DE102007021544A1

DE102007021544A1 - Messeinheit und Verfahren zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf eine Analytkonzentration

Info

Publication number: DE102007021544A1
Application number: DE200710021544
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Breidenassel; Joachim Dr. Kaiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008135566A2; WO2008135566A3

Abstract

Die Messeinheit (1) ist zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf Konzentrationen von in der Flüssigkeit gelösten und mit fluoreszierenden Farbstoffen direkt oder indirekt markierten Analyten bestimmt. Ein transparentes erstes Teil (2) und ein transparentes zweites Teil (3) sind zusammengesetzt. Das erste Teil (2) hat an einer Kontaktfläche (4) zwischen dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3) eine sich in das erste Teil (2) erstreckende Aussparung, so dass bei zusammengesetztem ersten Teil (2) und zweiten Teil (3) ein Fluidmesskanal (5) zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit gebildet ist. Es sind Anregungsmittel (9; 10) zur optischen Direktanregung der Farbstoffe der zusammen mit der Flüssigkeit in den Fluidmesskanal (5) gelangten Analyten vorgesehen. Die Anregungsmittel enthalten einen innerhalb des ersten Teils (2) verlaufenden Eingangslichtpfad (10) zur Zuführung von Anregungslicht (LA) zum Fluidmesskanal (5). Ein Ausgangslichtpfad (14) ist zur Abführung von im Fluidmesskanal (5) aufgrund der Direktanregung der Farbstoffe durch das Anregungslicht (LA) erzeugtem Fluoreszenzlicht (LF, LM) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinheit und ein Verfahren zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf eine Konzentration mindestens eines in der Flüssigkeit gelösten und mit einem fluoreszierenden Farbstoff direkt oder indirekt markierten Analyten. Bei der Messeinheit ist ein transparentes erstes Teil mit einem transparenten zweiten Teil zusammengesetzt. Das erste Teil weist an einer Kontaktfläche zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eine sich in das erste Teil erstreckende Aussparung auf, so dass bei zusammengesetztem ersten Teil und zweiten Teil ein Fluidmesskanal zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit gebildet ist.
Eine derartige Messeinheit ist beispielsweise in dem Fachaufsatz von J. Tschmelak et al., „Automated Water Analyser Computer Supported System (AWACSS) Part I: Project objectives, basic technology, immunoassay development, software design and networking", Biosensors and Bioelectronics 20 (2005), Seiten 1499 bis 1508 beschrieben. Diese bekannte Messeinheit ist eine (Durch)Flusszelle, mittels derer geringe Konzentrationen bestimmter in Lösung befindlicher Moleküle, die hier als Analyte bezeichnet werden, quantitativ auf optischem Weg bestimmt werden. Es werden insbesondere verschiedene Analyte gleichzeitig detektiert. Der an das Analytmolekül gebundene Farbstoff wird durch Anregungslicht mit einem innerhalb des Absorptionsspektrums des Farbstoffs liegenden Wellenlängenbereich zur Fluoreszenz angeregt. Das emittierte Fluoreszenzlicht wird als Maß für die interessierende Analytkonzentration detektiert und ausgewertet.
Bei der bekannten Messeinheit erfolgt die optische Anregung in dem Fluidmesskanal aufgrund einer Wechselwirkung eines evanszenten Felds des in einem Lichtwellenleiter geführten Anregungslichts mit dem Farbstoff, mit dem der jeweilige Ana lyt markiert ist. Unter dem evaneszentem Feld ist die elektromagnetische Feldkomponente des in dem Lichtwellenleiter geführten Anregungslichts zu verstehen, welche außerhalb des Lichtwellenleiters exponentiell gedämpft wird. Diese Feldkomponente dringt in das den eigentlichen lichtleitenden Bereich umgebende Medium ein. Die Eindringtiefe ist auf einige wenige Wellenlängen beschränkt. Das evaneszente Feld fällt mit zunehmendem Abstand vom lichtleitenden Bereich exponentiell ab. Die Markierungsfarbstoffe der zu detektierenden Analyte können also nur in einem sehr eng begrenzten Bereich mit dem evaneszenten Feld in Wechselwirkung treten und zur Fluoreszenz angeregt werden. Diese Anregung über das evaneszente Feld führt aber zu einem sehr günstigen Signal/Rausch-Verhältnis.
Bei der bekannten Messeinheit ist der von dem evaneszenten Feld umgebene Lichtwellenleiter als ein planarer integriert optischer Wellenleiter ausgeführt. Er verläuft in dem Unterteil, also dem zweiten Teil der Messeinheit und durchquert den Bereich des Fluidmesskanals. Das der Zuführung des Anregungslichts dienende zweite Teil ist aufgrund des integriert optischen Wellenleiters relativ aufwändig. Seine Herstellung und der Anschluss des zur Lichteinkopplung in den integriert optischen Wellenleiter vorgesehenen Faserlichtwellenleiters sind kostspielig.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Messeinheit der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die sich einfach realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Messeinheit sind Anregungsmittel zur optischen Direktanregung des Farbstoffs des zusammen mit der Flüssigkeit in den Fluidmesskanal gelangten Analyten vorgesehen. Die Anregungsmittel enthalten einen zumindest teilweise innerhalb des ersten Teils verlaufenden Eingangslichtpfad zur Zuführung von Anregungslicht zum Fluidmesskanal. Es ist ein Ausgangslichtpfad zur Abführung von im Fluidmesskanal aufgrund der Direktanregung des Farbstoffs durch das Anregungslicht erzeugtem Fluoreszenzlicht vorgesehen.
Bei der erfindungsgemäßen Messeinheit kommt anstelle der indirekten Anregung über das evaneszente Feld eines integriert optischen Wellenleiters eine Direktanregung der Farbstoffe zum Einsatz. Der Fluidmesskanal, in dem sich die Flüssigkeit mit dem zu detektierenden und mittels des Farbstoffs markierten Analyten befindet, wird direkt mit dem Anregungslicht bestrahlt. Hierzu ist insbesondere kein aufwändig herzustellender integriert optischer Wellenleiter erforderlich. Das insbesondere als Unterteil ausgeführte zweite Teil der erfindungsgemäßen Messeinheit ist sehr einfach, beispielsweise als transparente Platte ohne integriert optische Komponenten, ausgeführt. Es kann bei Bedarf, beispielsweise, wenn sich die zur Bindung des Analyten auf dem zweiten Teil aufgebrachten Rezeptoren nach einem Einsatz nicht (mehr) wiederaufbereiten lassen, problemlos und vor allem mit geringem Umrüst- und Kostenaufwand ausgetauscht werden. Das zweite Teil dient nicht der Zuführung des Anregungslichts. Diese Funktion wird bei der erfindungsgemäßen Messeinheit von dem insbesondere als Oberteil ausgeführten ersten Teil wahrgenommen, das aber trotzdem mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden kann. Auch das erste Teil enthält vorzugsweise keine integriert optische Komponenten. Bei den Anregungsmitteln handelt es sich stattdessen um einfache Maßnahmen, die insbesondere eine Leitung des Anregungslichts von einer äußeren Begrenzungswand des ersten Teils durch das Innere des ersten Teils bis zum Fluidmesskanal bewerkstelligen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messeinheit ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der die Anregungsmittel ein optisches Streuelement umfassen. Dadurch wird eine Homogenisierung erreicht. Der ansonsten oft punktförmig oder zumin dest auf eine kleine Querschnittsfläche konzentrierte Strahl des Anregungslichts wird durch das Streuelement aufgeweitet und auf eine größere Querschnittsfläche verteilt, so dass der Fluidmesskanal gleichmäßiger mit Anregungslicht bestrahlt wird.
Weiterhin kann der Eingangslichtpfad zumindest teilweise durch eine mit einem Faserende in das erste Teil eingebettete optische Faser gebildet sein. Ebenso ist die Einbettung (= Integration) eines Faserbündels mit mehreren Fasern möglich. Mittels einer optischen Faser kann das Anregungslicht problemlos und vor allem nahezu ohne Transmissionsverluste an eine weitgehend beliebig wählbare Stelle innerhalb des ersten Teils geführt werden.
Ähnliche Vorteile gelten auch für eine andere bevorzugte Variante, bei der der Ausgangslichtpfad zumindest teilweise durch eine mit einem Faserende insbesondere in das zweite Teil eingebettete optische Faser gebildet ist. Auch hier kann alternativ ein Faserbündel verwendet werden. Die optischen Fasern ermöglichen ein Einsammeln des Fluoreszenzlichts nahe an dessen Entstehungsort.
Vorzugsweise umfassen die Anregungsmittel weiterhin eine unter einem Wandneigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Kontaktfläche geneigte Seitenwand und der Eingangslichtpfad verläuft innerhalb des erste Teils zwischen der geneigten Seitenwand und dem Fluidmesskanal. Die geneigte Seitenwand ist insbesondere die Eintrittsfläche, durch die das Anregungslicht in das erste Teil eintritt. Der Neigungswinkel ist vorzugsweise so gewählt, dass das schräg in das erste Teil, den Fluidmesskanal und auch das zweite Teil eingestrahlte Anregungslicht im zweiten Teil eine Totalreflexion erfährt und in Richtung des ersten Teils zurückgeworfen wird. Dadurch gelangt, wenn überhaupt, nur ein vernachlässigbarer Teil des Anregungslichts zu einer Detektionseinheit, die zum Empfang des Fluoreszenzlichts bestimmt ist und üblicherweise auf der vom ersten Teil abgewandten Seite des zweiten Teils angeordnet ist. So wird an der Detektionseinheit eine erwünschte hohe Unterdrückung des Anregungslichts erreicht.
Bei einer anderen günstigen Ausgestaltung umfassen die Anregungsmittel ein strahlformendes oder abbildendes optisches Eingangselement zur Strahlformung des Anregungslichts und das strahlformende optische Eingangselement ist insbesondere als gekrümmter oder gewölbter Bereich an einer äußeren Begrenzungswand des ersten Teils oder als auf eine äußere Begrenzungswand des ersten Teils aufgebrachte diffraktive Struktur ausgebildet. Ein solches beispielsweise als Linse, (Mikro)Linsenarray oder Beugungsstruktur ausgeführtes strahlformendes Eingangselement ermöglicht eine weitgehend beliebige Anpassung des Anregungslichts an die innerhalb des Fluidmesskanals zu beleuchtende/n Fläche/n. Das strahlformende Eingangselement kann als gesonderte Komponente oder als integraler Bestandteil des ersten Teils ausgeführt sein.
Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der ein strahlformendes oder abbildendes optisches Ausgangselement zur Strahlformung des Fluoreszenzlichts vorgesehen ist und das strahlformende optische Ausgangselement insbesondere als gekrümmter oder gewölbter Bereich an einer äußeren Begrenzungswand des zweiten Teils oder als auf eine äußere Begrenzungswand des zweiten Teils aufgebrachte diffraktive Struktur ausgebildet ist. Das strahlformende Ausgangselement, das insbesondere dieselben Bauformen wie vorstehend für das strahlformende Eingangselement angegeben annehmen kann, dient zur Erfassung eines möglichst großen Anteils des Fluoreszenzlichts und/oder zur Anpassung des Strahlbündels des Fluoreszenzlichts an eine Detektorfläche. Auch das strahlformende Ausgangselement kann als gesonderte Komponente oder als integraler Bestandteil des zweiten Teils ausgeführt sein.
Außerdem ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Fluidmesskanal eine sich in eine Längsrichtung erstreckende Form, beispielsweise eine Quaderform, mit Längsseitenwänden und zwei Stirnseitenwänden hat, wobei ein Innenraum des Fluid messkanals an den Längsseitenwänden mit einem niedrig brechenden Material beschichtet ist und der Eingangslichtpfad innerhalb des ersten Teils zwischen einer äußeren Begrenzungswand des ersten Teils und einer der beiden Stirnseitenwänden des Fluidmesskanals verläuft. Der Fluidmesskanal wirkt dann wie ein Lichtwellenleiter. An den beschichteten Längsseitenwänden kommt es zur Totalreflektion, so dass das Anregungslicht möglichst lange innerhalb des Fluidmesskanals gehalten wird und möglichst viele der an die Analyte gebundenen Farbstoffe zur Fluoreszenz anregen kann. Ein Eintritt und ein Austritt des Anregungslichts sind im Idealfall nur an den Stirnseitenwänden möglich. Geht man z. B. von einer wässrigen Analytlösung aus, so kommt als niedrig brechendes Beschichtungsmaterial vorzugsweise ein Aerogel mit einem Brechungsindex n von etwa 1,007 bis etwa 1,24 oder auch Teflon in Frage. Insbesondere hat das zur Beschichtung vorgesehene Material also einen niedrigeren Brechungsindex als die Flüssigkeit, in der der Analyt gelöst ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung besteht das zweite Teil aus einem Kunststoffmaterial und ist insbesondere als Spritzgussformteil ausgeführt. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des zweiten Teils, so dass sich das zweite Teil mit vertretbarem Aufwand austauschen lässt. Das zweite Teil kann dann sogar auch als preisgünstige Einwegkomponente realisiert werden. Außerdem ergibt sich so die Möglichkeit zur kostengünstigen Integration von optisch abbildenden Elementen in das zweite Teil. Solche optisch abbildenden Elemente steigern z. B. den Anteil des zu Auswertezwecken erfassten Fluoreszenzlichts. Die am Detektor ankommende Intensität des Fluoreszenzlichts lässt sich so verbessern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 10 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Messeinheit wie vorstehend beschrieben verwendet. Der an den Analyt gebundene Farbstoff wird direkt mit mittels des ersten Teils dem Fluidmesskanal zugeführtem Anregungslicht bestrahlt und so zur Abstrahlung von Fluoreszenzlicht angeregt. Das abgestrahlte Fluoreszenzlicht wird zumindest teilweise zur weiteren Auswertung empfangen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Wesentlichen dieselben Ausgestaltungen und Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messeinheit und deren Ausgestaltungen beschrieben worden sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem direkt beleuchteten Fluidmesskanal und einem eine Streuscheibe umfassenden Eingangslichtpfad in perspektivischer Ansicht,
2 die Messeinheit gemäß 1 in einer Querschnittsdarstellung,
3 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem ein Faserbündel und eine Streuscheibe umfassenden Eingangslichtpfad,
4 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem optische Fasern umfassenden Eingangslichtpfad und einem optische Fasern umfassenden Ausgangslichtpfad,
5 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit schräger Einstrahlung des Anregungslichts durch ein Oberteil der Messeinheit und Totalreflektion des Anregungslichts in einem Unterteil der Messeinheit,
6 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit optischen Strahlformungselementen als integrierte Bestandteile des Ober- und des Unterteils, und
7 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem an den Längsseitenwänden beschichteten Fluidmesskanal und mit Durchstrahlung des Fluidmesskanals in Längsrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit 1 in Form einer Durchflussmesszelle gezeigt. Sie enthält ein bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel quaderförmiges Oberteil 2 und ein plattenförmiges Unterteil 3, die aus optisch transparentem Material bestehen. Das Oberteil 2 ist an einer Kontaktfläche 4 mit dem Unterteil 3 zu einem Grundkörper zusammengefügt. Diese Verbindung ist insbesondere lösbar. Sie umfasst ein in 1 und 2 nicht mit dargestelltes Dichtungselement. Das Oberteil 2 hat an der Kontaktfläche 4 eine quaderförmige Aussparung, die im zusammengesetzten Zustand mittels des Unterteils 3 flüssigkeitsdicht abgedeckt ist. Die so abgedeckte Aussparung bildet im Inneren der Messeinheit 1 einen Fluidmesskanal 5, der mit einem Zulauf 6 und einem Ablauf 7 versehen ist. Der Zulauf 6 und der Ablauf 7 führen von dem Fluidmesskanal 5 an eine von dem Unterteil 3 abgewandte von außen zugängliche obere Deckwand 8 des Oberteils 2. Die Funktion des Oberteils 2 und die des Unterteils 3 können bei einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel auch vertauscht sein. Ebenso können der Zulauf 6 und der Ablauf 7 anstelle im Oberteil 2 auch im Unterteil 3 angeordnet sein.
Im Oberteil 2 ist eine Streuscheibe 9 angeordnet, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beabstandet und insbesondere parallel zu dem Fluidmesskanal 5 verläuft. Die Streuscheibe 9 ist Bestandteil eines Eingangslichtpfads 10, der von einer äußeren Begrenzungswand des Oberteils 2, beispielsweise von der Deckwand 8 oder von einer Seitenwand 11 oder 12, zu dem Fluidmesskanal 5 führt.
Der Eingangslichtpfad 10 ist seinerseits Bestandteil von optischen Anregungsmitteln, die zur optischen Direktanregung eines während der Untersuchung im Fluidmesskanal 5 befindlichen fluoreszierenden Farbstoffs mittels eines Anregungslichts L_A bestimmt sind. Der Farbstoff gelangt mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit, wie z. B. einer (Ab-)Wasserprobe, in den Fluidmesskanal 5. In der Flüssigkeit sind Analyte gelöst, deren Konzentrationen interessieren und die zur leichteren optischen Identifizierung mit dem fluoreszierenden Farbstoff markiert sind. In der Regel befinden sich in der zu untersuchenden Flüssigkeit mehrere verschiedene Analyte.
Neben dem Eingangslichtpfad 10 umfassen die Anregungsmittel weitere zum Teil in 1 und 2 nicht dargestellte Komponenten, wie eine Lichtquelle zur Erzeugung des Anregungslichts L_A und eine insbesondere mittels eines einfachen Glasfaser-Lichtwellenleiters realisierte optische Übertragungsstrecke zur Übertragung des Anregungslichts L_A von der Lichtquelle zu der Messeinheit 1.
Die bei der Messeinheit 1 innerhalb des Eingangslichtpfads 10 angeordnete Streuscheibe 9 streut das mit geringem Strahlquerschnitt einfallende Anregungslicht L_A. Ein Teil des Anregungslichts L_A wird wie in 1 ersichtlich reflektiert. Ein anderer Teil durchquert die Streuscheibe 9 und tritt aufgrund der streuenden Wirkung auf der dem Fluidmesskanal 5 zugewandten Seite mit einem gegenüber dem Querschnitt des einfallenden Lichts deutlich vergrößerten Beleuchtungsquerschnitt aus der Streuscheibe 9 wieder aus. Die Streuscheibe 9 bewirkt also eine Homogenisierung der Flächenverteilung des Anregungs lichts L_A, so dass die Farbstoffe in dem Fluidmesskanal 5 innerhalb eines möglichst großen Flächenbereichs bestrahlt und zur Fluoreszenz angeregt werden.
Für die beschriebene vorteilhafte streuende Wirkung spielt der Winkel, unter dem das Anregungslicht L_A auf die Streuscheibe 9 auftrifft, keine wesentliche Rolle. Ein senkrechter und auch ein schräger Lichteinfall sind möglich. Beide Optionen sind in der Darstellung gemäß 2 gezeigt. Das Anregungslicht L_A kann in das Oberteil 2 durch eine beliebige äußere Begrenzungswand eintreten. Die obere Deckwand 8 und die Seitenwände 11 und 12 sind also mögliche Lichteintrittsflächen. Der Lichteingangspfad 10 nimmt je nach Lichteintrittsfläche und -ort einen anderen Verlauf innerhalb des Oberteils 2 an.
An dem Unterteil 3 sind in bekannter Weise im Bereich des Fluidmesskanals 5 mehrere voneinander getrennte Messstellen für insbesondere jeweils verschiedene Analyte angeordnet. Diese in 1 und 2 nicht näher gezeigten Messstellen haben Rezeptoren, die eine chemische Bindung mit jeweils einem der in der Flüssigkeit gelösten Analyte eingehen können. Sie bewirken so im Bereich der betreffenden Messstelle eine Fixierung von Molekülen dieses Analyttyps an der Oberfläche des Unterteils 3. Die Rezeptoren können als einfache Moleküle oder auch als Abfolge von Molekülschichten (= Sandwich-Assays) ausgebildet sein. Die zu untersuchende Flüssigkeit mit den gelösten Analyten kann ggf. mit einer geeigneten Lösung, die Antikörper enthält, vermischt und inkubiert werden, ehe dieses Lösungsgemenge dann über die Messstellen geführt wird.
Die Farbstoffe der an den Messstellen jeweils gebundenen Analyte werden direkt mit dem gestreuten und damit gleichmäßiger verteilten Anregungslicht L_A bestrahlt. Infolge dieser Anregung senden sie ein Fluoreszenzlicht L_F aus, von dem ein Teil das Unterteil 3 passiert und die Messeinheit 1 als zu detektierendes und auszuwertendes Messlichtsignal L_M an einer un teren vom Fluidmesskanal 5 abgewandten Seitenwand 13 des Unterteils 3 verlässt. Die Seitenwand 13 ist also eine Lichtaustrittsfläche. Der von dem Messlichtsignal L_M durchquerte Teil des Unterteils 3 ist als ein Ausgangslichtpfad 14 zu verstehen.
Die von den jeweiligen Messstellen stammenden Messlichtsignale L_M werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mittels eines optischen Elements in Form einer Stablinse 15 aufgesammelt und einer Detektionseinheit 16 zugeführt. Anstelle der Stablinsen 15 können auch andere optische Elemente zum Aufsammeln der Messlichtsignale L_M verwendet werden, wie z. B. auf der unteren Seitenwand 13 aufgebrachte Beugungsgitter oder zur direkten Lichteinkopplung bestimmte Lichtleitfasern oder Faserbündel. Jeder Messstelle kann ein eigenes optisches Element zum Aufsammeln des jeweils zugehörigen Messlichtsignals L_M zugeordnet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind also vier Messstellen zur Erfassung vier verschiedener Analyte vorgesehen. Diese Anzahl ist aber nur beispielhaft zu verstehen. Eine andere und vor allem auch erheblich größere Anzahl ist grundsätzlich ebenfalls möglich.
Die Detektionseinheit 16 ist in bekannter Weise aufgebaut. Sie umfasst ein Filterelement 17 sowie Detektorelemente 18 in Form von Photodioden oder CCD- oder CMOS-Arrays. Das Filterelement 17 unterdrückt etwaige bis zur Detektionseinheit 16 gelangte Restanteile des Anregungslichts L_A. Das Fluoreszenzlicht L_F der Messlichtsignale L_M hat dagegen eine andere Wellenlänge als das Anregungslicht L_A und kann daher das Filterelement 17 ungehindert passieren. Die Detektorelemente 18 wandeln die Messlichtsignale L_M in weiter verarbeitbare elektrische Signale um.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messeinheit 19 mit dem wiederum direkt beleuchtbaren Fluidmesskanal 5 und mit einem Eingangslichtpfad 20, der ebenfalls die Streuscheibe 9 enthält, gezeigt. Im Unterschied zur Messeinheit 1 enthält der Eingangslichtpfad 20 der Messeinheit 19 teilweise in das Oberteil 2 eingebettete Faserbündel 21 zur Zuführung des Anregungslichts LA zu der Streuscheibe 9. Grundsätzlich können anstelle der Faserbündel 21 auch einzelne zuführende Lichtwellenleiter verwendet werden. Abgesehen von der integrierten faseroptischen Anregung besteht kein anderer wesentlicher Unterschied zu der Messeinheit 1.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messeinheit 22 gezeigt, die ebenfalls den direkt beleuchtbaren Fluidmesskanal 5 umfasst. Darüber hinaus enthält die Messeinheit 22 einen im Wesentlichen durch optische Lichtleitfasern 23 gebildeten Eingangslichtpfad 24 und einen ebenfalls im Wesentlichen durch optische Lichtleitfasern 25 gebildeten Ausgangslichtpfad 26.
Die Lichtleitfasern 23 sind zum Teil in das Oberteil 2 eingebettet und erstrecken sich mit ihrem einen Faserende fast bis an den Fluidmesskanal 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist keine Streuscheibe vorgesehen. Die Farbstoffe werden auch bei dieser integrierten faseroptischen Anregung direkt durch das aus den Lichtleitfasern 23 austretende und über die innerhalb des Materials des Oberteils 2 verbleibende Lichtwegstrecke in den Fluidmesskanal 5 gelangende Anregungslicht L_A bestrahlt. Beim Austritt aus den Lichtleitfasern 23 kommt es zu einer Strahlaufweitung und somit zumindest zu einer gewissen Homogenisierung des Anregungslichts L_A. Mittels geeigneter Maßnahmen, wie z. B. einer Oberflächenaufrauung der Endstirnflächen der Lichtleitfasern 23 kann die Homogenisierung gesteigert werden.
Die Lichtleitfasern 25 sind zum Teil in das Unterteil 3 eingebettet und erstrecken sich mit ihrem einen Faserende fast bis an den Fluidmesskanal 5. Das Fluoreszenzlicht L_F wird auf diese Weise sehr nahe am Ort seiner Entstehung, nämlich sehr nahe an der jeweiligen Messstelle, als Messlichtsignal L_M in die Lichtleitfasern 25 eingekoppelt. Bei dieser integrierten faseroptischen Detektion geht nur ein geringer Teil des Fluoreszenzlichts L_F verloren.
Die einspeisenden Lichtleitfasern 23, die Messstellen für die mit den Farbstoffen versehenen Analyte und die abführenden Lichtleitfasern 25 sind bei der Messeinheit 22 aufeinander abgestimmt angeordnet. Pro Messstelle ist insbesondere eine der einspeisenden Lichtleitfasern 23 und eine der abführenden Lichtleitfasern 25 vorgesehen.
Anstelle der bei der Messeinheit 22 vorgesehenen integrierten faseroptischen Detektion kann bei einem alternativen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Detektion wie bei den Messeinheiten 1 und 19 vorgesehen sein.
Die vorstehend anhand der Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 4 beschriebene Verwendung von integrierten Lichtleitfasern 23 und 25 oder integrierten Faserbündeln 21 vereinfacht die Einkopplung des Anregungslichts L_A in den Fluidmesskanal 5 und/oder die Auskopplung des Fluoreszenzlichts L_F bzw. des Messlichtsignals L_M aus dem Fluidmesskanal 5 erheblich. So lässt sich auch eine höhere Messgenauigkeit erzielen.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit 27 mit schräger Einstrahlung des Anregungslichts L_A gezeigt. Die Messeinheit 27 hat ein Oberteil 28 mit schrägen Seitenwänden 29 und 30. Letztere sind mit einem Neigungswinkel gegenüber der Oberflächennormalen der Kontaktfläche 4 geneigt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 bildet die schräge Seitenwand 29 die Lichteintrittsfläche für das Anregungslicht L_A. Sie ist damit Teil der Anregungsmittel, die außerdem einen zwischen der Seitenwand 29 und dem Fluidmesskanal 5 innerhalb des Oberteils 28 verlaufenden Eingangslichtpfad 31 umfassen. Der Eingangslichtpfad 31 trifft schräg auf den zu beleuchtenden Fluidmesskanal 5.
Der Neigungswinkel der Seitenwand 29 ist so gewählt, dass das Anregungslicht L_A nach dem Durchlaufen des Oberteils 28 und des Fluidmesskanals 5 im Unterteil 3, insbesondere an deren unterer Seitenwand 13 eine Totalreflektion erfährt. Damit wird verhindert, dass Anregungslicht L_A in den Erfassungsbereich der in 5 nicht mit dargestellten Detektionseinheit 16 gelangt.
Zur Bündelung des Anregungslichts L_A ist bei der Messeinheit 27 optional eine der Lichteintrittsfläche und dem Eingangslichtpfad 31 vorgeschaltete optische Sammellinse 32 vorgesehen. Sie ist als gesondertes Bauelement ausgeführt.
Alternativ können derartige strahlformende optische Elemente aber auch integrierte Bestandteile der jeweiligen Messeinheit sein. In 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen optischen Messeinheit 33 gezeigt, bei der sowohl ein Oberteil 34 als auch ein Unterteil 35 ein integriertes optisches Strahlformungselement 36 bzw. 37 als Materialwölbung in der betreffenden äußeren Begrenzungswand 29 bzw. 13 aufweist. Je nach Anforderung und in Abhängigkeit der verwendeten Materialien können die Strahlformungselemente 36 und 37 konkav oder konvex (siehe 6) ausgebildet sein. Die Strahlformungselemente 36 und 37 dienen zur Bündelung des eingangsseitigen Anregungslicht L_A bzw. der ausgangsseitigen Messlichtsignale L_M. Abgesehen von den integrierten Strahlformungselementen 36 und 37 sind die Messeinheiten 27 und 33 im Wesentlichen gleich ausgeführt.
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit 38 gezeigt. Sie enthält wieder ein quaderförmiges Oberteil 39 und ein plattenförmiges Unterteil 40, die im zusammengesetzten Zustand einen Fluidmesskanal 41 umschließen. Der Fluidmesskanal 41 hat im Gegensatz zu dem Fluidmesskanal 5 beschichtete Längsseitenwände 42 bis 45, wobei die Beschichtung aus einem optisch niedrig brechenden Material, im Ausführungsbeispiel aus einem Aerogel, besteht. Von den insgesamt sechs Begrenzungswänden 42 bis 47 des Fluidmesskanals 41 sind lediglich die beiden Stirnseitenwände 46 und 47 unbeschichtet. Die Beschichtung ist also sowohl in der im Oberteil 39 zur Bildung des Fluidmesskanals 41 vorgesehenen Aussparung an drei der fünf Innenwände als auch auf der Oberflä che des Unterteils 40 im Bereich des Fluidmesskanals 41 aufgebracht.
Zwischen einer Oberteilstirnseitenwand 48 und der unbeschichteten Stirnseitenwand 46 des Fluidmesskanals 41 verläuft innerhalb des Oberteils 39 ein Eingangslichtpfad 49. Die Oberteilstirnseitenwand 48 ist bei der Messeinheit 38 die Lichteintrittsfläche für das Anregungslicht L_A, das auch bei diesem Ausführungsbeispiel zur Direktbeleuchtung der im Fluidmesskanal 41 befindlichen Farbstoffe bestimmt ist.
Das Anregungslicht L_A tritt an der unbeschichteten Stirnseitenwand 46 in den Fluidmesskanal 41 ein. Innerhalb des Fluidmesskanals 41 breitet sich das Anregungslicht L_A in einer Längsrichtung 50 der Messeinheit 38 aus. Es wird aufgrund der beschichteten Längsseitenwände 42 bis 45 und der deshalb dort auftretenden Totalreflektionen innerhalb des Fluidmesskanals 41 geführt, bis es den Fluidmesskanal 41 komplett in Längsrichtung 50 durchlaufen hat und an der zweiten unbeschichteten Stirnseitenwand 47 austritt. Aufgrund ihrer lichtführenden Wirkung sind die beschichteten Längsseitenwände 42 bis 45 als Bestandteile der Anregungsmittel zu verstehen. Sie sorgen dafür, dass das Anregungslicht L_A möglichst lange innerhalb des Fluidmesskanals 41 bleibt, so dass es möglichst viele Farbstoffe bestrahlen und anregen kann.
Auf dem Weg durch den Fluidmesskanal 41 bestrahlt das Anregungslicht L_A wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen die Farbstoffe direkt und regt diese zur Fluoreszenz an. Die ausgangsseitige Behandlung der Messlichtsignale L_M unterscheidet sich bei der Messeinheit 38 nicht von der im Zusammenhang mit den andern Ausführungsbeispielen beschriebenen.
Im Folgenden werden besondere Wirkungsweisen und Vorteile der Messeinheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 beschrieben.
Anstelle der bekannten Fluoreszenzanregung mittels indirekter Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld ist bei allen Mess einheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 eine direkte Beleuchtung der fluoreszierenden Farbstoffe vorgesehen. Dadurch kann auf die besonders teuren integriert optischen Wellenleiter verzichtet werden.
Auch die sonstigen optischen Komponenten vereinfachen sich bei einem Verzicht auf integriert optische Wellenleiter. So entfällt die aufwändige Ankopplung der integriert optischen Wellenleiter an zu- oder abführende Faserlichtwellenleiter (= Pigtailing). Die bei der Evaneszenzanregung oft zur Speisung der integriert optischen Wellenleiter verwendeten polarisationserhaltenden Faserlichtwellenleiter sind ebenfalls teuer. Bei den Messeinheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 können zur Zuführung des Anregungslichts L_A preiswerte Standardlichtwellenleiter verwendet werden. Außerdem können kostengünstigere Lichtquellen zum Einsatz kommen. Der Fertigungsaufwand sinkt also insgesamt erheblich. Auch die Unterteile 3, 35 und 40 können deutlich kostengünstiger hergestellt werden, da sie keine integriert optischen Wellenleiter enthalten. Aufgrund des niedrigen Herstellungsaufwands lassen sich die Unterteile 3, 35 und 40 auch für eine nur einmalige Verwendung, also als Einweg-Unterteile, ausführen.
Gegenüber der Anregung mittels eines evaneszenten Felds mit der in Tiefenrichtung exponentiell abnehmenden Feldstärke hat die hier verwendete direkte Beleuchtung der Farbstoffe eine erheblich größere Reichweite in die Tiefenrichtung. Besonders bei der Verwendung von Sandwich-Assays als Rezeptoren können sich nun die anzuregenden Farbstoffe in einem gewissen Abstand zur Begrenzungswand des Fluidmesskanals 5 und 41 befinden, ohne dass die Reichweite eines anregenden evaneszenten Felds zu gering wäre. Eine Anregung mittels direkter Beleuchtung ist hingegen problemlos möglich. Es gibt keine Begrenzung auf nur oberflächennahe Effekte wie bei der Evaneszenzanregung. Dadurch resultiert eine breitere Anwendbarkeit hinsichtlich der mittels der Rezeptoren an eine Begrenzungswand des Fluidmesskanals 5 und 41 anzubindenden Analyte.
Im Gegensatz zur Evaneszenzanregung mittels eines integriert optischen Wellenleiters kann mit der hier verwendeten direkten Beleuchtung der Farbstoffe eine gleichmäßigere Anregung aller Messstellen erreicht werden. Dadurch wird die Dynamik verbessert.
Bei den Messeinheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 werden zwei wichtige Funktionen, nämlich die Zuführung bzw. Einkopplung des Anregungslichts L_A und die Bereitstellung der verschiedenen Messstellen im Fluidmesskanal 5, voneinander entkoppelt, indem sie verschiedenen Komponenten zugeordnet werden. Die Lichtzuführung und -einkopplung wird in erster Linie von den Oberteilen 2, 28, 34 und 39 wahrgenommen, die Messstellenbereitstellung dagegen von den Unterteilen 3, 35 und 40, die als Trägersubstrate für die Rezeptoren dienen. Beide Funktionen sind damit weitgehend unabhängig voneinander. Dies ist günstig, da z. B. ein Austausch von verbrauchten Messstellen gegen neue Messstellen dann nicht zugleich auch einen Austausch der noch intakten Lichtzuführung und -einkopplung bedingt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Tschmelak et al., „Automated Water Analyser Computer Supported System (AWACSS) Part I: Project objectives, basic technology, immunoassay development, software design and networking", Biosensors and Bioelectronics 20 (2005), Seiten 1499 bis 1508 [0002]

Claims

Messeinheit zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf eine Konzentration mindestens eines in der Flüssigkeit gelösten und mit einem fluoreszierenden Farbstoff direkt oder indirekt markierten Analyten, wobei a) ein transparentes erstes Teil (2; 28; 34; 39) mit einem transparenten zweiten Teil (3; 35; 40) zusammengesetzt ist, b) das erste Teil (2; 28; 34; 39) an einer Kontaktfläche (4) zwischen dem ersten Teil (2; 28; 34; 39) und dem zweiten Teil (3; 35; 40) eine sich in das erste Teil (2; 28; 34; 39) erstreckende Aussparung aufweist, so dass bei zusammengesetztem ersten Teil (2; 28; 34; 39) und zweiten Teil (3; 35; 40) ein Fluidmesskanal (5; 41) zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit gebildet ist, c) Anregungsmittel (9; 10; 20; 21; 23; 24; 29; 31; 32; 36; 42–45; 49) zur optischen Direktanregung des Farbstoffs des zusammen mit der Flüssigkeit in den Fluidmesskanal (5; 41) gelangten Analyten vorgesehen sind und die Anregungsmittel einen zumindest teilweise innerhalb des ersten Teils (2; 28; 34; 39) verlaufenden Eingangslichtpfad (10; 20; 24; 31; 49) zur Zuführung von Anregungslicht (L_A) zum Fluidmesskanal (5; 41) enthalten, und d) ein Ausgangslichtpfad (14; 26) zur Abführung von im Fluidmesskanal (5; 41) aufgrund der Direktanregung des Farbstoffs durch das Anregungslicht (L_A) erzeugtem Fluoreszenzlicht (L_F, L_M) vorgesehen ist.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsmittel ein optisches Streuelement (9) umfassen.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslichtpfad (20; 24) zumindest teilweise durch eine mit einem Faserende in das erste Teil (2) eingebettete optische Faser (21; 23) gebildet ist.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangslichtpfad (26) zumindest teilweise durch eine mit einem Faserende insbesondere in das zweite Teil (3) eingebettete optische Faser (25) gebildet ist.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsmittel eine unter einem Wandneigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Kontaktfläche (4) geneigte Seitenwand (29) umfassen und der Eingangslichtpfad (31) innerhalb des ersten Teils (28; 34) zwischen der geneigten Seitenwand (29) und dem Fluidmesskanal (5) verläuft.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsmittel ein strahlformendes optisches Eingangselement (32; 36) zur Strahlformung des Anregungslichts (L_A) umfassen und das strahlformende optische Eingangselement (36) insbesondere als gekrümmter Bereich an einer äußeren Begrenzungswand (29) des ersten Teils (34) oder als auf eine äußere Begrenzungswand des ersten Teils aufgebrachte diffraktive Struktur ausgebildet ist.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein strahlformendes optisches Ausgangselement (37) zur Strahlformung des Fluoreszenzlichts (L_F, L_M) vorgesehen ist und das strahlformende optische Ausgangselement (37) insbesondere als gekrümmter Bereich an einer äußeren Begrenzungswand (13) des zweiten Teils (35) oder als auf eine äußere Begrenzungswand des zweiten Teils aufgebrachte diffraktive Struktur ausgebildet ist.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidmesskanal (41) eine sich in eine Längsrichtung (50) erstreckende Form mit Längsseitenwänden (42–45) und zwei Stirnseitenwänden (46, 47) hat, wobei ein Innenraum des Fluidmesskanals (41) an den Längsseitenwänden (42–45) mit einem niedrig brechenden Material beschichtet ist und der Eingangslichtpfad (49) innerhalb des ersten Teils (39) zwischen einer äußeren Begrenzungswand (48) des ersten Teils (39) und einer der beiden Stirnseitenwänden (46, 47) des Fluidmesskanals (41) verläuft.
Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (3; 35; 40) aus einem Kunststoffmaterial besteht und insbesondere als Spritzgussformteil ausgeführt ist.
Verfahren zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf eine Konzentration mindestens eines in der Flüssigkeit gelösten und mit einem fluoreszierenden Farbstoff direkt oder indirekt markierten Analyten mittels einer Messeinheit (1; 19; 22; 27; 33; 38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) der an den Analyt gebundene Farbstoff direkt mit mittels des ersten Teils (2; 28; 34; 39) dem Fluidmesskanal (5; 41) zugeführtem Anregungslicht (L_A) bestrahlt wird und so zur Abstrahlung von Fluoreszenzlicht (L_F, L_M) angeregt wird, und b) das abgestrahlte Fluoreszenzlicht (L_F, L_M) zumindest teilweise zur weiteren Auswertung empfangen wird.