DE2632710C3

DE2632710C3 - Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen

Info

Publication number: DE2632710C3
Application number: DE2632710A
Authority: DE
Inventors: Dietrich W. Prof. Dr.Med. 4600 Dortmund Luebbers; Norbert Dipl.- Phys. Dr. 4630 Bochum Opitz
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1979-11-08
Also published as: SE435657B; US4269516A; JPS5313983A; FR2359416A1; DE2632710A1; JPS6125094B2; CH619044A5; DE2632710B2; SE7708351L; GB1561239A; FR2359416B1; DK303677A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus einem, mindestens einen Monochromator und eine Lichlmeßeinrichtung enthaltenden Gehäuse sowie aus mindestens einem auf die Änderung der Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden, vom Monochromatorlicht durchsetzten Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher mindestens an der dem Meßobjekt zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässige Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurcl.lässige Fläche abgesperrt ist.

Ein auf die Änderung der Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierender, vom Monochromatorlicht durchsetzter Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher mindestens an der dem Meßobjekl zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässige Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchläsi'ge Fläche abgesperrt ist, wird im folgenden als »OPTODE« bezeichnet.

Bei Vorrichtungen dieser bereits vorgeschlagenen Art besteht die Schwierigkeit, daß die der Membran benachbart liegende Schicht des Indikators relativ schnell mit dem zu messenden Stoff in Verbindung kommt, während die weiter entfernt liegenden Schichten erst durch Diffusion erreichbar sind.

Zur Erhöhung der Einstellgeschwindigkeit besteht deshalb die Aufgabe, die Verteilungsgeschwindigkeit des zu messenden Stoffes in der Optode zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Indikator innerhalb der Optode bewegbar ist.

Dadurch wird die langsame Diffusionsausbreitung des zu messenden Stoffes umgangen und die Einstellgeschwindigkeit der Anordnung erhöht.

In einer ersten Ausbildung der Erfindung ist ein mechanischer Schwingungserzeuger an die Optode angekoppelt.

Durch mechanische Schwingungen lassen sich Stoff bewegungen auch in einer sehr dünnen Optode erreichen, insbesondere wenn als Schallquelle ein Ultraschallgenerator verwendet ist.

In einer anderen Ausbildung der Erfindung ist der flüssige Indikator mit einem durch elektrische oder mechanische Felder bewegbaren Stoff versehen und durch in der Optode erzeugte elektrische oder magnetische Felder in Bewegung versetzt. Auch kann der flüssige Indikator durch Verformung der Optode in Bewegung versetzbar sein.

Eine weitere Schwierigkeit bei dem Gebrauch einer Opiode besteht darin, daß die der durchlässigen Membran benachbart liegenden Schichten des den zu

messenden Stoff enthaltenden Trägermediums hinsichtlich des zu messenden Stoffes verarmt, weil dieser durch die Membran aus dem Raum des Trägermediums, Gas oder Flüssigkeit, verschwindet. Auch in diesem Fall wird die Verarmungszone durch Diffusion aufgefüllt. Da die Diffusion sehr langsam abläuft und proportional dem Konzentrationsgradienten ist, besteht die Aufgabe, zur Erhöhung der Einstellgeschwindigkeit den Konzentrationsgradienten an der Membran zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das c'en zu messenden Stoff enthaltende Trägermedium in Konvektion versetzbar ist.

Ein einfaches Mittel hierzu ist die Anordnung eines magnetisch bewegbaren Rührquirls in dem das Trägermedium enthaltenden Raum.

Es kann jedoch auch ein Umlauf des Trägermediums vorgesehen sein. Zur Messung an das Trägermedium führenden Leitungen ist es von Vorteil, wenn der Indikator zwischen einer für den zu messenden Stoff undurchlässigen Membran und einer für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran angeordnet ist und die für den zu messenden Stoff durchlässige Membran an ihrem Rand mit einer Klebeschicht versehen ist. Dadurch ist es möglich, die Anordnung auf einer öffnung in der Leitung anzubringen und die Konzentration des vorbeifließenden Stoffes zu messen.

Auf diese Weise können auch andere physikalische Parameter, wie Druck, Temperatur und dergl. gemessen werden, wenn nur die entsprechenden Indikatoren zur Verfügung stehen. Insbesondere kann auch die Blutgaskonzertration des die Haut oder ein Geweheteil durchströmenden Blutes gemessen werden, wenn die Membran auf der Haui oder auf dem durchbluteten Gewebeteil befestigt ist.

In einer weiteren günstigen Anordnung ist der Indikator und der zu messende Stoff senkrecht aufeinander und parallel zur Membran bewegt. Dadurch sind die Konzentrationsgradienten auf beiden Seiten der Membran permanent auf einem Maximum und die Einstellgcschwindigkeiten sind dann ebenfalls maximal.

Eine weitere Möglichkeit, die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen, besteht darin, die Membranfläche im Verhältnis zum Indikatorraum möglichst groß zu machen, indem der Indikator in eine eine kugelförmige Hülle bildende Membran von weniger als 10 μ Durchmesser zusammen mit einem magnetisierbaren Stoff eingeschlossen ist. Der Vorteil der Anordnung ist die geringe Diffusionsstrecke innerhalb der Membranhülle und die Möglichkeit, die Indikatorkugeln magnetisch relativ zu dem den zu messenden Stoff enthaltenden Trägermedium zu bewegen. Durch dem magnetisierbaren Stoff ist auch das Eintragen und Absondern der Indikatorkugeln aus dem Trägermedium durch magnetische Felder sehr einfach.

In einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung steht die Opiode abwechselnd mit zwei Konzer .rationsstufen des zu messenden Stoffes in Verbindung.

Wenn der Wechsel schnell erfolgt, kann zwar die Opiode nicht bis zur Sättigung des Indikators auf den jeweiligen Konzentrationswert gelangen, jedoch ist der erreichte Sättigungsgrad eine wohlbekannte Funktion der Konzentration und der Einwirkungszeit.

Da die Sättigung nach der bekannten Exponentialfunktion erfolgt, ist der Endwert der gesuchten Konzentration bereits aus dem ersten Meßwert und der Einwirkungszeit errechenbar. Damit ist die eigentliche Meßzeit erheblich verkürzbar.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig.! eine Anordnung mit Bewegbarkeit des zu

in messenden Stoffes,

Fig. 2 eine Anordnung mit bewegbarem Fluoreszenzindikator.

In F i g. 1 ist eine Optode 1 aus einer Membran 10, die für den zu messenden Stoff durchlässig ist und einer

is Membran 11, die für die zu messende Strahlung durchlässig ist, sowie aus einem Indikator 12 aufgebaut, die über ein optisch koppelndes Zwischenstück 2 an einen Monochromatorstrahlung 13 führenden Lichtleiter 3 angeschlossen ist. Die Membran 10 trennt die

M Optode 1 von der den zu messenden Stoff 400 enthaltenden Küvette 4 mit Zuleitungen, in der ein Rührquirl 5, der durch einen Motor 6 antreibbar ist, verhindert, daß sich an der Membran 10 durch Diffusion des zu messenden Stoffes in den Indikator hinein ein zu

2'' flacher Konzentrationsgradient vor der Membran 10 ausbildet.

Durch das entlang der Membran 10 streifend einfallende Licht des Monochromator 13 kann in der Küvette keine primäre Strahlung, also Meßsignal

3« entstehen, so daß die über ein optisches System 7 auf einen mit einem Filter 8 für die zu messende Strahlung 900 versehene Lichtmeßeinrichtung 9 fallende Strahlung nur aus der abstrahlenden Indikatorschicht 12 kommt. Die Zuleitung des Monochromatorlichies

3> erfolgt über einen Lichtleiter 3, mechanische Bewegungen werden beispielsweise durch einen Generator 102 erzeugt.

In Fig. 2 ist auch die Optode 1 durchströmbar ausgebildet. Stehen die beiden Strömungsrichtungen

■'<> senkrecht aufeinander, dann wird ein steiler Konzentrationsgradient auf beiden Seiten der Membran 10 erreich!.

Wird in einer Eingangszone 120 der strömende Indikator 12 in einer bestimmten Sättigungsstufe und

■'"' durch eine Abschattung 103 außerhalb Jc- Einwirkung des zu messenden Stoffes 400 in die Anordnung eingeleitet und sodann in der Zone 121 mit dem zu messenden Stoff 400 in Verbindung gebracht und beide Sättigungsstufen über die Lichtmeßeinrichtung 9 ge-

'·'< messen, dann entsteht ein der Konzentrationsdifferenz proportionales Signal, aus dem durch Extrapolation auf Grund des bekannten Exponentialgesetzes der Endwert der Sättigung berechnet werden kann.

In Ausführung der Messung werdeii, bspw. durch

"'■'' einen Schwingspiegel 90, nacheinander die Meßflächen 100 und 101, die beide den Indikator in verschiedenen Sättigungsstufen enthalten, auf dem Empfänger 9 abgebildet, so daß aus der Differenz der Strahlungsintensitäten deshalb die Konzentration in der Küvette

^lii meßbar ist. weil diese Differenz eindeutig von der Konzentration in der Küvette abhängt.

Hierzu 1 Blatt Zciclinunucn

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus einem, mindestens einen Monochromator und eine Lichtmeßeinrichtung enthaltenden Gehäuse, sowie aus mindestens einem auf die Änderung der Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden, vom Monochromatorlicht durchsetzten Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher mindestens an der dem Meßobjekt zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässige Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige fläche abgesperrt ist (Optode), dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator (12) innerhalb der Optode (1) bewegbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Schwingungserzeuger(102)an die Optode (!Jangekoppelt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator mit einem durch elektrische oder magnetische Felder mechanisch bewegbaren Stoff versehen und durch auf den Stoff wirkende elektrische oder magnetische Felder in Bewegung versetzt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Indikator durch äußere Verformung der Optode in Bewegung versetzbar ist.

5. Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus einem, mindestens einen Monochromator und eine Uchtmeßeinrichtung enthaltenden Gehäuse, sowie aus mindestens einem auf die Änderung der Sloffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden, vorn Monochromatorlicht durchsetzten Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher mindestens an der dem Meßobjekt zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässige Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist (Optode), dadurch gekennzeichnet, daß der den zu messenden Stoff enthaltende Träger (400) parallel zur Membran (10) in Konvcnktion versetzbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem das Trägermedium enthaltenden Raum (4) ein magnetisch bewegbarer Quirl (5) angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium (400) in Umlauf versetzt ist und eine Küvette (4) durchströmt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator zwischen einer für den zu messenden Stoff durchlässigen und einer für den zu messenden Stoff undurchlässigen Membran angeordnet ist und die für den zu messenden Stoff durchlässige Membran an ihrem Rand mit einer Klebeschicht versehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator (12) und der zu messende Stoff (400) senkrecht zueinander und parallel zur Membran (10) bewegt sind.

10. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator in eine beuteiförmige Hülle einer Membran von weniger als 10 μ Durchmesser zusammen mit einem magnetisicrba-

ren Stoff eingeschlossen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Optode abwechselnd mit zwei Konzentrationsstufen des zu messenden Stoffes in Verbindung steht.

12. Verfahren zur Messung mit einer Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Konzentrationsstufen zugeordneten Optodenflächen abwechselnd auf die Lichtmeßeinrichtung abgebildet sind und das Differenzsignal zur Anzeige gebracht ist.