WO2021209092A1 - Method and device for interference-source-independent luminescence-based measurement of an analyte - Google Patents

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WO2021209092A1
WO2021209092A1 PCT/DE2021/100330 DE2021100330W WO2021209092A1 WO 2021209092 A1 WO2021209092 A1 WO 2021209092A1 DE 2021100330 W DE2021100330 W DE 2021100330W WO 2021209092 A1 WO2021209092 A1 WO 2021209092A1
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analyte
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excitation light
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PCT/DE2021/100330
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Lutz Jügelt
Alexander Wannenwetsch
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UMS - Umwelt-, Membran- und Sensortechnik GmbH & Co. KG
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for luminescence-based optical measurement of the concentration of an analyte, in particular oxygen, in a fluid, in particular a gas mixture, one in contact with the fluid and one sensitive to the analyte, i.e. in the presence of the analyte its fluorescence properties changing, exposed to the fluorophore with excitation light from a light source, which detects the luminescence light emitted in response to the excitation light and light from possibly existing sources of interference by means of a light detector and a delay, in particular a response time delay or a phase shift, is measured by a controller and from this the concentration of the analyte is determined.
  • an analyte in particular oxygen
  • a fluid in particular a gas mixture
  • Luminescence and fluorescence are essentially used synonymously in the following, even if luminescence is actually a broad generic term which, in addition to fluorescence, which falls under the more restricted term photoluminescence, also includes other effects with spontaneous photon emission by an excited medium which were not excited by photons but by other means, for example mechanically (Mechanoluminescence), chemical (chemiluminescence) or electrical (electroluminescence).
  • Luminescence or fluorescence-based gas sensors such as oxygen sensors, use sensitive fluorescent materials for the respective analyte, ie the gas to be detected, in order to measure the analyte concentration of a fluid to be examined, ie a gas mixture or a liquid.
  • a fluorescent material emits luminescent light of a second, usually higher (ie lower-energy) wavelength through spontaneous emission of photons after its molecules have been excited by excitation light of a first wavelength or a first wavelength range. This spontaneous emission takes place with a certain delay, which corresponds to the lifetime of the excited states occupied by the excitation light. Both the intensity and the delay of the spontaneous emission, i.e. of the luminescent light, can depend on environmental parameters.
  • the intensity and delay are dependent on the oxygen content of the material.
  • Oxygen can diffuse into the material from the environment or, conversely, diffuse out of the material into the environment. Intensity and delay can therefore be a measure of the oxygen content in the vicinity of the material.
  • a determination of the analyte concentration from the delay is much more precise compared to a determination from the intensity, since the intensity of the luminescent light is caused by several uncontrolled, time-changing factors, such as the transparency of the fluid in the wavelength ranges involved and possibly a container or container that accommodates the fluid the Supply voltage and the aging of the excitation light source.
  • the luminescence-based measurement is also suitable for determining the concentration of other monatomic gases such as nitrogen (N2) and hydrogen (H2).
  • Response or delay-based measurement methods provide for a periodic control of the excitation light source so that it emits a light pulse of a certain duration with periodic intensity variation.
  • a simple, sinusoidal excitation light pulse is often used.
  • the control voltage or a part of the excitation light is compared with the detected luminescent light in a comparator of a controller and a phase shift is determined from this, which is a measure of the response delay and thus the analyte concentration sought.
  • Such a method is presented, for example, in the publication WO 2004/070367 A1.
  • interfering light In the case of luminescence-based measurements, however, it cannot always be avoided that, in addition to the actual excitation light from the light source, interfering light also reaches the fluorescent material that is sensitive to the analyte. This stray light can come from natural light sources such as the sun or artificial light sources such as room lighting. This interfering light falsifies the detected luminescence light signal both in the case of an intensity measurement, which is already susceptible for other reasons, and in the case of a response time or phase shift measurement.
  • the published international application WO 2014/095506 A1 describes an optical measuring device with an excitation light source for emitting a periodic excitation signal a first clock frequency and a detector for detecting an optical response signal, wherein a controller filters the response signal with a second clock frequency, which is an even multiple of the first clock frequency.
  • the publication WO 2005/033746 A2 describes a device for measuring the phase shift of luminescent light, in which interfering influences on the measured phase shift, which are caused by the components of the device themselves, are reduced by using a second light source an emission spectrum in the range of the fluorescent material is provided for calibrating the system-immanent phase shift not caused by the fluorescence. Even this procedure does not help to eliminate the adverse effects of interfering light.
  • the influence of interfering light with, on the short time scales of interest here, constant intensity, such as that emitted by natural sources of interference such as the sun, can basically be controlled by a high-pass filter, which filters out the DC voltage component of the detected luminescence signal, or by noise - Eliminate solution, i.e. a measurement without excitation light.
  • Artificial light sources whose light contains periodic modulation are therefore essentially problematic. In the case of a light source fed by the mains, this can be, for example, the frequency of the mains alternating voltage, for example 50 Hz in Germany.
  • ballasts which impress modulations in the kilohertz range on the emitted light.
  • the modulation frequencies occurring in the ballasts are not uniform, but differ from light source to light source.
  • the modulation frequency of the stray light As long as the modulation frequency of the stray light is known, its influence can in principle be taken into account and reduced or eliminated.
  • a possible strategy would thus be to determine the modulation frequencies of all artificial light sources present at the location of a luminescence-based analyte measurement and to take them into account when evaluating the detected luminescence signal, for example by filtering the signal in the corresponding ranges and of course choosing a frequency of the periodic excitation light, which differs from all sources.
  • this procedure is very complex and would have to be repeated before each measurement or at least after each replacement of a light source, since the modulation frequencies that occur could have changed.
  • the object of the present invention is therefore to develop a method and a device which allows a reliable and largely interference source-independent luminescence-based determination of the concentration of an analyte in a fluid.
  • a fluorophore in contact with the fluid which contains a fluorescent material sensitive to the analyte, is exposed to excitation light from a light source, then luminescent light by means of a light detector , which the fluorophore emits in response to the excitation with the excitation light of the light source and possibly interfering light from interfering light sources, a response delay is measured by means of a controller and the concentration of the analyte is determined therefrom, with a sequence of individual pulses as the excitation light is used, a time interval between successive individual pulses being chosen randomly or quasi-randomly.
  • the device according to the invention for luminescence-based analyte concentration measurement comprises a light source which can emit excitation light in a first wavelength range, a fluorophore which contains a fluorescent material that is sensitive to the analyte and is arranged in such a way that the fluorescent material is in direct contact with the fluid and can be exposed to the excitation light emitted by the light source, the fluorophore thereupon emitting luminescent light in a second wavelength range as a response to the excitation light and possibly interfering light from interfering sources, with an intensity of the luminescent light is dependent on an intensity of the excitation light and the oxygen content of the fluid, and a response delay of the luminescent light is dependent on the content of the analyte in the fluid but is essentially independent of the intensity of the excitation light of the second wavelength range and outputs an analog detector signal representing a detected light intensity, in particular proportional thereto, and a controller which controls the light source and uses the signal from the light detector to determine the concentration of the
  • absolute analyte concentrations can be determined directly. If a relative proportion is also to be determined, a desired value characterizing the total fluid, such as its total pressure or total density (mass density or molar density, etc.), would have to be determined in a manner known per se by additional, simultaneous measurements the absolute characterizing the analyte concentration determined here To put the value in relation to this, if necessary after previous unit conversion.
  • the main innovation compared to the known luminescence-based measuring methods or devices is that instead of a sinusoidal or otherwise periodic excitation light pulse, a sequence of individual pulses is used, the individual light pulses being at random or quasi-random time intervals from one another.
  • Modulations in the excitation voltage can, as mentioned above, for example from the use of a supply voltage with a certain frequency, for example 50 Hz mains voltage, or a ballast to generate the supply voltage of the light source, such as with fluorescent tubes or LED light sources , originate.
  • the time intervals between the individual pulses are chosen randomly or quasi-randomly, but are known when evaluating the detected luminescent light.
  • the detected signal can be evaluated at the times or time windows corresponding to the pulse intervals. Periodic or non-periodic interfering signals with a different random pattern than the one selected are thereby eliminated. The probability that an aperiodic source of interference causes an interference signal rectified to the excitation signal for several consecutive of the randomly selected measurement times quickly approaches zero with the number of measurement times.
  • the time intervals can be chosen genuinely randomly, for example by means of a quantum random generator. However, this is not absolutely necessary to achieve the goal set here, the elimination of the effects of interfering light, and pulse intervals / measurement times selected quasi-randomly are completely sufficient. Numbers are called quasi-random, which are calculated with the help of a more or less complex formula, i.e. determined deterministically and are therefore actually not random, but certain properties of real random numbers, such as the consistency with a certain probability distribution, exhibit.
  • the measuring method according to the invention suppresses or even completely eliminates the influence of interfering light on the luminescence-based concentration measurement in a surprisingly simple but effective manner.
  • the method according to the invention can also be retrofitted in existing measuring devices, provided that they include a programmable, for example microcontroller-controlled, control and their excitation light source for the transmission of individual pulses with variably changeable pulse intervals in the Location is. All that is necessary for this is a software change that controls the excitation light source in single pulse mode to be provided by the controller. provides given times, the control times being selected according to a more or less complex quasi-random formula.
  • the time interval between successive individual pulses is preferably selected to be greater, as is the response time delay of the received luminescence light.
  • the individual pulse spacing that is to say the time spacing between adjacent individual pulses of the excitation light, is selected between a minimum pulse spacing and a maximum pulse spacing.
  • the minimum pulse interval is preferably between 0.1 and 1 ms, particularly preferably 0.5 ms, and the maximum pulse interval between 1 and 10 ms, particularly preferably 2 ms.
  • the pulse spacings are preferably evenly distributed or are selected such that shorter time intervals are preferred.
  • the pulse intervals can be selected by a random generator, for example integrated into the control of the device according to the invention, which can generate either real random numbers or also quasi-random numbers.
  • This random generator can be a separate hardware module which is integrated into the controller or at least has a data connection with it.
  • this random generator is a Software module and part of control software for the measuring device according to the invention.
  • T i p * (T i-1 + s) Mod q
  • i a consecutive number of the individual pulse
  • s is a one-time or periodically newly selected start value
  • p and q are (large) prime numbers.
  • the pulse shape that is to say the shape of the envelope of the intensity curve of the individual pulses, is basically arbitrary within the scope of the invention, as long as a clear temporal resolution is ensured in the detector.
  • each pulse can also have several intensity maxima, the response delay between corresponding maxima, for example between the first maximum of the excitation pulse and the first maximum of the response pulse, being measured.
  • preference is given to using individual pulses with a rectangular, sawtooth-shaped, Lorenz-shaped or Gaussian-shaped intensity curve, since these provide a sharp temporal resolution of the intensity maximum or the increasing intensity. the pulse edge and thus a more precise determination of the response time delay of the luminescent light.
  • the method according to the invention it is proposed to emit short excitation light pulses with a duration between 0.1 and 10 microseconds, in particular about 0.3-0.5, particularly preferably 0.4 microseconds.
  • Any light source which can be controlled with the desired repetition rate and which emits light in a wavelength range in which the fluorescent material is sensitive can be used as the excitation light source.
  • a laser diode is preferably used as the excitation light source.
  • FIG. 1 in two sub-figures, a schematic representation of a measurement method according to the prior art that works with periodic excitation pulses.
  • FIG. 2 in two partial figures, a schematic representation of the measuring method according to the invention, which uses randomly or quasi-randomly delayed individual pulses.
  • An excitation light source 1 is controlled by a controller 3 in such a way that it emits a periodic excitation light pulse 10, shown here sinusoidally, which strikes a fluorescent fluorophore 4 containing material sensitive to the analyte to be measured and this stimulates the emission of luminescent light 20, 20 '.
  • the intensity and response delay of the luminescent light are dependent on the concentration of the analyte sought.
  • the luminescent light 20, 20 ' is detected by a light detector 2 and the signal from the detector 2 is evaluated by the controller.
  • the luminescence response of the fluorophore is the likewise periodic light pulse 20 'which corresponds in shape to the excitation light pulse 10.
  • the controller 3 can determine the phase shift ⁇ ’, which is a measure of the analyte concentration sought.
  • the fluorophore 4 is also hit by interfering light 50 from a natural interfering light source 5 and interfering light 60 from an artificial interfering light source 6.
  • the luminescent light 20 'emitted without interfering light therefore differs significantly, also with regard to the phase position measured here, from the actual luminescent light 20 which the fluorophore emits under the influence of the sum of excitation light 10 and the natural and artificial interfering light 50, 60.
  • the phase shift ⁇ determined by the controller 3 therefore deviates from the correct phase shift ⁇ ′ that results without interfering light, as is shown schematically in FIG.
  • due to the influence of interfering light there is no longer a fixed phase position, as is also indicated in part B.
  • the measured value ⁇ thus changes over time in an unpredictable manner.
  • FIG. 2 The mode of operation of the invention is illustrated schematically in the two partial figures in FIG. 2, which are based on those in FIG.
  • the basic structure of the device with an excitation light source 1, which is controlled by a controller 3, and a light detector 2 for detecting the luminescent light 20 or 20 'emitted by the fluorophore and evaluating it by the controller 3, is similar to that in FIG Figure 1 shows the structure of known devices.
  • the characteristic difference of the solution according to the invention lies in the control of the light source 1.
  • the excitation light 10 emitted by the light source 1 consists of a sequence of individual pulses, here rectangular pulses, which are not periodic but in random or quasi-random time intervals T1, T2, T3, ... are transmitted.
  • the controller 3 can detect changes in the intensity of the excitation light 10 in the actually received luminescent light 20 of such distinguish which are due to the influence of the natural stray light 50 of the stray light source 5 or the artificial stray light 60 of the stray light source 6.
  • the controller can take into account the known pulse intervals used in the activation of the light source 1 and the luminescent light 20 only at times or at Within these intervals there are time windows within which the luminescence response of the fluorophore to a specific, comparatively short, individual excitation pulse is to be expected.
  • the method according to the invention ensures that the response time delay ⁇ T determined from the actual luminescent light containing the influence of the interfering light 50, 60 is essentially that from an ideal luminescent light 20 'which the fluorophore 4 would emit without interfering light 50, 60 , determined undisturbed response time delay ⁇ T 'corresponds.
  • this ideal luminescence light 20 ' is shown in both sub-figures A and B as negative square pulses, whereas the actual luminescence light 20, which is intended to illustrate the interference light influence, is essentially positive square pulses superimposed with natural interference light 50 resulting random or constant and from the artificial stray light 60 originating periodic variations is shown.
  • the method according to the invention and the device implementing it thus solve, in a surprisingly simple manner, the task set of enabling an interfering light-dependent luminescence-based analyte concentration measurement.
  • the controller 3 comprises a random generator 31, which can be implemented as a separate hardware module or simply in the form of a software module as part of the control software.
  • the pulse length of the illustrated square pulses and the pulse intervals T1, T2, T3 of adjacent pulses are not true to scale.
  • the pulse length compared to the pulse intervals is significantly shorter than it appears here.
  • the pulse intervals are selected within an interval between a minimum and a maximum pulse interval.
  • the minimum pulse interval is preferably selected to be higher than the expected response delay DT of the fluorophore. This ensures that the response to a pulse has always arrived before the next pulse is sent out. In principle, a measurement would also be possible with overlapping pulses, but the described preferred choice facilitates the assignment of the luminescence response to the individual excitation pulses.

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Abstract

The invention relates to a method for luminescence-based measurement of the concentration of an analyte in a fluid, the method comprising: applying an excitation light (10) from a light source (1) to a fluorophore (4) that is in contact with the fluid and contains a fluorescent material sensitive to the analyte; by means of a light detector (2), detecting luminescence light (20) which the fluorophore (4) emits in response to the excitation by the excitation light (10) from the light source (1) and optionally detecting interference light (30) from interference-light sources (5, 6); and, by means of a controller (3), measuring a response delay (Δ, ΔΤ) and determining the concentration of the analyte from the measured response delay (Δ, ΔΤ); wherein a sequence of single pulses is used as excitation light (10); wherein an interval (T1, T2, T3) between successive single pulses is randomly or quasi-randomly selected. The invention also relates to a device for luminescence-based measurement of the analyte concentration according to this method.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur störquellenunabhängigen lu- mineszenzbasierten Messung eines Analyten Method and device for an interference source-independent luminescence-based measurement of an analyte
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur lumineszenzbasierten optischen Messung der Konzentration eines Analyten, insbesondere Sauerstoff, in einem Fluid, insbe- sondere einem Gasgemisch, wobei ein in Kontakt mit dem Fluid stehendes, ein für den Analyten sensitives, also in Gegenwart des Analyten seine Fluoreszenzeigenschaften änderndes, Fluorophor mit Anregungslicht einer Lichtquelle beaufschlagt, das in Antwort auf das Anregungslicht sowie Licht ggf. vorhandener Störquellen ausgesendetes Lumineszenzlicht mittels eines Lichtdetektors de- tektiert und von einer Steuerung eine Verzögerung, insbesondere eine Antwortzeitverzögerung oder eine Phasenverschiebung, ge- messen und hieraus die Konzentration des Analyten bestimmt wird. The present invention relates to a method and a device for luminescence-based optical measurement of the concentration of an analyte, in particular oxygen, in a fluid, in particular a gas mixture, one in contact with the fluid and one sensitive to the analyte, i.e. in the presence of the analyte its fluorescence properties changing, exposed to the fluorophore with excitation light from a light source, which detects the luminescence light emitted in response to the excitation light and light from possibly existing sources of interference by means of a light detector and a delay, in particular a response time delay or a phase shift, is measured by a controller and from this the concentration of the analyte is determined.
Das Problem einer schnellen und zuverlässigen Messung der Konzentration eines Analyten in einem Fluides stellt sich in ver- schiedenen Bereichen von Wissenschaft, Technik und Medizin, so etwa bei der Bestimmung des Sauerstoffgehalts in der Atemluft, im Blut oder in der Abluft einer Verbrennungsmaschine. Auch bei Bio- reaktoren ist eine Überwachung der Zu und/oder Abluft sehr wich- tig um, die Prozess- bzw. Wachstumsparameter und die Stoffbi- lanz möglichst genau verfolgen und regeln zu können. The problem of a quick and reliable measurement of the concentration of an analyte in a fluid arises in various areas of science, technology and medicine, for example when determining the oxygen content in breathing air, in blood or in the exhaust air of a combustion engine. In the case of bioreactors, too, monitoring of the supply and / or exhaust air is very important in order to be able to follow and regulate the process or growth parameters and the material balance as precisely as possible.
Lumineszenz und Fluoreszenz werden im Folgenden im Wesentli- chen synonym verwendet, auch wenn Lumineszenz eigentlich ein weiter Oberbegriff ist, der neben der unter den weiter einge- schränkten Begriff Photolumineszenz fallenden Fluoreszenz auch weitere Effekte mit spontaner Photonenemission durch ein ange- regtes Medium umfasst, bei denen die Anregung nicht durch Pho- tonen sondern auf anderem Wege erfolgte, etwa mechanisch (Mechanolumineszenz), chemisch (Chemolumineszenz) oder elektrisch (Elektrolumineszenz). Luminescence and fluorescence are essentially used synonymously in the following, even if luminescence is actually a broad generic term which, in addition to fluorescence, which falls under the more restricted term photoluminescence, also includes other effects with spontaneous photon emission by an excited medium which were not excited by photons but by other means, for example mechanically (Mechanoluminescence), chemical (chemiluminescence) or electrical (electroluminescence).
Lumineszenz- bzw. fluoreszenzbasierte Gassensoren, etwa Sau- erstoffsensoren, setzen für dem jeweiligen Analyten, also das zu detektierende Gas, sensitive fluoreszierende Materialien ein, um die Analytkonzentration eines zu untersuchenden Fluides, also ei- nes Gasgemisches oder einer Flüssigkeit, zu messen. Ein fluores- zierendes Material sendet durch spontane Emission von Photonen nach Anregung seiner Moleküle durch Anregungslicht einer ersten Wellenlänge bzw. eines ersten Weilenlängenbereiches Lumines- zenzlicht einer zweiten, üblicherweise höheren (also niederener- getischeren) Wellenlänge aus. Diese spontane Emission erfolgt mit einer gewissen Verzögerung, weicher der Lebensdauer der durch das Anregungslicht besetzten angeregten Zustände ent- spricht. Sowohl Intensität als auch die Verzögerung der spontanen Emission, also des Lumineszenzlichtes können von Umgebungs- parametern abhängen. Luminescence or fluorescence-based gas sensors, such as oxygen sensors, use sensitive fluorescent materials for the respective analyte, ie the gas to be detected, in order to measure the analyte concentration of a fluid to be examined, ie a gas mixture or a liquid. A fluorescent material emits luminescent light of a second, usually higher (ie lower-energy) wavelength through spontaneous emission of photons after its molecules have been excited by excitation light of a first wavelength or a first wavelength range. This spontaneous emission takes place with a certain delay, which corresponds to the lifetime of the excited states occupied by the excitation light. Both the intensity and the delay of the spontaneous emission, i.e. of the luminescent light, can depend on environmental parameters.
Bei einem sauerstoffsensitiven fluoreszierenden Material sind bei- spielsweise Intensität und Verzögerung vom Sauerstoffgehalt des Materials abhängig. Sauerstoff kann aus der Umgebung in das Material hinein- oder umgekehrt aus dem Material in die Umge- bung hinausdiffundieren. Intensität und Verzögerung können also ein Maß für den Sauerstoffgehait der Umgebung des Materials sein. In the case of an oxygen-sensitive fluorescent material, for example, the intensity and delay are dependent on the oxygen content of the material. Oxygen can diffuse into the material from the environment or, conversely, diffuse out of the material into the environment. Intensity and delay can therefore be a measure of the oxygen content in the vicinity of the material.
Eine Bestimmung der Analytenkonzentration aus der Verzögerung ist im Vergleich zu einer Bestimmung aus der Intensität wesentlich genauer, da die Intensität des Lumineszenzlichts durch mehrere unkontrolliert zeitlich veränderliche Faktoren, wie der Transparenz des Fluids in den beteiligten Wellenlängenbereichen sowie gege- benenfalls eines das Fluid beherbergenden Behälters oder der Versorgungsspannung und der Alterung der Anregungslichtquelle, abhängig ist. A determination of the analyte concentration from the delay is much more precise compared to a determination from the intensity, since the intensity of the luminescent light is caused by several uncontrolled, time-changing factors, such as the transparency of the fluid in the wavelength ranges involved and possibly a container or container that accommodates the fluid the Supply voltage and the aging of the excitation light source.
Neben Sauerstoff eignet sich die lumineszenzbasierte Messung auch zur Bestimmung der Konzentration anderer monatomiger Gase wie Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2). In addition to oxygen, the luminescence-based measurement is also suitable for determining the concentration of other monatomic gases such as nitrogen (N2) and hydrogen (H2).
Antwort- bzw. Verzögerungsbasierte Messmethoden nach Stand der Technik sehen eine periodishe Ansteuerung der Anregungs- lichtquelle vor, so dass diese einen Lichtpuls einer bestimmten Zeitdauer mit periodischer Intensitätsvariation abgibt. Häufig wird ein einfacher, sinusförmiger Anregungslichtpuls verwendet. Die Ansteuerspannung oder auch ein Teil des Anregungslichts wird in einem Komparator einer Steuerung mit detektiertem Lumines- zenzlicht verglichen und hieraus eine Phasenverschiebung ermit- telt, welche ein Maß für die Antwortverzögerung und damit die ge- suchte Analytenkonzentration ist. Ein derartiges Verfahren ist bei- spielsweise in der Veröffentlichungsschrift WO 2004/070367 A1 vorgestellt. Response or delay-based measurement methods according to the state of the art provide for a periodic control of the excitation light source so that it emits a light pulse of a certain duration with periodic intensity variation. A simple, sinusoidal excitation light pulse is often used. The control voltage or a part of the excitation light is compared with the detected luminescent light in a comparator of a controller and a phase shift is determined from this, which is a measure of the response delay and thus the analyte concentration sought. Such a method is presented, for example, in the publication WO 2004/070367 A1.
Bei lumineszenzbasierten Messungen lässt es sich jedoch nicht immer vermeiden, dass neben dem eigentlichen Anregungslicht der Lichtquelle auch Störlicht das für den Analyten sensitive, fluo- reszierende Material erreicht. Dieses Störlicht kann von natürli- chen Lichtquellen wie der Sonne oder künstlichen Lichtquellen, wie einer Raumbeleuchtung stammen. Dieses Störlicht verfälscht das detektierte Lumineszenzlichtsignal sowohl bei einer, bereits aus anderen Gründen anfälligen, Intensitätsmessung als auch bei einer Antwortzeit bzw. Phasenverschiebungsmessung. In the case of luminescence-based measurements, however, it cannot always be avoided that, in addition to the actual excitation light from the light source, interfering light also reaches the fluorescent material that is sensitive to the analyte. This stray light can come from natural light sources such as the sun or artificial light sources such as room lighting. This interfering light falsifies the detected luminescence light signal both in the case of an intensity measurement, which is already susceptible for other reasons, and in the case of a response time or phase shift measurement.
Die veröffentlichte internationale Anmeldung WO 2014/095506 A1 beschreibt eine optische Messvorrichtung mit einer Anregungs- lichtquelle zur Abgabe eines periodischen Anregungssignals mit einer ersten Taktfrequenz und einem Detektor zur Erfassung eines optischen Antwortsignals, wobei eine Steuerung das Antwortsignal mit einer zweiten Taktfrequenz, welche ein geradzahliges Vielfa- ches der ersten Taktfrequenz ist, filtert. Hierdurch werden elektro- nische Störungen, welche über Versorgungsleitungen auf die Lichtquelle wirken, oder auch Störungen durch parasitäre Effekte, wie Kapazitäten zwischen den Versorgungsleitungen herausgefil- tert, weil diese für die beiden Halbperioden des zweiten Taktsi- gnals mit entgegengesetztem Vorzeichen einfließen und somit eliminiert werden, sofern sie während einer Periode zeitlich in etwa konstant bleiben. The published international application WO 2014/095506 A1 describes an optical measuring device with an excitation light source for emitting a periodic excitation signal a first clock frequency and a detector for detecting an optical response signal, wherein a controller filters the response signal with a second clock frequency, which is an even multiple of the first clock frequency. This filters out electronic disturbances which act on the light source via supply lines, or disturbances caused by parasitic effects such as capacitances between the supply lines, because these flow in with opposite signs for the two half-periods of the second clock signal and are thus eliminated as long as they remain approximately constant over time during a period.
Hierdurch können zwar elektronische Störeinflüsse auf die Anre- gungslichtquelle einer lumineszenzbasierten Messvorrichtung vermieden werden, der negative Einfluss von Störlichtquellen wird hierdurch jedoch nicht beseitigt. In this way, electronic interference on the excitation light source of a luminescence-based measuring device can be avoided, but the negative influence of interference light sources is not eliminated.
Die Veröffentlichungsschrift WO 2005/033746 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Phasenverschiebung von Lumines- zenzlicht, bei welcher Störeinflüsse auf die gemessene Phasen- verschiebung, welche aus durch die Komponenten der Vorrichtung selbst verursacht werden, reduziert sind, indem eine zweite Licht- quelle mit einem Emissionsspektrum im Bereich des fluoreszie- renden Materials zur Kalibrierung der System imanenten, nicht durch die Fluoreszenz verursachten Phasenverschiebung vorge- sehen ist. Auch dieses Vorgehen hilft nicht zur Eliminierung der nachteiligen Einflüsse von Störlicht. The publication WO 2005/033746 A2 describes a device for measuring the phase shift of luminescent light, in which interfering influences on the measured phase shift, which are caused by the components of the device themselves, are reduced by using a second light source an emission spectrum in the range of the fluorescent material is provided for calibrating the system-immanent phase shift not caused by the fluorescence. Even this procedure does not help to eliminate the adverse effects of interfering light.
In Ermangelung einer effektiven Methode zur Reduzierung oder Vermeidung der negativen Effekte von Störlicht ist man im Stand der Technik bestrebt, das Störlicht nach Möglichkeit zu vermeiden. Dies lässt sich jedoch nicht immer vollständig erreichen, so bei- spielsweise wenn ein Fluid in einem transparenten Behältnis überwacht werden soll und dieses Behältnis in einem künstlich oder auch natürlich beleuchteten Laborraum steht. In the absence of an effective method for reducing or avoiding the negative effects of stray light, efforts are made in the prior art to avoid stray light as far as possible. However, this cannot always be fully achieved, for example when a fluid is in a transparent container is to be monitored and this container is in an artificially or naturally lit laboratory room.
Der Einfluss von Störlicht mit, auf den hier interessierenden kur- zen Zeitskalen, konstanter Intensität, wie es etwa natürliche Stör- quellen wie die Sonne aussenden, lässt sich grundsätzlich durch einen Hochpassfilter, welcher den Gleichspannungsanteil des de- tektierten Lumineszenzsignals herausfiltert, oder eine Lärmmes- sung, also eine Messung ohne Anregungslicht, eliminieren . Pro- blematisch sind daher im Wesentlichen künstliche Lichtquellen, deren Licht eine periodische Modulation enthält. Dies kann bei ei- ner vom Stromnetz gespeisten Lichtquelle beispielsweise die Fre- quenz der Netzwechselspannung, in Deutschland beispielsweise 50 Hz, sein. Des weiteren verwenden viele künstliche Lichtquel- len, wie etwa die besonders im gewerblichen Bereich verbreiteten Leuchtstoffröhren oder auch modernere LED Lichtquellen Vor- schaltgeräte, welche dem ausgesendeten Licht Modulationen im Kilohertzbereich aufprägen. Anders als die Netzfrequenz sind die in den Vorschaltgeräten auftretenden Modulationsfrequenzen nicht einheitlich, sondern unterscheiden sich von Lichtquelle zu Licht- quelle. The influence of interfering light with, on the short time scales of interest here, constant intensity, such as that emitted by natural sources of interference such as the sun, can basically be controlled by a high-pass filter, which filters out the DC voltage component of the detected luminescence signal, or by noise - Eliminate solution, i.e. a measurement without excitation light. Artificial light sources whose light contains periodic modulation are therefore essentially problematic. In the case of a light source fed by the mains, this can be, for example, the frequency of the mains alternating voltage, for example 50 Hz in Germany. Furthermore, many use artificial light sources, such as the fluorescent tubes that are particularly widespread in the commercial sector, or even more modern LED light sources, ballasts which impress modulations in the kilohertz range on the emitted light. Unlike the mains frequency, the modulation frequencies occurring in the ballasts are not uniform, but differ from light source to light source.
Solange die Modulationsfrequenz des Störlichts bekannt ist, kann sein Einfluss im Prinzip berücksichtigt und reduziert oder eliminiert werden. Somit wäre eine mögliche Strategie, die Modulationsfre- quenzen aller am Ort einer lumineszenzbasierten Analytenmes- sung vorhandenen künstlichen Lichtquellen zu bestimmen und bei der Auswertung des detektierten Luminszenzsignals zu berück- sichtigen, etwa durch Filterung des Signals in den entsprechenden Bereichen und selbstverständlich Wahl einer Frequenz des peri- odischen Anregungslichts, welche sich von allen Quellen unter- scheidet. Dieses Vorgehen ist allerdings sehr aufwendig und müsste auch vor jeder Messung oder zumindest nach jedem Austausch einer Lichtquelle wiederholt werden, da sich die auftretenden Modulati- onsfrequenzen geändert haben könnten. As long as the modulation frequency of the stray light is known, its influence can in principle be taken into account and reduced or eliminated. A possible strategy would thus be to determine the modulation frequencies of all artificial light sources present at the location of a luminescence-based analyte measurement and to take them into account when evaluating the detected luminescence signal, for example by filtering the signal in the corresponding ranges and of course choosing a frequency of the periodic excitation light, which differs from all sources. However, this procedure is very complex and would have to be repeated before each measurement or at least after each replacement of a light source, since the modulation frequencies that occur could have changed.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche eine zuverlässige und wei- testgehend störquellenunabhängige lumineszenzbasierte Besitm- mung der Konzentration eines Analyten in einem Fluid erlaubt. The object of the present invention is therefore to develop a method and a device which allows a reliable and largely interference source-independent luminescence-based determination of the concentration of an analyte in a fluid.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 7 und einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprü- che 8 - 10. This object is achieved by a method according to one of claims 1-7 and a device according to one of claims 8-10.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur lumineszenzbasier- ten Messung der Konzentration eines Analyten in einem Fluid, wird ein in Kontakt mit dem Fluid stehendes Fluorophors, welches ein für den Analyten sensitives fluoreszierendes Material enthält, mit Anregungslicht einer Lichtquelle beaufschlagt, daraufhin mit- tels eines Lichtdetektors Lumineszenzlicht, welches das Fluoro- phor in Antwort auf die Anregung mit dem Anregungslicht der Lichtquelle sowie ggf. von Störlicht von Störlichtquellen aussen- det, detektiert, mittels einer Steuerung eine Antwortverzögerung gemessen und daraus die Konzentration des Analyten bestimmt, wobei als Anregungslicht eine Sequenz von Einzelpulsen verwen- det wird, wobei ein zeitlicher Abstand von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufällig gewählt wird. According to the method according to the invention for luminescence-based measurement of the concentration of an analyte in a fluid, a fluorophore in contact with the fluid, which contains a fluorescent material sensitive to the analyte, is exposed to excitation light from a light source, then luminescent light by means of a light detector , which the fluorophore emits in response to the excitation with the excitation light of the light source and possibly interfering light from interfering light sources, a response delay is measured by means of a controller and the concentration of the analyte is determined therefrom, with a sequence of individual pulses as the excitation light is used, a time interval between successive individual pulses being chosen randomly or quasi-randomly.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur lumineszenzbasierten Ana- lytenkonzentrationsmessung umfasst eine Lichtquelle, welche An- regungslicht in einem ersten Wellenlängenbereich aussenden kann, ein Fluorophor, welches ein für den Analyten sensitives fluo- reszierenden Material enthält und so angeordnet ist, dass das fluoreszierende Material in direktem Kontakt mit dem Fluid steht und mit dem von der Lichtquelle ausgesendeten Anregungslicht beaufschlagt werden kann, wobei das Fluorophor daraufhin als Antwort auf das Anregungslicht sowie ggf. Störlicht von Störquel- len Lumineszenzlicht in einem zweiten Wellenlängenbereich aus- sendet, wobei eine Intensität des Lumineszenzlichts abhängig ist von einer Intensität des Anregungslichts und dem Sauerstoffgehalt des Fluides, und eine Antwortverzögerung des Lumineszenzlichts abhängig ist von dem Gehalt des Analyten in dem Fluid aber im Wesentlichen unabhängig ist von der Intensität des Anregungs- lichts, einen Lichtdetektor, welcher zumindest Licht innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs detektieren kann und ein eine de- tektierte Lichtintensität repräsentierendes, insbesondere dazu proportionales, analoges Detektorsignal ausgibt, und eine Steue- rung, welche die Lichtquelle ansteuert und aus dem Signal des Lichtdetektors ein die Konzentration des Analyten in dem Fluid re- präsentierendes analoges oder digitales Messsignal ableitet, wo- bei die Steuerung die Konzentration des Analyten aus einer Ver- zögerung, insbesondere einer Antwortzeitverzögerung oder einer Phasenverschiebung des Lumineszenzlichts ableitet, wobei die Steuerung dazu vorbereitet ist, mittels der Lichtquelle Anregungs- licht in Form einer Sequenz von kurzen Einzellichtpulses auszu- senden, wobei ein zeitlicher Abstand von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufällig gewählt wird. The device according to the invention for luminescence-based analyte concentration measurement comprises a light source which can emit excitation light in a first wavelength range, a fluorophore which contains a fluorescent material that is sensitive to the analyte and is arranged in such a way that the fluorescent material is in direct contact with the fluid and can be exposed to the excitation light emitted by the light source, the fluorophore thereupon emitting luminescent light in a second wavelength range as a response to the excitation light and possibly interfering light from interfering sources, with an intensity of the luminescent light is dependent on an intensity of the excitation light and the oxygen content of the fluid, and a response delay of the luminescent light is dependent on the content of the analyte in the fluid but is essentially independent of the intensity of the excitation light of the second wavelength range and outputs an analog detector signal representing a detected light intensity, in particular proportional thereto, and a controller which controls the light source and uses the signal from the light detector to determine the concentration of the analyte th analog or digital measurement signal representing the fluid, whereby the control derives the concentration of the analyte from a delay, in particular a response time delay or a phase shift of the luminescent light, the control being prepared to generate excitation by means of the light source. emit light in the form of a sequence of short individual light pulses, with a time interval between successive individual pulses being chosen randomly or quasi-randomly.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung lassen sich absolute Analytenkonzentrationen di- rekt ermitteln. Sofern auch ein relativer Anteil ermittelt werden soll wären noch in an sich bekannter Weise durch zusätzliche, gleich- zeitige Messungen ein gewünschter, das Gesamtfluid charakteri- sierender Wert, etwa sein Gesamtdruck oder seine Gesamtdichte (Massendichte oder molare Dichte etc.), zu ermitteln und der hier bestimmte die Analytenkonzentration charakterisierende absolute Wert, ggf. nach vorheriger Einheitenumwandlung, dazu ins Ver- hältnis zu setzen. With the method according to the invention and the device according to the invention, absolute analyte concentrations can be determined directly. If a relative proportion is also to be determined, a desired value characterizing the total fluid, such as its total pressure or total density (mass density or molar density, etc.), would have to be determined in a manner known per se by additional, simultaneous measurements the absolute characterizing the analyte concentration determined here To put the value in relation to this, if necessary after previous unit conversion.
Die wesentliche Neuerung gegenüber den bekannten lumines- zensbasierten Messverfahren bzw. Vorrichtungen liegt darin, dass statt eines sinusförmigen oder anderweitig periodischen Anre- gungslichtpulses eine Sequenz von Einzelpulsen eingesetzt wird, wobei die einzelnen Lichtpulse einen zufälligen oder quasi-zufälli- gen zeitlichen Abstand zueinander haben. The main innovation compared to the known luminescence-based measuring methods or devices is that instead of a sinusoidal or otherwise periodic excitation light pulse, a sequence of individual pulses is used, the individual light pulses being at random or quasi-random time intervals from one another.
Hierdurch unterscheiden sie sich grundsätzlich von dem durch Licht, welches das fluoreszierende Material aufgrund der Anre- gung durch Störlichtquellen aussendet. Dieses ist entweder selbst periodisch, etwa bei künstlichem Licht, welches Modulationen, also Intensitätsvariationen mit der verwendeten Anregungsspan- nungsfrequenz aufweist, oder zwar aperiodisch, wie etwa Sonnen- licht, jedoch auf eine andere Art als das Anregungslicht. Modula- tionen in der Anregungsspannung können, wie oben erwähnt, etwa aus der Verwendung einer Versorgungsspannung mit einer bestimmten Frequenz, etwa 50 Hz Netzspannung, oder eines Vor- schaltgeräts zur Erzeugung der Versorgungsspannung der Licht- quelle, wie etwa bei Leuchtstoffröhren oder LED-Leuchtmitteln, herrühren. In this way they differ fundamentally from that produced by light, which the fluorescent material emits as a result of the excitation by interfering light sources. This is either periodic itself, for example in the case of artificial light, which has modulations, ie intensity variations with the excitation voltage frequency used, or aperiodic, such as sunlight, but in a different way than the excitation light. Modulations in the excitation voltage can, as mentioned above, for example from the use of a supply voltage with a certain frequency, for example 50 Hz mains voltage, or a ballast to generate the supply voltage of the light source, such as with fluorescent tubes or LED light sources , originate.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Methode ist, dass die Zeitabstände der Einzelpulse zwar zufällig oder quasi-zufällig ge- wählt, aber bei der Auswertung des detektierten Lumineszenzlich- tes bekannt sind. Hierdurch können bei der Auswertung des de- tektierten Lumineszenzlichts solche Intensitätsveränderungen, welche auf die Anregungslichtpulse zurückzuführen sind, von an- den unterschieden werden, die auf das Störlicht zurückgehen. So kann etwa dass das detektierte Signal zu den Pulsabständen entsprechenden Zeiten bzw. Zeitfenstern ausgewertet werden. Pe- riodische oder auch nicht-periodische Störsignale mit einem ande- ren Zufallsmuster als das gewählte, werden hierdurch eliminiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine aperiodische Störquelle für mehrere aufeinanderfolgende der zufällig gewählten Messzeit- punkte ein dem Anregungssignal gleichgerichtetes Störsignal be- wirkt geht mit der Zahl der Messzeitpunkte schnell gegen Null. It is essential in the method according to the invention that the time intervals between the individual pulses are chosen randomly or quasi-randomly, but are known when evaluating the detected luminescent light. In this way, when evaluating the detected luminescent light, it is possible to differentiate between those changes in intensity which are due to the excitation light pulses and which are due to the interfering light. For example, the detected signal can be evaluated at the times or time windows corresponding to the pulse intervals. Periodic or non-periodic interfering signals with a different random pattern than the one selected are thereby eliminated. The probability that an aperiodic source of interference causes an interference signal rectified to the excitation signal for several consecutive of the randomly selected measurement times quickly approaches zero with the number of measurement times.
Die Zeitabstände können hierbei echt zufällig gewählt sein, etwa durch einen Quantenzufallsgenerator. Dies ist jedoch zur Errei- chung des hier gesetzten Ziels, der Elimination von Störlichtein- flüssen, nicht unbedingt nötig, und quasi-zufällig gewählte Pulsab- stände/Messzeitpunkte sind völlig ausreichend. Als quasi-zufällig werden Zahlen bezeichnet, welche zwar rechnerisch mitthilfe einer mehr oder minder komplexen Formel berechnet werden, also de- terministisch bestimmt und somit eigentlich nicht zufällig sind, je- doch bestimmte Eigenschaften echter Zufallszahlen, wie etwa der Konsistenz mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung, aufweisen. The time intervals can be chosen genuinely randomly, for example by means of a quantum random generator. However, this is not absolutely necessary to achieve the goal set here, the elimination of the effects of interfering light, and pulse intervals / measurement times selected quasi-randomly are completely sufficient. Numbers are called quasi-random, which are calculated with the help of a more or less complex formula, i.e. determined deterministically and are therefore actually not random, but certain properties of real random numbers, such as the consistency with a certain probability distribution, exhibit.
Durch das erfindungsgemäße Messverfahren wird auf überra- schend einfache, aber effektive Weise der Einfluss von Störlicht auf die lumineszenzbasierte Konzentrationsmessung unterdrückt oder sogar vollständig eliminiert. Im Falle der Verwendung von quasi-zufällig gewählte Zeitabstände, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in bereits bestehenden Messvorrichtungen nach- gerüstet werden, sofern sie eine programmierbare, beispielsweise mikrokontrollergesteuerte, Steuerung umfassen und ihre Anre- gungslichtquelle zur Aussendung von Einzelpulsen mit variabel veränderbaren Pulsabständen in der Lage ist. Hierzu ist ledigliche eine Softwareänderung nötig, welche die Ansteuerung der Anre- gungslichtquelle im Einzelpulsbetrieb zu von der Steuerung vor- gegebenen Zeiten vorsieht, wobei die Ansteuerzeitpunkte gemäß einer mehr oder minder komplexen Quasizufallsformel gewählt werden. The measuring method according to the invention suppresses or even completely eliminates the influence of interfering light on the luminescence-based concentration measurement in a surprisingly simple but effective manner. In the case of the use of quasi-randomly selected time intervals, the method according to the invention can also be retrofitted in existing measuring devices, provided that they include a programmable, for example microcontroller-controlled, control and their excitation light source for the transmission of individual pulses with variably changeable pulse intervals in the Location is. All that is necessary for this is a software change that controls the excitation light source in single pulse mode to be provided by the controller. provides given times, the control times being selected according to a more or less complex quasi-random formula.
Vorteilhafte Weiterbildung vorliegender Erfindung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sofern sie sich nicht gegen- seitig offensichtlich ausschließen, sollen nachfolgend kurz vorge- stellt werden. Advantageous further developments of the present invention, which can be implemented individually or in combination, provided that they are not mutually obviously mutually exclusive, are to be briefly presented below.
Um die Zuordnung eines detektierten Lumineszenzlichtpulses zu einem bestimmten Anregungslichtpuls zu erleichtern ist der zeitli- che Abstand aufeinanderfolgender Einzelpulse bevorzugt größer gewählt, das die Antwortzeitverzögerung des empfangenen Lumi- neszenzlichtes. In order to facilitate the assignment of a detected luminescence light pulse to a specific excitation light pulse, the time interval between successive individual pulses is preferably selected to be greater, as is the response time delay of the received luminescence light.
Insbesondere wird der Einzelpulsabstand, also der Zeitabstand benachbarter Einzelpulse des Anregungslichts, zwischen einem minimalen Pulsabstand und einem maximalen Pulsabstand ge- wählt. Bevorzugt beträgt der minimale Pulsabstand zwischen 0,1 und 1 ms, besonders bevorzugt 0,5 ms, und der maximale Puls- abstand zwischen 1 u 10 ms, besonders bevorzugt 2 ms. In particular, the individual pulse spacing, that is to say the time spacing between adjacent individual pulses of the excitation light, is selected between a minimum pulse spacing and a maximum pulse spacing. The minimum pulse interval is preferably between 0.1 and 1 ms, particularly preferably 0.5 ms, and the maximum pulse interval between 1 and 10 ms, particularly preferably 2 ms.
Innerhalb des Intervalls zwischen minimalem und maximalem Pulsabstand werden die Pulsabstände bevorzugt gleichverteilt oder so gewählt, dass kürzere Zeitabstände bevorzugt auftreten. Within the interval between the minimum and maximum pulse spacing, the pulse spacings are preferably evenly distributed or are selected such that shorter time intervals are preferred.
Die Pulsabstände können von einem, etwa in die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung integrierten, Zufallsgenerator ge- wählt werden, welcher entweder echte Zufallszahlen oder auch Quasi-Zufallszahlen generieren kann. The pulse intervals can be selected by a random generator, for example integrated into the control of the device according to the invention, which can generate either real random numbers or also quasi-random numbers.
Dieser Zufallsgenerator kann ein separates Hardwaremodul sein, welcher in die Steuerung integriert ist oder zumindest mit dieser in Datenverbindung steht. Alternativ ist dieser Zufallsgenerator ein Softwaremodul und Teil einer Steuerungssoftware der erfindungs- gemäßen Messvorrichtung. This random generator can be a separate hardware module which is integrated into the controller or at least has a data connection with it. Alternatively, this random generator is a Software module and part of control software for the measuring device according to the invention.
Die Bestimmung der Pulsabstände benachbarter Einzelpulse kann in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung der FormelThe determination of the pulse intervals between adjacent individual pulses can be carried out in embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention using the formula
Ti = p*(Ti-1 + s) Mod q wobei i eine laufende Nummer des Einzelpulses, s ein einmalig oder auch periodisch neugewählter Startwert, und p und q (große) Primzahlen sind. Diese Formel liefert gleichverteilte quasizufällige Pulsabstände aus dem Interval zwischen 0 und q-1, sofern nur ganzzahlige Werte eingesetzt werden, bzw. dem Intervall [0, q) sofern für T, und s auch rationale Werte zugelassen sind. Sofern gewünscht ist, dass die Pulsabstände T, dzwischen eine minima- len Abstand Tmin und einem maximalen Abstand Tmax liegen, müss- te der nach obiger Formel ermittelte Wert noch nach folgender Formel korrigiert werden: T'i = Tmin +(Tmax - Tmin) / q * Ti . T i = p * (T i-1 + s) Mod q where i is a consecutive number of the individual pulse, s is a one-time or periodically newly selected start value, and p and q are (large) prime numbers. This formula provides uniformly distributed, quasi-random pulse intervals from the interval between 0 and q-1, if only integer values are used, or the interval [0, q) if rational values are also permitted for T, and s. If it is desired that the pulse intervals T, d lie between a minimum distance Tmin and a maximum distance Tmax, the value determined using the above formula would have to be corrected using the following formula: T ' i = T min + (T max - T min ) / q * T i .
Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Quasizufaliszah- len eingeschränkt. Andere dem Fachmann bekannte oder in Zu- kunft erdachte Formeln lassen sich ebenso gut einsetzen. However, the invention is not restricted to a specific quasi-random number. Other formulas known to the person skilled in the art or devised in the future can be used just as well.
Die Pulsform, also die Form der Einhüllenden der Intensitätskurve der Einzelpulse ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich belie- big, solange eine klare zeitliche Auflösung im Detektor gewährleis- tet ist. Beispielsweise kann jeder Puls auch mehrere Intensitäts- maxima aufweisen, wobei die Antwortverzögerung zwischen kor- respondierenden Maxima also z.B. zwischen dem ersten Maxi- mum des Anregungspulses und dem ersten Maximum des Ant- wortpulses, gemessen wird. Bevorzugt werden jedoch Einzelpulse mit einem rechteckigen, sägezahnförmigen, lorenzförmigen oder gaussförmigen Intensitätsverlauf verwendet, da diese eine scharfe zeitliche Auflösung des Intentsitätsmaximums bzw. der ansteigen- den Pulsflanke und so eine genauere Bestimmung der Anwortzeit- verzögerung des Lumineszenzlichts erlauben. The pulse shape, that is to say the shape of the envelope of the intensity curve of the individual pulses, is basically arbitrary within the scope of the invention, as long as a clear temporal resolution is ensured in the detector. For example, each pulse can also have several intensity maxima, the response delay between corresponding maxima, for example between the first maximum of the excitation pulse and the first maximum of the response pulse, being measured. However, preference is given to using individual pulses with a rectangular, sawtooth-shaped, Lorenz-shaped or Gaussian-shaped intensity curve, since these provide a sharp temporal resolution of the intensity maximum or the increasing intensity. the pulse edge and thus a more precise determination of the response time delay of the luminescent light.
Für bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird vorgeschlagen, kurze Anregungslichtpulse von einer Dauer zwischen 0,1 und 10 Mikrosekunden, insbesondere etwa 0,3 - 0,5, besonders bevorzugt 0,4 Mikrosekunden auszusenden. Als Anregungslichtquelle kann jede Lichtquelle eingesetzt werden, welche sich mit der gewünschten Wiederhoirate ansteuern lässt und die Licht in einem Weilenlängenbereich aussendet, in wei- chem das fluoreszierende Material empfindlich ist. Bevorzugt wird jedoch als Anregungslichtquelle eine Laserdiode verwendet. For preferred embodiments of the method according to the invention, it is proposed to emit short excitation light pulses with a duration between 0.1 and 10 microseconds, in particular about 0.3-0.5, particularly preferably 0.4 microseconds. Any light source which can be controlled with the desired repetition rate and which emits light in a wavelength range in which the fluorescent material is sensitive can be used as the excitation light source. However, a laser diode is preferably used as the excitation light source.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale vorliegender Erfin- dung ergeben sich aus dem im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterte Ausführungsbeispiele. Diese sollen die Erfindung lediglich illustrieren und in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit ein- schränken. Further details, advantages and features of the present invention emerge from the exemplary embodiments explained in more detail below with reference to the figures. These are only intended to illustrate the invention and in no way limit its generality.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 : in zwei Teilfiguren eine schematische Darstellung ei- nes mit periodischen Anregungspulsen arbeitenden Messverfahrens gemäß dem Stand der Technik. FIG. 1: in two sub-figures, a schematic representation of a measurement method according to the prior art that works with periodic excitation pulses.
Figur 2: in zwei Teilfiguren, eine schematische Darstellung des Erfindungsgemäßen Messverfahrens, welches zufällig oder quasi-zufällig verzögerter Einzelpulse verwendet. FIG. 2: in two partial figures, a schematic representation of the measuring method according to the invention, which uses randomly or quasi-randomly delayed individual pulses.
In Figur 1 ist schematisch ein bekanntes Messverfahren darge- stellt. Eine Anregungslichtquelle 1 wird von einer Steuerung 3 so ange- steuert, dass sie einen periodischen, hier sinusförmig dargestell- ten, Anregungslichtpuls 10 aussendet, welcher auf ein fluoreszie- rendes, für den zu messenden Analyten sensitives Material enthal- tendes Fluorphor 4 trifft und dieses zur Aussendung von Lumines- zenzlicht 20, 20’ anregt. Intensität und Antwortverzögerung des Lumineszenzlichtes sind hierbei von der gesuchten Konzentration des Analyten abhängig. Durch einen Lichtdetektor 2 wird das Lu- mineszenzlicht 20, 20’ detektiert und das Signal des Detektors 2 durch die Steuerung ausgewertet. A known measuring method is shown schematically in FIG. An excitation light source 1 is controlled by a controller 3 in such a way that it emits a periodic excitation light pulse 10, shown here sinusoidally, which strikes a fluorescent fluorophore 4 containing material sensitive to the analyte to be measured and this stimulates the emission of luminescent light 20, 20 '. The intensity and response delay of the luminescent light are dependent on the concentration of the analyte sought. The luminescent light 20, 20 'is detected by a light detector 2 and the signal from the detector 2 is evaluated by the controller.
In Abwesenheit von Störlichtquellen ist die Lumineszenzantwort des Fluorophors der ebenfalls periodische und in seiner Form mit dem Anregungslichtpuls 10 übereinstimmende Lichtpuls 20’. Bei der Auswertung des Signals des Detektors 2 kann die Steuerung 3 die Phasenverschiebung Δ’ bestimmen, welche ein Maß für die gesuchte Analytenkonzentration ist. In the absence of interfering light sources, the luminescence response of the fluorophore is the likewise periodic light pulse 20 'which corresponds in shape to the excitation light pulse 10. When evaluating the signal from the detector 2, the controller 3 can determine the phase shift Δ ’, which is a measure of the analyte concentration sought.
Zusätzlich zum Anregungslicht 10 wird das Fluorphor 4 jedoch auch von Störlicht 50 einer natürlichen Störlichtquelle 5 und Stör- licht 60 einer künstlichen Störlichtquelle 6 getroffen. Das ohne Störlicht ausgesendete Lumineszenzlicht 20’ unterscheidet sich daher deutlich, auch hinsichtlich der hier gemessenen Phasenla- ge, von dem tatsächlichen Lumineszenzlicht 20, welches das Fluorophor unter dem Einfluss der Summe von Anregungslicht 10, und dem natürlichen und künstlichen Störlicht 50, 60 aussendet. Die von der Steuerung 3 ermittelte Phasenverschiebung Δ weicht daher von der korrekten, ohne Störlicht sich ergebenden Phasen- verschiebung Δ’ ab, wie in der Teilfigur B schematisch dargestellt ist. Darüber hinaus ist aufgrund des Störlichteinflusses auch keine feste Phasenlage mehr gegeben, wie ebenfalls in Teilfigur B an- gedeutet wird. Der gemessene Wert Δ ändert sich damit mit der Zeit in nicht vorhersehbarer Weise. Diese Nachteile von lumineszenzbasierten Analytenkonzetrati- onsmessungen nach dem Stand der Technik wird durch das erfin- dungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft vermieden. In addition to the excitation light 10, however, the fluorophore 4 is also hit by interfering light 50 from a natural interfering light source 5 and interfering light 60 from an artificial interfering light source 6. The luminescent light 20 'emitted without interfering light therefore differs significantly, also with regard to the phase position measured here, from the actual luminescent light 20 which the fluorophore emits under the influence of the sum of excitation light 10 and the natural and artificial interfering light 50, 60. The phase shift Δ determined by the controller 3 therefore deviates from the correct phase shift Δ ′ that results without interfering light, as is shown schematically in FIG. In addition, due to the influence of interfering light, there is no longer a fixed phase position, as is also indicated in part B. The measured value Δ thus changes over time in an unpredictable manner. These disadvantages of luminescence-based analyte concentration measurements according to the prior art are advantageously avoided by the method according to the invention and the device according to the invention.
Die Funktionsweise der Erfindung ist in den beiden Teilfiguren der Figur 2, welche denen der Figur 1 angelehnt sind, schematisch illustriert. The mode of operation of the invention is illustrated schematically in the two partial figures in FIG. 2, which are based on those in FIG.
Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung, mit einer Anregungs- lichtquelle 1 , welche durch eine Steuerung 3 angesteuert wird, und einem Lichtdetektor 2 zur Erfassung des vom Fluorophor ausgesendeten Lumineszenzlichts 20 bzw. 20’ und dessen Aus- wertung durch die Steuerung 3, gleicht dem in Figure 1 dargestell- ten Aufbau bekannter Vorrichtungen. Der charakteristische Unter- schied der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der Ansteuerung der Lichtquelle 1. Anstelle eines periodischen Anregungslichtpul- ses besteht das von der Lichtquelle 1 ausgesendete Anregungs- licht 10 aus einer Sequenz von Einzelpulsen, hier Rechteckpul- sen, welche nicht periodisch, sondern in zufälligen oder quasi-zu- fälligen Zeitabständen T1, T2, T3, ... ausgesendet werden. The basic structure of the device, with an excitation light source 1, which is controlled by a controller 3, and a light detector 2 for detecting the luminescent light 20 or 20 'emitted by the fluorophore and evaluating it by the controller 3, is similar to that in FIG Figure 1 shows the structure of known devices. The characteristic difference of the solution according to the invention lies in the control of the light source 1. Instead of a periodic excitation light pulse, the excitation light 10 emitted by the light source 1 consists of a sequence of individual pulses, here rectangular pulses, which are not periodic but in random or quasi-random time intervals T1, T2, T3, ... are transmitted.
Durch diese, der Steuerung 3 bei der Auswertung des Signals des Lichtdetektors 2 als bekannt zur Verfügung stehenden zufälligen oder quasi-zufälligen Pulsabstände T1, T2, T3 kann die Steuerung 3 auf das Anregungslicht 10 zurückgehende Intensitätsverände- rungen in dem tatsächlich empfangenen Luminszenzlicht 20 von solchen unterscheiden, welche auf den Einfluss des natürlichen Störlichts 50 der Störlichtquelle 5 oder des künstlichen Störlichts 60 der Störlichtquelle 6 zurückgehen. Hierzu kann die Steuerung die bekannten, bei der Ansteuerung der Lichtquelle 1 verwendeten Pulsabstände berücksichtigen und das Lumineszenzlicht 20 nur zu durch diese Pulsabstände vorgegebenen Zeitpunkten bzw. in- nerhalb durch diese Abstände vorgegenben Zeitfenstern, inner- halb der die Lumineszenzantwort des Fluorphors auf einen be- stimmten, vergleichweise kurzen, Einzelanregungspuls zu erwar- ten ist. By means of these random or quasi-random pulse intervals T1, T2, T3 available to the controller 3 as known when evaluating the signal from the light detector 2, the controller 3 can detect changes in the intensity of the excitation light 10 in the actually received luminescent light 20 of such distinguish which are due to the influence of the natural stray light 50 of the stray light source 5 or the artificial stray light 60 of the stray light source 6. For this purpose, the controller can take into account the known pulse intervals used in the activation of the light source 1 and the luminescent light 20 only at times or at Within these intervals there are time windows within which the luminescence response of the fluorophore to a specific, comparatively short, individual excitation pulse is to be expected.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist sichergestellt, dass die aus dem tatsächlichen, den Einfluss des Störlichts 50, 60 beinhal- tenden Lumineszenzlicht ermittelte Antwortzeitverzögerung ΔT im Wesentlichen der aus einem idealen Lumineszenzlicht 20’, wel- ches das Fluorophor 4 ohne Störlicht 50, 60 aussenden würde, ermittelten ungestörten Antwortzeitverzögerung ΔT’ entspricht. Der Übersichtlichkeit halber ist hierbei dieses ideale Lumineszenzlicht 20’ in beiden Teilfiguren A und B als negative Rechteckpulse dar- gestellt, wohingegen das tatsächliche Lumineszenzlicht 20, wel- ches den Störlichteinfluss illustrieren soll, als im Wesentlichen po- sitive Rechteckpulse überlagert mit vom natürlichen Störlicht 50 herrührenden zufälligen oder konstanten und vom künstlichen Störlicht 60 stammenden periodischen Variatonen dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren und die es umsetzende Vorrich- tung lösen damit auf überraschend einfache Weise die gestellte Aufgabe, eine störlichtabhängige lumineszenzbasierte Analyten- konzentrationsmessung zu ermöglichen. The method according to the invention ensures that the response time delay ΔT determined from the actual luminescent light containing the influence of the interfering light 50, 60 is essentially that from an ideal luminescent light 20 'which the fluorophore 4 would emit without interfering light 50, 60 , determined undisturbed response time delay ΔT 'corresponds. For the sake of clarity, this ideal luminescence light 20 'is shown in both sub-figures A and B as negative square pulses, whereas the actual luminescence light 20, which is intended to illustrate the interference light influence, is essentially positive square pulses superimposed with natural interference light 50 resulting random or constant and from the artificial stray light 60 originating periodic variations is shown. The method according to the invention and the device implementing it thus solve, in a surprisingly simple manner, the task set of enabling an interfering light-dependent luminescence-based analyte concentration measurement.
Um die quasi-zufällige Pulsabstände festzulegen umfasst die Steuerung 3 einen Zufallsgenerator 31 , welcher als ein eigenes Hardwaremodul oder auch einfach in Form eines Softwaremoduls als Teil der Steuerungssoftware realisiert sein kann. In order to determine the quasi-random pulse intervals, the controller 3 comprises a random generator 31, which can be implemented as a separate hardware module or simply in the form of a software module as part of the control software.
Hierbei ist die Pulslänge der dargestellten Rechteckpulse und die Pulsabstände T1 , T2, T3 benachbarter Pulse nicht maßstabsge- treu. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Pulslänge im Ver- gleich zu den Pulsabständen deutlich kürzer, als es hier den An- schein hat. Ebenfalls in der Figur nicht erkennbar ist, dass in be- vorzugten Ausführungsformen die Pulsabstände innerhalb eines Intervalls zwischen einem minimalen und einem maximalen Puls- abstand gewählt werden. Der minimale Pulsabstand ist hierbei bevorzugt höher gewählt, als die zu erwartenden Antwortverzöge- rung DT des Fluorphors. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Antwort auf einen Puls immer schon eingetroffen ist, bevor der nächste Puls ausgesendet wird. Grundsätzlich wäre eine Messung auch bei überlappenden Pulsen möglich, jedoch wird durch die beschiebene bevorzugte Wahl die Zuordnung von Lumineszenz- antwort zu den einzelnen Anregungspulsen erleichtert. The pulse length of the illustrated square pulses and the pulse intervals T1, T2, T3 of adjacent pulses are not true to scale. In preferred embodiments, the pulse length compared to the pulse intervals is significantly shorter than it appears here. Also not recognizable in the figure is that in some In preferred embodiments, the pulse intervals are selected within an interval between a minimum and a maximum pulse interval. The minimum pulse interval is preferably selected to be higher than the expected response delay DT of the fluorophore. This ensures that the response to a pulse has always arrived before the next pulse is sent out. In principle, a measurement would also be possible with overlapping pulses, but the described preferred choice facilitates the assignment of the luminescence response to the individual excitation pulses.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Anregungslichtquelle 1 excitation light source
10 Anregungslicht 10 excitation light
2 Lichtdetektor 2 light detector
20 Lumineszenzlicht unter Störlichteinfluss20 Luminescent light under the influence of interfering light
20’ Lumineszenzlicht ohne Störlichteinfluss 20 ’luminescent light without interference light
3 Steuerung 3 control
31 Zufallsgenerator 31 random generator
4 Fluorophor 4 fluorophore
5 natürliche Störlichtquelle 5 natural source of interfering light
50 durch 5 ausgesendetes Störlicht 50 by 5 stray light emitted
6 künstliche Störlichtquelle 6 artificial light source
60 durch 6 ausgesendetes Störlicht 60 stray light emitted by 6
Δ mit Störlicht ermittelte PhasenverschiebungΔ phase shift determined with interfering light
Δ’ ohne Störlicht ermittelte PhasenverschiebungΔ 'phase shift determined without interfering light
ΔT mit Störlicht ermittelte AntwortverzögerungΔT response delay determined with interfering light
ΔT’ ohne Störlicht ermittelte AntwortverzögerungΔT 'response delay determined without interfering light
T1, T2, T3 Pulsabstände T1, T2, T3 pulse intervals

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur lumineszenzbasierten Messung der Konzen- tration eines Analyten in einem Fluid, umfassend 1. A method for the luminescence-based measurement of the concentration of an analyte in a fluid, comprising
• Beaufschlagen eines in Kontakt mit dem Fluid stehenden Fluorophors (4), welches ein für den Analyten sensitives fluoreszierendes Material enthält, mit Anregungslicht (10) einer Lichtquelle (1), Exposure of a fluorophore (4) in contact with the fluid, which contains a fluorescent material sensitive to the analyte, with excitation light (10) from a light source (1),
• mittels eines Lichtdetektors (2), Detektieren von Lumi- neszenzlicht (20, 20’), welches das Fluorophor (4) in Ant- wort auf die Anregung mit dem Anregungslicht (10) sowie ggf. von durch Störlichtquellen (5, 6) ausgesendetem Störlicht (50, 60), aussendet, und • by means of a light detector (2), detection of luminescent light (20, 20 '), which the fluorophore (4) in response to the excitation with the excitation light (10) and, if necessary, from interference light sources (5, 6) emitted stray light (50, 60), emits, and
• mittels einer Steuerung (3), Messen einer Verzögerung ,, wie etwa eine Antwortzeitverzögerung (ΔT) oder eine Phasenverschiebung (Δ), und Bestimmen der Konzentra- tion des Analyten aus der gemessenen Verzögerung (D, ΔT), dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungslicht (10) eine Sequenz von Einzelpulsen ver- wendet wird, wobei ein zeitlicher Abstand (T1, T2, T3) von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufäl- lig gewählt wird. • by means of a controller (3), measuring a delay, such as a response time delay (ΔT) or a phase shift (Δ), and determining the concentration of the analyte from the measured delay (D, ΔT), characterized in that as Excitation light (10) a sequence of individual pulses is used, a time interval (T1, T2, T3) between successive individual pulses being selected randomly or quasi-randomly.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand (T1, T2, T3) aufeinanderfolgender Ein- zelpulse in einem Intervall zwischen einem minimalen Puls- abstand und einem maximalen Pulsabstand gewählt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the time interval (T1, T2, T3) of successive individual pulses is selected in an interval between a minimum pulse interval and a maximum pulse interval.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand (T1, T2, T3) in dem Intervall 3. The method according to claim 2, characterized in that the time interval (T1, T2, T3) in the interval
• gleichverteilt gewählt wird, oder, • is chosen equally distributed, or,
• kürzere Abstände bevorzugt gewählt werden. • Shorter distances are preferred.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich- net, dass der minimale Pulsabstand zwischen 0,1 und 1 ms, insbesondere 0,5 ms, und/oder der maximale Pulsabstand zwischen 1 ms und 10 ms, insbesondere 2 ms, gewählt wird. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the minimum pulse interval between 0.1 and 1 ms, in particular 0.5 ms, and / or the maximum pulse interval between 1 ms and 10 ms, in particular 2 ms, is selected will.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand aufein- anderfolgender Einzelpulse mittels eines Zufallsgenerators (31) gewählt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the time interval between successive individual pulses is selected by means of a random generator (31).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand aufein- anderfolgender Einzelpulse quasi-zufällig unter Verwendung der Formel 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the time interval between successive individual pulses is quasi-random using the formula
Ti = p*(Ti-1 + s) Mod q wobei i eine laufende Nummer des Einzelpulses, s ein Start- wert, und p und q Primzahlen sind, gewählt wird. T i = p * (T i-1 + s) Mod q where i is a consecutive number of the individual pulse, s is a start value, and p and q are prime numbers.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die durch die Lichtquelle (1) erzeugten Einzelpulse 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual pulses generated by the light source (1)
• einen rechteckförmigen, sägezahnförmigen, lorenzförmi- gen oder gaussförmigen Intensitätsverlauf, und/oder• a rectangular, sawtooth-shaped, Lorenz-shaped or Gaussian-shaped intensity curve, and / or
• eine Pulsdauer von zwischen 0,1 und 10 Mikrosekunden, insbesondere 0,4 Mikrosekunden, aufweisen. • have a pulse duration of between 0.1 and 10 microseconds, in particular 0.4 microseconds.
8. Vorrichtung zur lumineszenzbasierten Messung der Konzen- tration eines Analyten in einem Fluid, umfassend 8. Device for luminescence-based measurement of the concentration of an analyte in a fluid, comprising
- eine Lichtquelle (1), welches Anregungslicht (10) in ei- nem ersten Wellenlängenbereich aussenden kann, - ein Fluorophor (4), welches ein für den Analyten sensiti- ves fluoreszierenden Material enthält und so angeordnet ist, dass das fluoreszierende Material in direktem Kontakt mit dem Fluid steht und mit dem von der Lichtquelle (1) ausgesendeten Anregungslicht beaufschlagt werden kann, wobei das Fluorophor (4) daraufhin als Antwort auf das Anregungslicht (10) sowie ggf. Störlicht (50, 60) von Störquellen (5, 6) Lumineszenzlicht (20, 20’) in einem zweiten Wellenlängenbereich aussendet, wobei o eine Intensität des Lumineszenzlichts (20, 20’) abhängig ist von einer Intensität des Anre- gungslichts (10) und dem Sauerstoffgehalt des Fluides, und o eine Verzögerung, wie etwa eine Antwortzeit- verzögerung (ΔT) oder eine Phasenverschie- bung (Δ), des Lumineszenzlichts abhängig ist von dem Gehalt des Analyten in dem Fluid aber im Wesentlichen unabhängig ist von der Inten- sität des Anregungslichts (10), - a light source (1) which can emit excitation light (10) in a first wavelength range, - A fluorophore (4) which contains a fluorescent material sensitive to the analyte and is arranged so that the fluorescent material is in direct contact with the fluid and can be exposed to the excitation light emitted by the light source (1), wherein the fluorophore (4) thereupon emits luminescent light (20, 20 ') in a second wavelength range in response to the excitation light (10) and, if applicable, interference light (50, 60) from interference sources (5, 6), with o an intensity of the luminescent light ( 20, 20 ') is dependent on an intensity of the excitation light (10) and the oxygen content of the fluid, and a delay, such as a response time delay (ΔT) or a phase shift (Δ), of the luminescent light is dependent is essentially independent of the content of the analyte in the fluid but of the intensity of the excitation light (10),
- ein Lichtdetektor (2), welcher zumindest Licht innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs detektieren kann und ein eine detektierte Lichtintensität repräsentierendes, insbesondere dazu proportionales, analoges Detektorsi- gnal ausgibt, und - A light detector (2) which can detect at least light within the second wavelength range and outputs an analog detector signal that represents a detected light intensity, in particular that is proportional thereto, and
- eine Steuerung (3), welche die Lichtquelle (1) ansteuert, aus dem Signal des Lichtdetektors (2) die Verzögerung (Δ, ΔT) des Lumineszenzlichts (20, 20’) bestimmt und hieraus ein die Konzentration des Analyten in dem Fluid repräsentierendes analoges oder digitales Messsignal ableitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (3) dazu vorbereitet ist, mittels der Lichtquelle- A controller (3) which controls the light source (1), determines the delay (Δ, ΔT) of the luminescent light (20, 20 ') from the signal from the light detector (2), and from this a representative of the concentration of the analyte in the fluid derives analog or digital measurement signal, characterized in that the controller (3) is prepared for this by means of the light source
(1) Anregungslicht (10) in Form einer Sequenz von Einzel- lichtpulses auszusenden, wobei ein zeitlicher Abstand (T1, T2, T3) von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufällig gewählt wird. (1) Excitation light (10) in the form of a sequence of individual emitting light pulse, a time interval (T1, T2, T3) of successive individual pulses being chosen randomly or quasi-randomly.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (3) zur Festlegung des zeitlichen Ab- standes aufeinanderfolgender Einzelpulse einen Zufallsgene- rator (31) umfasst. 9. The device according to claim 8, characterized in that the controller (3) comprises a random generator (31) for determining the time interval between successive individual pulses.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufallsgenerator (31) quasi-zufällige Pulsabstände unter Verwendung der Formel 10. The device according to claim 9, characterized in that the random generator (31) quasi-random pulse intervals using the formula
Ti = p*(Ti-1 + s) Mod q wobei i eine laufende Nummer des Einzelpulses, s ein Start- wert, und p und q Primzahlen sind, erzeugt. T i = p * (T i-1 + s) Mod q where i is a running number of the individual pulse, s is a start value, and p and q are prime numbers.
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030095893A1 (en) * 1998-11-04 2003-05-22 The Research Foundation Of State University Of New York Method and apparatus for detecting radiation
WO2004070367A1 (en) 2003-02-03 2004-08-19 Hach Company Phase shift measurement system
WO2005033746A2 (en) 2003-09-29 2005-04-14 Photosense L.L.C. Frequency domain luminescence instrumentation
US20080044922A1 (en) * 2006-08-18 2008-02-21 Cord Mueller System and Method of Compensating for System Delay in Analyte Analyzation
WO2008113963A1 (en) * 2007-03-20 2008-09-25 Prime Technology Llc Secure tag validation
US20100267049A1 (en) * 2009-04-15 2010-10-21 Rutter William J Diagnostic devices and related methods
WO2014095506A1 (en) 2012-12-21 2014-06-26 Hamilton Bonaduz Ag Optical measuring device
US20140316225A1 (en) * 2011-06-23 2014-10-23 Mayo Foundation For Medical Education And Research System and method for detecting vascular contamination by surgical anesthetic using non-invasive ir spectrophotometry
US20150301028A1 (en) * 2014-04-22 2015-10-22 Q-State Biosciences, Inc. Analysis of compounds for pain and sensory disorders
WO2016056886A1 (en) * 2014-10-09 2016-04-14 Mimos Berhad A system and method for measuring a fluorescence emission signal with phase correction in phase fluorometric
US20180136446A1 (en) * 2015-05-21 2018-05-17 Q-State Biosciences, Inc. Optogenetics microscope

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030095893A1 (en) * 1998-11-04 2003-05-22 The Research Foundation Of State University Of New York Method and apparatus for detecting radiation
WO2004070367A1 (en) 2003-02-03 2004-08-19 Hach Company Phase shift measurement system
WO2005033746A2 (en) 2003-09-29 2005-04-14 Photosense L.L.C. Frequency domain luminescence instrumentation
US20080044922A1 (en) * 2006-08-18 2008-02-21 Cord Mueller System and Method of Compensating for System Delay in Analyte Analyzation
WO2008113963A1 (en) * 2007-03-20 2008-09-25 Prime Technology Llc Secure tag validation
US20100267049A1 (en) * 2009-04-15 2010-10-21 Rutter William J Diagnostic devices and related methods
US20140316225A1 (en) * 2011-06-23 2014-10-23 Mayo Foundation For Medical Education And Research System and method for detecting vascular contamination by surgical anesthetic using non-invasive ir spectrophotometry
WO2014095506A1 (en) 2012-12-21 2014-06-26 Hamilton Bonaduz Ag Optical measuring device
US20150301028A1 (en) * 2014-04-22 2015-10-22 Q-State Biosciences, Inc. Analysis of compounds for pain and sensory disorders
WO2016056886A1 (en) * 2014-10-09 2016-04-14 Mimos Berhad A system and method for measuring a fluorescence emission signal with phase correction in phase fluorometric
US20180136446A1 (en) * 2015-05-21 2018-05-17 Q-State Biosciences, Inc. Optogenetics microscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THONKE K ET AL: "TIME- AND ENERGY-RESOLVED EMISSION SPECTROSCOPY USING A STEP-SCAN FT SPECTROMETER COMBINED WITH CORRELATIONAL ANALYSIS TECHNIQUES", APPLIED SPECTROSCOPY, THE SOCIETY FOR APPLIED SPECTROSCOPY. BALTIMORE, US, vol. 51, no. 4, 1 April 1997 (1997-04-01), pages 548 - 551, XP000698694, ISSN: 0003-7028, DOI: 10.1366/0003702971940567 *

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