DE4411268A1

DE4411268A1 - Analyseverfahren und Analysevorrichtung

Info

Publication number: DE4411268A1
Application number: DE4411268A
Authority: DE
Inventors: Anders Lynggaard; Diameter M Theiss Stenstr; Bo Karlberg; Ole Ploug
Original assignee: TECATOR HOEGANAES SE AB; Danfoss AS; Foss Analytical AB
Current assignee: Hach Lange Analytical ApS
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2014-04-01
Also published as: EP0753154A1; JPH09512905A; CN1147857A; AU2254995A; DE4411268C2; US5773298A; WO1995027210A1; CA2185360A1; PL316530A1

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.

Beide bekannten Verfahren benötigen nur kleine Volumina für Probe und Reagenzien, verglichen mit den herkömm lichen manuell durchgeführten Analyseverfahren. Dennoch werden teilweise erhebliche Mengen von Reagenzien benö tigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei derartigen Analyseverfahren den Bedarf an Chemikalien zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Analyseverfahren der ein gangs genannten Art dadurch gelöst, daß aufeinanderfol gende Proben aneinander angrenzend in den Reaktionska nal eingeleitet werden.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren sind aufeinand erfolgende Proben also weder durch Luftblasen noch durch Abschnitte aus reiner Trägerflüssigkeit vonein ander getrennt. Erfindungsgemäß geht man also von der bisher verbreiteten Meinung ab, wonach man es immer als notwendig angesehen hat, die einzelnen Proben erst aus zuwaschen, bevor man die nächste Probe einleitet. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß man durch die Trennung der einzelnen Proben das Problem bekommt, daß man die Wasch- oder Trägerflüssigkeit erst mit der nächsten Probe auswaschen muß, bevor ein Meßsi gnal für diese Probe abgelesen werden kann. Erfindungs gemäß wird die vorhergehende Probe mit der nächstfol genden Probe ausgewaschen. Hierdurch wird der Zeit- und Flüssigkeitsverbrauch drastisch vermindert, weil keine Verdünnung der jeweiligen Proben durch die einschlie ßende Trägerflüssigkeit mehr stattfindet. Insbesondere bei Anwendungen, in denen die aufeinanderfolgenden Pro ben einander recht ähnlich sind, beispielsweise bei der wiederholten Entnahme von Flüssigkeiten aus Becken von Kläranlagen- kann man die Meßzeiten und den Chemika lienverbrauch drastisch vermindern, weil die Zeit abschnitte bis zum Erreichen eines stabilen Zustandes in der nachfolgenden Probe wesentlich kürzer werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß jede Probe zusammen mit dem ihr zugeordneten Reagenz einen Block im Reaktionskanal bildet, der sich mit ei ner laminaren Strömung durch den Reaktionskanal bewegt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Dimensionierung der Analysevorrichtung so niedrig gewählt wird, daß jeder Block einen Reaktionsabschnitt aufweist, der frei von Probe und Reagenz des vorausei lenden und des nachfolgenden Blocks ist. In diesem Re aktionsabschnitt erfolgen also keine Störungen des im Detektor ermittelten Signals durch Probenanteile der benachbarten Proben. In diesem Reaktionsabschnitt liegt demnach eine im wesentlichen konstante Verteilung des Reaktionsproduktes vor, so daß das Detektor-Ausgangs signal ebenfalls konstant ist, also die Form eines Pla teaus hat, das leicht ausgewertet werden kann.

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 werden Probe und Reagenz derart gesteuert in den Reaktionskanal eingeleitet, daß entlang der Längserstreckung des Blocks das lokale, über einen Ab schnitt vorbestimmter Länge gemittelte Volumenverhält nis 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 Volumen verhältnis bezeichnet, das in einem gedachten Kanalab schnitt vorliegt, der den für die Lokalisierung be trachteten Ort symmetrisch umgibt. Dieser gedachte Ka nalabschnitt erstreckt sich also vom betrachteten 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 gegenüber der Ge samtlänge des Blocks. Sie ist wesentlich kleiner als die Hälfte dieser Länge. Das Volumen des Abschnitts ist also klein im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Reak tionskanals und ebenfalls klein im Verhältnis zum Volu men 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 Reaktionskanal ebenfalls lokal eine konvektive und diffusive Durchmi schung 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 Abschnitt dem Aus gleich der Fluktation im Volumenverhältnis 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.

Auch ist bevorzugt, daß das lokale mittlere Volumenver hältnis zwischen jeder einzelnen Probe und ihrem Rea genz an jedem Ort des Reaktionskanals zu jeder Zeit im wesentlichen konstant ist. Die anfängliche, nur beim Einleiten herrschende Bedingung wird also im gesamten Reaktionskanal aufrechterhalten, beispielsweise durch eine entsprechende Strömungssteuerung.

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 perl 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 der Ausbildung einer laminaren Strömung kann man beobachten, daß an der Grenz- oder Berührungsfläche zwischen Probe und Reagenz eine gegen seitige Durchdringung von Probe und Reagenz erfolgt. Die "Schichten" von Probe und Reagenz werden also eine gewisse Zeit nach dem Einleiten nicht mehr genau zu trennen 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 durch das Verfahren ermöglichten 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 aufweist, 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 parallel zueinander und mit der gleichen Strömungsgeschwindig keit in den Reaktionskanal eintreten. Hierdurch 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-Speiselei tung mit der Reagenz-Speiseleitung, sondern allmählich etwas später im Reaktionskanal, und zwar vorwiegend durch radiale Diffusion oder Vermischung. 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 S_n derart zusammen mit ihrem zugehöri gen Reagenz R_n 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 S_n bildet zusammen mit ihrem Reagenz R_n 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 S_n und der Reagenzien R_n 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 S_n mit ihrem zugeord neten Reagenz R_n befindet. In diesem Abschnitt b liegt also nur das Reaktionsprodukt vor, das für die Probe S_n 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 S_n mit ihrem Reagenz R_n als auch die Reaktionsprodukte eines benachbarten Blocks, also der Probe S_n + 1 mit Reagenz R_n + 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.

Tabelle 1

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.

Tabelle 2

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

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 aufein anderfolgende Proben aneinander angrenzend in den Reaktionskanal eingeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Probe zusammen mit dem ihr zugeordneten Reagenz einen Block im Reaktionskanal bildet, der sich mit einer laminaren Strömung durch den Reak tionskanal bewegt, wobei die Strömungsgeschwindig keit so niedrig gewählt wird, daß jeder Block einen Reaktionsabschnitt aufweist, der frei von Probe und Reagenz des vorauseilenden und des nachfolgenden Blocks ist.

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 Probe und Reagenz derart ge steuert in den Reaktionskanal eingeleitet werden, daß entlang der Längserstreckung des Blocks das lokale, über einen Abschnitt vorbestimmter Länge 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.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale mittlere Volumenverhältnis zwischen jeder einzelnen Probe und ihrem Reagenz an jedem Ort des Reaktionskanals zu jeder Zeit im wesentli chen konstant ist.

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 16, 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.