DE4227813A1 - Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung einer zu analysierenden Probe - Google Patents
Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung einer zu analysierenden ProbeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
qualitativen und quantitativen in-vitro oder in-vivo
Bestimmung einer zu analysierenden Probe mittels abge
schwächter Totalreflexion unter Verwendung wenigstens
einer Strahlungsquelle, eines ATR-Elementes sowie einer
Detektoreinheit.
Bekannt ist ein 1961 von Harrick und Fahrenfort erstmals
beschriebenes Analyseverfahren für stark absorbierende
Stoffe, die sogenannte "abgeschwächte Totalreflexion"
(Attenuated Total Reflectance, ATR). Es ist eine Re
flexionsmethode, die sich die physikalischen Erscheinungen
an der Grenzfläche zweier optisch verschieden dichter
Medien zunutze macht.
Trifft ein Lichtstrahl in einem Medium mit hohem
Brechungsindex n2 schräg auf die Grenzfläche zu einem
optisch dünneren Medium mit n1, so wird der Strahl, wenn
der Einfallswinkel α (Winkel zwischen einfallendem Licht
strahl und Lot auf der Grenzfläche) den Grenzwinkel der
Totalreflexion übersteigt, in das optisch dichtere Medium
zurückreflektiert. Ein Teil der elektromagnetischen Ener
gie dringt aber trotzdem einige Lichtwellenlängen tief in
das optisch dünnere Medium ein (Oberflächenwellen).
Kehrt die Energie dieses Anteils wieder völlig in das
Medium mit höherem Brechungsindex zurück, dann spricht man
von Totalreflexion. Wird aber die ins optisch dünnere
Medium eingedrungene elektromagnetische Strahlung absor
biert, dann fehlen die entsprechenden Wellenlängen bzw.
Energieanteile im reflektierten Strahl.
Auf dieser Grundlage beruht nun die ATR-Technik. Sie er
fordert eine spezielle optische Einrichtung, die üblicher
weise im Probenraum eines Spektrometers unterzubringen
ist. Der ATR-Zusatz besteht aus einem Spiegelsystem, das
den einfallenden Strahl in einen Kristall meist in der
Form eines trapezförmig geschnittenen Prismas von hohem
Reflexionsvermögen (z. B. KRS5, Ge, AgCI, o. ä.) lenkt, der
mit der zu untersuchenden Probenoberfläche in Kontakt
steht. In der ursprünglichen Anordnung von Fahrenfort
kommt es an der Grenzfläche zwischen Kristall und Probe
einmal zur Totalreflexion. Heute verwendet man meistens
flache Kristallplatten, an die die Probe von beiden Seiten
angedrückt wird. Die Strahlung tritt durch das abgeschräg
te schmale Ende in den Kristall ein, wird zwischen den
Oberflächen (bis zu 50 mal) hin und her reflektiert und
verläßt denselben durch das andere schmale Kristallende.
Dieser ATR-Typ wird deshalb auch als "Vielfachreflexions
einheit", die Methode als FMIR (frustrated
multiple internal reflection) oder auch nur MIR bezeich
net.
Aus den bereits erwähnten physikalischen Grundlagen folgen
nun die Bedingungen und die Möglichkeiten der ATR-Technik.
Für das Zustandekommen eines ATR-Spektrums sind folgende
Punkte maßgebend:
- - Der Unterschied der Brechungsindizes von Re flexionselement und Probe bei einer gewählten Wellenlänge,
- - der Einfallswinkel α,
- - die Absorption der Probe,
- - der optische Kontakt zwischen ATR-Kristall und Probe,
- - die Anzahl n der Reflexionen innerhalb des Kristalls,
- - die ausgeleuchtete Fläche des Kristalls,
- - die Eindringtiefe der Oberflächenwelle in die Probe.
Quantitative Messungen waren mit der ATR-Technik bisher
in der Regel nicht möglich, da der Kontakt zwischen
Probe und Reflexionselement vom Anpreßdruck bzw. von
der Oberflächenbeschaffenheit der Probe abhängt.
Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer zu
analysierenden Probe anzugeben, mit der sich sowohl
qualitative als auch quantitative Bestimmungen mit
hoher Genauigkeit nicht nur in vitro sondern auch in
vivo durchführen lassen. Gegenüber den bekannten Vor
richtungen sollen dabei in erster Linie die Analyse-
/Meßgenauigkeit verbessert sowie das Nachweisvermögen,
welches ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung der
Güte eines Analyseverfahrens ist, erheblich erhöht
werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, einen Meßkopf in miniaturisierter Form zu ent
wickeln, der die Baugröße der herkömmlichen ATR-Zusätze
um Größenordnungen unterschreitet.
Ein erfindungsgemäßer miniaturisierter Meßkopf eröffnet
völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, die weit über jene
des heutigen Standes der Technik hinausgehen.
Der Erfindung liegt u. a. die überraschende Erkenntnis
zugrunde, das dieses Ziel z. B. durch die Verwendung
eines ATR-Elementes einfachster geometrischer Form,
nämlich halbzylindrisch oder halbkugelförmig, erreicht
werden kann. Entgegen dem Stand der Technik werden also
keine aufwendig geformten Kristalle, die üblicherweise
nicht nur teuer, sondern auch sehr empfindlich und
bisweilen sogar giftig (KRS5!) sind benötigt, sondern
es gelangen z. B. einfache handelsübliche plankonvexe
Mikrolinsen aus Glas oder Kunststoff, welche die Form
von Halbkugeln besitzen, zum Einsatz.
Als Primärstrahlungsquelle werden, entgegen dem Stand
der ATR-Technik, single- oder multimodige Laserdioden
(Fabry-Perot-Typ) mit je nach Analysenaufgabe unter
schiedlicher Wellenlänge benutzt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung benötigt u. a. keinen Monochromator.
Singlemodige Laserdioden senden beispielsweise selbst
streng monochromatische Strahlung aus.
Als Strahlungsdetektoren werden, abhängig von den
emittierten Wellenlängenbereichen der als
Primärstrahlungsquelle(n) eingesetzten Laserdiode(n)
einfache (üblicherweise ungekühlte) Photodioden (z .B.
Ge-Detektoren) verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrich
tung erübrigt den Einsatz teurer Diodenarrays oder
Photomultiplier.
Erfindungsgemäß wird deshalb eine Vorrichtung geschaf
fen, die einerseits das ATR-Element aufnimmt, anderer
seits aber auch als Halterung für eine oder mehrere
Laserdioden dient und darüberhinaus einer oder mehreren
(je nach Anzahl der eingesetzten Laserdioden)
Photodioden Halt bietet. Die plane Fläche des ATR-
Elementes liegt in einer Ebene (im weiteren Text
"Grundfläche" genannt) mit der besagten Aufnahmevor
richtung und dient später zur Aufnahme der Probens
ubstanz, bzw. kann z. B. gegen die zu untersuchende
Probensubstanz gepreßt werden. Die gekrümmte
Grenzfläche des ATR-Elementes ragt in die besagte Auf
nahmevorrichtung hinein und verschließt dabei gleich
zeitig einen Hohlraum der als Lichtfalle dient und
unterschiedlich gestaltet sein kann.
Die Laserdiode wird innerhalb der besagten Vorrichtung
so angeordnet, daß sie unter einem Winkel größer als
der Grenzwinkel der Totalreflexion für das entsprechen
de Medium auf den Mittelpunkt (bzw. bei halbzylinder
förmigen ATR-Elementen die Mittellinie) des ATR-Elemen
tes zielt. Eine zu der Laserdiode korrespondierende
Photodiode wird unter demselben Winkel, jedoch auf der
der Laserdiode gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung
befestigt. Zu beachten ist hierbei, daß Einstrahlungs
winkel (Laserdiodenseitig) und Ausstrahlungswinkel
(Detektorseitig) genau gleich sein müssen.
Entsprechendes gilt natürlich bei der Verwendung mehre
rer Laserdioden: Die Aufnahmevorrichtung erlaubt den
Einsatz (nahezu) beliebig vieler Laserdioden und der
dazugehörigen Anzahl von Photodioden. Diese können je
nach Form des verwendeten ATR-Elementes parallel zu
bzw. kreisförmig um dieses herum angeordnet sein. Wie
man leicht sieht können nach diesem Prinzip viele un
terschiedliche Konstellationen realisiert werden, z. B.
mehrere Laserdioden mit derselben Wellenlänge aber
unterschiedlichem Einstrahlwinkel, oder aber mehrere
Laserdioden mit unterschiedlicher Wellenlänge aber
gleichem Einstrahlwinkel, oder auch Kombinationen bei
der Möglichkeiten.
Die Wellenlänge der von Laserdioden emittierten Strah
lung ist stark temperatur- und stromabhängig. Üblicher
weise wird daher versucht neben einer entsprechenden
Strom- oder Leistungsstabilisierung auch die Temperatur
möglichst konstant zu halten. Entsprechend dem Stand
der Technik wird dies meist durch Kühlung der Laser
dioden durch Ventilatoren, Peltierelemente, Verwendung
von flüssigem Stichstoff o. ä. realisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die überra
schende Erkenntnis zugrunde, daß eine geeignete Tempe
raturregelung der Laserdiode auch durch Verwendung von
Thermistoren ermöglicht wird. Insbesondere geschieht
das durch Verwendung von Kaltleitern (PTC-Widerständen)
welche als Heizelemente eingesetzt werden um die Tempe
ratur der Laserdiode auf einen Wert oberhalb der Umge
bungstemperatur, welcher durch den Laserstrom allein
nicht erreicht wird, hochzuheizen. Aufgrund ihrer spe
ziellen Kennlinie können die verwendeten Kaltleiter
gleichzeitig als Regelelemente eingesetzt werden. Ein
(ggf. auch mehrere) PTC-Widerstand wird dabei erfin
dungsgemäß mit dem Gehäuse der Laserdiode, vorzugsweise
mit dem Flansch, in Kontakt gebracht.
Beschrieben wird eine Vorrichtung (Meßkopf, Sensorkopf)
zur qualitativen und/oder quantitativen in-vitro oder
in-vivo Bestimmung der Zusammensetzung einer zu analy
sierenden Probe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Kombination
folgender Merkmale auf:
- - es ist mindestens eine Laserdiode vorgesehen, welche unter einem bestimmten Winkel Strahlung aussendet in
- - ein geometrisch einfachst gestaltetes ATR-Element auf dessen planer Grundfläche die zu untersuchende Proben substanz positioniert werden kann
- - sowie mindestens ein zur Laserdiode korrespondieren der Strahlungsdetektor,
- - ferner enthält die Vorrichtung mindestens einen PTC- Widerstand zur Temperaturregelung der Laserdiode.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbe
sondere durch ihre Einfachheit aus, welche eine äußerst
geringe Baugröße ermöglicht. Daraus resultiert ein
weites Feld von Anwendungsmöglichkeiten, von denen
abschließend nur noch einmal der Einsatz zur Analyse
menschlichen Gewebes, insbesondere zur in vivo Untersu
chung von Körperflüssigkeiten sowie ganz speziell zur
non-invasiven Bestimmung von Bestandteilen des mensch
lichen Blutes (Blutglucose, Cholesterin, Alkohol, etc.)
erwähnt werden soll.
Claims (21)
1. Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen in-
vitro oder in-vivo Bestimmung einer zu analysierenden
Probe mittels abgeschwächter Totalreflexion unter
Verwendung wenigstens einer Strahlungsquelle, eines
ATR-Elementes sowie einer Detektoreinheit,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- - die Strahlungsquelle erzeugt einen auf das ATR-Ele ment gerichteten Primärstrahl, der das ATR-Element unter dem Winkel α, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion αT am Übergang vom optisch dichteren zum dünneren Medium ist, trifft,
- - an wenigstens einer Seite des ATR-Elementes ist die zu analysierende Probe anbringbar, deren obeflächennahe Schicht in Wechselwirkung mit der Primärstrahlung tritt,
- - eine zum Einfallswinkel der Primärstrahlung in das ATR-Element korrespondierende Detektoreinheit detek tiert die aus dem ATR-Element austretende Strahlung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Proben
substanz ein Meßstrahl erdorderlich ist, der in
selbstkalibrierender Weise am Detektor ein in Abhängig
keit von der Meßprobe stehendes Meßsignal erzeugt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine
Laserdiode ist, deren Wellenlängenstabilität u. a. durch
Temperaturkonstantregelung gewährbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung mit
einem Kaltleiter (PTC-Widerstand) derart vornehmbar
ist, daß eine konstante Temperatur oberhalb der Umge
bungstemperatur einstellbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung mit
einem Peltierelement derart vornehmbar ist, daß eine
gewünschte Temperatur einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das ATR-Element eine halb
zylindrische, halbkugelige oder irreguläre Form auf
weist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das ATR-Element eine
plankonvexe Mikrolinse aus Glas oder Kunststoff ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode bevorzugter
weise im Multi-Mode, gegebenenfalls auch im Single-
Mode betreibbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit aus
einer ungekühlten Photodiode besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Fassungsteil vorgesehen
ist, das eine kompakte Zusammensetzung des ATR-Elementes
mit wenigstens einer Strahlungsquelle, die mit einem
PTC-Widerstand kombinierbar ist, und Detektoreinheiten
entsprechender Anzahl ermöglicht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das ATR-Element derart in
die Fassung einbringbar ist, daß es mit seiner ge
wölbten Oberseite in das Innere einer vorgesehenen
Ausparung in der Fassung einbringbar ist und dadurch
einen inneren Hohlraum einschließt, der als Lichtfalle
dient.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß sich im Inneren der Aus
sparung ein weiterer Detektor in Kombination zu einem
Körper mit lichtsammelnden Eigenschaften befindet, der
zur Messung der Reflektanzstrahlung dient.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle und zugehörige
Detektoreinheit gemäß Einfalls- und Ausfallswinkel
angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der
Lichtquelle sowie die zugehörige Temperaturregelung
selbstkalibrierend ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der physikali
schen Parameter Temperatur, Leistung, Stromstärke sowie
weitere physikalische Parameter je nach Auflagendruck
der Probe zur Bestimmung der Probensubstanz heranzieh
bar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der physika
lischen Änderungen der Luft, z. B. der Temperatur zur
Bestimmung der Probensubstanz heranziehbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der von
der Probe und der Luft verursachten Änderungen der
physikalischen Parameter durch geeignete mathematische
Auswertealgorithmen, bspw. durch multilineare Regressi
on, erfolgt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß durch ortsabhängige
Dotierung des Laserchips der Primärstrahlungsquelle
bzw. durch Änderung der Stromstärke dessen innere
Struktur derart änderbar ist, daß eine unterschiedliche
Elektronendichte erzielbar ist, die eine Orts
abhängigkeit des Brechungsindex bewirkt, so daß eine
Aussendung von mehreren Strahlungsbündeln gleicher
und/oder unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß von einer
Primärstrahlungsquelle mehr als ein Strahlungsbündel in
das ATR-Element einstrahlbar ist, das unterschied
lichen Wechselwirkungen mit der Probe in unterschied
licher Eindringtiefe unterliegt.
20. Verfahren unter Anwendung der Vorrichtung gemäß
Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die detektierte Strahlung
je nach Bedarf vor und/oder nach jeder Probenanalyse
durch einer Referenzmessung an Luft gemessen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20 zur non-invasiven Be
stimmung von Blutbestandteilen, bspw. Blutglucose,
Cholesterin, Alkohol etc.
dadurch gekennzeichnet, daß eine blutdurchströmte
Hautstelle, vorzugsweise im Bereich eines Fingerab
drucks, derart auf die Meßoberfläche des ATR-Elements
auflegbar ist, daß der Meßerfolg vollständig bzw.
weitgestgehend unabhängig vom Auflagedruck der Haut
stelle ist.
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