DE102022107746A1 - Method and measuring arrangement for examining organic material - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von organischem Material, wobei das organische Material mit Anregungsstrahlung (3) bestrahlt wird, und wobei die Intensität von durch die Bestrahlung angeregter Fluoreszenzstrahlung (14) bestimmt wird. Dabei wird das organische Material zusätzlich mit elektromagnetischer Streustrahlung (16) bestrahlt, bei welcher Streuung an dem Material auftritt und die gestreute Strahlung (19) wird aufgenommen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Messanordnung.The invention relates to a method for examining organic material, wherein the organic material is irradiated with excitation radiation (3) and the intensity of fluorescent radiation (14) excited by the irradiation is determined. The organic material is additionally irradiated with electromagnetic scattered radiation (16), in which scattering occurs on the material and the scattered radiation (19) is recorded. The invention further relates to a corresponding measuring arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung, insbesondere zur Bestimmung der Vitalität von organischem Material sowie eine Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for examining, in particular for determining, the vitality of organic material and a measuring arrangement for carrying out the method according to the invention.

Die Kenntnis der Vitalität organischen Materials, also des Zustandes beispielsweise von Zellen in Nährlösungen ist in einer Vielzahl möglicher Anwendungen vorteilhaft. So kann es beispielsweise in der Lebensmittelindustrie von Interesse sein, Gärungs- oder Fermentierungsprozesse im Hinblick auf die Aktivität der daran beteiligten Organismen in situ zu überwachen. Ähnliches gilt für die Herstellung von Arzneimitteln oder die Analyse von Zellkulturen im medizinischen Bereich.Knowledge of the vitality of organic material, i.e. the condition of cells in nutrient solutions, for example, is advantageous in a variety of possible applications. For example, in the food industry it may be of interest to monitor fermentation or fermentation processes in situ with regard to the activity of the organisms involved. The same applies to the production of medicines or the analysis of cell cultures in the medical field.

Es ist bekannt, dass als Indikator für die Vitalität von Zellen das Vorhandensein von NADH (Nicotinamidadenindinukleotid) herangezogen werden kann. NADH hat die Eigenschaft, unter Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 340nm Fluoreszenz im Bereich von 450nm zu zeigen. Allein das Auftreten von Fluoreszenz ist jedoch in vielen Fällen nicht ausreichend, quantitative Aussagen über den Zustand organischen Materials, insbesondere lebender Zellen, zu machen.It is known that the presence of NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) can be used as an indicator of cell vitality. NADH has the property of showing fluorescence in the range of 450nm when irradiated with electromagnetic radiation with a wavelength of approximately 340nm. However, in many cases the appearance of fluorescence alone is not sufficient to make quantitative statements about the condition of organic material, especially living cells.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messanordnung anzugeben, das bzw. die eine verbesserte Bestimmung des Zustandes lebender Zellen erlaubt.The object of the present invention is to provide a method and a measuring arrangement which allows an improved determination of the condition of living cells.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 15. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.This object is achieved by a method with the features of independent claim 1 and a measuring device with the features of independent claim 15. The subclaims relate to advantageous developments and variants of the invention.

Bei einem Verfahren zur Untersuchung, insbesondere zur Bestimmung der Vitalität von organischem Material wird das organische Material mit Anregungsstrahlung, beispielsweise im Wellenlängenbereich von 340nm bestrahlt, und die Intensität von durch die Bestrahlung angeregter Fluoreszenzstrahlung wird bestimmt. Erfindungsgemäß wird das organische Material zusätzlich mit elektromagnetischer Streustrahlung bestrahlt, bei welcher Streuung an dem Material auftritt und die gestreute Strahlung wird nachfolgend aufgenommen. Die Streumessung erlaubt es dabei, Aussagen über die Konzentration organischen Materials in dem Probenvolumen zu treffen, so dass die gemessene Fluoreszenzstrahlung anhand dieser zusätzlichen Information besser interpretiert werden kann.In a method for examining, in particular for determining the vitality of organic material, the organic material is irradiated with excitation radiation, for example in the wavelength range of 340 nm, and the intensity of fluorescent radiation excited by the irradiation is determined. According to the invention, the organic material is additionally irradiated with electromagnetic scattered radiation, in which scattering occurs on the material and the scattered radiation is subsequently recorded. The scattering measurement makes it possible to make statements about the concentration of organic material in the sample volume, so that the measured fluorescence radiation can be better interpreted based on this additional information.

Insbesondere kann die gestreute Strahlung und/oder die Fluoreszenzstrahlung unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln gegenüber einer Bestrahlungsrichtung aufgenommen werden, wobei ein erster Winkel zwischen 160° und 200°, insbesondere bei 180° liegen kann.In particular, the scattered radiation and/or the fluorescent radiation can be recorded at at least two different angles relative to an irradiation direction, with a first angle being between 160° and 200°, in particular 180°.

Weiterhin kann ein zweiter Winkel zwischen 70° und 110°, insbesondere bei 90° liegen; ein dritter Winkel kann zwischen 0° und 40°, insbesondere bei 20° liegen.Furthermore, a second angle can be between 70° and 110°, in particular 90°; a third angle can be between 0° and 40°, in particular 20°.

Durch diese Winkelverteilung wird es möglich, über einen weiten Bereich von Trübungsgraden und damit Konzentrationen organischen Materials beispielsweise Aussagen über die Vitalität zu treffen.This angular distribution makes it possible to make statements about vitality, for example, over a wide range of turbidity levels and thus concentrations of organic material.

Insbesondere kann das organische Material im Wechsel mit Anregungsstrahlung und Streustrahlung bestrahlt werden, so dass eine einfache Zuordnung von angeregter Fluoreszenz und Streuung möglich ist.In particular, the organic material can be irradiated alternately with excitation radiation and scattered radiation, so that a simple association of excited fluorescence and scattering is possible.

In Fällen, in welchen die Streustrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 450nm aufweist, kann in vorteilhafter Weise eine einziger Detektortyp zur Anwendung kommen.In cases in which the scattered radiation has a wavelength in the range of 450 nm, a single type of detector can advantageously be used.

Alternativ kann aber auch eine Apparatur aufgebaut werden, bei der die Strahlungsquelle und Detektoren so getauscht werden, dass ein Detektor und multiple Strahlungsquellen von verschiedenen Winkeln aus dieselbe Excitation/Emission Geometrie generieren.Alternatively, an apparatus can also be set up in which the radiation source and detectors are swapped so that one detector and multiple radiation sources generate the same excitation/emission geometry from different angles.

Die Anregungsstrahlung kann zur Bestimmung der Vitalität von Zellen im Bereich von 340nm liegen. Wenn das organische Material mit Anregungsstrahlung im Wellenlängenbereich von 260-280nm bestrahlt wird, kann zusätzlich über eine weitere Fluoreszenzmessung noch eine Bestimmung des Proteinanteils im Probenvolumen vorgenommen werden.The excitation radiation can be in the range of 340nm to determine the vitality of cells. If the organic material is irradiated with excitation radiation in the wavelength range of 260-280nm, the protein content in the sample volume can also be determined using another fluorescence measurement.

Weiterhin kann das organische Material mit Streustrahlung im Wellenlängenbereich von 650nm oder 850nm bestrahlt werden.Furthermore, the organic material can be irradiated with scattered radiation in the wavelength range of 650nm or 850nm.

Vorteilhafterweise können zur Bestimmung der Vitalität des organischen Materials die Intensitäten gestreuten Strahlung und der Fluoreszenzstrahlung in eine mathematische Beziehung zu einander gesetzt werden; es kann beispielsweise ein Quotient gebildet werden. Daneben ist es auch denkbar, komplexere Analyse Modelle, wie eine angepasste Multivariantanalyse oder Algorithmen mit künstlicher Intelligenz zu nutzen, um die Messungen so zu verknüpfen, dass über Vitalitätsgröße selbstlernend bestimmt werden kannTo determine the vitality of the organic material, the intensities of the scattered radiation and the fluorescent radiation can advantageously be put into a mathematical relationship with one another; For example, a quotient can be formed. In addition, it is also conceivable to use more complex analysis models, such as an adapted multivariate analysis or algorithms with artificial intelligence, to link the measurements in such a way that vitality variables can be determined in a self-learning manner

Dadurch, dass die Anregungsstrahlung und die Streustrahlung mindestens abschnittsweise auf demselben Weg auf das Probenvolumen gelenkt werden, kann die Aussagekraft der Messung weiter verbessert werden.Because the excitation radiation and the scattered radiation are directed onto the sample volume at least in sections along the same path, the meaningfulness of the measurement can be further improved.

Eine erfindungsgemäße Messanordnung zur optischen Untersuchung von organischem Material umfasst

  • - ein Probenvolumen zur Aufnahme des Materials
  • - mindestens eine erste elektromagnetische Strahlungsquelle zur Bestrahlung des Materials in einer Bestrahlungsrichtung mit Anregungsstrahlung, insbesondere mit einer Wellenlänge von 340nm oder 260-280nm
  • - mindestens einen Anregungsdetektor, welcher dazu eingerichtet ist, von der Anregungsstrahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung zu detektieren, insbesondere lediglich elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 430nm bis 470nm, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 450nm, oder in einem Wellenlängenbereich von 280nm-350nm zu detektieren
  • - mindestens eine zweite Strahlungsquelle, welche dazu eingerichtet ist, das organische Material zusätzlich mit elektromagnetischer Streustrahlung zu bestrahlen
  • - mindestens einen Detektor, der dazu eingerichtet ist, die gestreute Strahlung zu erfassen.
A measuring arrangement according to the invention for the optical examination of organic material includes
  • - a sample volume to hold the material
  • - at least one first electromagnetic radiation source for irradiating the material in an irradiation direction with excitation radiation, in particular with a wavelength of 340nm or 260-280nm
  • - at least one excitation detector, which is set up to detect fluorescent radiation excited by the excitation radiation, in particular only to detect electromagnetic radiation in a wavelength range of 430nm to 470nm, preferably in a wavelength range of 450nm, or in a wavelength range of 280nm-350nm
  • - at least one second radiation source, which is set up to additionally irradiate the organic material with electromagnetic scattered radiation
  • - at least one detector that is set up to detect the scattered radiation.

Dabei kann die Messanordnung dadurch auf einfache Weise realisiert werden, dass es sich bei dem Detektor zur Erfassung der gestreuten Strahlung um den Anregungsdetektor handelt.The measuring arrangement can be implemented in a simple manner in that the detector for detecting the scattered radiation is the excitation detector.

Vorteilhaft ist es, wenn die zweite Strahlungsquelle geeignet ist, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 450nm oder 650nm oder 850nm zu emittieren.It is advantageous if the second radiation source is suitable for emitting electromagnetic radiation in a wavelength range of 450nm or 650nm or 850nm.

Insbesondere kann das Probenvolumen in einer traditionell gefertigten und reinigbaren Durchflusszelle aus den klassischen Materialien (Edelstahl, PEEK, Teflon, Saphir, etc.) oder in der Form von Single-Use-Durchflusszelle mit einer Zuleitung und einer Ableitung für das zu untersuchende Material angeordnet sein; auch die Realisation der erfindungsgemäßen Messanordnung als Sonde, insbesondere als Tauchsonde ist denkbar.In particular, the sample volume can be arranged in a traditionally manufactured and cleanable flow cell made of classic materials (stainless steel, PEEK, Teflon, sapphire, etc.) or in the form of a single-use flow cell with a supply line and a discharge line for the material to be examined ; The realization of the measuring arrangement according to the invention as a probe, in particular as an immersion probe, is also conceivable.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine weitere Strahlungsquelle vorhanden, die dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 260nm-280nm zu emittieren; weiterhin ist mindestens ein Detektor vorhanden, der dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 280nm-350nm zu detektieren.In a further advantageous embodiment of the invention, a further radiation source is present which is designed to emit only electromagnetic radiation with a wavelength of 260nm-280nm; There is also at least one detector that is set up to only detect electromagnetic radiation in a wavelength range of 280nm-350nm.

Die Senderichtung einer Strahlungsquelle und die Empfangsrichtung eines korrespondierenden Detektors können insbesondere einen Winkel von 170°-200°, insbesondere von 180° einschließen.The transmission direction of a radiation source and the reception direction of a corresponding detector can in particular include an angle of 170°-200°, in particular 180°.

Weiterhin können die Senderichtung einer Strahlungsquelle und die Empfangsrichtung eines korrespondierenden Detektors einen Winkel von 70°-110°, insbesondere von 90° einschließen.Furthermore, the transmission direction of a radiation source and the reception direction of a corresponding detector can include an angle of 70°-110°, in particular 90°.

Zusätzlich oder alternativ kann die Senderichtung einer Strahlungsquelle und die Empfangsrichtung eines korrespondierenden Detektors einen Winkel von 0°-40°, insbesondere von 20° einschließen.Additionally or alternatively, the transmission direction of a radiation source and the reception direction of a corresponding detector can include an angle of 0°-40°, in particular 20°.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist eine weitere Strahlungsquelle vorhanden, die dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 650nm oder 850nm zu emittieren und mindestens ein Detektor, welcher dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 650nm oder 850nm zu detektieren. Insbesondere bei einer Verwendung von Streustrahlung im Bereich von 850nm sind etwaige Fluoreszenzartefakte vermeidbar.In an advantageous variant of the invention, there is a further radiation source which is set up to emit only electromagnetic radiation with a wavelength of, for example, 650nm or 850nm and at least one detector which is set up to only emit electromagnetic radiation in a wavelength range of 650nm or 850nm to detect. Any fluorescence artifacts can be avoided, particularly when using scattered radiation in the range of 850 nm.

Dadurch, dass ein Ablenkelement vorhanden ist, welche dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil der von der Strahlungsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung unmittelbar auf einen Detektor zur lenken, kann eine Referenzmessung vorgenommen werden.Because a deflection element is present, which is designed to direct at least part of the electromagnetic radiation emitted by the radiation source directly onto a detector, a reference measurement can be carried out.

Bei dem Ablenkelement an der oder den Lichtquellen kann es sich insbesondere um einen Strahlenteiler handeln. Der Strahlenteiler kann beispielsweise eine gegenüber der Einfallsrichtung der Strahlung verkippte Quarzglasfolie umfassen; dabei kann die Quarzglasfolie gegenüber der Einfallsrichtung der Strahlung um ca. 45° verkippt angeordnet sein.Weiterhin kann ein optisches Element, beispielsweise ein dichroitischer Spiegel vorhanden sein, welches dazu eingerichtet ist, die Anregungsstrahlung und die Streustrahlung mindestens abschnittsweise auf demselben Weg auf das Probenvolumen zu lenken.The deflection element on the light source or sources can in particular be a beam splitter. The beam splitter can, for example, comprise a quartz glass film tilted relative to the direction of incidence of the radiation; The quartz glass film can be arranged tilted by approximately 45° relative to the direction of incidence of the radiation. Furthermore, an optical element, for example a dichroic mirror, can be present, which is designed to direct the excitation radiation and the scattered radiation at least in sections towards the sample volume along the same path to steer.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

  • 1 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung.
Exemplary embodiments and variants of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it
  • 1 a possible embodiment of a measuring arrangement according to the invention.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung. Gezeigt ist ein Probenvolumen 1, welches beispielsweise eine zu untersuchende Nährlösung mit organischem Material, insbesondere einer Anzahl von Zellen enthalten kann. Es versteht sich von selbst, dass das Probenvolumen 1 in einem realen Anwendungsfall beispielsweise in einer Durchflussmesszelle, einer Tauchsonde oder einer Küvette angeordnet sein kann. 1 shows a schematic representation of a first possible embodiment of a measuring arrangement according to the invention. Shown is a sample volume 1, which can contain, for example, a nutrient solution to be examined with organic material, in particular a number of cells. It goes without saying that in a real application the sample volume 1 can be arranged, for example, in a flow measuring cell, an immersion probe or a cuvette.

Im gezeigten Beispiel wird die Vitalität der Zellen in dem Probenvolumen dadurch ermittelt, dass mittels einer Anregungsstrahlungsquelle 2, die beispielsweise als LED ausgebildet sein kann, Anregungsstrahlung 3 in Richtung des Probenvolumens 1 emittiert wird. Die Bestrahlungsrichtung ist in der Figur durch einen Pfeil angedeutet. Die Anregungsstrahlung 3 kann dabei insbesondere in einem Wellenlängenbereich von ca. 340nm -360nm oder auch im Bereich von ca. 260-280nm liegen.In the example shown, the vitality of the cells in the sample volume is determined by emitting excitation radiation 3 in the direction of the sample volume 1 by means of an excitation radiation source 2, which can be designed, for example, as an LED. The direction of irradiation is indicated by an arrow in the figure. The excitation radiation 3 can in particular be in a wavelength range of approximately 340nm -360nm or also in the range of approximately 260-280nm.

Sie passiert zunächst ein als dichroitischer Spiegel 4 ausgebildetes optisches Element, welches derart beschaffen ist, dass es die Anregungsstrahlung 3 weitgehend transmittiert. Im weiteren Verlauf durchtritt die Anregungsstrahlung 3 ein als Strahlenteiler 5 ausgebildetes Ablenkelement, in welchem sie in einen Referenzanteil 6 und einen Messanteil 7 aufgeteilt wird. Der Messanteil 7 erreicht nachfolgend das Probenvolumen 1, wo er mit der Nährlösung und dem darin befindlichen biologischen Material in Wechselwirkung tritt.It first passes through an optical element designed as a dichroic mirror 4, which is designed in such a way that it largely transmits the excitation radiation 3. In the further course, the excitation radiation 3 passes through a deflection element designed as a beam splitter 5, in which it is divided into a reference component 6 and a measurement component 7. The measuring portion 7 subsequently reaches the sample volume 1, where it interacts with the nutrient solution and the biological material contained therein.

Soweit es sich bei dem biologischen Material um vitales, also lebendes Material handelt, wird aufgrund des in diesem Fall beim Stoffwechsel des lebenden Materials anfallenden NADH durch die einfallende Anregungsstrahlung Fluoreszenz bei ca. 450nm angeregt, welche dann durch drei Detektoren 8,9,10 unter unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden kann.If the biological material is vital, i.e. living material, due to the NADH produced in this case during the metabolism of the living material, fluorescence is excited at approx. 450nm by the incident excitation radiation, which is then detected by three detectors 8,9,10 can be recorded at different angles.

Für eine Messung von FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) kann Anregungsstrahlung im Bereich von 470nm verwendet werden; die entsprechende Fluoreszenzstrahlung liegt im Bereich von 420nm. Insbesondere im Falle einer kombinierten Messung von miteinander in Beziehung stehenden Indikatoren wie bspw. NADH und FAD kann eine Änderungsaussage über den Quotienten der beiden Signale generiert werden, bei welchen der Quotient invariant gegenüber den absoluten Intensitäten ist.To measure FAD (flavin adenine dinucleotide), excitation radiation in the range of 470 nm can be used; the corresponding fluorescence radiation is in the range of 420nm. In particular, in the case of a combined measurement of interrelated indicators such as NADH and FAD, a change statement can be generated about the quotient of the two signals, in which the quotient is invariant compared to the absolute intensities.

Im gezeigten Beispiel sind die Detektoren 8,9,10 unter den Winkeln 180°, 90° und 20° zur einfallenden Anregungsstrahlung 3 angeordnet und mit Filtern 11,12,13 versehen, welche lediglich für eine Wellenlänge von 450nm Transmission zeigen, so dass lediglich die angeregte Fluoreszenzstrahlung 14 passieren kann und die Detektoren 8,9,10 erreicht. Die Filter können für andere Varianten der Messung selbstverständlich hinsichtlich ihrer Transmissionseigenschaften entsprechend angepasst werden oder schaltbar ausgeführt sein.In the example shown, the detectors 8, 9, 10 are arranged at angles of 180°, 90° and 20° to the incident excitation radiation 3 and are provided with filters 11, 12, 13 which only show transmission for a wavelength of 450 nm, so that only the excited fluorescent radiation 14 can pass through and reach the detectors 8,9,10. The filters can of course be adapted accordingly with regard to their transmission properties for other variants of the measurement or can be designed to be switchable.

Eine erhöhte Aussagekraft der beschriebenen Fluoreszenzmessung lässt sich dadurch erreichen, dass parallel bzw. alternativ dazu eine Streulichtmessung vorgenommen wird. Die Streulichtmessung erlaubt es, über die gemessene Streuung einfallender Strahlung Rückschlüsse auf den Trübungsgrad im Probenvolumen und damit auf die Konzentration von Zellen in der Nährlösung zu ziehen. In der dargestellten Ausführungsform ist zur Bereitstellung der dazu verwendeten, nachfolgend als Streustrahlung bezeichneten Strahlung eine weitere Strahlungsquelle 15 vorhanden, welche elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge im Bereich von 450nm emittiert. Diese Streustrahlung 16 trifft nach dem Austritt aus der Strahlungsquelle 15 zunächst auf den dichroitischen Spiegel 4, wo sie aufgrund der Transmissionseigenschaften des dichroitischen Spiegels 4 in Richtung des Probenvolumens 1 reflektiert wird. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Streustrahlung 16 in demjenigen Bereich des dichroitischen Spiegels 4 reflektiert wird, in dem auch den Anregungsstrahlung 3 den Spiegel 4 passiert, da in diesem Fall für den geometrischen Strahlenverlauf der Streustrahlung 16 und der Anregungsstrahlung 3 weitgehend identische Bedingungen geschaffen werden.Increased significance of the fluorescence measurement described can be achieved by carrying out a scattered light measurement in parallel or alternatively. Scattered light measurement makes it possible to draw conclusions about the degree of turbidity in the sample volume and thus about the concentration of cells in the nutrient solution based on the measured scattering of incident radiation. In the embodiment shown, in order to provide the radiation used for this purpose, hereinafter referred to as scattered radiation, a further radiation source 15 is present, which emits electromagnetic radiation at a wavelength in the range of 450 nm. After emerging from the radiation source 15, this scattered radiation 16 first hits the dichroic mirror 4, where it is reflected in the direction of the sample volume 1 due to the transmission properties of the dichroic mirror 4. It is advantageous if the scattered radiation 16 is reflected in that area of the dichroic mirror 4 in which the excitation radiation 3 also passes through the mirror 4, since in this case largely identical conditions are created for the geometric beam path of the scattered radiation 16 and the excitation radiation 3 .

Wie die Anregungsstrahlung 3 passiert auch die Streustrahlung 16 im weiteren Verlauf den Strahlenteiler 5, wo ein Referenzanteil 17 auch von der Streustrahlung 16 abgezweigt wird. Die Referenzanteile 6 und 17 der Anregungs- und der Streustrahlung 3 und 16 werden auf einem Referenzdetektor 18 aufgenommen und dienen dazu, beispielsweise Intensitätsschwankungen in der durch die Strahlungsquellen 2 oder 15 emittierten Strahlung zu erfassen und bei der Auswertung der Messungen zu berücksichtigen.Like the excitation radiation 3, the scattered radiation 16 also passes through the beam splitter 5, where a reference component 17 is also branched off from the scattered radiation 16. The reference components 6 and 17 of the excitation and scattered radiation 3 and 16 are recorded on a reference detector 18 and are used, for example, to detect intensity fluctuations in the radiation emitted by the radiation sources 2 or 15 and to take them into account when evaluating the measurements.

Der Messanteil der Streustrahlung 16 tritt nachfolgend in das Probenvolumen 1 ein, wo eine Streuung an den im Probenvolumen 1 vorhandenen Zellen als Streuzentren erfolgt, so dass die ungestreut hindurchtretende Strahlung 16 und die gestreute Strahlung 19 von den bereits erwähnten Detektoren 8,9,10 unter verschiedenen Winkelbereichen aufgenommen werden kann. Dabei wird es vom Maß der Trübung der Nährlösung, also insbesondere auch von der Konzentration der in der Nährlösung vorhandenen Zellen abhängen, in welchem Ausmaß eine Streuung erfolgt. Bei einer geringen Konzentration von Zellen in der Nährlösung ist davon auszugehen, dass ein erheblicher Anteil der Streustrahlung 16 die Nährlösung ungestreut durchtritt, also den Detektor 8 bei 180° erreicht. Mit steigender Konzentration von Zellen in der Nährlösung wird die Intensität der gestreuten Strahlung 19 bei den bei 90° bzw. 20° angeordneten Detektoren 9 und 10 ansteigen.The measurement portion of the scattered radiation 16 subsequently enters the sample volume 1, where scattering occurs at the cells present in the sample volume 1 as scattering centers, so that the radiation 16 passing through unscattered and the scattered radiation 19 from the detectors 8, 9, 10 already mentioned different angle ranges can be recorded. The extent to which scattering occurs will depend on the degree of turbidity of the nutrient solution, and in particular on the concentration of the cells present in the nutrient solution. If the concentration of cells in the nutrient solution is low, it can be assumed that a significant proportion of the scattered radiation 16 the nutrient solution passes through unscathed, i.e. reaches the detector 8 at 180°. As the concentration of cells in the nutrient solution increases, the intensity of the scattered radiation 19 will increase in the detectors 9 and 10 arranged at 90° and 20°, respectively.

Es versteht sich von selbst, dass das Probenvolumen 1 vorteilhafterweise entweder mit Anregungsstrahlung 3 oder mit Streustrahlung 16 bestrahlt wird. Bei der Bestrahlung mit Anregungsstrahlung 3 wird über die Erfassung der angeregten Fluoreszenz die Vitalität der in der Nährlösung vorhandenen Zellen ermittelt. Die Aussagekraft dieser Messung wird entsprechend der vorliegenden Erfindung dadurch erhöht, dass mittels der Streumessung die Konzentration der Zellen in der Nährlösung bestimmt wird. Eine hohe gemessene Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 bei einer niedrigen Konzentration von Zellen in der Nährlösung ist ein Indikator für einen hohen Anteil vitaler Zellen. Umgekehrt ist eine niedrige Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 ein Indikator für eine geringe Vitalität der Zellen.It goes without saying that the sample volume 1 is advantageously irradiated either with excitation radiation 3 or with scattered radiation 16. When irradiated with excitation radiation 3, the vitality of the cells present in the nutrient solution is determined by recording the excited fluorescence. According to the present invention, the significance of this measurement is increased in that the concentration of the cells in the nutrient solution is determined by means of the scatter measurement. A high measured intensity of the fluorescence radiation 14 at a low concentration of cells in the nutrient solution is an indicator of a high proportion of vital cells. Conversely, a low intensity of the fluorescent radiation 14 is an indicator of low cell vitality.

Es ist ebenso denkbar, die Kombinationsmessung auch für andere Anwendungen in Labor- und Prozessmesstechnik zu nutzen - (Trübung und Floureszenz, Absorption und Streulicht, insbesondere

  • • Absorption für gelöste Stoffe
  • • Streulicht für winkelaufgelöste Partikeldetektion
  • • Fluoreszenz für Vitalität/andere Anwendungen in der Labor- und Prozessmesstechnik
It is also conceivable to use the combination measurement for other applications in laboratory and process measurement technology - (turbidity and fluorescence, absorption and scattered light, in particular
  • • Absorption for solutes
  • • Scattered light for angle-resolved particle detection
  • • Fluorescence for vitality/other applications in laboratory and process measurement technology

Es wäre auch möglich eine derartige Lösung in drei oder mehr Dimensionen zu nutzen.It would also be possible to use such a solution in three or more dimensions.

So könnten beispielsweise zwei oder mehr aus den folgenden Messungen mit einander verknüpft werden:

  • • Fluoreszenz unter verschiedenen Winkeln
  • • Streuung unter verschiedenen Winkeln
  • • Absorption mit verschiedenen Pfadlängen
  • • Ramanstreuung
For example, two or more of the following measurements could be linked together:
  • • Fluorescence at different angles
  • • Scattering at different angles
  • • Absorption with different path lengths
  • • Raman scattering

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
ProbenvolumenSample volume
22
StrahlungsquelleRadiation source
33
Anregungsstrahlungexcitation radiation
44
Optisches ElementOptical element
55
AblenkelementDeflection element
66
ReferenzanteilReference proportion
77
MessanteilMeasurement proportion
8,9,108,9,10
Detektorendetectors
11,12,1311,12,13
Filterfilter
1414
FluoreszenzstrahlungFluorescent radiation
1515
StrahlungsquelleRadiation source
1616
Streustrahlungscattered radiation
1717
ReferenzanteilReference proportion
1818
ReferenzdetektorReference detector
1919
Gestreute StrahlungScattered radiation

Claims (32)

Verfahren zur Untersuchung von organischem Material, wobei das organische Material mit Anregungsstrahlung (3) bestrahlt wird, und wobei die Intensität von durch die Bestrahlung angeregter Fluoreszenzstrahlung (14) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material zusätzlich mit elektromagnetischer Streustrahlung (16) bestrahlt wird, bei welcher Streuung an dem Material auftritt und die gestreute Strahlung (19) aufgenommen wird.Method for examining organic material, wherein the organic material is irradiated with excitation radiation (3), and wherein the intensity of fluorescent radiation (14) excited by the irradiation is determined, characterized in that the organic material is additionally irradiated with electromagnetic scattered radiation (16). is, in which scattering occurs on the material and the scattered radiation (19) is recorded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gestreute Strahlung (19) und/oder die Fluoreszenzstrahlung (14) unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln gegenüber einer Bestrahlungsrichtung aufgenommen werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the scattered radiation (19) and/or the fluorescent radiation (14) are recorded at at least two different angles relative to an irradiation direction. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Winkel zwischen 160° und 200°, insbesondere bei 180° liegt.Procedure according to Claim 2 , characterized in that a first angle is between 160° and 200°, in particular 180°. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Winkel zwischen 70° und 110°, insbesondere bei 90° liegt.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that a second angle is between 70° and 110°, in particular at 90°. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Winkel zwischen 0° und 40°, insbesondere bei 20° liegt.Procedure according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that a third angle is between 0° and 40°, in particular at 20°. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material im Wechsel mit Anregungsstrahlung (3) und Streustrahlung (16) bestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic material is irradiated alternately with excitation radiation (3) and scattered radiation (16). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streustrahlung (16) eine Wellenlänge im Bereich von 450nm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the scattered radiation (16) has a wavelength in the range of 450 nm. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material mit Anregungsstrahlung (3) im Wellenlängenbereich von 260nm-280nm bestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic material is irradiated with excitation radiation (3) in the wavelength range of 260nm-280nm. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material mit Streustrahlung (16) im Wellenlängenbereich von 650nm oder 450nm bestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic material is irradiated with scattered radiation (16) in the wavelength range of 650nm or 450nm. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Vitalität des organischen Materials die Intensität der gestreuten Strahlung (19) und die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (14) in eine mathematische Beziehung zu einander gesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to determine the vitality of the organic material, the intensity of the scattered radiation (19) and the intensity of the fluorescent radiation (14) are put into a mathematical relationship with one another. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mathematischen Beziehung um einen Quotienten handelt.Procedure according to Claim 10 , characterized in that the mathematical relationship is a quotient. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung (3) und die Streustrahlung (16) mindestens abschnittsweise auf demselben Weg auf das Probenvolumen gelenkt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation radiation (3) and the scattered radiation (16) are directed onto the sample volume at least in sections along the same path. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungsstrahlung im Wellenlängenbereich von 340nm verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that excitation radiation in the wavelength range of 340 nm is used. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungsstrahlung im Wellenlängenbereich von 260nm-280nm verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that excitation radiation in the wavelength range of 260nm-280nm is used. Messanordnung zur optischen Untersuchung von organischem Material, umfassend - ein Probenvolumen (1) zur Aufnahme des Materials - mindestens eine erste elektromagnetische Strahlungsquelle (2) zur Bestrahlung des Materials in einer Bestrahlungsrichtung mit Anregungsstrahlung (3) - mindestens einen Anregungsdetektor (8,9,10), welcher dazu eingerichtet ist, von der Anregungsstrahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung (14) zu detektieren - mindestens eine zweite Strahlungsquelle (15), welche dazu eingerichtet ist, das organische Material zusätzlich mit elektromagnetischer Streustrahlung (16) zu bestrahlen - mindestens einen Detektor (9,10), der dazu eingerichtet ist, die gestreute Strahlung (19) zu erfassen.Measuring arrangement for the optical examination of organic material, comprising - a sample volume (1) to hold the material - at least one first electromagnetic radiation source (2) for irradiating the material in an irradiation direction with excitation radiation (3) - At least one excitation detector (8,9,10), which is set up to detect fluorescent radiation (14) excited by the excitation radiation - At least one second radiation source (15), which is set up to additionally irradiate the organic material with electromagnetic scattered radiation (16). - At least one detector (9,10) which is set up to detect the scattered radiation (19). Messanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Detektor zur Erfassung der gestreuten Strahlung um den Anregungsdetektor (9,10) handelt.Measuring arrangement according to Claim 15 , characterized in that the detector for detecting the scattered radiation is the excitation detector (9,10). Messanordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (15) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 450nm oder 650nm zu emittieren.Measuring arrangement according to Claim 15 or 16 , characterized in that the second radiation source (15) is suitable for emitting electromagnetic radiation in a wavelength range of 450nm or 650nm. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass - eine weitere Strahlungsquelle vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 260-280nm zu emittieren - mindestens ein Detektor vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ca. 280-350nm zu detektieren.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 until 17 , characterized in that - there is a further radiation source which is set up to emit only electromagnetic radiation with a wavelength of approximately 260-280nm - there is at least one detector which is set up to only emit electromagnetic radiation in a wavelength range of to detect approx. 280-350nm. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderichtung einer Strahlungsquelle (2) und die Empfangsrichtung eines korrespondierenden Detektors (8) einen Winkel von 160°-200°, insbesondere im Bereich von 180° einschließen.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 18 , characterized in that the transmission direction of a radiation source (2) and the reception direction of a corresponding detector (8) enclose an angle of 160°-200°, in particular in the range of 180°. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderichtung einer Strahlungsquelle (2) und die Empfangsrichtung eines korrespondierenden Detektors (9) einen Winkel von 70°-110°, insbesondere im Bereich von 90° einschließen.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 19 , characterized in that the transmission direction of a radiation source (2) and the reception direction of a corresponding detector (9) enclose an angle of 70°-110°, in particular in the range of 90°. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-20, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderichtung einer Strahlungsquelle (2) und die Empfangsrichtung eines korrespondierenden Detektors (10) einen Winkel von 0°- 40°, insbesondere im Bereich von 20° einschließen.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 20 , characterized in that the transmission direction of a radiation source (2) and the reception direction of a corresponding detector (10) enclose an angle of 0° - 40°, in particular in the range of 20°. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-21, dadurch gekennzeichnet, dass - eine weitere Strahlungsquelle vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 650nm zu emittieren - mindestens ein Detektor dazu eingerichtet ist, lediglich elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 650nm zu detektieren.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 21 , characterized in that - there is a further radiation source which is set up to emit only electromagnetic radiation with a wavelength of 650nm - at least one detector is set up to only detect electromagnetic radiation in a wavelength range of 650nm. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-22, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Ablenkelement (5) vorhanden ist, welches dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil der von einer Strahlungsquelle (2,15) emittierten elektromagnetischen Strahlung (3,16) unmittelbar auf einen Detektor (18) zu lenken.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 22 , characterized in that - a deflection element (5) is present, which is designed to direct at least part of the electromagnetic radiation (3,16) emitted by a radiation source (2,15) directly onto a detector (18). Messanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ablenkelement (5) um einen Strahlenteiler handelt.Measuring arrangement according to Claim 23 , characterized in that the deflection element (5) is a beam splitter. Messanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (5) eine gegenüber der Einfallsrichtung der Strahlung (3,16) verkippte Quarzglasfolie umfasst.Measuring arrangement according to Claim 24 , characterized in that the beam splitter (5) comprises a quartz glass film tilted relative to the direction of incidence of the radiation (3,16). Messanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasfolie gegenüber der Einfallsrichtung der Strahlung (3,16) um ca. 45° verkippt angeordnet ist.Measuring arrangement according to Claim 25 , characterized in that the quartz glass film is arranged tilted by approximately 45° relative to the direction of incidence of the radiation (3,16). Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-26, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (4) vorhanden ist, welches dazu eingerichtet ist, die Anregungsstrahlung (3) und die Streustrahlung (16) mindestens abschnittsweise auf demselben Weg auf das Probenvolumen (1) zu lenken.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 26 , characterized in that an optical element (4) is present, which is designed to direct the excitation radiation (3) and the scattered radiation (16) onto the sample volume (1) at least in sections along the same path. Messanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem optischen Element (4) um einen dichroitischen Spiegel handelt.Measuring arrangement according to Claim 27 , characterized in that the optical element (4) is a dichroic mirror. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-28, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenvolumen im Erfassungsbereich einer Prozesssonde angeordnet ist.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 28 , characterized in that the sample volume is arranged in the detection area of a process probe. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-28, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenvolumen innerhalb einer Durchflusszelle angeordnet ist.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 28 , characterized in that the sample volume is arranged within a flow cell. Messanordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusszelle als Single-Use-Durchflusszelle ausgebildet ist.Measuring arrangement according to Claim 30 , characterized in that the flow cell is designed as a single-use flow cell. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15-31, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strahlungsquellen vorhanden sind, die mit derselben Wellenlänge emittieren sowie ein Detektor, der von Strahlung erreicht wird, die von beiden Strahlungsquellen emittiert oder angeregt wird.Measuring arrangement according to one of the Claims 15 - 31 , characterized in that there are at least two radiation sources that emit with the same wavelength and a detector that is reached by radiation that is emitted or excited by both radiation sources.
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