Beschreibung der Erfindung
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Wegen der Bedeutung des kolloidosmotischen Druckes in der Medizin, Veterinärmedizin und
Polymerchemie besteht Bedarf an empfindlichen, zuverlässigen und leistungsfähigen
Membranosmometern. Die auf dem Markt angebotenen Geräte sind nicht in der Lage, die
Osmolarität von Polymeren oder den kolloidosmotischen Druck von Polyelektrolyten in sehr
kleinen Flüssigkeitsvolumina zu erfassen. Sie verbrauchen im allgemeinen einen Teil der
Probe und besitzen keine kleinlumigen Durchflußzellen. Bisher fehlen implantierbare Sonden
für die Messung des chemischen Potentials einer Flüssigkeit im Organismus oder in einem
Kapillarsystem. In der Pflanzenökologie besteht seit langem ein großer Bedarf an
registrierenden Geräten für die Messung des Wasserpotentials in Teilen der Pflanze und im
Boden.
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Im Tensiometer wird der Binnendruck in einer flüssigkeitsgefüllten Zelle, deren
poröse Wand oder Membran nicht permselektiv für die Bestandteile der Flüssigphase ist,
gemessen. Je nachdem, ob die Poren der Tensiometerzelle an eine feuchte Matrix oder einen
Gasraum grenzen, wird entweder das sog. Matrixpotential (Quellungsdruck) oder das
volumenbezogene chemische Potential der Flüssigkeit im Gleichgewicht mit dem Gasraum
(z. B. das Wasserpotential) gemessen. Die zur Messung des Bodenmatrixpotentials
eingesetzten Tensiometer beruhen auf Druckmessung in relativ großen porösen Zellen. Sie
sind nicht in der Lage, ein Matrixpotential unter -0.09 MPa zu registrieren, da in der
Wasserfüllung großer Zellen Kohäsionsspannungen nicht stabil aufrechterhalten werden.
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Für die Herstellung verbesserter Meßgeräte für die genannten Anwendungen sind
Mikrosonden geeignet, deren Sensorkammer durch ein Dialysefasersegment mit
semipermeabler bzw. poröser Membran und einen angeschlossenen Drucksensor gebildet
wird (Ehwald R, Frensch J, Peters K-J, DE 197 14 586 A1). Die geringe Größe der
flüssigkeitsgefüllten Zelle ermöglicht einen extrem geringen Bedarf an Probevolumen, nahezu
verbrauchsfreie Messung und geringe Verletzung und Gewebebeschädigung beim
Implantieren in das physiologische oder ökologische System. Die Verwendung von
kleinlumigen Hohlfasersegmenten ist auch aus mechanischen und hydrodynamischen
Gründen für die Gestaltung der austauschfähigen Sensorkammer günstig; denn sie ermöglicht
ein günstiges Vehältnis von Oberfläche zu Volumen sowie eine hohe Druckbelastbarkeit bei
geringer Dicke der Membran. Es steht eine große Zahl verfügbarer Hohlfasern aus
organischen und anorganischen Materialien mit dehnungsfesten Wänden (hohem
Volumenelastizitätsmodulus) und unterschiedlichen definierten Größenausschlußgrenzen vom
niedermolekularen Bereich bis zur Makroporosität zur Verfügung. Aus dem vorhandenen
Sortiment lassen sich je nach Anwendungsgebiet Dialyse- oder Ultrafiltrationsfasern mit
hoher hydraulischer Permeabilität für den Volumenfluß, scharfer Größenausschlußgrenze im
Ultrafiltrationsbereich, hoher Druckbelastbarkeit und Deformationsfestigkeit sowie guter
Umweltbeständigkeit auswählen. Ein Mikromembranosmometer mit einer Hohlfaser-Sonde
wurde bereits zur Messung von Reflexionskoeffizienten und des kolloidosmotischen Druckes
eingesetzt (Beyer U, Fleischer A, Kage A, Haueter U, Ehwald R: Bionsensors and
Bioelectronics, zum Druck eingereicht).
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In Tensiometer- oder Osmometerzellen werden Halbleiterdruckwandler eingesetzt.
Empfindliche Drucksensoren messen den Druck an Hand der Verbiegung einer
Halbleitermembran. Deshalb kann ein Mindestwert für die elastischen Volumenkapazität
(C = dV/dP) einer Osmometer- oder Tensiometerzelle nicht unterschritten werden. Die
Halbwertszeit τ für die Einstellung des Gleichgewichtsdruckes in einer
Flüssigkeitsaustauschzelle ist der elastischen Volumenkapazität C sowie den Kehrwerten der Fläche der
flüssigkeitsdurchlässigen Membran und der Volumenflußleitfähigkeit Lp proportional.
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Da die Volumenflußleitfähigkeit feinporiger Membranen begrenzt ist, findet die angestrebte
Miniaturisierung der Fläche der flüssigkeitsdurchlässigen Membran in einem
Mikromembranosmometer oder -tensiometer ihre technische Begrenzung in der Verzögerung,
mit welcher die Gleichgewichtseinstellung erfolgt. Ein ähnliches Problem ist von
Mikrodrucksonden für die Druckmessung in turgeszenten Pflanzenzellen (Hüsken H, Steudle
E, Zimmermann U: Plant Physiology 61, 158-163, 1978) bekannt. Da in den
Mikrodrucksonden Drucksensoren mit einem Meßbereich von mehreren bar verwendet
werden, ist die Volumenkapazität der verwendeten Drucksensoren gering, kann jedoch wegen
der Kleinheit der zu untersuchenden Pflanzenzelle nicht vernachlässigt werden, so dass eine
Kompensation der elastisch bedingten Volumenänderung im Druckmeßraum erforderlich
wird, um die Verdünnung des Zellsaftes zu vermeiden. Sie erfolgt bei der Mikrodrucksonde
durch Rejustierung der Position eines Öl/Wasser-Meniscus zwischen der Pflanzenzelle und
der ölgefüllten Drucksensorkammer.
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Mikromembranosmometer für die Messung des kolloidosmotischen Druckes oder die
Bestimmung des Molekulargewichtes von Polymeren erfordern eine hohe Empfindlichkeit
(Meßwerte im mbar-Bereich). Je empfindlicher der Drucksensor, desto größer ist der für die
druckabhängige Deformation des Sensors erforderliche Volumenfluß. Dieser ist zwar bei
Hohlfaser-Osmometern oder -Tensiometern klein im Verhältnis zum Volumen der Messzelle,
so dass kein Verdünnungsfehler entsteht. Es ergibt sich aber bei kleiner Membranfläche für
die Einstellung des Gleichgewichtsdruckes durch den osmotisch bedingten Volumenfluss
hoher Zeitbedarf (Beyer U, Fleischer A, Kage A, Haueter U, Ehwald R, Biosensors and
Bioelectronics, submitted)
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Druckmeßvorrichtung,
mit deren Hilfe der für die Druckänderung in einer Messzelle erforderliche Volumenfluss auf
ein Minimum reduziert werden kann. An flüssigkeitsgefüllten Zellen mit kleiner
Membranfläche soll beispielsweise eine automatische Einstellung des Gleichgewichtsdruckes
in kurzer Zeit erfolgen, auch wenn der Volumenfluss der Flüssigkeit durch die poröse oder
semipermeable Membran für eine schnelle Deformation der Membran eines empfindlichen
Drucksensors nicht ausreicht.
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Die o. g. Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren
mit zwei Drucksensoren, zwei Kammern und einer Pumpe gelöst (Abb. 1). Eine Kammer
dieses Systems, die Messzelle (a), ist mit einer Flüssigkeit gefüllt. Der Beitrag der Wände der
Messzelle ausserhalb der Regelsensormembran zur elastischen Volumenkapazität der
Messzelle ist klein. Die andere Kammer, die Messzelle (b), ist nach aussen dicht geschlossen
und enthält ein Fluid. Zwischen beiden Kammern befindet sich die deformierbare Membran
(c) eines empfindlichen Drucksensors, des Regelsensors. Zur Steuerung ihres Binnendruckes
ist die Kompensationszelle mit einer Mikropumpe (d) verbunden. Die Druckdifferenz
zwischen der Kompensationszelle und der Atmosphäre wird durch einen weiteren
Drucksensor, den Messwert-Ausgabesensor (e) erfasst. Der Regelsensor ist Signalgeber einer
Regelstrecke, die mit Hilfe der Pumpe den Druck in der Kompensationszelle vergrößert,
sobald der Regelsensor eine positive Abweichung vom eingestellten Sollwert registriert. Eine
negative Abweichung wird mit Druckabsenkung in der Kompensationszelle beantwortet. Die
Pumpe bewirkt die Druckänderung z. B. durch einen Elektromotor mit einer Gewindestange
oder, wie in der Abb. 1 dargestellt, durch die Deformation eines Piezokristalls.
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Bei dieser Anordnung werden nur sehr kleine Volumenänderungen in der Messzelle
für die Messung einer Druckänderung benötigt. Ist die Messzelle eine Osmometerzelle oder
Tensiometerzelle, erfolgt die Einstellung des Gleichgewichtsdruckes mit sehr geringem
Volumenfluss durch die flüssigkeitsdurchlässige Membran. Jede Änderung des Potentials der
Flüssigkeit oder des Lösungsmittels an der Aussenfläche der flüssigkeitsdurchlässigen
Membran wird nahezu verzögerungsfrei durch eine Druckänderung in der
Kompensationszelle kompensiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das
erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise für ein kontinuierlich registrierendes
Mikromembranosmometer mit angeschlossenem Hohlfasersegment (Abb. 1, f) eingesetzt
werden. Dieses Gerät kann wahlweise mit einem implantierbaren Meßfühler ausgerüstet
werden (g). Der Meßfühler kann als Durchflusszelle gestaltet werden (h). Das Einsatzgebiet
des Hohlfaser-Membranosmometers ist die Medizin, die Veterinärmedizin, die Physiologie
und die Polymerchemie, insbesondere die Analytik von Polymeren mit Hilfe der HPLC. Ein
weiteres Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das
erfindungsgemäße Verfahren ist ein Tensiometer zur Messung von Wasserpotentialen in
Pflanzengeweben. Die Druckmeßsonde wird in ähnlicher Weise wie bei der implantierbaren
Sonde für das Membranosmometer in einer Stahlkanüle untergebracht und kann in
verschiedene vor der Verdunstung geschützte Hohlräume von Pflanzenorganen, z. B. das
Albedo von Zitrusfrüchten oder die Markhöhle in den Internodien der Getreidehalme
implantiert werden. Für das Tensiometer wird die Sensorkammer der implantierbaren
Druckmessonde mit einem osmotisch wirksamen, aber durch die Membran der Sensorkammer
nicht permeablen Polymer (z. B. Polyethylenglykol) gefüllt, so daß der Gleichgewichtsdruck
im wassergesättigten Zustand (100% rel. Luftfeuchte) bei 1-2 MPa liegt. In inneren
Gasräumen der Pflanzensprosse, die durch eine Kutikula oder ein Periderm vor Verdunstung
geschützt sind, liegt das Wasserpotential bei Werten zwischen 0 und -1.5 MPa. Die
verwendete Hohlfaser ist durch eine implantierbare geschlitzte Stahlkanüle geschützt, welche
ihr die notwendige mechanische Stabilität verleiht und gleichzeitig für den notwendigen
Temperaturausgleich zwischen der Sensorkammer und dem Gewebe sorgt.
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Weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich bei
implantierbaren viskometrischen Affinitätssensoren für Glucose und andere Analyte (Ehwald
R, Ehwald K-E, Thomas A, Beyer U, DE 197 14 087). In diesen Sensoren kann die
Viskositätsmessung mit Hilfe kleiner Volumenflüsse der sensitiven Flüssigkeit durch eine
enge Kapillare oder Düse in einer Dialysekammer (Dialysefasersegment) erfolgen (Fig. 2 in
DE 197 14 087). Wegen der geringen Volumenkapazität der Dialysekammer sind nur sehr
kleine Volumenverschiebungen durch die Düse oder Kapillare möglich. Sie führen nur dann
zu einer gut messbaren viskositätsabhängigen Druckoszillation, wenn sie die elastische
Volumenkapazität der Messzelle überschreiten. Dies ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Vorrichtung möglich.