DE102013217157A1

DE102013217157A1 - Analyseverfahren zur Ermittlung der Typen und Konzentrationen biologischer Partikel

Info

Publication number: DE102013217157A1
Application number: DE201310217157
Authority: DE
Inventors: Miroslav Kocifaj
Original assignee: Siemens Healthcare Diagnostics Products GmbH; Siemens Healthcare Diagnostics GmbH Germany
Current assignee: Siemens Healthcare Diagnostics Products GmbH; Siemens Healthcare Diagnostics GmbH Germany
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2015028365A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Analyseverfahren zur Ermittlung wenigstens eines Elements S einer Müller-Matrix einer Probe 4,5 mit biologischen Partikeln, wobei ein Lichtstrahl 6 von der Probe 5 gestreut wird. Es wird vorgeschlagen die Präzision, insbesondere die Identifikation von sich ähnelnden Partikeln, zu erhöhen, indem ergänzend zum Streuexperiment noch eine resonanzspektroskopische Untersuchung ausgeführt wird, wobei wenigstens eine optische Resonanz oder mehrere optische Resonanzen bei einem ersten festen Streuwinkel ϑ gemessen werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zur Ausführung des Analyseverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Analyseverfahren zur Ermittlung wenigstens eines Elements einer Müller-Matrix einer Probe mit biologischen Partikeln, wobei ein Lichtstrahl von der Probe gestreut wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Analysesystem zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Die Notwendigkeit zur schnellen Diagnose von biologischen und chemischen Proben ist in den letzten Jahren konstant gestiegen. Dies liegt darin begründet, dass die Anzahl der zu analysierenden Proben in die Höhe geschnellt ist und zudem die Analysezeit pro Probe, soweit es nur möglich ist, verkürzt wurde. Beides ist sowohl für Patienten als auch für Ärzte von hoher Wichtigkeit, wobei zudem die daraus resultierenden wirtschaftlichen Konsequenzen bedeutsam sind.
Einerseits wurden Analysesysteme entwickelt, die für flüssige Proben gedacht sind, andererseits wurden auch speziell für dünne Schichten wieder andere Analysesysteme entwickelt. In Abhängigkeit von der Messmethode und der aufgenommenen Daten, aber auch von der Kapazität der diagnostischen Werkzeuge, ist der Grad der gelieferten Informationen oft äußerst begrenzt. Beispielsweise unterscheidet eine optische Visualisierung, die beispielsweise in morphologischen Analysen verwendet wird, nicht zwischen den chemischen Eigenschaften einer analysierten Probe.
Lichtstreuung ist als wertvolles Werkzeug im sogenannten Fingerprint-Detektionssystemen bekannt. Derartige Methoden werden normalerweise bei hohen Partikelkonzentrationen mit unterschiedlichen Partikelformen angewendet. Dennoch besteht das Problem, Partikel als unterschiedlich zu erkennen, die sich nur geringfügig in ihren Eigenschaften unterscheiden. Außerdem muss die sogenannte Fingerprint-Analyse über ein vergleichsweise dichtes Streunetz ausgeführt werden, um verlässliche Aussagen über die enthaltenen Substanzen oder Partikel zu erhalten. Dies impliziert hohe Anforderungen an die verwendeten Detektoren.
Der Artikel „Laboratory studies of scattering matrices for randomly oriented particles: potentials, problems, and perspectives"; J.W. Hovenier et al.; Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 79–80 (2003) 741–755 beschreibt das theoretische Rahmenwerk, welches bei den vorgenannten Streuexperimenten zu Grunde gelegt wird. Es umfasst den Formalismus zum Stokes-Vektor und den Müller-Matrizen, die dazu verwendet werden, jegliche Interaktion des Lichtvektors abzubilden.
Eine Müller-Matrix ist dazu verwendbar die Wirkungsweise von nahezu jedem optischen Element mathematisch umsetzen. So werden beispielsweise Richtungsänderungen, Polarisationsänderungen, Absorptionen und dergleichen mit der Angabe der Müller-Matrix, die 4·4, also insgesamt sechzehn Elemente S_ii, aufweist, beschrieben. Somit ist der Stokes-Vektor eines an einer Probe gestreuten Lichtstrahles ermittelbar, indem die Müller-Matrix, die den Effekt der Probe auf das Licht beschreibt, auf den Stokes-Vektor des einfallenden Lichtstrahls appliziert werden. Mit anderen Worten, die Müller-Matrix enthält Informationen über die Größe, Form und den Brechungsindex der in der Probe enthaltenen Partikel. Handelt es sich beispielsweise um eine Mischung unterschiedlicher Partikeltypen, so ist die ermittelte Müller-Matrix für diese spezielle Mischung charakteristisch. Die Müller-Matrix eines Partikelgemisches unterschiedlicher Partikeltypen besteht folglich aus einer Superposition mehrerer Müller-Matrizen, wobei letztere für die jeweiligen Partikeltypen charakteristisch sind.
Alternativ ist es möglich spektroskopische Methoden heranzuziehen, um Partikel in einer statistischen Art und Weise in einer Probe zu analysieren und zu erkennen.
Aus DE 603 08 864 T2 ist ein Verfahren bekannt, welches ebenfalls zu einem Fingerabdruck einer Probe führt, wobei sowohl der reelle als auch der imaginäre Teil eines Resonanzfrequenzspektrums für die Analyse verwendet werden. Diese Methode verlässt sich im Wesentlichen auf die Auflösung der verwendeten Wellenlänge, wobei ebenfalls die Problematik entsteht, dass gegebenenfalls zwei sehr ähnliche Partikeltypen vorhanden sind, die sich in ihren Eigenschaften geringfügig unterscheiden. Somit besteht abermals das Problem derartige Partikel voneinander unterscheiden zu können. Die Unterscheidung von biologischen Partikeln ist generell sehr schwierig, da diese im Vergleich zu anderen Partikeln spezielle Eigenschaften aufweisen. So weisen sie üblicherweise nur eine geringe Absorption auf und unterscheiden sich auch im Hinblick auf ihren Brechungsindex kaum von der Umgebung, wodurch diese Analyse erschwert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Analyseverfahren und ein Analysesystem zur Ermittlung wenigstens eines Elements einer Müller-Matrix anzugeben, wobei die Differenzierungsverlässlichkeit biologischer Partikel ähnlicher Eigenschaften erhöht ist ohne andere Eigenschaften des genannten Systems beziehungsweise Verfahrens negativ zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird bei einem Analysesystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass wenigstens eine optische Resonanz oder mehrere optische Resonanzen bei einem ersten festen Streuwinkel gemessen werden. Es erfolgt daher kein Abscannen eines Streuwinkelbereiches. Der Detektor ist an der Position des festen Streuwinkels fixiert. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch dieses Konzept eine rasche Datenerfassung mit hoher Genauigkeit bei der Identifizierung der Partikel erreicht ist.
Das Analysesystem zeichnet sich daher dadurch aus, dass bei zumindest einem diskreten Streuwinkel die Streustrahlung über ein definierten Frequenz- und Wellenlängenbereich erfasst wird. Auf diese Weise werden zwei Konzepte zur Untersuchung von biologischen Partikeln kombiniert, wobei die dem Fingerprint zur Verfügung stehende Datenmenge um die Anzahl der auflösbaren Wellenlängen multipliziert wird. Es wird also nicht nur ein skalares Element der Müller-Matrix ermittelt, sondern dieses Element wird für einen bestimmten Streuwinkel und für ein bestimmtes Wellenlängenspektrum ermittelt. Außerdem verhält es sich so, dass das Resonanzphänomen sehr sensitiv auf kleine Partikelgrößen beziehungsweise Partikelformen reagiert und diese somit leichter nachweisbar macht.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist des weiteren Vorteil auf, dass eine sehr schnelle in-vitro Diagnose von biologischen Partikeln, entweder in Flüssigkeiten oder auf Oberflächen ermöglicht wird. Es ist nicht notwendig die biologischen Partikel in irgendeiner Form gleichmäßig auszurichten. Es hat sich herausgestellt, dass das Resonanzscannen in einer sehr präzisen Art und Weise die Erkennung von Partikeln ermöglicht, die nur äußerst gering von ihrer Größe, ihrer Form oder ihren chemischen Eigenschaften abweichen. Beispielsweise ist es möglich Partikel, die einen Brechungsindexunterschied von nur 0,01 aufweisen unzweifelhaft durch ihre Resonanzsignale zu unterscheiden. Diese Genauigkeit ist mit üblichen Fingerprint-Methoden nicht erreichbar.
Vorteilhafterweise können sogenannte Nachbearbeitungsroutinen (Post-Processing-Routines) verwendet werden, um eine Vielzahl von biologischen Substanzen/Partikeln gleichzeitig zu bestimmen, eingeschlossen deren Konzentration. Dabei wird ein Vergleich oder ein Fit zwischen den gemessenen und berechneten Daten durchgeführt. Die berechneten Daten stützen sich auf von diversen biologischen Partikeln bekannte Streu- und Resonanzverhalten und berücksichtigen gegebenenfalls eine Gewichtung.
Vorteilhafterweise ist aufgrund der optischen Herangehensweise die Probe nach der Streu-Resonanzmessung unbeschädigt und ist gegebenenfalls wiederholt analysierbar, um mögliche Fehler oder Unbestimmtheiten, die während des Experimentes auftreten könnten, auszuschließen. Außerdem vermeidet die optische Herangehensweise die Verwendung von chemischen Reagenzien. Dadurch dass der erste feste Streuwinkel für die Analyse gewählt wird, ist dieser so wählbar, dass man sich auf eine bessere datenbezogene Ausgangsbasis stützt, um zwei oder mehrere ähnliche Partikeltypen voneinander zu unterscheiden. Diese Wahl ist also auch im Nachgang zu einem bereits erfolgten Streuexperiment oder einer Messung mit einer herkömmlichen Methode zu treffen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Wellenlänge in einem Wellenlängenintervall verändert, das dem sichtbaren Wellenlängenbereich zumindest teilweise oder ganz angehört. Durch die Wahl des Wellenlängenintervalls können ganz bestimmte Partikelgrößen besser detektiert und auseinandergehalten werden. So eignet sich beispielsweise das Wellenlängenintervall zwischen 476 Nanometern und 523 Nanometern im sichtbaren Wellenlängenbereich für Partikel die einen Durchmesser von ungefähr 5 Mikrometer aufweisen besonders gut.
Vorteilhafterweise wird das Element der Müller-Matrix ausgewählt, um zwei Partikeltypen voneinander zu unterscheiden. Sind zwei Partikeltypen in einer Messung aufgetaucht, die sich in üblichen Streuexperimenten sehr ähneln, somit ist mittels einer Datenbasis bekannter biologischer Partikel eine Grundlage ermittelbar, die sich insbesondere zur Unterscheidung der beiden Partikeltypen eignet. Diese Grundlage besteht beispielsweise in der Wahl eines bestimmten Matrixelementes der Müller-Matrix. Die Müller-Matrix, genau wie deren Matrixelemente, hängt vom Streuwinkel ab, der dann auch gegebenenfalls so ausgewählt wird, dass eine größtmögliche Messwertdiskrepanz auftritt.
Vorteilhafterweise wird sowohl bei einem ersten, festen Streuwinkel und einem zweiten, festen Streuwinkel gemessen. Bevorzugt lassen sich zwei oder mehrere Partikeltypen dadurch unterscheiden, dass man eine große Anzahl von unterscheidungsträchtigen Daten generiert, die eine treffsichere Aussage zulassen.
Vorteilhafterweise wird die Aussagesicherheit noch dadurch erhöht, dass man neben dem ersten, festen Streuwinkel, dem zweiten festen Streuwinkel noch einen dritten festen Streuwinkel wählt, der den zugrundeliegenden Datensatz nochmals erweitert.
Vorteilhafterweise sind die Partikel zufällig in der Probe verteilt. Damit sind keine Vorbereitungsschritte notwendig, die die Aufbereitung der Probe betreffen und auch mögliche Fehlerquellen darstellen. Die Probe muss weder vor noch nach der Analyse einem besonderen Verfahren unterzogen werden. Des Weiteren ist es möglich, dass die Probe archiviert wird, um gegebenenfalls ein weiteres Mal ausgewertet zu werden.
Vorteilhafterweise sind die Partikel in der gleichen Art und Weise ausgerichtet. Beispielsweise erfolgt eine Gleichausrichtung der Partikel durch das Applizieren eines elektrischen Feldes oder wird durch andere Einwirkungen hervorgerufen. Dies ermöglicht es, dass das Analyseverfahren mit einem Lichtstrahl ausgeführt wird, der durch zeitlich voneinander getrennte Pulse gebildet ist. Somit ist die Auflösung oder die Schärfe der Resonanzpeaks besser in den Analysedaten implementierbar. Sind die Orientierungen der Partikel zufällig, so ist eine Analyse auf der Basis eines kontinuierlichen (CW) Regimes angebracht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Lichtstrahl aus zeitlich getrennten Lichtpulsen gebildet, die idealerweise durch eine gepulste Laserquelle generiert werden, die beispielsweise aktiv oder passiv modengekoppelt ist. Alternativ können zur Generierung der Lichtpulse auch Modulatoren verwendet werden, die direkt auf einen kontinuierlichen Lichtstrahl modulierend einwirken.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden ein Partikeltyp und gegebenenfalls eine Konzentration von Partikeln, die dem Partikeltyp angehören, ermittelt. Hierbei ist es angeraten, dass dem Analyseverfahren computergestützte Rechenoperationen zur Verfügung stehen, die es ermöglichen Vergleichsdaten aufzubereiten, um sowohl die Identität der Partikel als auch deren Konzentration zu bestimmen. Dabei ist es notwendig, dass die ermittelte Müller-Matrix, die für das Partikelgemisch charakteristisch ist, als Superposition aus Müller-Matrizen einzelner Partikeltypen gebildet ist, die jeweils mit einem Gewichtungsparameter gewichtet sind, aus dem die Konzentration des jeweiligen Partikeltyps ermittelbar ist. Rein rechnerisch ergibt sich damit eine Fitfunktion mit den Matrizen der erkannten Partikeltypen und deren zugeordneten Gewichtungsparametern.
Vorteilhafterweise ist die Probe entweder eine Flüssigkeit oder ein Feststoff. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um eine Emulsion oder jede andere Flüssigkeit handeln, die chemische Partikel beinhaltet. Bei einem Feststoff ist dessen Außenschicht relevant, die mit den genannten Partikeln versetzt ist und gegebenenfalls bis zu einem gewissen Grad das Eindringen des Lichtstrahls erlaubt.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Analysesystem zur Ermittlung wenigstens eines Elementes einer Müller-Matrix einer Probe mit biologischen Partikeln, mit

– einer Lichtquelle zur Generierung eines Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl auf die Probe gerichtet ist,
– wenigstens einem Detektor zur Detektion von an der Probe gestreutem Streulicht unter einem ersten Streuwinkel in Bezug zum Lichtstrahl, wobei die Lichtquelle dazu vorgesehen ist Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge zu generieren.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn es sich um eine Lichtquelle handelt, die dazu vorgesehen ist, beispielsweise durch das Drehen einer Mikrometerschraube oder eines Drehknopfes die Wellenlänge des emittierten Lichtstahls zu ändern. Dies ist auf unterschiedliche Weise realisierbar, wie zum Beispiel durch die Verstellung eines kavitätsinternen Filters oder dergleichen. Alternativ ist die Lichtquelle auch aus einer Mehrzahl von Lichtquellen zusammengesetzt, wobei jede für sich einen anderen Wellenlängenbereich oder eine einzige Wellenlänge generiert.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen
Im Folgenden wir die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 ein Analysesystem zur Ermittlung von Müller-Matrixelementen, indem das Streulicht einer Probe von drei fest installierten Detektoren detektiert wird,
2 das Müller-Matrixelement S₁₁ in einem oberen Diagramm A bei einem Streuwinkel von ϑ₃ = 25° und in einem unteren Diagramm B bei einem Streuwinkel von ϑ₁ = 50° für geringfügig unterschiedliche Brechungsindizes m₁ = 1,3 + 0,0i; m₂ = 1,29 + 0,0i; m₃ = 1,3 + 0,01i, und,
3 das Müller-Matrixelement S₃₄ in einem oberen Diagramm A bei einem Streuwinkel von ϑ₃ = 25° und in einem unteren Diagramm B bei einem Streuwinkel von ϑ₁ = 50° für die geringfügig unterschiedlichen Brechungsindizes m₁ = 1,3 + 0,0i; m₂ = 1,29 + 0,0i und m₃ = 1,3 + 0,01i.
1 zeigt ein Analysesystem, welches basierend auf Streuung und einer anschließenden Analyse des Stokes-Vektors mit zugehöriger Müller-Matrix Partikeltypen und die Konzentrationen der jeweiligen Partikeltypen, die in einer Probe 5, 4 enthalten sind, analysiert und insbesondere Partikeltypen unterscheidbar macht, die sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen.
Das Analysesystem weist eine (wellenlängen-)durchstimmbare Lichtquelle 12 auf, die z.B. als eine Laserquelle gegeben ist, deren Lichtstrahl 6 zunächst durch eine Polarisationsoptik 13 verläuft, um anschließend auf die zu untersuchende Probe 5 zu treffen. Die zu untersuchende Probe 5, sowie auch die übrigen Proben 4, sind in Reagenzgläsern enthalten, die mit einem oben aufgesetzten Verschluss von der Außenwelt abgeschottet sind. Daher sind die Proben 4, die noch zur Analyse anstehen sowie auch die derzeitig zu untersuchende Probe 5, als solche archivierbar und leicht zu handhaben.
Der Licht- oder Laserstrahl 6 wird an der zu untersuchenden Probe 5 gestreut, wobei für das Analyseverfahren nur drei Streuungswinkel 1, 2, 3, nämlich ϑ₁, ϑ₂ und ϑ₃, berücksichtigt werden. Das jeweils in die Richtung der genannten Streuwinkel 1, 2, 3 abgelenkte Licht wird jeweils von einem separaten Detektor detektiert und das jeweilige Detektionssignal an einen Controller 7 weitergeleitet.
Der Controller 7 ist auch zur Steuerung der Lichtquelle 12, z.B. einer Laserquelle, eingesetzt, indem während einer Streuungsmessung sukzessiv die Wellenlänge der Lichtquelle 12 durchgestimmt wird. Die von den Detektoren 10 ermittelten Daten werden zusammen mit den Wellenlängendaten auf einem Computer 8 oder Server abgelegt, sodass dieser Computer 8, gegebenenfalls mittels eines Zwischenspeichers 9, die gemessenen Daten mit einer zentralen Datenbank 11 über eine Kommunikationsebene 14, wie zum Beispiel einem Intranet oder dem Internet, abgleicht.
Das Analysesystem ist in der Lage alle Stokes-Parameter zu messen, womit der gesamte Stokes-Vektor des gestreuten Lichtes erfasst wird. Anhand dessen ist die zugehörige Müller-Matrix des gestreuten Lichtes in Kenntnis des Stokes-Vektors des Licht- oder Laserstrahls 6 extrahierbar. Stokes-Parameter beinhalten beispielsweise die Intensität oder die Polarisation des Streulichtes. Zur Polarisationsoptik 13 gehören beispielsweise Polarisatoren und/oder Viertel-Lambdaplatten oder auch ein Modulator. Entsprechendes gilt für die Detektoren 10, die jeweils ebenso Viertel-Lambdaplatten zur Aufbereitung des Streulichts aufweisen können. Die Detektoren 10 selbst können beispielsweise als Fotomultiplier ausgeführt sein.
Die Proben 4, 5 sind vorteilhafterweise auf einem Zuführmechanismus (Feeder) aufgesetzt, der für Reagenzgläser ausgelegt ist. Ein solches System ist auf einfache Weise mit einem Barcodescanner auszurüsten, der es erlaubt die Proben 4, 5 mit einem Barcode zu versehen und auf diese Weise zweifelsfrei zu identifizieren.
Die Lichtquelle 12 wird durch den Controller 7 von dem Computer 8 gesteuert, sodass die Wellenlänge kontinuierlich über ein vordefiniertes Wellenlängenintervall veränderbar ist, wenn die Probe 5 im Streuexperiment gemessen wird.
Mit Hilfe der Polarisationsoptik 13 und Lambdaplatten vor den Detektoren 10 ist es möglich als Detektoren 10 Fotomultiplier zu verwenden, die per se keine Polarisation des Lichtes erkennen können, jedoch mit der entsprechenden Polarisationsoptik 13 auch dafür einsetzbar sind. Sie Probe 5 streut Photonen in alle Richtungen in Abhängigkeit von der Partikelgröße, der Partikelform und der chemischen Partikeleigenschaften sowie der Raumdichte. Jeder Detektor 10 misst einen Teil eines Streuungskegels, der konzentrisch zum Lichtstrahl 6 angeordnet ist (nicht gezeigt).
Durch eine Modulation der Polarisierung durch die Polarisationsoptik 13 werden beispielsweise durch eine entsprechend ausgelöste Detektion des Streulichtes die polarisationsaktiven Eigenschaften der Probe 5 für jede mögliche Eingangspolarisation aufgezeichnet. Diese Methode ermöglicht eine ausreichend hohe Genauigkeit bei Streuexperimenten.
Vorteilhafterweise werden während oder nach einer Messung einer Probe 4, 5 deren Daten in der zentralen Datenbank 11 abgelegt, wobei die Daten vorher in einem Zwischenspeicher 9 asynchron abgearbeitet werden.
Ein Teil der Analyse der gemessenen Resonanzspektren besteht darin diese gegenüber berechneten Resonanzspektren abzugleichen. Die Übereinstimmung zwischen allen gemessenen und berechneten Müller-Matrixelementen wird benötigt, um die Präsenz eines spezifischen biologischen Partikels nachzuweisen. Es können zusätzliche Computerroutinen eingesetzt werden, um diesen ersten Analyseschritt, der die Identität der Partikeltypen ermittelt, vorteilhaft zu ergänzen. Dabei werden Gewichtungsparameter ermittelt, die ein synthetisches Resonanzspektrum für individuelle biologische Partikel in sich kombinieren. Auf diese Weise werden durch einen Fit der gemessenen und der berechneten Spektra sowohl die Identität der Partikel als auch ihre relative Konzentration ermittelt. Dies ist ein sehr vorteilhafter Verfahrensschritt, weil verschiedene Pathogene übereinstimmend gefunden werden können ohne eine Notwendigkeit für unabhängige Messungen oder zusätzliche chemische Reagenzien zu haben. Je besser die Empfindlichkeit der Detektoren 10, wie zum Beispiel einem Fotomultiplier, gestaltet wird, umso besser lassen sich extrem niedrige Intensitäten und somit auch sehr geringe Konzentrationen biologischer Partikel nachweisen. Dies wird weiter verbessert, indem man in der Polarisationsoptik 13 einen Modulator verwendet, um im Rahmen einer Lock-In Anordnung Hintergrundrauschen zu eliminieren.
Messungen können ausgeführt werden, indem man zur Kontrolle oder zur Kalibrierung homogene isotropische Partikel mit bekannten mikrophysikalischen Eigenschaften verwendet. Standardisierte, kalibrierte oder speziell angefertigte Pulverproben sind auf dem Markt erhältlich und können leicht zum Testen der Analyseapparatur verwendet werden. Zunächst sollte in einem ersten Schritt eine monodisperse Probe 4 verwendet werden, die einen polystyrenen Latex mit unterschiedlich großen Partikeln enthält (zum Beispiel zwischen 30 Nanometer bis zu einigen Mikrometern). Derartige Proben mit Verteilungen geringer Größe sind hinlänglich bekannt. Aber es gibt auch eine Reihe pharmazeutischer und chemischer Quellen, die ein großes Spektrum von Testproben mit spezifischen Brechungsindizes zur Verfügung stellen können, die auch unterschiedliche Größen und Formen aufweisen. Beispielsweise können auch monodisperse Monosole bei Bedarf generiert und zum Test eingesetzt werden.
2 zeigt das Resonanzverhalten des Müller-Matrixelementes S₁₁ unter einem Streuungswinkel ϑ₃ = 25° (Diagramm A) und unter dem Streuungswinkel ϑ₃ = 50° (Diagramm B). Hierbei wurden Partikel mit einer sphärischen Form zugrunde gelegt, deren chemische Eigenschaften, repräsentiert durch deren Brechungsindex, geringfügig voneinander abweichen. Der Referenzpartikel weist einen Brechungsindex m₁ = 1,3 + 0,0i auf, wobei das zugehörige Resonanzverhalten von S₁₁ von der durchgezogenen Linie in den Diagrammen A und B dargestellt ist. Nunmehr erkennt man anhand des Vergleichspartikels mit dem Brechungsindex m₂ = 1,29 + 0,0i, zu dem die gepunktete Linie korrespondiert, dass dessen Verhalten über den gewählten Bereich des Partikelgrößenparameters von SP = 30 bis 33 erheblich abweicht. Damit ist die jeweilige Charakteristik derart unterschiedlich, dass auch diese geringfügige Änderung des reellen Bestandteils des Brechungsindex von 0,01 bereits zu einer sehr guten Unterscheidungsbasis führt.
Entsprechendes gilt für den Vergleichspartikel mit m₃ = 1,3 + 0,01i, dessen imaginärer Anteil um den gleichen Betrag abweicht. Der Vergleichspartikel zum Brechungsindex m₃ weicht mit seinem charakteristischen Verhalten von S₁₁ gegenüber dem Referenzpartikels so erheblich ab, dass die Entscheidungsgrundlage nicht nur in der Struktur, sondern auch in der Intensität, die hier in beliebigen Einheiten aufgetragen ist, liegt.
Der Größenparameter SP ist von der Wellenlänge λ abhängig und wird wie folgt gebildet: SP = 2πr/λ
3 zeigt in entsprechender Weise im Vergleich zu 2 eine Analyse des Müller-Matrixelementes S₃₄. Auch hier übersetzt sich der geringe Unterschied im Brechungsindex in sehr leicht zu messende und zur Unterscheidung heranzuziehende Resonanzpeaks, die sich sehr deutlich in ihrer Anzahl und ihrer Intensität unterscheiden. Es konnte beobachtet werden, dass geringe Änderungen am Realteil des komplexen Brechungsindex sich auf die Anzahl und Positionen der Resonanzmoden auswirkt. Es ist möglich, dass in besonderen Fällen eine solche Änderung am komplexen Teil des Brechungsindex die Resonanzen in ihrer Gänze eliminieren.
Grundsätzlich könnte bereits der Müller-Matrixparameter S₁₁ oder S₃₄ ausreichen, um sehr ähnliche Partikeltypen voneinander zu unterscheiden.
Sollte dennoch eine höhere Auflösung oder eine bessere Charakteristik generiert werden, so können zwei, drei oder mehr Detektoren bei bestimmten unterschiedlichen Streuungswinkeln angebracht werden. In der Regel werden wohl mehr als vier Detektoren nicht erforderlich sein. Damit wird ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise des Systems offenbar, da es nicht erforderlich ist alle Streuwinkel in einem großen Array zu erfassen, sondern es reicht aus, bei einzelnen Streuwinkeln zu messen.
Vorteilhafterweise können mehrere Kriterien herangezogen werden, um die Datenbasis für eine Partikelunterscheidung zu verbessern. Vorzugsweise wird die Polarisierung des Lichtes des gestreuten Lichtstrahls untersucht. Die in den Diagrammen der 2 und 3 gezeigten Verläufe sind enorm sensitiv in Bezug auf die Polarisierung des Lichtstrahls 6.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Analyseverfahren zur Ermittlung wenigstens eines Elements S einer Müller-Matrix einer Probe 4, 5 mit biologischen Partikeln, wobei ein Lichtstrahl 6 von der Probe 5 gestreut wird. Es wird vorgeschlagen die Präzision, insbesondere die Identifikation von sich ähnelnden Partikeln, zu erhöhen, indem ergänzend zum Streuexperiment noch eine resonanzspektroskopische Untersuchung ausgeführt wird, wobei wenigstens eine optische Resonanz oder mehrere optische Resonanzen bei einem ersten festen Streuwinkel ϑ gemessen werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zur Ausführung des Analyseverfahrens.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60308864 T2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Laboratory studies of scattering matrices for randomly oriented particles: potentials, problems, and perspectives”; J.W. Hovenier et al.; Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 79–80 (2003) 741–755 [0005]

Claims

Analyseverfahren zur Ermittlung wenigstens eines Elements (S) einer Müller-Matrix einer Probe (5) mit biologischen Partikeln, wobei ein Lichtstrahl (6) von der Probe (5) gestreut wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine optische Resonanz oder mehrere optische Resonanzen bei einem ersten, festen Streuwinkel (ϑ₁) gemessen werden.
Analyseverfahren nach Anspruch 1, wobei eine Wellenlänge des Lichtstrahls (6) verändert wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 2, wobei die Wellenlänge in einem Wellenlängenintervall verändert wird, wobei das Wellenlängenintervall dem sichtbaren Wellenlängenbereich zumindest teilweise oder ganz angehört.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element (S) der Müller-Matrix ausgewählt wird, um zwei Partikeltypen voneinander zu unterscheiden.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem ersten, festen Streuwinkel (ϑ₁) und einem zweiten, festen (ϑ₂) Streuwinkel gemessen wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 5, wobei bei einem ersten, festen Streuwinkel (ϑ₁), einem zweiten, festen Streuwinkel (ϑ₂) und einem dritten, festen Streuwinkel (ϑ₃) gemessen wird.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel zufällig in der Probe (5) verteilt sind.
Analyseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Partikel in der gleichen Weise ausgerichtet sind.
Analyseverfahren nach Anspruch 8, wobei der Lichtstrahl (6) aus zeitlich getrennten Lichtpulsen gebildet ist.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Partikeltyp und gegebenenfalls eine Konzentration der Partikel, die dem Partikeltyp angehören, ermittelt werden.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Probe (5) eine Flüssigkeit oder ein Feststoff ist.
Analysesystem zur Ermittlung wenigstens eines Elementes (S) einer Müller-Matrix einer Probe (5) mit biologischen Partikeln, mit – einer Lichtquelle (12) zur Generierung eines Lichtstrahls (6), wobei der Lichtstrahl (6) auf die Probe gerichtet ist, – wenigstens einem Detektor zur Detektion von an der Probe (5) gestreutem Streulicht unter einem ersten Streuwinkel (ϑ₁) in Bezug zum Lichtstrahl (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) dazu vorgesehen ist, Lichtstrahlen (6) unterschiedlicher Wellenlänge zu generieren.