DE10020615A1 - Verfahren zur langzeitstabilen und gut reproduzierbaren spektrometrischen Messung der Konzentrationen der Bestandteile wässriger Lösungen sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur langzeitstabilen und gut reproduzierbaren spektrometrischen Messung der Konzentrationen der Bestandteile wässriger Lösungen sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Abstract
Verfahren zur langzeitstabilen und gut reproduzierbaren Messung der Konzentrationen der Bestandteile wässriger Lösungen, insbesondere von Dialysaten interstitieller Gewebeflüssigkeiten - insbesondere der Glukosekonzentration -, bei dem ein Meßstrahl durch einen Strahlteiler (2) in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, ein Teilstrahl durch eine Meßküvette (3), die beispielsweise durch ein Diaphragma von der zu messenden Lösung getrennt, oder die an ein Pumpensystem mit Austauschstrecke, die durch ein Diaphragma von der zu vermessenden Lösung getrennt ist, angeschlossen ist, und der andere Teilstrahl durch eine Referenzküvette (4), die mit einer Referenzlösung gefüllt ist, geleitet wird, die Lichtintensität beider Teilstrahlen gemessen und die Meßsignale, gegebenenfalls nach geeigneter Verstärkung, einer symetrischen Signalverarbeitung zugeführt werden, sowie insbesondere miniaturisierbare Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ein
bevorzugter Einsatzbereich ist die Messung der Glukosekonzentration in der interstiellen
Körperflüssigkeit unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in miniaturisierter
Bauweise.
Normalerweise enthalten 100 mL menschliches Blut etwa zwischen 70 und 110 mg Glukose
(Traubenzucker). Bei der Volkskrankheit Diabetes mellitus (der "Zuckerkrankheit"), an der
allein in den Industrieländern ca. 3% der erwachsenen Bevölkerung leiden, ist der mittlere
Glukosegehalt im Blut der Erkrankten meist deutlich erhöht, weil diese Patienten an einem -
absoluten oder relativen - Mangel des Hormons Insulin leiden. Insulin senkt den Gehalt der
Glukose im Blut, indem es u. a. ihre Aufnahme in die Körperzellen fördert. Kann der aktuelle
Blutglukosegehalt des Diabetikers kontinuierlich und augenblicklich ermittelt werden,
ermöglicht dies, ihm zu jeder Zeit die genau erforderliche fehlende Insulinmenge zuzuführen
und somit seinen Glukose-Stoffwechsel zu normalisieren. Damit werden Belastungen und
Spätschäden des Organismus durch unerwünschte Wirkungen, welche aufgrund instabiler
Glukosespiegel auftreten, weitgehend ausgeschlossen, was - neben einer allgemeinen
Verbesserung der Lebensqualität des Patienten - insbesondere auch zu einer höheren
Lebenserwartung führt. Ein implantierbarer Glukosesensor ist eine Möglichkeit, die
Glukosekonzentration im Körper kontinuierlich zu detektieren. Diese bislang noch fehlende
Komponente, gekoppelt mit einer bekannten Insulinpumpe, trüge entscheidend zur Reali
sierung einer sogenannten "künstlichen Bauchspeicheldrüse", d. h. einer technischen
Vorrichtung zur vollautomatischen Versorgung der Patienten mit dem Hormon Insulin bei.
Eine solche künstliche Bauchspeicheldrüse könnte vielen zuckerkranken Menschen ein
Leben ohne Insulinspritzen ermöglichen.
Forscher- und Entwicklergruppen sind weltweit bemüht, einen implantierbaren Glu
kosesensor für die Erfassung der Glukosekonzentration zur Marktreife zu entwickeln. Dabei
finden unterschiedliche Meßprinzipien Anwendung. Bisher sind ganz überwiegend
elektrochemische Glukose-Sensoren konzipiert, ausprobiert und entwickelt worden. Die
Anwendung solcher, auf der Verwendung geeigneter Enzyme basierender, elektro
chemischer Sensoren im Körper erfährt enorme Schwierigkeiten. Insbesondere ist dies die
"Vergiftung" der verwendeten Enzyme (z. B. der Glukose-Oxidase) durch körpereigene
Stoffe, mit einer nachfolgenden Langzeit-Instabilität. Um diesen Nachteil zu vermeiden,
bezieht sich die hier dargelegte Erfindung ausschließlich auf ein rein physikalisches
Meßprinzip, die Spektrometrie:
Breitet sich ein Lichtstrahl in einem absorbierenden Medium aus, nimmt die Lichtintensität I
längs des Weges s (im Rahmen der linearen Optik) exponentiell ab. Eine Küvette der
Schichtdicke d, die mit der Lösung einer absorbierenden Substanz der Konzentration c
gefüllt sei, werde von einem Lichtstrahl durchdrungen. Das Verhältnis der Intensität des die
Küvette verlassenden Lichtstrahles mit lichtabsorbierender Substanz in der Küvette (I(d))
dem entsprechenden Wert ohne diese (I0) ist die Transmission T, sie kann gemäß des
LAMBERT-BEERschen Gesetzes berechnet werden.
T = I(d)/I0 = e-d.c. ε
Der Proportionalitätsfaktor ε ist der stoffspezifische Absorptionskoeffizient.
Um eine Auflösung von z. B. 3 mg/dL der Konzentration einer wässrigen Glukoselösung in
einem Wellenlängenbereich um 1,6 µm der Meßstrahlung (dies ist Infrarot-Strahlung des
NIR-Bereiches, NIR: Nahes Infrarot) über einer Meßstrecke von d = 5 mm erreichen zu
können, muß man Transmissionsänderungen von ca. 7 . 10-4 [T] erfassen können.
Die genannte Genauigkeit der Detektion entspricht, bei einem mittleren Glukosegehalt im
Blut um 100 mg/dL, einem relativen Fehler von etwa 3%. Eine größere Ungenauigkeit sollte,
wenn dies technisch realisierbar ist, nicht geduldet werden.
Einige Verfahren und Vorrichtungen zur ex vivo-Messung der Blutglukosespiegel im men
schlichen Körper, die das genannte physikalische Prinzip als Meßmethode verwenden, sind
aus den Patentschriften WO 9510038, EP 0884970, US 5710630, US 5222496, US 5372135,
US 5638816, US 5743262 und US 5772587 bekannt. Aber bei all diesen Verfahren
wird der "Meßstrahl" von außen in oder durch Gewebe gestrahlt und die Änderung der
Absorption oder die Änderung der Intensität der gestreuten (reflektierten) Strahlung als Maß
für die Glukosekonzentration verwendet. D. h., keine dieser Erfindungen beschäftigt sich mit
der Entwicklung eines implantierbaren Glukosesensors und allen derartigen Messungen
stehen, wegen der mannigfaltigen Strukturen des Gewebes, grundsätzliche Schwierigkeiten,
wie z. B. ausreichende Spezifität, entgegen.
In den Patentschriften EP 0589191, EP 0561872 und US 5243983 ist beispielsweise
offenbart, die Glukosekonzentration spektrometrisch im Augenwasser zu bestimmen. Da sich
die Konzentration im Augenwasser aber nur sehr langsam auf den aktuellen Blutglukosewert
einstellt, erscheint dieses Verfahren für eine hinreichend verzögerungsfreie Bestimmung der
Blutglukosespiegel äußerst ungeeignet.
Aus der Patentschrift WO 9852469 sind ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur
quantitativen Bestimmung der Glukose bekannt. Danach enthält vom Trommelfell aus
gestrahlte IR-Wärme-Strahlung eine spektrale Information der Zusammensetzung des
Gewebes und somit auch der Glukosekonzentration. Wegen der enormen Komplexität und
Anzahl der im Körper vorkommenden Stoffe und Strukturen dürfte aber auch dieses Ver
fahren als nicht geeignet für eine Entwicklung zur Marktreife ausscheiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hochempfindliches, einfach und
reproduzierbar messendes Spektrometrie-Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur
quantitativen Bestimmung insbesondere der Glukose in interstiellen Körperflüssigkeiten -
und zwar im Rahmen eines implantierbaren Detektors - bereitzustellen. Verfahren und
Vorrichtung sind jedoch auch für anderweitige Einsätze, etwa zur Überwachung und
Steuerung chemischer Verfahren, einsetzbar.
Falls - wie im Falle der Glukose im Organismus - ein sehr niedriger Gehalt der absor
bierenden Substanz vorgegeben ist, kann nur ein hochempfindliches Spektrometer mit einer
hohen opto-elektronischen Güte der Meßsignal-Aufnahme und -Verstärkung eine hin
reichende Genauigkeit der Messung des Gehaltes ermöglichen. Die gewählte Vorrichtung
sollte also möglichst einfach aufgebaut sein, d. h. ohne bewegliche Teile und insbesondere
miniaturisierbar sein. Die Vorrichtung muß außerdem die Potenz einer großen und
rauscharmen opto-elektronische Verstärkung enthalten, um die geforderte Empfindlichkeit
und Genauigkeit zu erreichen. Darüber hinaus sollte die Messung weitgehend unabhängig
von der Temperatur der zu untersuchenden Substanz sein, da diese Einflüsse direkt im
Meßsignal wiederzufinden sind.
Keines der oben genannten Patente ist bislang Basis für eine bekannte marktreife
technische Entwicklung geworden. Die in den Patenten beschriebenen Verfahren und
Vorrichtungen scheinen die genannten Anforderungen - auch für eine ex vivo-Messung -
nicht erfüllen zu können.
Die erfindungsgemäße Lehre hat zum Gegenstand, prinzipiell oder in Teilen bekannte
Meßanordnungen in nicht offensichtlich geeigneter Art und Weise zu kombinieren und
hinsichtlich der Meßgenauigkeit wesentlich zu verbessern, wobei die genannten Probleme in
technisch wirksamer und einfacher Weise gelöst und die genannten Anforderungen an einen
Detektor für Glukose zur Messung in Körperflüssigkeiten erfüllt werden sollen. Die gestellte
Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Zur Messung der Glukosegehalte in
Körperflüssigkeiten wird einer Meßkammer mit Hilfe der Mikrodialyse kontinuierlich ein
jeweils frisch ins Stoffgleichgewicht gebrachtes Dialysat der Gewebeflüssigkeit zugeführt.
Dies kann in der Weise erfolgen daß man beispielsweise mindestens eine Wand der
Meßküvette ein Diaphragma ist oder die zu messende Flüssigkeit über ein Pumpensystem
mit Austauschstrecke, die durch ein Diaphragma von der zu messenden Lösung getrennt ist,
der Meßküvette zugeführt wird. Ein so erhaltenes eiweißfreies Dialysat der
Gewebsflüssigkeit verringert die Querempfindlichkeiten, da sämtliche Moleküle, die größer
als die Trenngrenze der Dialysemembran sind und sich störend auswirken können, von der
Membrane zurückgehalten werden. Unabhängigkeit von der Temperatur erreicht man
beispielsweise durch einen "symmetrischen" Aufbau mit einer Meß- und einer Referenz
strecke, weil sich dann temperaturabhängige Änderungen gegenseitig kompensieren.
Die Ausgestaltung des erfindungsgemäße Meßverfahrens umfaßt die folgenden
Charakteristika: Die von Strahlungsquellen ausgehenden, modulierten, quasi mono
chromatischen elektromagnetischen Strahlen werden durch einen geeigneten Strahlteiler in
zwei Teilstrahlen geteilt und deren Intensitäten von in einem gewissen Wellenlängenband
weitgehend wellenlängenunabhängigen Detektoren (z. B. Fotodioden) detektiert. Deren
Ausgangssignale (Fotoströme) werden in Spannungen transformiert und diese anschließend
elektronisch mit einander zu einem hochstabilen Differenz- oder Quotientensignal
verrechnet. Durch eine solche Differenz- oder Quotientenbildung werden
Intensitätsschwankungen der Quellenstrahlung(en) eliminiert. Vor allem aber sind die
Differenz- oder Quotientensignale ebenfalls moduliert, dadurch wird der zusätzliche Einsatz
der bekannten "Lock-In"-Verstärkertechnik möglich. Damit ist eine weitere Steigerung der
Empfindlichkeit um einen Faktor von bis zu 103 gegenüber "herkömmlichen" elektronischen
Verstärkermechanismen möglich.
Das Kernstück des erfindungsgemäßen spektrometrischen Meßverfahrens und der dafür
eingesetzten Vorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Die wesentlichen Elemente sind ein Strahl
teiler (2), der den von einer Strahlungsquelle oder Strahlungsquellen (1) erzeugten Strahl in
zwei Strahlen (Meß- und Referenzstrahl) teilt, eine Probenküvette (3) und eine
Referenzküvette (4) jeweils in Strahlrichtung hinter dem Strahlteiler, sowie zwei Detektoren
(5 und 6), die jeweils einen Teilstrahl hinter einer Küvette erfassen und dessen Intensität in
elektrische Signale wandeln. Diese werden dann nachfolgend in einer Signalverarbeitung
bedarfsgerecht aufbereitet.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Meßanordnung. Die zeitabhängige
Intensität (I(t)) der (praktisch) monochromatischen Quellenstrahlung der Strahlungsquelle (1,
z. B. eine Laserdiode) wird sinusförmig moduliert:
I(t) = I0 . sin(ω . t) + IK
Im Innern der Referenzküvette (4) befindet sich zu jeder Zeit unveränderlich Meßgut mit
Analyten in einer Konzentration, die ähnlich oder gleich der zu messenden Konzentrationen,
in der Probenküvette sind. Erfindungsgemäß wird das Intensitäts-Teilungsverhältnis des
Strahlteilers (2) so gewählt, daß die beiden auf die Detektoren (5 und 6) treffenden
Intensitäten IM(t) und IR(t), während sich kein zu detektierender Stoff (Analyt) im Meßgut der
Probenküvette (3) befindet, den gleichen Wert besitzen, dies ist der sogenannte
abgeglichene Zustand. Die beiden nachfolgenden Strom-Spannungs-Wandler (7 und 8)
transformieren die durch die Detektoren erzeugten Fotoströme in Spannungen (UM(t) und
UR(t)) und trennen gleichzeitig den Gleichspannungsanteil ab. Als eines der wesentlichen
Merkmale dieser Vorrichtung sind die beiden folgenden Multiplizierer (9 und 10) mit den
Verstärkungen n und -n anzusehen. Einer der beiden Multiplizierer invertiert das Signal, der
zweite dient zur analogen Kompensation eventuell im ersten Signal-Invertierer auftretender
Signallaufzeiten - wobei es gleichgültig ist, welcher der beiden die Verstärkung n bzw. -n
besitzt. Die beiden Ausgangsspannungen der Multiplizierer werden als Versorgungsspan
nungen einer WHEATSTONEschen Meßbrücke oder als Versorgungsspannungen einer
Spannungsteiler-Meßschaltung verwendet - dies ist ein weiteres wichtiges Merkmal der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Während im abgeglichenen Zustand die Brückenspannung
(UBr), die zwischen den beiden Widerständen (11 und 12) und dem Null-Potential der
elektronischen Schaltung abgegriffen wird, null beträgt, stellt sich während jeder Analyse (im
Inneren der Probeküvette befindet sich Analyt) eine von Null unterschiedliche
Brückenspannung (UBr) ein.
Die Brückenspannung beträgt während der Analyse
UBr = A . UM(t) + UR(t)
= A . n . U0 . sin(ω . t) - n . U0 . sin(ω . t)
= (A - 1) . n . U0 . sin(ω . t)
A ist das Verhältnis zwischen den Werten von UM(t) während der Analyse (bei der jeweiligen
Konzentration des Analyten) und dem abgeglichenen Zustand.
Die Brückenspannung kann durch Änderung der Quellenintensität der Strahlungsquelle
verändert werden; dabei ist sie (ihr Betrag) unabhängig von der Position der Proben- bzw.
Referenzküvette, beide sind gegeneinander austauschbar. Die durch den Analyten
hervorgerufene Brückenspannung wird durch einen "Lock-In"-Verstärker (13) erfaßt, dessen
Ausgangssignal (eine Gleichspannung UGI) an eine Meßwertverarbeitungseinheit (14), die im
einfachsten Fall aus einem visuellen Anzeigegerät besteht, weitergegeben wird. Für das
Ausgangssignal des "Lock-In"-Verstärkers gilt:
UGI = (2/π) . (A - 1) . n . v . U0
v ist die Signal-Verstärkung des "Lock-In"-Verstärkers. Die Empfindlichkeit des Endsignals
der gesamten Meßanordnung ist die erste Ableitung dieser Funktion nach der von der Kon
zentration des Analyten abhängigen Größe A.
dUGI/dA = (2/π) . n . v . U0
Die Empfindlichkeit kann zum einen durch Erhöhung der Quellenintensität, zum anderen
durch Variation der Verstärkungsfaktoren n und v eingestellt werden. Dabei ist sie nur durch
das Signal-Rausch-Verhältnis der Signalverarbeitung begrenzt und insbesondere unab
hängig von Intensitätsänderungen, die durch Absorption hervorgerufen werden.
Der erzielte Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung liegt im einfachen und sym
metrischen Aufbau, der sowohl Intensitätsschwankungen der Quellenstrahlung, als auch
Absorptionsänderungen durch Temperaturänderungen des Meßguts (weitgehend) eliminiert.
Darüber hinaus ermöglicht sie den Einsatz der "Lock-In"-Verstärkertechnik, deren allgemein
bekannte Vorteile genutzt werden können, d. h. das Erfassen sehr kleiner Signaländerungen
mit gleichzeitiger Elimination äußerer (elektischer oder optischer) Störgrößen, die auf die
Meß- und/oder Referenzstrecke einwirken.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte erweiterte erfindungsgemäße Ausgestaltung der Meßanord
nung als ein Zwei-Wellenlängen-Spektrometer. Dabei besitzen die beiden quasi monochro
matischen Quellenstrahlungen der Strahlungsquellen (1a und 1b, z. B. Laserdioden) unter
schiedliche Wellenlängen. Die zeitlichen Verläufe der Intensitäten der Quellenstrahlungen
sind sinusförmig moduliert und besitzen eine unveränderliche zeitliche Phasenverschiebung
von 180° (= π) zueinander. All dies sind wesentliche Merkmale dieser Meßanordnung. Die
beiden Ausgangsintensitäten haben dann folgenden zeitlichen Verlauf:
I1(t) = I0,1 . sin(ω . t) + IK,1
I2(t) = I0,2 . sin(ω . t ± π) + IK,2 = -I0,2 . sin(ω.t) + IK,2
Die beiden Strahlen werden zu einem Strahl mit der Gesamtintensität I vereinigt, z. B. indem
die Einzelstrahlen in die beiden Eingänge eines "Y"-Lichtleiterkabels (1c) mit statistischer
Verteilung der Lichtleiter-Fasern eingekoppelt werden. Die vereinigten Strahlen verlassen
dann den gemeinsamen Ausgang des Lichtleiters, die Intensitäten addieren sich auf. Sind
die beiden Amplituden der Intensitätssummanden (I0,1 und I0,2) gleich, ist die Lichtintensität
(I(t)) am Ausgang des Lichtleiters konstant.
Im Inneren der verschlossenen Referenzküvette (4) liegt der zu detektierende Stoff kon
tinuierlich und unveränderlich in einer Konzentration vor, die der zu erwartenden Konzen
tration im Meßgut ähnlich ist. Das Teilungsverhältnis (IM/IR) der Strahlungsintensitäten am
Strahlteiler (2) ist so gewählt, daß im abgeglichenen Zustand, d. h. mit Meßgut ohne den zu
detektierenden Stoff im Inneren der Probenküvette (3) (also bei unterschiedlichen Gehalten
des Analyten in der Referenz- und der Meßküvette) trotzdem jeweils die gleiche Intensität
auf die Detektoren (5 und 6) trifft. Die Intensitäten werden von den Detektoren erfaßt, deren
Fotoströme durch zwei Strom-Spannungs-Wandler (7 und 8) in Spannungen transformiert
und gleichzeitig die Gleichspannungsanteile abgetrennt werden. Die anschließenden
Multiplizierer (9 und 10) mit den Verstärkungen n und -n verstärken diese Spannungen, so
daß an den Ausgängen der Multiplizierer die Spannungen UM(t) und UR(t) anliegen. Die
beiden Ausgangsspannungen (UM(t) und UR(t)) werden als Brückenversorgungsspannungen
einer WHEATSTONEschen Meßbrücke oder als Versorgungsspannungen einer Meß
spannungsteiler-Schaltung verwendet. Während im abgeglichenen Zustand die Brücken
spannung (UBr) zwischen den beiden Widerständen (11 und 12) und dem Null-Potential der
Schaltung null beträgt, stellt sich während der Analyse (d. h. in der Meßküvette befindet sich
der Analyt in einer gewissen Konzentration) eine von null unterschiedliche Brückenspannung
ein. Während der Analyse kommt es in der Meßstrecke zu Intensitätsänderungen, die durch
den zu detektierenden Stoff hervorgerufen werden, in der Referenzstrecke bleibt dagegen
die Intensität (IR(t)) die auf den Detektor trifft konstant.
Die Brückenspannung während der Analyse ergibt sich gemäß:
UBr = UM(t) + UR(t)
= n (A . U0 . sin(ω . t) - B . U0 sin(ω . t)) - n . (U0 . sin(ω . t) - U0 . sin(ω . t))
= (A - B) . n . U0 . sin(ω . t)
A und B sind die Umrechenfaktoren für die beiden Wellenlängen zwischen den Werten von
UM(t) bei der Analyse (bei den jeweiligen Konzentrationen des Analyten) und UM(t) im
abgeglichenen Zustand.
B ist proportional zu A, substituiert man B durch x . A (B = x . A) ergibt sich:
UBr = A . (1 - x) . U0 . sin(ω . t)
Der Aufbau ist symmetrisch, Probenküvette (3) und Referenzküvette (4) und damit Meß- und
Referenzstrecke des Detektors sind austauschbar. Die durch den Analyten hervorgerufene
Brückenspannung wird durch einen "Lock-In"-Verstärker (13) erfaßt und dessen Ausgangs
signal UGI an eine Meßwertverarbeitungseinheit (14) weitergegeben.
Es gilt:
UGI = (2/π) . A . (1 - x) . n . v . U0
UGI = (2/π) . A . (1 - x) . n . v . U0
v ist die Signal-Verstärkung des "Lock-In"-Verstärkers. Die Empfindlichkeit des Ausgangs
signals der gesamten Meßanordung ist die erste Ableitung dieser Funktion nach der von der
Konzentration der Analyten abhängigen Größe A:
dUGI/dA = (2/π) . (1 - x) . n . v . U0
Sie ist zum einen von der Quellenintensität der Strahlungsquelle, zum anderen von den Ver
stärkungsfaktoren n und v abhängig und somit veränderbar. Darüber hinaus ist sie vom
Faktor x, d. h. vom Absorptionsunterschied zwischen beiden Wellenlängen, abhängig.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Meßanordnung. Anstelle der
Multiplizierer (9 und 10) und der nachfolgenden Meßbrücke oder Spannungs-Teilungsschal
tung (11 und 12) in der Meßanordnung gemäß Fig. 3 kann auch ein elektronischer Verhält
nisbildner (15) eingesetzt werden. Die Ausgangsspannungen der beiden Strom-Spannungs-
Wandler (7 und 8) dienen dabei als Eingangssignale des Verhältnisbildners. Die Gleich
spannungsanteile werden nicht abgetrennt.
Für die Ausgangsspannung des Verhältnisbildners (U(t)) ergibt sich somit:
U(t) = UM(t)/UR(t)
= [U0 . sin(ω . t) . A . (1 - x) + UK . A . (1 + x)]/[2 . UK]
Im Anschluß an den Verhältnisbildner folgt ein "Lock-In"-Verstärker (13) dessen Ausgangs
signal UGI zur Weiterverarbeitung an eine Meßwertverarbeitungseinheit (14) weitergeführt
wird. Mit UK < U0 < 0 gilt:
UGI = (1/π) . A . (1 - x) . v . U0/UK
v ist die Signal-Verstärkung des "Lock-In"-Verstärkers. Die Empfindlichkeit des Ausgangssig
nals der gesamten Meßanordnung ist die erste Ableitung dieser Funktion nach der von der
Konzentration des Analyten abhängigen Größe A:
dUGI/dA = (1/π) . (1 - x) . v . U0/UK
Sie ist, wie in der Anordnung zuvor, zum einen von der Quellenintensität und dem Ver
stärkungsfaktor v, zum anderen vom Faktor x (Absorptionsunterschied der beiden
Wellenlängen) abhängig und somit ebenfalls veränderbar.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen eine Erweiterung der anhand der Fig. 3 und 4 beschriebenen
Meßanordnungen. Anstelle der zwei quasi monochromatischen Strahlungsquellen kann eine
größere Anzahl an Strahlungsquellen eingesetzt werden. Die Intensitäten der einzelnen
Strahlungsquellen können beispielsweise durch vielarmige Lichtleiter (Fig. 5) oder durch
dielektrische Strahlteiler (Fig. 6) zur Überlagerung gebracht werden. Dabei beträgt die
zeitliche Phasenverschiebung der einzelnen Quellenintensitäten für drei Quellen 2 . π/3
(120°), für vier Quellen π/2 (90°) und allgemein für k Strahlungsquellen entsprechend (2 . π/
k, k ∈ N). Die Übertragung der in Fig. 3 und 4 dargestellten Lösungsform auf Gestaltung
unter Einsatz mehrerer Quellen liegt im Wissensbereich des Fachmanns.
Der Vorteil, der durch den Einsatz von mehreren Quellen (simultane Messung bei mehreren
Wellenlängen) erzielt wird, ist zum einen eine deutliche Erhöhung der Spezifität, zum
anderen wird bei geeigneter Wahl der einzelnen Wellenlängen (Zu- und Abnahme der
Transmission) die Signaländerung (durch die Differenzbildung) vergrößert.
Weitere Vorteile liegen im sowohl kompakten als auch zugleich symmetrischen Aufbau: es
werden einerseits nur zwei fotoempfindliche Elemente für die Detektion von k Quellen und
für die Elimination der Schwankungen der Quellenintensitäten benötigt, andererseits werden
Absorptionsänderungen durch Temperaturschwankungen eliminiert.
Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
Fig. 7 dargestellt. Diese zeigt das Schema einer Anordnung von Komponenten gemäß der
in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung. Die Strahlungsquellen (1a) waren eine Laserdiode ("FNLD
1450", LASER GRAPHICS, Kleinostheim) mit einer Wellenlänge von 1450 nm und einer
optischen Ausgangsleistung von max. 4 mW und (1b) eine LED ("LED 16", LASER
GRAPHICS, Kleinostheim) mit einer Wellenlänge von 1580 (±150) nm und einer optischen
Ausgangsleistung von max. 1,2 mW. Beide Strahlungsquellen wurden von Stromquellen (19
und 20: "Model LDC 220", PROFILE, Karlsfeld) versorgt, deren Ausgangsströme durch zwei
Funktionsgeneratoren (21 und 22: "HM 8131-2", HAMEG, Frankfurt am Main) einen sinusför
migen Verlauf aufgeprägt bekamen. Hinter der LED (1b) war ein Interferenzfilter (17: "Model
42-6197", COHERENT, Dieburg) mit einer zentralen Wellenlänge von 1620 nm angeordnet.
Die Strahlungen der LED und der Laserdiode wurden jeweils in einen Schenkel eines "Y"-
förmigen Lichtleiters (1c; eine Sonderanfertigung mit einem Durchmesser von 1 mm, L.O.T.-
ORIEL, Darmstadt) aus infrarotstrahlungs-durchlässigen Quarzfasern eingekoppelt und der
vereinte Strahl, der das gemeinsame Ende des Lichtleiters verläßt, von einer nachfolgenden
Kollimatoroptik (18: "DIV-THR-Optik-LWL", LASER 2000, Wessling) gebündelt und
fokussiert. Das nachfolgende Strahlteilerprisma (2: "44-3861", COHERENT, Dieburg) teilte
den Strahl in zwei gleich mächtige Teilstrahlen, die die nachfolgenden Küvetten (3 und 4;
Sonderanfertigungen mit einer Schichtdicke von 1 mm und einem Volumen von 50 µL,
HELLMA, Müllheim) durchdrangen. Als Detektoren (5 und 6) dienten zwei InGaAs-PIN-
Fotodioden ("G 5832-01", HAMAMATSU, Herrsching), nachgeschaltete Stromverstärker (7
und 8: "DLPCA-100", FEMTO, Berlin) verstärkten deren Fotoströme. Die Ausgangssignale
der Stromverstärker wurden durch nachfolgende Spannungsverstärker (9 und 10 "4-Kanal-
INH-Verstärker", SCIENCE PRODUCTS, Hofheim) verstärkt und deren Ausgangsspannun
gen an zwei Widerstände (11 und 12: "Metallschicht 1,2 MΩ", RS, Mörfelden-Walldorf)
angelegt. Die Spannung die zwischen den beiden Widerständen gegen Schaltungsnull anlag
erfaßte ein "Lock-In"-Verstärker (13: "LIA-MV-150", FEMTO, Berlin) und dessen Aus
gangssignal zeigte ein Digital-Speicher-Oszilloskop (14: "9304", LECROY, Heidelberg) an.
Die beispielhafte Vorrichtung gemäß Fig. 7 ergab sehr genaue Meßergebnisse auch für
Meßgut mit geringer Konzentration des zu analysierenden Stoffs. Fig. 8 zeigt eine mit
dieser Vorrichtung erstellte Eichkurve für D(+)-Glukose. Aus der Messung ergibt sich für eine
Konzentration von 100 mg/dL im Bereich der Eichkurve ein absoluter Fehler von etwa 5 mg/dL.
Claims (22)
1. Verfahren zur langzeitstabilen und gut reproduzierbaren spektrometrischen Messung der
Konzentrationen der Bestandteile wässriger Lösungen, insbesondere auch Dialysaten
interstitieller Gewebeflüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßstrahl durch
einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, ein Teilstrahl durch eine Meßküvette
und der andere Teilstrahl durch eine Küvette, die mit einer Referenzlösung gefüllt ist,
geleitet wird, die Lichtintensitäten beider Teilstrahlen gemessen und die Meßsignale,
gegebenenfalls nach geeigneter Verstärkung, einer symmetrischen Signalverarbeitung
zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl eine monochro
matische elektromagnetische Strahlung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl aus mehreren
überlagerten monochromatischen Strahlen besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität
des Meßstrahls zeitlich gleichförmig periodisch schwankt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl eine
Überlagerung mehrerer Einzelstrahlen mit gleichförmig periodisch schwankenden
Intensitäten ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der
symmetrischen Signalverarbeitung eine Differenz oder ein Verhältnis der Signale
gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Differenz- oder Verhältnissignal demoduliert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
demodulierte Signal von einer Meßwertverarbeitungseinheit erfaßt und mittels dort
abgelegter Eichkurven die Konzentration ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßküvette durch ein Diaphragma von der zu messenden Lösung getrennt, oder an ein
Pumpensystem mit Austauschstrecke, die durch ein Diaphragma von der zu vermessen
den Lösung getrennt ist, angeschlossen ist.
10. Vorrichtung zur langzeitstabilen und gut reproduzierbaren spektrometrischen Messung
der Konzentrationen der Bestandteile wässriger Lösungen, insbesondere auch
Dialysaten interstitieller Gewebeflüssigkeiten, bestehend aus einer Strahlungsquelle (1),
einem Strahlteiler (2), einer im Meßteilstrahl angeordneten Meßküvette (3), einer im
Referenzteilstrahl angeordneten Referenzküvette (4), die mit einem unveränderlichen
Analyt ähnlicher Konzentration, wie Sie für die zu messende Lösung erwartet wird,
gefüllt ist, hinter der Proben- und Referenzküvette in den Strahlengängen angeordneten
Detektoren (5 und 6) zur Messung Lichtintensität der Teilstrahlen und Umwandlung in
elektrische Signale sowie einer Signalverarbeitungs- und auswertungsvorrichtung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1)
einen monochromatischen Strahl liefert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1)
aus mehreren Strahlungsquellen besteht, deren Strahlen mittels geeigneter optischer
Bauteile zu einem Strahl vereinigt werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauteile, die
die Einzelstrahlen in einen Strahl vereinen, dielektrische Strahlteiler oder optische
Lichtleiter sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (5
und 6) Strom-Spannungs-Wandler (7 und 8) nachgeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswert
ungsvorrichtung in der Lage ist, die Differenz oder ein Verhältnis der Detektorsignale zu
bilden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswert
ungsvorrichtung eine Wheatstonsche Meßbrücke oder eine Spannungsteiler-Schaltung
(11 und 12) sowie vorgeschaltete Multiplizierer (9 und 10), die ein im Vorzeichen unter
schiedenes Ausgangssignal erzeugen, ist.
17. Vorrichtungen nach Anspruch 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Signal
auswertungsvorrichtung ein Lock-In-Verstärker (13) und eine Meßwertverarbeitungs
einheit (14) angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertverarbeitungs
einheit (14) aus einem Mikrocomputer und einem visuellen Anzeigegerät besteht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertverarbei
tungseinheit (14) aus einem Mikrocomputer mit einer bidirektionalen telemetrischen
Übertragungseinheit besteht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie Verwendung zur
Messung von Verfahrensparameter oder zur Überwachung und Regelung von
Verfahrensabläufen, insbesondere in chemischen Produktionsverfahren, finden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie Verwendung in
Mikroreaktoren findet.
22. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie in miniaturisierter
Bauweise Verwendung als implantierbarer Glukosesensor findet.
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