DE10028067C1 - Verfahren zur optischen Analyse eines Fluids - Google Patents
Verfahren zur optischen Analyse eines FluidsInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur optischen Analyse eines Fluids angegeben, bei dem das Fluid, das einen ersten Brechungsindex aufweist, von einem Hilfsfluid mit einem zweiten Brechungsindex umgeben wird, wobei der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist, und Licht durch das Fluid gesendet wird. DOLLAR A Man möchte eine Einkapselung des Fluids mit dem Hilfsfluid mit geringem Aufwand erzielen können. DOLLAR A Hierzu wird zunächst das Hilfsfluid in einen Meßkanal 5 geleitet, bis es diesen ausfüllt, und danach wird das Fluid inmitten des Querschnitts mit einer Strömungsgeschwindigkeit in das Hilfsfluid eingeleitet, bei der sich ein parabolisches Strömungsprofil ergibt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Ana
lyse eines Fluids, bei dem das Fluid, das einen ersten
Brechungsindex aufweist, von einem Hilfsfluid mit einem
zweiten Brechungsindex umgeben wird, wobei der erste
Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex
ist, und Licht durch das Fluid gesendet wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus DE 195 36 858 A1 be
kannt. Derartige Verfahren eignen sich insbesondere für
lichtspektroskopische Verfahren, bei dem Licht mit ei
ner vorbestimmten Wellenlänge oder einem vorbestimmten
Wellenlängenbereich durch das Fluid geleitet wird. Man
kann dann messen, wie gut das Licht durch das Fluid ge
langt (Transmission) oder welche spektralen Anteile ab
sorbiert werden (Absorption). Aus diesen Ergebnissen
lassen sich Rückschlüsse auf bestimmte Substanzen zie
hen, die in dem Fluid nachgewiesen werden sollen.
Das Einkapseln des Fluids mit dem Hilfsfluid hat unter
anderem den Vorteil, daß der Meßkanal nicht ver
schmutzt. Darüber hinaus spielen die optischen Eigen
schaften der Wand des Meßkanals, beispielsweise seine
Reflexionseigenschaften, eine geringere Rolle, so daß
preisgünstigere Werkstoffe zum Herstellen des Meßkanals
verwendet werden können. Man kann die Brechungsindizes
von Fluid und Hilfsfluid so aufeinander abstimmen, daß
das eingeleitete Licht an der Grenzschicht zwischen
Fluid und Hilfsfluid reflektiert wird, um möglichst
lange im Fluid zu verbleiben. Bei passender Abstimmung
kann ein fluider optischer Leiter erzielt werden, der
einen totale interne Reflexion aufweist. Wenn eine to
tale interne Reflexion vorhanden ist, wird das Licht
nicht nur reflektiert, sondern wird buchstäblich durch
den Leiter geführt.
Im aus DE 195 36 858 A1 bekannten Verfahren werden das
Fluid und das Kernfluid gleichzeitig in eine Lamellie
rungsvorrichtung eingeführt, wo die Fluide unter Beibe
haltung gleicher Richtung und gleicher Geschwindigkeit
aufeinander lamelliert werden. Es handelt sich sozusa
gen um ein "aktives" Einkapselungsverfahren. Diese Art
der Einkapselung erfordert eine relativ aufwendige Vor
richtung. Darüber hinaus sind auch an die Pumpen, die
die Fluide speisen, hohe Anforderungen zu stellen, ins
besondere im Hinblick auf die Fördergenauigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einkap
selung des Fluids mit dem Hilfsfluid mit geringem Auf
wand durchführen zu können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge
nannten Art dadurch gelöst, daß zunächst das Hilfsfluid
in einen Meßkanal geleitet wird, bis es diesen ausfüllt,
und danach das Fluid inmitten des Meßkanalquer
schnitts mit einer Strömungsgeschwindigkeit in das
Hilfsfluid eingeleitet wird, bei der sich ein paraboli
sches Strömungsprofil des eingeleiteten Fluids ergibt.
Hierbei ist es nicht erforderlich, das Fluid genau in
die Mitte des Querschnitts des Hilfsfluids einzuspei
sen. Es genügt, wenn die Einspeisung inmitten des Quer
schnitts erfolgt. Auf diese Weise ist eine Lamellierung
der beiden Fluide relativ einfach zu realisieren. Das
einströmende Fluid verdrängt das Hilfsfluid und strömt
so durch das Hilfsfluid hindurch, daß zwischen der Wand
des Meßkanals und dem Fluid eine Hilfsfluid-Schicht
verbleibt, die das Fluid umgibt. Hierbei ist die Ge
schwindigkeit des Fluids so eingestellt, daß sich ein
parabolisches Strömungsprofil ergibt. Dieses Strömungs
profil ergibt sich bei einer laminaren Strömung, so daß
zwischen dem Fluid und dem Hilfsfluid keine Verwirbe
lung erfolgt, sondern tatsächlich eine Grenzschicht
ausgebildet wird, an der das eingespeiste Licht auf
grund der unterschiedlichen Brechungsindizes reflek
tiert werden kann. Das parabolische Strömungsprofil
bildet eine Spitze, die sozusagen als Kegel das Hilfs
fluid wegschiebt und es durchdringt. Die genaue Ge
schwindigkeit des Fluids hängt von mehreren Parametern
ab, beispielsweise vom Dichteunterschied der beiden
Fluide. Kleinere Querschnitte oder längere Meßkanäle
erfordern größere Strömungsgeschwindigkeiten. Aller
dings existiert in Abhängigkeit von den physikalischen
Dimensionen und der gewählten Fluide eine obere Grenze
der Strömungsgeschwindigkeit, an der eine Turbulenz
entsteht und die laminare Struktur zusammenbricht. Der
Fachmann kann aber die erforderliche Strömungsgeschwin
digkeit leicht durch einige wenige Versuche herausfin
den. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die
Anforderungen an die Pumpe, die das Fluid durch den
Meßkanal fördert, weniger kritisch sind. Im bekannten
Fall, bei dem die Fluide mit der gleichen Geschwindig
keit aneinander laminiert werden sollten, waren die An
sprüche insbesondere an den Gleichlauf der Pumpen rela
tiv groß, weil sich auch kleinere Schwankungen der Pum
pengeschwindigkeit kritisch auf die jeweilige Laminat
dichte auswirken und somit ein lokales Entweichen von
Licht aus dem Fluid ermöglichen. Bei dem neuen Verfah
ren muß hingegen nur darauf geachtet werden, daß das
Fluid mit der richtigen Geschwindigkeit in das Hilfs
fluid eingeleitet wird.
Vorzugsweise verwendet man als Hilfsfluid Wasser. Was
ser, auch reines Wasser, steht in den meisten Labors in
ausreichendem Maß zur Verfügung. Es ist einfach zu
handhaben. Der Brechungsindex von Wasser ist bekannt
oder läßt sich leicht ermitteln. Wasser ist zu vielen
Fluiden nicht aggressiv, so daß Meßergebnisse in den
meisten Fällen nicht verfälscht werden.
Vorzugsweise setzt man das Fluid aus einem Träger und
einer Probe zusammen. Dies ist insbesondere dann von
Vorteil, wenn die Probe ähnliche physikalische Eigen
schaften wie das Hilfsfluid aufweist, beispielsweise
dann, wenn man Wasser als Hilfsfluid verwendet und die
Probe Abwasser aus einer Kläranlage ist, bei dem bei
spielsweise der Ammoniumgehalt des Abwassers bestimmt
werden soll. Durch den Träger kann man nun die physika
lischen Eigenschaften des Fluids soweit verändern, daß
sie sich ausreichend von den physikalischen Eigenschaf
ten des Hilfsfluids unterscheiden.
Insbesondere ist von Vorteil, wenn man als Träger eine
Flüssigkeit mit einer höheren Viskosität als die des
Hilfsfluids verwendet. Beispielsweise kann man als Trä
ger Glycerol verwenden, das eine hohe Viskosität hat.
Durch die Viskosität des Trägers kann man Einfluß auf
die Geschwindigkeit nehmen, mit der das Fluid durch den
Meßkanal geleitet werden soll.
Vorzugsweise wird das Licht durch den Meßkanal gesen
det, sobald das Fluid eingespeist wird. Man bekommt da
durch eine Art Referenzsignal. Das Licht trifft auf
seinen Empfänger praktisch schon dann, wenn sich nur
das Hilfsfluid im Meßkanal befindet. Sobald das Fluid
hinzukommt, verändert sich zwangsläufig das auf dem
Licht beruhende Signal. Wenn sich keine Veränderung
mehr ergibt, dann kann man davon ausgehen, daß die Meß
strecke des Meßkanals mit dem vom Hilfsfluid eingekap
selten Fluid gefüllt ist und die nachfolgende Messung
tatsächlich über die vorher bestimmte Länge des Fluids
erfolgt. Dadurch lassen sich gut reproduzierbare Ergeb
nisse erzielen.
Mit Vorteil verwendet man einen U-förmigen Meßkanal mit
einer Basis und zwei Schenkeln und das Licht wird durch
die Basis geleitet. Man erhält dadurch mehrere Vortei
le. Zum einen kann der Lichtstrahl durch Begrenzungen
des Fluids ein- und austreten, die mehr oder weniger
senkrecht zum Lichtstrahl gerichtet sind. In diesem
Fall bleibt die Reflexion des Lichtstrahls auch bei
Grenzen mit stark unterschiedlichen Brechungsindizes
gering. Zum anderen kann man hierbei zumindest den Be
ginn der Messung mit einer hohen Zuverlässigkeit fest
stellen. Die Messung kann nämlich beginnen, sobald die
Spitze des Fluids in die Basis eintritt und den Licht
strahl kreuzt.
Vorzugsweise wird das Hilfsfluid mit einer vorbestimm
ten Rate nachgefördert, die von der Förderrate des
Fluids abhängt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn das Fluid als "Pfropfen" oder Blöcke mit begrenz
ter Länge vorliegt. In diesem Fall kann man an den
Durchlauf einer Probe gleich den nächsten Füllvorgang
anschließen. Aber auch bei längeren Proben kann das be
hutsame Einspeisen des Hilfsfluid von Vorteil sein, um
zu verhindern, daß die Grenzschicht zwischen der Wand
des Meßkanals und dem Fluid zu dünn wird.
Die Erfindung kann in verschiedenen Meßverfahren einge
setzt werden. Außer der hier beschriebenen Absorptions-
oder Transmissionsmessung kann z. B. auch ein Fluores
zenz- oder Chemoluminiszenzmeßverfahren benutzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfüh
rungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung be
schrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Analysen
systems und
Fig. 2 verschiedene Stadien bei einer Messung.
Fig. 1 zeigt ein Analysensystem 1, das beispielsweise
als "lab on a chip" in Mikro-Größenordnung ausgeführt
sein kann. Ein derartiges Analysensystem findet dann
auf einer Grundfläche von wenigen Quadratzentimetern
Platz. Der Reagenzien- und Energieverbrauch ist ausge
sprochen gering, so daß man ein derartiges Analysensy
stem auch für eine gewisse Zeit autonom betreiben kann,
d. h. ohne die Zufuhr von Energie oder weiteren Reagen
zien.
Das Analysensystem 1 weist eine erste Pumpe 2 auf, die
ein Hilfsfluid, das einen niedrigeren optischen Bre
chungsindex hat, aus einem Tank 3 in eine Zuleitung 4
zu einem Meßkanal 5 einspeist. Der Meßkanal 5 kann in
ein Substrat 6, vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff
eingeätzt oder eingefräst sein. Der Meßkanal hat bei
spielsweise einen quadratischen Querschnitt von 0,5 mm
× 0,5 mm. Er ist U-förmig ausgebildet und weist eine
Basis 7 und zwei Schenkel 8, 9 auf, wobei der Schenkel
8 einen Eintrittskanal und der Schenkel 9 einen Aus
trittskanal bildet. Die Basis 7 bildet eine Kuvette,
die eine Länge von 30 mm aufweist. Somit hat die Kuvet
te 7 ein Volumen von 7,5 Mikroliter. Auf welche Weise
der Meßkanal 5 mit Wasser gefüllt wird, ist von unter
geordneter Bedeutung.
Ein Probenbehälter 11 (anstelle eines Probenbehälters
kann auch eine Probenentnahmeeinrichtung vorgesehen
sein, die Wasser aus einer Kläranlage entnimmt oder mit
Hilfe einer Dialyse eine Probenflüssigkeit aus dem Was
ser einer Kläranlage erzeugt) ist mit einer Mischein
richtung 12 verbunden, die die Probe mit einem Träger
aus einem Trägerbehälter 13 mischt. Als Träger wird im
vorliegenden Fall Glycerol verwendet, das eine höhere
Viskosität hat. Der Träger ist maßgebend für die Größe
des Brechungsindex. Träger und Probe bilden jetzt zu
sammen ein Fluid, das im folgenden auch als "Kernfluid"
bezeichnet wird. Der Brechungsindex des Kernfluids ist
größer als der von Wasser.
Das Kernfluid wird durch eine zweite Pumpe 14 und eine
Zuleitung 15 zu dem Eintrittskanal 8 geleitet und dort
inmitten des Querschnitts eingespeist. Der Eintrittska
nal 8 ist, genau wie der übrige Meßkanal 5, mit Wasser
gefüllt.
Die beiden Pumpen 2, 14 werden von einer Steuereinrich
tung 10 gesteuert, die in der Lage ist, die Förderraten
der beiden Fluide 20, 21 (Fig. 2a) aufeinander so abzu
stimmen, daß sich der gewünschte parabolische Verlauf
des Kernfluids 21 im Fluid 20 ergibt.
Eine Lichtquelle 16 sendet Licht mit einem bestimmten
Wellenlängenbereich oder einer bestimmten Wellenlänge,
beispielsweise aus dem UV- oder aus dem IR-Bereich,
über einen Lichtleiter 17 in die Kuvette 7. Der Ausgang
der Kuvette 7 ist über einen weiteren Lichtleiter 18
mit einem Detektor 19 verbunden. Der Detektor 19 mißt
die Absorbation des Kernfluids und bestimmt dadurch die
Konzentration einer Substanz der Probe, beispielsweise
den Ammoniumgehalt des Abwassers.
Fig. 2 zeigt nun im Detail die Verhältnisse im Meßkanal
5. Der Meßkanal 5 ist mit Wasser 20 gefüllt. (Fig. 2a)
und das Kernfluid 21 wird eingeleitet, und zwar in den
Eintrittskanal 8. Gleichzeitig mit dem Einleiten des
Kernfluids 21 wird die Lichtquelle 16 und der Detektor
19 aktiviert, d. h. die Lichtquelle 16 gibt Licht ab,
das in Längsrichtung durch die Kuvette 7 läuft. Dies
ist symbolisch durch zwei Pfeile 22, 23 dargestellt. Im
Zeitpunkt, der in Fig. 2a dargestellt ist, "mißt" der
Lichtstrahl also reines Wasser.
Das Kernfluid wird beim vorliegenden Ausführungsbei
spiel mit einer Geschwindigkeit von zehn Millili
ter/Stunde eingespeist. Nach etwa zwei Sekunden ist das
Profil der Fig. 2b erreicht und nach ungefähr drei Se
kunden hat das Kernfluid 21 auch den zweiten Schenkel
oder den Austrittskanal 9 des Meßkanals 5 durchlaufen.
Dadurch, daß die Lichtquelle 16 und der Lichtsensor 19
gleichzeitig mit dem Einspeisen des Kernfluids 21 akti
viert werden, kann man einen Signalverlauf verfolgen
und am Maximum dieses Signals die endgültige Messung
vornehmen, da die Kuvette 7 in diesem Stadium im ge
wünschten Maß vom Kernfluid 21 aus gefüllt ist.
Fig. 2b zeigt das parabolische Strömungsprofil, das
aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Kernfluids 21
entstanden ist. Das Kernfluid mit einem Durchmesser W
ist von einer laminaren Wasserschicht mit einer Dicke B
umgeben. Der Dicke B ist variabel über die Länge des
Kanals, muß aber einen Mindestwert überschreiten, da
sonst das Meßsignal rapide abfällt, weil das Licht im
Kernfluid durch die Wand in der Kuvette 7 entweichen
kann. Auch bei einer zu niedrigen Strömungsgeschwindig
keit des Kernfluids kann die Dicke B aufgrund der Dif
fusion des Kernfluids in dem Hilfsfluid zu klein gera
ten. Das Strömungsprofil ist hier im Querschnitt als
Parabel gezeigt, hat aber in der Praxis ungefähr die
Form eines Paraboloids. Bei einem kreisrunden Kanal ist
es ein nahezu idealer Paraboloid. Man kann auch das
Wasser 20 mit einer bestimmten Rate nachfördern. Wenn
man ein vorbestimmtes Verhältnis der Geschwindigkeiten
von Kernfluid 21 und Wasser 20 ungefähr aufrecht er
hält, bildet sich die dargestellte parabolische Spitze,
die als Kegel das Wasser 20 weg und um das Kernfluid 21
herumschiebt. Dieses Verhältnis muß nicht allzu genau
eingehalten werden. Die genaue Geschwindigkeit des
Kernfluids 21 hängt von mehreren Parametern ab. Je grö
ßer die Unterschiede in der Dichte der beiden Fluide
sind, desto größer muß auch die Geschwindigkeit des
Kernfluids 21 sein, damit das Kernfluid nicht zum Boden
des Meßkanals 5 absinkt. Dies ist besonders wichtig bei
Anordnungen, bei denen die Fluide in horizontalen Kanälen
strömen sollen. Auch fordern kleinere Querschnitte
oder längere Kuvetten 7 größere Strömungsgeschwindig
keiten. In Abhängigkeit von den Abmessungen und der ge
wählten Fluide existiert eine obere Grenze der Strö
mungsgeschwindigkeit, an der Turbulenzen entstehen und
die laminare Struktur zusammenbricht. Um dies zu ver
meiden, sollte die Reynoldszahl unter 2000 liegen.
Das Kernfluid 21 kann zunächst einmal als "Pfropfen"
oder Block von begrenzter Länge vorliegen. In diesem
Fall wird nach jedem Block wieder der ursprüngliche Zu
stand hergestellt, d. h. der Meßkanal 5 wird mit Wasser
20 gefüllt und ist dann zur Aufnahme der nächsten Probe
bereit. Eine Verschmutzung des Meßkanals 5 ist aufgrund
der Wasserschicht zwischen Probe und Meßkanal ausge
blieben.
Die Probe kann aber auch als kontinuierlicher, d. h.
längerer Block vorliegen. Auch in diesem Fall muß man
lediglich die Strömungsgeschwindigkeit des Kernfluids
21 so einstellen, daß laminare Verhältnisse erhalten
bleiben. In diesem Fall kann man eine Messung bei
spielsweise über einen längeren Zeitraum ausführen.
Schließlich ist es auch möglich, anstelle derartig kon
tinuierlich verlaufender Abschnitte geschichtete Ab
schnitte des Kernfluids 21 in den Meßkanal 5 einzulei
ten. Das Prinzip zum Schichten derartiger Proben ist
beispielsweise aus DE 44 11 266 A1 bekannt. Es entsteht
hierbei eine besondere Möglichkeit der Analyse. Bei
spielsweise kann man das Licht gezielt durch die
"Gipfelpunkte" der parabolischen Profile leiten, um ei
nen optischen Linseneffekt zu erzielen.
Claims (7)
1. Verfahren zur optischen Analyse eines Fluids, bei
dem das Fluid, das einen ersten Brechungsindex auf
weist, von einem Hilfsfluid mit einem zweiten Bre
chungsindex umgeben wird, wobei der erste Bre
chungsindex größer als der zweite Brechungsindex
ist, und Licht durch das Fluid gesendet wird, da
durch gekennzeichnet, daß zunächst das Hilfsfluid
in einen Meßkanal geleitet wird, bis es diesen aus
füllt, und danach das Fluid inmitten des Meßkanal
querschnitts mit einer Strömungsgeschwindigkeit in
das Hilfsfluid eingeleitet wird, bei der sich ein
parabolisches Strömungsprofil des eingeleiteten
Fluids ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Hilfsfluid Wasser verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß man das Fluid aus einem Träger und
einer Probe zusammensetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Träger eine Flüssigkeit mit einer höhe
ren Viskosität als die des Hilfsfluids verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Licht durch den Meßkanal
gesendet wird, sobald das Fluid eingespeist wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß man einen U-förmigen Meßkanal mit einer Basis
und zwei Schenkeln verwendet und das Licht durch
die Basis geleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Hilfsfluid mit einer vorbe
stimmten Rate nachgefördert wird, die von der För
derrate des Fluids abhängt.
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