-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen mindestens
einer Komponente in einer Flüssigkeit durch das Einleiten
mindestens eines Reagens in eine flüssige Probe, wonach eine
Reaktion stattfindet, die in einem Detektor gemessen wird.
-
Messungen dieser Art werden im allgemeinen für Laborzwecke
verwendet, und sie werden am häufigsten dadurch ausgeführt,
daß eine relativ kleine Flüssigkeitsprobe in einen
Flüssigkeitsstrom eingeleitet wird, dem ein Reagens zugeführt
wurde.
-
Das Reagens reagiert mit der Substanz in der Probe, die
gemessen werden soll, und diese Reaktion wird in einem
Detektor gemessen.
-
Dieses Meßverfahren ist zur Automatisierung geeignet, so daß
eine Reihe verschiedener Proben in einem vorgegebenen
Meß-Zyklus gemessen werden kann.
-
Jedoch kann das Verfahren nur schwierig mit ausreichender
Genauigkeit ausgeführt werden, insbesondere weil die
Reaktion mit verschiedenen Reaktionsraten innerhalb der Mischung
erfolgen kann und da die Messung jedesmal zum Registrieren
des Meßergebnisses mit demselben Reaktionsgrad ausgeführt
werden muß, muß die Reaktionszeit für jede Messung genau
bestimmt werden.
-
Diese Präzision kann nur schwierig erreicht werden, wenn
Peristaltikpumpen verwendet werden, wobei der Grund darin
liegt, daß die Pumpenleitungen ihre physikalischen
Eigenschaften
beim Gebrauch und nach der Betriebszeit ändern, was
zu einer Änderung der zugehörigen Strömungsraten führt.
-
Aus der Beschreibung im US-Patent Nr. 4,253,846 ist ein
Analysator für automatische Flüssigkeitsanalysen bekannt. Bei
dem aus diesem Patent bekannten Verfahren werden Proben
durch Luftblasen und das Einspritzen einer unvermischbaren
Flüssigkeit unterteilt. Die Reagenzien werden zum
gewünschten Ort für die einzelnen Probensegmente transportiert, und
es werden eine zeitliche Steuerung, Absorptionsmessungen und
eine Datenverarbeitung ausgeführt.
-
Dieses Verfahren ist besonders kompliziert, nicht nur weil
ein vollständiges Abpumpen von Luft vorliegen muß, um
sogenannte Störungen von Luftblasen in der Probe zu verhindern.
Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Mischung z. B.
erwärmt werden muß, damit die Reaktionsgeschwindigkeit dazu
ausreicht, daß die Reaktion gemessen werden kann. Außerdem
muß die verwendete Flüssigkeit eine organische Flüssigkeit
sein, was vom Umweltgesichtspunkt aus besonders ungünstig
ist. Darüber hinaus ist eine Erfassung erforderlich, um das
Vorbeilaufen von Probensegmenten an den Reagensinjektoren zu
bestimmen.
-
Das US-Patent Nr. 4,328,185 offenbart ein automatisches
chemisches Prüfgerät. In diesem Gerät wird eine Probe mit
Reagenzien in dünnen Röhrchen vermischt. Wie beim obengenannten
Patent werden die Proben in Segmente unterteilt, die durch
eine Luftblase getrennt sind. Diese Segmentierung beinhaltet
eine sehr komplizierte Strömungssteuerung des Reagens und
der Proben.
-
Der Artikel "Versatile Automatic Development System for Flow
Injection Analyses", Analytical Chemistry, Vol. 58, No. 11,
September 1986, S. 2258 - 2264, Washingten DC, USA von
Betteridge et al. offenbart ein Analysesystem auf Grundlage
eines Analyseverfahrens, das als Strömungsinjektionsanalyse
(FIA) bezeichnet wird. Zum Verfahren gehört das Aufnehmen
einer kleinen Flüssigkeitsprobe. Diese Probe wird in einen
Flüssigkeitsstrom eingeleitet, der ein Reagens enthält, das
mit der zu messenden Komponente in der Probe zusammen ein
Produkt bilden kann, das von einem Detektor gemessen werden
kann. Das Erstellen des Konzentrationsprofils des Produkts
erfordert die Kenntnis der Zeit, die zwischen der Injektion
und dem Meßvorgang verstreicht. Das Verfahren erlaubt kein
Mitteln des Signals und ist daher störungsempfindlich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu
überwinden und das Verfahren dahingehend zu verbessern, daß
es für Messungen in Verbindung mit biologischen Prozessen
verwendet werden kann, wo eine Registrierung bestimmter
Prozeßparameter über eine längere Periode erwünscht ist, und
dies wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erzielt,
gemäß dem eine Mischung aus einer Probe und einem Reagens
durch einen Mikroprozessor kontrolliert wird, der eine Reihe
von Ventilen steuert, die Reagenzien zur Probe befördern,
und der auch eine Mehrkanalpumpe steuert, die eine
vorgegebene Menge der Probe und der Reagenzien zum Vermischen
zuführt, wonach die Mischung zum Detektor transportiert wird.
-
Dadurch ist das Erfordernis, daß die Proben mittels Luft und
einer organischen Flüssigkeit zu unterteilen sind,
vollständig vermieden, was das Gesamtverfahren beträchtlich
vereinfacht.
-
Ferner kann der Probenstrom kontinuierlich mit dem
Reagensstrom vermischt werden. Dadurch ist die Möglichkeit
geschaffen, eine Komponente in einer Probe folgend auf eine
vorangehende spezielle chemische Reaktion zwischen der Probe und
den Reagenzien zu bestimmen. Der Detektor kann die
Konzentration
des durch die Reaktion gebildeten Produkts mittels
einer Meßzelle messen, die optisch sein kann, oder mittels
eines Meßinstruments, das eine ionenselektive Elektrode oder
ein Leitfähigkeitsdetektor sein kann.
-
Das Verfahren ist damit auf die automatische und
kontinuierliche Messung von Flüssigkeitsproben anwendbar, wie zum
Messen des Inhalts an Phosphat und Nitrid während eines
Fermentationsprozesses, oder beim Auslassen von Wasser in einer
biologischen Reinigungsanlage. Auf ähnliche Weise können
Messungen an Proben aus verschiedenen Arten von
Verarbeitungsanlagen erfolgen. Dadurch ist es möglich, diese
Prozesse dadurch kontinuierlich zu kontrollieren, daß die
erforderlichen Prozeßparameter registriert werden und der
jeweilige Prozeß auf Grundlage derselben geregelt wird.
-
Wie im Anspruch 2 offenbart, ist es durch Kalibrieren mit
mehr als einem Standard, jedoch unter Verwendung derselben
Pumpenkanäle und Leitungen, möglich, die Reaktion lange vor
ihrem Abschluß zu messen, da jedesmal derselbe Meßpunkt auf
der Kurve erhalten wird. Dies sorgt für eine schnellere
Reaktionszeit, da die Kalibrierung kontinuierlich
aktualisiert wird.
-
Wie im Anspruch 3 offenbart, ist es dadurch, daß zwischen
der Einleitung von Reagenzien oder Wasser umgeschaltet
werden kann, möglich, mehrere verschiedene Komponenten in
derselben Probe dadurch zu messen, daß der Reihe nach
verschiedene Reagenzien eingelassen werden, gefolgt von einer
Mes-Sung, woraufhin ein anderes Reagens eingeleitet wird und die
Reaktion gemessen wird.
-
Wie in Anspruch 4 offenbart, können durch ein Verdünnen der
Probe vor dem Einleiten eines Reagens Messungen an Proben
vorgenommen werden, die eine höhere Konzentration enthalten,
als sie andernfalls vom Meßinstrument gehandhabt werden
könnten.
-
Wie in Anspruch 5 offenbart, kann die Konzentration einer
Probe leicht berechnet werden, wenn zuerst das
Hintergrundsignal von den tatsächlichen Reagenzien, die zusammen mit
Wasser eingeleitet werden, gemessen wird, und danach ein
Standard eingeleitet wird.
-
Schließlich ist es zweckmäßig, dazu in der Lage zu sein, die
Strömungskapazität einer Pumpe einzustellen, damit die
Strömungsrate erhöht werden kann, wenn Proben gehandhabt werden,
die zu einer starken Reaktion führen, so daß nur ein Teil
der Reaktion stattgefunden hat, wenn die Mischung die
Meßzelle erreicht. Umgekehrt gewährleistet eine langsame
Strömung, daß eine Reaktion vor der Messung vollständig beendet
ist.
-
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung detaillierter beschrieben, die ein Beispiel einer
Ausführungsform des Verfahrens und einer Vorrichtung zum
Ausführen dieses Verfahrens veranschaulicht.
-
Wie es aus der Zeichnung ersichtlich ist, beinhaltet eine
Meßvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens eine
Mehrkanalpumpe 21 mit einer Anzahl von Pumpkanälen, die beim
dargestellten Beispiel die fünf Kanäle 22, 23, 24, 25 und 26
sind.
-
Die Pumpe ist vorzugsweise eine Peristaltikpumpe mit
einstellbarer Drehzahl, so daß ein Mikroprozessor die
Pumpkapazität der einzelnen Kanäle einstellen kann.
-
Mit der Pumpe 21 ist eine Anzahl von Einlaßkanälen
verbunden. Über ein Dreiwegeventil 9 wird so dem oberen
Pumpenkanal
22 eine tatsächliche Probe 2 zugeführt. An das Ventil
9 ist auch ein weiteres Ventil 7 zum Einleiten eines
Standards 6 angeschlossen sowie ein weiteres Ventil 5 für einen
weiteren Standard 4. Schließlich ist an das Ventil 5 ein
weiteres Ventil 3 zum Einleiten sowohl einer Neutralprobe 2
als auch einer Reinigungsflüssigkeit 1 angeschlossen.
-
Vor dem Anschluß an den Pumpenkanal 22 ist auch eine
Einlaßleitung für Wasser 19 über den unteren Pumpenkanal 26 und
ein Ventil 20 angeschlossen. Aus dem Ventil 20 kann Wasser
19 auch zu einem Sammelbehälter 32 geführt werden.
-
An den nächsten Pumpenkanal 23 ist ein Ventil 12 zum
Einleiten von Reagens und Wasser, 10 bzw. 11, angeschlossen, was
entsprechend für die folgenden zwei Kanäle 24, 25 gilt, die
Reagens und Wasser, 13 bzw. 16, sowie Wasser 14, 17 über
Ventile 15, 18 einleiten können.
-
Die Flüssigkeiten werden von der Pumpe 21 über einen
Einlaßkanal zum Detektor 31 dadurch geführt, daß Mischblenden 27,
28 und 29 nach jedem Zusammenführen zweier Ströme oder
abhängig von den Erfordernissen eingesetzt werden können, um
das erforderliche Vermischen sicherzustellen.
-
Wenn die Reaktion im Vergleich zur Länge des Zuführkanals
langsam ist, kann ein Verlängerungskanal oder ein
Zurückhaltekanal 30 vor dem Detektor 31 eingefügt werden. Auf
diese Weise kann die Reaktion vor der Messung abgeschlossen
werden.
-
Die Ventile 3, 5, 7, 9, 12, 15, 18 und 20 können alle, wie
die Pumpe 21, durch einen Mikroprozessor angesteuert werden,
so daß der Meß-, Kalibrier- und Reinigungsvorgang des
Instruments automatisiert werden kann.
-
Das Verfahren wird nun detaillierter beschrieben.
-
Um eine präzise Konzentrationsmessung zu gewährleisten, ist
es erforderlich, daß das Instrument kalibriert werden kann.
Dies wird dadurch ausgeführt, daß Wasser in den Pumpenkanal
22 eingeleitet wird, woraufhin das Hintergrundsignal
gemessen wird, und danach werden die gewünschten Reagenzien 10,
13 und 16 in die Pumpenkanäle 23, 24 und 25 eingeleitet,
wonach das Standardsignal gemessen wird.
-
Die Konzentration in der Probe kann nun als Ergebnis der
Differenz zwischen dem Probensignal und dem
Hintergrundsignal, geteilt durch die Differenz zwischen dem
Standardsignal und dem Hintergrundsignal, berechnet werden, wobei das
Ergebnis mit der Konzentration des Standards multipliziert
wird.
-
Wenn mehrere Standardlösungen gewählt sind, z. B. zwei, wird
die Konzentration als Ergebnis der Differenz zwischen dem
Probensignal und dem ersten Hintergrundsignal, geteilt durch
die Differenz zwischen dem zweiten und ersten
Hintergrundsignal, auf entsprechende Weise berechnet, wobei das
Ergebnis dann mit der Differenz zwischen den Konzentrationen des
ersten und des zweiten Standards multipliziert wird.
-
Dadurch kann eine Bestimmung der Konzentration in solchen
Fällen ausgeführt werden, in denen keine lineare Korrelation
zwischen dem Meßsignal und der Konzentration der gemessenen
Komponente besteht.
-
Wenn mehrere verschiedene Komponenten in derselben Probe 8
gemessen werden müssen, wird das Einleiten der Reagenzien
10, 13, 16 mittels einer Einstellung der Ventile 12, 15, 18
gesteuert. Zum Beispiel kann das Reagens 10 zum Pumpenkanal
23 zum Messen des Nitridgehalts verwendet werden, wonach die
Reagenzien 13 und 16 eingeleitet werden und das Reagens 10
abgesperrt wird, um den Phosphatgehalt zu messen.
-
Wenn Messungen an Proben auszuführen sind, die selbst zu
einem bestimmten Hintergrundsignal führen, kann mit dem
Einleiten von Wasser begonnen werden, und es wird die
Hintergrundfarbe bestimmt. Danach kann ein Öffnungsvorgang für ein
Reagens erfolgen, und es wird das Hintergrundsignal und das
Produktsignal für die Reaktion zwischen dem Reagens und der
Komponente gemessen. Es ist wichtig, daß das Einleiten von
Reagens durch das Einleiten von Wasser ersetzt wird, damit
die Probe während der Messung des Hintergrundsignals mit
genau demselben Verhältnis wie während der Messung mit Reagens
verdünnt wird. Der endgültige Wert kann dann dadurch
hinsichtlich Hintergrund-Störsignalen korrigiert werden, daß
das erste Signal vom letzten subtrahiert wird.
-
Wenn die zu messenden Proben eine Konzentration aufweisen,
die höher ist als die, die das System handhaben kann, ist es
möglich, eine vorgegebene Menge an Wasser 19 in die Probe 8
einzuleiten, bevor diese zum Pumpenkanal 22 geführt wird,
was gesteuert durch den Mikroprozessor erfolgt. Wenn sich
herausstellt, daß der Meßpunkt über einem vorgegebenen
Arbeitsbereich liegt, wird Wasser 19 in die Probe eingeleitet.
Dadurch wird ein sehr großer Meßbereich von wenigen ppb bis
zu einigen ppm für eine Reihe von Komponenten erzielt.
-
Während der Messung werden die Ventileinstellungen
ausreichend lang dafür beibehalten, daß gewährleistet ist, daß das
System vollständig durchgespült ist und die Messung
ausgeführt wurde. Die Messung wird dadurch ausgeführt, daß das
Signal für eine Zeitspanne, z. B. 10 Sekunden, erstellt
wird, wodurch das Signal hinsichtlich Schwankungen des
Pumpenstroms und möglicher Luftblasen in der Flüssigkeit
weniger empfindlich wird.
-
Da das Instrument sich während des Betriebs selbst
kalibriert, haben Schwankungen der Strömungen in den einzelnen
Pumpenkanälen keine Bedeutung hinsichtlich der
Meßsicherheit.
-
Schließlich kann, wie angegeben, ein Mikroprozessor die
Pumpe auf solche Weise steuern, daß sie die Strömung auf solche
Weise einstellt, daß die Reaktion in der Mischung
stattgefunden hat, wenn sie die Meßzelle 31 erreicht. Umgekehrt
kann eine Erhöhung der Geschwindigkeit dazu führen, daß eine
Reaktion vor einer Messung nur teilweise abgelaufen ist,
wodurch es möglich ist, höhere Konzentrationen zu messen.
-
Dieses Verfahren ist für Echtzeitmessungen in
Fermentationsanlagen, Reinigungsanlagen und ähnlichen Einrichtungen
besonders geeignet, wo Messungen kontinuierlich ausgeführt
werden können und die Ergebnisse in einem Regelungssystem
für die Anlage verwendet werden. Der Verbrauch an Reagens
ist wegen der kleinen Flüssigkeitsvolumina im Instrument
sehr gering und dadurch kann das Instrument ohne Überwachung
für lange Betriebsperioden verwendet werden. Darüber hinaus
kann ein automatisches Reinigen des gesamten Systems dadurch
ausgeführt werde, daß eine Reinigungsflüssigkeit und
möglicherweise Wasser zum Spülen durch alle Flüssigkeitskanäle,
Ventile und den Detektor eingeleitet wird.