DD274673A1 - Elektrochemische messzellenanordnung - Google Patents

Abstract

Analyse von Flüssigkeiten und Gasen, erhöhter Probendurchsatz, Messfehlerverringerung, Sensoren mit ungünstigem Driftverahlten, spalten- oder zeilenweise Reihung, Ventil, miniaturisierter Ventilkopf, mechanisch flexible Stellweg- und Stellkraftübertragung, Stellenantrieb

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diu Erfindung betrifft eine elektrochemische Meßzellenanordnung für die Analyse von Flüssigkeiten und Gasen im klinischen Laborbetrieb zur Ermittlung diagnostischer Parameter und für den Einsatz in der Qualitäts- und Produktionskontrolle elektrochemischer Sensoren zur Ermittlung deren charakteristischer Kenngrößen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Das Einsatzgebiet elektrochemischer Sensoren ist sehr vielfältig und reicht von der Präzisionsmessung im Labor bis zur Kontrolllmessung unter rauhen !iidustriebedingungen.

Um eine einwandfreie Funktion zu garantieren, werden diese Sensoren oft in spezielle Geberarmaturen oder Meßzellen eingebaut. Häufig werden dor pH-Wert, die O₂- und CO₂-Konzentration gemessen.

Alle diese Sensoren sind nur verwendbar, wenn sie von Zeit zu Zeit kalibriert werden, da ihre charakteristischen Daten, wie z. B.

Steilheit und Nullpunkt (Kettennullpunkt), einer Drift unterliegen. Je nach dem speziellen Sensortyp, dessen Einsatzfall und den damit verbundenen Forderungen nach Präzision und Richtigkeit des Meßergebnisses sind diese Kalibrierzyklen im Abstand von wenigen Minuten bis zu einem Zeitraum von etwa Ί Monaten auszuführen. Besonders bei Präzisionsmessungen schränkt der zeitliche Aufwand für die Kalibrierung der Sensoren deren Verfügbarkeit für die eigentliche Messung z.T. erheblich ein. Der Kalibrierzyklus besteht immer aus einer seriellen Folge von Betriebszuständen, denen die in der Meßzelle befindlichen elektrochemischen Sensoren ausgesetzt werden. Das betrifft zum Beispiel: Füllen, Kalibrieren, Leeren, Spülen, Trocknen, Formieren usw. Ist es erforderlich, diesen Kalibrierzyklus nach einer Messung oder wenigen Bestimmungen ständig zu wiederholen, wie es beispielsweise in der Blutgasanalyse bei den gassensitiven Sensoren der Fall ist, so wird der Probendurchsatz im wesentlichen nur noch von den Kalibriermodi bestimmt. Deshalb stellt die Zahl der pro Zeiteinheit untersuchten Proben für elektrochemische Analyseneinrichtungen ein wesentliches Qualitätsmerkmal dar.

Es wird versucht, diese Nachteile dadurch einzuschränken, daß man entweder ausgesuchte Sensoren mit günstigem Driftverhalten einsetzt oder den Meßvorgang vorzeitig abbricht und den stationären Endwert des Meßsignals unter Anwendung von Exrapolationsalgorithmen berechnet.

Im ersten Fall werden entweder durch aufwendige Fertigungstechnologien, verbunden mit besonderen Selektionsmaßnahmen, Sensoren mit den erforderlichen Eigenschaften hergestellt, im zweiten Fall vergrößern sich sowohl der systematische als auch

der zufällige Fehler, da die Übergangsfunktionen von Exemplar zu Exemplar aus fertigungstechnischen und von Messung zu Messung meist aus Theologischen Gründen variieren. Des weiteren ist auch bekannt, mittels spezieller Vorrichtungen die Kalibrier- und Meßmedien so umzulenken, daß ein Teil der sich in der Meßzelle befindenden Sensoren der Meßlösung, der andere Toil der Kalibrierlösung ausgesetzt werden. Derartige Umlenkeinrichtungen, meist eine Art Drehschieberventil, weisen jedoch einen komplizierten Aufbau auf und sind gegenüber Verschmutzungen durch Partikel oder Verkantungen anfällig.

Außerdem lassen sich Vermischungen zwischen den einzelnen Medien kaum ausschließen.

In der klinischen Laborpraxis ist der begrenzte Probendurchsatz von Nachteil, da die Proben stoßweise anfallen und nur bei sofortiger Analyse die Meßergebnisse eine Grundlage für eine fundierte Diagnose bilden. Oft hilft sich der Betreiber durch den Einsatz eines weiteren Gerätes.

Qieser Nachteil macht sich in einem anderen Fall ebenfalls ungünstig bemerkbar. So muß der Hersteller elektrochemischer Sensoren deren charakteristische Daten in der Produktionsüberwachung und Gütekontrolle erfassen und auswerten. Dazu werden diese Sensoren in Meßzellen eingebracht und verschiedenen Prüfzyklen unterworfen, die don Kalibrierzyklen ähnlich sind. Es lassen sich damit zwischen jeder Bestückung der Meßzelle Wartezeiten nicht ausschließen.

ZIoI der Erfindung

Das Ziel der b'rfindung Ist es, die Zahl der pro Zeiteinheit untersuchten Proben bzw. Sensoren bei elektrochemischen Analysengeräten oder Fertigungsprüfainrichtungen zu erhöhen, ohne daß der Meßfehler vergrößert und dio Steuereinheit dieser Meßeinrichtungen wesentlich erweitert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Meßzellenanordnung sowohl zur Prüfung elektrochemischer Sensoren im Fertigungsprozeß als auch zur elektrochemischen Konzentrationsbestimmung in Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere in der Blutgasanalyse, zu entwickeln, die es erlaubt, auch bei Verwendung von Sensoren mit relativ ungünstigem Driftverhalten die pro Zeiteinheit zu untersuchende Anzahl der Proben bzw. Sensoren wesentlich zu erhöhen, wobei ein Vermischen der einzelnen Medienströme zu verhindern ist, um den Meßfehler nicht zu vergrößern.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektrochemische Meßzellenanordnung, bestehend aus Meßzellen, Sensoren und Sensoraufnahmen, wobei die Meßzellen als monolithische Einheit oder als mit Rohren oder Kapillaren verbundene Kämmen; vorliegen können, die jeweils einen oder mehrere Sensoren enthalten und die über Ventile verfügen, die die Medienströne durch die Meßzellen leiten, erfindungsgemäß aus mindestens drei dieser Meßzellen in einem gemeinsamen Thermostaten befinden und über Schlauchleitungen und V jntile mit einer gemeinsamen Kalibriermediumaufbereitung sowie mit einer Steuereinheit in Verbindung stehen. Die Ventile bestehen aus einem miniaturisierten Ventilkopf, einem Stellantrieb und einem mechanisch flexiblen System zur Übertragung der Stellwage und der Stellkräfte, wobei die Ventilköpfe unmittelbar an den Verzweigungsstellen der Medienströme angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße elektrochemische Meßzellenanordnung wird es möglich, in einem Gerät die Zyklen „Messen", »Leeren", „Spülen", „Trocknen" und „Kalibrieren" parallel ablaufen zu lassen. Als günstig haben sich drei nebeneinanderliegende Meßzellen erwiesen.

Die für Analyseautomaten typischen peripheren Einrichtungen, wie z. B. Kalibriergasbereitung, Equilibriereinrichtung, Befeuchtergefäße, Vorrats· und Abfallbehälter, Pumpen, Vorwärmstrecken für die Kalibriermedien sowie die Steuereinheit, können ohne Erweiterung übernommen werden. Die für diese Geräte notwendige Thermostatiereinrichtung ist lediglich dem größeren Volumen anzupassen. Demgegenüber vergrößert sich jedoch die Anzahl der benötigten Sensoren, die Anzahl der erforderlichen Verstärker, Ventile und z.T. der Schlauchleitungen.

Um der schwierig zu realisierenden Forderung zu entsprechen, die Vermischung zwischen den Medien auch bei einer derart kompakten Meßzellenanordnung zu verhindern, finden Ventile mit einem miniaturisierten Ventilkopf, einem mechanisch flexiblen System zur Übertragung der Stellkräfte und der Stellwege sowie einem Stellantrieb Anwendung. Diese Ventile gewährleisten eine separate Positionierung von Ventilkopf und Stellantrieb, wodurch es möglich wird, die Ventil köpfe sehr dicht und damit unmittelbar an den Verzweigungsstellen der Medien anzuordnen. Auf diese Weise wird ein unbeabsichtigtes Vermischen der Medienströme verhindert.

Mit der erfindungsgemäßen Meßzellenanordnung wird es möglich, durch die Steuereinheit definiert gesteuert, neben einer seriellen Arbeitsweise, bei der alle Meßzellen nacheinander in die verschiedenen Betriebsarten gebracht werden, auch ein paralleles Beschicken der Meßzellen vorzunehmen. Besonders günstig lassen sich damit Untersuchungen zur Richtigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßwerte mit sogenannten 10er-Serien durchführen.

Auf jeden Fall wird durch die erfindungsgemäße Meßzellonanordnung die Analysenfrequenz mehr als verdoppelt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Sensoren mti relativ ungünstigem Driftverhalten, z. B. ISFFT's, verwendet werden können, da sie ohne Verringerung des Probendurchsatzes einer ständigen Kalibrierung unterzogen oder ins Verhältnis zu einer Referenzanordnung von Sensoren in einer dieser Meßzellen gesetzt werden können.

Die oben genannten Vorteile lassen sich auch für die Kontrc'le und Charakterisierung elektrochemischer Sensoren während ihrer Fertigung nutzen. Wird beim Analysengerät das Meßmedium dem kalibrierten Sensor vorgelegt, so wird beim Prüfgerät dem zu prüfenden Sensor kalibriertes Medium vorgelegt. Besonders bei gassensitiven Sensoren zur Bestimmung von Sauerstoff und Kohlendioxid läßt sich damit der Prüfaurwand erheblich senken. Ähnliches gilt auch für die Überprüfung von Kalibriergasgemischen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu sind in Figur 1 die erfindungsgemäße Meßzeifenanordnung, in Figur 2 zwei mögliche Analysenabläufe und ir>Figur 3 eine Ventilanordnung an einem MeßzellenausganQ dargestellt.

Die Meßzellenanordnung besteht aus der Meßzellenhaiterung 4, in die drei Meßzellen 1,2 und 3 eingebettet und mit den Halterungen 11 verspannt sind. An der Rückseite der Meßzellenhaiterung 4 sind die Sensoraufnahmen 5,6 und 7 angeschraubt.

An diesen Sensoraufnahmen 5,6,7 sind die Verteileranordnungen 8 montiert, die während der jeweiligen Betriebszustände die einzelnen Medien in die Meßzellen 1,2 und 3 über nicht dargestellte Schlauchverbindungen einleiten. In den Sensoraufnahmen5,6 und 7 sind die Sensoren 9 montiert. Die sensitive Fläche der Sensoren kann sowohl konventionell als auch auf Halbleiterbasis, z.B. als ISFET, gestaltet sein. Die Meßzelien 1,2 und 3 werden von vorn durch die Klappen 10 verschlossen.

Der jeweiligen Meßzelle 1 bzw. 2 oder 3 sind die Lumineszenzanzeigen 12,13 und 14 zugeordnet.

Der in Figur 2 dargestellte Analysenzyklus A beschreibt eine serielle, der Analysenzyklus B eine parallele Arbeitsweise.

Zu Fall A wird angenommen, daß sich während der Zykluszeit Ti die Meßzelle 1 im Zustand „Messen", die Meßzelle 2 im Zustand „Kalibrieren" und die Meßzelle 3 im Zustand „Spülen" befinden. Nach Ablauf dieser Zeit werden die Meßzellen 1 und 2

geleert, gespült und getrocknet („Spülen") und in der Meßzelle 3 die Sensoren 9 kalibriert. Entsprechend werden in der

Zykluszeit Ts die Meßzelle 3 geleert, gespült und getrocknet, in der Meßzelle 1 die Sensoren 9 kalibriert und in Meßzelle 2 die Meßwerte ermittelt. Dieser Ablauf setzt sich zyklisch fort. Beim Analysenzyklus B sind die Verhältnisse insofern anders, als sich nahezu parallel alle drei Zellen im gleichen Zustand

befinden.

Der geringe Zeitversatz ist dadurch bedingt, daß der Bediener die Meßzellen nur nacheinander mit Meßgut füllen kann. Die in Figur 1 nur schematisch dargestellte Verteileranordnung 8 ist in Figur 3 ausführlicher beschrieben. Der Meßzellenausgang 15 ist mit dem Verteiler 17 durch das Schlauchstück 16 verbunden. Durch diesen Verteiler 17 werden die

verschiedenen Medien C, D, E, F der Meßzelle 1 (2,3) zugeführt. Unmittelbar am Verteiler 17 sind die Ventilköpfe 18angeordnet,die mit den Stellmagneten 19 über die Bowdenzüge 20 verbunden sind. Durch die Ventilköpfe 18 sind die

Schlauchquetschelemente 21 geführt, welche die Verbindung des peripheren Schlauchsystems 22 mit dem Verteiler 17 bilden. Je nach dem Betriebszustand der Meßzelle 1 (2,3) werden vom Steuerrechner die Stellmagnete 19 angesteuert und das

zugehörige Schlauchquetschelement 21 gibt einen Medienstrom frei bzw. sperrt ihn ab. Ungewollte Förderbewegungen und

Vermischungen der Medien C, D, E F treten wegen des geringen Volumens vom Verteiler 17 bis zur Abquctschstelle des Ventilkopfes 18 nicht auf.

Claims (4)

1. Elektrochemische Meßzellenanordnung, bestehend aus moßzellen, Sensoren und Sensoraufnahmen, wobei die Meßzellen als monolithische Einheit oder als mit Rohren oder Kapillaren verbundene Kammern vorliegen können, die jeweils einen oder mehrere Sensoren enthalten, und die über Ventile verfügt, die die Medienströme durch die Meßzellen leiten, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens drei diese» Meßzellen in einer spalten-oder zeilenweisen Reihung zusammengefaßt sind, daß sich die Meßzellen in einem gemeinsamen Thermostaten befinden und über Schlauchleitungen und Ventile mit einer gemeinsamen Kalibriermediumaufbereitung sowie mit einer Steuereinheit in Verbindung stehen.

2. Elektrochemische Meßzellenanordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß die Ventile aus einem miniaturisierten Ventilkopf, einem Stellantrieb und einem mechanisch flexiblen System zur Übertragung des Stellweges und der Stellkräfte bestehen.

3. Elektrochemische Meßzellenanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ventilköpfe unmittelbar an den Verzweigungsstellen der Medienströme angeordnet sind.

4. Elektrochemische Meßzellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl konventionelle elektrochemische Sensoren als auch solche auf Halbleiterbasis, insbesondere ISFET's, in der Meßzellenanordnung eingesetzt werden können.