DE102012105291A1

DE102012105291A1 - Verfahren, Vorrichtung und tragbares Messgerät zur Detektion biologischer Moleküle in Schichten eines Schichtsystems

Info

Publication number: DE102012105291A1
Application number: DE102012105291A
Authority: DE
Inventors: Holger Lausch; Michael Brand; Michael Arnold; Maria Regina Delhaes Joseph
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-12-19
Also published as: EP2861973A1; WO2013189488A1; US20150192521A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von biologischen Molekülen in Schichten eines Schichtsystems (1), bei dem die biologischen Moleküle mit einer Anregungsstrahlung (3) beaufschlagt werden und eine durch die Anregungsstrahlung (3) bedingte Strahlung (6) der biologischen Moleküle erfasst und eine Konzentration der biologischen Moleküle anhand eines Vergleichs der Messwerte der Strahlung (6) mit Referenzdaten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtsystem (1) bereitgestellt wird, welches eine für die Anregungsstrahlung (3) und die Strahlung (6) transparente Durchgangsschicht (1.1) sowie mindestens eine weitere, die biologischen Moleküle enthaltende, Empfängerschicht umfasst und dass die Anregungsstrahlung (3) durch die Durchgangsschicht (1.1) hindurch in die Empfängerschicht gerichtet wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung sowie ein tragbares Messgerät (11) zur Detektion der biologischen Moleküle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion biologischer Moleküle bestimmter Eigenschaften durch eine Anregung der biologischen Moleküle mittels einer Strahlung und der Erfassung und Auswertung einer aufgrund der Anregung remittierten Strahlung der Moleküle, wie dies gattungsgemäß aus der Schrift DE 103 15 541 A1 bekannt ist. Die Erfindung betrifft außerdem Vorrichtungen zur Detektion biologischer Moleküle sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Die heutigen hohen Standards insbesondere im Bereich der Lebensmittelhygiene auf allen Stufen der Herstellung, der Lagerung, des Verkaufs und des Endverbrauchs erfordern Verfahren zur einfachen und trotzdem zuverlässigen Erkennung von ungewollten oder gar schädlichen Abweichungen von den einzuhaltenden Standards. Besonders günstig sind dabei Verfahren, mittels derer eine zerstörungsfreie und kontaktfreie Detektion solcher Stoffe oder Stoffgruppen ermöglicht ist, die als Indikatoren für einen Zustand eines Lebensmittels oder eines anderen organischen oder organische Bestandteile enthaltenden Rohstoffs oder Produkts erlauben.
Grundsätzlich bekannt ist, dass eine Reihe von Molekülen durch eine Beaufschlagung mit einer energiereichen Strahlung einer entsprechenden Wellenlänge oder eines Wellenlängenspektrums zur Emission von Strahlung (Autofluoreszenz) anregbar sind.
Nachfolgend soll auf biologische Moleküle abgehoben werden. Im Folgenden sind biologische Moleküle Zwischen- oder Endprodukte, die durch Organismen synthetisiert wurden oder durch Stoffwechselvorgänge oder von Organismen verursachten Degradationen chemischer Verbindungen entstehen.
Die grundsätzliche Vorgehensweise zur Nutzung der Autofluoreszenz für Zwecke der Detektion biologischer Moleküle ist beispielsweise in der DE 103 15 541 A1 beschrieben. Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem von einerEnergiequelle, z. B. einem Laser oder einer Quecksilberdampflampe, ein Energiestrom auf eine Oberfläche eines zu untersuchenden Lebensmittels gerichtet wird und zur Fluoreszenz fähige Moleküle zur Abstrahlung einer Fluoreszenzstrahlung angeregt werden. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung wird in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge mittels eines Detektors (z. B. Spektrometer, Photomultiplier) erfasst und mit Werten einer Referenzbibliothek verglichen. Die jeweilige Probe soll unter Vermeidung einer Stoffentnahme zerstörungsfrei analysiert werden. Über die erfassten Werte der Fluoreszenzstrahlung ist zumindest qualitativ eine Konzentration von (auto-)fluoreszenzfähigen Molekülen bestimmbar. Die primäre Verwendung des Verfahrens liegt in der Prozesskontrolle und in der rechtzeitigen Aussonderung von solchen Lebensmitteln, deren zugehörigen Messwerte auf einen unzureichenden Grad an Frische schließen lassen. Es ist ebenfalls eine Vorrichtung umfassend wenigstens eine Energiequelle, einen Detektor für die emittierte Fluoreszenzstrahlung und eine Auswerteeinheit beschrieben.
Das vorstehend angeführte Prinzip wird bereits in einer Reihe von Verfahren und Vorrichtungen, insbesondere zur Lebensmittelkontrolle, angewendet. So ist in der WO 90/01693 ein Verfahren zur optischen Inspektion organischen Materials beschrieben, mittels dem Verunreinigungen oder mit schädlichen Organismen, z. B. dem das Gift Aflatoxin produzierenden Pilz Aspergillus flavus, befallene Lebensmittel auch im großtechnischen Maßstab erkannt und aussortierbar sind. Eine Unterscheidung von verschiedenen Gewebetypen und deren Anteile in zu verarbeitendem Fleisch unterschiedlicher Herkunft ist aus der EP 0 128 889 A1 vorbekannt.
Eine Möglichkeit zum Nachweis von fluoreszenzfähigen biologischen Molekülen sowie von lebenden Mikroorganismen ist in der US 5,474,910 A beschrieben. Es ist ein Verfahren sowie ein Handgerät zur einmaligen oder wiederholten, vergleichenden Detektion fluoreszierender biologischer Moleküle oder Mikroorganismen in Gestalt von „Fingerabdrücken“ in Form spezifischer Fluoreszenzspektren in einem bestimmten Raum oder auf einer bestimmten Fläche unter Lichtbestrahlung mit geeigneten Wellenlängen beschrieben. Der Anwendungsbereich erstreckt sich von der militärisch genutzten Detektion von biologischen Kontaminationen bis hin zur in vitro und in vivo Messung menschlicher und tierischer Gewebeoberflächen.
Nachteilig an den genannten Verfahren ist, dass die Anregung der biologischen Moleküle an der Oberfläche des Lebensmittels erfolgt und dazu das Lebensmittel während einer Untersuchung unverpackt vorliegen muss. Eine Detektion der biologischen Moleküle in Schichten einer Schichtenabfolge, wie diese beispielsweise durch eine Abfolge einer Verpackungsfolie, eines Lebensmittels und eines Zwischenraums zwischen Verpackungsfolie und Lebensmittel gegeben ist, ist mit den Verfahren aus dem Stand der Technik nicht möglich.
Von besonderem Interesse ist eine solche Möglichkeit beispielsweise beim Kauf verpackter Lebensmittel durch den Endverbraucher, bei dem ein Entpacken des Lebensmittels vor dem Kauf nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Detektion biologischer Moleküle in Schichten einer Schichtenabfolge vorzuschlagen. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Detektion der biologischen Molekülen anzugeben. Weiterhin ist es Aufgabe, eine transportable Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Detektion von biologischen Molekülen in Schichten eines Schichtsystems gelöst, bei dem die biologischen Moleküle mit einer Anregungsstrahlung beaufschlagt werden und eine durch die Anregungsstrahlung bedingte Strahlung der biologischen Moleküle erfasst und eine Konzentration der biologischen Moleküle anhand eines Vergleichs der Messwerte der Strahlung mit Referenzdaten ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtsystem bereitgestellt wird, welches eine für die Anregungsstrahlung und die Strahlung transparente Durchgangsschicht sowie mindestens eine weitere, die biologischen Moleküle enthaltende, Empfängerschicht umfasst. Das Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung durch die Durchgangsschicht hindurch in die Empfängerschicht gerichtet wird.
Im Folgenden wird angenommen, dass das Schichtsystem vertikal ausgerichtet ist. Eine erste Schicht befindet sich daher oben, während die weiteren Schichten des Schichtsystems aufeinanderfolgend unterhalb der ersten Schicht angeordnet sind. Ist das Schichtsystem anders im Raum orientiert, ist die Beschreibung entsprechend zu verstehen.
Die Durchgangsschicht ist vorzugsweise die oberste Schicht des Schichtsystems. Sie kann beispielsweise eine Verpackungsfolie aus Kunststoff oder ein Deckel aus Kunststoff sein, wie sie üblicherweise zur Verpackung von Lebensmitteln, beispielsweise von Fleisch- und Wurstwaren, Fisch, Obst oder Gemüse verwendet werden. Unter dem Begriff „transparent“ soll auch der Begriff „transluzent“ inbegriffen sein.
Eine Empfängerschicht ist eine Schicht des Schichtsystems, in der das Vorhandensein von biologischen Molekülen untersucht und eine Konzentration der gegebenenfalls vorhandenen biologischen Moleküle ermittelt werden soll. Eine zu untersuchende Schicht ist daher auch dann eine Empfängerschicht, wenn diese keine biologischen Moleküle enthält. Ausschlaggebend ist lediglich die verfahrensgemäße Untersuchung der betreffenden Schicht.
Sollten in der Empfängerschicht weitere Moleküle vorhanden sein, die nicht als biologische Moleküle anzusehen sind, ist dies für die Durchführung des Verfahrens, nicht von Relevanz. Ausgewertet wird die erfasste Strahlung als Ganzes, ohne auf deren Ursprung abzuheben.
Das Schichtsystem ist durch eine Abfolge von bestimmten, unmittelbar aufeinander folgenden, Schichten gegeben. In einem solchen Schichtsystem kann eine die biologischen Moleküle enthaltende Empfängerschicht eine erste Filmschicht sein, die beispielsweise als eine dünne Schicht (Film) eines Kondensats unmittelbar auf der Unterseite der Durchgangsschicht vorhanden sein kann. Unter den beiden genannten Schichten können eine Gasschicht, eine zweite Filmschicht auf der Oberfläche des Lebensmittels, das Lebensmittel selbst sowie eine Bodenschicht, z. B. eine Schale aus Kunststoff oder aus Pappe, sein. Die Bodenschicht kann nochmals mit einer Folie, beispielsweise mit Randbereichen einer die Durchgangsschicht bildenden Folie, nach unten hin umgeben sein.
Vorzugsweise ist das Verfahren an einem Schichtsystem angewandt, das eine Durchgangsschicht und eine unmittelbar an diese anschließende erste Filmschicht aufweist. Die erste Filmschicht ist vorzugsweise wässrig und kann organische Verbindungen, z. B. biogene Amine, enthalten.
Unter dem Begriff der Konzentration wird nachfolgend sowohl eine im Rahmen der Fehlertoleranzen liegende Ermittlung einer konkreten Konzentrationsangabe oder aber lediglich ein Vergleich mit einem vorher bestimmten Grenzwert verstanden. Im zweiten Fall wird nur überprüft, ob der Grenzwert mit hinreichender Wahrscheinlichkeit überschritten wurde. Eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für eine binäre Entscheidung wie den Kauf oder den Nichtkauf des Lebensmittels ausreichend. Die Ermittlung einer konkreten Konzentrationsangabe und der Vergleich mit einem Grenzwert können kombiniert werden.
Es ist erfindungswesentlich, dass die erste Strahlung so auf die Empfängerschicht, gerichtet wird, dass die von der Anregungsstrahlung in der Empfängerschicht verursachte Strahlung erfasst werden kann. Zu diesem Zweck können ein Strahlengang, entlang dem die Anregungsstrahlung in die zu untersuchende Empfängerschicht gerichtet ist und ein Strahlengang, entlang dem sich die Strahlung in Richtung auf ein Mittel zur Erfassung der Strahlung, z. B. eine Kamera, ein Spektroskop oder ein Photomultiplier, ausbreitet, so in das Schichtsystem gerichtet werden, dass sich die beiden Strahlengänge in der Empfängerschicht schneiden.
In einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erste Strahlung ein Licht bekannter Wellenlänge. Die durch die zweite Strahlung erhaltenen Messwerte werden farbmetrisch (colorimetrisch) ausgewertet.
Eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist so gestaltet, dass die Anregungsstrahlung zur Anregung fluoreszenzfähiger biologischer Moleküle geeignet ist, wobei die angeregten biologischen Moleküle eine Fluoreszenzstrahlung abstrahlen. Fluoreszenzstrahlung der angeregten biologischen Moleküle ist die zu erfassende Strahlung.
Unter der Anregungsstrahlung und der von den angeregten biologischen Molekülen ausgehenden Strahlung sind auch Strahlungsspektren zu verstehen.
Vorzugsweise sind die fluoreszenzfähigen biologischen Moleküle Amine. Diese können beispielsweise primäre, sekundäre oder tertiäre Amine sein. Insbesondere können die Amine bestimmte Ptomaine, wie z. B. Cadaverin (1,5-Diaminopentan) oder Putrescin, sein, welche durch den biochemischen Abbau von Proteinen und Aminosäuren entstehen. Damit sind Amine und deren Konzentration als Indikatoren für den biochemischen Zustand eines Lebensmittels geeignet.
Vorzugsweise weist die Anregungsstrahlung mindestens eine Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich von 250 bis 400 nm auf.
Zur Erreichung einer hohen Präzision und Aussagekraft des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, die Fluoreszenzstrahlung in nur einer zur Erfassung vorgesehenen Wellenlänge (Messwellenlänge) zu erfassen. Um diese Messwellenlänge herum wird Fluoreszenzstrahlung nur in einem engen Wellenlängenbereich von beispielsweise ±5 nm erfasst. Dadurch wird die Erfassung von Fluoreszenzstrahlung, die nicht von zu erfassenden biologischen Molekülen oder von anderen Fluoreszenzstrahlungsquellen stammt, stark reduziert.
Amine besitzen eine -C-NH₂-Gruppe als funktionelle Gruppe. Durch eine Anregung charakteristischer elektronischer Quantenübergänge im Bereich der chemischen Bindung dieser funktionellen Gruppe ist eine Fluoreszenz (Autofluoreszenz) bei 485 nm hervorgerufen. Es ist daher für die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn die Fluoreszenzstrahlung in einem engen Wellenlängenbereich um 485 nm, z. B. in einem Bereich von 475 bis 485 nm, erfasst wird.
Es ist bei der Ausführung des Verfahrens möglich, dass die zweite Strahlung in der ersten Filmschicht angeregt ist. Während einer enzymatischen Decarboxylierung, die beispielsweise während des Abbaus u.a. von Proteinen und Aminosäuren durch Mikroorganismen stattfindet, entstehen neben biogenen Aminen wie z. B. den erwähnten Ptomainen, auch Kohlendioxid und Wasser. Im Abbau befindliche organische Substanzen, worunter hier auch Lebensmittel verstanden werden, weisen daher immer eine wässrige Schicht (z. B. eine zweite Filmschicht) an deren Oberfläche auf. Außerdem wird eine Gasschicht über deren Oberfläche entstehen. Die wässrige Schicht und die Gasschicht sind Schichten des Schichtsystems. Die wässrige Schicht kann eine zweite (auf der Oberseite der organischen Substanz) und eine dritte (auf der Unterseite der organischen Substanz) Filmschicht sein, welche organische Verbindungen enthalten kann.
Eine Bildung von biogenen Aminen wird nicht nur durch eine sauerstofffreie oder sauerstoffarme Verpackung beispielsweise eines Lebensmittels, sondern auch durch dessen Kühlung verhindert oder verzögert. Unabhängig davon, ob die Kühlkette ununterbrochen gewährleistet wurde, ist der Taupunkt der Feuchtigkeit innerhalb der mehr oder weniger dichten Verpackung durch die Kühlung soweit zurückgesetzt, dass die Feuchtigkeit in der Regel an der Oberfläche des Lebensmittels (zweite Filmschicht) sowie an der Unterseite der Durchgangsschicht (erste Filmschicht) kondensiert und eventuell auch kristallisiert. Sowohl erste als auch zweite Filmschicht können organische Verbindungen wie biogene Amine beinhalten. Bedingt durch die Gasschicht als transitorische Übergangsschicht ist die Verteilung von eventuell vorhandenen biogenen Aminen in der ersten Filmschicht als wässriger Kondensatschicht zumeist homogener, als die in der zweiten Filmschicht der Fall ist. Dies trifft auch zu, wenn keine Gasschicht vorhanden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer weiteren Ausführung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Konzentration der biologischen Moleküle in einem Schichtsystem ermittelt wird, in der mindestens die zweite Filmschicht, welche wässrige organische Verbindungen beinhaltet, vorhanden ist, und mittels der Anregungsstrahlung eine Strahlung der biologischen Moleküle der zweiten Filmschicht angeregt und die Strahlung der biologischen Moleküle der zweiten Filmschicht erfasst wird. Diese Strahlung kann eine Fluoreszenzstrahlung sein. Sie kann auch eine farbmetrisch auswertbare Strahlung sein, wobei eine solche farbmetrisch auswertbare Strahlung auch fluoreszenzspektroskopisch auswertbare Wellenlängen enthalten kann.
Das Verfahren kann auch dazu verwendet werden, biologische Moleküle in anderen Schichten eines Schichtsystems zu detektieren. Befinden sich diese Schichten unmittelbar unter einer äußeren Schicht des Schichtsystems, wird im Folgenden von einer Messung im Nahbereich (Nahbereichsmessung) gesprochen, während Messungen an weiter von einer äußeren Schicht entfernt angeordneten Schichten als Fernbereichsmessungen (Messung im Fernbereich) bezeichnet werden sollen.
Zur Vermeidung von für die Zuverlässigkeit des Verfahrens nachteiliger Wechselwirkungen ist es vorteilhaft, wenn die Anregung der zweiten Filmschicht und die Erfassung der Strahlung der biologischen Moleküle der zweiten Filmschicht zeitlich verschoben zur Anregung der ersten Filmschicht und zur Erfassung der Strahlung der biologischen Moleküle der ersten Filmschicht erfolgt.
Ferner ist es möglich und günstig, wenn eine farbmetrische und eine fluoreszenzspektroskopische Ermittlung der Konzentration der biologischen Moleküle zeitlich zueinander versetzt durchgeführt wird. Es können in weiteren Ausführungen des Verfahrens auch Anregungen verschiedener Empfängerschichten und unterschiedliche Möglichkeiten der Auswertung örtlich und zeitlich beliebig kombiniert werden.
Eine ermittelte Konzentration kann mit einem zulässigen Grenzwert verglichen werden. Wird dabei eine Überschreitung des Grenzwerts mit hinreichender Wahrscheinlichkeit festgestellt, kann ein Hinweissignal generiert werden. Das Hinweissignal kann beispielsweise ein optisches oder akustisches Signal sein oder als Kombination verschiedener Signaltypen umgesetzt sein.
Zusätzlich zu einer farbmetrischen oder fluoreszenzspektroskopischen Detektion und Konzentrationsermittlung der biologischen Moleküle kann impedanzspektroskopisch eine Impedanz mindestens einer der Schichten des Schichtsystems gemessen und der Phasenwinkel der Impedanz ermittelt werden. Es können auch die Beträge der gemessenen Impedanzen ermittelt werden.
Es ist weiterhin möglich, Impedanzen unterschiedlicher Schichten des Schichtsystems zu messen und eine Verschiebung, d.h. eine Differenz, zwischen den Phasenwinkeln der gemessenen Impedanz zu ermitteln. Eine Impedanz kann beispielsweise an der obersten Schicht und an der untersten Schicht des Schichtsystems gemessen und die Phasenwinkelverschiebung sowie Betragsunterschiede ermittelt werden. Dafür müssen die impedanzspektroskopisch untersuchten Schichten nicht transparent sein.
Es ist vorteilhaft möglich, mittels der Impedanzspektroskopie eine Selektion der molekültypischen Resonanzen in Bezug auf Aggregatzustände der untersuchten Schichten durchzuführen. So können für die biologischen Moleküle typische Resonanzen selektiert werden. Dabei werden keine Bindungsschwingungen der Moleküle erfasst.
Für die Durchführung der Impedanzspektroskopie nötige Elektroden können an der Durchgangsschicht, an der untersten Schicht des Schichtsystems oder an beiden genannten Schichten jeweils von außen in Kontakt zu bringen sein. In beiden Fällen wird eine Impedanz nahe der Durchgangsschicht bzw. der untersten Schicht gemessen (Nahbereichsmessung). Es können jeweils mehrere Elektroden in gleichen oder unterschiedlichen Abständen angeordnet sein, wobei diese auch wahlweise miteinander verschaltbar sein können, um eine hohe Flexibilität der Messungen zu erlauben.
Die anhand der Strahlung ermittelte Konzentration der biologischen Moleküle und die anhand der impedanzspektroskopischen Messungen ermittelten Phasenwinkelverschiebungen und Betragsunterschiede können auf Kongruenz zueinander untersucht werden. Eine Kongruenz liegt beispielsweise vor, wenn der Zustand eines untersuchten Lebensmittels in den verschiedenen Schichten hinreichend ähnlich gefunden wird. Weichen dagegen die Befunde der verschiedenen Schichten mehr als zulässig voneinander ab, wird keine Kongruenz festgestellt. Weist beispielsweise die impedanzspektroskopische Messung an der untersten Schicht des Schichtsystems auf ein frisches Lebensmittel hin, während die fluoreszenzspektroskopische Messung einer ersten Filmschicht auf ein bereits mehrere Tage altes Lebensmittel schließen lässt, könnte ein Umpacken oder ein Austausch der Vliesseinlage (z. B. bei abgepacktem Fleisch) erfolgt sein.
Das Hinweissignal kann dann generiert werden, wenn keine Kongruenz festgestellt wird. Alternativ oder ergänzend könnte auch ein Bestätigungssignal generiert werden, wenn eine Kongruenz festgestellt wird.
Es ist möglich, die verschiedenen Messverfahren wiederholt einzusetzen. So kann entweder die Konzentrationen oder die Impedanzen oder die Konzentrationen und die Impedanzen über einen Zeitraum wiederholt ermittelt werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mindestens eine datentechnische Verbindung zu einer virtuellen Speicher- und Recheneinheit hergestellt wird und Schritte des Verfahrens mittels der virtuellen Speicher- und Recheneinheit durchgeführt werden. Die virtuelle Speicher- und Recheneinheit ist vorzugsweise eine dynamisch veränderbare und an einen aktuellen Speicher- und Rechenbedarf anpassbare Einheit, wie beispielsweise eine sogenannte Rechnerwolke („cloud“, „cloud-computing“) in einem Netzwerk wie dem Internet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dahingehend ergänzt werden, dass verfahrensbezogene Informationen an eine Empfangseinrichtung, beispielsweise eine Datenbank, eines Empfängers übermittelt werden. Verfahrensbezogene Informationen können dabei beispielsweise Informationen über Ort und Zeit einer Messung, Informationen zu dem gemessenen Schichtsystem sowie über die bei der Durchführung des Verfahrens erhaltenen Messwerte und Ergebnisse der Auswertungen sein. Außerdem können verfahrensbezogene Informationen auch Informationen über einen Nutzer, beispielsweise über die Person, welche die Messung durchführt, enthalten. Es kann auch eine Identifikation eines zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Messgeräts übermittelt werden. Ein Empfänger kann ein Dritter, wie beispielsweise eine Aufsichtsbehörde, die für die Überwachung der Einhaltung von lebensmittelhygienischen Bestimmungen zuständig ist, sein. Auch kann ein Dienstleister, z. B. ein Internetportal auf dem Gebiet des Verbraucherschutzes, oder der Vertreiber oder Anbieter der untersuchten Lebensmittel der Empfänger sein. Durch eine solche Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Informationsaustausch mit dem Empfänger nahezu in Echtzeit möglich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird z. B. eine Zustandsprüfung von verpackten Lebensmitteln am Ort des Verkaufs ermöglicht. Außerdem ist eine zeitlich wiederholbare Zustandsprüfung von transparent verpackten Lebensmitteln möglich. Das Verfahren kann durch entsprechend gestaltete Vorrichtungen auch in Lagerräumen oder in Kühlgeräten integriert werden, wodurch eine zeitweise oder dauernde Überwachung des Zustands des Lebensmittels ermöglicht ist. Die Prüfung kann einerseits einen qualitativen Nachweis von biologischen Molekülen wie biogenen Aminen sowie andererseits quantitativ die Bestimmung einer Intensität der Zustandsänderung, z. B. durch die ermittelte Konzentration, beinhalten. Während die Oberseite einer Verpackung für Lebensmittel als Folie in der Regel transparent gestaltet ist, kann die Unterseite der Verpackung nicht transparent sein.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Detektion von biologischen Molekülen in Schichten eines Schichtsystems gelöst. Die Vorrichtung weist eine Anregungsquelle zur Bereitstellung und Abstrahlung einer Anregungsstrahlung und eine Detektionseinheit zur Erfassung derjenigen Strahlung auf, die durch die angeregten biologischen Moleküle hervorgerufen ist. Dabei sind Strahlengänge der Anregungsquelle und der Detektionseinheit in einen gemeinsamen Messraum gerichtet. Weiterhin ist eine Recheneinheit zur Steuerung der Anregungsquelle sowie zur Steuerung der Detektionseinheit und zur Auswertung der erfassten Strahlung vorhanden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle oberhalb eines in dem Messraum befindlichen Schichtsystems angeordnet ist, wobei das Schichtsystem mindestens eine für die erste Strahlung und für die zweite Strahlung transparente Durchgangsschicht und nachfolgend mindestens eine weitere Schicht aufweist. Außerdem ist der Strahlengang der Anregungsquelle unter einem Abstrahlungswinkel auf die Durchgangsschicht gerichtet, um in mindestens einer unterhalb der Durchgangsschicht befindlichen Schicht biologische Moleküle anzuregen. Die Detektionseinheit ist so angeordnet, dass durch die Detektionseinheit eine durch die Anregungsstrahlung bewirkte Strahlung der biologischen Moleküle erfassbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Detektionseinheit senkrecht über dem Schichtsystem angeordnet, so dass der Strahlgang der Detektionseinheit senkrecht auf das Schichtsystem gerichtet ist. Günstig ist dabei, dass lediglich der Abstrahlungswinkel verändert werden muss, um eine Strahlung aus unterschiedlichen Schichten erfassen zu können. Vorteilhaft können durch eine solche Anordnung auch ungewollte Effekte minimiert oder ausgeblendet werden. So sind Anregungen, und dadurch bewirkte Strahlungen, in anderen als der zu untersuchenden Schicht in einfacher Weise deshalb zu vernachlässigen, weil der Strahlengang der Detektionseinheit nicht in den Bereich der anderen Schicht oder Schichten gerichtet ist, in denen die als Nebeneffekt auftretenden Anregungen erfolgen. Die Strahlengänge der Anregungseinheit und der Detektionseinheit schneiden sich vorzugsweise in derjenigen Schicht, in der die Anregung der biologischen Moleküle erfolgt.
In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Abstrahlwinkel auch gleich sein, dann können aber die Anregungsquellen unterschiedlich weit von der Detektionseinheit respektive von dessen Strahlengang angeordnet sein, so dass sich die Strahlengänge in der zu untersuchenden Schicht schneiden.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können eine Anregungsquelle aufweisen, die aus mehreren ansteuerbaren Anregungseinheiten mit jeweils eigenen Strahlengängen gebildet ist. Die Anregungseinheiten können außerdem jeweils eine Anregungsstrahlung mit individueller Wellenlänge aussenden sowie voneinander verschiedene Öffnungswinkel besitzen.
Ferner können Elektroden zur Messung von Impedanzen vorhanden sein. Diese können paarweise oder als Einzelelektroden angeordnet sein. Die Elektroden können einzeln ansteuerbar und wahlweise zusammenschaltbar sein.
Um das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich für eine Benutzung auch eines Endverbrauchers zur Verfügung zu stellen, ist die Aufgabe ferner durch ein tragbares Messgerät zur mobilen Detektion mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Das Messgerät weist eine Aufnahmeschale zur Aufnahme eines Telekommunikationsgeräts auf. Eine Aufnahmeschale im Sinne der Beschreibung kann beispielsweise ähnlich einer Halterung für Mobiltelefone für die Verwendung in Kraftfahrzeugen (Freisprechanlagen) gestaltet sein. Ein Telekommunikationsgerät kann beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Rechner, ein geeignetes Gerät der Unterhaltungselektronik oder ein Messgerät sein. Zukünftige technische Entwicklungen auf dem Gebiet der Telekommunikationsgeräte sind hiermit in die Beschreibung einbezogen.
In der Aufnahmeschale ist vorzugsweise ein Adapter angeordnet, durch den eine Energieversorgung des Messgeräts durch die Energiequelle des Telekommunikationsgeräts hergestellt ist. Weiterhin ist über den Adapter eine Ansteuerbarkeit des Messgeräts dadurch ermöglicht, dass auf dem Telekommunikationsgerät ein Programm installiert ist, welches mittels des Telekommunikationsgeräts bedienbar ist. Dies kann durch entsprechend angeordnete und gestaltete Kontakte des Adapters realisiert sein.
Über das Telekommunikationsgerät ist die datentechnische Verbindung des tragbaren Messgeräts zu der virtuellen Speicher- und Recheneinheit herstellbar.
Die Erfindung ist insbesondere für eine einfache, kontakt- und zerstörungsfreie Prüfung von Lebensmitteln geeignet. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren auch verwendbar, wenn eine der Filmschichten gefroren ist.
Ein typisch verpacktes Lebensmittel ist in der Praxis nicht frei von manipulativen Eingriffsmöglichkeiten, durch die eine Bildung von biologischen Molekülen wie biogenen Aminen und / oder eine Unterbrechung der gesetzlich vorgeschriebenen Kühlkette chemisch, optisch oder über Neuetikettierung sowie Neuverpackung verschleiert werden soll. Während die Lebensmittelkontrollbehörden jederzeit per Stichprobe zu Prüfungszwecken die Lebensmittel entpacken dürfen, ist dies für den Kunden am Verkaufsort (point of sale) in der Regel nicht möglich. Durch die Erfindung sind ein Verfahren sowie Möglichkeiten der Anwendung des Verfahrens vorgeschlagen, die einen Kunden in die Lage versetzen, Kaufentscheidungen aufgrund von objektiven Messdaten zu fällen. Auch kann der Kunde den Zustand gekaufter Ware über eine Zeitspanne verfolgen, um eine Entscheidung, z. B. über den Zeitpunkt des Verbrauchs des Lebensmittels bzw. der Ware, zu treffen.
Erfindungsgemäß ist dies über ein mobilisierbares Handgerät zur zerstörungs- und berührungsfreien qualitativen Detektion und quantitativen Bestimmung der Intensität biogener Stoffgruppen erreicht, mittels dem ein duales Sensor-Aktor-Messverfahren anwendbar ist. Im Unterschied zur Monitoringvariante beim Kunden zuhause, kann die quantitative und qualitative Bestimmung am Verkaufsort nicht alternierend im zeitlichen Verlauf erfolgen. Daraus ergibt sich, dass der Kunde nur eine Prüfmöglichkeit hat und die Prüfung in unterschiedlichen Schichtsystemen und mit unbekannten Durchgangsschichten erfolgen muss. Durch die Erfindung ist eine Prüfung (Detektion und Konzentrationsermittlung) unabhängig von den Eigenschaften der Durchgangsschicht ermöglicht.
Hat der Kunde das Lebensmittel in seiner Einflusssphäre, beispielsweise bei sich Zuhause, sind Prüfungen mehrfach möglich. Dabei ist es auch möglich, dass der Kunde das Lebensmittel beispielsweise in einer Dose aufbewahrt. Eigenschaften eines Deckels der Dose, der die Durchgangsschicht darstellt, können durch Referenzmessungen bekannt sein und bei nachfolgenden Prüfungen des Lebensmittels berücksichtigt sein.
Ergänzend soll auf die zeitliche Abfolge der chemischen und biochemischen Prozesse beim Altern und Verderben von Lebensmitteln hingewiesen werden, die zwar durch eine konsequente Kühlkette verzögert, aber nicht generell aufgehalten werden können. Während nach drei Tagen NADH (Nikotinamidandenosindinukleotid) im Fleisch entsteht und mittels aufwändiger Fluoreszenz nachweisbar ist, treten nach 7–8 Tagen mittels PCA (protein-fragment complementation assay) detektierbare Fluoreszenzen, sowie auch olfaktorisch deutlich wahrnehmbare Geruchsveränderungen am unverpackten Fleisch auf. Die Fluoreszenzen sind aber nur mittels schwacher Raman-Effekte detektierbar. Nach 10–11 Tagen erfolgt ein signifikanter Anstieg der Konzentration der Amine, die mittels Fluoreszenz detektierbar sind. Nach 13 Tagen ist dann die mikrobiologische Keimzahlgrenze erreicht und ab 16 Tagen gilt Fleisch als verdorben, was mittels laser-induzierter Raman-Fluoreszenz nachweisbar ist. Ab 20 Tagen ist das Fleisch mikrobiell verseucht und NADH der Mikroorganismen ist mittels Fluoreszenz nachweisbar. Parallel dazu laufen auch signifikante pH-Wert-, Leitfähigkeits- und Impedanz- sowie Temperaturänderungen zyklisch ab. Erstere und Letztere sind bei gekühlten und verpackten Lebensmitteln ohne direkten Kontakt oder Probenentnahme so gut wie nicht detektierbar. Schnelle physikalische Messungen der Leitfähigkeit und Impedanz sind deshalb zusätzliche Indikatoren über den jeweiligen Qualitätszustand und sollten deshalb ergänzend zur Gütebestimmung mittels spektral-optischer Methoden hinzugezogen werden. So zeigt beispielsweise die Phasenwinkelverschiebung bei der Impedanzmessung komplementäre Effekte im Vergleich mit der Veränderung der Fluoreszenzintensität, wie beispielsweise den Nulldurchgang und einen Wiederanstieg der Phasenwinkelverschiebung beim Entstehen und beim Anstieg der Bioamine (vergl. Vortrag Schwägele http://download.messemuenchen.de/analytica/Presentation/BM_Presentation_020408/Schwaegele.pdf).
Das erfindungsgemäße Verfahren, die Vorrichtung und das tragbare Messgerät sind auch für eine Detektion biologischer Moleküle in anderen Schichtsystemen verwendbar. So ist beispielsweise eine Detektion und Konzentrationsermittlung von Glukose oder anderen Kohlenwasserstoffen in der Epidermis von Mensch und Tier möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 die frequenzabhängige Veränderung des Phasenwinkels impedanzspektroskopischer Messungen an Schweinefleisch über einen Zeitraum von 24 Tagen;
2 ein stark schematisiert dargestelltes erstes Schichtsystem und eine Zuordnung verschiedener Vorgehensweisen der Detektion biologischer Moleküle zu den Schichten des Schichtsystems;
3 ein stark schematisiert dargestelltes zweites Schichtsystem und eine Zuordnung verschiedener Vorgehensweisen der Detektion biologischer Moleküle zu den Schichten des Schichtsystems;
4 eine Aufsicht von unten auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ersten Anordnung von Anregungsquellen, Elektroden und einer Detektionseinheit;
5. eine seitliche Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels über einem Schichtsystem;
6 eine Aufsicht von unten auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer zweiten Anordnung von Anregungsquellen, Elektroden und einer Detektionseinheit;
7 eine seitliche Darstellung der zweiten Ausführungsbeispiels über einem Schichtsystem;
8 eine schematische Darstellung der Detektion biologischer Moleküle mittels Impedanzspektroskopie und anregungsbasierter Verfahren der Fluoreszenzspektroskopie und der Farbmetrik;
9 ein erstes Ausführungsbeispiel eines tragbaren Messgeräts und dessen Verwendung;
10 ein zweites Ausführungsbeispiel eines tragbaren Messgeräts und dessen Verwendung;
11 eine schematische Übersicht über Kommunikationswege zwischen einem erfindungsgemäßen tragbaren Messgerät, einer virtuellen Speicher- und Recheneinheit und einer Empfangseinrichtung sowie Funktionen und Komponenten der vorgenannten Komponenten;
12 übersichtsweise Darstellung von Vorteilen der Erfindung für einen Verbraucher und einen Dritten.
In 1 ist eine Abnahme des Betrags eines mittels Impedanzspektroskopie ermittelten Phasenwinkels φ über die ersten acht Tage der Lagerung von Schweinefleisch zu sehen. Dies ist unter Anderem auf eine Abnahme von NADH auf dem Fleisch zurückzuführen. Zwischen dem achten und dem zehnten Tag ist der Phasenwinkel φ etwas konstant, was durch eine Gleichgewichtssituation des Abbaus von NADH des Fleischs und der Zunahme von NADH durch eine mikrobielle Besiedlung des Fleisch erklärbar ist. Ab etwa dem elften Tag steigt der Phasenwinkel φ durch eine Zunahme der Konzentration von Mikroorganismen und deren Stoffwechselaktivitäten wieder deutlich an.
In 2 ist ein erstes Schichtsystem 1 mit fünf Schichten, die aus grafischen Gründen von unten nach oben aufgelistet sind. Die oberste Schicht des gezeigten Schichtsystems 1 ist eine Folie als Durchgangsschicht 1.1, die für eine verwendete Anregungsstrahlung 3 (siehe 5) sowie für eine durch die Anregungsstrahlung 3 bewirkte Strahlung 6 biologischer Moleküle (siehe ebenfalls 5) transparent ist. Darunter folgen eine erste Filmschicht 1.2, die durch wässriges Kondensat an der Unterseite der Durchgangsschicht 1.1 gebildet ist. Es folgen eine Gasschicht 1.6, eine zweite Filmschicht 1.3 und ein Lebensmittel 1.5. Die Messverfahren der Impedanzspektroskopie und der Fluoreszenzspektroskopie sowie deren Anwendbarkeit zur Messung in den verschiedenen Schichten des Schichtsystems 1 sind schematisch dargestellt. Messungen an der Durchgangsschicht 1.1 und der ersten Filmschicht 1.1 sind als Nahbereichsmessungen möglich, Messungen an der zweiten Filmschicht 1.3 und dem Lebensmittel 1.5 werden als Fernbereichsmessungen ausgeführt. Die Gasschicht 1.6 wird mit keiner der angegebenen Methoden unmittelbar gemessen, sondern bildet die Grenze zwischen Nah- und Fernbereichsmessungen. Die Gasschicht 1.6 übt aber einen Einfluss auf die entsprechenden Methoden aus, was durch die Strichlinie symbolisiert wird.
In 3 ist ein Schichtsystem 1 gezeigt, dass unter dem Lebensmittel 1.5 eine dritte Filmschicht 1.4, eine Saugunterlage als Saugschicht 1.8 und eine nicht transparente Schale aus Kunststoff als Bodenschicht 1.7 aufweist. Sind an der Bodenschicht 1.7 Elektroden 8 (siehe 5) angeordnet, können an der Bodenschicht 1.7, der Saugschicht 1.8 und der dritten Filmschicht 1.4 impedanzspektroskopische Messungen durchgeführt werden. In weiteren Ausführungen kann die Saugschicht 1.8 auf weggelassen sein.
Eine erste Anordnung von Anregungsquellen 2, Elektroden 8 und einer Detektionseinheit 7 ist in 4 gezeigt. Die Detektionseinheit 7 ist von einer UV-Quelle als ersten Anregungsquelle 2.1 ringförmig umschlossen. Zwei weitere, einzeln angeordnete zweite Anregungsquellen 2.2 sind auf je einer Seite d der Detektionseinheit 7 und der ersten Anregungsquelle 2.1 angeordnet. Zwischen der ersten Anregungsquelle 2.1 und den zweiten Anregungsquellen 2.2 ist jeweils eine Elektrode 8 vorhanden. Die erste und die zweiten Anregungsquellen 2.1 und 2.2 emittieren jeweils Strahlung mit einer Wellenlänge von 365 nm. Die Detektionseinheit 7 ist für einer Erfassung von elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 485 ± 5 nm ausgelegt.
Die zweiten Anregungsquellen 2.2 sind für eine Anregung biologischer Moleküle in Schichten eines Schichtsystems 1 (siehe 5) vorgesehen, während die erste Anregungsquelle 2.1 Anregungen im Nahbereich bewirken soll.
5 bietet eine seitliche Sicht auf die Anordnung aus 4 und zeigt zudem in einem Messraum 14 ein Schichtsystem 1 umfassend eine Durchgangsschicht 1.1, eine erste Filmschicht 1.2, eine Gasschicht 1.6, eine zweite Filmschicht 1.3, ein Lebensmittel 1.5, eine dritte Filmschicht 1.4, eine Saugschicht 1.8 und eine
Bodenschicht 1.7 sowie zwei zusätzliche Elektroden 8 auf der Durchgangsschicht 1.1. Die erste Anregungsquelle 2.1 ist im Schnitt gezeigt. Eine Intensität und Verteilung der Anregungsstrahlung der ersten Anregungsquelle 2.1 ist so gewählt, dass in der ersten Filmschicht 1.2 ein Anregungsbereich 4 bewirkt ist, in dem die Anregungsstrahlung 3 der ersten Anregungsquelle 2.1 ausreicht, um in der ersten Filmschicht 1.2 vorhandene biologische Moleküle zur Abstrahlung einer Fluoreszenzstrahlung als eine Strahlung 6 anzuregen. Die Detektionseinheit 7 ist senkrecht über dem Schichtsystem 1 angeordnet und ein Strahlengang 7.1 der Detektionseinheit 7 ist senkrecht auf das Schichtsystem 1 gerichtet. Der Strahlengang 7.1 verläuft durch den Anregungsbereich 4 und schneidet dort die Strahlengänge 2.11 der ersten Anregungsquelle 2.1. Mittels der ersten Anregungsquelle 2.1 sind Messungen im Nahbereich ermöglicht.
Die Strahlengänge 2.21 der zweiten Anregungsquellen 2.2 sind auf die zweite Filmschicht 1.3 gerichtet und schneiden den Strahlengang 7.1 der Detektionseinheit 7 in der zweiten Filmschicht 1.3. Durch die zweiten Anregungsquellen 2.2 ist eine Fernbereichsmessung der zweiten Filmschicht 1.3 möglich. Auf den Außenseiten der Durchgangsschicht 1.1 und der Bodenschicht 1.7 sind jeweils vier Elektroden 8 angeordnet. Diese Elektroden auf jeder der Schichten sind jeweils wahlweise miteinander verschaltbar, so dass impedanzspektroskopische Messungen in einer flexibeln Art und Weise ermöglicht sind.
Zur Analyse der Impedanz werden auf der Oberseite des Schichtsystems 1 enger sowie weiter zueinander stehende Elektroden 8 paarweise platziert. Diese dienen der Nahbereichsmessung des Schichtsystems 1. Durch einfaches Drücken auf die Durchgangsschicht 1.1 bis zum Kontakt mit dem Lebensmittel 1.5 oder durch Schütteln bzw. Umdrehen des verpackten Lebensmittels 1.5 kann die erste Filmschicht 1.2 an der Unterseite der Durchgangsschicht 1.1 verstärkt oder gar erst erzeugt werden. Die Steuerung der Vorrichtung erfolgt durch eine Recheneinheit 9.
Die 5 zeigt das Ausführungsbeispiel, bei dem von den weiter außenliegenden Anregungsquellen 2.2 mit weitem Öffnungswinkel in Gestalt von LEDs mit UV-Licht die zweite Filmschicht 1.3 und die Oberfläche des Lebensmittels 1.5 kurzzeitig bestrahlt wird, um dort Fluoreszenzen zu erzeugen, die über die Detektionseinheit 7 erfassbar sind. Da die erste Filmschicht 1.2 direkt unterhalb der Detektionseinheit 7 nicht bestrahlt wird, wird so nur die Fernbereichsmessung einer Fluoreszenz an der zweiten Filmschicht 1.3 detektiert. Wird nur die weiter innen liegende erste Anregungsquelle 2.1, die ebenfalls als LED-UV-Quelle realisiert ist, aktiviert, wird nur die erste Filmschicht 1.2 unterhalb der Detektionseinheit 7 und weniger die weiter entfernt liegende Schichten bestrahlt. So kann die Nahbereichsmessung der Fluoreszenz durchgeführt werden. Ergänzend können beide Nah- und Fernbereichsmessungen parallel als sich verstärkend oder sich überlagernd gemessen werden, wenn alle Anregungsquellen 2 aktiviert werden. Auch sind zeitlich aufeinander folgende Messungen möglich. Komplementät zur Fluoreszenzspektroskopie kann die Impedanzspektroskopie durchgeführt werden.
Gemäß 6 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel die erste Anregungsquelle 2.1 aus einer UV-Quelle, einer Quelle für rotes Licht, einer Quelle für blaues Licht und einer Quelle für grünes Licht gebildet.
Wie in 7 zu sehen, sind Anregungsbereiche 4 in der ersten Filmschicht 1.2 und der zweiten Filmschicht 1.3 gebildet. In der dritten Filmschicht 1.4 ist ein Bereich hervorgehoben, in dem eine impedanzspektroskopische Nahbereichsmessung durch die Elektroden 8 an der Bodenschicht 1.7 erfolgen kann.
Der sogenannte Triplemodus ermöglicht eine differentielle Bewertung der Homogenität und der Intensität fluoreszierender biologischer Moleküle und bietet damit Informationen über den aktuellen Zustand des Lebensmittels 1.5. Dazu gehört auch der komplementäre impedanzspektrometrische bottom side (Messung im Nahbereich an der Bodenschicht) Effekt. Bilden die Nahbereichsmessungen an der Durchgangsschicht 1.1 und bottom side Messung Phasenverschiebung sowie die Nah- und Fernbereichsmessungen der Fluoreszenz keine typische Kongruenz, liegt ein Hinweis darauf vor, dass das Lebensmittel 1.5 umverpackt, gereinigt oder chemisch behandelt oder die Etikettierung geändert wurde. Das aufgedruckte Haltbarkeits- bzw. Verzehrgarantiedatum dürfte bei ungefrosteten Lebensmitteln 1.5 rückwärts gerichtet 16 Tage nicht überschreiten. Über Rückrechnung und Messung ist auch dieses Datum verifizierbar. Fallen aufgrund der Verpackungsart die Nah- und Fernbereiche unter weitgehendem Wegfall der Gasschicht 1.6 quasi zusammen, können die zweiten Anregungsquellen 2.2 abgeschaltet werden. Die Fluoreszenz wird in der Detektoreinheit 7 erfasst und gemessen.
Optische Lichtinterface in der Vorrichtung koppeln dabei direkt oder über Lichtleiter sowie gegebenenfalls über Photomultipler und Notchfilter an einem Photodetektor in Gestalt von Photodiode, CCDs, Spektrometer oder Coloriometer an.
Generell wird aus Gründen der Sicherheit und Vermeidung von Gesundheitsschäden im Umgang mit hochenergetischer UV-Strahlung, die UV-Emission an das Aufliegen der Elektroden 8 für die Impedanzspektroskopie an der an dem Schichtsystem 1 gekoppelt!
Jede chemische Substanz absorbiert elektromagnetische Wellen (Licht). Dabei wird die Energie des Lichtes genutzt um bestimmte Bewegungen des jeweiligen stoffspezifischen Moleküls auszuführen (1. Fall) oder elektronische Energieniveaus der Bindungen und der Atome dieser Molekülen anzuregen (2. Fall). Im ersten Fall wird die Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Im zweiten Fall werden Elektronen auf höhere Energieniveaus angehoben. Beim Zurückfallen auf die niederen Ausgangsenergieniveaus wird die eingestrahlte Energie wieder als elektromagnetische Welle angegeben. Die Energie (Frequenz, Wellenlänge oder Wellenzahl) der abgestrahlten elektromagnetischen Welle ist die gleiche wie die eingekoppelten elektromagnetischen Welle.
Je kleiner die Wellenlänge und je höher die Frequenz desto größer ist die Energie einer elektromagnetischen Welle. Dies wird durch die Einstein-de-Broglie-Gleichungen beschrieben.
Durch Kopplung des zweiten Falles mit verschiedenen Prozessen des ersten Falles verliert das Molekül strahlungslos Energie. Das wieder abgegebene Licht besitzt jetzt geringere Energie als das eingestrahlte Licht. Ein solcher Effekt ist z. B. die Fluoreszenz.
Die Frequenz des Fluoreszenzlichtes ist genau einen definierten quantenmechanischen elektronischen Energieniveauübergang zugeordnet und somit stoffspezifisch bzw. in erster Näherung spezifisch für eine Substanzgruppe. Die Frequenz des Anregungslichtes muss höher liegen als die Frequenz des Fluoreszenzlichtes.
Strahlt man UV-Licht auf eine chemische Verbindung vom Typ der Ptomaine so zeigen viele Ptomaine in erster Näherung eine charakteristische Fluoreszenz mit einer Wellenlänge von 485 nm. Das sichtbare Licht umfasst den Wellenlängenbereich von 700–400 nm.
Die Wellenlänge des eingestrahlten UV-Lichts kann bei 380, 365, 320 oder 254 nm liegen. Die Substanzen werden in jedem Fall fluoreszieren. Es gibt allerdings ein Optimum, bei welchem alle anderen, durch eine elektromagnetische Welle induzierten Effekte klein sind.
Ptomaine sind u. a Amine wie z. B. Cadaverin (1,5-Diaminopentan), welche durch den biochemischen Abbau von Proteinen und Aminosäuren unter anderem durch Decarboxylierung entstehen. Die funktionale Aminogruppe (...-C-NH₂) ist charakteristisch für diese Stoffgruppe. Die Fluoreszenz bei 485 nm entsteht durch die Anregung charakteristischer elektronischen Quantenübergänge im Bereich der chemischen Bindung dieser funktionalen Gruppe.
Gemäß 6 und 7 wird UV-Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm mittels mehreren UV-Dioden (UV-LEDs) erzeugt. Das UV-Licht wird zentrisch auf die Durchgangsschicht 1.1 und die erste Filmschicht 1.2 und azentrisch auf das Lebensmittel 1.5 geführt. Die zentrisch ringförmig geführte Anregungsstrahlung 3 durchquert die Durchgangsschicht 1.1 und die erste Filmschicht 1.2. Hierbei werden Ptomaine im Kondensat der ersten Filmschicht 1.2 zur Fluoreszenz angeregt (Nahbereich). Das Fluoreszenzlicht wird als Strahlung 6 durch einen koaxialen Lichtleiter (im Inneren der ringförmig geführten ersten Anregungsquelle 2.1) auf die Detektionseinheit 7 geleitet und ausgewertet. Der Eingang des Lichtleiters „blickt“ in Richtung der zentrisch geführten Lichtes. Der Ausgang endet in der Detektionseinheit 7.
Das azentrische Licht erreicht das Lebensmittel 1.5 bzw. die zweite Filmschicht 1.3 und regt die dort vorhandenen Ptomaine zur Fluoreszenz an. Bei Fokussierung kann das Fluoreszenzlicht als Strahlung 6 ebenfalls vom oben genannten koaxialen Lichtleiter „gesehen“ werden (Fernbereich). Ohne die Methode der Fokussierung können auch mehrere Anregungs-UV-LEDs als erste und / oder zweite Anregungsquellen 2.1, 2.2 unter Erzeugung von breiteren Lichtpunkten (Spots) eingesetzt werden.
Die Detektionseinheit 7 wertet nur einen bestimmten sehr schmalen Wellenlängenbereich (485 +/– 5 nm) des Lichtes aus. Überflüssiges sichtbares Licht (Strahlung 6) und das anregende UV-Licht als Anregungsstrahlung 3 sind durch Cutt- Off-Filter ausgeblendet.
In der 6 und 7 erfolgt die Anregung der Fluoreszenz wie oben beschrieben. Zusätzlich sind im Nahbereich aber Weisslicht und / oder RGB-LEDs als erste Anregungsquellen 2.1 vorgesehen sowie als eine spektroskopische und / oder colorimetrische Einheit als Detektionseinheit 7 vorgesehen. Die Besonderheit der Colorimetrie (Farbmetrik) als Alternative und / oder Ergänzung zur klassischen Fluoreszenzspektroskopie mittels Spektrometer oder wellenbereichsoptimierten Photodioden mit Notchfiltern ist neben dem jeweiligen Platz-, Kosten- und informationstechnischen Aufwand die Umrechnung der spektralen Messwerte des Colorimeters auf die gewünschten Farbkoordinaten.
Ein verfahrensbedingter hoher rechentechnischer Aufwand kann über auf externe Server ausgelagert werden. Durchgesetzt haben sich die von der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) definierten Normspektralfarbwerte. Diese Basiszahlen stehen im Abstand von einem Nanometer tabelliert zur Verfügung. Allerdings wird bei Körperfarben oder Aufsichtsfarben die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung durch die spektralen Eigenschaften der betreffenden Oberfläche verändert. Für die Farbreizfunktion die das Auge trifft, die Farbe im eigentlichen Sinn, muss also diese „beeinflusste“ spektrale Strahldichte eingesetzt werden. Dies ist entweder die spektrale Remissionskurve bei Oberflächenfarben oder die spektrale Transmissionskurve bei Aufsichtsfarben. Bei der Auswertung wird unter Anwendung eines Satzes von tabellierten Normwerten wird an geeigneten Stützstellen der spektrale Messwert ermittelt. Es werden hier die ausgewählten Koeffizienten für Remission und Transmission bestimmt und addiert. Andersherum kann auch die Strahlungsverteilung der Lichtquelle zusammengefasst werden und in diesem Spektralintervall gemessen werden. Entsprechend ergeben sich die Farbwerte durch Ausmessung der Farbreize in diesen Intervallen.
Im Anwendungsfall wird die Remission des eingestrahlten Lichtes durch die Oberfläche der Schichten ebenfalls verändert. Kommen Fluoreszenzeffekte hinzu werden die spektralen Anteile unterhalb der Fluoreszenzfarbe absorbiert. Im ungünstigsten Fall wird bei einer blauen Fluoreszenz „blau“ aus dem RGB-Tripel durch Absorption geschwächt. Es wird eine spektrale Linie mit einem Farbreiz remittiert welche im Additionsbereich von grün und blau liegt. Dies verändert das Histogramm des RGB-Tripels über die Fläche. Es entsteht ein veränderter Farbreiz, welcher wie oben beschrieben ausgewertet wird.
Die oben beschrieben Absorption von „blau“ fällt nicht ins Gewicht, da im gesamten Messintervall das RGB-Signal eingestrahlt wird. Klar wird dies, wenn man sich eine weiße Fläche vorstellt welche blau fluoresziert. Es entsteht deshalb kein violetter Farbeindruck.
Da die Lebensmittel unterschiedliche natürliche oder künstliche Farbgebungen haben und auch die Hintergrundfarbe der verpackten Lebensmittel (Bodenschicht 1.7 von hell bis tiefschwarz variieren kann, ist die in den 6 und 7 dargestellte Anordnung vorteilhaft für die Colorimetrie.
Ein schematischer Überblick über die einzelnen Verfahrensschritte und einige Vorrichtungselemente ist in 8 gegeben.
Ein tragbares Messgerät 11 zur Durchführung des Verfahrens ist in 9 vereinfacht gezeigt. Das Messgerät 11 enthält eine Anregungsquelle 2 und die Detektionseinheit 7. Außerdem ist eine Aufnahmeschale 11.1 angeformt, die der Aufnahme eine Telekommunikationsgerätes 12 dient. Eine Verbindung zur Energieversorgung und zur datentechnischen Verknüpfung von Messgerät 11 und Telekommunikationsgerät 12 ist über einen Adapter 11.2 des Messgeräts 11 realisiert. Durch das Telekommunikationsgerät 12 ist das Messgerät 11 via eines auf dem Messgerät 11 installierten Programms bedienbar. Außerdem ist über das Telekommunikationsgerät 12 eine Kommunikation mit einer virtuellen Speicher- und Recheneinheit 10 möglich, über die ein Teil des Rechenaufwands und der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Speicherkapazität bereitgestellt ist. Ferner dient die Kommunikation mit der virtuellen Speicher- und Recheneinheit 10 auf einer Kommunikation mit einer Empfangseinrichtung (nicht gezeigt), z. B. eine online aktualisierbare Datenbank oder ein elektronisches Briefkastensystem eines Dritten. Diese Kommunikation kann durch das Telekommunikationsgerät 12 auch via der üblichen Telekommunikationskanäle erfolgen. In der rechten Bildhälfte ist die Anwendung des Messgeräts 11 mit verbundenem Telekommunikationsgerät 12 durch einen Nutzer an einem Verkaufsort von verpackten Lebensmitteln gezeigt.
Durch den Nutzer wird das mit dem Telekommunikationsgerät 12 verbundene Messgerät 11 auf ein zu untersuchendes Schichtsystem 1, hier ein in Folie verpacktes Stück Fleisch, gedrückt und über das Telekommunikationsgerät 12 das Messgerät 12 angesteuert. In Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung des Messgeräts 11 wird mindestens eine fluoreszenzspektroskopische und / oder farbmetrische Messung der ersten Filmschicht 1.2 des Schichtsystems 1 durchgeführt. Die erfasste Strahlung 6 der angeregten biologischen Moleküle wird ausgewertet, eine Konzentration der biologischen Moleküle ermittelt und mit einem zulässigen Grenzwert verglichen. Auf dem Telekommunikationsgerät 12 wird eine Anzeige 13 eingeblendet, die über einen Farbcode ein Unter- oder Überschreiten des Grenzwerts durch grüne und rote Felder der Anzeige 13 signalisiert. Während der Messung oder bei nicht eindeutigen Ergebnissen der Messung wird ein gelbes Feld angezeigt. In weiteren Ausführungen des Messgeräts 11 kann ein Signalton ergehen. Zur Kontrolle der Messung kann durch den Benutzer eine impedanzspektroskopische Messung der Bodenschicht 1.7 durchgeführt werden, wonach durch das Messgerät 11 die Messungen beider Methoden auf Kongruenz zueinander untersucht werden. Bei einer unzulässigen Abweichung erfolgt ein Hinweis an den Benutzer. Zugleich kann eine Information an die zuständige Lebensmittelkontrollbehörde ergehen.
Eine stationäre Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 10 dargestellt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem Kühlgerät integriert sein oder als Haushaltsgerät zu Verfügung stehen. In weiteren Ausführungen kann die erfindungsgemäßen Vorrichtung und das erfindungsgemäße auch für Prüf- und Kontrollzwecke von beispielsweise Verbrauchschutzorganisationen oder mit der Überwachung von Lebensmitteln beauftragten Behörden ausgelegt und beispielsweise mit einem entsprechenden Prüfzertifikat versehen sein.
11 zeigt mögliche Teilschritte des Verfahrens und deren Vernetzungsmöglichkeiten untereinander.
Möglichkeiten der Interaktionen und der Datennutzung zwischen einem Nutzer und einem Dritten wie beispielsweise einer Lebensmittelkontrollbehörde, sind in 12 übersichtsweise dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Schichtsystem
1.1: Durchgangsschicht
1.2: erste Filmschicht
1.3: zweite Filmschicht
1.4: dritte Filmschicht
1.5: Lebensmittel
1.6: Gasschicht
1.7: Bodenschicht
1.8: Saugunterlage
2 A: nregungsquelle
2.1: erste Anregungsquelle
2.11: Strahlengang (der ersten Anregungsquelle 2.1)
2.2: zweite Anregungsquelle
2.21: Strahlengang (der zweiten Anregungsquelle 2.2)
3: Anregungsstrahlung
4: Anregungsbereich
5: Abstrahlwinkel
6: Strahlung
7: Detektionseinheit
7.1: Strahlengang (der Detektionseinheit 6)
8: Elektroden
9: Recheneinheit
10: virtuelle Speicher- und Recheneinheit
11: Messgerät
11.1: Aufnahmeschale
11.2: Adapter
12: Telekommunikationsgerät
13: Anzeige
14: Messraum
φ: Phasenwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10315541 A1 [0001]
DE 10315541 [0005]
WO 90/01693 [0006]
EP 0128889 A1 [0006]
US 5474910 A [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://download.messemuenchen.de/analytica/Presentation/BM_Presentation_020408/Schwaegele.pdf [0056]

Claims

Verfahren zur Detektion von biologischen Molekülen in Schichten eines Schichtsystems (1), bei dem die biologischen Moleküle mit einer Anregungsstrahlung (3) beaufschlagt werden und eine durch die Anregungsstrahlung (3) bedingte Strahlung (6) der biologischen Moleküle erfasst und eine Konzentration der biologischen Moleküle anhand eines Vergleichs der Messwerte der Strahlung (6) mit Referenzdaten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Schichtsystem (1) bereitgestellt wird, welches eine für die Anregungsstrahlung (3) und die Strahlung (6) transparente Durchgangsschicht (1.1) sowie mindestens eine weitere, die biologischen Moleküle enthaltende, Empfängerschicht umfasst und – dass die Anregungsstrahlung (3) durch die Durchgangsschicht (1.1) hindurch in die Empfängerschicht gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung (3) ein Licht bekannter Wellenlänge ist und die Messwerte farbmetrisch ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung (3) zur Anregung fluoreszenzfähiger biologischer Moleküle zur Abstrahlung einer Fluoreszenzstrahlung dient und die Strahlung (6) eine Fluoreszenzstrahlung der angeregten biologischen Moleküle ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biologischen Moleküle fluoreszenzfähige Amine sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung (3) mindestens eine Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich von 250 bis 400 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich ±5 nm um eine zur Erfassung der Fluoreszenzstrahlung vorgesehenen Wellenlänge erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlung in der ersten Filmschicht (1.2) angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der biologischen Moleküle in einem Schichtsystem (1) ermittelt wird, in der mindestens eine zweite Filmschicht (1.3) beinhaltend wässrige organische Verbindungen vorhanden ist, und mittels der Anregungsstrahlung (3) eine Abstrahlung einer Strahlung (6) der biologischen Moleküle der zweiten Filmschicht (1.3) angeregt und die Strahlung (6) der biologischen Moleküle der zweiten Filmschicht (1.3) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der zweiten Filmschicht (1.3) und die Erfassung der zweiten Strahlung der biologischen Moleküle der zweiten Filmschicht (1.3) zeitlich versetzt zur Anregung der ersten Filmschicht (1.2) und Erfassung der zweiten Strahlung der biologischen Moleküle der ersten Filmschicht (1.2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine colorimetrische und eine fluoreszenzspektroskopische Ermittlung der Konzentration der biologischen Moleküle zeitlich zueinander versetzt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Konzentration mit einem zulässigen Grenzwert verglichen und bei Überschreitung des Grenzwerts ein Hinweissignal generiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass impedanzspektroskopisch eine Impedanz mindestens einer der Schichten des Schichtsystems (1) gemessen und der Phasenwinkel und / oder ein Betrag der Impedanz ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Impedanzen unterschiedlicher Schichten der Schichtenabfolge gemessen und Phasenwinkelverschiebungen und / oder Betragsunterschiede ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Impedanzspektroskopie eine Selektion der molekültypischen Resonanzen in Bezug auf Aggregatzustände der untersuchten Schichten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die anhand der zweiten Strahlung ermittelte Konzentration und die anhand der impedanzspektroskopischen Messungen ermittelten Phasenwinkelverschiebungen und / oder Betragsunterschiede auf Kongruenz zueinander untersucht werden und das Hinweissignal dann generiert wird, wenn keine Kongruenz festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Konzentrationen oder die Impedanzen oder die Konzentrationen und die Impedanzen über einen Zeitraum wiederholt ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine datentechnische Verbindung zu einer virtuellen Speicher- und Recheneinheit (10) hergestellt wird und Schritte des Verfahrens mittels der virtuellen Speicher- und Recheneinheit (10) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verfahrensbezogene Informationen an eine Empfangseinrichtung eines Empfängers übermittelt werden.
Vorrichtung zur Detektion von biologischen Molekülen in Schichten eines Schichtsystems (1), aufweisend eine Anregungsquelle (2) zur Bereitstellung und Abstrahlung einer ersten Strahlung; eine Detektionseinheit (7) zur Erfassung einer, von den biologischen Molekülen bewirkten, Strahlung (6), wobei Strahlengänge der Anregungsquelle (2) und der Detektionseinheit (7) in einen gemeinsamen Messraum (14) gerichtet sind, und eine Recheneinheit (9) zur Steuerung der Anregungsquelle (2) sowie zur Steuerung der Detektionseinheit (7) und zur Auswertung der erfassten Strahlung (6), dadurch gekennzeichnet, dass a. die Anregungsquelle (2) oberhalb eines in dem Messraum (14) befindlichen Schichtsystems (1) angeordnet ist, wobei das Schichtsystem (1) mindestens eine erste, für die Anregungsstrahlung (3) und für die Strahlung (6) transparente, Durchgangsschicht (1.1) und nachfolgend mindestens eine weitere Schicht aufweist, und der Strahlengang (2.11, 2.21) der Anregungsquelle (2.1, 2.2) unter einem Abstrahlungswinkel auf die Durchgangsschicht (1.1) gerichtet ist, um in mindestens einer unterhalb der Durchgangsschicht (1.1) befindlichen Schicht biologische Moleküle anzuregen, und b. die Detektionseinheit (7) oberhalb der Durchgangsschicht (1.1) so angeordnet ist, dass durch die Detektionseinheit (7) die durch die Anregungsstrahlung (3) bewirkte Strahlung (6) der biologischen Moleküle erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlengänge (2.11, 2.21) der Anregungsquelle (2) und der Detektionseinheit (7) in derjenigen Schicht schneiden, in der die Anregung der biologischen Moleküle erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle (2.) aus mehreren ansteuerbaren Anregungsquelle (2.1, 2.2) mit jeweils eigenen Strahlengängen (2.11, 2.21) gebildet ist.
Tragbares Messgerät zur mobilen Detektion mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (11) eine Aufnahmeschale (11.1) zur Aufnahme eines Telekommunikationsgeräts (12) aufweist.
Tragbares Messgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahmeschale (11.1) ein Adapter (11.2) vorhanden ist, durch den eine Energieversorgung des Messgeräts (11) durch die Energiequelle des Telekommunikationsgeräts (12) hergestellt und eine Ansteuerbarkeit des Messgeräts (11) über ein mittels des Telekommunikationsgeräts (12) bedienbares Programm ermöglicht ist.
Tragbares Messgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die datentechnische Verbindung zu der virtuellen Speicher- und Recheneinheit (10) über das Telekommunikationsgerät (12) herstellbar ist.