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Die
Erfindung betrifft eine Analysenvorrichtung zur Durchführung von
chemischen Analysen mit einem Grundkörper, in dem mindestens ein
Kanal angeordnet ist, und mit mindestens einem Funktionselement,
das mit dem Kanal in Flüssigkeits-
oder Gasverbindung steht, wobei das Funktionselement auf der Außenseite
des Grundkörpers
angebracht und mit Hilfe von mindestens einer Schnittstellenöffnung mit
dem Kanal verbunden ist.
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Bei
bestimmten chemischen Analysen wird eine fließfähige chemische Probe mit mindestens
einem Reagenz gemischt. Das Reagenz reagiert mit der Probe. Ein
dabei entstehendes Reaktionsprodukt, beispielsweise eine sich ändernde
Farbe, kann dann von einem Detektor erfaßt werden.
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Um
den Weg von Probe zum Reagenz zu steuern, ist in
US 5 250 263 eine Analysenvorrichtung
beschrieben, die im wesentlichen aus einer Vielzahl von Platten
besteht, die nach Art eines Stapels übereinandergeschichtet sind.
In jeder Platte befinden sich Kanäle in Form von Nuten in einer
der Oberflächen,
Bohrungen oder Ausnehmungen, die zusammen mit einer darüber angebrachten Platte
längs oder
quer verlaufende Kanäle
oder Reaktionsräume bilden.
Weiterhin sind zwischen einzelnen Platten Membranen vorgesehen,
die über
getrennte Kanäle mit
Druckluft beaufschlagt werden können.
Diese Membranen dienen dann als Pumpen. In einigen Platten sind
auch Ventile ausgebildet, die den Weg der Flüssigkeiten durch die Kanäle steuern,
beispielsweise einen Rückfluß verhindern.
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Eine
derartige Vorrichtung läßt sich
relativ kompakt gestalten, was den vorteilhaften Effekt hat, daß die notwendigen
Mengen von Probe und Reagenz relativ klein gehalten werden können. Allerdings entstehen
bei der Handhabung gewisse Probleme, weil die Funktionselemente,
beispielsweise die Ventile und die Pumpen, einer Wartung praktisch
nicht zugänglich
sind. Wenn ein derartiges Funktionselement defekt ist, muß vielfach
die gesamte Vorrichtung ausgewechselt werden. Darüber hinaus
ist es im experimentellen Bereich relativ schwierig, Änderungen
vorzunehmen, beispielsweise im Hinblick auf die Charakteristiken
der Pumpen oder der Ventile, weil hierzu die Vorrichtung praktisch
vollkommen zerlegt werden muß.
Da es eine Reihe von Kanälen
gibt, die durch aufeinanderfolgende Bohrungen gebildet werden, ist
es beim Zusammenbau praktisch unmöglich, wieder die gleichen
Durchströmcharakteristiken
dieser Kanäle
herzustellen. Bereits geringfügige
Verschiebungen der einzelnen Platten gegeneinander bewirken Unregelmäßigkeiten
in den Wänden
dieser Kanäle,
die die Strömungsverhältnisse
dort ändern. Solange
es sich nur um einige wenige Stufen handelt, kann dies in Kauf genommen
werden. Bei der dargestellten Vielzahl von aufeinandergestapelten Platten
ist jedoch eine ausreichende Reproduzierbarkeit recht zweifelhaft.
Bauteile lassen sich praktisch nicht auswechseln.
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WO
95/26796, die nach dem beanspruchten Prioritätsdatum veröffentlicht wurde, zeigt einen
integrierten chemischen Synthesizer, bei dem Funktionselemente auf
der Außenseite
eines Grundkörpers
angebracht werden können.
Dadurch entsteht ein modulares System, bei dem die Funktionselemente
in einer einfachen Weise ausgewechselt werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Analysenvorrichtung anzugeben,
bei der die Wartung vereinfacht ist und die durch einen modularen
Aufbau geprägt
ist, deren Herstellung einfach ist und die flexibel und robust im
Betrieb ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Analysenvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß der Grundkörper einen
Plattenstapel aus mindestens zwei aneinander anliegenden Platten
aufweist, in deren Berührungsbereich
der Kanal ausgebildet ist, wobei mindestens eine Platte auf ihrer
freien Oberfläche
einen Befestigungsbereich für
das Funktionselement aufweist.
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Damit
entkoppelt man vom Aufbau her die Leitungswege von den Funktionselementen.
Die Leitungswege oder Kanäle
(in den meisten Fällen
werden mehrere Kanäle
vorgesehen sein) befinden sich im Grundkörper. Der Grundkörper ist
aus einem steifen Material gebildet, das bei den herrschenden Drücken in
den Kanälen
nicht nachgibt und somit die Volumenkonstanz der Kanäle gewährleistet.
Die Funktionselemente, beispielsweise Pumpen, Ventile oder Detektoren,
befinden sich außerhalb.
Sie können
mit einer Leiterplatte aus dem Gebiet der Elektronik verglichen
werden, wo auf der Leiterplatte die einzelnen Leiterbahnen vorgesehen
sind, während
die elektri schen oder elektronischen Bauteile, wie Transistoren,
Widerstände,
Kondensatoren etc. an die Leiterplatte angesetzt und mit den Leiterbahnen
elektrisch verbunden sind. Die Verbindung zwischen Grundkörper und
Funktionselement erfolgt über
eine Schnittstellenöffnung,
d. h. eine definierte Stelle, an der der Kanal oder ein davon abzweigender
Teil an die Oberfläche
des Grundkörpers
geführt
ist. Entsprechend angepaßt
ist eine Öffnung
in dem Funktionselement, so daß ein
Flüssigkeits-
oder Gastransport aus dem Grundkörper
in das Funktionselement oder umgekehrt möglich ist. Dadurch, daß das Funktionselement
außen
an den Grundkörper
angesetzt ist, läßt es sich
ohne Schwierigkeiten auswechseln. Dies hat Vorteile bei der Reparatur
oder Wartung. Ein defektes Teil kann leicht ausgetauscht werden.
In der Exmperimentierphase hat man die Möglichkeit, verschiedene Funktionselemente
an der gleichen Stelle auszuprobieren oder herauszufinden, welches
Element oder welche Größe des Elements
am besten geeignet ist. Der Aufbau ist so, daß auch die Produktion vereinfacht
wird. Da der Grundkörper
einen Plattenstapel aus mindestens zwei aneinander anliegenden Platten
aufweist, in deren Berührungsbereich
der Kanal ausgebildet ist, und mindestens eine Platte auf ihrer
freien Oberfläche
einen Befestigungsbereich für das
Funktionselement aufweist, sind die Schnittstellenöffnungen
in diesem Befestigungsbereich angeordnet. Gleichzeitig ist es aber
hier möglich,
das Funktionselement auf dem Grundkörper zu befestigen, so daß eine Koordinierung
der Schnittstellenöffnungen
mit dem Funktionselement in einfacher Weise sichergestellt werden
kann.
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Vorzugsweise
weist der Grundkörper
mehrere Teile auf, wobei jeder Teil eine Hauptdurchflußrichtung
aufweist und die Hauptdurchflußrichtungen
von mindestens zwei Teilen sich voneinander unterscheiden. Man kann
auf diese Art Kanäle,
die hauptsächlich
in eine Richtung verlaufen, in einem Teil anordnen, während Kanäle, die
quer dazu verlaufen, in einem anderen Teil angeordnet werden können. Dies erleichtert
die Konstruktion ganz beträchtlich,
weil Kreuzungsprobleme weitgehend vermieden werden. Darüber hinaus
hat diese Konstruktion den Vorteil, daß zwischen den einzelnen Kanälen genügend Material
im Grundkörper
stehenbleiben kann, so daß die Druckfestigkeit
der Kanäle
erhöht
wird. Insbesondere kann man in jedem Teil eine Vielzahl von Kanälen parallel
zueinander anordnen und durch unterschiedliche Verknüpfungen
in einem anderen Teil praktisch beliebig miteinander kombinieren.
Mit einer einfachen Grundausstattung erhält man eine an viele Bedürfnisse
anpaßbare
Analysenvorrichtung.
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Die
Flexibilität
wird insbesondere noch dadurch verbessert, daß die Analysenvorrichtung modulartig
aufgebaut ist und zumindest ein Behältermodul, ein Auswertemodul
und ein Pumpenmodul aufweist. Durch den einfachen Austausch eines
oder mehrerer Module kann man die Analysenvorrichtung leicht an
einen gewünschten
Verwendungszweck anpassen.
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Vorzugsweise
bildet hierbei der Grundkörper das
Pumpenmodul. Die Pumpe oder die Pumpen, die notwendig sind, um die
einzelnen Flüssigkeiten
und Gase in Bewegung zu setzen, um sie miteinander zu mischen oder
sie an eine andere Stelle zu verbringen, sind dabei auf dem Grund körper angeordnet. Der
Grundkörper
ist in den meisten Fällen
ohnehin mechanisch stabiler ausgebildet als andere Module, weil
er als Träger
für die
anderen Module verwendet wird. Diese erhöhte mechanische Stabilität kann man nun
auch dazu ausnutzen, die Pumpen zu tragen, weil in der unmittelbaren
Umgebung der Pumpen erfahrungsgemäß die höchsten Drücke zu erwarten sind.
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Vorzugsweise
liegen miteinander verbundene Module mit Schnittstellenflächen aneinander
an. Diese Schnittstellenflächen
stellen einerseits die Flüssigkeitsverbindungen
zwischen einzelnen Modulen her und bieten andererseits eine Möglichkeit
einer mechanischen Verbindung von zwei Modulen.
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Das
Behältermodul
weist vorzugsweise eine Halterung und einen Anschluß für mindestens
einen Behälter
auf. In einem derartigen Behälter
kann das Reagenz, eine Reinigungsflüssigkeit oder eine Trägerflüssigkeit
aufgenommen sein. Dadurch, daß das Behältermodul
nicht nur einen Anschluß,
sondern auch eine Halterung für
den Behälter
aufweist, ist nicht nur der Flüssigkeitstransport
vom Behälter
zu den übrigen
Teilen der Analysenvorrichtung sichergestellt, sondern auch die
mechanische Fixierung des Behälters.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Anschluß als Schnellkupplung
ausgebildet. Das Auswechseln eines Behälters, etwa wenn der Behälter entleert
ist, kann dann relativ schnell erfolgen.
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Auch
ist bevorzugt, daß der
Anschluß eine Behälterperforationseinrichtung
aufweist. Mit dem Einsetzen des Behälters wird dieser damit gleichzeitig
geöffnet.
Dies verkürzt
die Zeit beim Behälterwechsel.
Der Behälter wechsel
wird außerdem
dadurch erleichtert, daß die
Perforationseinrichtung am Boden des Behälters ein Loch macht, so daß das Fluid
ausfließen
kann. Es muß also
nicht ein geöffneter Behälter gekippt
oder entleert werden.
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Vorzugsweise
weist das Pumpenmodul mindestens ein Ventil auf. Man kann hierdurch
in der Umgebung der Pumpe den Flüssigkeitsweg
steuern.
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Mit
Vorteil weist das Pumpenmodul mehrere Pumpen auf, die in mehreren
Reihen versetzt zueinander angeordnet sind. Man kann dadurch die
Kanäle
im Pumpenmodul enger zusammenrücken,
weil man nicht mehr darauf angewiesen ist, zwischen den einzelnen
Kanälen
so viel Platz zu lassen, daß eine Pumpe
dazwischen paßt.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, wenn das Auswertemodul mindestens einen Detektor aufweist. Der
Detektor kann auf bekannte Art und Weise funktionieren, beispielsweise
optisch, ionenselektiv oder elektrochemisch. Die Auswertung erfolgt
dann unmittelbar in der Vorrichtung.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß der
Detektor in einem Detektormodul angeordnet ist, das mit dem Auswertemodul
verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich
der Detektor ebenfalls leicht auswechseln, ohne daß es des
Austauschs weiterer Teile bedarf. Man kann die Analysenvorrichtung
damit leicht an unterschiedliche Anforderungen anpassen.
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Vorzugsweise
weist das Auswertemodul einen Probeentnahmekanal auf. Die Probe
wird hierfür dem
Auswertemodul unmittelbar zugeführt.
Dies hält die
Transportzeiten für
die Probe durch die Vorrichtung kurz, so daß die Antwort- oder Reaktionszeiten entsprechend
klein gehalten werden können.
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Mit
Vorteil weist das Auswertemodul einen Mischpunkt auf, der mit dem
Probenentnahmekanal über
eine Pumpe verbunden ist. Diese Pumpe, die ausnahmsweise nicht auf
dem Pumpenmodul angeordnet ist, fördert die Probe zu dem Mischpunkt.
Man kann daher die Mischung der Probe mit dem Reagenz relativ genau
steuern.
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Vorzugsweise
ist ein Reaktionskanalmodul mit dem Auswertemodul verbunden. Auch
der Reaktionskanal kann dann relativ schnell ausgetauscht werden.
Beispielsweise können
Reaktionskanäle
mit unterschiedlichen Längen
verwendet werden, so daß man
auch im Hinblick auf den Reaktionskanal relativ leicht eine Anpassung
an unterschiedliche Verhältnisse
erzielen kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, hierin zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Analysenvorrichtung und
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2 einen
Teilschnitt II-II nach 1.
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Eine
Analysenvorrichtung 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet.
Die Analysenvorrichtung 1 weist einen als Plattenstapel
ausgebildeten Grundkörper 3 auf,
dessen Aufbau in 2 gezeigt ist.
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Der
Grundkörper 3 besteht
im vorliegenden Fall aus zwei Platten 4, 5, wobei
die eine Platte 4 in ihrer Berührungsfläche zur anderen Platte 5 Nuten 6, 7 aufweist;
die Nuten können
durch Fräsen
oder Ätzen
erzeugt werden oder gleich beim Gießen einer derartigen Platte
durch die Ausformung einer entsprechenden Gußform erzeugt werden. Diese
Nuten 6, 7 sind durch die andere Platte 5 abgedeckt,
so daß hierdurch
Kanäle 8, 9 (1)
entstehen. Um die Platten zu unterstützen, können sie auf einer festen Unterstützungsplatte
befestigt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die Platten 4 und 5 aus
einem relativ weichen Kunststoffmaterial hergestellt werden.
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Die
andere Platte 5 weist Schnittstellenöffnungen 10, 11 auf,
die mit den Kanälen 8, 9 in
Verbindung stehen. An diese Platte 5 ist eine Pumpe 12 angeordnet,
die über
die Schnittstellenöffnungen 10, 11 mit
den Kanälen 8, 9 in
Verbindung steht. Die Pumpe 12 ist also von außen an den
Grundkörper 3,
genauer gesagt an die Platte 5 angesetzt. Hierzu ist an
der Platte 5 ein Befestigungsbereich 13 vorgesehen,
an dem die Pumpe 12 nicht nur angesetzt ist, sondern auch
befestigt werden kann.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, sind in den Grundkörper 3 mehrere
im wesentlichen parallel verlaufende Kanäle 8, 14–19 vorgesehen,
wobei die meisten Kanäle 8, 14–19 mit
einer Pumpe 12, 20–24 verbunden sind,
die alle im Befestigungsbereich 13 des Grundkörpers 3 angeordnet sind.
Die Pumpen 12, 20–24 stehen mit den
Kanälen 8, 14–19 auf
die gleiche Art über
Schnittstellenöffnungen
in Verbindung, wie dies für
die Pumpe 12 in 2 dargestellt ist.
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Die
Pumpen 12, 20–24 sind
im dargestellten Ausführungsbeispiel
in zwei Reihen angeordnet, wobei die Pumpen in den beiden Reihen
gegeneinander versetzt sind. Sie sind also sozusagen auf Lücke angeordnet.
Dadurch können
die einzelnen Kanäle 8, 14–19 enger
benachbart sein, als dies an und für sich aufgrund der Breite
der Pumpen 12, 20–24 möglich wäre.
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Anstelle
von Pumpen können
auch Ventile oder andere Funktionselemente an den Grundkörper 3 angesetzt
werden, die dann über
entsprechende Schnittstellenöffnungen
mit den Kanälen
verbunden werden können.
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Wegen
seiner Ausstattung mit Pumpen kann man den Grundkörper 3 auch
als Pumpenmodul bezeichnen.
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An
den Grundkörper 3 ist
im Bereich seines oberen Endes ein Behälterverteiler 25 angesetzt,
der über
eine Schnittstellenfläche 26 am
Grundkörper 3 anliegt.
In der Schnittstellenfläche
befinden sich wiederum Schnittstellenöffnungen 27 in der
Platte 5, die mit entsprechenden Öffnungen 28 im Behälterverteiler 25 in
Verbindung stehen. Über
die Schnittstellenöffnung 28 ist
ein Kanal 29 im Behälterverteiler 25 mit dem
Kanal 8 verbunden. Die Schnittstellenöffnung 27 kann auch
durch eine durchgehende Bohrung im Grundkörper 3 erzeugt werden,
die durch einen Stopfen 30 verschlossen ist.
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Das
Behältermodul 25 besteht
ebenfalls aus einem Stapel von Platten 31, 32,
wobei in der Platte 31 Nuten ausgebildet sind, die durch
Abdeckung mit der Platte 32 zu Kanälen 29, 33, 34 werden.
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Das
Behältermodul 25 weist
an seinem oberen Ende eine Halterung 35 und mindestens
einen Anschluß,
im dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Anschlüsse 36, 37, 38,
für Flüssigkeitsbehälter auf. Dargestellt
sind drei in die Halterung 35 eingesetzte Behälter mit
unterschiedlichen Flüssigkeitspegeln. Die
Halterung 35 kann auch unmittelbar an das Behältermodul 25 angesetzt
sein. Der Abstand wurde in der vorliegenden Darstellung gewählt, um
die Anschlüsse 36, 37, 38 darstellen
zu können.
Die Halterung 35 kann auch selbst als Behälter ausgebildet sein
und die Flüssigkeiten
unmittelbar aufnehmen.
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Die
Anschlüsse 36, 37, 38 sind
bevorzugterweise als Schnellverschlüsse ausgebildet. Sie können eine
nach oben weisende Nadel oder eine andere Perforationseinrichtung
aufweisen, so daß der
jeweilige Behälter
im Grunde genommen nur noch von oben in die Halterung 35 eingesetzt
werden muß.
Die Nadel durchstößt seine Öffnung,
und die darin befindliche Flüssigkeit
kann nach unten ausfließen.
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Am
unteren Ende des Grundkörpers 3 ist
in ähnlicher
Weise wie das Behältermodul 25 ein
Auswertemodul 39 angeordnet, das über eine weitere Schnittstellenfläche 40 an
dem Grundkörper 3 anliegt.
In der Schnittstellenfläche 40 ist
wiederum eine Schnittstellenöffnung 41 vorgesehen,
die als Durchgangsbohrung ausgebildet und mit einem Stopfen 42 verschlossen
ist. Über
diese Schnitt stellenöffnung 41 kann
Flüssigkeit
aus dem Kanal 9 in das Auswertemodul 39 fließen. Auch
das Auswertemodul 39 ist aus zwei Platten 43, 44 gebildet;
in der Platte 43 sind Nuten vorgesehen, die nach Abdecken
mit der anderen Platte 44 Kanäle 45 bilden.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist auf das Auswertemodul 39 von
außen
ein Detektormodul angesetzt, das einen optischen Detektor 47, 48 mit
einer Meßstrecke 49 aufweist.
Dadurch, daß das
Detektormodul 46 ebenfalls von außen an das Auswertemodul 39 angesetzt
ist, kann der Detektor leicht ausgewechselt werden.
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Ferner
ist auf dem Auswertemodul 39 eine Pumpe 50 angeordnet,
die über
einen Probeentnahmekanal 51 eine Probenflüssigkeit
aus einem Anschluß 52 ansaugen
kann. Die Art der Probengewinnung ist an sich bekannt und wird daher
nicht weiter beschrieben.
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Schließlich ist
im Auswertemodul 39 ein Mischpunkt 53 vorgesehen,
in den der Kanal 45 mündet
und der darüber
hinaus von der Pumpe 50 mit Flüssigkeit versorgt wird.
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Zwischen
dem Mischpunkt 53 und dem Eingang zum Detektormodul 46 ist
ein Reaktionskanal 54 angeordnet. Dargestellt ist dieser
Reaktionskanal im Innern des Auswertemoduls 39. Der Reaktionskanal
kann aber auch aus dem Auswertemodul 39 herausgeführt werden
und in einem getrennten Bauteil, das wiederum an das Auswertemodul 39 angesetzt wird,
untergebracht werden.
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Eine
derartige Analysenvorrichtung kann beispielsweise nach dem Prinzip
des "Flow-Injection Analysis
System" (FIA) arbeiten.
Hierbei wird über eine
der Pumpen eine Strömung
aus dem Behältermodul
durch den Kanal 45, den Mischpunkt 53, das Detektormodul 46 und
den Kanal 19 mit der Pumpe 24 zurück in einen
anderen Behälter
erzeugt. Von Zeit zu Zeit wird über
die Pumpe 50 eine definierte Probenmenge in den Mischpunkt 53 eingespeist
und die sich ergebende Reaktion der Probe mit der permanent durchfließenden Reagenzflüssigkeit
im Detektormodul 46 ermittelt.
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Bevorzugterweise
arbeitet die Analysenvorrichtung aber als "Continuous Flow Analysis System" (CFA). In diesem
Fall existiert eine kleine Reagenzflüssigkeitsströmung. Die
Pumpe 50 saugt eine definierte Menge an Probenflüssigkeit
aus dem Anschluß 52 und
fördert
diese Menge zu dem Mischpunkt 53. Gleichzeitig wird beispielsweise über die Pumpe 12 Reagenz
vom Anschluß 36 in
den Mischpunkt 53 gefördert.
An dem Mischpunkt reagiert die von der Pumpe 50 geförderte Probenflüssigkeit
mit der Reagenzflüssigkeit,
und die Mischung wird durch den Kanal 54 in das Detektormodul 46 geleitet.
Das Detektormodul wertet beispielsweise Farbänderungen aus. Die Pumpe 24 pumpt
dann die Flüssigkeit aus
dem Detektormodul 46 in einen Abfallbehälter, beispielsweise über den
Anschluß 38.
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Wie
insbesondere aus 1 ersichtlich ist, ist die Hauptflußrichtung
der Flüssigkeiten
im Körper 3 hauptsächlich von
oben nach unten bzw. von unten nach oben, während die Hauptbewegungsrichtung der
Flüssigkeit
im Behältermodul 25 von
links nach rechts bzw. von rechts nach links ist. Man kann also durch
die Verwendung von verschiedenen Modulen dafür sorgen, daß die Kanäle im wesentlichen
geradlinig verlaufen. Kreuzungen werden innerhalb eines Moduls weitgehend
vermieden. Hierdurch ergeben sich klar definierte Strömungsverhältnisse,
die insbesondere bei einer Analyse nach dem CFA-System wünschenswert
sind.
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Wie
ersichtlich ist, kann man durch den Austausch des Behältermoduls 25 relativ
schnell eine andere Konfiguration der einzelnen Kanäle erreichen. Die
Pumpen können
aufgrund ihrer Anordnung an der Außenseite des Grundkörpers schnell
ausgetauscht werden, was einerseits für die Wartung von Vorteil ist,
und andererseits auch in einer Experimentierphase sinnvoll ist,
wenn man sich noch nicht sicher ist, welche Pumpe oder welche Pumpengröße die richtige
ist.