DE102008030277A1

DE102008030277A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration einer Substanz in einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102008030277A1
Application number: DE102008030277A
Authority: DE
Inventors: Rafael Dr. Egger
Original assignee: LRE Medical GmbH
Current assignee: LRE Medical GmbH
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: US20090323070A1; DE102008030277B4; US8045172B2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Bestimmen der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Flüssigkeit wird diese auf einen Teststreifen aufgegeben, der mindestens eine Testzone hat, wobei eine optische Sensoranordnung bei gleichzeitiger Bestrahlung des Teststreifens mit Licht vorgegebener Wellenlänge schrittweise entlang einer ersten Richtung über die Oberfläche des Teststreifens bewegt und bei jedem Schritt die von der Oberfläche des Teststreifens reflektierte Strahlung gemessen wird und wobei bei jedem Messschritt die Teststreifenoberfläche abwechselnd mit Licht mindestens zweier unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt und dabei die reflektierte Strahlung gemessen wird, woraufhin die Differenz der bei jedem Messschritt mit Beleuchtungslicht verschiedener Wellenlängen gewonnenen Messsignale ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Flüssigkeit, wobei diese auf einen Teststreifen aufgegeben wird, der mindestens eine Testzone hat, und wobei eine optische Sensoranordnung bei gleichzeitiger Bestrahlung des Teststreifens mit Licht vorgegebener Wellenlänge schrittweise entlang einer ersten Richtung über die Oberfläche des Teststreifens bewegt und bei jedem Schritt die von der Oberfläche des Teststreifens reflektierte Strahlung gemessen wird.
Die Teststreifen bestehen üblicherweise aus einem die zu untersuchende Flüssigkeit transportierende saugfähigen Trägermaterial, auf das eine oder mehrere Testzonen aufgebracht wurden, die sich beispielsweise linienförmig quer über die Breite des Teststreifens erstrecken und ein Reagenz enthalten, das mit der gesuchten Substanz zu einer Nachweisreaktion führt, die in der Regel in einer Änderung der Farbe der Testzone besteht und daher optisch gemessen werden kann. Ferner kann der Teststreifen in Fließrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeit betrachtet, in einem Abstand hinter der oder den Testzonen liegende Kontrollzone haben. Diese dient in erster Linie dazu, durch wiederholte Amplitudenmessung den Fortschritt der Benetzung des Teststreifens festzustellen und damit den Start des Messvorganges auszulösen. Wenn nämlich an der Kontrollzone eine ausreichende Benetzung festgestellt wurde, kann man davon ausgehen, dass auch die in Fließrichtung vor der Kontrollzone liegende Testzone ausreichend benetzt wurde, um ein verwertbares Messsignal zu liefern. Darüber hinaus können die an der Kontrollzone gewonnenen Messwerte auch zur Beurteilung der Plausibilität der eigentlichen Messergebnisse in der Testzone genutzt werden.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass in der Messkurve, die durch das Bewegen der Sensoranordnung über die Teststreifenoberfläche und die dabei erfolgende Messung des reflektierten Lichtes gewonnen wurde, auch Signale auftreten, die von der Amplitude her mit den eigentlichen Messsignalen vergleichbar sind, jedoch auf Störungen beruhen, also Artefakte sind. Solche Artefakte können beispielsweise auftreten, wenn der Messstreifen durch eine transparente Folie abgedeckt ist, die beim Bestrahlen mit dem Messlicht unerwünschte Reflexe liefert. Artefakte können jedoch auch durch Verunreinigungen oder Inhomogenitäten in dem Messstreifen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf einfache Weise Artefakte der vorstehend genannten Art erkannt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei jedem Messschritt die Teststreifenoberfläche abwechselnd mit Licht mindestens zweier unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt und dabei die reflektierte Strahlung gemessen wird und dass die Differenz der bei jedem Messschritt mit Licht verschiedener Wellenlängen gewonnenen Messsignale ausgewertet wird.
Zunächst ist festzuhalten, dass mit Licht, das zur Bestrahlung des Teststreifens verwendet wird, nicht nur das sichtbare Licht gemeint ist, sondern dass es sich beispielsweise auch um Infrarotstrahlung handeln kann. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die von Störungen herrührenden Messsignale wellenlängenunabhängig sind und daher durch die Differenzbildung eliminiert werden können. Die von den Testzonen herrührenden Signale dagegen sind bei der Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen deutlich voneinander verschieden. Auf diese Weise können Artefakte in der Messkurve erkannt und herausgerechnet werden.
Wenn die Sensoranordnung eine sich quer zur ersten Richtung, d. h. zur Scann-Richtung erstreckende Sensorzeile ist, besteht die Möglichkeit, aus den bei jedem Messschritt von einer Mehrzahl der Sensoren der Sensorzeile gewonnenen Differenzsignalen einen Mittelwert zu bilden. Zumindest bei lokalen Störungen, die sich nicht über die gesamte Breite des Teststreifens erstrecken, liefern die nebeneinander liegenden Sensoren in der Sensorzeile unterschiedliche Messwerte. Durch die Mittelwertbildung wird dabei die Störung gleichsam „eingeebnet”. In der Testzone dagegen ist davon auszugehen, dass alle Sensoren über die Breite des Teststreifens hin denselben Messwert liefern. Auch dadurch besteht die Möglichkeit, Artefakte in der Messkurve zu erkennen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Flüssigkeit, umfassend eine Halterung für einen Teststreifen, der mindestens eine Testzone hat, mindestens eine Lichtquelle zum Beleuchten der Teststreifenoberfläche, eine optische Sensoranordnung zum Erfassen des von der Teststreifenoberfläche reflektierten Lichtes und eine mit der Sensoranordnung verbundene Auswerteeinheit zum Auswerten der von der Sensoranordnung bereit gestellten Messsignale, wobei die Sensoranordnung schrittweise entlang der ersten Richtung über die Teststreifenhalterung bewegbar ist. Erfindungsgemäß sind dabei mindestens zwei Lichtquellen für Licht unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehen, wobei die Vorrichtung so steuerbar ist, dass bei jedem Messschrittt die Teststreifenoberfläche abwechselnd mit Licht jeder der beiden Lichtquellen beleuchtet und dabei das reflektierte Licht gemessen wird.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung einen quer zur ersten Richtung angeordneten Zeilensensor.
Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Abscannen eines Teststreifens,
2 eine schematische Draufsicht auf die in 1 dargestellte Vorrichtung,
3 eine schematische Darstellung eines Teststreifens,
4 ein Messdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den bei zwei verschiedenen Wellenlängen des Messlichtes erhaltenen Remissionskuven und
5 eine Darstellung der Differenz der beiden Remissionskurven aus 4.
In den 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nur mit ihren wichtigsten Teilen schematisch dargestellt. Mit 10 ist eine Halterung für einen Teststreifen 12 bezeichnet. Oberhalb der Halterung befindet sich das optische Messsystem 14. Es umfasst eine Grundplatte oder Plattform 16, die mit Hilfe von Führungen 18 an zwei zueinander parallelen Schienen 20 in Richtung des Doppelpfeiles A in 1 über die Oberfläche der Halterung 10 bzw. des Teststreifens 12 hin und her bewegt werden kann. Hierzu dient ein Antrieb mit einem über zwei Rollen 22, 24 geführten Band 26, das an der Plattform 16 befestigt ist, wobei die Rolle 24 über einen Schneckenantrieb 27 und einen Schrittmotor 28 antreibbar ist (2).
Das Messsystem 14 umfasst einen ersten Gehäuseteil 30, in dem zwei LEDs angeordnet sind, die hier nur durch einen Block 32 gemeinsam wiedergegeben sind. Die eine LED liefert beispielsweise grünes Licht (λ = 520 nm) und die andere IR-Strahlung (λ = 740 nm). Ihr Licht wird durch eine Optik 34 auf den Teststreifen 12 so gelenkt, dass sich ein rechteckiges Beleuchtungsfeld bildet. Das von dem Teststreifen 12 reflektierte Licht tritt durch eine Öffnung 36 in ein zweites Gehäuseteil 38 ein und wird hier über einen Spiegel 40 und eine Abbildungsoptik 42 auf einen Zeilensensor 44 abgebildet. Dieser steht über eine Leitung 46 mit einer Auswerteeinheit 48 in Verbindung.
3 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Elemente eines Teststreifens. Dieser Teststreifen 12 umfasst üblicherweise einen länglichen Träger 50, auf dem in einem Abstand von einem Trägerende mindestens eine Testzone 52 und in einem Abstand von dieser eine Kontrollzone 54 aufgebracht sind. Die Testzone enthält ein Reagenz, das mit der nachzuweisenden Substanz reagiert, wobei diese Reaktion beispielsweise zu einem Farbumschlag führt, so dass sich das Reflektionsvermögen der Testzone bei Vorhandensein der gesuchten Substanz verändert. Die zu untersuchende Flüssigkeit wird in der 3 rechts von der Testzone 52 aufgegeben und fließt aufgrund der Kapillarwirkung des Trägermaterials in Richtung des Pfeiles B durch den Teststreifen, so dass die Flüssigkeit zunächst die Testzone 52 und anschließend die Kontrollzone 54 erreicht. Wenn daher an der Kontrollzone 54 eine Benetzung des Teststreifens 12 durch die zu untersuchende Flüssigkeit festgestellt werden kann, kann man sicher sein, dass auch die Testzone 52 hinreichend von der zu untersuchenden Flüssigkeit benetzt wurde.
In der 3 ist mit der X-Achse die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Teststreifen 12 und dem optischen Messsystem 14 wieder gegeben, wobei den einzelnen Bewegungs- und Messschritten die 1....i.... zugeordnet sind. Ferner ist schematisch die Lage der Sensorzeile 44 dargestellt, die sich mit der Zeilenlängsrichtung quer zur Längsrichtung des Teststreifens und damit in Y-Richtung erstreckt, wobei die Positionen der Einzelsensoren (Bildpunkte) die Nummern 1....j.... zugeordnet sind.
Wird das Messsystem 14 mit der Sensoranordnung 44 in Richtung der X-Achse, d. h. in Richtung des Doppelpfeiles A in 1, relativ zum Teststreifen 12 bewegt, so erhält man für einen einzelnen Sensor innerhalb der Sensorzeile 44 die in 4 dargestellten Messkurven, wobei bei jedem Bewegungsschritt (X-Position) eine Messung sowohl bei Beleuchtung durch die grüne LED als auch bei Beleuchtung durch die Infrarot-LED gemacht wird. Die Messkurve 56 besteht aus Messpunkten bei grünem Licht und die Kurve 58 aus Messpunkten bei Infrarotlicht.
In der 4 erkannt man sowohl am Ort der Kontrollzone als auch am Ort der Testzone jeweils ein deutliches Remissionsminimum 60 bzw. 62 für die bei grünem Licht aufgenommene Messkurve und ein weniger ausgeprägtes Remissionsminimum 60' bzw. 62' für die bei Infrarotbestrahlung aufgenommene Messkurve. Zwischen den beiden Minima 60 und 62 ist ein weiteres Minimum 64, das für beide Messkurven mindestens annähernd gleich ist und von einer Störung herrührt. Solche Störungen können durch Verunreinigungen oder Deformationen des Teststreifens verursacht werden. Je nach Qualität, Güte und Behandlung der Teststreifen-Oberfläche können diese Störungen beliebig oft, in der Stärke und örtlich unvorhersehbar auftreten. In vielen Fällen, wie dem dargestellten Fall, wirkt sich die Störung wellenlängenunabhängig auf die Remission aus. Dies gibt die Möglichkeit, die Störungen zu erkennen und zu eliminieren.
Gleichzeitig ermöglicht der zwischen den Signalen der Kontrollzone und der Testzone liegende Bereich die Ermittlung einer Basislinie, die als Referenzlinie für die Beurteilung der Testzonenamplitude bzw. der Fläche α dienen kann, die durch die Signalhüllkurve gebildet wird. Im Zuge der Vermessung eines geräteinternen Standards werden für alle jeweils einem Einzelsensor innerhalb der Sensorzeile entsprechende Bildpunkte j die Koeffizienten c_j ^G (G für grün) und c_j ^IR (IR für Infrarot) abgelegt. Diese Koeffizienten c_j dienen der Umrechnung von Zählwerten EC_j des Detektors in Remissionsprozent. Nach dem Abscannen eines Teststreifens werden die unter grünem Licht aufgenommenen Bildpunkte von den unter Infrarot aufgenommenen Bildpunkten subtrahiert und es entstehen für alle Bildpunkte j Absorptionskurven.
In die Formel für die Remissionsdifferenz α_ji
werden für die Koeffizienten c_j ^IR die vorher abgelegten Koeffizienten c_j ^G eingesetzt. Der Mittelwert über alle relevanten Bildpunkte j_L...j_U im Bereich der Nulllinie (X-Positionen i_L...i_U) wird gemäß Formel 2 gebildet.
Der Signalverlauf nach Differenzbildung und Mittelung ist in 5 dargestellt. Man erkennt, dass die Störung zwischen dem Signal der Kontrollzone und dem Signal der Testzone verschwunden ist. Die zwischen den beiden Peaks der Differenzkurve liegende Basislinie ergibt eine Bezugslinie für die Auswertung der Amplituden und Flächen der Peaks der Differenzkurven.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Flüssigkeit, wobei diese auf einen Teststreifen (12) aufgegeben wird, der mindestens eine Testzone (52) hat, und wobei eine optische Sensoranordnung (44) bei gleichzeitiger Bestrahlung des Teststreifens (12) mit Licht vorgegebener Wellenlänge schrittweise entlang einer ersten Richtung über die Oberfläche des Teststreifens (12) bewegt und bei jedem Schritt die von der Oberfläche des Teststreifens (12) reflektierte Strahlung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Messschritt die Teststreifenoberfläche abwechselnd mit Licht mindestens zweier unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt und dabei die reflektierte Strahlung gemessen wird und dass die Differenz der bei jedem Messschritt mit Beleuchtungslicht verschiedener Wellenlängen gewonnenen Messsignale ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (44) eine sich quer zur ersten Richtung erstreckende Sensorzeile ist und dass aus der bei jedem Messschritt von einer Mehrzahl der Sensoren der Sensorzeile gewonnenen Differenzsignale ein Mittelwert gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teststreifen (12) zusätzlich zur Testzone (52) eine von dieser beabstandete Kontrollzone (54) hat.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Flüssigkeit, umfassend eine Halterung (10) für einen Teststreifen (12), der mindestens eine Testzone (52) hat, mindestens eine Lichtquelle (32) zum Beleuchten der Teststreifenoberfläche, eine optische Sensoranordnung (44) zum Erfassen des von der Teststreifenoberfläche reflektierten Lichtes und eine mit der Sensoranordnung (44) verbundene Auswerteeinheit (48) zum Auswerten der von der Sensoranordnung bereitgestellten Messsignale, wobei die Sensoranordnung (44) schrittweise entlang einer ersten Richtung über die Oberfläche der Halterung (10) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lichtquellen für Licht unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen sind und dass die Vorrichtung so steuerbar ist, dass bei jedem Messschritt die Teststreifenoberfläche abwechselnd mit Licht jeder der beiden Lichtquellen beleuchtet und dabei das reflektierte Licht gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen quer zur ersten Richtung angeordneten Zeilensensor (44) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (48) so programmiert ist, dass aus den bei jedem Messschritt von einer Mehrzahl von Sensoren der Sensorzeile (44) gewonnenen Differenzsignalen ein Mittelwert gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teststreifen (12) zusätzlich zu der Testzone (52) eine Kontrollzone (54) hat.