DD292716A5 - Sensor - Google Patents

Abstract

Ein Meszfuehler fuer das Messen der Absorption von elektromagnetischer Strahlung 4 durch eine Probe 3, der ein waermeleitendes festes Element 1 einschlieszt, das fuer die besagte Strahlung durchlaessig ist, und das mit einem Waermedetektor 2 in thermischem Kontakt ist, der die Temperaturerhoehung miszt, die in der Probe 3 durch die Absorption der Strahlung 4 hervorgerufen wird.{Meszfuehler; Sensor; elektromagnetische Strahlung; Waermedetektor; Absorptionsquantifizierung; Blutanalyse}

Description

Diese Erfindung betrifft einen neuartigen Meßfühler tür die Bestimmung der Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch eine Probe und ein Verfahren für die Bestimmung bei Verwendung eines derartigen Meßfühlers. Die Absorption der elektromagnetischen Strahlung, im typischen Fall des sichtbaren Lichtes, wird im allgemeinen für den Nachweis und/oder die Quantifizierung von chemischen Substanzen oder die Erfassung von Informationen betreffs derartiger Substanzen angewandt. Im allgemeinen verließen sich die fotometrischen Verfahren, die bisher angewendet wurden, auf das Messen der Durchlässigkeit von auftreffender Strahlung und beziehen sich darauf als normalen Durchlässigkeitswert. Derartige Verfahren sind jedoch hinsichtlich einer Strahlungsstreuung empfindlich und oftmals für die Analyse von Teilchenproben ungeeignet. Kürzlich jedoch wurden Verfahren vorgeschlagen, die die Absorption direkt messen, indem der Temperaturanstieg in der Probe ermittelt wurde, der durch die Absorption der auftreffenden Strahlung hervorgerufen wurde, und sie vermeiden daher die Probleme, die durch die Streuung bewirkt wurden.

Tanato und Mitarbeiter (J. App. Phys. 63 [61, S. 185,1988) beschrieben ein System der fotothermischen Spektroskopie für dünne, feste Schichten, wobei die dünne P. obe auf einem transparenten Temperaturmeßfühler montiert wird und mit Impulslicht bestrahlt wird, um die Anstiege der Probentemperatur zu messen, die durch die Absorption hervorgerufen werden. Jedoch infolge einer unvollständigen Durchlässigkeit des Wärmemeßfühlers wird dieser selbst erhitzt. Diese Abweichung wird verschlechtert, wo die Probe das auftreffende Licht zerstreut, und somit werden sowohl die Lichtstreuung als auch die Lichtabsorption das Signal erhöhen, wodurch ein anomales Ergebnis erhalten wird. Außerdem umfaßt der transparente Meßfühler ein Schichtelement aus einem wärmeempfindlichen Material zwischen den Elektrodenfilmen. Letztere müssen extrem dünn sein, um die Absorption zu reduzieren, und sie sind folglich sehr empfänglich für sowohl eine mechanische Beschädigung als auch einen chemischen Abbau. Außerdem ist die Probe mit einer der Elektroden in Berührung, wohingegen es wichtig ist, die Probe von der elektronischen Schaltung zu isolieren. In einigen Fällen kann die Probe als Antenne wirken und Störungen aufnehmen.

Das USP 3948345 beschreibt ein fotoakustisches Verfahren der Spektroskopie, bei dem ein Gas, das in einem Resonanzbehälter enthalten ist und die zu untersuchende Probe umgibt, mit Impulslicht bestrahlt wird. Die Absorption dieses Lichtes durch die Probe und der resultierende Anstieg der Temperatur erzeugen eine pulsierte elastische Expansion, d. h. elastische Wellen, im Gas, die mittels eines konventionellen akustischen Detektors, wie beispielsweise eines Mikrofons, nachgewiesen werden können. Das USP 4303343 optimiert bei Anwendung des gleichen Prinzips die Beziehung zwischen der Impulsfrequenz, der Wellenlänge des auftreffenden Lichtes und den anderen Parametern.

Das Europäische Patent 49918 verkörpert eine Entwicklung des Verfahrens, bei dem die Absorption des Impulslichtes durch die zu analysierende Probe eine pulsierte Expansion und Zusammenziehung eines festen Elementes bewirkt, was in ein elektrisches Signal mittels eines piezoelektrischen Meßwandlers, der am festen Element angebracht ist, umgewandelt wird.

Derartige fotoakustische Verfahren sind jedoch extrem empfindlich hinsichtlich lokaler Schwingungen und erwiesen sich an einigen Fällen als schwer anwendbar.

Wir haben jetzt ermittelt, daß es durch Bestrahlung der Probe durch ein festes Element, das hinsichtlich der auftreffenden Strahlung durchlässig ist, und das daher nicht durch diese erwärmt wird und dennoch in starkem Maße wärmeleitfähig ist, und durch Bereitstellen eines Wärmedetektors am festen Element nahe der Probe möglich ist, direkt die Anstiege derTemperatur der Probe, die durch die Bestrahlung hervorgerufen werden, nachzuweisen.

Entsprechend der Erfindung liefern wir daher einen Meßfühler für den Nachweis oder die Quantifizierung der Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch eine Probe, bei dem der Anstieg derTemperatur, der in der Probe hervorgerufen wird, und zwar durch die Strahlung, ein Signal produziert, das dem besagten Temperaturanstieg proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein wärmeleitendes festes Element umfaßt, das für die besagte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, und das eine erste Oberfläche für eine Berührung mit der besagten Probe, eine Strahlungseingangsfläche und einen Strahlungsweg zwischen den besagten Oberflächen aufweist, wobei thermooptische oder thermoelektrische Wärmedetektoren in thermischem Kontakt mit dem besagten festen Element nahe der besagten ersten Oberfläche bereitgestellt werden, um die von dort abgeleitete Wärme aufzunehmen, ohne daß der besagte Strahlungsweg versperrt wird.

Es wird erkannt, daß durch Anordnung des Wärmedetektors im wesentlichen außerhalb des Weges der auftreffenden Strahlung der Einfluß der Strahlungsstreuung durch die Probe minimiert wird.

Im allgemeinen wird der Meßfühler mit einer Vorrichtung für die Bestrahlung der Probe durch das feste Element ausgestattet. Es ist besonders vorteilhaft, die Bestrahlung mit einer Strahlung vorzunehmen, die mit Bezugnahme auf die Amplitude und/oder Wellenlänge moduliert ist, da das ermöglicht, daß Hintergrundfehler, wie beispielsweise Gesamttemperaturabweichungen, in hohem Maße eliminiert werden. Die Strahlung kann ultraviolettes, sichtbares oder Infrarotlicht sein.

Die Amplitudenmodulation oder das Pulsieren der auftreffenden Strahlung kann aus Gründen der Zweckmäßigkeit mittels eines konventionellen mechanischen Lichtmodulators (Lichtzerhackers), der im kollimierten Lichtweg angeordnet wird, zustande gebracht werden. Die Abweichung der Wellenlänge des auffallenden Lichtes, beispielsweise zwischen einem Absorptionsmaximum und einem -minimum, kann beispielsweise mittels einer Laserdiode bewirkt werden. Im allgemeinen sollte die Modulationsfrequenz niedrig sein, beispielsweise unterhalb 50Hz.

Die Frequenz der Signalverstärkung oder einer anderen periodischen Vorrichtung einer elektronischen Abtastung kann synchronisiert oder auf die Modulationsfrequenz der auftreffenden Strahlung aufgeschaltet werden, so daß äußere Temperaturabweichungen, die zwischen den Impulsen auftreten, nicht verstärkt werden. Die Vorrichtung für das Zustandebringen einer derartigen Modulation und Abtastung wird im USP 3948345 beschrieben.

Außerdem kann die Impulsfrequenz mit der Geschwindigkeit der Wärmeleitung von der Probe zum Meßfühler in Beziehung gebracht werden. Daher hängt die Amplitude der Signale, die durch die Temperaturschwankungen hervorgerufen werden,

teilweise von der Übertragung der Wärme von den bestrahlten Abschnitten der Probe in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche des durchlässigen festen Elementes ab. Die Wärme, die an tieferen Stellen in der Probe erzeugt wird, wird nicht zum Meßfühler in der Zeit zwischen dem Auftreffen der Strahlung und der Abtastung des Signals vom Wärmedetektor übertragen.

Die maximale Tiefe innerhalb der Probe, von der aus die Wärme zum Signal beiträgt, wird als die „thermische Diffusionslänge" bezeichnet und definiert das Volumen der Probe, das analysiert wird. Diese Definition des Volumens ermöglicht die Quantifizierung einer absorbierenden Substanz.

Das auftreffende Licht wird zweckmäßigerweise zum Meßfühler mittels eines optischen Fasersystems geführt. Die Lichtquelle kann ein Laser oder eine starke Lampe sein. Im allgemeinen sollte es möglich sein, eine auftreffende Strahlung im Wellenlängenbereich von 250 bis 2500nm zu produzieren.

Der Wärmedetektor kann beispielsweise ein thermoelektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Thermistor oder ein Thermoelement, oder ein thermooptisches Gerät, wie beispielsweise ein temperaturansprechender Laser, sein.

Das feste, wärmeleitende Element kann zweckmäßigerweise aus einem Diamanten bestehen, der eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die das 6-fache der des Kupfers beträgt, oder aus einem Saphir oder Quarz, die alle im wesentlichen vollständig durchlässig für ultraviolettes, sichtbares und Infrarotlicht sind. Da* feste Element liegt zweckmäßigerweise in der Form eines Blocks mit zwei gegenüberliegenden Enden vor und mit mindeste ns einer Seite, auf dir. ein Wärmedetektor montiert werden

Die Probe kann danach auf eine der Stirnseiten montiert oder thermisch mit dieser in Berührung gebracht werden (die „Abtaststirnseite"), während die auftreffende Strahlung in den Block durch die gegenüberliegende Stirnseite gelangt, wobei der Weg zwischen der Strahlungsquelle und der Probe ohne Hindernisse sein muß.

Für die Abtaststirnseite des Blocks kann es vorteilhaft sein, in gewissem Umfang abgerundet zu sein, da das die Oberfläche des Blocks vergrößern wird, die mit einem bestimmten Volumen des Probenmaterials in Berührung sein wird. Die Abtaststirnseite des Blocks kann, wenn es gewünscht wird, einen dünnen Schutzüberzug erhalten, beispielsweise aus einem Plastematerial, wie z. B. einem Epoxidharz. Die Stärke des Überzugs muß so sein, daß keine unangemessene Reduzierung des Wärmekontaktes zwischen der Probe und dem Block zu verzeichnen ist (die Verwendung einer abgerundeten Abtaststirnseite, wie sie vorangehend beschrieben wurde, kann ein Ausgleichen irgendeiner derartigen Reduzierung unterstützen). Die Verwendung von Schutzfilmen aus Plastematerialien, wie beispielsweise Polykarbonaten, Polyakrylaten, Polyamiden, Polyestern, Polyalkylenen und Polyhaloalkylenen, insbesondere, wenn sie verlängert wurden, um den Wärmedetektor zu schützen, kann insbesondere vorteilhaft sein, wo gefährliche (beispielsweise infektiöse oder giftige) oder chemisch hochgradig reaktionsfähige Proben untersucht werden sollen. Die Filme können vorteilhafterweise so ausgelegt sein, daß sie wegwerfbar sind, insbesondere dort, wo man infektiösen oder giftigen Proben begegnet.

Das feste, wärmeleitfähige Element kann, wenn es gewünscht wird, mehr als eine Komponente umfassen. Daher kann beispielsweise ein Block eine dünne Scheibe aus einem ähnlichen Material aufweisen, das durchlässig an einer Seite bzw. Oberfläche haftet, so daß eine Seite der Scheibe die Abtaststirnseite des Elementes bildet. Der Wärmedetektor kann bei derartigen Anordnungen am Block oder an der Unterseite der Scheibe angebracht werden, je nach Eignung, und er wird insbesondere durch das Probenmaterial gut gegen eine Verunreinigung geschützt.

Bei den meisten Anwendungen wird jedoch der Wärmedetektor vorteilhafterweise auf einer Oberfläche des wärmeleitenden festen Elementes angebracht, die sich parallel zum Strahlungsweg erstreckt. Im wesentlichen muß dann die gesamte interne Reflexion der auftreffenden Strahlung auf der besagten parallelen Oberfläche verhindern, daß die Strahlung den Detektor erreicht. Eine derartige interne Reflexion kann verstärkt werden, indem der Wärmedetektor am festen Element bei Verwendung eines Klebstoffes angebracht wird, der einen kleineren Brechungsindex als das Material des festen Elementes aufweist. Da Materialien, wie beispielsweise Saphir und Diamant, einen hohen Brechungsindex aufweisen, kann eine breite Palette von Klebstoffen eingesetzt werden, einschließlich der Epoxidklebstoffe, Zyanakrylatklebstoffe und Polyesterklebstoffe. Der Klebstoff kann außerdem verwendet werden, um die restlichen Seiten des festen Elementes zu beschichten, um den Austritt des Lichtes aus diesem zu minimieren. Besonders geeignete Klebstoffe umfassen die elektrisch leitfähigen Klebstoffe, wie beispielsweise Metallepoxidkleber, beispielsweise ein Silberepoxid, wie z. B. Epo-tek H 2OE (hergestellt von der Epoxy Technology Inc., Mass., USA), da diese eine maximale Lichtretention sichern, während sie ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit zeigen. Alternativ dazu kann die Oberfläche des durchlässigen festen Elementes mit einer reflektierenden Schicht überzogen werden, beispielsweise mit einer dünnen Schicht aus Aluminium oder Silber, und zwar vor der Anbringung des Wärmedetektors, wobei eine derartige Behandlung insbesondere für Messungen im ultravioletten und Infrarotbereich geeignet ist.

Wo ein Thermistor als Wärmedetektor eingesetzt wird, kann dieser, wenn es die Skala der Vorrichtung gestattet, mittels der Dickschichttechnik hergestellt werden, d. h., indem eine Paste des Thermistormaterials auf das feste Element nach einer erforderlichen Vorbehandlung aufgedruckt wird, um eine maximale interne Reflexion zu sichern, und indem danach die Paste bei einer hohen Temperatur gesintert wird.

Der Abstand zwischen der Probe und dem Wärmedetektor ist vorzugsweise so klein wie möglich, um die Zeit für die Leitung der Wärme aus der Probe zum Detektor auf ein Minimum herabzusetzen, und um dadurch eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen. Im allgemeinen wird die spezifische Leitfähigkeit des festen Elementes das Vielfache der der Probe betragen. Typischerweise wird der Abstand des Wärmedetektors von der Abtaststirnseite des Elementes in der gleichen Größenordnung liegen wie die Abmessungen der Abtaststirnseite. Daher könnte beispielsweise der Wärmedetektor etwa 1 mm von einer Abtaststirnseite angeordnet werden, die selbst etwa 1 mm im Durchmesser ist. Alternativ dazu kann sich die Oberfläche der Abtaststirnseite weiter längs der Achse erstrecken, die durch den Detektor hindurchgeht, um eine größere, im wesentlichen längliche Fläche in Berührung mit der Probe zu liefern.

Wo die Probe die auftreffende Strahlung stark absorbiert, wird letztere leicht innerhalb der Wärmediffusionslänge absorbiert werden und ein starkes Signal erzeugen. Wo die Absorption niedrig ist, kann nur ein Teil des auftreffenden Lichtes innerhalb der Wärmediffusionslänge absorbiert werden. Es wird erkannt, daß im allgemeinen die Dicke der Probe die Wärmediffusionslänge übersteigen sollte und vorzugsweise mindestens das Doppelte jener Länge aufweist.

Die Meßfühler entsprechend der Erfindung können, wenn es gowünscht wird, sehr klein sein. Der Wärmedetektor kann ohne weiteres in der gleichen Größe oder kleiner als das wärmeleitende feste Element hergestellt werden. Es ist besonders zweckmäßig, das feste Element am Ende einer optischen Faser zu montieren; das Signal vom Wärmedetektor kann mittels elektrischer Drähte oder einer optischen Faser, zweckmäßigerweise parallel zur optischen Faser für die auftreffende Strahlung montiert, vom Wärmedetektor aus geleitet werden.

So angeordnete Meßfühler können ohne weiteres eingesetzt werden, um Proben in einem breiten Bereich von Situationen nachzuweisen oder zu quantifizieren, beispielsweise nicht nur bei in vitro Versuchen, sondern auch in vivo. Daher kann beispielsweise ein derartiger Meßfühler in ein Blutgefäß für die kontinuierliche Messung des Hämoglobingehaltes eingesetzt werden. Es ist besonders nützlich, in der Lage zu sein, einen derartigen Meßfühler in einer flüssigen Probe zu tauchen, um die zu analysierende Probe in unterschiedlichen Tiefen zu untersuchen, insbesondere an den Stellen, die von der Oberfläche entfernt sind; beispielsweise werden die roten Blutkörperchen Sauerstoff aus der Atmosphäre absorbieren, wenn sie nahe der Oberfläche einer flüssigen Probe sind, die sie enthält, und sie können daher ihr Absorptionsspektrum verändern.

Bei bestimmten Anwendungen kann es erforderlich sein, den Meßfühler vor thermischen Einflüssen oder einer chemischen Korrosion abzuschirmen. Eine oder mehrere Schutzschichten, beispielsweise aus irgendeinem geeigneten Polymermaterial, können beispielsweise über dem gesamten Meßfühler aufgebracht werden, ausschließlich der Oberfläche, die mit der Probe in Berührung ist, um dieses Ziel zu erreichen.

Die Abschirmung vor elektrischen Einflüssen oder Störungen kann ebenfalls bei speziellen Anwendungen wünschenswert sein, und sie kann beispielsweise durch Umgeben des Meßfühlers (wobei wiederum die Oberfläche ausgenommen wird, die mit der Probe in Berührung ist) mit einer Metallabschirmung bewirkt werden. Daher kann beispielsweise der Meßfühler in einem geeignet geerdeten Metallbehälter angeordnet werden, beispielsweise einem Rohr aus einem Material, wie z. B. einem säurebeständigen Stahl, und/oder er kann mit einem elektrisch leitenden Klebstoff beschichtet werden, wie z. B. einem

Metallepoxidkleber.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung liefern wir ein Verfahren für den Nachweis oder die Quantifizierung der Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch eine Probe, wobei ein Meßfühler entsprechend der Erfindung bestrahlt wird, um zu bewirken, daß die modulierte Strahlung längs des besagten Strahlungsweges zur besagten ersten Oberfläche verläuft und von dort zur besagten Probe, wobei die Wärme, die durch die Absorption der Strahlung durch die Probe erzeugt wird, zum Wärmedetektor des besagten Meßfühlers geleitet wird, um Signale zu erzeugen, deren Amplitude einen Hinweis auf die Wärme liefert, die durch die besagte Absorption erzeugt wird.

Das Verfahren der Erfindung ist besonders für den Nachweis oder die Quantifizierung von Teilchensuspensionen, beispielsweise von Zellen oder Anhäufungen, die bei Anwendung der älteren Verfahren infolge des Problems der Lichtstreuung schwierig zu prüfen sind, nützlich.

Der Meßfühler und das Verfahren, die hierin beschrieben werden, können ebenfalls bei der Messung der Farbintensität von Proben, die auf festen Trägersubstanzen unbeweglich gemacht wurden, genutzt werden; das Signal unterliegt nicht der Störung durch die mechanische Berührung zwischen dem Meßfühler und der Trägersubstanz, zu der es kommen kann, wenn fotoakustische Verfahren angewandt werden. Das Prinzip ist ähnlich dem, das in der Lösung angewendet wird. Das Licht wird mit einer Wellenlänge ausgewählt, die für die Absorption durch das betreffende Material geeignet ist. Die Erhöhung der Temperatur ist der Farbechtheit proportional und kann gemessen werden, wie es vorangehend beschrieben wurde. Da das Verfahren auf der Absorption anstelle der Reflexion basiert, ist es empfindlicher als die reflektometrischen Verfahren. Außerdem ist eine ziemlich kleine Fläche der Farbe ausreichend, um ein gutes Signal zu erhalten. Farbige Flächen' on weniger als 1 mm² sind normalerweise ausreichend.

Einige analytische Verfahren basieren auf der Bildung von Farben auf einer Oberfläche, entweder mittels chemischer Reaktionen, die zur Bildung eines unlöslichen oder unbeweglich gemachten farbigen Materials führen, oder Filtration von farbigen Agglutinaten, die durch Kupplung von Rezeptor-Liganden-Paaren gebildet werden, oder mittels selektiver Filtration mit einem Teil eines Rezeptor-Liganden-Paares, das in einem porösen Material unbeweglich gemacht wurde. Die Meßfühler der Erfindung sind besonders bei allen diesen Verfahren nützlich.

Der Meßfühler und das Verfahren entsprechend der Erfindung können insbesondere angewandt werden, um zu analysierende Proben in einer Versuchsprobe nachzuweisen oder zu quantifizieren, basierend auf den Veränderungen hinsichtlich der Absetzgeschwindigkeiten der Teilchen infolge der chemischen oder physikalischen Wechselwirkungen, wie sie beispielsweise durch die Ermittlung der Strahlungsabsorption der Probe in Zeitintervallen ermittelt werden. Weitere Anwendungen umfassen die Analyse des Blutes durch Bestimmung des Hämoglobins in den Hämozyten.

Angesichts der kleinen Abmessungen, in denen die Meßfühler hergestellt werdsn können, können die Messungen leicht in Strömungssystemen vorgenommen werden, beispielsweise wo sich die Probe, die die Oberfläche des Meßfühlers berührt, innerhalb des Inneren einer Strömungskammer vorhanden ist. Überraschenderweise wird das optometrische Signal im wesentlichen nicht durch die Strömung einer fließenden Flüssigkeitsprobe beeinträchtigt.

Die Erfindung wird jetzt spezieller mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen die Abbildung 1 einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung zeigt.

Die Abbildung 2 zeigt eine Anordnung für die Benutzung des Wärmemeßfühlers entsprechend der Abbildung 1.

Die Abbildung 3 zeigt ein vollständiges optisches Meßfühlersystem, bei dem ein Meßfühler entsprechend der Abbildung 1 in einem Ende einer optischen Faser angeordnet ist.

Die Abbildung 4 zeigt eine grafische Darstellung des Signals von einem Gerät entsprechend der Abbildung 3 für verschiedene Konzentrationen einer farbigen Substanz, die in Wasser aufgelöst ist.

Die Abbildung 5 zeigt einen Meßfühler, der aus einer Reihe von wärmeleitenden Elementen entsprechend der Abbildung 1 besteht, die dicht beieinander angeordnet sind, aber nicht in thermischer Berührung sind.

Die Abbildung 6 zeigt eine Strömungskammer, die einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung einschließt.

Die Abbildung 7 zeigt eine alternative Ausführung eines Wärmemeßfühlers, der in einer optischen Faser angeordnet ist, und ein Verfahren für das Montieren des gleichen.

Die Abbildung 8 zeigt einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung, der durch ein Plastematerial geschützt wird.

Die Abbildung 9 zeigt einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung, der eine abgerundete Abtaststirnseite aufweist und durch ein Plastematerial geschützt ist.

Die Abbildung 10 zeigt einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung, bei dem das wärmeleitende Element eine dünne Scheibe einschließt, die an einem Block haftet.

Die Abbildung 11 zeigt eine grafische Darstellung der Ergebnisse, die mittels der optothermischen Spektrometrie und Reflektometrie bei der Messung von kolloialem Gold, das auf einer porösen Membrane unbeweglich gemacht wurde, erhalten wurden.

Die Abbildung 12 zeigt eine grafische Darstellung der Ergebnisse, die bei der Messung des Hämoglobins im Blut erhalten wurden, gegenübergestellt den Ergebnissen, die von einem Standardverfahren erhalten wurden (Coulter S-880).

Beim Meßfühler, der in der Abbildung 1 gezeigt wird, ist das wärmeleitende Element 1 ein Würfel aus einem durchlässigen Material mit einer hohen Fähigkeit, die Wärme zu leiten. Die Lichtimpulse 4 werden durch das wärmeleitende Element 1 gesendet und in die Probe 3 hinein, die daran montiert ist. Ein Anteil der Wärme, die in der Probe erzeugt wird, wird zur Grenzfläche zwischen der Probe 3 und dem wärmeleitenden durchlässiges wärmeleitendes Element 1, das einen Thermistor 2

Element 1 geleitet. Der Anstieg der Temperatur In dieser Grenzfläche hängt von den lichtabsorbierenden Eigenschaften der Probe ab. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Elementes 1 wird die erzeugte Wärme von der Oberfläche der Probe 3 zum thermoelektrische!! Detektor 2 geleitet. Das wärmeleitende Element 1 ist von einer Größe, die gestattet, daß die Probe und der thermoelektrische Detektor in einem Abstand voneinander angeordnet werden, der kleiner oder gleich der Wärmediffusionslänge des tatsächlichen Materials des wärmeleitenden Elementes 1 ist. Da die Wärmediffusionslänge von der Impulsfrequenz des ankommenden Lichtes abhängig ist, muß die Größe des; wärmeleitenden Elementes mit Bezugnahme auf die höchste theoretisch verwendete Frequenz ausgewählt werden. Während Jie Frequenz zunimmt, muß der Abstand zwischen der Probe und dem thei moelektrischen Detektor vermindert werden. In dem F ill, der in der Abbildung 1 gezeigt wird, ist der thermoelektrische Detektor ein Thermistor. Eine konstante Spannung wird am ^rhermistor über die Kabelleitungen 5 angelegt. Wenn die Temperatur variiert, wird der Strom durch den Thermistor, der über die Kabelleitungen 5 geleitet wird, infolge des veränderten Widerstandes variieren. Bei Benutzung einer geeigneten elektronischen Anordnung können die Abweichungen beim Strom verstärkt und aufgezeichnet werden.

Bei der Anordnung, die in der Abbildung 2 rjdzeigt wird, wird das Licht von einer Lampe 6 durch die Linsen 7 und 7 A fokussiert. Es werden Lichtimpulse bei Benutzung eines Lichtmodulators 8 (eine rotierende Scheibe) erzeugt, und das Licht geht durch einen Filter 9 hindurch, um die geforde-ie Wellenlänge auszuwählen, bevor es zur Probe 3 durch eindurchlässiges wärmeleitendes Element 1, das einen Thermistor 2 trägt, der über die Kabelleitungen 5 angeschlossen ist, gelangt. Die Wellenlänge und die Impulsfrequenz des Lichtes werden mit Bezugnahme auf die zu analysierende Probe ausgewählt. Die Elektronik wird auf die Frequenz der modulierten Lichtquelle aufgeschaltet, und die Signale werden dann verstärkt. Das reduziert das Rauschen und sichert, daß der Meßfühler nicht Veränderungen der Temperatur der Umgebung registrieren wird. Bei der Anordnung, die in der Abbildung 3 gezeigt wird, wird ein wärmeleitendes Element 1 am Ende der optischen Faser 11 angeordnet. Die Lichtquelle ist eine Laserdiode 10 mit einer konstanten Intensität und einer veränderlichen Wellenlänge. Das Lic'nt wird von der Laserdiode 10 durch die optische Faser 11 zur Probe 3 geführt. Die festgehaltenen Veränderungen der Temperatur hängen von der Veränderung des absorbierten Lichtes bei verschiedenen Wellenlängen ab. Man kann beispielsweise die Wellenlänge von einem Absorptionsgradmaximum bis zu einem -minimum verändern. Eine Laserdiode 12 wird alsthermooptischer Detektor eingesetzt, wobei sein Ausgang und die Frequenz mit der Temperatur variieren. Die Strahlung von diesen* Laser wird durch eine weitere optische Faser 13 zu einem optoelektrischen Umformer 14 geleitet, wo das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das dann aufgezeichnet werden kann. Der gesamte Meßfühler, abgesehen von dem Teil, iler mit der Probe in Berührung sein sollte, wird durch ein Schutzmaterial abgedeckt. Der Meßfühler wird dadurch gekennzeichnet daß er im wesentlichen unempfindlich gegen elektrische Störungen ist, da er ein optisches Ausgangssignal von der Las jrdiode 12 produziert.

Die grafische Darstellung, die in der Abbildung 4 gezeigt wird, und die erhalten wurde, indem die Vorrichtung benutzt wurde, die in Verbindung mit der Abbildung 3 beschrieben wird, zeigt eine im wesentlichen lineare Wechselbeziehung zwischen dem optothermischen Signal und der Konzentration von verschiedenen Proben von schwarzer Tinte in Wasser. Die Anordnung, die in der Abbildung 5 gezeigt wird, veranschaulicht die Möglichkeit des Kombinierens von mehreren Meßfühlern. Die wärmeleitenden Elemente 1 tragen die thermoelektrischen Detektoren 2, die mit Verstärkern (nicht gezeigt) durch Kabelverbinder 5 verbunden sind. Sie sind thermisch voneinander isoliert. Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen wird über die optischen Fasern 11 an die Elemente 1 angelegt, die dann den Absorptionsgrad bei verschiedenen Wellenlängen in einer Probe messen können, wodurch ein Wissen über die absorbierenden Eigenschaften der verschiedenen Komponenten in einer Probe erhalten wird. Die Konzentration einer jeden Komponente kann daher auf der Basis des gemessenen Signals bei einer jeden der Wellenlängen berechnet werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung unterschiedlicher modulierter (beispielsweise pulsierter) Frequenzen für die verschiedenen Meßfühler. Bei Anwendung niedriger Frequenzen kann man eine ziemlich dicke Schicht einer Probe analysieren, verglichen mit der dünnen Schicht, die bei hohen Frequenzen analysiert wird. Bei Anwendung einer sachgemäßen mathematischen Behandlung des gemessenen Signals Kann man in der Lage sein, das Konzentrationsprofil von Substanzen zu analysieren, die in einem bestimmten Abstand in einer Probe vorhanden sind.

Eine weitere Möglichkeit ist das Analysieren einer Probe, die Veränderungen von Stelle zu Stelle' e^!jt. In diesem Fall werden die gleiche Frequenz und Wellenlänge bei allen Meßfühlern angewandt. Die gemessenen Signale können für die Bewertung der Veränderungen von einer Stelle zur anderen benutzt werden, oder sie können einen Mittelwert für oine größere Fläche liefern. In der Strömungskammer, die in der Abbildung 6 gezeigt wird, wird eine stabile Konstruktion 15 mit einer Strömungskammer 16, die einen Eingang 17 und einen Ausgang 18 aufweist, gebildet. Eine Aussparung 19 in der Konstruktion 15 ist so angepaßt, daß sie einen Wärmemeßfühler 20 aufnimmt, der auf einem O-Ring 21 aufliegt, der gegen einen Flansch 22 stößt. Der Meßfühler 20 wird mit dem O-Ring 21 durch die Federn 23, die durch einen Deckel 24 in Position gehalten werden, durch Druck in Kontakt gebracht. Der Maßfühler 20 umfaßt einen Körper mit einem kreuzförmigen, vertikalen Querschnitt, der mit einem mittleren, vertikalen, zylindrischen Loch versehen ist, in das ein Lichtweg 25 gebracht wird, der zu einem Saphirfenster 26 führt. Ein Thermistor 27 ist seitlich am Saphirfenster 26 angebracht und mittels elektrischer Leitungen 28 mit dem Signalmeßgerät (nicht gezeigt) verbunden.

Bei der Ausführung, die in der Abbildung 7 gezeigt wird, kann das wärmeleitende Element 1, beispielsweise ein Saphirstab sein, der poliert ist, um auf allen Oberflächen eine gute optische Qualität zu zeigen. Der Wärmedetektor 2 ist ein Thermistor, der vorzugsweise auf seinen größeren Seitenflächen mit dünnen Filmen aus Silber oder Gold beschichtet ist, um eine gute elektrische Verbindung zu sichern. Eine derartige Seitenfläche des Thermistors 2 ist an einer vertikalen Fläche des Elementes 1 mittels eines Silberepoxidklebers befestigt. Der übrige Teil dieser vertikalen Fläche des Elementes 1 und die andere größere Seitenfläche des Thermistors 2 sind mit Silberepoxidkleber 29 beschichtet, wodurch elektrische Kabelverbinder 5 angebracht werden können, einer am Element 1 und einer a, ι Thermistor 2. Die restlichen drei vertikalen Flächen des Elementes 1 sind vorzugsweise ebenfalls mit Silberepoxidkleber bedeckt. Das Element 1 kann an einer optischen Faser 11 befestigt werden, indem ein Tropfen 30 des UV-aushärtbaren Klebers benutzt wird, und die resultierende Anordnung einer UV-Bestrahlung 31 unterworfen wird.

Die typischen Abmessungen für einen derartigen Meßfühler schließen das Element 1 (1 mm χ 1 mm χ 6mm) und den Thermistor 2 (0,5mm x 0,5mm x 0,35mm) ein. Die Anwendung einer konstanten Spannung beim Thermistor 2 über die Leitungen 5 fü'irt dazu, daß beispielsweise Widerstandsveränderungen in der Größenordnung von 4% pro ⁰C beobachtet werden können.

In der Anordnung, die in der Abbildung 8 gezeigt wird, sind das Element 1, der Thermistor 2 und die elektrischen Anschlüsse 5 durch ein Gehäuserohr aus Epoxidharz 33 geschützt, wobei nur die Abtaststirnseite 32 des Elementes 1 offen bleibt. Das minimiert die Störungen und das folgliche Rauschen, die anderenfalls auftreten können, wenn die Probe mit dem Thermistor 2 in elektrischen Kontakt kommt

Ein alternatives Verfahren für den Schutz des Meßfühlers wird in der Abbildung 9 gezeigt, wo das Element 1 eine abgerundete Abtaststirnseite 32 aufweist, die zusammen mit dem Thermistor 2 uno den elektrischen Anschlüssen 5 durch einen dünnen elastischen Plastefilm 34 geschützt ist, der bei der Benutzung mit der Abtaststirnseite 32 in thermischem Kontakt ist und auf dem die Probe 3 angeordnet ist.

Bei der Ausführung, die in der Abbildung 10 gezeigt wird, ist das wärmeleitende Element ein Zweikomponentensystem, das einen Stab 35 und eine Scheibe 36 einschließt. Diese können aus Gründen der Zweckmäßigkeit aus Saphir bestehen, wobei die repräsentativen Abmessungen beispielsweise 1 mm x 1 mm χ 6mm für den Stab 35 und einen Durchmesser von 3 bis 5mm und eine Stärke von 0,1 bis 0,3mm für die Scheibe 36 einschließen. Der Stab 35 und die Scheibe 36 sind miteinander verklebt, wobei ein durchlässiger Klebstoff benutzt wird, und die Thermistoren 2 sind mit letzterer verklebt, wobei ein Silberepoxidkleber benutzt wird. Die Unterseiten der Scheibe 36 und die Thermistoren 2 sowie die Seiten des Stabes 35 sind mit einer Schicht des Silberepoxidklebers 37 beschichtet, wobei ein kleiner Ring am Rand der Scheibe 36 unbeschichtet bleibt. Die elektrischen Anschlüsse 5 sind in der üblichen Weise befestigt. Die Scheibe 36 ist mittels des Klebstoffes 37 an einem Metallrohr 38, beispielsweise aus säurebeständigem nichtrostendem Stahl, befestigt, das elektrisch den Meßfühler abschirmt oder schützt, und ein Schutzüberzug 39 wird aufgebracht.

Die Probe 3 wird durch Lichtimpulse 4, die durch den Stab 35 hindurchgehen, bestrahlt. Infolge der Beschaffenheit der Konstruktion des Meßfühlers ist der Kontakt zwischen der Probe 3 und den Thermistoren 2 minimal, insbesondere wenn stark undurchlässige Materialien, wie beispielsweise Saphir, für die Scheibe 36, verwendet werden. Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Verfuhren entsprechend der Erfindung:

Beispiel 1

Ein optothermisches Spektrofotometersystem, wie es in der Abbildung 2 gezeigt wird, umfaßte ein durchlässiges, leitendes Element 1, das einen Saphir einschließt, der eine Oberfläche von 1 χ 1mm² aufweist. Der Saphir wurde mit den Wärmesensoren verbunden, und es wurden Lichtimpulse (Frequenz 2 Hz) zum Saphir durch eine optische Faser gebracht. Die Lichtquelle war eint; Halogenlampe, und das Licht wurde filtriert, um eine Wellenlänge von 540 ± 40nmzu liefern.

1 pg des anti-C-reaktionsfähigen proteinmonoklinischen Antikörpers, der durch Murinhybridoma-Zellen gebildet wird, wurde einer aktivierten porösen Membrane zugesetzt, um die Antikörper unbeweglich zu machen (Hybond N Nylonmembrane, Amersham, Großbritannien).

Die Oberfläche der Membrane betrug 10mm'' bei jeder der durchgeführten Messungen. Lösungen der C-reaktionsfähigen Proteine, die von 0,5 bis 15pn/ml variieren, wurden zugesetzt und mittels eines Unterdruckes durch die Membrane gesaugt.

Danach wurde eine Lösung, die etwa 1 g eines anderen anti-C-reaktionsfähigcn Proteinantikörpers enthält, der mit kolloidalem Gold mit einem mittleren Durchmesser von 4,5 nm gekuppelt ist, zugesetzt und durch die Membrane gesaugt. Eine zunehmende Menge an kolloidalem Gold wurde in der Membrane zurückgehalten, während die Menge des C-reaktionsfähigen Proteins erhöht wurde.

Die Intensität der farbigon Fläche wurde sowohl mittels der Reflektometrie (Reflektometer Macbeth 1500 Plus) als auch der optothermischen Spektroskopie gemessen, wie vorangehend beschrieben wurde. Eine jede optothermische Messung wurde über 10sec. durchgeführt. Die Ergebnisse, die bei Anwendung der zwei Verfahren erhalten wurden, werden in der Abbildung 11 gezeigt, und man kann sehen, daß sie eine gute Wechselbeziehung zeigen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt, wie ein optothermischer Meßfühler für die Messung des Hämoglobins im Blut eingesetzt werden kann.

100μΙ Blut wurden einem kegelig geformten Reagenzglas, das 10μΙ von 20%igem Stercx SE enthält, zugesetzt. Das Blut wurde sofort durch das Detergens hämolysiert.

Die hämolysierten Blutproben wurden bei Verwendung eines Gerätes, wie es im Beispiel 1 beschrieben wird, gemessen, aber jetzt bei Anwendung einer Frequenz von 16 Hz.

Die Ergebnisse von 75 Blutproben wurden mit einem Standardverfahren (Coulter S-880) verglichen, was zu einem Korrelationskoeffizienten von 0,99 führte (Abbildung 12). Wiederholte Analysen der gleichen Probe zeigten einen Variationskoeffizienten von 0,5 bis 1,7%.

Beispiel 3

Das Gerät aus dem Beispiel 2 wurde bei einer Frequenz von 16Hz verwendet. Der Meßfühler wurde mit einer Plasteschale ausgestattet, die ermöglichte, daß das Blut mit einem horizontal angeordneten Meßfühler in Berührung blieb. Wenn das Blut direkt ohne Hämolyse gemessen wurde, zeigten die Ergebnisse eine Wechselbeziehung mit dem Standardverfahren etwa ebensogut, wie im Beispiel 2 beschrieben wurde. Daher ermöglicht der Meßfühler ebenfalls direkte Messungen des Hämoglobins in den Blutproben.

Beispiel 4 Dieses Beispiel veranschaulicht, wie der Meßfühler für die Messung des Hämoglobins in einem Strömungssystem eingesetzt

werden kann.

Das Gerät, das in der Abbildung 6 gezeigt wird, wurde verwendet. Der verwendete optothermische Meßfühler 20 zeigte eine empfindliche Fläche von 1 mm² und einen Außendurchmesser von 3 mm. Die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes durch die Kammer 16, wo der Meßfühler angeordnet war, betrug 2 ml pro min. Zwischen einer jeden Probe wurde die Kammer 16 mit einer Hypochloritlösung gespült. Das Gerät wurde über den Lichtweg 25 mit einer 20W Halogenlampe verbunden und mit einer Frequenz von 16,7Hz betätigt. Eine jede Probe wurde 2 bis 4mal über einen Zeitraum von 26 Blutproben wurden bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens geprüft, und die Ergebnisse wurden mit einem Standardverfahren für die Messung des Hämoglobins bei Benutzung eines Coulter-Gerätes verglichen. Der erhaltene Korrelationskoeffizient betrug 0,990, und die lineare Regressionslinie betrug y = 1,04x —4,4, worin y der optothermische Wert ist, und χ ist der Wert vom Standardverfahren.

Das Signal am Ausgang des Verstärkers, der am Meßfühler angebracht ist, wurde ebenfalls mit einem Oszilloskop beobachtet. Es konnten keine Störungen nachgewiesen werden, die auf den Blutstrom zurückzuführen sind.

Claims (15)

1. Einen Meßfühler für den Nachweis oder die Quantifizierung der Adsorption von

elektromagnetischer Strahlung durch eine Probe, bei dem der Anstieg der Temperatur, der in der Probe durch die Strahlung hervorgerufen wird, ein Signal erzeugt, das dem besagten Temperaturanstieg proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein wärmeleitendes festes Element einschließt, das für die besagte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, und das eine erste Oberfläche für eine Berührung mit der besagten Probe, eine Strahlungseingangsfläche und einen Strahlungsweg zwischen den bewegten Flächen aufweist, wobei die thermooptischen oder thermoelektrischen Wärmedetektoreinrichtungen in einem thermischen Kontakt mit dem besagten festen Element nahe der besagten ersten Oberfläche bereitgestellt werden, um die daraus abgeleitete Wärme zu empfangen, ohne daß der besagte Strahlungsweg versperrt wird.

2. Ein Meßfühler nach Patentanspruch 1,der mit einer Vorrichtung für die Bestrahlung der Probe durch das feste Element hindurch ausgerüstet ist.

3. Ein Meßfühler nach Patentanspruch 2, bei dem die besagte Vorrichtung so angepaßt ist, daß die Probe mit der auftreffenden Strahlung, die mit Bezugnahme auf die Amplitude und/oder Wellenlänge moduliert ist, bestrahlt wird.

4. Ein Meßfühler nach Patentanspruch 3, der so ausgeführt ist, daß die Signale von der thermooptischen oder thermoelektrischen Detektoreinrichtung mit einer Frequenz abgetastet werden, die mit der Frequenz der Modulation der auftreffenden Strahlung synchronisiert ist.

5. Ein Meßfühler nach einem jeden der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem ein Thermistor oder ein Thermoelement oder ein temperaturansprechender Laser als Wärmedetektoreinrichtung verwendet wird.

6. Ein Meßfühler nach einem jeden der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem das feste wärmeleitende Element aus Diamant, Saphir oder Quarz besteht.

7. Ein Meßfühler nach einem jeden der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem das feste wärmeleitende Element in der Form eines Blockes mit zwei gegenüberliegenden Stirnseiten, die die Strahlungseingangsfläche und die Probenberührungsfläche zur Verfügung stellen, vorliegt, und bei dem zumindestens eine Seite vorhanden ist, auf der die Wärmedetektoreinrichtung angeordnet wird.

8. Ein Meßfühler nach Patentanspruch 7, bei dem die Seiten des Blockes mit einer reflektierenden Schicht überzogen sind.

9. Ein Meßfühler nach einem jeden der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem sich die Probenkontaktfläche des Meßfühlers innerhalb des Inneren einer Strömungskammer befindet.

10. Ein Verfahren für den Nachweis oder die Quantifizierung der Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch eine Probe, bei dem ein Meßfühler, wie er im Patentanspruch 1 definiert wird, bestrahlt wird, um zu bewirken, daß die modulierte Strahlung längs des besagten Strahlungsweges zur besagten ersten Fläche und von dort zur besagten Probe verläuft, wobei die Wärme, die durch die Absorption der Strahlung durch die Probe erzeugt wird, zum Wärmedetektor des besagten Meßfühlers geleitet wird, um Signale zu erzeugen, deren Amplitude einen Hinweis auf die Wärme gibt, die durch die besagte Absorption erzeugt wird.

11. Ein Verfahren nachdem Patentanspruch 10, bei dem die Probe eine Suspension von Teilchen einschließt.

12. Ein Verfahren nach Patentanspruch 11, bei dem die Absetzgeschwindigkeit der Teilchen gemessen wird, indem die Strahlungsabsorption davon in Zeitintervallen ermittelt wird.

13. Ein Verfahren nach Patentanspruch 11, bei dem die Probe Blut ist, und das Hämoglobin in den Hämozyten ermittelt wird.

14. Ein Verfahren nach den Patentansprüchen 11 bis 13, bei dem die Probe eine strömende Flüssigkeitsprobe ist.

15. Ein Verfahren nach Patentanspruch 10, bei dem die Probe auf einer festen Trägersubstanz unbeweglich gemacht wird.

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen