DE10028067C1 - Verfahren zur optischen Analyse eines Fluids - Google Patents

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.