DE7718741U1

DE7718741U1 - Device for the electrochemical enzymatic analysis of flowing liquids

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Publication number: DE7718741U1
Application number: DE7718741U
Authority: DE
Original assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG Apparatebau KG
Current assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG Apparatebau KG
Publication date: 1979-08-23

Description

PATENTANWALT · · PATENT ADVOCATE · ·

DR. HEINRICH HERMELINK .... _ _{τ ο} DR. HEINRICH HERMELINK .... _ _{τ ο}

ApOHoWCg₉₁₈OOOMUnAe_nOO₁TeL₈IMSrO «uncneii, ι«, u-üxj. ₁₇,οApOHoWCg ₉₁₈ OOOMUnAe _n OO ₁ TeL ₈ IMSrO «uncneii, ι«, u-üxj. ₁₇ , ο

101/205101/205

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Dr. E. Fresenius ...Dr. E. Fresenius ...

Vorrichtung zur elektrochemisch-enzymatischen Analyse strömender FlüssigkeitenDevice for the electrochemical-enzymatic analysis of flowing liquids

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrochemisch-enzymatischen Analyse strömender Flüssigkeiten nach dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs. Insbesondere ist die Erfindung zur Messung der Konzentration organischer Moleküle in wässrigen Medien, bei medizinischen Anwendungen insbesondere im Blut, geeignet.The invention relates to a device for electrochemical-enzymatic Analysis of flowing liquids according to the generic term of the main claim. In particular is the invention for measuring the concentration of organic molecules in aqueous media in medical applications especially in the blood.

Zusammenfassungsummary

Zur Feststellung bestimmter, insbesondere organischer Bestandteile in einer Flüssigkeit wird derselben eine Enzymlösung zugesetzt, die mit dem betreffenden Bestandteil reagiert. Das Reaktionsprodukt dient als Indikator für den betreffenden Bestandteil. Die Konzentrationen dieses Indikators am Anfang und am Ende einer vorgegebenen Meßstrecke werden miteinander verglichen. Hierzu ist in einem Analyseblock, der die verschiedenen Sensoren und Dosiervorrichtungen umfaßt, eine Umwegleitung passender Länge zwischen den beiden für den betreffenden Indikator empfindlichen Sensoren vorgesehen.An enzyme solution is used to determine certain, in particular organic, components in a liquid added, which reacts with the constituent in question. The reaction product serves as an indicator of the component concerned. The concentrations of this indicator at the beginning and at the end of a given measuring section are compared with each other. For this purpose, there is an analysis block that contains the various sensors and dosing devices comprises, a detour line of suitable length between the two sensitive to the indicator in question Sensors provided.

Stand der TechnikState of the art

Dr. Hk/schDr. Hk / sch

• t I ti• t I ti

Das Prinzip der Analyse organischer Moleküle unter Ausnutzung enzymatischer Reaktionen ist bekannt. Ein Beispiel hierfür ist die Messung der Glucosekonzentration unter Anwendung des Enzyms Glucoseoxidase, das sein Substrat (Glucose) unter Sauerstoffverbrauch in Gluconsäure umsetzt. Der Sauerstoffverbrauch ist damit ein .Maß für die Menge der umgesetzten Glucose. Analoge Methoden sind z.B. zur Bestimmung von Harnsäure, Aminosäuren usw. bekannt.The principle of analyzing organic molecules using enzymatic reactions is known. An example of this is the measurement of glucose concentration using the enzyme glucose oxidase, which is its substrate (glucose) Oxygen consumption converts into gluconic acid. The oxygen consumption is thus a measure of the amount of glucose converted. Similar methods are e.g. for the determination of uric acid, Amino acids, etc. known.

Diese enzymatischen Methoden eignen sich für eine Kombination f\ mit einem elektrochemischen Meßprinzip, in dem ein Reaktionspartner, der durch die enzymatische Reaktion verbraucht oder freigesetzt wird, mit einem elektrochemischen Sensor quantitativ erfaßt wird (M. Kessler, LC. Clark, D.W. Lübbers, I.A. Silver und W. Simon: Ion and Enzym Electrodes in Biolocry and Medicin. Urban + Schwärzenberg, München-Berlin-Wien 1976).These enzymatic methods are suitable for a combination f \ with an electrochemical measuring principle in which a reaction partner that is consumed or released by the enzymatic reaction is recorded quantitatively with an electrochemical sensor (M. Kessler, LC. Clark, DW Lübbers, IA Silver and W. Simon: Ion and Enzyme Electrodes in Biolocry and Medicin. Urban + Schwärzenberg, Munich-Berlin-Vienna 1976).

So sind z.B. zur Konzentrationsbestimmung von Glucose in wässrigem Medium unter Anwendung' Von Glucoseoxidase zwei Methoden | dieser Art bekannt, nämlich entweder ionenselektive Anzeige hinter einer semipermeablen Membran oder ein amperometrisches Verfahren, bei dem eine Plati'nelektrode mit einer Enzymschicht beschickt wird und der Ablauf der Enzymreaktion an einen (_} Redoxprozeß gekoppelt wird, so daß eine Stromstärkemessung in Relation zur Substratkonzentration mittels der elektrolytischen Oxidation des reduzierten Akzeptors möglich wird (Seite 173 des doen zitierten Buches).For example, to determine the concentration of glucose in aqueous Medium using two methods of glucose oxidase | known of this type, namely either ion-selective display behind a semipermeable membrane or an amperometric process in which a platinum electrode with an enzyme layer is charged and the course of the enzyme reaction is coupled to a (_} redox process, so that a current measurement becomes possible in relation to the substrate concentration by means of the electrolytic oxidation of the reduced acceptor (Page 173 of the doen cited book).

In beiden Fällen ist eine immobilisierte Enzymschicht einem Sensor vorgeschaltet. Es ist auch bekannt, schlauchartige, oberflächlich"*mit Enzymen besetzte Reitoren in räumlicher Trennung von einem Sensor zu verwenden; auch hier ist das Enzym iirmtoilisiert und der Übergang zu einem anderen Enzym zwecks Untersuchung eines anderen Bestandteils des Meßgutes bedingt eine Auswechslung der gesamten Analysevorrichtung.In either case, an immobilized enzyme layer is one Sensor connected upstream. It is also known that tube-like, superficially "* occupied with enzymes Reitoren in spatial To use separation from a sensor; here, too, the enzyme is sterilized and the transition to another enzyme For the purpose of examining another component of the material to be measured, the entire analysis device needs to be replaced.

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Advantages of the invention

Die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung bezv7eckt, eine einheitliche Analysevorrichtung für verschiedene durch enzymatische Reaktionen der beschriebenen Art umsetzbare Substanzen zu schaffen, d.h. die gleiche Analysevorrichtung kann nach Bedarf für verschiedene Analysen eingesetzt werden. Insbesondere ist eine quasi-kontinuierliche Analyse von Blut und anderen biologischen Flüssigkeiten möglich, wobei durch einfache Umschaltung bestimmter Betriebsparameter eine sequentielle Abfrage verschiedener Analysenwerte durchgeführt werden kann.The invention characterized in the main claim bezv7eckt, a Uniform analysis device for various substances that can be converted by enzymatic reactions of the type described to create, i.e. the same analysis device can be used for different analyzes as required. In particular a quasi-continuous analysis of blood and other biological fluids is possible, with simple Switching of certain operating parameters a sequential query of different analysis values can be carried out.

Dies gelingt durch Übergang zum schwimmenden Verfahren, d.h. das Enzym wird dem Meßgut in flüssiger bzw. gelöster Form zugesetzt. Durch die damit eingeleitete Umsetzung des Substrats mit dem Enzym ändert sich der Anteil des zur Anzeige benutzten Reaktionsprodukts in dem Gemisch von Meß- und Enzymlösung zeitlich. Da es sich um ein Durchflußsystem handelt, führt diese zeitliche Abnahme zu einem vom Mischpunkt an über die gesamte rlußstrecke verteilten Konzentrationsaradienten. Die Zeit, die das Gemisch zum Zurücklegen einer definierten Strecke benötigt, ist durch die räumlichen Verhältnisse und die Durchflußrate bestimmt und stellt die für die Messung ausgenutzte Reaktionszeit dar. Am Anfang und am Ende dieser Meßstrecke befinden sich für den betreffenden Indikator empfindliche Sensoren, deren Anzeigedifferenz gemessen wird.This is achieved by switching to the floating method, i.e. the enzyme is added to the material to be measured in liquid or dissolved form. As a result of the reaction of the substrate with the enzyme initiated in this way, the proportion of that used for the display changes Reaction product in the mixture of measuring and enzyme solution in time. Since it is a flow system, leads this decrease over time to a concentration gradient distributed over the entire length of the river from the mixing point. the The time that the mixture needs to cover a defined distance depends on the spatial conditions and the flow rate determines and represents the reaction time used for the measurement. At the beginning and at the end of this measuring section there are sensitive sensors for the indicator in question, the display difference of which is measured.

Die Auswertung der von den beiden Sensoren gelieferten Meßsignale gestattet es, den Einfluß von unterschiedlichen Ausgangswerten der Indikatorkonzentration im Meßgut und/oder der Enzymlösuhg auf das Analysenergebnis auszuschließen, da aufgrund der zwei gewonnenen Meßwerte die zwei Veränderlichen, nämlich anfängliche Indikatorkonzentration und anfängliche Konzentration des Substrats in der Flüssigkeit, eindeutig bestimmbar sind; dies läßt sich mittels einer entsprechendenThe evaluation of the measurement signals supplied by the two sensors allows the influence of different output values exclude the indicator concentration in the material to be measured and / or the enzyme solution on the analytical result, since on the basis of the two measured values obtained, the two variables, namely the initial indicator concentration and the initial The concentration of the substrate in the liquid can be clearly determined; this can be done by means of a corresponding

I I t I tillI I t I till

till Iltill Il

elektronischen Auswertschaltung in bekannter Weise durchführen. Hierin liegt ein beachtlicher Vorteil dieser Vorrichtung, denn es erübrigt sich auf diese Weise,die Meßlösung und die Enzymlösung vorher auf einen genau definierten Indikatorgehalt einzustellen, wie es bei den bisher bekannten Vorrichtungen erforderlich, ist.Carry out electronic evaluation circuit in a known manner. This is a considerable advantage of this device, because In this way, the measuring solution and the enzyme solution are superfluous set beforehand to a precisely defined indicator content, as required with the previously known devices, is.

Description of the invention

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung v/erden nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Ji Längsschnitt einer Analysevorrichtung.Two exemplary embodiments of the invention are described below with reference to FIGS. 1 and 2. Ji Longitudinal section of an analysis device.

•^ anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Jede Figur zeigt einen• ^ described with reference to FIGS. 1 and 2. Each figure shows one

Die Analysevorrichtung nach Fig. 1 enthält einen Analysatorblock 1 mit einem in Längsrichtung verlaufenden, teilweise unterbrochenen Meßgutkanal 2 und mehreren seitlichen,The analysis device of Fig. 1 includes an analyzer block 1 with a partially interrupted material duct 2 running in the longitudinal direction and several lateral,

mit Gewinde versehenen Bohrungen. In diese sind Abzweiganschlüsse 3, 4, 5 und Sensoren 6 und 7 eingeschraubt. Die Sensoren sind hier als Meßelektroden ausgebildet. \ threaded holes. Branch connections 3, 4, 5 and sensors 6 and 7 are screwed into these. The sensors are designed here as measuring electrodes. \

|] Die zu analvsierende Meßlösung tritt mit definierter Fluß-|] The measurement solution to be analyzed occurs with a defined flow

rate von links in den Meßgutkanal des Analysatorblocks ein.rate from the left into the sample channel of the analyzer block.

(Λ * Durch den Abzvjeiganschluß 3 wird mit Hilfe einer Pumpe 8 aus ι einem Vorratsgefäß eine Enzymlösung mit definierter Förder- (Λ * Through the Abzvjeiganschluss 3 with the help of a pump 8 from ι a storage vessel, an enzyme solution with a defined conveying

rate zugeführt und mit der Meßflüssigkeit gemischt. Das Ge-rate supplied and mixed with the measuring liquid. The GE-

\ misch passiert die erste Meßelektrode 6 und wird dann durch \ mixed passes the first measuring electrode 6 and is then through

den' Abzweiganschluß 4 in die Umwegleitung 9 geführt. Durch den Abzweiganschluß 5 gelangt das Gemisch in den zweiten Kanalabschnitt des Analysatorblocks 1 und passiert die zweite Meßelektrode 7. Es fließt dann durch ein Anschlußstück 10 und eine Leitung 11 a zum Abfluß.the 'branch connection 4 led into the bypass line 9. The mixture passes through the branch connection 5 into the second Channel section of the analyzer block 1 and passes the second measuring electrode 7. It then flows through a connection piece 10 and a line 11 a to the drain.

Die Umwegleitung 9 besteht hier einfach aus einem S passender Länge. Diese Lösung ist einfach, billig und bequem; die Schlauchlänge läßt sich ohne Mühe an die jeweiligenThe detour line 9 here simply consists of an S of suitable length. This solution is simple, cheap, and convenient; the length of the hose can easily be adapted to the respective

ΪΙ- UM 11.1ΪΙ- UM 11.1

Erfordernisse anpassen. Die Zeit,die das Gemisch von Meß-
und Enzymlösung zwischen der ersten Meßelektrode 6 und der
zweiten Meßelektrode 7 benötigt, ist durch die räumlichen
Verhältnisse und die Durchflußrate bestimmt und stellt dieAdjust requirements. The time it takes for the mixture of measuring
and enzyme solution between the first measuring electrode 6 and the
second measuring electrode 7 required is due to the spatial
Ratios and the flow rate determines and sets the

für die Messung ausgenutzte Reaktionszeit dar·. ■ Ithe reaction time used for the measurement. ■ I

Die beschriebene Vorrichtung kann z.B. zur kontinuierlichen |The device described can, for example, be used for continuous |

Analyse von Blut hinsichtlich seines Gehalts an Glucose IAnalysis of blood for its glucose content I.

dienen.Da das im Blut enthaltene Hämoglobin durch seine i Since the hemoglobin contained in the blood through its i

Affinität zu Sauerstoff den der Messung zugänglichen Gehalt 1Affinity to oxygen the content accessible for measurement 1

f an gelöstem Sauerstoff in unvorhersehbarer Weise beeinflussen ^ f affect dissolved oxygen in an unpredictable manner ^

würde, ist die Vorschaltung eines Dialysators vor die eiaent- |a dialyzer is installed before the eiaent- |

liehe Analysevorrichtung vorgesehen. Dieser Dialysator be- '.borrowed analysis device provided. This dialyzer be '.

steht gemäß Fig. 1 aus zwei Gehäusehälften 11 und 12 mit ein- ■: is shown in Fig. 1 from two housing halves 11 and 12 with one ■:

ί gearbeiteten Kanälen 13, die z.B. spiralig verlaufen und auf- | ί machined channels 13, which for example run spirally and on |

einanderpassen. Zv/ischen beiden Gehäusehälften ist eine dünne I Folie eingespannt, die als semipermeable Membran dient undfit together. A thin film is clamped between the two halves of the housing and serves as a semipermeable membrane

z.B. aus Cellulosederivaten, Polycarbonat oder einem anderen te.g. from cellulose derivatives, polycarbonate or another t

Material besteht. Die Membran ist jedoch für korpuskulare |Material consists. However, the membrane is for corpuscular |

und hochmolekulare Bestandteile (z.B. Eiweißmoleküle) un- |and high molecular weight components (e.g. protein molecules) un- |

durchlässig. jpermeable. j

Das Meßgut (Blut) wird durch einen Schlauch 15, ein Anschluß-
f~) stück 16 und einen Kanal 17 auf die eine Seite der Membran
geleitet, fließt durch die Spiräwindungen des Kanals 13 an
der Membran entlang und wird schließlich durch einen Kanal 18
und eine Schlauchleitung 19 mit Hilfe der Pumpe 20 zurückgeführt. «Im Gegenstrom fließt auf der anderen Seite der Membran
eine Trägerflüssigkeit, die aus einem Vorratsgefäß mit Hilfe
• einer Pumpe 21 durch die Schlauchleitung 22 zugeführt wird.
Diese Tragerl^sung nimmt die für die Analyse interessierenden
Substanzen bis zu einer gewissen Gleichgewichtskonzentration
·■ aus dem Blut auf und wird dann der eigentlichen Analysenstrecke über den Kanal 40 zugeführt.The material to be measured (blood) is fed through a hose 15, a connection
f ~) piece 16 and a channel 17 on one side of the membrane
guided, flows through the spiral windings of the channel 13
along the membrane and is finally passed through a channel 18
and a hose line 19 fed back with the aid of the pump 20. “In countercurrent flows on the other side of the membrane
a carrier liquid that is drawn from a storage vessel with the help of
• is fed to a pump 21 through the hose line 22.
This carrier solution takes the one that is of interest for the analysis
Substances up to a certain equilibrium concentration
· ■ from the blood and is then fed to the actual analysis section via the channel 40.

Die Eichung der beschriebenen Vorrichtung geschieht vorzugsweise derart, daß anstelle des Meßgutes (Blut) eine Lösung bekannter Konzentration des betreffenden Bestandteils zugeführt wird, um den Einfluß des Austauschprozesses an der Membran in die Eichung einzubeziehen.The device described is preferably calibrated in such a way that a solution is used instead of the material to be measured (blood) known concentration of the constituent in question is supplied in order to reduce the influence of the exchange process on the Include the membrane in the calibration.

Bei der Glucosebestimmung wird über den Anschluß 3 Glucoseoxidase zugeführt. Die Sensoren 6 und 7 sind als sauerstoffempfindliche Meßketten mit Platinkathode ausgebildet.When determining the glucose, glucose oxidase is supplied via connection 3. The sensors 6 and 7 are sensitive to oxygen Electrodes formed with a platinum cathode.

Der vorgeschaltete Dialysator ist auf den Analysatorblock 1 aufgesteckt und kann als steriler Einmalartikel ausgebildet sein, der zur Untersuchung jedes Patienten ausgewechselt werden kann.The upstream dialyzer is attached to the analyzer block 1 and can be designed as a sterile disposable item that can be swapped out to examine each patient.

Die Umschaltung von einerEnzymlösung auf eine andere und damit die Messung eines weiteren Bestandteils kann ohne jede Schwierigkeit durchgeführt werden. So kann mit geringem Aufwand und sehr rasch eine Vielzahl von Parametern im Blut oder einer sonstigen Flüssigkeit quantitativ bestimmt werden.Switching from one enzyme solution to another and thus the measurement of another component can be carried out without any difficulty. So can with little effort and a large number of parameters in the blood or some other fluid can be quantified very quickly.

Eine andere Ausführungsform des Analyst-orblocks ist in Fig.2 dargestellt. In einem rohrförmigen Gehäuse 30 von vorzuns-Another embodiment of the analyst block is shown in FIG shown. In a tubular housing 30 of

ζ~) weise rundem Querschnitt befindet sich eine Anzahl von Isolierkörpern 31, die je einen axialen Meßgutkanal 32 aufweisen. Dieser Meßgutkanal bildet innerhalb jedes Isolierkörpers eine Meßkammer 33, die über eine seitliche Bohrung 34 des Isolierkörpers· zugänglich ist. In diese Bohrungen ragen Sensoren 35, 35a, Dosiervorrichtungen 36 oder sonstige Vorrichtungen, die in Wechselwirkung mit dem Meßgut in der betreffenden MeR-kammer 33 treuen solüei.Das Ganze wird durch an den Enden des Gehäuses30 angeordnete Anschlußstücke 37, 38 vervollständigt und * von einem eingeschraubten Stopfen 39 zusammengehalten. Die Sensoren, Dosiervorrichtungen 35 und 36 usw. sind in die Wand des Gehäuses30 eingeschraubt. With a round cross-section, there is a number of insulating bodies 31, each of which has an axial test material channel 32. This test material channel forms a measuring chamber 33 within each insulating body, which is accessible via a lateral bore 34 in the insulating body. In these bores sensors 35, 35a, metering devices 36 or other devices protrude, which in interaction with the material to be measured in the relevant MeR chamber 33 are true solüei screwed stopper 39 held together. The sensors, dosing devices 35 and 36 etc. are screwed into the wall of the housing 30.

Im vorliegenden Falle dient die Dosiervorrichtung 36 zur Zuführung der Enzymlösunq und zwei Sensoren 35 und 35a sind als sauerstoffempfindliche Elektroden ausgebildet. Zwischen den beiden Sensoren ist eine Reaktionsstrecke 23 eingeschaltet, die aus spiralförmigen Kanälen besteht. In die beiden Stirnflächen einer Kanalplatte 24 sind spiral formiere Kanäle 28, eingearbeitet, daren äußere Enden über eine Bohrung 27 miteinander in Verbindung stehen. Die Kanalplatte 24 ist von seitlichen Deckplatten 25 und 26 eingeschlossen. Das Gemisch von Meßflüssigkeit und Enzymlösung tritt aus dem zentralen Meßgut-In the present case, the metering device 36 serves to supply the enzyme solution and two sensors 35 and 35a are designed as oxygen-sensitive electrodes. Between A reaction path 23, which consists of spiral channels, is connected to the two sensors. In the two end faces a channel plate 24 are spirally formed channels 28, incorporated, the outer ends of which are connected to one another via a bore 27 stay in contact. The channel plate 24 is enclosed by lateral cover plates 25 and 26. The mixture of measuring liquid and enzyme solution emerges from the central

,-, kanal 32 des Isolierkörpers auf der Zuflußseite in einen ersten , -, channel 32 of the insulator on the inflow side in a first

spiralförmigen Kanal 28, durchläuft diesen von innen nach außen und wird durch die Bohrung 27 in einen zweiten spiralförmigen Kanal 29 geleitet, den es von außen nach- innen durchfließt. Schließlich gelangt es in den zentralen Meßgutkanal des Isolierkörpers auf der Abflußseite.spiral-shaped channel 28, runs through this from the inside to the outside and is through the bore 27 in a second spiral-shaped Channel 29, through which it flows from the outside to the inside. Finally it reaches the central material channel of the insulating body on the discharge side.

■ Selbstverständlich ist es auch möglich, die spiralförmigen Kanäle 28 und 29 in die Deckplatten 25 und 26 statt in die Kanalplatten 24 einzuarbeiten.■ Of course, it is also possible to use the spiral-shaped Incorporate channels 28 and 29 into cover plates 25 and 26 instead of into channel plates 24.

Zur Eichung der Analysevorrichtung werden dem Analysatorblock eine oder mehrere Flüssigkeiten mit bekanntem Glucosegehalt (") zugeführt. Die Konzentration der interessierenden Moleküle kann mittels bekannter mathematischer'Formeln aus den Elektrodenmeßwerten errechnet v/erden.To calibrate the analysis device, one or more liquids with a known glucose content are added to the analyzer block (") supplied. The concentration of the molecules of interest can be obtained from the measured electrode values by means of known mathematical formulas calculated v / earth.

Claims

1. Device for electrochemical-enzymatic analysis of flowing liquids through conversion of the material to be measured with an enzyme as an indicator of an organic component of the liquid, consisting of an Änalysatorblock with a Meßgutkanal, which forms several measuring chambers in its course, with sensors for certain ions or gases and / or dosing devices for the supply of the enzyme are connected, characterized by at least two sensors (6, 7; 35, 35a) sensitive to the indicator and a detour line (9; 28, 29) lying between the two sensors in the course of the product channel (2, 32), the measuring chambers with the sensors being spatially fixed in the analyzer block.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the detour line is designed as a hose (9).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the bypass line consists of spiral channels (28,29) on both sides of a plate (24).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized by a dialyzer (11, 12) for the material to be measured.

5. Device according to claim k, characterized in that the dialyzer is designed as a disposable article on the analyzer block on a plug-in device.

6. Apparatus according to claim k or 5> characterized in that the dialyzer contains a spiral channel (1 ^) divided in two in the longitudinal direction by a semipermeable membrane and that one part of the channel with connections (13, 19) for the liquid to be examined and the other part is connected to connections (22, ko) for a carrier liquid.

Dr. Hk / sch