DE3931971A1 - Vorrichtung zur aufbereitung von fluessigen analysenproben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von flüssigen Analysenproben.

Die moderne Analytik, insbesondere die Umweltanalytik steht derzeit vor dem Problem, eine ständig steigende Flut von Analysenproben in möglichst kurzer Zeit zu be­ wältigen. Gleichzeitig ist man verstärkt Elementen, bzw. Verbindungen auf der Spur, deren Konzentration unterhalb der Nachweisgrenze des Analysengerätes liegt. Andererseits besteht das Problem, daß Matrix-Komponenten in der Analysenprobe den Nachweis des gewünschten Elementes bzw. der gewünschten Verbindung erschweren oder sogar verhindern. Eine Behandlung der ursprünglich gezogenen Analysenprobe zur Voranreicherung des Analyten und/oder zur Abtrennung der störenden Matrix ist daher in den meisten Fällen notwendig.

Um den erforderlichen Zeit- und Kapitalaufwand zur Durch­ führung z.B. von analytischen Reihenuntersuchungen zu minimieren, ist man bestrebt, die Probenvorbereitung im Vorfeld der eigentlichen analytischen Bestimmung weitest­ gehend zu automatisieren. Eine Vorrichtung zur Automation der Vorkonzentrierung von Elementen wurde z.B. von G. Knapp, et al. in Journal of Analytical Atomic Specto­ metry (1987), 2, 611-614 beschrieben. In dieser Vorrich­ tung ist eine Vorkonzentrierungs-Säule mit einem automati­ schen Probenwechsler, einem Fraktionskollektor sowie mit Vorratsbehältern für Waschpuffer und Elutionslösungen ge­ koppelt. Die Equilibrierung der Säule mit Puffer, die Auftragung der Probe, die Elution des Analyten sowie das Spülen des Systems erfolgt mit Hilfe von peristaltischen Pumpen, welche in den Automatismus der Vorrichtung inte­ griert sind. Mit Hilfe von Schaltventilen kann das Säulen­ eluat wahlweise zum Fraktionskollektor bzw. zur Abfluß­ leitung geführt werden. Weiterhin ermöglichen die Schalt­ ventile ein Spülen des Systems unter Umgehung der Anrei­ cherungssäule.

Dieses System weist allerdings noch gewisse Nachteile auf, die sich insbesondere bei dem routinemäßigen Betrieb einer derartigen Vorrichtung bemerkbar machen. Im routine­ mäßigen Betrieb ist nicht zu vermeiden, daß die Schlauch­ pumpen aufgrund einer kurzzeitigen Störung oder bedingt durch eine unvollständige Entgasung der verwendeten Lösun­ gen Luftblasen ansaugen, die beim Weitertransport durch die Flüssigkeitsleitungen auf die Anreicherungssäule gelangen. Größere Luftblasen können die Homogenität der Säulenpackung beeinträchtigen oder durch Bildung von Rissen vollkommen zerstören, so daß die Säule ausgetauscht bzw. neu gepackt werden muß. Kleinere Luftblasen führen nicht unmittelbar zu einer Zerstörung der Säulenpackung, doch können sich kleinere Bläschen an das Säulenmaterial anlagern und dadurch die Kapazität der Anreicherungssäule erniedrigen. Die dadurch bedingten geringen Kapazitäts­ erniedrigungen machen sich insbesondere bei kleinen An­ reicherungssäulchen bemerkbar, welche z.B. für eine routinemäßige Vorbehandlung wäßriger Proben zur Schwer­ metallbestimmung eingesetzt werden. Übliche Säulendimen­ sionen liegen hierbei im Bereich von 7 bis 20 mm und die Kapazität einer derartigen Säule liegt im mMol-Be­ reich. Eine besondere Charakteristik derartiger Proben ist, daß die nachzuweisenden Spurenelemente einer großen Menge eines Überschußelementes (in der Regel Eisen) gegen­ überstehen. Da sowohl das Überschußelement als auch die Spurenelemente an das Säulenmaterial gebunden werden kann es sein, daß bereits bei einer geringen Kapazitäts­ erniedrigung der Säule die Nachweisgrenze für ein bestimm­ tes Spurenelement durch den Aufbereitungsschritt nicht mehr erreicht wird. Einer Vergrößerung der Säulendimensionen steht eine damit verbundene Verschlechterung der Anrei­ cherungsfaktoren, wie insbesondere eine größere Verdünnung der aufbereiteten Analysenproben entgegen. Eine Zunahme des Pufferverbrauches würde außerdem die Wirtschaftlich­ keit dieses Systems verschlechtern. Ein weiterer Nach­ teil der oben geschilderten Vorrichtung besteht in einer relativ rasch abnehmenden Reproduzierbarkeit der Anrei­ cherungsergebnisse aufgrund einer zunehmenden Verbreite­ rung und Abflachung des detektierten Elutions-Peaks.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor­ richtung zur Aufbereitung von flüssigen Analysenproben bereitzustellen, welche sich für einen weitgehend auto­ matisierten Betrieb eignet, weniger störanfällig ist und eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Analysen­ ergebnisse über einen längeren Betriebszeitraum garan­ tiert.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Aufbereitung flüssi­ ger Analysenproben gelöst, welche eine Anreicherungs­ säule umfaßt, die einen Zulauf und einen Ablauf auf­ weist, die über Flüssigkeitsleitungen mit einem Frak­ tionskollektor, und über mindestens eine zwischengeschal­ tete Pumpe mit einer Probenaufgabevorrichtung und mindestens einem Flüssigkeitsbehälter verbunden sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Probenaufgabevorrichtung sowie den Flüssigkeitsbehältern einerseits und der Anreicherungs­ säule andererseits mindestens ein Luftblasensensor und eine von dem Sensor gesteuerte Flüssigkeits-Absperrvor­ richtung angeordnet sind. Der Luftblasensensor erzeugt bei Detektion einer Luftblase in einer der Flüssigkeits­ leitungen, welche die Anreicherungssäule mit der Aufga­ bevorrichtung und den Flüssigkeitsbehältern verbindet, ein Steuersignal, welches die Absperrvorrichtung be­ tätigt und das Eindringen der Luftblase in die Anreiche­ rungssäule verhindert. Der Luftblasensensor kann ein optischer, akustischer oder elektromagnetischer Sensor sein. Vorzugsweise verwendet man einen elektromagneti­ schen Sensor, der eine kapazitive Änderung in der über­ wachten Flüssigkeitsleitung erfaßt.

Ein erfindungsgemäß verwendeter elektromagnetischer Sensor umfaßt vorzugsweise zwei röhrenförmige Elektroden, welche auf einem Leitungsabschnitt nacheinander angeordnet sind. Mit Hilfe zusätzlicher röhrenförmiger Paßstücke können die röhrenförmigen Elektroden bei Bedarf an den jeweiligen Querschnitt der verwendeten Flüssigkeitsleitungen ange­ paßt werden.

Üblicherweise verwendet man Schläuche mit einem Außen­ durchmesser von 2 bis 6 mm aus Teflon, Teigon, PPE, PE oder Silikon.

Die röhrenförmigen Elektroden bilden einen Kondensator, und können als Meßwertaufnehmer dienen, wenn die zu messende Größe dessen Kapazitätswert beeinflußt. Eine Kapazitätsbeeinflussung kann insbesondere durch Veränderung des Dielektrikums im Kondensator erfolgen. Da bekanntlich Luft bei einer Atmosphäre eine Dielektri­ zitätskonstante von 1,006 aufweist und Wasser eine Dielektrizitätskonstante von 80 bei 20°C besitzt, läßt sich durch Messung der zeitlichen Veränderung der Di­ elektrizitätskonstante in einer strömenden Flüssigkeit, eine Luftblase feststellen.

Die bei kapazitiven Meßwertaufnehmern auftretenden Kapazitätsänderungen sind relativ klein (z.B. 100 pF). Bei der Messung wird durch die Kapazitäts­ änderung eine Veränderung des Stromflusses oder eine Frequenzverschiebung der Meßwechselspannung beobach­ tet. Um eine genügend empfindliche Anzeige zu er­ möglichen, müssen z.B. zur Bestimmung der Frequenz­ verschiebung hohe Hilfs- oder Trägerfrequenzen ver­ wendet werden, damit bei kleinen Kapazitätswerten eine ausreichende Frequenzänderung gemessen wird. Frequenzen von einigen kHz (z.B. 300 bis 400 kHz) sind dabei üblich.

In einem bevorzugten erfindungsgemäß verwendeten Luft­ blasensensor bilden die ringförmigen Elektroden des Sensors zusammen mit einem Oszillator einen Schwing­ kreis, dessen Frequenzverstimmung von einem Frequenz­ meßgerät und einem Registriergerät aufgenommen wird. Der Frequenzmesser, z.B. ein Tonedecoder, weist ein Fenster auf und gibt nur dann ein Signal ab, wenn die Frequenzverstimmung in diesem Fenster oder bei Verwen­ dung des inversen Signals außerhalb des Fensters liegt. Vorzugsweise ist das Fenster über ein Potentiometer verstellbar, so daß Änderungen der Dielektrizitätskonstan­ ten, die in der Praxis bei verschiedenen Flüssigkeiten auftreten können, kompensierbar sind.

Für ein Funktionieren der Vorrichtung ist erforderlich, daß die Flüssigkeitsleitung aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht, so daß die voneinander getrennten Elektroden gegeneinander und gegen die Flüssigkeit isoliert sind.

Vorzugsweise ist jede Pumpe des Systems mit einem Luftblasensensor der oben beschriebenen Art abschalt­ bar verbunden, wobei jeder Sensor diejenige Flüssig­ keitsleitung überwacht, in der durch die ihm zugeord­ nete Pumpe eine Flüssigkeit bewegt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können Schaltventile mit den Luftblasensensoren betätig­ bar verbunden sein. Diese Schaltventile sind mit dem Zu- bzw. Ablauf der Anreicherungssäule verbunden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Zulauf der Anreiche­ rungssäule über drei Flüssigkeitsleitungen mit einem Probenwechsler sowie mit zwei Flüssigkeitsbehältern verbunden, wobei je Flüssigkeitsleitung eine peristal­ tische Pumpe der Säule vorgeschaltet ist. Weiterhin ist der Ablauf der Anreicherungssäule über Schalt­ ventile mit einem Fraktionskollektor sowie mit einer Abflußleitung verbunden. Erfindungsgemäß ist hierbei ein Luftblasensensor zwischen dem Probenwechsler an einer Flüssigkeitsleitung angebracht, die den Probenwechsler mit der dazugehörigen Schlauchpumpe verbindet. In gleicher Weise sind zwei weitere Sensoren an Flüssigkeitsleitungen angebracht, welche die Vorrats­ behälter für den Äquilibrierpuffer und den Eluenten mit der jeweils zugeordneten Förderpumpe verbinden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Luftblasensensor an einer Flüssig­ keitsleitung angebracht, welche die ihm zugeordnete Pumpe mit dem Zulauf der Anreicherungssäule verbindet. Eine derartige Anordnung ermöglicht die Detektion von Luftblasen, welche gegebenenfalls erst aufgrund eines Defektes der Schlauchpumpe in die Flüssigkeitsleitung eingedrungen sind.

Gemäß der am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Sensor-überwachten Zufuhrleitungen für den Waschpuffer und die Analysen­ probe mit einem Säulenende verbunden, während die Sensor-überwachte Zuleitung für den Eluenten mit dem anderen Säulenende verbunden ist. Der Säulenzulauf zum Waschen und Äquilibrieren der Säule mit Puffer sowie für die Probenauftragung entspricht somit dem Säulenablauf für die Elution des gebildeten Eluenten. Umgekehrt entspricht der Säulenablauf z.B. für das Äquilibrieren der Säule mit Puffer dem Säulenzulauf für die Auftragung des Eluenten.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß bevorzugten Vorrichtung zur Aufbereitung von Analysenproben.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm für einen erfindungs­ gemäß verwendeten elektromagnetischen Luftblasensensor.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Aufbereitung von analytischen Proben wird typischer­ weise zur Vorkonzentrierung von Elementen in wäßrigen Proben mit Hilfe einer Ionenaustauschersäule 4 ver­ wendet. In einem Probenwechsler 1 werden die aufzu­ bereitenden Analysenproben vorgelegt. In einem Flüssig­ keitsbehälter 2 befindet sich eine Pufferlösung zum Äquilibrieren der Ionenaustauschersäule sowie zum Spülen des Systems. In einem Flüssigkeitsbehälter 3 wird das Elutionsmittel (beispielsweise 2M HNO₃) für die Eluierung des an die Säule 4 gebundenen Analyten vorgelegt. Der Probenwechsler 1 ist über die Flüssigkeitsleitung L1 und der Behälter 2 über die Leitung L2 mit der Anschlußleitung L4 der Anreicherungssäule 4 verbunden. Der Flüssigkeits­ behälter 3 ist über die Flüssigkeitsleitung L3 mit der Anschlußleitung L5 der Anreicherungssäule 4 verbunden. Die Anschlußleitung L4 weist über ein Ventil V1 eine Verbindung zum Fraktionskollektor 5 und über ein Ventil V2 eine Verbindung zur Abfluß­ leitung L6 auf. Die Anschlußleitung L5 der Anreiche­ rungssäule 4 ist über ein Ventil V3 mit der Abfluß­ leitung L6 verbunden.

Durch die Pumpe P1 wird über die Leitung L1 eine Analysenprobe aus dem Probenwechsler 1 entnommen. Ein Luftblasensensor D1, welcher an der Flüssig­ keitsleitung L1 zwischen Probenwechsler 1 und Pumpe P1 angebracht ist, überwacht die Flüssig­ keitsleitung L1 und schaltet die Pumpe P1 ab, falls eine Luftblase detektiert wird. In gleicher Weise überwacht der Luftblasensensor D2, der zwischen dem Behälter 2 und der Pumpe P2 angeordnet ist, die Leitung L2 und der Luftblasensensor D3, der zwischen dem Behälter 3 und der Pumpe P3 angeord­ net ist, die Leitung L3. Bei Detektion einer Luft­ blase durch die Sensoren D2 bzw. D3 werden die Schlauchpumpen P2 bzw. P3 abgeschaltet.

Beim Auftragen der Probe mit Hilfe der Pumpe P1 bzw. beim Äquivilibrieren der Säule mit Puffer mit Hilfe der Pumpe P2 sind die Ventile V1 und V2 geschlossen, während das Ventil V3 geöffnet ist. Zum Eluieren des gebundenen Analyten von der Säule 4 wird mit Hilfe der Pumpe P3 der Eluent auf die Säule 4 gepumpt, wobei das Ventil V1 geöffnet und die Ventile V2 und V3 geschlossen sind. Wie bereits oben erwähnt wurde, können die Signale der Sensoren D1, D2 und D3 nach Detektion einer Luftblase auch eine Veränderung der Stellung der Ventile V1, V2 und V3 bewirken. Wird beispiels­ weise beim Äquilibrieren der Säule mit Puffer (Ventilstellung: V1, V2 geschlossen; V 3 geöffnet) durch den Sensor D2 eine Luftblase detektiert, so bewirkt das Detektorsignal ein Öffnen des Ventils V2 und ein Schließen des Ventils V3 (neue Ventil­ stellung: V1, V3 geschlossen; V2 geöffnet). Die in der Leitung L2 befindliche Luftblase gelangt dadurch über das Ventil V2 in die Abflußleitung L6 ohne durch die Anreicherungssäule 4 geleitet zu werden. Wird beim Eluieren des Analyten aus der Säule 4 (Ventilstellung V1 geöffnet; V2, V3 geschlossen) durch den Sensor D3 eine Luftblase detektiert, so bewirkt das Detektorsignal ein Schließen des Ventils V1 und gleichzeitig ein Öffnen des Ventiles V3 (neue Ventilstellung V1, V2 geschlossen; V3 geöffnet), so daß die Luftblase der Leitung L3 über das Ventil V3 in die Abflußleitung L6 gepumpt wird.

In Fig. 2 ist die schematische Schaltanordnung eines erfindungsgemäß verwendeten Luftblasen­ sensors gezeigt. Die von einer Flüssigkeit durch­ strömte Leitung L1, L2, L3 aus Glas oder Kunst­ stoff wird von zwei ringförmigen Elektroden 11 und 12 umhüllt, welche als kapazitive Meßwert­ aufnehmer dienen und Teil eines mit dem Oszilla­ tor 13 gebildeten Schwingkreises sind. Die in dem Schwingkreis erzeugte Frequenz wird durch den Frequenzteiler 14 im Verhältnis 1 : 10 herunter­ geteilt und über ein Abschwächerpotentiometer 16, welches auch als fixer Spannungsteiler ausgebildet sein kann, auf einen mit einem Fenster ausgestatteten Tone­ decoder 15 übertragen. Das Abschwächerpotentiometer 16 dient zum Abgleich vor in Betriebnahme des Sensors und dient zur Einstellung einer für den Tonedecoder 15 geeigneten Amplitude. Die Fenstereinstellung über be­ stimmte Schwellwertdiskriminatoren wird mittels eines Potentiometers 17 vorgenommen. Bei eingestelltem Fenster erscheint nur dann am Registrierausgang 18 ein Signal, wenn die Frequenzverstimmung, z.B. beim Auftreten einer Luftblase in oder außerhalb des Fensters liegt.

Zur Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist lediglich an den Potentiometern 16 und 17 ein geeig­ neter Abgleich bzw. ein geeigneter Schwellwert zu wählen. Vorzugsweise ist der Registrierausgang 18 als Schalter für die dem Sensor zugeordnete Pumpe bzw. für die Schalt­ ventile des Systems ausgebildet.

Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dann von großem Vorteil, wenn es um das Pumpen einer vor­ gegebenen Flüssigkeitsmenge geht. Es ist oft notwendig, eine vorgegebene Flüssigkeitsmenge vollständig mittels Pumpe in einen Prozeß einzubringen. Mit Hilfe der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung kann diese Förderpumpe nach Dosierung des letzten Flüssigkeitstropfens abgeschaltet werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Aufbereitung von flüssigen Analysen­ proben, mit einer Anreicherungssäule, welche einen Zulauf und einen Ablauf aufweist, die über Flüssig­ keitsleitungen mit einem Fraktionskollektor, und über mindestens eine zwischengeschaltete Pumpe mit einer Probenaufgabevorrichtung und mindestens einem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flüssigkeitsleitungen zwischen der Probenaufga­ bevorrichtung (1) und dem Flüssigkeitsbehälter (2, 3) einerseits und der Anreicherungssäule (4) andererseits mindestens ein Luftblasensensor (D1, D2, D3) und eine von dem Sensor gesteuerte Flüssigkeits-Umleitungs- oder -Absperrvorrichtung angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftblasensensor (D1, D2, D3) ein optischer, akustischer oder elektromagnetischer Sensor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftblasensensor (D1, D2, D3) ein elektromagne­ tischer Sensor ist, der eine kapazitive Änderung in den Flüssigkeitsleitungen (L1, L2, L3) erfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftblasensensor (D1, D2, D3) zwei röhrenförmige Elektroden (11, 12) umfaßt, die auf einem Leitungs­ abschnitt aufeinanderfolgend angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmigen Elektroden (11, 12) mit Hilfe von röhrenförmigen Paßstücken an den Querschnitt der Leitungen (L1, L2, L3) anpaßbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Pumpe (P1, P2, P3) mit einem Luftblasensensor (D1, D2, D3) abschaltbar verbunden ist, wobei der Sensor (D1, D2, D3) diejenige Flüssigkeitslei­ tung (L1, L2, L3) überwacht, in der durch die ihm zugeordnete Pumpe (P1, P2, P3) eine Flüssigkeit bewegt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile (V1, V2, V3) mit dem Luftblasensensor (D1, D2, D3) betätigbar verbunden sind, wobei die Ventile (V1, V2, V3) an den Zu- und Ablauf (L4, L5) der Anreicherungssäule (4) angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf der Anreicherungssäule über Leitungen (L1, L2, L3) mit einem Probenwechsler (1) sowie mit Flüssigkeitsbehältern (2, 3) verbunden ist, wobei peristaltische Pumpen (P1, P2, P3) der An­ reicherungssäule (4) vorgeschaltet sind;
Der Ablauf der Anreicherungssäule (4) über Schalt­ ventile (V1, V2, V3) mit einem Fraktionskollektor (5) sowie mit einer Abflußleitung (6) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftblasensensor (D1) an der Leitung (L1), welche den Probenwechsler (1) und die Pumpe (P1) verbindet, und die Luftblasensensoren (D2, D3) an den Leitungen (L2, L3), welche die Flüssigkeitsbehälter (2, 3) mit den Pumpen (P2, P3) verbinden, angebracht sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11, 12) des Luftblasensensors (D1, D2, D3) zusammen mit einem Oszillator (13) einen Schwingkreis (11, 12, 13) bilden, dessen Frequenzverstimmung von einem Frequenzmeßgerät (15) und einem Registriergerät (18) aufgenommen wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmesser (15) ein Fenster aufweist und nur ein Signal abgibt, wenn die Frequenzver­ stimmung in diesem Fenster liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster über einen Poteniometer (17) einstell­ bar ist.