CH619044A5

CH619044A5 -

Info

Publication number: CH619044A5
Application number: CH887277A
Authority: CH
Inventors: Dietrich Werner Prof Luebbers; Norbert Dr Dipl Phys Opitz
Original assignee: Max Planck Gesellschaft
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1977-07-18
Publication date: 1980-08-29
Also published as: US4269516A; FR2359416B1; SE435657B; DK303677A; FR2359416A1; SE7708351L; JPS6125094B2; GB1561239A; DE2632710C3; DE2632710A1; DE2632710B2; JPS5313983A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus einem mindestens einen Monochromator und eine Lichtmesseinrichtung enthaltenden Gehäuse sowie aus mindestens einem auf die Änderung der Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden, vom Monochromatorlicht durchsetzten Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher mindestens an der dem Messobjekt zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässige Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist.

Bei Vorrichtungen dieser bereits vorgeschlagenen Art besteht die Schwierigkeit, dass die der Membran benachbart liegende Schicht des Indikators relativ schnell mit dem zu messenden Stoff in Verbindung kommt, während die weiter entfernt liegenden Schichten erst durch Diffusion erreichbar sind. Zur Erhöhung der Einstellgeschwindigkeit besteht deshalb die Aufgabe, die Verteilungsgeschwindigkeit des zu messenden Stoffes im Indikatorraum zu erhöhen.

Eine weitere Schwierigkeit bei dem Gebrauch einer solchen Vorrichtung besteht darin, dass die der durchlässigen Membran benachbart liegenden Schichten des den zu messenden Stoff enthaltenden Trägermediums (Gas oder Flüssigkeit) hinsichtlich des zu messenden Stoffes verarmt, weil dieser durch die Membran aus dem Raum des Trägermediums abwandert. Auch in diesem Fall wird die Verarmungszone durch Diffusion aufgefüllt. Da die Diffusion sehr langsam abläuft und proportional dem Konzentrationsgradienten ist, besteht die Aufgabe, zur Erhöhung der Einstellgeschwindigkeit den Konzentrationsgradienten an der Membran zu vergrössern.

Diese Aufgaben werden gemäss der Erfindung durch Mittel zum Bewegen des Indikators innerhalb des Indikatorraums und/oder durch Mittel zur Erzeugung einer Konvektion des den zu messenden Stoff enthaltenden Trägers parallel zur Membran gelöst.

Dadurch wird die langsame Diffusionsausbreitung des zu messenden Stoffes umgangen und die Einstellgeschwindigkeit der Anordnung erhöht.

Bei einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist ein mechanischer Schwingungserzeuger an den Indikatorraum angekoppelt.

Durch mechanische Schwingungen lassen sich Stoffbewegungen auch in einem sehr dünnen Indikatorraum erreichen, insbesondere wenn als Schwingungserzeuger ein Ultraschallgenerator verwendet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform wird der Indikator in einem durch elektrische oder magnetische Felder mechanisch bewegbaren Stoff dispergiert und durch auf den Stoff wirkende elektrische oder magnetische Felder in Bewegung versetzt. Auch können Mittel zur äusseren Verformung des Indikatorraums, um den flüssigen Indikator in Bewegung zu versetzen vorhanden sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein durch einen magnetischen Antrieb bewegbaren Quirl in dem das Trägermedium enthaltenden Raum angeordnet Es kann jedoch auch eine Zirkulation des Trägermediums vorgesehen sein. Für den Fall, dass das Trägermedium mit dem zu messenden Stoff in einer Leitung fliesst, ist es von Vorteil, wenn die für den zu messenden Stoff durchlässige Membran an ihrem Rand mit einer Klebeschicht versehen ist; so dass es möglich ist, den Indikatorraum direkt auf einer Öffnung in der Leitung anzubringen und die Konzentration des vorbeifliessenden Stoffes zu messen. Damit kann insbesondere auch die Blutgaskonzentration des die Haut oder ein Gewebeteil durchströmenden Blutes gemessen werden, wenn die Membran auf der Haut oder auf dem durchbluteten Gewebeteil befestigt ist.

In einer weiteren günstigen Anordnung sind Mittel, die den Indikator und den zu messenden Stoff senkrecht zu einander und parallel zur Membran strömen lassen, vorhanden. Dadurch lassen sich die Konzentrationsgradienten auf beiden Seiten der Membran permanent auf einem Maximum halten und die Einstellgeschwindigkeiten sind dann ebenfalls maximal.

Eine weitere Möglichkeit, die Ansprechgeschwindigkeit zu

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erhöhen, besteht darin, die Membranfläche im Verhältnis zum einen Motor 6 antreibbar ist, verhindert, dass sich an der Mem-

Indikatorraum möglichst gross zu machen, indem der Indikator bran 10 durch Diffusion des zu messenden Stoffes in den Indika-

in eine kugelförmige Hülle mit weniger als 10 (x Durchmesser tor hinein ein zu flacher Konzentrationsgradient vor der Mem-

zusammen mit einem magnetisierbaren Stoff eingeschlossen bran 10 ausbildet wird. Der Vorteil der Anordnung ist die geringe Diffusions- 5 Durch das entlang der Membran 10 streifend einfallende strecke innerhalb dieser Kügelchen und die Möglichkeit, die Licht des Monochromators 13 kann in der Küvette keine pri-

Indikatorkugeln magnetisch relativ zu dem den zu messenden märe Strahlung, also kein Messsignal entstehen, so dass die

Stoff enthaltenden Trägermedium zu bewegen. Durch den über ein optisches System 7 auf einen mit einem Filter 8 für die magnetisierbaren Stoff ist auch das Eintragen und Absondern zu messende Strahlung 900 versehene Lichtmesseinrichtung 9

der Indikatorkugeln aus dem Trägermedium durch magneti- io fallende Strahlung nur aus der von der Indikatorschicht 12

sehe Felder sehr einfach. emittierten Strahlung kommt. Die Zuleitung des Monochroma-

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum torlichtes erfolgt über einen Lichtleiter 3, mechanische Bewe-

Betrieb der Anordnung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass gungen werden beispielsweise durch einen Generator 102

der Anordnung der zu messende Stoff abwechselnd in zwei erzeugt.

Konzentrationsstufen zugeführt wird. 15 In Fig. 2 ist auch der Indikatorraum 1 durchströmbar ausge-

Wenn der Wechsel schnell erfolgt, kann zwar im Indikator- bildet.

räum nicht die Sättigung des zu messenden Stoffes erreicht Stehen die beiden Strömungsrichtungen senkrecht aufein-

werden, jedoch ist der erreichte Sättigungsgrad eine wohlbe- ander, dann wird ein steiler Konzentrationsgradient auf beiden kannte Funktion der Konzentration und der Einwirkungszeit. Seiten der Membran 10 erreicht.

Da die Sättigung nach der bekannten Exponentialfunktion 20 Wird in einer Eingangszone 120 der strömende Indikator 12 erfolgt, ist der Endwert der gesuchten Konzentration bereits in einer bestimmten Sättigungsstufe und durch eine Abschataus dem ersten Messwert und der Einwirkungszeit errechen- tung 103 ausserhalb der Einwirkung des zu messenden Stoffes bar. Damit ist die eigentliche Messzeit erheblich verkürzbar. 400 in die Anordnung eingeleitet und sodann in der Zone 121 Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung mit dem zu messenden Stoff 400 in Verbindung gebracht und schematisch dargestellt. Es zeigen 25 beide Sättigungsstufen über die Lichtmesseinrichtung 9 gemes-

Fig. 1 eine Anordnung mit Bewegbarkeit des zu messenden sen, dann entsteht ein der Konzentrationsdifferenz proportio-

Stoffes. nales Signal, aus dem durch Extrapolation aufgrund des

Fig. 2 eine Anordnung mit bewegbarem Fluoreszenzindika- bekannten Exponentialgesetzes der Endwert der Sättigung tor. berechnet werden kann.

In Fig. 1 ist ein Indikatorraum 1 aus einer Membran 10, die 30

für den zu messenden Stoff durchlässig ist und einer Membran In Ausführung der Messung werden, beispielsweise durch

11, die für die zu messende Strahlung durchlässig ist, sowie aus einen Schwingspiegel 90, nacheinander die Messflächen 100

einem Indikator 12 aufgebaut, die über ein optisch koppelndes und 101, die beide den Indikator in verschiedenen Sättigungs-

Zwischenstück 2 an einen Monochromatorstrahlung 13 führen- stufen enthalten, auf dem Empfänger 9 abgebildet, so dass aus den Lichtleiter 3 angeschlossen ist. Die Membran 10 trennt den 35 der Differenz der Strahlungsintensitäten deshalb die Konzen-

Indikatorraum 1 von der den zu messenden Stoff 400 enthalten- tration in der Küvette messbar ist, weil diese Differenz eindeu-

den Küvette 4 mit Zuleitungen, in der ein Rührquirl 5, der durch tig von der Konzentration in der Küvette abhängt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

619044 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen, bestehend aus einem mindestens einen Monochromator und eine Lichtmesseinrichtung enthaltenden Gehäuse sowie aus mindestens einem auf die Änderung der Stoffkonzentration mit einer Spektraländerung reagierenden, vom Monochroma-torlicht durchsetzten Indikator, der in einem Indikatorraum angeordnet ist, welcher mindestens an der dem Messobjekt zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Stoff durchlässige Membran und mindestens an der dem Monochromator zugewendeten Seite durch eine strahlungsdurchlässige Fläche abgesperrt ist, gekennzeichnet durch Mittel zum Bewegen des Indikators (12) innerhalb des Indikatorraums (1) und/ oder durch Mittel zur Erzeugung einer Konvektion des den zu messenden Stoff enthaltenden Trägers (400) parallel zur Membrane (10).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Bewegen des Indikators ein mechanischer Schwingungserzeuger (102) ist, der an den Indikatorraum (1) angekoppelt ist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator mit einem durch elektrische oder magnetische Felder mechanisch bewegbaren Stoff versehen und durch auf den Stoff wirkende elektrische oder magnetische Felder in Bewegung versetzt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur äusseren Verformung des Indikatorraums, um den flüssigen Indikator in Bewegung zu versetzen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem das Trägermedium enthaltenden Raum (4) ein durch einen magnetischen Antrieb bewegbarer Quirl (5) angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, die das Trägermedium (400) im Umlauf durch eine an den Indikatorraum anschliessende Küvette (4) strömen lassen.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator zwischen einer für den zu messenden Stoff durchlässigen und einer für den zu messenden Stoff undurchlässigen Membran angeordnet ist und die für den zu messenden Stoff durchlässige Membran an ihrem Rand mit einer Klebeschicht versehen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, die den Indikator (12) und den zu messende Stoff (400) senkrecht zueinander und parallel zur Membran (10) strömen lassen.

9. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator zusammen mit einem magnetisierbaren Stoff in kugelförmigen Hüllen von weniger als 10 jx Durchmesser eingeschlossen ist

10. Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anordnung der zu messende Stoff abwechselnd in zwei Konzentrationsstufen zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Konzentrationsstufen zugeordnete Indikator-raum-Bereiche abwechselnd auf die Lichtmesseinrichtung abgebildet werden und das Differenzsignal zur Anzeige gebracht wird.