DE2725757A1

DE2725757A1 - Vorrichtung zur fortlaufenden analyse niedermolekularer bestandteile in stroemenden fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2725757A1
Application number: DE19772725757
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Ing Schael; Johannes Georg Dr Dr Schindler
Original assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG
Current assignee: Dr Eduard Fresenius Chemisch Pharmazeutische Industrie KG
Priority date: 1977-06-07
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1978-12-21
Also published as: JPS544190A; GB2001755B; FR2394086A1; GB2001755A

Description

'·' ■■'■'' - ^; München, den 6. Juni 197

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Dr. E. Fresenius Chem. -phartn. Industrie KG, Apparatebau KG,

Bad Homburg

Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse niedermolekularer Bestandteile in strömenden Flüssigkeiten

Zusammenfassung

Es wird eine Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse niedermolekularer Bestandteile in strömenden Flüssigkeiten, insbesondere in strömendem Blut, vorgeschlagen. Sie enthält einen Dialysator, der durch eine semipermeable Membran in zwei Kammern unterteilt wird. Die eine Kammer ist mit Zu- und Ableitungen für Meßflüssigkeiten und die andere Kammer mit Zu- und Ableitungen für eine Trägerflüssigkeit versehen. In der Ableitung der Trägerflüssigkeit befindet sich eine Analysenstrecke, vorzugsweise in Form ionenselektiver und/oder gassensitiver Sensoren. Die Zuleitung der Meßflüssigkeiten weist eine Anschluß zur Zuführung von Eichflüssigkeiten auf. In den Strömungswegen der Meßflüssigkeiten und der Trägerflüssigkeit befinden sich Pumpen, die in einem festen Förderverhältnis zueinander stehen. Die Analysenstrecke, die Absperrorgane und die Pumpen sind auf einem gemeinsamen Grundgestell montiert, auf «as der mit den Zu- und Ableitungen für die Meßflüssigkeiten versehene

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Dialysator derart aufsetzbar ist, daß seine Ableitung

einem für die Trägerflüssigkeit in Eingriff mityentsprechenden Anschlußstück des Grundgestells steht.

Stand der Technik

Für die Beurteilung von Krankheitszuständen ist die chemische Analyse des Blutes und anderer Körperflüssigkeiten ein wichtiges Hilfsmittel. Bisher sind meist nur einzelne Proben, die dem Kranken von Fall zu Fall entnommen werden, analysiert worden. Es besteht aber häufig das Bedürfnis, in kurzen Zeitabständen und mit sehr geringer Verzögerung Analysenwerte zur Verfügung zu haben. Es ist vorgeschlagen worden, für solche Zwecke elektrochemische Meßfühler in Form ionenselektiver bzw. gassensitiver Elektroden zu verwenden, weil sie eine kontinuierliche, praktisch verzögerungsfreie Direktmessung ermöglichen (vergl. C. Fuchs: Ionenselektive Elektroden in der Medizin, Georg Thieme-Verlag, Stuttgart 1976). Der Einsatz solcher Meßfühler im Routineverfahren scheitert jedoch bisher an praktischen Schwierigkeiten verschiedener Art. Ein schädigender Einfluß der Meßanordnung auf den Patienten muß vermieden werden, insbesondere muß das Risiko einer Infektion ausgeschlossen werden. Umgekehrt besteht die Möglichkeit einer nachteiligen Einwirkung des Meßmediums, ζ. B. des Blutes, auf die Meßanordnung. Durch Gerinnungsvorgänge und die Ablagerung von Blutbestandteilen kann die Funktion der Meßfühler erheblich beeinträchtigt werden. Es ist bekannt, die zu analysierenden niedermolekularen Bestandteile durch Dialyse aus der Meßflüssigkeit in eine parallel dazu strömende Trägerflüssigkeit zu überführen und die Trägerflüssigkeit anschließend zu analysieren (Technical Publication No. TAO-0211-00 vom September 1970 der Technicon Instruments Corporation, Tarrytown, New York). Das bekannte Gerät zur Durchführung dieses Vorschlags hat einen erheblichen Platzbedarf und ein großes Flüssigkeitsvolumen, so daß erhebliche Flüssigkeitsmengen zur Durchführung einer Analyse benötigt werden.

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Außerdem ist das Gerät umständlich zu warten und zu reinigen.

Vorteile der Erfindung

Durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung werden die aufgeführten Nachteile vermieden. Das Gerät ist leicht und kompakt und kann unmittelbar am Krankenbett aufgestellt werden. Der Dialysator zusammen mit den Zu- und Ableitungen des Meßgutkreises kann kostengünstig als steriler Einmalartikel hergestellt werden, so daß die mit der Reinigung und Sterilisierung kontaminierter Teile zusammenhängenden Probleme wegfallen.

Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung sind

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Stirnansicht einer Ausführungsform derselben, Fig. 3 ein Schnitt nach Linie A-B in Fig. 2

und
Fig. k eine Darstellung der Steuerung für die Sperrorgane.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Meßprinzips. Das Meßmedium wird durch eine Zuleitung 1, die mit einem Absperrorgan 2 versehen ist, einem Dialysator 3 zugeführt und durch eine Ableitung k zurückgeleitet. Der Dialysator wird durch eine semipermeable Membran 5 i-ⁿ eine Meßflüssigkeitskammer 6 und eine Trägerkammer 7 unterteilt. Eine in der Ableitung k liegende Pumpe 8 erzeugt eine

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konstante Durchflußrate des Meßgutes. In der Zuleitung 1 befindet sich ein Anschluß 9 für die Zuführung von Eichflüssigkeiten aus den Vorratsbehältern 10 und 11. Zur Zuführung einer Eichflüssigkeit wird eines der Absperrorgane 12 und 13 geöffnet, während gleichzeitig das Absperrorgan 2 geschlossen wird. Dadurch werden mit der konstanten Förderrate, die durch die Pumpe 8 vorgegeben ist, die Eichflüssigkeiten durch den Dialysator 3 geleitet. In die Leitungen von den Vorratsbehältern können Gasaustauscher ]k und 15 eingefügt werden, um die Eichlösung definiert mit Eichgasen zu sättigen, falls die Analyse auch die Messung von gelösten Gasen einschließen soll.

Durch die semipermeable Membran 5 gelangen niedermolekulare Bestandteile und gelöste Gase des Meßgutes bzw. der Eichlösungen in die Trägerkammer 7. Aus einem Vorratsbehälter 16 fließt eine als Träger der zu messenden Bestandteile dienende Flüssigkeit von konstanter Zusammensetzung durch eine Zuleitung 17» die Kammer 7 und eine Ableitung zur Analysenstrecke 19» die mit der gewünschten Kombination von Meßfühlern 20 für die Messung der Konzentration der interessierenden Bestandteile bestückt ist. Die Meßfühler 20 sind über elektrische Leitungen 21 mit einem Anzeige- und Auswertegerät 22 verbunden. Dieses Auswertegerät kann auch Einrichtungen zur automatischen Steuerung des Eichvorganges durch Betätigung der Absperrorgane 2, 12 und 13 und zur Speicherung der während des Eichvorganges ermittelten Eichparameter enthalten.

Aus der Analysenstrecke 19 wird die Trägerflüssigkeit von einer Pumpe 2k über die Leitung 23 in einen Sammelbehälter 25 gefördert. Ein konstantes Verhältnis der Förderraten der Pumpen 8 und 2k wird durch eine Kupplung 26 erreicht. Die Kupplung ist vorzugsweise mechanisch und besteht aus einem gemeinsamen Antrieb der beiden Pumpen.

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Es besteht die Möglichkeit, die Trägerfliissigkeit zu regenerieren. Hierzu kann der Sammelbehälter 25 über eine Regenerierungsvorrichtung 27, z. B. in Form eines Absorptionsfilters bzw. einer Absorptionspatrone, mit dem Vorratsbehälter 16 verbunden sein.

Die beschriebene Vorrichtung erfüllt die Forderung, daß einerseits ein kontaminierender Einfluß der Meßfühler auf das Meßgut und andererseits ein kontaminierender Einfluß des Meßgutes auf die Meßfühler vermieden werden soll, denn der Meßgutkreis und der Analysenkreis sind völlig voneinander getrennt. Der Dialysator 3 mit der semipermeablen Membran 5 kann gegebenenfalls kostengünstig als steriler Einmalartikel hergestellt werden. Das gleiche gilt für die Leitungen 1 und k des Meßgutkreises, die als flexible Schläuche aus Kunststoff ausgebildet sein können, wobei die Pumpe 8 eine nicht mit dem Meßgut in Berührung kommende Schlauchpumpe ist. Ein Fehlereinfluß durch den unvollkommenen Stoffaustausch im Dialysator wird dadurch vermieden, daß die Zufuhr der Eichflüssigkeit aus den Vorratsbehältern 10 und 11 auf der gleichen Seite der semipermeablen Membran 5 und mit der gleichen Durchflußrate erfolgt wie die Zufuhr des Meßgutes, so daß Eichung und Messung unter gleichartigen Bedingungen stattfinden. Die Eichlösungen haben hinsichtlich der für die Analyse interessanten Bestandteile eine ähnliche Zusammensetzung, wie sie im Normalfall für das Meßgut zu erwarten ist. So sind beispielsweise für Blut Normalwerte der verschiedenen Bestandteile und ihrer Streubereiche bekannt. Die erste Eichlösung hat zweckmäßig eine Konzentration, die etwas niedriger ist als die Normalwerte, während die Konzentration der zweiten Eichlösungetwas höher als der Normalwert liegt. Beide Eichlösungen sind steril und nach den Regeln, die für Infusionslösungen gelten, hergestellt; es hat also prinzipiell keine nachteilige Wirkung, wenn solche

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Lösungen in den Blutkreislauf gelangen, zumal der Eichvorgang nur kurze Zeit dauert und es sich dementsprechend nur um sehr geringe Mengen handelt.

Der Durchfluß der beiden Flüssigkeiten durch den Dialysator 3 kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom erfolgen. In Fig. 1 ist eine Gegenstromanordnung dargestellt, aber auch die Gleichstromanordnung hat bekanntlich ihre Vorteile.

Bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten Meßvorrichtung sind die Pumpen für die MeOflüssigkeit und die Trägerflüssigkeit, die Absperrorgane zur Steuerung der Meßgut- und Eichlösungszufuhr, der Dialysator und die Analysenstrecke zu einer funktionellen Einheit zusammengefaßt. Die mit dem Meßgut in Berührung kommenden Teile sind als leicht austauschbarer Steckteil ausgebildet.

Das Meßgut fließt über einen flexiblen Schlauch 30 zu, der zusammen mit den flexiblen Schläuchen für die Zufuhr der Eichlösungen und der Trägerlösung in einer Halterung 31 fixiert ist. Diese Halterung, die im vorliegenden Falle mit dem Dialysator 3 mechanisch verbunden ist, ist auf das Grundgestell 32 der Vorrichtung gesteckt und wird durch Zentrierungen 33» 3^ in einer definierten Lage gehalten. Die Halterung 31 bildet zugleich das Widerlager der Absperrorgane für die Umschaltung von der Zufuhr des Meßgutes auf diejenige der Eichlösungen. Zu diesem Zweck hat die Halterung Ausschnitte 35t 36, die mit Klemmstiften 37» 38 korrespondieren und je zwei benachbarte Schläuche freilegen. Die vorderen Enden der Klemmstifte sind so angeschrägt, daß sie sich beim Aufstecken der Halterung 31 auf das Grundgestell 32 leicht zwischen die Schläuche in den Ausschnitten schieben. Der Klemmstift gibt je nach seiner Stellung den Durchfluß des Meßgutes durch den Schlauch 3° oder den Durchfluß einer Eichlösung

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durch den Schlauch 39 frei. Ebenso bestimmt die Stellung des anderen Klemmstiftes 38 den Zufluß des Meßgutes durch den Schlauch 30 oder einer zweiten Eichlösung durch den Schlauch kO. In der in Fig. 2 gezeigten Stellung sind die beiden Schläuche 39, ^O für die Eichlösungen abgeklemmt und der Schlauch 30 ist für das Meßgut freigegeben. Beim Abklemmen der Schläuche durch die Klemmstifte 37_f 38 dienen die oberen und unteren Ränder der Aussparungen 35t 3^ als Widerlager. Im Normalzustand befinden sich die beiden Klemmstifte durch Federkräfte in der in Fig. 2 gezeigten Stellung. Durch ein in das Grundgestell 32 eingebautes Antriebsaggregat ^1, das aus einem Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe und einem in Fig. h im einzelnen dargestellten Nockenmechanismus besteht, wird jeweils einer der Klemmstifte entgegen der Federkraft gegen die andere Seite der betreffenden Aussparung bewegt, so daß der Schlauch für das Meßgut abgeklemmt und der entsprechende Schlauch für die Eichlösung freigegeben wird. Welcher der beiden Klemmstifte bewegt wird, hängt von der Drehrichtung des Elektromotors ab. Der Antrieb der Absperrorgane durch einen Elektromotor hat den Vorzug, daß das Antriebsaggregat relativ raum- und gewichtssparend aufgebaut sein kann im Vergleich zu einem Antrieb mit Elektromagneten. Es sind jedoch auch andere Lösungen dieses Teilproblems denkbar.

Der Dialysator 3 besteht aus einem Unterteil JA und einem Oberteil 3B, zwischen denen die semipermeable Membran (nicht sichtbar) eingespannt ist. Im Bereich außerhalb der Membranfläche sind Unter- und Oberteil dicht schließend miteinander verbunden. In das Unter- und Oberteil sind deckungsgleiche Rinnen eingearbeitet, um die Flüssigkeiten definiert zu führen. Die drei Schläuche für die Zufuhr des Meßgutes und der Eichlösungen sind in dem Anschluß 9 zusammengeführt. Von dort geht ein aus den Rinnen gebildeter

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gewundener Kanal ^l\2 aus, der in dem Anschluß kj endet. Ein Schlauch kk verbindet diesen Anschluß mit der Rollenpumpe 8, die in bekannter Weise z. B. aus einem Radteller mit drei oder mehr Walzen besteht, über die ein elastischer Schlauchteil gespannt ist. Hinter der Pumpe leitet ein Schlauch k6 das Meßgut zurück. Die bei Betätigung der Absperrorgane fließende Eichlösung nimmt den gleichen Weg. Die Trägerflüssigkeit, die durch einen Schlauch ^7 zugeführt wird, tritt in ein Anschlußstück 48, das sich am Oberteil 3B des Dialysators 3 befindet. Von dort führt eine Bohrung zu einem Kanalstück k9, das im Gegensatz zu dem spiralig gewundenen Kanal h2 nur in das Unterteil eingearbeitet ist. Bei der Anschlußstelle ^3 schließt sich der spiralig gewundene Kanal kz an, der durch die Membran in die Kammern und 7 (Fig. 1) geteilt wird. Die Trägerflüssigkeit fließt an der Unterseite der Membran entgegengesetzt zum Meßgut bzw. zur Eichlösung in der gleichen Spiralform zu einem Anschluß 50 in der Mitte des Dialysators 3· Dieser Anschluß ist dicht schließend in einen dazu passenden Stutzen ^5 am Grundgestell 32 gesteckt und stellt so die Verbindung zu einem Kanal 5I her, in dem die Analyse der Trägerlösung stattfindet.

Die Meßfühler 20 sind an der Oberseite des Grundgestells 32 in mit dem Kanal 5I in Verbindung stehende Bohrungen eingeschraubt und über Stecker ^k und Kabel 21 mit dem Anzeige- und Auswertegerät 22 (Fig. 1) verbunden. Sie besitzen je eine Dichtfläche, die durch Einschrauben des betreffenden Meßfühlers dichtend an eine entsprechende Dichtfläche der zugeordneten Bohrung 53 angedrückt werden kann und so die Öffnung des Kanals 51 abschließt. Die Meßfühler können beispielsweise als ionenselektive Elektroden, gassensitive Elektroden und/oder Bezugselektroden ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, über Einsatzkörper von

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gleicher Gestalt wie die Meßfühler einen Bezugselektrolyt und/oder Zusätze zur vorbereiteten Durchführung chemischer Reaktionen der Trägerflüssigkeit zuzuführen.

Am Ausflußende des Kanals 51 wird die Trägerlösung mittels eines Schlauches 55 abgeleitet und durch die Rollenpumpe 2k in ein Sammelgefäß gefördert. Ein am Grundgestell befestigtes Antriebsaggregat 56, nämlich ein Elektromotor mit Getriebe, dient zum gemeinsamen Antrieb der Rollenpumpen 8 und 2k.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung für den Antrieb der Klemmstifte einschließlich der zugehörigen elektrischen Steuerschaltung ist in Fig. k dargestellt. Die beiden Klemmstifte 37 und 38 sind an Hebeln 60 und 6i befestigt, die am anderen Ende an einer Drehachse 59 frei beweglich gelagert sind. Diese Drehachse ist z. B. die Getriebewelle des Getriebemotors kl. Die beiden Druckfedern 62 und 63 geben den Hebeln die erforderliche Vorspannung, um im Ruhezustand die Schläuche 39 und *40 (Fig. 2) abzuklemmen. Die Bewegung der Hebel entgegen den Federkräften erfolgt dadurch, daß ein fest an der Getriebewelle angebrachter Hebel 6k mit seinem abgewinkelten Ende durch die Antriebskraft des Motors gegen einen der Hebel 60 und 61 bewegt wird und diesen mitnimmt. Bei Linksdrehung der Getriebewelle wird gemäß Fig. k der Hebel 60 entgegen der Kraft der Feder 62 nach unten gedrückt, bei Rechtsdrehung wird der Hebel 61 entgegen der Kraft der Feder 63 nach oben gedrückt. Die Kraft, mit der diese Bewegungen erfolgen, kann durch eine Strombegrenzung im Motorstromkreis eingestellt werden, z. B. durch einen in den Motorstromkreis eingeschalteten Widerstand 65.

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Bei Verwendung eines Gleichstrommotors wird die Drehrichtung durch die Polarität der Betriebsspannung bestimmt. Zum Umpolen der Betriebsspannung dient ein Relais 66, das von einem Flipflop 67 gesteuert wird. Die Setz- und Rücksetzeingänge des Flipflops sind mit einem Steuerschalter 68 verbunden. Wenn z. B. der Steuerschalter in die Stellung E1 (Eichflüssigkeit 1) gebracht wird, tritt am Ausgang Q des Flipflops 67 eine positive Spannung auf, so daß das Relais 66 anzieht und der Motor auf Linkslauf geschaltet ist. Um den Motorstromkreis zu schließen, muß außerdem der Arbeitskontakt eines Relais 72 geschlossen sein. Dies ist dadurch gewährleistet, daß die Spule dieses Relais vom Steuerschalter über eine Diode 69 eine positive Spannung erhält und dadurch aktiviert wird. Der Motor läuft dann nach links, bewegt den Hebel 60 nach unten und kommt aufgrund der strombegrenzenden Wirkung des Widerstandes 65 zum Stillstand. Beim Zurückschalten des Steuerschalters 68 in die Stellung M (Messen) kommt ein positiver Spannungsimpuls auf den dynamischen Eingang des Flipflops 67, so daß sich der Schaltzustand des Flipflops umkehrt und der Ausgang Q' spannungslos wird. Das Relais fällt ab, so daß der Motor jetzt auf Rechtslauf eingestellt ist. Der Motorstromkreis bleibt geschlossen, weil die Spule des Relais J2 vom Steuerschalter über den geschlossenen Kontakt eines Mikroschalters 70 weiterhin eine positive Spannung erhält. Der Motor läuft somit im Rechtslauf, bis ein am Hebel Gk befindlicher Nocken 71 den Mikroschalter betätigt, so daß das Relais 72 abfällt und den Motorstrom unterbricht. Der Mechanismus bleibt in dieser Ruhestellung, bis der Steuerschalter 68 erneut in eine der Stellungen E1 oder E2 gebracht wird. Die Arbeitsweise bei Umschaltung in Stellung E2 ist völlig analog und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

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Claims

Dr. E. Fresenius Chem.-phartn. Industrie KG, Apparatebau KG, Bad Homburg Ansprüche

1./Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse nieder—molekularer Bestandteile einer strömenden Flüssigkeit mit einem Dialysator, bestehend aus einem in Längsrichtung durch eine semipermeable Membran zweigeteilten Kanal, dessen Membran die niedermolekularen Bestandteile aus der Meßflüssigkeit in eine strömende Trägerflüssigkeit eindiffundieren läßt, und einer in der Ableitung der Trägerflüssigkeit befindlichen Analysenstrecke für die niedermolekularen Bestandteile, sowie gesteuerten Absperrorganen zum wahlweisen Einleiten der zu analysierenden Flüssigkeit und einer Eichlösung in den Dialysator, dadurch gekennzeichnet « daß die Analysenstrecke (19), die Absperrorgane (37t 38) und die Pumpen (8, 2*0 zum Antrieb der Meß- und Trägerflüssigkeit auf einem gemeinsamen Grundgestell (32) montiert sind, auf das der Dialysator (3) mit den Zu- und Ableitungen für die Meß- und Eichlösungen

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derart aufsetzbar ist, daß sein Anschluß stück (50) für die Analysenstrecke in Eingriff mit einem entsprechenden Anschlußstück (^5) des Grundgestells
steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dialysator (3) und die Zu- und Ableitungen (3°, Ί6) für das Meßgut als Einmalartikel ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dialysatorkanal (^2), der durch die semipermeable Membran (5) in Längsrichtung unterteilt ist, spiralförmig im Dialysator (3) verläuft.

k. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (30, 39, ho) in einer mit dem
Dialysator (3) verbundenen Halterung (31) derart geführt sind, daß die Halterung die Widerlager für die Absperrorgane (37, 38) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansperrorgane als Klemmstifte (37, 38) ausgebildet sind, die von einem Elektromotor (k"\) je nach dessen Drehrichtung abwechselnd gegen die Widerlager in der Halterung (31) gedrückt werden können, um die als nachgiebige Schläuche ausgebildeten Zuleitungen (30, 39, 4o) abzuklemmen.

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