DE10047007C2 - Verfahren zum Nachweis eines Analyten in einem Probenträger und entsprechende Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Nachweis eines Analyten in einem Pro­ benträger, wobei der Analyt gegebenenfalls in und/oder an einem flüssigen oder gasförmigen oder festen Aufnahmemedium enthalten ist unter Vorliegen mindestens einer Flüssigkeit.

Spektrophotometrische und luminometrische Verfahren zur Bestimmung von Analyten auf der Basis von Ab­ sorptions- und luminometrischen Eigenschaften der Analyten sind bereits bekannt. Des Weiteren werden in bekannter Weise Nachweisreaktionen ausgenutzt, um spektrophotometrische oder luminometrische Ef­ fekte zu erzielen, mit deren Hilfe die Analyten in­ direkt nachgewiesen werden können. Diese bekannten primären Nachweisverfahren sind verhältnismäßig kompliziert, aufwendig und teuer.

Aus der US 5,573,956 ist ein spektrophotometrisches Verfahren zur Untersuchung der optischen Dichte ei­ nes Analyten in einer Flüssigkeit bekannt, wobei die Empfindlichkeit der Messung dadurch erhöht wird, dass die Wellenlänge des untersuchenden Lichtstrahls entsprechend der Resonanz-Wellenlängen des Analyten gewählt wird.

Aus dem Stand der Technik ist eine Mikrotiterplatte zur Photometrie bekannt, die durch die hydrophobe Beschichtung der Gefäßoberfläche erreicht, dass sich die Grenzflächen der zu analysierenden Flüs­ sigkeiten geometrisch gleich ausgestalten. Dadurch wird verhindert, dass es aufgrund der sonst auftre­ tenden unterschiedlichen Geometrie der Grenzflächen zu Messfehlern bei der Photometrie kommt (US 4,741,619). Aus der DE 36 85 936 T2 ist ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minimierung des optischen Effektes eines Meniskus auf einer Flüssigkeitsprobe in einem vertikalen photometri­ schen System bekannt. Dies wird dadurch erreicht, dass der untersuchende Lichtstrahl jeweils auf die Vertiefung des Meniskus zentriert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ei­ ne Vorrichtung zur Durchführung desselben bereitzu­ stellen, welche einen alternativen Nachweis eines Analyten in einem Probenträger ermöglichen sollen, wobei gegebenenfalls lediglich sekundär die Spek­ trophotometrie und/oder Luminometrie herangezogen werden soll.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die geometrische Ausges­ taltung einer Grenzfläche der Flüssigkeit zum Nach­ weis des Analyten im Probenträger mittels Messung eines von der Gestalt der Grenzfläche abhängigen Messwerts herangezogen wird.

Als zu analysierende Substanzen, Analyten, kommen nicht nur reine Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe in Frage. Es ist ebenfalls möglich, Substanzen, die sich in Gasen, Flüssigkeiten, an Feststoffen oder Grenzflächen befinden, qualitativ und/oder quanti­ tativ zu bestimmen. Das Verfahren bietet dabei nicht nur die Möglichkeit, die Eigenschaften im Gleichgewicht befindlicher, statischer Systeme zu erfassen, sondern auch die Kinetik dynamischer Systeme zu verfolgen. Beispielsweise kann die Dif­ fusion grenzflächenaktiver Komponenten beziehungs­ weise deren Bildung oder Veränderung bei Reaktionen erfasst werden. Des Weiteren kann die Bindung und/oder Reaktion von Komponenten von Gasen und/oder von Flüssigkeiten mit oberflächengebun­ denen Partnern detektiert werden. Außerdem sind Re­ aktionen, im Speziellen enzymatisch katalysierte Reaktionen, die in Flüssigkeiten, an Oberflächen oder Grenzflächen ablaufen, erfassbar. Es ist eben­ falls denkbar, zwei oder mehr nicht mischbare Flüs­ sigkeiten mit unterschiedlicher Dichte einzusetzen. Gegebenenfalls kann auch ein Gas im Mehrkomponen­ tensystem gegenwärtig sein. Somit können Wechsel­ wirkungen an den Grenzflächen, flüssig-flüssig, flüssig-fest, flüssig-gasförmig und fest-gasförmig, untersucht werden. Beispielsweise ist es denkbar, grenzflächenaktive Enzyme, wie Lipasen, zu unter­ suchen. Es ist auch möglich, Grenzflächenpolymerisationen zu verfolgen. Die Bestimmung erfolgt durch optische Systeme, so dass ergänzend beispielsweise spektrophotometrische und/oder luminometrische Techniken eingesetzt werden können.

Im Gegensatz zum Stand der Technik nutzt die Erfin­ dung zur Bestimmung der Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und/oder Oberflächen somit nicht pri­ mär die spektrophotometrischen und/oder lumino­ metrischen Eigenschaften der Analyte beziehungs­ weise der Nachweisreaktionen aus. Statt dessen be­ dient sie sich der geometrischen Ausgestaltung (beispielsweise in Form einer Meniskenbildung) einer Grenzfläche einer Flüssigkeit, die sich in einem Probenträger befindet.

Menisken bilden sich in Abhängigkeit der physika­ lisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächen des verwendeten Probenträgersystems sowie der darin be­ findlichen Flüssigkeit(en) und/oder Gase. Diese Me­ nisken führen zu lokalen Veränderungen der Höhe der Flüssigkeitssäule(n) und fungieren als optische Linsen. Unter Verwendung geeigneter Vorrichtungen kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens dies zur Bestimmung von Materialeigenschaften, im Beson­ deren der Polarität, von Flüssigkeiten und/oder Oberflächen und damit auch für den Nachweis von Analyten eingesetzt werden. Die Eigenschaften und/oder die Zusammensetzung von Gasen kann eben­ falls ermittelt werden.

Herkömmliche, verhältnismäßig aufwendige Nachweis­ reaktionen sind vorteilhafterweise nicht erforder­ lich. Es kann gegebenenfalls auf teure, analytenspezifische, humantoxische und umweltgefährdende Reagenzien verzichtet werden. Da zeit- und mate­ rialaufwendige Nachweisreaktionen nicht durchge­ führt werden müssen, beschleunigt sich der Nach­ weis, so dass Kosten weiter reduziert werden kön­ nen. Außerdem stellt sich das Verfahren als äußerst flexibel und universell einsetzbar dar. Die Emp­ findlichkeit ist vorzugsweise sehr hoch, indem die Abmessungen der Probenträger klein gewählt werden, damit eine möglichst starke Meniskenbildung auf­ tritt. Demnach werden vorzugsweise geringe Proben­ volumina eingesetzt. Außerdem sind die Messeffekte bei sehr geringen Analytkonzentrationen am deut­ lichsten. Zudem ist eine Parallelisierung und Auto­ matisierung möglich. Attraktiv ist die Erfindung insbesondere für den Bio-Chip- beziehungsweise Lab- on-a-Chip-Bereich. Das neue Verfahren ist demnach nicht nur für einen sogenannten "Low-Sample- Throughput", sondern im Besonderen auch für einen "High-Sample-Throughput" erfolgreich einsetzbar.

Mit Vorteil wird der Analyt beziehungsweise die Flüssigkeit mit mindestens einem Lichtstrahl durch­ setzt und eine von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängige Lichtintensität mittels einer Detektoreinheit zum Nachweis des Analyten im Probenträger ermittelt. Ein den Analyt beziehungs­ weise die Flüssigkeit durchsetzender Lichtstrahl eignet sich besonders zum Nachweis des Analyten, da sich eine mittels der Detektoreinheit präzise mess­ bare Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit der geometrischen Ausgestaltung beispielsweise eines Meniskus einstellt, welche Rückschlüsse we­ nigstens auf die Existenz des Analyten im Probenträger und gegebenenfalls eine qualitative Bestim­ mung und/oder Quantifizierung des Analyten zulas­ sen.

Vorteilhafterweise erfolgt mittels der Detektorein­ heit eine photometrische Messung oder eine lumino­ metrische Messung. Sowohl eine photometrische als auch eine luminometrische Messung mittels der De­ tektoreinheit erlaubt einen reproduzierbaren und zuverlässigen Nachweis des Analyten in einem Pro­ benträger, welche mit mindestens einem Lichtstrahl durchsetzt wird.

Vorzugsweise wird die Detektoreinheit unter Verän­ derung des Abstands zur Grenzfläche bewegt. Hier­ durch ist es möglich, nachzuweisen, ob ein sich an der Grenzfläche einstellende Meniskus in Bezug auf die Detektoreinheit konkav oder konvex ausgebildet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird ein zwischen dem Meniskus und der Detektoreinheit angeordnetes optisches Linsensystem zur Messopti­ mierung bewegt. Dabei kann die Messung der Lichtin­ tensität mittels der Detektoreinheit hinsichtlich der Messpräzision und/oder der Messfläche optimiert werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten in einem Probenträger vorgeschlagen, welche die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Probenträger zur Aufnahme eines gegebenen­ falls in einem flüssigen, gasförmigen oder festen Aufnahmemedium enthaltenen Analyten unter Vorliegen einer Flüssigkeit mit einer Grenzfläche, eine Lichtquelle zur Abgabe mindestens eines den Analy­ ten beziehungsweise die Flüssigkeit durchsetzenden Lichtstrahls und eine Detektoreinheit zur Ermitt­ lung einer von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängigen Lichtintensität. Eine derart ausgebildete Vorrichtung eignet sich besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wo­ bei vorteilhafterweise die Ausgestaltung des Pro­ benträgers, der Detektoreinheit und/oder der Licht­ quelle flexibel an den jeweils nachzuweisenden Ana­ lyten in einem Probenträger angepasst werden kann. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Detektor­ einheit mit einer gekrümmten Detektoroberfläche zu versehen, zwischen Probenträger und Detektoreinheit ein zur Messoptimierung bewegbares Linsensystem vorzusehen und/oder die Detektoreinheit derart aus­ zubilden, dass sie in Bezug auf den Probenträger mindestens einen frontalen Detektorabschnitt und/oder mindestens einen seitlichen Detektorab­ schnitt aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausfüh­ rungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2A, 2B, 3 eine jeweils schematische Darstel­ lung physikalischer Effekte an einem Meniskus;

Fig. 4A bis 4E eine jeweils schematische Darstel­ lung von Lichtstrahlen mit unter­ schiedlichen Einfallswinkeln;

Fig. 5A bis 5J eine jeweils schematische Darstel­ lung unterschiedlicher Ausführungs­ formen einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung beziehungsweise unter­ schiedlicher Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 bis 8 verschiedene Versuchsergebnisse in Diagrammform;

Fig. 9 das Ergebnis einer ortsabhängigen Signalauflösung in Abhängigkeit einer Detektorkrümmung in Diagramm­ form;

Fig. 10 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linsensystem;

Fig. 11A, 11B eine jeweils schematische Darstel­ lung einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit planarer und mit ge­ krümmter Grenzfläche;

Fig. 12A, 12B eine jeweils schematische Darstel­ lung verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Scaneinheit;

Fig. 13A, 13B eine jeweils schematische Darstel­ lung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung mit mehreren Lichtquellen oder mit Spiegeln;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Probenträgers mit zwei unterschied­ lichen Flüssigkeiten;

Fig. 15A, 15B eine jeweils schematische Darstel­ lung eines Probenträgers mit drei unterschiedlichen Flüssigkeiten und

Fig. 16A, 16B eine jeweils schematische Darstel­ lung eines Probenträgers mit Zu- und Abflusssystemen.

Die Grundzüge der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie Verfahren werden im Folgenden beispielhaft anhand des Einflusses kreisförmiger Menisken (M) bei vertikalen spektrophotometrischen Messungen von Flüssigkeiten in Probenträgern dargestellt (Fig. 1 und 4). Die erfindungsgemäße Anordnung eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Probenträgers (PT) in Bezug auf einen Lichtstrahl (L) und einer Detektor­ einheit (D) ist in Fig. 1 schematisch dargestellt (Detektorelemente D_A, D_B, D_etc.); (r_D) Radius der De­ tektoreinheit; (r_G) Grenzradius; (r_L) Radius des Lichtstrahls, (r_PT) Innenradius des Probenträgers (PT) ortsabhängiger Verlauf des Teillichtstrahls, beziehungsweise eines Photons mit der x-Ausgangs­ koordinate (r_P); (y_D) Abstand der Detektoreinheit.

Die Detektoreinheit (D) besteht aus mindestens einem Detektorelement (D_A) und ist im vorliegenden Beispiel mit drei Detektorelementen (D_A, D_B, D_C) versehen. Vorzugsweise sind mehrere Detektorele­ mente mit jeweils möglichst kleinen Abmessungen, beispielsweise "Charge Coupled Device Detektoren", "Diodenarrays" und/oder Lichtleitersysteme bezie­ hungsweise "Lichtleiterarrays", zu verwenden. Gege­ benenfalls kann sich eine Detektoroptik zwischen der Flüssigkeit und der eigentlichen Detektorein­ heit (D) befinden. Die Detektoroptik kann aus Lin­ sen oder Linsensystemen sowie Filtern, beispiels­ weise Interferenzfilter, Polarisationsfiltern, etc. aufgebaut sein. Eine Einbeziehung von Gittersystem zur Spektralanalyse ist ebenfalls denkbar. Die pla­ nare oder konkav beziehungsweise konvex gekrümmte Detektoreinheit kann in einem vorzugsweise vari­ ablen Winkel (ε, Fig. 1) zum gegebenenfalls trans­ parenten, vorzugsweise planaren Boden des Proben­ trägers angeordnet sein. Im Folgenden ist ε = 90° (Fig. 1). In Fig. 1 besitzt der Probenträger eine zylindrische (ϕ = 90°) Symmetrie. Andere Messungen sind ebenfalls denkbar.

In Fig. 1 ist der Ausgangspunkt des Lichtstrahls (Lichtquelle LQ) unter den Probenträger (PT) und die Position der Detektoreinheit (D) darüber ange­ legt. Inverse oder andere Systeme sind ebenfalls denkbar. Die Lichtquelle (LQ) kann durch den Ein­ satz von Monochromatoren, beispielsweise Gitter oder entsprechende Filter sowie Polarisationsfil­ tern und Linsensystemen beziehungsweise Lichtlei­ tern, Lichtstrahlen mit verschiedenen Eigenschaften zur Verfügung stellen. Werden beispielsweise ra­ diärsymmetrisch zylindrische Lichtstrahlen sowie Probenträger und Detektoreinheiten verwendet, ist bei der x-Koordinate die Verwendung von Radien (r) bezogen auf die Symmetrieachse mit r = 0 sinnvoll. Die y-Koordinate umfasst die relevanten Bereiche der Flüssigkeitssäule im Probenträger als auch den Abstand der Detektoreinheit vom transparenten Boden des Probenträgers, der gleich Null gesetzt wird. Angaben der y-Koordinate, die sich auf die Flüssig­ keitssäule beziehen, werden mit der Schichtdicke (d) beschrieben, ansonsten wird y verwendet. Mit der Linie 22 in Fig. 1 ist eine planare Grenz­ fläche dargestellt, während die Linie 23 einen kon­ kaven Meniskus zeigt.

Bei der Ausbildung von Menisken kommt es zu ver­ schiedenen Effekten, die sich zwar gegenseitig be­ dingen, aber im Folgenden getrennt voneinander be­ schrieben werden. Zum Einen ändert sich bei einem Meniskus die Schichtdicke der Flüssigkeit konti­ nuierlich in Abhängigkeit der Krümmung des Meniskus (Fig. 2), zum Anderen kommt es an der gekrümmten Grenzfläche zur Brechung des Lichtes (Fig. 3). Dies macht den Linseneffekt eines Meniskus aus. Zu­ dem kommt es zu einer Veränderung der Reflexion. Diese nimmt mit zunehmender Krümmung des Meniskus und dem Durchmesser des Lichtstrahls zu. Streu­ effekte machen sich kaum bemerkbar. Des Weiteren spielt der Radius der Detektoreinheit (r_D) bezie­ hungsweise der Detektorelemente (r_D,A,B,etc.) und des­ sen Abstand vom Meniskus beziehungsweise vom Pro­ benträgerboden eine Rolle (Fig. 4). Um diesen Sach­ verhalt mathematisch zu erfassen, wird ein Licht­ strahl mit Radius (r_L) in Teillichtstrahlen mit be­ stimmten Radien (r_P), unterteilt. Oberhalb eines bestimmten Grenzradius (r_G) des Teillichtstrahls wird dieser aufgrund der Brechung das Detektorele­ ment der Detektoreinheit mit Radius (r_D), welche näher bei x = 0 liegt, nicht mehr erreichen. Dies hat zur Folge, dass das Signal dieses Detektorele­ ments abnimmt und somit die dort gemessene Intensi­ tät eines gebrochenen Lichtstrahls (I D|B), kleiner als die des gebrochenen Lichtstrahls (I_B) oder des nicht gebrochenen Lichtstrahls (I) ist. Werden Re­ flexion und Streuung vernachlässigt, kann I_B gleich I gesetzt werden. Bei I_B und I handelt es sich je­ weils um Intensitäten von Lichtstrahlen, die ein Medium bereits durchquert haben und somit von den Intensitäten der Lichtstrahlen zu unterscheiden sind, welche in das Medium eingestrahlt werden (I_D).

Zur weiteren Beschreibung der Erfindung am Beispiel des Einflusses kreisförmiger Menisken, bei vertika­ len spektrophotometrischen Messungen von Flüssig­ keiten in Probenträgern, wird die Bestimmung der Schichtdicke gesondert dargestellt. Die Schicht­ dicke kann über die Beschreibung der Krümmung des Meniskus erfasst werden. Diese Krümmung hängt über­ wiegend von den Eigenschaften der Flüssigkeiten und der Probenträgerwände sowie von der Gravitation ab. Beispielsweise sind bei der Bildung eines konkaven Meniskus die Adhäsionskräfte größer, als die Kohä­ sionskräfte. Im Extremfall sind die Adhäsionskräfte so groß, dass die Flüssigkeit die Probenträgerwand fast vollständig benetzt und sie damit annähernd unter dem Winkel γ = 0 trifft. Ein entsprechend kleiner Probenträgerradius (r_PT) kann daher eine beinahe halbkreisförmige Meniskenbildung ermög­ lichen (Fig. 2A).

Der Wert für die Schichtdicke (d_(M)) in Abhängigkeit des Meniskus bezogen auf r = 0 berechnet sich nach dem Satz des Pythagoras für einen konvexen Meniskus zu:

r² + (d_(M) - r_PT)² = r 2|PT (1)

und für einen konkaven zu:

r² + (r_PT - d_(M))² = r 2|PT. (2)

Da die binomischen Formeln gleich sind, resultiert eine quadratische Gleichung, die folgende Lösung liefert:

Somit ergibt sich die Schichtdicke in Abhängigkeit des Radius (d_(r)) an einem beliebigen Punkt (Z) auf einem konvexen Meniskus nach:

d_(r) = d_r=0 - d_(M) (4)

und bei einem konkaven Meniskus nach:

d_(r) = d_r=0 + d_(M). (5)

Ferner berechnet sich die radiusabhängige Absorpti­ on (Abs_(r)) bei spektrophotometrischen Messungen nach dem Bougner-Lambert-Beerschen Gesetz zu:

Abs_(r) = ε.c.d_(r). (6)

Hierbei ist c die Konzentration des Chromophoren und ε dessen molarer, dekadischer Absorptionsko­ effizient bei einer bestimmten Wellenlänge. Als Chromophor kann der Analyt selbst, ein Reaktions­ produkt, oder eine sonstige absorbierende Substanz, vorzugsweise jedoch eine Flüssigkeit dienen. In wässrigen Lösungen sind beispielsweise Messungen im infraroten Bereich vorteilhaft, da hier Wasser ab­ sorbiert. In Systemen mit mehreren Flüssigkeiten beziehungsweise auch mit einem Gas können die spektrophotometrischen Eigenschaften einer oder mehrerer Komponenten ausgenutzt werden. In der Re­ gel wird der Winkel γ jedoch ungleich Null sein. Hierbei spielt die Wahl des Probenträgerradius' eine Rolle. Es bilden sich daher nicht nur halb­ kreisförmige Menisken, sondern auch lediglich kreisförmige Menisken aus. Daneben ist es denkbar, dass sich Menisken mit ortsabhängigen Meniskenra­ dien (R_(r)) ausbilden (Fig. 2B), die folgendermaßen beschrieben werden können:

Beim Strahlengang muss hier berücksichtigt werden, dass kein Brennpunkt, sondern eine Brennwolke auf­ tritt. In gewissen Grenzen kann dies jedoch ver­ nachlässigt werden. Wird beispielsweise lediglich der Bereich des Meniskus betrachtet, der vom Licht­ strahl getroffen wird, kann diese lokale Gegeben­ heit auch ein ortsunabhängiger Meniskenradius aus­ reichend beschreiben.

Um die Schichtdicke funktionsunabhängig in die Be­ rechnung der Absorption einzubeziehen, kann ein Lö­ sungsansatz über die Bestimmung der mittleren Schichtdicke (d_m) verwendet werden. Für die Berech­ nung der mittleren Schichtdicke wird der Mittelwertsatz der Integralrechnung herangezogen, mit dem sich folgendes ergibt:

Analog gilt für die Betrachtung des Volumens unter Einbeziehung der Winkelfunktionen (χ = rcosϕ; γ = rsinϕ):

• 1. Fall; Grenzfall: r_L = r_PT; d_m = d_pG;
• 2. Fall; Regelfall: r_L < r_PT; d_m ≠ d_pG.

Im Vergleich zu einer planaren Grenzfläche und deren Schichtdicke (d_pG) haben Lichtstrahlen mit Radien, die kleiner als der Probenträgerradius sind, eine Veränderung der mittleren Schichtdicke zur Folge, sofern Reflexionserscheinungen am Pro­ benträger vernachlässigt werden können. Nach dem Bougner-Lambert-Beerschen Gesetz:

Abs = ε.c.d_m (10)

ist das Messsignal, beispielsweise die Absorption, von Proben bei gleichen Volumina mit einer planaren Grenzfläche ungleich zu demjenigen mit einem Menis­ kus. Bei konkaven Menisken kommt es zu einer Er­ niedrigung des Messsignals, bei konvexen zu einer Erhöhung desselben.

Es ist zu berücksichtigen, dass nur im Grenzfall beziehungsweise unter idealen Bedingungen ein sphä­ rischer Meniskus, sei es ein halbkreisförmiger oder nicht, entsteht. Daher kann nur bei idealen Bedin­ gungen von einem Brennpunkt gesprochen werden. Kommt es zu Abweichungen, handelt es sich um eine Brennpunktwolke. Der Einfachheit halber wurde bei den Darstellungen und Berechnungen von einem defi­ nierten Brennpunkt ausgegangen. Näherungsweise treffen die Berechnungen auch für eine Brennpunkt­ wolke zu.

Außerdem ist es denkbar, dass lediglich der Bereich des Meniskus betrachtet wird, der vom Lichtstrahl getroffen wird. Näherungsweise, bei einem nicht zu großen Lichtstrahldurchmesser, kann hier lokal ein konstanter Meniskenradius definiert werden, so dass ein Brennpunkt berechnet werden kann.

Neben der Schichtdickenänderung kann auch die Bre­ chung des Lichtes analytisch ausgenutzt werden. Diese wird durch das Snelliussche Brechungsgesetz:

beschrieben (Fig. 3). Beim Übergang eines Licht­ strahls vom Medium 1 (Flüssigkeit A) in ein Medium 2 (Luft, andere Gase oder eine Flüssigkeit B, die mit Flüssigkeit A nicht mischbar ist) ist der Quo­ tient der Sinuswerte von Einfallswinkel (α) und Brechungswinkel (β) gleich dem umgekehrten Verhält­ nis der absoluten Brechungsindices (n) beider Me­ dien. In der Regel wird der Brechungsindex (n_1,2) von Stoffen gegenüber Luft angegeben. n_1,2 ist nicht nur vom Medium selbst abhängig, sondern auch von der Wellenlänge des betreffenden Lichtes. Diese so­ genannte Dispersion wird empirisch ermittelt. Bei einer definierten Wellenlänge kann demnach der Bre­ chungswinkel über den Einfallswinkel berechnet wer­ den. Da der Einfallswinkel von der Tangentenstei­ gung am Meniskus abhängig ist, kann die Brechung des Lichtes in Abhängigkeit des Meniskus über die Abhängigkeit der Tangentensteigung des Meniskus (m_TM(r)) nach:

ermittelt werden.

Die Intensität (I^D), die an der Detektoreinheit ge­ messen wird, ergibt sich aus dem dort erzeugten Signal, beispielsweise der Spannung (U), die von der Intensität des Lichtes, das heißt von der An­ zahl der einfallenden Photonen und ihrer Energie, abhängt (Fig. 4). Um diesen Sachverhalt zu be­ schreiben, wird die x-Koordinate (r_PD) eines Teil­ lichtstrahls, der auf die Detektoreinheit trifft, mit der x-Ausgangskoordinate des Teillichtstrahls (r_P), dem Abstand zwischen der Detektoreinheit und der Meniskusoberfläche (y_D - d_(M)) sowie dem Einfalls- und Brechungswinkel folgendermaßen ermittelt (Fig. 3):

r_PD(rP) = r_P + (y_D - d_(M))tan(β - α) (13)

• 1. Fall: r_PD(rP) ≦ r_DA , der Teillichtstrahl trifft die Detektoreinheit bezie­ hungsweise das Detektorelement D_A (Fig. 4B und C),

Die am Detektorelement D_A gemessene Intensität eines gebrochenen Lichtstrahls (I D|B) entspricht da­ mit der Intensität eines gebrochenen Lichtstrahls (I_B) sowie der eines nicht gebrochenen Lichtstrahls (I):

I D|B = I_B = I;

• 1. Fall: r_PD(rP) < r_DA , der Teillichtstrahl trifft das Detek­ torelement D_A nicht (Fig. 4D und E),
  I D|B < I_B = I; entsprechend nimmt die Intensität an einem benachbarten Detektor­ element zu.

Um die Abhängigkeit der an der Detektoreinheit be­ ziehungsweise den Detektorelementen gemessenen In­ tensität eines gebrochenen Lichtstrahls genauer zu untersuchen, wird die Photonendichte (Pd) einge­ führt. Die Photonendichte eines Lichtstrahls wird in Photonen pro Fläche (A) und Zeit (t) ausge­ drückt:

Da das Zeitintervall der Messung durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung vorgegeben und nicht durch die Brechung beeinflusst wird, wird diese Gleichung auf:

reduziert. Unter der Annahme, dass bei einem gebro­ chenen Lichtstrahl die Photonendichte quadratisch mit dem Abstand, beispielsweise ausgehend von einem virtuellen oder realen Brennpunkt (B_v, B_r) (Fig. 4D und E), abnimmt, ergibt sich folgender Zusammen­ hang (Fig. 4A):

Darum gilt für die Photonendichte auf der Höhe Y_D der Detektoreinheit (P_yD /A_yD ) bezogen auf die Photo­ nendichte des aus der Flüssigkeit austretenden Lichtstrahls (P_m/A_m) mit der mittleren Schichtdicke (d_m):

Mit der Photonendichte des in das Medium eintreten­ den Lichtstrahls P₀/A₀ ergibt sich für P_yD /A_yD :

Da die Photonendichte bei y_D für den Lichtstrahl­ kegel und die Detektoreinheit

gleich ist, gilt:

Demzufolge gilt für die Intensität eines gebroche­ nen Lichtstrahls an der Detektoreinheit beziehungs­ weise einem Detektorelement (I D|B) bei Radiärsym­ metrie:

Hieraus ergibt sich am Detektorelement D_A (Fig. 4) mit:

entspre­ chend nimmt die Intensität an einem be­ nachbarten Detektorelement zu.

Für die Absorption bedeutet dies für das Detektor­ element (D_A) im zweiten Fall eine Zunahme nach:

Aufgrund des quadratischen Zusammenhangs wird sich dies entsprechend stark bemerkbar machen. Das Auf­ treten von Reflexion führt mit zunehmender Krümmung des Meniskus sowie steigendem Lichtstrahldurchmes­ ser ebenfalls zu einer Abnahme des Messsignals. Veränderungen der Schichtdicke werden unter diesem Aspekt nur bei geringen Lichtstrahldurchmessern exakt erfasst werden können. Die Auswirkungen der Streuung werden sich in diesem Rahmen kaum bemerk­ bar machen.

Eine weitere Möglichkeit, den Sachverhalt der Aus­ wirkungen der Brechung mathematisch zu fassen, liegt in der Berechnung der Fläche des Lichtstrahl­ kegels (A_yD ):

und der an der Detektoreinheit beziehungsweise den Detektorelementen gemessenen Photonendichte eines gebrochenen Lichtstrahls (Pd D|B), anhand:

Da es sich jeweils um Kreisflächen handelt, gilt auch hier:

Somit kann gezeigt werden, dass das erfindungsge­ mäße Verfahren und die dafür notwendige, erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Eigen­ schaften von Flüssigkeiten und/oder Oberflächen ge­ eignet ist. Analyte, die sich in der Flüssigkeit befinden und deren Eigenschaften verändern, können somit auch nachgewiesen werden.

In Fig. 5 sind vereinfachte Ausführungen der er­ findungsgemäßen Vorrichtungen sowie die Auswirkun­ gen der Meniskenbildung bei Lichtstrahlen mit klei­ nen Radien (eine gepunktete Linie, Fig. 5A, C und F) und großen Radien (zwei gepunktete Linien, Fig. 5B, D, E, G, H, I und J) auf den Strahlengang und das Messsignal (S) ortabhängig (r) dargestellt. Die ortsabhängige Darstellung der Messsignale ist hier zur Veranschaulichung lediglich schematisch und stark vereinfacht dargestellt.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind schema­ tisch anhand Detektoreinheiten 1, Probenträgern 2 mit Seitenwänden 3, die über entsprechende Oberflächeneigenschaften verfügen, einen in diesen Fällen transparenten Boden 4 und einer nicht näher defi­ nierten Lichtquelle 5 dargestellt. Die von der Lichtquelle 5 ausgehenden Lichtstrahlen durchqueren die Flüssigkeiten 7, welche alle dasselbe Volumen besitzen, aber entweder planare Grenzflächen oder Menisken ausbilden.

In Fig. 5A und B ist der Sachverhalt bei Messungen mit einer planaren Grenzfläche dargestellt. Es er­ geben sich lokal definierte Signale mit entspre­ chendem Ausmaß beziehungsweise Intensität in Abhän­ gigkeit des verwendeten Lichtstrahls. Kommt es zur Ausbildung eines konkaven Meniskus (Fig. 5C, D und E), wird ein zentrierter Lichtstrahl mit klei­ nem Radius (Fig. 5C) im Idealfall nicht gebrochen. Die Schichtdicke der Flüssigkeit im Zentrum nimmt bei einem konkaven Meniskus ab, so dass im Falle dieser photometrischen Messung das Signal, das heißt die Intensität, im Vergleich zu einer plana­ ren Grenzfläche zunimmt. Für die Absorption bedeu­ tet dies nach dem Bougner-Lambert-Beerschen Gesetz eine Abnahme (siehe auch Fig. 6).

Wird hingegen ein Lichtstrahl mit einem großen Ra­ dius verwendet, kommt es überwiegend zu einer Bre­ chung des Lichtstrahls (Fig. 5D). Damit verringert sich das Signal, erstreckt sich allerdings über einen weiteren Bereich. Wird nur eine Detektorein­ heit betrachtet, führt die Abnahme des Signals bei photometrischen Messungen zu einer Intensitätsab­ nahme, die eine Absorptionszunahme nach sich zieht (siehe auch Fig. 7). Ähnlich kann es sich bei lu­ minometrischen Messungen verhalten (Fig. 8).

Um Reflexionserscheinungen am Probenträger zu ver­ hindern, kann es sinnvoll sein, den Probenträger entsprechend geometrisch zu gestalten. Beispiels­ weise kann eine kegelförmige Geometrie sinnvoll sein (Fig. 5E). Es ist ebenfalls denkbar, planare oder annähernd planare Probenträger einzusetzen (Fig. 5F). Außerdem kann es von Vorteil sein, Ma­ terialien einzusetzen, die Reflexionserscheinungen minimieren. Des Weiteren kann durch die Wahl ent­ sprechender Flüssigkeitsvolumina eine Füllhöhe er­ reicht werden, die die Gefahr von Reflexionser­ scheinungen vermindert.

Werden konvexe Menisken gebildet, kommt es bei Lichtstrahlen mit kleinen Radien im Vergleich zu einer planaren Grenzfläche zu einer Erhöhung der Schichtdicke, damit zu einer Reduktion des Signals und schließlich bei photometrischen Messungen zu einem Anstieg der Absorption (Fig. 5G). Entspre­ chend kann zwischen konkaven und konvexen Menisken unterschieden werden.

Bei der Verwendung von Lichtstrahlen mit großen Ra­ dien kann dies durch die Veränderung des Abstandes der Detektoreinheit zum Probenträger beziehungs­ weise zur Oberfläche der Flüssigkeit erfolgen (Fig. 5G, H und I). Konkave Menisken führen zu einer anderen Abhängigkeit der Signalidentitätsver­ teilung vom Abstand als konvexe Menisken.

Fig. 6 zeigt das Ergebnis von Versuchen, bei denen wässrige Lösungen mit unterschiedlichen Rinderhä­ moglobinkonzentrationen gleicher Volumina in kegel­ förmigen Probenträgern aus unpolarem Material mit identischen Abmessungen und einem Durchmesser auf Höhe der Meniskenbildung von circa 6 mm verbracht wurden. Die Lösungen wurden photometrisch bei einer Wellenlänge von 977 nm vermessen. Bei dieser Wel­ lenlänge absorbiert lediglich Wasser, nicht Rinder­ hämoglobin. Es wurden Lichtstrahlen mit Radien im Mikrometerbereich mittig in die Proben einge­ strahlt, so dass Brechungsvorgänge vernachlässigt werden konnten. Zur Detektion wurde ein Detektor­ element mit konstantem Abstand vom Probenträger verwendet.

Die mit der Rinderhämoglobinkonzentration bis zu einem Maximum zunehmende, konkave Meniskenbildung war so nicht zu erwarten. Überraschenderweise la­ gerte sich offensichtlich Rinderhämoglobin an die unpolare Oberfläche des Probenträgers und erhöhte damit die Polarität der Oberfläche des Probenträ­ gers, wodurch die Adhäsionskräfte zunahmen. Uner­ wartet war auch die sehr deutliche Abnahme der Schichtdicke, die sich in einer signifikanten Re­ duktion der Absorption wiederspiegelte (siehe auch Fig. 5C). Proben, die kurz vor der Messung stark geschüttelt wurden (o), lieferten überraschender­ weise andere Daten, als Proben, die nach dem Schüt­ teln noch eine gewisse Zeit bei Raumtemperatur in­ kubiert wurden (). Zum Vergleich wurden Proben in Küvetten (Δ) vermessen, die das Ausbilden von Me­ nisken unterdrücken.

Die Schichtdicke ist hier konstant und damit auch die Absorption von der Rinderhämoglobinkonzentra­ tion. Die Deutlichkeit des Effektes, im Besonderen bei extrem niedrigen Rinderhämoglobinkonzentrationen, verdeutlicht die Effektivität des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Bei den Versuchen gemäß Fig. 7 wurde wie bei dem in Fig. 6 dargestellten Versuch verfahren. Aller­ dings wurde hier eine Humanhämoglobinbestimmung nach Drabkin (Drabkin und Austin, J. Biol. Chem., 98, 719, 1932) durchgeführt. Zur Messung wurde ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 540 nm und einem Radius von etwa 2 mm eingesetzt.

Die Absorption stieg mit zunehmender Humanhämoglo­ binkonzentration bei der Verwendung von Küvetten (∎) mehr oder minder linear an. Im Gegensatz hier­ zu lieferte die Verwendung des innovativen Systems (⚫) eine dihyperbole Kurve mit deutlich erhöhter Empfindlichkeit.

Ab einer bestimmten Hämoglobinkonzentration wurden die Steigungen der beiden Kurven vergleichbar, so dass der Beitrag des Chromophoren unter Berücksich­ tigung der Veränderung der Schichtdicke ermittelt werden kann.

Mit einer weiteren analogen Versuchsanordnung zeigte sich gemäß Fig. 8, dass die von der Analy­ tenkonzentration abhängige Meniskenbildung auch mittels einer luminometrischen Messung ausgewertet werden kann. Hierzu wurde die Fluoreszenz von Schweineherzdiaphorase bei 365 nm angeregt.

Mit dem erfindungsgemäßen System (o) ergab sich ein annähernd dihyperboler Verlauf, im Gegensatz zu den Versuchen, bei denen Küvetten () verwendet wur­ den. Hier zeigte sich ein linearer Zusammenhang.

Die relative Fluoreszenz ergab sich aus der Inte­ gration über eine definierte Kreisfläche der Pro­ benträger von etwa 4 mm.

In Fig. 9 wird deutlich, dass es von Vorteil sein kann, gekrümmte Detektoren (D_1,5), beispielsweise ein "Charge Coupled Device", ein "Diodenarray" oder vorzugsweise ein "Lichtleiterarray", einzusetzen. Die ortsabhängige Auflösung der Signale bei ge­ krümmter Detektorgeometrie unterscheiden sich von einem planaren Detektor (D₃). Dies kann vorteilhaft ausgenutzt werden. Es ist ebenfalls denkbar, einen planaren Detektor um einen bestimmten Winkel ε (D_2,4) (siehe auch Fig. 1) zu neigen, um ihn dann rotieren zu lassen. Demnach ist es auch denkbar, einen Detektor einzusetzen, dessen Detektorelemente nicht flächig, sondern lediglich linienförmig an­ einandergereiht sind. In Konsequenz kann ebenfalls ein einziges Detektorelement in einem entsprechen­ den, räumlichen Scanbetrieb eingesetzt werden.

Aber auch durch entsprechende optische Linsen­ systeme, wie beispielhaft in Fig. 10 dargestellt, kann die Detektion in einer vorteilhaften Weise er­ folgen. Eine optische Linse oder ein Linsensystem 9 kann durch die Bewegung gemäß Doppelpfeil 10 im Raum, gegebenenfalls durch Änderung von Brechungs­ eigenschaften, das Signal beeinflussen. In Abhän­ gigkeit des Meniskus und der Änderung des Linsen­ systems ergeben sich definierte Signale, die zum Nachweis beziehungsweise zur Bestimmung eines Ana­ lyten herangezogen werden können.

Auf die Variationsmöglichkeit des Lichtstrahlradius durch Blenden, optische Systeme oder "Lichtleiter­ arrays" wurde bereits in der Beschreibung der Fig. 5 eingegangen. In Fig. 11 ist beispielhaft darge­ stellt, wie optische Linsen beziehungsweise Linsen­ systeme 11 in einer ebenfalls vorteilhaften Weise bei der Generierung von Lichtstrahlen eingesetzt werden können. In den Abbildungen wurde auf die Darstellung der Brechung an planaren Flächen ver­ zichtet. Wird die Position des Brennpunktes in einem System variiert (Doppelpfeil 12; gepunktete und gestrichelte Linien), ergeben sich bei einer planaren Grenzfläche (Fig. 11A) andere Brechungs­ eigenschaften als bei einer gekrümmten Grenzfläche (Fig. 11B). Entsprechend sind die Signale unter­ schiedlich, so dass ein Analyt auch auf diesem Wege detektiert werden kann.

In den Fig. 12A und 12B ist die Möglichkeit eines Scanbetriebs dargestellt. Dieser kann von unten (Fig. 12A) erfolgen. Vorzugsweise wird hier ein Lichtstrahl mit einem möglichst geringen Radius eingesetzt. Bezüglich einer zentrierten Position (gepunktete Linie, Fig. 12A) liefert eine Translo­ kation (Doppelpfeil 13, Linie mit langen Strichen, Fig. 12A) und/oder die Variation des Winkels δ (Linie mit kurzen Strichen, Fig. 12A) bestimmte Signale in Abhängigkeit des Meniskus. Wird der Pro­ benträger von Detektorsystemen 1 umschlossen, kann die Signalerfassung optimiert werden. Beispiels­ weise kann der Anteil der Reflexion (dünn gestri­ chelte Linien, Fig. 12A) erfasst werden. Gegebe­ nenfalls ist die Detektion der Streuung ebenfalls möglich.

Wird der Lichtstrahl seitlich eingestrahlt (Fig. 12B), kann im Besonderen die Totalreflexion ausge­ nutzt werden (gepunktete Linie). Des Weiteren kann eine Messung mit definierter Schichtdicke (ge­ strichelte Linie) erfolgen, so dass die Konzentra­ tion eines Chromophoren auf herkömmliche Weise er­ mittelt werden kann. Damit kann der Anteil der Me­ niskenbildung am Messeffekt unabhängig von der Ab­ sorption des Chromophoren erfasst werden.

Neben den anhand der Fig. 7, 8 und 12B beschrie­ benen Möglichkeiten zur Ermittlung des Beitrags der Chromophoren zum Messeffekt gibt es weitere Optio­ nen. Beispielsweise kann die Bestimmung auch da­ durch erfolgen, dass die Proben zusätzlich in Küvetten mit definierten Schichtdicken durchgeführt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Lichtquelle 5 und die Detektoreinheit 1 entspre­ chend Fig. 13A so zu drehen, dass neben einer ver­ tikalen auch eine horizontale Messung erfolgen kann. Es ist natürlich ebenfalls denkbar, eine zweite Lichtquelle 5' und eine zweite Detektorein­ heit 1' vorzusehen. Des Weiteren kann ein System von Spiegeln 14, wie in Fig. 13B dargestellt, ein­ gesetzt werden. Lichtleitersysteme können ebenfalls statt des Spiegelsystems verwendet werden.

Die Erfindung umfasst ebenfalls den Einsatz von Systemen mit mehreren Phasen beziehungsweise Flüs­ sigkeiten. In Fig. 14 ist beispielsweise ein System bestehend aus zwei miteinander nicht misch­ baren Flüssigkeiten A und B dargestellt. Flüssig­ keit B besitzt in diesem Fall eine geringere Dichte als Flüssigkeit A. Die Ausformung der Grenzfläche flüssig-gasförmig der Flüssigkeit B kann in Abhän­ gigkeit der Versuchsbedingungen planar, konkav oder konvex sein. Bei entsprechender Kombination kann dies vorteilhaft zu einer Verringerung oder Ver­ stärkung der Brechungs-, Reflexions- und Streuungs­ effekte sowie Schichtdickenänderung führen.

Eine planare Grenzfläche entsteht immer dann, wenn der Probenträger exakt bis zum Rand mit Flüssigkeit B gefüllt ist. Wird diese Grenze überschritten, bildet sich immer ein konvexer Meniskus, bis es zum Überlaufen der Flüssigkeit kommt.

Vorzugsweise besitzt die Flüssigkeit B einen ent­ sprechend hohen Siedepunkt, so dass diese als Ver­ dunstungsschutz für die Flüssigkeit A eingesetzt werden kann. Entsprechend können Messungen auch bei hohen Temperaturen, die gegebenenfalls sogar über dem Siedepunkt der Flüssigkeit A liegen, durchge­ führt werden.

Neben der Verwendung von zwei Flüssigkeiten ist auch der Einsatz weiterer Flüssigkeiten denkbar. In einer speziellen Ausführungsform kann dies auf be­ sondere Art und Weise ausgenutzt werden. In Fig. 15 ist dies dargestellt. Neben dem Einsatz einer dritten Flüssigkeit C, kann gegebenenfalls auch die Bildung der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit A und B ausgenutzt werden. Im Speziellen ist es denkbar, Substanzen einzusetzen, die über spektrophotome­ trische und/oder luminometrische Eigenschaften ver­ fügen und sich vorzugsweise im Bereich der Phasen­ grenze aufhalten. Vorzugsweise sind bei dieser Aus­ führung die Vorrichtungen mit Lichtleitern oder "Lichtleiterarrays" zu versehen, die sowohl Licht­ quelle 5 als auch Detektor 1 sein können. Kommt es zur Ausbildung einer planaren Phasengrenze (Fig. 15A) kann ein Lichtstrahl 6, ausgehend von einem bestimmten Lichtleiter 16, die Phasengrenze bezie­ hungsweise Flüssigkeit C durchstrahlen, um dann auf das gegenüberliegende Lichtleiterelement zu tref­ fen. Bildet sich ein schwacher Meniskus, kann durch Totalreflexion innerhalb der Phasengrenze bezie­ hungsweise innerhalb der Flüssigkeit C der Licht­ strahl gegenüberliegende Lichtleiter prinzipiell noch erreichen. Nimmt die Krümmung des Meniskus zu, ist dies nicht mehr möglich. Zunächst kommt es zur Brechung, dann zu der in Fig. 15B dargestellten Totalreflexion. Um diese festzustellen, kann es sinnvoll sein, ebenfalls oben und unten Detektoren einzusetzen.

Die Verwendung von Detektoren an diesen Stellen wird im Besonderen für luminometrische Messungen wichtig sein. In Abhängigkeit der Gestalt, planar, konkav oder konvex, der Phasengrenze beziehungs­ weise Flüssigkeit C, verändert sich die Verteilung der Lumineszenz. Dies kann durch Detektoren, die oberhalb beziehungsweise unterhalb angebracht sind, besonders gut erfasst werden (siehe auch Fig. 8).

Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, einen Lichtleiter oder ein "Lichtleiterarray" lediglich auf einer Seite einzusetzen, da die Lumineszenz oder die Reflexion bei photometrischen Bestimmungen im Bereich der Flüssigkeit A, B und der Phasen­ grenze beziehungsweise Flüssigkeit C unterschied­ lich sein kann. Durch den Einsatz von Substanzen mit entsprechenden spektrophotometrischen und/oder luminometrischen Eigenschaften, die sich spezifisch in der Phasengrenze oder den Flüssigkeiten aufhal­ ten, kann die Effizienz der Messung verbessert wer­ den. Es ist ebenfalls denkbar, Substanzen zu ver­ wenden, die als Fluoreszenzlöscher fungieren, um so optimale Messsignale zu erhalten.

Des Weiteren können die Lichtstrahlen der jeweili­ gen Lichtleiterelemente gleichzeitig oder nachein­ ander eingestrahlt und ein Scan durchgeführt wer­ den. Außerdem ist es denkbar, mindestens eine Flüs­ sigkeit durch ein Gel oder eine andersartige Matrix zu ersetzen.

In Fig. 16 sind Kammersysteme dargestellt, die mit Zu- und Abflusssystemen 17, 18 für die Flüssigkeit oder das Gas B sowie Zu- und Abflusssystemen 19, 20 für die Flüssigkeit oder das Gas A ausgestattet sein können. Auch sind Aufbauten denkbar, bei denen lediglich eine Zuleitung als Zu- und Abfluss für die jeweilige Flüssigkeit oder gar für beide einge­ setzt wird. Mit den Systemen ist es beispielsweise denkbar, Volumenverhältnisse zu variieren. Bei­ spielsweise kann ein erfindungsgemäßes Verfahren hilfreich sein, bei dem eine Flüssigkeit zunächst bestimmte Oberflächenbereiche benetzt und dann ver­ drängt wird. Erst durch diese Verfahrensweise bil­ den sich Menisken in einer bestimmten Weise aus. Ähnlich kann mittels Schütteln des Probenträgers verfahren werden (Fig. 6). Zudem kann es sinnvoll sein, hierbei bestimmte Inkubationszeiten oder Tem­ peraturbedingungen einzuhalten.

Es ist beispielsweise ebenfalls denkbar, einen Ana­ lyten in einer ersten Flüssigkeit in einen Proben­ träger zu überführen, dessen Oberfläche so funktio­ nalisiert wurde, dass diese hochaffin für den Ana­ lyten ist. Sollte sich durch die Bindung des Analy­ ten noch kein ausreichender Meniskus ausbilden, kann die erste Flüssigkeit durch eine zweite Flüs­ sigkeit ausgetauscht werden, welche bei Anwesenheit des Analyten an der Probenträgeroberfläche einen charakteristischen Meniskus ausbildet.

Das "Anheften" der Analyte an eine gegebenenfalls entsprechend funktionalisierte Probenträgerober­ fläche kann unspezifisch über von der Waalssche und ionische Wechselwirkungen, aber auch über Wasser­ stoffbrücken-, koordinative oder kovalente Bindun­ gen erfolgen.

Ein weiterer Effekt, der analytisch ausgenutzt wer­ den kann, ist die Konzentrierung von Analyten im Bereich des minimalen Abstandes einer konkaven Oberfläche bezüglich des Bodens des Probenträgers. Eine auf den Analyten abgestimmte Funktionalisie­ rung der Oberfläche oder die Variation der Ober­ flächeneigenschaften des Probenträgers sind auch hier denkbar. Die Variation des Flüssigkeitsvolu­ mens und damit der Höhe der Flüssigkeitssäule kann hier ebenfalls vorteilhaft ausgewertet werden.

Die lokale Konzentrierung geladener Analyte kann beispielsweise auch durch elektrische Felder erfol­ gen. Außerdem können durch den Einsatz elektrischer Felder die Eigenschaften der Probenträgeroberflä­ chen, der Flüssigkeiten, Gase und/oder der Analyten so verändert werden, dass für Messungen vorteil­ hafte Effekte erzielt werden. Beispielsweise ist es mit Hilfe von Elektroden möglich, durch das Anlegen unterschiedlicher elektrischer Potentiale an einen Probenträger mit zunächst unpolaren Oberflächen po­ lare Oberflächen zu erzeugen. Die Verwendung von zeitabhängigen elektrischen Potentialen kann für die Untersuchung magnetischer Analyten beziehungs­ weise Partikel sinnvoll sein. Außerdem besteht durch den Einsatz von Funkenentladungen die Mög­ lichkeit, schnelle Reaktionen zu untersuchen. Ent­ sprechend kann dies auch durch schnelle Druckände­ rungen mit Hilfe der Zu- und Abflusssysteme ermög­ licht werden.

Zudem können unter Verwendung der Zu- und Abfluss­ systeme Analyten im Fluss in die Kammer verbracht werden. Hierbei kann das Volumen der Flüssigkeiten und/oder Gase konstant gehalten werden. Wird die Konzentration des Analyten einer fließenden Flüs­ sigkeit konstant gehalten, erfolgt eine Bindung des Analyten an die Probenträgeroberfläche, bis ein dy­ namisches Gleichgewicht erreicht wird. Aufgrund der einhergehenden Meniskenbildung und Signalverände­ rung kann die Assoziationsgeschwindigkeitskonstante ermittelt werden. Wird mit Flüssigkeit ohne Analyt gespült, erfolgt die zeitabhängige Dissoziation des Analyten von der Probenträgeroberfläche. Entspre­ chend kann die Dissoziationsgeschwindigkeitskon­ stante ermittelt werden. Damit können die Gleichge­ wichtskonstanten der Assoziation und Dissoziation berechnet werden. Natürlich ist auch hier der Ein­ satz unterschiedlicher Analytkonzentrationen denkbar. Diese können dann anhand des Ausmaßes des Sig­ nals bestimmt werden.

Neben Zu- und Abflüssen direkt in die Kammer ist auch der Einsatz von Zu- und Abflüssen 21, 22 in den Probenträger, der in diesem Fall über Hohlräume verfügt, denkbar. Dadurch kann eine Thermostatisie­ rung erfolgen. Außerdem kann über permeable, im Speziellen semipermeable Membraneigenschaften der Probenträgeroberflächen der Seitenwände 3 und des Bodens 4 ein Stoffaustausch stattfinden, der gemes­ sen werden kann.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf die Detektoreinheit, Lichtquelle beziehungs­ weise Lichtstrahl sowie Beispiele hinsichtlich der Vergleichsmessungen, Phasen- beziehungsweise Flüs­ sigkeiten können prinzipiell beliebig miteinander kombiniert werden.

Der Probenbehälter weist vorzugsweise einen Radius von 2 mm bis 3 mm auf, jedoch sind zuverlässige Er­ gebnisse auch bei einem Radius von circa 6 mm er­ zielbar.

Die Bestimmung eines Analyten kann dadurch erfol­ gen, dass in eine bereits vorhandene Lösung (Fig. 5A oder B) ein geringes Volumen bezie­ hungsweise eine geringe Menge Analyt gegeben wird, wodurch sich dann konkave (Fig. 5C, D oder E) oder konvexe (Fig. 5F bis J) Menisken bilden. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Systems (Fig. 7, 8 und 9) ist die Zugabe von geringen Analytmengen möglich. Eine Änderung der Schichtdicke hierdurch kann demnach vernachlässigt werden. Außerdem ist die Verwendung von Referenzen (mit gleichem Volumen), wie Lösungen mit bekannten pola­ ren Eigenschaften oder Zusätzen, denkbar. Bei Kine­ tiken würde die Änderung des Signals mit der Zeit verfolgt werden, bezogen auf den Start- und End­ punkt einer Reaktion oder Bindung.

Abweichungen durch Absorption sind dabei zu berück­ sichtigen. Allerdings liefert die Meniskenbildung eine charakteristische Signalverteilung bezüglich des Radius' (Fig. 5). Dies trifft in dieser Weise auf die Absorption nicht zu. Außerdem wird vorzugs­ weise angestrebt, nicht die Wellenlängen zur Mes­ sung einzusetzen, bei denen der Analyt absorbiert, sondern eine andere, inerte Substanz oder vorzugs­ weise das Lösungsmittel (IR-Bereich bei Wasser). Es ist denkbar, dass zur Berücksichtigung von Absorp­ tionen eine Absorptionsmessung separat oder statt vertikal horizontal im selben Probenträger durchge­ führt werden. Damit kann die Änderung der Absorp­ tion unabhängig von der Meniskenbildung erfasst werden.

Entscheidend ist somit das Auftreten von Effekten überhaupt, die Signale ergeben, welche den Nachweis beziehungsweise die Bestimmung von Analyten ermög­ lichen. Quantifizierungen können beispielsweise über Eichreihen erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Eigenschaften von Flüssigkeiten, im Besonderen deren Oberflächenspannung und Brechungsindices, die Eigenschaften von Feststoffen beziehungsweise Oberflächen, im Speziellen deren Grenzflächeneigen­ schaften, beispielsweise die Polarität und Rauhig­ keit sowie die Eigenschaften von Gasen zu bestim­ men.

Claims (12)

1. Verfahren zum Nachweis eines Analyten in einem Probenträger, wobei der Analyt gegebenenfalls in und/oder an einem flüssigen oder gasförmigen oder festen Aufnahmemedium enthalten ist, unter Vorlie­ gen mindestens einer Flüssigkeit, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die geometrische Ausgestaltung einer Grenzfläche der Flüssigkeit zum Nachweis des Analy­ ten im Probenträger mittels Messung eines von der Gestalt der Grenzfläche abhängigen Messwerts heran­ gezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Analyt, die Flüssigkeit, oder die Flüssigkeit und der Analyt mit mindestens einem Lichtstrahl durchsetzt wird und eine von der geo­ metrischen Ausgestaltung der Grenzfläche abhängige Lichtintensität mittels einer Detektoreinheit zum Nachweis des Analyten im Probenträger ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der De­ tektoreinheit eine photometrische Messung oder eine luminometrische Messung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit unter Veränderung des Abstands zur Grenzfläche bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Grenzfläche und der Detektoreinheit angeordnetes optisches Linsensystem zur Messoptimierung bewegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass ein qualitativer und/oder quantitativer Nachweis des Analyten unter Heranziehung von geeigneten Eichreihen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Licht­ strahl emittierende Lichtquelle zur Erhöhung der Messempfindlichkeit bewegt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messoptimie­ rung der Probenträger und/oder die Flüssigkeit mit einem elektrischen, magnetischen oder elektromagne­ tischen Feld beaufschlagt werden.

9. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfas­ send einen Probenträger (PT) zur Aufnahme eines ge­ gebenenfalls in einem flüssigen, gasförmigen oder festem Aufnahmemedium enthaltenen Analyten unter Vorliegen einer Flüssigkeit mit einer Grenzfläche, eine Lichtquelle (LQ) zur Abgabe mindestens eines den Analyten, die Flüssigkeit, oder die Flüssigkeit und den Analyten durchsetzenden Lichtstrahls und eine Detektoreinheit (D) zur Ermittlung einer von der geometrischen Ausgestaltung der Grenzfläche ab­ hängigen Lichtintensität.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektor­ einheit (D) eine gekrümmte Detektoroberfläche auf­ weist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pro­ benträger (PT) und Detektoreinheit (D) ein Linsen­ system (11) vorgesehen ist, das zur Messoptimierung bewegbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektor­ einheit (D) in Bezug auf den Probenträger (PT) min­ destens einen frontalen Detektorabschnitt und/oder mindestens einen seitlichen Detektorabschnitt auf­ weist.