DE3403978C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit zumin­ dest einem Sensor, wobei zwischen dem zu untersuchenden Stoff und einer aktiven Sensorfläche zumindest eine einem den zu untersuchenden Stoff enthaltenden Probenbehälter zugeordnete, dünne, für eine vom Stoff bzw. dessen Eigen­ schaften abhängige Spezies bzw. Meßgröße permeable Mem­ bran angeordnet ist, über die die aktive Sensorfläche mit dem Stoff kontaktierbar ist, wobei die aktive Sensorflä­ che membranfrei ausgebildet ist, und der Sensor als gegen­ über dem Probenbehälter getrennte, relativ gegenüber die­ sem bewegbare und mit dessen Membran in Kontakt bringbare Einheit ausgebildet ist, wobei die Membran eine Bodenflä­ che des Probenbehälters bildet, der von oben auf ein Sen­ sorgehäuse aufsetzbar ist, aus dem die aktive Sensorflä­ che vorzugsweise konkav hervorragt.

Eine Meßanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 42 30 537 bekannt. Das Problem, die aktive Sen­ sorfläche auf einfache Weise zu reinigen bzw. mit einer Eich- oder Standardflüssigkeit zu beaufschlagen, wird je­ doch darin nicht gelöst.

Es sind weiters Anordnungen zur automatischen Mes­ sung von Ionenkonzentrationen in Flüssigkeiten, insbeson­ dere in biologischen Flüssigkeiten, bekannt, wobei die Proben im allgemeinen in Analysenzellen eingesaugt werden, in denen die Probe mit den Sensoren in Kontakt gebracht wird. Anordnungen dieser Art benötigen umfangreiche Vor­ kehrungen zur Reinigung der Analysenzelle und zur Be­ schickung derselben mit Standardflüssigkeiten, mit deren Hilfe die Eichung der Sensoren durchgeführt wird. Derar­ tige automatisierte Analysengeräte bedingen einen hohen technischen Komplexierungsgrad und entsprechend hohen Anschaffungswert.

Es sind auch einfachere Anordnungen zur Analyse von Elektrolytkonzentrationen mit elektrochemischen ionensen­ sitiven Sensoren bekannt geworden, die diese Aufgabe in einfacher Weise lösen. So ist es beispielsweise bekannt, daß eine Anzahl von stabförmig ausgebildeten Sensoren ge­ meinsam in ein Gefäß mit der Probenflüssigkeit getaucht wird. Nach erfolgter Messung werden diese stabförmigen Sensoren mit einer Spülflüssigkeit gespült und müssen an­ schließend von Resten dieser Spülflüssigkeit befreit wer­ den. Dies bedingt zum Teil unangenehme Manipulationen im Kontakt mit der Probe, andererseits entstehen Unsicher­ heiten im Meßergebnis, wenn diese Reinigungs- und Vorbe­ reitungsvorgänge nicht absolut exakt durchgeführt werden. Den meisten bekannten Systemen ist die Eigenschaft gemein­ sam, daß der direkte Kontakt zwischen den meßaktiven Flä­ chen der Sensoren und den biologischen Flüssigkeiten als Proben häufig zu Kontaminationen an den Sensoren führt.

Ferner zeigt die GB-PS 10 80 343 eine Anordnung, bei der der Probenbehälter und der Sensor einstückig aus­ gebildet sind. Der Probenbehälter besteht hierbei aus einem becherförmigen Behälter, in dessen Innerem eine Membran zur Aufnahme der Probe angeordnet ist. Der Sen­ sor und der Behälter sind starr miteinander verbunden und zur Messung wird in die Membran die zu untersuchende Pro­ be bzw. Flüssigkeit eingefüllt, welche den Sensor über­ deckt. Bei dieser bekannten Anordnung ist es erforderlich, daß zwischen der Membran und dem Sensor ein Tropfen einer Elektrolytlösung angeordnet ist, der die Funktion des Sen­ sors gewährleistet, indem er eine Brücke zwischen der Membran und der Sensoroberfläche bildet. Nach dem Einfül­ len der zu untersuchenden Probe steht der die Probe enthal­ tende, von der Membran gebildete Beutel, durch das Gewicht der Probe angepreßt, auf der Sensoroberfläche auf, ohne sich elastisch zu dehnen bzw. sich mit einer gewissen mechanischen Spannung über den Sensor zu spannen. Die beu­ telförmig ausgebildete Membran, die die Probe enthält, muß durch ein eigenes Gefäß, eben den becherförmigen Behälter, gestützt werden, da sie keine mechanische Festigkeit be­ sitzt und nicht auf den Sensoren plaziert werden könnte. Mit einer derartigen Meßvorrichtung, die nach jeder Mes­ sung aufwendig zu reinigen ist, können keine Serienmessun­ gen wirtschaftlich vorgenommen werden und es ist auch kein definierter Kontakt zwischen dem Sensor und der Probe ge­ geben.

Aus der US-PS 44 72 261 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher der Probenbehälter mit dem Sensor eine Einheit darstellt, wobei die Membran eine Bodenfläche des Proben­ behälters bildet. Die Membran verschließt dabei die obere Öffnung einer elektrolytischen Zelle und wird gegen die Meßelektrode gepreßt. Die Membran wird dabei zwischen Zahnrädern eingeklemmt gehalten. Es ist auch bei dieser bekannten Vorrichtung unmöglich, den Probenbehälter ein­ zeln abzunehmen und die aktive Sensorfläche mit einer Eich- bzw. Standardflüssigkeit zu spülen.

Auch bei der aus der US-PS 42 03 807 bekannten Vor­ richtung ist die Membran direkt auf der Meßzelle befestigt. Ein Probenbehälter ist bei dieser Durchflußmeßzelle gar nicht vorhanden, so daß ein Spülen mit einer Eich- bzw. Standardflüssigkeit bei abgenommenem Probenbehälter nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Meßanordnung der eingangs genannten Art auf einfache Weise die Reini­ gung der aktiven, membranfreien Sensorfläche zu ermögli­ chen, wozu Eich- bzw. Standardflüssigkeiten verwendet werden sollen.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Meßanordnung bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch vermieden, daß durch das Sensorgehäuse um die aktive Sensorfläche ein Raum gebildet ist, der eine Eich- bzw. Standardflüssigkeit aufnimmt, mit welcher die aktive Sensorfläche bei abgenommenem Probenbehälter be­ deckbar ist, und daß zur Messung des zu untersuchenden Stoffs die aktive Fläche die Membran eindrückt, wodurch diese elastisch, insbesondere straff und flüssigkeitsdicht, über die aktive Fläche gespannt ist. Es wird somit eine Meßanordnung realisiert, bei der nach Abnahme des Proben­ behälters oder der Probenbehälter eine Eich- bzw. Stan­ dardflüssigkeit in den durch das Sensorgehäuse um die ak­ tive Sensorfläche gebildeten Raum eingefüllt werden kann, welche beim Aufsetzen des Probenbehälters durch dessen Membran von der aktiven Fläche bis auf einen dünnen Flüs­ sigkeitsfilm verdrängt wird. Eine Messung durch diesen nur wenige Micrometer dicken Flüssigkeitsfilm hindurch, ist ohne Einfluß auf die Meßergebnisse möglich.

Die FIüssigkeitsbedeckung kann in Form einer dünnen Flüssigkeitsschicht erfolgen; wesentlich ist nur eine vol­ le Bedeckung der aktiven Sensorflächen. Als eine Flüssig­ keit für diesen Zweck kann z. B. eine Standardlösung die­ nen. Da Standardlösungen sehr rein hergestellt werden können und ihre Bestandteile genau bekannt sind, ist der direkte Kontakt von Standardlösungen mit den Sensoren un­ schädlich oder weniger schädlich für die aktiven Sensor­ flächen als der direkte Kontakt mit dem Probenmaterial bzw. Stoff. Man kann in einer derartigen Anordnung die Eichung der Sensoren mit direkter Zufuhr der Eichflüssig­ keit in den Raum oberhalb der Fläche mit den Sensoren durchführen, auf die die Probenbehälter mit ihrer dünnen permeablen Membran dichtsitzend aufgesetzt werden können.

Durch die Trennung des Sensors von der die Probe enthaltenden Membran sowie die Möglichkeit, den Sensor mit dem Probenbehälter in definierten Kontakt zu bringen, wird neben der Vermeidung einer Verunreinigung des Sen­ sors ermöglicht, den Sensor sofort wieder zu verwenden. Es werden ferner aufgrund des definierten Kontaktes zwi­ schen Membran und Sensor reproduzierbare Meßergebnisse er­ reicht und die Handhabung der Meßanordnung erleichtert.

In einer erfindungsgemäßen Anordnung kann beispiels­ weise auf diese Art die Konzentration verschiedener Ionen gemessen werden. Nach Abschluß der Messung wird der Pro­ benbehälter entfernt und allenfalls samt der Probe weg­ geworfen. Da kein direkter Kontakt der Probe mit den Sen­ soren stattgefunden hat, bleiben diese ständig meßbereit. Man kann also eine neue Probe in einem neuen Probenbehäl­ ter unmittelbar danach wieder auf die Sensoren plazieren und eine neue Messung durchführen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf die Verwendung von ionensensitiven elektrochemischen Senso­ ren beschränkt. Unter Sensoren werden ganz allgemein sol­ che spezifischen Sensoren bekannter Art verstanden, für die eine ausreichende Permeation durch eine dünne Membran des Probenbehälters gewährleistet werden kann. So könnte beispielsweise Sauerstoff, CO₂, Ammoniak aber auch Gluco­ se, Lactat, Harnstoff, Kreatinin mit direkten spezifischen Sensoren gemessen werden. Es können z. B. auch optische Sensoren, z. B. fluoreszenzoptische Sensoren oder kalori­ metrische Sensoren eingesetzt werden. Weiters ist diese Anordnung nicht auf die Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten beschränkt, sondern kann mit allen bekann­ ten spezifischen Sensoren für unterschiedlichste Stoff­ eigenschaften, insbesondere Stoffkonzentrationen, ver­ wendet werden.

Es können sämtliche Stoffeigenschaften, die durch Sensoren durch permeable Membranen gemessen werden können, erfaßt werden ohne die Sensoren direkt mit dem zu unter­ suchenden Stoff in Berührung zu bringen. Die Membran muß keine selektive Permeabilität aufweisen, da die Selekti­ vität durch die Sensoren selbst gewährleistet wird. Je­ doch kann die Selektivität der Sensoren durch die Ver­ wendung einer permselektiven Membran unterstützt werden.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn zur Zu- bzw. Ablei­ tung der Eich- bzw. Standardflüssigkeit Kanäle vorgese­ hen sind und daß der Flüssigkeitsstand gegebenenfalls mit einem Überlauf einstellbar ist. Der Überlauf oder eine an­ dere geeignete Vorrichtung gewährleistet, daß nach Ab­ heben des Probenbehälters nach durchgeführter Messung sich wieder selbsttätig ein bestimmtes Flüssigkeitsni­ veau der gewünschten Standardlösung oberhalb der aktiven Sensorflächen einstellt, um die Sensoren wieder eichen zu können. Die Eichung kann auch erfolgen, indem auf die Sensoren bzw. die aktiven Sensorflächen aufsetzbare, mit Standardlösungen gefüllte Probenbehälter vorgesehen wer­ den. Daraufhin wird die Eichung der Sensoren gemäß bekann­ ter Verfahren fortgesetzt.

Bei einer in der Praxis bevorzugten Ausführungs­ form für rasche Messungen ist vorgesehen, daß eine An­ zahl von Sensoren in einem Sensorgehäuse zusammengefaßt sind, in dem die aktiven Sensorflächen in einer Fläche nebeneinanderliegend und in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, der dem Abstand von im Probenbehälter ausgebildeten entsprechenden Meßkammern bzw. dem Abstand von mehreren zu einer Einheit zusammengefaßten Probenbe­ hältern entspricht.

Das Sensorgehäuse stellt eine Haltevorrichtung dar, in der die Sensoren auch integriert sein können, wobei die Haltevorrichtung eine Fläche aufweist, in der die meßempfindlichen Flächen bzw. aktiven Sensorflächen der Sensoren liegen. Diese meßempfindlichen Flächen können z. B. exakt in der Ebene der Haltevorrichtung liegen, so daß diese Fläche eine glatte Ebene bildet, oder die meß­ empfindlichen Flächen können etwas über die Fläche der Haltevorrichtung hervorragen. Die dazugehörigen Proben­ behälter sind so gestaltet, daß eine ihrer Begrenzungs­ flächen, vorzugsweise die Bodenfläche, aus einer dünnen, schmiegsamen ionenpermeablen und/oder gaspermeablen Mem­ bran besteht, die über die aktiven Sensorflächen ge­ spannt werden kann.

Zur gegenseitigen Lagefestlegung kann vorgesehen sein, daß am Sensorgehäuse und/oder am Probenbehälter in gegenseitigen Eingriff bringbare Anschläge, Führungen, Vorsprünge und Vertiefungen, Nuten und Stege ausgebildet sind.

Das Sensorgehäuse, der Probenbehälter und der die Standardflüssigkeit enthaltende Raum ist derart ausgebil­ det, daß ein Aufsetzen der Probenbehälter einfach und si­ cher erfolgen kann.

Es wird betont, daß es durchaus sinnvoll ist,die Pro­ benbehälter aufzustellen bzw. als Basis der Anordnung vor­ zusehen und die Sensoren von oben oder der Seite her mit den von Membranen abgedeckten Flächen der Probenbehälter in Kontakt zu bringen.

Es ist möglich, den Probenbehälter in einer Halte­ vorrichtung anzuordnen, die ein exaktes Plazieren des Probenbehälters auf dem Sensorgehäuse ermöglicht, wobei die Haltevorrichtung auch die Entfernung des Probenbe­ hälters z. B. seinen automatischen Abtransport nach der Messung vornimmt. Dies ist bei Reihenmessungen von Vor­ teil.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen auf einen Sensor aufgesetzten Pro­ benbehälter,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Sensorgehäuses und

Fig. 3 ein Probenbehältergehäuse bzw. einen Pro­ benbehälter mit mehreren Meßkammern, das bzw. der auf ein Sensorgehäuse aufgesetzt ist.

Fig. 1 zeigt ein Sensorgehäuse 1 mit aufgesetztem Probenbehälter 5, welcher den zu untersuchenden Stoff 6 bzw. die Probe beinhaltet, wobei am Probenbehälter 5 von Fortsätzen 12 begrenzte Nuten 15 ausgebildet sind, in die Stege 13 des einen Sensor 2 aufnehmenden Sensorgehäuses 1 einführbar sind. Die aktive, aus Fig. 2 ersichtliche Sensorfläche 3, wird hiebei von der Membran 4 straff bzw. anliegend überspannt und die Messung erfolgt durch die Membran 4, wozu der Sensor 2 an eine hier nicht darge­ stellte Auswerteeinheit angeschlossen ist. Das Sensorge­ häuse 1 und der untere Teil des Probenbehälters 5 weisen aneinander angepaßte Formen auf; die Formen sind an sich beliebig und es können quadratische, runde, rechteckige bzw. viereckige Querschnitte bzw. Formen vorgesehen wer­ den.

Wenn der Probenbehälter 5 oben geschlossen ist, kann er auf den Kopf gestellt verwendet und der Sensor 2 von oben in den Probenbehälter 5 eingeführt werden.

Es ist durchaus möglich, auch eine Seitenwand eines z. B. würfelförmigen oder quaderförmigen Probenbehälters zur Aufnahme eines Sensors auszubilden, wozu dann die da­ für vorgesehene Seite von einer permeablen Membran 4 ge­ bildet würde.

Fig. 2 zeigt ein Sensorgehäuse 1, bei dem ein Zu­ fuhrkanal 10 für die die aktive Sensorfläche 3 bedecken­ de Flüssigkeit, vorzugsweise eine Eich--bzw. Standardlö­ sung, vorgesehen ist.

Seitliche Wandabschnitte 16 verhindern ein Ablau­ fen der Flüssigkeit, deren konstanter Stand durch einen Überlauf- bzw. Ablaufkanal 11 eingeregelt wird. Wird ein Probenbehälter 5 auf das Sensorgehäuse 1 aufgesetzt, wird die Flüssigkeit zwischen der Membran 4 und der Sensorflä­ che 3 verdrängt und die Messung erfolgt durch die an der Sensorfläche 3 anliegende, gespannte elastische Membran 4. Werden nicht elastische Membranen eingesetzt, so können die Membranen ungespannt bzw. locker eingesetzt werden und werden durch den Druck der Probenflüssigkeit mit der Sensorfläche in Kontakt gehalten.

Fig. 3 zeigt ein Sensorgehäuse 1 mit einer Mehr­ zahl von im vorliegenden Fall zwei Sensoren 2. Die aktiven Sensorflächen 3 ragen über die nach oben gekehrte Fläche 18 des Sensorgehäuses 1 vor und sind von einer durch den Zufuhrkanal 10 eingespeisten Flüssigkeit bedeckt, die durch den Ablaufkanal 11 abgeführt wird. Auf Vorsprünge bzw. Stege 13 des Sensorgehäuses 1 sind Nuten 15 des Pro­ benbehälters 5 aufgesetzt, der mehrere Meßkammern 5′ be­ sitzt, die nach unten von einer Membran 4 abgeschlossen sind. Die Meßkammern sind z. B. durch Einfüllöffnungen 17 mit den zu untersuchenden Stoffen füllbar, insbesondere dann, wenn es sich um wiederverwendbare Probenbehälter 5 handelt. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Proben gleichzeitig mit einer Vielzahl von Sensoren 2 unter­ sucht werden.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich, kann eine ge­ messene Probe rasch ausgetauscht werden, eine Reinigung der Sensorfläche 3 entfällt und ein neuer Probenbehälter 5 kann unmittelbar nach Entfernung des vermessenden Pro­ benbehälters aufgesetzt werden.

Es ist auch möglich, mehrere Probenbehälter zu einem Probenbehältergehäuse zusammenzufassen, womit ein Probenbehälter ähnlich dem in Fig. 3 dargestellten Pro­ benbehälter gebildet wird; die einzelnen Probenbehälter entsprechen dann den Meßkammern 5′.

Das Sensorgehäuse 1 kann auch die Form eines qua­ derförmigen Blocks aufweisen, in den die Sensoren unlös­ bar eingebaut, z. B. eingepreßt sind oder mit dem sie me­ chanisch verbunden, z. B. eingeschraubt oder eingesteckt sind. Weist der Block bzw. der Probenbehälter 5 eine viereckige Aufsatzfläche bzw. Kontaktöffnung für den Sen­ sor 2 bzw. das Sensorgehäuse 1 auf, so weist der Sensor 2 bzw. das Sensorgehäuse 1 entsprechend angepaßte (Außen)­ formen auf, so daß ein gegenseitiges Einführen oder Auf­ setzen bzw. ein Kontakt der aktiven Sensorfläche 3 mit dem zu untersuchenden Stoff 6 durch die Membran 4 lagemäßig festgelegt erfolgt.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch eine Durchflußmessung möglich. In diesem Fall wird die zu un­ tersuchende Flüssigkeit durch einen Probenbehälter od. dgl. durchgeleitet, in den ein Sensor eintaucht.

Claims (6)

1. Meßanordnung mit zumindest einem Sensor, wobei zwi­ schen dem zu untersuchenden Stoff und einer aktiven Sensorfläche zumindest eine einem den zu untersu­ chenden Stoff enthaltenden Probenbehälter zugeord­ nete, dünne, für eine vom Stoff bzw. dessen Eigen­ schaften abhängige Spezies bzw. Meßgröße permeable Membran angeordnet ist, über die die aktive Sensor­ fläche mit dem Stoff kontaktierbar ist, wobei die aktive Sensorfläche membranfrei ausgebildet ist, und der Sensor als gegenüber dem Probenbehälter getrenn­ te, relativ gegenüber diesem bewegbare und mit des­ sen Membran in Kontakt bringbare Einheit ausgebildet ist, wobei die Membran eine Bodenfläche des Proben­ behälters bildet, der von oben auf ein Sensorgehäu­ se aufsetzbar ist, aus dem die aktive Sensorfläche vorzugsweise konkav hervorragt, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Sensor­ gehäuse um die aktive Sensorfläche (3) ein Raum (9) gebildet ist, der eine Eich- bzw. Standardflüssigkeit aufnimmt, mit welcher die aktive Sensorfläche (3) bei abgenommenem Probenbehälter (5) bedeckbar ist, und daß zur Messung des zu untersuchenden Stoffs die ak­ tive Fläche (3) die Membran (4) eindrückt, wodurch diese elastisch, insbesondere straff und flüssigkeits­ dicht, über die aktive Fläche (3) gespannt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zu- bzw. Ableitung der Eich- bzw. Standard­ flüssigkeit Kanäle (10, 11) vorgesehen sind und daß der Flüssigkeitsstand gegebenenfalls mit einem Über­ lauf einstellbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Anzahl von Sensoren (2) in einem Sensorgehäuse (1) zusammengefaßt sind, in dem die aktiven Sensorflächen (3) in einer Fläche (18) ne­ beneinanderliegend und in einem gegenseitigen Ab­ stand angeordnet sind, der dem Abstand von im Pro­ benbehälter (5) ausgebildeten entsprechenden Meß­ kammern (5′) bzw. dem Abstand von mehreren zu einer Einheit zusammengefaßten Probenbehältern (5) ent­ spricht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Sensorgehäuse (1) und/oder am Probenbehälter (5) in gegenseitigen Eingriff bringbare Anschläge, Führungen, Vorsprünge und Ver­ tiefungen, Nuten und Stege (12, 13, 15) ausgebildet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenbehälter (5) die Form eines Zylinders besitzt, dessen Bodenfläche von der Membran (4) gebildet ist und daß der Zylinder nach unten in einen zylindrischen unteren Teil ver­ längert ist, in den das zylindrische Sensorgehäuse (1) einführbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenbehälter (5) bzw. die Meßkammern (5′) mit der Membran (4) dicht, insbeson­ dere flüssigkeitsdicht verschlossen sind und gege­ benenfalls eine Einfüllöffnung bzw. einen Einfüll­ kanal (17) für den zu untersuchenden Stoff aufwei­ sen.