DE10024969A1 - Verfahren für die Bestimmung von Substrat- und Produktkonzentrationen in einem Medium - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren für die bestimmung von Substrat- und Produktkonzentrationen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, bei dem mehrere Proben wenigstens einer zu analysierenden Substanz - dem Analyt - in wenigstens einer Probenahmestrecke (3) durch zeitgesteuerte Diffusion des wenigstens einen Analyts zwischen dem jeweiligen Medium und einem Diffusionsmedium, das den Probenahmestrecken (3) durch Fluidleitungen (5a, 5b) mittels wenigstens einer Pumpe (6) zugeführt wird, über semipermeable Membranen (2) entnommen werden und anschließend das Diffusionsmedium unter gleichzeitiger Zuführung neuen Diffusionsmediums von der Probenahmestrecke (3) zu wenigstens einem Detektor (7) transportiert und diesem zur Bestimmung der Analytkonzentrationen analysiert wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Detektor eine zeitliche Konzentrationsverteilung oder eine zeitliche Verteilung eines zur Konzentrationsverteilung oder eine zeitliche Verteilung eines zur Konzentration proportionalen Signals liefert, daß eine Veränderung des Verhältnisses vom Signalmaximum zur Basislinie im Abstrom des Detektorsignals ermittelt und daraus auf eine Veränderung der Diffusionseigenschaften der semipermeablen Membranen geschlossen und ein Korrekturfaktor ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bestimmung von Substrat- und Produktkonzentrationen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, bei dem mehrere Proben wenigstens einer zu analysierenden Substanz - dem Analyt - in wenigstens einer Probenahmestrecke durch zeitgesteuerte Diffusion des wenigstens einen Analyts zwischen dem jeweiligen Medium und einem Diffusionsmedi­ um, das der Probenahmestrecke durch Fluidleitungen mit­ tels wenigstens einer Pumpe zugeführt wird, über semiper­ meable Membranen entnommen werden und anschließend das Diffusionsmedium unter gleichzeitiger Zuführung neuen Diffusionsmediums von der Probenahmestrecke zu wenigstens einem Detektor transportiert und von diesem zur Bestim­ mung der Analytkonzentration analysiert wird. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In verschiedenen Bereichen der Natur- und Ingenieurwis­ senschaften, insbesondere der Biologie und Chemie sowie der biologischen und chemischen Verfahrens- und Umwelt­ technik ist es erforderlich und gewünscht, in einer Viel­ zahl von Reaktionsansätzen gleichzeitig die Konzentration bestimmter Substanzen zu messen, wobei insbesondere der Online-Analyse eine besondere Bedeutung zukommt.

Bekannte Ansätze in diesem Zusammenhang bestehen darin, je einem Reaktionsbehälter eine Sensoranordnung mit einer kompletten Meßstrecke zuzuordnen, wobei Sensoren Anwen­ dung finden, die direkt in dem Reaktionsgefäß oder in ei­ nem von diesem entweichenden Fluidstrom eingebracht wer­ den können. Voraussetzung hierbei ist, daß der Sensor di­ rekt mit dem Medium, in welchem die Konzentration einer Substanz zu messen ist, in Berührung kommen kann, d. h. nicht von dem Medium angegriffen wird, und weiterhin die Randbedingungen, zum Beispiel der pH-Wert und die Tempe­ ratur die direkte Applikation und im unverdünnten Medium eine hinreichend genaue Messung erlauben. Viele Sensoren erfüllen diese technischen Voraussetzungen nicht. Bei­ spielsweise verhindert bei Sensoren mit immobilisierten Enzymen die Instabilität des Enzyms, vor allem bei höhe­ ren Temperaturen (Dampfsterilisation) und der begrenzte Meßbereich die direkte Applikation. Aus diesen Gründen werden in bekannten Online-Analysegeräten die Detektoren außerhalb der Reaktionsbehälter angeordnet. Die Probenahme erfolgt hierbei regelmäßig dadurch, daß den zu bepro­ benden Reaktionsbehältern Medienvolumen entnommen und über Transportleitungen einem Analysegeräte bzw. Detektor zugeführt werden. Eine häufige Volumenentnahme ist aber nur in Behältern möglich, bei welchen das entnommene Vo­ lumen sehr klein gegenüber dem Reaktionsvolumen ist. Das bedeutet, daß bei dieser Probenahmestrategie die Häufig­ keiten und das Ausmaß der Probenahme vom Reaktionsvolumen abhängt und von ihm unmittelbar begrenzt wird.

In der DE 197 29 492 A1 wird aus diesem Grund vorgeschla­ gen, die Probenahme durch zeitgesteuerte Diffusion des Analyten von dem zu beprobenden Medium in eine Akzeptor­ flüssigkeit über Dialyseschläuche vorzunehmen. Dabei wird über die Diffusionszeit die Anreicherung des Analyts in das Diffusionsmedium und damit die Probenahme gesteuert. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß dem Medium lediglich Moleküle entnommen werden, jedoch kein Medienvolumen. Die Probenahme ist also nur durch die Gesamtstoffmenge und nicht durch das Reaktionsvolumen limitiert.

Bei dem bekannten Verfahren erfolgt der Transport der Ak­ zeptorflüssigkeit durch die Anlage mittels einer Pumpe. Diese wird nach Befüllung der Dialyseschläuche mit fri­ scher Akzeptorflüssigkeit ausgeschaltet, so daß Analyte, die im Reaktionsbereich in höheren Konzentrationen vor­ liegen, diffusiv in die Akzeptorflüssigkeit über die Wan­ dung des Dialyseschlauchs aufgenommen werden.

Die Probe wird dann einem geeigneten Detektor zur Analyse zugeführt. Problematisch bei dieser Vorgehensweise ist, daß sich die Diffusionseigenschaften der Membranen bei­ spielsweise infolge von Ablagerungen ändern können (Foulingeffekt), wodurch die Meßergebnisse verfälscht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit ver­ gleichsweise geringem Aufwand Beeinträchtigungen der Dif­ fusionseigenschaften bei den Messungen berücksichtigt werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Detektor eine zeitliche Konzentrationsverteilung oder ei­ ne zeitliche Verteilung eines zur Konzentration propor­ tionalen Signals liefert, wobei dann über eine Kalibrie­ rung und eine entsprechende Auswertung der Detektorsigna­ le auf die Analytkonzentration im beprobten Medium zu­ rückgeschlossen wird, und daß eine Veränderung des Ver­ hältnisses vom Signalmaximum zur Basislinie im Abstrom des Detektorsignals ermittelt und daraus auf eine Verän­ derung der Diffusionseigenschaften der semipermeablen Membranen geschlossen und ein entsprechender Korrektur­ faktor ermittelt und bei der weiteren Ausfertigung be­ rücksichtigt wird. Auf diese Weise kann über die Daten­ auswertung eine eventuelle Drift durch Veränderung der Diffusionseigenschaften beispielsweise aufgrund von Ver­ blockungen oder Belägen (Fouling) berücksichtigt werden.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, zwei Signale bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Dif­ fusionsmediums und/oder unterschiedlich Diffusionszeiten bei ruhendem Medium in dichter zeitlicher Abfolge zu er­ mitteln und hinsichtlich ihrer charakteristischen Eigen­ schaften miteinander zu vergleichen, um daraus eine even­ tuelle Drift durch Fouling zu erkennen, die dann entspre­ chend bei der Datenauswertung berücksichtigt werden kann. Zusätzlich kann in diesem Fall eine aus mehreren Messun­ gen und/oder einem dynamischen Modell bekannte zeitliche Änderung der Analytkonzentration berücksichtigt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß eine Bypassleitung vorgesehen ist, über welche Diffusionsmedium von der Pumpe an den Probe­ nahmestrecken vorbei zu dem Detektor geführt wird. Dieser Bypass kann ebenfalls über die Multi- bzw. Mehrwegeven­ tilanordnung und alternativ zu den Probenahmestrecken an­ gesteuert werden. Durch das Vorhandensein einer solchen Bypassleitung kann beispielsweise Diffusionsmedium gelei­ tet werden, wenn zwischenzeitlich einmal keine Probenah­ mestrecke durchströmt werden soll. Auch ist es möglich, im Bereich des Bypasses ein Standardmedium in das Diffu­ sionsmedium zu injizieren und dieses Segment durch Zu­ schalten des Bypasses zum Detektor zu transportieren. Bei wiederholter Durchführung dieses Verfahrens vor und wäh­ rend der Versuchsdauer können Drifterscheinungen des De­ tektors korrigiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß mehrere Probenahmestrecken nach Art einer Parallelschaltung vor­ gesehen sind, daß die wenigstens eine Pumpe kontinuier­ lich arbeitet und eine den Probenahmestrecken vorgeschal­ tet in der Leitung für das Diffusionsmedium vorgesehene Multi- oder Mehrwegventilanordnung so gesteuert wird, daß im Wechsel jeweils eine Probenahmestrecke von Diffusions­ medium durchströmt und in den übrigen Probenahmestrecken ein Transport unterbunden wird, wobei vorzugsweise die Ventilanordnung so gesteuert wird, daß im wesentlichen durchgehend wechselweise jeweils eine der parallelen Fluidleitungsstrecken zum Detektor vom Diffusionsmedium durchströmt wird.

Wie in dem aus der DE 197 29 492 A1 bekannten Verfahren gliedert sich somit die Probenahme in den einzelnen Pro­ benahmestrecken in einen ersten Abschnitt, in welchem das Diffusionsmedium ruht und eine Diffusion des Analyts zwi­ schen dem zu beprobenden Medium und dem Diffusionsmedium stattfindet, und einen zweiten Abschnitt, in welchem das Diffusionsmedium von der Probenahmestrecke zum Detektor transportiert und im Durchfluß hinsichtlich der Konzen­ tration des Analyts analysiert wird. Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, bei dem der Transport über eine intermittierend arbeitende Pumpe vorgenommen wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jetzt eine kontinu­ ierlich arbeitende Pumpe eingesetzt, so daß ein Transport des Akzeptors von einer Probenahmestrecke zum Detektor in einfacher Weise erfolgen kann, indem derjenige Fluidleitungsabschnitt, welcher die Probenahmestrecke enthält, durch entsprechende Ansteuerung der Mehrwege- bzw. Multi­ ventilanordnung mit der Pumpe verbunden wird. Da sich die Ventile sehr genau ansteuern lassen, können die Öffnungs- und Schließvorgänge zeitoptimiert ausgeführt werden. Eine Ansteuerung der Pumpe ist überhaupt nicht erforderlich.

Der Einsatz einer kontinuierlich arbeitenden Pumpe hat weiterhin den Vorteil, daß die Ventilanordnung so ange­ steuert werden kann, daß im wesentlichen durchgehend in einer der Probenahmestrecken ein Transport von Diffusi­ onsmedium verbunden mit der gleichzeitigen Analyse im De­ tektor stattfindet, während gleichzeitig in den anderen Probenahmestrecken die Probenahme durch Diffusion er­ folgt. Es wird somit die Möglichkeit eröffnet, im wesent­ lichen durchgehend Analysen vorzunehmen. Das war bei dem bekannten Verfahren zumindest während der Stillstandszei­ ten der Pumpe nicht möglich.

Eine besonders effiziente Probenahme wird erreicht, wenn in den parallelen Probenahmestrecken jeweils die Diffusi­ ons- bzw. Probenahmezeit einer Strecke mindestens die zur Signalerfassung im Detektor notwendige Meßzeit aller an­ deren parallelen Probenahmestrecken zusammen ist. Die Diffusionszeiten sind somit in der Weise abgestimmt, daß während der Probenahme in einer Strecke gleichzeitig nacheinander die Messungen für die anderen Probenah­ mestrecken vorgenommen werden können und sich dann unmit­ telbar an die Diffusion auch die Messung der Probe anschließen kann. Hierdurch wird eine besonders hohe Effek­ tivität und Flexibilität erreicht.

In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß den Pro­ benahmestrecken vorgeschaltet in der Leitung für das Dif­ fusionsmedium eine Druckmessung zur Erkennung einer Stö­ rung in einem Leitungsabschnitt erfolgt. Dem liegt die Überlegung zugrunde, daß beispielsweise beim Auftreten einer Leckage in den Leitungen zwischen der Pumpe und dem Detektor ein Teil des Diffusionsmediums nicht durch den Detektor geleitet wird, sondern in die defekte Leitung, sofern der Leitungswiderstand in dieser Richtung geringer ist als zum Detektor. Die Probenahme wäre also nicht nur in der defekten Strecke beeinträchtigt, sondern auch im ganzen System. Der Einbau eines Drucksensors ermöglicht hier eine automatische Störungserkennung, da sich der Leitungsdruck bei Durchströmung der parallelen Strecken in einem für die Vorrichtung charakteristischen Wertebe­ reich bewegt. Wenn der Druck bei Durchfluß einer der pa­ rallelen Leitungsstrecken außerhalb des charakteristi­ schen Wertebereichs sinkt, liegt eine Störung vor, näm­ lich im Fall eines zu geringen Drucks ein Leck und im Fall eines zu hohen Drucks eine Verstopfung, und die de­ fekte Leitungsstrecke kann abgekoppelt werden.

Zusätzlich können den Probenahmestrecken nachgeordnet auch Rückschlagventile oder alternativ eine weitere Mehr­ wege- oder Multiventilanordnung vorgesehen sein, die ver­ hindert, daß ein Diffusionsmedium von Probenahmestrecke in eine andere Probenahmestrecke zurückströmt.

In ansich bekannter Weise können zur gleichzeitigen Mes­ sung unterschiedlicher Analyte mehrere Detektoren in Se­ rie geschaltet vorgesehen sein. Da der Erfahrung nach die Detektoren auch ausfallen oder stark driften können, kann es auch zweckmäßig sein, mehrere Detektoren für den glei­ chen Analyten in parallelen Strecken vorzusehen, die bei Ausfall eines Detektors ersatzweise zugeschaltet werden können. Wahlweise können aber auch verschiedene Detekto­ ren parallel über eine Mehrwege- oder Multiventilanord­ nung zugeschaltet werden, wodurch die Möglichkeit eröff­ net wird, verschiedene Analyte zu unterschiedlichen Zeit­ punkten zu bestimmen. Eine solche Verschaltung ist bei­ spielsweise bei Detektoren sinnvoll, die sich in ihren Meßverfahren gegenseitig beeinflussen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Vor­ richtung ein dem Detektor vorgeschaltetes Probenvorberei­ tungsmodul enthalten, das entweder störende Komponenten aus dem Diffusionsmedium absorbiert (zum Beispiel Aktiv­ kohle) oder sie reaktiv in eine nicht störende chemische Form umwandelt. Alternativ oder zusätzlich gibt es auch Detektoren, die ein Probenvorbereitungsmodul benötigen, damit der Analyt in eine detektierbare Form umgewandelt wird (zum Beispiel Enzym- oder Farbreaktionen und photo­ metrisches Meßverfahren).

In bevorzugter Weise wird ein Diffusionsmedium verwendet, das im wesentlichen frei von den zu detektierenden Analy­ ten ist, so daß das Konzentrationsgefälle über die semipermeablen Membranen vom zu beprobenden Medium zum Diffu­ sionsmedium hoch ist. In Fällen, in denen die Analytkon­ zentration in dem zu beprobenden Medium unter die Nach­ weisgrenze eines Detektors fällt, kann es aber auch sinn­ voll sein, ein Diffusionsmedium zu verwenden, welches ei­ ne bekannte Konzentration des bzw. der Analyten enthält, die über der geringen Konzentration in dem Medium liegt. Dann findet im Bereich der Probenahmestrecke eine Diffu­ sion des Analyten in das Medium statt und es wird der Konzentrationsverlust über die Diffusionszeit in dem Dif­ fusionsmedium gemessen und zur Bestimmung der Analytkon­ zentration in dem zu beprobenden Medium verwendet.

Das Diffusionsmedium kann nach Vornahme der Analyse ent­ sorgt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Proben in einem automatischen Fraktionssammler für eine spätere Off-Line-Analytik zu sammeln.

Die Bestandteile einer Probe werden durch die Zuleitung zu entsprechenden Detektoren quantifiziert. Da es sich bei der Messung des diffusiv gewonnenen Probensegments um ein relatives Meßverfahren handelt, können die Meßsignale aus unbekannten Konzentrationen nur im Vergleich mit ei­ nem über Diffusion bei Praxisbedingungen beprobtes Stan­ dardgemisch ermittelt werden. Die Bereitstellung einer Standardlösung, in die eine weitere semipermeable Membran separat von den anderen Probenahmestellen getaucht wird, wie dies aus der DE 197 29 492 A1 bekannt ist, reicht für eine solche Kalibrierung nicht aus, wenn die gewählten semipermeablen Membranen nicht exakt die gleichen Eigenschaften wie beispielsweis die gleiche Länge, Oberfläche und Wanddicke aufweisen. Erfahrungsgemäß sind solche Schläuche in Bezug auf diese Merkmale nicht so exakt zu fertigen mit der Folge, daß ein im Detektor gemessenes Signal eine auf diese Weise diffusiv angereicherten Probe zur Kalibrierung nicht herangezogen werden könnte. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher vorgesehen, daß zur Kalibrierung die semipermeablen Membranen in Medien be­ kannter Analytkonzentration getaucht werden und jeweils Meßdatensätze erstellt werden, auf deren Grundlage die vom Detektor gelieferten Meßergebnisse zur Bestimmung der Analytkonzentration ausgewertet werden.

Insbesondere bei steriltechnischen Anforderungen können Standardkonzentrationen auch direkt in den Reaktionsbe­ hältern eingestellt werden. Dies verhindert häufigen Me­ dienwechsel und aufwendige Sterilisationsmaßnahmen in den Behältern. Dazu werden in das vorzugsweise analytfreie Medium bekannte Konzentrationen mindestens eines Analy­ ten über die Addition entsprechend berechneter Volumina eines konzentrierten Standardgemisches des Analyten ein­ gestellt. So stellt sich eine durch die Zudosierung be­ kannte Konzentration ein. Dann werden die Reaktionsbehäl­ ter in oben beschriebener Weise beprobt und entsprechende Meßdatensätze erstellt. Ein erneutes Zudosieren von Stan­ dardgemisch in das Reaktionsmedium und anschließendes Messen kann so oft wiederholt werden, bis die vom Anwen­ der gewünschte Höchstkonzentration des Analyten erreicht wird. Auf diese Weise kann der zu erwartende Meßbereich des Analyten während des Versuchs abgedeckt werden.

Der verwendete Detektor kann intern bereits so einge­ stellt oder vorkalibriert sein, daß er die Analytkonzen­ trationen in den durchgeleiteten Proben, die durch die Diffusion in den Probenahmestrecken erhalten wurden, di­ rekt bestimmt, d. h. das Gerät liefert ohne weitere Um­ rechnung die im Diffusionsmedium vorhandene Analytkonzen­ tration. Auf der Grundlage dieser Analytkonzentrationen und der in den vorbeschriebenen Kalibrierverfahren erhal­ tenen Datensätze kann aufgrund dieser Konzentrationen im Diffusionsmedium auf die Konzentrationen im beprobten Me­ dium mit entsprechenden rechnerischen Modellen zurückge­ schlossen werden.

Des weiteren kann dem Detektor über die Bypassleitung Spülflüssigkeit zugeführt werden.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, mit der sich das erfindungsgemäße Ver­ fahren durchführen läßt, anhand der Zeichnung verwiesen.

In der Zeichnung zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Substrat- und Produktkonzentrationen in flüssigem und/oder gasför­ migem Medium 2. Die Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Reaktionsbehältern 1 auf, in denen jeweils ein zu analy­ sierendes gasförmiges oder flüssiges Medium 2 enthalten sind. Bei den Reaktionsbehältern 1 kann es sich bei­ spielsweise um Schüttelkolben handeln, die ständig in Be­ wegung gehalten werden. Durch die Analyse sollen die Kon­ zentrationen von Substanzen, von Edukten oder von Reakti­ onsprodukten, nachfolgend Analyten genannt, innerhalb des Mediums gemessen werden.

In jeden Reaktionsbehälter 1 ist wenigstens ein Probenah­ memodul 3 eingesetzt, das eine semipermeable Membran 4 aufweist, die hier in Form eines Dialyseschlauches ausge­ bildet und vollständig in das im Reaktionsbehälter 1 ent­ haltene Medium 2 eingetaucht ist. Die Dialyseschläuche 4 sind nach Art einer Parallelschaltung angeordnet und über Fluidleitungen 5 einlaßseitig mit einer Pumpe 6 und aus­ laßseitig mit einem Detektor 7 verbunden. Die Pumpe 6 ist an einen Vorratsbehälter 8 zur Aufnahme eines für eine Diffusionsprobenahme geeigneten Diffusionsmediums, das in Abhängigkeit von dem Aggregatzustand des zu beprobenden Mediums 2 gasförmig oder flüssig sein kann, angeschlos­ sen. Der Pumpe 6 nachgeordnet ist eine Blasenfalle 9 vor­ gesehen, die dazu dient, aus flüssigem Diffusionsmedium Blasen zu entfernen. Außerdem ist ein Drucksensor 10 vor­ gesehen, der den Leitungsdruck mißt.

Der von der Pumpe 3 kommende Fluidleitungabschnitt 5a mündet in einen Medienverteiler 11, an den auslaßseitig die parallelen Fluidleitungsabschnitte 5b mit den Probe­ nahmemodulen 3 angeschlossen sind, und zwischen dem Me­ dienverteiler 11 und den Probenahmemodulen 3 ist eine Multiventilanordnung 12 vorgesehen, über welche die parallelen Fluidleitungsabschnitte 5b jeweils für einen Durchfluß von Diffusionsmedium geöffnet oder zur Verhin­ derung eines solchen Durchflusses geschlossen werden kön­ nen.

Auslaßseitig münden die Probenahmemodule 3 über die pa­ rallelen Fluidleitungsabschnitte 5b in ein Mediensammel­ modul 13, das auslaßseitig einen Abfluß 5c hat, der zu dem Detektor 7 und einem dahinterliegenden Ablauf in ein geeignetes Abfallreservoir 14 oder eine anders geartete Ableitung für das Diffusionsmedium führt. In dem Ablauf 5c ist in Strömungsrichtung gesehen vor dem Detektor 7 ein Probenvorbereitungsmodul 16 vorgesehen, das störende Komponenten aus dem Diffusionsmedium absorbiert oder sie reaktiv in eine nicht störende chemische Form umwandelt. Alternativ oder zusätzlich kann das Probenvorbereitungs­ modul 16 auch dazu dienen, den Analyt in eine für den De­ tektor 7 erfaßbare Form umzuwandeln.

Der Signalausgang des Detektors 7 ist über einen Meßver­ stärker 17 mit einem Computer 18 verbunden, der die vom Detektor 7 stammenden Meßsignale auswertet und außerdem auch die Ventile der Multiventilanordnung 12 sowie die Fördergeschwindigkeit der Pumpe 6 steuert.

In den Fluidleitungsabschnitten 5b zwischen den Probenah­ memodulen 3 und dem Mediensammelmodul 13 sind des weite­ ren Rückschlagventile 19 vorgesehen, die im Fall einer Leckage in einem Fluidleitungsabschnitt 5b verhindern sollen, daß Diffusionsmedium, welches von einem Probenahmemodul 3 kommt, anstelle zum Detektor 7 in den defekten Leitungsabschnitt 5b zurückströmt.

Zusätzlich zu den parallelen Probenahmestrecken mit den darin vorgesehenen Probenahmemodulen 3 ist über ein wei­ teres Ventil der Multiventilanordnung 12 eine Bypasslei­ tung 20 angeschlossen, durch welche Diffusionsmedium von der Pumpe 6 an den Probenahmestrecken 5b vorbei zu dem Detektor 7 geführt werden kann. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Grundlinie (Basislinie) des Detektors 7 bei Durchfluß mit frischem Diffusionsmittel ermittelt werden oder der Detektor 7 mit einem Spülmedium über zum Bei­ spiel eine weitere, nur an den Bypass 20 angeschlossene Pumpe gespült werden. In dem Bypass ist zusätzlich die Möglichkeit vorgesehen, über ein Drei/Zwei-Wegeventil 21 oder ein anders geartetes Injektionsventil ein Probenseg­ ment eines Standardgemisches, das in einem Vorratsbehäl­ ter 22 enthalten ist, in den Strom des Diffusionsmediums einzubringen.

Die parallele Probenahme mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung erfolgt wie nachstehend beschrieben:

Zunächst wird mit Hilfe der Pumpe 6 ein geeignetes Diffu­ sionsmedium in die Anlage gepumpt, bis die Fluidleitungen 5 sowie die Dialyseschläuche 4 vollständig mit dem Diffu­ sionsmedium gefüllt sind. Von dieser Einstellung ausge­ hend erfolgt in den Probenahmemodulen 3 jeweils eine Pro­ benahme, indem bei kontinuierlich arbeitender Pumpe 6 das der entsprechenden Fluidleitungsstrecke 5b vorgeschaltete Ventil der Multiventilanordnung 12 geschlossen wird, so daß das Diffusionsmedium in dem Probenahmemodul 3 dieser Fluidleitungsstrecke 5b ruht. Dieser Zustand wird während einer vorgegebenen Zeitdauer beibehalten, so daß durch Diffusion eine Angleichung der Konzentrationen des Ana­ lyts in dem zu beprobenden Medium, welches in dem Reakti­ onsbehälter 1 enthalten ist, und dem Diffusionsmedium er­ folgt. Geht man davon aus, daß die Analytkonzentration in dem zu beprobenden Medium höher als in dem Diffusionsme­ dium ist, sammelt sich eine für die Konzentration des Analyten in dem Medium charakteristische Analytmenge im Diffusionsmedium innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer an. Liegt die Analytkonzentration im Diffusionsmedium höher, erfolgt in diesem in umgekehrter Weise durch die statt­ findende Diffusion eine Analytabreicherung. Dabei wird im Gegensatz zur Filtration in vorteilhafter Weise erreicht, daß das Volumen des in dem Reaktionsbehälter 1 enthalte­ nen Mediums im wesentlichen unverändert bleibt.

Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer wird das Ventil dieser Fluidleitungsstrecke 5b wieder geöffnet, so daß das in dem Dialyseschlauch 4 enthaltene, mit Analyt an- oder abgereicherte Diffusionsmedium zum Detektor 7 trans­ portiert und gleichzeitig neues Diffusionsmedium in die Fluidleitungsstrecke 5b nachströmt. Das Probensegment wird beim Durchströmen des Detektors 7 analysiert, wobei der Detektor 7 Meßsignale an den Computer abgibt, die den jeweiligen Konzentrationen des Analyten in den zugeordne­ ten Reaktionsbehältern 1 entsprechen. In welcher Weise die Auswertung erfolgt, wird nachfolgend noch erläutert werden.

In der zuvor beschriebenen Weise kann in allen Probenah­ memodulen 3 eine Probenahme durch Diffusion zwischen dem in dem jeweiligen Reaktionsbehälter 1 enthaltenen Medium 2 und dem Diffusionsmedium stattfinden und anschließend eine Analyse vorgenommen werden, indem das Segment des Diffusionsmediums, welches in dem Probenahmemodul 3 der Diffusion unterworfen wurde, zum Detektor 7 transportiert und beim Durchströmen von diesem analysiert wird. Die Analyse der in den einzelnen Probenahmestrecken erhalte­ nen Probensegmente erfolgt im Wechsel nacheinander, d. h. zeitversetzt. Um durchgehend, d. h. mit möglichst geringen Verlustzeiten, kontinuierlich Messungen durchführen zu können, werden die Meßzeiten jeweils so bestimmt, daß die Meß- bzw. Transportzeit in einer der parallelen Fluidlei­ tungsabschnitte 5b gleich der Summe der Diffusionzeiten der anderen parallelen Strecken ist, bzw. in umgekehrter Weise die Diffusions- bzw. Probenahmezeit einer Strecke mindestens die zur Signalerfassung im Detektor notwendige Meßzeit aller anderen parallelen Probenahmestrecken zu­ sammen ist. Mit anderen Worten sind die Diffusionszeiten einerseits und die Meßzeiten andererseits so aufeinander abgestimmt, daß mit Ausnahme einiger schaltungsbedingter Verzögerungen ständig eine der parallelen Fluidleitungs­ abschnitte 5b durchströmt und entsprechend das Segment des Diffusionsmediums, das zuvor der Diffusion ausgesetzt war, analysiert wird.

Der Detektor kann intern bereits so eingestellt oder vor­ kalibriert sein, daß er die Analytkonzentrationen in den durchgeleiteten Proben aus den Probenahmemodulen 3 direkt bestimmt, d. h. er ohne weitere Umrechnung die im Diffusi­ onsmedium vorhandene Analytkonzentration liefert. Auf­ grund dieser Analytkonzentrationen kann rechnerisch auf­ grund von Meßreihen, die im Rahmen einer zuvor durchge­ führten Kalibrierung erhalten wurden, auf die in dem be­ probten Medium enthaltene Analytkonzentration zurückge­ schlossen werden.

Alternativ kann der Detektor eine zeitliche Verteilung der Konzentration der Probe im Durchfluß (Verweil­ zeitkurve) bzw. eine zeitliche Verteilung eines zur Kon­ zentration proportionalen Signals liefern. Aufgrund von Meßwertereihen, die in einem zuvor durchgeführten Kali­ brierverfahren erhalten wurden, kann dann aufgrund des vom Detektor gelieferten Signals ein Rückschluß auf die Analytkonzentration in dem beprobten Medium ermittelt werden, wobei zur Auswertung verschiedene Eigenschaften wie beispielsweise das Peakmaxium, eine Steigung der Vor­ derflanke, die Fläche unter der Kurve, die Basislinie im Abstrom der Kurve etc. herangezogen werden können. Da solche Analyseverfahren grundsätzlich bekannt sind, soll hierauf im einzelnen nicht näher eingegangen werden. Le­ diglich der Vollständigkeit halber wird diesbezüglich auf den Offenbarungsgehalt der DE 197 29 492 A1 verwiesen.

Wie schon erwähnt wird die Analytkonzentration im Diffu­ sionsmedium gemessen und darauf auf die unbekannte Ana­ lytkonzentration in dem beprobten Medium 2 geschlossen. Da es sich hierbei um ein relatives Meßverfahren handelt, muß eine Vorkalibrierung erfolgen, in welcher die Analyt­ konzentration im Diffusionsmedium in Beziehung mit der Analytkonzentration im zu beprobenden Medium 2 gesetzt wird.

Vor Durchführung der Versuchsreihen wird jedes Probenah­ memodul 3 hierzu in mindestens ein Medium mit bekannter Analytkonzentration getaucht. Mit den gleichen Diffusi­ onszeiten und anderen Einstellungen einer Vorrichtung wie im geplanten Versuch wird nun die Messung in jedem ange­ schlossenen Probenahmemodul 3 durchgeführt. Hierdurch ist jedem Probenahmemodul 3 nun ein Satz Meßdaten für jeden Analyten zugeordnet. Der so gewonnene Zusammenhang zwi­ schen Konzentration im zu beprobenden Reaktionsbehälter und Detektoranwort bei Transport der durch Diffusion ge­ wonnenen Probe durch den Detektor wird zur Auswertung der online im Versuch gewonnenen Signale vom Computer verwen­ det.

Die Vorkalibrierung kann auch direkt in den Reaktionsbe­ hältern 1 vorgenommen werden, indem dort einem vorzugs­ weise analytfreien Medium ein bestimmtes Volumen eines konzentrierten Standardanalytgemisches bekannter Kon­ struktion, das vorzugsweise mit dem zu beprobenden Medium angemischt ist, um die Verdünnung anderer Bestandteile des Mediums zu verhindern, zudosiert wird. So stellt sich eine durch die Zudosierung bekannte Konzentration ein. Dann werden die Reaktionsbehälter 1 in oben beschriebener Weise beprobt und die Meßdaten aufgezeichnet. Ein erneu­ tes Zudosieren des Standardanalytgemisches in das zu be­ probende Medium und anschließendes Messen kann so oft wiederholt werden, bis die vom Anwender gewünschte Höchstkonzentration des Analyten erreicht wird. So kann der zu erwartende Meßbereich des Analyten während des Versuchs abgedeckt werden.

Zusätzlich zu der Vorkalibrierung kann während des lau­ fenden Versuchs eine Zwischenkalibrierung über den Bypass 20 erfolgen. Alternativ kann in einem Bypass oder in ei­ ner weiteren parallelen Strecke angeordnetes Probenahme­ modul während des Versuchs in Standardgemisch getaucht und in regelmäßigen Abständen zur Nachkalibrierung mit der gleichen Diffusionszeit beprobt werden.

Kommt es während der Versuchszeit in den Fluidleitungen 5 oder den Probenahmemodulen 3 zu einem Leck, so könnte Diffusionsmedium über das Mediensammelmodul 13 aus ande­ ren Probenahmestrecken 5b nicht durch den Detektor 7 ge­ leitet werden, sondern in die defekte Strecke, sofern der Leitungswiderstand in dieser Richtung geringer ist als im Detektor 7. Die Probenahme wäre also nicht nur in der de­ fekten Fluidleitungsstrecke 5b beeinträchtigt, sondern auch im ganzen System. Die in der Vorrichtung angeordne­ ten Rückschlagventile 19 oder eine optional zu verwenden­ de Multiventilanordnung verhindern das.

Bei flüssigem Diffusionsmedium wird bei einem Leck inner­ halb der Reaktionsbehälter 1 sich der Pegel in dem zu be­ probenden Medium erhöhen, und das Medium ist in diesem Fall zwangsläufig kontaminiert. Bei gasförmigem Diffusi­ onsmedium kann in einem geschlossenen Behälter 1 der Druck steigen.

Bei Lecks außerhalb des Reaktionsbehälters 1 ist die Lec­ kerkennung bei Flüssigkeiten augenscheinlich, bei Gasen aber zum Beispiel nicht. Durch Einbau des Drucksensors 10 können Störung in der Leitung erkannt werden. Dem liegt die Überlegung zugrunde, daß sich der Leitungsdruck in den parallelen Fluidleitungsstrecken 5b bei Durchströmung der parallelen Strecken und dem Bypass 20 in einem für die Vorrichtung charakteristischen Wertebereich bewegt. Liegt der Druck bei Durchfluß einer Fluidleitungsstrecke 5b außderhalb dieses Bereiches, liegt eine Störung vor und die defekte Strecke 5b kann abgekoppelt, d. h. nicht mehr durchströmt werden. Konkret liegt bei zu niedrigem Druck ein Leck und bei zu hohem Druck eine Verstopfung vor.

Verschlechtern sich die Diffusionseigenschaften der Dia­ lyseschläuche 4 bzw. einer anderen verwendeten semiperme­ ablen Membran während des Versuchs, beispielsweise durch Belegung ihrer Oberfläche mit Bestandteilen aus dem zu beprobenden Medium (Fouling), so wird vorgegebener Probe­ nahmezeit (Diffusionszeit) in den Dialyseschläuchen 4 die Konzentrationsausgleichung geringer sein als ohne diese Belegung. Durch Auswertung der Detektorsignale ist dieser Fehler erkennbar und kann in die Konzentrationsberechnung mit den ursprünglichen Kalibrierwerten als Online- Korrektor mit einbezogen werden. Das Signal, das bei Durchfluß eines Detektors 7 aufgezeichnet wird, ist z. B. ein Peak, der nicht auf das Basislinienniveau bei Durch­ fluß mit reinem Diffusionsmedium zurückkehrt. Das Signal nähert sich einem Level an, das bei Durchfluß des Diffu­ sionsmediums durch das Probenahmemodul 3 durch die Diffu­ sion bei Durchströmung entsteht (Effekt einer Kontaktzeit - und damit strömungsabhängigen Diffusion). Auf diese Weise ist die Anreicherung im Diffusionsmedium bei zwei verschiedenen Diffusionszeiten bekannt. Aus dem Vergleich dieser zwei Werte und der Veränderung ihres Verhältnisses zueinander können die Änderungen der Diffusionseigen­ schaften, d. h. des Foulings, auf die Messungen berück­ sichtigt und rechnerisch korrigiert werden.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung wird ein einziger Detektor 7 verwendet. Da ein solcher Detek­ tor 7 auch ausfallen oder stark driften kann, können op­ tional mehrere Detektoren für den gleichen Analyten vor­ gesehen sein, die wahlweise - beispielsweise bei Ausfall eines Detektors 7 - zugeschaltet oder abgeschaltet werden können. Wahlweise können auch verschiedene Detektoren parallel beispielsweise über eine Mehrwege- oder Multi­ ventilanordnung zugeschaltet werden, so daß verschiedene Analyte zu verschiedenen Zeitpunkten analysiert werden können. Eine solche Verschaltung ist beispielsweise bei Detektoren sinnvoll, die sich in ihren Meßverfahren ge­ genseitig beeinflussen.

Zusammenfassend arbeitet die zuvor beschriebene Vorrich­ tung auf sehr effiziente Weise, da praktisch kontinuier­ lich in dem vorgesehenen Detektor 7 eine Messung erfolgen kann, wobei bei kontinuierlich arbeitender Pumpe 6 die einzelnen parallelen Probenahmestrecken 5b in einfacher Weise durch Ansteuerung der Multiventilanordnung 12 für einen Transport von Diffusionsmedium geöffnet bzw. wäh­ rend der Diffusionszeit geschlossen werden. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, mehrere Pumpen für das Diffusionsmedium einzusetzen.

Claims (24)

1. Verfahren für die Bestimmung von Substrat- und Pro­ duktkonzentrationen in flüssigen und/oder gasförmi­ gen Medien, bei dem mehrere Proben wenigstens einer zu analysierenden Substanz - dem Analyt - in wenig­ stens einer Probenahmestrecke (3) durch zeitgesteu­ erte Diffusion des wenigstens einen Analyts zwischen dem jeweiligen Medium und einem Diffusionsmedium, das den Probenahmestrecken (3) durch Fluidleitungen (5a, 5b) mittels wenigstens einer Pumpe (6) zuge­ führt wird, über semipermeable Membranen (2) entnom­ men werden und anschließend das Diffusionsmedium un­ ter gleichzeitiger Zuführung neuen Diffusionsmediums von der Probenahmestrecke (3) zu wenigstens einem Detektor (7) transportiert und von diesem zur Be­ stimmung der Analytkonzentrationen analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine zeitliche Konzentrationsverteilung oder eine zeitli­ che Verteilung eines zur Konzentration proportiona­ len Signals liefert, daß eine Veränderung des Ver­ hältnisses vom Signalmaximum zur Basislinie im Ab­ strom des Detektorsignals ermittelt und daraus auf eine Veränderung der Diffusionseigenschaften der se­ mipermeablen Membranen geschlossen und ein Korrek­ turfaktor ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß über eine Kalibrierung des Detektors (7) und eine entsprechende Auswertung der Detektorsigna­ le auf die Analytkonzentration im beprobten Medium zurückgeschlossen wird, wobei der maximale Anstieg der Vorderflanke des Detektorsignals, das Signalma­ ximum, die Fläche unter der Signalkurve oder die er­ höhte Basislinie nach Durchfluß des Peakmaximums, die aus der Diffusion des Analyten in das Diffusi­ onsmedium resultiert, zur Auswertung herangezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Eigenschaften der Detektorsignal­ verteilung zur Auswertung gleichzeitig oder Verhält­ nisse dieser Werte zueinander verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Signale bei unter­ schiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Diffusionsmediums und/oder unterschiedlichen Diffusionszei­ ten bei ruhendem Medium in dichter zeitlicher Abfol­ ge ermittelt und hinsichtlich ihrer charakteristi­ schen Eigenschaften miteinander verglichen werden, um daraus eine eventuelle Drift durch eine Verände­ rung der Diffusionseigenschaften zu erkennen und zu korrigieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich eine aus mehreren Messungen und/oder einem dynamischen Modell bekannte zeitliche Änderung der Analytkonzentration berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Probenahmestrecken (3) nach Art einer Parallelschaltung vorgesehen sind und daß die wenigstens eine Pumpe (6) kontinuierlich ar­ beitet und eine den Probenahmestrecken (3) vorge­ schaltet in der Fluidleitung (5b) für das Diffusi­ onsmedium vorgesehene Multi- oder Mehrwegventil­ anordnung (12) so gesteuert wird, daß im Wechsel je­ weils eine der parallelen Fluidleitungsstrecken (5b) zum Detektor (7) von Diffusionsmedium durchströmt und in den übrigen Probenahmestrecken ein Transport unterbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ventilanordnung (12) so gesteuert wird, daß im wesentlichen durchgehend im Wechsel jeweils eine der Fluidleitungsstrecken (5b) zum Detek­ tor (7) vom Diffusionsmedium durchströmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den parallelen Probenahmestrecken (3) jeweils die Diffusions- bzw. Probenahmezeit ei­ ner Strecke mindestens die zur Signalerfassung im Detektor notwendige Meßzeit aller anderen parallelen Probenahmestrecken zusammen ist.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß den Probenahmestrecken (3) vorgeschaltet in der Fluidleitung (5a) eine Druckmessung zur Erkennung einer Störung in einem Leitungsabschnitt erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß aus flüssigem Diffusi­ onsmedium vor Erreichen der Probenahmestrecken (3) mittels einer Blasenfalle (9) Luft- bzw. Gasbläschen entfernt werden.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mehrwege- oder Mul­ tiventilanordnung (12) durch einen Computer (18) ge­ steuert wird.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere parallel ge­ schaltete Detektoren vorgesehen sind und das von den Probenahmestrecken kommende Diffusionsmedium über eine Mehrwegventilanordnung oder eine Multiventil­ anordnung einem der Detektoren zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem dem Detektor (7) vorgeschalteten Probenvorbereitungsmodul (16) mindestens eine Substanz, die den verwendeten Detek­ tor stören kann, absorbiert oder reaktiv in eine nicht störende chemische Form umgewandelt wird.

14. verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem Probenvorbe­ reitungsmodul (16) der Analyt in eine vom Detektor (7) meßbare Form reaktiv umgewandelt wird.

15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Diffusionsmedium ver­ wendet wird, das im wesentlichen frei von zu detek­ tierenden Analyten ist.

16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Diffusionsmedium verwendet wird, welches eine bekannte Konzentration mindestens eines Analyten enthält, die über der Kon­ zentration in dem zu beprobenden Medium liegt, so daß im Bereich der Probenahmestrecke eine Diffusion des Analyten vom Diffusionsmedium in das zu bepro­ bende Medium stattfindet.

17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die über die Diffusion gewonnenen Proben aus den parallelen Probenah­ mestrecken mit einem automatischen Fraktionssammler im Abstrom der Probenahmestrecke oder des Detektors für eine spätere Off-Line-Analytik gesammelt werden.

18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung die semipermeablen Membranen in Medien bekannter Analyt- Konzentration getaucht werden und Meßdatensätze er­ stellt werden, auf deren Grundlage die vom Detektor gelieferten Meßergebnisse zur Bestimmung der Analyt­ konzentration ausgewertet werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die semipermeablen Mem­ branen (2) zur Kalibrierung in mindestens einem Re­ aktionsbehälter mit dem im Versuch zu verwendenden Medium getaucht werden, und daß bekannte Konzentra­ tionen mindestens eines Analyten über Addition ent­ sprechend berechnete Volumina eines konzentrierten Standardgemisches des wenigstens einen Analyten ein­ gestellt werden und für die verschiedenen Konzentra­ tionen Meßdatensätze erstellt werden, auf deren Grundlage die vom Detektor gelieferten Meßergebnisse zur Bestimmung der Analytkonzentration ausgewertet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Endkonzentration des wenig­ stens einen Analyten gleichzeitig die gewünschte Startkonzentration im Versuchsansatz darstellt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß der Detektor (7) einen Wert für die Konzentration des Analyten im Diffusi­ onsmedium ausgibt und durch Vergleich dieses Meßwer­ tes mit den Meßwerten, die durch Kalibrierverfahren nach den Ansprüchen 18 bis 20 bei bekannter Analyt­ konzentration ermittelt wurden, auf die Konzentrati­ on im Medium zur vergangenen Diffusionszeit rechne­ risch zurückgeschlossen wird.

22. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß über eine Bypassleitung (20) Diffusionsmedium an den Probenahmestrecken (3) vorbei zu dem Detektor (7) geführt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß im Bereich der Bypassleitung (20) ein Standardmedium in das Diffusionsmedium injiziert wird und dieses Segment durch Zuschalten der Bypass­ leitung (20) zum Detektor (7) transportiert wird, um Drifterscheinungen des Detektors zu korrigieren (Zwischenkalibrierung).

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Detektor über die Bypasslei­ tung (20) Spülflüssigkeit zugeführt wird.