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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Analyse flüssiger Proben (z.B. Wasser),
um das Vorhandensein eines Targetanalyten zu bestimmen. Spezieller
betrifft die Erfindung die Analyse flüssiger Proben, um die Menge
einer flüchtigen
Komponente zu bestimmen, die von der flüssigen Probe erzeugt oder freigesetzt
wird.
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Einschlägiger Stand der Technik
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Oftmals
ist es erforderlich oder wünschenswert,
eine flüssige
Probe (wie beispielsweise Wasser) zu analysieren, um das Vorhandensein
verschiedener Kontaminanten oder Komponenten darin zu bestimmen.
Beispielsweise ist es notwendig, Wasser zu analysieren, um die Menge
von kohlenstoffhaltigem Material zu bestimmen, die vorhanden sein kann.
Dieses wird oftmals bezeichnet als die Bestimmung des "Gesamtkohlenstoffes". Bei einigen Anwendungen
kann die Bestimmung des Gesamtkohlenstoffes ferner unterschieden
werden in "organischen
Kohlenstoff" und "anorganischen Kohlenstoff". Beispiele für organische
Kohlenstoffverbindungen würden
Kohlenstoffverbindungen mit Aminosäuren oder Proteinen einschließen. Ein
Beispiel für
einen anorganischen Kohlenstoff würden Carbonate in Wasser sein.
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Eine
der konventionellen Prüfmethoden
zum Bestimmen des Vorhandenseins von Kohlenstoff enthaltendem Material
im Wasser umfasst die Verbrennung der Probe unter Erzeugung von
Kohlendioxid (CO2) und die Bestimmung von
Kohlendioxid durch einen nichtdispersiven IR-Analyzer. Die Nachteile
einer solchen Methode schließen
die hohe Temperatur ein, Sauerstoff und Katalysatoren, die zum Abbau
der Kohlenstoffverbindungen zu gasförmigem Kohlendioxid erforderlich
sind, sowie die Notwendigkeit zum Spülen, trocknen und den Transport
des Trägergases des
Kohlendioxids zum Analyzer. Der Geräteaufbau dieses Typs ist in
der Regel kostspielig und ausschließlich für Kohlenstoffmessungen vorgesehen.
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Das
Prinzip der Mikrodiftusionsanalyse wurde von Conway, Edward J.,
Microdiffusion Analysis and Volumetric Error, Crosby Lockwood & Son Ltd., London.
5. Ausg., 1962, beschrieben. Dieses umfasst die einfache Gasdiffusion
einer flüchtigen
Substanz von einer äußeren Kammer,
wo sie eine bestimmte Spannung ausübt, in eine innere Kammer, wo
die Spannung auf der Oberfläche
der absorbierenden Flüssigkeit
Null ist. Bei Raumtemperatur und bei normalem Atmosphärendruck
wird die Diffusionsgeschwindigkeit einer flüchtigen Komponente über ihren
Dampfdruck bestimmt.
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Conway
ermittelte, dass der Diffusionsprozess rasch zum Ende gebracht werden
könnte,
indem sehr geringe Volumina der Probe und Reagenzien verwendet werden
(im typischen Fall weniger als 2 ml), woher die Bezeichnung "Mikrodiffusion" kam. Die größte Herausforderung
der Mikrodiffusionsanalyse waren die genauen Volumenmessungen, die
für genaue
Ergebnisse erforderlich sind. Für
die Mikrodiftusionsanalyse wurden von Conway mehrere Mikropipetten- und Mikrobüretten-Designs
eingesetzt.
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Conway
konstruierte einen speziellen Diffusionsapparat (eine "Einheit"), der in einer Form
einer abgedeckten Petrischale mit konzentrischen Kammern ähnelte.
Beispielsweise wurden in der Mikrodiftusionsprozedur für Ammoniak
1 ml eine Standard-Baselösung
zu der äußeren Kammer
der Einheit pipettiert. Sodann wurden 1 ml Standardsäure in die
innere Kammer pipettiert. Zu dem Base-Reagens in der äußeren Kammer
wurde ein Volumen der Probe (typischerweise weniger als 1 ml), die
Ammoniak enthielt, zugegeben. Der Deckel der Einheit wurde mit einem
Fixativ eingeschmiert und sodann verschlossen, wonach die Einheit
in einer Kreisbewegung in Rotation versetzt wurde, um die Probe
mit der Baselösung
zu mischen. Bei Ammoniak wird die Einheit bei Raumtemperatur stehen
gelassen oder wird anhaltend in einer Rotationsbewegung unter Verwendung
eines Schütteltisches
verwirbelt. Nach einer geeigneten Zeitdauer für die Absorption wird der Deckel
entfernt und der Inhalt der inneren Kammer zur Analyse entweder
durch Titration oder colorimetrische Messung entnommen.
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Bei
Conway kam hauptsächlich
eine isotherme Diffusion zum Einsatz, und zwar normalerweise bei
Raumtemperatur. Die Diffusionsgeschwindigkeit wurde hauptsächlich über den
Dampfdruck der flüchtigen
Komponente und das kleine Probenvolumen kontrolliert.
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Die
Methode zur Mikrodiffusionsanalyse nach Conway bot nicht viel Flexibilität. Es war
eine sorgfältige
Zudosierung der Reagenzien und Proben volumina erforderlich. Unter
Anwendung dieser Methode kam es nicht sehr oft zu einer vollständigen Diffusion
der flüchtigen
Komponente.
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Von
Kirk, P.L., Anal. Chem., 22, 611, (1950), wurde ein Destillationsdiffusionsgerät beschrieben, bei
dem die Temperaturdifferenz bei der Destillation genutzt wurde.
In dem Kirk-Gerät
wurde die innere Kammer, die das absorbierende Medium enthielt,
bei einer niedrigere Temperatur als die der äußeren Kammer gehalten, die
die flüchtige
Komponente enthielt. Die Temperaturdifferenz würde für die Trennung der Bestandteile
sorgen (beispielsweise flüchtiger
Alkohole), für
die es kein gutes chemisches Absorptionsmittel gibt. Der Aufbau
nach Kirk erforderte jedoch die Verhinderung des sich während des
Erhitzens entwickelnden Druckes, der die Dichtung hoch drücken könnte. Um
den Druckaufbau in dem Testgerät
zu verhindern, enthielt das Gerät
nach Kirk daher einen Aufbau zum Evakuieren.
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Andere
Mikrodiffusionsgeräte
wurden beschrieben von: Koga et al, Shika Gakuho, 09(7), 979-82
(1990); Hinoide et al., Journal of Dental Health, 40, 254-55 (1990); Heyer,
Ostdeutsches Patent DD 213065 (1984); und Grosse, Russisches Patent
SU 1623747 (1991). Die Geräte
von Kuga, et al., und das von Hinoide, et al., sind im Aufbau ähnlich dem
Gerät von
Conway und sind aus TEFLON® gefertigt und enthalten
einen Schraubkappenverschluss. Wie bei dem Gerät nach Conway wird die Mikrodiffusion
durch horizontale Orientierung optimiert, um die Oberfläche der
exponierten Probe auf ein Maximum zu bringen, und durch Beschränken der Probengröße. Das
TEFLON-Gerät
wird sich wahrscheinlich nicht bei Temperaturen oberhalb der angegebenen
90°C, und
es muss auseinandergenommen werden, um einen Zugriff zu der aufgenommenen
Lösung
in der inneren Kammer für
die Analyse zu ermöglichen.
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Der
von Heyer beschriebene Apparat war zur Trennung flüchtiger
Komponenten von Mischungen konzipiert. Die Mischung wird in einen
Zylinder gegeben, der erhitzt werden kann. Eine Absorptionskammer,
die eine abdichtende Flüssigkeit
enthält,
umgibt den oberen Teil des Zylinders. Über die Absorptionskammer wird
eine Glaskappe umgekehrt aufgesetzt, die dazu dienst, die flüchtige Komponente
in die Sperrflüssigkeit
einzuschließen
und zu kondensieren. Der Apparat von Heyer beruht hauptsächlich auf Wärme konvektion
als ein Mittel zur Trennung von Komponenten. Eine isotherme Diffusion
würde bei diesem
Aufbau nicht funktionieren. Die Abdichtung wird unter Verwendung
einer Flüssigkeitsfalle
erreicht, die die flüchtige
Komponente absorbiert. Die bei diesem Aufbau eingesetzte Wärme und
der Druck müssen
zum quantitativen Auffangen des flüchtigen Gases beschränkt werden.
Das absorbierte Material muss aus der Absorptionskammer zur Messung
nach außen
gebracht werden.
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Von
Grosse wird eine Zylinderkappe mit einer Tülle und einem konkaven Boden
beschrieben. Das absorbierende Medium wird in die Kappe gebracht.
Eine kleinere Kappe wird auf der konkaven Halterung der größeren Kappe
aufgesetzt und enthält
die Probe und freisetzendes/freisetzende Reagens/Reagenzien. Über die
Anordnung wird eine gewölbte
Abdeckung gesetzt, die den Luftzwischenraum zwischen den zwei Kappen
zusammenführt. Der
angegebene Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass die Anordnung
zur Beschleunigung des Diffusionsprozesses erhitzt werden kann.
Wegen des Dichtungsaufbaus besteht jedoch hinsichtlich des Umfanges
an Wärme
und Druck eine praktische Grenze, die sich bei einem solchen Gerät anwenden lässt. Beispielsweise
wären das
Gewicht des gewölbten
Deckels und sein Kontakt mit dem größeren Kappennboden Faktoren
für die
Aufrechterhaltung einer angemessenen Dichtung. Wie bei dem Gerät nach Conway
beruht das Gerät
noch Grosse auf der Verwendung eines kleinen Probenvolumens und
großer Oberflächen, um
den Diffusionsprozess zu maximieren. Dieses macht eine horizontale
Orientierung der Vorrichtung erforderlich. Ebenfalls ist es notwendig, den
eingeschlossenen Analyten aus der Absorptionskappe zu entnehmen,
um ihn zu analysieren.
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Die
Haupteinwand zur Anwendung von Mikrodiffusionsanalysen waren der
vergleichsweise langsame Ablauf der Diffusion und das genaue Einhalten
kontrollierender Faktoren gewesen, die die Genauigkeit und Präzision der
Methode beeinflussen. Je nach dem speziellen zur Anwendung gelangenden
Gerät könnte eine
isotherme Diffusion bis zu 12 Stunden für die vollständige Umwandlung
der flüchtigen
Komponente erfordern. Bestimmte Materialien haben einen geringen
Dampfdruck und lassen sich nur schwer einer isothermen Diffusion
unterwerfen.
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Bisher
hat es noch keine relativ einfache und zuverlässig kontrollierte Methode
oder Prozedur eines Diffusionstests gegeben, die die Merkmale und Vorteile
haben, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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In
einem der Aspekte gewährt
die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Gegenwart auf einer
flüchtigen
Komponente in einer Testprobe, welches Verfahren die Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen eines ersten Gefäßes mit
einem offenen oberen Ende und einem gasdichten Verschlussteil für dieses
obere Ende;
- b) Bereitstellen eines zweiten Gefäßes mit einem oberen Ende,
wobei die Länge
und der Durchmesser des zweiten Gefäßes kleiner sind als die entsprechende
Länge und
Durchmesser des ersten Gefäßes derart,
dass das zweite Gefäß vollständig in
das erste Gefäß eingesetzt
werden kann, wobei das zweite Gefäß eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsanzeige
hat, die in der Lage ist, das Vorhandensein der flüchtigen
Komponente anzuzeigen;
- c) Einführen
der Testprobe in das erste Gefäß gemeinsam
mit Reagensmitteln, die in der Lage sind, die flüchtige Komponente freizusetzen;
- d) Einführen
des zweiten Gefäßes in das
erste Gefäß;
- e) Aufsetzen des Verschlussteils auf die Oberseite des ersten
Gefäßes;
- f) Erhitzen der Probe in dem ersten Gefäß bis zu einer erhöhten Temperatur,
wodurch die flüchtige Komponente
in dem ersten Gefäß in das
zweite Gefäß übergeht,
um eine Änderung
der Anzeige zu bewirken; und
- g) Messen der Änderung
der Anzeige, um die Menge der von der Probe erzeugten flüchtigen Komponente
zu bestimmen.
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Bevorzugte
Merkmale sind in den abhängigen
Ansprüchen
festgelegt.
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Die
Probe kann eine flüssige
Lösung
oder eine flüssige
Substanz sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Testmethode die Verwendung zweier separater, rohrförmiger Gefäße mit unterschiedlichen Durchmessern.
Die zu testende Probe wird in das Rohr oder Gefäß mit dem größeren Durchmesser
gegeben und ein absorbierendes Medium (bei dem es sich um eine flüssige Lösung handelt)
und das als ein Indikator dient, wird in das kleinere Rohr oder
Gefäß gegeben.
Zu der Probe in dem größeren Rohr
werden alle notwendigen Reagenzien zum Abbau oder Reagenzien gegeben,
die zur Verflüchtigung
des Analyten notwendig sind. Anschließend wird das kleinere Rohr
in das Innere des größeren Rohres
eingesetzt, wobei eine Kappe oder ein Verschlussteil das obere Ende
des größeren Rohres
abschließen
und darauf für
eine gasdichte Abdichtung sorgen. Die Anordnung wird sodann bis
zu einer erhöhten
Temperatur erhitzt, wodurch eine flüchtige Komponente (ein Target-Analyt)
erzeugt oder von der Testprobe freigesetzt wird und in das obere
Ende des Rohres mit dem kleineren Durchmesser eintritt, wo es von
dem Indikator absorbiert wird.
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Im
typischen Fall verändert
der Indikator seine Farbe, wenn er den Target-Analyten absorbiert. Das Maß der Farbänderung
lässt sich
leicht optisch messen, um eine quantitative Bestimmung der Menge
des absorbierten Target-Analyten zu gewähren. Beispielsweise lässt sich
der Umfang der Farbänderung
mit einem Spektrophotometer, einem Kolorimeter oder einem Filterphotometer
messen.
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Die
optische Messung kann sogar so ausgeführt werden, dass man einen
Lichtstrahl quer direkt durch beide Rohre leitet, ohne das System
auseinander zu bauen, wenn sowohl die Testprobe als auch der Indikator
Flüssigkeiten
sind. Diese Methode bringt Einfachheit und vermeidet die Notwendigkeit, die
Rohre zu separieren oder etwas von dem Indikator aus dem inneren
Rohr zu entfernen, wodurch ein mögliches
Verschütten
oder eine Kontamination des Indikators vermieden wird.
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Die
erfindungsgemäße Methode
ist zum Messen einer großen
Vielzahl von Target-Analyten anwendbar, einschließlich beispielsweise
flüchtige Amine,
Ammoniak, Antimon, Arsen, Azid, Cyanid, Formaldehyd, Halogene, Ketone,
tertiäre
Stickstoffverbindungen, Quecksilber, Nitrate, Nitrite, organische
Substanzen, Gesamtstickstoff, Sauerstoffbedarf, Kohlenstoff, flüchtiger
organischer Kohlenstoff, anorganischer Gesamtkohlenstoff, organischer
Gesamtkohlenstoff, partikulärer
und nichtabführbarer organischer
Kohlenstoff, flüchtige
Säuren,
flüchtige Alkohole
und andere flüchtige
organische Verbindungen.
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Die
Methoden der vorliegenden Erfindung gewähren ein Mittel zur vollständigen Digerierung von
schwer aufzuschließenden
Verbindungen, einem wirksamen Eindiffundieren der resultierenden
flüchtigen
Komponente in ein Auffangmedium und der direkten Messung der Konzentration
der Komponente. Die Rohranordnung kann für den einmaligen Gebrauch ausgeführt sein,
wodurch die mögliche
Kontamination durch Wiederverwendung vermieden wird. Die Kompaktheit
des Systems ist außerdem
ein Vorteil in Laboratorien, wo der Raum knapp ist.
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In
einem anderen Aspekt gewährt
die Erfindung eine Testanordnung zum Bestimmen des Vorhandenseins
eines flüchtigen
Target-Analyten in einer Testprobe, wobei die Anordnung aufweist:
- (a) ein Gefäß mit einem
offenen oberen Ende und einem geschlossenen Boden;
- (b) ein zweites Gefäß mit einem
offenen oberen Ende, wobei die Länge
und der Durchmesser des zweiten Gefäßes kleiner sind als die entsprechende
Länge und
der Durchmesser des ersten Gefäßes der
Art, dass das zweite Gefäß vollständig in des
zweite Gefäß eingesetzt
werden kann, wobei das zweite Gefäß ein flüssiges Anzeigemittel enthält, das
zur Anzeige des Vorhandenseins des Target-Analyten in der Lage ist;
und
- (c) ein abnehmbares Verschlussteil, das zur Erzeugung eines
gasdichten Verschlusses auf dem oberen Ende des ersten Gefäßes in der
Lage ist.
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Bevorzugte
Merkmale sind in den abhängigen
Ansprüchen
festgelegt.
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Die
US-A-5 320 807 beschreibt eine Testanordnung, welche die Merkmale
(a) und (c) zusammen mit einem zweiten inneren Gefäß in Form
eines Flügels
mit einer Aussparung aufweist, die den Indikator enthält, der
sich auf einem gehärteten
Gel befindet.
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Die
Erfindung erfordert keinen aufwändigen Geräteaufbau,
wie er beispielsweise bei der konventionellen nichtdispersiven Verbrennungs-IR-Methode erforderlich
ist. Bevorzugte Ausführungsformen
nutzen Spektrophotometer, Kolorimeter oder Filterphotometer, die
allgemein in analytischen Laboratorien verfügbar sind. Da der erforderliche
Geräteaufbau und
Fachkenntnis minimal sind, sind die Kosten pro Test sehr viel geringer
als die Kosten bei konventionellen Testmethoden.
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Andere
Merkmale und Vorteile des Verfahrens und des Apparates nach der
Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung
und bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen offensichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
worin ähnliche
Bezugszahlen in sämtlichen
Ansichten gleiche Teile bezeichnen und worin sind:
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1 eine
Darstellung in auseinandergezogener Anordnung, die eine der Ausführungsformen des
Apparates veranschaulicht, die in den Methoden der vorliegenden
Erfindung verwendbar ist;
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2 eine
Seitenansicht im Aufriss, in der die zusammengesetzte Form der Komponenten
in 1 dargestellt ist;
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3 eine
Seitenansicht im Aufriss einer bevorzugten Ausführungsform eines Anzeigerohres, das
in der Erfindung verwendbar ist:
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4 eine
Veranschaulichung der Öffnung des
Rohres von 3, indem der obere Abschnitt weggenommen
wurde;
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5 die
Anordnung des Rohres von 4 in einem Proberohr mit größerem Durchmesser;
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6 die
Anordnung der Diffusionsanordnung von 5 in einem
Heizblock zum Erhitzen der Testprobe bis zu einer erhöhten Temperatur
für eine vorgegebene
Zeitdauer;
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7 eine
Veranschaulichung, wie ein Lichtstrahl quer durch die Diffusionsanordnung
von 5 geleitet wird, nachdem der Target-Analyt erzeugt worden
ist oder von der Testprobe freigesetzt wurde;
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8 eine
Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform einer Diffusions-Testanordnung,
die in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
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9 eine
graphische Veranschaulichung der Bestimmung des Gesamtkohlenstoffes,
der in einer Reihe von Standard-Wasserproben vorhanden ist, die
einen Bereich von Kohlenstoffkonzentrationen von 0 bis 700 mg/l
haben, dargestellt als Änderung der
Absorption (bei nur einer Wellenlänge); und
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10 eine
graphische Veranschaulichung der Bestimmung des Gesamtkohlenstoffes,
der in einer Reihe von Standard-Wasserproben vorhanden ist, die
einen Bereich der Kohlenstoffkonzentration von 0 bis 20 mg/l haben,
dargestellt als Verhältnis
der Absorption bei zwei separaten Wellenlängen.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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In
den 1 und 2 wird eine der Ausführungsformen
der Diffusionstestanordnung 10 veranschaulicht, die in
der Erfindung verwendbar ist. Die Anordnung schließt ein:
(a)
ein großes
rohrförmiges
Gefäß 12 mit
einem offenen oberen Ende 12A und einen geschlossenen unteren
Ende 12C, (b) ein rohrförmiges
Gefäß 14 mit kleinerem
Durchmesser, das ein offenes oberes Ende 14A und ein geschlossenes
unteres Ende 14B hat, und (c) eine abdichtende Kappe oder
ein Verschlussteil 13, um das obere Ende des Gefäßes 12 abzuschließen und
abzudichten. Vorzugsweise ist in das obere Ende des Gefäßes 12 ein
Gewinde 12B einbezogen, so dass die Kappe 13 auf
dem oberen Teil des Gefäßes 12 schraubbar
befestigt werden kann. Vorzugsweise sind sowohl das innere als auch das äußere Gefäß lichtdurchlässig (oder
es ist mindestens ein Abschnitt der Wände lichtdurchlässig, so dass
ein Lichtstrahl quer dazu hindurchgehen kann).
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Eine
zu testende Probe 11 (und etwaige erforderliche Reagenzien)
werden in das äußere Gefäß 12 gegeben
und ein Indikator in das innere Gefäß 14 gegeben. Sodann
wird die Kappe 13 auf den oberen Teil des Gefäßes 12 unter
Erzeugung eines gasdichten Verschlusses aufgesetzt. Der äußere Durchmesser
und die Länge
des inneren Rohres sind beide kleiner als der innere Durchmesser
und die Länge des äußeren Rohres,
so dass das innere Rohr vollständig
in das äußere Rohr
eingesetzt werden kann und das Kappenteil auf das obere Teil des äußeren Rohres
zu dessen Abdichtung befestigt werden kann.
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Um
den Umfang des inneren Rohres gibt es einen ausreichenden Abstand,
so dass eine flüchtige,
aus der Testprobe in dem äußeren Rohr
freigesetzte Komponente in das offene Ende des inneren Rohres eintreten
kann. Wenn die Testanordnung auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird,
nimmt der Druck im Inneren der Anordnung zu und die flüchtige Komponente
wird erzeugt oder freigesetzt. Dieser erhöhte Druck verstärkte die
Absorption der flüchtigen Komponente
in dem Indikator in dem inneren Rohr. In das offene Ende des inneren
Rohres ist keine Einbeziehung einer Membran erforderlich.
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3 veranschaulicht
eine alternative Ausführungsform
eines rohrförmigen
Gefäßes 20,
das für den
Indikator verwendet werden kann. Dieser Typ des Gefäßes wird
mit dem entsprechenden flüssigen Indikator
befüllt
und am Herstellungsort verschlossen. Das obere Ende 20A des
Gefäßes ist
so ausgelegt, dass es abgebrochen werden kann, wenn man den Zugriff
zum Indikator in dem Gefäß wünscht. Um das
Abbrechen des oberen Endes zu erleichtern, ist der Umfang des Gefäßes werkseitig
zwischen dem oberen Ende 20A und dem Hauptkörper des
Gefäßes eingekerbt.
Das obere Ende 20A wird in der in 4 veranschaulichten
Weise abgebrochen. Sodann kann das Gefäß in das Innere des größeren Gefäßes 12 entsprechend
der Darstellung in 5 eingesetzt werden. Vorzugsweise
ist das untere Ende 20B des Gefäßes 20 flach ausgeführt. Dieses
Merkmal unterstützt
das Zentrieren des unteren Endes des Gefäßes 20 im Inneren
des größeren Gefäßes 12 und
das obere Ende des Gefäßes 20 wird
im Halsbereich des Gefäßes 12 entsprechend
der Darstellung in 5 zentriert.
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Die
Testanordnung wird sodann bis zu einer erhöhten Temperatur in einem Heizblock 22,
wie er beispielsweise in 6 veranschaulicht ist, für eine entsprechende
Zeitdauer erhitzt, damit der Target-Analyt aus der Testprobe im
Gefäß 12 erzeugt oder
freigesetzt werden kann und in dem Indikatorgefäß 20 absorbiert wird.
Sodann kann man die Testanordnung aus der Heizquelle entnehmen und
abkühlen
lassen. Als nächstes
kann man einen Lichtstrahl quer durch die Testanordnung entsprechend
der Darstellung in 7 schicken, um den Betrag der
Lichtabsorption durch den Target-Analyten in dem Indikator oder
die Durchlässigkeit
durch diesen hindurch zu messen.
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8 veranschaulicht
eine andere Ausführungsform
einer Testanordnung 30, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann. In die Anordnung einbezogen ist ein äußeres rohrförmiges Gefäß 31 und
ein kleineres rohrförmiges
Gefäß 35, das
einen Indikator enthält
und vollständig
in das Innere des äußeren Gefäßes eingesetzt
werden kann. In das äußere Gefäß kann ein
Zentriereinsatz 33 einbezogen werden, um das Zentrieren
des inneren Gefäßes in Bezug
auf das äußere Gefäß zu erleichtern. Über das
obere Ende des inneren Gefäßes kann
eine poröse,
hydrophobe Membran 34 aufgesetzt werden, obgleich dieses
nicht erforderlich ist. Eine Kappe oder ein Verschlussteil 32 wird
auf dem oberen Ende des äußeren Gefäßes befestigt,
um einen gasdichten Verschluss zu erzeugen. Die zu testende Probe
wird in das äußere Rohr
gegeben und die Testanordnung bis zu einer erhöhten Temperatur für eine Zeitdauer erhitzt.
Nachdem die Anordnung abgekühlt
ist, kann sie in ein geeignetes Instrument eingesetzt werden, wo
ein Lichtstrahl quer durch die gesamte Anordnung läuft. Das
innere Gefäß muss nicht
aus dem äußeren Gefäß entfernt
werden, noch ist es notwendig, den Indikator aus dem inneren Gefäß zum Testen
zu entfernen.
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Zur
Veranschaulichung der Erfindung wird eine kolorimetrische Messung
von Gesamtkohlenstoff (TC) diskutiert. Das Prinzip der Methode besteht darin,
dass der anorganische oder organische Kohlenstoff eine Probe in
Gegenwart von Persulfat (entweder in einem alkalischen oder sauren
Medium) unter Erzeugung von gasförmigem
Kohlendioxid aufgeschlossen wird. Das freigesetzte Kohlendioxidgas wird
sodann in einer wässrigen
Lösung
aufgefangen, die einen pH-Indikator
enthält.
Das absorbierte Kohlendioxid bildet Kohlensäure. Der pH-Indikator (vor der Absorption von Kohlendioxid)
befindet sich in seiner deprotonierten oder basischen Form. Wenn
die Menge des absorbierten Kohlendioxid zunimmt, nimmt auch die
Menge an Wasserstoffionen zu, was zu einer Zunahme der protonierten
Form des Indikators führt.
Die Konzentration des ursprünglichen
Gesamtkohlenstoffes in der Probe ist direkt proportional zu der
Farbänderung
des Indikators.
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Im
praktischen Einsatz der Diffusionseinheit der Erfindung enthält das innere
Rohr eine wässrige pH-Indikatorlösung mit
einem geeigneten pKa-Wert wie beispielsweise Thymolblau (pKa = 8,86
bis 9,0), Phenolphthalein (pKa = 9,46 bis 9,6) oder p-Xylenolphthalein
(pKa = 9,7). Der pH-Indikator ist leicht gepuffert, um die vollständig protonierte
Form des Indikators zu bewahren, wobei ein Reduktionsmittel (z.B. Natriumthiosulfat)
dem Indikator zugesetzt werden kann, um eine Störung durch Chlor zu verhindern. Ein
typisches Volumen für
den Indikator in dem inneren Gefäß beträgt 3 Milliliter
(ml). Das äußere Gefäß enthält die Aufschlussreagenzien:
eine verdünnte Säure (wie
beispielsweise Schwefelsäure,
Phosphorsäure
oder Salzsäure)
oder ein alkalisches Reagens (wie beispielsweise Natrium-, Kalium-
oder Lithiumhydroxid) und Persulfat (Natrium-, Kalium- oder Lithiumsalz).
Das Volumen der Aufschlusslösung
liegt im typischen Fall im Bereich von 1 bis 5 ml.
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Bei
Betrieb des Gerätes
zur kolorimetrischen Bestimmung von Gesamtkohlenstoff sind das innere Gefäß oder Rohr
und das äußere Gefäß oder Rohr zu
Anfang separiert. In die Aufschlussreagenzien im äußeren Rohr
wird eine geeignete Menge von Probe oder Blindprobe gegeben. Das
Rohr, das den gepufferten pH-Indikator enthält, wird in das äußere Rohr eingesetzt
(das an seinem oberen Ende mit einem Gewinde versehen ist), das
die Aufschlussreagenzien und die Probe enthält.
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Die
Abmessungen und der Aufbau des inneren Rohres sind derart, dass
das innere Rohr an dem Hals und dem konischen Boden des äußeren Rohres zentriert
ist. Dieses ermöglicht
eine vertikale Orientierung des inneren Rohres parallel zu den Wänden des äußeren Rohres.
Die kürzere
Länge des
inneren Rohres ermöglicht
eine begrenzte Menge an Headspace zwischen dem oberen Teil des inneren
Rohres und der Kappe auf dem äußeren Rohr,
damit eine Gasdiffusion ablaufen kann.
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Das
obere Ende des äußeren Rohres
wird sodann mit einer Kappe verschlossen, die über eine innere Auskleidung
verfügt,
die für
eine Leckage bis zu etwa 6,89 kPa (300 psi) undurchlässig ist.
Die Anordnung wird in einem temperaturgeregelten Inkubator oder
beheiztem Aufschlussblock bei einer erhöhten Temperatur (im Wesentlichen
100° bis
150°C) gegeben.
Der beheizte Digestor ist auf Grund der wirksamen Wärmeübertragung
von dem Block zu dem Inhalt des äußeren Rohres
die bevorzugte Vorrichtung. Im Fall einer Analyse auf Gesamtkohlenstoff
liegt die für
den Aufschluss/die Diffusion ausgewählte Temperatur zwischen 100° und 110°C. Diese
gewählte
Temperatur ist ein Kompromiss, der auf der Zeit beruht, die zur
vollständigen
Aufschließen
von anorganischem und organischem Kohlenstoff zu Kohlendioxid erforderlich
ist, und dem effizienten Transport von Kohlendioxid zu dem absorbierenden
pH-Indikator. Obgleich die Geschwindigkeit von Aufschluss und Diffusion
bei höheren
Temperaturen und Drücken
beschleunigt werden kann, wird die Stabilität des pH-Indikators zu einem
Faktor, der die Reproduzierbarkeit der Stimmung beeinflusst. Niedrigere
Temperaturen werden längere
Zeiten zur Diffusion von Kohlendioxid in dem Indikator erfordern.
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Während des
Heizprozesses entwickelt sich ein Temperaturgradient zwischen dem
Inhalt des inneren und äußeren Gefäßes oder
Rohres. Die Komponenten des äußeren Gefäßes befinden
in Bezug auf die Temperatur des Indikators in dem inneren Gefäß bei einer
erhöhten
Temperatur. Die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Lösungen unterstützt den
effizienten Transport der flüchtigen
Komponente (d.h. Kohlendioxid) von dem äußeren Rohr in die Lösung des
inneren Rohres. Da die Einheit vollständig abgeschlossen ist, unterstützt der
während
der Heizdauer erzeugte erhöhte
Druck die Prozesse des Aufschlusses und der Diffusion.
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Nach
einer geeigneten Heizdauer (im typischen Fall zwei Stunden) bei
100° bis
110°C sind
die Prozesse des Aufschlusses und der Diffusion in der abgeschlossenen
Einheit beendet. Die Einheit lässt man
sodann auf Raumtemperatur kühlen.
Ein ausreichendes Kühlen
ist erforderlich, um Brechzahleinflüsse auf ein Minimum herabzusetzen,
wenn direkte kolorimetrische Messungen vorgenommen werden.
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Auf
der Basis der Kohlenstoffkonzentration in der Probe wird sich die
Lichtabsorption in der Indikatorlösung ändern. Die Abnahme der ursprünglichen Konzentration
des deprotonierten Indikators oder die Zunahme der protonierten
Form oder die Summe oder das Verhältnis der zwei Änderungen
können
in der Regel mit einem entsprechenden Spektrophotometer, Kolorimeter
oder Filterphotometer gemessen werden. Für die Farbmessung ist es bei
den meisten Anwendungen nicht erforderlich, das innere Rohr aus dem äußeren Rohr herauszunehmen.
Da die Rohr- oder Ampullenanordnung selbstzentrierend ist, kann die
Einheit direkt in das Instrument für die Messungen der Lichtabsorption
eingesetzt werden. Anderenfalls können die Inhaltsstoffe der
inneren Ampulle oder des inneren Rohres entnommen (abgesaugt) werden
und unter Verwendung einer geeigneten Spektrophotometerzelle gemessen
werden oder mit Hilfe anderer Methoden der chemischen Analyse einschließlich der
Titration gemessen werden.
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Die
kolorimetrische Messung ist bevorzugt, jedoch kann man nach Erfordernis
an Stelle dessen das Vorhandensein eines Target-Analysen mit einer anderen
Maßnahme
messen (wie beispielsweise einer ionenselektiven Sonde, Titration,
Nephelometrie, Spektralanalyse, potentiometrische Analyse, amperometrische
Analyse, usw.).
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Beispiel 1
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Für die Bestimmung
des Gesamtkohlenstoffes im Bereich von 0 bis 700 mg/l Kohlenstoff
wurden 0,3 ml Wasser ohne Kohlenstoff oder eine Standardlösung von
Kaliumhydrogenphthalat zu 4,0 ml eines sauren Aufschlussmittel in
dem äußeren Gefäß gegeben.
Kaliumhydrogenphthalat (KHP) ist eine Standardquelle für Kohlenstoff,
die üblicherweise
für Bestimmungen
von Gesamtkohlenstoff oder organischem Gesamtkohlenstoff verwendet
wird. Für
Messungen mit nur einer Wellenlänge
ist eine Blindprobe (Wasser ohne Kohlenstoff) erforderlich.
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Anschließend wurde
eine kleine Menge von festem Kaliumpersulfat (0,1 g) der Aufschlusslösung zugesetzt.
Ebenfalls ließe
sich eine bekannte Zugabe einer frisch angesetzten Persulfat-Reagenslösung verwenden.
Die Inhaltsstoffe der Aufschlusslösung wurden sodann zum Mischen
verwirbelt.
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Das
innere Rohr ist eine Ampulle mit einem Gehalt von 3,0 ml einer leicht
gepufferten Tymolblau-Reagenslösung.
Die Spitze der Ampulle wird abgekniffen und die Ampulle in das äußere Gefäß eingesetzt,
das die Aufschlusslösung
enthält.
Der obere Teil der inneren Ampulle befindet sich auf einer größeren Höhe als die
Oberfläche
der Aufschlusslösung
in dem äußeren Gefäß.
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Die
gesamte Anordnung wird mit einer entsprechenden Kappe dichtend abgeschlossen,
die einen gasdichten Verschluss an dem oberen Ende des äußeren Gefäßes bildet.
Die Anordnung wird in einen temperaturgeregelten Heizblock gesetzt,
der auf 103° bis
105°C eingestellt
ist. Nach dem Beheizen für eine
Dauer von 2 Stunden wird die Rohranordnung entnommen und bis Raumtemperatur
kühlen
gelassen.
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Nach
dem Kühlen
wird die Rohranordnung, die die Blindprobe enthält, in ein geeignetes Spektrophotometer
eingesetzt, das bei einer Wellenlänge von 598 nm eingestellt
ist. Die Lichtabsorption der Blindprobe wird gegen einen farblosen
Standard (DI-Wasser) gemessen oder auf die Ablesung "Null"-Absorption eingestellt.
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Sodann
wird die Rohranordnung, die den KHP-Standard enthält, in das
Spektrophotometer eingesetzt und ihre Nichtabsorption gegen den
farblosen Standard oder gegen die Blindprobe gemessen.
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Die
Differenz zwischen den spektralen Absorptionswerten der Blindprobe
und des Standards KHP bei 598 nm (d.h. dA598) ist proportional zur Kohlenstoffkonzentration,
wie aus 9 entnommen werden kann. Die
Kalibrierungskurve kann zur Bestimmung des Gesamtkohlenstoffes in
mg/l in einer Testprobe verwendet werden, die entsprechend der vorstehenden
Prozedur in diesem Beispiel diskutiert wurde.
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Beispiel 2
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Für die Bestimmung
von organischem Gesamtkohlenstoff in einem Bereich von 0 bis 20
mg/l Kohlenstoff wurden 3,0 ml einer Kaliumhydrogenphthalat-Standardlösung zu
1,0 ml eines saures Aufschlussreagens in den äußeren Behälter gegeben. Das saure Aufschlussreagens
hat einen höheren Säuregrad
als das in Beispiel 1 verwendete.
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Als
nächstes
wurde eine kleine Menge von festem Kaliumpersulfat (0,1 g) zu der
Aufschlusslösung
gegeben. Es könnte
auch eine bekannte Zugabemenge an einer frisch angesetzten Persulfat-Reagenslösung verwendet
werden. Die Inhaltsstoffe der Aufschlusslösung wurden zum Mischen verwirbelt.
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Die
Ampulle des inneren Rohres enthielt 3,0 ml einer leicht gepufferten
Tymolblau-Reagenslösung.
Das Oberteil der Ampulle wurde abgekniffen und die Ampulle in das äußere Gefäß eingesetzt,
das die Aufschlusslösung
enthielt.
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Die
vollständige
Anordnung wird dichtend mit einem entsprechenden Kappenteil abgeschlossen,
das auf den oberen Teil des äußeren Gefäßes unter
Erzeugung eines gasdichten Verschlusses aufgesetzt wurde. Die Anordnung
wird in einem temperaturgeregelten Heizblock gegeben, der bei 103° bis 105°C eingestellt
war. Nach dem Beheizen für
2 Stunden wurde die Rohranordnung entnommen und auf Raumtemperatur
kühlen
gelassen.
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Nach
dem Kühlen
wurde die Rohranordnung, die die Blindprobe enthielt, in ein geeignetes Spektrophotometer
eingesetzt, das zu Messungen mit Mehrfachwellenlängen bei 598 nm und 430 nm
in der Lage war. Die Lichtabsorption der jeweiligen Wellenlänge wird
unter Verwendung von farblosem DI-Wasser auf Null gesetzt.
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Die
Rohranordnung, die den KHP-Standard enthielt, wurde sodann in ein
Spektrophotometer eingesetzt und dessen Lichtabsorption bei 598
nm und 430 nm gegen den farblosen Standard gemessen.
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Wie
in 10 gezeigt, ist das Verhältnis der zwei Absorptionspeaks
(A-598/A-430) exponential proportional
zu dem KHP-Kohlenstoff in mg/l. Die Methode des Peakverhältnisses
kompensiert alle etwaigen Schwankungen infolge eines Temperaturgradienten
des Indikators, der Weglängenunterschiede zwischen
den unterschiedlichen Rohranordnungen oder der Lichtstreuung. Die
Messmethode und die Messung nach der Peakverhältnis-Methode erfordert keine
Ausführung
der Blindprobenbestimmung.
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Die
TOC-Konzentration der Probe kann bestimmt werden, indem ein kleiner
Teil der Probe auf einen pH-Wert kleiner als 4 vorangesäuert wird
und anschließend
heftig gemischt wird, die Probe des resultierenden CO2 zu
besprengen. Die Voransäuerung der
Probe wandelt den anorganischen Kohlenstoff zu Kohlendioxid um.
Was in der Probe zurückbleibt,
ist nichtflüchtiger
organischer Kohlenstoff. Die Probe kann wie vorstehend verarbeitet
und anschließend die
Kalibrierungskurve verwendet werden, um die TOC-Konzentration der
Probe zu ermitteln.
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Es
sind andere Varianten möglich,
ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise
ist festgestellt worden, dass der relative Durchmesser des inneren
Rohrs oder Gefäßes im Vergleich
zu dem inneren Durchmesser des äußeren Rohrs
oder Gefäßes in der
Praxis der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend ist.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch zur Bestimmung auf
Gegenwart von Fluorid in einer Probe angewendet werden.