DE4213235A1

DE4213235A1 - Verfahren zur exakten Bestimmung der Konzentration eines Gases, eines Dampfes oder eines in einer Probe gelösten Gases sowie dafür verwendete Fluoreszenz-Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE4213235A1
Application number: DE4213235A
Authority: DE
Inventors: Moshe Dr Gavish; Misha Dr Roitberg
Original assignee: Segnetron Israel Ltd
Current assignee: Segnetron Israel Ltd
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1993-10-28
Also published as: US5272090A; CH684809A5; US5237631A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines chemischen Fluoreszenz-Sensors zur Bestimmung der Konzentra tion von Gasen, Dämpfen oder in einer Probe gelösten Gasen, wobei dieser Sensor insbesondere gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur und der Intensität einer Lichtquelle kom pensiert ist.

Chemische Sensoren, die einen Fluoreszenzindikator zur Kon zentrationsmessung auf der Basis der emittierten Fluoreszenz intensität als Hauptparameter verwenden, sind mit den Nach teilen behaftet, daß Drift und Ungenauigkeiten aufgrund von Änderungen der Lichtquellenintensität oder der Umgebungstem peratur auftreten.

Die im folgenden aufgeführten Vorschläge zur Milderung dieser Nachteile wurden nur mit teilweisem Erfolg angewandt.

Ein Vorschlag bestand darin, daß die Temperatur mit einem Thermometer und die Lichtquellenintensität mit einem geson derten Detektor gemessen werden muß. Die gemessene Fluores zenzstärke wurde auf der Grundlage von Tabellen korrigiert, die einen vorkalibrierten Datensatz enthalten, der zur Tem peraturkompensation dient. Diese Kompensation umfaßt jedoch nicht sämtliche Faktoren, die Drift bewirken, wie etwa Foto bleichen, Änderungen der Reagens-Eigenschaften nach der Ste rilisation und Änderungen der Intensität, die durch weitere optische Komponenten des Systems mit Ausnahme der Emissions quelle bewirkt sind.

Ein weiterer Vorschlag war der Einbau eines zweiten Fluores zenz-Reagens, das Licht einer verschiedenen Wellenlänge emit tiert und für die gemessenen chemischen Änderungen unemp findlich ist. Es konnte jedoch nur eine teilweise optische Kompensation erzielt werden, die die Unterschiede der spek tralen Detektor-Empfindlichkeit nicht umfaßt.

Ein weiterer Vorschlag bestand im Messen der Lebensdauer des angeregten Zustands anstelle der Intensität. In diesem Fall gibt es überhaupt keine Kompensation für die Umgebungstempe ratur, und daher wird ein zusätzliches Thermometer benötigt. Ferner ist es notwendig, eine gepulste Lichtquelle zu ver wenden, deren Zeitkonstanten in der Größenordnung der Le bensdauer des angeregten elektronischen Zustands des Fluoreszenz-Reagens liegen. Die Bandbreite des Detektors und der Elektronik ist groß, so daß eine entsprechend hohe Lichtintensität benötigt wird. Auf diese Weise wird das Verfahren zur Herstellung des Sensors sehr kompliziert und teuer.

Ein weiterer Vorschlag bestand darin, das Fluoreszenz-Reagens in einem harten Polymer wie Plexiglas immobilisiert als Refe renz zu verwenden. Bei diesem Verfahren gibt es aber keine Kompensation von Unterschieden der umgebungsmäßigen Auswir kungen auf Fluoreszenzmaterial, und es wurde wegen der Abwe senheit einer vollständigen Kompensation in der Praxis nicht eingesetzt.

Die JP-Druckschrift Kokai Nr. 59-170 748 (entsprechend der US-Patentanmeldung Nr. 452 659) beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Anwesenheit von Sauerstoff in einer Umgebung, wobei ein Sensor der Umgebung ausgesetzt wird und die Lö schung bezogen auf die Verringerung der Intensität gemessen wird. Eine Referenzeinrichtung mit Bereichen von verschie dener Größe oder Konzentration von Lumineszenzmaterial ist in einem Träger immobilisiert, der bevorzugt ein Polymer ist, das gegenüber Sauerstoff relativ undurchlässig ist. Die ver wendeten Indikatoren bestehen aus anorganischen Lumineszenz materialien, die bei Anregung mit sichtbarem oder UV-Licht leuchten und deren Lumineszenz durch Sauerstoff gelöscht wer den kann. Die angegebenen Lumineszenzmaterialien gehören zu den Metallkomplexen der Platingruppe. Das Lumineszenz-Reagens an dem Referenzelement ist über einen Bandbereich zwischen niedriger und hoher Konzentration verteilt. Die Messung selbst wird durchgeführt, indem ein Sichtvergleich der Licht intensität des Signals mit den Lichtintensitäten des Bandbe reichs am Referenz-Sensor erfolgt. Der größte Nachteil dieses Verfahrens ist die subjektive Bestimmung, die mit Hilfe der Augen durchgeführt wird und daher natürlich nicht ausreichend präzise sein kann. Wie in der Beschreibung angegeben ist, ist die Präzisionsgenauigkeit der Sauerstoffbestimmung ca. 2%, was eigentlich als eine halbquantitative Sauerstoffbestimmung angesehen werden sollte. Selbstverständlich kann das Verfah ren nicht angewandt werden, wenn eine sehr hohe Präzision verlangt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum exakten Bestimmen der Konzentration von Gasen, Dämpfen oder in einer Probe gelösten Gasen. Dabei soll die durch die Konzentrationsänderung des jeweiligen Gases bewirkte Änderung kompensiert werden, und ferner soll die Bestimmung in objek tiver Weise durch automatische Messung erfolgen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sensorein richtung für die genaue Bestimmung der Konzentration von Gasen, Dämpfen oder in einer Probe gelösten Gasen, wobei ein Sensorelement bereitgestellt wird, das ein Fluoreszenz-Reagens enthält, das mit einem Lichtleiter verbunden ist, der wenigstens fünf Endanschlußbündel aufweist, und ein Referenz-Sensor element bereitgestellt wird, das das gleiche Fluores zenz-Reagens enthält, mit dem anderen Ende des Lichtwellen leiters verbunden und gegenüber der chemischen Umgebung iso liert ist, wobei das von dem ersten Sensorelement S und von dem Referenz-Sensorelement R emittierte Licht von Lichtdetek toren aufgenommen und aufgezeichnet wird, die Konzentration des Gases, des Dampf s oder des gelösten Gases automatisch auf der Basis der Ausgangssignale der Lichtdetektoren berechnet wird unter Verwendung von Kalibrierdaten des in dem Sensor element vorhandenen Fluoreszenz-Reagens. Auf diese Weise ist die Bestimmung der Konzentration eines Gases sehr exakt und kompensiert alle Faktoren wie etwa die Umgebungstemperatur, eine Änderung der optischen Eigenschaften des Reagens, eine durch elektrische und thermische Instabilitäten bewirkte Änderung der Quellenintensität sowie Änderungen der Lichtwel lenleiter-Eigenschaften, die durch Temperaturänderungen und Biegen bewirkt werden können. Es wurde gefunden, daß die Genauigkeit der Bestimmung sehr hoch ist und im allgemeinen ca. 0,1% beträgt.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine allgemeine Darstellung der Einrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungs beispiels der elektronischen Messung und der Daten verarbeitungseinheit; und

Fig. 3 eine Darstellung des Kontakts zwischen dem Sensor kopf und einer Flüssigkeit.

Die Meßeinrichtung umfaßt einen Referenz-Sensor, der mit einer hermetischen Abdeckung auf dem Fluoreszenz-Reagens gekapselt ist, wodurch jeglicher Einfluß von etwaigen Che mikalien ausgeschlossen ist, die in der Umgebung bei der Fluoreszenzemission von dem Reagens vorhanden sind. Die ein fachste Lösung, um durch diese Kapselung das Ziel zu errei chen, ist das Vorhandensein von Luft, so daß Faktoren wie die Temperatur, die Intensität und Fotobleichen über einen langen Zeitraum kompensiert werden. Einer der Vorteile des Verfah rens liegt in der homogenen Anordnung des Fluoreszenz-Reagens in dem Referenz-Sensor, so daß das Ausgangssignal des Refe renz-Sensors, das von einem Lichtdetektor empfangen wird, automatisch in elektrische Signale umgewandelt werden kann. Auf diese Weise ist die Bestimmung der Konzentration eines Gases erheblich genauer, weil sie vollständig objektiv ist. Da ferner das Lumineszenz-Reagens im Sensorelement das glei che wie im Referenz-Sensor ist, sind die Emissionsfarben die gleichen, so daß die Intensitäten ohne weiteres verglichen werden können.

Die für die Erfindung geeigneten Fluoreszenz-Reagenzien sind ausgewählt aus der Gruppe, die polycyclische aromatische Moleküle, homocyclische und heterocyclische Moleküle umfaßt, die die Leuchteigenschaft aufweisen. Das Reagens ist an dem Sensor immobilisiert, wobei irgendeines der bekannten Ver fahren angewandt wird, bevorzugt wird ein Klebstoff wie etwa Siliconklebstoff verwendet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die von den Detektoren erzeugte Wechselspannung synchron demoduliert, und das Ver hältnis der Gleichspannungen wird als eine normalisierte In tensität für die Berechnung der Konzentration des jeweiligen Gases verwendet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Quellen intensität entweder elektronisch oder mechanisch moduliert, so daß die Lichtintensität, die den Signal- und den Referenz-De tektor erreicht, einen Wechselstrom erzeugt, der von der Untergrundbeleuchtung ohne weiteres unterschieden werden kann.

Das Verfahren kann zum Bestimmen der Konzentration von Gasen wie etwa Sauerstoff, Kohlendioxid in Gasform oder gelöst in einer Probe angewandt werden. Das Verfahren eignet sich fer ner zur Messung des pH-Werts einer Probe. Die zu verwendenden Lichtquellen können aus UV- oder IR-Wellenlängen ausgewählt werden.

In Fig. 1 sendet eine Lichtquelle 1 eine Strahlung mit einer Wellenlänge λ1 aus, die durch einen optischen Filter 2 zu einem fünfendigen Bündel 10 durch die Endeinrichtung 8 geht, die 50% der Lichtleiterfasern auf der Instrumentenseite 9 enthält. Das Licht tritt durch einen Eingang 8 ein und wird in zwei gleichen Teilen auf die Zweige 11 und 12 an der Meß kopfseite aufgeteilt. Der Zweig 11 enthält einen Referenz-Sen sor R mit einem Halter 13, ein Fluoreszenz-Reagens 15 und die Umkapselung 16. Der Zweig 12 enthält den Signal-Sensor S mit einem Halter 14 und dem Fluoreszenz-Reagens 17. Der Meß kopf mißt die Gaskonzentration in einer Kammer 18.

Ein Teil der Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge λ2, die größer als λ1 ist, wird zurück zu den Bündeln 11 und 12 emittiert. Die Hälfte (50%) des Lichts aus dem Bündel 11 ist mit der Endeinrichtung 9 an der Instrumentenseite gekoppelt und wird durch den λ2-Filter 4 geleitet und vom Referenz-De tektor 3 aufgenommen. Die anderen 50% des Lichts aus dem Bündel 12 sind mit der Endeinrichtung 7 auf der Instrumenten seite gekoppelt und werden durch ein zweites λ2-Filter 6 ge leitet und von dem Detektor 5 aufgenommen. Es ist zu beach ten, daß es auch denkbar ist, anstelle eines Lichtwellenlei ters eine andere Übertragungseinrichtung zu verwenden; aller dings ist der Lichtwellenleiter am meisten bevorzugt.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungs beispiels der elektronischen Meß- und Datenverarbeitungsein heit. Das Quellenlicht kommt von einer Halogenlampe, die von einem Mikroprozessor so gesteuert wird, daß sie auf eine Kon stantfrequenz eingestellt ist. Die Lichtintensität vom Refe renz-Sensor R und vom Sensorelement S werden zwei gesonderten Fotodioden zugeführt, in einer Analog-Verarbeitungseinheit verstärkt und gefiltert, bevor sie von dem Integral-A-D-Wand ler in ein Digitalverhältnis umgewandelt werden. Der Mikro prozessor berechnet die Gaskonzentration auf der Basis einer Kalibrierinformation und der Eigenschaften des Fluoreszenz-Reagens.

Das Verhältnis R/S wird von irgendwelchen Änderungen der Quellenintensität sowie von der Behältertemperatur nicht be einflußt, und die zeitgebende Elektronik auf der Instrumen tenseite ist für die beiden Kanäle immer die gleiche.

Fig. 3 zeigt schematisch, wie der Sensorkopf die Flüssigkeit kontaktiert, deren in einem Behälter vorhandener Sauerstoff gehalt bestimmt werden soll. Es ist ersichtlich, daß die bei den Sensoren S (= Signal) und R (= Referenz) von dem ge schützten Faserbündel 1 ausgehen, das an die Hauptelektronik angeschlossen ist, in der die Lichtquellen und Detektoren arbeiten. Das Bündel ist in ein Referenzbündel 4 und ein Si gnalbündel 6 aufgeteilt. Beide sind in einem Fermentor-Adap ter 2 und einem Schutzrohr 3 aus rostfreiem Stahl aufgenom men. Das Signalbündel endet in einer Zwinge 7, die mit dem Probenhalter 9 über eine Schraube verbunden ist. Der Proben halter liegt von der Rückseite an einer metallischen Beilag scheibe 8 an und ist über eine Manschette 11 aus rostfreiem Stahl befestigt, die gleichzeitig auch den O-Dichtring 10 druckbeaufschlagt, um das Entweichen von Gasen und Dämpfen während des Betriebs des Fermentors zu blockieren. Die Öff nungen an der Seite der Manschette 12 ermöglichen eine unge hinderte Zirkulation von Flüssigkeit über der Fluoreszenzpro be 13. Der Referenz-Sensor mit dem Fluoreszenz-Reagens ist in der Kammer 5 eingekapselt, liegt aber ganz nahe an der Probe, so daß er die gleiche Temperatur aufnimmt.

In der obigen Beschreibung wird zwar als optisches Über tragungsmittel von der Lichtquelle zum Fluoreszenzmaterial und zurück zu den Detektoren R und S ein Lichtwellenleiter angegeben, aber es ist auch denkbar, andere Übertragungs mittel wie Prismen oder Glasrohre zu verwenden.

Das Verfahren und das Sensorelement gemäß der Erfindung können für viele Anwendungszwecke eingesetzt werden, wobei nachstehend einige typische Anwendungsgebiete aufgeführt werden:

- Messen des Sauerstoffgehalts in verschiedenen wäßrigen Proben;
- Bestimmen des Sauerstoffs für den biochemischen Sauer stoffbedarf bzw. BSB;
- Messen des Sauerstoffgehalts in Blut unter Verwendung einer Lichtleitersonde;
- Messen des Sauerstoffgehalts in Luftproben; und
- Überwachen von niedrigen Sauerstoffpegeln in verschiedenen chemischen Reaktionsgefäßen.

Das folgende Beispiel dient nur der Erläuterung der Erfindung und stellt keine Einschränkung dar.

Beispiel 1

Ein Sensorelement, das Dekacyclen als Fluoreszenz-Reagens enthält, das durch einen Siliconklebstoff an einem Licht wellenleiter immobilisiert war, wurde zum Messen des Sauer stoffs verwendet, der in einem Wasser und gelöste Luft ent haltenden Behälter gelöst war. Die Temperaturen, die im Be hälter herrschten, lagen im Bereich zwischen 5 und 90°C, und auftretende Änderungen resultierten im wesentlichen aus den verschiedenen Temperaturen der in den Behälter eingeleiteten Lösungen. Das oben beschriebene Verfahren zur Sauerstoff messung wurde angewandt, und die exakte Bestimmung erfolgte über einen Zeitraum von einem Monat.

Infolge der verschiedenen Bestandteile dieser Lösung wurden starke Änderungen der Quellenintensität von mehr als 100% beobachtet. Aber sowohl diese Änderungen als auch die Tem peraturänderungen wurden durch die Verwendung des oben beschriebenen Sensorelements kompensiert.

Zuverlässige Ergebnisse wurden auch noch nach einem Einsatz des Systems über einen Zeitraum von einem Monat erhalten.

Claims

1. Verfahren zur exakten Bestimmung der Konzentration eines Gases, eines Dampf s oder eines in einer Probe gelösten Gases unter Anwendung einer Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung aufweist: ein Sensorelement, das ein Fluoreszenz-Reagens enthält und an einen Lichtwellenleiter mit wenigstens fünf Endanschlußbündeln angeschlossen ist, und ein Referenz-Sensorelement, das das gleiche Fluoreszenz-Reagens aufweist, mit dem anderen Ende des Lichtwellenleiters verbunden und gegenüber der chemischen Umgebung isoliert ist, wobei das vom ersten Sensorelement (S) und vom Referenz-Sen sor (R) emittierte Licht jeweils von Lichtdetektoren detek tiert und aufgezeichnet wird und die Konzentration des Gases, des Dampf s oder des in der Probe gelösten Gases automatisch auf der Basis der Ausgangssignale der Lichtdetektoren unter Nutzung von Kalibrierungsdaten des in den Sensoren anwesenden Fluoreszenz-Reagens berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenz-Sensor in einer Luft enthaltenden dichten Abdeckung gekapselt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluoreszenz-Reagens in dem Referenz-Sensorelement homogen angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenz-Reagenzien ausgewählt sind aus der Grup pe, die aus polycyclischen aromatischen, homocyclischen und heterocyclischen Molekülen besteht, die Leuchteigenschaft besitzen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Detektoren erzeugte Wechselspannung synchron demoduliert und das Gleichspannungsverhältnis als eine norma lisierte Intensität zur Berechnung der Konzentration des Gases genützt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ausgewählt ist aus Sauerstoff, Kohlendioxid oder einer sie enthaltenden Lösung.

7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Bestimmung des pH-Werts einer Lösung.

8. Fluoreszenz-Meßeinrichtung, gekennzeichnet durch

- eine Strahlung aussendende Lichtquelle;
- einen Lichtwellenleiter mit wenigstens fünf Endanschlußbündeln, dessen eines Ende mit der Lichtquelle gekoppelt und dessen anderes Ende in einen ersten und einen zweiten Endanschluß aufgeteilt ist;
- ein mit dem ersten Endanschluß gekoppeltes Sensorelement und ein mit dem zweiten Endanschluß gekoppeltes Referenz-Sen sorelement, wobei beide Sensorelemente das gleiche Fluoreszenz-Reagens enthalten und der letztgenannte Sen sor gegenüber der Umgebung isoliert ist, und
- zwei Lichtdetektoren, von denen der eine das vom Sensor element emittierte Licht und der andere das vom Referenz-Sensor emittierte Licht empfängt.

9. Fluoreszenz-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung aussendende Lichtquelle im UV- und IR-Wel lenlängenbereich liegt.

10. Fluoreszenz-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenz-Sensorelement in einer Luft enthaltenden Umgebung gekapselt ist.

11. Fluoreszenz-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluoreszenz-Reagens ausgewählt ist aus der Gruppe, die polycyclische aromatische, homocyclische und heterocycli sche Moleküle enthält, die Leuchteigenschaft haben.

12. Fluoreszenz-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reagens im Sensorelement durch Festlegung mit einem Siliconklebstoff immobilisiert ist.

13. Fluoreszenz-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration eines Gases, eines Dampfs oder eines in einer Probe gelösten Gases automatisch aus den Ausgangssigna len des ersten und des zweiten Lichtdetektors berechnet wird, wobei etwaige Änderungen der Temperatur und der Intensität der Lichtquelle kompensiert werden.