DE102007021544A1

DE102007021544A1 - Measuring unit and method for optically examining a liquid for an analyte concentration

Info

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

Abstract

Die Messeinheit (1) ist zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf Konzentrationen von in der Flüssigkeit gelösten und mit fluoreszierenden Farbstoffen direkt oder indirekt markierten Analyten bestimmt. Ein transparentes erstes Teil (2) und ein transparentes zweites Teil (3) sind zusammengesetzt. Das erste Teil (2) hat an einer Kontaktfläche (4) zwischen dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3) eine sich in das erste Teil (2) erstreckende Aussparung, so dass bei zusammengesetztem ersten Teil (2) und zweiten Teil (3) ein Fluidmesskanal (5) zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit gebildet ist. Es sind Anregungsmittel (9; 10) zur optischen Direktanregung der Farbstoffe der zusammen mit der Flüssigkeit in den Fluidmesskanal (5) gelangten Analyten vorgesehen. Die Anregungsmittel enthalten einen innerhalb des ersten Teils (2) verlaufenden Eingangslichtpfad (10) zur Zuführung von Anregungslicht (LA) zum Fluidmesskanal (5). Ein Ausgangslichtpfad (14) ist zur Abführung von im Fluidmesskanal (5) aufgrund der Direktanregung der Farbstoffe durch das Anregungslicht (LA) erzeugtem Fluoreszenzlicht (LF, LM) vorgesehen.The measuring unit (1) is intended for the optical examination of a liquid for concentrations of analytes dissolved in the liquid and directly or indirectly labeled with fluorescent dyes. A transparent first part (2) and a transparent second part (3) are assembled. The first part (2) has at a contact surface (4) between the first part (2) and the second part (3) extending into the first part (2) recess, so that when assembled first part (2) and second Part (3) is formed a fluid measuring channel (5) for receiving the liquid to be examined. Excitation means (9; 10) are provided for the optical direct excitation of the dyes of the analytes which have reached the fluid measuring channel (5) together with the fluid. The excitation means comprise an input light path (10) extending within the first part (2) for supplying excitation light (L A ) to the fluid measurement channel (5). An output light path (14) is for discharging fluorescent light (L F , L ) generated in the fluid measurement channel (5) due to the direct excitation of the dyes by the excitation light (L A ) M ).

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinheit und ein Verfahren zur optischen Untersuchung einer Flüssigkeit auf eine Konzentration mindestens eines in der Flüssigkeit gelösten und mit einem fluoreszierenden Farbstoff direkt oder indirekt markierten Analyten. Bei der Messeinheit ist ein transparentes erstes Teil mit einem transparenten zweiten Teil zusammengesetzt. Das erste Teil weist an einer Kontaktfläche zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eine sich in das erste Teil erstreckende Aussparung auf, so dass bei zusammengesetztem ersten Teil und zweiten Teil ein Fluidmesskanal zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit gebildet ist.The The invention relates to a measuring unit and a method for optical Examination of a liquid to a concentration at least one dissolved in the liquid and one fluorescent dye directly or indirectly labeled analyte. The measuring unit is a transparent first part with a composed transparent second part. The first part points at a contact surface between the first part and the second part extending into the first part recess on, so that when composed first part and second part a fluid measuring channel for receiving the liquid to be examined is formed.

Eine derartige Messeinheit ist beispielsweise in dem Fachaufsatz von J. Tschmelak et al., „Automated Water Analyser Computer Supported System (AWACSS) Part I: Project objectives, basic technology, immunoassay development, software design and networking", Biosensors and Bioelectronics 20 (2005), Seiten 1499 bis 1508 beschrieben. Diese bekannte Messeinheit ist eine (Durch)Flusszelle, mittels derer geringe Konzentrationen bestimmter in Lösung befindlicher Moleküle, die hier als Analyte bezeichnet werden, quantitativ auf optischem Weg bestimmt werden. Es werden insbesondere verschiedene Analyte gleichzeitig detektiert. Der an das Analytmolekül gebundene Farbstoff wird durch Anregungslicht mit einem innerhalb des Absorptionsspektrums des Farbstoffs liegenden Wellenlängenbereich zur Fluoreszenz angeregt. Das emittierte Fluoreszenzlicht wird als Maß für die interessierende Analytkonzentration detektiert und ausgewertet.Such a measuring unit is for example in the technical article of J. Tschmelak et al., "Automated Water Analyzer Computer Supported System (AWACSS) Part I: Project objectives, basic technology, immunoassay development, software design and networking", Biosensors and Bioelectronics 20 (2005), pages 1499 to 1508 described. This known measuring unit is a flow cell, by means of which small concentrations of certain molecules in solution, referred to herein as analytes, are quantitatively determined optically. In particular, different analytes are detected simultaneously. The dye bound to the analyte molecule is excited to fluoresce by excitation light having a wavelength range within the absorption spectrum of the dye. The emitted fluorescent light is detected and evaluated as a measure of the analyte concentration of interest.

Bei der bekannten Messeinheit erfolgt die optische Anregung in dem Fluidmesskanal aufgrund einer Wechselwirkung eines evanszenten Felds des in einem Lichtwellenleiter geführten Anregungslichts mit dem Farbstoff, mit dem der jeweilige Ana lyt markiert ist. Unter dem evaneszentem Feld ist die elektromagnetische Feldkomponente des in dem Lichtwellenleiter geführten Anregungslichts zu verstehen, welche außerhalb des Lichtwellenleiters exponentiell gedämpft wird. Diese Feldkomponente dringt in das den eigentlichen lichtleitenden Bereich umgebende Medium ein. Die Eindringtiefe ist auf einige wenige Wellenlängen beschränkt. Das evaneszente Feld fällt mit zunehmendem Abstand vom lichtleitenden Bereich exponentiell ab. Die Markierungsfarbstoffe der zu detektierenden Analyte können also nur in einem sehr eng begrenzten Bereich mit dem evaneszenten Feld in Wechselwirkung treten und zur Fluoreszenz angeregt werden. Diese Anregung über das evaneszente Feld führt aber zu einem sehr günstigen Signal/Rausch-Verhältnis.at the known measuring unit, the optical excitation takes place in the fluid measuring channel due to an interaction of an evanscent field of the in one Optical waveguide guided excitation light with the dye, with which the respective analyte is marked. Under the evanescent Field is the electromagnetic field component of the in the optical fiber guided excitation light to understand which outside of the optical waveguide is exponentially attenuated. These Field component penetrates into the actual photoconductive area surrounding medium. The penetration depth is limited to a few wavelengths limited. The evanescent field falls with increasing Distance from the photoconductive region exponentially. The marking dyes The analyte to be detected can therefore only in a very narrow range interacts with the evanescent field occur and be excited to fluoresce. This suggestion about but the evanescent field leads to a very favorable Signal / noise ratio.

Bei der bekannten Messeinheit ist der von dem evaneszenten Feld umgebene Lichtwellenleiter als ein planarer integriert optischer Wellenleiter ausgeführt. Er verläuft in dem Unterteil, also dem zweiten Teil der Messeinheit und durchquert den Bereich des Fluidmesskanals. Das der Zuführung des Anregungslichts dienende zweite Teil ist aufgrund des integriert optischen Wellenleiters relativ aufwändig. Seine Herstellung und der Anschluss des zur Lichteinkopplung in den integriert optischen Wellenleiter vorgesehenen Faserlichtwellenleiters sind kostspielig.at The known measuring unit is surrounded by the evanescent field Optical waveguide as a planar integrated optical waveguide executed. He runs in the lower part, so the second part of the measuring unit and traverses the area of the fluid measuring channel. The second part serving to supply the excitation light is relatively expensive due to the integrated optical waveguide. His Manufacture and the connection of the light coupling in the integrated optical waveguide provided fiber optical waveguide are expensive.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Messeinheit der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die sich einfach realisieren lässt.A The object of the invention is therefore a measuring unit of Specify at the beginning designated type, which can be easily realized leaves.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Messeinheit sind Anregungsmittel zur optischen Direktanregung des Farbstoffs des zusammen mit der Flüssigkeit in den Fluidmesskanal gelangten Analyten vorgesehen. Die Anregungsmittel enthalten einen zumindest teilweise innerhalb des ersten Teils verlaufenden Eingangslichtpfad zur Zuführung von Anregungslicht zum Fluidmesskanal. Es ist ein Ausgangslichtpfad zur Abführung von im Fluidmesskanal aufgrund der Direktanregung des Farbstoffs durch das Anregungslicht erzeugtem Fluoreszenzlicht vorgesehen.These Task is solved by the characteristics of the independent Patent claim 1. In the measuring unit according to the invention are exciters for the optical direct excitation of the dye of the arrived together with the liquid in the fluid measuring channel Analytes provided. The excitation means contain at least one partially within the first part extending input light path for supplying excitation light to the fluid measuring channel. It is an output light path for discharging in the fluid measuring channel due to the direct excitation of the dye by the excitation light provided fluorescent light provided.

Bei der erfindungsgemäßen Messeinheit kommt anstelle der indirekten Anregung über das evaneszente Feld eines integriert optischen Wellenleiters eine Direktanregung der Farbstoffe zum Einsatz. Der Fluidmesskanal, in dem sich die Flüssigkeit mit dem zu detektierenden und mittels des Farbstoffs markierten Analyten befindet, wird direkt mit dem Anregungslicht bestrahlt. Hierzu ist insbesondere kein aufwändig herzustellender integriert optischer Wellenleiter erforderlich. Das insbesondere als Unterteil ausgeführte zweite Teil der erfindungsgemäßen Messeinheit ist sehr einfach, beispielsweise als transparente Platte ohne integriert optische Komponenten, ausgeführt. Es kann bei Bedarf, beispielsweise, wenn sich die zur Bindung des Analyten auf dem zweiten Teil aufgebrachten Rezeptoren nach einem Einsatz nicht (mehr) wiederaufbereiten lassen, problemlos und vor allem mit geringem Umrüst- und Kostenaufwand ausgetauscht werden. Das zweite Teil dient nicht der Zuführung des Anregungslichts. Diese Funktion wird bei der erfindungsgemäßen Messeinheit von dem insbesondere als Oberteil ausgeführten ersten Teil wahrgenommen, das aber trotzdem mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden kann. Auch das erste Teil enthält vorzugsweise keine integriert optische Komponenten. Bei den Anregungsmitteln handelt es sich stattdessen um einfache Maßnahmen, die insbesondere eine Leitung des Anregungslichts von einer äußeren Begrenzungswand des ersten Teils durch das Innere des ersten Teils bis zum Fluidmesskanal bewerkstelligen.In the case of the measuring unit according to the invention, direct excitation of the dyes is used instead of the indirect excitation via the evanescent field of an integrated optical waveguide. The fluid measuring channel, in which the liquid with the analyte to be detected and marked by the dye is located, is irradiated directly with the excitation light. In particular, no elaborate optical waveguide is required for this purpose. The second part of the measuring unit according to the invention, which is designed in particular as a lower part, is very simple, for example designed as a transparent plate without integrated optical components. If necessary, for example, if the receptors applied to bind the analyte on the second part can not be (re) reprocessed after use, it can be easily and, above all, exchanged with little conversion and expense. The second part is not used to supply the excitation light. In the case of the measuring unit according to the invention, this function is performed by the first part, which is designed in particular as a top part, but which nevertheless can be produced with comparatively little effort. Also, the first part preferably contains no integrated optical components. Instead, the excitation means are simple measures which, in particular, manage a conduction of the excitation light from an outer boundary wall of the first part through the interior of the first part to the fluid measurement channel time.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messeinheit ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the measuring unit according to the invention arise from the features of dependent of claim 1 Claims.

Günstig ist eine Variante, bei der die Anregungsmittel ein optisches Streuelement umfassen. Dadurch wird eine Homogenisierung erreicht. Der ansonsten oft punktförmig oder zumin dest auf eine kleine Querschnittsfläche konzentrierte Strahl des Anregungslichts wird durch das Streuelement aufgeweitet und auf eine größere Querschnittsfläche verteilt, so dass der Fluidmesskanal gleichmäßiger mit Anregungslicht bestrahlt wird.Cheap is a variant in which the excitation means is an optical scattering element include. As a result, a homogenization is achieved. The otherwise often punctiform or at least on a small cross-sectional area concentrated beam of the excitation light is through the scattering element expanded and on a larger cross-sectional area distributed, so that the fluid measuring channel uniform is irradiated with excitation light.

Weiterhin kann der Eingangslichtpfad zumindest teilweise durch eine mit einem Faserende in das erste Teil eingebettete optische Faser gebildet sein. Ebenso ist die Einbettung (= Integration) eines Faserbündels mit mehreren Fasern möglich. Mittels einer optischen Faser kann das Anregungslicht problemlos und vor allem nahezu ohne Transmissionsverluste an eine weitgehend beliebig wählbare Stelle innerhalb des ersten Teils geführt werden.Farther the input light path can at least partially by a with a Fiber end formed in the first part embedded optical fiber be. Likewise, the embedding (= integration) of a fiber bundle possible with several fibers. By means of an optical fiber the excitation light can easily and, above all, almost without transmission losses to a largely arbitrary point within the first part.

Ähnliche Vorteile gelten auch für eine andere bevorzugte Variante, bei der der Ausgangslichtpfad zumindest teilweise durch eine mit einem Faserende insbesondere in das zweite Teil eingebettete optische Faser gebildet ist. Auch hier kann alternativ ein Faserbündel verwendet werden. Die optischen Fasern ermöglichen ein Einsammeln des Fluoreszenzlichts nahe an dessen Entstehungsort.Similar Advantages also apply to another preferred variant, in which the output light path at least partially by a a fiber end in particular in the second part embedded optical fiber is formed. Again, alternatively, a fiber bundle be used. The optical fibers allow a Collecting the fluorescent light close to its place of origin.

Vorzugsweise umfassen die Anregungsmittel weiterhin eine unter einem Wandneigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Kontaktfläche geneigte Seitenwand und der Eingangslichtpfad verläuft innerhalb des erste Teils zwischen der geneigten Seitenwand und dem Fluidmesskanal. Die geneigte Seitenwand ist insbesondere die Eintrittsfläche, durch die das Anregungslicht in das erste Teil eintritt. Der Neigungswinkel ist vorzugsweise so gewählt, dass das schräg in das erste Teil, den Fluidmesskanal und auch das zweite Teil eingestrahlte Anregungslicht im zweiten Teil eine Totalreflexion erfährt und in Richtung des ersten Teils zurückgeworfen wird. Dadurch gelangt, wenn überhaupt, nur ein vernachlässigbarer Teil des Anregungslichts zu einer Detektionseinheit, die zum Empfang des Fluoreszenzlichts bestimmt ist und üblicherweise auf der vom ersten Teil abgewandten Seite des zweiten Teils angeordnet ist. So wird an der Detektionseinheit eine erwünschte hohe Unterdrückung des Anregungslichts erreicht.Preferably The excitation means further comprise one opposite to a wall angle of inclination a surface normal of the contact surface inclined Side wall and the entrance light path runs within the first part between the inclined side wall and the fluid measuring channel. The inclined side wall is in particular the entrance surface, through which the excitation light enters the first part. The angle of inclination is preferably chosen so that the obliquely in the first part, the fluid measuring channel and also the second part irradiated excitation light in the second part experiences a total reflection and in the direction of the first part is reflected. As a result, if at all, only a negligible part the excitation light to a detection unit for receiving the fluorescence light is determined and usually on the side facing away from the first part of the second part is. Thus, at the detection unit a desired high Suppression of the excitation light achieved.

Bei einer anderen günstigen Ausgestaltung umfassen die Anregungsmittel ein strahlformendes oder abbildendes optisches Eingangselement zur Strahlformung des Anregungslichts und das strahlformende optische Eingangselement ist insbesondere als gekrümmter oder gewölbter Bereich an einer äußeren Begrenzungswand des ersten Teils oder als auf eine äußere Begrenzungswand des ersten Teils aufgebrachte diffraktive Struktur ausgebildet. Ein solches beispielsweise als Linse, (Mikro)Linsenarray oder Beugungsstruktur ausgeführtes strahlformendes Eingangselement ermöglicht eine weitgehend beliebige Anpassung des Anregungslichts an die innerhalb des Fluidmesskanals zu beleuchtende/n Fläche/n. Das strahlformende Eingangselement kann als gesonderte Komponente oder als integraler Bestandteil des ersten Teils ausgeführt sein.at In another advantageous embodiment, the excitation means comprise a beam-shaping or imaging optical input element for beam shaping of the excitation light and the beam-shaping input optical element is especially as a curved or curved Area on an outer boundary wall of the first Partly or as an outer boundary wall formed diffractive structure of the first part. Such as, for example, as a lens, (micro) lens array or diffraction structure executed beam-forming input element allows a largely arbitrary adaptation of the excitation light to the inside of the fluid channel to be illuminated / n surface. The jet-forming Input element can be as a separate component or as an integral Be part of the first part.

Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der ein strahlformendes oder abbildendes optisches Ausgangselement zur Strahlformung des Fluoreszenzlichts vorgesehen ist und das strahlformende optische Ausgangselement insbesondere als gekrümmter oder gewölbter Bereich an einer äußeren Begrenzungswand des zweiten Teils oder als auf eine äußere Begrenzungswand des zweiten Teils aufgebrachte diffraktive Struktur ausgebildet ist. Das strahlformende Ausgangselement, das insbesondere dieselben Bauformen wie vorstehend für das strahlformende Eingangselement angegeben annehmen kann, dient zur Erfassung eines möglichst großen Anteils des Fluoreszenzlichts und/oder zur Anpassung des Strahlbündels des Fluoreszenzlichts an eine Detektorfläche. Auch das strahlformende Ausgangselement kann als gesonderte Komponente oder als integraler Bestandteil des zweiten Teils ausgeführt sein.Cheap is still a variant in which a beam-shaping or imaging Optical output element for beam shaping of the fluorescent light is provided and the beam-shaping optical output element in particular as a curved or arched area on an outer Boundary wall of the second part or as an outer one Boundary wall of the second part applied diffractive structure is trained. The jet-forming output element, in particular the same designs as above for the jet-forming input element can be assumed, serves to capture a possible large portion of the fluorescent light and / or for adaptation of the beam of fluorescent light to a detector surface. The beam-forming output element can also be used as a separate component or as an integral part of the second part be.

Außerdem ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Fluidmesskanal eine sich in eine Längsrichtung erstreckende Form, beispielsweise eine Quaderform, mit Längsseitenwänden und zwei Stirnseitenwänden hat, wobei ein Innenraum des Fluid messkanals an den Längsseitenwänden mit einem niedrig brechenden Material beschichtet ist und der Eingangslichtpfad innerhalb des ersten Teils zwischen einer äußeren Begrenzungswand des ersten Teils und einer der beiden Stirnseitenwänden des Fluidmesskanals verläuft. Der Fluidmesskanal wirkt dann wie ein Lichtwellenleiter. An den beschichteten Längsseitenwänden kommt es zur Totalreflektion, so dass das Anregungslicht möglichst lange innerhalb des Fluidmesskanals gehalten wird und möglichst viele der an die Analyte gebundenen Farbstoffe zur Fluoreszenz anregen kann. Ein Eintritt und ein Austritt des Anregungslichts sind im Idealfall nur an den Stirnseitenwänden möglich. Geht man z. B. von einer wässrigen Analytlösung aus, so kommt als niedrig brechendes Beschichtungsmaterial vorzugsweise ein Aerogel mit einem Brechungsindex n von etwa 1,007 bis etwa 1,24 oder auch Teflon in Frage. Insbesondere hat das zur Beschichtung vorgesehene Material also einen niedrigeren Brechungsindex als die Flüssigkeit, in der der Analyt gelöst ist.Furthermore it is preferably provided that the fluid measuring channel a in a longitudinal direction extending form, for example a cuboid shape, with longitudinal side walls and two End walls has, with an interior of the fluid measuring channel on the longitudinal side walls with a low breaking Material is coated and the input light path within the first part between an outer boundary wall of the first part and one of the two end walls the fluid measuring channel runs. The fluid measuring channel acts then like an optical fiber. At the coated longitudinal side walls it comes to the total reflection, so that the excitation light as possible is kept long within the fluid measuring channel and as many as possible the dyes bound to the analytes to fluoresce fluorescence can. An entry and an exit of the excitation light are in Ideally possible only on the front walls. If you go z. B. of an aqueous analyte solution from, as comes preferably as a low-refractive coating material Airgel having a refractive index n of from about 1.007 to about 1.24 or Teflon in question. In particular, this has the coating provided material thus a lower refractive index than the liquid, in which the analyte is dissolved.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung besteht das zweite Teil aus einem Kunststoffmaterial und ist insbesondere als Spritzgussformteil ausgeführt. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des zweiten Teils, so dass sich das zweite Teil mit vertretbarem Aufwand austauschen lässt. Das zweite Teil kann dann sogar auch als preisgünstige Einwegkomponente realisiert werden. Außerdem ergibt sich so die Möglichkeit zur kostengünstigen Integration von optisch abbildenden Elementen in das zweite Teil. Solche optisch abbildenden Elemente steigern z. B. den Anteil des zu Auswertezwecken erfassten Fluoreszenzlichts. Die am Detektor ankommende Intensität des Fluoreszenzlichts lässt sich so verbessern.at In another advantageous embodiment, the second part made of a plastic material and is designed in particular as an injection molded part. This allows a particularly cost-effective Production of the second part, so that the second part with replace reasonable effort. The second part can then even as a low-priced disposable component will be realized. In addition, this gives the possibility for cost-effective integration of optically imaging elements in the second part. Increase such optically imaging elements z. B. the proportion of the detected fluorescence for evaluation purposes. The intensity of the fluorescent light arriving at the detector can be improved.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann.A Another object of the invention is a method of the initially indicated type to be performed with little effort can.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 10 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Messeinheit wie vorstehend beschrieben verwendet. Der an den Analyt gebundene Farbstoff wird direkt mit mittels des ersten Teils dem Fluidmesskanal zugeführtem Anregungslicht bestrahlt und so zur Abstrahlung von Fluoreszenzlicht angeregt. Das abgestrahlte Fluoreszenzlicht wird zumindest teilweise zur weiteren Auswertung empfangen.to Solution to this problem is a method according to the Characteristics of claim 10. In the method according to the invention a measuring unit is used as described above. Of the Dye bound to the analyte is directly incorporated by means of the first Partly irradiated to the fluid measuring channel excitation light irradiated and thus excited to the emission of fluorescent light. The radiated Fluorescent light is at least partially for further evaluation receive.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Wesentlichen dieselben Ausgestaltungen und Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messeinheit und deren Ausgestaltungen beschrieben worden sind.The inventive method has substantially the same designs and benefits already related with the measuring unit according to the invention and their Embodiments have been described.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further Features, advantages and details of the invention will become apparent the following description of exemplary embodiments based on the drawing. It shows:

1 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem direkt beleuchteten Fluidmesskanal und einem eine Streuscheibe umfassenden Eingangslichtpfad in perspektivischer Ansicht, 1 An embodiment of an optical measuring unit with a directly illuminated fluid measuring channel and a lens comprising a diffusing input light path in a perspective view,

2 die Messeinheit gemäß 1 in einer Querschnittsdarstellung, 2 the measuring unit according to 1 in a cross-sectional view,

3 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem ein Faserbündel und eine Streuscheibe umfassenden Eingangslichtpfad, 3 An embodiment of an optical measuring unit with a fiber bundle and a lens comprising input light path,

4 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem optische Fasern umfassenden Eingangslichtpfad und einem optische Fasern umfassenden Ausgangslichtpfad, 4 an embodiment of an optical measuring unit having an input optical path comprising optical fibers and an output optical path comprising optical fibers,

5 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit schräger Einstrahlung des Anregungslichts durch ein Oberteil der Messeinheit und Totalreflektion des Anregungslichts in einem Unterteil der Messeinheit, 5 an embodiment of an optical measuring unit with oblique irradiation of the excitation light through an upper part of the measuring unit and total reflection of the excitation light in a lower part of the measuring unit,

6 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit optischen Strahlformungselementen als integrierte Bestandteile des Ober- und des Unterteils, und 6 an embodiment of an optical measuring unit with optical beam shaping elements as integrated components of the upper and the lower part, and

7 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit mit einem an den Längsseitenwänden beschichteten Fluidmesskanal und mit Durchstrahlung des Fluidmesskanals in Längsrichtung. 7 An embodiment of an optical measuring unit with a coated on the longitudinal side walls fluid measuring channel and with radiation through the fluid measuring channel in the longitudinal direction.

Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are in 1 to 7 provided with the same reference numerals.

In 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit 1 in Form einer Durchflussmesszelle gezeigt. Sie enthält ein bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel quaderförmiges Oberteil 2 und ein plattenförmiges Unterteil 3, die aus optisch transparentem Material bestehen. Das Oberteil 2 ist an einer Kontaktfläche 4 mit dem Unterteil 3 zu einem Grundkörper zusammengefügt. Diese Verbindung ist insbesondere lösbar. Sie umfasst ein in 1 und 2 nicht mit dargestelltes Dichtungselement. Das Oberteil 2 hat an der Kontaktfläche 4 eine quaderförmige Aussparung, die im zusammengesetzten Zustand mittels des Unterteils 3 flüssigkeitsdicht abgedeckt ist. Die so abgedeckte Aussparung bildet im Inneren der Messeinheit 1 einen Fluidmesskanal 5, der mit einem Zulauf 6 und einem Ablauf 7 versehen ist. Der Zulauf 6 und der Ablauf 7 führen von dem Fluidmesskanal 5 an eine von dem Unterteil 3 abgewandte von außen zugängliche obere Deckwand 8 des Oberteils 2. Die Funktion des Oberteils 2 und die des Unterteils 3 können bei einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel auch vertauscht sein. Ebenso können der Zulauf 6 und der Ablauf 7 anstelle im Oberteil 2 auch im Unterteil 3 angeordnet sein.In 1 and 2 is an embodiment of an optical measuring unit 1 shown in the form of a flow cell. It contains a cuboid upper part in the embodiment shown 2 and a plate-shaped lower part 3 , which consist of optically transparent material. The top 2 is at a contact surface 4 with the lower part 3 assembled to a basic body. This compound is particularly solvable. It includes a in 1 and 2 not with illustrated sealing element. The top 2 has at the contact surface 4 a cuboid recess, in the assembled state by means of the lower part 3 is covered liquid-tight. The thus covered recess forms inside the measuring unit 1 a fluid measuring channel 5 that with a feed 6 and a process 7 is provided. The feed 6 and the process 7 lead from the fluid measuring channel 5 to one of the lower part 3 facing away from the outside accessible upper top wall 8th of the top 2 , The function of the shell 2 and the lower part 3 may also be reversed in an alternative embodiment, not shown. Likewise, the inlet 6 and the process 7 instead of the top 2 also in the lower part 3 be arranged.

Im Oberteil 2 ist eine Streuscheibe 9 angeordnet, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beabstandet und insbesondere parallel zu dem Fluidmesskanal 5 verläuft. Die Streuscheibe 9 ist Bestandteil eines Eingangslichtpfads 10, der von einer äußeren Begrenzungswand des Oberteils 2, beispielsweise von der Deckwand 8 oder von einer Seitenwand 11 oder 12, zu dem Fluidmesskanal 5 führt.In the shell 2 is a lens 9 arranged, which in the embodiment shown spaced and in particular parallel to the fluid measuring channel 5 runs. The diffuser 9 is part of an entrance light path 10 coming from an outer boundary wall of the shell 2 , for example, from the top wall 8th or from a side wall 11 or 12 , to the fluid measuring channel 5 leads.

Der Eingangslichtpfad 10 ist seinerseits Bestandteil von optischen Anregungsmitteln, die zur optischen Direktanregung eines während der Untersuchung im Fluidmesskanal 5 befindlichen fluoreszierenden Farbstoffs mittels eines Anregungslichts L_A bestimmt sind. Der Farbstoff gelangt mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit, wie z. B. einer (Ab-)Wasserprobe, in den Fluidmesskanal 5. In der Flüssigkeit sind Analyte gelöst, deren Konzentrationen interessieren und die zur leichteren optischen Identifizierung mit dem fluoreszierenden Farbstoff markiert sind. In der Regel befinden sich in der zu untersuchenden Flüssigkeit mehrere verschiedene Analyte.The input light path 10 is in turn a component of optical excitation means for optical direct excitation of a during the Untersu chung in the fluid measuring channel 5 located fluorescent dye by means of an excitation light L _{A are} determined. The dye passes with a liquid to be examined, such as. B. a (Ab-) water sample, in the fluid measuring channel 5 , In the liquid are dissolved analytes whose concentrations are of interest and which are labeled for easy optical identification with the fluorescent dye. As a rule, there are several different analytes in the liquid to be examined.

Neben dem Eingangslichtpfad 10 umfassen die Anregungsmittel weitere zum Teil in 1 und 2 nicht dargestellte Komponenten, wie eine Lichtquelle zur Erzeugung des Anregungslichts L_A und eine insbesondere mittels eines einfachen Glasfaser-Lichtwellenleiters realisierte optische Übertragungsstrecke zur Übertragung des Anregungslichts L_A von der Lichtquelle zu der Messeinheit 1.Next to the entrance light path 10 The excitation means comprise more in part 1 and 2 not shown components, such as a light source for generating the excitation light L _A and realized in particular by means of a simple fiber optic optical fiber optical transmission path for transmitting the excitation light L _A from the light source to the measuring unit 1 ,

Die bei der Messeinheit 1 innerhalb des Eingangslichtpfads 10 angeordnete Streuscheibe 9 streut das mit geringem Strahlquerschnitt einfallende Anregungslicht L_A. Ein Teil des Anregungslichts L_A wird wie in 1 ersichtlich reflektiert. Ein anderer Teil durchquert die Streuscheibe 9 und tritt aufgrund der streuenden Wirkung auf der dem Fluidmesskanal 5 zugewandten Seite mit einem gegenüber dem Querschnitt des einfallenden Lichts deutlich vergrößerten Beleuchtungsquerschnitt aus der Streuscheibe 9 wieder aus. Die Streuscheibe 9 bewirkt also eine Homogenisierung der Flächenverteilung des Anregungs lichts L_A, so dass die Farbstoffe in dem Fluidmesskanal 5 innerhalb eines möglichst großen Flächenbereichs bestrahlt und zur Fluoreszenz angeregt werden.The at the measuring unit 1 within the input light path 10 arranged lens 9 scatters the low beam cross-section incident excitation light L _A. Part of the excitation light L _A becomes as in 1 clearly reflected. Another part passes through the lens 9 and occurs due to the scattering effect on the fluid measuring channel 5 facing side with respect to the cross section of the incident light significantly enlarged illumination cross section of the lens 9 out again. The diffuser 9 So causes a homogenization of the area distribution of the excitation light L _A , so that the dyes in the fluid measuring channel 5 be irradiated within a large area as possible and excited to fluorescence.

Für die beschriebene vorteilhafte streuende Wirkung spielt der Winkel, unter dem das Anregungslicht L_A auf die Streuscheibe 9 auftrifft, keine wesentliche Rolle. Ein senkrechter und auch ein schräger Lichteinfall sind möglich. Beide Optionen sind in der Darstellung gemäß 2 gezeigt. Das Anregungslicht L_A kann in das Oberteil 2 durch eine beliebige äußere Begrenzungswand eintreten. Die obere Deckwand 8 und die Seitenwände 11 und 12 sind also mögliche Lichteintrittsflächen. Der Lichteingangspfad 10 nimmt je nach Lichteintrittsfläche und -ort einen anderen Verlauf innerhalb des Oberteils 2 an.For the advantageous scattering effect described, the angle under which the excitation light L _{A plays} on the diffusing screen 9 hits, does not matter. A vertical and an oblique incidence of light are possible. Both options are shown in the illustration 2 shown. The excitation light L _A can in the upper part 2 enter through any outer boundary wall. The upper cover wall 8th and the side walls 11 and 12 So are possible light entry surfaces. The light entry path 10 Depending on the light entry area and location takes a different course within the shell 2 at.

An dem Unterteil 3 sind in bekannter Weise im Bereich des Fluidmesskanals 5 mehrere voneinander getrennte Messstellen für insbesondere jeweils verschiedene Analyte angeordnet. Diese in 1 und 2 nicht näher gezeigten Messstellen haben Rezeptoren, die eine chemische Bindung mit jeweils einem der in der Flüssigkeit gelösten Analyte eingehen können. Sie bewirken so im Bereich der betreffenden Messstelle eine Fixierung von Molekülen dieses Analyttyps an der Oberfläche des Unterteils 3. Die Rezeptoren können als einfache Moleküle oder auch als Abfolge von Molekülschichten (= Sandwich-Assays) ausgebildet sein. Die zu untersuchende Flüssigkeit mit den gelösten Analyten kann ggf. mit einer geeigneten Lösung, die Antikörper enthält, vermischt und inkubiert werden, ehe dieses Lösungsgemenge dann über die Messstellen geführt wird.At the bottom 3 are in a known manner in the region of the fluid measuring channel 5 arranged several separate measuring points for each particular different analytes. This in 1 and 2 Measuring points that are not shown in more detail have receptors which can form a chemical bond with one of the analytes dissolved in the liquid. In the region of the relevant measuring point, they thus cause a fixation of molecules of this type of analyte on the surface of the lower part 3 , The receptors can be designed as simple molecules or else as a sequence of molecular layers (= sandwich assays). The liquid to be examined with the dissolved analytes may optionally be mixed with a suitable solution containing antibodies and incubated before this amount of solution is then passed over the measuring points.

Die Farbstoffe der an den Messstellen jeweils gebundenen Analyte werden direkt mit dem gestreuten und damit gleichmäßiger verteilten Anregungslicht L_A bestrahlt. Infolge dieser Anregung senden sie ein Fluoreszenzlicht L_F aus, von dem ein Teil das Unterteil 3 passiert und die Messeinheit 1 als zu detektierendes und auszuwertendes Messlichtsignal L_M an einer un teren vom Fluidmesskanal 5 abgewandten Seitenwand 13 des Unterteils 3 verlässt. Die Seitenwand 13 ist also eine Lichtaustrittsfläche. Der von dem Messlichtsignal L_M durchquerte Teil des Unterteils 3 ist als ein Ausgangslichtpfad 14 zu verstehen.The dyes of the respective analytes bound at the measuring points are irradiated directly with the scattered and thus more uniformly distributed excitation light L _A. As a result of this excitation they emit a fluorescent light L _F , of which a part of the lower part 3 happens and the measurement unit 1 as to be detected and evaluated Meßlichtsignal L _M at an un direct from the fluid measuring channel 5 opposite side wall 13 of the lower part 3 leaves. The side wall 13 is therefore a light exit surface. The portion of the base traversed by the measurement light signal L _M 3 is as an output light path 14 to understand.

Die von den jeweiligen Messstellen stammenden Messlichtsignale L_M werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mittels eines optischen Elements in Form einer Stablinse 15 aufgesammelt und einer Detektionseinheit 16 zugeführt. Anstelle der Stablinsen 15 können auch andere optische Elemente zum Aufsammeln der Messlichtsignale L_M verwendet werden, wie z. B. auf der unteren Seitenwand 13 aufgebrachte Beugungsgitter oder zur direkten Lichteinkopplung bestimmte Lichtleitfasern oder Faserbündel. Jeder Messstelle kann ein eigenes optisches Element zum Aufsammeln des jeweils zugehörigen Messlichtsignals L_M zugeordnet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind also vier Messstellen zur Erfassung vier verschiedener Analyte vorgesehen. Diese Anzahl ist aber nur beispielhaft zu verstehen. Eine andere und vor allem auch erheblich größere Anzahl ist grundsätzlich ebenfalls möglich.The originating from the respective measuring points measuring light signals L _M are in the embodiment according to 1 by means of an optical element in the form of a rod lens 15 picked up and a detection unit 16 fed. Instead of the rod lenses 15 For example, other optical elements for collecting the measurement light signals L _M can be used, such. B. on the lower side wall 13 applied diffraction gratings or for the direct coupling of light specific optical fibers or fiber bundles. Each measuring point can be assigned its own optical element for collecting the respectively associated measuring light signal L _M. In the embodiment according to 1 Thus four measuring points are provided for the detection of four different analytes. This number is only to be understood as an example. Another and above all considerably larger number is also possible in principle.

Die Detektionseinheit 16 ist in bekannter Weise aufgebaut. Sie umfasst ein Filterelement 17 sowie Detektorelemente 18 in Form von Photodioden oder CCD- oder CMOS-Arrays. Das Filterelement 17 unterdrückt etwaige bis zur Detektionseinheit 16 gelangte Restanteile des Anregungslichts L_A. Das Fluoreszenzlicht L_F der Messlichtsignale L_M hat dagegen eine andere Wellenlänge als das Anregungslicht L_A und kann daher das Filterelement 17 ungehindert passieren. Die Detektorelemente 18 wandeln die Messlichtsignale L_M in weiter verarbeitbare elektrische Signale um.The detection unit 16 is constructed in a known manner. It comprises a filter element 17 as well as detector elements 18 in the form of photodiodes or CCD or CMOS arrays. The filter element 17 Suppresses any to the detection unit 16 reached residual portions of the excitation light L _A. By contrast, the fluorescent light L _{F of} the measurement light signals L _M has a different wavelength than the excitation light L _A and can therefore be the filter element 17 pass unhindered. The detector elements 18 the measuring light signals L _M convert into further processable electrical signals.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messeinheit 19 mit dem wiederum direkt beleuchtbaren Fluidmesskanal 5 und mit einem Eingangslichtpfad 20, der ebenfalls die Streuscheibe 9 enthält, gezeigt. Im Unterschied zur Messeinheit 1 enthält der Eingangslichtpfad 20 der Messeinheit 19 teilweise in das Oberteil 2 eingebettete Faserbündel 21 zur Zuführung des Anregungslichts LA zu der Streuscheibe 9. Grundsätzlich können anstelle der Faserbündel 21 auch einzelne zuführende Lichtwellenleiter verwendet werden. Abgesehen von der integrierten faseroptischen Anregung besteht kein anderer wesentlicher Unterschied zu der Messeinheit 1.In 3 is an embodiment of a measuring unit 19 with the turn directly illuminated fluid measuring channel 5 and with an input light path 20 , which is also the diffuser 9 contains, ge shows. In contrast to the measuring unit 1 contains the input light path 20 the measuring unit 19 partly in the shell 2 embedded fiber bundles 21 for supplying the excitation light LA to the lens 9 , Basically, instead of the fiber bundles 21 also individual feeding optical fibers are used. Apart from the integrated fiber optic excitation, there is no other significant difference to the measuring unit 1 ,

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messeinheit 22 gezeigt, die ebenfalls den direkt beleuchtbaren Fluidmesskanal 5 umfasst. Darüber hinaus enthält die Messeinheit 22 einen im Wesentlichen durch optische Lichtleitfasern 23 gebildeten Eingangslichtpfad 24 und einen ebenfalls im Wesentlichen durch optische Lichtleitfasern 25 gebildeten Ausgangslichtpfad 26.In 4 is an embodiment of a measuring unit 22 also showing the directly illuminated fluid measuring channel 5 includes. In addition, the measuring unit contains 22 one essentially by optical fibers 23 formed input light path 24 and one also essentially by optical fibers 25 formed output light path 26 ,

Die Lichtleitfasern 23 sind zum Teil in das Oberteil 2 eingebettet und erstrecken sich mit ihrem einen Faserende fast bis an den Fluidmesskanal 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist keine Streuscheibe vorgesehen. Die Farbstoffe werden auch bei dieser integrierten faseroptischen Anregung direkt durch das aus den Lichtleitfasern 23 austretende und über die innerhalb des Materials des Oberteils 2 verbleibende Lichtwegstrecke in den Fluidmesskanal 5 gelangende Anregungslicht L_A bestrahlt. Beim Austritt aus den Lichtleitfasern 23 kommt es zu einer Strahlaufweitung und somit zumindest zu einer gewissen Homogenisierung des Anregungslichts L_A. Mittels geeigneter Maßnahmen, wie z. B. einer Oberflächenaufrauung der Endstirnflächen der Lichtleitfasern 23 kann die Homogenisierung gesteigert werden.The optical fibers 23 are partly in the shell 2 embedded and extend with its one fiber end almost to the fluid measuring channel 5 , In this embodiment, no lens is provided. The dyes are also used in this integrated fiber optic excitation directly by the out of the optical fibers 23 leaking and over within the material of the shell 2 remaining light path in the fluid channel 5 reaching excitation light L _A irradiated. When exiting the optical fibers 23 There is a beam expansion and thus at least a certain homogenization of the excitation light L _A. By means of suitable measures, such as. B. a surface roughening of the end faces of the optical fibers 23 the homogenization can be increased.

Die Lichtleitfasern 25 sind zum Teil in das Unterteil 3 eingebettet und erstrecken sich mit ihrem einen Faserende fast bis an den Fluidmesskanal 5. Das Fluoreszenzlicht L_F wird auf diese Weise sehr nahe am Ort seiner Entstehung, nämlich sehr nahe an der jeweiligen Messstelle, als Messlichtsignal L_M in die Lichtleitfasern 25 eingekoppelt. Bei dieser integrierten faseroptischen Detektion geht nur ein geringer Teil des Fluoreszenzlichts L_F verloren.The optical fibers 25 are partly in the lower part 3 embedded and extend with its one fiber end almost to the fluid measuring channel 5 , The fluorescent light L _F is in this way very close to the place of its formation, namely very close to the respective measuring point, as the measurement light signal L _M in the optical fibers 25 coupled. In this integrated fiber-optic detection, only a small part of the fluorescent light L _{F is} lost.

Die einspeisenden Lichtleitfasern 23, die Messstellen für die mit den Farbstoffen versehenen Analyte und die abführenden Lichtleitfasern 25 sind bei der Messeinheit 22 aufeinander abgestimmt angeordnet. Pro Messstelle ist insbesondere eine der einspeisenden Lichtleitfasern 23 und eine der abführenden Lichtleitfasern 25 vorgesehen.The feeding optical fibers 23 , the measuring points for the analytes provided with the dyes and the emitting optical fibers 25 are at the measurement unit 22 arranged coordinated. In particular, one measuring point is one of the feeding optical fibers 23 and one of the dissipative optical fibers 25 intended.

Anstelle der bei der Messeinheit 22 vorgesehenen integrierten faseroptischen Detektion kann bei einem alternativen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Detektion wie bei den Messeinheiten 1 und 19 vorgesehen sein.Instead of the measuring unit 22 provided integrated fiber optic detection can in an alternative embodiment not shown, a detection as in the measuring units 1 and 19 be provided.

Die vorstehend anhand der Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 4 beschriebene Verwendung von integrierten Lichtleitfasern 23 und 25 oder integrierten Faserbündeln 21 vereinfacht die Einkopplung des Anregungslichts L_A in den Fluidmesskanal 5 und/oder die Auskopplung des Fluoreszenzlichts L_F bzw. des Messlichtsignals L_M aus dem Fluidmesskanal 5 erheblich. So lässt sich auch eine höhere Messgenauigkeit erzielen.The above with reference to the embodiments according to 3 and 4 described use of integrated optical fibers 23 and 25 or integrated fiber bundles 21 simplifies the coupling of the excitation light L _A in the fluid measuring channel 5 and / or the coupling out of the fluorescence light L _F or the measurement light signal L _M from the fluid measurement channel 5 considerably. This also allows a higher measurement accuracy can be achieved.

In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit 27 mit schräger Einstrahlung des Anregungslichts L_A gezeigt. Die Messeinheit 27 hat ein Oberteil 28 mit schrägen Seitenwänden 29 und 30. Letztere sind mit einem Neigungswinkel gegenüber der Oberflächennormalen der Kontaktfläche 4 geneigt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 bildet die schräge Seitenwand 29 die Lichteintrittsfläche für das Anregungslicht L_A. Sie ist damit Teil der Anregungsmittel, die außerdem einen zwischen der Seitenwand 29 und dem Fluidmesskanal 5 innerhalb des Oberteils 28 verlaufenden Eingangslichtpfad 31 umfassen. Der Eingangslichtpfad 31 trifft schräg auf den zu beleuchtenden Fluidmesskanal 5.In 5 is an embodiment of an optical measuring unit 27 shown with oblique irradiation of the excitation light L _A. The measuring unit 27 has a shell 28 with sloping side walls 29 and 30 , The latter are at an angle of inclination to the surface normal of the contact surface 4 inclined. In the embodiment according to 5 forms the sloping sidewall 29 the light entry surface for the excitation light L _A. It is thus part of the stimulus that also has one between the sidewall 29 and the fluid measuring channel 5 inside the shell 28 extending input light path 31 include. The input light path 31 obliquely hits the fluid measuring channel to be illuminated 5 ,

Der Neigungswinkel der Seitenwand 29 ist so gewählt, dass das Anregungslicht L_A nach dem Durchlaufen des Oberteils 28 und des Fluidmesskanals 5 im Unterteil 3, insbesondere an deren unterer Seitenwand 13 eine Totalreflektion erfährt. Damit wird verhindert, dass Anregungslicht L_A in den Erfassungsbereich der in 5 nicht mit dargestellten Detektionseinheit 16 gelangt.The angle of inclination of the side wall 29 is chosen so that the excitation light L _A after passing through the upper part 28 and the fluid measuring channel 5 in the lower part 3 , in particular at its lower side wall 13 undergoes a total reflection. This prevents that excitation light L _A in the detection range of in 5 not with the detection unit shown 16 arrives.

Zur Bündelung des Anregungslichts L_A ist bei der Messeinheit 27 optional eine der Lichteintrittsfläche und dem Eingangslichtpfad 31 vorgeschaltete optische Sammellinse 32 vorgesehen. Sie ist als gesondertes Bauelement ausgeführt.For focusing the excitation light L _A is at the measuring unit 27 optionally one of the light entry surface and the input light path 31 upstream optical converging lens 32 intended. It is designed as a separate component.

Alternativ können derartige strahlformende optische Elemente aber auch integrierte Bestandteile der jeweiligen Messeinheit sein. In 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen optischen Messeinheit 33 gezeigt, bei der sowohl ein Oberteil 34 als auch ein Unterteil 35 ein integriertes optisches Strahlformungselement 36 bzw. 37 als Materialwölbung in der betreffenden äußeren Begrenzungswand 29 bzw. 13 aufweist. Je nach Anforderung und in Abhängigkeit der verwendeten Materialien können die Strahlformungselemente 36 und 37 konkav oder konvex (siehe 6) ausgebildet sein. Die Strahlformungselemente 36 und 37 dienen zur Bündelung des eingangsseitigen Anregungslicht L_A bzw. der ausgangsseitigen Messlichtsignale L_M. Abgesehen von den integrierten Strahlformungselementen 36 und 37 sind die Messeinheiten 27 und 33 im Wesentlichen gleich ausgeführt.Alternatively, however, such beam-shaping optical elements can also be integrated components of the respective measuring unit. In 6 is an embodiment of such an optical measuring unit 33 shown in which both a top 34 as well as a lower part 35 an integrated optical beam shaping element 36 respectively. 37 as a material curvature in the relevant outer boundary wall 29 respectively. 13 having. Depending on the requirements and depending on the materials used, the beam-shaping elements 36 and 37 concave or convex (see 6 ) be formed. The beam shaping elements 36 and 37 serve for the bundling of the input-side excitation light L _A and the output-side measurement light signals L _M. Apart from the integrated beamforming elements 36 and 37 are the measurement units 27 and 33 executed essentially the same.

In 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Messeinheit 38 gezeigt. Sie enthält wieder ein quaderförmiges Oberteil 39 und ein plattenförmiges Unterteil 40, die im zusammengesetzten Zustand einen Fluidmesskanal 41 umschließen. Der Fluidmesskanal 41 hat im Gegensatz zu dem Fluidmesskanal 5 beschichtete Längsseitenwände 42 bis 45, wobei die Beschichtung aus einem optisch niedrig brechenden Material, im Ausführungsbeispiel aus einem Aerogel, besteht. Von den insgesamt sechs Begrenzungswänden 42 bis 47 des Fluidmesskanals 41 sind lediglich die beiden Stirnseitenwände 46 und 47 unbeschichtet. Die Beschichtung ist also sowohl in der im Oberteil 39 zur Bildung des Fluidmesskanals 41 vorgesehenen Aussparung an drei der fünf Innenwände als auch auf der Oberflä che des Unterteils 40 im Bereich des Fluidmesskanals 41 aufgebracht.In 7 is an embodiment of a optical measuring unit 38 shown. It again contains a cuboid shell 39 and a plate-shaped lower part 40 in the assembled state, a fluid measuring channel 41 enclose. The fluid measuring channel 41 has in contrast to the fluid measuring channel 5 coated longitudinal side walls 42 to 45 , wherein the coating of a optically low refractive material, in the embodiment of an airgel exists. Of the total of six boundary walls 42 to 47 of the fluid measuring channel 41 are only the two end walls 46 and 47 uncoated. The coating is therefore both in the upper part 39 to form the fluid measuring channel 41 provided recess on three of the five inner walls as well as on the Oberflä surface of the lower part 40 in the area of the fluid measuring channel 41 applied.

Zwischen einer Oberteilstirnseitenwand 48 und der unbeschichteten Stirnseitenwand 46 des Fluidmesskanals 41 verläuft innerhalb des Oberteils 39 ein Eingangslichtpfad 49. Die Oberteilstirnseitenwand 48 ist bei der Messeinheit 38 die Lichteintrittsfläche für das Anregungslicht L_A, das auch bei diesem Ausführungsbeispiel zur Direktbeleuchtung der im Fluidmesskanal 41 befindlichen Farbstoffe bestimmt ist.Between a shell front wall 48 and the uncoated front wall 46 of the fluid measuring channel 41 runs inside the top 39 an input light path 49 , The shell front side wall 48 is at the measurement unit 38 the light entry surface for the excitation light L _A , which also in this embodiment for direct illumination of the in the fluid measuring channel 41 located dyes is determined.

Das Anregungslicht L_A tritt an der unbeschichteten Stirnseitenwand 46 in den Fluidmesskanal 41 ein. Innerhalb des Fluidmesskanals 41 breitet sich das Anregungslicht L_A in einer Längsrichtung 50 der Messeinheit 38 aus. Es wird aufgrund der beschichteten Längsseitenwände 42 bis 45 und der deshalb dort auftretenden Totalreflektionen innerhalb des Fluidmesskanals 41 geführt, bis es den Fluidmesskanal 41 komplett in Längsrichtung 50 durchlaufen hat und an der zweiten unbeschichteten Stirnseitenwand 47 austritt. Aufgrund ihrer lichtführenden Wirkung sind die beschichteten Längsseitenwände 42 bis 45 als Bestandteile der Anregungsmittel zu verstehen. Sie sorgen dafür, dass das Anregungslicht L_A möglichst lange innerhalb des Fluidmesskanals 41 bleibt, so dass es möglichst viele Farbstoffe bestrahlen und anregen kann.The excitation light L _A occurs at the uncoated end wall 46 in the fluid measuring channel 41 one. Within the fluid measuring channel 41 the excitation light L _A propagates in a longitudinal direction 50 the measuring unit 38 out. It is due to the coated longitudinal side walls 42 to 45 and therefore the total reflections occurring within the fluid measurement channel 41 guided until there is the fluid measuring channel 41 completely in the longitudinal direction 50 has passed through and on the second uncoated front wall 47 exit. Due to their light-guiding effect, the coated longitudinal side walls 42 to 45 to be understood as constituents of the excitation means. They ensure that the excitation light L _A as long as possible within the fluid measuring channel 41 remains so that it can irradiate and stimulate as many dyes as possible.

Auf dem Weg durch den Fluidmesskanal 41 bestrahlt das Anregungslicht L_A wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen die Farbstoffe direkt und regt diese zur Fluoreszenz an. Die ausgangsseitige Behandlung der Messlichtsignale L_M unterscheidet sich bei der Messeinheit 38 nicht von der im Zusammenhang mit den andern Ausführungsbeispielen beschriebenen.On the way through the fluid measuring channel 41 Irradiated the excitation light L _A as in the other embodiments, the dyes directly and stimulates these to fluorescence. The output-side treatment of the measuring light signals L _M differs in the measuring unit 38 not described in connection with the other embodiments.

Im Folgenden werden besondere Wirkungsweisen und Vorteile der Messeinheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 beschrieben.The following are special effects and benefits of the measurement units 1 . 19 . 22 . 27 . 33 and 38 described.

Anstelle der bekannten Fluoreszenzanregung mittels indirekter Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld ist bei allen Mess einheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 eine direkte Beleuchtung der fluoreszierenden Farbstoffe vorgesehen. Dadurch kann auf die besonders teuren integriert optischen Wellenleiter verzichtet werden.Instead of the known fluorescence excitation by means of indirect interaction with the evanescent field is in all measuring units 1 . 19 . 22 . 27 . 33 and 38 provided a direct illumination of the fluorescent dyes. This eliminates the need for the most expensive integrated optical waveguide.

Auch die sonstigen optischen Komponenten vereinfachen sich bei einem Verzicht auf integriert optische Wellenleiter. So entfällt die aufwändige Ankopplung der integriert optischen Wellenleiter an zu- oder abführende Faserlichtwellenleiter (= Pigtailing). Die bei der Evaneszenzanregung oft zur Speisung der integriert optischen Wellenleiter verwendeten polarisationserhaltenden Faserlichtwellenleiter sind ebenfalls teuer. Bei den Messeinheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 können zur Zuführung des Anregungslichts L_A preiswerte Standardlichtwellenleiter verwendet werden. Außerdem können kostengünstigere Lichtquellen zum Einsatz kommen. Der Fertigungsaufwand sinkt also insgesamt erheblich. Auch die Unterteile 3, 35 und 40 können deutlich kostengünstiger hergestellt werden, da sie keine integriert optischen Wellenleiter enthalten. Aufgrund des niedrigen Herstellungsaufwands lassen sich die Unterteile 3, 35 und 40 auch für eine nur einmalige Verwendung, also als Einweg-Unterteile, ausführen.The other optical components are also simplified in the absence of integrated optical waveguides. This eliminates the time-consuming coupling of the integrated optical waveguide to incoming or outgoing fiber optic waveguides (= pigtailing). The polarization-maintaining fiber-optic waveguides used in the evanescent excitation often for powering the integrated optical waveguides are also expensive. At the measurement units 1 . 19 . 22 . 27 . 33 and 38 can be used to supply the excitation light L _A inexpensive standard optical waveguides. In addition, cheaper light sources can be used. The production costs are thus significantly reduced overall. Also the parts 3 . 35 and 40 can be made significantly cheaper because they do not contain integrated optical waveguides. Due to the low manufacturing cost, the lower parts can be 3 . 35 and 40 also for a single use, so as a disposable parts, run.

Gegenüber der Anregung mittels eines evaneszenten Felds mit der in Tiefenrichtung exponentiell abnehmenden Feldstärke hat die hier verwendete direkte Beleuchtung der Farbstoffe eine erheblich größere Reichweite in die Tiefenrichtung. Besonders bei der Verwendung von Sandwich-Assays als Rezeptoren können sich nun die anzuregenden Farbstoffe in einem gewissen Abstand zur Begrenzungswand des Fluidmesskanals 5 und 41 befinden, ohne dass die Reichweite eines anregenden evaneszenten Felds zu gering wäre. Eine Anregung mittels direkter Beleuchtung ist hingegen problemlos möglich. Es gibt keine Begrenzung auf nur oberflächennahe Effekte wie bei der Evaneszenzanregung. Dadurch resultiert eine breitere Anwendbarkeit hinsichtlich der mittels der Rezeptoren an eine Begrenzungswand des Fluidmesskanals 5 und 41 anzubindenden Analyte.Compared with the excitation by means of an evanescent field with the field strength decreasing exponentially in the depth direction, the direct illumination of the dyes used here has a considerably greater range in the depth direction. Especially when using sandwich assays as receptors, the dyes to be excited can now be at a certain distance from the boundary wall of the fluid measurement channel 5 and 41 without the range of a stimulating evanescent field being too low. Excitation by means of direct illumination, however, is easily possible. There is no limit to only near-surface effects such as evanescent stimulation. This results in a wider applicability with respect to the means of the receptors to a boundary wall of the fluid channel 5 and 41 to be bound analyte.

Im Gegensatz zur Evaneszenzanregung mittels eines integriert optischen Wellenleiters kann mit der hier verwendeten direkten Beleuchtung der Farbstoffe eine gleichmäßigere Anregung aller Messstellen erreicht werden. Dadurch wird die Dynamik verbessert.in the Contrary to the evanescent excitation by means of an integrated optical Waveguide can be used with the direct lighting used here the dyes a more even stimulation of all Measuring points can be achieved. This improves the dynamics.

Bei den Messeinheiten 1, 19, 22, 27, 33 und 38 werden zwei wichtige Funktionen, nämlich die Zuführung bzw. Einkopplung des Anregungslichts L_A und die Bereitstellung der verschiedenen Messstellen im Fluidmesskanal 5, voneinander entkoppelt, indem sie verschiedenen Komponenten zugeordnet werden. Die Lichtzuführung und -einkopplung wird in erster Linie von den Oberteilen 2, 28, 34 und 39 wahrgenommen, die Messstellenbereitstellung dagegen von den Unterteilen 3, 35 und 40, die als Trägersubstrate für die Rezeptoren dienen. Beide Funktionen sind damit weitgehend unabhängig voneinander. Dies ist günstig, da z. B. ein Austausch von verbrauchten Messstellen gegen neue Messstellen dann nicht zugleich auch einen Austausch der noch intakten Lichtzuführung und -einkopplung bedingt.At the measurement units 1 . 19 . 22 . 27 . 33 and 38 become two important functions, namely the supply or coupling of the excitation light L _A and the provision of the different measuring points in the fluid measuring channel 5 , decoupled from each other by being assigned to different components. The light supply and -einkopplung is in first line of the tops 2 . 28 . 34 and 39 on the other hand, the measuring point provisioning from the lower parts 3 . 35 and 40 , which serve as carrier substrates for the receptors. Both functions are thus largely independent of each other. This is favorable because z. B. an exchange of used measuring points against new measuring points then not at the same time also requires an exchange of the still intact light supply and -einkopplung.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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

Claims

Measuring unit for optically examining a liquid to a concentration of at least one analyte dissolved in the liquid and directly or indirectly labeled with a fluorescent dye, wherein a) a transparent first part ( 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) with a transparent second part ( 3 ; 35 ; 40 ), b) the first part ( 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) at a contact surface ( 4 ) between the first part ( 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) and the second part ( 3 ; 35 ; 40 ) into the first part ( 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) extending recess, so that when assembled first part ( 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) and second part ( 3 ; 35 ; 40 ) a fluid measuring channel ( 5 ; 41 ) is formed for receiving the liquid to be examined, c) excitation means ( 9 ; 10 ; 20 ; 21 ; 23 ; 24 ; 29 ; 31 ; 32 ; 36 ; 42 - 45 ; 49 ) for the optical direct excitation of the dye of the dye together with the liquid in the fluid channel ( 5 ; 41 ) are provided and the excitation means at least partially within the first part ( 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) extending input light path ( 10 ; 20 ; 24 ; 31 ; 49 ) for supplying excitation light (L _A ) to the fluid measuring channel ( 5 ; 41 ), and d) an output light path ( 14 ; 26 ) for discharging in the fluid measuring channel ( 5 ; 41 ) is provided due to the direct excitation of the dye by the excitation light (L _A ) generated fluorescent light (L _F , L _M ).

Measuring unit according to claim 1, characterized in that the excitation means is an optical scattering element ( 9 ).

Measuring unit according to claim 1, characterized in that the input light path ( 20 ; 24 ) at least partially through one with a fiber end in the first part ( 2 ) embedded optical fiber ( 21 ; 23 ) is formed.

Measuring unit according to claim 1, characterized in that the output light path ( 26 ) at least partially by one with a fiber end, in particular in the second part ( 3 ) embedded optical fiber ( 25 ) is formed.

Measuring unit according to claim 1, characterized in that the excitation means a at a wall tilt angle with respect to a surface normal of the contact surface ( 4 ) inclined side wall ( 29 ) and the input light path ( 31 ) within the first part ( 28 ; 34 ) between the inclined side wall ( 29 ) and the fluid measuring channel ( 5 ) runs.

Measuring unit according to Claim 1, characterized in that the excitation means comprise a beam-shaping optical input element ( 32 ; 36 ) for beam shaping of the excitation light (L _A ) and the beam-shaping optical input element ( 36 ) in particular as a curved area on an outer boundary wall ( 29 ) of the first part ( 34 ) or is formed as applied to an outer boundary wall of the first part diffractive structure.

Measuring unit according to claim 1, characterized in that a beam-shaping optical output element ( 37 ) is provided for beam shaping of the fluorescent light (L _F , L _M ) and the beam-shaping optical output element ( 37 ) in particular as a curved area on an outer boundary wall ( 13 ) of the second part ( 35 ) or is formed as applied to an outer boundary wall of the second part diffractive structure.

Measuring unit according to claim 1, characterized in that the fluid measuring channel ( 41 ) extending in a longitudinal direction ( 50 ) extending form with longitudinal side walls ( 42 - 45 ) and two end walls ( 46 . 47 ), wherein an interior of the fluid measuring channel ( 41 ) on the longitudinal side walls ( 42 - 45 ) is coated with a low refractive material and the input light path ( 49 ) within the first part ( 39 ) between an outer boundary wall ( 48 ) of the first part ( 39 ) and one of the two end walls ( 46 . 47 ) of the fluid measuring channel ( 41 ) runs.

Measuring unit according to claim 1, characterized in that the second part ( 3 ; 35 ; 40 ) consists of a plastic material and is designed in particular as an injection molded part.

Method for optically examining a liquid to a concentration of at least one analyte dissolved directly in the liquid and directly or indirectly labeled with a fluorescent dye by means of a measuring unit ( 1 ; 19 ; 22 ; 27 ; 33 ; 38 ) according to any one of the preceding claims, wherein a) the dye bound to the analyte is directly 2 ; 28 ; 34 ; 39 ) the fluid measuring channel ( 5 ; 41 ) Supplied excitation light (L _A) is irradiated and so to emit fluorescent light (L _F, L _M) is excited, and b) the emitted fluorescence light (L _F, L _M) is at least partly received for further evaluation.