DE102004046983A1 - Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in nahen und mittleren Infrarotbereich - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in nahen und mittleren Infrarotbereich Download PDFInfo
- Publication number
- DE102004046983A1 DE102004046983A1 DE200410046983 DE102004046983A DE102004046983A1 DE 102004046983 A1 DE102004046983 A1 DE 102004046983A1 DE 200410046983 DE200410046983 DE 200410046983 DE 102004046983 A DE102004046983 A DE 102004046983A DE 102004046983 A1 DE102004046983 A1 DE 102004046983A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- micromirror
- radiation
- reflector
- sample
- biological
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 25
- 239000013043 chemical agent Substances 0.000 title claims description 8
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 title description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims abstract 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 18
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 18
- 239000003124 biologic agent Substances 0.000 claims description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 5
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 4
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 claims description 2
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 claims description 2
- 241000700605 Viruses Species 0.000 claims description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 claims 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 claims 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 claims 1
- 229920001184 polypeptide Polymers 0.000 claims 1
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 claims 1
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 claims 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 9
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 244000063299 Bacillus subtilis Species 0.000 description 4
- 235000014469 Bacillus subtilis Nutrition 0.000 description 4
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 4
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 4
- 241000193738 Bacillus anthracis Species 0.000 description 3
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 229940065181 bacillus anthracis Drugs 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000006072 paste Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- CABMTIJINOIHOD-UHFFFAOYSA-N 2-[4-methyl-5-oxo-4-(propan-2-yl)-4,5-dihydro-1H-imidazol-2-yl]quinoline-3-carboxylic acid Chemical compound N1C(=O)C(C(C)C)(C)N=C1C1=NC2=CC=CC=C2C=C1C(O)=O CABMTIJINOIHOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PLXMOAALOJOTIY-FPTXNFDTSA-N Aesculin Natural products OC[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1Oc2cc3C=CC(=O)Oc3cc2O PLXMOAALOJOTIY-FPTXNFDTSA-N 0.000 description 1
- 241000193830 Bacillus <bacterium> Species 0.000 description 1
- WJJMNDUMQPNECX-UHFFFAOYSA-N Dipicolinic acid Natural products OC(=O)C1=CC=CC(C(O)=O)=N1 WJJMNDUMQPNECX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012369 In process control Methods 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 1
- 159000000007 calcium salts Chemical class 0.000 description 1
- DLHXTEGKGWRZCW-UHFFFAOYSA-L calcium;pyridine-2-carboxylate Chemical compound [Ca+2].[O-]C(=O)C1=CC=CC=N1.[O-]C(=O)C1=CC=CC=N1 DLHXTEGKGWRZCW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 150000007942 carboxylates Chemical class 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000002575 chemical warfare agent Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000010965 in-process control Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 229910001410 inorganic ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000006199 nebulizer Substances 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 1
- 210000004896 polypeptide structure Anatomy 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000037380 skin damage Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000012306 spectroscopic technique Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
- 239000003053 toxin Substances 0.000 description 1
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 description 1
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002460 vibrational spectroscopy Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnellen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle, einen Reflektor, einen Mikrospiegel, ein Beugungsgitter, einen Detektor und eine Steuervorrichtung, wobei der Reflektor, der Mikrospiegel und das Beugungsgitter so angeordnet sind, dass von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung eine Probe so durchläuft oder so von der Probe reflektiert wird, dass die Strahlung vom Reflektor durch Reflexion am Mikrospiegel auf das Beugungsgitter gelenkt wird und dass gebeugte Strahlung durch Reflexion am Mikrospiegel und am Reflektor auf den Detektor gelenkt wird, und wobei die Steuervorrichtung betriebsmäßig mit dem Detektor und dem Mikrospiegel verbunden und ausgebildet ist, um die Lichtquelle anzusteuern, den Drehwinkel des Mikrospiegels einzustellen und Extinktions- oder Reflexionsmessungen durchzuführen und biologische und chemische Mittel in der Probe nachzuweisen und zu bestimmen.
Description
- Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Spektrometrie zum Nachweis von biologischen und chemischen Mitteln.
- Verschiedene Arten von NIR- (nahes Infrarot) und MIR- (mittleres Infrarot) Spektrometern sind bekannt. Einige benutzen Beugungsgitter oder beruhen auf der Fourier-Transform-Infrarot-Methode (FTIR). Diese spektroskopischen Vorrichtungen sind im Allgemeinen teuer, sperrig und aufgrund der beweglichen optischen Teile wie zum Beispiel Gitter und Spiegel äußerst empfindliche Instrumente. Daher sind diese im allgemeinen nicht zum schnellen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in verschiedenen Orten oder für tragbare Anwendungen in Büros, Gebäuden, Flughäfen und anderen wichtigen, empfindlichen Bereichen geeignet.
- Eine Gruppe miniaturisierter Spektrometer beruht auf der LIGA-Technik (LIGA steht für Lithographie, Galvanik und Abformung). Diese Spektrometer arbeiten allerdings nicht im NIR- und MIR-Spektralbereich. Im sichtbaren Bereich arbeitet ein Michelson-Interferometer. Durch die begrenzte Verschiebbarkeit des oberflächennahen Siliziummechanik-erzeugten Spiegels arbeiten diese Geräte nur im sichtbaren Bereich.
- Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln im nahen und mittleren Infrarotbereich bereitzustellen. Ferner soll ein modulares optisches Analysesystem zur Verfügung gestellt werden. Eine Kopplung neuartiger Mikrosystemtechnik mit innovativen Systemkonzepten bietet Möglichkeiten zur Realisierung von kostengünstigen, effizienten und universellen optischen Miniatursystemen mit einem großen optischen Spektralbereich, bevorzugt zwischen 1 und 10 μm.
- Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist der frühe Nachweis von und die Vorbeugung vor Gefahren und die Verringerung von falschen Alarmen bei biologischen und/oder chemischen Mitteln. Weitere Anwendungen finden sich in der Umweltüberwachung (z.B. giftige Gase), in der Prozesskontrollen, im medizinischen Bereich und bei der Ellipsometrie und anderen Verfahren zur exakten Charakterisierung von stoffspezifischen Eigenschaften (Schichtdicken, optische Eigenschaften von Oberflächen).
- Diese Ziele werden erreicht durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen 2–9, 11 und 12 beschrieben.
- Tragbare Vorrichtungen gemäß der Erfindung können zum Nachweis von Toxinen, Bakterien, Sporen und Viren und zur Analyse von Oberflächen, Festkörpern, dünnen Filmen, Pudern, Pasten, Gelen, Flüssigkeiten und anderen Materialien in Echtzeit in Entfernungen von einigen wenigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern eingesetzt werden. Das Konzept der NIR- und MIR-Spektrometrie unter Verwendung von Mikrotechnologie in Verbindung mit modernen spektroskopischen, faseroptischen und Computer-Verfahren kann die Sicherheit wesentlich verbessern, wenn es an strategisch wichtigen Orten angewandt wird. Insbesondere kann eine tragbare Vorrichtung gemäß der Erfindung zum spektralen Abtasten von Kriegsführungsmitteln wie zum Beispiel Bacillus anthracis benutzt werden. Ferner ist die Vorrichtung auch als Auslösesensor mit Echtzeitauflösung für biologische und chemische Kriegsführungsmittel geeignet und vorgesehen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur nichtinvasiven, zerstörungsfreien Diagnostik von menschlicher Haut in vivo in Verbindung mit der Analyse von Hautschäden aufgrund der Wechselwirkung mit Bakterien, Sporen und anderen biologischen Kriegsführungsmitteln eingesetzt werden.
- Die Lichtquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung strahlt bevorzugt Licht in einem Wellenlängenbereich von 1 bis 10 μm aus. Bevorzugt ist die spektrale Auflösung im Bereich von 5 bis 10 μm besser als 50 nm bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 1000 oder besser.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung strahlt die Lichtquelle auch Licht im UV-Spektralbereich aus und der Detektor ist so ausgebildet, dass er die auftreffende Strahlung im UV-Spektralbereich misst.
- Die Steuervorrichtung umfasst in einem Ausführungsbeispiel eine Hardwarelogik und modulare Systemsoftware.
- In einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung Batterie- oder Akku-getrieben.
- Die in der Erfindung verwendeten kompakten Mikrospiegelspektrometer haben den Vorteil, keine großen, sich bewegenden optischen Teile wie Spiegel, Gitter und Detektorsysteme aufzuweisen.
- Mittels der Steuervorrichtung wird die Datenaufnahme und die schnelle spektrale Analyse von verschiedenen Objekten wie zum Beispiel Oberflächen, Festkörpern, Flüssigkeiten, Pudern, Pasten, und Gelen und Aerosolen innerhalb und außerhalb des Labors gesteuert. Insbesondere ist die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung besonders geeignet zum Nachweis, zur Unterscheidung und zur Bestimmung von chemischen und biologisches Kriegsführungsmitteln, z.B. Bacillus anthracis, im NIR- und MIR- Bereich in Echtzeit.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein mikromechanischen Monochromator mit einem steuerbaren dispersiven Element vorgesehen, das entweder in einem monolithischen Drehspiegel mit einem daran befestigten Beugungsgitter oder in einem monolithischen Torsionsbeugungsgitter mit Eingangs- und Ausgangsschlitzen eingebaut ist.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, vor Ort Analysen von Oberflächen, Festkörpern, Flüssigkeiten, komplexen biologischen Systemen wie zum Beispiel menschlichem und tierischem Gewebe und Körperflüssigkeiten, chemischen und biologischen Stoffen wie zum Beispiel Reaktionsprodukte von chemischen und biologischen Bedrohungen auf menschlicher Haut und anderen empfindlichen Teilen des menschlichen Körpers durchzuführen. So können z.B. Durchblutungsstörungen in Gewebe, wie z.B. Hautgewebe, durch berührungslose Messung nachgewiesen werden, indem die Hämoglobinkonzentration bestimmt wird.
- Ein erfindungsgemäßes Spektrometermodul umfasst eine umfassend eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und einen Rechner zur Auswertung der von der Vorrichtung bereitgestellten Daten und zur Verbindung mit einem Computernetzwerk. Das Spektrometermodul kann flexibel an die Anforderungen des Benutzers angepasst werden, indem Hardware und Software modulartig hinzugefügt werden. So kann z.B. Software zur Datenanalyse installiert werden oder Hardware zur Vernetzung mittels eines USB-Anschlusses (Universal Serial Bus) vorgesehen sein.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren ausführlich beschrieben.
-
1 ist eine schematische Ansicht des optischen Strahlweges in einem Ausführungsbeispiel eines Mikrospiegelspektrometers. -
2 zeigt Absorptionsspektren von Bacillus subtilis als Aerosol (a), Bulk (b) und dünnem Film (c). -
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, die ein in der Hand getragenes Mikrospiegelspektrometer einschließlich verschiedener möglicher Messgeräte zeigt. -
4 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem durchstimmbaren NIR- oder MIR-Laser in Verbindung mit einem Mikrospiegelspektrometer. -
5 ist eine schematische Ansicht eines Auslösesensorsystems zum Nachweis von Bioaerosolen in der Luft mittels eines Rückreflektors. - Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
- Der optische Aufbau der dispersiven Abtastvorrichtung beruht auf dem Prinzip eines Gitterspektrometers. Wie man in
1 sehen kann, ist die Hauptkomponente des Spektrometers ein Mikroabtastspiegel18 . Der Spiegel18 wird unter Verwendung von Mikrosystemtechnologie hergestellt. Der Spiegel18 wird von einem Wechselspannungssignal gesteuert. Die polychrome Strahlung von einer breitbandigen Infrarotlichtquelle10 wird auf den Spektrometereingangsschlitz12 fokussiert. Ein parabelförmiger Reflektor16 wird verwendet, um einen parallelen Strahl zu erzeugen und um über den Mikrospiegel18 ein Beugungsgitter20 auszuleuchten. Die Strahlung erster Ordnung der Beugung von dem Gitter20 wird dann mittels des parabelförmigen Reflektors16 auf einen Detektorschlitz22 fokussiert. Die analysierten Wellenlängen werden im Wesentlichen vom Einfallswinkel der Strahlung auf das Gitter20 gemäß dem momentanen Spiegelwinkel bestimmt. Folglich wird das Spektrum kontinuierlich als eine Funktion des Spiegeldrehwinkels abgetastet. - Die NIR- und MIR-Strahlung, die durch die Wechselwirkung mit einer Probe
14 verändert wird, wird vom Infrarot-Detektorsystem24 nachgewiesen. Da der Spiegelwinkel gesteuert wird und zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, kann das betrachtete Signal der jeweiligen Wellenlänge zugeordnet werden. Aus den gemessenen Spektren können charakteristische molekulare Bandpositionen und -intensitäten zur Charakterisierung der Probe14 bestimmt werden. Über Schwingungsspektroskopie können Bakterien und Sporen im MIR-Bereich nachgewiesen werden. Das Verfahren verwen det Extinktions- und Streu-Messungen, um die charakteristischen spektralen Bereiche von bakteriellen Teilchen nachzuweisen. - Zum schnellen Nachweis und zur Bestimmung von insbesondere biologischen Kriegsführungsmitteln können die wichtigsten Schwingungsbanden (charakteristische Bereiche) solcher Aerosole mit bereits existierenden spektralen Labordaten verglichen werden. Als ein Beispiel ist in
2a ein charakteristisches Infrarotspektrum von Sporen von Bacillus subtilis dargestellt. im Wellenlängenbereich von 2,3–12 μm gezeigt. Die Bacillus subtilis Sporen wurden in einer wässrigen Lösung suspendiert und unter Verwendung eines Zerstäubers, der verschiedene Konzentrationen einer wässrigen Bacillus subtilis Lösung zerstäubte, in eine Aerosolkammer gesprüht. Das resultierende FTIR-Transmissionsspektrum besteht aus einem Absorptionsspektrum, das einem Mie-Streuhintergrund überlagert ist. Das Spektrum zeigt verschiedene spektrale Merkmale: eine Bande66 bei ungefähr 9,6 μm, sowie zusätzliche Schwingungsbanden60 ,62 in der Nähe von 3,1 μm und 6,2 μm. Ein anderes spektrales Signal60 bei ungefähr 3,1 μm kann als Amid-A-Bande identifiziert werden. Außerdem sind die spektralen Merkmale64 in der Nähe von 5,5 bis 7 μm mit den Amid-I- und Amid-II-Banden verknüpft. Zum Vergleich sind die entsprechenden FTIR-Spektren von bakteriellen Proben in Bulk-Form (2b ) und in Form von dünnem Film (2c ) gezeigt. Solche Bacillus-Arten, wie zum Beispiel Bacillus anthracis, sind dafür bekannt, aus Polypeptid-Strukturen bestehende Kapseln herzustellen. Die MIR-Spektren zeigen deutliche symmetrische und asymmetrische Carboxylat-Streckbanden. Zusätzlich zeigen ausgeprägte Amid-I-Komponenten nahe 1653 cm–1 (6,0 μm) die Anwesenheit von α-helikalen Strukturen, wohingegen die freien Aminosäurecarboxylatgruppen zu Signalen bei 1407 cm–1 (7,1 μm) und 1605 cm–1 (6,2 μm) führen. Daher können die differenziellen Absorptions- und/oder Reflexions-MIR-Verfahren verschiedene wichtige charakteristische Bereiche der intakten Bakterien feststellen. Diese Muster umfassen die charakteristischen Vibrationen der Bestandteile wie zum Beispiel DNA-RNA, Proteinmembran- und Zellwandkomponenten. Die typische Sporenzusammensetzung besteht aus 15% Protein, 6% RNA, 3% Polysacchariden, 2% Lipiden, 1% DNA, 1% anorganische Ionen und 17% Calciumdipicolinat (Calciumsalz der 2,6-Pyridinedicarboxylsäure). - Das in der Hand haltbare NIR- und MIR-Mikrospektrometer
30 , gemäß der vorliegenden Erfindung, ist in3 gezeigt. Das Spektrometer enthält eine Anzeigeeinheit32 zum Anzeigen der aufgenommenen Daten, einen Mikroprozessor, der im Spektrometergehäuse befestigt ist, zum Steuern der Datenaufnahme und zum Steuern des Systems. Die allgemeine Verwendung der Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist auch in3 dargestellt. Licht von einer Infrarotquelle durchläuft eine Küvette mit geeigneten Transmissionsfenstern34 ,36 für Absorptionsmessungen. Das Licht kann auch durch eine externe Quelle36 erzeugt werden und mit verschiedene optische Vorrichtungen, wie zum Beispiel NIR- und MIR-Faserkabel und Detektoren, fokussiert werden. Unter Verwendung dieser verschiedenen Techniken ist keine Probenherstellung notwendig, um Reflexion und Absorptionsspektren an Ort und Stelle, in vivo, in Echtzeit und sogar gebündelt zu messen. Die Synergie der Sonden mit dem in der Hand getragenen Mikrospektrometer stellt ein Werkzeug für die Analyse von biologischen Mitteln dar. Im MIR-Spektralbereich können polykristalline IR-(PIR) Fasern verwendet werden. Sie sind sehr flexibel, transparent in dem breiten Spektralbereich von 4 bis 8 mm und in einem Temperaturbereich von –200 °C bis zu 250 °C beständig. Verschiedenen Konfigurationen von optischen Fasersonden für spektroskopische Anwendungen in der Ferne sind in3 dargestellt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden steife optische Fasersonden40 , eine flexible optische Fasersonde42 , eine ATR-Sonde48 oder Hohlwellenleiter oder alternative Messtechniken, die jegliche Fasersysteme vermeiden. Bevorzugte Anordnungen der Faserbündelquerschnitte sind im Schnitt44 gezeigt, wo die zentrale Faser des Bündels von der breitbandigen Infrarotlichtquelle ausgeleuchtet wird und die umgebenden Fasern das gestreute Signal zurück von der Probe auf den Detektorausgangsschlitz lenken. Diese Fasern können in einen geeigneten Art und Weise zu optimalen Beleuchtung des Detektorschlitzes linear angeordnet werden, wie der Schnitt46 zeigt. Die integrierte, Mikroprozessor-basierte Messungs- und Automationskonfiguration ist über eine Schnittstelle50 mit einem Computer zum Transfer der spektralen Daten für die weitere Datenanalyse und Charakterisierung verbunden. Die in der Hand getragene Vorrichtung kann batteriebetrieben oder an eine externe Stromquelle52 angeschlossen sein. - Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist der chemisch selektive Nachweis von Stoffen an Ort und Stelle wie zum Beispiel biologischen Mitteln unter Verwendung von durchstimmbaren Lasern. Zum Beispiel können Quantum-Kaskade-Laser (QCLs, Quantum cascade lasers) in Verbindung mit spektroskopischen Techniken verwendet werden. Solche QCLs emittieren im MIR-Bereich (3 bis 17 μm), d.h. in der charakteristischen Absorption der meisten funktionellen Gruppen, die in biologischen Mitteln vorliegen. Daher ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel die Analyse und Mittel zum Nachweisen der starken Variation dieser spezifischen Banden für verschiedene Arten von biologischen Mitteln über durchstimmbare Laser wie zum Beispiel eine MIR-Lichtquelle.
-
4 stellt ein mögliches Schema für zerstörungsfreie Diagnostik vor Ort unter Verwendung eines durchstimmbaren NIR- und/oder MIR-Lasers70 dar, der das Laserlicht direkt oder über ein Fasersystem72 und eine Sondenspitze74 auf eine Probe76 fokussiert. Das Infrarot-Licht nach Wechselwirkung mit den biologischen Mitteln und einer Umgebung wird auf den Eingangsschlitz eines Mikrospiegelspektrometers78 gerichtet und fokussiert. Indem die Laserwellenlänge über einen spezifischen Spektralbereich durchgestimmt wird, können Spektren von verschiedenen Probematerialien erzeugt werden. Wenn das erhaltene Spektrum eine minimalen Hintergrundstrahlung zeigt, könnte das Mikrospiegelspektrometer von nur einem Detektor ersetzt werden. Zur Analyse und zum Nachweis von biologischen Systemen müssen Computer-Rechenmethoden angewandt werden. Daher müssen in Übereinstimmung mit der Erfindung Verfahren zur Datenvereinigung, Klassifikation und Mustererkennung wie zum Beispiel neuronale Netzwerke, Principle Component Analysis und Elementarwellenanalyse emittiert werden. - Gemäß der Erfindung wird ein kompaktes Auslösersensornachweissystem unter Verwendung einer Lichtquelle
80 , Rückreflektor82 , Bioaerosolteilchen84 und Mikrospiegelspektrometer86 beschrieben. In diesem System wird die Nachweiswahrscheinlichkeit aufgrund von multiplen Reflexionen des Lichtstrahls, der die Bioaerosol-Probe durchquert, vergrößert. Dies führt auch zu einem System mit kleinerer Nachweisgrenze und zur Reduzierung einer Möglichkeit von falschen Alarmen.
Claims (15)
- Vorrichtung zum schnellen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln, umfassend: eine Strahlungsquelle (
10 ), einen Reflektor (16 ), einen Mikrospiegel (18 ), ein Beugungsgitter (20 ), einen Detektor (24 ) und eine Steuervorrichtung, wobei der Reflektor (16 ), der Mikrospiegel (18 ) und das Beugungsgitter (20 ) so angeordnet sind, dass von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung eine Probe (14 ) so durchläuft oder so von der Probe (14 ) reflektiert wird, dass die Strahlung vom Reflektor (16 ) durch Reflexion am Mikrospiegel (18 ) auf das Beugungsgitter gelenkt wird und dass gebeugte Strahlung durch Reflexion am Mikrospiegel (18 ) und am Reflektor (16 ) auf den Detektor gelenkt wird, und wobei die Steuervorrichtung betriebsmäßig mit dem Detektor und dem Mikrospiegel verbunden und ausgebildet ist, um die Lichtquelle anzusteuern, den Drehwinkel des Mikrospiegels einzustellen und Extinktions- oder Reflexionsmessungen durchzuführen und biologische und chemische Mittel in der Probe (14 ) nachzuweisen und zu bestimmen. - Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (
16 ) im Wesentlichen parabelförmig ist. - Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht in einem Wellenlängenbereich von 1 bis 10 μm ausstrahlt.
- Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle ein in seiner Wellenlänge durchstimmbarer Laser ist.
- Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine kontinuierliche Lichtquelle ist.
- Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Sonde so im Strahlengang hinter der Lichtquelle angeordnet ist, um Strahlung von der Strahlungsquelle (
10 ) auf die Probe (14 ) zu lenken und von der Probe (14 ) reflektierte Strahlung zu empfangen und weiterzuleiten. - Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein geringes Gewicht hat und klein genug ist, um in der Hand getragen zu werden.
- Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein robustes Gehäuse umfasst, in welchem die Strahlungsquelle (
10 ), der Reflektor (16 ), der Mikrospiegel (18 ), die optische Sonde, der Detektor (24 ) und die Steuervorrichtung untergebracht sind. - Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung zusätzlich einen Rückreflektor umfasst, der die Nachweiswahrscheinlichkeit vergrößert und die Nachweiszeit verringert.
- Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als ein Auslösesensor verwendbar ist, die eine wesentliche reduzierte Wahrscheinlichkeit von falschen Alarmen und eine verringerte Nachweiszeit erreicht.
- Verfahren zum schnellen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln, umfassend die Schritte: Messung der Extinktion oder Reflexion einer Probe (
14 ) mittels einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, Vergleich der wichtigsten Schwingungsbanden von biologischen und chemischen Mitteln mit bereits bestehenden Daten zum schnellen Nachweis und zur Bestimmung der Zusammensetzung der Probe (14 ). - Verfahren gemäß Anspruch 11, zusätzlich umfassend den Schritt der Analyse der spektralen charakteristischen Bereiche von Polypeptidsignalen, Proteinen und Nukleinsäuren zum Nachweis und zur Bestimmung unbekannter biologischer Mittel einschließlich Bakterien, Viren, wobei die Analyse zwischen verschieden gefalteten Proteinen unterscheidet.
- Verfahren gemäß Anspruch 11, zusätzlich umfassend den Schritt des Vergleichen von spektralen Merkmalen mit spektralen Merkmalen aus einer Datenbank, mittels welcher die Probe (
14 ) charakterisiert und von anderen Materialien unter Verwendung fortgeschrittener Berechnungsmethoden unterschieden wird. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Extinktion oder Reflexion von Gewebe berührungslos gemessen wird und Durchblutungsstörungen des Gewebes durch Bestimmung der Hämoglobinkonzentration bestimmt werden.
- Spektrometermodul, umfassend eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und einen Rechner zur Auswertung der von der Vorrichtung bereitgestellten Daten und zur Verbindung mit einem Computernetzwerk.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200410046983 DE102004046983A1 (de) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in nahen und mittleren Infrarotbereich |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200410046983 DE102004046983A1 (de) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in nahen und mittleren Infrarotbereich |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102004046983A1 true DE102004046983A1 (de) | 2006-04-13 |
Family
ID=36088658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE200410046983 Withdrawn DE102004046983A1 (de) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in nahen und mittleren Infrarotbereich |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102004046983A1 (de) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007011324A1 (de) | 2007-03-08 | 2008-09-18 | Carl Zeiss Microimaging Gmbh | Spektrometer |
| DE102012000038A1 (de) * | 2012-01-03 | 2013-07-04 | Humboldt-Universität Zu Berlin | Lasereinrichtung |
| CN103575663A (zh) * | 2012-08-07 | 2014-02-12 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种金属及半导体薄膜材料光学常数的标定方法 |
| WO2018135223A1 (en) * | 2017-01-20 | 2018-07-26 | Ricoh Company, Ltd. | Spectrometer, analysis equipment, and wavelength-variable light source |
| CN109186465A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-01-11 | 厦门大学 | 测量距离及旋转角度的光电芯片及光电系统 |
| CN110178005A (zh) * | 2017-01-20 | 2019-08-27 | 株式会社理光 | 分光器，分析设备和波长可变光源 |
| DE102018208684A1 (de) * | 2018-06-01 | 2019-12-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Monolithisch ausgestalteter spektralapparat |
| CN113340838A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-09-03 | 上海迈鸿传感器有限公司 | 一种ndir气体检测传感器光路装置 |
-
2004
- 2004-09-28 DE DE200410046983 patent/DE102004046983A1/de not_active Withdrawn
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007011324A1 (de) | 2007-03-08 | 2008-09-18 | Carl Zeiss Microimaging Gmbh | Spektrometer |
| DE102012000038A1 (de) * | 2012-01-03 | 2013-07-04 | Humboldt-Universität Zu Berlin | Lasereinrichtung |
| CN103575663A (zh) * | 2012-08-07 | 2014-02-12 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种金属及半导体薄膜材料光学常数的标定方法 |
| CN103575663B (zh) * | 2012-08-07 | 2016-06-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种金属及半导体薄膜材料光学常数的标定方法 |
| CN110178005A (zh) * | 2017-01-20 | 2019-08-27 | 株式会社理光 | 分光器，分析设备和波长可变光源 |
| WO2018135223A1 (en) * | 2017-01-20 | 2018-07-26 | Ricoh Company, Ltd. | Spectrometer, analysis equipment, and wavelength-variable light source |
| US11060909B2 (en) | 2017-01-20 | 2021-07-13 | Ricoh Company, Ltd. | Spectrometer, analysis equipment, and wavelength-variable light source |
| US10732040B2 (en) | 2018-06-01 | 2020-08-04 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Monolithically configured spectroscopic instrument |
| DE102018208684A1 (de) * | 2018-06-01 | 2019-12-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Monolithisch ausgestalteter spektralapparat |
| CN109186465B (zh) * | 2018-09-10 | 2019-08-16 | 厦门大学 | 测量距离及旋转角度的光电芯片及光电系统 |
| CN109186465A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-01-11 | 厦门大学 | 测量距离及旋转角度的光电芯片及光电系统 |
| CN113340838A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-09-03 | 上海迈鸿传感器有限公司 | 一种ndir气体检测传感器光路装置 |
| CN113340838B (zh) * | 2021-06-10 | 2023-01-10 | 上海迈鸿传感器有限公司 | 一种ndir气体检测传感器光路装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0659055B1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur analyse von glucose in einer biologischen matrix | |
| KR102432337B1 (ko) | 스펙트럼 샘플 반응을 측정하기 위한 방법 및 장치 | |
| EP3359948B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum analysieren eines stoffs | |
| DE602005003592T2 (de) | Vorrichtung und Verfahren für spektrophotometrische Analyse | |
| EP1982159B1 (de) | Messvorrichtung zur bestimmung der grösse, grössenverteilung und menge von partikeln im nanoskopischen bereich | |
| DE69221306T2 (de) | Methode zur photometrischen (in vitro) bestimmung des gehaltes eines analyts in einer probe | |
| DE69027168T2 (de) | Verfahren zum Vorhersagen der Eigenschaften biologischer Materie, unter Verwendung der Spektrumanalyse im Nah-Infrarot | |
| EP0800074B1 (de) | Vorrichtung und Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Hämoglobinderivaten in einer unverdünnten, unhämolysierten Vollblutprobe | |
| EP3359949A1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum analysieren eines stoffs | |
| Lunter et al. | Novel aspects of Raman spectroscopy in skin research | |
| KR100889411B1 (ko) | 이동 웨브의 제조 품질을 제어하는 방법 및 장치 | |
| DE102004046983A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln in nahen und mittleren Infrarotbereich | |
| DE102012004977B3 (de) | Vorrichtung und Verfahren zum Messen eines Zielgases | |
| Dixit et al. | Identification and quantification of industrial grade glycerol adulteration in red wine with Fourier transform infrared spectroscopy using chemometrics and artificial neural networks | |
| DE4227813A1 (de) | Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung einer zu analysierenden Probe | |
| DE2757196B2 (de) | Photometrische Anordnung | |
| DE19632867B4 (de) | Meßkopf für die photoakustische Spektroskopie | |
| DE4031320A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur optischen untersuchung von koerperteilen oder fluessigkeiten | |
| DE102005003878B3 (de) | Messvorrichtung zum Messen photokatalytischer Aktivität einer photokatalytischen Schicht | |
| DE102004031643A1 (de) | Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator | |
| DE202010017930U1 (de) | Mittel zur schnellen Tröpfchen-, Aerosol- und Abstrichinfektionsanalyse | |
| WO2006136281A1 (de) | Raman-spektroskopisches analyseverfahren sowie vorrichtung dafür | |
| WO2020052785A1 (en) | Particle analysis method and apparatus for a spectrometry-based particle analysis | |
| DE102013219932B4 (de) | Optische Messvorrichtung und Messverfahren | |
| WO2023030861A1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum inspizieren von oberflächen mit wellenlängen-analyse |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |
Effective date: 20110929 |