CH637767A5

CH637767A5 - Anordnung zur optischen messung von stoffkonzentrationen.

Info

Publication number: CH637767A5
Application number: CH467078A
Authority: CH
Inventors: Dietrich Werner Luebbers; Norbert Opitz
Original assignee: Max Planck Gesellschaft
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-04-28
Publication date: 1983-08-15
Also published as: FR2389887A1; JPS6457148A; DE2720370A1; US4255053A; FR2389887B1; DK155028B; JPH022097B2; GB1602245A; DK155028C; JPS5417064A; DK196278A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus mindestens einem Monochromator, einer Lichtmesseinrichtung, und mindestens einem, im folgenden als Optode bezeichneten Indikatorraum, in dem ein Indikator angeordnet ist, der auf die Änderung der Konzentration eines zu messenden Stoffes mit einer Spektraländerung reagiert und der mindestens an der dem zu messenden Stoff 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.

Solche Anordnungen werden zur Messung von Stoffkonzentrationen verwendet. Es sind damit quantitative und geeichte Messungen dann möglich, wenn sich die spektrale Verteilungsfunktion des Indikators unter dem Einfluss der Stoffkonzentration eindeutig ändert.

Häufig stehen aber nur Indikatoren zur Verfügung, die unter dem Einfluss des Messobjektes ausschliesslich die Intensität der spektralen Verteilung ändern. Hier sind quantitative Messungen nicht möglich, wenn die Konzentration des Indikators, sonstige optisch verursachte Intensitätsänderungen oder elektronische Änderungen, bspw. die Verstärkung, nicht unterscheidbar in das Messergebnis eingehen. Dadurch fällt eine grosse Anzahl von Fluoreszenz-, Absorptions-, Reflexions- und Lumineszenzindikatoren für solche Messungen aus.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist nach der Erfindung dem Indikator ein weiterer Referenzindikator zugefügt, der das Messlicht verändert und der von der Konzentration des zu messenden Stoffes nicht verändert wird.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass Indikatoren, die nur die Intensität der Spektralverteilung ändern, nun-

35 Bei einer Quotientenbildung fallen also bei dieser bevorzugten Auswahl des Messindikators die Verzerrungen v(t) heraus, der Quotient ist verzerrungsfrei.

Es lassen sich jedoch weiterhin auch Referenzindikatoren verwenden, deren Wellenlängen mit den Wellenlängen des 40 Messindikators übereinstimmen.

Haben nämlich die Messignale die Form:

(3)

45

Ml = SitJ^), P] ■ v(t) + SJJ^)] • v(t) m2 = s.'tr^), P] • v(t) + S2[J2(X2)] • v(t)

mit den durch die Überdeckung entstehenden zusätzlichen wahren Signalen S1'(J2> ^i) (durch den Referenzindikator erzeugt) so und S2'(Ji. ^2) (durch den Messindikator erzeugt), dann fällt -wenn die Verzerrung v(t) von allen anderen Versuchsbedingungen unabhängig und dadurch, wie in Gl. (l)-(3) angenommen, mathematisch separierbar ist - ebenfalls v(t) heraus und es ist:

(4)

Ml = s^j^xo, p] + Sj'p^it)] M2 S2'[J1(X2),P] + S2[J2(X2)]

Wenn nun auch die Wirkung f (P) der zu messenden Stoff -60 konzentration P mathematisch separierbar ist, dann ergibt sich:

(5)

Mi _ Si-f(P)+ Sx' M2 S2'f(P) + S2

65

Gl. (5) ist der Quotient zweier linearer Funktionen in f(P), deren Konstante, Sx, Sj', S2', S2 durch Einzelmessung für jeden Indikator bei bekannter Konzentration P bestimmbar ist. Auf

3

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diese Weise lässt sich leicht ein Umrechnungsnomogramm aus Gl. (5) erstellen. Praktisch wichtiger ist jedoch die Verwendun

M,

von Eichkurven = F(P), die experimentell für jedes gegebene Indikatorgemisch erstellt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Spektrum des Referenzindikators durch äussere Mittel verschieblich. Der Vorteil liegt darin, dass additive Störkomponenten ausgeschaltet werden können, wenn durch äussere Mittel wie Temperatur, Belichtung oder ähnliches das Spektrum des Referenzindikators veränderbar ist und die Differenz aus dem verschobenen und dem unverschobenen Signal gebildet ist. Der Zusammenhang zwischen der Stoffkonzentration und der Verschiebung durch das äussere Mittel wird ebenfalls zweckmässig . durch eine Eichkurve ermittelt. Additive Störkomponenten können aber auch mit Hilfe der Mehrkomponentenanalyse nach WODICK und LÜBBERS (Natwiss. 59/362/197 eliminiert werden.

In einer weiteren Ausführungsart der Erfindung ist die Konzentration des Referenzindikators stufenweise in unterschiedliche Eichbereiche eingestellt. Der Vorteil besteht darin, dass nunmehr geeichte Optoden herstellbar sind.

Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Indikato-5 ren in Folien eingesiegelt sind, weil solche Folien dann licht-und gasdicht verpackbar sind, sodass auf diese Weise Eichnormale geschaffen werden können, mit denen die Messgeräte zur Optodenmessung dann geeicht werden können. Ausserdem können Optimalbereiche für die Messung festgelegt werden, io Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn mehrere räumlich getrennte Gebiete unterschiedlicher Konzentration auf einer Folie angeordnet sind, weil damit eine schnelle Auffindung des optimalen Eichbereiches möglich ist.

Zur Erläuterung der Erfindung seien hier noch zwei in der 15 Praxis gut verwendbare Rezepturen angegeben. Die Messung von Sauerstoff kann beispielsweise mit Pyrenbuttersäure als Messindikator und Rhodamin-B als Referenzindikator erfolgen. Die Messung von C02 kann mit Betamethylumbelliferon als Messindikator und Benzoeflavin bzw. 3,6 Tetramethyldiamino-20 xanthon als Referenzindikator ausgeführt werden. In beiden Fällen ist das Mischungsverhältnis unkritisch und etwa 1:1 für Messindikator zu Referenzindikator.

C

1 Blatt Zeichnungen

Claims

637 767 2 PATENTANSPRÜCHE

(1)

Mx = SAJìOh), P]v(t); M2 = S2[J2(X2)] v(t)

25 die Messignale, die Grössen Sx; S2 die wahren Signale bei den Wellenlängen \u \2, der Messindikator, J2 der Referenzindikator, v(t) der die Intensitätsverzerrung beschreibende Faktor, der auch zeitabhängig sein kann, sowie P die Konzentration des zu messenden Stoffes, dann ist

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1. Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus mindestens einem Monochromator, einer Lichtmesseinrichtung und mindestens einem Indikatorraum, in dem ein Indikator angeordnet ist, der auf die Änderung der Konzentration eines zu messenden Stoffes mit einer Spektraländerung reagiert und der mindestens an der dem zu messenden Stoff zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässigen Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Indikator ein weiterer Referenzindikator zugefügt ist, der das Messlicht verändert und der von der Konzentration des zu messenden Stoffes nicht verändert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere, als Mikroräume ausgebildete Indikatorräume aufweist, und dass Referenzindikator und Indikator in verschiedenen Mikroindikatorräumen angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzindikator keine Wellenlänge mit dem Indikator gemeinsam hat.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum des Referenzindikators durch äussere Mittel verschieblich ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Referenzindikators in unterschiedliche Eichbereiche eingestellt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich getrennte Gebiete auf einer gleichen Folie mit unterschiedlicher Konzentration des Referenzindikators eingestellt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Indikatorfolien licht- und gasdicht verpackt sind.

mehr auch für quantitative, geeichte Messungen als Messindikatoren verwendbar sind. Dies gilt für Indikatoren mit reinen Absorptionsspektren und für solche mit einer reinen Intensitätsänderung der Fluoreszenz, der Lumineszenz oder der Reflexion.

5 Vor allem bei der Verwendung von Mikro- bzw. Nanoopto-den, also bei kleinsten Optoden mit einem Durchmesser von weniger als 10 jxm, die Trägersubstanzen zugefügt werden können, ist häufig die Bestimmung der Optodenkonzentration bzw. der relativen Optodenkonzentration nicht möglich. Diese Be-10 Stimmung kann mit Hilfe von Optoden, denen ein Referenzindikator zugefügt worden ist, vorgenommen werden. Dabei besteht die Möglichkeit, den Referenzindikator in gesonderten Mikro-oder Nanooptoden anzuordnen, oder ihn mit dem Messindikator zu mischen, soweit keine gegenseitige Beeinflussung der In-is dikatoren eintritt.

Eine besonders vorteilhafte Auswahl des Referenzindikators besteht darin, dass der Referenzindikator keine Wellenlänge mit dem Messindikator gemeinsam hat.

Sind nämlich
(2)

Ml = SJJ^QPl-vÇt) = _Si_ M2 S2[J2(X2)] • v(t) S2