AT391949B

AT391949B - Die optische messung von stoffkonzentrationen

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Publication number: AT391949B
Application number: AT0515779A
Authority: AT
Original assignee: Max Planck Gesellschaft
Priority date: 1978-07-29
Filing date: 1979-07-26
Publication date: 1990-12-27
Also published as: US4306877A; ATA515779A; DE2833356A1; DE2833356C2

Description

Nr. 391 949

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bei dem Licht aus einem Monochromator auf einen auf die Änderung einer Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden Indikator eingestrahlt wird, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewandten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist, und bei dem das vom Indikator ausgehende Licht in zumindest einer Lichtmeßeinrichtung gemessen wird.

Bei Anordnungen der vorbeschriebenen Art ist es bei Präzisionsmessungen erforderlich, die Eichung der verwendeten Indikatoren vorzunehmen. Dies ist insofern von Bedeutung, als der Indikator durch die Absperrung durch die Membran nicht ohne weiteres zugänglich ist.

Im Folgenden wird ein Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist, als OPTODE bezeichnet.

Die Eichung einer solchen Optode kann zwar derart erfolgen, daß diese einer Eichsubstanz bekannter Konzentration ausgesetzt wird. Es gibt jedoch Fälle, in denen die Entfernung der Optode vom Meßobjekt sehr hinderlich ist, wie dies beispielsweise bei Messungen mittels eines Katheters in den Blutgefäßen der Fall ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der mit dem zu messenden Stoff in Kontakt stehende Indikator während der Messung zusätzlich in Kontakt mit einem Vergleichsstoff bekannter, willkürlich wählbarer bzw. veränderbarer Konzentrationen gebracht, und die Konzentration des Vergleichsstoffes so lange verändert, bis das Meßsignal, das von dem zu messenden Stoff alleine veränderten Indikator ausgeht dem Meßsignal entbricht, daß von dem durch den vom Vergleichsstoff veränderten Indikator ausgeht oder daß das Meßsignal, das von dem durch den zu messenden Stoff alleine veränderten Indikator ausgeht und das Meßsignal, das von dem durch den Vergleichsstoff veränderten Indikator ausgeht je für sich gemessen und angezeigt werden und aus ihrem Verhältnis die Konzentration des zu messenden Stoffes bestimmt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß Eichungen sofort und auch während der Messungen vorgenommen werden können.

Vorteilhaft wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Vergleichsstoff eine Mischung aus dem zu. messenden Stoff und einer Trägersubstanz eingesetzt.

Die Erfindung betrifft weiters eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer von einem Monochromator beschienenen Optode, die einem Raum für den zu messenden Stoff zugeordnet ist, deren spektral sich in Abhängigkeit von der Konzentration des zu messenden Stoffes verändernde Strahlung in einer, einen Teil der Anordnung bildenden Lichtmeßeinrichtung meßbar ist.

Vorteilhaft ist erfindungsgemäß die Optode einem Raum der einen Vergleichsstoff bekannter bzw. willkürlich wählbarer bzw. veränderbarer Konzentration enthält, vorgelagert, und es ist die mit der Lichtmeßeinrichtung die durch den Vergleichsstoff veränderte Strahlung der Optode feststellbar bzw. meßbar und damit die Konzentration des zu messenden Stoffes bestimmbar.

Erfindungsgemäß ist vorteilhaft im Raum für den Vergleichsstoff ein optisch transparenter Vergleichsstoff bekannter Konzentration vorgesehen und dieser Raum an der dem Raum, der den zu messenden Stoff enthält, gegenüberliegenden Seite der Optode angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit mehreren Lichtmeßeinrichtungen wird die Optode aus mindestens zwei Teiloptoden gebildet, wobei die eine Teiloptode mit mindestens einem Raum für den Vergleichsstoff und die andere Teiloptode mit dem Raum für den zu messenden Stoff in Wechselwirkung stehen und die dem von den Teiloptoden ausgehenden Licht entsprechenden Signale jeweils einer Lichtmeßeinrichtung zugeführt sind.

Vorteilhaft ist nach der Erfindung der Raum für den Vergleichsstoff als Durchströmkammer ausgebildet. Hierbei kann dann eine Nullmethode Verwendung finden, bei der die Konzentration des Vergleichsstoffes solange geändert wird, bis er die gleiche Spektraländerung wie das Meßobjekt zeigt

Dann kann die Messung auch dadurch erfolgen, daß das Mischungsverhältnis anzeigbar ist, wenn die Nullmethode zur Verwendung kommt

Eine Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß das Mischungsverhältnis selbsttätig regelbar ist wobei die Stellgröße durch das Signal der Lichtmessung bestimmt ist

Bei dieser Methode kann die eigentliche Messung mittels der leichter beherrschbaren Messung des Mischungsverhältnisses zweier Substanzen erfolgen.

Besonders einfach ist die Messung dann, wenn der Veigleichsstoff gasförmig ist weil dann die verwendeten Substanzen einfach vermischt und auch entfernt werden können.

Auch hat die Verwendung von Eichflüssigkeiten einige Vorteile, wie insbesondere die Temperierung und die Hinleitung zur Optode.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Anlage nach der Erfindung stehen die Teiloptoden, der Monochromator und die Lichtmeßeinrichtungen mit Lichtleitern, die einen gemeinsamen Mittelstrang aufweisen, in Verbindung, wobei der Mittelstrang an der den Meßräumen zugeordneten Seite in einen ersten und einen zweiten Lichtleiter aufgeteilt ist, und an der dem Monochromator und den Lichtmeßeinrichtungen zugewandten Seite in einen dritten, einen vierten und einen fünften Lichtleiter aufgeteilt ist, und wobei am objektseitigen Ende des zweiten Lichtleiters die eine Teiloptode angeordnet ist, die mit der Lichtmeßeinrichtung über den zweiten Lichtleiter, den Mittelstrang und den fünften Lichtleiter verbunden ist, und am Ende des dritten Lichtleiters der -2-

Nr. 391 949

Monochromator angeordnet ist, der über den Mittelstrang und den zweiten Lichtleiter mit der Teiloptode sowie über den Mittelstrang und den ersten Lichtleiter mit der anderen Teiloptode verbunden ist, und wobei am Ende des vierten Lichtleiters die Lichtmeßeinrichtung angeordnet ist, die über den Mittelstrang und den ersten Lichtleiter mit der anderen Teiloptode in Verbindung steht. 5 Durch diese Anordnung ist es ermöglicht, den Vergleichsstoff außerhalb des Objektes zu verwenden, was insbesondere bei der Katheterisierung in den Blutgefäßen zu einer Verringerung der Belastung von Patienten führt.

Bei einer weiteren vorteilhaften einfachen Anordnung gemäß der Erfindung bildet der Raum für den Vergleichsstoff den Kopf eines aus einem Lichtleiter bestehenden Katheters und sind die Zuleitungen zu diesem Raum mit dem Lichtleiter fest verbunden. 10 Durch diese Anordnung ergibt sich eine sehr einfache Vorrichtung, wenn an schwer zugänglichen Stellen gemessen werden soll.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung bestehen die Zuleitungen zu dem Raum für den Vergleichsstoff und dieser Raum einstückig aus einem Schlauch aus Polyvinylchlorid, worin der Indikator eingesiegelt ist 15 Erfmdungsgemäß ist bei der Anlage der Teil des Schlauches, der den Raum für den Vergleichsstoff bildet, als

Membran ausgebildet und deckt das Ende des Lichtleiters ab.

In der nachfolgenden Zeichnung sind verschiedene Einzelheiten der Erfindung zur Erläuterung schematisch dargestellt: Es zeigen:

Fig. 1: Eine zwischen Meßobjekt und Vergleichskammer eingeschlossene Optode, 20 Fig. 2: Eine Anordnung mit zwei Teiloptoden,

Fig. 3: Einen Lichtleiter mit einer unabhängigen Vergleichsoptode,

Fig. 4: Eine Vergleichskammer am Kopf eines Lichtleiters,

Fig. 5: Eine Vergleichskammer aus einem Schlauch mit einpolymerisisertem Indikator.

In Fig. 1 wird eine Meßkammer (10) vom Objekt (1) durchflossen. Die Meßkammer (10) ist durch eine 25 Optode (30) abgeschlossen. Auf der der Meßkammer (10) gegenüberliegenden Seite der Optode (30) ist eine Vergleichskammer (20) angeordnet, die ebenfalls mit der Optode (30) in Wirkverbindung steht und von einem Vergleichsstoff (2) bekannter Konzentration durchströmt ist. Eine Beleuchtungseinrichtung (40) sendet monochromatisches Licht (400) aus, das die Optode (30) trifft. Das von der Optode ausgehende Licht (401), sei es reflektiertes Licht oder Fluoreszenzlicht, trifft die Lichtmeßeinrichtung (50) und erzeugt dort ein Signal in 30 der Anzeigevorrichtung (60). Die Mischung des Vergleichsstoffes (2) wird nun derart verändert, bis die Anzeige der Anzeigevorrichtung den gleichen Wert hat, wie er ohne den Vergleichsstoff vorlag. Dann stimmt die Mischung des Vergleichsstoffes, dessen Konzentration leicht einstellbar ist, mit der Konzentration des Meßobjektes überein.

Bei einer Anordnung nach Fig. 2 werden zweckmäßig zwei Lichtmeßeinrichtungen (50) bis (60) wie in 35 Fig. 1 verwendet, die die spektrale Änderung der Teiloptode (31), die mit dem Meßobjekt (1) in Wirkverbindung steht, und der Teiloptode (32), die mit dem Vergleichsstoff (2) in Wirkverbindung steht, messen. Zeigen beide Anzeigeeinrichtungen den gleichen Wort an, dann ist wegen der bekannten Konzentration des Vergleichsstoffes (2) auch die Konzentration des Meßobjektes bekannt

Diese Anordnung hat auch den besonderen Vorteil, daß sich Schwankungen der Spektralverteilung des 40 Monochromators (40) ausgleichen, wenn der gleiche Optodentyp für beide Teiloptoden verwendet wird, weil dadurch in beiden Strahlengängen der gleiche Filterfaktor auf die Strahlungsintensität wirksam ist

In Fig. 3 ist ein Lichtleiter (100) am objektseitigen Ende in zwei Teilstränge (101) und (102) aufgespalten und besteht am zweiten Ende aus drei Teilsträngen (103), (104) und (105). Die Fasern des Teilstranges (103), an dem ein Monochromator (41) angeordnet ist, werden in vorbestimmten Verhältnis in die 45 Teilstränge (101) und (102) geleitet, während die Fasern des Teilstranges (104), an dem ein Empfänger (51) angeordnet ist, nur zum Teilstrang (101) laufen und die Fasern des Teilstranges (105), an dem ein Empfänger (52) angeordnet ist nur zum Teilstrang (102) geführt sind. In Teilstrang (102) befinden sich sonach Fasern zum Empfänger (52) und zum Monochromator (41), in Teilstrang (101) verlaufen Fasern zum Empfänger (51) und zum Monochromator (41). An der Endfläche der Teilstränge (102) und (101) sind diese Fasern 50 statistisch oder in zweckmäßiger räumlicher Verteilung festgelegt. Es gibt dort demnach Fasern die die Beleuchtung der Vergleichskammer (20) und des Objektes (1) vornehmen und solche, die das von dort ausgehende Licht zu den Empfängern zurückleiten. Zwischen der Vergleichskammer und der Endfläche des Teilstranges (102), sowie zwischen dem Objekt (1) und der Endfläche des Teilstranges (101) befinden sich die Optoden (30) und (31), die mit der Vergleichskammer (20) und dem Objekt (1) in Wirkverbindung stehen. 55 Zur Verdeutlichung sind die Abstände in der Zeichnung vergrößert. Mit dieser Anordnung können nunmehr gleichzeitig die Optoden (31) und (30) beleuchtet und ausgemessen werden. Wenn die Signale der Anzeigevorrichtungen (61) und (62) übereinstimmen, dann ist auch die Konzentration des gemessenen Stoffes bei dem Objekt (1) und bei der Vergleichskammer (20) gleich.

Die Signale können in bekannter Weise elektronisch verglichen, oder nur das Differenzsignal erzeugt und 60 angezeigt werden. Die dazu erforderlichen Anordnungen sind bekannt und in der Zeichnung nicht dargestellt. In

Fig. 4 ist ein Lichtleiter (100) vorgesehen, der die Hinleitung von Monochromatorlicht zu der Optode (30) und die Rückleitung des reflektierten Lichtes oder des Fluoreszenzlichtes aus der Optode vomimmL Die Optode (30) -3-

Claims

Nr. 391 949 steht in Wirkverbindung mit der Vergleichskammer (20) deren Zuleitungen (201) und (202) fest mit dem Lichtleiter (100) verbunden sind. Zur besseren Übersicht sind die Zuleitungen getrennt vom Lichtleiter gezeichnet Die richtige Konzentration wird durch die Optode dann angezeigt, wenn sich die Farbe der Optode bei durchgeleitetem Vergleichsstoff (2) nicht ändert In Fig. 5 bestehen die Vergleichskammer und die Zuleitungen aus einem Schlauch bspw. aus Polyvinylchlorid 2000, in den der Indikator in bekannter Weise eingesiegelt ist. Das hat den Vorteil, daß dieses Teil einstückig sein kann. Auch Agar oder Silikon ist als Material verwendbar. Weiterhin kann die Vergleichskammer (200) abwechselnd perfundiert und entleert werden, sodaß noch genauer der Einfluß des Meßobjektes auf die Optode mit dem Einfluß des Vergleichsstoffes verglichen werden kann. Anordnungen nach Fig. 5 können darüberhinaus aber auch in Zusammenwirkung mitPolarografiesonden und dergl. verwendet werden. Hiebei wird die Vergleichskammer als Membran (Doppelmembran) zur Abdeckung der Polarografiesonde gegen den Außenraum verwendet Der zu messende Stoff erreicht also die polaragrafischen Elektroden nach Diffusion durch die beiden, die Wand der Vergleichskammer bildenden Schlauchteile. Insoweit bildet die zusammengepreßte Vergleichskammer die Abdeckungsmembran. Will man die Polarografiesonde eichen, läßt sich die Vergleichskammer mit Hilfe eines Vergleichsstoffes perfundieren, sodaß nun dieser Vergleichsstoff durch die Wand der Vergleichskammer, die jetzt noch die Polarografiesonde abdeckt, die polarografischen Elektroden erreicht. Auf diese Weise läßt sich auch eine polarografische Sonde mit einer Anordnung nach Fig. 5 eichen. Dabei ist natürlich der eingesiegelte Indikator entbehrlich und bei der Messung am Objekt ist zu beachten, daß der zu messende Stoff eine doppelte Membran zu durchqueren hat. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bei dem Licht aus einem Monochromator auf einen auf die Änderung einer Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden Indikator eingestrahlt wird, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewandten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist, und bei dem das vom Indikator ausgehende Licht in zumindest einer Lichtmeßeinrichtung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem zu messenden Stoff in Kontakt stehende Indikator während der Messung zusätzlich in Kontakt mit einem Vergleichsstoff bekannter, willkürlich wählbarer bzw. veränderbarer Konzentration gebracht wird, und daß die Konzentration des Vergleichsstoffes so lange verändert wird, bis das Meßsignal, das von dem vom zu messenden Stoff alleine veränderten Indikator ausgeht, dem Meßsignal entspricht, das von dem durch den vom Vergleichsstoff veränderten Indikator ausgeht oder daß das Meßsignal, das von dem durch den zu messenden Stoff alleine veränderten Indikator ausgeht und das Meßsignal, das von dem durch den Vergleichsstoff veränderten Indikator ausgeht, je für sich gemessen und angezeigt werden und aus ihrem Verhältnis die Konzentration des zu messenden Stoffes bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsstoff eine Mischung aus dem zu messenden Stoff und einer Trägersubstanz eingesetzt wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer von einem Monochromator beschienenen Optode, die einem Raum für den zu messenden Stoff zugeordnet ist, deren spektral sich in Abhängigkeit von der Konzentration des zu messenden Stoffes verändernde Strahlung in einer einen Teil der Anordnung bildenden Lichtmeßeinrichtung meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Optode (30) einem Raum (20), der einen Vergleichsstoff (2) bekannter bzw. willkürlich wählbarer bzw. veränderbarer Konzentration enthält, vorgelagert ist, und daß mit der Lichtmeßeinrichtung (50) die durch den Vergleichsstoff veränderte Strahlung der Optode (30) feststellbar bzw. meßbar und damit die Konzentration des zu messenden Stoffes bestimmbar ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum (20) ein optisch transparenter Vergleichsstoff (2) bekannter Konzentration vorgesehen ist und dieser Raum (20) an der dem Raum (10), der den zu messenden Stoff enthält, gegenüber liegenden Seite der Optode (30) angeordnet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 mit mehreren Lichtmeßeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Optode (30) aus mindestens zwei Teiloptoden (31,32) gebildet ist, wobei die Teiloptode (32) mit mindestens einem Raum (20) und die Teiloptode (31) mit dem Raum (10) für den zu messenden Stoff (1) in -4- Nr. 391 949 Wirkverbindung stehen und daß die dem von den Teiloptoden (31, 32) ausgehenden Licht entsprechenden Signale jeweils einer Lichtmeßeinrichtung (50) zugeführt sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (20) für den Vergleichsstoff als Durchströmkammer ausgebildet ist
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teiloptoden (31, 32), der Monochromator (41) und die Lichtmeßeinrichtungen (50', 50") mit Lichtleitern (101,102, 103, 104, 105), die einen gemeinsamen Mittelstrang (100) aufweisen, in Verbindung stehen, wobei der Mittelstrang (100) an der den Meßräumen (10, 20) zugeordneten Seite in einen ersten (101) und einen zweiten (102) Lichtleiter aufgeteilt ist, und an der dem Monochromator (41) und den Lichtmeßeinrichtungen (50', 50") zugewandten Seite in einen dritten (103), einen vierten (104) und einen fünften (105) Lichtleiter aufgeteilt ist, und wobei am objektseitigen Ende des zweiten Lichtleiters (102) die Teiloptode (32) angeordnet ist, die mit der Lichtmeßeinrichtung (50") über den zweiten Lichtleiter (102), den Mittelstrang (100) und den fünften Lichtleiter (105) verbunden ist, und am Ende des dritten Lichtleiters (103) der Monochromator (41) angeordnet ist, der über den Mittelstrang (100) und den zweiten Lichtleiter (102) mit der Teiloptode (32) sowie über den Mittelstrang (100) und den ersten Lichtleiter (101) mit der Teiloptode (31) verbunden ist, und wobei am Ende des vierten Lichtleiters (104) die Lichtmeßeinrichtung (50') angeordnet ist, die über den Mittelstrang (100) und den ersten Lichtleiter (101) mit der Teiloptode (31) in Verbindung steht. S. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (20) für den Vergleichsstoff (2) den Kopf eines aus einem Lichtleiter (100) bestehenden Katheters bildet und das Zuleitungen (201, 202) zu dem Raum (20) mit dem Lichtleiter (100) fest verbunden sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (201, 202) zu dem Raum (20) und der Raum (20) einstückig aus einem Schlauch aus polymerisiertem Polyvinylchlorid bestehen, in das der Indikator eingesiegelt ist
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Schlauches, der den Raum (20) bildet, als Membran ausgebildet ist und das Ende des Lichtleiters (100) abdeckt. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen