DE102005063263A1 - Verfahren und System zur Generierung eines hinsichtlich der Präsenz eines Stoffes innerhalb einer Probe indikativen Messergebnisses auf Grundlage einer spektrometrischen Messung - Google Patents

Verfahren und System zur Generierung eines hinsichtlich der Präsenz eines Stoffes innerhalb einer Probe indikativen Messergebnisses auf Grundlage einer spektrometrischen Messung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Generierung eines hinsichtlich der Menge eines Stoffes innerhalb einer Probe Indikativen Messergebnisses auf Grundlage einer spektrometrischen Messung, bei welchem
– im Rahmen einer Belichtungsphase Licht von einer Quelle auf jene Probe abgegeben wird, und unter Wechselwirkung mit dieser Probe geprägtes Licht hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung erfasst wird, und im Rahmen einer mathematischen Messsignalverarbeitung unter Einbeziehung der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes die Präsenz eines Stoffes ermittelt wird,
– wobei als Lichtquelle eine LED verwendet wird, und
– im Rahmen der mathematischen Messsignalverarbeitung eine Kompensationsfunktion verarbeitet wird, welche die Abhängigkeiten der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes von der Temperatur der LED darstellt.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung eines hinsichtlich der Präsenz oder Konzentration eines Stoffes innerhalb einer Probe indikativen Messergebnisses auf Grundlage einer spektrometrischen Messung, wobei im Rahmen einer Belichtungsphase Licht von einer Quelle auf jene Probe abgegeben wird, und unter Wechselwirkung mit dieser Probe geprägtes Licht hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung erfasst wird, und im Rahmen einer elektronischen Messsignalverarbeitung unter Einbeziehung der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes die Präsenz eines Stoffes ermittelt wird.
  • In reflektiven oder transmittiven spektroskopischen Anwendungen wird, um die Eigenschaften der Probe unabhängig von den Eigenschaften der Quelle und anderer im Strahlengang liegender Elemente zu bestimmen, das Signal der Probe durch das zeitnah (relativ zur Drift des Apparates) gewonnene Signal einer Nullprobe oder Weißlicht-Referenz geteilt. Die Intensität und die spektrale Verteilung der Quelle müssen bei obiger Methode bei Aufnahme des Signals der Probe und bei Aufnahme des Signals der Nullprobe identisch sein. Eine Abweichung führt unmittel bar zu einem Fehler bei der Bestimmung der Eigenschaften der Probe.
  • Um den Einfluss des Nullsignals des unbestrahlten Detektors sowie eines konstanten Umgebungssignals auf das Messergebnis zu minimieren, wird dieses ebenfalls zeitnah bestimmt und vom Signal der Probe sowie vom Signal der Nullprobe abgezogen. Eine weitere Möglichkeit, den Einfluss des Nullsignals oder eines Umgebungssignals zu minimieren, ist eine Intensitätsmodulation der Quelle. In diesem Fall wird nur der Wechselanteil des Signals des Detektors ausgewertet.
  • Die zeitgleiche, wechselseitige z.B. auch abschnittsweise Aufnahme des Signals der Probe und der Nullprobe ermöglicht die Verwendung von Quellen, die lediglich für die Dauer eines Wechselzyklus stabil sein müssen.
  • Bei Quellen, deren spektrale Intensitätsverhältnisse konstant sind, kann das mittels eines nicht spektral sensitiven Detektors („Monitordiode") zeitgleich gewonnene Intensitätssignal zur Kompensation der Intensitätsschwankungen der Quelle verwendet werden, sofern die spektrale Charakteristik der Quelle und des Detektors bzw. des Systems aus Quelle und Detektor z.B. durch eine zeitnahe Aufnahme des Nullprobensignals bekannt und stabil sind.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, eine zuverlässige Bestimmung der Konzentration eines Stoffes auf spektrometrische Weise zu ermöglichen, wobei die entsprechende Messung ohne Aufnahme einer Referenzmessung in direkter zeitlicher Nähe zur Messung und ohne eine Vorlaufphase zur Stabilisierung des Geräts innerhalb einer relativ kurzen Zeit abgewickelt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Generierung eines hinsichtlich der Präsenz eines Stoffes innerhalb einer Probe indikativen Messergebnisses auf Grundlage einer spektrometrischen Messung, bei welchem
    • – im Rahmen einer Belichtungsphase Licht von einer Quelle auf jene Probe abgegeben wird, und unter Wechselwirkung mit dieser Probe geprägtes Licht hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung erfasst wird, und
    • – im Rahmen einer rechnergestützten mathematischen Messsignalverarbeitung unter Einbeziehung der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes die Konzentration eines Stoffes oder eine mit der Konzentration zusammenhängende Größe ermittelt wird,
    • – wobei als Lichtquelle eine LED verwendet wird, und
    • – im Rahmen der rechnergestützten mathematischen Messsignalverarbeitung eine Kompensationsfunktion verarbeitet wird, welche Abhängigkeiten der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes von der Temperatur der LED berücksichtigt.
  • Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine spektrometrische Messung ohne eine zeitfordernde Aufwärmphase des Messsystems durchzuführen. Die Messung kann unmittelbar mit dem umgebungsentsprechend temperierten Gerät erfolgen.
  • Die hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes indikativen Daten können in vorteilhafter Weise im Rahmen eines Kalibrierschrittes generiert werden.
  • Vorzugsweise wird an einem im wesentlichen bekannten Objekt (Weißreferenz) eine Referenzmessung durchgeführt. Das Messergebnis wird in beliebiger Form aufgehoben. Bei einer Messung wird das Messergebnis mit der Referenzmessung verglichen (Ver hältnisbildung, oder bevorzugt log10[Verhältnis (Referenz/Messung)] = log10[Referenz] – log10[Messung]). Dies funktioniert, so lange die relativen spektralen Verteilungen des Lichtes, welches bei der Referenzmessung emittiert wurde und welches bei der Messung emittiert wurde, identisch sind. Auf Grund des nicht zu vermeidenden Temperaturunterschieds zwischen Referenzmessung und Messung ist obige Bedingung nicht erfüllt. Der Clou: der Term „G*" ist eine eindeutige Funktion; sie kann aus der Differenz der Logarithmen zweier Referenzmessungen gewonnen werden und muss dann je nach konkreten Temperaturunterschieden lediglich skaliert bzw. in der Wellenlänge verschoben werden.
  • Es ist möglich, die Kompensationsfunktion für den verwendeten LED-Typ auf Grundlage von Vergleichsmessungen der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes bei zwei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln. Es kann ausreichen, Referenzmessungen vorzunehmen, ein direkter Bezug auf die spektrale Intensitätsverteilung in photometrischen Einheiten ist nicht nötig.
  • Die Kompensationsfunktion kann anhand der Korrelation der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes mit der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes auf einen hieraus ermittelten Temperatur-Offset abgestimmt werden. Die Kompensationsfunktion kann auch durch weitere Hilfsparameter weiter abgestimmt werden. Diese Hilfsparameter können aus einer Korrelation der Messwerte mit Referenzwerten ermittelt werden. Es können auch weitere Abstimmungen, insbesondere Skalierungen der Daten für die spektrale Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes und/oder der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes erfolgen.
  • Die Aufgabe kann auch lauten: Suche die Parameter der Modellfunktionen, so dass die gesamte Modellfunktion möglichst gut die Messdaten wiedergibt. Die Modellfunktionen sind gegeben durch die Absorptionen der Substanzen der Probe und – der Clou ! – die Kompensationsfunktion-Funktion. Die Parameter sind die Konzentrationen und Skalierung der Verschiebung der Kompensationsfunktionfunktion bzgl. der Wellenlänge. Im Allgemeinen kann auch eine beliebig komplexe Abbildung (mehr als Skalierung und Verschiebung) der Kompensationsfunktion-Funktion auf die konkrete Bleisstift-Funktion bestehen; dann wären die Elemente, die diese Abbildung beschreiben, zu bestimmende Parameter.
  • Was das aber doch mit Korrelation zu tun hat: das „korrekte Modell" und die Messdaten korrelieren besser miteinander als ein „falsches Modell" und die Messdaten.
    •
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die LED mit einem definierten Flussstrom betrieben. Die LED kann unter einem von der Kompensationsfunktion kompensierbaren Temperaturanstieg betrieben werden. Die LED- Struktur kann unter Anbindung an eine Wärmesenke betrieben werden.
  • Es ist möglich innerhalb vorgegebener Temperaturbereiche jeweils die zu einer einheitlichen Kompensationsfunktion gehörenden Parameter simultan mit der Bestimmung der Parameter der stoffspezifischen Absorption im Rahmen einer mathematischen Anpassung bestimmt werden und auf diese Weise den Einfluss der Temperatur zu kompensieren. Dies ist im Grunde der Kern des Verfahrens.
  • Die Bestimmung der stoffspezifischer Absorptionen kann weiterhin erfolgen, indem innerhalb vorgegebener Temperaturbereiche jeweils die zu einer einheitlichen Kompensationsfunktion gehörenden Parameter unter Ausnutzung einer möglichen gegebenen mathematischen Unabhängigkeit sequentiell zu der Bestimmung der Parameter der stoffspezifischen Absorption bestimmt werden und auf diese Weise den Einfluss der Temperatur kompensiert werden.
  • Unter Verwendung Licht emittierender Dioden (light emitting diodes, LED) und eines Spektrometers kann der Einfluss verschiedener Substanzen in menschlichem Gewebe wie zB. Hämoglobin auf die Absorption wellenlängenabhängig untersucht werden, um Aussagen über Konzentrationen der betreffenden Substanzen im zu untersuchenden Gewebe zu erlauben. Das hierfür erfindungsgemäß arbeitende Messgerät kann ohne explizite Referenzmessung und ohne besondere Wartezeit vor der eigentlichen Messung eingesetzt werden.
  • Unter sonst gleichen Bedingungen ist die Absorption direkt messbar durch die Bestimmung des dekadischen Logarithmus' des Verhältnisses der Energien des von der Quelle im betreffenden Wellenlängenintervall (bzw. Frequenzintervall) emittierten Lichts zu den im betreffenden Wellenlängenintervall an einem Sensor detektierten, in der Folge als Optische Dichte (OD) bezeichnet; die Absorption, die durch das Vorhandensein bestimmter Substanzen verursacht ist, kann ausgedrückt werden durch den Unterschied der Optischen Dichte bei Vorhandensein und Abwesenheit der betreffenden Substanz.
  • Die spektral aufgelöste Messung erlaubt, durch die Bestimmung des wellenlängenabhängigen Verlaufs der optischen Dichte auch dann auf die von bestimmten Substanzen verursachte Absorption zu schließen, wenn die optische Dichte lediglich bis auf eine von der Wellenlänge unabhängige Konstante (Offset) bekannt ist.
  • Erfindungsgemäß wird eine valide Messung auch dann erreicht, wenn sowohl von der Energie (der Leistung), die von der Quelle emittiert bzw. auf das zu untersuchende Objekt appliziert wird als auch von der Energie (der Leistung), die den Sensor erreicht, nur die relative spektrale Verteilung (als Funktion der Wellenlänge oder der Frequenz) bekannt ist, ohne dass die absolute spektrale Energie (Leistung) als Integral oder je Wellenlängenintervall (Frequenzintervall) bekannt sein muss.
  • Außerdem ist erfindungsgemäß eine valide Messung auch dann möglich, wenn lediglich bestimmt wird, welches relative Messsignal die verwendete Lichtquelle auf dem verwendeten Sensorsystem erzeugt, und wenn dann das Signal der eigentlichen Messung zur Bestimmung der optischen Dichte auf eben dieses Referenzsignal bezogen wird, ohne dass das Messsystem hinsichtlich spektraler Energien (oder Leistungen) kalibriert sein muss. Die spezifische Sensitivität des Messsystems für einzelne Wellenlängen (Frequenzen) darf unbekannt sein.
  • Durch die Bestimmung der Skalierungsfaktoren, die zur besten Anpassung der so gemessenen optischen Dichte durch eine Summe skalierter wellenlängenabhängiger Absorptionsfunktionen der jeweiligen Substanzen gehören, können die durch die jeweiligen Substanzen hervorgerufenen Absorptionen bestimmt werden.
  • Notwendige Bedingung ist, dass die spektrale Verteilung der Energie der Lichtquelle bei Messung und zugrunde liegender identisch ist.
  • Als Lichtquellen werden erfindunggemäß montierte LED verwendet und mit einem im wesentlichen konstanten und von den Umgebungsbedingungen unabhängigen Flussstrom betrieben, die bei eben diesem Flussstrom eine im Hinblick auf die spezielle Messanwendung besonders einfach zu kompensierende Veränderung der spektralen Intensitätsverteilung bei einer Veränderung der Temperatur der aktiven Schicht zeigen. Erfindungsgemäß sind die LED derart montiert, dass auf Grund einer besonders guten Wärmeableitung die Erwärmung der LED während einer Messung vernachlässigt werden kann, so dass im wesentlichen nur die Umgebungsbedingungen einen Einfluss auf die Temperatur der aktiven Schicht der LED haben.
  • Die erfindungsgemäß geforderte und genutzte Eigenschaft der LED ist, dass die Differenz der Logarithmen der spektralen Intensitätsverteilungen bei einer beliebigen Temperatur innerhalb eines zulässigen Anwendungsbereichs und der Temperatur, bei der eine Referenzmessung durchgeführt wird, in im Hinblick auf die Messanwendung ausreichend guter Näherung dargestellt werden kann durch eine Kompensationsfunktion in Verbindung mit einer einfachen Abbildung.
  • In besonders vorteilhafter Weise werden die LED so gewählt, dass die genannte Kompensationsfunktion bestimmt ist durch die Differenz der Logarithmen der spektralen Intensitätsverteilungen bzw. durch die spektrale Verteilung der Differenzen der Logarithmen von je Wellenlängenintervall zur spektralen Inten sität proportionalen Größen, die bei zwei unterschiedlichen geeigneten Temperaturen aufgenommen werden und dass die genannte einfache Abbildung aus einer Skalierung und einer Verschiebung in der Wellenlänge besteht.
  • Erfindungsgemäß ist auch eine entsprechende Lösung, bei der jeweils die spektrale Intensität auf Frequenzintervalle bezogen wird sowie die Kompensationsfunktion als Funktion der Frequenz ausgedrückt wird.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der durch die interessierenden Substanzen hervorgerufenen Absorptionen aus einer Messung mit einem geeigneten Gerät, indem eine gute Anpassung an die auf Grund der Temperaturdifferenz zwischen einmaliger Referenzmessung und eigentlicher Messung verfälschten Optischen Dichte aus den relevanten Absorptionsfunktionen der interessierenden Funktionen und der Kompensationsfunktion in Verbindung mit der zugehörigen Abbildung gesucht wird. Die die Abbildung eindeutig bestimmenden Parameter sind freie Parameter der Anpassung.
  • Bei der als besonders vorteilhaft angesehen Lösung besteht Abbildung aus einer Skalierung und Verschiebung in der Wellenlänge: hier sind sowohl die Verschiebung der Kompensationsfunktion bzgl. der Wellenlänge als auch der Skalierungsfaktor der Kompensationsfunktion freie Parameter der Anpassung.
  • Vorteilhaft kann eine Auswahl der LED derart, dass die temperaturabhängige Änderung der spektralen Intensität im zu betrachtenden Spektralbereich möglichst klein ist, sein.
  • Ferner kann eine Auswahl der LED, derart dass die zugehörige Kompensationsfunktion im betrachteten Spektralbereich im Hinblick auf die Bestimmung der Parameter aller anzupassenden Funktionen möglichst unabhängig von den Absorptionsfunktionen der interessierenden Substanzen ist, d.h. dass eine alleinige Anpassung nur der Kompensationsfunktion an die gemessene Optische Dichte nahezu die korrekten Parameter bzgl. Verschiebung und Skalierung ergibt, vorteilhaft sein.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Generierung eines hinsichtlich der Menge eines Stoffes innerhalb einer Probe Indikativen Messergebnisses auf Grundlage einer spektrometrischen Messung, bei welchem – im Rahmen einer Belichtungsphase Licht von einer Quelle auf jene Probe abgegeben wird, und unter Wechselwirkung mit dieser Probe geprägtes Licht hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung erfasst wird, und im Rahmen einer mathematischen Messsignalverarbeitung unter Einbeziehung der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes die Präsenz eines Stoffes ermittelt wird, – wobei als Lichtquelle eine LED verwendet wird, und – im Rahmen der mathematischen Messsignalverarbeitung eine Kompensationsfunktion verarbeitet wird, welche die Abhängigkeiten der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes von der Temperatur der LED darstellt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes und eine für die spektrale Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes charakteristische Intensitätsverteilung einer Korrelationsbetrachtung unterzogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes indikative Daten im Rahmen eines Kalibrierschrittes generiert werden.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes charakteristische Funktion als Näherungsfunktion zum Zugriff zur Verfügung gestellt wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Näherungsfunktion als Polynom spezifiziert ist.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polynom auf die LED abgestimmt ist und Parameter desselben im Rahmen des Kalibrierschrittes abgestimmt werden.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kompensationsfunktion die temperaturabhängigen Unterschiede der spektralen Intensitätsverteilungen des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes kompensiert wird.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kompensationsfunktion die spektrale Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes modifiziert wird.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kompensationsfunktion die Korrelationsfunktion zwischen der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes und der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes modifiziert wird.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsfunktion für den verwendeten LED-Typ auf Grundlage von Vergleichsmessungen der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes bei zwei verschiedenen Temperaturen ermittelt wird.
  11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsfunktion anhand der Korrelation der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes mit der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes abgestimmt wird.
  12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsfunktion durch Hilfsparameter weiter abgestimmt wird.
  13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Abstimmungen, insbesondere Skalierungen der Daten für die spektrale Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes und/oder der spektralen Intensitätsverteilung des erfassten Lichtes erfolgen.
  14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die LED mit einem definiert geregelten Flussstrom betrieben wird.
  15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedenen Flussstromwerte verschiedene Referenzsysteme oder Kompensationsfunktionen zum Zugriff zur Verfügung gestellt werden.
  16. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Struktur derart betrieben wird, dass eine Ableitung der betriebsbedingt in der LED Struktur anfallenden Wärme erfolgt, so dass die Erwärmung der LED während des Messvorgangs unter einem von der Kompensati onsfunktion kompensierbaren Temperaturanstieg abgeleitet werden kann.
  17. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Struktur unter Anbindung an eine Wärmesenke betrieben wird.
  18. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene hinsichtlich der spektralen Intensitätsverteilung des seitens der Lichtquelle abgegebenen Lichtes indikative Referenzsysteme für verschiedene Betriebszustände, insbesondere Flussströme und/oder Systemtemperaturen zum Zugriff zur Verfügung gestellt werden.
  19. Verfahren zur Bestimmung stoffspezifischer Absorptionen insbesondere nach Anspruch 1, bei welchem innerhalb vorgegebener Temperaturbereiche jeweils die zu einer einheitlichen Kompensationsfunktion gehörenden Parameter simultan mit der Bestimmung der Parameter der stoffspezifischen Absorption im Rahmen einer mathematischen Anpassung bestimmt werden und auf diese Weise den Einfluss der Temperatur kompensieren.
  20. Verfahren zur Bestimmung stoffspezifischer Absorptionen insbesondere nach Anspruch 1, bei welchem innerhalb vorgegebener Temperaturbereiche jeweils die zu einer einheitlichen Kompensationsfunktion gehörenden Parameter unter Ausnutzung einer möglichen gegebenen mathematischen Unabhängigkeit sequentiell zu der Bestimmung der Parameter der stoffspezifischen Absorption bestimmt werden und auf diese Weise den Einfluss der Temperatur kompensieren.
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