DD292716A5

DD292716A5 - SENSOR

Info

Publication number: DD292716A5
Application number: DD33755490A
Authority: DD
Inventors: Per O F Helander; Kurt I Lundstroem
Original assignee: Ab Varilab,Se
Priority date: 1989-02-03
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-08-08
Also published as: CA2046630A1; WO1990008952A1; GB8902415D0; CS50390A2; HUT59489A; EP0456763A1; JPH04503254A; AU5165090A; NZ232361A; HU902220D0

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}A measuring sensor for measuring the absorption of electromagnetic radiation 4 by a sample 3 including a thermally conductive solid element 1 permeable to said radiation and in thermal contact with a heat detector 2 which relieves the temperature rise inherent in said the sample 3 is caused by the absorption of the radiation 4. {Meszfuehler; Sensor; electromagnetic radiation; Waermedetektor; Absorption quantification; Blood analysis}

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.This invention relates to a novel probe for determining the absorption of electromagnetic radiation by a sample and a method for the determination using such a probe. The absorption of electromagnetic radiation, typically visible light, is generally used for the detection and / or quantification of chemical substances or the detection of information regarding such substances. In general, the photometric methods that have heretofore been used rely on measuring the transmission of incident radiation and refer to it as the normal transmission value. However, such methods are sensitive to radiation scattering and often unsuitable for the analysis of particle samples. Recently, however, methods have been proposed which directly measure the absorption by detecting the temperature rise in the sample caused by the absorption of the incident radiation, and thus avoid the problems caused by the scattering.

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.Tanato and co-workers (J.App. Phys. 63 [61, pp. 185, 1988) describe a system of photothermal spectroscopy for thin, solid layers, wherein the thin P.sub.obe is mounted on a transparent temperature probe and is pulsed with pulsed light. to measure the increases in sample temperature caused by the absorption. However, due to incomplete permeability of the heat probe, it is itself heated. This deviation is worsened where the sample scatters the incident light, and thus both the light scattering and the light absorption will increase the signal, whereby an abnormal result is obtained. In addition, the transparent probe comprises a layer member made of a heat-sensitive material between the electrode films. The latter must be extremely thin to reduce absorption, and thus are very susceptible to both mechanical damage and chemical degradation. In addition, the sample is in contact with one of the electrodes, whereas it is important to isolate the sample from the electronic circuit. In some cases, the sample can act as an antenna and pick up noise.

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.USP 3948345 describes a photoacoustic method of spectroscopy in which a gas contained in a resonant container surrounding the sample to be examined is irradiated with pulsed light. The absorption of this light by the sample and the resulting increase in temperature produce a pulsed elastic expansion, i. H. elastic waves, in the gas, which can be detected by means of a conventional acoustic detector, such as a microphone. USP 4303343, using the same principle, optimizes the relationship between the pulse frequency, the wavelength of the incident light, and the other parameters.

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.European Patent 49918 embodies a development of the method in which the absorption of the pulsed light by the sample to be analyzed causes a pulsed expansion and contraction of a solid element, which is converted into an electrical signal by means of a piezoelectric transducer mounted on the solid element ,

Derartige fotoakustische Verfahren sind jedoch extrem empfindlich hinsichtlich lokaler Schwingungen und erwiesen sich an einigen Fällen als schwer anwendbar.However, such photoacoustic methods are extremely sensitive to local vibrations and have proved to be difficult to apply in some cases.

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.We have now discovered that by irradiating the sample through a solid element which is permeable to the incident radiation and therefore is not heated by it and yet is highly thermally conductive, and by providing a heat detector on the solid element near the solid state Sample is possible to directly detect the increases in the temperature of the sample caused by the irradiation.

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.According to the invention, therefore, we provide a sensor for detecting or quantifying the absorption of electromagnetic radiation by a sample in which the rise in temperature caused in the sample by the radiation produces a signal corresponding to said temperature proportional, characterized in that the sensor comprises a thermally conductive solid element permeable to said electromagnetic radiation and having a first surface for contact with said sample, a radiation input surface and a radiation path between said surfaces, wherein thermooptic or thermoelectric heat detectors are provided in thermal contact with said solid element near said first surface to receive the heat dissipated therefrom without obstructing said radiation path.

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.It will be appreciated that by disposing the heat detector substantially out of the way of the incident radiation, the influence of the radiation scattering by the sample is minimized.

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.In general, the probe is provided with a device for irradiating the sample through the solid element. It is particularly advantageous to irradiate with radiation that is modulated with respect to amplitude and / or wavelength, as this allows background defects, such as total temperature deviations, to be largely eliminated. The radiation can be ultraviolet, visible or infrared light.

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.The amplitude modulation or the pulsation of the impinging radiation may, for convenience, be accomplished by means of a conventional mechanical light modulator (light chipper) placed in the collimated light path. The deviation of the wavelength of the incident light, for example between an absorption maximum and a minimum, can be effected for example by means of a laser diode. In general, the modulation frequency should be low, for example below 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.The frequency of the signal amplification or other periodic electronic-sampling device may be synchronized or switched to the modulation frequency of the incident radiation so that external temperature deviations occurring between the pulses are not amplified. The apparatus for effecting such modulation and sampling is described in USP 3948345.

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,In addition, the pulse frequency can be related to the rate of heat conduction from the sample to the probe. Therefore, the amplitude of the signals, which are caused by the temperature fluctuations,

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.partly due to the transfer of heat from the irradiated portions of the sample at a certain distance from the surface of the permeable solid element. The heat generated at deeper points in the sample is not transmitted to the sensor in the time between the impingement of the radiation and the sampling of the signal from the heat detector.

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.The maximum depth within the sample from which the heat contributes to the signal is referred to as the "thermal diffusion length" and defines the volume of the sample being analyzed This definition of the volume allows quantification of an absorbing substance.

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.The incident light is suitably guided to the sensor by means of an optical fiber system. The light source may be a laser or a strong lamp. In general, it should be possible to produce an incident radiation in the wavelength range of 250 to 2500nm.

Der Wärmedetektor kann beispielsweise ein thermoelektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Thermistor oder ein Thermoelement, oder ein thermooptisches Gerät, wie beispielsweise ein temperaturansprechender Laser, sein.The heat detector may be, for example, a thermoelectric device, such as a thermistor or a thermocouple, or a thermo-optic device, such as a temperature responsive laser.

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 werdenThe solid, heat-conducting element may conveniently consist of a diamond having a thermal conductivity which is six times that of copper, or of a sapphire or quartz, all of which are substantially completely transparent to ultraviolet, visible and infrared light. Conveniently, solid element is in the form of a block with two opposite ends in front of and with at least one side on top of you. a heat detector can be mounted

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.The sample may then be mounted on or thermally contacted with one of the faces (the "scan face") while the incident radiation passes into the block through the opposite face, with the path between the radiation source and the sample being free from obstruction ,

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.For the scanning end face of the block, it may be advantageous to be rounded to some extent since this will increase the surface area of the block which will be in contact with a certain volume of the sample material. The scanning end face of the block may, if desired, be given a thin protective coating, for example of a plastic material, such as plastic. B. an epoxy resin. The thickness of the coating must be such that there is no undue reduction in thermal contact between the sample and the block (the use of a rounded scan face as described above may help compensate for any such reduction). The use of protective films of plastic materials such as polycarbonates, polyacrylates, polyamides, polyesters, polyalkylenes, and polyhaloalkylenes, especially when extended to protect the thermal detector, may be particularly advantageous where hazardous (e.g., infectious or toxic) or chemically high levels reactive samples should be investigated. The films may advantageously be designed to be disposable, especially where infectious or toxic samples are encountered.

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.The solid, thermally conductive element may, if desired, comprise more than one component. Thus, for example, a block may comprise a thin disk of a similar material which is permeably adhered to one side so that one side of the disk forms the scanning end of the element. The heat detector may be mounted on the block or on the underside of the disc in such arrangements, as appropriate, and is particularly well protected by the sample material against contamination.

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.In most applications, however, the heat detector is advantageously mounted on a surface of the heat-conducting solid element that extends parallel to the radiation path. In essence, all internal reflection of the incident radiation on said parallel surface must prevent the radiation from reaching the detector. Such internal reflection can be enhanced by attaching the heat detector to the solid element using an adhesive having a lower refractive index than the material of the solid element. Since materials such as sapphire and diamond have a high refractive index, a wide range of adhesives can be used, including epoxy adhesives, cyanoacrylate adhesives, and polyester adhesives. The adhesive may also be used to coat the remaining sides of the solid element to minimize leakage of light therefrom. Particularly suitable adhesives include the electrically conductive adhesives, such as, for example, metal epoxy adhesives, for example, a silver epoxy, such as silver. Epo-tek H 2 OE (manufactured by Epoxy Technology Inc., Mass., USA) because they provide maximum light retention while also exhibiting good thermal conductivity and electrical conductivity. Alternatively, the surface of the transmissive solid element may be coated with a reflective layer, such as a thin layer of aluminum or silver, prior to the attachment of the thermal detector, such treatment being particularly suitable for ultraviolet and infrared measurements.

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.Where a thermistor is used as the heat detector, if the scale of the device allows it, it can be made by the thick-film technique, i. that is, by printing a paste of the thermistor material on the solid member after a necessary pretreatment to ensure maximum internal reflection, and then sintering the paste at a high temperature.

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.The distance between the sample and the heat detector is preferably as small as possible in order to minimize the time for the conduction of the heat from the sample to the detector, thereby achieving maximum sensitivity. In general, the specific conductivity of the solid element will be many times that of the sample. Typically, the distance of the heat detector from the scanning end of the element will be of the same order of magnitude as the dimensions of the scanning end. Therefore, for example, the heat detector could be located about 1 mm from a scanning end, which itself is about 1 mm in diameter. Alternatively, the surface of the scanning face may extend further along the axis passing through the detector to provide a larger, substantially elongated area in contact with the sample.

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.Where the sample strongly absorbs the incident radiation, the latter will be easily absorbed within the heat diffusion length and produce a strong signal. Where the absorption is low, only part of the incident light can be absorbed within the heat diffusion length. It will be appreciated that, in general, the thickness of the sample should exceed the heat diffusion length, and preferably at least twice that length.

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.The sensors according to the invention can, if desired, be very small. The heat detector can be readily manufactured in the same size or smaller than the heat-conductive solid element. It is particularly convenient to mount the solid element at the end of an optical fiber; The signal from the heat detector may be conducted by means of electrical wires or an optical fiber, conveniently mounted parallel to the optical fiber for the incident radiation, from the heat detector.

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.Thus arranged probes can be readily used to detect or quantify samples in a wide range of situations, for example, not only in in vitro experiments but also in vivo. Therefore, for example, such a sensor can be inserted into a blood vessel for the continuous measurement of the hemoglobin content. It is particularly useful to be able to immerse such a probe in a liquid sample in order to examine the sample to be analyzed at different depths, especially at the locations remote from the surface; for example, the red blood cells will absorb oxygen from the atmosphere if they are near the surface of a liquid sample containing them, and thus may alter their absorption spectrum.

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.In certain applications, it may be necessary to shield the probe from thermal effects or chemical corrosion. For example, one or more protective layers, such as any suitable polymeric material, may be applied over the entire probe, excluding the surface in contact with the sample, to accomplish this goal.

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. einemShielding from electrical interference or interference may also be desirable in specific applications, and may be effected by enclosing the probe (again excluding the surface in contact with the sample) with a metal shield. Therefore, for example, the sensor can be placed in a suitably grounded metal container, such as a tube made of a material such. As an acid-resistant steel, and / or it can be coated with an electrically conductive adhesive such. B. one

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.According to a further feature of the invention, we provide a method for detecting or quantifying the absorption of electromagnetic radiation by a sample, wherein a probe according to the invention is irradiated to cause the modulated radiation along said radiation path to said first surface and from there to said sample, wherein the heat generated by the absorption of the radiation by the sample is directed to the thermal detector of said sensor to produce signals whose amplitude provides an indication of the heat generated by said sample Absorption is generated.

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.The method of the invention is particularly useful for detecting or quantifying particle suspensions, such as cells or clusters, that are difficult to examine using the older methods due to the problem of light scattering.

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.The probe and method described herein may also be used in measuring the color intensity of samples immobilized on solid supports; the signal is not susceptible to interference from the mechanical contact between the sensor and the vehicle, which may occur when photoacoustic methods are used. The principle is similar to that used in the solution. The light is selected at a wavelength suitable for absorption by the material in question. The increase in temperature is proportional to color fastness and can be measured as previously described. Since the method is based on absorption instead of reflection, it is more sensitive than the reflectometric methods. In addition, a fairly small area of color is sufficient to get a good signal. Colored areas of less than 1 mm ² are usually sufficient.

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.Some analytical methods are based on the formation of colors on a surface, either by chemical reactions leading to the formation of an insoluble or immobile colored material, or filtration of colored agglutinates formed by coupling of receptor-ligand pairs or by selective filtration with a portion of a receptor-ligand pair immobile in a porous material. The probes of the invention are particularly useful in all of these methods.

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.The probe and method according to the invention can be used, in particular, to detect or quantify samples to be analyzed in a test sample, based on the changes in the settling velocities of the particles due to the chemical or physical interactions, such as by determining the radiation absorption of the particles Sample can be determined in time intervals. Other applications include analysis of the blood by determining the hemoglobin in the hemocytes.

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.Given the small dimensions in which the probes can be made, the measurements can be easily made in flow systems, for example, where the sample contacting the surface of the probe is present within the interior of a flow chamber. Surprisingly, the optometric signal is not substantially affected by the flow of a flowing liquid sample.

Die Erfindung wird jetzt spezieller mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen die Abbildung 1 einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung zeigt.The invention will now be described more particularly with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 shows a thermal sensor according to the invention.

Die Abbildung 2 zeigt eine Anordnung für die Benutzung des Wärmemeßfühlers entsprechend der Abbildung 1.Figure 2 shows an arrangement for using the thermal sensor as shown in Figure 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.Figure 3 shows a complete optical sensor system in which a sensor as shown in Figure 1 is placed in one end of an optical fiber.

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.Figure 4 shows a graphic representation of the signal from a device according to Figure 3 for different concentrations of a colored substance dissolved in water.

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.Figure 5 shows a sensor consisting of a series of heat-conducting elements according to Figure 1, which are arranged close to each other but are not in thermal contact.

Die Abbildung 6 zeigt eine Strömungskammer, die einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung einschließt.Figure 6 shows a flow chamber incorporating a thermal sensor according to the invention.

Die Abbildung 7 zeigt eine alternative Ausführung eines Wärmemeßfühlers, der in einer optischen Faser angeordnet ist, und ein Verfahren für das Montieren des gleichen.Figure 7 shows an alternative embodiment of a thermal sensor disposed in an optical fiber and a method of mounting the same.

Die Abbildung 8 zeigt einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung, der durch ein Plastematerial geschützt wird.Figure 8 shows a thermal sensor according to the invention protected by a plastic material.

Die Abbildung 9 zeigt einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung, der eine abgerundete Abtaststirnseite aufweist und durch ein Plastematerial geschützt ist.Figure 9 shows a thermal sensor according to the invention having a rounded scanning end face and protected by a plastic material.

Die Abbildung 10 zeigt einen Wärmemeßfühler entsprechend der Erfindung, bei dem das wärmeleitende Element eine dünne Scheibe einschließt, die an einem Block haftet.Figure 10 shows a thermal sensor according to the invention in which the thermally conductive element includes a thin disc adhered to a block.

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.Figure 11 is a graph of the results obtained by optothermal spectrometry and reflectometry in the measurement of colloidal gold immobilized on a porous membrane.

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).Figure 12 is a graph of the results obtained in the measurement of hemoglobin in the blood compared to the results obtained from a standard procedure (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 2In the probe shown in Figure 1, the heat-conducting member 1 is a cube of a permeable material having a high ability to conduct heat. The light pulses 4 are transmitted through the thermally conductive member 1 and into the sample 3 mounted thereon. A portion of the heat generated in the sample becomes the interface between the sample 3 and the thermally conductive transmissive thermally conductive element 1, which is a 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.Element 1 headed. The increase in temperature in this interface depends on the light-absorbing properties of the sample. Because of the high thermal conductivity of the element 1, the heat generated from the surface of the sample 3 to the thermoelectric !! Detector 2 passed. The heat conductive member 1 is of a size allowing the sample and the thermoelectric detector to be spaced apart from each other by less than or equal to the heat diffusion length of the actual material of the heat conductive member 1. Since the heat diffusion length depends on the pulse frequency of the incoming light, the size of the; thermally conductive element with respect to the highest theoretically used frequency can be selected. As Jie frequency increases, the distance between the sample and the theoelectric detector must be decreased. In the figure shown in Figure 1, the thermoelectric detector is a thermistor. A constant voltage is applied to the ^r hermistor via the cable lines 5. As the temperature varies, the current through the thermistor conducted over the cable leads 5 will vary due to the change in resistance. Using a suitable electronic device, the variations in current can be amplified and recorded.

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.In the arrangement shown in Figure 2, the light from a lamp 6 is focused through the lenses 7 and 7A. Light pulses are generated using a light modulator 8 (a rotating disk) and the light passes through a filter 9 to select the required wavelength before passing to the sample 3 through a transmissive thermally conductive element 1 carrying a thermistor 2, which is connected via the cable lines 5 passes. The wavelength and pulse frequency of the light are selected with reference to the sample to be analyzed. The electronics are switched to the frequency of the modulated light source and the signals are then amplified. This reduces the noise and ensures that the sensor will not register changes in the temperature of the environment. In the arrangement shown in Figure 3, a thermally conductive element 1 is placed at the end of the optical fiber 11. The light source is a laser diode 10 having a constant intensity and a variable wavelength. The light is guided by the laser diode 10 through the optical fiber 11 to the sample 3. The recorded changes in temperature depend on the change in absorbed light at different wavelengths. For example, one can change the wavelength from an absorbance maximum to a minimum. A laser diode 12 is used alsthermooptischer detector, wherein its output and the frequency vary with temperature. The radiation from this laser is passed through another optical fiber 13 to an opto-electrical converter 14 where the optical signal is converted to an electrical signal which can then be recorded. The entire probe, except for the part which should be in contact with the sample, is covered by a protective material. The sensor is characterized in that it is substantially insensitive to electrical noise, since it produces an optical output signal from the laser jrdiode 12.

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.The graph shown in Figure 4 and obtained using the apparatus described in connection with Figure 3 shows a substantially linear correlation between the optothermic signal and the concentration of various samples of black ink in water. The arrangement shown in Figure 5 illustrates the possibility of combining multiple sensors. The thermally conductive elements 1 carry the thermoelectric detectors 2 which are connected to amplifiers (not shown) by cable connectors 5. They are thermally isolated from each other. Light of different wavelengths is applied to the elements 1 via the optical fibers 11, which can then measure the absorbance at different wavelengths in a sample, thereby obtaining knowledge about the absorbing properties of the various components in a sample. The concentration of each component can therefore be calculated on the basis of the measured signal at each of the wavelengths.

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.Another possibility is the use of different modulated (for example pulsed) frequencies for the different sensors. Using low frequencies, one can analyze a fairly thick layer of a sample compared to the thin layer which is analyzed at high frequencies. Using a proper mathematical treatment of the measured signal one may be able to analyze the concentration profile of substances present at a certain distance in a sample.

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.Another possibility is to analyze a sample that changes from place to place ^! jt. In this case, the same frequency and wavelength are applied to all probes. The measured signals may be used to evaluate the changes from one location to another, or they may provide an average for a larger area. In the flow chamber, which is shown in Figure 6, a stable construction 15 with a flow chamber 16 having an inlet 17 and an outlet 18 is formed. A recess 19 in the structure 15 is adapted to receive a thermal sensor 20 which rests on an O-ring 21 which abuts against a flange 22. The probe 20 is brought into contact with the O-ring 21 by the springs 23, which are held in position by a cover 24, by pressure. The Maßfühler 20 comprises a body having a cross-shaped, vertical cross-section, which is provided with a central, vertical, cylindrical hole, in which an optical path 25 is brought, which leads to a sapphire window 26. A thermistor 27 is mounted on the side of the sapphire window 26 and connected by electrical leads 28 to the signal meter (not shown).

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.In the embodiment shown in Figure 7, the thermally conductive element 1, for example a sapphire rod, may be polished to show good optical quality on all surfaces. The heat detector 2 is a thermistor which is preferably coated on its larger side surfaces with thin films of silver or gold to ensure a good electrical connection. Such a side surface of the thermistor 2 is fixed to a vertical surface of the element 1 by means of a silver epoxy adhesive. The remaining part of this vertical surface of the element 1 and the other larger side surface of the thermistor 2 are coated with silver epoxy adhesive 29, whereby electrical cable connector 5 can be attached, one on the element 1 and an a, ι thermistor 2. The remaining three vertical surfaces of the element 1 are also preferably covered with silver epoxy adhesive. The element 1 may be attached to an optical fiber 11 by using a drop 30 of the UV-curable adhesive and subjecting the resulting device to UV radiation 31.

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.The typical dimensions for such a probe include element 1 (1mm χ 1mm χ 6mm) and thermistor 2 (0.5mm x 0.5mm x 0.35mm). The application of a constant voltage across the thermistor 2 via the leads 5 results in, for example, that resistance changes of the order of 4% per ⁰ C can be observed.

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 kommtIn the arrangement shown in Figure 8, the element 1, the thermistor 2 and the electrical connections 5 are protected by a housing tube made of epoxy resin 33, leaving only the scanning end face 32 of the element 1 open. This minimizes the noise and consequent noise that may otherwise occur when the sample comes in electrical contact with the thermistor 2

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.An alternative method of protecting the probe is shown in Figure 9, where the element 1 has a rounded scanning end face 32 which, together with the thermistor 2 and the electrical terminals 5, is protected by a thin elastic plastic film 34 which in use the scanning end face 32 is in thermal contact and on which the sample 3 is arranged.

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.In the embodiment shown in Figure 10, the heat-conducting element is a two-component system including a rod 35 and a disc 36. These may, for convenience, be sapphire, the representative dimensions including, for example, 1 mm x 1 mm χ 6 mm for the rod 35 and a diameter of 3 to 5 mm and a thickness of 0.1 to 0.3 mm for the disk 36. The rod 35 and the disc 36 are glued together using a permeable adhesive and the thermistors 2 are glued to the latter using a silver epoxy adhesive. The undersides of the disc 36 and the thermistors 2 and the sides of the rod 35 are coated with a layer of the silver epoxy adhesive 37, leaving a small ring on the edge of the disc 36 uncoated. The electrical connections 5 are fastened in the usual way. The disc 36 is fixed by means of the adhesive 37 to a metal tube 38, for example of acid-resistant stainless steel, which electrically shields or protects the probe, and a protective coating 39 is applied.

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:The sample 3 is irradiated by light pulses 4 passing through the rod 35. Due to the nature of the probe design, the contact between the sample 3 and the thermistors 2 is minimal, particularly when highly impermeable materials, such as sapphire, are used for the wafer 36. The following examples illustrate the method according to the invention:

example 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.An opto-thermal spectrophotometer system, as shown in Figure 2, comprised a transmissive, conductive element 1 including a sapphire having a surface area of 1 χ 1 mm ² . The sapphire was connected to the thermal sensors, and light pulses (frequency 2 Hz) were brought to the sapphire through an optical fiber. The light source was on; Halogen lamp, and the light was filtered to provide a wavelength of 540 ± 40nm.

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).1 μg of anti-C-reactive protein monoclonal antibody produced by Murine hybridoma cells was added to an activated porous membrane to immobilize the antibodies (Hybond N nylon membrane, Amersham, UK).

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.The surface area of the membrane was 10mm "for each of the measurements made. Solutions of the C-reactive proteins varying from 0.5 to 15 pn / ml were added and sucked through the membrane by means of a negative pressure.

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.Thereafter, a solution containing about 1 g of another anti-C reactive protein antibody coupled with colloidal gold with a mean diameter of 4.5 nm was added and sucked through the membrane. An increasing amount of colloidal gold was retained in the membrane while the amount of C-reactive protein was increased.

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.The intensity of the farbigon surface was measured both by reflectometry (Macbeth 1500 Plus reflectometer) and optothermal spectroscopy, as described above. Each optothermal measurement was for 10 sec. carried out. The results obtained using the two methods are shown in Figure 11, and it can be seen that they show good correlation.

Example 2

Dieses Beispiel zeigt, wie ein optothermischer Meßfühler für die Messung des Hämoglobins im Blut eingesetzt werden kann.This example shows how an opto-thermal probe can be used to measure hemoglobin in the blood.

100μΙ Blut wurden einem kegelig geformten Reagenzglas, das 10μΙ von 20%igem Stercx SE enthält, zugesetzt. Das Blut wurde sofort durch das Detergens hämolysiert.100μl of blood was added to a conical shaped test tube containing 10μΙ of 20% Stercx SE. The blood was immediately hemolyzed by the detergent.

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.The hemolyzed blood samples were measured using a device as described in Example 1, but now using a frequency of 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%.The results of 75 blood samples were compared with a standard procedure (Coulter S-880) resulting in a correlation coefficient of 0.99 (Figure 12). Repeated analyzes of the same sample showed a coefficient of variation of 0.5 to 1.7%.

Example 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.The device of Example 2 was used at a frequency of 16Hz. The probe was fitted with a plastic cup which allowed the blood to remain in contact with a horizontally arranged probe. When the blood was measured directly without hemolysis, the results showed a correlation with the standard procedure about as well as described in Example 2. Therefore, the probe also allows direct measurements of hemoglobin in the blood samples.

Example 4 This example illustrates how the probe is used to measure hemoglobin in a flow system

werden kann.can be.

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.The device shown in Figure 6 was used. The opto-thermal probe 20 used showed a sensitive area of 1 mm ² and an outer diameter of 3 mm. The flow rate of the blood through the chamber 16 where the probe was located was 2 ml per min. Between each sample, the chamber 16 was rinsed with a hypochlorite solution. The device was connected via the light path 25 with a 20W halogen lamp and operated at a frequency of 16.7 Hz. Each sample was examined 2 to 4 times over a period of 26 blood samples were tested using the method described, and the results were compared to a standard procedure for the measurement of hemoglobin using a Coulter apparatus. The obtained correlation coefficient was 0.990 and the linear regression line was y = 1.04x -4.4 where y is the optothermic value, and χ is the standard method value.

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.The signal at the output of the amplifier attached to the probe was also observed with an oscilloscope. No disturbances due to the bloodstream could be detected.

Claims

1. A sensor for the detection or quantification of the adsorption of

electromagnetic radiation through a sample, wherein the rise in the temperature caused in the sample by the radiation produces a signal proportional to said temperature rise, characterized in that the sensor includes a thermally conductive solid element representative of said one electromagnetic radiation permeable, and having a first surface for contact with said sample, a radiation input surface and a radiation path between the moving surfaces, wherein the thermo-optic or thermoelectric heat detector means provided in thermal contact with said solid member near said first surface be received in order to receive the heat derived therefrom, without the said radiation path is blocked.

2. A sensor according to claim 1, which is equipped with a device for the irradiation of the sample through the solid element therethrough.

A probe according to claim 2, wherein said device is adapted to irradiate the sample with the incident radiation modulated with respect to amplitude and / or wavelength.

4. A sensor according to claim 3, which is designed so that the signals are sampled by the thermo-optical or thermoelectric detector means at a frequency which is synchronized with the frequency of the modulation of the incident radiation.

5. A sensor according to any one of the preceding claims, wherein a thermistor or a thermocouple or a temperature-responsive laser is used as a heat detector device.

6. A sensor according to any one of the preceding claims, wherein the solid thermally conductive element consists of diamond, sapphire or quartz.

A probe according to any one of the preceding claims, wherein the solid thermally conductive element is in the form of a block having two opposite end faces providing the radiation input surface and the sample contacting surface, and having at least one side on which the heat detector device is arranged.

8. A sensor according to claim 7, wherein the sides of the block are coated with a reflective layer.

9. A probe according to any one of the preceding claims wherein the sample contact surface of the probe is within the interior of a flow chamber.

A method of detecting or quantifying the absorption of electromagnetic radiation by a sample, comprising irradiating a probe as defined in claim 1 to cause the modulated radiation along said radiation path to said first Surface and from there to said sample, wherein the heat generated by the absorption of the radiation through the sample is passed to the heat detector of said sensor to produce signals whose amplitude gives an indication of the heat generated by the said absorption is generated.

11. A method according to claim 10, wherein the sample includes a suspension of particles.

12. A method according to claim 11, wherein the settling speed of the particles is measured by determining the radiation absorption thereof at time intervals.

A method according to claim 11, wherein the sample is blood and the hemoglobin in the hemocytes is detected.

14. A method according to claims 11 to 13, wherein the sample is a flowing liquid sample.

15. A method according to claim 10, wherein the sample is immobilized on a solid support.

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