hat, die gegenüber der Probenflüssigkeit eine nichtbenetzende Membran schaffen, d. h. bei Abwesenheit der Anwendung des MLEPD dringt die Flüssigkeit nicht in die Membran ein. Die Membran kann aus solchen Materialien zusammengesetzt sein, die wie die Gore-Tex (Handelsname)-Membran, die weiter unten anhand eines spezifischen Beispiels mit Wasser als Probenflüssigkeit beschrieben wird, oder aus nichtrostendem Stahl mit einer geeigneten Probenflüssigkeit.
Die Steuerung der Mischung der Probenflüssigkeit in dem Verdünnungsmittel hängt ab von dem Überschuß des angelegten Druckes über die MLEPD des Membranmaterials. Drücke im Bereich des Minimums erzeugen einen Transport der Probenflüssigkeit durch die Poren der Membran in steigender Menge, welche sich als Funktion des Anstiegs des an die Probenflüssigkeit im Vorrat auf der Probenflüssigkeitsseite der in Fig. 2 gezeigten Kammer 20 angelegten Druckes ändert. Der Druck kann in P in der Leitung 17 aus der Quelle 37, wie in Fig. 1 gezeigt, geändert und gesteuert werden. Es ist offensichtlich, daß die Veränderungen der Probenflüssigkeitsmenge, die durch die Poren hindurchtritt, einen direkten Einfluß auf das Ausmaß der Verdünnung haben, die auf der Kammer-21-Seite der Membran 23 stattfindet.
Da somit die jeweilige Membran, wie z. B. in der speziellen Ausführungsform beschrieben, mit ihren speziellen Eigenschaften einen Schwellenwert oder eine Mindest-Wassereintrittsdruckdifferenz für die Vermischung auf der Verdünnungsmittelseite der Membran 23 definiert (Kammer 21 in Fig. 2), wird die Steuerung der Verdünnung über den Druck auf die Probenflüssigkeit im Vorrat beeinflußt. Die Möglichkeit zur Veränderung dieses Druckes, z. B. Änderungen von der Druckquelle 37 in Fig. 1, schafft eine Steuerung für die Verdünnung, welche abhängig von den Membraneigenschaften, d. h. Porengröße und Porösität, ist. Die Wichtigkeit dieser Steuerung wird nachfolgend erläutert.
Die Steuerung des Druckes auf der Kammer-20-Seite der Membran 23, welche die Änderungen des Druckes bewirkt, kann durch verschiedene Mittel durchgeführt werden. Beispiele für solche Mittel sind in den Fig. 1, 6, 7 und 8 dargestellt.
Veränderungen des Druckes in der Leitung 17 können durch eine Kombination der Druckquelle 37 und einer einstellbaren Klemme, wie in Fig. 1 gezeigt, geschaffen werden. Die Klemme C klemmt die Leitung 17 zusammen, um eine Veränderung in der Leitung 17 zu schaffen. Zum Beispiel kann dies in Kombination mit dem Druck auf Leitung 17 aus der Quelle 37 genutzt werden. Wie weiter oben dargelegt, kann jede Veränderung des Strömungswiderstandes, den die Probenflüssigkeit auf der Kammer-20-Seite der Membran 23 erfährt, zur Steuerung des Flusses durch die Membran 23 beitragen. Ausübung von Strömungswiderstand im Vorratsabschnitt von Leitung 17 verändert die Druckdifferenz, welche auf die Membran 23 wirkt. Folglich kann die Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransports durch die Membran 23 durch eine Veränderung einer Einengung in den Leitungen, durch welche die Flüssigkeit durchfließt, wie etwa die Widerstände bei C oder bei P aus der Druckquelle 37, oder beiden, beeinflußt werden. Dieser Mechanismus erlaubt eine Feinabstimmung der Transportgeschwindigkeit durch die Membran und somit des Ausmaßes der Verdünnung.
Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen Teil von Leitung 17 am Druckpunkt F. In dieser Ausführungsform hat die Leitung 17 einen flexiblen Wandbereich am Druckpunkt F, so daß das Rohr verformt werden kann. Verformung des Rohres 17 oder Schlauches nach innen bei F bildet eine Verengung X im Innern des Durchgangs. Verformung des Rohres 17 nach außen vergrößert den inneren Durchgang.
Eine andere Vorrichtung zur Veränderung der Druckdifferenz zwischen dem Vorratsabschnitt von Leitung 17 und der Verdünnungsmittelseite der Membran durch Einschränkung des Flusses wird in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Eine Luftleitung 40 ist im T-Stück 41 mit der Leitung 17 verbunden und führt Luft unter veränderlichem Druck in die Leitung 17 senkrecht zur Strömungsachse in Leitung 17 zu. Ein Ventil 39 ist in der Luftleitung 40 vorgesehen. Ein vergrößerter Schnitt des T-Stücks 41 ist in Fig. 8 gezeigt zur Veranschaulichung der Luftströmungsrichtungen aus der Druckquelle 37. Die Richtungspfeile zeigen, daß die Luftströmung bei der T-Verbindung in beide Richtungen zeigt.
Der Luftdruck in Leitung 40 kann mittels einer Ausführungsform der Druckquelle 37, wie in Fig. 7 gezeigt, angelegt und gesteuert werden. Ein poröses Rohr 42 in einer abgedichteten Kammer 43 ist mit der Leitung 40 verbunden, welche sich aus der Kammer 43 zur T-Verbindung 41 erstreckt. Luft (oder ein anderes Druckmittel) wird unter Druck durch einen Einlaß 44 in die Kammer gepumpt. Das poröse Rohr 42, welches am Ende N verschlossen ist, schafft einen Strömungswiderstand für das Druckmittel. Der grundlegende Gedanke ist der, daß eine Membran oder ein poröses Rohr als Widerstand zur Veränderung der Druckdifferenzquelle innerhalb eines geeigneten Arbeitsbereiches dient.
Ein Beispiel für eine spezifische Anwendung der Vorrichtung bei der Verdünnung von einer Probenflüssigkeit von Methylorange wird durch die Daten in Fig. 9 veranschaulicht. Diese Daten wurden mit einer Vorrichtung, wie hier beschrieben, mit einer Gore-Tex-Membran (Handelsname) aus Polytetrafluoräthylen erhalten, mit einer Porengröße von 0,45 um und einer typischen Porösität von 84%. Der Vakuumdruck im Analysestrom (Leitung 18 in Fig. 1) war 27087 N/m². Die Abszisse zeigt den im Punkt P angelegten positiven Druck bei geschlossenen Ventilen 16' und 38 (Fig. 1). Der Druck ist in N/m² in Bezug auf die Flüssigkeit in Kammer 20 oder den Vorrat angegeben, wobei ein Vakuum beim Verdünnungsmittel oder Analysestrom mit 27087 N/m² gemessen wurde. Dieser Druckgradient zwingt die Probe durch die Membran in den Verdünnungsmittelstrom 18. Die Ordinate des Graphen zeigt die Verdünnung der Methylorangeprobe als Funktion des Absorptionssignals (520 nm) als folgendes Verhältnis:
Verdünnung = Eingangskonzentration/Ausgangskonzentration Die Konzentrationsabhängigkeit des am Photodetektor 19 beobachteten Absorptionssignals in Fig. 1 wurde festgestellt, indem Methylorangeeichlösungen bekannter Konzentrationen direkt durch den Photodetektor hindurchgeführt wurden.
Ein zweites Beispiel wird durch die Daten von Fig. 10 repräsentiert. Diese Daten wurden erhalten mit einer Vorrichtung, wie sie hier beschrieben wird, mit einer Gore-Tex (Handelsname) Membran mit 1 um Porengröße und 91% typischer Porösität. Der Systemvakuumdruck betrug für dieses Experiment 20315 N/m². Anzeigelösungen aus Bromothymol blau in 0,01 M Natriumhydroxid wurden benutzt zur Kalibrierung der Verdünnungsanordnung 12 und des Photodetektors 19. Die Abszisse zeigt den in N/m² dargestellten Druck in der Flüssigkeit in Kammer 20 oder im Vorrat, wobei ein Vakuum von 20315 N/m² am Verdünnungsmittel oder Analysestrom gemessen wurde.
Die Art, in welcher die Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransportes oder das Eindringen durch die Membran beeinflußt wird durch Einengung in Leitung 17, zusammen mit dem Anlegen des positiven Drucks in P, wird im folgenden Beispiel veranschaulicht. Eine Gore-Tex (Handelsname) Membran mit 10 bis 15 um Porengröße und 98% typischer Porösität wurde doppellagig gefaltet und in die Verdünnervorrichtung 12 eingebracht. Die Vorrichtung wurde mit Probenflüssigkeit betrieben, die aus einem Vorrat 10 zugeführt wurde, und mit einem angelegten Vakuum, wie hier beschrieben. Ohne Druck im Rohr 17 (Fig. 1) konnte keine Steuerung der Geschwindigkeit des Transportes der Probe durch die Membran erreicht werden. Eine C-förmige Laborklemme wurde im Punkte c angebracht und auf eine Position gezogen, welche es erlaubte, die positive Druckquelle zur Steuerung des Flüssigkeitstransportes durch die Membran zu benutzen. Bei Anlegen von Druck z. B. aus Quelle 37 wurde, je fester die Klemme C angezogen war, ein umso höherer Druck aus Quelle 37 benötigt, um Druck auf die Membran 23 auszuüben. Das Ausmaß des Transports und somit der Verdünnung wurde bestätigt durch die Messung der Verschiebung der Flüssigkeit in Rohr 17 nach 10 Sekunden als eine Funktion des positiven Drucks auf das Rohr im Punkt P. Tabelle 1 faßt die Ergebnisse zusammen. TABELLE 1 Systemvakuum Positiver Druck Flüssigkeitsverschiebung
Als ein spezifisches Beispiel für eine geeignete Membran wird Bezug genommen auf "Gore-Tex" (eingetragenes Warenzeichen) Membran in einem Bereich, der in der Broschüre "Gore-Text" wie folgt beschrieben ist: GORE-TEX Membraneigenschaften Porengröße (Mikrometer) Typische Dichte Minimaler Wassereintrittsdruck
Gore-Tex-Membran ist eine gereckte, 100% reine Polytetrafluoräthylen-Membran.
Andere geeignete Membranen sind hydrophobisch modifiziertes Nuclepore (Handelsmarke) Polycarbonat oder Polyestermaterial zur Verarbeitung wäßriger Lösungen oder nichtmodifiziertes Polycarbonat oder Polyester Nuclepore (Handelsmarke) Material für den Gebrauch mit anderen Lösungsmitteln.
Es ist leicht einzusehen, daß es noch andere Membranen gibt, welche so beschaffen sind, daß sie undurchlässig sind und den Eintritt oder Durchtritt einer geeignet ausgewählten Probenflüssigkeit in einen Verdünnungsmittelstrom in nennenswerten Mengen in Abwesenheit einer Mindest-Flüssigkeitseintrittsdruckdifferenz verhindern.

Claims

1. Verfahren zur genau gesteuerten Verdünnung von flüssigen Proben in Analysenflüssigkeitsproben, unter Verwendung eines analytischen Detektors zum Messen von Eigenschaften der Flüssigkeit, mit den Schritten:

Vorsehen eines Vorrats (10) von Probenflüssigkeit in Kontakt mit einer Oberfläche einer Poren aufweisenden Membran (23); Vorbeiführen eines Stromes von Verdünnungsmittel (13) über die andere Oberfläche der Membran (23) und durch einen analytischen Detektor (19) zum Analysieren der Probenflüssigkeit; und Anlegen einer Druckdifferenz über die Membran (23), um Mengen der Probenflüssigkeit (10) in den Verdünnungsmittelstrom (13) zu bringen, die für das Detektieren der Probenflüssigkeit durch den analytischen Detektor (19) ausreichen, wobei die Probenflüssigkeit bei Anlegen der Druckdifferenz in dem Verdünnungsmittelstrom verdünnt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Membran angelegte Druckdifferenz mindestens gleich einer Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt ist, die für das Zuführen einer verdünnten Flüssigkeitsprobe zu dem analytischen Detektor (19) erforderlich ist, und daß die Flüssigkeitsprobe die Membran (23) nicht durchdringt, wenn diese Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt nicht angelegt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichn e t durch den Schritt des Veränderns des Drucks der Probenflüssigkeit in dem Vorrat, um die durch die Membran (23) transportierten Flüssigkeitsmengen zu verändern und zu steuern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge der Probenflüssigkeit in einem Behälter gehalten wird, während sie in Kontakt mit der einen Oberfläche der Membran (23) gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gek e n n z e i c h e t , daß die Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt eine durch Vakuum erzeugte Kraft ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt eine durch positives Pumpen erzeugte Kraft ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch ein anderes Fluid aufgebracht wird, wobei die Druckdifferenz durch Verändern eines Strömungswiderstandes des anderen Fluids verändert wird.

7. Verfahren zum genau gesteuerten Verdünnen von Flüssigkeitsproben bei der Analyse von Flüssigkeitsproben, mit Zuführmitteln (10, 15) zum Liefern einer Probenflüssigkeit und eines Verdünnungsmittels für die Flüssigkeit; Leitungsmitteln (14) zum Fördern des Verdünnungsmittels in der Vorrichtung, und mit den Leitungsmitteln verbundenen Mitteln (15) zum Anlegen von Druck, um die Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel durch die Leitungsmittel zu bewegen; einem Detektor (19) zum Erfassen der Menge der Flüssigkeit in dem Verdünnungsmittel; einem Paar von Kammern (20, 21) in einem Gehäuse (22), die derart angeschlossen sind, daß eine erste Kammer (20) die Probenflüssigkeit enthält und eine zweite Kammer (21) einen Strom des Verdünnungsmittels aufnimmt; einer porösen Membran (23), die in dem Gehäuse zwischen den Kammern angeordnet ist und diese und die darin enthaltene Probenflüssigkeit und Verdünnungsmittel voneinander trennt, und Mitteln (37) zum Anlegen einer Druckdifferenz an die Probenflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (23) für den Durchgang der Probenflüssigkeit von der ersten Kammer (20) in die zweite Kammer (21) undurchlässig ist, wenn keine Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt an die in der ersten Kammer (20) enthaltene Probenflüssigkeit angelegt ist; daß die Mittel (37) für das Anlegen einer Druckdifferenz, die mindestens gleich der Mindestdruckdifferenz für den Flüssigkeitseintritt ist, angepaßt sind, und daß Leitungsmittel (11) für das Fördern der Probenflüssigkeit in der Vorrichtung vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichn e t durch Mittel (C) zum Verändern des an die Probenflüssigkeit in der ersten Kammer (20) angelegten Drucks.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsmittel (11, 17) einen flexiblen und kompressiblen Abschnitt aufweisen, um die angelegte Druckdifferenz zu verändern.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsmittel Leitungen (11, 17) zu und von der Membran (23) und der ersten Kammer (20), sowie Ventile (38, 16') in den Leitungen aufweisen, die betätigbar sind, um zu schließen und Probenflüssigkeit in einem Behälter zu halten, der durch Abschnitte der Leitungen (11, 17) und durch die erste Kammer (20) gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsmittel zum Fördern von Probenflüssigkeit einen Behälter aufweisen, aus dem ein Teil der Probenflüssigkeit zwangsgefördert wird.