DE10348958A1 - Process for determining the temperature of aqueous liquids in analytical vessels, comprises measuring the absorbance of the vessel containing the solution being investigated at wavelengths from a group of absorbances of water - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur von wässrigen Flüssigkeiten in Analysengefäßen, die vorzugsweise als Multiküvetten bzw. als Mikroplatten oder Mikrotiterplatten ausgebildet sind. Eine derartige Erfassung zur Temperaturkontrolle sowie für eine eventuelle Steuerung bzw. Regelung (Nachführung) der Temperatur sind in der Praxis für die Präzision und Reproduzierbarkeit analytischer Untersuchungen wichtig.The The invention relates to a method and a device for determination the temperature of aqueous liquids in analytical vessels, preferably as multi cuvettes or are designed as microplates or microtiter plates. A Such detection for temperature control and for any eventual Control or regulation (tracking) of Temperature are in practice for the precision and Reproducibility of analytical investigations important.
Nahezu alle chemischen und biologisch-chemischen Reaktionen sind temperaturabhängig. Diese Abhängigkeit wird bekanntermaßen durch die Geschwindigkeit der Molekularbewegung und die temperaturabhängige Änderungen der Molekül-Konformation und/oder des pH-Wertes und/oder der Diffusionszeit bestimmt.Nearly All chemical and biological-chemical reactions are temperature-dependent. This dependence becomes known by the speed of molecular motion and the temperature-dependent changes the molecular conformation and / or the pH and / or the diffusion time.
Werden chemische Vorgänge bzw. Reaktionen zur Analyse von Stoffen genutzt, so ist die Art und/oder die Geschwindigkeit der Produktbildung davon anhängig, welche Komponenten verwendet wurden und bei welcher Temperatur die Reaktion stattfindet.Become chemical processes or reactions used for the analysis of substances, the type and / or the speed of product formation depends on which component is used and at which temperature the reaction takes place.
In der Praxis liegen die zu untersuchenden Flüssigkeiten häufig in Reaktions- bzw. Probengefäßen vor. Zur Analyse werden entweder Teile der Flüssigkeits-Stoffgemische entnommen und in separaten Analysengefäßen einer offline-Analyse zugeführt, oder die Untersuchungen werden vorteilhafter Weise auch direkt in den Reaktions- bzw. Probengefäßen anhand geeigneter physikalischer Parameter online durchgeführt. Reaktionsgefäße können Container beliebiger Größe, Küvetten beliebiger Größe oder eine Pluralität von Containern bzw. Küvetten sein, die in einem spezifischen Raster angeordnet sind. In den letzten Jahren werden in zunehmendem Maße Multiküvetten in Form von Mikroplatten bzw. Mikrotiterplatten unterschiedlicher Kavitätsdichte und -konfiguration für zahlreiche analytische Aufgaben in der Biologie, in der Medizin und in der Umweltanalytik bis hin zum Ultra-high throughtput Screening (UHTS) und in der kombinatorischen Chemie eingesetzt.In In practice, the fluids to be examined are often in Reaction or sample vessels before. For analysis, either parts of the liquid mixtures are removed and in separate analysis vessels a fed offline analysis, or the investigations are advantageously also directly in the Reaction or sample vessels based appropriate physical parameters performed online. Reaction vessels can container any Size, cuvettes of any size Size or one plurality of containers or cuvettes be arranged in a specific grid. In the last Years are becoming increasingly Multiküvetten in the form of microplates or microtiter plates different Kavitätsdichte and configuration for Numerous analytical tasks in biology, in medicine and in environmental analysis to ultra-high throughput screening (UHTS) and used in combinatorial chemistry.
Physikalische Parameter, die off- oder online analysiert werden, sind beispielsweise optische Signale, wie die Absorbanz, Fluoreszenzintensität, Lumineszenz, zeitaufgelöste Fluoreszenz, Fluoreszenz-Polarisation, Lichtstreuung, aber auch Radioaktivität und Leitfähigkeit.physical For example, parameters that are analyzed off-line or online are optical signals, such as absorbance, fluorescence intensity, luminescence, time-resolved Fluorescence, fluorescence polarization, light scattering, as well radioactivity and conductivity.
Verschiedene
Fragestellungen, wie u. a. die kinetische Enzymanalyse, die kinetische
Untersuchung von Zellfunktionsparametern (z. B. Kournikakis, J.:
Bioluminesc. Chemiluminesc. 10, 1995, 63-67; Ciapetti, J.: Biomed.
Mater. Res. 41, 1998, 455-460; Krause: Platelets 12, 2001, 423-430),
die Target-Suche anhand temperaturabhängiger Parameter, wie das De-
und Renaturierungsverhalten von target-Liganden-Komplexen, Bindungsaffinitäten von Liganden,
Ko-Kristallisation etc. (z. B. WO 97/42500;
Für die Temperaturmessung und -regelung ergeben sich zahlreiche Probleme, insbesondere für Multiküvetten und Mikroplatten.For temperature measurement and control arise numerous problems, especially for multi cuvettes and Microplates.
Die Temperatur muss in einer variablen Vielzahl von flüssigen Proben zeitgleich gemessen werden. Erfahrungsgemäß ist die Temperatur trotz einheitlichen Energieeintrags nicht in allen Reaktionslösungen einer Pluralität von Reaktionsgefäßen, wie beispielsweise Mikroplatten, gleich. Dies resultiert aus unterschiedlichen Störeinflüssen aus der Umgebung der Mikroplatte, wie z. B. Verwehung, Verdunstung, Kühlung oder Heizung durch Störquellen in Messgeräten. Vorteilhaft wäre es, diese besagten Störeinflüsse eliminieren zu können oder durch unterschiedliche positionsabhängige Nachregelung zu kompensieren.The Temperature must be in a variable variety of liquid samples be measured at the same time. Experience has shown that the temperature is despite uniform energy input not in all reaction solutions one plurality of reaction vessels, such as Microplates, same. This results from different disturbing influences the environment of the microplate, such. B. drift, evaporation, cooling or heating by sources of interference in measuring instruments. Would be advantageous it, eliminating these said disturbing influences to be able to or to compensate by different position-dependent readjustment.
Prinzipiell kann die Temperatur mittels Thermoelementen, Thermistoren, Widerstandsmessgeräten, Infrarot-Strahlungsdetektoren, Bimetall-Geräten, Ausdehnungsmessgeräten und Zustandsänderungsmessgeräten erfasst werden. Zur Messung von Temperaturen im Bereich von 20 °C bis 95 °C in Flüssigkeiten mit Volumina von ≤ 250 μl sind praktisch jedoch nur Thermoelemente anwendbar.in principle temperature can be controlled by thermocouples, thermistors, ohmmeters, infrared radiation detectors, Bimetallic devices, extensometers and State change measuring devices detected become. For measuring temperatures in the range of 20 ° C to 95 ° C in liquids with volumes of ≤ 250 μl are convenient however, only thermocouples applicable.
Zur Temperaturmessung in einer multiplen Anzahl von Gefäßen (Kavitäten) scheiden jedoch auch Thermistoren oder andere Thermosonden aus, da die Messung mit zunehmender Kavitätsdichte technisch sehr aufwendig wird, praktisch nicht zeitgleich mit der optischen Messung erfolgen (www.inheco.com) und für die in den Kavitäten enthaltenen Flüssigkeiten nicht beeinflussungs- bzw. verschleppungsfrei durchgeführt werden kann. Praktisch stehen für den Ultramikroliterbereich (< 10 μl) geeignete Thermoelemente mit vernachlässigbarer eigener Wärmekapazität und Wärmeableitung nicht zu Verfügung. Außerdem wird die in den individuellen Kavitäten gemessene Temperatur von der Lokalisation der Sonde (Rand, Oberfläche) beeinflusst.to Temperature measurement in a multiple number of vessels (cavities) divide however, also thermistors or other thermo-probes, since the measurement technically with increasing cavity density very expensive, practically not at the same time as the optical Measurement (www.inheco.com) and for the fluids contained in the cavities can not be carried out without influencing or entrainment can. Convenient stand for the ultramicroliter range (<10 μl) suitable thermocouples with negligible own heat capacity and heat dissipation not available. Furthermore is the temperature measured in individual cavities of the localization of the probe (edge, surface).
Verfahren, welche die Bestimmung der Temperatur der Flüssigkeiten anhand von deren Infrarot-Strahlung nutzen, erfassen naturgemäß nur die Oberflächentemperatur, wobei die Messung von zahlreichen Parametern beeinflusst wird und die so ermittelte Oberflächentemperatur deshalb von der tatsächlichen mittleren Temperatur in der Flüssigkeit erheblich abweichen kann. Diese Verfahren sind im IR-Spektralbereich Bereich von ≥ 3000 nm (thermo-IR) zudem aufwendig und nicht in Routinemessgeräte integrierbar.Method, which determine the temperature of the liquids by means of their Use infrared radiation, naturally only detect the surface temperature, the measurement is influenced by numerous parameters and the thus determined surface temperature therefore from the actual mean temperature in the liquid considerably may differ. These methods are in the IR spectral range of ≥ 3000 nm (thermo-IR) also consuming and not integrable in routine measuring instruments.
Der
enorme technische Aufwand, der betrieben werden muss, um mit Thermo-IR-Messungen calorimetrische
Temperaturaussagen über
eine Pluralität
von Probenlösungen
in der Anordnung und im Volumenbereich von Mikroplatten mit hoher
Kavitätsdichte
verlässlich
machen zu können,
ist hinlänglich bekannt
(z. B.
In
Auf
Grund der mangelhaften Möglichkeit
zur korrekten simultanen Messung der Temperaturen in allen Einzelkavitäten, ist
die Charakterisierung des Temperaturverhaltens in allen Probenflüssigkeiten auch
für Gerätehersteller
unbefriedigend und kaum ausreichend dokumentiert. Meist werden lediglich
die Temperaturparameter des Heizkörpers bzw. der Heizplatte,
des die Reaktionsgefäße umgebenden Raumes
oder einzelner ausgewählter
Kavitäten
erfasst und angegeben (z. B.
Das tatsächliche Temperaturverhalten der Probenflüssigkeiten in den Einzelkavitäten ist jedoch auch bei homogenem Energieeintrag, wie bereits oben beschrieben, von zahlreichen Parametern in unterschiedlichem Ausmaß abhängig. Beispielhaft seien die aktuelle Umgebungstemperatur im Messgerät, Art und Volumen der Probenflüssigkeiten, Abstand und Kontaktfläche der jeweiligen Kavität zur Heizplatte, Material und Materialstärke der Mikroplatte, Geometrie und Lokalisation der Kavitäten auf der Mikroplatte genannt.The actual Temperature behavior of the sample liquids in the individual cavities However, even with homogeneous energy input, as already described above, depends on numerous parameters to varying degrees. Exemplary the current ambient temperature in the measuring instrument, type and volume of sample liquids, Distance and contact surface the respective cavity to the heating plate, material and material thickness of the microplate, geometry and localization of the cavities called on the microplate.
Es
sind zahlreiche Lösungen
bekannt, welche diese Störfaktoren
minimieren sollen, wie die Mikroplatten-Aufnahme im Messgerät, die thermische Isolation
der Mikroplatten selbst (z. B.
Die meisten modernen Mikroplatten-Reader erlauben heute die versatile optische Messung von nahezu allen kommerziell angebotenen Mikroplatten-Formaten (6-1536 Kavitäten). Es existiert jedoch bisher keine befriedigende Methode, die für Multiküvetten bzw. Mikroplatten jeder beliebigen Geometrie und jeden beliebigen Materials ein einheitliches Temperaturverhalten der Flüssigkeiten in den Einzelkavitäten innerhalb geforderter Grenzen, z. B. ± 0,1 K (IFCC, Internationale Gesellschaft für Klinische Chemie, Eur. J. Clin. Chem. Clin. Biochem. 31, 1992, 901), gestattet. Es wäre demzufolge in der analytischen Praxis vorteilhaft, wenn die Temperaturen der in den Kavitäten befindlichen Proben einzeln gemessen und gegebenenfalls individuell korrigiert werden könnten.The Most modern microplate readers today allow the versatile optical measurement of almost all commercially available microplate formats (6-1536 wells). However, there is still no satisfactory method that is suitable for multi-cuvettes or Microplates of any geometry and material a uniform temperature behavior of the liquids in the individual cavities within required limits, z. B. ± 0.1 K (IFCC, International Society for Clinical Chemistry, Eur. J. Clin. Chem. Clin. Biochem. 31, 1992, 901). It would be accordingly advantageous in analytical practice when the temperatures of the in the cavities samples individually and optionally individually could be corrected.
Es gibt zahlreiche Analyte, die in wässrigen Lösungen temperaturabhängig ihre optischen Eigenschaften ändern. Als Beispiele hierzu seien zu optischen Testzwecken häufig verwendete Analyte, wie NADH und Flavinnukleotide, genannt. Die Abhängigkeit der Absorbanzen von der Temperatur ist jedoch bei üblichen Analytkonzentrationen und bei üblichen Wellenlängen äußerst gering und daher nicht zur Temperaturmessung nutzbar (z. B. Malcolm: Meth. Enzymol. 66, 1980, 8-11; Müller: Meth. Enzymol. 66, 1980, 350- 360). Zudem kann sich die Analytkonzentration naturgemäß entsprechend der analytischen Aufgabe ändern, so dass die Signalhöhe der Temperaturabhängigkeit durch die Konzentrationsabhängigkeit verfälscht wird.It There are numerous analytes that are temperature-dependent in aqueous solutions change optical properties. As examples of these are often used for optical test purposes Analytes, such as NADH and flavin nucleotides, called. The dependence However, the absorbances of the temperature is at usual Analyte concentrations and at usual wavelengths extremely low and therefore not usable for temperature measurement (eg Malcolm: Meth. Enzymol. 66, 1980, 8-11; Miller: Meth. Enzymol. 66, 1980, 350-360). In addition, the analyte concentration may of course change according to the analytical task, so that the signal height the temperature dependence by the concentration dependence falsified becomes.
Eine
Methode, die für
PCR-Techniken entwickelt wurde, benutzt zur Rückkopplung der Heizung von
Proben auf speziell entwickelten mikrostrukturierte Träger im Bereich
von 60 °C
bis 95 °C
die Temperatur-Abhängigkeit
der Fluoreszenzintensität
eines in der Probe enthaltenen Primer-Nukleotides bzw. eines mit
diesem gekoppelten Fluoreszenzfarbstoffes (
Daneben
gibt es eine nahezu unüberschaubare
Zahl von pH-Indikatoren, die als Farb- und Fluoreszensstoffe pH-abhängig ihre
optischen Eigenschaften ändern
(z. B. Practical Handbook of Biochemistry and Molecular Biology;
Fasman, G. D., Ed., CRC Press, Boca Raton., 1990, 561-563). In Kombination
mit temperaturabhängigen Änderungen
des pH-Wertes können solche
Indikatoren prinzipiell zur Temperaturmessung verwendet werden.
Nachteil dieser Lösungen
(vgl. auch
Ein Analyt, der in praktisch allen biologischen Reaktionen und analytischen Tests naturgemäß als Lösungsmittel in höchster und praktisch konstanter Konzentration (≥ 50 Mol/L) vorkommt, ist Wasser. Wasser absorbiert im sichtbaren Spektralbereich nur geringfügig. Es besitzt im nahen und mittleren Infrarotbereich verschieden stark ausgeprägte und mit der Wellenlänge wachsende Absorbanzmaxima. Viele dieser Maxima werden für die verschiedensten analytischen Fragestellungen genutzt.One Analyte present in virtually all biological reactions and analytical Tests by nature as a solvent in highest and practically constant concentration (≥ 50 mol / L) is water. water absorbs only slightly in the visible spectral range. It has different strengths in the near and middle infrared range pronounced and with the wavelength growing absorbance maxima. Many of these maxima are for a variety of analytical Issues used.
Die Absorbanzmaxima ≥ 1600 nm werden bekanntermaßen zur Feuchtigkeitsbestimmung diverser kommerzieller Produkte herangezogen (z. B. Rader, J.: Assoc. Off. Anal. Chem. 50, 1967, 701-703; Stokvold, J.: Pharmaceutical Biomed. Anal. 28, 2002, 867-873). Typischerweise werden die Absorbanzen bei λ > 1000 nm zum Nachweis von Wasser und dessen Mengenbestimmungen in der Meteriologie und der interstellaren Forschung eingesetzt (beispielsweise www.eos.ubc.calresearch/moc2/workshop 2002).The Absorbance maxima ≥ 1600 nm become known used for moisture determination of various commercial products (e.g., Rader, J .: Assoc., Off., Anal. Chem., 50, 1967, 701-703; Stokvold, J .: Pharmaceutical Biomed. Anal. 28, 2002, 867-873). typically, the absorbances at λ> 1000 nm for detection of water and its quantification in the meteriology and interstellar research (eg www.eos.ubc.calresearch / moc2 / workshop 2002).
Wasser
besitzt bekanntermaßen
mehrere, kleinere Maxima im nahen Infrarotbereich (NIR). Es gibt
Absorbanzmaxima um 960 nm, 1150 nm, 1390 nm und 1900 nm. Die Abhängigkeit
der Absorbanz von der Temperatur und vom Aggregatzustand des Wassers
bei ausgewählten
Wellenlängen
bzw. Wellenzahlen im gesamten Bereich von 600 nm bis ≥ 1900 nm ist
hinlänglich
bekannt (
In den Spektralbereichen z. B. um 1020 nm, 1250 nm, und 1650 nm liegen Absorbanzminima, die aber ebenfalls eine schwache Temperaturabhängigkeit der Absorbanzen zeigen.In the spectral ranges z. B. around 1020 nm, 1250 nm, and 1650 nm Absorbance minima, but also a weak temperature dependence show the absorbances.
Die absoluten Absorbanzen bzw. Absorbanzkonstanten aller Maxima und Minima wachsen stark mit der Wellenlänge bis zu λ = 3 μm (Hale, G. H. et al.: Applied Optics 12, 1973, 555-563). Deshalb ist eine verlässliche Messung der NIR-Absorbanzen (0,5 – 2,0 OD) in jedem der temperaturabhängigen Spektral-Bereiche nur bei jeweils definierten durchstrahlten Wasserschichten, d. h. Schichtdickenbereich möglich.The absolute absorbances or absorbance constants of all maxima and Minima grow strongly with the wavelength up to λ = 3 μm (Hale, G.H. et al .: Applied Optics 12, 1973, 555-563). Therefore, a reliable measurement of NIR absorbances (0.5 - 2.0 OD) in each of the temperature-dependent spectral regions only with respectively defined irradiated water layers, d. H. Layer thickness range possible.
Die
Bestimmung der Schichtdicke ist jedoch nicht immer exakt möglich, wie
z. B. in Mikrotiterplatten, in denen vertikalphotometrisch analysiert
wird. In diesen hängt
sie u. a. von der Präzision
des Dosierers, von Mikroplattenintoleranzen und Meniskusbildungen
ab. Die Schichtdickenbestimmung kann jedoch mit Hilfe der Absorbanz
von Wasser erfolgen (
Zum Wasser-Nachweis und zur sicheren Schichtdickenbestimmung sind naheliegender Weise nur isosbestische Wellenlängenbereiche verwendbar. Eine Temperaturbestimmung durch Absorbanzmessung in einem der temperaturabhängigen Wellenlängenbereiche ist nur bei bekannter und konstanter Schichtdicke möglich, aber auf Grund der geringen Änderungen pro Grad unempfindlich.To the Water-proofing and reliable layer thickness determination are more obvious Only isosbestic wavelength ranges usable. Temperature determination by absorbance measurement in one of the temperature-dependent Wavelength ranges is only possible with known and constant layer thickness, but due to the small changes Insensible per degree.
Durch Bildung von Quotienten aus Absorbanzen in einem Wellenlängenbereich, in dem die Absorbanz temperaturabhängig wächst (A+), und aus Absorbanzen in einem Wellenlängenbereich, in dem die Absorbanz temperaturabhängig fällt (A–), wird das temperaturabhängige Signal jedoch deutlich verstärkt und unabhängig von der Schichtdicke. Insbesondere für Mikrotiterplatten ist häufig eine Korrektur des Blindwertes (A0), der durch die Absorbanz der Mikrotiterplatte selbst hervorgerufen wird, zur Präzisionsverbesserung des analytischen Signals, notwendig. Dazu wird die Absorbanz in einem Wellenlängenbereich gemessen, der die analytischen Wellenlängen nicht berührt. Durch Abzug des Blindwertes A0 von beispielsweise beiden temperaturabhängigen optischen Signalen (A+ und A–) erfolgt deren Korrektur.By forming quotients of absorbances in a wavelength range in which the absorbance increases in temperature (A + ), and absorbances in a wavelength range in which the absorbance temperature dependent (A - ), however, the temperature-dependent signal is significantly amplified and independent of the layer thickness. In particular for microtiter plates, a correction of the blank value (A 0 ), which is caused by the absorbance of the microtiter plate itself, is often necessary for the precision improvement of the analytical signal. For this purpose, the absorbance is measured in a wavelength range that does not affect the analytical wavelengths. By subtracting the blank value A 0 of, for example, two temperature-dependent optical signals (A + and A - ), the correction is performed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Temperatur wässriger Flüssigkeiten universell anwendbar und möglichst aufwandgering, jeweils schnell, exakt und empfindlich, insbesondere für eine thermische Kontrolle und/oder Korrektur, zu erfassen. Die Temperaturerfassung soll auch für eine Vielzahl von Probenflüssigkeiten, welche sich in den Kavitäten, beispielsweise von Multiküvetten und Mikroplatten befinden, mit vertretbarem Aufwand für jede Kavität unmittelbar vor bzw. während der analytischen Probenuntersuchung möglich sein. Dabei sollen weder die Flüssigkeiten bzw. Teile davon noch deren analytische Untersuchungen durch die Temperaturbestimmung beeinträchtigt oder behindert werden.Of the Invention is based on the object, the temperature of aqueous liquids universally applicable and as possible aufwandgering, each fast, accurate and sensitive, in particular for a thermal Control and / or correction. The temperature detection should also be for a variety of sample liquids, which are in the cavities, for example, multi-cuvettes and microplates are located, with reasonable effort for each cavity immediately before or during be possible for the analytical sample examination. Neither should the liquids or parts thereof or their analytical investigations by the Temperature determination impaired or disabled.
Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung der Temperatur von wässrigen Flüssigkeiten in Analysengefäßen die Absorbanzen von Analysengefäßen, welche die zu untersuchende Lösung enthalten, bei mindestens zwei Wellenlängen λ aus der Gruppe positiv temperaturabhängiger Absorbanzen (A+ λa) von Wasser, aus der Gruppe negativ temperaturabhängiger Absorbanzen (A– λb) von Wasser sowie aus der Gruppe temperaturunabhängiger Absorbanzen (A0 λc) gemessen, aus mindestens zwei dieser Absorbanzen eine Signalgröße (S) gebildet sowie aus der thermischen Abhängigkeit dieser Signalgröße (S) durch Vergleich mit Referenzwerten als Eichfunktion die Temperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit bestimmt. Die Referenzwerte werden vor der besagten Temperaturbestimmung jeweils unter gleichen physikalischen Bedingungen (Lichtquelle, Lichtdetektor, Gefäße, Umgebungsbedingungen etc.) für die zu untersuchende Lösung als Eichfunktion ermittelt.According to the invention for the determination of the temperature of aqueous liquids in Ana lysing vessels the absorbances of analysis vessels containing the solution to be examined, at least two wavelengths λ from the group of positive temperature-dependent absorbances (A + λa ) of water, from the group of negatively temperature-dependent absorbances (A - λb ) of water and from the group temperature independent Absorbances (A 0 λc ) measured, formed from at least two of these absorbances a signal size (S) and determined from the thermal dependence of this signal size (S) by comparison with reference values as a calibration function, the temperature of the liquid to be examined. The reference values are determined prior to the said temperature determination under the same physical conditions (light source, light detector, vessels, environmental conditions, etc.) for the solution to be examined as a calibration function.
Durch Bildung von Quotienten aus Absorbanzen in einem Wellenlängenbereich, in dem die Absorbanz temperaturabhängig wächst (A+ λa) und aus Absorbanzen in einem Wellenlängenbereich, in dem die Absorbanz temperaturabhängig fällt (A– λb) wird das temperaturabhängige Signal zum einen deutlich verstärkt und zum anderen unabhängig von der oft unbekannten oder unkorrekt bestimmten Schichtdicke. Dabei kann die Genauigkeit der Temperaturbestimmung noch erhöht werden, wenn von den besagten Absorbanzen der mindestens zwei monochromatischen Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge vor der Quotientenbildung die Absorbanzen von Nicht-Wasser-Anteilen des die Flüssigkeit enthaltenden Gefäßes, wie z. B. von die Gefäßwand bildenden Polymeren und/oder in der Flüssigkeit gelösten Analyten (A0 λc) subtrahiert werden (Differenzenquotient).By forming quotients of absorbances in a wavelength range in which the absorbance increases as a function of temperature (A + λa ) and absorbances in a wavelength range in which the absorbance is temperature-dependent (A - λb ), the temperature-dependent signal is significantly enhanced on the one hand and on the other hand regardless of the often unknown or incorrectly determined layer thickness. In this case, the accuracy of the temperature determination can be further increased if, of the said absorbances of the at least two monochromatic light beams of different wavelengths before the quotient formation, the absorbances of non-water portions of the vessel containing the liquid, such as. B. from the vessel wall forming polymers and / or dissolved in the liquid analyte (A 0 λc ) are subtracted (difference quotient).
Zur Durchführung des Verfahrens dient vorzugsweise eine photometrische Mess- und Auswerteeinrichtung, bestehend aus einer Strahlungsquelle zur Erzeugung der mindestens zwei monochromatischen Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge, optischen Elementen zur Leitung der Lichtstrahlen durch die Gefäße mit den zu untersuchenden Flüssigkeiten, zumindest einem optischen Empfänger zur Messung der Lichtintensitäten sowie einer vorzugsweise rechnergestützten Auswerteeinheit, insbesondere für die Ermittlung der Absorbanzen und Signalgrößen, für den Vergleich mit den Referenzwerten und für die Datenausgabe bzw. -anzeige.to execution of the method is preferably a photometric measurement and Evaluation device, consisting of a radiation source for generating the at least two monochromatic light beams different Wavelength, optical Elements for guiding the light rays through the vessels with the fluids to be examined, at least one optical receiver for measuring the light intensities and a preferably computer-aided evaluation, in particular for the Determination of absorbances and signal sizes, for comparison with the reference values and for the Data output or display.
Mit der Erfindung ist eine genaue Bestimmung der mittleren Temperatur von wässrigen Flüssigkeiten, beispielsweise Analysegut, auf optischem Wege möglich, welche auch in einer multiplen Anzahl (Mikroplatten, Multiküvetten etc.) selbst kleinvolumiger Kavitäten vorliegen können. Die Flüssigkeiten (Analysengut) brauchen zur Temperaturbestimmung nicht aus den Gefäßen entnommen zu werden und kommen auch mechanisch nicht mit Messmitteln in Berührung. Die Gefahr einer Verfälschung und Verschleppung der Flüssigkeiten in Gefäß-Kavitäten ist damit nicht gegeben.With The invention is an accurate determination of the average temperature of watery Liquids, For example, analyze, optically possible, which also in one multiple numbers (microplates, multi cuvettes, etc.) even smaller volume wells may be present. The liquids (analyzer) need not be removed from the vessels for temperature determination and are also mechanically not in contact with measuring equipment. The Danger of falsification and carryover of the liquids in vascular cavities is with it not given.
Das optische Verfahren gestattet nicht nur eine exakte, empfindliche und schnelle Temperaturbestimmung der Flüssigkeiten in einer Vielzahl von Kavitäten mit vertretbarem Aufwand, sondern ermöglicht auch die Temperaturbestimmung bzw. -kontrolle derselben unmittelbar vor oder während der analytischen Messung des Analysengutes.The optical methods not only allow an accurate, sensitive and rapid temperature determination of the liquids in a variety of cavities with reasonable effort, but also allows the temperature determination or control thereof immediately before or during the analytical measurement of the material to be analyzed.
Zu diesem Zweck kann die besagte photometrische Mess- und Auswerteeinrichtung vorteilhaft in an sich bekannte Photometer oder Mikroplattenreader mit dem Ziel einer gleichzeitigen bzw. simultanen Temperaturerfassung für eine Präzisionsanalytik integriert werden.To For this purpose, the said photometric measuring and evaluation device advantageous in known per se photometer or microplate reader with the aim of simultaneous or simultaneous temperature detection for one Integrated precision analysis become.
Ferner ist es möglich, die photometrische Mess- und Auswerteeinrichtung als Teil einer Regeleinrichtung zur Nachführung bzw. Konstanthaltung der Temperatur auszubilden.Further Is it possible, the photometric measurement and evaluation as part of a Control device for tracking or to keep the temperature constant.
Die Unteransprüche enthalten zweckdienliche Ausgestaltungen zum erfindungsgemäßen Verfahren sowie zur Vorrichtung für dessen Durchführung.The under claims contain expedient embodiments of the method according to the invention as well as the device for its implementation.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to the drawing embodiments be explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Differenzspektren: Differenz der Absorbanzwerte
bei einer gegebenen Temperatur von den Absorbanzwerten bei 20,6 °C
Difference spectra: Difference in absorbance values at a given temperature from the absorbance values at 20.6 ° C
mit der Temperatur zunehmende Absorbanzwerte
bei λa1:
962 nm, λa2:
1152 nm und λa3:
1385 nm;
mit der Temperatur abnehmende Absorbanzwerte bei λb4: 1025
nm, λb5:
1236 nm und λb6:
1600 nm;
isosbestische Absorbanzwerte bei λc7: 996 nm, λc8: 1099 nm und λc9: 1188
nm;
ar = 100·a/z, ar:
relativer Anstieg der Eichgeraden im Bereich von 20,5 °C bis 78 °C, z: Wert
der Absorbanz, des Absorbanzquotienten, des Summenquotienten, des
Produktquotienten bzw. des Differenzenquotienten bei 20,5°C;
R2: Korrelationskoeffizient für die angepaßte Eichfunktion;
Empfindlichkeit
der Temperaturmessung = E = mittlere Standardabweichung der Differenzen
der anhand der am gleichen Tag aufgezeichneten Eichfunktion ermittelten
Temperaturen und den gemessenen Temperaturen
with the temperature increasing absorbance values at λa1: 962 nm, λa2: 1152 nm and λa3: 1385 nm;
temperature decreasing absorbance values at λb4: 1025 nm, λb5: 1236 nm and λb6: 1600 nm;
isosbestic absorbance values at λc7: 996 nm, λc8: 1099 nm and λc9: 1188 nm;
a r = 100 · a / z, a r : relative increase of the calibration line in the range from 20.5 ° C to 78 ° C, z: value of the absorbance, the absorbance quotient, the cumulative quotient, the product quotient or the differences quotient at 20.5 ° C;
R 2 : correlation coefficient for the adjusted calibration function;
Sensitivity of temperature measurement = E = mean standard deviation of the differences in the temperatures and measured temperatures obtained from the calibration function recorded on the same day
Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1
Temperaturabhängigkeit der Absorbanz von reinem Wasser:temperature dependence the absorbance of pure water:
In
Die Wellenlängenbereiche von 950-990 nm, 1110-1170 nm und 1310-1410 nm zeigen, wie durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet, eine wachsende Absorbanz (A+ λa) mit Temperaturerhöhung, die Wellenlängenbereiche von 1000-1090 nm, 1190-1300 nm und 1430-1700 nm zeigen eine Absorbanzabnahme (A– λb) mit steigender Temperatur.The wavelength ranges of 950-990 nm, 1110-1170 nm and 1310-1410 nm show, as indicated by the arrows, a growing absorbance (A + λa ) with temperature increase, the wavelength ranges of 1000-1090 nm, 1190-1300 nm and 1430-1700 nm show an absorbance decrease (A - λb ) with increasing temperature.
Die Absorbanzen im Bereich von 996 ± 1 nm, 1099 ± 1 nm, 1188 ± 1 nm und 1304 ± 1 nm sind temperaturunabhängig (A0 λc) und stellen sogenannte isosbestische Punkte dar.The absorbances in the range of 996 ± 1 nm, 1099 ± 1 nm, 1188 ± 1 nm and 1304 ± 1 nm are temperature-independent (A 0 λc ) and represent so-called isosbestic points.
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Signalgrößen (S) als Absorbanzen, Absorbanzquotienten, Summenquotienten, Produktquotienten und Differenzenquotienten als Funktion von der Temperatur in Glasküvetten:Signal sizes (S) as absorbances, absorbance quotients, sum quotients, product quotients and difference quotients as a function of temperature in glass cuvettes:
Aus
den in
Es ist zu erkennen, dass gegenüber den einfachen Absorbanzwerten durch die Bildung von Quotienten und Summenquotienten eine Erhöhung des Temperaturabhängigkeit des Signals (ar, Spalte 3) um den Faktor 2 bis 6, und durch die Bildung von Produkt- und Differenzenquotienten um den Faktor 10 bis 30 zu erreichen ist. Die Empfindlichkeit (E) der Temperaturbestimmung, erkennbar an den kleineren Abweichungen der errechneten von den gemessenen Temperaturen (Spalten 4 und 6) wird je nach Anpassungsfunktion für Quotienten, Summen- und Differenzenquotienten gegenüber den aus den einfachen Absorbanzwerten ermittelten Eichfunktionen bis zu 0,1 K verbessert. Die Produktquotienten zeigen zwar einen höheren relativen Anstieg ar, jedoch keine gleichermaßen verbesserte Temperaturempfindlichkeit.It can be seen that, compared to the simple absorbance values by the formation of quotients and sum quotients, the temperature dependence of the signal (a r , column 3) increases by a factor of 2 to 6, and by the formation of product and difference quotients by a factor of 10 to reach 30. The sensitivity (E) of the temperature determination, recognizable by the smaller deviations of the calculated from the measured temperatures (columns 4 and 6) becomes depending on the adjustment function for quotients, sum and difference quotients against the calibration functions determined from the simple Absorbanzwerten up to 0.1 K improved. Although the product quotients show a higher relative increase a r , but no equally improved Temperaturemp sensitivity.
Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3
Änderung der Eichfunktionsparameter der Temperaturabhängigkeit der Absorbanz von Wasser in Anwesenheit von gelösten Stoffen:Change of calibration function parameters the temperature dependence the absorbance of water in the presence of dissolved substances:
Es wurden die Spektren von wässrigen Lösungen analog zu Anwendungsbeispiel 1 aufgezeichnet. Im Wasser waren definierte Mengen an verschiedenen Puffersubstanzen, Salzen, Lösungsmitteln, Saccharose, Glycerol und Triton X-100 gelöst.It the spectra of aqueous solutions recorded analogously to application example 1. In the water were defined Amounts of various buffer substances, salts, solvents, Sucrose, glycerol and Triton X-100 dissolved.
Aus den Spektren wurden die Absorbanzwerte A+ λa3 bei 1385 nm und /A– λb6 bei 1600 nm extrahiert sowie die Temperaturabhängigkeit der Absorbanzquotienten (A+ λa3/A– λb6) an eine linearer Funktion y = aT + b angepasst. Die Parameter der gewonnenen Eichfunktionen werden mit denen von reinem Wasser verglichen. Als Vergleich dienten die Mittelwerte der Parameter a und b für reines Wasser, welche in drei unabhängigen Messungen an drei unterschiedlichen Tagen ermittelt worden waren.The absorbance values A + λa3 at 1385 nm and / A - λb6 at 1600 nm were extracted from the spectra and the temperature dependence of the absorbance quotients (A + λa3 / A - λb6 ) was adjusted to a linear function y = aT + b. The parameters of the calibration functions obtained are compared with those of pure water. As a comparison, the mean values of the parameters a and b for pure water, which had been determined in three independent measurements on three different days, were used.
In
Die
in
Diese Veränderungen, die sich nicht allein aus der Abnahme der reinen Wasserkonzentration erklären lassen, sondern aus einer Änderung der Wasserstruktur resultieren können, legen nahe, dass für jede verwendete wässrige Lösung eine eigene Temperatur-Eichung erfolgen muss, da sich die Eichfunktionen von Wasser und wässrigen Lösungen in beiden Parametern, a und b, unterscheiden können, was zu erheblichen Abweichungen in der Temperaturrichtigkeit führen kann.These changes, which can not be explained solely by the decrease of the pure water concentration, but from a change the water structure can result suggest that for each used aqueous solution a separate temperature calibration must be made, as the calibration functions of water and water solutions in both parameters, a and b, can differ, causing significant deviations in the temperature correctness lead can.
Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4
Änderung der Eichfunktionsparameter der Temperaturabhängigkeit der Absorbanz von Wasser in Anwesenheit von gelösten Analyten:Change of calibration function parameters the temperature dependence the absorbance of water in the presence of dissolved analytes:
Die Experimente, wie in Anwendungsbeispiel 3 beschrieben, wurden mit in der biochemischen Analytik wichtigen Analyten, wie NADH (0.5 mM) und Fluorescein (40 μM) wiederholt. Beide Analyten zeigen keine eigenen NIR-Absorbanzbereiche. Es gibt jedoch bei beiden Analyten eine nicht durch die niedrige Konzentrationsänderung erklärbare Verminderung des Anstieges des Absorbanzquotienten um ca. 4.5 %, aber keine Änderung beim additiven Glied b.The Experiments as described in Application Example 3 were carried out with important analytes in biochemical analysis, such as NADH (0.5 mM) and fluorescein (40 μM) repeated. Both analytes do not show their own NIR absorbance ranges. It However, in both analytes, there is not one due to the low concentration change explainable Reduction of the increase in the absorbance quotient by approx. 4.5%, but no change in the additive member b.
Ausführungsbeispiel 5:Embodiment 5:
Präzision und Empfindlichkeit der Temperaturmessung mittels Absorbanz von Wasser in Mikroplatten (Schichtdicke d ≈ 3-4 mm):Precision and sensitivity the temperature measurement by means of absorbance of water in microplates (layer thickness d ≈ 3-4 mm):
In
einem einfachen Photometer-Prinzipaufbau entsprechend
In
In
- 11
- Heizkörperradiator
- 2, 62, 6
- EinzelwellSingle Well
- 33
- Oberheizungtop heater
- 4, 134, 13
- Rechnercomputer
- 55
- Flüssigkeitliquid
- 77
- Thermistorthermistor
- 88th
- optische Filteroptical filter
- 99
- Wolframlampetungsten lamp
- 1010
- Lichtleitkabeloptical cable
- 1111
- Photodetektor (Photodiode)photodetector (Photodiode)
- 1212
- Gehäusecasing
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