DE102020110192A1 - Method and device for the luminescence-based measurement of an analyte, independent of the source of interference - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lumineszenzbasierten Messung der Konzentration eines Analyten in einem Fluid, umfassend das Beaufschlagen eines in Kontakt mit dem Fluid stehendes Fluorophors (4), welches ein für den Analyten sensitives fluoreszierendes Material enthält, mit Anregungslicht (10) einer Lichtquelle (1), mittels eines Lichtdetektors (2), Detektieren von Lumineszenzlicht (20), welches das Fluorophor (4) in Antwort auf die Anregung mit dem Anregungslicht (10) der Lichtquelle (1) sowie ggf. von Störlicht (30) von Störlichtquellen (5, 6) aussendet, und, mittels einer Steuerung (3), Messen einer Antwortverzögerung (Δ, ΔT), und Bestimmen der Konzentration des Analyten aus der gemessenen Antwortverzögerung (Δ, ΔT), wobei als Anregungslicht (10) eine Sequenz von Einzelpulsen verwendet wird, wobei ein zeitlicher Abstand (T1, T2, T3) von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufällig gewählt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur lumineszenzbasierten Messung der Analytenkonzentration gemäß dieses Verfahrens.The invention relates to a method for the luminescence-based measurement of the concentration of an analyte in a fluid, comprising the application of excitation light (10) from a light source (1) to a fluorophore (4) which is in contact with the fluid and which contains a fluorescent material sensitive to the analyte ), by means of a light detector (2), detection of luminescent light (20), which the fluorophore (4) in response to the excitation with the excitation light (10) of the light source (1) and, if necessary, of stray light (30) from stray light sources (5 , 6) emits, and, by means of a controller (3), measuring a response delay (Δ, ΔT), and determining the concentration of the analyte from the measured response delay (Δ, ΔT), using a sequence of individual pulses as the excitation light (10) is, whereby a time interval (T1, T2, T3) of successive individual pulses is chosen randomly or quasi-randomly. The invention further relates to a device for luminescence-based measurement of the analyte concentration according to this method.
Description
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur lumineszenzbasierten optischen Messung der Konzentration eines Analyten, insbesondere Sauerstoff, in einem Fluid, insbesondere einem Gasgemisch, wobei ein in Kontakt mit dem Fluid stehendes, ein für den Analyten sensitives, also in Gegenwart des Analyten seine Fluoreszenzeigenschaften änderndes, Fluorophor mit Anregungslicht einer Lichtquelle beaufschlagt, das in Antwort auf das Anregungslicht sowie Licht ggf. vorhandener Störquellen ausgesendetes Lumineszenzlicht mittels eines Lichtdetektors detektiert und von einer Steuerung eine Verzögerung, insbesondere eine Antwortzeitverzögerung oder eine Phasenverschiebung, gemessen und hieraus die Konzentration des Analyten bestimmt wird.The present invention relates to a method and a device for the luminescence-based optical measurement of the concentration of an analyte, in particular oxygen, in a fluid, in particular a gas mixture, with one in contact with the fluid that is sensitive to the analyte, i.e. its fluorescence properties in the presence of the analyte changing, fluorophore is acted upon by excitation light from a light source, which detects luminescent light emitted by means of a light detector in response to the excitation light as well as light from possibly existing interference sources and a delay, in particular a response time delay or a phase shift, is measured by a controller and the concentration of the analyte is determined from this .
Das Problem einer schnellen und zuverlässigen Messung der Konzentration eines Analyten in einem Fluides stellt sich in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft, Technik und Medizin. so etwa bei der Bestimmung des Sauerstoffgehalts in der Atemluft, im Blut oder in der Abluft einer Verbrennungsmaschine. Auch bei Bioreaktoren ist eine Überwachung der Zu und/oder Abluft sehr wichtig um, die Prozess- bzw. Wachstumsparameter und die Stoffbilanz möglichst genau verfolgen und regeln zu können.The problem of a quick and reliable measurement of the concentration of an analyte in a fluid arises in various areas of science, technology and medicine. For example, when determining the oxygen content in the air we breathe, in the blood or in the exhaust air of an internal combustion engine. In the case of bioreactors, too, monitoring of the supply and / or exhaust air is very important in order to be able to follow and regulate the process or growth parameters and the material balance as precisely as possible.
Lumineszenz und Fluoreszenz werden im Folgenden im Wesentlichen synonym verwendet, auch wenn Lumineszenz eigentlich ein weiter Oberbegriff ist, der neben der unter den weiter eingeschränkten Begriff Photolumineszenz fallenden Fluoreszenz auch weitere Effekte mit spontaner Photonenemission durch ein angeregtes Medium umfasst, bei denen die Anregung nicht durch Photonen sondern auf anderem Wege erfolgte, etwa mechanisch (Mechanolumineszenz), chemisch (Chemolumineszenz) oder elektrisch (Elektrolumineszenz).Luminescence and fluorescence are essentially used synonymously in the following, even if luminescence is actually a broad generic term which, in addition to the fluorescence falling under the more restricted term photoluminescence, also includes other effects with spontaneous photon emission by an excited medium, in which the excitation is not by photons but took place in other ways, for example mechanically (mechanoluminescence), chemically (chemiluminescence) or electrically (electroluminescence).
Lumineszenz- bzw. fluoreszenzbasierte Gassensoren, etwa Sauerstoffsensoren, setzen für dem jeweiligen Analyten, also das zu detektierende Gas, sensitive fluoreszierende Materialien ein, um die Analytkonzentration eines zu untersuchenden Fluides, also eines Gasgemisches oder einer Flüssigkeit, zu messen. Ein fluoreszierendes Material sendet durch spontane Emission von Photonen nach Anregung seiner Moleküle durch Anregungslicht einer ersten Wellenlänge bzw. eines ersten Wellenlängenbereiches Lumineszenzlicht einer zweiten, üblicherweise höheren (also niederenergetischeren) Wellenlänge aus. Diese spontane Emission erfolgt mit einer gewissen Verzögerung, welcher der Lebensdauer der durch das Anregungslicht besetzten angeregten Zustände entspricht. Sowohl Intensität als auch die Verzögerung der spontanen Emission, also des Lumineszenzlichtes können von Umgebungsparametern abhängen.Luminescence or fluorescence-based gas sensors, such as oxygen sensors, use sensitive fluorescent materials for the respective analyte, i.e. the gas to be detected, in order to measure the analyte concentration of a fluid to be examined, i.e. a gas mixture or a liquid. A fluorescent material emits luminescent light of a second, usually higher (ie lower-energy) wavelength through spontaneous emission of photons after its molecules have been excited by excitation light of a first wavelength or a first wavelength range. This spontaneous emission takes place with a certain delay, which corresponds to the lifetime of the excited states occupied by the excitation light. Both the intensity and the delay of the spontaneous emission, i.e. of the luminescent light, can depend on environmental parameters.
Bei einem sauerstoffsensitiven fluoreszierenden Material sind beispielsweise Intensität und Verzögerung vom Sauerstoffgehalt des Materials abhängig. Sauerstoff kann aus der Umgebung in das Material hinein- oder umgekehrt aus dem Material in die Umgebung hinausdiffundieren. Intensität und Verzögerung können also ein Maß für den Sauerstoffgehalt der Umgebung des Materials sein.In the case of an oxygen-sensitive fluorescent material, for example, the intensity and delay are dependent on the oxygen content of the material. Oxygen can diffuse into the material from the environment or, conversely, diffuse out of the material into the environment. Intensity and delay can therefore be a measure of the oxygen content in the vicinity of the material.
Eine Bestimmung der Analytenkonzentration aus der Verzögerung ist im Vergleich zu einer Bestimmung aus der Intensität wesentlich genauer, da die Intensität des Lumineszenzlichts durch mehrere unkontrolliert zeitlich veränderliche Faktoren, wie der Transparenz des Fluids in den beteiligten Wellenlängenbereichen sowie gegebenenfalls eines das Fluid beherbergenden Behälters oder der Versorgungsspannung und der Alterung der Anregungslichtquelle, abhängig ist.A determination of the analyte concentration from the delay is much more accurate compared to a determination from the intensity, since the intensity of the luminescent light is caused by several uncontrolled, temporally variable factors, such as the transparency of the fluid in the wavelength ranges involved and possibly a container that houses the fluid or the supply voltage and the aging of the excitation light source.
Neben Sauerstoff eignet sich die lumineszenzbasierte Messung auch zur Bestimmung der Konzentration anderer monatomiger Gase wie Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2).In addition to oxygen, the luminescence-based measurement is also suitable for determining the concentration of other monatomic gases such as nitrogen (N2) and hydrogen (H2).
Antwort- bzw. Verzögerungsbasierte Messmethoden nach Stand der Technik sehen eine periodishe Ansteuerung der Anregungslichtquelle vor, so dass diese einen Lichtpuls einer bestimmten Zeitdauer mit periodischer Intensitätsvariation abgibt. Häufig wird ein einfacher, sinusförmiger Anregungslichtpuls verwendet. Die Ansteuerspannung oder auch ein Teil des Anregungslichts wird in einem Komparator einer Steuerung mit detektiertem Lumineszenzlicht verglichen und hieraus eine Phasenverschiebung ermittelt, welche ein Maß für die Antwortverzögerung und damit die gesuchte Analytenkonzentration ist. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
Bei lumineszenzbasierten Messungen lässt es sich jedoch nicht immer vermeiden, dass neben dem eigentlichen Anregungslicht der Lichtquelle auch Störlicht das für den Analyten sensitive, fluoreszierende Material erreicht. Dieses Störlicht kann von natürlichen Lichtquellen wie der Sonne oder künstlichen Lichtquellen, wie einer Raumbeleuchtung stammen. Dieses Störlicht verfälscht das detektierte Lumineszenzlichtsignal sowohl bei einer, bereits aus anderen Gründen anfälligen, Intensitätsmessung als auch bei einer Antwortzeit bzw. Phasenverschiebungsmessung.In the case of luminescence-based measurements, however, it cannot always be avoided that, in addition to the actual excitation light from the light source, interfering light also reaches the fluorescent material that is sensitive to the analyte. This stray light can come from natural light sources such as the sun or artificial light sources such as room lighting. This interfering light falsifies the detected luminescence light signal both in the case of an intensity measurement, which is already susceptible for other reasons, and in the case of a response time or phase shift measurement.
Die veröffentlichte internationale Anmeldung
Die Veröffentlichungsschrift
In Ermangelung einer effektiven Methode zur Reduzierung oder Vermeidung der negativen Effekte von Störlicht ist man im Stand der Technik bestrebt, das Störlicht nach Möglichkeit zu vermeiden. Dies lässt sich jedoch nicht immer vollständig erreichen, so beispielsweise wenn ein Fluid in einem transparenten Behältnis überwacht werden soll und dieses Behältnis in einem künstlich oder auch natürlich beleuchteten Laborraum steht.In the absence of an effective method for reducing or avoiding the negative effects of stray light, efforts are made in the prior art to avoid stray light as far as possible. However, this cannot always be fully achieved, for example when a fluid is to be monitored in a transparent container and this container is in an artificially or naturally illuminated laboratory room.
Der Einfluss von Störlicht mit, auf den hier interessierenden kurzen Zeitskalen, konstanter Intensität, wie es etwa natürliche Störquellen wie die Sonne aussenden, lässt sich grundsätzlich durch einen Hochpassfilter, welcher den Gleichspannungsanteil des detektierten Lumineszenzsignals herausfiltert, oder eine Lärmmessung, also eine Messung ohne Anregungslicht, eliminieren . Problematisch sind daher im Wesentlichen künstliche Lichtquellen, deren Licht eine periodische Modulation enthält. Dies kann bei einer vom Stromnetz gespeisten Lichtquelle beispielsweise die Frequenz der Netzwechselspannung, in Deutschland beispielsweise 50 Hz, sein. Des weiteren verwenden viele künstliche Lichtquellen, wie etwa die besonders im gewerblichen Bereich verbreiteten Leuchtstoffröhren oder auch modernere LED Lichtquellen Vorschaltgeräte, welche dem ausgesendeten Licht Modulationen im Kilohertzbereich aufprägen. Anders als die Netzfrequenz sind die in den Vorschaltgeräten auftretenden Modulationsfrequenzen nicht einheitlich, sondern unterscheiden sich von Lichtquelle zu Lichtquelle.The influence of interfering light with constant intensity on the short time scales of interest, such as that emitted by natural sources of interference such as the sun, can basically be controlled by a high-pass filter, which filters out the DC voltage component of the detected luminescence signal, or a noise measurement, i.e. a measurement without excitation light , eliminate. Artificial light sources whose light contains periodic modulation are therefore essentially problematic. In the case of a light source fed by the power grid, this can be, for example, the frequency of the AC mains voltage, for example 50 Hz in Germany. In addition, many use artificial light sources, such as the fluorescent tubes that are particularly widespread in the commercial sector or even more modern LED light sources, ballasts, which impress modulations in the kilohertz range on the emitted light. Unlike the mains frequency, the modulation frequencies occurring in the ballasts are not uniform, but differ from light source to light source.
Solange die Modulationsfrequenz des Störlichts bekannt ist, kann sein Einfluss im Prinzip berücksichtigt und reduziert oder eliminiert werden. Somit wäre eine mögliche Strategie, die Modulationsfrequenzen aller am Ort einer lumineszenzbasierten Analytenmessung vorhandenen künstlichen Lichtquellen zu bestimmen und bei der Auswertung des detektierten Luminszenzsignals zu berücksichtigen, etwa durch Filterung des Signals in den entsprechenden Bereichen und selbstverständlich Wahl einer Frequenz des periodischen Anregungslichts, welche sich von allen Quellen unterscheidet.As long as the modulation frequency of the stray light is known, its influence can in principle be taken into account and reduced or eliminated. One possible strategy would therefore be to determine the modulation frequencies of all artificial light sources present at the location of a luminescence-based analyte measurement and to take them into account when evaluating the detected luminescence signal, for example by filtering the signal in the corresponding areas and of course choosing a frequency of the periodic excitation light that differs from differs from all sources.
Dieses Vorgehen ist allerdings sehr aufwendig und müsste auch vor jeder Messung oder zumindest nach jedem Austausch einer Lichtquelle wiederholt werden, da sich die auftretenden Modulationsfrequenzen geändert haben könnten.However, this procedure is very complex and would have to be repeated before each measurement or at least after each replacement of a light source, since the modulation frequencies that occur could have changed.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche eine zuverlässige und weitestgehend störquellenunabhängige lumineszenzbasierte Besitmmung der Konzentration eines Analyten in einem Fluid erlaubt.The object of the present invention is therefore to develop a method and a device which allows a reliable and largely interference source-independent luminescence-based determination of the concentration of an analyte in a fluid.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 7 und einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 - 10.This object is achieved by a method according to one of claims 1-7 and a device according to one of claims 8-10.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur lumineszenzbasierten Messung der Konzentration eines Analyten in einem Fluid, wird ein in Kontakt mit dem Fluid stehendes Fluorophors, welches ein für den Analyten sensitives fluoreszierendes Material enthält, mit Anregungslicht einer Lichtquelle beaufschlagt, daraufhin mittels eines Lichtdetektors Lumineszenzlicht, welches das Fluorophor in Antwort auf die Anregung mit dem Anregungslicht der Lichtquelle sowie ggf. von Störlicht von Störlichtquellen aussendet, detektiert, mittels einer Steuerung eine Antwortverzögerung gemessen und daraus die Konzentration des Analyten bestimmt, wobei als Anregungslicht eine Sequenz von Einzelpulsen verwendet wird, wobei ein zeitlicher Abstand von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufällig gewählt wird.According to the method according to the invention for luminescence-based measurement of the concentration of an analyte in a fluid, a fluorophore in contact with the fluid, which contains a fluorescent material sensitive to the analyte, is exposed to excitation light from a light source, and then by means of a light detector, luminescence light which the fluorophore in response to the excitation with the excitation light from the light source and possibly interfering light from interfering light sources, it is detected, a response delay is measured by means of a controller and the concentration of the analyte is determined therefrom, a sequence of individual pulses being used as the excitation light, with a time interval of successive individual pulses is chosen randomly or quasi-randomly.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur lumineszenzbasierten Analytenkonzentrationsmessung umfasst eine Lichtquelle, welche Anregungslicht in einem ersten Wellenlängenbereich aussenden kann, ein Fluorophor, welches ein für den Analyten sensitives fluoreszierenden Material enthält und so angeordnet ist, dass das fluoreszierende Material in direktem Kontakt mit dem Fluid steht und mit dem von der Lichtquelle ausgesendeten Anregungslicht beaufschlagt werden kann, wobei das Fluorophor daraufhin als Antwort auf das Anregungslicht sowie ggf. Störlicht von Störquellen Lumineszenzlicht in einem zweiten Wellenlängenbereich aussendet, wobei eine Intensität des Lumineszenzlichts abhängig ist von einer Intensität des Anregungslichts und dem Sauerstoffgehalt des Fluides, und eine Antwortverzögerung des Lumineszenzlichts abhängig ist von dem Gehalt des Analyten in dem Fluid aber im Wesentlichen unabhängig ist von der Intensität des Anregungslichts, einen Lichtdetektor, welcher zumindest Licht innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs detektieren kann und ein eine detektierte Lichtintensität repräsentierendes, insbesondere dazu proportionales, analoges Detektorsignal ausgibt, und eine Steuerung, welche die Lichtquelle ansteuert und aus dem Signal des Lichtdetektors ein die Konzentration des Analyten in dem Fluid repräsentierendes analoges oder digitales Messsignal ableitet, wobei die Steuerung die Konzentration des Analyten aus einer Verzögerung, insbesondere einer Antwortzeitverzögerung oder einer Phasenverschiebung des Lumineszenzlichts ableitet, wobei die Steuerung dazu vorbereitet ist, mittels der Lichtquelle Anregungslicht in Form einer Sequenz von kurzen Einzellichtpulses auszusenden, wobei ein zeitlicher Abstand von aufeinanderfolgenden Einzelpulsen zufällig oder quasi-zufällig gewählt wird.The device according to the invention for luminescence-based analyte concentration measurement comprises a light source which can emit excitation light in a first wavelength range, a fluorophore which contains a fluorescent material that is sensitive to the analyte and is arranged so that the fluorescent material in is in direct contact with the fluid and can be exposed to the excitation light emitted by the light source, the fluorophore then emitting luminescent light in a second wavelength range in response to the excitation light and, if necessary, interference light from interference sources, the intensity of the luminescence light being dependent on an intensity of the excitation light and the oxygen content of the fluid, and a response delay of the luminescent light is dependent on the content of the analyte in the fluid but is essentially independent of the intensity of the excitation light, a light detector which can detect at least light within the second wavelength range and a detected one Outputs an analog detector signal representing light intensity, in particular proportional thereto, and a control which controls the light source and, from the signal of the light detector, an ana representing the concentration of the analyte in the fluid derives loges or digital measurement signal, the control deriving the concentration of the analyte from a delay, in particular a response time delay or a phase shift of the luminescent light, the control being prepared to emit excitation light by means of the light source in the form of a sequence of short individual light pulses, with a temporal Distance of successive individual pulses is chosen randomly or quasi-randomly.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich absolute Analytenkonzentrationen direkt ermitteln. Sofern auch ein relativer Anteil ermittelt werden soll wären noch in an sich bekannter Weise durch zusätzliche, gleichzeitige Messungen ein gewünschter, das Gesamtfluid charakterisierender Wert, etwa sein Gesamtdruck oder seine Gesamtdichte (Massendichte oder molare Dichte etc.), zu ermitteln und der hier bestimmte die Analytenkonzentration charakterisierende absolute Wert, ggf. nach vorheriger Einheitenumwandlung, dazu ins Verhältnis zu setzen.With the method according to the invention and the device according to the invention, absolute analyte concentrations can be determined directly. If a relative proportion is also to be determined, a desired value characterizing the total fluid, such as its total pressure or total density (mass density or molar density, etc.), would have to be determined in a manner known per se by additional, simultaneous measurements, and this determined the value here Relative to the absolute value characterizing the analyte concentration, if necessary after previous unit conversion.
Die wesentliche Neuerung gegenüber den bekannten lumineszensbasierten Messverfahren bzw. vorrichtungen liegt darin, dass statt eines sinusförmigen oder anderweitig periodischen Anregungslichtpulses eine Sequenz von Einzelpulsen eingesetzt wird, wobei die einzelnen Lichtpulse einen zufälligen oder quasi-zufälligen zeitlichen Abstand zueinander haben.The main innovation compared to the known luminescence-based measurement methods and devices is that instead of a sinusoidal or otherwise periodic excitation light pulse, a sequence of individual pulses is used, with the individual light pulses having a random or quasi-random time interval from one another.
Hierdurch unterscheiden sie sich grundsätzlich von dem durch Licht, welches das fluoreszierende Material aufgrund der Anregung durch Störlichtquellen aussendet. Dieses ist entweder selbst periodisch, etwa bei künstlichem Licht, welches Modulationen, also Intensitätsvariationen mit der verwendeten Anregungsspannungsfrequenz aufweist, oder zwar aperiodisch, wie etwa Sonnenlicht, jedoch auf eine andere Art als das Anregungslicht. Modulationen in der Anregungsspannung können, wie oben erwähnt, etwa aus der Verwendung einer Versorgungsspannung mit einer bestimmten Frequenz, etwa 50 Hz Netzspannung, oder eines Vorschaltgeräts zur Erzeugung der Versorgungsspannung der Lichtquelle, wie etwa bei Leuchtstoffröhren oder LED-Leuchtmitteln, herrühren.In this way, they differ fundamentally from that produced by light, which the fluorescent material emits as a result of the excitation by interfering light sources. This is either periodic itself, for example in the case of artificial light, which has modulations, i.e. intensity variations with the excitation voltage frequency used, or indeed aperiodic, such as sunlight, but in a different way than the excitation light. As mentioned above, modulations in the excitation voltage can result from the use of a supply voltage with a certain frequency, e.g. 50 Hz mains voltage, or a ballast to generate the supply voltage of the light source, such as fluorescent tubes or LED lamps.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Methode ist, dass die Zeitabstände der Einzelpulse zwar zufällig oder quasi-zufällig gewählt, aber bei der Auswertung des detektierten Lumineszenzlichtes bekannt sind. Hierdurch können bei der Auswertung des detektierten Lumineszenzlichts solche Intensitätsveränderungen, welche auf die Anregungslichtpulse zurückzuführen sind, von anden unterschieden werden, die auf das Störlicht zurückgehen.It is essential in the method according to the invention that the time intervals between the individual pulses are chosen randomly or quasi-randomly, but are known when evaluating the detected luminescent light. In this way, when evaluating the detected luminescent light, such intensity changes which are due to the excitation light pulses can be distinguished from those which are due to the interfering light.
So kann etwa dass das detektierte Signal zu den Pulsabständen entsprechenden Zeiten bzw. Zeitfenstern ausgewertet werden. Periodische oder auch nicht-periodische Störsignale mit einem anderen Zufallsmuster als das gewählte, werden hierdurch eliminiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine aperiodische Störquelle für mehrere aufeinanderfolgende der zufällig gewählten Messzeitpunkte ein dem Anregungssignal gleichgerichtetes Störsignal bewirkt geht mit der Zahl der Messzeitpunkte schnell gegen Null.For example, the detected signal can be evaluated at the times or time windows corresponding to the pulse intervals. Periodic or non-periodic interfering signals with a different random pattern than the one selected are thereby eliminated. The probability that an aperiodic source of interference causes an interference signal rectified to the excitation signal for several consecutive of the randomly selected measurement times tends to approach zero with the number of measurement times.
Die Zeitabstände können hierbei echt zufällig gewählt sein, etwa durch einen Quantenzufallsgenerator. Dies ist jedoch zur Erreichung des hier gesetzten Ziels, der Elimination von Störlichteinflüssen, nicht unbedingt nötig, und quasi-zufällig gewählte Pulsabstände/Messzeitpunkte sind völlig ausreichend. Als quasi-zufällig werden Zahlen bezeichnet, welche zwar rechnerisch mitthilfe einer mehr oder minder komplexen Formel berechnet werden, also deterministisch bestimmt und somit eigentlich nicht zufällig sind, jedoch bestimmte Eigenschaften echter Zufallszahlen, wie etwa der Konsistenz mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung, aufweisen.The time intervals can be chosen genuinely randomly, for example by means of a quantum random generator. However, this is not absolutely necessary in order to achieve the goal set here, the elimination of interfering light influences, and pulse intervals / measurement times selected quasi-randomly are completely sufficient. Numbers are called quasi-random, which are calculated with the help of a more or less complex formula, i.e. determined deterministically and are therefore actually not random, but have certain properties of real random numbers, such as consistency with a certain probability distribution.
Durch das erfindungsgemäße Messverfahren wird auf überraschend einfache, aber effektive Weise der Einfluss von Störlicht auf die lumineszenzbasierte Konzentrationsmessung unterdrückt oder sogar vollständig eliminiert. Im Falle der Verwendung von quasi-zufällig gewählte Zeitabstände, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in bereits bestehenden Messvorrichtungen nachgerüstet werden, sofern sie eine programmierbare, beispielsweise mikrokontrollergesteuerte, Steuerung umfassen und ihre Anregungslichtquelle zur Aussendung von Einzelpulsen mit variabel veränderbaren Pulsabständen in der Lage ist. Hierzu ist ledigliche eine Softwareänderung nötig, welche die Ansteuerung der Anregungslichtquelle im Einzelpulsbetrieb zu von der Steuerung vorgegebenen Zeiten vorsieht, wobei die Ansteuerzeitpunkte gemäß einer mehr oder minder komplexen Quasizufallsformel gewählt werden.The measuring method according to the invention suppresses or even completely eliminates the influence of interfering light on the luminescence-based concentration measurement in a surprisingly simple but effective manner. In the case of the use of quasi-randomly selected time intervals, the method according to the invention can also be retrofitted in existing measuring devices, provided that they include a programmable, for example microcontroller-controlled, control and their excitation light source is capable of emitting individual pulses with variably changeable pulse intervals. All that is necessary for this is a software change that controls the activation of the excitation light source in single-pulse mode from the controller provides predetermined times, the control times being selected according to a more or less complex quasi-random formula.
Vorteilhafte Weiterbildung vorliegender Erfindung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sofern sie sich nicht gegenseitig offensichtlich ausschließen, sollen nachfolgend kurz vorgestellt werden.Advantageous further developments of the present invention, which can be implemented individually or in combination, provided that they are not obviously mutually exclusive, will be briefly presented below.
Um die Zuordnung eines detektierten Lumineszenzlichtpulses zu einem bestimmten Anregungslichtpuls zu erleichtern ist der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Einzelpulse bevorzugt größer gewählt, das die Antwortzeitverzögerung des empfangenen Lumineszenzlichtes.In order to facilitate the assignment of a detected luminescence light pulse to a specific excitation light pulse, the time interval between successive individual pulses is preferably selected to be greater, as is the response time delay of the received luminescence light.
Insbesondere wird der Einzelpulsabstand, also der Zeitabstand benachbarter Einzelpulse des Anregungslichts, zwischen einem minimalen Pulsabstand und einem maximalen Pulsabstand gewählt. Bevorzugt beträgt der minimale Pulsabstand zwischen 0,1 und 1 ms, besonders bevorzugt 0,5 ms, und der maximale Pulsabstand zwischen 1 u 10 ms, besonders bevorzugt 2 ms. Innerhalb des Intervalls zwischen minimalem und maximalem Pulsabstand werden die Pulsabstände bevorzugt gleichverteilt oder so gewählt, dass kürzere Zeitabstände bevorzugt auftreten.In particular, the individual pulse spacing, that is to say the time spacing between adjacent individual pulses of the excitation light, is selected between a minimum pulse spacing and a maximum pulse spacing. The minimum pulse interval is preferably between 0.1 and 1 ms, particularly preferably 0.5 ms, and the maximum pulse interval between 1 and 10 ms, particularly preferably 2 ms. Within the interval between the minimum and maximum pulse spacing, the pulse spacings are preferably evenly distributed or are selected such that shorter time intervals are preferred.
Die Pulsabstände können von einem, etwa in die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung integrierten, Zufallsgenerator gewählt werden, welcher entweder echte Zufallszahlen oder auch Quasi-Zufallszahlen generieren kann.The pulse intervals can be selected by a random generator, for example integrated into the control of the device according to the invention, which can generate either real random numbers or also quasi-random numbers.
Dieser Zufallsgenerator kann ein separates Hardwaremodul sein, welcher in die Steuerung integriert ist oder zumindest mit dieser in Datenverbindung steht. Alternativ ist dieser Zufallsgenerator ein Softwaremodul und Teil einer Steuerungssoftware der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.This random generator can be a separate hardware module which is integrated into the controller or at least has a data connection with it. Alternatively, this random number generator is a software module and part of control software for the measuring device according to the invention.
Die Bestimmung der Pulsabstände benachbarter Einzelpulse kann in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung der Formel
wobei i eine laufende Nummer des Einzelpulses, s ein einmalig oder auch periodisch neugewählter Startwert, und p und q (große) Primzahlen sind. Diese Formel liefert gleichverteilte quasizufällige Pulsabstände aus dem Interval zwischen 0 und q-1, sofern nur ganzzahlige Werte eingesetzt werden, bzw. dem Intervall [0, q) sofern für Ti und s auch rationale Werte zugelassen sind. Sofern gewünscht ist, dass die Pulsabstände Ti dzwischen eine minimalen Abstand Tmin und einem maximalen Abstand Tmax liegen, müsste der nach obiger Formel ermittelte Wert noch nach folgender Formel korrigiert werden:
where i is a running number of the single pulse, s is a one-time or periodically newly selected start value, and p and q are (large) prime numbers. This formula provides uniformly distributed, quasi-random pulse intervals from the interval between 0 and q-1, if only integer values are used, or the interval [0, q) if rational values are also permitted for Ti and s. If it is desired that the pulse intervals T i d lie between a minimum distance T min and a maximum distance Tmax, the value determined using the above formula would have to be corrected using the following formula:
Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Quasizufallszahlen eingeschränkt. Andere dem Fachmann bekannte oder in Zukunft erdachte Formeln lassen sich ebenso gut einsetzen.However, the invention is not restricted to a specific quasi-random number. Other formulas known to the person skilled in the art or devised in the future can be used just as well.
Die Pulsform, also die Form der Einhüllenden der Intensitätskurve der Einzelpulse ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig, solange eine klare zeitliche Auflösung im Detektor gewährleistet ist. Beispielsweise kann jeder Puls auch mehrere Intensitätsmaxima aufweisen, wobei die Antwortverzögerung zwischen korrespondierenden Maxima also z.B. zwischen dem ersten Maximum des Anregungspulses und dem ersten Maximum des Antwortpulses, gemessen wird. Bevorzugt werden jedoch Einzelpulse mit einem rechteckigen, sägezahnförmigen, lorenzförmigen oder gaussförmigen Intensitätsverlauf verwendet, da diese eine scharfe zeitliche Auflösung des Intentsitätsmaximums bzw. der ansteigenden Pulsflanke und so eine genauere Bestimmung der Anwortzeitverzögerung des Lumineszenzlichts erlauben.The pulse shape, that is to say the shape of the envelope of the intensity curve of the individual pulses, is basically arbitrary within the scope of the invention, as long as a clear temporal resolution is guaranteed in the detector. For example, each pulse can also have several intensity maxima, the response delay between corresponding maxima, e.g. between the first maximum of the excitation pulse and the first maximum of the response pulse, being measured. However, preference is given to using individual pulses with a rectangular, sawtooth-shaped, Lorenz-shaped or Gaussian-shaped intensity curve, since these allow a sharp temporal resolution of the intensity maximum or the rising pulse edge and thus a more precise determination of the response time delay of the luminescent light.
Für bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, kurze Anregungslichtpulse von einer Dauer zwischen 0,1 und 10 Mikrosekunden, insbesondere etwa 0,3 - 0,5, besonders bevorzugt 0,4 Mikrosekunden auszusenden. Als Anregungslichtquelle kann jede Lichtquelle eingesetzt werden, welche sich mit der gewünschten Wiederholrate ansteuern lässt und die Licht in einem Wellenlängenbereich aussendet, in welchem das fluoreszierende Material empfindlich ist. Bevorzugt wird jedoch als Anregungslichtquelle eine Laserdiode verwendet.For preferred embodiments of the method according to the invention, it is proposed to emit short excitation light pulses with a duration between 0.1 and 10 microseconds, in particular about 0.3-0.5, particularly preferably 0.4 microseconds. Any light source which can be controlled with the desired repetition rate and which emits light in a wavelength range in which the fluorescent material is sensitive can be used as the excitation light source. However, a laser diode is preferably used as the excitation light source.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale vorliegender Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterte Ausführungsbeispiele. Diese sollen die Erfindung lediglich illustrieren und in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit einschränken.Further details, advantages and features of the present invention emerge from the exemplary embodiments explained in more detail below with reference to the figures. These are only intended to illustrate the invention and in no way limit its generality.
Es zeigen:
-
1 : in zwei Teilfiguren eine schematische Darstellung eines mit periodischen Anregungspulsen arbeitenden Messverfahrens gemäß dem Stand der Technik. -
2 : in zwei Teilfiguren, eine schematische Darstellung des Erfindungsgemäßen Messverfahrens, welches zufällig oder quasi-zufällig verzögerter Einzelpulse verwendet.
-
1 : In two sub-figures, a schematic representation of a measurement method according to the prior art that works with periodic excitation pulses. -
2 : in two sub-figures, a schematic representation of the measuring method according to the invention, which uses randomly or quasi-randomly delayed individual pulses.
In
Eine Anregungslichtquelle
In Abwesenheit von Störlichtquellen ist die Lumineszenzantwort des Fluorophors der ebenfalls periodische und in seiner Form mit dem Anregungslichtpuls
Zusätzlich zum Anregungslicht
Diese Nachteile von lumineszenzbasierten Analytenkonzetrationsmessungen nach dem Stand der Technik wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft vermieden.These disadvantages of luminescence-based analyte concentration measurements according to the prior art are advantageously avoided by the method according to the invention and the device according to the invention.
Die Funktionsweise der Erfindung ist in den beiden Teilfiguren der
Durch diese, der Steuerung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist sichergestellt, dass die aus dem tatsächlichen, den Einfluss des Störlichts
Um die quasi-zufällige Pulsabstände festzulegen umfasst die Steuerung
Hierbei ist die Pulslänge der dargestellten Rechteckpulse und die Pulsabstände
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- AnregungslichtquelleExcitation light source
- 1010
- AnregungslichtExcitation light
- 22
- LichtdetektorLight detector
- 2020th
- Lumineszenzlicht unter StörlichteinflussLuminescent light under the influence of interfering light
- 20'20 '
- Lumineszenzlicht ohne StörlichteinflussLuminescent light without the influence of interfering light
- 33
- Steuerungsteering
- 3131
- ZufallsgeneratorRandom generator
- 44th
- FluorophorFluorophore
- 55
- natürliche Störlichtquellenatural source of interfering light
- 5050
- durch 5 ausgesendetes Störlichtby 5 stray light emitted
- 66th
- künstliche Störlichtquelleartificial interfering light source
- 6060
- durch 6 ausgesendetes Störlicht by 6 stray light emitted
- ΔΔ
- mit Störlicht ermittelte PhasenverschiebungPhase shift determined with stray light
- Δ'Δ '
- ohne Störlicht ermittelte Phasenverschiebungphase shift determined without interfering light
- ΔTΔT
- mit Störlicht ermittelte AntwortverzögerungResponse delay determined with interference light
- ΔT'ΔT '
- ohne Störlicht ermittelte AntwortverzögerungResponse delay determined without interfering light
- T1, T2, T3T1, T2, T3
- PulsabständePulse intervals
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- WO 2014/095506 A1 [0010]WO 2014/095506 A1 [0010]
- WO 2005/033746 A2 [0011]WO 2005/033746 A2 [0011]
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-
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-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R118 | Application deemed withdrawn due to claim for domestic priority |