DD258471A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von stoffkonzentrationen in fluiden medien - Google Patents

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DD258471A1 DD30064387A DD30064387A DD258471A1 DD 258471 A1 DD258471 A1 DD 258471A1 DD 30064387 A DD30064387 A DD 30064387A DD 30064387 A DD30064387 A DD 30064387A DD 258471 A1 DD258471 A1 DD 258471A1
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Matthias Otto
Alfred Hoffmann
Gerd Roedel
Dieter Petrak
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Freiberg Bergakademie
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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in fluiden Medien, die in der Biotechnologie, im analytisch-chemischen oder klinisch-chemischen Labor und bei der Luft- und Gewaesserueberwachung in-situ anwendbar sind. Erfindungsgemaess wird ein faseroptischer Sensor im Absorptionsverfahren oder Fluoreszenzverfahren zur Extinktionsmessung mit mehreren Signalkanaelen ausgestattet. Dieser ermoeglicht die Simultanmessung der einzelnen Stoffkonzentrations-Komponenten in der fluiden Phase, beruecksichtigt ihre gegenseitige Beeinflussung, korrigiert die Messwerte mittels multivariater Regressionsrechnung und weist diese einzeln analog oder digital ueber die Extinktion aus. Der Sensor ist mit einer integrierten elektronischen Auswerteeinheit verbunden, in der sich neben der Rechnereinheit ein Netzteil fuer Labormessungen und eine Batterie fuer Feldmessungen befinden.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in fluiden Medien, die in der Biotechnologie, im analytisch-chemischen, biochemischen oder klinisch-chemischen Labor (Detektion in der Flüssigchromaotgraphie, Fließinjektionsanalyse), in der chemischen Industrie (Prozeßanalyse), bei der Gewässer- und Luftüberwachung, in der Hydrometallurgie und Galvanotechnik eingesetzt werden kann.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Zur kontinuierlichen Überwachung und Bestimmung von Stoffkonzentrationen in industriellen Prozessen, in der Umwelt oder in der Biotechnologie werden chemische Sensoren benötigt, mit deren Hilfe Konzentrationen chemischer Bestandteile in gasförmigen oderflüssigen Medien kontinuierlich, quantitativ, störungsfrei und bei hohen Maß an Mikroelektronikkompatibilität erfaßbar sind. ^
Gegenwärtig werden dazu fast ausschließlich noch elektrochemische Sensoren wie ionensensitive Elektroden bzw. Feldeffekttransistoren (ISFET), amperometrische Sensoren oder Enzym- und Immunoelektroden eingesetzt. Nachteile elektrochemischer Sensoren sind:
— es wird eine Referenzelektrode benötigt
— Miniaturisierungen der Sensoren zwecks störungsarmer Signalaufnahme in-situ sind eingeschränkt
— die Sensoren sind empfindlich gegenüber elektrischen Störungen
— es ist eine Konditionierung der Lösung durch Zugabe eines Grundelektrolyten und eines pH-Puffers notwendig
— das erhaltene elektrische Primärsignal hat einen niedrigen Informtionsgehalt.
Diese Nachteile können bei Einsatz faseroptischer Sensoren umgangen werden. Faseroptische Sensoren bestehen aus einer Lichtquelle, zwei Lichtwellenleitern und einem Foto-Detektor
Es wird
— keine Referenzelektrode benötigt
— eine Miniaturisierung ist leicht und bis zu sehr kleinen Dimensionen ausführbar
— da das Primärsignal optisch ist, treten keine Störungen durch elektrisch wirkende Umfelder auf
— es ist in der zu messenden Lösung keine Konditionierung erforderlich
— die vom Lichtwellenleiter transportierte Information kann sich bezüglich Wellenlänge, Phase des Lichtes, Abfallcharakteristik bei Fluoreszenzprinzip, Polarisation und Intensität des Lichtes unterscheiden.
Besonders robust und langzeitstabil arbeiten Sensoren, die vorhandene optische Eigenschaften des Meßobjektes (Flüssigkeit oder Gas) wie Adsorption, Remission oder Fluoreszenz ausnutzen. Bekannt sind auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Messung von Stoffkonzentrationen mittels Faseroptik, bei denen im Lichtabsorptionsverfahren die Verfärbungen gelöster Reagenzien in einem Reaktionsraum gemessen werden, der durch eine Membran vom Meßobjekt getrennt ist. Faseroptische Sensoren können auch für die Entwicklung von Optroden verwendet werden. Hierzu wird am Ende der Faser ein Reagenz (Indikator) immobilisiert und die entstehenden Optroden können für Messungen von pH-Werten, Metallionen, Anionen oder von organischen Stoffen und von Enzymen eingesetzt werden (W.R.SeitzAnal. Chem. 56(1984) 16A). Gegenwärtig verfügbare faseroptische Sensoren zur Konzentrationsbestimmung (Fa. Oriel, Stanford, CT, USA und Guided, Waves, Rancho Cordova, CA, USA) werden als Kombinationen von Faseroptik und kommerziellen Spektrometern (UV/VIS/NIR, Fluoreszenzspektrometer) angeboten.
Sie besitzen im Hinblick auf einen disponiblen Einsatz folgende Nachteile:
— auf Grund der Notwendigkeit eines Spektrometers sind sie sehr aufwendig
— zur Betreibung des Detektors (SEV) wird Hochspannung benötigt
— zur Fernmessung (eine eigentlich vorteilhafte Möglichkeit faseroptischer Sensortechnik) werden sehr intensive Lichtquellen benötigt (Xenonhochdrucklampen oder Laseranregung)
— sie sind nicht transportabel
— im Labor sind sie sehr platzbeanspruchend
— die Messungen werden durch Tageslicht gestört
— Stabilitätsschwankungen der Lichtquelle verfälschen das Meßergebnis, da bei der in-situ Messung nicht nachgeeicht werden kann
— Störungen durch Nebenkomponenten, Trübungen, Drift, sich ändernden Blindwert können nicht berücksichtigt werden.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Messung von Stoffkonzentrationskomponenten in gasförmigen oder flüssigen Medien mit hoher Genauigkeit, bei geringem gerätetechnischen 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 in fluiden Medien unterschiedlicher Art und Komponentenzusammensetzung gestatten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Licht mit definierter Wellenlänge von einer Lichtquelle (z. B.) eine Lichtemitter-Diode) in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Das Licht durchläuft das Meßobjekt (Gas-oder Flüssigkeitsvolumen) und wird dabei z.T. absorbiert. Über einen zweiten Lichtwellenleiter wird das Licht dann einem optoelektronischen Signalwandler als Empfänger zugeleitet. Das entstehende elektrische Signal wird in einer integrierten elektronischen Auswerteeinheit derart verarbeitet, daß die zu messende Stoffkonzentration in mg/l oder als Extinktionswert E = log Umax/UmeB ausgewiesen wird. Handelt es sich bei dem Meßobjekt um ein Gas- oder Flüssigkeitsvolumen in-situ mit zwei oder mehreren zu messenden Stoffkomponenten, sind zwei oder mehrere Signalkanäle erforderlich, deren definiertes Licht nach seiner Teilabsorption getrennt aber simultan aufgenommen, verarbeitet und stoff bezogen quantitativ ausgewiesen wird. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist als faseroptischer Ein- oder Mehrkanalsensor mit einer oder mehreren Lichtemitter-Dioden und der gleichen Anzahl Lichtempfänger-Dioden ausgebildet.
Für Fluoreszenzmessungen am Meßobjekt können Filter an den Lichtwellenleitern für die Signalaufnahme angekoppelt werden, um eine spektrale Selektion des emittierten Lichtes zu erreichen. Auch kann eine Membran in den Strahleingang des Lichtes gebracht werden, die sich konzentrationsabhängig verfärbt, weil sie einen Indikator immobilisiert enthält, der für die Bestimmung der jeweiligen Konzentrationskomponente geeignet ist.
Ebenso können Einflüsse von Nebenkomponenten, Schwebeteilchen, Trübungen oder solche von anderen Komponenten mit ähnlichen optischen Eigenschaften wie die zu untersuchenden chemischen Spezies durch Messungen bei zusätzlichen Wellenlängen kompensiert werden
Störungen durch Tageslicht, Driften (Änderung der Lichtintensität) werden durch einen Referenzkanal ausgeschaltet.
Ausführungsbeispiel
Wie die Vorrichtung im einzelnen beschaffen sein kann, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel der in-situ Messung von Kupferkonzentrationen in Kupferelektrolytbädern dargestellt wird.
Fig. 1: zeigt den schematischen Aufbau der Vorrichtung mit ihren wesentlichen Einzelheiten. Fig. 2: zeigt die Anordnung eines Interferenzfiltersund einer Membran
Der Absorptionsspalt 1 am Sensorkopf 2 befindet sich zur Messung im Meßobjekt, einem Kupferelektrolytbad. An einer Flanke des Absorptionsspaltes 1 treten die Geber-Lichtwellenleiter 3 mit ihren Enden in das Meßobjekt ein, während an der anderen Flanke die Signal-Lichtwellenleiter 4 beginnen.
Die Wellenlänge λ-, des Lichtes der Lichtemitter-Diode 6 ist auf die Absorptionsbanden des Kupfers im Elektrolyt abgestimmt. Die Wellenlänge λ2 des Lichtes der Lichtemitter-Diode 7 reagiert beispielsweise auf die Nickelkonzentration im Elektrolyt.
Über die Lichtempfänger-Fotodioden 8 und 9 gelangen die geschwächten Lichtsignale zum Vorverstärker 10, der mit den Dioden 6,7,8 und 9 im Sensorschaft 5 untergebracht ist.
Die getrennt aufbereiteten Signale gelangen über das Verbindungskabel 11 zur integrierten elektronischen Auswerteeinheit 12, in der sich zur Spannungsversorgung das Netzteil 13 und für Feldmessungen die Batterie 14 sowie die Rechnereinheit 15 für die simultane Signaldarstellung befinden. Im vorliegenden Beispiel wird der Kupfergehalt im Elektrolyt mittels multivariater Regressionsrechnung bezüglich des Nickelgehaltes korrigiert digital über die Extinktion ausgewiesen.
Der Einfluß von Tageslicht, Drift und Intensitätsschwankungen der Lichtemitter-Dioden 6 und 7 wird durch einen Referenzkanal 16für jeden Signalkanal, den Pulsbetrieb der Lichtquelle und selektive Verstärkung ausgeschlossen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in fluiden Medien durch Adsorption von Licht unterschiedlicher Wellenlängen, die auf die Adsorptionsbanden der zu messenden Stoffkonzentrationen abgestimmt sind, gekennzeichnet dadurch, daß die gegenseitigen Beeinflussungen der verschiedenen Stoffkonzentrationen im Meßobjekt simultan mit Lichtemitter-Dioden (6) und (7) unterschiedlicher Wellenlänge sowie Lichtempfänger-Foto-Dioden (8) und (9) gemessen und mittels multivariater Regressionsrechnung korrigiert und einzeln als Stoffkonzentration der einzelnen Komponente ausgewiesen werden und daß der Einfluß von Tageslicht, Drift und Intensitätsschwankungen der Lichtemitter-Dioden (6) und (7) über die vergleichende Messung eines Referenzkanals (16) und durch die Anwendung von Wechselspannung ausgeschaltet wird.
2. Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in fluiden Medien als faseroptischer Ein- und Mehrkanalsensor mit einer oder mehreren Lichtemitter-Dioden (6) und (7) und der gleichen Anzahl Lichtempfänger-Foto-Dioden (8) und (9), gekennzeichnet dadurch, daß für Fluoreszenzmessungen der Signal-Lichtwellenleiter (4) mit einem Filter (18) zur spektralen Selektion optisch verbunden ist bzw. daß eine Membran (17) im Absorptionsspalt (1) angeordnet ist, die einen für die Bestimmung der jeweiligen Konzentrationskomponente geeigneten Indikator enthält und daß zur Simultanauswertung der Meßwerte eine Rechnereinheit (15) nachgeschaltet ist.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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