DE2334473A1

DE2334473A1 - Anordnung zum messen der sauerstoffkonzentration einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE2334473A1
Application number: DE19732334473
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Mergenhagen; Hans Georg Prof Dr Schweiger
Original assignee: Schweiger hans Georg profdr
Current assignee: Schweiger hans Georg profdr
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1973-07-06
Publication date: 1975-01-23

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. F. We ic km α ν ν,

DIPL.-ING. H.Weickmann, DIPL.-PHYS. Dr. K. Fincke D1PL.-ING. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

LABR ^

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. 34 Göttingen, Bunsenstraße 1o

Anordnung zum Messen der Sauerstoffkonzentration einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Sauerstoffkonzentration einer Flüssigkeit, mit einer in die Flüssigkeit eintauchenden, polarisierbaren Elektrodenanordnung, mit einer eine Polarisationsspannung an die_polarisierbare Elektrodenanordnung abgebenden und hierdurch einen der Sauerstoffkonzentration proportionalen' Polarisationsstrom hervorrufenden Spannungsquelle und mit einer ein dem Polarisationsstrom proportionales Signal anzeigenden Anzeigeeinrichtung.

Zellbiologische Untersuchungen beruhen oftmals auf einer Messung der Sauerstoffproduktion bzw. des Sauerstoffverbrauchs von Pflanzen und Lebewesen. Beispiele hierfür sind Untersuchungen der 24-Stunden-Rythmen in der Sauerstoffproduktion von Einzelzellen und entwicklungsbiologische Untersuchungen an Seeigeleiern und Seeigelembryonen. Die gemessene Sauerstoffkonzentration kann aber auch als Indikator der Stoffwechselintensität von Protozoen herangezogen werden, was insbesondere im Zusammenhang mit Arbeiten über eine Verbesserung de? Umweltschutzes an

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Bedeutung gewinnen könnte. Die gemessene Sauerstoffkonzentration könnte auch als Indikator bei der Erforschung von Synchronisationen in Zellkulturen höherer, aber auch niederer Organismen dienen.

Zur Messung der Sauerstoffproduktion,vorzugsweise von Einzelzellen, die in einer Nährflüssigkeit leben, werden hochempfindliche und genaue Messanordnungen benötigt. Die Messanordnungen müssen sich äußerst einfach handhaben lassen, da sich geeignete Messreihen oftmals über Wochen erstrecken und in kurzen Zeitabständen Messungen vorgenommen werden müssen. Dies ist mit bekannten Messanordnungen nicht möglich; sie lassen sich entweder nur labormäßig umständlich bedienen, oder sind zu unempfindlich.

Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, eine einfach zu handhabende , hochempfindliche und genaue Messanordnung anzugeben.

Sie löst diese Aufgabe bei der eingangs näher erläuterten Anordnung dadurch, daß ein Differenzverstärker mit einem Eingang das dem Polarisationsstrom proportionale Signal und mit einem anderen Eingang ein vorgebbares Bezugssignal aufnimmt, die Differenz des dem Polarisationsstrom proportionalen Signals und des Bezugssignals verstärkt und das verstärkte Differenzsignal an die Anzeigeeinrichtung abgibt. Das Bezugssignal eliminiert damit einen Grundv/ert der Sauerstoffkonzentration; der Differenzverstärker gibt somit lediglich das um diesen Grundwert entsprechend den Änderungen der Sauerstoffkonzentration schwankende, verstärkte Differenzsignal an die Anzeigeeinrichtung ab. Der Wert des Bezugssignals ist vorzugsweise in Einheiten der Sauerstoffkonzentration geeicht einstellbar.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist in einer Ausführungsform

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vorgesehen, daß der Polarisationsstrom dem einen Eingang des Differenzverstärkers über einen Stroinspannungswandler als Spannungssignal zuführbar ist, und daß das Bezugssignal ebenfalls ein Spannungssignal ist. Das Bezugssignal ist in dieser Ausführungsform zweckmäßigerweise über einen steuerbaren Spannungsregler aus einer Spannungsquelle zufuhrbar.

Ist das dem Polarisationsstrom proportionale Signal einem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers zuführbar, so ergeben sich besonders einfache Subtrahiererschaltungen des Differenzverstärkers.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Änderung der Verstärkung des Differenzverstärkers an dessen Ausgang eine Spannungsteilerschaltung mit änderbarem Teilungsfaktor für das verstärkte Differenzsignal angeschlossen. Zwar wäre es denkbar, den Verstärkungsfaktor durch ein Widerstandsnetzwerk in einem Rückkopplungszweig des Differenzverstärkers zu ändern; in diesem Fall müßte aber an beiden Eingängen des Differenzverstärker in gleicher Weise verfahren werden. Um exakten Gleichlauf zu erhalten, müßten an beiden Eingängen genau aufeinander abgestimmte Präzisionswiderstände verwendet werden, was den Aufwand erheblich vergrößern würde. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil geringerer Anforderungen an die Gleichstromkonstanz des Differenzverstärkers; nach dem Umschalten in einen anderen Verstärkungsbereich muß nicht neu geeicht werden.

Obgleich in der Regel nur langsam sich ändernde Sauerstoffkonzentrationen, gemessen werden sollen, ist es vorteilhaft, das Hochfrequenzrauschen der polarisierbaren Elektrodenanordnung zur Erhöhung der Messgenauigkeit zu unterdrücken. Das dem Polarisationsstrom proportionale Signal ist deshalb

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dem Differenzverstärker zweckmäßigerweise über ein das Hochfrequenzrauschen unterdrückendes Filter zuführbar.

Besonders genaue Messergebnisse werden erzielt, wenn die polarisierbare Elektrodenanordnung Platinelektroden aufweist.

In einer zur Bestimmung der Sauerstoffproduktion lebender Zellen, insbesondere Einzelzellen, in einer an den lebenden Zellen vorbeiströmenden Nährflüssigkeit ist vorgesehen, daß in Strömungsrichtung jeweils vor und hinter den lebenden Zellen polarisierbare Elektrodenanordnungen in die Nährflüssigkeit eintauchen, und daß der Anzeigeeinrichtung, ein der Differenz der Polarisationsströme dieser Elektrodenanordnungen proportionales Signal zuführbar ist. Die in Strömungsrichtung vor den lebenden Zellen angeordnete polarisierbare Elektrodenanordnung überprüft hierbei das Niveau des Sauerstoff-Partialdrucks der den lebenden Zellen zugeführten Nährflüssigkeit. Der Sauerstoff-Partialdruck ist hierbei normalerweise durch die Raumtemperatur und den LuftdrucX gegeben, kann aber auch künstlich verändert sein.

Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, daß das dem Polarisationsstrom der in Strömungsrichtung hinter den lebenden Zellen eintauchenden polarisierbaren Elektrodenanordnung proportionale Signal dem Differenzverstärker zuführbar ist, und daß das Bezugssignal entsprechend dem Polarisationsstrom der in Strömungsrichtung vor den lebenden Zellen eintauchenden polarisierbaren Elektrodenanordnung änderbar ist. Diese Ausführungsform ermöglicht automatisch arbeitende Messanordnungen. Zweckmäßigerweise wird das dem Polarisationsstrom der in Strömungsrichtung vor den lebenden Zellen angeordneten polarisierbaren Elektrodenanordnung über einen Verstärker als Steuersignal dem steuerbaren Spannungsregler zur Änderung des Bezugssignäls zugeführt. Dieser Verstärker kann auch, analog zu dem oben stehend näher erläuterten

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Differenzverstärker als Subtrahierer ausgebildet sein und als Steuersignal ein Signal abgeben, das der Differenz zwischen dem Polarisationsstrom der in Strömungsrichtung vor den lebenden Zellen angeordneten polarisierbaren Elektrodenanordnung und einem ebenfalls den Grundwert der Sauerstoffkonzentration kompensierenden, weiteren Bezugssignal entspricht.

Da insbesondere Messungen an lebenden Zellen von einer Vielzahl Zufallsparameter abhängen, werden vorzugsweise Mittelwerte von Messergebnissen angezeigt. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein Analog-Digitalwandler periodisch Werte des aus dem Differenzverstärker zugeführten Differenzsignals in digitale Messwertsignale umwandelt und an eine digitale Addierschaltung abgibt, und daß die digitale Addierschaltung aus den innerhalb vorgebbarer Zeitintervalle aufgenommenen digitalen Messwertsignalen Mittelwertsignale bildet und an die Anzeigeeinrichtung abgibt. Durch geeignete Wahl der vorgebbaren Zeitintervalle können auch sehr langsame Änderungen der Sauerstoffkonzentration der Flüssigkeit sicher erkannt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Pig. 1 einen Messaufbau zum Messen der Sauerstoffproduktion einer einzelnen Zelle;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Polarisationsströme verstärkenden Messanordnung; und - '

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anzeigeeinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Messaufbau,mit dem die Sauerstoffproduktion einer in einem Medium lebenden Zelle 1, etwa einer einzelnen Acetabularia-Zelle, gemessen werden kann. Die Zelle 1 ist in einer röhrenförmigen Messkammer 3 untergebracht, durch die über eine Zuleitung 5 das Medium zuströmen und über eine Ab-

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leitung 7 abströmen kann. Eine Schlauchpumpe 9 saugt das flüssige Medium aus einem Vorratsgefäß 11 und drückt es durch die Messkammer 3. Die Schlauchpumpe 9 ist in Strömungsrichtung des Mediums vor der Messkammer 3 angeordnet, da Versuche gezeigt haben, daß die Durchlaufgeschwindigkeit des Mediums durch die Messkammer 3 in dieser Anordnung besonders konstant ist. Zum Einsetzen der Zelle 1 in die Messkammer 3 ist diese mit einem Verschluß 13 versehen. Um die Zelle 1 beleuchten zu können, besteht die Messkammer 3 aus Glas und um konstante Temperaturbedingungen einhalten zu können, kann die Messkammer in ein hier nicht dargestelltes temperaturstabilisiertes Wasserbad eingesetzt werden. Zur Erleichterung des Einsetzens in das Wasserbad sind die Enden der Zuleitung 5 und der Ableitung 7 abgewinkelt.

In Strömungsrichtung des Mediums hinter der Messkammer 3 ist eine Messelektrode 15 angeordnet, mit deren Hilfe die Sauerstoffkonzentration im Medium gemessen werden kann. Die Messelektrode 15 ist herkömmlich als polarisierbare Platinelektrodenanordnung ausgebildet, deren Platinelektroden in das Medium eintauchen. Die Messelektrode 15 ist über einen Stöpselverschluß 17 lösbar mit dem Messaufbau verbunden. In Strömungsrichtung des Mediums vor der Messkammer 3 ist eine Kontrollelektrode 19 über einen Stöpselverschluß lösbar mit dem Messaufbau verbunden. Die Kontrollelektrode ist entsprechend der Messelektrode 15 als polarisierbare Platinelektrodenanordnung ausgebildet, deren Platinelektroden in das Medium eintauchen. Die Kontrollelektrode 19 misst das G-rundniveau der Sauerstoffkonzentration des der Zelle zugeführten Mediums, während die Messelektrode 15 das Grundniveau einschließlich des von der Zelle 1 produzierten Sauerstoffs misst.

Pig. 2 zeigt nun ein Schaltbild einer Messanordnung,mit deren Hilfe gemessene Sauerstoffkonzentrationen besonders genau

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ausgewertet werden können. Eine an die Messelektrode 15 angelegte Polarisationsspannung U bewirkt einen der Sauerstoffkonzentration proportionalen Polarisationsstrom durch die Messelektrode 15. Der Polarisationsstrom wird über einen Strotn-Spannungswandler 21 und ein Tiefpassfilter 25 einem nioht-invertierenden Eingang + eines Differenzverstärkers 27 zugeführt. Der Differenzverstärker 27 ist mit einem invertierenden Eingang an einen steuerbaren Spannungsregler 29 angeschlossen. Der steuerbare Spannungsregler 29 ändert eine aus einer Spannungsquelle U-g zugeführte Bezugsspannung. In der in Fig. 2 dargestellten Messanordnung arbeitet der Differenzverstärker 27 als Subtrahierer zweier Spannungen. Die eine Spannung ist aufgrund des Strom-Spannungswandlers 23 proportional zum Polarisationsstrom der Messelektrode 15 und damit proportional zur Sauerstoffkonzentration; von ihr wird die Bezugsspannung subtrahiert. Am Ausgang des Differenzverstärkers 27 ist damit ein verstärktes Differenzsignal abnehmbar. Ist das Grundniveau der Sauerstoffkonzentration bekannt, so kann es am steuerbaren Spannungsregler 29 von Hand eingestellt werden; das verstärkte Differenzsignal gibt damit mit besonders hoher Genauigkeit die Änderungen der Sauerstoffkonzentration um dieses Grundniveau an. Das Tiefpassfilter ermöglicht hierbei durch Unterdrückung hochfrequenten Rauschens eine besonders hohe Genauigkeit.

Die vom steuerbaren Spannungsregler 29 an den Differenzverstärker 27 abgegebene Bezugsspannung kann unmittelbar in Einheiten der Sauerstoffkonzentration geeicht se:j.n; sie kann aber auch, wie in fig. 2 dargestellt ist, mit Hilfe der Kontrollelektrode 19 automatisch gesteuert werden. Ein von der Kontrollelektrode 19 bei Anlegen einer Polarisationsspannung U abgegebener Polarisationsstrom wird in einem Verstärker 31 verstärkt und zur Steuerung des steuerbaren Spannungsreglers herangezogen. Das an einer Ausgangsklemme A1

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vom Verstärker 31 abgegebene Signal entspricht dem Grundniveau der Sauerstoffkonzentration.

An den Ausgang des Differenzverstärkers 27 ist zur Änderung der Verstärkung des verstärkten Differenzsignals eine Spannungsteilerschaltung 33 angeschlossen. Die Spannungsteilerschaltung 33 weist in Serie geschaltete Widerstände 35 bis 43 auf, deren Verbindungspunkte über einen Umschalter 45 mit einer Ausgangsklemme A verbindbar sind. Die Widerstände 35 bis 43 sind Präzisionswiderstände, deren Werte so gewählt sind, daß sich an den Verbindungspunkten geeignet vorgegebene Spannungsteilerverhältnisse einstellen. Die Spannungsteilerverhältnisse bestimmen die jeweiligen Messbereiche der gemessenen Sauerstoffkonzentration.

Ein Blockschaltbild einer zur Anzeige des verstärkten Differenzsignals an der Ausgangsklemme A als auch des Signals an der Ausgangsklemme A1 geeigneten Anzeigeeinrichtung ist in Pig. 3 dargestellt. Die anzuzeigenden Signale werden an einer Eingangsklemme E zugeführt und in einem Schreiber 47 aufgezeichnet. Sie werden andererseits einem Analog-Digital-Wandler 49» etwa einem Digitalvoltmeter, zugeführt, der sie mit einer festliegenden Umwandlungsfrequenz in Digitalsignale umwandelt. \n den Analog-Digitalwandler 49 ist eine Addierschaltung 51 angeschlossen, die aus den vom Analog-Digital-Wandler 49 abgegebenen Digitalsignalen einen Mittelwert bildet. Die Addierschaltung 51 summiert hierzu die vom Analog-Digitalwandler 49 innerhalb gleichlanger Zeitintervalle abgegebenen Digitalsignale. Durch diese Mittelwertbildung können zufällige, das Messergebnis verfälschende Einflüsse unterdrückt werden. Das Ausgangssignal der Addierschaltung kann entweder von einem digitalen Drucker 53 ausgedruckt oder von einem Schreiber 55 aufgezeichnet werden. Zur genauen Erfassung besonders langsamer Änderungen ist ein Rechner vorgesehen, der die von der Addierschaltung 51 abgegebenen

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Mittelwerte nochmals mittelt und an einen diese Mittelwerte ausdruckenden digitalen Drucker 59 abgibt. Sollen mehrere Messaufbauten und Messanordnungen gleichzeitig betrieben werden, so sind die Schreiber 47 und 55 sowie der Analog-Digitalwandler 49 und die Addierschaltung 51 als Mehrkanalsystem ausgeführt.

In einer praktisch ausgeführten Ausführungsform lagen die Polarisationsströme bei einer Polarisationsspannung von 55o mV in der Größenordnung von 1oo nA, die vom Strom-Spannungswandler 23 in eine Spannung von 5ο mV umgewandelt wurden. Das Tiefpassfilter 25 hat eine Zeitkonstante von 22 Sek. Es ergab sich eine Genauigkeit von

A ρ

weniger als 5o χ 1ο""¹" Mol Op pro Minute. Der Analog-Digitalwandler 49 lieferte einen Wert des Digitalsignals pro Minute und die Addierschaltung 51 lieferte über 2o Minuten gemittelte Mittelwerte. Das zur Mittelung des Eechners 57 benutzte Zeitintervall betrug 3 Stunden. Die Anzeigeeinrichtung war als Mehrkanalsystem für 24 voneinander unabhängige Messaufbauten ausgeführt.

- Patentansprüche 409884/1261

Claims

-Ao-

Patentansprüche

1.JAnordnung zum Messen der Sauerstoffkonzentration einer ^—' Flüssigkeit, mit einer in die Flüssigkeit eintauchenden, polarisierbaren Elektrodenanordnung, mit einer eine Polarisationsspannung an die polarisierbare Elektrodenanordnung abgebenden und hierdurch einen der Sauerstoffkonzentration proportionalen Polarisationsstrom hervorrufenden Spannungsquelle und mit einer ein dem Polarisationsstrom proportionales Signal anzeigenden Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker (27) mit einem Eingang (+) das dem Polarisationsstrom proportionale Signal und mit einem anderen Eingang (-) ein vorgebbares Bezugssignal aufnimmt, die Differenz des dem Polarisationsstrom proportionalen Signals und des Bezugssignals verstärkt und das verstärkte Differenzsignal an die Anzeigeeinrichtung (47 bis 59) abgibt.

2. Anordnung nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsstrom dem einen Eingang (+) des Differenzverstärkers (27) über einen Strom-Spannungswandler (23) als Spannungssignal zuführbar ist, und daß das Bezugssignal ebenfalls ein Spannungssignal ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal über einen steuerbaren Spannungsregler (29) aus einer Spannungsquelle (U-g) zuführbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch

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gekennzeichnet, daß das dem Polarisationsstrom proportionale Signal einem nicht-invertierenden Eingang (+) des Differenzverstärkers (27) zuführbar ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Verstärkung des Differenzverstärkers (27) an dessen Ausgang eine Spannungsteilerschaltung (33) mit änderbarem Teilungsfaktor für das verstärkte Differenzsignal angeschlossen ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Polarisationsstrom proportionale Signal dem Differenzverstärker (27) über ein Hochfrequenzrauschen unterdrückendes Filter (25) zuführbar ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisierbare Elektrodenanordnung (15»19) Platinelektroden aufweist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmungder Sauerstoffproduktion lebender Zellen in einer an den lebenden Zellen vorbeiströmenden Medium in Strömungsrichtung jeweils vor und hinter den lebenden Zellen polarisierbare Elektrodenanordnungen (15;19) in das Medium eintauchen, und daß der Anzeigeeinrichtung (47 bis 49) ein der Differenz der Polarisationsströme dieser Elektrodenanordnungen (15»19) proportionales Signal zuführbar ist.

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9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Polarisationsstrom der in Strömungsrichtung hinter den lebenden Zellen eintauchenden polarisierbaren Elektrodenanordnung (15) proportionale Signal dem Differenzverstärker (27) zuführbar ist, und daß das Bezugssignal entsprechend dem Polarisations strom der in Strömungsrichtung vor den lebenden Zellen eintauchenden polarisierbaren Elektrodenanordnung (19) änderbar ist.

10. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß dem steuerbaren Spannungsregler (29) zur Änderung des Bezugssignals über einen Verstärker (31) ein dem Polarisationsstrom der in Strömungsrichtung vor den lebenden Zellen angeordneten polarisierbaren Elektrodenanordnung (19) entsprechendes Steuersignal zuführbar ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analog-Digitalwandlerßg] periodisch Werte des aus dem Differenzverstärker (27) zugeführten Differenzsignals in digitale Meßwertsignale umwandelt und an eine digitale Addierschaltung (51) abgibt, und daß die digitale Addierschaltung (51) aus den innerhalb vorgebbarer Zeitintervalle aufgenommenen digitalen Meßwertsignalen Mittelwertsignale bildet und an die Anzeigeeinrichtung (53 bis 59) abgibt.

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