AT413446B - Verfahren und einrichtung zum durchführen von raman-spektroskopie - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, wobei ein Laserstrahl in einem Messbereich auf eine Probe gerichtet wird, die ein in einer Trägerflüssigkeit dispergiertes bzw. suspendiertes festes oder flüssiges Zielmaterial, z.B. organisches Material, enthält, und eine daraufhin von der Probe abgegebene, für diese Probe spezifische Strah-5 lung detektiert wird.

Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, mit einer Laservorrichtung und mit einem RAMAN-Spektrometer, sowie mit optischen Elementen zum Richten des Laserstrahls der Laservorrichtung auf eine Stelle in io einem Messbereich. RAMAN-Spektroskopie wird insbesondere bei der Analyse von kleinen organischen Tröpfchen oder Partikeln in einer Trägerflüssigkeit, wie etwa Wasser, angewandt, und sie beruht dabei darauf, dass Laserstrahlung, insbesondere im nahen Infrarotbereich, erzeugt und auf das zu 15 analysierende Tröpfchen oder Partikel fokussiert wird, wobei dann von diesem Zielmaterial eine spezifische in der Frequenz verschobene Strahlung abgegeben wird, die dem RAMAN-Spektrometer zugeführt wird. Zum Entfernen einer dabei ebenfalls vorliegenden unerwünschten Rayleigh-Strahlung werden entsprechende Filter eingesetzt. Eine derartige RAMAN-Spektroskopie, bei der überdies die zu analysierenden Tröpfchen oder Partikel mit Hilfe des 20 Strahlungsdrucks der Laserstrahlung im Wasser fixiert werden, ist beispielsweise in dem Artikel: Katsuhiro Ajito „Combined Near-Infrared Raman Microprobe and Laser Trapping System: Application to the Analysis of a Single Organic Microdroplet in Water", Applied Spectroscopy, Vol. 52, Nr. 3, 1998, Seiten 339-342; in dem Artikel: Katsuhiro Ajito et al, „Investigation of the Molecular Extraction Process in Single Subpicoliter Droplets Using a Near-Infrared Laser Ra-25 man Trapping System“, Analytical Chemistry, Vol. 72, Nr. 19, 1. Oktober 2000, Seiten 4721-4725; oder aber in dem Artikel: Katsuhiro Ajito et al., „Detection of Glutamate in Optically Trapped Single Nerve Terminals by Raman Spectroscopy“, Analytical Chemestry, Vol. 76, Nr. 9, 1. Mai 2004, S. 2506-2510, beschrieben. 30 Bei dieser bekannten RAMAN-Spektroskopie werden somit die Tröpfchen, allgemein das Zielmaterial, mit Hilfe der Laserstrahlung selbst eingefangen und fixiert, was jedoch nur relativ unzuverlässig ist, vor allem wenn größere, schwerere Partikel oder Partikelagglomerate betroffen sind. Derartige größere Materialien oder Agglomerate sind andererseits, so vorhanden, für die Spektroskopie naturgemäß günstig, da dann die empfangene Strahlung intensiver ist und 35 leichter detektiert werden kann. Auch ist es bei der bekannten Technik problematisch, die

Tröpfchen oder Partikel überhaupt im Laserlicht, und zwar im Fokuspunkt des Laserstrahls, einzufangen, da von vorneherein ihr Ort nicht bekannt ist.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und eine Technik vorzusehen, mit 40 der zu analysierende Teilchen oder Tröpfchen, d.h. das Zielmaterial, auf zuverlässige Weise von der zugeführten Laserstrahlung erfasst und für die Durchführung der Analyse im Fokuspunkt der Laserstrahlung festgehalten werden können bzw. kann. Weiters ist es Ziel der Erfindung, eine Technik vorzuschlagen, mit der nicht nur das eigentliche Zielmaterial selbst, sondern auch die Trägerflüssigkeit zuverlässig bzw. exakt gemessen werden kann, um so auch über 45 diese so wie z.B. über die Konzentration bestimmter Substanzen darin Aussagen treffen zu können.

Zur Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung wie in den anliegenden unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Vorteilhafte Aus-50 führungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung werden somit die Zielmaterialien, d.h. die bevorzugt zu analysierenden Partikel oder Tröpfchen, durch Erzeugung eines Ultraschall-Stehwellenfeldes in durch dieses Ultraschall-Stehwellenfeld vorgegebenen Zonen konzentriert und festgehalten, nämlich konkret 55 in den Druck- oder Schnelleknoten-Ebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes. Derartige Ultra- 3

AT 413 446 B schallfelder, in Form von so genannten „Quasi-Stehwellen“, können gut kontrolliert werden, wobei im Fall der Verwendung von Piezo-Wandlern (Piezo-Transducern) als Ultraschallsender, wie dies vorzugsweise vorgesehen wird, das Ultraschallfeld einfach durch entsprechende Einstellung des elektrischen Signals, das zur Ansteuerung des Piezo-Wandlers verwendet wird, 5 hinsichtlich Frequenz und Amplitude gesteuert werden kann. Um die gewünschte räumliche Stehwelle zu erhalten, kann die emittierte Ultraschallwelle auf der dem Ultraschallsender gegenüberliegenden Seite mit Hilfe eines Ultraschallreflektors reflektiert werden, wobei die rücklaufende Welle dann der abgestrahlten Welle überlagert wird, so dass sich die gewünschte Stehwelle ausbildet. Bei dieser Stehwelle ist die Hüllkurve der Amplitude in Richtung der Schallaus-io breitungsrichtung stationär, also zeitlich konstant. Im Prinzip kann das Ultraschall-Stehwellenfeld aber auch dadurch erhalten werden, dass zwei Ultraschallsender einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die von den beiden Ultraschallsendern emittierten Ultraschallwellen einander überlagert werden und so zum Stehwellenfeld bzw. zu den „Quasi-Stehwellen“ führen. 15

Bei einer solchen Ultraschall-Stehwelle wirken auf das in einer Trägerflüssigkeit enthaltene eigentliche Zielmaterial, nämlich Tröpfchen oder Teilchen, axiale primäre Schallstrahlungskräfte, wobei die Wirkung auf das Zielmaterial, z.B. Zellen, etwa Hefezellen, derart ist, dass dieses Zielmaterial in Richtung der Druckknoten des Stehwellenfeldes gedrängt wird. Ganz allgemein 20 hängt es von den Eigenschaften des Teilchen- bzw. Tröpfchenmaterials (Dichte, Schallgeschwindigkeit bzw. Kompressibilität, evtl, auch Viskosität) und den entsprechenden Eigenschaften der Trägerflüssigkeit ab, ob ein Tröpfchen oder Teilchen in die Druck- oder Schnelleknoten gedrückt wird. Die meisten Öle in Wasser (Dichte des „Teilchens“ kleiner als die Dichte der Trägerflüssigkeit) gehen beispielsweise in die Schnelleknoten (=Druckbäuche). Demgemäß 25 wird das in der Trägerflüssigkeit vorhandene Zielmaterial im Messbereich in Ebenen parallel zur Piezo-Transducer-Oberfläche konzentriert, nämlich in den Druck- oder aber Schnelleknoten-Ebenen. Da weiters in der Regel das Ultraschallfeld aufgrund der nicht ganz homogenen Ultraschallerzeugung im Piezo-Transducer z.B. in der Mitte stärker ist als am Rand, wirken auf das Zielmaterial auch transversale primäre Schallstrahlungskräfte, was nach der Konzentration des 30 Zielmaterials in den Druck- bzw. Schnelleknoten-Ebenen dazu führt, dass innerhalb dieser Ebenen auf das Zielmaterial Kräfte in Richtung einer Achse, z.B. Mittenachse, des Messbereichs ausgeübt werden, so dass es zu einer verstärkten Agglomeration des Zielmaterials an den Schnittstellen dieser Achse mit den Druck- bzw. Schnelleknoten-Ebenen kommt; als Resultat wird eine Art Kette von Agglomerate im Messbereich erhalten. Auf dieses konzentrierte 35 Zielmaterial bzw. auf diese Agglomerate kann der Laserstrahl ohne Probleme gerichtet bzw. „fokussiert“ werden, da im Prinzip der Ort der Druck- und Schnelleknoten-Ebenen bzw. des Agglomerates bekannt ist. Die Konzentration der Agglomerate bleibt so lange bestehen, so lange das Ultraschallfeld aktiv ist. Beim Deaktivieren des Ultraschallfeldes werden die Agglomerate freigegeben und z.B. im Fall eines Flüssigkeitsflusses durch den Messbereich durch diesen 40 „Flow“ aus dem Messbereich transportiert. Andererseits ist es auch möglich, das Ultraschallfeld an zu lassen, somit die Teilchen etc. festzuhalten, und die Trägerflüssigkeit auszutauschen, z.B. im Fall von beschichteten Polymerkügelchen und zur Beobachtung von chemischen Reaktionen. 45 Die RAMAN-Spektroskopie erlaubt in vorteilhafter Weise die Überwachung von biotechnologischen Prozessen, wie Fermentationen. Ziel der Überwachung ist es, den aktuellen Zustand dieses Prozesses zu jeder beliebigen Zeit zu kennen.

Neben physikalisch messbaren Größen, wie Druck oder Temperatur, sind hier auch so (bio)chemische Parameter wichtig. Dazu gehören: Die Konzentration von gelösten Stoffen (z.B. Glukose, Ammonium, Aminosäuren, organische Säuren, usw.); aber auch eine Information über feste Bestandteile, die Biokatalysatoren (Mikroorganismen, z.B. Hefe) selbst. Die Information, welche mittels RAMAN-Spektroskopie von den festen Bestandteilen erhalten werden kann, kann wiederum die Konzentration eines Inhaltsstoffes dieser Bestandteile sein, aber auch etwa 55 der physiologische Zustand der Mikroorganismen selbst. 4

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Wenn ohne Anlegen von Ultraschall Spektren von Suspensionen aufgenommen werden, so ist mit Beiträgen sowohl der gelösten als auch der festen Komponenten im RAMAN-Spektrum zu rechnen. Wenn nun nur die Beiträge der festen Bestandteile erhalten werden sollen, können diese Bestandteile (hier allgemein das „Zielmaterial“) in den Knoten des Ultraschall· 5 Stehwellenfeldes konzentriert werden, und es ist dann möglich, den Anregungs-Laserstrahl dorthin zu richten. Es kann aber ebenfalls vorteilhaft sein, die festen Bestandteile zu konzentrieren, den Laserstrahl aber dann bewusst daneben zu fokussieren, um eben nur Information von den gelösten Substanzen zu bekommen. io Das Ultraschall-Stehwellenfeld kann beispielsweise derart erzeugt werden, dass die Druckknotenebenen zumindest im Wesentlichen rechtwinkelig zur Laserstrahlrichtung verlaufen, und im Fall der Erzeugung von mehreren Druckknotenebenen im Messbereich ist es in diesem Fall für die Durchführung der Spektroskopie zweckmäßig, wenn der Laserstrahl z.B. auf das nächstlie-gende Zielmaterial bzw. die nächstliegende Druck- oder Schnelleknoten-Ebene, die Zielmaterial 15 enthält, fokussiert wird. Im Fall einer Anordnung, bei der die Knotenebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes im Wesentlichen rechtwinkelig zum einfallenden Laserstrahl verlaufen, wird der Ultraschallsender bevorzugt auf der von der Eintrittsseite des Laserstrahls abgewandten Seite des Messbereichs angeordnet, so dass die Abstrahlrichtung des Ultraschallsenders im Wesentlichen entgegengesetzt zur Laserstrahlrichtung verläuft. Denkbar und für viele Anwen-20 düngen vorteilhalft ist es jedoch auch, wenn das Ultraschall-Stehwellenfeld unter Abstrahlung von Ultraschallwellen zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Laserstrahls erzeugt wird, d.h. der Ultraschallsender wird mit seiner Abstrahlrichtung im Wesentlichen quer zur Laserstrahlrichtung angeordnet. In diesem Fall verlaufen die Druckknotenebenen (sowie die dazwischen liegenden Druckbauchebenen, d.h. Schnelleknoten-Ebenen) im Wesentlichen 25 parallel zur Laserstrahl-Richtung, und der Laserstrahl tritt in den Messbereich zwischen dem Ultraschallsender und einem diesem gegenüberliegenden Ultraschallreflektor oder weiteren Ultraschallsender ein.

Von Vorteil ist, dass der Fokuspunkt des Laserstrahls einfach auch dadurch relativ zu einer 30 Knotenebene des Ultraschall-Stehwellenfeldes gesteuert werden kann, dass die Frequenz des Ultraschalls geändert wird, wodurch sich die Knotenebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes entsprechend verschieben. Dies kann über ein Mikroskop beobachtet bzw. bis zu einem maximalen Detektorsignal durchgeführt werden, wobei dann der Fokuspunkt in einer Knotenebene vorliegt, so dass dann auch die Teilchen oder Tröpfchen optimal vom Laserstrahl erfasst und 35 angeregt werden. Ähnliches gilt selbstverständlich auch, wenn der Anregungs-Laserstrahl bewusst auf Stellen neben solche Partikel (Tröpfchen) gerichtet wird.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn ein Ultraschallfeld mit einer Frequenz von einigen Hundert kHz bis zu einigen wenigen MHz, 40 vorzugsweise 1,5 MHz bis 1,9 MHz, insbesondere 1,7 MHz bis 1,8 MHz, angelegt wird. Mit dem Ultraschallsender ist bevorzugt zur Änderung der Frequenz des Ultraschalls eine Frequenz-Einstelleinheit verbunden, wobei dies im Fall eines Piezo-Transducers einfach eine Einstelleinheit für die Frequenz des elektrischen Signals ist, welches an das - z.B. keramische -Piezoelement angelegt wird. Das Piezoelement kann dabei einfach auf einem Plättchen, insbe-45 sondere einem einfachen Glasplättchen angebracht sein, beispielsweise durch Aufkleben; sofern ein Ultraschallreflektor verwendet wird, kann dieser ebenfalls durch ein Glasplättchen realisiert werden.

Der Messbereich kann durch eine geschlossene Messzelle oder aber auch durch eine Durch-50 flusszelle gebildet sein. Die vorliegende Spektroskopietechnik kann jedoch, wie bereits erwähnt, mit besonderen Vorteil direkt an Prozessbehältern, wie etwa an Fermentationsbehältern, zur laufenden Prozessüberwachung angebracht werden; die Einrichtung kann daher als eine Art „Sonde“ an der Wand eines solchen Behälters fixiert werden, wobei sie mit dem Messbereich im Inneren des Behälters vorliegt. Für diesen Fall ist es zweckmäßig, wenn der Ultraschallsender 55 und der Ultraschallreflektor durch diskontinuierliche Wandelemente oder Stangen unter Bildung 5

AT 413 446 B einer käfigartigen Messzelle miteinander verbunden sind. Mit der käfigartigen Messzelle wird sichergestellt, dass laufend ein Austausch des Mediums im Behälter bzw. im Messbereich erfolgt, so dass immer aktuelle Spektroskopiemessungen durchgeführt werden können. 5 Die Laserstrahlung kann dem Messbereich einfach über Lichtleiter zugeführt werden. Der Laserstrahl selbst wird an der Stelle des Zielmaterials (oder daneben) auf eine Größenordnung von beispielsweise 2-5 pm fokussiert, und es ist so beispielsweise möglich, RAMAN-Spektren von einzelnen Bakterien als Zielmaterial zu erhalten. io Die Laservorrichtung kann in an sich herkömmlicher Weise aufgebaut sein, wobei es auch denkbar ist, einen Pumplaser mit einem Ti:Saphirlaser zu verbinden, um eine bestimmte Wellenlänge (z.B. in der Größenordnung von 200-1200 nm) zu erhalten. Selbstverständlich können aber auch andere Laservorrichtungen, wie Krypton-Laser, He-Ne-Laser oder Nd:YAG-Laser usw., verwendet werden. 15

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen: Die Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Einrichtung zur RAMAN-Spektroskopie samt Anordnung zur Erzeugung eines Ultraschall-Stehwellenfeldes im Messbe-20 reich; Fig. 2 in einer vergleichbaren Darstellung wie in Fig. 1 den Teil des Messbereichs mit einer modifizierten Anordnung zur Erzeugung des Ultraschall-Stehwellenfeldes; Fig. 3 in einem Diagramm drei Kurven der Intensität des Detektorsignals (in beliebiger Einheit) über der Wellenzahl (in cm'1), wobei Spektroskopie-Messergebnisse für ein in einer Trägerflüssigkeit suspendiertes Zielmaterial, für eine Trägerflüssigkeit (ohne Zielmaterial) sowie für ein Zielmaterial 25 ohne Trägerflüssigkeit veranschaulicht sind; und Fig. 4 in einem Diagramm zwei Kurven entsprechend den Messergebnissen bei einer RAMAN-Spektroskopie mit bzw. ohne Ultraschall-Stehwellenfeld.

In Fig. 1 ist schematisch eine Einrichtung 1 zur Durchführung von RAMAN-Spektroskopie Mes-30 sungen gezeigt, wobei nur ganz schematisch innerhalb einer Umrandung 2, die mehr im Einzelnen ein derartiges RAMAN-Spektroskop zeigt, eine Laservorrichtung 3 sowie ein Spektrometer 4 mit Detektor 5 (beispielsweise in Form einer CCD-Kamera) sowie ein weiterer Detektor 6 (insbesondere ebenfalls in Form einer CCD-Kamera) angeordnet sind. Verschiedene an sich hierbei übliche Elemente, wie Linsen und Filter, wurden in Fig. 1 der Einfachheit halber wegge-35 lassen, und es wurden nur ganz schematisch Strahlteiler 7, 8 in Form von halb durchlässigen Spiegeln veranschaulicht, um den Strahlengang insoweit zu komplettieren. Weiters ist auch symbolhaft eine Fokussierungslinse 9 zur Fokussierung des Laserstrahls 10 in einem Fokuspunkt 11 in einem Messbereich 12 dargestellt. Der Laserstrahl 10 kann dabei über einen oder mehrere (bevorzugt drei), in Fig. 1 nur ganz schematisch angedeutete Lichtleiter 13, 13' dem 40 Messbereich 12 zugeleitet (und dabei auch seitlich verschoben bzw. eingestellt) werden. Die Lage des Laser-Fokuspunktes 11 im Messbereich 12 kann dann z.B. durch Beleuchtung mittels des jeweils günstigen Lichtleiters 13, 13' erreicht werden. Andererseits ist es aber auch denkbar, den Laserstrahl 10 durch Verstellen des (einen) Lichtleiters 13 auf die gewünschte Stelle zu richten, wie in Fig. 1 (und Fig. 2) mit Pfeilen angedeutet ist. Eine weitere Einstellung des 45 Fokuspunktes 11 ist jene in der Tiefe, d.h. gemäß Fig. 1 (und 2) nach oben oder unten, und dies kann über die durch die Linse 9 angedeutete Fokus-Optik bewerkstelligt werden.

In Fig. 1 ist weiters schematisch eine Steuereinheit 14 gezeigt, die in der Regel im Wesentlichen durch eine Rechnereinrichtung gebildet sein wird, und die mit der Laservorrichtung 3, mit so dem RAMAN-Spektrometer 4 samt Detektor 5 sowie mit dem weiteren Detektor 6 verbunden ist.

Weiters wird mit Hilfe dieser Steuereinheit 14 eine Anordnung 15 zur Erzeugung eines Ultraschall-Stehwellenfeldes im Messbereich 12 angesteuert. Diese Anordnung 15 enthält einen Ultraschallsender 16, der beispielsweise ein keramisches Piezoelement 17 aufweist, das auf 55 einem Glasplättchen 18 aufgeklebt ist. Dabei ist eine dem Glasplättchen 18 zugewandte flächi- 6

AT 413 446 B ge Elektrode 19 vorgesehen, welche beispielsweise aus Silber besteht, und welche über die Ränder des Piezoelements 17 zur in Fig. 1 unteren Außenseite des Piezoelements 17 gezogen und dort bei 20 kontaktiert ist. Eine zweite, mittige Elektrode 21 befindet sich ebenfalls an der unteren Außenseite des Piezoelements 17 und ist dort direkt bei 22 kontaktiert. Die beiden 5 Kontakte 20, 22 sind mit einem Frequenzgenerator 23 verbunden, wie etwa einem Frequenz-leistungs-Synthesizer FPS 4025, um eine Schwingung beispielsweise im Bereich von 1,7 MHz bis 1,8 MHz zu erzeugen. Das vom Frequenzgenerator 19 erzeugte elektrische Signal mit dieser Frequenz wird über die Kontakte 20, 22 an das Piezoelement 17, d.h. an dessen Elektroden 19, 21, angelegt, so dass der Ultraschallsender 16 eine entsprechende Ultraschallwelle mit der io Frequenz von 1,7 MHz bis 1,8 MHz emittiert. Diese Ultraschallwelle wird gemäß der Darstellung in Fig. 1 vertikal nach oben durch den Messbereich 12 abgestrahlt und an der Oberseite des Messbereichs, dort wo der Laserstrahl 10 in den Messbereich 12 eintritt, von einem durch ein weiteres Glasplättchen 24 gebildeten Ultraschallreflektor 25 reflektiert. Durch Überlagerung der von Piezo-Transducer 17 emittierten Ultraschallwelle und der vom Ultraschallreflektor 25 reflek-15 tierten Ultraschallwelle bildet sich im Messbereich 12 ein „Quasi-Stehwellenfeld“ mit in Fig. 1 durch strichlierte Linien angegebenen Druckknotenebenen 26 aus. Im Abstand von einer Viertelwellenlänge von diesen Druckknotenebenen liegen dann in Fig. 1 nicht dargestellte Druckbauchebenen (=Schallschnelle-Knotenebenen) vor, d.h. die Druckknotenebenen 26 selbst haben einen gegenseitigen Abstand von einer halben Wellenlänge des Ultraschalls im Medium 20 im Messbereich 12. Die Anzahl der Druckknotenebenen 26 im Messbereich 12 hängt von der Größe (Höhe) des Messbereichs 12 sowie von der Wellenlänge des Ultraschalls im Messbereich (d.h. dem dort vorliegenden Medium) ab, und es ist denkbar, dass je nach Schallgeschwindigkeit im Messbereich 12 und je nach Frequenz des Ultraschallfeldes die halbe Wellenlänge als Distanz zwischen zwei benachbarten Druckknotenebenen 26 in der Größenordnung 25 von 0,3 mm oder 0,4 mm liegt; dies würde bei einer Höhe des Messbereichs 12 von ca. 4 mm zu gut 10 Druckknotenebenen 26 innerhalb des Messbereichs 12 führen. Denkbar sind jedoch selbstverständlich auch weniger Druckknotenebenen, z.B. bloß eine, bloß zwei oder bloß drei Druckknotenebenen, ebenso wie mehr Druckknotenebenen, z.B. bis zu 100 Druckknotenebenen, vorstellbar sind. 30

Der Messbereich 12 kann eine zylindrische Form haben, wobei die Flächen des Ultraschallsenders 16 bzw. - reflektors 25 im wesentlichen kreisförmig sind, der Messbereich 12 kann jedoch aber selbstverständlich auch anders, z.B. quaderförmig oder würfelförmig, mit einem in Draufsicht rechteckigen bzw. quadratischen Piezo-Transducer 16 bzw. Ultraschallreflektor 25, sein. 35

Im Betrieb werden in einer Trägerflüssigkeit vorhandene Teilchen oder Tröpfchen, kurz Zielmaterial, z.B. in den Druckknotenebenen 26 oder wie erwähnt in den Schallschnellenknotenebenen (nachstehend wird daher nur kurz auf Knotenebenen 26 Bezug genommen) gesammelt, wobei sich die so gebildeten Agglomerate 27 in den Knotenebenen 26 wiederum aufgrund der 40 Wirkung von transversalen primären Schallstrahlungskräften im Bereich einer Achse konzentrieren. Die transversalen primären Schallstrahlungskräfte, die für die Bewegung des Zielmaterials in den Knotenebenen 26 verantwortlich sind (wogegen die axialen primären Schallsteuerungskräfte das Zielmaterial in den Druckknotenebenen 26 konzentrieren), sind vor allem darauf zurückzuführen, dass bei Ultraschallwandlem in der Regel das Ultraschallfeld bezogen auf die 45 Fläche der Ultraschall-Emission des Ultraschallwandlers inhomogen ist, wobei es insbesondere in einem Mittenbereich stärker ist als in Randbereichen. Insgesamt bildet sich somit eine aus Fig. 1 ersichtliche „Kette" von Agglomeraten 27, wobei die Agglomerate von oben nach unten in der Größe zunehmen, was auf Gravitationseffekte zurückzuführen ist. Bevorzugt wird nun der Laserstrahl 10 auf die gemäß Fig. 1 oberste Knotenebene 26, mit dem obersten Agglomerat 27, so fokussiert, s. den Fokuspunkt 11, wobei die Fokussierung zum Einen mit Hilfe der schematisch durch die Linse 9 dargestellten optischen Elemente der Spektroskopievorrichtung 2 bewerkstelligt wird. Zum Anderen kann durch Änderung der Frequenz des an die Elektroden 19, 21 des Ultraschallwandlers 16 angelegten elektrischen Signals die Frequenz des Ultraschallfeldes im Messbereich 12 und damit die dort sich ergebende Wellenlänge variiert werden, um so den Ort 55 der Knotenebenen 26 etwas zu verschieben und dabei die oberste Knotenebene 26 oder eine 7

AT 413 446 B andere Knotenebene an die Stelle des Fokuspunktes 11 zu bringen. Dies kann mit Hilfe der Mikroskopeinrichtung, die durch die verschiedenen optischen Einrichtungen der RAMAN-Spektroskopievorrichtung und durch jene CCD-Kamera gebildet ist, die den weiteren Detektor 6 bildet, im Sinne einer „Scharfeinstellung“ beobachtet werden, wobei beim Zusammenfallen des 5 Fokuspunktes 11 mit der gewünschten Knotenebene 26 das Detektorsignal des Detektors 6 optimal wird.

Um diese Frequenzänderungen des Ultraschallfeldes über den Frequenzgenerator 23 durchführen zu können, ist in der Steuereinheit 14 eine entsprechende Frequenzeinstelleinheit 28 vor-io gesehen. Selbstverständlich kann diese Frequenzeinstelleinheit 28 auch direkt Teil des Frequenzgenerators 23 sein und dort unmittelbar betätigt werden. Andererseits kann bei angelegtem Ultraschall-Stehwellenfeld auch mit dem Laserstrahl 10 gezielt auf Stellen neben den Teilchen oder Tröpfchen 27 fokussiert werden, so dass mit Sicherheit eine Probe, nämlich jetzt die Trägerflüssigkeit, ohne diese Teilchen bzw. Tröpfchen 27 gemessen wird. 15

Das den Ultraschallreflektor 25 bildende Glasplättchen 24 kann mit dem Glasplättchen 18 des Ultraschallwandlers oder -Senders 16 über eine Wandung 29 verbunden sein, die den Messbereich 12 seitlich begrenzt, wobei auf diese Weise eine Messzelle 30 gebildet wird. Diese Messzelle 30 kann im Prinzip in Form einer Durchflusszelle ausgebildet sein, wobei entsprechende 20 Zuleitungen und Ableitungen vorzusehen sind, wie in Fig. 1 schematisch mit strichlierten Linien 31 bzw. 32 veranschaulicht ist. Über das so gebildete Flusssystem kann die gesamte Einrichtung 1 mit einer Produktionsanlage, etwa mit einem Fermentationsbehälter, zur Prozessüberwachung verbunden sein. Es ist aber auch denkbar, die Messzelle 30 direkt in einem schematisch in Fig. 1 durch eine Wand 33 angedeuteten Behälter in der Art einer Sonde unterzubrin-25 gen, und für diesen Fall ist die Wandung 29 der Messzelle 30 diskontinuierlich, etwa durch Anbringung von Löchern oder Schlitzen, auszubilden. Insbesondere kann die Wandung 29 der Messzelle 30 auch durch ein Gitter oder durch kleine Stangen gebildet sein, wobei insgesamt eine käfigartige Messzelle 30 erhalten wird, deren Inneres den Messbereich 12 bildet und somit mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht, so dass laufend ein Austausch der enthalte-30 nen Flüssigkeiten stattfindet. Dadurch kann die vorliegende Einrichtung 1 in vorteilhafter Weise zur kontinuierlichen Prozessüberwachung direkt an einen Produktionsbehälter, wie ein Fermentationsbehälter, eingesetzt werden, wobei es nur notwendig ist, die erforderlichen elektrischen Leitungen sowie den Ultraschallwandler 16 entsprechend abgeschirmt im Behälter unterzubringen. 35

In Fig. 2 ist eine gegenüber Fig.1 modifizierte Anordnung der Messzelle 30 bzw. der Ultraschallelemente veranschaulicht. Dabei ist wiederum eine sondenartige Ausbildung der Einrichtung 1 zur Anbringung im Inneren eines durch eine Wand 33 angedeuteten Produktionsbehälters vorgesehen, wobei eine durchsichtige Wand 34, in Form eines Glasplättchens, mit einem 40 die Laserstrahlzuführung, etwa wiederum mittels eines oder mehrerer Lichtleiter 13 (s. Fig. 1), umschließenden Gehäuse 35 verbunden ist. Auch hier ist es vorgesehen bzw. möglich, den Fokuspunkt (11 in Fig. 1) „seitlich" sowie „vertikal" (gemäß der Darstellung in Fig. 2) mit Hilfe der entsprechend aktivierten bzw. verstellten Lichtleiter einzustellen, um so die gewünschte Stellen - Agglomerat an Druckknoten bzw. Schnelleknoten oder Trägerflüssigkeit - zu erreichen. 45

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird aber anders als bei jenem in Fig. 1 das Ultraschall-Stehwellenfeld quer zur Richtung des Laserstrahls 10 erzeugt, d.h. es ergeben sich Knotenebenen 26, die im Wesentlichen parallel zur Richtung des Laserstrahls 10 verlaufen. Das Ultra-schall-Stehwellenfeld wird hier beispielsweise mit Hilfe von zwei Ultraschallsendern oder so -Wandlern 16,16' erzeugt, die je beispielsweise so wie vorstehend anhand des Ultraschallwandlers 16 gemäß Fig. 1 erläutert ausgebildet sein können, und die in entgegengesetzte Richtungen Ultraschallwellen emittieren, die zum gewünschten Stehwellenfeld überlagert werden. Der Laserstrahl 10 wird hier beispielsweise auf ein Agglomerat 27 in einer mittleren Knotenebene 26 (oder auf eine Stelle daneben) fokussiert. Die entsprechende Knotenebene 26 kann hier wie-55 derum durch Änderung der Frequenz des elektrischen Signals an den Piezoelementen 17, 17'

Claims (15)

1. δ ΑΤ 413 446 Β der Ultraschallwandler 16 bzw. 16' gemäß der Darstellung in Fig. 2 nach links oder rechts verschoben werden, um so das Agglomerat 27 in optimale räumliche Beziehung zum Fokuspunkt 11 des Laserstrahls 10 zu bringen. Die Ultraschallwandler 16,16’, genauer deren Glasplättchen 18, 18' können wiederum über gitterartige oder stangenartige Elemente, die die restliche Wan-5 düng 29 der Messzelle 30 bilden, miteinander und mit dem oberen Glasplättchen 34 verbunden sein, um so ebenfalls eine käfigartige Messzelle 30 zu erhalten, die mit ihrem Inneren mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht. In Fig. 3 ist ein Diagramm gezeigt, das die Intensität des Detektorsignals (in beliebiger Einheit) io über der Wellenzahl (in cm'1) bei drei verschiedenen Messungen zeigt. Im Einzelnen veranschaulicht die Kurve A eine Spektroskopie-Messung mit einem RAMAN-Spektrometer unter Anwendung eines Ultraschall-Stehwellenfeldes wie anhand der Fig. 1 erläutert, wobei ein Zielmaterial in Form von Polyvinylalkohol in Form von Kügelchen zugrunde lag, das in einer Trägerflüssigkeit, nämlich Wasser, suspendiert war. Die Kurve B zeigt ein entsprechendes Messer-15 gebnis, wobei nur die Trägerflüssigkeit, nämlich Wasser, gemessen wurde. Schließlich entspricht die Kurve C als Referenzkurve dem Fall, dass getrocknete Polymerkügelchen (d.h. Polyvinylalkohol-Kügelchen) ohne Trägerflüssigkeit (Wasser) vorliegen. Es ist dabei ersichtlich, dass die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Technik erhaltene Messkurve A einerseits bei der Wellenzahl 2900 cm'1 und sowie in einem Wellenzahlbereich von ca. 1300-1700 cm'1 20 entsprechende charakteristische Spitzen zeigt; andererseits zeigt sich eine charakteristische Spitze (für Wasser) in der Messkurve B im Wellenzahlen-Bereich von 3100 cm"1 bis 3600 cm'1. In dem Diagramm von Fig. 4 sind schließlich noch zwei Messkurven X, Y ersichtlich, die mit Hilfe der beschriebenen RAMAN-Spektroskopie aufgenommen wurden, wobei als zu messende 25 Partikel frei in Wasser suspendierte Polyvinylalkohol-Kügelchen Vorlagen. Die Kurve X zeigt dabei das Ergebnis, als wie beschrieben ein Ultraschall-Stehwellenfeld im Messbereich 12 erzeugt wurde, wogegen die Kurve Y eine entsprechende Messung ohne Ultraschallwellen im Messbereich betrifft. Aus dem Vergleich der beiden Kurven X, Y ist unmittelbar ersichtlich, dass das Messergebnis gemäß der Kurve X, also bei angelegtem Ultraschall-Stehwellenfeld, deutli-30 eher ist, wobei insbesondere ein stärkeres RAMAN-Signal aufgrund der agglomerierten Teilchen erhalten wird, vgl. die Bereiche bei den Wellenzahlen 1500 cm'1 und 2900 cm'1. Auch ergibt sich, dass die Agglomerate das Wasser verdrängen, da der große Doppel“peak“ ganz rechts im Diagramm, bei der Wellenzahl knapp unter 3500 cm'1, bei eingeschaltetem Ultraschall relativ zum übrigen Signal kleiner ist (Kurve X) als ohne Ultraschall (Kurve Y). 35 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie, wobei ein Laserstrahl in einem 40 Messbereich auf eine Probe gerichtet wird, die ein in einer Trägerflüssigkeit dispergiertes bzw. suspendiertes festes oder flüssiges Zielmaterial, z.B. organisches Material, enthält, und eine daraufhin von der Probe abgegebene, für diese Probe spezifische Strahlung de-tektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Messbereich ein Ultraschall-Stehwellenfeld erzeugt wird, wobei das feste oder flüssige Zielmaterial in Druck- oder Schnelleknotenebe-45 nen des Ultraschall-Stehwellenfeldes, gegebenenfalls nach Agglomerieren, festgehalten wird, und der Laserstrahl auf das festgehaltene feste oder flüssige Zielmaterial und/oder auf Stellen neben dem festen oder flüssigen Zielmaterial gerichtet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erzeugung von mehreren so Druck- bzw. Schnelleknotenebenen im Messbereich, die zumindest im Wesentlichen rechtwinkelig zum einfallenden Laserstrahls verlaufen, der Laserstrahl auf das in der dem Eintrittsort des Laserstrahls zunächst liegenden Druck- bzw. Schnelleknotenebene enthaltene feste oder flüssige Zielmaterial fokussiert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Stehwellenfeld 9 AT 413 446 B unter Abstrahlen von Ultraschallwellen zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Laserstrahls erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort der 5 Druck- bzw. Schnelleknotenebenen des Ultraschall-Stehwellenfeldes durch Ändern der Ult raschall-Frequenz eingestellt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallfeld mit einer Frequenz von einigen Hundert kHz bis zu einigen wenigen MHz, vor- io zugsweise 1,5 MHz bis 1,9 MHz, insbesondere 1,7 MHz bis 1,8 MHz, angelegt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Stehwellenfeld durch Überlagerung einer von einem Ultraschallsender abgestrahlten Ultraschallwelle und einer reflektierten Ultraschallwelle erzeugt wird. 15
7. 7. Einrichtung zum Durchführen von RAMAN-Spektroskopie mit einer Laservorrichtung und mit einem RAMAN-Spektrometer sowie mit optischen Elementen zum Richten des Laserstrahls der Laservorrichtung auf eine Stelle in einem Messbereich, dadurch gekennzeichnet, dass im Messbereich (12) zumindest ein Ultraschallsender (16; 16, 16') vorgesehen 20 ist, um im Messbereich (12) ein Ultraschall-Stehwellenfeld zu erzeugen.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ultraschallsender (16) ein Ultraschallreflektor (25) gegenüberliegt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallreflektor (16) durch ein Glasplättchen (24) gebildet ist.
10. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16) durch ein auf einem Glasplättchen (18) aufgebrachtes Piezoelement (17) 30 gebildet ist.
11. 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16) mit seiner Abstrahlrichtung im Wesentlichen entgegengesetzt zur Laserstrahl-Richtung angeordnet ist (Fig. 1). 35
12. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (16; 16') mit seiner Abstrahlrichtung im Wesentlichen quer zur Laserstrahl-Richtung angeordnet ist (Fig. 2).
13. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra schallsender (16) und der Ultraschallreflektor (25) durch diskontinuierliche Wandelemente (29) oder Stangen unter Bildung einer käfigartigen Messzelle (30) miteinander verbunden sind.
14. 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zufüh rung des Laserstrahls (10) zum Messbereich (12) ein oder mehrere Lichtleiter (13,13') vorgesehen ist bzw. sind.
15. 15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra- 50 schallsender (16) mit einer Frequenzeinstelleinheit (28) verbunden ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 55