DE102016211471A1

DE102016211471A1 - Anordnung und Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung mittels einer Wellenleiter-Sonde

Info

Publication number: DE102016211471A1
Application number: DE102016211471.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Janzen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: DE102016211471B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung. Zentrales Element ist ein Mess-Substrat aus einem optisch transparenten Material, das eine durchgängige Ausnehmung zur Bildung eines Messvolumens aufweist. In das Substrat sind mehrere von der Ausnehmung ausgehende optische Wellenleiter integriert, die sich zwischen der Ausnehmung und Ein- oder Auskoppelflächen am Mess-Substrat erstrecken und an der Ausnehmung auf einen gemeinsamen Messort im Messvolumen ausgerichtet sind. Die optischen Wellenleiter sind dabei durch lokale Änderung des Brechungsindex des optisch transparenten Materials des Mess-Substrats mittels Kurzzeit-Laserpulsen in dem Mess-Substrat erzeugt. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Wellenleiter wird eine hohe Winkelauflösung bei gleichzeitig starker Miniaturisierbarkeit des Mess-Substrats ermöglicht. Damit lassen sich Inline-Messungen mit hoher Winkelauflösung auch in stark konzentrierten Proben vornehmen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung mit einem Mess-Substrat aus einem optisch transparenten Material, das eine durchgängige Ausnehmung zur Bildung eines Messvolumens aufweist, und in das mehrere von der Ausnehmung ausgehende optische Wellenleiter integriert sind, die sich zwischen der Ausnehmung und Ein- oder Auskoppelflächen am Mess-Substrat erstrecken und an der Ausnehmung auf einen gemeinsamen Messort im Messvolumen ausgerichtet sind.
Mit Hilfe der winkelaufgelösten statischen Lichtstreuung können Partikelgrößen und Partikelformen bestimmt werden. Sofern die bestrahlten Partikel deutlich kleiner als die Lichtwellenlänge sind (r < λ/10), ergibt sich eine annähernd radialsymmetrische Verteilung des Streulichtes (Rayleigh-Streuung). Für Partikel von einer ähnlichen Größenordnung wie die Lichtwellenlänge (λ/10 < r < 10λ) ergibt sich eine charakteristische, von Partikelgröße und Partikelform abhängige Verteilung der Streuintensitäten in Abhängigkeit vom Streuwinkel (Mie-Streuung). In diesem Streuregime können mit Hilfe winkelaufgelöster Streulichtmessungen Partikelform und Partikelgröße bestimmt werden.
Eine detaillierte Analyse der Partikel erfordert dabei eine Intensitätsmessung mit guter Winkelauflösung mit möglichst vielen Messpunkten und einer definierten Abgrenzung der erfassten Winkelbereiche. Sobald die Partikelkonzentration jedoch so hoch wird, dass Vielfachstreuungen das Streulicht-Intensitätsbild dominieren, wird eine Auswertung unmöglich und das Messverfahren versagt. Daher wird in der technischen Umsetzung dieses Messverfahrens in der Regel nur an stark verdünnten Lösungen gemessen. Dies erschwert den Einsatz dieser Technik für Inline-Messaufgaben.
Stand der Technik
Es gibt zur Zeit verschiedene Messkonzepte, mit denen winkelaufgelöste Streulichtmessungen in Küvetten zur Vermessung von Partikelgrößen und Partikelformen durchgeführt werden können. Eine bekannte technische Umsetzung besteht darin, mehrere Detektoren kreisförmig um eine zylinderförmige Küvette herum zu platzieren. Die Küvette wird von einem Laserstrahl durchleuchtet und Streulicht über die verschiedenen Detektoren jeweils in einem definiert eingegrenzten Winkelbereich detektiert. Alternativ kann das Beugungsbild des Streulichtes auch auf einem CCD-Chip ortsaufgelöst abgebildet und detektiert werden. Eine weitere Variante besteht in einem Einzeldetektor, der auf einer Kreisbahn um die Küvette herum bewegt wird. Diese optischen Anordnungen finden sich in der Regel in Tischgeräten, die nicht Inline- oder Online-fähig sind. Die Küvetten haben typischerweise einen Durchmesser im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Stark trübe Dispersionen oder Emulsionen können aufgrund von Vielfachstreuung erst nach Verdünnung vermessen werden.
Durch Erfassung der zeitlichen Variation der Streulichtsignale kann ebenfalls eine Größenbestimmung erfolgen, da die größenabhängige Partikelbewegung (Diffusion) zu Streulichtfluktuationen führt. Dies ist unter dem Begriff der dynamischen Lichtstreuung bekannt. In einem aktiv durchmischten Probenmedium (z.B. einem chemischen Reaktor) kann ein derartiges Verfahren jedoch nicht ohne weiteres eingesetzt werden, da die Eigenbewegung der Teilchen von der Flüssigkeitsbewegung überlagert wird. Zu beachten ist außerdem, dass mit der dynamischen Lichtstreuung der sog. hydrodynamische Teilchenradius bestimmt wird, zu dem in der Regel eine mitbewegte Hülle aus Lösungsmittelmolekülen beiträgt. Demgegenüber ermittelt die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte statische Lichtstreuung den Trägheitsradius eines Partikels, der durch die Massenverteilung der einzelnen Atome des Partikels mit Bezug auf den Schwerpunkt definiert ist.
Mess-Sonden für Inline/Online-Streulichtmessungen existieren in verschiedenen Ausführungen, mit denen die Turbidität bzw. optische Dichte einer Probe bestimmt und winkelabhängige Streulichtmessungen durchgeführt werden können. Einfache Tauchsonden bestehen aus einer Lichtquelle, einem Detektor und einer Optik, die das Licht über Spiegel-Umlenkungen durch die Probe führt. Dabei ergibt sich eine feststehende optische Weglänge innerhalb der Probe, die typischerweise im Millimeterbis Zentimeterbereich liegt. Die Abschwächung des Lichtes wird dabei gemessen. Andere Sonden messen das Licht in Rückstreurichtung. Hier können aufgrund der geringen Eindringtiefe des Lichtes auch hohe Konzentrationen vermessen werden. Um auch winkelaufgelöste Informationen zum Streuverhalten untersuchen zu können, gibt es Sonden mit zusätzlichen Detektionskanälen, die z.B. in 90°-Richtung zum einfallenden Strahl Streulicht erfassen können. Auch die Erfassung des vorwärts gestreuten Lichtes ist möglich. Beispiele für kommerziell erhältliche Mess-Sonden sind die Sonden Mettler Toledo InPro 8100 bzw. Mettler Toledo InPro 8600.
Die Zahl der jeweils erfassten Winkel ist jedoch für die Inline- und Online-fähigen Tauchsonden bisher in der Regel deutlich geringer als für die Tischgeräte. Meist werden nur zwei oder drei verschiedene Winkel erfasst. Die Winkelauflösung ist zudem gering. Die optischen Weglängen liegen im Bereich von Millimetern bis Zentimetern, so dass bei zu hoher Partikelkonzentration Vielfachstreuung die Messergebnisse verfälschen kann. Auch eine Einzelpartikelanalytik ist mit den bisher bekannten Geräten in der Regel nicht möglich, da sie immer viele Partikel gleichzeitig erfassen, so dass Mittelwerte bzw. Größenverteilungen über eine große Partikelzahl gebildet werden.
Ein weiteres Inline- und Online-fähiges Verfahren zur Partikelgrößenbestimmung ist die Methode der fokussierten Strahl-Reflexion (Focused Beam Reflectance Measurement, FBRM). Hierbei wird ein fokussierter Lichtstrahl auf einer Kreisbahn durch die Probe bewegt. Solange der Fokus auf ein Partikel trifft, wird eine hohe Streulichtintensität in der Rückstreurichtung detektiert. Erreicht der Fokus das Ende des Partikels, fällt die Streulichtintensität ab. Bei bekannter Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtfokus kann aus der Länge des Streulichtsignals auf die Größe des Partikels geschlossen werden. Durch statistische Auswertung vieler Streubahnen kann die Größenverteilung der vorliegenden Partikel bestimmt werden. Sofern die Partikelkonzentration so hoch wird, dass die Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Partikeln nicht mehr erkannt wird, resultieren allerdings Falschmessungen. Zusätzliche Probleme treten bei Eigenbewegungen der Partikel auf, da sich die Fokusbewegung und die Partikelbewegung dann überlagern. Die Methode ist nur für Partikel ab einer Größe von mehreren μm geeignet, da kleinere Partikel aufgrund der endlichen Ausdehnung des Lichtfokus nicht vermessen werden können. Eine Messsonde muss für diese Methode mit beweglichen Elementen (z. B. drehbarer Spiegel) ausgestattet sein. Dies führt zu einem erhöhten Wartungsaufwand und kann die Lebensdauer der Sonde aufgrund der Mechanik verkürzen.
Die in-Situ-Mikrokopie ist ein weiteres Verfahren, mit dem Inline Partikelgrößen bestimmt werden können. In einer Sonde werden eine Lichtquelle und eine Mikroskop-Optik zur Aufnahme von Bildern integriert. Eine automatisierte Bildanalyse erlaubt für Partikel ab einer Größe von einigen μm eine Partikelanalyse. Bei zu hohen Partikelkonzentrationen und im Bild nicht mehr einzeln abgrenzbaren Partikeln ist die Bildauswertung nicht mehr möglich. Diese Methode ist prinzipbedingt nicht für Partikel geeignet, die kleiner als die optische Auflösung des verwendeten Mikroskops sind.
Die für die prozessbegleitende Partikelanalytik bekannten Messverfahren weisen daher entweder nur eine begrenzte Aussagekraft auf oder erfordern im Falle von hochkonzentrierten Lösungen eine Probenentnahme und eine präzise offline Analyse nach Verdünnung.
Die JP 2004-271187 A beschreibt ein mobiles Partikelmessgerät für Bluttests, das eine Streulichtmessung zur Größenbestimmung der Blutkörper einsetzt. Das Gerät besteht aus einem Mess-Substrat, das eine durchgängige Ausnehmung für die Messung aufweist. In das Mess-Substrat sind mehrere von der Ausnehmung ausgehende optische Wellenleiter integriert. Einer der Wellenleiter wird zur Einkopplung von Laserstrahlung einer Laserlichtquelle genutzt. Die anderen Wellenleiter führen jeweils zu einer Fotodiode, die das über die Wellenleiter aus dem Messbereich übertragene Streulicht erfassen kann. Die Anordnung ist so miniaturisierbar, dass sie die Aufnahme von Probenküvetten mit einem Volumen von nur wenigen Kubikmillimetern und somit einer kleinen Probenmenge ermöglicht. Die Wellenleiter werden durch Erzeugung entsprechender Gräben in der Oberfläche des Substrats oder einer darauf aufgebrachten Schicht und Auffüllen dieser Gräben mit Material eines entsprechend anderen Brechungsindex erzeugt. Alternativ wird eine Gießtechnik für die Erzeugung der Wellenleiter angegeben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung sowie ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung anzugeben, die sich für Inline-Anwendungen in der Prozessanalytik eignen und auch bei höher konzentrierten Proben ohne Probenentnahme einsetzbar sind.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Anordnung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 16 gelöst. Patentanspruch 15 beansprucht ein Mess-Substrat, das für den Einsatz in der vorgeschlagenen Anordnung ausgebildet ist.
Die vorgeschlagene Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung weist ein Mess-Substrat, wenigstens eine Laserlichtquelle und wenigstens einen ortsauflösenden Detektor auf. Das Mess-Substrat besteht aus einem optisch transparenten Material und verfügt über eine durchgängige Ausnehmung zur Bildung eines Messvolumens für die zu vermessende Probe. In das Mess-Substrat sind mehrere von der Ausnehmung ausgehende optische Wellenleiter integriert. Die optischen Wellenleiter erstrecken sich zwischen der Ausnehmung und Ein- oder Auskoppelflächen am Mess-Substrat und sind an der Ausnehmung auf einen gemeinsamen Messort im Messvolumen ausgerichtet. Die Laserlichtquelle ist in einer Alternative so ausgebildet und angeordnet, dass sie Laserstrahlung in einen ersten der optischen Wellenleiter des Mess-Substrates einkoppelt. Die weiteren Wellenleiter, in der vorliegenden Patentanmeldung als zweite optische Wellenleiter bezeichnet, dienen der Erfassung von Streulicht aus dem Messvolumen und führen dieses Streulicht zu einem Detektor, der zur ortsaufgelösten Erfassung des Streulichtes aus den zweiten optischen Wellenleitern angeordnet und ausgebildet ist. Der Detektor kann hierbei direkt an den Auskoppelflächen der zweiten Wellenleiter angeordnet sein. Alternativ kann die aus diesen Wellenleitern austretende Streustrahlung auch, beispielsweise über Lichtleitfasern, zum Detektor geleitet werden. Auch die Laserlichtquelle kann dabei direkt, ggf. durch eine zur Einkopplung erforderliche optische Anordnung getrennt, an der Einkoppelfläche des ersten Wellenleiters angeordnet sein. Weiterhin besteht auch hier die Möglichkeit, die Laserlichtquelle entfernt vom Mess-Substrat anzuordnen und die Laserstrahlung bspw. über eine Lichtleitfaser zur Einkoppelfläche für den ersten Wellenleiter zu führen. In einer weiteren Alternative wird die Laserstrahlung nicht über einen integrierten Wellenleiter von der Laserlichtquelle zur Ausnehmung geführt, sondern über eine Lichtleiter-Faser mit vorgesetzter Fokussier-Optik direkt in die Ausnehmung bzw. das Messvolumen fokussiert.
Die vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die optischen Wellenleiter im Mess-Substrat durch lokale Änderung des Brechungsindex des optisch transparenten Materials des Mess-Substrats mittels Kurzzeit-Laserpulsen im Mess-Substrat erzeugt sind. Diese Technik der Erzeugung optischer Wellenleiter in optisch transparentem Material basiert auf der Fokussierung eines gepulsten Laserstrahls mit entsprechend kurzer Pulsdauer in das Substrat und die Führung des Laserfokus entlang der gewünschten Bahn des Wellenleiters. Durch die hohe Intensität im Fokus wird die Materialstruktur und damit auch der Brechungsindex lokal verändert. Bekannt ist eine derartige Strukturierung mit Hilfe von gepulster Femtosekunden-Laserstrahlung, die in ein Glassubstrat fokussiert wird. Damit lassen sich individuell in drei Raumdimensionen strukturierte optische Wellenleiter in einem optisch transparenten Substrat erzeugen. Die Intensität im Fokus wird dabei so gewählt, dass das Material nur im Bereich des Fokus modifiziert wird.
Ein besonderer Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die durch den Kurzpuls-Laserstrahl verursachte Änderung des Brechungsindex und damit der Unterschied im Brechungsindex des Wellenleiters zum umgebenden Substratmaterial sehr gering ist. Dadurch wird eine sehr kleine numerische Apertur der integrierten Wellenleiter mit einem entsprechend geringen Öffnungswinkel erreicht. Dieser geringe Öffnungswinkel bestimmt sowohl die Emission von Licht aus dem ersten Wellenleiter als auch die Akzeptanzwinkel der zweiten Wellenleiter und ermöglicht eine hohe Winkelauflösung bei der Messung mit einer derartigen Anordnung. Streulicht kann nur von Partikeln detektiert werden, die sich im Überlappungsvolumen von Emissionskegel und Akzeptanzkegel befinden. Da dieses Volumen sehr klein ist, eröffnet das Verfahren die Möglichkeit für eine Einzelpartikelanalytik.
Aufgrund der geringen Größe der lichtführenden Wellenleiter kann eine große Anzahl an derartigen Wellenleitern auch um eine kleine Ausnehmung herum angeordnet werden. Das Volumen der Ausnehmung kann bei dem Mess-Substrat der vorgeschlagenen Anordnung daher sehr klein gewählt werden. Vorzugsweise weist die Ausnehmung, bspw. eine kreisrunde Öffnung oder Bohrung, nur einen maximalen Querschnittsdurchmesser von 1 mm, besonders bevorzugt ≤ 500 μm auf.
Die vorgeschlagene Anordnung und das in der Anordnung eingesetzte Mess-Substrat ermöglichen bei entsprechend kleiner Dimensionierung der Ausnehmung die Durchführung von winkelaufgelösten Streulichtmessungen zur Größen- und Formbestimmung von Partikeln auch in Lösungen bzw. Proben mit hohen Teilchenkonzentrationen ohne Auftreten von dominierender Vielfachstreuung. Mehr als 100 Detektionskanäle können bei einer Winkelauflösung von weniger als 1° in das Mess-Substrat integriert und simultan ausgelesen werden. Die optische Weglänge des Lichtes in der Probe ist dabei wesentlich geringer als in herkömmlichen Sondengeometrien und kann bspw. nur 100 bis 500 μm betragen. Dadurch wird ein wesentlich höherer Konzentrationsbereich messbar, da Vielfachstreuungen weniger stark ins Gewicht fallen. Die Anordnung ermöglicht damit eine Inline-Überwachung technischer Prozesse, in denen Teilchenform und -größe eine wichtige Rolle spielen und bestimmt werden müssen. Anwendungsmöglichkeiten finden sich bspw. in der Polymerchemie, z.B. zum Inline-Monitoring von Polymerisationsreaktionen, in der Dispersionstechnologie, in der Analyse von Farben und Pigmenten, in der Biotechnologie, z.B. zum Inline-Monitoring des Zellwachstums in Fermentern, in der Kosmetik-Industrie, z.B. bei der Formulierung von Emulsionen für Cremes und Pasten, sowie in der Nahrungsmittelindustrie, z.B. zur Überwachung von Partikel-sensitiven Prozessschritten in der Produktion von Bier, Milch und Milchprodukten. Technologisch besonders anspruchsvolle Anwendungen eröffnen sich durch die Möglichkeit, auch Einzelpartikel zu analysieren. Durch eine statistische Auswertung vieler Einzelereignisse kann eine im Vergleich zu den üblicherweise erfassten Mittelwerten für Partikelform und Partikelgröße wesentlich höhere Informationstiefe über die untersuchte Probe gewonnen werden. Gerade im Bereich der Biotechnologie (Überwachung von Fermenterprozessen) können so detaillierte Informationen zu Zellpopulationen, Wachstumszuständen oder Produktausbeuten gewonnen werden. So können bspw. Einschlusskörperchen oder Inclusion Bodies, d.h. Proteinaggregate in Zellen, über das Streusignal erkannt werden, die bei der Überexpression rekombinanter Proteine häufig gebildet werden und die ein Maß für die Produktion erwünschter Zielproteine darstellen. Auch die frühzeitige Erkennung von Fremdpopulationen in Fermentern oder die Auswertung von Zellmorphologien zur Charakterisierung des Zellzustandes können Anwendungen für die Einzelpartikelanalytik sein. Die Messung erfolgt jeweils vorzugsweise entweder mit langer Integrationsdauer (typisch ms – s), um durchschnittliche Partikelgrößen zu ermitteln, oder mit kurzer Integrationsdauer und hoher Messfrequenz (µs Bereich), um einzelne Partikel zu analysieren.
Die optischen Wellenleiter sind bei der vorgeschlagenen Anordnung vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine numerische Apertur von < 0,08 entsprechend einem vollen Öffnungswinkel von < 5°, besonders bevorzugt eine numerische Apertur von < 0,01 entsprechend einem vollen Öffnungswinkel von < 1° in Luft aufweisen. Derartige Wellenleiter lassen sich mit der vorangehend beschriebenen Technik der Fokussierung von Kurzzeit-Laserpulsen in das optisch transparente Material erzeugen. Die optischen Wellenleiter haben dabei vorzugsweise einen Durchmesser von 5 ± 2 μm. Für eine hohe Winkelauflösung sind bei der vorgeschlagenen Anordnung bzw. dem zugehörigen Mess-Substrat mindestens 30, besonders bevorzugt mindestens 50 optische Wellenleiter in das Substrat integriert und um die Ausnehmung herum angeordnet.
Die Ausnehmung selbst ist bei der vorgeschlagenen Anordnung vorzugsweise als kreisrunde durchgängige Bohrung im Mess-Substrat ausgebildet, wobei die optischen Wellenleiter dann in radialer Richtung in die Ausnehmung münden und vorzugsweise gleichverteilt um die Ausnehmung herum angeordnet sind. Die Ausnehmung kann in einer alternativen Ausgestaltung auch an einer Seite des Substrats ausgebildet sein, so dass sie nach einer Seite hin geöffnet ist. Vorzugsweise weist diese Ausnehmung dann einen wenigstens halbkreisförmigen Querschnitt auf, um mit den Wellenleitern einen Winkelbereich von wenigstens 180° um den innerhalb der Ausnehmung liegenden Messort erfassen zu können.
Zur Unterdrückung von Störlicht, das sich außerhalb der Wellenleiter durch das Mess-Substrat ausbreiten kann, können mehrere Maßnahmen vorgesehen sein. So können in das Mess-Substrat eine oder mehrere Blenden integriert sein, die eine geradlinige Ausbreitung von Störlicht von wenigstens einer Seite des Mess-Substrates zur Ausnehmung zumindest teilweise blockieren. Die optischen Wellenleiter sind dabei entsprechend um die Blenden herum oder durch entsprechende Blendenöffnungen hindurch geführt. Weiterhin sind vorzugsweise die Außenseiten des Mess-Substrats und/oder die Innenfläche der Ausnehmung am Mess-Substrat – jeweils mit Ausnahme der Ein- und Auskoppelflächen für die optischen Wellenleiter – mit einer Licht absorbierenden Beschichtung versehen. Auch dies dient der Vermeidung der Ausbreitung von Störlicht.
Die vorgeschlagenen Anordnung oder wenigstens das Mess-Substrat der Anordnung wird für die Messung als Tauchsonde eingesetzt, d.h. in das zu vermessende Medium eingebracht. Aufgrund der relativ kleinen Ausnehmung ist es von Vorteil, die Ränder bzw. Kanten der Ausnehmung abzuschrägen oder zu verrunden, um das Eindringen des Mediums in die Ausnehmung zu erleichtern.
Die Genauigkeit, mit der die Streufunktion aufgenommen wird, definiert die Genauigkeit, mit der Partikelgröße und -form bestimmt werden können. Da die Anzahl der Detektionskanäle nicht beliebig vergrößert werden kann und insbesondere bei sehr kleinen Ausnehmungen im Mess-Substrat begrenzt ist, kann die Genauigkeit durch den Einsatz von mehreren Anregungswellenlängen erhöht werden. Die Wellenlänge der für die Anregung eingesetzten Laserstrahlung geht in die Winkelverteilung der Streulichtintensität direkt ein. Man erhält jeweils für ein bestimmtes Verhältnis von Teilchen- bzw. Partikelradius zur Wellenlänge ein charakteristisches Streubild. Wird die Wellenlänge bspw. bei konstanter Teilchengröße um den Faktor 2 vergrößert, so ändert sich das Streubild in ähnlicher Weise wie bei einer Verkleinerung des Teilchendurchmessers um den Faktor 2 bei konstant bleibender Wellenlänge. Damit kann die effektive Zahl der Stützpunkte für die Berechnung der Streufunktion durch die Verwendung verschiedener Anregungswellenlängen vervielfacht werden, ohne dass zusätzliche Detektionskanäle in das Mess-Substrat eingebracht werden müssen. Durch geschickte Wahl der Anregungswellenlänge unter Berücksichtigung der Winkelverteilung der einzelnen Detektionskanäle bzw. optischen Wellenleiter kann eine Optimierung der Auflösungsverbesserung durch diese Multi-Wellenlängen-Anregung erfolgen. Daher wird in der bevorzugten Ausgestaltung eine Laserlichtquelle eingesetzt, die den Betrieb bei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht. Alternativ können auch mehrere Laserlichtquellen eingesetzt werden, die bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Streulichtmessung wird das Medium dann auch bevorzugt nacheinander mit Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt und das resultierende Streulicht jeweils von dem Detektor ortsaufgelöst erfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Mess-Substrates der vorgeschlagenen Anordnung in Draufsicht;
2 ein Beispiel für die im Mess-Substrat gebildete Ausnehmung im Querschnitt;
3 ein weiteres Beispiel für die im Mess-Substrat gebildete Ausnehmung; und
4 eine beispielhafte Darstellung der Ausnehmung, die die Winkelerfassung mit den optischen Wellenleitern veranschaulicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die vorgeschlagene Anordnung sowie das in der Anordnung eingesetzte Mess-Substrat ermöglichen die winkelaufgelöste Streulichtmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mit hoher Winkelauflösung auch bei höherer Konzentration des Mediums, da das Messvolumen sehr klein gehalten und eine hohe Anzahl von Detektionskanälen, entsprechend den einzelnen optischen Wellenleitern, in das Mess-Substrat integriert werden können. Für derartige Anforderungen können keine klassischen optischen Elemente wie Spiegel oder Linsen zur Strahlführung mehr eingesetzt werden. Stattdessen werden individuell bei der vorgeschlagenen Anordnung in drei Raumdimensionen strukturierte Wellenleiter genutzt, die eine Führung des Streulichtes von der Probe zum Detektor ermöglichen.
Eine exakte Analyse von Partikelform und -größe gelingt nur, wenn das Streulicht von einfach gestreuten Photonen dominiert wird. Mit zunehmender Partikelkonzentration und Trübung der Probe treten immer mehr Vielfachstreuungen auf, die den Zusammenhang zwischen winkelaufgelöster Intensitätsverteilung des Streulichtes und der Partikelform und -größe komplexer und weniger aussagekräftig machen. Das Lambert-Beersche Gesetz beschreibt den Einfluss von Teilchenkonzentration und optischer Weglänge auf die Lichtschwächung: E = lg(I₀/I) = ε·c·d, wobei E die Extinktion, I₀ und I die Lichtintensität vor und nach der Probe, ε den Extinktionskoeffizienten, c die Teilchenkonzentration und d die optische Weglänge darstellen. Bei der vorgeschlagenen Anordnung wird ausgenutzt, dass anstelle einer Verdünnung um den Faktor 100 auch die Weglänge innerhalb der Probe um den Faktor 100 reduziert werden kann, um eine ähnliche Extinktion zu erhalten. Geht man von einem Küvettendurchmesser von 1 cm für viele Tischgeräte aus, so lässt sich durch Miniaturisierung des vorgeschlagenen Mess-Substrats und der darin vorgesehenen Ausnehmung eine optische Weglänge von nur 100 μm erreichen. Damit einher geht eine Vergrößerung der tolerierbaren Konzentration um den Faktor 100 gegenüber den heute üblichen Tischgeräten.
Diese Miniaturisierung ist einerseits durch die Integration optischer Wellenleiter in ein entsprechendes Substrat aus optisch transparentem Material und andererseits durch die kleine Dimensionierung der Ausnehmung im Substrat möglich. Für eine hohe Winkelauflösung muss jedoch auch eine entsprechend hohe Anzahl an optischen Wellenleitern als Detektionskanäle vorhanden sein, die wiederum einen entsprechend kleinen Öffnungswinkel bzw. eine entsprechend kleine numerische Apertur aufweisen müssen. Dies wird beim vorgeschlagenen Mess-Substrat durch optische Wellenleiter erreicht, die durch lokale Änderung des Brechungsindex des optisch transparenten Materials des Mess-Substrates mittels Fokussierung von Kurzpuls-Laserstrahlung erzeugt wurden. Durch diese Herstellungstechnik können optische Wellenleiter mit entsprechend geringem Unterschied im Brechungsindex zum umgebenden Substratmaterial erzeugt werden, die aufgrund dieses geringen Brechungsindexunterschieds auch einen geringen Öffnungswinkel aufweisen.
Im vorliegenden Beispiel wird als Mess-Substrat ein Glas-, Quarz- oder Saphirsubstrat eingesetzt, im Folgenden auch als Glas-Chip bezeichnet, in dem die optischen Wellenleiter mit Hilfe von gepulster Femtosekunden-Laserstrahlung erzeugt werden. Die Laserstrahlung wird hierzu in den Glasträger fokussiert. Im Fokus des Femtosekunden-Laserpulses erfolgt bei geeigneter Parameterwahl dann eine Veränderung der Glasstruktur, die einen veränderten Brechungsindex zur Folge hat. Indem der Laserfokus durch den Glas-Chip bewegt wird, kann so ein individuell in drei Raumdimensionen strukturierter Wellenleiter entstehen, in dem Licht geführt werden kann.
Das zentrale Element der im Folgenden beispielhaft beschriebenen Anordnung bildet der Glas-Chip 1, in den eine Öffnung oder Bohrung von wenigen 100 μm Durchmesser zur Bildung des Messvolumens eingebracht wurde. 1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung des Glas-Chips 1 in einer Draufsicht auf den Chip, der in diesem Beispiel eine L-Form aufweist. An einer Stelle des Glas-Chips 1 ist die durchgängige Öffnung 2 eingebracht, die das Messvolumen bildet. Diese Öffnung 2 ist bei der Messung mit der Probensuspension gefüllt oder wird von der Probensuspension durchflossen. Der Glas-Chip wird für die Messung in die Probensuspension eingetaucht. An die Öffnung 2 sind mehrere optische Wellenleiter 3 radial herangeführt, die Streulicht aus dem Messvolumen aufnehmen und zu einer Seite des Glas-Chips 1 führen. Hier befindet sich als Detektor 5 ein ortssensitives, lichtempfindliches Element, wie bspw. ein CCD-Zeilendetektor oder ein CCD-Chip. Durch Auslesen des Detektors 5 kann die Streulichtintensität simultan auf allen Kanälen erfasst werden. Der für die Anregung genutzte Anregungswellenleiter 4 ist mit einer Lichtquelle, z.B. einem single-mode Faser-gekoppelten Laser, verbunden. Aus diesem Anregungswellenleiter 4 wird das Licht als Freistrahl mit geringem Öffnungswinkel in die Öffnung 2 bzw. das Messvolumen und damit in die Probe emittiert. Trifft das Licht auf Partikel in der Probe, erfolgt eine Streuung in verschiedene Richtungen. Nur Streulicht, das innerhalb des Akzeptanzwinkels auf einen Detektionswellenleiter 3 trifft, wird durch diesen Wellenleiter geführt und kann den Detektor 5 erreichen. In der 1 ist die Lichtquelle nicht dargestellt. Sie ist über eine optische Faser 6 und eine Kopplungsoptik 7 mit dem Anregungswellenleiter 4 verbunden. Die Einkopplung des Anregungslichtes in den Anregungswellenleiter 4 kann selbstverständlich auch in anderer Weise erfolgen. Alternativ ist auch eine direkte Beleuchtung der Öffnung 2 durch eine Lichtleiter-Faser mit vorgesetzter Fokussier-Optik, beispielsweise ausgeführt als GRIN-Linse, möglich, so dass die Anregungsstrahlung nicht durch einen Wellenleiter geführt wird.
Der aus dem Anregungswellenleiter 4 austretende Lichtkegel schneidet das ebenfalls kegelförmige Akzeptanzvolumen des jeweiligen Detektionswellenleiters 3 am Messort in der Mitte der Öffnung 2. Lediglich Streulicht, das in dieser Interaktionszone generiert wird, kann in den jeweiligen Detektionswellenleiter eingekoppelt werden, wie dies auch später in Verbindung mit 4 nochmals erläutert wird. Da die Wellenleiter 3, 4 nur einen kleinen Durchmesser von ca. 5μm und geringe Brechungsindexunterschiede zum umgebenden Glassubstrat aufweisen, wird nur ein kleiner Teil des in der Interaktionszone erzeugten Streulichtes in einen Detektionswellenleiter 3 eingekoppelt. Unter der Annahme eines isotropen Streuverhaltens würden für einen Glas-Chip 1 mit einer Öffnung 2 von 500 μm Durchmesser und einen Detektionswellenleiter von 5 μm Durchmesser lediglich 25 ppm des in der Interaktionszone erzeugten Streulichtes in den Detektionswellenleiter einkoppeln. Das Streulicht muss daher mit einem empfindlichen Detektor nachgewiesen werden. Um den Detektor nicht mit unerwünschtem Streulicht, das außerhalb der Wellenleiter 3, 4 in den Glas-Chip 1 eintritt, zu übersättigen, müssen geeignete Strategien zur Reduktion dieses Untergrundsignals eingesetzt werden. Die im Folgenden hierfür aufgeführten Maßnahmen lassen sich auch miteinander kombinieren.
So können eine oder mehrere Blenden 8 in den Glas-Chip 1 integriert werden, die die geradlinige Ausbreitung von unerwünschtem Licht im Glas-Chip 1 außerhalb der Wellenleiter 3, 4 zwischen wenigstens einer Seite des Glas-Chips 1 und der Öffnung 2 behindern. Die Wellenleiter 3, 4 sind dabei um diese Blenden 8 herum oder durch entsprechende Blendenöffnungen geführt. 1 zeigt hierzu ein Beispiel mit zwei derartigen Blenden 8, die versetzt zueinander in den Glas-Chip 1 integriert sind. Die Blenden können bspw. durch Ätzen entsprechender Gräben in den Glas-Chip 1 und Auffüllen der Gräben mit einem lichtundurchlässigen Material erzeugt werden. Die Wellenleiter 3, 4 sind hierbei in Kurven um diese Blenden 8 herum geführt. Weiterhin können die Wände des Glas-Chips 1 geeignet beschichtet bzw. geschwärzt werden, um Licht zu absorbieren, das auf eine Wand trifft. Zusätzlich kann die Fläche des Glas-Chips 1, an der der Detektor 5 positioniert wird, mit einer lichtundurchlässigen, bspw. metallischen Beschichtung 9 versehen werden, die lediglich an den Positionen der Detektionswellenleiter 3 abgelöst oder nicht aufgebracht wird. Eine vergleichbare Beschichtung kann auch an der Eintrittsseite des Streulichtes, d.h. innerhalb der runden Öffnung 2 des Glas-Chips 1 angebracht werden. Durch eine Kombination dieser Maßnahmen kann ein gutes Signal-zu-Untergrundverhältnis bei der Streulichtmessung erreicht werden.
Damit die Probensuspensionen die Öffnung 2 durchfließen können, werden die Seitenwände bzw. Kanten der Öffnung 2 idealerweise abgeschrägt, so dass ein leichterer Zugang der Probenflüssigkeit zur Messposition erfolgt. Ein Beispiel für eine derartige Abschrägung ist im Querschnitt durch den Glas-Chip bzw. die Öffnung 2 in 2 dargestellt. In dieser Figur sind auch zwei Detektionswellenleiter 3 in dem Glas-Chip angedeutet.
Für hochviskose Probenflüssigkeiten ist es auch möglich, die Öffnung an den Rand des Glas-Chips zu verlagern, um dadurch lediglich eine im Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmung 2 am Rand des Chips zu erhalten. 3 zeigt beispielhaft in Draufsicht eine Ausgestaltung eines Teils des Glas-Chips 1 mit dieser Ausnehmung 2. Da das Streulicht eine symmetrische Verteilung zeigt, kann auch aus einem Beobachtungsbereich von 180° ein vollständiges Streubild erhalten werden. Hierzu sollte die entsprechende Ausnehmung 2 einen Winkelbereich von mindestens 180° abdecken, in dem dann auch die entsprechenden Detektionswellenleiter 3 angeordnet sind. Der Anregungswellenleiter 4 ist in 3 ebenfalls dargestellt.
Die Winkelauflösung der vorgeschlagenen Anordnung wird im Wesentlichen durch die Emissions- und Akzeptanzwinkel der optischen Wellenleiter des Mess-Substrates definiert. Die durch Femtosekunden-Laserpulse strukturierten Wellenleiter weisen nur einen sehr geringen Brechungsindex-Unterschied zwischen dem lichtführenden Kern und dem umgebenden Material wie bspw. Glas auf. Daher sind die Akzeptanz- bzw. Emissionswinkel wesentlich kleiner als bspw. bei typischen single-mode Glasfasern. Typische Werte liegen bei einer nummerischen Apertur von 0,01 bzw. einem vollen Öffnungswinkel von nur 1°. Der Durchmesser der Wellenleiter liegt typischerweise bei ca. 5 μm.
4 zeigt die geometrischen Verhältnisse für eine Öffnung 2 mit ca. 100 μm Durchmesser. Der aus dem Anregungswellenleiter 4 auftretende Lichtkegel 10 erzeugt innerhalb der mit der Probenflüssigkeit gefüllten Öffnung 2 Streulicht, das sich in alle Richtungen ausbreitet. Lediglich Streulicht, das in dem schraffiert gezeichneten Interaktionsvolumen 11 erzeugt wird, kann unter dem Akzeptanzwinkel in den Detektionswellenleiter 3 eingekoppelt werden. Das diesen Akzeptanzwinkel repräsentierende kegelförmige Akzeptanzvolumen 12 eines Detektionswellenleiters 3 für die Aufnahme des Streulichtes ist in der 4 ebenfalls angedeutet. Rechnerisch bestimmt man eine Winkelauflösung von ca. 1° bei einem würfelförmigen Detektions- bzw. Interaktionsvolumen 11 von ca. 10 μm Kantenlänge und einem Streuwinkel von ca. 90°. Sofern der Winkel zwischen Anregung und Detektion von 90° abweicht, wird das Detektionsvolumen größer und die Winkelauflösung geringer.
Wie bereits erläutert, kann die Winkelauflösung bei einer begrenzten Anzahl an Detektionswellenleitern 3 durch den Einsatz von mehreren Anregungswellenlängen erhöht werden. Bei geeigneter Wahl von zwei oder mehr unterschiedlichen Anregungswellenlängen lässt sich die effektive Zahl der Stützpunkte für die Berechnung der Streufunktion aus der Messung vervielfachen, ohne dass zusätzliche Detektionskanäle in das Mess-Substrat eingebracht werden müssen.
Die vorgeschlagene Anordnung bzw. Sonde ermöglicht eine Inline-Analyse der winkelaufgelösten Streulichtverteilung mit einer Winkelauflösung und Kanalzahl, die sonst nur von Küvetten-basierten Tischgeräten erreicht wird. Die Genauigkeit der Messung (Winkelauflösung und Kanalzahl) und damit die Genauigkeit der Partikel- oder Teilchenanalyse geht weit über die heute verfügbaren Sonden mit typischerweise maximal drei Kanälen und einer Winkelauflösung von vielen Grad hinaus. Die Sonde lässt sich durch den Einsatz von Wellenleitern als lichtführende Elemente sehr kompakt und hochintegriert aufbauen. Optische Weglängen im Probenvolumen im Bereich von wenigen 100 μm anstelle von mehreren Millimetern wie bei Verwendung klassischer optischer Elemente (Spiegel, Umlenkprismen etc.) sind möglich. Dadurch können im Vergleich zu Küvetten-basierten Geräten wesentlich höhere Konzentrationen bzw. stärker getrübte Proben vermessen werden, ohne dass Vielfachstreuung die Messung unmöglich macht. Dadurch werden Inline-Messungen ohne vorherige Verdünnung der Probe möglich.
Bezugszeichenliste

1: Glas-Chip
2: Öffnung/Ausnehmung
3: Detektionswellenleiter
4: Anregungswellenleiter
5: Detektor
6: optische Faser
7: Kopplungsoptik für Anregungslicht
8: Blende
9: metallische Beschichtung mit Öffnungen
10: Anregungslichtkegel
11: Interaktionsvolumen
12: Akzeptanzvolumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004-271187 A [0011]

Claims

Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung mit – einem Mess-Substrat (1) aus einem optisch transparenten Material, das eine durchgängige Ausnehmung (2) zur Bildung eines Messvolumens aufweist, und in das mehrere von der Ausnehmung (2) ausgehende optische Wellenleiter (3, 4) integriert sind, die sich zwischen der Ausnehmung (2) und Ein- oder Auskoppelflächen am Mess-Substrat (1) erstrecken und an der Ausnehmung (2) auf einen gemeinsamen Messort im Messvolumen ausgerichtet sind, – einer Laserlichtquelle, die zur Einkopplung von Laserstrahlung in einen ersten (4) der optischen Wellenleiter (3, 4) des Mess-Substrates (1) ausgebildet und angeordnet ist oder die über eine Lichtleiterfaser mit einer Optik direkt in die Ausnehmung (2) fokussiert wird, und – einem Detektor (5), der zur ortsaufgelösten Erfassung von Streulicht ausgebildet und angeordnet ist, das von zweiten (3) der optischen Wellenleiter (3, 4) aus dem Messvolumen übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenleiter (3, 4) durch lokale Änderung des Brechungsindex des optisch transparenten Materials des Mess-Substrats (1) mittels Kurzzeit-Laserpulsen in dem Mess-Substrat (1) erzeugt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenleiter (3, 4) eine numerische Apertur von < 0,08, besonders bevorzugt < 0,01 aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenleiter (3, 4) einen Durchmesser im Bereich zwischen 3 und 7 µm aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der in das Mess-Substrat (1) integrierten optischen Wellenleiter (3, 4) ≥ 30, vorzugsweise ≥ 50 beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) an den Auskoppelflächen der zweiten optischen Wellenleiter (3) angeordnet ist oder über optische Fasern (6) mit diesen Auskoppelflächen verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die optischen Wellenleiter (3, 4) radial von der Ausnehmung (2) ausgehen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten optischen Wellenleiter (3) so um die Ausnehmung (2) angeordnet sind, dass mit den zweiten optischen Wellenleitern (3) insgesamt ein Winkelbereich von wenigstens 180° um den gemeinsamen Messort erfasst werden kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (2) einen kreis- oder halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Kreisdurchmesser von ≤ 1 mm, besonders bevorzugt ≤ 500 µm aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) ein ortsauflösender Zeilen- oder Flächendetektor ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in das Mess-Substrat (1) eine oder mehrere Blenden (8) integriert sind, die eine geradlinige Ausbreitung von Störlicht außerhalb der optischen Wellenleiter (3, 4) zwischen wenigstens einer Seite des Mess-Substrats (1) und der Ausnehmung (2) zumindest teilweise verhindern, wobei die optischen Wellenleiter (3, 4) durch eine oder mehrere Blendenöffnungen hindurch und/oder um die eine oder mehreren Blenden (8) herum geführt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite des Mess-Substrats (1), an der der Detektor (5) positioniert ist und/oder eine Innenfläche der Ausnehmung (2) jeweils mit Ausnahme von Ein- und Austrittsflächen der optischen Wellenleiter (3, 4) mit einer lichtabsorbierenden oder reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Außenseiten des Mess-Substrats (1), an denen keine Ein- und Austrittsflächen der optischen Wellenleiter (3, 4) liegen, mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (2) abgeschrägte oder verrundete Kanten oder Seitenflächen aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle den Betrieb bei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht.
Mess-Substrat, das für die Streulichtmessung in einer Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche ausgebildet ist.
Verfahren zur Streulichtmessung an flüssigen oder gasförmigen Medien, insbesondere in der Prozessanalytik, mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das Mess-Substrat (1) in das Medium eingebracht wird, entweder über den ersten optischen Wellenleiter (4) oder über eine optische Lichtleiter-Faser mit Fokussieroptik die Laserstrahlung der Laserlichtquelle in das Medium gerichtet oder fokussiert und dadurch erzeugtes Streulicht über die zweiten optischen Wellenleiter (3) mit dem Detektor (5) ortsaufgelöst erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Medium nacheinander mit Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt und das resultierende Streulicht von dem Detektor (5) jeweils ortsaufgelöst erfasst wird.
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder des Mess-Substrates nach Anspruch 15 für die Streulichtmessung in der Prozessanalytik.