DD242279A1 - Verfahren und vorrichtung zur in situ-messung von stoffkonzentrationen mit einem faseroptischen sensor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur in situ-messung von stoffkonzentrationen mit einem faseroptischen sensor Download PDF

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DD242279A1
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Matthias Otto
Alfred Hoffmann
Gerd Roedel
Dieter Petrak
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Freiberg Bergakademie
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine In-situ-Messung von Stoffkonzentrationen vielfaeltigster Art mit hoher Genauigkeit bei geringem apparativem und zeitlichem Aufwand auf der Basis eines faseroptischen Sensors ermoeglicht. In der chemischen Industrie, der Metallurgie, dem Umweltschutz, der Wasserwirtschaft, der Medizin und bei anderen biologischen und technischen Systemen im ruhenden oder fliessenden Zustand ist der Nachweis von Stoffkonzentrationen aus unterschiedlichen Gruenden zweckmaessig und notwendig. Das Ziel der Erfindung besteht darin, diese Messung zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass ein faseroptischer Sensor im Absorptionsverfahren zur Extinktionsmessung mit einem Reaktionsraum verbunden wird, der durch eine Membrane gegen das zu untersuchende Messobjekt abgesperrt ist. Dieser Reaktionsraum kann zum Zwecke der Eichung und Messung ueber Injektionskanuelen mit ausgewaehlten Reagenzien gefuellt, geleert und gespuelt werden. Zur Messung wird Licht einer Lumineszenz- oder Laserdiode ueber Lichtleitfasern dem Reaktionsraum und von dort der Fotodiode zugefuehrt. Der komplette Sondenkoerper mit Spannungsversorgung und Signalanzeige kann als mobiles Handgeraet ausgefuehrt werden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ-Messung von Stoffkonzentrationen mit einem faseroptischen Sensor. J
In der chemischen Industrie, der Metallurgie, dem Umweltschutz bei der Gewässer-, Wasser- und Abwasserüberwachung, in der Medizin und bei anderen biologischen und technischen Systemen im ruhenden oder fließendem Zustand ist der Nachweis von Stoffkonzentrationen unterschiedlicher Art erforderlich.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist bekannt mittels chemischer Sensoren in ruhenden oder fließenden Systemen die kontinuierliche Messung von H+ (pH), O2, K, Na, Ca, Ag, Cu, Cl, F, Br, J, NO3, Cd, Cyanid, Sulfid, NH3, CO2 und Pb vorzunehmen. Dabei können auch spezielle Bindungsformen der Elemente, z. B. freie unkomplexierte Calciumionen im Blut oder Fe2+ neben Fe3+ erfaßt werden. Diese Sensoren funktionieren auf der Basis elektrochemischer Wirkprinzipien, d. h., es sind potentiometrische oder amperometrische Elektroden. Ihre Nachteile sind -durch folgende Einzelheiten gekennzeichnet:
— Die Meßergebnisse werden durch elektrische Störungen im Umfeld der Meßeinrichtung unmittelbar beeinflußt; das ist insbesondere bei Messungen in technischen Anlagen nachteilig.
— Pro Sensor kann bisher nur eine Komponente gemessen werden.
— Interferenzen durch chemisch ähnliche Spezies treten sehr stark in Erscheinung.
— Die Palette der bestimmbaren Spezies ist i.w. auf die oben angeführten Komponenten beschränkt.
— Es wird bei den Vorrichtungen immer eine zweite Elektrode als Referenzelektrode benötigt.
Mit den seit 1980 entwickelten chemischen Sensoren auf der Basis der Faseroptik (Optroden) können diese Nachteile prinzipiell umgangen werden.
Übersichten dazu sind gegeben in W. R.Seitz, Anal. Chem. 56 (1984), 16Asowie J.I. Peterson and G.G. Vurek, Science224(1984),
Das bekannte Prinzip der Wirkungsweise von Optroden besteht im Anbringen (Immobilisieren) eines Reagenzes am Ende eines Lichtleiters, der dazu verwendet wird, Licht auf das immobilisierte Reagenz einzustrahlen und das nach Reflexion, Remission oder Fluoreszenz wieder abgegebne Licht mit anderen Fasern zu vermessen. Je nach erfolgter Reaktion des Reagenzes mit der Analysenlösung ergeben sich unterschiedliche Signalintensitäten. Auf dieser Grundlage funktioniert z. B. ein pH-Sensor mit Phenolrot als Reagenz (GB-Patent G01 N 21/00,200939 A1979) oder ein Fluoreszenz-Sensorfür Glucose (J. S.Schultz, US-Patent 4344438,1982).
Die Nachteile bisher bekanntgewordener faseroptischer Sensoren bestehen in:
— ungenügender Stabilität durch Verbrauch oder Zerfall des immobilisierten Reagenzes;
— langsamer Ansprechzeit (Minutenbereich), da ein Massetransport von der Lösung auf das immobilisierte Reagenz bzw. durch Membran auf das Reagenz erfolgen muß;
— der starken Einschränkung der Variabilität der verwendbaren Reagenzien, da eine bestimmte Menge des Reagenzes immobilisiert werden muß. Ansonsten könnte bei hohen Reagenzkonzentrationen die analysierende Spezies auf dem Reagenz angereichert werden mit der Folge, daß ein konzentrationsproportionales Signal verhindert wird.
— die noch am allgemeinsten einsetzbaren Systeme auf der Basis von Reflexionsmessungen haben einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen Signal und Konzentration.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Messung von Stoffkonzentrationen mit hoher Genauigkeit bei geringem apparativen und zeitlichen Aufwand zu ermöglichen.
Darlegung des Wesens der Erfindung ~
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine in-situ-Messung von Stoffkonzentrationen vielfältigster Art gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein faseroptischer Sensor im Absorptionsverfahren mit einem . Reaktionsraum verbunden wird, der durch eine Membrane gegen das zu untersuchende ruhende oder fließende Meßobjekt abgesperrt ist. Dieser Reaktionsraum kann über Injektionskanülen mit flüssigen Reagenzien gefüllt, geleert und gespült werden. Zur Extinktionsmessüng im Absorptionsverfahren werden Lumineszenz- oder Laserdioden unterschiedl., auf die jeweiligen Meßobjekte angepaßter Wellenlänge verwendet. Im ersten Verfahrensschritt wird der Reaktionsraum mit einem Reagenz gefüllt und anschließend die Messung von I0 in einer Referenzlösung durchgeführt. Diese Referenzlösung ist frei von dem nachzuweisenden Stoff. Im anschließenden Verfahrensschritt wird das Reagenz im Reaktionsraum bei Bedarf erneuert und daran anschließend die Eichung des Sensors durch Eintauchen in eine Lösung vorgenommen, die eine bekannte Konzentration des nachzuweisenden Stoffes enthält. Diese Messung liefert den Intensitätswert I, mit dem über das Lambert-Beersche-Gesetz die Extinktion log lo/l im Absorptionsverfahren ermittelt wird. Diese ist bekannterweise der Stoffkonzentration direkt proportional. Im folgenden wird das Reagenz wiederum erneuert und die Messung in situ durchgeführt. Im Interesse kurzer Meßzeiten ist der Reaktionsraum miniaturisiert und der Strahlengang des Lichtes steht im rechten Winkel zur Diffusionsrichtung des Stoffes.
Ausführungsbeispiel
Wie das Verfahren im einzelnen angewendet und wie die zu seiner Durchführung benötigte Vorrichtung beschaffen sein kann, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt wird.
Fig. 1: zeigt den schematischen Aufbau der Meßeinrichtung
In den Reaktionsraum 6 treten die Injektionskanülen 3 und 4 über ihre Reagenzein- und -austrittsstutzen 1 und 2 sowie die Lichtleitsignal- und -Geberfasern 8 und 10 ein. Zum Meßraum 7 ist der Reaktionsraum 6 durch die Membrane 9 abgeschlossen.
Über den Reagenzeintrittsstutzen 1 —der ein Septum enthalten kann — und die anschließende Injektionskanüle für den Reagenzeintritt 4 wird der Reaktionsraum 6 mit einem zur Konzentrationsmessung zweckmäßigen Reagenz gefüllt. Die Füllung ist beendet, wenn das Reagenz über die Injektionskanüle für den Reagenzausiritt 3 und den Reagenzaustrittsstutzen 2 austritt. Nach Einschalten der Spannungsversorgung 14 ist die opto-elektronische Baugruppe 13 mit der angeschlossenen Lumineszenzdiode 11 und der Fotodiode 12 sende- und empfangsbereit. Der Sensor 5 wird in den Meßraum 7 eingetaucht. Handelt es sich bei der Messung beispielsweise um den Nachweis von Fe-Ionen in wäßriger Lösung, diffundieren diese vom Meßraum 7 durch die Membrane 9 in den Reaktionsraum 6 und verfärben das Reagenz. Das von der Lumineszenzdiode 11 für diesen Nachweis ausgewählte Licht bestimmter Wellenlänge gelangt über die Lichtleit-Geberfasern 10 zum Reaktionsraum 6 und wird in diesem auf seinem Weg zur gegenüberliegenden Lichtleit-Signalfaser 8 in Abhängigkeit von der Fe-Ionen-Konzentration durch Lichtabsorption geschwächt. Die angekoppelte Fotodiode 12 wandelt und verstärkt das geschwächte Signal, das in der angeschlossenen Signalanzeige 15 digital oder analog ausgewiesen wird.

Claims (3)

  1. Erfindungsanspruch:
    1. Verfahren zur in-situ-Messung von Stoffkonzentrationen mit einem faseroptischen Sensor, gekennzeichnet dadurch, daß der Reaktionsraum (6) über Injektionskanülen (3) und (4) mit flüssigen Reagenzien zur Eichung und Messung gefüllt, geleert und gespült, und im Anschluß an die Eichung der Meßvorgang als Extinktionsmessung im Absorptionsverfahren mit Licht einer Lumineszenz- oder Laserdiode oder je nach Meßaufgabe mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge durch die gleichzeitige Anordnung entsprechender Lumineszenzdioden über Lichtleit- Geber (10) und Lichtleit-Signalfasem (8) durchgeführt wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Reaktionsraum (6) zum Meßraum (7) durch eine Membrane (9) abgeschlossen ist und daß in den Reaktionsraum (6) beispielsweise Injektionskanülen (3) und (4) sowie Lichtleit-Geber- und-Signalfasern (10) und (8) ein-und austreten.
  3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Reaktionsraum (6) miniaturisiert ist und der Strahlengang des Lichtes im rechten Winkel zur Diffusionsrichtung des Stoffes durch die Membrane (9) steht.
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