CN103026210A - 光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学测量系统，其包括至少一个辐射源、至少一个辐射接收器以及至少一个流通池，其中由至少一个辐射源发出的辐射至少部分地在辐射源与辐射接收器之间的光学路径上穿过流通池，然后撞击至少一个辐射接收器，且其中辐射接收器实施为取决于撞击辐射接收器的辐射的强度来输出信号，其中流通池设置在单元保持器中，单元保持器经由第一连接接口可释放地连接到辐射接收器并经由第二连接接口可释放地连接到辐射源。

Description

光学测量系统

技术领域

本发明涉及一种光学测量系统，其包括至少一个辐射源、至少一个辐射接收器以及至少一个流通池，其中由至少一个辐射源发出的辐射至少部分地在辐射源与辐射接收器之间的光学路径上穿过流通池，然后撞击至少一个辐射接收器，且其中辐射接收器实施为取决于撞击辐射接收器的辐射的强度来输出信号。

背景技术

这种测量系统插入例如过程测量技术的在线分析仪。可从WO2004/090513 A1或DE 102 22 822 A1得知示例。

在这种测量系统的情况下，由辐射源发出的辐射在给定情况下作为在诸如透镜、反射镜、分束器或光纤的光学元件的辅助下形成的测量光束或参照光束至少部分地在光学路径上发送通过流通池。在这种情况下，发生辐射与包含在流通池中的被测介质之间的相互作用。该相互作用可尤其导致至少一部分辐射,例如在一定波长范围中,的吸收。在穿过流通池之后，通过相互作用改变的辐射撞击辐射接收器，辐射接收器取决于撞击辐射的强度输出测量信号。从该测量信号，可做出关于与被测介质相互作用的推断并且由此可做出关于被测介质的特性和/或成分、尤其是被测介质中分析物浓度的推断。

可借助于光纤将辐射从辐射源引导到流通池，并从流通池引导到辐射接收器。

对于这些光学测量系统在工业生物、生物化学或生物技术过程中的应用，会要求使用无菌流通池。在生物、生物化学或生物技术过程中，与过程介质、尤其是用于生物技术生产的细菌或酵母接触的部件的消毒通常通过用强伽玛辐射照射来进行。但伽玛辐射会造成测量系统的其它部件的损坏，尤其是设置在流通池附近的辐射接收器或电子器件的损坏。此外，在生物化学、生物或生物技术过程中无条件地防止交叉污染，当流通池再用于过程的不同阶段的测量或在不同的系统上、即不同的被测介质的测量时，会发生交叉污染。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种光学测量系统，其考虑生物、生物技术或生物化学应用中，尤其是过程测量技术中，的所述要求。尤其是，流通池应当可易于消毒，而使测量系统的其它部件没有损坏的危险。此外，理想地在各个测量之间没有复杂的清洁步骤应当能够在一个接一个的测量中检查不同的被测介质。

该目的通过一种光学测量系统来实现，其包括至少一个辐射源、至少一个辐射接收器、以及至少一个流通池，其中由至少一个辐射源发出的辐射至少部分地作为测量辐射在光学路径上穿过流通池，然后撞击至少一个辐射接收器，且其中辐射接收器实施为取决于撞击辐射接收器的辐射的强度来输出信号，其中流通池设置在单元保持器中，该单元保持器经由第一连接接口可释放地与辐射接收器连接并经由第二连接接口可释放地与辐射源连接。

由于流通池设置在单元保持器中，单元保持器经由连接接口分别与辐射源和辐射接收器连接，所以能够以简单方式更换流通池。尤其是，包括流通池的单元保持器可从测量系统移除，并可在两次测量之间更换流通池。已经在单元壳体中或尚未固定到单元壳体之前的流通池可在测量系统外部用伽玛辐射进行消毒。由于流通池、或流通池与单元保持器的这样形成的可更换性，可实施模块化测量系统，其中单元保持器实施为：使得根据所需应用将例如传输不同波长范围的辐射的不同材料的流通池、以及在光学路径方向上具有不同尺寸的流通池可插入到单元保持器中。这样，取决于所需的测量波长或取决于穿过包含在流通池中的被测介质的测量辐射的所需光学路径长度，可相应地为测量系统的一个接一个的测量提供适当的流通池。

在更换使用过的流通池之后，可将使用过的单元丢弃。由于将使用过的流通池丢弃而不是重新清洁并插回进行另一次测量，所以防止交叉污染。

单元保持器可例如实施为封闭单元壳体，在封闭单元壳体中流通池安装在固定位置，且封闭单元壳体具有使测量辐射分别进入和离开单元壳体的开口或窗口。

辐射源可包括一个或多个UV发光二极管（UV-LED）。它们可附加地或替代地包括一个或多个发光二极管，一个或多个发光二极管发出具有波长范围在100至2500nm之间的一个或多个波长的辐射。优选地，发光二极管发出UV/Vis范围中的辐射源辐射。辐射源也可以是宽带辐射源，例如闪光灯或氙气灯。在该情况下，辐射源可包括一个或多个滤光器、尤其是可适配滤光器以选择所需的测量波长。

辐射接收器可包括光电二极管、光电二极管阵列、CCD照相机或某些其它适当的光电设备。

在一实施例中，辐射接收器可设置在接收器壳体中，接收器壳体与单元保持器、尤其是单元壳体的第一连接接口可释放地连接，其中第一连接接口具有机械固定装置，该机械固定装置接合到接收器壳体的互补固定装置，以便将单元保持器和设置在其中的流通池相对于接收器壳体固定在预定定向中，且其中第一连接接口具有围绕光学路径的开口或设置在光学路径内的窗口，并至少部分地可透射由辐射源发出的辐射。

第一连接接口可包括机械固定装置，尤其是螺纹、卡口连接或具有一个或多个挠性棘爪的机械连接件，其可与与其互补的螺纹、卡口连接配对部或接收器壳体的实施为接纳一个或多个挠性棘爪的突起或沟槽接合。

在另一实施例中，辐射源可设置在源壳体中，源壳体与单元保持器、尤其是单元壳体的第二连接接口可释放地连接，其中第二连接接口具有机械固定装置，该机械固定装置接合到源壳体的互补固定装置，以便将单元保持器和设置在其中的流通池相对于源壳体固定在预定定向中，且其中第二连接接口具有围绕光学路径的开口或设置在光学路径内的窗口，并至少部分地可透射由辐射源发出的辐射。

如先前对于第一连接接口所述的，第二连接接口也可包括机械固定装置，尤其是螺纹、卡口连接或具有一个或多个挠性棘爪的机械连接件，其可与与其互补的螺纹、卡口连接配对部或接收器壳体的实施为容纳一个或多个挠性棘爪的突起或沟槽接合。

流通池可具有用于被测介质、尤其是被测液体的入口和出口。当单元保持器实施为围绕流通池的单元壳体时，入口和出口可在各种情况下与介质管线、尤其是软管连接，其中入口或与入口连接的介质管线被引导通过单元壳体的第一壁，且其中出口或与出口连接的介质管线被引导通过单元壳体的第二壁、尤其是与单元壳体的第一壁不同的第二壁，在单元壳体中设置有流通池，且流通池在各种情况下与介质管线、尤其是软管连接。入口和出口可实施为流通池的管状突起或也仅实施为流通池的开口或连接，用于介质的管线可连接到该开口或连接。

用于介质的管线可连接到所监测的过程，例如生物技术清洁过程（下游过程）的色谱柱。为此，用于介质的管线可经由用于密封和消毒连接的常规连接件密封地且消毒地连接到生物技术过程。

在更换流通池期间，也可更换用于介质的管线。在该情况下，用于介质的管线与连接件分开，其中在分开后所监测的过程可相对于环境保持密封。优选地，用于介质的管线和/或流动测量单元的入口或出口同样可借助于阀相对于环境消毒地可密封。

单元保持器可实施为容纳在光学路径方向上的、不同尺寸的流通池。这样，可提供穿过被测介质的各种光学路径长度。取决于应用，可提供穿过被测介质的所需路径长度的流通池。

该流通池可由石英、石英玻璃、蓝宝石和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的材料之一形成。优选地，可在库存中存有相同或不同尺寸和不同材料的不同测量单元。取决于由辐射源发出的测量辐射的所需波长，则可选择适当的材料，即对于测量波长透射的材料。

或者，流通池也可部分由对测量辐射不透射的材料形成，且仅在光学路径区域中具有由石英、石英玻璃、蓝宝石和PMMA的材料之一形成的窗口。

一种用于操作根据前述实施例中的一个所述的光学测量系统以进行一系列测量、尤其是在时间上一个接一个的测量的方法，该方法包括以下步骤：

为了进行第一次测量，将第一流通池固定在单元保持器中，且尤其此后将单元保持器经由第一连接接口与接收器壳体连接以及经由第二连接接口与源壳体连接；

进行第一次测量；

为了进行第二次测量，从单元保持器移除第一流通池并将第二流通池固定在单元保持器中，并尤其此后将单元保持器经由第一连接接口与接收器壳体连接以及经由第二连接接口与源壳体连接；以及

进行第二次测量；

其中进行测量包括沿光学路径用辐射源发出的辐射照射流通池并记录在穿过光学路径后由撞击辐射接收器的辐射产生的测量信号。

第一和第二测量可直接一个接一个地进行。但是，还可选择在用第一流通池进行的第一次测量与用第二流通池进行的第二次测量之间，用第一流通池进行一系列另外的测量，并然后用第二流通池更换第一流通池。

优选地，为了将第一和第二流通池固定在单元保持器中，释放单元保持器与接收器壳体和源壳体的连接并从测量系统移除单元保持器。在第一次测量之后从单元保持器取出的第一流通池可立即丢弃。由于将使用过的流通池丢弃而不是重新清洁并放回进行进一步测量，所以防止上述交叉污染。

第一流通池可由与第二流通池不同的另一材料制成。替代地或附加地，第一流通池和第二流通池在光学路径方向上具有不同尺寸。这样，可选择用具有穿过被测介质的不同路径长度和/或用不同波长进行连续测量。

优选地，在将单元保持器与接收器壳体和源壳体连接之前借助于伽玛辐射消毒第一和第二流通池。如上文已结合光学测量系统解释的，可在流通池已固定到保持器中或甚至流通池安装在单元保持器中之前进行消毒。消毒的流通池借助于设置在流通池的入口和出口中的阀或借助于完全密封流通池的入口和出口的膜或借助于某些其它适当封闭件相对于环境消毒地密封。在将流通池连接到用于介质的管线之后，移除膜或关闭件或打开阀。

当与用于介质的连接管线同时将上述要新安装的流通池插入测量系统中时，流通池和用于介质的管线可同时被消毒。相应地，用于介质的消毒的管线借助于阀相对于环境消毒地密封，或者用于介质的管线的未与流通池连接的端部借助于将用于介质的管线完全密封的膜或其它适当封闭件相对于环境消毒地密封。在将用于介质的管线连接到所要监测的过程之后，移除膜或封闭件或打开阀。在连接到过程之前以适当方式密封用于介质的无菌管线的适当连接件对本领域的技术人员是已知的。因此可使用例如鲍尔（Pall）连接件。

为了更换接收器或光源，可移除装置中的接收器壳体和/或源壳体，并将新的接收器壳体和/或新的源壳体放回装置中。通过单元保持器与接收器壳体之间、或单元保持器与源壳体之间的接口，光源与接收器之间的一定间隔是固定地预定的，使得在更换光源和/或接收器之后在启动测量系统之前，不需要进行重新调整。

附图说明

现将基于附图所示实施例的各示例详细解释本发明，附图示出如下：

图1为具有辐射源、单元保持器和辐射接收器的测量系统的示意性图示；

图2为实施为单元壳体的单元保持器的示意性图示；以及

图3为不同几何形状的流通池的示意性图示。

具体实施方式

图1示出光学测量系统1，其具有其中设置有辐射源的源壳体2、其中设置有辐射接收器的接收器壳体3、以及设置在源壳体2与接收器壳体3之间并实施为单元壳体的单元保持器4。如将基于图2更详细解释的，单元保持器4包含流通池5，其中在图1中仅示出被引导通过单元保持器4的上部壳体壁的被测介质入口6和被引导通过单元保持器4的下部壳体壁的被测介质出口7。

辐射源可以是例如预定波长的发光二级管的单色辐射源、例如具有多个预定发射波长的多个发光二极管的多个单色辐射源、或者例如闪光灯的多色辐射源。由辐射源发出的辐射是测量光束的形式。因此，在给定情况下借助于例如透镜、反射镜、小孔、分束器的一个或多个光学元件形成测量光束。测量光束沿在辐射源与辐射接收器之间也称为测量路径的光学路径延伸，并穿过流通池。辐射接收器可包括一个或多个光电二极管或CCD照相机。辐射接收器取决于撞击辐射接收器的辐射、尤其是撞击辐射接收器的测量光束的辐射的强度输出电测量信号。该测量信号由光学测量系统1的评估单元（未示出）进行处理以形成测量值，然后将测量值输出。测量值可例如是分析物浓度，但也可以是吸收值或辐射强度或光谱。

单元保持器4与源壳体2和接收器壳体3可释放地连接。通过该连接，固定在单元保持器4中的流通池5相对于设置在源壳体2中的辐射源和容纳在接收器壳体3中的辐射接收器设置在固定位置和定向中，使得在用相同几何形状且尤其相同尺寸的另一流通池更换流通池5的情况下，沿光学路径保持辐射源、流通池5与辐射接收器之间的相等间隔。这样，一方面确保辐射接收器的可重复测量信号。另一方面，不需要距离的适配或沿从辐射源穿过流通池5到辐射接收器的光学路径延伸的测量光束的聚焦。

图2详细示出单元保持器4。在这里所示的示例中，其实施为对环境封闭的单元壳体。该单元壳体包括凹陷8，流通池5可插入凹陷8中。流通池5的入口6和出口7可容纳在单元壳体的孔9中，并因此被引导通过单元壳体的两个相对定位的壁。或者，孔9也可容纳例如软管的用于介质的管线，其可直接连接到流通池5。

单元壳体的壁之一实施为可移动门10，该可移动门10可打开以插入或移除流通池5。在插入流通池5之后，将门10关闭并将单元壳体与环境密封。单元保持器4可借助于连接接口11与源壳体2或检测器壳体3可释放地连接，连接接口11在本示例中实施为具有螺纹的连接件。在此所示的示例中，单元保持器4具有两个在相对定位侧上的两个同样地实施的连接接口11，使得在一侧上形成与源壳体2的可释放连接，且在相对定位侧上形成与检测器壳体3的可释放连接。

每个连接接口11具有开口12，在设置在源壳体2中的辐射源与设置在检测器壳体3中的辐射接收器之间的光学路径延伸穿过开口12。相对定位的连接接口的开口12彼此对准并与流通池5对准，使得由辐射源发出的辐射穿过流通池5并在离开流通池5之后撞击辐射接收器。

图3示出不同的流通池。为了提供不同的光学路径长度，可将不同的流通池插入单元保持器中。光学测量系统1的单元保持器4可优选地实施为使得所有示出的流通池5、51、52、53、54和55都可容纳在单元保持器4中。或者，单元保持器也可仅适于容纳所示流通池5、51、52、53、54或55中的某些或个别流通池。在图2所示的示例中，流通池5、51、53、54和55可插入凹陷8中。如果在连续的测量中，将形成可用于行进穿过流通池的测量辐射的不同光学路径长度，则在例如第一次测量中，可插入流通池5。此后，可用流通池51更换流通池5，以便具有用于第二次测量的穿过被测介质的较长光学路径长度。所期望的是例如，当被测介质的吸收（absorption）或浑浊度根据时间变化时，使得例如首先具有高浑浊度或吸收的介质流过流通池，而稍后具有低浑浊度或吸收的介质流过流通池。

流通池的不同的几何形状允许匹配行进穿过流通池的测量辐射的散射。流通池52、53和54的弯曲壁用作用于光束形成的光学元件。

图3所示的流通池可由不同材料组成。此外，可提供由不同材料制成的所有所示几何形状的流通池。这样，取决于应用，可插入适当几何形状、尤其是具有在用于提供针对测量辐射的适当光学路径长度的光学路径方向上的适当尺寸的，以及具有适当材料的流通池，适当材料一方面是相对于被测介质化学上惰性且另一方面对于测量辐射的波长透射的材料。

适当的材料可例如为例如塑料的合成材料，尤其是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、石英、或石英玻璃或蓝宝石。

Claims (11)

1.一种光学测量系统（1），包括：至少一个辐射源、至少一个辐射接收器、以及至少一个流通池（5），其中由所述至少一个辐射源发出的辐射至少部分地在所述辐射源与所述辐射接收器之间的光学路径上穿过所述流通池（5），然后撞击所述至少一个辐射接收器，且其中所述辐射接收器实施为取决于撞击所述辐射接收器的辐射的强度来输出信号，

其特征在于，所述流通池（5）设置在单元保持器（4）中，所述单元保持器（4）经由第一连接接口（11）可释放地与所述辐射接收器连接并经由第二连接接口可释放地与所述辐射源连接。

2.根据权利要求1所述的光学测量系统（1），

其中所述辐射接收器设置在接收器壳体（3）中，所述接收器壳体（3）与所述单元保持器（4）的第一连接接口（11）可释放地连接，其中所述第一连接接口（11）具有机械固定装置，所述机械固定装置接合到所述接收器壳体（3）的互补固定装置，以便将所述单元保持器（4）和设置在其中的流通池（5）相对于所述接收器壳体（3）固定在预定定向中，且其中所述第一连接接口（11）具有围绕所述光学路径的开口（12）或设置在所述光学路径中的窗口。

3.根据权利要求1或2所述的光学测量系统（1），

其中所述辐射源设置在源壳体（2）中，所述源壳体（2）与所述单元保持器（4）的第二连接接口可释放地连接，其中所述第二连接接口具有机械固定装置，所述机械固定装置接合到所述源壳体（2）的互补固定装置，以便将所述单元保持器（4）和设置在其中的流通池（5）相对于所述源壳体（2）固定在预定定向中，且其中所述第二连接接口具有围绕所述光学路径的开口或设置在所述光学路径中的窗口。

4.根据权利要求1至3之一所述的光学测量系统（1），

其中所述单元保持器（4）是围绕所述流通池（5）的单元壳体，以及

其中所述流通池（5）具有用于被测介质、尤其是被测液体的入口（6）和出口（7），且其中所述入口（6）和所述出口（7）在各种情况下与介质管线、尤其是软管连接，且其中所述入口（6）或与所述入口连接的介质管线被引导通过所述单元壳体的第一壁，且其中所述出口（7）或与所述出口连接的介质管线被引导通过所述单元壳体的第二壁、尤其是与所述单元壳体的所述第一壁不同的第二壁，在所述单元壳体中设置有所述流通池（5），且所述流通池（5）在各种情况下与介质管线、尤其是软管连接。

5.根据权利要求1至4之一所述的光学测量系统（1），

其中所述单元保持器（4）实施为容纳在所述光学路径方向上不同尺寸的流通池（5,51,52,53,54,55）。

6.根据权利要求1至5之一所述的光学测量系统（1），

其中所述流通池（5）由石英、石英玻璃、蓝宝石和PMMA的材料之一形成。

7.根据权利要求1至6之一所述的光学测量系统（1），

其中流通池窗口由石英、石英玻璃、蓝宝石和PMMA的材料之一形成。

8.一种操作根据权利要求1至7之一所述的光学测量系统（1）以进行一系列测量、尤其是在时间上一个接一个的测量的方法，其中测量包括沿所述光学路径用由所述辐射源发出的辐射照射所述流通池并记录在穿过所述光学路径之后由撞击所述辐射接收器的辐射产生的测量信号，

其中所述方法包括以下步骤：

-为了进行第一次测量，将第一流通池固定在所述单元保持器中，并将所述单元保持器经由所述第一连接接口与所述接收器壳体连接以及经由所述第二连接接口与所述源壳体连接；

-进行所述第一次测量；

-为了进行第二次测量，从所述单元保持器移除所述第一流通池并将第二流通池固定在所述单元保持器中，并将所述单元保持器经由所述第一连接接口与所述接收器壳体连接以及经由所述第二连接接口与所述源壳体连接；以及

-进行所述第二次测量。

9.根据权利要求8所述的方法，

其中所述第一流通池由与所述第二流通池不同的另一材料组成。

10.根据权利要求8或9所述的方法，

其中所述第一流通池和所述第二流通池具有在所述光学路径方向上的不同尺寸。

11.根据权利要求8至10之一所述的方法，

其中在将所述单元保持器与所述接收器壳体和所述源壳体连接之前借助于伽玛辐射消毒所述第一和第二流通池。

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