DE10018941A1 - Mehrbandenfilteranalysator zur Bestimmung kleinster Konzentrationsänderungen in Mehrkomponenten-Substanzgemischen - Google Patents
Mehrbandenfilteranalysator zur Bestimmung kleinster Konzentrationsänderungen in Mehrkomponenten-SubstanzgemischenInfo
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung kleinster Konzentrationsänderungen in Substanzgemischen, wobei eine oder mehrere Leitkomponenten geringer Konzentration in Gegenwart höher konzentrierter Matrix- oder Hintergrundkomponenten detektiert werden können. Die durch das Substanzgemisch transmittierte oder vom Substanzgemisch remittierte spektrale Leistung wird von mindestens drei spektral breitbandigen und mit binären Filtern versehenen photoempfindlichen Detektoren erfasst, deren Signale zur genauen Bestimmung der Substanzkonzentrationen verwendet werden.
Description
In komplexen Substanzgemischen mit zeitvariablen oder zustandsvariablen
Konzentrationsverhältnissen besteht häufig das Problem, eine oder mehrere Leitkomponenten
geringerer Konzentration in Gegenwart höher konzentrierter Matrix- oder Hintergrund
komponenten zu detektieren. Immer dann, wenn die zu detektierende Änderung einer Leit
komponente gleich oder kleiner der statistischen oder systematischen Fluktuation des Mehr
komponentengemisches oder wesentlicher Hintergrundsignale ist, stoßen spektral hochauf
lösende Verfahren auf Schwierigkeiten, da bei den verfügbaren Detektoren mit Einengung der
spektralen Bandbreite das Verhältnis Störsignal zu Nutzaignal ansteigt. Es soll daher ein
Verfahren gefunden werden, das die bekannten Nachteile spektral hochauflösender Ein- oder
Mehrkanalsysteme bei gleichzeitiger Steigerung der Sensitivität und Beibehaltung der
Selektivität vermeidet.
Es ist bekannt, dass mit Methoden der Fourier-Transform-Spektroskopie, ggf. verbunden
mit so genannten chemometrischen Auswertemethoden, oder bei Anwendung der Mehr
komponenten-Queranalyse auf Vielkanalspektren die Empfindlichkeit des Nachweises
geringer Substanzänderungen und Konzentrationsänderungen in Gegenwart auch eines
höheren Störpegels verglichen mit einem konventionellen Spektral-Absorptionsphotometer
deutlich gesteigert werden kann (siehe zum Beispiel Patent US 5857462). Aber auch diese
Methoden der Multiplex-Spektroskopie versagen in der Regel, wenn durch die Signalgröße
des Störuntergrundes und die damit verbundenen statistischen oder systematischen
Fluktuationen der spektralen Intensität bereits die Dynamik des gegebenen Detektors
aussteuern. Auch andere Lösungsansätze, wie die Verwendung so genannter Girardgitter und
der Hadamard-Transformation, führen in diesen Fällen zu keinen befriedigenden
Lösungsansätzen.
In jüngerer Zeit hat daher die breitbandige Detektion der spektralen Signale besondere
Aufmerksamkeit erlangt (siehe zum Beispiel L. A. Sodickson "Improvements in Multivariate
Analysis via Kromoscopic Measurement" in Molecular Spectroscopy, 12(7), 1997, Seite
13-21). Durch den Verzicht auf die spektrale Einengung bei der Detektion und des daraus
resultierenden höheren Lichtpegels je Detektor verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis.
Es ist bekannt, dass die Nachweisgenauigkeit von Konzentrationsänderungen dabei
entscheidend von den spektralen Filtern und der spektralen Empfindlichkeit der Detektoren
abhängt. Es ist jedoch kein Verfahren bekannt, mit dem optimalen Filterverläufe analytisch
bestimmt werden können. Vielmehr werden Filterverläufe subjektiv ausgewählt oder
parameterisierte Filterverläufe durch aufwendige Optimierungsalgorithmen angepasst. Dabei
werden stets weiche, d. h. allmählich ansteigende und abfallende Filterverläufe gewählt, wie in
Fig. 4 beispielhaft dargestellt.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass immer dann, wenn das spektrale Signal
näherungsweise als eine Linearkombination der Wirkung der Zielkomponente und anderer
Komponenten und Umgebungsparametern dargestellt werden kann, d. h. wenn gilt
wobei P(C1, C2, . . ., CN, T, . . ., λ) die durch das Gemisch transmittierende oder vom
Gemisch remittierende spektrale Leistung, abhängig von den Konzentrationen Cn der N
Substanzen und äusseren Parametern, wie z. B. der Temperatur T, ist, eine Detektion
geringster Substanzunterschiede dadurch möglich wird, dass entsprechend der Anzahl der
wesentlichen Glieder der Linearkombination in dem für die Messung relevanten
Spektralbereich Photodetektoren mit vorgesetzten, breitbandige Filterfunktionen gewählt
werden, welche jeweils in einem oder mehreren, ausgewählten spektralen Unterbereichen eine
Transmission von möglichst eins und in allen anderen spektralen Unterbereichen eine
Transmission von möglichst null aufweisen, wie beispielhaft in Fig. 5 dargestellt. Solche
Filter werden im weiteren als binäre Filter bezeichnet. Die jeweiligen spektralen
Unterbereiche der einzelnen Detektoren werden derart gewählt, dass, unter Berücksichtigung
der spektralen Intensitätsverteilung der Lichtquelle, der intrinsischen spektralen
Empfindlichkeit der Detektoren, sowie der Koeffizienten der Linearkombination, Änderungen
der Konzentrationen aller Komponenten sowie Änderungen der Umgebungsparameter
maximale Änderungen in den Detektorsignalen hervorrufen. Durch die Binarität der Filter
wird eine optimale Ausbeute der Photonen gewährleistet. Durch geeignete mathematische
Transformationen der Detektorsignale, ermittelt aus der Kenntnis des Gesamtsystems oder
durch bekannte multivariate Kalibrierungsmethoden, kann die Konzentration der Zielgröße
quantitativ bestimmt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll z. B. die stoffwechselbedingte Änderung
der Blutglukose in einem lebenden Organismus transkutan bestimmt werden. Hierzu wird je
ein Bandpassfilter bei der temperaturunabhängigen Schwingungsbande des Wasser bei
1380 nm, wie in Fig. 7 dargestellt, sowie je ein Bandpassfilter bei dem bekannten
Absorptionsmaxima der Glukose bei 1400 nm und dem bekannten Absorptionsminimum bei
1900 nm, wie jeweils in Fig. 6 dargestellt, benutzt. Dabei dient das Signal der temperaturun
abhängigen Wasserbande als interner Normierungsstandard und die Signalunterschiede
zwischen den Off-Band- und On-Band-Glukosefiltern zur Erfassung der substanzspezifischen
Variation verglichen mit dem sich dynamisch ändernden Hintergrundsignal. Die spektrale
Breite der Bandpassfilter wird so gewählt, dass das resultierende Intensitätssignal ggf. durch
nachträgliche Graukeilabschwächung im linearen Dynamikbereich des Detektors liegt und
dass das statistische Rauschen durch Wellenlängenfluktuation in der Lichtquelle bzw. das
Quantenrauschen und anderes Interferenzrauschen im Verhältnis zum detektierten Signal
pegel kleiner ist als die zu erwartende differentielle Messgröße. Da in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel die Konzentration der Blutglukose durch den Pulsschlag zeitvariabel
moduliert ist, wohingegen die Konzentration der Glukose in der Interstitialflüssigkeit und
innerhalb der Zellen eine vergleichsweise stabile Untergrundgröße darstellt. Konkret heißt
dies, dass der Anteil der Blutglukose entweder über ein Stop-Flow-Verfahren, d. h. Stoppen
des Blutflusses durch Kompression und anschließender Dekompression und Messen des
anschwellenden Wertes, oder durch Lock-in-Technik bei den niederen Frequenzen des
Pulsschlages bzw. durch Kreuzkorrelationstechniken erfasst wird. Erfindungsgemäß wird in
dem in Betracht kommenden Spektralbereich zwischen 600 nm und 2,5 µm ein thermischer
Strahler als Lichtquelle benutzt, jedoch wären auch hinreichend breitbandige oder die Kombi
nation mehrerer einzelner breitbandig emittierender Laserstrahlungsquellen erfindungsgemäß.
Die Zuführung der Strahlung an der Untersuchungsort erfolgt durch eine geeignete Optik.
Erfindungsgemäß ist jedoch auch eine Zuführung durch Glasfaserkabel, wie in Fig. 3
dargestellt.
Die Detektion der transmittierten oder remittierten Strahlung erfolgt durch eine geeignete
Optik, wie z. B. einer Sammellinse. Nachfolgend wird die Strahlung durch einen oder mehrere
Strahlteiler aufgeteilt und den einzelnen photoempfindlichen Detektoren zugeführt, wie in den
Fig. 1 und 2 dargestellt. Erfindungsgemäß ist jedoch auch eine Aufnahme der transmittierten
oder remittierten Strahlung durch ein Glasfaserbündel, wobei jeweils einzelne oder mehrere
Fasern des Bündels einem mit der Detektoren zugeführt wird, so dass der Einsatz eines
Strahlteilers entfällt, wie in Fig. 3 dargestellt. In bevorzugter Ausführung wird bei
Remissionsmessungen ein einziges Faserbündel sowohl zur Beleuchtung, als auch zur
Detektion benutzt, derart, dass ein oder mehrere Fasern des Bündels die Strahlung von der
Lichtquelle zum Untersuchungsort führt und die restlichen Fasern des Bündels die remittierte
Strahlung zu den einzelnen Detektoren führt.
In Weiterführung des Erfindungsgedanken haben experimentelle Untersuchungen gezeigt,
dass sich für die transkutane Bestimmung von Blutglukose unter der Berücksichtigung von
Temperaturabhängigkeiten und Streuung eine Anzahl von fünf bis acht Detektoren mit
jeweils drei bis vier verschiedenen, transmittierenden Spektralteilbereichen optimal sind. In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sieben Detektoren verwendet. Die
Filterverläufe der einzelnen Detektoren sind wiederum binär mit transmittierenden Spektral
teilbereichen, wie sie aus Fig. 8 zu entnehmen sind. In Fig. 8 markieren horizontale Linien für
jeden der sieben Filter die Spektralteilbereiche, bei denen die Transmission der jeweiligen
Filter im wesentlichen eins ist. In allen anderen Spektralteilbereichen ist die Transmission der
jeweiligen Filter im wesentlichen null. Die dargestellten Filterverläufe bewirken, dass
Änderungen der Glukosekonzentration maximale Änderungen in den Detektorsignalen
hervorrufen.
Fig. 1 zeigt den schematischen Messaufbau für Transmissionsmessungen. Die Strahlung
der Lichtquelle 1 transmittiert durch das Substanzgemisch 2. Das Spektrum der
transmittierten Strahlung hängt von den Konzentrationen der Substanzen und den
Umgebungsparametern ab. Die transmittierte Strahlung wird durch eine Strahlteilereinheit 3
in N Teilstrahlen aufgeteilt, die mit unterschiedlichen, breitbandigen, binären Filtern 4
versehenen photoempfindlichen Detektoren 5 zugeführt werden. Durch die Verwendung
binärer Filter wird die Photonenausbeute maximiert, wodurch ein bestmögliches Signal-
Rausch-Verhältnis erreicht wird. Die spektrale Bandbreite der Durchlassbereiche der
jeweiligen Filter wird so gewählt, dass Änderungen der Substanzkonzentrationen maximale
Änderungen in den Detektorsignale bewirken.
In streuenden Medien sind auch Remissionsmessungen entsprechend Fig. 2 erfindungs
gemäß. Die Strahlung einer breitbandigen Lichtquelle 1 dringt in das Substanzgemisch 2 ein
und wird dort gestreut. Ein Teil des Streulichtes verläßt das Substanzgemisch, wird durch eine
Strahlteilereinheit 3 in N Teilstrahlen aufgeteilt und N mit Filtern 4 versehenen Detektoren 5
zugeführt.
In einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung wird, wie in Fig. 3 dargestellt, die
Strahlung mit Hilfe einer oder mehrerer Glasfasern 6 an den Untersuchungsort 2 geführt und
die Streustrahlung mit mehreren Glasfasern 7 vom Untersuchungsort zu den Detektoren
geleitet. In dieser Anordnung entfällt der Strahlteiler.
Fig. 4 zeigt beispielhaft breitbandige, nicht-binäre Filterfunktionen, wie sie zur Zeit für die
breitbandige Spektroskopie eingesetzt werden. Durch Filtertransmissionen kleiner 1 in
relevanten Spektralbereichen wird die Photonenausbeute reduziert. Durch Filtertransmissionen
größer 0 in irrelevanten Spektralbereichen wird das Signal-Rauschverhältnis reduziert. Beides
führt zu einer suboptimalen Nachweisgenauigkeit geringer Substanzkonzentrationen.
Fig. 5 zeigt beispielhaft breitbandige Filterfunktion in erfindungsgemäßer Ausführung, die
sich dadurch auszeichnet, dass jeder Filter in einem oder mehreren spektralen Teilbereichen
eine Transmission nahe eins aufweist in allen anderen spektralen Teilbereichen die
Transmission nahe null.
Fig. 6 zeigt die typischen Absorptionsmaxima und -minima von Glukose relativ zu
Wasser. Für die Detektion von Blutglukose werden die Durchlassbereiche mindestens eines
Filters im Bereich der Absorptionsmaxima und die Durchlassbereiche mindestens eines
weiteren Filters im Bereich des Absorptionsminimums gewählt, wodurch die Änderungen in
der Glukosekonzentration maximale Änderungen in den Detektorsignalen und somit eine
maximale Nachweisgenauigkeit bewirken.
Fig. 7 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Transmission von Wasser in dem Wellen
längenbereich von 1,2 µm bis 2,5 µm. Es ist bekannt, das die Absorption von Wasser eine
temperaturabhängige spektrale Verschiebung aufweist. Diese spektrale Verschiebung führt zu
unerwünschten Änderungen in den Detektorsignalen. Im Wellenlängenbereich um 1,38 µm ist
die temperaturabhängige Verschiebung minimal. Für die Bestimmung von Substanzkonzen
trationen in wässriger Umgebung wird daher der Durchlassbereich mindestens eines
Detektors in diesem Wellenlängenbereich gewählt, so dass das Signal dieses Detektors als
temperaturunabhängiges Referenzsignal vorliegt.
Fig. 8 zeigt die sieben binären Filterverläufe für die transkutane Bestimmung von Blut
glukosekonzentrationen. Die spektrale Transmission jedes Filters ist durch jeweils eine
horizontale Linie dargestellt. In den von der Linie überstrichenen Spektralteilbereichen weist
der jeweilige Filter eine Transmission von im wesentlichen eins auf, in allen anderen
Spektralteilbereichen eine Transmission von im wesentlichen null. Die dargestellten
Filterverläufe maximieren die durch die Blutglukosekonzentrationsänderungen hervorge
rufenen Änderungen der Detektorsignale.
Claims (11)
1. Mehrfachfilterphotometer zur Bestimmung von kleinen Konzentrationsänderungen in
einem Mehrkomponenten-Substanzgemisch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die transmittierte oder remittierte Strahlung mit mindestens drei breitbandigen Detektoren
aufgenommen wird, die mit unterschiedlichen spektral binären, also im wesentlichen nur
Transmissionen von nahe 0 und nahe 1 aufweisenden Filtern versehen sind.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der verwendeten Detektoren mindestens der Anzahl relevanter veränderlicher
Parameter des Systems entspricht.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die benutzten breitbandigen Filter so ausgewählt sind, dass mindestens eines der Filter auf
einer bekannten Absorptionsbande der Zielsubstanz liegt, mindestens ein weiteres Filter
außerhalb dieser Absorptionsbande, aber in unmittelbarer Nähe, und mindestens ein
weiteres Filter bei einem größeren Spektralabstand, vorzugsweise einer
dynamikinvarianten Absorptionsstelle liegt.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die transmittierenden Spektralteilbereiche der Filter so gewählt werden, dass die durch
Änderungen der Substanzkonzentrationen und Umgebungsparameter verursachten
Änderungen in den Detektorsignalen maximiert werden.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Lichtquelle ein thermischer Strahler verwendet wird.
6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle mit Hilfe einer oder mehreren Glasfasern an den Untersuchungsort geführt
wird.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die remittierte oder transmittierte Strahlung mit Hilfe eines Glasfaserbündels vom
Untersuchungsort zu den einzelnen Detektoren geführt wird.
8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die spektralen Bandpassfilter im Spektralbereich zwischen 0,6 und 2,5 µm liegen.
9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bestimmung von Substanzenkonzentrationen in wässriger Umgebung mindestens
eines der Bandpassfilter bei 1,38 µm als interner Referenzfilter liegt.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Bestimmung von Blutglukosekonzentrationen fünf bis acht Detektoren mit binären
Spektralfiltern und jeweils drei bis vier transmittierenden Spektralteilbereichen verwendet
werden.
11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Bestimmung von Blutglukosekonzentrationen sieben Detektoren mit den in Fig. 8
dargestellten binären Filterverläufen verwendet werden.
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---|---|---|---|
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