DE10008517C2 - Optisches Meßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Meßsystem zur Bestimmung der Kon­ zentration von Flüssigkeitsproben, insbesondere der Konzentration trüber Flüssig­ keitsproben.

In der Absorptionsspektrometrie (Absorptionsphotometrie) wird die Abschwächung von Licht beim Durchgang durch eine Flüssigkeitsprobe gemessen und als Extinktion ausgegeben. Die Abschwächung des einfallenden Lichts erfolgt durch Absorption, wobei die Lichtrichtung unverändert bleibt.

Die Trübungsmessung dient der Bestimmung von Streuzentren in trüben Flüssigkeits­ proben. Hierfür kann man die Intensität des Streulichtes messen, das aus der von ei­ nem einfallenden Lichtstrahl getroffenen Probe in einem bestimmten Winkel austritt.

Die Streuung des Lichtes kann entweder durch Messung der Intensitätsabnahme des einfallenden Lichtstrahls nach dem Durchgang durch das streuende Medium oder durch Bestimmung der Intensität des seitlich abgelenkten Lichtes ermittelt werden. Im ersten Fall spricht man von der Methode der Turbidimetrie und im zweiten von der der Nephelometrie. Eine wichtige Anwendung ist die Messung der Konzentration von flüssigen Zell- oder Bakterienkulturen.

Bei den bekannten optischen Meßsystemen für die Absorptionsphotometrie und bei denen für die Trübungsmessung ist nachteilig, daß sie spezielle Meßzellen zur Auf­ nahme der Flüssigkeitsproben aufweisen, die für die Messung in einem Strahlengang zwischen einem Lichtsender und einem Lichtempfänger anzuordnen sind und sehr ge­ nau gefertigt werden, um den Meßfehler möglichst gering zu halten. Bei diesen Meß­ zellen handelt es sich üblicherweise um Küvetten. Die verhältnismäßig kostspieligen Küvetten werden in der Regel wiederverwendet. Zur Vermeidung von Kontamina­ tionen und Verschleppungen müssen sie aufwendigen Reinigungsmaßnahmen unter­ zogen werden.

Gemäß DE 195 35 046 C2 kann es sich bei der Meßzelle aber auch um eine Pipetten­ spitze mit zwei planparallelen Fenstern handeln, die bei Befestigung einer Handpipette im Strahlengang eines Photometers angeordnet ist, das in die Handpipette integriert ist. Die Pipettenspitze kann als Einmalartikel aus Kunststoff ausgeführt sein, hat jedoch den Nachteil, daß sie wegen der planparallelen Fenster ebenfalls in der Herstellung verhältnismäßig aufwendig sind und als Spezialartikel eine verminderte Ver­ fügbarkeit hat.

Insbesondere die bekannten optischen Meßsysteme für die Trübungsmessung haben den Nachteil, daß sie nur einen kleinen Meßbereich aufweisen. Besonders trübe Flüs­ sigkeitsproben können vielfach nur nach einer vorherigen Verdünnung gemessen wer­ den. Die Verdünnung der Flüssigkeitsproben ist jedoch arbeitsaufwendig und kann wegen möglicher Milieuveränderungen der Kulturen problematisch sein. Außerdem ist bei einem verhältnismäßig großen Meßbereich nur eine geringe Differenzierung kleiner Konzentrationsdifferenzen zu verzeichnen. Dem kann zwar durch Verwendung spezieller Küvetten mit verschiedenen Schichtlängen abgeholfen werden. Dies ist jedoch arbeits- und gerätetechnisch verhältnismäßig aufwendig.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu hand­ habendes optisches Meßsystem zur Bestimmung der Konzentration insbesondere trü­ ber Flüssigkeitsproben zur Verfügung zu stellen, das über einen großen Meßbereich genau arbeiten kann und das mit weniger aufwendigen Meßzellen betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein optisches Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des optischen Meßsystems sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das optische Meßsystem zur Bestimmung der Konzentration insbesondere trüber Flüssigkeitsproben umfaßt

• - ein Meßvolumen zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeitsprobe,
• - mehrere Photometerkanäle in einer ungeraden Anzahl, die jeweils eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger auf verschiedenen Seiten des Meßvolumens auf einer gemeinsamen optischen Achse aufweisen und deren optische Achsen unter verschiedenen Azimutwinkeln zum Meßvolumen angeordnet sind,
• - eine Auswerteeinrichtung, welche die Konzentration der zu messenden Flüssig­ keitsprobe aufgrund der von mehreren, verschiedenen Photometerkanälen angehö­ renden Lichtempfängern gelieferten Meßwerte ermittelt,
• - bei dem die Auswerteeinrichtung in einem ersten Auswertemodus Konzentra­ tionen aufgrund von Meßwerten ermittelt, die der jeweilige Lichtempfänger vom Streulicht liefert, das von mindestens einer Lichtquelle stammt, die nicht zu dem­ selben Photometerkanal gehört.

Da die Meßwerte mehrerer Lichtempfänger für die Ermittlung der Konzentration her­ angezogen werden, wirken sich Ungenauigkeiten (z. B. Maßschwankungen, optische Inhomogenitäten etc.) einer das Meßvolumen umfassenden Meßzelle, die insbeson­ dere fertigungsbedingt sein können, deren Wand von den Photometerkanälen durch­ strahlt wird, weniger auf die Genauigkeit der ermittelten Konzentration aus. Infolge­ dessen können Meßzellen zum Einsatz kommen, die mit verhältnismäßig geringem Aufwand hergestellt sind und deshalb auch Einmalartikel (Disposables) sein können.

So können als Meßzellen insbesondere handelsübliche Gefäße zum Einsatz kommen (z. B. Reaktionsgefäße, Pipettenspitzen etc.), die im Laboreinsatz weit verbreitet sind und deren Verfügbarkeit besonders hoch ist. Grundsätzlich können Meßzellen mit verschiedener Form, beispielsweise rundem oder vieleckigem Querschnitt zum Ein­ satz kommen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Meßzelle als Pipettenspitze aus Glas oder aus Kunststoff. Pipettenspitzen sind insbesondere in der Ausführung aus Kunststoff als Einmalartikel weit verbreitet. Sie haben einenends eine Öffnung für den Durch­ gang von Flüssigkeit und anderenends eine Öffnung für den Anschluß einer Pipettier­ vorrichtung, die eine Verdrängungseinheit umfaßt. Mittels der Verdrängungseinheit kann durch die Spitzenöffnung ein genau festgelegtes Flüssigkeitsvolumen in die Pi­ pettenspitze eingesogen und aus dieser wieder ausgestoßen werden. Die Bestimmung der Konzentration in einer Pipettenspitze hat insbesondere den Vorteil, daß sie das Probenhandling erleichtert und mit einer genauen Dosierung der Probenflüssigkeit verbunden werden kann. Hierdurch kann ein Arbeitsgang eingespart werden, weil eine Flüssigkeitsprobe herkömmlicherweise ohnehin in eine Küvette pipettiert wird. Auch ist durch einfaches Ausstoßen der Flüssigkeitsprobe aus der Pipettenspitze eine praktisch vollständige und kontaminationsfreie Wiedergewinnung der Flüssigkeits­ probe möglich.

Die Auswerteeinrichtung kann die Konzentration besonders einfach aufgrund einer Mittelung von Meßwerten mehrerer Lichtempfänger bestimmen, beispielsweise auf­ grund einer arithmetischen Mittelwertbildung.

Die Auswerteeinrichtung ermittelt in einem ersten Auswertemodus Konzentrationen aufgrund von Meßwerten, die der jeweilige Lichtempfänger vom Durchgangslicht lie­ fert, das von der Lichtquelle stammt, die zu demselben Photometerkanal wie der Lichtempfänger gehört. Der erste Auswertemodus entspricht der Absorptionsphoto­ metrie bzw. der Turbidimetrie und wird bevorzugt bei einer absorptionsphotometri­ schen Messung im gesamten Meßbereich gewählt und bei einer Trübungsmessung im Bereich kleinerer Konzentrationen.

Weiterhin vorzugsweise kann die Auswerteeinrichtung in einem zweiten Auswerte­ modus Konzentrationen aufgrund von Meßwerten ermitteln, die der jeweilige Licht­ empfänger vom Streulicht liefert, das von mindestens einer Lichtquelle stammt, die nicht zu demselben Photometerkanal wie der Lichtempfänger gehört. Der zweite Auswertemodus entsprechend der Methode der Nephelometrie und kann bevorzugt dann gewählt werden, wenn bei der Trübungsmessung größere Konzentrationen zu ermitteln sind. Dabei kann sich der Bereich größerer Konzentrationen unmittelbar an den Bereich kleinerer Konzentrationen anschließen bzw. können die Bereiche über­ lappen, so daß insgesamt ein erheblich vergrößerter Meßbereich bei der Trübungs­ messung erreicht wird. Gleichzeitig wird eine gute Differenzierbarkeit kleiner Kon­ zentrationsdifferenzen über den gesamten Meßbereich ermöglicht.

Damit ermöglicht das optische Meßsystem die Konzentrationsbestimmung trüber Flüssigkeitsproben über einen großen Meßbereich durchzuführen. Dabei gewährleistet die Berücksichtigung der Meßwerte mehrerer Photometerkanäle bei der absorp­ tionsphotometrischen Messung und bei der Trübungsmessung im Bereich kleinerer Konzentrationen und die Berücksichtigung mehrerer Meßwerte des seitlich abgelenk­ ten Lichtes bei der Trübungsmessung im Bereich größerer Konzentrationen den Ein­ satz von Meßzellen mit Ungenauigkeiten, insbesondere von Disposables.

Das optische Meßsystem kann aber auch mit herkömmlichen, genauer hergestellten Meßzellen zusammenarbeiten, wenn die Meßgenauigkeit weiter gesteigert werden soll.

Ferner kann das optische Meßsystem eine Tauchsonde aufweisen, die in die zu mes­ sende Flüssigkeit eingetaucht wird, so daß eine Flüssigkeitsprobe in ein Meßvolumen eindringt, das sich zwischen den Lichtquellen und Lichtempfängern der Tauchsonde befindet. Die Tauchsonde kann insbesondere rohrförmig sein. Die Probenflüssigkeit kann dann durch eine Öffnung an der Unterseite in den Innenraum der Tauchsonde eindringen, in dem das Meßvolumen vorliegt. Ein das Meßvolumen umfassender Innenraum der Tauchsonde kann oberhalb der Photometerkanäle belüftet sein, damit die Flüssigkeitsprobe beim Eintauchen selbsttätig in das Meßvolumen gelangt. Zum Schutz vor Kontamination kann das Meßsystem der Tauchsonde bzw. die Photo­ meterkanäle mit einer zumindest im Bereich der optischen Messung transparenten Hülle umgeben sein. Diese kann austauschbar ausgeführt sein, insbesondere als Weg­ werfteil (z. B. aus Kunststoff).

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung führt die Auswerteeinrichtung in einem dritten Auswertemodus dieselben Ermittlungen im ersten und im zweiten Auswertemodus durch und ermittelt durch Verknüpfung der Ergebnisse der beiden Auswertungen die Konzentrationen. Der dritte Auswertemodus ist insbesondere für die Ermittlung mitt­ lerer Konzentrationen bei Trübungsmessungen geeignet.

Vorzugsweise weist das optische Meßsystem eine Umschalteinrichtung auf, die eine Umschaltung zwischen der Ermittlung der Konzentrationen nach einem der verschie­ denen Auswertemodi der Auswerteeinrichtung ermöglicht. Diese Umschalteinrichtung kann handbetätigbar sein und vom Benutzer nach visueller Überprüfung oder Pro­ benmessung der Flüssigkeitsprobe einstellbar sein. Es kann sich aber auch um eine Umschalteinrichtung handeln, die automatisch eine Umschaltung zwischen den ver­ schiedenen Bereichen vornimmt, je nachdem, ob kleinere, größere oder gegebenenfalls mittlere Konzentrationen ermittelt werden sollen. Hierfür können beispielsweise in der Auswerteeinrichtung Bereichsgrenzen der Konzentrationen für die Benutzung der verschiedenen Auswertemodi gespeichert sein. Dann kann eine Probemessung durchgeführt werden. Fällt die ermittelte Konzentration nicht in die Bereichsgrenzen eines zuerst angewendeten Auswertemodus, kann automatisch die Auswertung mit ei­ nem anderen Auswertemodus erfolgen, bis eine Konzentration ermittelt wird, die in die Bereichsgrenzen des benutzten Auswertemodus fällt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das optische Meßsystem eine Steuerein­ richtung aufweisen, die die Lichtquellen der Photometerkanäle moduliert, die Aus­ werteeinrichtung aufgrund der von den Lichtempfängern gemessenen Meßwerte den Einfluß des Umgebungslichtes erfassen und diesen bei der Ermittlung der Konzentra­ tionen eliminieren. So können die von den Lichtempfängern gemessenen Meßwerte beispielsweise nach dem Lock-in-Prinzip ausgewertet werden. Eine andere Möglich­ keit besteht darin, die Modulation so groß zu machen, daß die Lichtquelle zeitweilig abgeschaltet wird. Die in den Dunkelphasen an den Lichtempfängern gemessenen Signale können dann von den in den Hellphasen gemessenen subtrahiert werden, wo­ durch der Umgebungslichteinfluß eliminiert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung schaltet eine Steuereinrichtung die Licht­ quellen der verschiedenen Photometerkanäle nacheinander ein, um ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Photometerkanälen zu vermeiden. Hierbei wird unter ei­ nem Übersprechen verstanden, daß ein Lichtempfänger eines Photometerkanals ein Lichtsignal eines Lichtsenders eines anderen Photometerkanals detektiert, das nicht auf der Streuung einer Flüssigkeitsprobe beruht. Zur Vermeidung des Übersprechens können die Lichtquellen der verschiedenen Photometerkanäle auch phasenverschoben so moduliert werden, daß sie zeitlich ineinander verschachtelt eingeschaltet werden. Aus demselben Grunde können die Lichtquellen der verschiedenen Photometerkanäle mit verschiedenen Frequenzen moduliert werden und kann durch Frequenzanalyse eine eindeutige Signalzuordnung erfolgen. Ferner können zur Vermeidung eines Übersprechens die Photometerkanäle durch verschiedene Querschnittsebenen des Meßvolumens verlaufen.

Auch können durch verschiedene Querschnittsebenen des Meßvolumens verlaufende Photometerkanäle vorhanden sein, um mehr Meßwerte zu erhalten und beispielsweise den Einfluß von Ungenauigkeiten einer Meßzelle auf das Meßergebnis weiter zu re­ duzieren.

Zur Vermeidung eines Übersprechens und zur Reduzierung von Umgebungslichtein­ flüssen kann überdies ein das Meßvolumen oder die Meßzelle umgebendes, an deren Außenkontur angepaßtes Blendenelement mit den Photometerkanäle zugeordneten Durchgangsöffnungen vorhanden sein.

Die Ermittlung der Extinktion bei der Absorptionsphotometrie bzw. der scheinbaren Extinktion bei der Turbidimetrie beinhaltet eine Blankmessung (Leerwertmessung), d. h. die Ermittlung der Intensität des durchgehenden Lichtes ohne einen absorbieren­ den oder streuenden Stoff (Blank) im Meßvolumen. Ferner beinhaltet die Ermittlung der Extinktion bzw. der scheinbaren Extinktion die Messung der Intensität des ausfal­ lenden (geschwächten) Lichtes nach Durchgang durch den absorbierenden bzw. streuenden Stoff. Entsprechendes gilt für die Messung der Intensität des gestreuten Lichtes bei der Nephelometrie. Eine weitere Ausgestaltung des optischen Meßsystems ermöglicht durch Betätigung einer Eingabeeinrichtung eine Blankmessung und/oder die Messung einer absorbierenden oder streuenden Flüssigkeitsprobe auszulösen.

Vorzugsweise sind die Photometerkanäle symmetrisch zum Meßvolumen ausgerichtet. Dann können die optischen Achsen benachbarter Photometerkanäle identische Winkel miteinander einschließen. Hierdurch wird die Eliminierung von Ungenauigkeiten der Meßzellen begünstigt und die Auswertung der Meßergebnisse vereinfacht. Es ist eine ungerade Zahl Photometerkanäle vorhanden, wodurch es möglich ist, um das Meßvolumen in Folge abwechselnd Lichtquellen und Lichtempfänger anzuordnen. Auch hierdurch wird die Eliminierung von Ungleichmäßigkeitseinflüssen der Meßzelle auf die Meßergebnisse begünstigt. Vorzugsweise sind drei Photometerkanäle vorhanden, die sternförmig um das Meßvolumen mit rundem Querschnitt angeordnet sein können, um die genannten Wirkungen bei möglichst geringem Aufwand zu erzielen.

Als Lichtquellen können insbesondere LED's und/oder als Lichtempfänger Silizium- Dioden zum Einsatz können. LEDs sind gut modulierbar. Silizium-Dioden können auch hochfrequente Lichtsignale genau messen. Außerdem sind diese Bauelemente kostengünstig und raumsparend. Vorzugsweise können die Lichtquellen und die Lichtempfänger bei 600 nm arbeiten.

Das optische Meßsystem kann insbesondere Bestandteil einer Pipette sein, so daß eine mit der Pipette verbundene Pipettenspitze im Strahlengang der Photometerkanäle an­ geordnet ist. Das optische Meßsystem kann aber auch ein Gerät oder Bestandteil eines Gerätes sein, das keine Pipette ist und im Strahlengang der Photometerkanäle eine Aufnahme zum Einsetzen und Entnehmen einer Meßzelle aufweist. Bei der Meßzelle kann es sich wiederum um eine Pipettenspitze handeln. Vorzugsweise sind das Gerät bzw. dessen Aufnahme so ausgestaltet, daß eine an einer Pipette befestigte Pipetten­ spitze in den Strahlengang der Photometerkanäle einsetzbar ist. Dabei kann das Gerät Einrichtungen zum Halten einer Pipette mit einer Pipettenspitze aufweisen. Das Gerät kann insbesondere ein Tischgerät sein, in das eine Pipette ähnlich wie in einen Pipet­ tenständer einsetzbar ist. Ferner kann das Gerät eine Eingabeeinrichtung haben, die eine Auslösung der Meßvorgänge durch Einsetzen der Meßzelle ermöglicht, z. B. mit einer Lichtschranke oder einem Taster.

Sowohl durch Integration in eine Pipette als auch in ein separates Gerät ist eine kom­ pakte optische Meßeinrichtung realisierbar, die direkt am Arbeitsplatz einsetzbar ist. Die Probe muß nicht mehr zu einem aufwendigen stationären optischen Meßgerät transportiert werden.

Bei der Auswerteeinrichtung und/oder Umschalteinrichtung und/oder Steuereinrich­ tung und/oder Eingabeeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Einrichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen von Ausfüh­ rungsbeispielen und Meßergebnissen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Prinzipdarstellung eines optischen Meßsystems mit mehreren Photometer­ kanälen in einem Querschnitt durch eine Meßzelle;

Fig. 2 Abhängigkeit der in verschiedenen Meßeinrichtungen gemessenen Extinktion von der Teilchenkonzentration in der Probenflüssigkeit in einem Diagramm;

Fig. 3 Abhängigkeit der von verschiedenen Photometerkanälen des optischen Meß­ systems von Fig. 1 gemessenen Lichtintensität vom Drehwinkel der Pipetten­ spitze in einem Diagramm;

Fig. 4 Abhängigkeit der von drei Photometerkanälen gemessenen Mittelwerte der Meßsignale vom Drehwinkel der Pipettenspitze bei verschiedenen Partikel­ konzentrationen in einem Diagramm;

Fig. 5 Abhängigkeit des Mittelwertes der von den Photometerkanälen des optischen Meßsystems gemäß Fig. 1 gemessenen Extinktionen von der Partikelkonzen­ tration in einem Diagramm;

Fig. 6 Abhängigkeit des Mittelwertes der von verschiedenen Lichtempfängern des optischen Meßsystems gemäß Fig. 1 gemessenen Streulichtanteile von der Par­ tikelkonzentration in einem Diagramm;

Fig. 7 Tauchsonde eines optischen Meßsystems in einem grobschematischen Verti­ kalschnitt;

Fig. 8 dasselbe Meßsystem in einem Horizontalschnitt durch die Ebene der Photo­ meterkanäle.

Bei der Beleuchtung einer trüben Probenflüssigkeit wird durch darin enthaltene Par­ tikel (z. B. Zellen, Bakterien, Schwebstoffe o. ä.) eine Lichtstreuung verursacht. Eine Erhöhung der Konzentration der Partikel in der Lösung verringert die Intensität des gerichtet transmittierten und erhöht die Intensität des in andere Raumrichtungen ge­ streuten Lichtes.

In der Biologie wird auf diese Weise die Bakterien- oder Zelldichte einer Probe be­ stimmt.

Üblicherweise wird das gerichtet transmittierte Licht als Scheinextinktion bei 600 nm gemessen (OD 600). Da die so ermittelte Lichtschwächung durch Streuung verursacht wird, hängt ihr Wert stark von der im Meßgerät realisierten optischen Anordnung ab. Ein Vergleich von Resultaten verschiedener Meßgeräte ist somit nur über Standards möglich.

Eine relativ breitbandige Lichtquelle, z. B. eine LED mit etwa 40 mm spektraler Bandbreite beeinflußt die Meßergebnisse unwesentlich.

Im folgenden wird das Prinzip eines erfindungsgemäßen optischen Meßsystems am Beispiel der Trübungsmessung erläutert. Das Meßsystem ist aber auch für die Ab­ sorptionsphotometrie geeignet.

Gemäß Fig. 1 sind N (N < 1) Photometerkanäle 1, 2, 3 . . . N unter verschiedenen Azi­ mutwinkeln (vorzugsweise symmetrisch) um eine Meßzelle 4 angeordnet. Da in der Fig. 1 nur drei Photometerkanäle 1, 2, 3 dargestellt sind, sind im folgenden nur diese Ziffern und die entsprechenden Ziffern der zugehörigen Elemente angegeben.

Die Meßzelle 4 kann im Querschnitt rund sein oder N Paare jeweils zueinander paral­ leler Fenster besitzen (2N-Eck). Das von der Lichtquelle 1' (z. B. LED) eines Photo­ meterkanals 1 ausgehende Licht fällt durch die transparente Wand der Meßzelle 4 auf den gegenüberliegenden zu diesem Kanal gehörenden Lichtempfänger (oder Detektor) 1".

Enthält die Probe Streuteilchen, so empfängt der Lichtempfänger 1" geschwächtes Licht. Die hieraus ermittelte scheinbare Extinktion wird auch als Trübung bezeichnet. Zum anderen gelangt aber auch gestreutes Licht auf die Lichtempfänger 2", 3" der weiteren N - 1 Photometerkanäle 2, 3. Die Konzentration der Streuteilchen in der Probe bestimmt sowohl die Trübung als auch die Intensität des Streulichts.

Es ist auch möglich, in einem oder in mehreren Photometerkanälen 1, 2, 3 Lichtquelle 1', 2', 3' oder Lichtempfänger 1", 2", 3" wegzulassen oder die Lichtquelle 1', 2', 3' durch einen weiteren Lichtempfänger 1", 2", 3" zu ersetzen. Somit kann aber in ei­ nem solchen Photometerkanal 1, 2, 3 keine Trübung gemessen werden. Es entfällt dann eine wichtige Ausgleichsfunktion.

Mit der Meßanordnung von Fig. 1 werden folgendermaßen Konzentrationen ermittelt:
Mit dem Lichtempfänger 1' wird die Intensität I₁₁(B) bei einer Blankflüssigkeit in der Meßzelle und die Intensität I₁₁(P) bei einer Probenflüssigkeit gemessen. Daraus kann eine scheinbare Extinktion (Trübung) E₁ der Probe bestimmt werden:

E₁ = log1₁₁(B) - log1₁₁(P)

Diese ist bei Einfachstreuung (kleine Konzentrationen c der Streuteilchen in der Flüs­ sigkeit) proportional zu c:

E₁ = k₁₀.c

mit k₁₀ als Proportionalitätskonstante.

Alle N - 1 nicht zum Photometerkanal 1 sondern zum Photometerkanal i (i ≠ 1) gehö­ renden Lichtempfänger 2", 3" messen die Intensität I_1i(P) von an den Streuteilchen gestreutem Licht. Das durch die Meßzelle 4 verursachte Streulicht I_1i(B) wird bei der Blankmessung erfaßt und berücksichtigt. Als Bezugswert für die gemessene Streu­ lichtintensität kann die mit dem Blank gemessene Intensität I₁₁(B) von Detektor 1 dienen:

Die gemessene Streulichtintensität ist abhängig vom Winkel, den die optische Achse des das Licht aussendenden Photometerkanals mit der optischen Achse des das Licht empfangenden Photometerkanals einschließt |ϕ|. Die Photometerkanäle 1, 2, 3 las­ sen sich in der Meßanordnung symmetrisch aufbauen. So entstehen (N - 1)/2 Signalpaare, bei den |ϕ| gleich ist. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann zwischen ihnen gemittelt werden:

Dieser Wert S_{1 ϕ} ist bei Einfachstreuung in erster Näherung proportional zur Konzen­ tration der Streuteilchen:

S_{1 ϕ} = k_{1 ϕ}.c

mit k_{1 ϕ} als Proportionalitätskonstante.

Der Zusammenhang sowohl von Trübung als auch von Streulichtintensität zur Teil­ chenkonzentration wird bei zunehmender Konzentration nichtlinear bis hin zur Sätti­ gung. Dabei liegt jedoch der nutzbare Meßbereich für bestimmte Winkel Φ der Streu­ lichtmessung bei höheren Teilchenkonzentrationen als der nutzbare Meßbereich der Trübungsmessung, so daß sich beide Meßmethoden ergänzen. Man erhält auf diese Weise einen deutlich größeren Meßbereich als für den Fall, daß nur eine der beiden Methoden verwendet wird.

Die oben für den Photometerkanal 1 beschriebenen Zusammenhänge gelten natürlich für jeden weiteren Kanal der Anordnung sinngemäß. Auf diese Weise erhält man sowohl für die Trübung als auch für das Streulicht mehrere Meßwerte, die gemittelt werden, um Meßwertschwankungen durch Ungleichmäßigkeiten im Querschnitt der Meßzelle 4 auszugleichen:

Die gemittelten Proportionalitätskonstanten k₀ und k_ϕ sind abhängig von Form und Durchmesser der Meßzelle 4 sowie von der Art der streuenden Probe. Sie müssen durch Kalibration ermittelt werden. Bei dieser Kalibration können auch Nichtlineari­ täten berücksichtigt werden. Die Kalibration kann beispielsweise durch Ausgießen ei­ ner bestimmten Menge Probenflüssigkeit auf eine Fläche und Auszählen der Partikel unter dem Mikroskop oder durch andere bekannte Methoden erfolgen.

Um den Einfluß von Umgebungslicht zu eliminieren, kann die Intensität der Licht­ quellen 1', 2', 3' moduliert werden. Die von den Lichtempfängern 1", 2", 3" re­ gistrierten Lichtsignale können dann nach dem (insbesondere aus der Verstärke­ rtechnik bekannten) Lock-in-Prinzip ausgewertet werden. Eine andere Methode be­ steht darin, die Modulation so groß zu machen, daß die Lichtquellen 1', 2', 3' zeit­ weilig abgeschaltet werden. Die in den Dunkelphasen an den Lichtempfängern 1", 2", 3" gemessenen Signale werden dann von den in den Hellphasen gemessenen subtrahiert. Die Lichtquellen 1', 2', 3' der einzelnen Photometerkanäle 1, 2, 3 können nacheinander zugeschaltet werden. Im zweiten Fall können die Lichtquellen 1', 2', 3' auch zeitlich verschachtelt zugeschaltet werden.

Im folgenden werden die Ergebnisse von Trübungsmessungen mittels optischer Meß­ systeme mit Pipettenspitzen als Meßzellen dargestellt:
Gemäß Fig. 1 wird eine Anordnung verwendet, bei der das von einem Lichtsender 1', 2', 3' ausgesendete Licht radial durch eine Pipettenspitze 4 auf einen gegenüberlie­ genden Detektor 1", 2", 3" trifft. Jede Anordnung umfaßt jeweils drei Photometer­ kanäle 1, 2, 3, die jeweils aus einer LED als Lichtsender 1', 2', 3' und einem Silizium- Detektor als Lichtempfänger 1", 2", 3" besteht.

Die Lichtquellen 1', 2', 3' sind orange LED's HLMP-8405 von Hewlett Packard mit einer Peakwellenlänge von 600 nm. Als Detektoren 1", 2", 3" wurden Si-Detektoren OSD1-0 von Centronic verwendet. Die LED's wurden mit 1,9 V betrieben. Die Mes­ sung des Detektorstromes erfolgte mit dem 350 Linear/log Optometer von UDT.

Es wurden folgende Messungen durchgeführt und Ergebnisse erhalten:
Als trübe Meßproben wurden Latexsuspensionen verschiedener Konzentrationen ver­ wendet. Durchmesser der Latexpartikel betrug ca. 0,8 µm. Die angegebenen Extink­ tions- und Transmissionswerte beziehen sich auf Wasser als Referenz.

Zum Vergleich sind in Fig. 2 die Extinktionswerte der drei Photometerkanäle 1 bis 3 des optischen Meßsystems von Fig. 1, des BioPhotometer® (Produkt der Anmelderin) und des Cary 100 (Firma Varian) für verschiedene Latexkonzentrationen dargestellt. Im BioPhotometer® und Cary 100 wurde mit Halbmikro-Kunststoffküvetten gemes­ sen.

Werden beim erfindungsgemäßen optischen Meßsystem mehrere LED's 1', 2', 3' gleichzeitig betrieben, kann auf einem Detektor 1", 2", 3" auch Licht einer nicht zu­ geordneten LED 1', 2', 3' fallen. Dieser Effekt kann durch eingetrübte Pipettenspitzen verstärkt werden.

In der Tabelle 1 ist dieses Übersprechen gezeigt. Angegeben ist jeweils das Verhältnis eines Detektorsignals zum Signal des Detektors, der zu demselben Photometerkanal gehört, wie die leuchtende LED.

Gemessen wurde durch eine wassergefüllte Pipettenspitze 4.

Tabelle

Übersprechen am Radialfotometer

Ungleichmäßigkeiten der Pipettenspitze 4 führen dazu, daß die von einem Photo­ meterkanal 1, 2, 3 des optischen Meßsystems gemessene Lichtintensität von der Durchstrahlungsrichtung durch die Pipettenspitze 4 abhängig ist. In Fig. 3 ist diese Abhängigkeit für die drei Photometerkanäle bei einer Latexsuspension dargestellt.

Ebenso wie die drei Photometerkanäle 1, 2, 3 sind die Maxima und Minima der Signale um jeweils 120° gegeneinander versetzt.

Durch Mittelung der Signale über die drei Photometerkanäle 1, 2, 3 in jeder Winkel­ stellung kann die Richtungsabhängigkeit des Meßwertes verringert werden. Dies ist in der Fig. 4 gezeigt.

Nimmt man an, daß ein so durch Mittelung gewonnener Meßwert um maximal 1% schwankt, kann die Extinktion mit einem Maximalfehler von ΔE = 0,009 erhalten werden.

Der Aufbau der optischen Meßsysteme erlaubt auch, die Konzentration der Partikel aus dem Streulicht zu bestimmen. Dazu muß nur das Signal der beiden Detektoren (z. B. 2", 3") ausgewertet werden, die nicht direkt vom Licht der leuchtenden LED (z. B. 1') getroffen werden.

Die Partikelkonzentration ist proportional zum Anteil des in die betreffende Richtung gestreuten Lichts.

Als Streulichtanteil wird hier das Verhältnis des vom Detektor (z. B. 2", 3") gemesse­ nen Streulichtsignals zum Signal des direkt beleuchteten Detektors (z. B. 1") bezeich­ net. Das Signal des direkt beleuchteten Detektors wird dabei mit einer wassergefüllten Pipettenspitze bestimmt.

Es ist nachteilig, dicht gewachsene Kulturen zur Messung zu verdünnen. Um auch solche Kulturen messen zu können, müßte der Extinktionsmeßbereich erheblich größer sein als etwa E = 2. Zur Untersuchung der Meßgrenzen wurden ergänzend Latexsuspensionen mit Konzentrationen bis 0,2% vermessen.

Die Ergebnisse sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.

Beide Diagramme zeigen ein deutliches Sättigungsverhalten, wodurch der meßbare Konzentrationsbereich begrenzt wird.

Ein linearer Zusammenhang der Extinktion bzw. des Streulichtes von der Partikel­ konzentration ist nur in einem kleineren Meßbereich gegeben. Bei kleinen Latexkon­ zentrationen ist das Meßsignal proportional zur Konzentration. In den Fig. 5 und 6 sind die aus den drei Einzelsignalen gemittelten Meßwerte des Extinktion und die aus den sechs Einzelsignalen gemittelten Meßwerte des Streulichtanteils und die sich für kleine Konzentrationen ergebenden Ausgleichsgeraden dargestellt.

Für die Extinktion kann eine Linearität bis zu einer Konzentration von ca. 0,02% festgestellt werden. Der Streulichtanteil ist bis zu ca. 0,1% linear von der Konzentra­ tion abhängig.

Wenn man die lineare Extinktionsabhängigkeit extrapoliert, erhält man bei der Kon­ zentration von 0,1% als Extinktion E = 5,6. Mit dem BioPhotometer® würde linear extrapoliert eine Extinktion von ca. 12 gemessen werden (vgl. Fig. 2). Der lineare Meßbereich des optischen Meßsystems läßt sich also durch eine zusätzliche Streu­ lichtmessung deutlich erweitern, so daß auch dicht gewachsene Kulturen meßbar sind.

Zusammenfassend kann folgendes festgestellt werden:
Es wurden Extinktions- und Streulichtmessungen an Latexsuspensionen in Pipetten­ spitzen durchgeführt. Die Meßapparatur bestand aus einer Anordnung von Photo­ metern 1, 2, 3 mit LED 1', 2', 3' und Detektor 1", 2", 3", die radial um die Pipetten­ spitze 4 angeordnet waren.

Die gemessenen scheinbaren Extinktionen sind korreliert zu den Ergebnissen anderer Photometer.

Das Übersprechen zwischen den Meßkanälen ist vernachlässigbar.

Durch Mittelwertbildung der Signale der drei Photometer konnte die Wirkung von Ungleichmäßigkeiten der Pipettenspitze verringert werden. Die restliche Schwankung der Extinktion beträgt ca. 0,010.

Die radiale Anordnung der Photometer erlaubt zudem die direkte Messung des ge­ streuten Lichts, dessen Intensität proportional zur Konzentration der Streupartikel ist.

Gemäß Fig. 7 und 8 weist das optische Meßsystem eine Tauchsonde 6 auf. Diese hat ein rohrförmiges Sondengehäuse 7 mit einem kreisringförmigen Querschnitt, das innen im wesentlichen hohl ausgeführt sein kann. An der Basis des Sondengehäuses 7 sind die Photometerkanäle 1, 2, 3 mit Lichtquellen 1', 2', 3' und Lichtempfängern 1", 2", 3" angeordnet. Dabei durchschneiden die Photometerkanäle 1, 2, 3 einen inner­ halb des Sondengehäuses 7 ausgebildeten Innenraum 8, der das Meßvolumen umfaßt.

Zumindest im unteren Bereich auf der dem Innenraum 8 zugewandten Seite ist das Sondengehäuse 7 transparent bzw. sind die Lichtquellen 1', 2', 3' und Lichtempfänger 1", 2", 3" in die Wandungen des Sondengehäuses 7 eingesetzt, um die Lichtaus­ breitung innerhalb der Photometerkanäle 1, 2, 3 nicht zu behindern.

Elektrische Leitungen 9', 9" für die Spannungsversorgung bzw. Signalführung der Lichtquellen 1', 2', 3' und Lichtempfänger 1", 2", 3" sind innerhalb des Sondenge­ häuses 7 nach oben geführt und können dort einer elektronischen Versorgungs- bzw. Auswerteeinrichtung zugeführt sein.

Das rohrförmige Sondengehäuse 7 kann zumindest im unteren Bereich von einer komplementär geformten Hülle 10 umgeben sein, die insbesondere im Bereich der Photometerkanäle 1, 2, 3 transparent sein kann. Die Hülle 10 kann auch insgesamt transparent ausgeführt sein. Es ist jedoch auch möglich, sie im übrigen undurchsichtig auszuführen, so daß ihr zugleich die Funktion einer Blende zukommen kann.

Die Hülle 10 kann aus Kunststoff sein. Sie kann ferner als Austauschteil ausgeführt sein. Die Befestigung der Hülle 10 an dem Sondengehäuse 7 kann beispielsweise so erfolgen, daß sie durch eine leichte elastische Klemmung gehalten wird.

Claims (29)

1. Optisches Meßsystem zur Bestimmung der Konzentration insbesondere trüber Flüssigkeitsproben mit
einem Meßvolumen (5, 8) zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeits­ probe,
mehreren Photometerkanälen (1, 2, 3) in einer ungeraden Anzahl, die jeweils eine Lichtquelle (1', 2', 3') und einen Lichtempfänger (1", 2", 3") auf verschiedenen Seiten der Meßvolumens (5) auf einer gemeinsamen optischen Achse aufweisen und deren optische Achsen (18) unter verschiedenen Azimutwinkeln zum Meßvolumen (5, 8) angeordnet sind,
einer Auswerteeinrichtung, welche die Konzentration der zu messenden Flüssigkeitsprobe aufgrund der von mehreren, verschiedenen Photometer­ kanälen (1, 2, 3) angehörenden Lichtempfängern (1", 2", 3") gelieferten Meßwerte ermittelt,
bei dem die Auswerteeinrichtung in einem ersten Auswertemodus Konzentrationen aufgrund von Meßwerten ermittelt, die der jeweilige Lichtempfänger (1", 2", 3") vom Streulicht liefert, das von mindestens einer Lichtquelle (1', 2', 3') stammt, die nicht zu demselben Photometerkanal (1, 2, 3) gehört.

2. Optisches Meßsystem nach Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinrichtung die Konzentration aufgrund einer Mittelung von Meßwerten mehrerer Lichtempfänger (1", 2", 3") ermittelt.

3. Optisches Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Auswerteeinrichtung in einem zweiten Auswertemodus Konzentrationen aufgrund von Meßwerten er­ mittelt, die der jeweilige Lichtempfänger (1", 2", 3") vom Durchgangslicht lie­ fert, das von der Lichtquelle (1', 2', 3') stammt, die zu demselben Photometer­ kanal (1, 2, 3) gehört.

4. Optisches Meßsystem nach Anspruch 1 und 3, bei dem die Auswerteeinrichtung in einem dritten Auswertemodus dieselben Ermittlungen wie im ersten und im zwei­ ten Auswertemodus durchführt und durch Verknüpfung der Ergebnisse der beiden Auswertungen die Konzentrationen ermittelt.

5. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, das eine Umschaltein­ richtung aufweist, die eine Umschaltung zwischen der Ermittlung der Konzentra­ tionen nach einem der verschiedenen Auswertemodi der Auswerteeinrichtung er­ möglicht.

6. Optisches Meßsystem nach Anspruch 5, bei dem die Umschalteinrichtung auto­ matisch dergestalt eine Umschaltung zwischen den verschiedenen Auswertemodi vornimmt, daß sie kleinere Konzentrationen nach dem ersten Auswertemodus, größere Konzentrationen nach dem zweiten Auswertemodus und gegebenenfalls mittlere Konzentrationen nach dem dritten Auswertemodus ermittelt.

7. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das eine Steuereinrich­ tung aufweist, die die Lichtquellen der Photometerkanäle (1, 2, 3) moduliert, des­ sen Auswerteeinrichtung aufgrund der von den Lichtempfängern (1", 2", 3") gemessenen Meßwerte den Einfluß des Umgebungslichtes erfaßt und diesen bei der Ermittlung der Konzentration eliminiert.

8. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Steuerein­ richtung die Lichtquellen (1', 2', 3') der verschiedenen Photometerkanäle (1, 2, 3) nacheinander einschaltet.

9. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem durch eine Be­ tätigung einer Eingabeeinrichtung eine Blankmessung und/oder die Messung einer Flüssigkeitsprobe auslösbar ist.

10. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Photo­ meterkanäle (1, 2, 3) symmetrisch zum Meßvolumen (5, 8) ausgerichtet sind.

11. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das drei Photometerkanäle (1, 2, 3) aufweist.

12. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem um das Meß­ volumen (5, 8) in Folge abwechselnd Lichtquellen (1', 2', 3') und Lichtempfänger (1", 2", 3") angeordnet sind.

13. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Lichtquelle (1', 2', 3') eine LED und/oder der Lichtempfänger (1", 2", 3") eine Silizium- Diode sind.

14. Optisches Meßsystem nach Anspruch 13, bei dem die Lichtquellen (1', 2', 3') und Lichtempfänger (1", 2", 3") bei 600 nm arbeiten.

15. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das Meßvolu­ men (5, 8) einen runden oder vieleckigen Querschnitt aufweist.

16. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Meßvolu­ men (5) in einer austauschbaren Meßzelle (4) angeordnet ist.

17. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das ein das Meßvolu­ men (5, 8) oder die Meßzelle (4) umgebendes, an dessen oder deren Außenkontur angepaßtes Blendenelement mit den Photometerkanälen (1, 2, 3) zugeordneten Durchgangsöffnungen aufweist.

18. Optisches Meßsystem nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die Meßzelle (4) eine Pipettenspitze ist.

19. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, das Bestandteil einer Pipette ist, so daß eine mit der Pipette verbundene Pipettenspitze (4) im Strahlen­ gang der Photometerkanäle (1, 2, 3) angeordnet ist.

20. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, das ein Gerät mit einer Aufnahme im Strahlengang der Photometerkanäle (1, 2, 3) zum Einsetzen und Entnehmen einer Meßzelle (4) ist.

21. Optisches Meßsystem nach Anspruch 20, bei dem in die Aufnahme eine an einer Pipette befestigte Pipettenspitze (4) einsetzbar ist.

22. Optisches Meßsystem nach Anspruch 21, das Einrichtungen zum Halten der Pi­ pette mit der Pipettenspitze (4) aufweist.

23. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das eine Tauchsonde (6) aufweist, die in die zu messende Flüssigkeit eintauchbar ist, so daß eine Flüssigkeitsprobe in ein Meßvolumen (8) eindringt, das sich zwischen den Licht­ quellen (1', 2', 3') und Lichtempfängern (1", 2", 3") der Tauchsonde (6) befin­ det.

24. Optisches Meßsystem nach Anspruch 22, bei dem die Tauchsonde (6) rohrförmig ist.

25. Optisches Meßsystem nach Anspruch 23 oder 24, bei dem ein das Meßvolumen (8) umfassender Innenraum der Tauchsonde (6) oberhalb der Photometerkanäle (1, 2, 3) belüftet ist.

26. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die Tauch­ sonde (6) zumindest teilweise von einer Hülle (10) umgeben ist, die zumindest im Bereich der Photometerkanäle (1, 2, 3) transparent ist.

27. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 26, bei dem die Hülle (10) austauschbar ist.

28. Optisches Meßsystem nach Anspruch 26 oder 27, bei dem die Hülle (10) aus Kunststoff ist.

29. Optisches Meßsystem nach Anspruch 27 oder 28, bei dem die Hülle (10) eine Blende bildet.