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Verfahren zur Durchführung von Analysen im Durchfluß-
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verfahren und Meßvorrichtung hierfür
Verfahren zur
Durchführung von Analysen im Durchflußverfahren und Meßvorrichtung hierfür Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Analysen im Durchflußverfahren unter
Verwendung von Meßsystemen mit einem oder mehreren Durchflußkanälen für das zu analysierende
Medium und mit diesen zugeordenten Analyse-Meßeinrichtungen sowie ein Meßsystem
zur Durchführung des genannten Verfahrens.
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Das Einsatzgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Analyse
eines strömenden Mediums, z.B. einer Flüssigkeit oder eines Gases. Lediglich als
Beispiele einer vorteilhaften
Anwendungsmöglichkeit der Erfindung
sollen hier elektrochemische und fotometrische Analyseverfahren genannt werden,
doch ist die Erfindung auf diese Anwendungsgebiete keinesfalls beschränkt.
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Bei den bisher üblichen Meßeinrichtungen für die Analyse eines strömenden
Mediums werden meßempfindliche Flächen als Teil der Wandung eines Durchflußkanales
ausgebildet, wobei dieser über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt
aufweist. Die meßempfindliche Fläche bildet somit eine stetige Fortsetzung der Wandfläche.
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In anderen Fällen weist die Meßeinrichtung eine Stabsonde auf, die
quer in den Strömungskanal des zu analysierenden Mediums eingeführt wird.
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Bei Analysevorrichtungen für sehr kleine Probenmengen ist es üblich,
die Querschnittsfläche des Durchflußkanales möglichst klein zu halten und im Bereich
der eigentlichen Meßvorrichtung zu einer Meßkammer zu erweitern, um den meßaktiven
Teil der zur Analyse benutzten Meßvorrichtung, z.B. einer ionenselektiven Elektrode
oder einer fotometrischen Meßanordnung, deren Mindestabmessungen in der Crößenordnung
der Maße des Durchflußkanales liegen, oder auch sogar größer sind als dieser, und
deren Mindestgröße nicht ohne weiteres unterschritten werden kann, in oder an dieser
Meßkammer unterzubringen.
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Bei allen Durchfluß-Meßanordnungen tritt die Erscheinung auf, daß
bei zwei aufeinanderfolgenden, zunächst scharf gegeneinander abgegrenzten Proben
von unterschiedlicher Zusammensetzung die ursprünglich scharfe Trennung zwischen
den beiden Proben beim Durchfluß durch das System nicht erhalten bleibt. Im Grenzbereich
zwischen den Proben ergibt sich eine mehr oder weniger starke Vermischung. Dieser
Effekt wird als Probenverschleppung bezeichnet. Durch die Probenverschleppung erhält
man eine verzögerte Meßwerteinstellung, d.h. eine Verlängerung der Zeit zwischen
der stabilen Anzeige des Analysewertes einer ersten Probe und der erneut stabilen
Anzeige des Analysenwertes einer zweiten Probe, wenn beide Proben nacheinander das
System durchfließen. Bei Analysevorrichtungen mit schnell ansprechendem Meßsystem
wird die eintretende Verzögerung praktisch ausschließlich von der Probenverschleppung
bestimmt. Die Probenverschleppung hat infolgedessen auch Einfluß auf das Mindestvolumen
einer Probe, die erforderlich ist, um ein aussagefähiges Meßergebnis zu erhalten.
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Auch die erreichbare Probenfrequenz, d.h. die Zahl aufeinanderfolgender
Proben, die pro Zeiteinheit analysiert werden können, wird entscheidend von der
Probenverschleppung
beeinflußt, In vielen Föllen @n@ die angeführten
Faktoren von großer Bedeutung für die Leistungsfähigkeit eines Analysesystems, Dies
qilt beispielsweise für Analysegeräte, die in der @linis@ Chemie zur Analyse von
Serumproben eingesetit we@@an. Es ist offensichtlich, daß ein System, welches mi@
@@insten Probemengen auskommt und eine hohe Zahl von Proben pro Zeiteinheit analysieren
kann, als besondets vorteilhaft gelten muß.
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Bei den vorstehend genannten Analysevorrichtungen für besonders kleine
Probenmengen treten abgesehen von der Probenverschleppung zusätzliche Probleme auf,
und zwar durch das Einfangen von INftblasen und evtl. auch durch Verunreinigungen
in der Meßkammer, die den Meßvorgang stören.
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Das Verhalten von Luftblasen in einem miniaturisierten Durchflußsystem
mit qeringer Strömungsgeschwindigkeit wird weniger von Auftrie@@- und Strömungskräften
als von Grenzflächeneffekten beelnflußt, so daß z.B. eine kugelförmige Luftblase,
deren @@ tesser größer ist als der Durchmesser des Abflußkanales Bauart @ Me@kammer,
nur schwer die Meßkammer wieder verläßt. Dies hat seine Ursache darin, daß die zum
Verformen der. Luftblsse notwendige Energie größer ist a3s die Energie, die aufgrund
der Strömungskräfte auf die Luftblase
übertragen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Durchflußverfahren für Analysezwecke
anzugeben, bei dem nur eine geringe Probenverschleppung eintritt und dadurch ein
trägheitsarmes Ansprechen der Analyse-Meßeinrichtung und als Folge davon schließlich
eine hohe Probenfrequenz ermöglicht wird.
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Außerdem soll die Erfindung Störeinflüsse vermeiden bzw.
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vermindern, soweit diese bei Durchflußanalysen für Flüssigkeiten durch
das Anhaften von Luftblasen oder durch Verschmutzen im Bereich der Meßvorrichtung
verursacht werden können. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, für die Durchführung
eines solchen Verfahrens geeignete Meßanordnungen anzugeben.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch das in Anspruch 1 angegebene
Verfahren erreicht.
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Ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes
Meßsystem mit einem oder mehreren Durchflußkanälen für das zu analysierende Medium
und mit diesen zugeordneten Analyse-Meßeinrichtungen ist dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Durchflußkanäle jeweils im Wirkungsbereich der Analysemeßeinrichtungen
eine Querschnittsverengung aufweisen, die im Sinne der Erzielung eines stau-und
totzonenannen Strömungsverlaufes des zu analysierenden
Mediums
in Stromaufwärts- und Stromabwärtsrichtung auf den Ausgangswert des Kanalquerschnittes
zurückgeführt ist.
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Die Erfindung beseitigt die vorstehend aufgeführten Probleme und erlaubt
eine optimale Durchführung von Durchflußanalysen.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung
anhand der Darstellung verschiedener Ausbildungen von Durchflußanordnungen, die
für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, sowie aus einem
Versuch mit vergleichenden Ergebnissen.
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Es zeigt: Fig. 1 eine konventionell gestaltete Durchfluß-Meßanordnung
Fig. 2 eine Durchfluß-Meßanordnung gemäß der Erfindung in allgemeiner schematischer
Form Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem Meßfühler Fig. 4 das gleiche Ausführungsbeispiel,
dargestellt als Schnittansicht längs der Linie A-B von Fig. 3 Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel
mit mehreren hintereinander angeordneten Meßfühlern Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel
mit
mehreren hintereinander angeordneten Meßfühlern Fig. 7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel mit einem im Durchflußkanal angeordneten Verdrängungskörper
und mehreren Meßfühlern.
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In Fig. 1 ist als Beispiel eine Durchfluß-Meßanordnung nach dem bisherigen
Stand der Technik dargestellt. Der Durchflußkanal la,lb von beispielsweise kreisrundem
Querschnitt ist zu einer Meßkammer 2 erweitert, die z.B. die Form eines Zylinders
hat und an einer Stirnseite von der meßaktiven Fläche des Sensors 3 abgeschlossen
wird. Dieser Sensor, der wesentlicher Bestandteil der analytischen Meßvorrichtung
ist, kann z.B. eine ionenselektive Elektrode sein. Es kann sich aber auch um einen
Strahlungssensor handeln, evtl. kombiniert mit einer an der gegenüberliegenden Seite
der Meßkammer angeordneten Strahlungsquelle. Eine Anordnung der in Fig. 1 gezeigten
Art weist die zuvor erwähnten Nachteile auf.
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Fig. 2 zeigt demgegenüber das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Meßanordnung.
Der Durchflußkanal 5a,5b mit kreisfdnmigem Querschnitt hat in diesem Falle in dem
Bereich, in dem sich der meßempflndllche Teil der Meßvorrichtung 6 befindet, eine
konzentrisch zur Mittellängsachse verlaufende Verengung.
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Diese ist erfindungsgemäß so gestaltet, daß sich eine stau- und totzonenarme
Stömung ausbildet. Die Randschichtdicke auf * moßempfindlichen Flächen wird durch
den damit e ten Strömungsverlauf besonders gering. Es folgt win sehr rascher Austausch
der diesen Flächen benachbarten Flüssigkeitsschichten. Luftblasen oder Feststoffpartizel,
die sich in diesem Bereich befinden, werden bevo@ngt mit der Strömung abgeführt.
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Nähere Einzelhelter eines J\usfÜhrungsbeispieles sind in Fig. 3 und
Fig 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt einen LAngsschnitt, Fig 4 einen Querschnitt der
gleichen Anordnung.
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Der Strömungskanal 5a,5b hat im vorliegenden Falle einen rechteckigen
Querschnitt, der im Bereich des Meßsensors durch eine stromlinienförmige, der Kontur
eines Tragflügels ähnilihe Frhebung 7 auf der dem Meßsensor gegenüberliegenden Seite
@ingeengt ist. Hierdurch erfährt die durch den Kannl 5a ,5b fließende Probe im Bereich
der Meßanordnung eine Beschl@unigung, wodurch einer Probenverschleppung entgegengnwirkt
wird. Der Meßsensor ist im vor liegenden Falle ei.n: ionenselektive Elektrode von
der Art, wie sie bereits in der deutschen patentanmeldung p 282o 474 angegeben ist.
Di@@ Meßsensor besteht aus einem metallischen Ableitkontakt S, @@@@ die Diffusion
von Sauerstoffen hemmenden ionenleitander überzug 9 und einer ionenselektiven Mcmbran
lo.
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Fig. 5 zeigt eine Durchfluß-Meßanordnung mit drei Sensoren 11, 12
und 13, z.B. ionenselektiven Elektoden oder anders gearteten Meßfühlern. Die Zahl
der Sensoren ist andererseits variabel wählbar.
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Solche Anordnungen werden benötigt, um mehrere Analyseparameter der
gleichen Probe zu bestimmen. Die Probenverschleppung in solchen Systemen ist bei
konventioneller Gestaltung der Durchflußkanäle und -kammern noch um ein Vielfaches
größer, weil Reste einer vorhergehenden Probe aus den am Anfang des Strömungsweges
liegenden Meßkammern nur langsam ausgespült werden und daher die stromab liegenden
Sensoren entsprechend lange mit einer von Resten der vorhergehenden Probe verunreinigten
neuen Probe in Berührung kommen. Die weiter unten angegebenen Meßergebnisse zum
Vergleich zwischen einem konventionell gestalteten System und einem entsprechend
der Erfindung gestalteten System zeigen diesen Effekt sehr deutlich und beweisen,
daß mit der neuartigen Ausbildung des Durchflußsystems erhebliche Vorteile erreicht
werden.
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausschnitt aus einer Multimeßkette sind
die Erhebungen 7,7a an den Kanalwänden, die zur Erzeugung der strömungsgünstigen
Verengungen dienen,
abwechselnd an sich gegenüberliegenden Wandflächenbereichen
des Durchflußkanales angeordnet. Dadurch kann der Abstand der Sensoren vermindert
werden, ohne daß der Strömungsverlauf ungünstiger wird, d.h. auf der gleichen Kanal
länge mit etwa gleichem Kanalvolumen kann eine größere Anzahl von Meßstellen untergebracht
werden.
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind die Sensoren, z.B. ionenselektive
Elektroden 11, 12 und 13 mit der Bezugselektrode 14 teils auf der der Erhebung gegenüberliegenden
Seite angeordnet, teils enden sie auf der Erhebung selbst. Jede dieser beiden Möglichkeiten
kann auch allein Anwendung finden, wobei die Anordnung der meßempfindlichen Fläche
auf der Erhebung als die ström;ungstechnisch vorteilhaftere Lösung anzusehen ist,
während die Anordnung gegenüber der Erhebung herstellungstechnisch einfacher ist.
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Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die strömungsgünstige
Verengung des Durchflußkanales durch einen im Kanal angeordneten Verdrängungskörper
18 erreicht wird.
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In diesem Beispiel sind mehrere Sensoren an der so geschaffenen Verengung
angeordnet, was sinngemäß auch he den vorhergehenden AusfUhrungsheispielen Anwendung
finden kann.
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Die meßempfindlichen Flächen der Sensoren sind in Fig. 7
an
den dem Verdrängungskörper gegenüberliegenden Kanal wänden angeordnet. Ebenso besteht
die Möglichkeit, die Sensorflächen auf der Oberfläche des Verdrängungskörpers selbst
zuordnen. Abgesehen davon, daß dies strömungstechn@ch etwas günstiger ist, kann
diese Möglichkeit noch dmigehend ausgebildet werden, daß der Verdrängungskö@@er
als auswechselbare Sonde mit einem oder mehreren Sensoren gestaltet wird. Der stromab
liegende Teil des Werdrängungskörpers würde in diesem Falle mit einem Schaft versehen,
der sowohl zur Befestigung als auch figur Serstellung der Verbindungen für die Meßsignalübertragung
dient.
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Dic in Fig. 7 gezeigte Anordnung mit einem Verdrängungskörper kann
so gestaltet werden, daß sich der Verdrängungskörper in einer Richtung quer zur
Kanal achse über die gesamte Breite des Durchflußkanales erstreckt, so daß hierdurch
der Kanal in @wei gleiche oder unterschiedlich große Teilkanäle aufgeteilt wird.
Dies ist z.B. dann anzuwenden, wenn Meßverfahren und entsprechende Meßsensoren eingesetzt
werden, die sich gegenseitig stören können und daher nicht am gleichen Kanal in
Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden sollen. Beispielsweise können
an einem der Teilkanäle eine oder mehrere ionenselektive Elektroden angeordnet werden,
während sich an
dem anderen Teilkanal die zugehörige Referenzelektrode
befindet, die wegen des dort austretenden Referenzelektrolyten die Meßsignale der
ionenselektiven Elektroden beeinflussen könnte.
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Versuchsbeschreibung: Es werden drei Typen von Durchfluß-Meßanordnungen
miteinander verglichen, die als Meßsensoren ionenselektive Elektroden für Na+, K
und Ca enthalten, nämlich Typ 1: konventionelles System entsprechend Fig. 1 mit
jeweils einer Na+ -, K+- bzw. Ca++-selektiven Elektrode und einer nachgeschalteten
Bezugselektrode gleicher Bauart; Typ 2: konventionelles System entsprechend Fig.
1 (mehrfach aneinandergereiht) mit Na -, K - und Ca -selektiven Elektroden in einer
Reihe. Die Bezugselektrode ist nachgeschaltet; und Typ 3: erfindungsgemäßes System
entsprechend Fig. 5 mit Na -, K+- und Ca++-selektiven Elektroden in einer Reihe.
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Die Bezugselektrode befindet sich ebenfalls in einer unmittelbar
nachgeschalteten Zelle in der gleichen Bauart wie die Durchfluß-Meßzelle. Das Dezuqselektrodensignal
schwingt dadurch schneller ein.
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Die erfindungsgemäße Durchfluß-Meßzelle nach Fig. 5 besteht aus einem
Acrylglasblock mit Metallabschirmung. Der Durchflußkanal weist einen rechteckigen
Querschnitt mit den Abmessungen 2 x 1 mm und eine Gesamtlänge von etwa 40 mm auf.
Die Zu- und Abführung des zu analysierenden Mediums erfolgt durch stirnseitig angeschlossene
PVC-Schläuche. Die in den Durchflußkanal hineinragenden Erhebungen 7 mit tragflächenartigem
Längsschnitt haben übereinstimmende Gestalt und Abmessungen.
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Die Gesamtlänge einer solchen Erhebung 7 beträgt etwa 6,7 mm. Ihre
maximale Höhe liegt 2,1 mm in Stromrichtung von ihrem Scheitelpunkt und beträgt
o,75 mm. Die erste Erhebung 7 beginnt etwa in einem Abstand von 4 mm von der in
der Zeichnung linken Stirnwand des Analysatorblockes. Der Abstand zwischen zwei
Erhebungen 7 beträgt jeweils etwa 5 mm.
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Aufgrund der beschriebenen Geometrie der Meßanordnung nach Fig. 5
ergibt sich, daß im Bereich des Maximums der Erhebung 7 die Strömungsgeschwindigkeit
auf etwa den vierfachen Wert erhöht wird, da hier der Kanalquerschnitt auf den vierten
Teil verengt ist.
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Die Abmessungen der konventionellen Meßsysteme nach Typ 1 und 2 sind
mit denen der erfindungsgemäßen Durch fluß -Meßzelle nach Typ 3 vergleichbar gewählt.
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Die Messungen werden mit Elektrolytlösungen bei einer Durchflußrate
von ca. 300 /ul/min durchgeführt, und zwar so, daß bei jedem Wechsel der Meßlösungen
eine Luftblase zur Trennung zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Meßlösungen
durch das System geleitet wird, wie dies bei aufeinanderfolgenden Messungen von
einzelnen Proben allgemein üblich ist. Die Meßlösungen werden durch die Meßanordnung
hindurchgesaugt. Als Meßlösungen werden Eichlösungen verwendet, wie sie auch bei
Blutmessungen angewendet werden. Sie bestehen aus: Eichlösung I : o,8 mmol Ca /1
3 mmol K+/1 llo mmol Na+/l Eichlösung II : 3 mmol Ca++/l 7 mmol K+/1 150 mmol Na+/l,
die sämtlich als Chloride in wässriger Lösunq vorliegen.
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Die in der Tabelle angegebenen Ansprechzeiten T der Meßwertanzeiger
sind jeweils definiert als die Zeitdifferenz zwischen tl, neue Meßlösung erreicht
Bezugselektrode, und t2, Meßwertanzeige hat sich auf ca. 99% des neuen Meßwertes
eingestellt.
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Der Vergleich zwischen den Ansprechzeiten, die mit den Systemen vom
Typ 1 und Typ 2 erhalten wurden, zeigt, daß bei mehreren hintereinander an einem
Durchfluakanal angeordneten Meßkammern konventioneller Bauart die Probenverschleppung
und die dadurch hervorgerufene Ansprechverzögerung sehr groß wird. Bei der Na+ -Elektrode,
die bei der Mehrfach-Durchfluß anordnung (Typ 2) von der Meßlösung als erste angeströmt
wird, liegt die Ansprechzeit erwartungsgemäß noch in der gleichen Größenordnung
wie die Ansprechzeit der Na+ -Elektrode im Einzelsystem konventioneller Bauart (Typ
1). Bei der in Strömungsrichtung nachfolgenden K+-Elektrode tritt im Mehrfachsystem
(Typ 2) bereits eine starke Ansprechverzögerung auf im Vergleich zum Ansprechverhalten
der gleichen Elektrode im Einzelsystem (Typ 1). Noch größer wird die Ansprechverzögerung
der Ca++ -Elektrode, die beim Mehrfachsystem (Typ 2) in Strömungarichtung hinter
der R+-Elektrode angeordnet ist. Infolge der Probenverschleppung hat bei dem Mehrfachsystem
(Typ 2) die Ca -Elektrode scheinbar die grdßte Trägheit, gefolgt von der K - und
der Na -Elektrode. Die Meßergebnisse in Einzel-Durchflußsystemen (Typ 1) zeigen
dagegen, daß die Ca++-Elektrode selbst in Wirklichkeit das schnellste Ansprechverhalten
im Vergleich zur K+- und zur Na+-Elektrode hat.
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Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erlangte wesentliche Fortschritt
ergibt sich aus dem Vergleich der Ansprechzeiten die mit dem neuen Mehrfach-Durchflußsystem
(Typ 3) gegenüber dem Mehrfach-DurchfluB-system bisheriger Bauart (Typ 2) erreicht
werden. Die Ansprechzeiten der Elektroden liegen im neuen System sämtlich unter
1. sec. Die Probenverschleppung ist offenbar sehr vermindert. was auch noch dadurch
verdeutdle licht wird, daßbei den Messungen im Einzelsystem (Typ 1) beobachtete
Reihenfolge der Ansprechgeschwindigkeit, nämlich Ca++- K+ - Na+, beim Mehrfachsystem
neuer Bauart (Typ 3) erhalten bleibt.
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Das neue Mehrfach-Durchflußsystem, mit dem die Meßergebnisse bestimmt
wurden, hat entsprechend Fig. 5 auf den den Elektroden gegenüberliegenden'Kanalwänden
Erhebungen von unsymmetrischer Form Wird dieses System mit umgekehrter Durchströmungsrichtung
betrieben, so werden wesentlich ungünstigere Meßergebnisse (letzte Zeile der Tabelle)
erhalten. Der Grund hierfür ist darin zu suchen, daß die Strömungsverhältnisse in
diesem Falle erheblich schlechter sind, indem hinter der steileren Flanke der Erhebung
offenbar eine Totzone auftritt, die eine starke Probenverschleppung verursacht.
Die in den AusfUhrungsbeispielen gezeigten unsymmetrischen Formen
der
Kanalverengung sind für eine einseitig gerichtete Durchströmung optimiert. Für beidseitig
gerichtete Durchströmung sind symmetrische Formen der Kanal verengung vorzuziehen.
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T A B E L L E D E R M E S S E R G E B N I S S E
| Durchflußsystem Ansprechzeit T (sec) Systemvolumen (µl) |
| Na+ K+ Ca++ |
| Typ 1 4 - 5 2 - 3 # 1 @ 15 |
| Typ 2 4 - 5 11 - 12 16 - 18 # 40 |
| Typ 3 0,85 0,58 0,54 # 50 |
| Typ 3 |
| mit umgekehrter |
| Durchströmung @ 5,5 # 2,8 # 0,5 # 50 |