DE4411266A1 - Analyseverfahren und Analysevorrichtung - Google Patents
Analyseverfahren und AnalysevorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Analyseverfahren, bei dem
mehrere Proben nacheinander durch einen Reaktionskanal
einem Detektor zugeleitet werden und mindestens ein
Reagenz zur Reaktion mit den Proben in den Reaktions
kanal eingeleitet wird. Ferner betrifft die Erfindung
eine Analysevorrichtung mit einer Proben-Speiseleitung,
mindestens einer Reagenz-Speiseleitung, einer Pumpein
richtung für Probe und Reagenz, einem Reaktionskanal
und einem Detektor.
In vielen Bereichen besteht ein ständig wachsender Be
darf an chemischen Analysen. Als Beispiel sei der Um
weltschutzbereich genannt. So müssen beispielsweise bei
der Überwachung von Gewässern fortlaufend Wasserproben
aus dem Gewässer entnommen und auf Schadstoffe hin un
tersucht werden. Der Betrieb von Kläranlagen, bei
spielsweise die Lufteinspeisung, erfolgt in Abhängig
keit von bestimmten Inhaltsstoffen des zu klärenden
Wassers. Derartige Analysen müssen in kurzen Abständen
durchgeführt werden, so daß sich nicht nur eine große
Anzahl von Analysen ergibt, sondern diese Analysen auch
noch möglichst schnell durchgeführt werden müssen. Das
gleiche gilt für den Bereich der Medizin und der Um
weltanalytik. In großen Labors müssen in der Regel sehr
viele Proben untersucht werden. Dies läßt sich mit her
kömmlichen manuellen Verfahren, bei denen die zu unter
suchende Probe mit Reagenzien, beispielsweise in einem
Becherglas, gemischt und ein dabei entstehenden Reak
tionsprodukt erfaßt und nach Art und Menge ausgewertet
wurde, nicht mehr durchführen. Erschwerend kommt hier
bei hinzu, daß in der Regel nicht nur ein einzelner
Reaktionsschritt durchgeführt werden muß, sondern eine
Mehrzahl. Dies erfordert nicht nur Arbeitskraft, son
dern auch die Bereitstellung von entsprechend großen
Laborflächen, auf denen die mit Reagenzien versetzten
Proben bis zur Reaktion bzw. zur Auswertung des Reak
tionsprodukts zwischengelagert werden können. Darüber
hinaus sind für die manuellen Verfahren relativ große
Mengen an Proben und Reagenzien notwendig, was die Ent
sorgung schwierig macht.
Man hat deswegen bereits vor einigen Jahrzehnten damit
begonnen, kontinuierlich oder quasi kontinuierliche
Verfahren zu entwickeln, die mit kleineren Probengrößen
und mit weniger Reagenzien auskommen. Aufgrund der "Me
chanisierung" dieser Verfahren ist es auch möglich, in
der gleichen Zeit eine größere Anzahl von Proben zu
untersuchen. Hierbei wird die Verfahrensweise beibehal
ten, d. h. die Probe wird mit einem oder mehreren Rea
genzien gemischt und das dabei entstehende Reaktions
produkt mit einem Detektor erfaßt.
US 2 797 149 und US 2 879 141 beschreiben eine soge
nannte "Segmented Flow Analysis" (SFA), d. h. ein Analy
severfahren, bei dem aufeinanderfolgende Probenab
schnitte durch Luftblasen in der Probenleitung getrennt
sind. Nach Mischen eines jeden Proben-Abschnitts mit
einem oder mehreren Reagenzien läßt sich das Reaktions
produkt in jedem Abschnitt getrennt auswerten. Durch
die Wahl der Länge des Reaktionskanals läßt sich die
für die Reaktion zur Verfügung stehende Zeit einstel
len. Die Verwendung von Luftblasen im Reaktionskanal
zur Trennung der einzelnen Proben erzeugt jedoch einen
kompressiblen Flüssigkeitsstrang, so daß die Strömungs
geschwindigkeit und damit die Reaktionszeit nicht genau
kontrollierbar ist.
US 4 022 575 und DE 28 06 157 C2 zeigen ein neueres
Verfahren, das unter dem Namen "Flow Injection Analy
sis" (FIA) bekannt ist. Hier werden die einzelnen Pro
ben in gewissen Abständen in eine Trägerflüssigkeit
eingebracht, so daß aufeinanderfolgende Proben immer
durch einen Abschnitt mit reiner Trägerflüssigkeit ge
trennt sind. Diese teilweise mit Proben versehene Trä
gerflüssigkeit wird dann mit dem oder den Reagenzien
gemischt. Die Auswertung des Reaktionsprodukts erfolgt
in ähnlicher Weise durch einen Detektor, der das Reak
tionsprodukt nach Art und/oder Menge erfaßt. Aufgrund
der Verdünnung der Proben durch die Trägerflüssigkeit
innerhalb eines Probenabschnitts einerseits und dem
Übergang zwischen einem Abschnitt mit einem Proben-Trä
gerflüssigkeits-Gemisch und einem Abschnitt aus reiner
Trägerflüssigkeit andererseits, der zu einer weiteren
Verungleichmäßigung der Proben-Konzentration am Anfang
und am Ende eines jeden Probenabschnitts führt, ist es
bei diesem Verfahren nur sehr begrenzt möglich, abzu
warten, bis sich ein stationärer Zustand einstellt. Der
Detektor wertet deswegen auch nicht mehr ein Signal
aus, bei dem ein konstantes Reaktions-Produkt-Signal
anliegt, sondern ein transientes Signal, normalerweise
in Form eines spitzen Signalimpulses. Die zwischen den
einzelnen Proben-Trägerflüssigkeits-Abschnitten, die im
folgenden kurz "Probenabschnitte" oder "Probenblöcke"
genannt werden, befindlichen Abschnitte mit reiner Trä
gerflüssigkeit können dazu verwendet werden, jeweils
einen Ausgangspunkt für die Messung zu definieren. Al
lerdings muß der Verdünnungsfaktor, der auch "Disper
sionskoeffizient" genannt wird, in einem getrennten
Versuch bestimmt werden. Erst aus dem Vergleich des
Dispersionskoeffizienten mit dem gewonnenen Meßsignal
ist es möglich, das Analyseergebnis quantitativ zu be
stimmen. In der Praxis muß daher vorzugsweise eine Ka
librierung mit Proben bekannter Konzentration vorgenom
men werden. Darüber hinaus können Viskositätsunter
schiede von Probe zu Probe den Verdünnungseffekt derart
beeinflussen, daß Meßfehler entstehen, die nicht durch
eine Kalibrierung behoben werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber
unterschiedlichen Strömungseigenschaften der Proben
robusteres Analyseverfahren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Analyseverfahren der ein
gangs genannten Art dadurch gelöst, daß jede Probe und
ihr zugeordnetes Reagenz derart gesteuert in den Reak
tionskanal eingeleitet werden, daß sie einen Block bil
den, entlang dessen Längserstreckung das lokale, über
einen Abschnitt vorbestimmter Länge gemittelte Volumen
verhältnis zwischen Probe und Reagenz im wesentlichen
konstant ist, wobei die Länge des Abschnitts wesentlich
kürzer als die Hälfte der Länge des Blocks ist.
Als lokales mittleres Volumenverhältnis wird hierbei
ein Volumenverhältnis bezeichnet, das in einem gedach
ten Kanalabschnitt vorliegt, der den für die Lokalisie
rung betrachteten Ort symmetrisch umgibt. Dieser ge
dachte Kanalabschnitt erstreckt sich also vom betrach
teten Ort aus gleich weit in die Strömungsrichtung und
entgegen der Strömungsrichtung. Er hat die genannte
vorbestimmte Länge. Für die Bemessung dieser Länge ist
einerseits zu berücksichtigen, daß sie klein ist gegen
über der Gesamtlänge des Blocks. Sie ist wesentlich
kleiner als die Hälfte dieser Länge. Das Volumen des
Abschnitts ist also klein im Verhältnis zum Gesamtvolu
men des Reaktionskanals und ebenfalls klein im Verhält
nis zum Volumen des jeweiligen Blocks. Andererseits
darf die Länge des Abschnitts auch nicht zu kurz sein,
denn lokale Fluktuationen des Volumenverhältnisses im
Bereich der Einleitung sind ausdrücklich zugelassen.
Sie werden jedoch dadurch ausgeglichen, daß im Reak
tionskanal ebenfalls lokal eine konvektive und diffusi
ve Durchmischung der beteiligten Flüssigkeiten, also
von Probe und Reagenz, stattfindet. Der betrachtete
Abschnitt des Blocks ist daher so lang zu wählen, daß
die Mittelung des Volumenverhältnisses über diesen Ab
schnitt dem Ausgleich der Fluktation im Volumenver
hältnis entspricht.
Durch ein derartig gesteuertes Einleiten von Proben und
Reagenz wird sichergestellt, daß in dem jeweiligen
Block, der dem Detektor zugeleitet wird, ein im wesent
lichen konstantes Mischungsverhältnis zwischen Probe
und Reagenz besteht. Dementsprechend läßt sich mit Hil
fe des Reaktionsprodukts tatsächlich eine Aussage über
den Anteil des zu detektierenden Stoffs in der Probe
machen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Strömungs
geschwindigkeit jedes Blocks im Reaktionskanal in Ab
hängigkeit von der Dimensionierung des Reaktionskanals
und der Länge des Blocks so klein gewählt, daß inner
halb jedes Blocks ein Reaktionsabschnitt verbleibt, in
dem sich ausschließlich die Probe und ihr Reagenz be
finden. In diesem Reaktionsabschnitt ergibt sich damit
eine im wesentlichen konstante Verteilung des Reak
tionsprodukts, so daß sich im Detektor, der das Reak
tionsprodukt erfaßt, ein Signal ergibt, das praktisch
so lange stabil auf einem Plateau verharrt, wie der
Reaktionsabschnitt benötigt, um den Detektor zu durch
laufen. Dies vereinfacht die Auswertung ganz erheblich.
Man kann das Signal unmittelbar auswerten, ohne - abge
sehen von einer Kalibrierung - auf Bezugsgrößen oder
Signalsteigungen zurückgreifen zu müssen.
Auch ist bevorzugt, daß im Detektor eine integrierende
Messung über ein Volumen erfolgt, das kleiner als das
Volumen des Reaktionsabschnitts ist. Diese Ausgestal
tung ermöglicht einerseits einen Ausgleich von lokalen
Schwankungen durch Integration. Andererseits ist das
Integrationsvolumen aber klein genug, um keine Fehler
durch versehentliches Einbeziehen von benachbarten Pro
ben entstehen zu lassen.
Vorzugsweise ist das lokale mittlere Volumenverhältnis
zwischen jeder einzelnen Probe und ihrem Reagenz an
jedem Ort des Reaktionskanals zu jeder Zeit im wesent
lichen konstant. Die anfängliche, nur beim Einleiten
herrschende Bedingung wird also im gesamten Reaktions
kanal aufrechterhalten, beispielsweise durch eine ent
sprechende Strömungssteuerung.
Vorzugsweise werden aufeinander folgende Proben anein
ander angrenzend in den Reaktionskanal eingeleitet. Im
Gegensatz zum Stand der Technik verzichtet man hierbei
darauf, die einzelnen Proben erst durch eine Träger
flüssigkeit auszuwaschen, bevor man die nächste Probe
einleitet. Mit der Wasch- oder Trägerflüssigkeit ergibt
sich nämlich das Problem, daß man diese Flüssigkeit
erst mit der nächsten Probe auswaschen muß, bevor ein
Meßsignal abgelesen werden kann. Die Trägerflüssigkeit
führt hierbei zu einer relativ starken Verdünnung, de
ren Größe auch von der Viskosität, die von Probe zu
Probe variieren kann, abhängig ist. Dies kann wiederum
negative und nicht vorherbestimmbare Auswirkungen auf
den Signalverlauf am Signalausgang des Detektors haben.
Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung löst man sich
grundsätzlich von den impliziten Voraussetzungen, die
in der Fachwelt bisher als allgemein gültig angesehen
wurden. Es genügt, die vorhergehende Probe mit der
nachfolgenden Probe auszuwaschen. Der Zeit- und Flüs
sigkeitsverbrauch wird hierdurch drastisch vermindert.
Darüber hinaus werden auch Analyseergebnisse mit einer
verbesserten Richtigkeit erzielt, weil der Einfluß von
Viskositätseffekten vermindert wird.
Vorzugsweise werden jeweils im voraus bestimmte Volumi
na von Probe und Reagenz mit hoher Genauigkeit in den
Reaktionskanal eingespeist. Diese hohe Genauigkeit der
Einspeisung, also die Einhaltung bestimmter Volumina
und/oder Strömungsgeschwindigkeiten, läßt sich mit den
aus US 2 797 149 bzw. DE 28 06 157 C2 bekannten peri
staltischen Pumpen in der Regel nicht erreichen. Diese
peristaltischen Pumpen haben in der Regel mindestens
einen elastischen Schlauch, der regelmäßig verformt
wird. Es läßt sich praktisch nicht vermeiden, daß diese
Verformung auf Dauer zu einer Änderung der Fördervolu
mina führt. Diese Änderung läßt sich jedoch nicht vor
hersehen, so daß auch bei einer anfangs relativ genauen
Förderung nicht sichergestellt werden kann, daß die
Förderung von Probe und Reagenz jeweils mit den im vor
aus bestimmten Volumina erfolgt. Durch die relativ ge
naue Förderung, also das Abstimmen der Strömungsge
schwindigkeiten von Probe und Reagenz, lassen sich da
her genaue vorausbestimmte Volumenverhältnisse von Pro
be und Reagenz einstellen. Durch die genaue Einspeisung
läßt sich auch eine verbesserte Reproduzierbarkeit der
Reaktionsvorgänge erreichen, so daß das vorliegende
mechanisierte Verfahren mit praktisch der gleichen Ge
nauigkeit arbeiten kann wie herkömmliche, manuell
durchgeführte Verfahren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß Probe und Reagenz geschichtet in den
Reaktionskanal eingeleitet werden. Der Begriff des
"Schichtens" bezieht sich allerdings nur auf den Moment
der Einleitung. Bei Ausbildung einer laminaren Strömung
kann man beobachten, daß an der Grenz- oder Berührungs
fläche zwischen Probe und Reagenz eine gegenseitige
Durchdringung von Probe und Reagenz erfolgt. Die
"Schichten" von Probe und Reagenz werden also eine ge
wisse Zeit nach dem Einleiten nicht mehr genau zu tren
nen sein. Dennoch läßt sich zumindest theoretisch für
den Moment des Einleitens eine derartige Schichtung
vorstellen. Die beiden Flüssigkeiten von Probe und Rea
genz werden sozusagen aneinander angelegt. Durch diese
Ausgestaltung vereinfacht man die Durchmischung von
Probe und Reagenz im Bereich laminarer Strömung. Die
gewünschte Reaktionszeit läßt sich durch einen entspre
chend langsamen Vorschub von Probe und Reagenz durch
den Reaktionskanal erreichen. Die gegenseitige Durchmi
schung von Probe und Reagenz kann hierbei teilweise auf
Diffusion beruhen. Allerdings werden in einem Reak
tionskanal, der Richtungsänderungen aufweist, auch
transversale Strömungsanteile auftreten, die zu einer
verstärken konvektiven Durchmischung der Flüssigkeit
führen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vor
gesehen, daß beim Einspeisen mehr als zwei Schichten
erzeugt werden, wobei einander benachbarte Schichten
jeweils durch Probe und Reagenz gebildet sind. Hier
durch wird die Grenzfläche zwischen Probe und Reagenz
vergrößert. Verwendet man beispielsweise anstelle von
zwei Schichten aus Probe und Reagenz deren drei, die
aufgrund der Forderung, daß einander benachbarte
Schichten jeweils durch Probe und Reagenz gebildet
sind, sandwich-artig aufgebaut sind, verdoppelt sich
die Grenzfläche. Die Zeit, die für die Durchmischung
benötigt wird, verringert sich entsprechend.
Vorzugsweise werden Probe und Reagenz in Strömungsrich
tung parallel zueinander in den Reaktionskanal einge
speist. In diesem Fall entsteht eine relativ große
Grenzfläche, die sich entlang der Achse des Reaktions
kanals erstreckt. Damit steht eine ausreichend große
Grenzfläche zur gegenseitigen Durchdringung von Probe
und Reagenz zur Verfügung. Der Austausch zwischen Probe
und Reagenz wird aufrechterhalten, bis die einzelnen
Konzentrationen ausgeglichen sind. Dieser Austausch ist
unabhängig davon, ob sich der durch Probe und Reagenz
gebildete Block durch den Reaktionskanal bewegt oder
nicht.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Zufuhr von
Probe und Reagenz synchron zueinander erfolgt. Eine
derartige synchrone Zufuhr läßt sich beispielsweise
durch synchron gesteuerte Pumpen erreichen, beispiels
weise durch synchron betätigte Kolbenpumpen. Bei einer
derartigen Ausgestaltung werden die beiden Probe und
Reagenz aufweisenden Flüssigkeiten sozusagen aneinander
angelegt.
In einer dazu alternativen Ausgestaltung können Probe
und Reagenz abwechselnd nacheinander und aneinander
anstoßend in den Reaktionskanal eingespeist werden,
wobei die Länge der einzelnen Proben- und Reagenzab
schnitte wesentlich kürzer als die Länge des Blocks
ist. Hierbei steht als Austauschfläche zwar nur die
Querschnittsfläche des Reaktionskanals zur Verfügung,
also die Fläche, die auch für die Durchströmung zur
Verfügung steht. Man hält hierbei allerdings die ein
zelnen Abschnitte von Probe und Reagenz relativ kurz,
so daß sich innerhalb eines einzelnen und aus einer
Vielzahl von derartigen Abschnitten gebildeten Proben-
Reagenz-Blocks wiederum eine relativ große Grenzfläche
ergibt. Die Durchmischung erfolgt dann axial, d. h. in
Strömungsrichtung.
Vorzugsweise wird ein Gesamtvolumen von Probe und Rea
genz in den Reaktionskanal eingespeist, das mindestens
dem Dreifachen des Volumens des Reaktionskanals ent
spricht. Bei einem derartig großen Volumen ist sicher
gestellt, das Reste aus früheren Blöcken, also von frü
heren Proben, vollständig aus dem Reaktionskanal ent
fernt worden sind. Trotz des dreifachen Gesamtvolumens
bleibt der Verbrauch von Chemikalien wegen der Ausge
staltung der Vorrichtung und ihrer Miniaturisierung
relativ gering.
Mit Vorteil erfolgt die Erfassung des Reaktionsprodukts
während des Durchflusses des mittleren Drittels des
Gesamtvolumens. In diesem Zeitraum ist nicht nur mit
einer relativ großen Wahrscheinlichkeit sichergestellt,
daß vorausgehende Proben keinen Einfluß mehr auf das
Reaktionsprodukt der augenblicklich untersuchten Probe
haben. Man vermeidet auch, daß eine nachfolgende Probe
schon Einfluß auf das Reaktionsprodukt genommen hat.
Vorzugsweise wird die Probe durch eine Flüssigkeit ge
bildet, die entlang einer Seite einer Membran geführt
wird, wobei die andere Seite der Membran einem Medium
ausgesetzt ist, das den zu erfassenden Inhaltsstoff
enthält. Insbesondere bei Abwasseruntersuchungen er
spart man sich hierbei eine mechanische Entnahme des
Abwassers zum Zwecke der Einführung in den Reaktions
kanal. Vielmehr wird der zu untersuchende Inhaltsstoff,
also beispielsweise ein Salz, Phosphat, Nitrat oder
ähnliches, durch die Membran in die Flüssigkeit trans
portiert. Dieser Vorgang beruht im wesentlichen auf
Dialyse. Das Verfahren kann dadurch auf zusätzliche
mechanische Arbeitsschritte verzichten.
Vorzugsweise wird die Strömungsgeschwindigkeit so ge
wählt, daß sich bei einer vorgegebenen Querschnittsflä
che des Reaktionskanals von Probe und Reagenz eine Rey
nolds-Zahl von 5 oder weniger ergibt. Die Strömungsge
schwindigkeit wird hierdurch sehr niedrig gehalten, was
den Vorteil hat, daß sich die bei einer laminaren Strö
mung ausbildende Ausbuchtung am Anfang des aus Probe
und Reagenz oder Reagenzien gebildeten Blocks und die
sich am Ende entsprechende Einbuchtung relativ klein
bleibt. Dementsprechend wird die axiale Durchmischung
von aufeinanderfolgenden Blöcken klein gehalten, so daß
man relativ kurze Blöcke verwenden kann, ohne befürch
ten zu müssen, daß sich aufeinanderfolgende Proben in
negativer Weise gegenseitig beeinflussen. Hierdurch
können das Volumen der Probe und entsprechend die Vo
lumina der eingesetzten Reagenzien bei gleichbleibender
Meßqualität klein gehalten werden. Durch die langsame
Strömungsgeschwindigkeit läßt sich aber auch die Länge
des Reaktionskanals bei gleichbleibender Reaktionszeit
entsprechend kurz halten, so daß das Volumen des Reak
tionskanals insgesamt klein gehalten werden kann.
Auch ist bevorzugt, daß die Länge der einzelnen Proben
so klein gehalten wird, daß die Analyse kontinuierlich
oder quasi kontinuierlich erfolgt. In vielen Fällen ist
es sinnvoll, nicht nur einzelne Proben nacheinander in
den Probenkanal einzuspeisen, sondern kontinuierlich
einen Probenstrom durch den Probenkanal zu schicken.
Hier zeigt sich der besondere Vorteil des erfindungs
gemäßen Verfahrens, bei dem die Notwendigkeit entfällt,
die einzelnen Proben voneinander zu trennen. Indem man
die Einspeisung von Probenflüssigkeit und Reagenzflüs
sigkeit so steuert, daß sich ein konstantes Volumenver
hältnis ergibt, erreicht man auch bei einer kontinuier
lichen Einspeisung die gewünschte hohe Genauigkeit.
Die Aufgabe wird bei einer Analysevorrichtung der ein
gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Pumpein
richtung für Probe und/oder Reagenz jeweils eine Pumpe
auf, deren Abgabemenge steuerbar ist.
Die Wahl der Pumpe ist für die vorliegende Erfindung
von einer gewissen Bedeutung, wenn man mit dem Verfah
ren und der Vorrichtung genaue Meßergebnisse erzielen
will. In diesem Fall kann man durch eine entsprechende
Steuerung der Pumpe Ergebnisse erreichen, die denen der
herkömmlichen, manuellen Analyseverfahren entsprechen.
Mit dieser Ausgestaltung läßt sich erreichen, daß die
Probenflüssigkeit und die Reagenzflüssigkeit mit einer
kontrollierbaren und reproduzierbaren Strömungsge
schwindigkeit in den Reaktionskanal eintreten. Hier
durch ergibt sich ein geschichteter Aufbau quer zur
Längsrichtung des Reaktionskanals. Das gegenseitige
Durchdringen oder Durchmischen von Probe und Reagenz
erfolgt hierbei zwar nicht direkt beim Zusammentreffen
der Proben-Speiseleitung mit der Reagenz-Speiseleitung,
sondern allmählich etwas später im Reaktionskanal, und
zwar vorwiegend durch radiale Diffusion oder Vermi
schung. Man vermeidet hierdurch eine axiale Vermischung
aufeinanderfolgender Blöcke.
Vorzugsweise ist die Pumpe hierbei als Kolbenpumpe aus
gebildet, die durch einen Gleichstrom- oder einen
Schrittmotor angetrieben ist. Bei einer Kolbenpumpe
läßt sich das geforderte Volumen mit hoher Genauigkeit
einer gewünschten Vorgabe anpassen. Kolbenpumpen können
darüber hinaus auch mit hoher Genauigkeit auch synchron
gesteuert werden, so daß die Förderung von Probe und
Reagenz entsprechend genau synchron gesteuert werden
kann.
Mit Vorteil sind die Proben-Speiseleitung und die Rea
genz-Speiseleitung mit zwei Eingängen eines Speiseven
tils verbunden, das die beiden Speiseleitungen abwech
selnd mit dem Reaktionskanal verbindet. Bei dieser Aus
gestaltung ergibt sich ein geschichteter Aufbau im Re
aktionskanal, bei dem Probenflüssigkeit und Reagenz
flüssigkeit in unmittelbar aneinander anstoßenden
Schichten angeordnet sind. Der Vorschub eines so aus
Probe und Reagenz gebildeten Blocks erfolgt zwar nicht
unbedingt kontinuierlich, sondern gegebenenfalls
schrittweise, weil während des Umschaltvorgangs des
Speiseventils eine Förderung nicht immer sichergestellt
werden kann. Dennoch läßt sich auch bei diesem schritt
weisen Vorschieben des Blocks eine zufriedenstellende
Durchdringung mit anschließender Reaktion von Probe und
Reagenz erreichen.
Vorzugsweise weist der Durchflußquerschnitt des Reak
tionskanals in eine Richtung eine größere Ausdehnung
als in die Richtung senkrecht zu dieser Ausdehnung auf.
Insbesondere bei einer parallelen Einspeisung von Probe
und Reagenz läßt sich damit eine größere Grenzfläche
erzeugen, was wiederum der radialen Durchmischung för
derlich ist.
Vorzugsweise ist der Durchflußquerschnitt im wesentli
chen rechteckförmig ausgebildet. Die Einspeisung er
folgt dann im wesentlichen parallel zu den Längsseiten
des Rechtecks, so daß eine entsprechend große Grenzflä
che zum Austausch von Probe und Reagenz zur Verfügung
steht.
Vorzugsweise weist der Reaktionskanal einen Durchfluß
querschnitt von 0,5 mm² oder weniger und eine Länge von
250 mm oder weniger auf, und die Pumpeinrichtung er
zeugt einen Volumenstrom von 100 µl/min oder weniger.
Das Gesamtvolumen des Reaktionskanals ist entsprechend
gering. Dies bedeutet, daß auch nur eine sehr geringe
Menge an Flüssigkeit für die Analyse benötigt wird. Der
sehr geringe Volumenstrom trägt weiter dazu bei, daß
der Verbrauch von Chemikalien gering gehalten wird.
Dennoch lassen sich mit einer derartigen Ausbildung des
Reaktionskanals hervorragende Ergebnisse erzielen.
Auch ist bevorzugt, daß der Detektor ein Detektorvolu
men aufweist, das kleiner als das Volumen des Reak
tionsabschnitts ist. Der Detektor integriert also nur
über ein Volumen, in dem ungestörte Verhältnisse vor
liegen, d. h. keine Beeinflussung durch benachbarte Pro
ben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung
beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Analysevorrichtung,
Fig. 2 ein Umschaltventil in einer ersten Stellung,
Fig. 3 das Umschaltventil in einer zweiten Stellung,
Fig. 4 eine erste Ausgestaltung eines Mischpunkts,
Fig. 5 eine zweite Ausgestaltung eines Mischpunkts,
Fig. 6 eine dritte Ausgestaltung eines Mischpunkts,
Fig. 7 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Probenflüs
sigkeit und
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Durchmischung
und eines Signalverlaufs.
Eine Analysevorrichtung 1 weist eine Trägerflüssig
keitsquelle 2 auf, die im dargestellten Ausführungsbei
spiel aus einem Vorratsgefäß 3 für Trägerflüssigkeit
und einer Pumpe 4 besteht. Die Trägerflüssigkeitsquelle
2 ist über eine Trägerflüssigkeitsleitung 5, in der
gegebenenfalls ein Durchflußmesser 6 angeordnet ist,
mit einem Umschaltventil 7 verbunden, und zwar mit des
sen Trägereingang 8. Der Durchflußmesser 6 ist nicht
unbedingt notwendig. Falls erforderlich, läßt sich die
Menge der abgegebenen Flüssigkeit auch aus dem Förder
volumen der Pumpe 4 bestimmen, z. B. aus ihrem Kolbenhub.
Dieser kann wiederum auch indirekt ermittelt oder ge
steuert werden, beispielsweise über die Antriebs
leistung.
Das Umschaltventil 7 weist einen Probenausgang 9 auf,
der mit einer Probenleitung 10 verbunden ist. Die Pro
benleitung 10 ist in an sich bekannter Weise mit einem
von mehreren Mischpunkten 11 verbunden, an denen über
eine erste und eine zweite Reagenzienleitung 12, 13, in
denen jeweils eine Pumpe 14, 15 angeordnet ist, Reagen
zien R1, R2 eingespeist werden. An die Mischpunkte 11
schließt sich ein Reaktionskanal 16 an, in dem ein De
tektor 17 angeordnet ist. Der Ausgang des Detektors 17
ist mit einem Abfallsammelgefäß 18 verbunden.
Das Umschaltventil 7 weist einen Probeneingang 19 auf,
der mit einer Probenleitung 20 verbunden ist, die wie
derum mit einer Probenentnahmestation verbunden ist,
und einen Abfallausgang 21, der mit einer Abfalleitung
22 verbunden ist. In der Abfalleitung 22 ist eine Pumpe
24 angeordnet, deren Ausgang mit einem Abfallsammelge
fäß 23 in Verbindung steht. In der Probenentnahmesta
tion werden verschiedene Proben 26-28 bereitgehalten,
um nacheinander in das Umschaltventil gesaugt zu wer
den.
Ferner ist eine Steuereinrichtung 29 vorgesehen, die,
falls dieser vorhanden ist, mit dem Durchflußmesser 6
verbunden ist und von ihm Informationen erhält. Die
Steuereinrichtung 29 steuert die Pumpe 4 für die Trä
gerflüssigkeit und die Pumpe 24 in der Abfalleitung 22.
Ferner steuert die Steuereinrichtung 29 das Um
schaltventil mit Hilfe einer als Kolben-Zylinder-Ein
richtung ausgebildeten Betätigungseinrichtung 30. Gege
benenfalls ist der Antrieb der jeweiligen Pumpen 4, 24
auf die Steuereinrichtung zurückgekoppelt.
Das Umschaltventil 7 weist hierbei einen Rotationskör
per 31 auf, der als Küken ausgebildet ist und drehbar
in einem Gehäuse 32 angeordnet ist. Der Rotationskörper
31 weist einen ersten Kanal 33 und einen zweiten Kanal
34 auf. In der in Fig. 2 dargestellten Stellung verbin
det der erste Kanal 33 den Trägereingang 8 mit dem Pro
benausgang 9, während der zweite Kanal 34 den Proben
eingang 19 mit dem Abfallausgang 21 verbindet. In der
in Fig. 3 dargestellten Stellung, in der der Rota
tionskörper 31 um 90° gegenüber der Stellung in Fig. 2
verdreht worden ist, verbindet der erste Kanal 33 den
Probeneingang 19 mit dem Abfallausgang 21, während der
zweite Kanal 34 den Trägereingang 8 mit dem Probenaus
gang 9 verbindet. Die Stellung des Rotationskörpers 31
kann über die in Fig. 1 als Doppelpfeil dargestellte
Leitung zwischen dem Umschaltventil 7 und der Steuer
einrichtung 29 an die Steuereinrichtung 29 zurückgemel
det werden.
In der in Fig. 2 dargestellten Stellung saugt die Pumpe
24 eine Probe 26 durch die Probenleitung 20 in den
zweiten Kanal 34, und zwar so lange, bis diese
vollständig mit der zweiten Probe gefüllt ist. Hierbei
spielt es keine Rolle, ob eventuell mehr Probe geför
dert wird als notwendig ist, um den Kanal vollständig
zu füllen. Die vollständige Füllung des zweiten Kanals
34 mit der Probe 26 sollte aber sichergestellt sein.
Der so gefüllte zweite Kanal 34 kommt bei einer Drehung
des Rotationskörpers 31 um 90° in eine Position, die in
Fig. 3 dargestellt ist. In dieser Position verbindet
der zweite Kanal 34 den Trägereingang 8 mit dem Proben
ausgang 9. Die Steuereinrichtung 29 setzt nun die Pumpe
4 für die Trägerflüssigkeit in Betrieb. Die hierdurch
geförderte Trägerflüssigkeit tritt in den zweiten Kanal 34
ein und drückt damit die im zweiten Kanal 34 befind
liche Probe durch den Probenausgang 9 in die Probenlei
tung 10. Das Volumen des zweiten Kanals 34 (und natür
lich auch des ersten Kanals 33) und das Fördervolumen
der Pumpe 4 sind bekannt. Die Steuereinrichtung 29 ist
daher in der Lage, die Pumpe 4 für die Trägerflüssig
keit anzuhalten und den Rotationskörper 31 wieder um
90° in die in Fig. 2 dargestellte Position zu verdre
hen, bevor die Trägerflüssigkeit durch den zweiten Ka
nal 34 in den Probenausgang 9 gelangen kann.
Solange sich der Rotationskörper 31 in der in Fig. 3
dargestellten Position befindet, in der der zweite Ka
nal 34 unter der Einwirkung der Trägerflüssigkeit in
den Probenausgang 9 entleert wird, kann der erste Kanal
33 mit einer nachfolgenden Probe, beispielsweise der
Probe 27, gefüllt werden. Da die Pumpe 24 für die Probe
eine größere Leistungsfähigkeit hat als die Pumpe 4 für
die Trägerflüssigkeit, d. h. eine größere Leistungsfä
higkeit als die Trägerflüssigkeitsquelle 2, ist sicher
gestellt, daß der zwischen dem Probeneingang 19 und dem
Abfallausgang 21 befindliche Kanal immer vollständig
gefüllt ist, bevor die Trägerflüssigkeit in den Proben
ausgang 9 gelangt ist. Auf diese Weise werden Wartezei
ten vermieden. Die Steuerung des Umschaltventils 7 ver
einfacht sich beträchtlich.
In der Probenleitung 10 wird somit ein Flüssigkeits
strang erzeugt, in dem ein Probenabschnitt lückenlos an
den nachfolgenden anschließt. Im Mischpunkt 11 wird das
Reagenz R1 zugeführt. In einem weiteren Mischpunkt, der
nicht getrennt bezeichnet ist, wird das Reagenz R2 zu
geführt. Selbstverständlich können noch weitere Misch
punkte für weitere Reagenzien vorhanden sein. Die Rea
genzien R1 und R2 reagieren dann im Reaktionskanal 16
mit den Proben in den einzelnen Probenabschnitten und
erzeugen ein oder mehrere Reaktionsprodukte, die mit
Hilfe des Detektors 17 erfaßt werden können. Nach er
folgter Auswertung durch den Detektor 17 kann die im
Reaktionskanal 16 befindliche Flüssigkeit in den Ab
fallsammelbehälter 18 gefördert werden.
Fig. 4 zeigt eine erste Ausgestaltung des Mischpunkts
11. Der Begriff des "Mischpunkts" wurde hier lediglich
aus Gründen der Einfachheit gewählt. Wie aus dem fol
genden ersichtlich ist, erfolgt an diesem Punkt noch
nicht das eigentliche Mischen. Die Probenleitung 10 und
die Reagenzienleitung 12 für das erste Reagenz R1 tref
fen hier senkrecht aufeinander. Dennoch ergibt sich bei
einer entsprechenden Strömungssteuerung, daß die Pro
benflüssigkeit und die Reagenzienflüssigkeit im wesent
lichen parallel in den Reaktionskanal 16 einströmen,
vorausgesetzt, daß die Strömungsgeschwindigkeit so ge
ring ist, daß im laminaren Bereich gearbeitet wird.
Durch eine gestrichelte Linie 36, deren Striche immer
kürzer werden, ist angedeutet, daß sich die unmittelbar
an der Einmündung entstehende Schichtung von Proben
flüssigkeit und Reagenzflüssigkeit langsam verflüch
tigt. Nach einer gewissen Länge ist im Reaktionskanal
16 keine deutliche Grenze mehr zwischen der Probenflüs
sigkeit und der Reagenzflüssigkeit feststellbar. Viel
mehr wird sich entlang der Linie 36 eine immer breiter
werdende Zone einstellen, in der sich Probenflüssigkeit
und Reagenzflüssigkeit miteinander mischen. Der Misch
vorgang erfolgt hier zunächst durch Diffusion, d. h.
durch einen Ausgleich von Konzentrationsunterschieden
zwischen Probe und Reagenz. Da dieser Ausgleich in bei
de Richtungen erfolgt, also sowohl von Probe zu Reagenz
als auch von Reagenz zu Probe, ergibt sich hierdurch
eine sehr gute und nach einer gewissen Zeit auch voll
ständige Durchmischung von Probe und Reagenz. Um die
Misch- und Reaktionszeit abzukürzen, kann es allerdings
auch sinnvoll sein, den Reaktionskanal mehrfach die
Richtung ändern zu lassen, z. B. in Form einer Schlan
genlinie auszubilden. In jeder Kurve oder Ecke entste
hen dann tranversale Strömungsanteile, die zu einer
verstärkten konvektiven Durchmischung von Probe und
Reagenz führen.
Der Mischpunkt für die zweite Reagenzienleitung 13 ist
genauso aufgebaut. Sobald sich Probe und Reagenz mi
schen, also sobald Moleküle aus der Probenflüssigkeit
in die Reagenzflüssigkeit vorgedrungen sind und umge
kehrt, können Reaktionsvorgänge ablaufen, die letztend
lich zu dem Reaktionsprodukt führen, das mit dem Detek
tor 17 erfaßt werden soll.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines
Mischpunkts 11′, bei dem zwei Reagenzienleitungen 12
und 12′ so geführt sind, daß sie auf beiden Seiten der
Probenleitung 10 in den Reaktionskanal 16 münden. Beide
Reagenzienleitungen 12, 12′ können aus der gleichen
Quelle gespeist werden oder sogar zwei Enden einer ge
meinsamen Speiseleitung bilden. Es ergeben sich also
zwei Grenzflächen 36, 36′. Es liegt auf der Hand, daß
die Durchmischungsmöglichkeit von Probe und Reagenz
hierdurch stark verbessert wird. Die Zeit, die benötigt
wird, um eine entsprechend gute Durchmischung zu erzie
len, wird verkürzt.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Misch
punkts 11′′, bei dem Probe und Reagenz nicht mehr par
allel in den Reaktionskanal eingeführt werden, sondern
über ein Umschaltventil 37 hintereinander. Wie aus der
Fig. 6 ersichtlich ist, befinden sich sehr kurze Ab
schnitte von Probe P und Reagenz R innerhalb eines
Blocks hintereinander, wobei Probe P und Reagenz R ab
wechselnd aufeinanderfolgen. Es ergibt sich hierbei
eine Vielzahl von Grenzflächen 36′′, durch die die ent
sprechende Durchmischung erfolgen kann.
Fig. 7 zeigt eine modifizierte Probenentnahmestation
25′. Die Probenleitung 20 taucht mit ihrem Ende in ein
Vorratsgefäß 38 für eine Flüssigkeit, beispielsweise
destilliertes Wasser, ein. Mit Hilfe der Pumpe 24 wird
dieses destillierte Wasser aus dem Vorratsgefäß 38 ab
gesaugt. Die Probenleitung 20 ist mit einem Mischkanal
39 verbunden, der auf einer Seite von einer Membran 40
begrenzt ist. Auf der anderen Seite der Membran 40 ist
ein Zuführkanal 41 vorgesehen, der über eine Zu
führleitung 42 mit einem Vorrat desjenigen Stoffs bzw.
derjenigen Flüssigkeit in Verbindung steht, die auf
einen bestimmten Inhaltsstoff hin untersucht werden
soll. Nicht näher gezeigte Pumpmittel fördern die zu
untersuchende Flüssigkeit durch den Zuführkanal 41. Der
zu untersuchende Inhaltsstoff, an den die Membran 40
angepaßt ist, diffundiert dabei durch die Membran 40 in
den Mischkanal 39 hinein. Er wird hierbei durch die
durch den Mischkanal 39 fließende Flüssigkeit aufgenom
men. Die dann mit dem zu untersuchenden Inhaltsstoff
versehene Flüssigkeit kann dann über das Umschaltventil
7 oder auch direkt in die Probenleitung 10 eingespeist
werden. Im letzten Fall erfolgt die Analyse kontinuier
lich. Die Länge der einzelnen Proben kann hier zu
Zwecken der Vorstellung als infinitesimal klein angese
hen werden. In diesem Fall wird das Volumenverhältnis
zwischen Proben- und Reagenzflüssigkeit nicht nur über
einen Block, sondern über mehrere Blöcke oder sogar auf
Dauer konstant gehalten.
Nicht nur die Pumpen 4 und 24 für Trägerflüssigkeit und
Probe werden von der Steuereinheit 29 gesteuert, son
dern auch die Pumpen 14 und 15 für die Reagenzien. Um
ein synchrones Arbeiten der Pumpen zu gewährleisten,
können alle Pumpen oder ihre Antriebe zur Steuereinheit
29 zurückgekoppelt sein, so daß die Steuereinheit 29
die einzelnen Fördervolumina kontrollieren kann. Es sei
an dieser Stelle bemerkt, daß selbstverständlich auch
mehr als die dargestellten zwei Reagenzien verwendet
werden können. In einigen Fällen wird es auch ausrei
chen, lediglich ein Reagenz zu verwenden. Die Steuer
einrichtung 29 kann die jeweiligen Pumpen synchron zu
einander steuern. Die Pumpen sind vorzugsweise als Kol
benpumpen ausgebildet, die entweder durch einen Gleich
strommotor oder durch einen Schrittmotor angetrieben
werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine höchst
genaue Einstellung des Fördervolumens der jeweiligen
Pumpen zu erreichen. Die Steuereinrichtung 29 treibt
die entsprechenden Pumpen 4, 25, 14, 15 so an, daß sehr
genau gesteuerte Flüssigkeits-Volumina in den Reak
tionskanal 16 gelangen. Dies hat unter anderem den Vor
teil, daß tatsächlich eine Schichtung von Probe und
Reagenz im Reaktionskanal 16 erreicht werden kann.
Die Steuereinrichtung 29 kann von Zeit zu Zeit die Pum
pen 14, 15 und 24 stillsetzen, und zwar für einen län
geren Zeitraum, und lediglich die Pumpe 4 betreiben, so
daß die Trägerflüssigkeit zum Spülen der Vorrichtung 1
verwendet werden kann.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Darstellung des neuen
Analyseverfahrens. Es werden aneinander angrenzende
Probenabschnitte Sn derart zusammen mit ihrem zugehöri
gen Reagenz Rn in den Kanal eingeleitet, daß das mitt
lere lokale Volumenverhältnis zwischen Probe und Rea
genz konstant ist. Die Numerierung der Proben- und Rea
genzabschnitte ist an sich nicht erforderlich, erleich
tert aber die "Buchhaltung" und spätere Erläuterung.
Selbstverständlich kann für alle Proben das gleiche
Reagenz verwendet werden.
Jede Probe Sn bildet zusammen mit ihrem Reagenz Rn einen
Block B. Im Moment des Einleitens sind die vorderen und
die hinteren Grenzflächen der Blöcke B im wesentlichen
eben und orthogonal zur Strömungsrichtung ausgerichtet.
Unter dieser anfänglichen Ausrichtung sind die Volumen
verhältnisse der Proben Sn und der Reagenzien Rn aufge
zeichnet. Die unterste Zeile zeigt das Verhältnis von
Reagenz zum Gesamtvolumen aus Probe und Reagenz.
Am Ende des Reaktionskanals 16, der von den Blöcken B
mit einer laminaren Strömung durchströmt wird, haben
sich gegenüber dem Einspeisungszustand zwei Änderungen
ergeben. Zum einen sind die Schichten von Probe und
Reagenz nicht mehr voneinander unterscheidbar. Jede
Probe hat sich vielmehr mit dem ihr zugeordneten Rea
genz vermischt. Zum anderen hat sich eine axiale Dis
persion zwischen benachbarten Blöcken ergeben, d. h. die
Grenzflächen zwischen benachbarten Blöcken sind nicht
mehr eben und im wesentlichen orthogonal zur Strömungs
richtung. Die Blöcke sind vielmehr, wie dies von lami
naren Strömungsprofilen bekannt ist, am vorderen Ende
in Strömungsrichtung "ausgebeult" und am hinteren Ende
in Strömungsrichtung "eingedrückt". Wichtig hierbei ist
aber, daß die Strömungsgeschwindigkeit und damit die
Tiefe der entsprechenden Verformung der Blöcke so ge
ring gewählt wird, daß in jedem Block B ein Abschnitt
("Reaktionsabschnitt") b verbleibt, in dem sich aus
schließlich die jeweilige Probe Sn mit ihrem zugeord
neten Reagenz Rn befindet. In diesem Abschnitt b liegt
also nur das Reaktionsprodukt vor, das für die Probe Sn
signifikant ist.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung zeigt sich am Signal
verlauf des Ausgangs des Detektors 17, der am rechten
oberen Rand der Fig. 8 dargestellt ist. Dieser Signal
verlauf weist einzelne, über einen bestimmten Zeitab
schnitt stabile Plateaus auf, die durch einzelne Über
gänge miteinander verbunden sind. Die Plateaus können
mit relativ geringem Aufwand ausgewertet werden.
Unterhalb des "Endabschnitts" des Reaktionskanals 16
sind die Volumenverhältnisse von Probe und Reagenz auf
getragen. In den Übergangsbereichen zwischen benachbar
ten Blöcken wird hierbei der Einfachheit halber eine
lineare Änderung von Probe bzw. Reagenz angenommen. Die
hierdurch entstehenden Abweichungen von den tatsächli
chen Verhältnissen sind vernachlässigbar. Da sich die
Volumenverhältnisse von Probe und Reagenz auch im Über
gangsabschnitt zwischen zwei benachbarten Blöcken
gleichlaufend und gleichmäßig ändern, bleibt das Volu
menverhältnis zwischen Probe und dem ihr zugeordneten
Reagenz auch in diesen Bereichen konstant.
Der Detektor, der immer ein gewisses Flüssigkeitsvolu
men auf einmal auswertet, also ein integrales Verhalten
hat, wird in diesem Bereich zwar sowohl die Reaktions
produkte einer Probe Sn mit ihrem Reagenz Rn als auch
die Reaktionsprodukte eines benachbarten Blocks, also
der Probe Sn + 1 mit Reagenz Rn + 1 ermitteln. Dies er
gibt die transienten Übergänge zwischen einzelnen Pla
teaus. Dies hat jedoch keinen Einfluß darauf, daß sich
nach einem derartigen Übergang wieder ein stabiles Pla
teau ergibt. Die einzelnen Blöcke vermischen sich auf
grund der geringen axialen Dispersion, die auf die ge
ringe Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist,
nicht vollständig. Innerhalb eines Blockes erfolgt aber
eine sehr gute Durchmischung hauptsächlich durch radia
le Dispersion. Der Detektor hat eine integrierende Wir
kung, d. h. das Meßsignal spiegelt eine Art Mittelwert
über ein Detektorvolumen wieder. Dieses Detektorvolumen
ist kleiner als das Volumen des Reaktionsabschnitts.
Dies ermöglicht zwar einerseits den Ausgleich von loka
len Störungen, andererseits vermeidet man dadurch die
Beeinflussung der Messung durch benachbarte Proben.
Die geringe Strömungsgeschwindigkeit hat den Vorteil,
daß man den Reaktionskanal 16 relativ kurz machen kann.
Die notwendige Reaktionszeit wird bei der geringen
Strömungsgeschwindigkeit dennoch erreicht.
Durch die Verwendung von aneinanderstoßenden Proben-
Reagenz-Blöcken wird die vorangehende Proben-Reagenz-
Mischung durch die nachfolgende ausgewaschen. Dies er
laubt eine wesentlich schnellere Abfolge von Messungen
einzelner Proben, weil man die durch die bekannte Trä
gerflüssigkeit hervorgerufene Verdünnung nicht erst
noch beseitigen muß.
In einem ersten Beispiel soll Calcium in Wasser detek
tiert werden. Hierbei wird als erste Reagenzlösung R1
eine 8-Hydroxiquinolin-Lösung verwendet. Als zweites
Reagenz wird eine Orthocresolphthalein-Complexon-Lösung
verwendet. Tabelle 1 zeigt einige Ergebnisse, die bei
einer derartigen Analyse von diskreten Calcium-Proben
erhalten wurde. Die Frequenz, mit der Proben entnommen
wurden, war 30/Stunde. Diese Analysefrequenz kann aber,
falls nötig, problemlos vergrößert werden. Die Durch
flußgeschwindigkeit war 90 µl/min. Die Länge des Reak
tionskanals 16 betrug 85 mm, und die Querschnittsfläche
des Reaktionskanals 16 betrug 0,2 mm².
Es ist zweckmäßig, vor der Messung eine Kalibrierung
durchzuführen. Hierzu werden Analyse-Lösungen verwen
det, die genau bekannte Konzentrationen aufweisen. Die
Behandlung der Analyse-Lösungen erfolgt genau wie die
der Proben-Lösungen. Vorzugsweise sollten alle Teile
des Analysesystems 1 einschließlich der Träger- und
Reagenz-Lösungen bei einer konstanten, vorbestimmten
Temperatur gehalten werden, um die Genauigkeit und Prä
zision zu verbessern.
Ein zweites Beispiel zeigt Ergebnisse für eine kontinu
ierliche Analyse von Nitrat in einer Abwasser-Kläranla
ge. Hierbei wird eine Ausgestaltung nach Fig. 7 verwen
det, d. h. die Aufnahme des Nitrats in die Probe-Lösung
erfolgt über Dialyse. Es sollte hierbei bemerkt werden,
daß die Ausgestaltung nach Fig. 7 nicht nur anstelle
der Probenentnahmestation 25 verwendet werden kann,
sondern auch anstelle des Umschaltventils 7. Die Trä
gerflüssigkeit wird hierbei an der Membran 40 vorbeige
führt, um das Nitrat aufzunehmen. Über eine Steuerung
der Pumpe 4 durch die Steuereinheit 29 läßt sich die
Verweilzeit von einzelnen Trägerflüssigkeitsabschnitten
oder -blöcken vor der Membran 40 einstellen. Man kann
die Außenseite der Membran auch direkt in das Abwasser
eintauchen, so daß der Zuführkanal 41 und die Zuführ
leitung 42 entbehrlich sind. Die Analyse kann dann kon
tinuierlich erfolgen, d. h. die Trägerflüssigkeit wird
laufend an der Membran 40 vorbeigeführt.
Zur Analyse des Nitrats waren drei Reagenz-Lösungen
notwendig, nämlich Hydrazin, Sulfanilamid, N-(1-Naph
thyl)ethylendiamin. Die Pumpe 4 für die Trägerflüssig
keit und die drei Pumpen für die drei Reagenzien wurden
kontinuierlich betrieben. Die gesamte Durchflußrate war
60 µl/min. In bestimmten Intervallen wurden Proben ent
nommen und mit dem aus DE 28 06 157 C2 bekannten Ver
fahren analysiert. Allerdings wurde dort anstelle von
Hydrazin Cadmium für die Nitrat-Reduktion verwendet.
Die durchschnittliche Reaktionszeit für die Probe und
die Reagenzien wird in dem System bei einem kontinuier
lichen Betrieb des Systems konstant gehalten, was be
deutet, daß die chemische Reaktion nicht notwendiger
weise vollständig abgeschlossen ist, wenn das Reak
tionsprodukt den Detektor durchläuft. In einigen Anwen
dungen kann es jedoch vorteilhaft sein, das System
nicht kontinuierlich, sondern intermittierend zu be
treiben, so daß eine längere, aber genau gesteuerte
Zeit für die chemische Reaktion zur Verfügung steht.
Falls z. B. der Durchfluß unterbrochen wird, wenn die
Mischung aus Probe und Reagenz den Detektor erreicht
hat, kann die chemische Reaktion über eine gewünschte
Zeit oder bis zu einem gewünschten Pegel überwacht wer
den. Ein zweiter Grund, der für die Unterbrechung des
kontinuierlichen Durchflusses spricht, ist der, daß bei
genau kontrollierten Wartezeiten ein größerer Anteil
des zu untersuchenden Inhaltsstoffs durch die Membran
40 treten kann, wenn eine derartige Membran verwendet
wird.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden die einzelnen
Probenblöcke nicht mehr durch Luftblasen oder Träger
flüssigkeitsabschnitte voneinander getrennt. Sie stoßen
vielmehr lückenlos aneinander an. Probe und Reagenzien
werden synchron in einen engen Reaktionskanal einge
speist, wobei relativ genau gesteuerte individuelle
Flußraten beibehalten werden. Die Form und die Dimen
sionen des Reaktionskanals 16 haben eine gewisse Bedeu
tung. Da die Querschnittsfläche des Reaktionskanals 16
weniger als 0,5 mm² und insbesondere weniger als
0,2 mm² und die Länge weniger als 250 mm und insbeson
dere weniger als 200 mm beträgt, werden sehr wenige
Chemikalien verbraucht. Weiterhin wird eine längliche
Querschnittsfläche gegenüber einer runden oder quadra
tischen bevorzugt, so daß die Grenzfläche zwischen Pro
be und Reagenz möglichst groß gemacht werden kann, was
die gegenseitige Durchmischung verbessert. Die Gesamt
durchflußrate kann unter 100 µl/min und insbesondere
unter 50 µl/min gehalten werden. Insgesamt kann man
eine Reynolds-Zahl von 5 oder weniger erreichen.
Mit der in Fig. 6 dargestellten Ausgestaltung lassen
sich ebenfalls sehr genaue und vorbestimmte Volumenan
teile von Probe und Reagenzien in den Reaktionskanal 16
einführen. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Zugabe
von Probe und Reagenz periodisch sehr genau erfolgt, um
das Volumenverhältnis konstant zu halten. Jede Zugabe
sollte hierbei sehr klein sein, so daß sich das ge
wünschte Proben-Reagenz-Verhältnis in dem Reaktionska
nal 16 eine kurze Strecke hinter dem Mischpunkt 11′′
einstellt. Hierbei können die gleichen Formen und Ab
messungen des Reaktionskanals 16 verwendet werden wie
in den in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbei
spielen. Anstelle des Umschaltventils 37 können die
Probenleitung 10 und die Reagenzienleitung 12 auch di
rekt in den Reaktionskanal 16 geführt werden, wenn die
Pumpen mit der gewünschten Genauigkeit abwechselnd be
trieben werden. Dies läßt sich insbesondere dann rela
tiv einfach realisieren, wenn die Pumpen durch Gleich
strom- oder Schrittmotoren angetrieben sind. Die Pum
pen, die für den Transport von Probenflüssigkeit und
Reagenzflüssigkeit verantwortlich sind, bekommen dann
abwechselnd jeweils einen Impuls, so daß sie entspre
chend abwechselnd die gewünschten kleinen Mengen von
Proben- und Reagenzflüssigkeit in den Reaktionskanal 16
einspeisen.
Wenn eine derartige Analysevorrichtung für die Abwas
seruntersuchung in einer Kläranlage verwendet wird,
kann man die Menge der benötigten Chemikalien so weit
reduzieren, daß man mit drei Litern im Monat auskommt.
Claims (23)
1. Analyseverfahren, bei dem mehrere Proben nachein
ander durch einen Reaktionskanal einem Detektor
zugeleitet werden und mindestens ein Reagenz zur
Reaktion mit den Proben in den Reaktionskanal ein
geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Probe und ihr zugeordnetes Reagenz derart gesteuert
in den Reaktionskanal eingeleitet werden, daß sie
einen Block bilden, entlang dessen Längserstreckung
das lokale, über einen Abschnitt vorbestimmter Län
ge gemittelte Volumenverhältnis zwischen Probe und
Reagenz im wesentlichen konstant ist, wobei die
Länge des Abschnitts wesentlich kürzer als die
Hälfte der Länge des Blocks ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsgeschwindigkeit jedes Blocks im
Reaktionskanal in Abhängigkeit von der Länge des
Blocks so klein gewählt wird, daß innerhalb jedes
Blocks ein Reaktionsabschnitt verbleibt, in dem
sich ausschließlich die Probe und ihr Reagenz be
finden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß im Detektor eine integrierende Messung über ein
Volumen erfolgt, das kleiner als das Volumen des
Reaktionsabschnitts ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das lokale mittlere Volumenver
hältnis zwischen jeder einzelnen Probe und ihrem
Reagenz an jedem Ort des Reaktionskanals zu jeder
Zeit im wesentlichen konstant ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß aufeinander folgende Proben
aneinander angrenzend in den Reaktionskanal einge
leitet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß jeweils im voraus bestimmte
Volumina von Probe und Reagenz mit hoher Genauig
keit in den Reaktionskanal eingespeist werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß Probe und Reagenz geschichtet
in den Reaktionskanal eingeleitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Einspeisen mehr als zwei Schichten erzeugt
werden, wobei einander benachbarte Schichten je
weils durch Probe und Reagenz gebildet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß Probe und Reagenz in Strömungsrich
tung parallel zueinander in den Reaktionskanal ein
gespeist werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zufuhr von Probe und Reagenz synchron zu
einander erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß Probe und Reagenz abwechselnd nach
einander und aneinander anstoßend in den Reaktions
kanal eingespeist werden, wobei die Länge der ein
zelnen Proben- und Reagenzabschnitte wesentlich
kürzer als die Länge des Blocks ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß ein Gesamtvolumen von
Probe und Reagenz in den Reaktionskanal eingespeist
wird, das mindestens dem Dreifachen des Volumens
des Reaktionskanals entspricht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Erfassung des Reaktionsprodukts während des
Durchflusses des mittleren Drittels des Gesamtvolu
mens erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß die Probe durch eine
Flüssigkeit gebildet wird, die entlang einer Seite
einer Membran geführt wird, wobei die andere Seite
der Membran einem Medium ausgesetzt ist, das den zu
erfassenden Inhaltsstoff enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindig
keit so gewählt wird, daß sich bei einer vorgegebe
nen Querschnittsfläche des Reaktionskanals von Pro
be und Reagenz eine Reynolds-Zahl von 5 oder weni
ger ergibt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß die Länge der einzelnen
Proben so klein gehalten wird, daß die Analyse kon
tinuierlich oder quasi kontinuierlich erfolgt.
17. Analysevorrichtung mit einer Proben-Speiseleitung,
mindestens einer Reagenz-Speiseleitung, einer Pump
einrichtung für Probe und Reagenz, einem Reaktions
kanal und einem Detektor, insbesondere zur Durch
führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpein
richtung (4, 14, 15) für Probe und/oder Reagenz
jeweils eine Pumpe aufweist, deren Abgabemenge
steuerbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß die Pumpe (4, 14, 15) als Kolbenpumpe aus
gebildet ist, die durch einen Gleichstrom- oder
einen Schrittmotor angetrieben ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Proben-Speiseleitung (10) und
die Reagenz-Speiseleitung (12, 13) mit zwei Eingän
gen eines Speiseventils (37) verbunden sind, das
die beiden Speiseleitungen (10, 12; 13) abwechselnd
mit dem Reaktionskanal (16) verbindet.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt
des Reaktionskanals (16) in eine Richtung eine grö
ßere Ausdehnung als in die Richtung senkrecht zu
dieser Ausdehnung aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich
net, daß der Durchflußquerschnitt im wesentlichen
rechteckförmig ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, da
durch gekennzeichnet, daß der Reaktionskanal (16)
einen Durchflußquerschnitt von 0,5 mm² oder weniger
und eine Länge von 250 mm oder weniger aufweist und
die Pumpeinrichtung (4, 14, 15) einen Volumenstrom
von 100 µl/min oder weniger erzeugt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, da
durch gekennzeichnet, daß der Detektor (17) ein
Detektorvolumen aufweist, das kleiner als das Volu
men des Reaktionsabschnitts ist.
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