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DE102005018845A1 - Miniature multifunctional opto sensor control and lock unit for minimal invasive sensor location has measurement chamber and micrometer drive - Google Patents

Miniature multifunctional opto sensor control and lock unit for minimal invasive sensor location has measurement chamber and micrometer drive

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DE102005018845A1
DE102005018845A1 DE200510018845 DE102005018845A DE102005018845A1 DE 102005018845 A1 DE102005018845 A1 DE 102005018845A1 DE 200510018845 DE200510018845 DE 200510018845 DE 102005018845 A DE102005018845 A DE 102005018845A DE 102005018845 A1 DE102005018845 A1 DE 102005018845A1
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sensor
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miniature
opto
micrometer
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Abstract

A miniature multifunctional opto sensor control and lock unit for minimal invasive sensor location provides continuous physical, chemical and biological analysis of fluids and gases flowing through a closed or open measurement chamber (16) with sensor mounting holes (1-9) and a micrometer drive (14).

Description

  • [0001] [0001]
    Eine miniaturisierte und multifunktionale optosensorische Meß- und Regelschleuse zur minimalinvasiven Prozeßanalyse mit hoher räumlicher usnd zeitlicher Auflösung in biologischen und abiotischen Systemen und zur experimentellen Manipulation physiko-chemischer und biologischer Parameter repräsentiert ein innovatives Werkzeug, das gegenüber konventionellen Meßvorrichtungen entscheidende Vorteile zum Zwecke der in situ Bio-Prozeßanalyse bietet. A miniaturized and multifunctional opto sensory measurement and control lock for minimally invasive process analysis with high spatial usnd temporal resolution in biological and abiotic systems and for experimental manipulation of the physico-chemical and biological parameter represents an innovative tool for the purpose of Bio over conventional measuring devices decisive advantages in situ -Prozeßanalyse offers.
  • [0002] [0002]
    Der Fortschritt zur Quantifizierung von Lebensprozessen unter natürlichen Umweltbedingungen im Freiland als auch unter kontrollierten Bedingungen im Labor erfordert heute den Einsatz von Techniken und Sensoren, die sich durch Miniaturisierung, Präzision, Langlebigkeit und minimale Störung des zu untersuchenden Systems auszeichnen. The progress for the quantification of life processes under natural environmental conditions in the field and under controlled conditions in the laboratory today requires the use of techniques and sensors that are characterized by miniaturization, precision, durability and minimal disturbance of the system to be examined. Die berührungsfreie und daher auch kontaminationsfreie Messung ist das Ziel der minimalinvasiven Untersuchung, wozu optische Sensoren erstmals in der Lage sind. The non-contact and hence contamination-free measurement is the goal of minimally invasive examination, including optical sensors are able for the first time. Miniaturisierung und minimalinvasiver Eingriff in das zu untersuchende System sind zwei wesentliche Voraussetzungen für den Fortschritt des Verständnisses über den koordinierten Ablauf von Lebensprozessen in räumlich und zeitlich hoher Auflösung. Miniaturization and minimally invasive intervention in the system to be examined are two essential conditions for the progress of the understanding of the coordinated flow of life processes in high spatial and temporal resolution. Faseroptische Sensoren mit wenigen Mikrometer Durchmesser (Optoden) repräsentieren den aktuellen Stand der Meßtechnik im mikroskaligen Maßstab zur Quantifizierung biologisch relevanter physiko-chemischer Parameter, wie zB des Sauerstoffpartialdrucks (PreSens Precision Sensing GmbH, Regensburg). Fiber optic sensors with only a few microns in diameter (optodes) represent the current status of measuring techniques in microscale scale to quantify biologically relevant physico-chemical parameters, such as the oxygen partial pressure (PreSens Precision Sensing GmbH, Regensburg). Desweiteren können auch die Temperatur, der CO 2 -Partialdruck, der pH-Wert oder der Chlorophyllgehalt grüner Pflanzen optisch quantifiziert werden. Furthermore, also the temperature of the CO 2 partial pressure, the pH value or the chlorophyll content of green plants can be visually quantified.
  • [0003] [0003]
    Hybridoptoden repräsentieren die neueste Generation optischer Sensoren, deren Markteinführung in ein bis zwei Jahren zu erwarten ist (HYBOP Forschungsverbundprojekt des BMBF-Schwerpunktprogramms BIOPHOTONIK an der Universität Düsseldorf, koordiniert durch den Antragsteller). Hybridoptoden represent the latest generation of optical sensors whose market launch expected in one to two years (HYBOP research joint project of the BMBF priority program BIOPHOTONICS at the University of Dusseldorf, coordinated by the applicant). Hybridoptoden können mittels analytspezifischer Mikropartikel jeweils zwei physiko-chemische Parameter gleichzeitig und im molekularen Maßstab ortsidentisch messen. can Hybridoptoden means of analyte-microparticle two physico-chemical parameters at the same time and location-identical measure the molecular scale. Durch den Hybridcharakter wird die Zahl der für eine Prozeßanalyse erforderlichen Sensoren halbiert, wodurch ein entscheidender methodischer Fortschritt erzielt wird. By the hybrid character of the number of necessary sensors for process analysis is halved, whereby a critical methodological progress is achieved. So kann zB mit nur einer CO 2 -O 2 -Hybridoptode der respiratorische Quotient von Zellkulturen, Geweben und Organen aus der simultanen Messung des metabolischen O 2 -Verbrauchs und der CO 2 -Produktion bestimmt werden. For example, it can be determined 2 consumption and CO 2 production with only a CO 2 -O 2 -Hybridoptode the respiratory quotient of cell cultures, tissues and organs from the simultaneous measurement of the metabolic O.
  • [0004] [0004]
    Im Gegensatz zu konventionellen Sensoren zeichnet sich die neue optische Sensortechnologie neben der Miniaturisierung vor allem durch die Unabhängigkeit der Messung vom Aggregatszustand des Analyten aus. Unlike conventional sensors, the new optical sensor technology features in addition to the miniaturization primarily by the independence of the measurement of the physical state of the analyte. Mit optischen Sensoren sind Messungen in der wäßrigen und gasförmigen Phase gleichermaßen möglich, wohingegen konventionelle Meßverfahren durch den Aggregatszustand des Analyten definiert werden. With optical sensors measurements are equally possible in the aqueous and gaseous phases, whereas conventional methods of measurement are defined by the state of aggregation of the analyte. Dies wird im folgenden für biologisch relevante Meßgrößen erläutert. This is explained in the following for biologically relevant variables.
  • [0005] [0005]
    In wäßriger Phase werden CO 2 und O 2 elektrochemisch mittels Elektroden gemessen (zB Clark-Type O 2 -Elektrode oder CO 2 -Elektrode der Fa. Microelectrodes Inc., Bedford, USA). In aqueous phase CO 2 and O 2 to be electrochemically measured by means of electrodes (for example, Clark-type O2 electrode or CO 2 electrode of the Fa. Microelectrodes Inc., Bedford, USA). Der Nachteil elektrochemischer Messungen liegt im Verbrauch einer gewissen Analytmenge durch den Meßvorgang selbst, so daß eine durch das Meßinstrument unbeeinflußte Prozeßanalyse nicht gewährleistet ist. The disadvantage of electrochemical measurements is in the consumption of a certain amount of analyte by the measuring process itself, so that an unaffected by the measurement instrument analysis process is not ensured. Ebenso ist die Langzeitstabilität elektrochemischer Sensoren eingeschränkt. Likewise, the long-term stability of electrochemical sensors is limited.
  • [0006] [0006]
    Messungen in der Gasphase werden mit Gasanalysatoren (Absolut- oder Differenzmessungen) oder auch Gaschromatographen durchgeführt, die für die Spurengasanalytik geeignet sind. Measurements in the gas phase are carried out with gas analyzers (absolute or differential measurements) or gas chromatographs that are suitable for trace gas analysis. Konventionell werden für die CO 2 -Analyse Infrarotgasanalysatoren (IRGA) eingesetzt, deren Genauigkeit im Bereich von ± 1-2 ppm liegt. Conventionally, for the CO 2 analysis Infrarotgasanalysatoren (IRGA) are used, the accuracy in the range of ± 1-2 ppm. Für die Meßgenauigkeit mittels Gasanalysatoren sind jedoch definierte Massenflußraten ausschlaggebend, die mit einer aufwendigen Meß-und Regeltechnik erzeugt werden. However defined mass flow rates are critical to the accuracy of measurement by gas analyzers that are generated with a sophisticated measurement and control technology. Daher sind solche Systeme sehr teuer und wartungsintensiv. Therefore, such systems are very expensive and maintenance-intensive. Räumlich hochauflösende Messungen in Geweben und Organen können damit ebenfalls nicht durchgeführt werden. High spatial resolution measurements in tissues and organs can not be done so as well. Da es sich um offene Meßsysteme handelt, können sie auch nicht unter Sterilbedingungen eingesetzt werden. Since it is open measuring systems, they can not be used under sterile conditions. Die Gasanalyse mit Gaschromatographen ist technisch aufwendig, kosten- und zeitintensiv. The gas chromatograph analysis is technically complicated, costly and time consuming. Ferner ist ihr Einsatz für Feldmessungen nur mit hohem infrastrukturellen Aufwand (Labormeßwagen, Stromversorgung, Explosionsschutz etc.) zu bewerkstelligen. Furthermore, their use for field measurements can only be achieved with high infrastructure costs (Labormeßwagen, power, explosion protection etc.).
  • [0007] [0007]
    Puls-Amplituden-Modulations (PAM) Fluorometer (Fa. Walz, Effeltrich, Deutschland; LI-COR Inc., Lincoln, USA) zur physiologischen Charakterisierung der Photosynthese grüner Pflanzen entspricht dem Stand der Technik im Bereich der Bio-Prozeßanalyse. Pulse amplitude modulation (PAM) fluorometer (from Walz, Effeltrich, Germany;. LI-COR Inc., Lincoln, USA) physiological characterization of the photosynthesis of green plants is state of the art in the field of bio-process analysis. In den Pflanzenwissenschaften hat sich die Chlorophyllfluoreszenzanalyse als leistungsfähige Methode etabliert. In plant sciences, the chlorophyll fluorescence analysis has established itself as a powerful way. Einschränkend wird jedoch bei dieser Methode die tatsächliche photosynthetische O 2 -Produktion und die CO 2 -Fixierung nicht gemessen, sondern aus der Fluoreszenzintensität als Maß für die photochemische Ladungstrennrate der Antennenpigmente der Photosysteme berechnet. Limitation, however, the CO 2 production, and not measured by this method, the actual photosynthetic O 2 fixation, but is calculated from the fluorescence intensity as a measure of the photochemical charge separation rate of the antenna pigments of the photosystems. Eine Hybridoptode für die simultane Messung des Chrlorophyllgehalts und der O 2 -Produktion ist eine praktikable quantitative und zugleich deutlich kostengünstigere Alternative zum fluorometrischen Verfahren. A Hybridoptode for the simultaneous measurement of the Chrlorophyllgehalts and the O 2 production is a viable quantitative and also significantly more cost-effective alternative to the fluorometric method.
  • [0008] [0008]
    Elektronische Messungen der Temperatur werden meist mit Absoluttemperatursensoren (Pt 100, Pt 1000) oder referenzabhängigen Thermocouples durchgeführt. Electronic temperature measurements are carried out or a reference dependent thermocouples usually with absolute temperature sensors (1000 Pt 100 Pt). Mit letzteren wird eine Miniaturisierung bis ca. 0.2 mm Durchmesser erzielt (zB World Precision Instruments Inc., Sarasota, USA), wobei jedoch eine zusätzliche Referenzmeßstelle der Absoluttemperatur erforderlich ist. With the latter miniaturization to about 0.2 mm in diameter is achieved (eg, World Precision Instruments Inc., Sarasota, USA), but an additional Referenzmeßstelle the absolute temperature is required. Dagegen können mit temperatursensitiven Mikropartikeln räumlich hochauflösende Messungen der Temperatur durchgeführt werden, die lediglich von den Dimensionen des Trägers der temperatursensitiven Beschichtung abhängt. In contrast, high spatial resolution measurements of the temperature can be carried out, which depends only on the dimensions of the carrier of the temperature-sensitive coating with temperature-sensitive microparticles.
  • [0009] [0009]
    Das den Sensoren zugrundeliegende Meßprinzip definiert maßgeblich die technische Ausführung geschlossener Meßzellen oder Durchflußmeßzellen mit multipler Sensorbestückung. The sensors measuring principle underlying largely defined the technical execution closed measuring cells or Durchflußmeßzellen with multiple sensor assembly. Als Beispiel sei die Ausführung einer multiplen Sensorvorrichtung genannt (Offenlegungsschrift Pub. No.: US 2005/0016260 A1, Jan. 27, 2005), die der physiko-chemischen Analyse von Flüssigkeiten dient, jedoch für die Analyse von Gasen ungeeignet ist. As an example, the execution of a multiple sensor device called (Laid-Open Pub. No .: US 2005/0016260 A1, Jan. 27, 2005), which is used for physico-chemical analysis of liquids, but is unsuitable for the analysis of gases. Diesem Beispiel entsprechend, gibt es eine Reihe von Veröffentlichungen, die unterschiedliche Lösungen multipler Sensormessung vorstellen. according to this example, there are a number of publications, present the different solutions of multiple sensor measurement. Allerdings sind diese Vorrichtungen idR als monophasische Systeme ausgelegt, entweder für die gasförmige oder die wäßrige Stoffanalyse. However, these devices are generally designed as single-phase systems, either the gaseous or the aqueous fabric analysis. Ferner sind multiple Sensorsysteme zum Zwecke der Analytik nur als geschlossene Meßzellen oder als Durchflußmeßzellen konzipiert. Further, multiple sensor systems for the purpose of analysis are only designed as a closed measuring cells or as Durchflußmeßzellen. Eine integrative technische Lösung, die über die Funktion einer Meßzelle hinaus eine funktionale Synergie aus An integrated technical solution that the function of a measuring cell, a functional synergy of
    • 1) multipler Mikrosensorik, 1) multiple micro sensors,
    • 2) minimalinvasiver Präparation und Sensorapplikation zur online Messung unter in situ Bedingungen und 2) minimally invasive preparation and application sensor for measuring online under in situ conditions and
    • 3) experimenteller Manipulation im Freiland und Labor, wie sie in der vorliegenden Meß- und Regelschleuse realisiert ist, liegt nach dem Ergebnis der fachlichen Recherche des Antragstellers bisher nicht vor. 3) experimental manipulation in the field and laboratory, as realized in the present measurement and control lock is not present on the outcome of the applicant's professional research so far.
  • [0010] [0010]
    Zusammenfassend ergeben sich aus den genannten spezifischen Mängel konventioneller Sensoren und zugehöriger multipler Meßzellen zwei maßgebliche technische Defizite, die den Anforderungen moderner Bio-Prozeßanalyse nicht genügen: To sum up, from the aforementioned specific shortcomings of conventional sensors and associated multiple measuring cells two significant technical deficiencies that do not meet the requirements of modern bio-process analysis:
    • 1) die durch den Aggregatszustand des Analyten festgelegten Meßprinzipien und den daraus resultierenden Unzulänglichkeiten der Messung sowie den stark eingeschränkten Einsatzmöglichkeiten; 1) determined by the state of aggregation of the analyte measurement principles and the resulting shortcomings of the measurement as well as the very limited possibilities for use;
    • 2) die unzureichende Miniaturisierung für den minimalinvasiven Einsatz. 2) the lack of miniaturization for minimal invasive use.
  • [0011] [0011]
    Als Beispiel sei die Messung des CO 2 -Partialdruckes im Blattgewebe höherer Pflanzen genannt. An example is 2 partial pressure in the leaf tissue of higher plants, the measurement of CO. Obwohl CO 2 das Substrat der Photosynthese aller grünen Pflanzen ist, besteht bisher keine Möglichkeit der unmittelbaren Messung des CO 2 -Partialdruckes im Blattinneren. Although CO 2 is the substrate of the photosynthesis of all green plants, yet there is no possibility of direct measurement of CO 2 partial pressure in the sheet interior. Er wird näherungsweise aus dem atmosphärischen CO 2 - Partialdruck und der stomatären Leitfähigkeit berechnet. It is approximated from the atmospheric CO 2 - calculated partial pressure and the stomatal conductance. Optische Sensoren, die mittels einer Schleuse in den Gasraum der Blätter eingeführt werden, bieten hier eine adäquate Problemlösung. Optical sensors that are introduced by means of a lock in the gas space of the leaves that provide an adequate solution to the problems. In Anbetracht der Eigenschaft von CO 2 als klimarelevantes Treibhausgas ist der Fortschritt zum Verständnis der räumlichen und zeitlichen Heterogenität photosynthetischer CO 2 -Fixierung als Bioprozeß in grünen Pflanzen unter natürlichen Bedingungen von großer Bedeutung. Considering the property of CO 2 as a climate-relevant greenhouse gas progress in understanding the spatial and temporal heterogeneity of photosynthetic CO 2 fixation as bioprocess in green plants under natural conditions is of great importance.
  • Technische Problemstellung Technical Problem
  • [0012] [0012]
    Mikrosensoren, insbesondere optische Mikrosensoren (Optoden) sind aufgrund ihrer extremen Miniaturisierung sehr empfindliche Meßinstrumente, die keinen mechanischen Belastungen bei der Applikation und während des Meßvorgangs ausgesetzt werden dürfen. Micro-sensors, in particular optical microsensors (Optodes) are due to their extreme miniaturization highly sensitive measuring instruments that may be subjected to mechanical stress during application and during the measuring process. Daraus ergeben sich für den Anwender zahlreiche Probleme bei der Durchführung minimalinvasiver Prozeßanalysen hinsichtlich: This results in the user numerous problems in performing minimally invasive process analysis with regard to:
    • a) ihrer sicheren Applikation sowie der mikroskalig exakten und reproduzierbaren Positionierung in dem zu untersuchenden Objekt; a) their safe application and the microscale exact and reproducible positioning in the object to be examined;
    • b) dem Schutz vor Beschädigung der Sensoren durch mechanische Beanspruchung während des Meßvorgangs, eine entscheidende Voraussetzung für Langzeituntersuchungen (Wochen – Monate); b) the prevention of damage to the sensors caused by mechanical stress during the measuring process, a decisive prerequisite for long-term studies (weeks - months);
    • c) der Erfordernis zur Applikation mehrerer Sensoren unterschiedlicher Analytspezifität auf kleinstem Raum; c) the need for application of multiple sensors with different analyte specificity in a small space;
    • d) der Messung mehrerer Parameter in einem sehr kleinen Probenvolumen (nur wenige Mikroliter); d) measuring a plurality of parameters (in a very small sample volumes a few microliters);
    • e) der mikromanipulativen Präparation unter sensorischer Kontrolle und Wahrung der Sterilität. e) the micro-manipulative preparation under sensory control and maintain sterility.
  • [0013] [0013]
    Will der Anwender über online Messungen hinaus, experimentelle Manipulationen vornehmen, einschließlich Probenentnahme und/oder Stoffapplikation, so muß stets eine spezielle Vorrichtung geschaffen werden, die den jeweiligen meßtechnischen Erfordernissen Rechnung trägt. Will perform beyond online measurements, experimental manipulations, including sampling and / or fabric application the user, so a special device must be created always bearing the respective metrological requirements into account. Dies gilt insbesondere für Untersuchungen im Freiland unter variablen Umweltbedingungen. This is especially true for studies in the field under variable environmental conditions.
  • [0014] [0014]
    Die je spezifischen methodischen Probleme zu lösen ist technisch anspruchsvoll zeit- und kostenintensiv und kann vielerorts mangels Infrastruktur (feinmechanische und elektrotechnische Werkstätten) und fachlicher Qualifikation nicht realisiert werden. To solve each specific methodological problems is technically demanding of time and money and the lack of infrastructure (precision mechanical and electrical repair shops) and professional qualifications can not be realized in many places.
  • [0015] [0015]
    Die multifunktionale Konzeption der optosensorischen Meß- und Regelschleuse (Omni-Lock) bietet eine integrative technische Lösung, die die genannten Anforderungen erfüllt und dadurch dem Anwender ein breites methodisches Spektrum zu minimalinvasiver Prozeßanalyse eröffnet. The multifunctional design of opto-sensory measurement and control lock (Omni-Lock) offers an integrated technical solution that meets the specified requirements, thus opening up a broad methodological spectrum of minimally invasive process analysis to the user.
  • Technische Problemlösung Technical Troubleshooting
  • [0016] [0016]
    Ein massiver zylindrischer Körper (Sensorgehäuse) mit horizontal umlaufender Nut in der unteren Hälfte und abgeschrägter Oberkante (Schrägfläche, 45° geneigt) wird drehbar und dichtend in eine zylindrische Wanne (Trägerteller) paßgenau eingesetzt. A solid cylindrical body (sensor housing) having horizontally circumferential groove in the lower half and beveled upper edge (inclined surface inclined at 45 °) is rotatably and sealingly in a cylindrical tub (support plate) are used in registration. In die untere plane Fläche des Sensorgehäuses ist mittig ein kleiner Hohlraum in Form einer Halbkugel (Meßkammer) eingesenkt. In the lower planar surface of the sensor housing a small cavity in the form of a hemisphere (measuring chamber) is centrally recessed. In geringem konzentrischen Abstand zum Umkreis der Meßkammer befindet sich ein Einstich mit Dichtungsring. In small concentric distance to the radius of the measuring chamber, a puncture is to sealing ring. Ein in die Bodenfläche des Sensorgehäuses vollständig eingesenktes ringförmiges Peltierelement, dessen innere Öffnung an den Dichtungsring angrenzt, erlaubt die elektronische Regulation der Temperatur in der Meßkammer und in dem zu untersuchenden System im Bereich der Auflagefläche der Meß- und Regelschleuse. A fully countersunk in the bottom surface of the sensor housing annular Peltier element, the inner opening adjacent to the seal ring, permits the electronic regulation of the temperature in the measuring chamber and in the under examination system in the area of ​​the bearing surface of the measuring and control gate. Das Peltierelement wird über einen PID-Regler (proportional, integral und differential) gesteuert, der drei Betriebsmodi der Temperaturregelung erlaubt: 1) eine mit der Umgebungstemperatur synchrone Nachlaufregulation, 2) eine von der Umgebungstemperatur um einen konstanten Betrag abweichende Nachlaufregulation und 3) eine von der Umgebungstemperatur unabhängige konstante Temperaturvorgabe. The Peltier element is controlled by a PID controller (proportional, integral and differential), which allows three modes of operation of the temperature control: 1) synchronous with the ambient temperature run-regulation, 2) a different tracking regulation of the ambient temperature by a constant amount, and 3) one of the ambient temperature independent constant temperature specification. Diese Optionen zur thermischen Kontrolle sind vor allem für die Prozeßanalyse im Freiland von großer Bedeutung. These options for thermal control are mainly for process analysis in the field of great importance.
  • [0017] [0017]
    Auf der kreisrunden Wand des Trägertellers sind drei um 120° versetzte sichelförmige Lamellen montiert, die unter einem Führungsring horizontal schwenkbar gelagert sind. In the circular wall of the support plate are mounted three offset by 120 ° sickle-shaped blades which are mounted pivotally horizontally below a guide ring. Die Drehbarkeit des Sensorgehäuses im Trägerteller wird dadurch erreicht, in dem die Lamellen in die Nut des Sensorgehäuses eingeschwenkt werden. The rotatability of the sensor housing in the support plate is achieved, in which the blades are pivoted into the groove of the sensor housing. Hierzu muß das Sensorgehäuse mit leichtem Druck auf die Bodenplatte des Trägertellers angepreßt werden, wodurch die Meßkammer zur Bodenplatte hin abgedichtet wird. For this purpose, the sensor housing must be pressed with slight pressure on the bottom plate of the carrier plate, whereby the measuring chamber is sealed towards the base plate. Der Führungsring dient hierbei als Widerlager. The guide ring serves as an abutment.
  • [0018] [0018]
    Bleibt der Boden des Trägertellers geschlossen, so ist die Omni-Lock als geschlossene Meßzelle oder als Durchflußmeßzelle zu betreiben (siehe unten). Is the base of the carrier plate is closed, the Omni-lock is to be operated as a closed measuring cell or flow cell as (see below). Steht die Meßkammer über eine verschließbare Öffnung in der Bodenplatte mit einem biologischen oder abiotischen System in Verbindung, dann fungiert die Omni-Lock als Regelschleuse. If the measuring chamber via a closable opening in the bottom plate with a biological or abiotic system in combination, the Omni-lock acts as a control gate. Über die zentrale Öffnung in der Bodenplatte werden Sensoren und Mikrowerkzeuge durch die Meßkammer hindurch im Untersuchungsobjekt positioniert. Sensors and micro tools to pass through the measuring chamber positioned in the examination object through the central opening in the bottom plate. Zur Gewährleistung einer dichtenden Verbindung zwischen Schleuse und Untersuchungsobjekt wird zuerst der Trägerteller mit Hilfe einer eigens dafür konstruierten Exzenterspannvorrichtung am Objekt fixiert. To ensure a sealing connection between lock and examination subject the carrier plate is fixed by means of a specially constructed eccentric clamping the object first. Danach wird das Sensorgehäuse in den Trägerteller eingesetzt. After that, the sensor housing is inserted into the carrier plate.
  • [0019] [0019]
    Das Sensorgehäuse ist mit mehreren Bohrungen verschiedener Durchmesser versehen. The sensor housing is provided with a plurality of bores of various diameters. Eine zentrale Bohrung in der Vertikalachse des Sensorgehäuses trifft die Meßkammer am Scheitelpunkt der Kalotte. A central bore in the vertical axis of the sensor housing meets the measuring chamber at the apex of the calotte. Weitere Bohrungen sind radiärsymmetrisch im Winkel von 45° zur Vertikalen angeordnet und führen in gleichen Abständen von der Schrägfläche des Sensorgehäuses auf die Kalotte der Meßkammer. Further bores are arranged in radial symmetry at an angle of 45 ° to the vertical and run at equal distances from the inclined surface of the sensor housing on the dome of the measuring chamber. Mit einer Ausnahme haben die Achsen aller Bohrungen den geometrischen Mittelpunkt der Meßkammer als gemeinsamen Schnittpunkt. With one exception, the axes of all holes have the geometric center of the measuring chamber as a common point of intersection. Die Ausnahme ist eine Bohrung, deren Achse den 'Äquator' der Meßkammer schneidet. The exception is a bore whose axis intersects the 'equator' of the measuring chamber. Mit einem Ventil versehen, fungiert diese Bohrung als Auslaßöffnung zum rückstandsfreien Befüllen der Meßkammer mit Flüssigkeiten oder Gasen in vertikaler Position. provided with a valve, this bore acting as outlet opening for residue-free filling of the measuring chamber with liquids or gases in a vertical position. Die Entnahme von Gas- oder Flüssigkeitsproben sowie die Applikation chemischer Substanzen erfolgt ebensfalls über diese Öffnung. The extraction of gas or liquid samples and the application of chemical substances takes place just in case this opening. Mehrere der radiärsymmetrisch angeordneten Bohrungen fungieren als Kanülen, durch die Sensoren oder/und Mikrowerkzeuge von außen in die Meßkammer und in das Untersuchungsobjekt eingeführt und gasdicht positioniert werden. Several of the radial symmetry disposed bores act as needles, are inserted through the sensors and / or micro-tools from the outside into the measuring chamber and in the examination object and gas-tight position. Mittels eines Mikrometervorschubs können alle Sensoren und Mikrowerkzeuge individuell längs der Bohrachsen exakt und reproduzierbar vor- und zurück bewegt werden. By means of a micrometer feed can be individually pre all sensors and micro-tools along the drilling axis accurately and reproducibly moved back and forth. Zwei weitere Bohrungen sind ebenfalls mit Ventilen versehen. Two additional holes are also provided with valves. Eine dient dem Befüllen der Meßkammer mit Flüssigkeiten und Gasen, während die andere für die Druckregulation in der Meßkammer zur Verfügung steht. One is used to fill the measuring chamber with liquids and gases, while the other stands for the pressure regulation in the measurement chamber are available.
  • [0020] [0020]
    Durch die Wahl des Mittelpunktes der Meßkammer als gemeinsamen Schnittpunkt der Kanülen bietet die Meß- und Regelschleuse drei verschiedene Verwendungsmöglichkeiten zur Prozeßanalyse: By choosing the center of the measuring chamber as a common point of intersection of the cannulas the measuring and control lock offers three different ways to use process analysis:
    • a) als geschlossene Meßzelle zur simultanen Messung physiko-chemischer und biologischer Parameter in einem sich in der Meßkammer befindlichen gasförmigen oder flüssigen Medium. a) as a closed measuring cell for the simultaneous measurement of physico-chemical and biological parameters in a measurement chamber is located in the gaseous or liquid medium. In diesem Modus ist die Öffnung des Trägertellers verschlossen und der Stoffaustausch in der Meßzelle erfolgt über die Ein- und Auslaßventile. In this mode, the opening of the carrier plate is closed and the exchange of material in the measuring cell takes place via the intake and exhaust valves. Die Sensoren werden auf der Kalotte der Meßkammer positioniert. The sensors are positioned on the dome of the measuring chamber. Da nur der Eigendurchmesser der Sensoren den minimalen Abstand zueinander auf der Kalotte definiert, kann durch den Einsatz von Hybridoptoden die Zahl der in derselben Probe gleichzeitig zu erfassenden Parameter auf engstem Raum verdoppelt werden. Since only the intrinsic diameter of the sensors defining the minimum distance from each other on the cap, the number of simultaneously detected in the same sample parameters in a confined space can be doubled through the use of Hybridoptoden. Diese Meßanordnung eignet sich besonders zur Analyse sehr kleiner, nur wenige Mikroliter betragende Probenmengen eines gasförmigen oder flüssigen Stoffes oder Stoffgemisches, das in die Meßkammer eingeleitet wird. This measuring arrangement is particularly suitable for analysis of very small, just a few microliters of sample amount forming amounts of a gaseous or liquid substance or composition that is introduced into the measuring chamber.
    • b) als Durchflußmeßzelle mit geschlossenem Trägerteller und geöffneten Ein- und Auslaßventilen oder im Bypass-Modus. b) a flow cell with a closed carrier plate and open inlet and outlet valves or in bypass mode. Hierzu ist die Meßkammer bei geschlossenen Ventilen aber geöffnetem Trägerteller mit dem Untersuchungsobjekt verbunden und der Stofftransport erfolgt als Bypass vom Untersuchungsobjekt durch die Meßkammer und wieder zurück. For this, the measuring chamber is open, but carrier plate connected to the object under examination with the valves closed and the material is transported as a bypass by the examination subject back through the measuring chamber and then.
    • c) als Regelschleuse zur ortsidentischen, sukzedanen Messung physiko-chemischer und biologischer Parameter und Mikropräparation in biologischen oder abiotischen Systemen. c) as a control gate for the spatially identical sukzedanen measuring physico-chemical and biological parameters and microdissection in biological or abiotic systems. In dieser Konfiguration ist die Omni-Lock über die Öffnung im Trägerteller mit dem Untersuchungsobjekt verbunden. In this configuration, the Omni-Lock is connected through the opening in the carrier plate with the object under examination. Mittels Mikrometervorschub werden die auf der Schrägfläche des Sensorgehäuses angeordneten Sensoren und Mikrowerkzeuge nacheinander in das Untersuchungsobjekt eingeführt. Means micrometer feed be introduced which are arranged on the inclined surface of the sensor housing sensors and micro tools successively into the object under investigation. Die Drehbarkeit des Sensorgehäuses ist die konstruktive Voraussetzung zur freien Wahl der Meßstelle im Untersuchungsobjekt auf einem Umkreis, dessen Länge sich aus dem Winkel der Kanülen zur Horizontalen und der Tiefe der Meßstelle im Objekt ergibt. The rotatability of the sensor housing is the structural requirement for the free choice of the measuring point in the examination object on a circumference whose length is clear from the angle of the cannula to the horizontal and the depth of the measuring point at the object. Dadurch kann mit zunehmender Tiefe ein dreidimensionales Raster von Meßpunkten erstellt werden, das sich kegelförmig in das Untersuchungsobjekt hinein erstreckt. Characterized a three-dimensional grid can be created by measuring points with increasing depth, extending conically in the object under investigation into it. Über die vertikale Kanüle des Sensorgehäuses kann ein weiterer Sensor senkrecht zur Oberfläche in das Untersuchungsobjekt appliziert werden, wodurch Messungen entlang der Rotationsachse des kegelförmigen Meßsektors möglich sind. a further sensor can be applied perpendicular to the surface in the object under examination via the vertical cannula of the sensor housing, thereby measurements along the axis of rotation of the conical Meßsektors are possible. Dies ist die einfachste Variante zur Erfassung einer Meßgröße in einem Untersuchungsobjekt, entweder in konstanter Tiefe oder im vertikalen Gradienten. This is the simplest way for detecting a measurable variable in an object under examination, either at a constant depth or vertical gradient. Darüber hinaus dient die vertikale Kanüle der exakten Positionierung von Mikroendoskopen und -werkzeugen für die Mikropräparation im Untersuchungsobjekt. In addition, the vertical cannula of the exact positioning of micro endoscopes and tools used for the microdissection in the examination object.
  • [0021] [0021]
    Im folgenden wird eine spezifische technische Ausführung der optosensorischen Meß- und Regelschleuse bechrieben und in ihrer Funktionsweise am Beispiel der Applikation optischer Mikrosensoren (O 2 - und CO 2 -Optoden) im Splintholz von Bäumen zur Quantifizierung der Gaspartialdrücke unter Vermeidung von Embolien und dadurch der Aufrechterhaltung des Transpirationsstroms beschrieben. The following is a specific technical embodiment of the opto sensory measurement and control gate is bechrieben and in their operation on the example of application of optical micro-sensors (O 2 - and CO 2 -Optoden) in the sapwood of trees to quantify the gas partial pressures while avoiding embolism, thereby maintaining the Transpirationsstroms described.
  • [0022] [0022]
    Die Übersichtszeichnung ( The general drawing ( 1 1 ) illustriert in vereinfachter Darstellung die wesentlichen Komponenten der Meß- und Regelschleuse. ) Illustrates a simplified representation of the essential components of the measuring and control gate. Im Querschnittsprofil (oberes Schema) ist das drehbare Sensorgehäuse mit Meßkammer und Peltierelement zu sehen, das in den Trägerteller eingesetzt und mit dem 3-teiligen Lamellenverschluß arretiert ist. In the cross-sectional profile (upper scheme) is shown the rotatable sensor housing with measuring chamber and Peltier element that is inserted into the carrier plate and locked with the 3-piece blade shutter. Über eine kleine Öffnung in der Bodenplatte erfolgt ein gasförmiger oder flüssiger Stoffaustausch zwischen der Meßkammer und einem lebenden oder abiotischen System (Schleusenfunktion). a gaseous or liquid mass transfer between the measuring chamber and a living or abiotic system (lock function) via a small opening in the bottom plate. Mikrosensoren werden durch Kanülen im Sensorgehäuse in die Meßkammer gasdicht eingeführt. Microsensors are inserted gas-tight into the measuring chamber through cannulas in the sensor housing. Mit Hilfe eines umsetzbaren Mikrometervorschubs können alle Mikrosensoren und -werkzeuge durch die Meßkammer hindurch im Untersuchungsobjekt exakt positioniert werden. With the aid of a micrometer feed actionable all micro-sensors and tools can be accurately positioned across the measuring chamber through the object under examination. Die Anordnung der Sensoren im Sensorgehäuse erlaubt die Erstellung eines kegelförmigen Rasters von Meßpunkten, das sich mit zunehmendem Durchmesser in die Tiefe des Untersuchungsobjekts erstreckt. The arrangement of the sensors in the sensor housing allows the creation of a cone-shaped grid of measuring points, which extends with increasing diameter in the depth of the examination object. Die Aufsicht (unteres Schema) zeigt das uhrenförmige Gehäuse des Trägertellers mit den sichelförmigen Lamellen sowie eine optionale Belegung der Meßkammer mit Sensoren. Supervision (lower diagram) shows the watch-shaped housing of the carrier plate with the crescent-shaped blades and an optional assignment of the measuring chamber with sensors. Die Ein- und Auslaßventile und die Öffnung zur Druckregulation in der Meßkammer sind ebenfalls abgebildet. The intake and exhaust valves and the opening for pressure regulation in the measuring chamber are also shown.
  • [0023] [0023]
    Das Sensorgehäuse (d = 30 mm), hier aus PEEK-Kunstoff gefertigt, ist mit insgesamt neun Bohrungen verschiedener Durchmesser (d = 1 – 2.4 mm ) versehen. The sensor housing (d = 30 mm), manufactured here from PEEK plastic is, a total of nine holes with different diameters (d = 1 - 2.4 mm) is provided. Die zentrale Bohrung (d = 2.4 mm) in der Vertikalachse des Sensorgehäuses trifft die Meßkammer (d = 5 mm; V = 35 ) am Scheitelpunkt der Kalotte. The central hole (d = 2.4 mm) in the vertical axis of the sensor housing, the measuring chamber exceeds (d = 5 mm; V = 35) at the apex of the calotte. Weitere acht Bohrungen sind radiärsymmetrisch im Winkel von 45° zur Vertikalen angeordnet und führen in gleichen Abständen von der Schrägfläche des Sensorgehäuses auf die Kalotte der Meßkammer ( Another eight bores are arranged in radial symmetry at an angle of 45 ° to the vertical and run at equal distances from the inclined surface of the sensor housing on the dome of the measuring chamber ( 2 2 ). ). Sieben dieser Bohrungen haben den geometrischen Mittelpunkt der Meßkammer als gemeinsamen Schnittpunkt. Seven of these holes have the geometric center of the measuring chamber as a common point of intersection. Nur Bohrung Nr.9 trifft den Äquator der Meßkammer ( Only hole No.9 hits the equator of the measuring chamber ( 2A 2A ). ). Sie dient dem Auslaß von Flüssigkeiten und Gasen und zugleich der Probenentnahme und Stoffapplikation. It serves the outlet of liquids and gases and at the same time of sampling and mass application. Für diese Doppelfunktion wird eine verschließbare Infusionskanüle mit seitlichem Septum verwendet. For this dual function a sealable infusion cannula is used with lateral septum. Fünf der radiärsymmetrisch angeordneten Bohrungen (Nr. 1–5) fungieren als Kanülen, durch die Sensoren (Optoden und Hybridoptoden, Thermocouples und Elektroden) und Mikrowerkzeuge von außen in die Meßkammer und in das Untersuchungsobjekt eingeführt und gasdicht positioniert werden. Five of the radial symmetry disposed bores (no. 1-5) act as needles, are inserted through the sensors (optodes and Hybridoptoden, thermocouples and electrodes) and micro-tools from the outside into the measuring chamber and in the examination object and gas-tight position. Bohrung Nr.7 trägt ein Ventil und dient dem Befüllen der Meßkammer mit Flüssigkeiten und Gasen, während Bohrung Nr.8 mit einem einstellbaren Überdruckventil zur Druckregulation in der Meßkammer versehen ist. No.7 bore carrying a valve and is used to fill the measuring chamber with liquids and gases, while drilling # 8 is provided in the measuring chamber with an adjustable pressure relief valve for pressure regulation.
  • [0024] [0024]
    Der Trägerteller (d = 40 mm) aus eloxiertem Aluminium hat die Form eines Uhrengehäuses. The carrier plate (d = 40 mm) made of anodized aluminum is in the form of a watch case. Bodenplatte (Dicke = 1 mm), Wand (Höhe = 5 mm, Dicke = 5 mm) und seitliche Halterungen für den Steg zur Befestigung des Spannngurtes und einer Nut zur Aufnahme eines Einhängebügels des Spanngurtes sind aus einem Stück gefertigt ( Bottom plate (thickness = 1 mm), wall (height = 5 mm, thickness = 5 mm) and side supports for the bar for securing the Spannngurtes and a groove for receiving a Einhängebügels of the clamping belt are made of one piece ( 3 3 ). ). Für die Benutzung der Omni-Lock als Meßzelle bleibt die Bodenplatte des Trägertellers geschlossen; For the use of Omni-Lock as a measuring cell, the bottom plate of the carrier plate is closed; für die Benutzung als Schleuse können je nach Verwendungszweck Bohrungen bis zu 5 mm Durchmesser gesetzt werden. for use as a lock up to 5 mm in diameter can be set depending on the purpose holes. Die drei schwenkbaren Lamellen sind horizontal auf der Wand des Trägertellers drehbar montiert. The three pivoting slats are mounted horizontally on the wall of the carrier plate rotatable. Sie sind so dimensioniert, daß sie nahezu den gesamten Umfang der Nut des Sensorgehäuses umgreifen. They are so dimensioned to encompass almost the entire circumference of the groove of the sensor housing. Dies ist die Voraussetzung zur Drehbarkeit des Sensorgehäuses unter Gewährleistung der Abdichtung der Meßkammer zur Bodenplatte. This is the prerequisite for rotation of the sensor housing, while ensuring the sealing of the measuring chamber to the base plate. Ein Führungsring über den Lamellen dient als Widerlager zur Kraftaufnahme des Anpreßdruckes des Sensorgehäuses im Trägerteller. A guide ring on the lamella serves as an abutment for the force absorption of the contact pressure of the sensor housing in the support plate.
  • [0025] [0025]
    Die Montage des Trägertellers am Objekt – hier ein Baumstamm – erfolgt mittels eines Exzenterspanners als besondere Ausführungsart ( The mounting of the carrier plate on the object - here a tree trunk - by means of a particular embodiment as Exzenterspanners ( 4 4 ). ). In eine 6 mm dicke Aluminiumplatte (Spannplatte: Höhe = 25 mm, Breite = 41 mm) sind zwei rechteckige Öffnungen im gleichen Abstand von der vertikalen Achse gefräst, in die je eine exzentrisch gelagerte Rändelwalze eingesetzt ist. In a 6 mm thick aluminum plate (chuck plate: height = 25 mm, width = 41 mm) are two rectangular openings milled at the same distance from the vertical axis, in each of which an eccentrically mounted knurling roller is inserted. Die Rändelwalze ist auf einer Achse befestigt, die in der Spannplatte drehbar gelagert ist. The knurling roller is mounted on an axle which is rotatably mounted in the clamping plate. Eine Spiralfeder dreht die Achse und bewirkt dadurch einen Andruck der Rändelwalze auf die innere Öffnungsfläche. A coil spring rotates the axis, thereby causing a contact pressure of the knurling on the inner opening area. Zur Durchführung eines Spanngurtes zwischen der Innenfläche einer Öffnung und der Rändelwalze wird diese mit einem Rändelgriff gegen den Federandruck nach außen geschwenkt. To perform a clamping strap between the inner surface of an opening and the knurled this is pivoted with a knurled knob against the spring loading outwards. Durch den permanenten Andruck der exzentrischen Rändelwalze auf den Spanngurt kann dieser nur in einer Richtung gezogen werden, der Gegenzug bleibt jedoch stets blockiert. The permanent pressure of the eccentric knurled on the strap that can be pulled in one direction only, the return remains but always blocked. Die Spannplatte wird mittels zweier Stehbolzen geführt, die fest auf einem Widerlager montiert sind. The clamping plate is guided by means of two studs which are fixedly mounted on an abutment. Eine zentrale Rändelschraube bewegt die Spannplatte auf den Stehbolzen über eine Strecke von 8 mm vor- und zurück. A central knurled screw moves the clamping plate on the stud over a distance of 8 mm back and forth. Diese Vorrichtung ermöglicht eine schnelle Montage des Trägertellers am Untersuchungsobjekt, indem zwei Polyesterbänder zu beiden Seiten das Objekt umschließen und mittels der Exzenterwalzen vorgespannt werden. This device allows a quick mounting of the carrier plate on the object to be examined by two polyester tapes enclose the object on either side and are biased by means of the eccentric rollers. Durch die Verschiebung der Spannplatte auf den Stehbolzen wird auf kurzem Wege eine gleichmäßige Zugkraft auf beide Bänder ausgeübt, wodurch der Trägerteller verschiebungsfrei auf dem Untersuchungsobjekt arretiert wird. Due to the displacement of the clamping plate on the stud, a uniform force is applied to both bands over a short distance, whereby the carrier plate is offset-free locked onto the object to be examined. Darüber hinaus hat diese Ausführung der Spannvorrichtung den Vorteil, daß sie zur Montage der Omni-Lock auf sehr unterschiedlich geformten Objekten mit beliebigem Umfang geeignet ist, sogar auch dann, wenn der Durchmesser deutlich kleiner ist als der des Trägertellers. In addition, this embodiment of the clamping device has the advantage that it is suitable for mounting the Omni-Lock on very differently shaped objects with any extent, even even if the diameter is significantly smaller than that of the carrier plate.
  • [0026] [0026]
    Da Mikrosensoren und besonders Optoden keinen mechanischen Kräften ausgesetzt werden dürfen, ist es nicht möglich solche Sensoren ungeschützt in tierischen oder pflanzlichen Geweben und Organen zu applizieren, was den Anwender vielfach daran hindert sie überhaupt einzusetzen. As microsensors and particularly Optodes may be exposed to mechanical forces, it is not possible such sensors exposed to apply in animal and plant tissues and organs, which the user often it prevents use at all. Eine Lösung dieses Problems bietet die Omni-Lock dergestalt, daß mit diesem Gerät feine Kanülen in Gewebe und Organe eingeführt werden können, in denen dann die Sensoren bis an die Kanülenspitze geschoben werden. One solution to this problem, the Omni-Lock provides such a way that fine needles into tissue and organs may be introduced with this device in which the sensors are then pushed to the cannula tip. Über die Kanülen steht die Meßkammer der Omni-Lock mit dem Untersuchungsobjekt in Verbindung. About the cannulas the measuring chamber of the Omni-Lock is connected to the object under examination.
  • [0027] [0027]
    In Pflanzen wird die Applikation optischer Mikrosensoren durch feste Abschluß-, Verfestigungs- und Stützgewebe, vor allem aber durch die Verholzung erschwert. In plants, the application of optical micro-sensors is complicated by solid Terminating, strengthening and supporting tissue, but especially by the woodiness. Darüber hinaus ist für den minimalinvasiven Zugang in die saftführenden pflanzlichen Gewebe die Vermeidung von Embolien durch das Eindringen von Luft während der Sensorapplikation eine entscheidende methodische Voraussetzung, um die Gewebefunktion während der in situ Messung aufrechtzuerhalten. In addition, the prevention of emboli by the ingress of air during the sensor application is a crucial prerequisite methodological to maintain the tissue function during the in situ measurement for the minimally invasive access leading into the juice of plant tissue. Gefäße, in denen beim Applizieren von Sensoren ohne Luftabschluß der unter Unterdruck stehende Wasserfaden durch Embolie reißt, stehen für weitere Untersuchungen nicht mehr zur Verfügung. Vessels in which tears during application of sensors without occlusion of under negative pressure water theme throughout embolism, are no longer available for further investigation. Die Omni-Lock löst dieses methodische Problem durch die Möglichkeit zur Applikation von Kanülen und Sensoren unter Luftabschluß in der flüssigen Phase. The Omni-Lock solves this problem by the methodological way to application of cannulas and sensors absence of air in the liquid phase. Zu diesem Zweck wird während des Einführens einer Kanüle in das zu untersuchende Gewebe die Meßkammer mit einer entgasten Flüssigkeit, zB eine sterile, wäßrige isotonische Lösung, durchströmt. For this purpose, the measuring chamber with a degassed liquid, for example is a sterile, aqueous isotonic solution, flows through during the insertion of a cannula into the tissue to be examined. Hierzu wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitskreislauf zwischen dem Ein- und Auslaßventil der Meßkammer hergestellt. For this purpose, a continuous liquid circuit between the inlet and outlet of the measuring chamber is made. Durch Anlegen eines regelbaren Überdrucks in der Meßkammer wird das Eindringen von Luft in das Gewebe während der Sensorapplikation und der Messung verhindert. the penetration of air into the tissue while the sensor application and measurement is prevented by applying an adjustable overpressure in the measuring chamber. Diese Methode des Zugangs in verholzte pflanzliche Gewebe unter Luftabschluß zum Zwecke der Embolievermeidung wurde vom Antragsteller bereits erfolgreich erprobt [Gansert D, Burgdorf M, Lösch R (2001) A novel approach to the in situ measurement of oxygen concentrations in the sapwood of woody plants. This method of access in woody plant tissue absence of air for the purpose of embolism prevention has already been successfully tested by the applicant [Gansert D, Burgdorf M, extinguishing R (2001) A novel approach to the in situ measurement of oxygen Concentrations in the sapwood of woody plants. Plant, Cell and Environment 24: 1055–1064]. Plant, Cell and Environment 24: 1055-1064]. Sie wurde zum Zwecke der Multifunktionalität in der technischen Realisierung der Omni-Lock berücksichtigt. She was taken into account for the purpose of multi-functionality in the technical realization of the Omni-Lock.
  • [0028] [0028]
    Für den mikropräparativen Eingriff, zB zur Entnahme von Gewebeproben oder der Applikation von Sonden, werden Mikroendoskope und -werkzeuge eingesetzt. For micropreparative surgery, for example for taking tissue samples or the application of probes microendoscopes and tools are used. Diese werden, wie auch die Sensoren, mit Hilfe eines Mikrometervorschubs im Objekt positioniert. These are, as well as the sensors positioned using a micrometer feed on the property. Im vorliegenden Funktionsmuster wird dazu eine Einbaumeßschraube (Verstellbereich: 0–25 mm, Genauigkeit: 0.002 mm) mit stehender Spindel verwendet ( In the present operation pattern to a Einbaumeßschraube (0-25 mm, accuracy: Adjustment 0.002 mm) is used with the spindle ( 5 5 ). ). Auf die Spindel ist eine Klemmplatte zur Fixierung von Senso ren und Mikrowerkzeugen aufgesetzt. a clamping plate for fixing Senso reindeer and micro tools is mounted on the spindle. Die Klemmplatte wird auf zwei Stangen (d = 3 mm, 1 = 41 mm) geführt, die mit der Aufnehmerplatte für die Meßschraube und einer Grundplatte fest verbunden sind. The clamping plate is on two rods (d = 3 mm, 1 = 41 mm) performed, which are fixedly connected with the pick-up for the micrometer and a base plate. Die Grundplatte dient zugleich der Arretierung des Vorschubs auf einer Sensorbuchse mit Dichtungsring im Sensorgehäuse, durch die hindurch ein Sensor in die Meßkammer und in das Untersuchungsobjekt eingeführt wird. The base plate also serves to arrest the feed on a sensor socket with sealing ring in the sensor housing through which a sensor is inserted into the measuring chamber and in the object under examination by the. Sensorbuchse, Grundplatte und Klemmplatte sind übereinander auf einer Achse zentriert. Sensor socket, base plate and clamping plate are each centered on an axis. Nach erfolgter Positionierung wird der Sensor von der Klemmplatte gelöst und die Sensorbuchse durch Drehen des Vorschubs festgezogen. After the positioning of the sensor is released from the clamping plate and the sensor sleeve is tightened by turning the feed. Dadurch wird der Sensor im Gehäuse gasdicht arretiert. Thus, the sensor in the housing is locked in a gastight manner. Danach wird die Arretierung der Grundplatte an der Sensorbuchse gelöst und der Mikrometervorschub entfernt. Thereafter, the locking of the base plate to the sensor connector is released and the micrometer feed removed. Nacheinander werden so alle Sensoren positioniert und abgedichtet. One after another all the sensors are positioned and sealed. Diese technische Ausführung des Mikrometervorschubs hat drei wesentliche Vorteile: 1) Gewichtseinsparung bei der Meß- und Regelschleuse, 2) die Sensorkabel werden beim Positionieren nicht verdrillt, da sie ohne Eigenrotation bewegt werden, 3) Kosteneinsparung durch Herstellung nur eines normierten Mikrometervorschubs, der für alle Anschlußbuchsen am Sensorgehäuse passend gefertigt ist. This technical design of the micrometer feed has three major advantages: 1) weight-saving in the measuring and control gate, 2) the sensor cable will not be twisted when positioning, as they are moved without self-rotation, 3) cost savings by preparing only a normalized micron feed, the all jacks fits made on the sensor housing.
  • 1 1
    1–9 1-9
    Bohrungen mit verschiedenen Durchmessern für: Bores of different diameters for:
    1 1
    Temperatursensor temperature sensor
    2 2
    pH-O 2 -Hybridoptode pH O 2 -Hybridoptode
    3 3
    pH-Mikroelektrode pH microelectrode
    4 4
    TO 2 -Hybridoptode TO 2 -Hybridoptode
    5 5
    O 2 -Optode O 2 optode
    6 6
    CO 2 -O 2 -Hybridoptode und Mikrowerkzeuge CO 2 -O 2 -Hybridoptode and Microtools
    7 7
    Flüssigkeits- und Gaseinlass Liquid and gas inlet
    8 8th
    Druckregulation pressure regulation
    9 9
    Flüssigkeits- und Gasauslass, Probenentnahme und Stoffapplikation Liquid and gas outlet, sampling and mass application
    10 10
    Schwenkbare Lamelle des 3-teiligen Lamellenverschlusses im Trägerteller Pivotable lamella of the 3-piece closure slats in the support plate
    11 11
    Ringförmiges Peltierelement Ring-shaped Peltier element
    12 12
    Drehbares Sensorgehäuse Rotatable sensor housing
    13 13
    Mikrosensoren und -werkzeuge Microsensors and tools
    14 14
    Umsteckbarer Mikrometervorschub für Mikrosensoren und- werkzeuge Reversible micrometer feed for microsensors tools and-
    15 15
    Mikrosensoren und -werkzeuge Microsensors and tools
    16 16
    Messkammer measuring chamber
    17 17
    Mikrosensoren und -werkzeuge Microsensors and tools
    18 18
    O-Ring zur Dichtung der Messkammer O-ring for sealing of the measurement chamber
    19 19
    Trägerteller mit dreiteiligem Lamellenverschluss Carrier plate with a three-piece bladed shutter
    20 20
    Lebendes oder abiotisches System Living or abiotic system
  • 2 2
    A A
    Sensorgehäuse: Schnitt mit Bohrungen 3, 6, 9 Sensor housing: section with bores 3, 6, 9
    16 16
    Messkamer measuring camera
    B B
    Schnitt mit Bohrungen 2, 4, 6 Section with holes 2, 4, 6
    C C
    Aufsicht mit Positionen der Bohrungen 1–9 Supervision with positions of the holes 1-9
  • 3 3
    A A
    Trägerteller: Aufsicht Carrier plate: Supervisory
    10 10
    Schwenkbare Lamelle swiveling blade
    22 22
    Steg für Spanngurt Bridge for strap
    B B
    Seitenansicht sideview
    21 21
    Verschließbare Öffnung in der Bodenplatte des Trägertellers Closable opening in the bottom plate of the carrier plate
    23 23
    Nut für Einhängebügel Groove for Yoke
    C C
    Einhängebügel für Spanngurt Stirrup for strap
  • 4 4
    A A
    Exzenterspanner: Frontansicht Eccentric: front view
    24 24
    Exzentrisch gelagerte Rändelwalze Eccentrically mounted knurled
    25 25
    Rändelgriff knurled
    B B
    Aufsicht At sight
    26 26
    Rändelschraube thumbscrew
    27 27
    Spannplatte chipboard
    28 28
    Widerlager mit kerbförmiger Auflagefläche Abutment with notch-shaped contact surface
  • 5 5
    A A
    Mikrometervorschub: Seitenansicht Micrometer feed: side view
    29 29
    Einbaumessschraube mit stehender (nicht drehender) Spindel Micrometer head with stationary (non-rotating) spindle
    30 30
    Führungsstange für die Klemmplatte Guide rod for the clamping plate
    B B
    Aufnehmerplatte der Einbaumessschraube Pickup the micrometer head
    C C
    Klemmplatte zur Arretierung von Mikrosensoren und -werkzeugen Clamping plate for locking of micro-sensors and tools
    31 31
    Arretierschraube locking screw
    D D
    Grundplatte zur Fixierung des Mikrometervorschubs auf sechseckigem Base plate for fixing the micrometer feed to hexagonal
    Sensorbuchsenkopf Sensor socket head

Claims (3)

  1. Der Patentanspruch wird erhoben für eine miniaturisierte und multifunktionale optosensorische Meß- und Regelschleuse für die minimalinvasive Applikation von Mikrosensoren und Mikrowerkzeugen in lebenden und abiotischen Systemen zur quantitativen, räumlich und zeitlich hochauflösenden Prozeßanalyse, Präparation und experimentellen Manipulation unter Freiland- und Laborbedingungen. The patent claim is made for a miniaturized and multifunctional opto sensory measurement and control lock for minimally invasive application of micro-sensors and micro tools in living and abiotic systems for quantitative high-resolution spatial and temporal process analysis, preparation and experimental manipulation under field and laboratory conditions. In der Funktion als Schleuse wird die technische Voraussetzung zur kontinuierlichen physiko-chemischen und biologischen Analyse gasförmiger oder flüssiger Stoffe im strömenden oder ruhenden Zustand unter Aufrechterhaltung der Kommunikation mit dem jeweiligen biologischen oder abiotischen System erfüllt. In its function as a lock, the technical requirement for the continuous physical-chemical and biological analysis of gaseous or liquid substances in the flowing or stationary condition is satisfied while maintaining the communication with the respective biological or abiotic system. Über die gleichzeitige und ortsidentische Messung mehrerer biologisch relevanter Parameter (zB T, pH, O 2 , CO 2 , Chlorophyll) hinaus, erlaubt der Einsatz optischer Mikrosensoren erstmals eine vom Aggregatszustand unabhängige Prozeßanalyse. About the same time and location-identical measurement of several biologically relevant parameters (such as T, pH, O 2, CO 2, chlorophyll) also, the use of optical micro-sensors allows for the first time independent of the state of aggregation process analysis. Durch experimentelle Manipulation und minimalinvasivem Eingriff am Untersuchungsobjekt unter sensorischer Kontrolle, ohne Unterbrechung des Meßvorgangs und unter Sterilbedingungen, bietet die Meß- und Regelschleuse eine integrative technische Lösung für die Kausalanalyse biologischer und physiko-chemischer Prozesse, wie sie bisher nicht zur Verfügung stand. Through experimental manipulation and minimally invasive intervention on the object to be examined under sensory control, without interrupting the measuring process and under sterile conditions, the measuring and control lock has an integrated technical solution for the causal analysis of biological and physico-chemical processes which until now was not available.
  2. Nach Anspruch 1 werden mehrere Mikrosensoren unterschiedlicher Analytspezifität, insbesondere optische Sensoren (Optoden und Hybridoptoden), in einem um eine Achse drehbaren, gasdichten Sensorgehäuse in radiärsymmetrischer Anordnung aufgenommen und mittels Mikrometervorschub individuell in einer miniaturisierten Meßkammer positioniert. According to claim 1 a plurality of micro sensors with different analyte specificity, in particular optical sensors (optodes and Hybridoptoden) was added to a rotatable about an axis, gas-tight housing in radiärsymmetrischer sensor arrangement and individually positioned in a miniaturized measuring chamber by means of micrometer feed are. Die Kammer funktioniert wahlweise als a) geschlossene Meßzelle, b) als Durchflußmeßzelle und c) als regelbare Schleuse, durch die hindurch Sensoren und Mikrowerkzeuge, zB Mikroscheren und Mikroendoskope, in ein biologisches oder abiotisches System in variabler Tiefe positioniert werden können. The chamber operates either as a) a closed measuring cell, b)) can be positioned as a controllable sluice through which sensors and micro-tools, such as microscissors and microendoscopes, in a biological or abiotic system in variable depth as a flow cell, and c. Durch Anpassung der physiko-chemischen (gasförmige oder flüssige Phase, Temperatur, Druck, pH-Wert etc.) und biologischen Bedingungen (Isotonie, Nährstoffe, Sterilität etc.) in der Schleuse an das jeweils zu untersuchende System sowie dem Einsatz optosensorischer Mikromeßtechnik ist eine minimalinvasive in situ Prozeßanalyse gewährleistet. By adjusting the physico-chemical (gaseous or liquid phase, temperature, pressure, pH, etc.) and biological conditions (isotonicity, nutrients, sterility, etc.) in the lock to the to be examined each system as well as the use optosensorischer Mikromeßtechnik is a minimally invasive ensured in situ process analysis. Zudem ist die Meß- und Regelschleuse autoklavierbar, so daß sie mikrobiologischen Sterilitätsansprüchen genügt. In addition, the measuring and control gate is autoclavable, so that it is sufficient microbiological sterility claims.
  3. Die technische Ausführung der Meß- und Regelschleuse nach Anspruch 1 erfüllt die Voraussetzungen für ein breites Einsatzspektrum zur Prozeßanalyse im Freiland und im Labor mittels: 1) multifunktionaler Verwendung durch: a) Miniaturisierung (Kammervolumen: 35 μl), b) Funktion als geschlossene Meßzelle, Durchflußmeßzelle und regelbare Schleuse im Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt, c) einfacher und schneller Montage am Untersuchungsobjekt (plug & play) durch zweiteiligen Systemaufbau bestehend aus drehbarem Sensorgehäuse und Trägerteller mit Lamellenverschluß, d) Einsatz im Freiland und Labor, unter atmosphärischen und aquatischen Bedingungen; The technical design of the measuring and control gate according to claim 1 fulfills the requirements for a wide range of applications for process analysis in the field and in the laboratory by means of: 1) multi-functional use by: a) miniaturization (chamber volume: 35 .mu.l), b) function as a closed measuring cell, flow cell and controllable lock in contact with the object to be examined, c) simple and rapid assembly on the object to be examined (plug & play) by two-part system structure consisting of a rotatable sensor housing and carrier plate with blade shutter, d) use in the field and laboratory, under atmospheric and aquatic conditions; 2) simultaner Messung mehrerer physiko-chemischer und biologischer Parameter in derselben Probe: a) biotischen oder abiotischen Charakters, b) in direkter Kommunikation mit dem Untersuchungsobjekt (Bypass-Modus), b) im gasförmigen oder flüssigen Zustand, c) in strömender oder ruhender Phase; 2) simultaneous measurement of several physico-chemical and biological parameters in the same sample: a) biotic or abiotic character (b) in direct communication with the object to be examined bypass mode), b) in the gaseous or liquid state, c) in a flowing or static Phase; 3) minimalinvasiver Sensorapplikation und Mikropräparation unter sensorischer Kontrolle und Sterilbedingungen; 3) minimally invasive sensor application and microdissection under sensory control and sterile conditions; 4) individueller Positionierung von Sensoren und Werkzeugen durch Mikrometervorschub ohne Kabelverdrillung; 4) individual positioning of sensors and tools with micrometer feed without cable twist; 5) Gewährleistung langfristiger Meßreihen durch sicheres Sensor-housing und maximalem Schutz der Sensoren vor mechanischer Belastung; 5) ensuring long-term series of measurements by securely sensor housing and maximum protection of the sensors from mechanical stress; 6) experimenteller Manipulation am Untersuchungsobjekt durch Veränderung physiko-chemischer und biologischer Parameter unter online Messung; 6) experimental manipulation of the object to be examined by changing the physico-chemical and biological parameters under online measurement; 7) druckkompensierter Probenentnahme und Stoffzugabe. 7) pressure compensated samples and material addition.
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