DE112021003029T5

DE112021003029T5 - Optisches absorptionsspektrometer

Info

Publication number: DE112021003029T5
Application number: DE112021003029.9T
Authority: DE
Inventors: Erik Jan Lous; Ian Kilburn; Daniel Pérez Calero; Remco Verdoold; Giuliano MANZI
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2023-03-16
Also published as: CN115667880A; US20230236115A1; WO2021239536A1

Abstract

Optisches Absorptionsspektrometer, umfassend ein Probengehäuse, das so konfiguriert ist, dass es eine Probe aufnimmt, eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie breitbandiges Licht in das Probengehäuse emittiert, einen oder mehrere Reflektoren, die so konfiguriert sind, dass sie das Licht so reflektieren, dass das Licht ein Probenaufnahmevolumen des Probengehäuses mehrfach durchläuft, und einen Sensor, der so angeordnet ist, dass er das Licht aus dem Probengehäuse nach den Reflexionen empfängt. Der Sensor umfasst eine Vielzahl von Detektoren, die so konfiguriert sind, dass sie die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Absorptionsspektrometrie.
Hintergrund
Die optische Absorptionsspektrometrie ist eine bewährte Analysetechnik. Sie wird unter anderem für die Analyse von Patientenproben wie Blut, Urin oder anderen Körperflüssigkeiten eingesetzt. Sie wird auch z. B. bei der Analyse der Wasserqualität in der Umwelt und in chemischen Labors eingesetzt. Die molekulare Absorption einer Probe wird über eine bekannte optische Weglänge durch eine Probe gemessen. Die molekulare Absorption wird durch die atomare Struktur und die Bindungen bestimmt, aus denen die Moleküle in der Probe bestehen, und verschiedene Moleküle haben Absorptionsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen. Ein optisches Absorptionsspektrometer kann verwendet werden, um Moleküle in einer Probe zu identifizieren, indem nach Wellenlängen gesucht wird, bei denen die Absorption ein Maximum aufweist (gemäß dem Beers'schen Gesetz).
In einem herkömmlichen optischen Absorptionsspektrometer wird eine Probe von mindestens 50 µl in der Regel aber weit über 100 µl in eine Küvette gegeben. Ein Lichtstrahl aus einer Weißlichtquelle wird durch einen Monochromator geleitet. In diesem Zusammenhang kann der Begriff „Weißlichtquelle“ so interpretiert werden, dass er eine Quelle meint, die Licht in allen gewünschten Wellenlängenbereichen aussendet (z. B. einige ultraviolette, alle sichtbaren und einige infrarote Wellenlängen). Der Monochromator wandelt das Licht in einen Strahl mit der gewünschten Wellenlänge um und stuft den Strahl durch einen Wellenlängenbereich (z. B. in Schritten von 1 nm). Der vom Monochromator ausgehende Lichtstrahl wird durch die Probe in der Küvette gelenkt. Der Lichtstrahl durchläuft eine Strecke von 10 mm von einer Seite der Küvette zur anderen (10 mm kann als Standard-Wegstrecke für den Lichtstrahl in der Absorptionsspektrometrie angesehen werden). Eine Photodiode (z. B. eine Avalanche-Photodiode oder eine Photomultiplier-Röhre) wird verwendet, um Licht zu detektieren, das die Probe in der Küvette durchlaufen hat. Dies liefert eine Aufzeichnung der Lichtabsorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Daraus können die Moleküle in der Probe identifiziert werden.
Ein Nachteil herkömmlicher optischer Absorptionsspektrometer ist, dass sie komplex und teuer sind. Außerdem kann es in manchen Fällen schwierig sein, eine Probe mit ausreichend großem Volumen zu erhalten, um sie in einem herkömmlichen optischen Absorptionsspektrometer zu verwenden.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Offenlegung, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu lösen oder zumindest eine nützliche Alternative zu bieten.
Zusammenfassung
Allgemein ausgedrückt, schlägt diese Offenbarung vor, die oben genannten Probleme zu überwinden, indem ein optisches Absorptionsspektrometer bereitgestellt wird, bei dem eine Breitbandlichtquelle einen Lichtstrahl in eine Probe in einem Probengehäuse aussendet, Reflektoren den Lichtstrahl mehrfach durch die Probe reflektieren und ein Sensor die Intensität des auf den Sensor auftreffenden Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfasst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Absorptionsspektrometer bereitgestellt, das ein Probengehäuse, das so konfiguriert ist, dass es eine Probe hält, eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie breitbandiges Licht in das Probengehäuse emittiert, einen oder mehrere Reflektoren, die so konfiguriert sind, dass sie das Licht so reflektieren, dass das Licht ein Probenaufnahmevolumen des Probengehäuses mehrfach durchläuft, und einen Sensor umfasst, der so angeordnet ist, dass er das Licht aus dem Probengehäuse nach den Reflexionen empfängt; wobei der Sensor eine Vielzahl von Detektoren umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfassen.
Das beschriebene optische Absorptionsspektrometer hat den Vorteil, dass durch die mehrfachen Durchläufe des Lichtstrahls durch die Probe eine kleinere Probe verwendet werden kann, als dies sonst der Fall wäre. Zum Beispiel kann eine Probe von 1-2 µl anstelle einer Probe von 50 µl verwendet werden. Dies ist wichtig, da so beispielsweise ein Nadelstich von Blut analysiert werden kann (andernfalls wäre eine Kanüle mit Blut erforderlich). Wenn eine Vorbereitung der Probe erforderlich ist, wie z. B. Filtration oder chemische Umwandlung, ist die Vorbereitung schneller und effizienter, wenn das Probenvolumen klein ist.
Ein weiterer Vorteil des offengelegten optischen Absorptionsspektrometers ist, dass es mit kostengünstigeren Komponenten gebaut werden kann und weniger komplex ist als ein herkömmliches optisches Absorptionsspektrometer. Dadurch kann das optische Absorptionsspektrometer auch außerhalb eines klinischen Labors eingesetzt werden. Dadurch kann wiederum die Notwendigkeit vermieden werden, eine Probe zur Analyse in ein Labor zu schicken. Stattdessen kann das beschriebene optische Absorptionsspektrometer beispielsweise von einem Arzt in einem Krankenhaus oder außerhalb eines klinischen Umfelds (z. B. von einem Benutzer zu Hause) verwendet werden.
Die Lichtquelle kann so konfiguriert sein, dass sie einen Lichtstrahl erzeugt. Die Reflektoren können so konfiguriert sein, dass sie den Lichtstrahl mehrfach durch das Probenaufnahmevolumen leiten.
Das Probenaufnahmevolumen kann langgestreckt sein. An gegenüberliegenden Seiten des Probengehäuses können Reflektoren angebracht sein.
Die Lichtquelle und die Reflektoren können so konfiguriert sein, dass der Lichtstrahl das Probenaufnahmevolumen mehrfach durchquert, während er sich entlang des Probenaufnahmevolumens ausbreitet.
Mindestens einer der Reflektoren kann konkav sein.
Die Reflektoren können zickzackförmig sein.
Die Lichtquelle kann so konfiguriert sein, dass der Lichtstrahl in einem nicht-senkrechten Winkel durch eine Wand des Probenaufnahmevolumens in das Probenaufnahmevolumen eintritt.
Die Lichtquelle kann eine Blende aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie divergierendes Licht von der Lichtquelle in den Lichtstrahl umwandelt.
Das optische Absorptionsspektrometer kann ferner eine Strahlsammeloptik umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie den Lichtstrahl, der das Probenaufnahmevolumen verlässt, empfängt und eine Querschnittsfläche des Lichtstrahls vergrößert, bevor der Lichtstrahl auf den Sensor auftrifft.
Die Strahlsammeloptik kann in das Probengehäuse integriert sein.
Die strahlensammelnde Optik kann ein Prisma mit einer gekrümmten reflektierenden Oberfläche und eine Linse umfassen.
Ein Bereich an einer Seite des Probengehäuses kann nicht-reflektierend sein, damit der Lichtstrahl in das Probenaufnahmevolumen eintreten kann. Ein Bereich auf einer Seite des Probengehäuses kann nicht-reflektierend sein, damit der Lichtstrahl das Probenaufnahmevolumen verlassen kann.
Das Probenaufnahmevolumen kann langgestreckt sein. An den gegenüberliegenden Enden des Probengehäuses können Reflektoren angebracht sein.
Einer der Reflektoren kann teilweise durchlässig sein, so dass beim Auftreffen des Lichtstrahls auf den Reflektor ein Teil des Lichtstrahls durch den Reflektor zum Sensor gelangt.
Mindestens einer der Reflektoren kann konkav sein.
Das Volumen des Probenbehälters kann weniger als 10 µl betragen.
Bei den Detektoren kann es sich um Photodioden handeln, die mit Filtern für verschiedene Wellenlängen versehen werden können. Bei den Detektoren kann es sich um Einzelphotonen-Avalanche-Photodioden (SPADs) handeln, über denen Filter für verschiedene Wellenlängen angeordnet werden können.
Das Probenaufnahmevolumen kann kugelförmig sein und eine reflektierende Oberfläche haben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Absorptionsspektrometrieverfahren bereitgestellt, das das Bereitstellen einer Probe in einem Probengehäuse, das Richten eines breitbandigen Lichtstrahls in das Probengehäuse, die Verwendung eines oder mehrerer Reflektoren zum Reflektieren des Lichtstrahls, so dass der Lichtstrahl die Probe mehrfach durchläuft, und das Erfassen der Intensität des Lichtstrahls bei mehreren verschiedenen Wellenlängen, nachdem der Lichtstrahl das Probengehäuse verlassen hat, umfasst.
Der Lichtstrahl kann moduliert sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Probengehäuse bereitgestellt, das ein Probenaufnahmevolumen, einen oder mehrere Reflektoren, die um mindestens einen Teil des Probenaufnahmevolumens angeordnet sind, und eine Probenaufnahmeöffnung umfasst.
Der eine oder die mehreren Reflektoren können an einer Wand oder Wänden des Probengehäuses angebracht sein.
Mindestens einer der Reflektoren kann einen nicht-reflektierenden Bereich aufweisen, der so gestaltet ist, dass ein Lichtstrahl in das Probengehäuse eintreten kann.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Absorptionsspektrometer bereitgestellt, das ein Probengehäuse mit einem langgestreckten Kanal, der eine Vielzahl von Biegungen aufweist, eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Licht in den langgestreckten Kanal emittiert, und einen Sensor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er das Licht aus dem langgestreckten Kanal empfängt.
Die Oberflächen des langgestreckten Kanals können reflektierend sein.
Wenigstens einige der Biegungen des langgestreckten Kanals können die Richtung des Kanals um im Wesentlichen 180 Grad drehen.
Der längliche Kanal kann drei oder mehr Biegungen aufweisen.
Der längliche Kanal kann mit einer ersten und einer zweiten Öffnung versehen sein.
Die erste Öffnung kann sich an einem Ende des länglichen Kanals befinden. Die zweite Öffnung kann sich an einem gegenüberliegenden Ende des länglichen Kanals befinden.
Die Lichtquelle und der Sensor können mit dem Probengehäuse verklebt sein.
Der langgestreckte Kanal kann zumindest teilweise als Aussparung in einem Block ausgebildet sein.
Das Probengehäuse kann ferner einen Deckel umfassen, der auf den Block aufgesetzt wird, um die Aussparung zu bedecken.
Die Lichtquelle kann so konfiguriert sein, dass sie breitbandiges Licht aussendet.
Der Sensor kann eine Vielzahl von Detektoren umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfassen.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Probengehäuse bereitgestellt, das einen langgestreckten Kanal, der eine Vielzahl von Biegungen aufweist, eine erste Öffnung neben einem Ende des langgestreckten Kanals und eine zweite Öffnung neben einem gegenüberliegenden Ende des langgestreckten Kanals umfasst.
Die Seiten des langgestreckten Kanals können reflektierend sein.
Wenigstens einige der Biegungen des länglichen Kanals können die Richtung des Kanals um im Wesentlichen 180 Grad drehen.
Merkmale verschiedener Aspekte der Erfindung können miteinander kombiniert werden.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden jetzt nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1A ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
1 B ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer modifizierten Implementierung der Ausführungsform von 1A;
2A ist eine schematische Draufsicht auf einen Sensor, der Teil des optischen Absorptionsspektrometers sein kann;
2B ist ein Diagramm, das die Reaktion des Sensors von 2 auf Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zeigt;
3A ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer alternativen Ausführungsform der Offenbarung;
3B ist eine schematische Querschnittsansicht der Strahlsammeloptik des optischen Absorptionsspektrometers aus 3A;
3C ist eine schematische Querschnittsansicht der Strahlzuführungsoptik des optischen Absorptionsspektrometers aus 3A;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Offenbarung;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Offenbarung;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Offenbarung;
7 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines optischen Absorptionsspektrometers gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Offenbarung;
8 zeigt eine perspektivische Ansicht des optischen Absorptionsspektrometers aus 7; und
9 zeigt den Weg von Lichtstrahlen durch das optische Absorptionsspektrometer gemäß 7 und 8, wie er mit Hilfe einer Modellierungssoftware ermittelt wurde.

Detaillierte Beschreibung
Wie oben beschrieben, bietet die vorliegende Offenbarung ein optisches Absorptionsspektrometer, bei dem Reflektoren einen Lichtstrahl mehrfach durch die Probe reflektieren. Dies hat den Vorteil, dass die Lichtmenge, die von der Probe absorbiert wird, erhöht wird.
1A zeigt schematisch im Querschnitt ein optisches Absorptionsspektrometer 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Absorptionsspektrometer 100 umfasst eine Lichtquelle 102, eine Koppeloptik 106, ein Probengehäuse 116, einen ersten gebogenen Spiegel 114 und einen zweiten gebogenen Spiegel 120. In einigen Ausführungsformen kann der erste Spiegel 114 flach und nicht gekrümmt sein (der zweite Spiegel 120 sollte dennoch gekrümmt sein). Der erste gekrümmte Spiegel 114 ist teilweise durchlässig (z. B. mit einem Reflexionsgrad von 95 %).
Bei der Lichtquelle 102 kann es sich beispielsweise um eine Breitband-LED handeln (die z. B. Licht in einem Bereich von etwa 450 nm bis etwa 850 nm aussendet). Es können auch andere Lichtquellen verwendet werden, die zum Beispiel Licht in einem Wellenlängenbereich von mindestens 300 nm (oder mindestens 400 nm) emittieren können.
Die Koppeloptik 106 umfasst eine in einer Wand 105 befindliche Blende 104 und einen Spiegel 110. Die Blende 104 ist von der Lichtquelle 102 beabstandet, was bewirkt, dass das von der Lichtquelle 102 ausgesandte Licht von stark divergierendem Licht in einen relativ kollimierten Lichtstrahl 108 umgewandelt wird. Nach dem Durchgang durch die Blende 104 wird der Lichtstrahl 108 von dem Spiegel 110 reflektiert, der Teil der Koppeloptik 106 ist. Der Spiegel 110, der als erster Strahlführungsspiegel bezeichnet werden kann, ist so angeordnet, dass er den Lichtstrahl 108 in Richtung des ersten gekrümmten Spiegels 114 reflektiert. Der erste Strahlführungsspiegel 110 kann beispielsweise in einem Winkel von 45° relativ zu dem durch die Blende 104 empfangenen Lichtstrahl 108 angeordnet sein.
Nach der Reflexion durch den ersten Strahlführungsspiegel 110 fällt der Lichtstrahl 108 auf den ersten gekrümmten Spiegel 114. Auf dem ersten gekrümmten Spiegel 114 ist ein nichtreflektierender Bereich 109 vorgesehen, durch den der Lichtstrahl 108 in das Probengehäuse 116 gelangt. Die Position der Blende 104 wird zusammen mit dem Winkel des ersten Strahlführungsspiegels 110 so gewählt, dass der Lichtstrahl 108 durch den nichtreflektierenden Bereich 109 hindurchgeht. Die Position der Blende und der Winkel des Strahlführungsspiegels werden auch so gewählt, dass sich der Lichtstrahl in einer gewünschten Richtung durch das Probengehäuse 116 ausbreitet. Die Richtung kann so gewählt werden, dass der Lichtstrahl 108 durch die Mitte des Probengehäuses 116 verläuft (z. B. nach einer oder mehreren Reflexionen an den Spiegeln 114, 120).
Im Gebrauch wird eine Probe 118 im Probengehäuse 116 gehalten. Der Lichtstrahl 108 wandert durch das Probengehäuse 116 und die Probe 118 zu einem gegenüberliegenden Ende des Probengehäuses, wo er auf den zweiten gebogenen Spiegel 120 trifft. Der zweite gebogene Spiegel 120 ist voll reflektierend (z. B. mit einem Reflexionsgrad von 100 %). Der Lichtstrahl 108 wird von dem zweiten gekrümmten Spiegel 120 reflektiert und wandert durch das Probengehäuse 116 (und die Probe 118) zurück zum ersten gekrümmten Spiegel 114.
Da der erste gekrümmte Spiegel 114 ein Reflexionsvermögen von 95 % hat, gehen 5 % des Lichtstrahls 108 durch den ersten gekrümmten Spiegel, während die restlichen 95 % reflektiert werden. Die 5 % des Lichtstrahls 108, die durch den ersten gekrümmten Spiegel 114 hindurchgehen, treten in die Koppeloptik 106 ein und werden von einem Spiegel 122 der Koppeloptik 106 reflektiert. Dieser Spiegel 122 kann als zweiter Strahlführungsspiegel der Koppeloptik bezeichnet werden. Der Lichtstrahl wird von dem Spiegel 122 zu einem Sensor 124 reflektiert. Der Sensor 124 wird weiter unten ausführlicher beschrieben. Der zweite Strahlführungsspiegel 114 kann beispielsweise in einem Winkel von 45° zum Lichtstrahl 108 angeordnet sein, der durch den ersten gekrümmten Spiegel 114 empfangen wird.
Die Koppeloptik 106 kann beispielsweise aus einem Block 107 aus Kunststoff, Glas, Quarz oder einem anderen Material bestehen, das für das von der Lichtquelle 102 ausgestrahlte Licht durchlässig ist. Die ersten und zweiten Strahlführungsspiegel 110, 114 können durch eine reflektierende Schicht auf den ebenen Oberflächen des Blocks 107 gebildet werden. Die Wand 105, in der die Blende 104 vorgesehen ist, kann sich von dem Block 107 aus erstrecken und kann einstückig mit dem Block ausgebildet sein. Der erste gekrümmte Spiegel 114 kann mit einer flachen Rückseite versehen sein, die in eine entsprechende flache Oberfläche des Blocks 107 eingreift (andere alternative Verbindungen zwischen dem ersten gekrümmten Spiegel 114 und dem Block 107 können vorgesehen werden).
Die 95 % des Lichtstrahls 108, die vom ersten gekrümmten Spiegel 114 reflektiert werden, durchlaufen erneut die Probe 118, werden vom zweiten gekrümmten Spiegel 120 reflektiert und durchlaufen erneut die Probe, um erneut auf den ersten gekrümmten Spiegel 114 zu treffen. Wiederum gehen 5 % des Lichtstrahls durch den ersten gekrümmten Spiegel 114 und treffen auf den Sensor 124. Wieder werden 95 % des Lichtstrahls reflektiert. Dies geschieht mehrere Male. Nach etwa 20 Durchgängen ist im Durchschnitt das gesamte Licht, das in das Probengehäuse 116 eingedrungen ist, zum Sensor 124 übertragen worden. Die Anzahl der Durchläufe kann unterschiedlich sein (z. B. mehr als etwa 20), doch ändert dies nichts an der Funktionsweise der Ausführungsform.
Da der Lichtstrahl 108 das Probengehäuse 116 und die Probe 118 mehrfach durchquert hat, bedeutet dies, dass die Länge des Probengehäuses im Vergleich zu einem herkömmlichen Probengehäuse eines konventionellen Absorptionsspektrometers (durch das der Lichtstrahl 108 nur einmal verläuft) erheblich reduziert werden kann. In einem herkömmlichen Probengehäuse (Küvette) beträgt die Standardlänge, die ein Lichtstrahl bei der Absorptionsspektroskopie von einem Ende zum anderen Ende zurücklegt, 10 mm. Eine äquivalente Weglänge durch die Probe 118 in der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann aufgrund der Anzahl der Durchgänge des Lichtstrahls durch die Probe mit einem viel kürzeren Probengehäuse 116 erreicht werden. So kann das Probengehäuse zum Beispiel eine Länge von 0,5 mm haben. Dadurch kann das Volumen einer Probe, das für die Durchführung der Absorptionsspektroskopie benötigt wird, erheblich reduziert werden. Dies ist vorteilhaft, da eine Messung mit der gleichen Empfindlichkeit mit einer viel kleineren Probe durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann eine Probe verwendet werden, die mit einem Nadelstich (auch als Fingerstichprobe bezeichnet) gewonnen wurde. Dies ist für den Benutzer vorteilhafter als die Entnahme einer größeren Probe, z. B. durch Blutentnahme mit einer Kanüle. Der Benutzer kann die Nadelstichentnahme selbst durchführen.
Das Reflexionsvermögen des ersten gekrümmten Spiegels 114 bestimmt die Anzahl der Durchläufe des Lichtstrahls 108 durch die Probe 118. Wenn eine geringere Anzahl von Durchgängen durch die Probe erwünscht ist, wird das Reflexionsvermögen verringert, und wenn eine höhere Anzahl von Durchgängen durch die Probe erwünscht ist, wird das Reflexionsvermögen erhöht.
Die Intensität des auf den Sensor 124 auftreffenden Lichts hängt von der Intensität des von der Quelle 102 emittierten Lichts und von der Absorption der Probe 118 ab. Wie weiter unten erläutert wird, kann bei verschiedenen Wellenlängen eine unterschiedliche Lichtintensität festgestellt werden (da die Probe 118 bei verschiedenen Wellenlängen eine unterschiedliche Absorption aufweist).
Die Krümmungen des ersten und des zweiten gekrümmten Spiegels 114, 120 sind so gewählt, dass der Lichtstrahl 108 im Wesentlichen den gleichen Weg durch die Probe 118 mehrfach durchläuft. Die Krümmungen können so gewählt werden, dass der Lichtstrahl 108 zwischen einem Zentrum des ersten gekrümmten Spiegels 114 und einem Zentrum des zweiten gekrümmten Spiegels 120 verläuft. Dies kann mit der Mitte des Probengehäuses 116 übereinstimmen. Obwohl der Lichtstrahl 108 vom Zentrum des ersten Spiegels 114 entfernt in das Probengehäuse 116 eintritt, leitet die Krümmung der Spiegel 114, 120 den Lichtstrahl zu den Zentren der Spiegel.
In der dargestellten Ausführungsform hat das Probengehäuse gekrümmte Enden. Die ersten und zweiten gekrümmten Spiegel 114, 120 können durch die Bereitstellung von reflektierendem Material an den gekrümmten Enden gebildet werden. Der erste Spiegel 114 kann aus einer mehrschichtigen Struktur bestehen, die so konfiguriert ist, dass der gewünschte prozentuale Reflexionsgrad erreicht wird. Das Reflexionsvermögen kann über einen gewünschten Wellenlängenbereich, z. B. von ultraviolett über sichtbar bis infrarot, bereitgestellt werden. Die Koppeloptik 106 kann an dem ersten gekrümmten Spiegel 114 z. B. mit Klebstoff befestigt werden.
Die Lichtquelle 102 und der Sensor 124 können auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat oder auf verschiedenen Halbleitersubstraten untergebracht sein. Die Lichtquelle 102 und der Sensor 124 können an der Koppeloptik 106 befestigt werden, z. B. mit Klebstoff. Ein mechanischer Eingriffsmechanismus kann verwendet werden, um die Ausrichtung zu gewährleisten, beispielsweise eine Kombination aus Vorsprüngen und Vertiefungen, die die Vorsprünge aufnehmen.
Im Probengehäuse 116 ist eine Probenaufnahmeöffnung 126 vorgesehen. Das Volumen des Probengehäuses 116 kann z. B. 5 µl oder weniger betragen und kann z. B. weniger als 10 µl betragen. Das Volumen des Probengehäuses 116 kann z. B. 0,1 µl oder mehr und z. B. 1 µl oder mehr betragen. Eine Probe, die als Tropfen an der Öffnung 126 bereitgestellt wird, wird durch Kapillarwirkung in das Probengehäuse gezogen. Die Öffnung 126 kann einen Durchmesser haben, der dem Durchmesser einer Spritzennadel entspricht, z. B. bis zu 2 mm, bis zu 1 mm oder weniger als 1 mm.
Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsform, wie z. B. Volumen und Größe, können auch für andere Ausführungsformen gelten.
1 B ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Absorptionsspektrometers 100a gemäß einer modifizierten Ausführung der Ausführungsform von 1A. In der folgenden Beschreibung werden Merkmale der geänderten Ausführung, die dieselben sind wie in 1A, nicht noch einmal beschrieben (es werden nur die Unterschiede beschrieben). Der erste Reflektor 114a ist eben, statt konkav zu sein. Der zweite Reflektor 120a ist konkav. Die Kombination aus einem ebenen Reflektor 114 und einem konkaven Reflektor 120a ist ausreichend, um die Ausbreitung des Lichtstrahls 108 durch das Probengehäuse 116 mehrfach zu steuern, wie schematisch dargestellt. Der zweite Reflektor 120a hat eine ebene Rückseite anstelle einer gekrümmten Rückseite (dies kann einfacher herzustellen sein).
Zwischen dem ersten Reflektor 114a und dem Block 107 (allgemeiner: zwischen dem ersten Reflektor und der Koppeloptik 106) befindet sich eine Barriere 130, die auch als Platte bezeichnet werden kann. Die Barriere hat eine erste Öffnung 131 und eine zweite Öffnung 132. Die erste Öffnung 131 ist mit dem nichtreflektierenden Bereich 109a des ersten Reflektors 114a ausgerichtet und ermöglicht dem Lichtstrahl 108 den Eintritt in das Probengehäuse 116. Die zweite Öffnung 132 ist auf eine zentrale Achse (nicht abgebildet) ausgerichtet, die durch die Mitte des zweiten Reflektors 120a verläuft. Die zweite Öffnung 132 empfängt den Teil des Lichtstrahls 108, der durch den ersten Reflektor 114a hindurchgeht, und ermöglicht es diesem Teil des Lichtstrahls, in den Block 107 einzudringen. Die zweite Öffnung 132 kann größer sein als die erste Öffnung 131, da eine gewisse Divergenz des Lichtstrahls 108 auftreten kann, wenn sich der Lichtstrahl im Probengehäuse 116 hin und her bewegt. Die Barriere verhindert vorteilhafterweise, dass unerwünschtes Licht in das Probengehäuse 116 eindringt und dass unerwünschtes Licht aus dem Probengehäuse zum Sensor 124 gelangt.
Der Sensor 124 ist in 2a schematisch dargestellt. In dieser Ausführung besteht der Sensor aus einem 4x4-Array von Photodioden. Diese sind in Zeilen und Spalten mit 201 a-d, 202a-d, 203a-d, 204a-d bezeichnet. Jede Photodiode des 4x4-Arrays ist mit einem Spektralfilter versehen, der nur Licht einer bestimmten Wellenlänge (oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) auf diese Photodiode durchlässt. Die verschiedenen Spektralfilter sind in 2a durch unterschiedliche Schattierungsmuster gekennzeichnet. Wie aus den Schattierungsmustern ersichtlich ist, wird in diesem Beispiel derselbe Spektralfilter für Paare von Fotodioden verwendet. Die Paare sind 201a und 204d, 201b und 204c, 201c und 204b, 201 d und 204a, 202a und 203d, 202b und 203c, 202c und 203b, 202d und 203a. Folglich gibt es acht verschiedene Wellenlängen, die von dem 4x4-Array erfasst werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie eine gewisse Mittelung des für jede erfasste Wellenlänge erhaltenen Signals ermöglicht und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis bietet.
Eine größere Photodiode 210 befindet sich an einem Ende des 4x4-Arrays des Sensors 124. Diese größere Photodiode ist so konfiguriert, dass sie Licht im nahen Infrarotbereich erkennt. Zwei Photodioden 212a,d sind ohne Spektralfilter vorgesehen. Diese können verwendet werden, um Licht aller Wellenlängen zu erfassen, die auf den Sensor 124 einfallen. Das von den Photodioden 212a,d ohne Spektralfilter erfasste Licht kann beispielsweise zur Korrektur von Schwankungen der von der Lichtquelle 102 abgegebenen Lichtintensität verwendet werden. Ein Diagramm, das die spektrale Empfindlichkeit des Sensors 124 darstellt, ist in 2b abgebildet. Das Diagramm zeigt die spektrale Empfindlichkeit der Photodiodenpaare relativ zum empfindlichsten Photodiodenpaar (dem Paar, das bei 670 nm detektiert) als Funktion der Wellenlänge.
Der Sensor kann z. B. ein AS7341-Sensor sein, der von AMS in Premstätten, Österreich, erhältlich ist.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Lichtquelle zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor angeordnet sein. In diesem Fall kann sich die Lichtquelle außerhalb des Probengehäuses 116 befinden, und einer der Reflektoren kann von dem Probengehäuse beabstandet sein. Diese Ausführung ist möglicherweise weniger bevorzugt, da sie komplizierter herzustellen ist.
Ein optisches Absorptionsspektrometer 300 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist in 3A dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Lichtstrahl nicht mehrfach von einem Ende zum anderen eines Probengehäuses geführt, sondern von einer Seite zur anderen des Probengehäuses, während er von einem Ende des Probengehäuses zum anderen verläuft. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass Sättigungseffekte, die in der Probe auftreten könnten, vermieden oder reduziert werden, da der Lichtstrahl nicht mehrmals durch denselben Teil der Probe läuft. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bereitstellung von voll reflektierenden Spiegeln billiger sein kann als die Bereitstellung eines voll reflektierenden und eines zu 95 % reflektierenden Spiegels (die Bereitstellung eines zu 95 % reflektierenden Spiegels kann relativ kostspielig sein, da es schwierig sein kann, den richtigen Prozentsatz an Reflektivität zu gewährleisten - es kann zum Beispiel eine mehrschichtige Struktur erforderlich sein).
In 3A ist das optische Absorptionsspektrometer 300 schematisch im Querschnitt dargestellt. Eine Lichtquelle 302 ist so konfiguriert, dass sie breitbandige Strahlung emittiert. Die Lichtquelle kann z. B. eine Breitband-LED sein (z. B. wie weiter oben beschrieben). Die Koppeloptik 306 ist so konfiguriert, dass sie Licht von der Lichtquelle 302 in ein Probengehäuse 316 des Spektrometers 300 koppelt. Die Koppeloptik 306 wird weiter unten beschrieben. Das Probengehäuse 316 hat im Allgemeinen eine längliche Form (d. h. es ist länger, als es breit ist). Auf einer Seite des Probengehäuses 316 befindet sich ein Spiegel 330, auf der gegenüberliegenden Seite des Probengehäuses ein Spiegel 332. Die Spiegel 330, 332 können durch Aufbringen reflektierender Schichten auf die Seiten des Probengehäuses 316 gebildet werden. In dieser Ausführungsform weist eine Seite 331 des Probengehäuses 316 einen flachen Spiegel 330 und die andere Seite 333 des Probengehäuses einen konkaven Spiegel 332 auf (vom Inneren des Probengehäuses aus gesehen).
In einem Probenaufnahmevolumen 317 des Probengehäuses 316 befindet sich eine Probe 318. Das Probengehäuse 316 umfasst eine Probenaufnahmeöffnung (nicht abgebildet), über die eine Probe in das Probengehäuse 316 eingeführt werden kann. Die Probenöffnung kann in einer nicht verspiegelten Seite des Gehäuses 316 vorgesehen sein.
Die Koppeloptik 306 formt aus dem von der Lichtquelle 302 emittierten Licht einen Lichtstrahl 308. Dieser Lichtstrahl 308 tritt in das Probengehäuse 316 durch einen nicht reflektierenden Bereich 350 auf der flachen Seite 331 des Probengehäuses 316 ein.
Wie schematisch dargestellt, wandert der Lichtstrahl 308 quer durch das Probengehäuse 316 (und durch die Probe 318) zur konkaven Seite 333. Der Lichtstrahl 308 wird dann vom Spiegel 332 zurück zur flachen Seite 331 reflektiert, jedoch in einem solchen Winkel, dass er sich auf seinem Weg durch das Probengehäuse 316 nur teilweise ausbreitet. Da sich der Lichtstrahl 308 in einem Winkel ausbreitet, wird er von dem Spiegel 330 an der flachen Seite 331 in einem entsprechenden Winkel reflektiert und breitet sich zurück zu dem Hohlspiegel 332 aus. Auf diese Weise breitet sich der Lichtstrahl 308 entlang des Probengehäuses 316 aus. Der Reflexionswinkel vergrößert sich bei jeder Reflexion des Lichtstrahls 308 am konkaven Spiegel 332 aufgrund der Form des konkaven Spiegels, bis der Lichtstrahl die Mitte des konkaven Spiegels erreicht. Danach verringert sich der Reflexionswinkel bis zur endgültigen Reflexion des Lichtstrahls am konkaven Spiegel 332.
Nach der abschließenden Reflexion am konkaven Spiegel 332 wandert der Lichtstrahl 308 zur flachen Seite 331 des Probengehäuses 316. Der Lichtstrahl 308 kann im Wesentlichen senkrecht zur flachen Seite 331 des Probengehäuses 316 verlaufen. Der Lichtstrahl 308 tritt durch einen nichtreflektierenden Austrittsbereich 352 auf der flachen Seite 331 des Probengehäuses 316 und in die Strahlsammeloptik 334 ein. Die Strahlsammeloptik 334 wird weiter unten beschrieben. Der Lichtstrahl 308 wird von der Strahlsammeloptik 334 auf einen Sensor 324 ausgegeben. Der Sensor 324 kann so konfiguriert sein, dass er die Intensität des Lichtstrahls 308 bei interessierenden Wellenlängen erfasst. In einem Beispiel kann der Sensor 324 wie in 2 dargestellt sein.
In dieser Ausführungsform durchläuft der Lichtstrahl 308 das Probengehäuse 316 (und die Probe 318) vierzehn Mal (in anderen Ausführungsformen kann eine andere Anzahl von Durchläufen stattfinden). Aufgrund der Mehrfachreflexionen des Lichtstrahls 308 durch das Probengehäuse 316 kann eine kleinere Probe als eine herkömmliche Probe verwendet werden, ohne dass die Empfindlichkeit der durchgeführten Absorptionsspektroskopiemessung entsprechend abnimmt. So kann beispielsweise eine Weglänge für den Lichtstrahl 308 vorgesehen werden, die gleich oder größer ist als eine Weglänge von 10 mm, die in einem herkömmlichen optischen Absorptionsspektrometer vorgesehen werden kann. Das Probengehäuse 316 kann ein kleineres Volumen haben als eine Küvette, wie sie in einem herkömmlichen Absorptionsspektrometer verwendet wird. Beispielsweise kann das Probengehäuse 316 ein Volumen von weniger als 10 µl haben, ein Volumen von 5 µl oder weniger oder ein Volumen von 1-2 µl. Diese Volumina können auch für andere Ausführungsformen gelten.
Die Strahlsammeloptik 334 ist in 3B schematisch dargestellt, zusammen mit dem Sensor 324 und einer Ecke des Probengehäuses 316. Die Strahlsammeloptik 334 umfasst ein Prisma 336 mit einer konvexen Reflexionsfläche 338 (aus Sicht des Lichtstrahls 308). Neben dem Prisma 336 ist eine Linse 340 vorgesehen. Die Linse hat eine konkave Oberfläche, die dem Prisma 336 zugewandt ist, und eine ebene Oberfläche, die vom Prisma abgewandt ist. Der Sensor 324 befindet sich in der Nähe der Linse 340. Die Linse 340 kann als Projektor bezeichnet werden, da sie so konfiguriert ist, dass sie divergierende Strahlen in parallele Strahlen umwandelt.
Die Strahlsammeloptik 334 kann integral mit dem Probengehäuse 316 ausgebildet sein. Sie können alle z. B. aus Kunststoff, der bei der gewünschten Wellenlänge (z. B. für sichtbares Licht) transparent ist, aus Glas oder aus einem anderen geeigneten transparenten Material bestehen.
Ein Teil des Spiegels 330 auf der flachen Seite 331 des Probengehäuses 316 ist abgebildet. Der Spiegel 330, der als reflektierende Fläche bezeichnet werden kann (wie auch andere Spiegel), erstreckt sich bis zur Linse 340. Der Spiegel 330 erstreckt sich über die Stelle, an der der Sensor 324 vorgesehen ist. Dadurch wird verhindert, dass Licht direkt aus dem Probengehäuse 316 auf den Detektor 324 austritt.
Der Lichtstrahl 308 ist in 3B als Strahlen dargestellt, um die Funktionsweise der Strahlensammeloptik 334 und der Linse 340 zu verdeutlichen. Wie die Strahlen schematisch zeigen, ist der Lichtstrahl relativ schmal, wenn er sich entlang des Probengehäuses 316 ausbreitet. Wäre der Sensor 324 an dem Punkt vorgesehen, an dem der Lichtstrahl 308 aus dem Probengehäuse 316 austritt, wäre der Lichtstrahl möglicherweise nicht breit genug, um den Sensor 324 richtig zu beleuchten. Die Strahlensammeloptik 308 behebt dieses Problem. Die konvexe Reflexionsfläche 338 bewirkt eine Aufweitung des Lichtstrahls 308. Die Linse 340 sammelt und kollimiert den divergierenden Lichtstrahl. Auf diese Weise entsteht ein Lichtstrahl 308a, dessen Fläche groß genug ist, um den Sensor 324 vollständig zu beleuchten (auch wenn die Lichtintensität verringert sein kann).
In anderen Ausführungsformen kann der Spektralsensor ohne die Strahlsammeloptik und die Linse verwendet werden.
Die Strahlsammeloptik 334 ist einfach aufgebaut und kann leicht geformt werden. Die Strahlsammeloptik 334 muss nicht von hoher Qualität sein, verglichen mit der Qualität, die für ein Bild auf dem Sensor 324 erforderlich wäre. Stattdessen reicht es aus, den Lichtstrahl 308 mit einer gewünschten Fläche auf den Sensor 324 zu richten.
In 3C ist die Strahlkopplungsoptik 306 schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Strahlkopplungsoptik umfasst einen Lichtleiter 360, der so konfiguriert ist, dass er Licht an einem Eintrittsende 362 sammelt und kollimiertes Licht von einem Austrittsende 364 aussendet. Wie dargestellt, kann der Lichtleiter 360 am Eintrittsende konkav sein und einen sich verjüngenden Abschnitt 366 aufweisen. Die Lichtquelle 302 (siehe 3A) kann eine LED sein, die eine Linse enthält, die das von der LED ausgestrahlte Licht sammelt und lenkt. Diese Anordnung kann dazu beitragen, dass mehr Licht durch den Lichtleiter 360 gesammelt wird, als dies sonst der Fall wäre.
Die Länge des Probengehäuses 316 kann z. B. mehr als das Doppelte der Breite des Probengehäuses betragen. Die Länge des Probengehäuses 316 kann z. B. das Dreifache der Breite des Probengehäuses oder mehr betragen. In einer Ausführungsform kann das Probengehäuse eine Länge von etwa 4 mm haben. In einer Ausführungsform kann das Probengehäuse in mindestens einer Richtung eine Breite von etwa 1,3 mm haben.
4 zeigt schematisch im Querschnitt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst ein Absorptionsspektrometer 400 ein Probengehäuse 416 mit zwei einander zugewandten Seiten, die mit verspiegelten Zickzacklinien 430, 432 (die auch als Prismen bezeichnet werden können) versehen sind. Ein Probenaufnahmevolumen 417 des Probengehäuses 416 ist langgestreckt. Die verspiegelten Zickzacklinien 430, 432 leiten einen Lichtstrahl 408 von einer Lichtquelle 402 entlang des Probengehäuses 416 zu einem Sensor 424. Die Lichtquelle 402, der Sensor 424 und andere Merkmale dieser Ausführungsform können wie oben in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben sein.
Das Probengehäuse kann mit dickeren Wänden 419 versehen sein, um die verspiegelten Zickzacklinien 420, 432 aufzunehmen. Die Oberflächen des Probengehäuses 416, die das Probenaufnahmevolumen 417 umgeben, sind eben (um unerwünschte Ablenkungen des Lichtstrahls 408 zu vermeiden). Die Lichtquelle 402 und der Sensor 424 sind in die Wände 419 des Probengehäuses eingelassen. Die Lichtquelle 402 kann mit einer Strahlkopplungsoptik einschließlich einer Blende (z. B. wie weiter oben beschrieben) versehen sein. Alternativ kann auch nur eine Apertur vorgesehen werden (um einen einigermaßen kollimierten Lichtstrahl 408 zu erzeugen). Ebenso kann der Sensor 424 mit einer strahlensammelnden Optik versehen sein (z. B. wie weiter oben beschrieben). Alternativ dazu kann der Sensor 424 so angeordnet sein, dass der Lichtstrahl 408 direkt auf den Sensor trifft.
Die Ausführungsform in 4 kann auf die gleiche Weise funktionieren wie die in 3 dargestellte Ausführungsform. Die oben im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Vorteile können auch für diese Ausführung gelten. So kann beispielsweise die Strahlkopplungsoptik und/oder die Strahlsammeloptik einstückig mit dem Probengehäuse 416 ausgebildet sein. Andere Vorteile werden hier nicht wiederholt.
5 zeigt schematisch im Querschnitt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst ein Absorptionsspektrometer 500 ein Probengehäuse 516 mit zwei einander zugewandten verspiegelten flachen Seiten 530, 532. Ein Probenaufnahmevolumen 517 des Probengehäuses 516 ist länglich (und kann die oben für andere Ausführungsformen beschriebenen Abmessungen aufweisen). Eine Lichtquelle 502 ist so konfiguriert, dass sie einen Lichtstrahl 508 erzeugt, der in einem nicht-senkrechten Winkel relativ zu den verspiegelten flachen Seiten 530, 532 des Probengehäuses über das Probengehäuse 516 gerichtet ist. Infolgedessen breitet sich der Lichtstrahl 508 entlang des Probengehäuses 516 zu einem gegenüberliegenden Ende aus, wo der Lichtstrahl auf einen Sensor 524 trifft. Die Lichtquelle 502, der Sensor 524 und andere Merkmale dieser Ausführungsform können wie weiter oben in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben sein.
Die Lichtquelle 502 kann mit einer Strahlkopplungsoptik einschließlich einer Blende (z. B. wie weiter oben beschrieben) ausgestattet sein. Alternativ kann auch nur eine Apertur vorgesehen werden (um einen einigermaßen kollimierten Lichtstrahl 508 zu erzeugen). Ebenso kann der Sensor 524 mit einer Strahlensammeloptik versehen sein (z. B. wie weiter oben beschrieben). Alternativ kann der Sensor 524 so angeordnet sein, dass der Lichtstrahl 508 direkt auf den Sensor auftrifft.
Die Ausführungsform von 5 kann auf die gleiche Weise funktionieren wie die Ausführungsformen gemäß 3 und 4. Die oben im Zusammenhang mit 3 und 4 beschriebenen Vorteile können auch für diese Ausführungsform gelten. So kann beispielsweise die Strahlkopplungsoptik und/oder die Strahlsammeloptik integral mit dem Probengehäuse 516 ausgebildet sein. Andere Vorteile werden hier nicht wiederholt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 6 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Probengehäuse 616 kugelförmig. Die kugelförmige Oberfläche des Probengehäuses 616 ist reflektierend. Eine Probenaufnahmeöffnung (nicht dargestellt) ist vorgesehen, damit eine Probe 618 in ein Probenaufnahmevolumen 617 des Probengehäuses 616 eingeführt werden kann.
Eine Lichtquelle 602 ist so konfiguriert, dass sie Licht 608 durch einen nichtreflektierenden Eingangsbereich 650 in das Probengehäuse 616 leitet. Obwohl das Licht 608 als ein Strahl dargestellt ist, kann das Licht divergieren und sich im Probenaufnahmevolumen 617 ausbreiten. Ein Sensor 624 ist so konfiguriert, dass er Licht über einen nicht reflektierenden Austrittsbereich 652 empfängt.
In dieser Ausführungsform wird das Licht 608 nicht entlang des Probenaufnahmevolumens 617 geführt. Stattdessen wird das Licht 608 innerhalb des Probenaufnahmevolumens 617 gefangen, bis es auf den Austrittsbereich 652 trifft. Das Licht kann sich entlang einer bekannten durchschnittlichen Weglänge durch die Probe 618 bewegen, bevor es auf den Sensor 624 auftrifft.
Das Volumen des Probenaufnahmevolumens kann dasselbe sein wie die oben für andere Ausführungsformen beschriebenen Volumina.
In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 602 wie oben im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen beschrieben sein (z. B. eine Breitband-LED). In einer Ausführungsform kann der Sensor 624 wie oben im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen beschrieben sein (z. B. eine Anordnung von Photodioden mit unterschiedlichen Wellenlängenfiltern).
In einer anderen Ausführungsform kann die Lichtquelle 602 auf eine bestimmte Wellenlänge festgelegt werden, und der Sensor 624 kann Photonen bei jeder beliebigen Wellenlänge erfassen. Diese Ausführungsform kann z. B. zum Nachweis eines bestimmten bekannten Moleküls verwendet werden, das bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Der Sensor 624 kann zum Beispiel eine Einzelphotonen-Avalanche-Photodiode sein.
In einer anderen Ausführungsform kann die Lichtquelle 602 auf die gewünschten Wellenlängen abstimmbar sein (z. B. eine abstimmbare LED oder ein Festkörperlaser), und der Sensor 624 kann Photonen bei jeder Wellenlänge erfassen. Der Sensor 624 kann zum Beispiel eine Einzelphotonen-Avalanche-Photodiode sein.
7 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines optischen Absorptionsspektrometers 700, das ein zweiteiliges Probengehäuse 716 umfasst. Ein erster Teil des Probengehäuses 716 ist eine Basis 740, in der eine längliche Aussparung 742 ausgebildet ist. Die längliche Aussparung 742 enthält eine Vielzahl von Biegungen (in diesem Beispiel sieben Biegungen). Der zweite Teil ist ein Deckel 744, der so gestaltet ist, dass er an der Basis 740 befestigt werden kann. Der Deckel 744 kann beispielsweise durch ein Laminierungsverfahren, durch Ultraschallschweißen oder durch Kleben an der Basis befestigt werden. Die längliche Aussparung 742 und der Deckel 744 bilden zusammen einen länglichen Kanal 750 (siehe 8) im Probengehäuse 716.
Eine Lichtquelle 702 (schematisch dargestellt) ist neben einem Ende des länglichen Kanals 750 vorgesehen, der durch die längliche Aussparung 742 und den Deckel 744 gebildet wird. Die Lichtquelle 702 ist so konfiguriert, dass sie Licht in den länglichen Kanal 750 emittiert. Ein Sensor 724 (schematisch dargestellt) ist an einem gegenüberliegenden Ende des länglichen Kanals 750 vorgesehen. Der Sensor 724 ist so konfiguriert, dass er Licht aus dem länglichen Kanal 750 empfängt. Die Lichtquelle 702 und der Sensor 724 sind unterhalb der Basis 740 angeordnet. Ein erster Spiegel 746 wird verwendet, um das von der Lichtquelle 702 ausgestrahlte Licht durch ein erstes Fenster 747 und in den länglichen Kanal 750 zu reflektieren. Ein zweiter Spiegel 748 dient dazu, Licht zu empfangen, das aus einem zweiten Fenster 749 an einem gegenüberliegenden Ende des länglichen Kanals 750 austritt, und das Licht auf den Sensor 724 zu richten. Die Spiegel können durch die Bereitstellung von reflektierendem Material auf geeignet ausgerichteten Oberflächen des Probengehäuses 716 (z. B. Oberflächen der Basis 740) gebildet werden. In anderen Ausführungsformen können die Spiegel weggelassen werden. Die Lichtquelle und/oder der Sensor können auf ein Ende des länglichen Kanals 750 ausgerichtet sein.
Optional können Optiken (z. B. eine oder mehrere Linsen) verwendet werden, um das Licht von der Lichtquelle 702 zu modifizieren, bevor es in den länglichen Kanal 750 eintritt. Beispielsweise können eine oder mehrere Linsen verwendet werden, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle 702 zu bündeln. Optional können Optiken verwendet werden, um das Licht zu modifizieren, bevor es auf den Sensor 724 auftrifft. Beispielsweise können eine oder mehrere Linsen verwendet werden, um den Durchmesser des Lichtstrahls zu verändern, wenn er auf den Sensor auftrifft, um sicherzustellen, dass das Licht über einen Erfassungsbereich des Sensors einfällt.
Die Basis 740 und der Deckel 744 können zum Beispiel aus Glas bestehen. Das Glas kann undurchsichtig sein, um den Eintritt von Umgebungslicht in den länglichen Kanal 750 zu minimieren. Die Oberflächen des langgestreckten Kanals 750 können mit reflektierendem Material versehen sein (wie unten erläutert), das den Eintritt von Umgebungslicht in den langgestreckten Kanal minimiert. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Oberseite der Basis 740 und die Unterseite des Deckels 744 mit einer reflektierenden Oberfläche versehen werden, so dass die reflektierenden Oberflächen einander zugewandt sind, wenn die Basis und der Deckel zusammengebracht werden. In einem anderen Ansatz kann reflektierendes Material auf einer Außenfläche des Probengehäuses 716 angebracht werden. Wenn reflektierendes Material verwendet wird, kann das Glas der Basis 740 und des Deckels 744 transparent sein, ohne dass nennenswertes Umgebungslicht in den länglichen Kanal 750 eindringt.
Bei der Lichtquelle 702 und dem Sensor 724 kann es sich um Siliziumbauteile handeln.
In der länglichen Aussparung 742 kann eine reflektierende Oberfläche vorgesehen sein. Eine reflektierende Oberfläche kann auf dem Deckel vorgesehen sein (z. B. Teile des Deckels 744, die mit der länglichen Ausnehmung 742 zusammenwirken, um den länglichen Kanal 750 zu bilden). Die reflektierenden Flächen können beispielsweise durch ein reflektierendes Material (z. B. eine geeignete reflektierende Schicht) an der länglichen Ausnehmung 742 und dem Deckel 744 gebildet werden. Es ist vorteilhaft, die Oberflächen des länglichen Kanals 750 reflektierend auszubilden, weil dadurch das Ausmaß, in dem die Intensität des Lichtstrahls bei seiner Ausbreitung entlang des länglichen Kanals abnimmt, reduziert wird. Es ist wünschenswert, die Intensität des Lichtstrahls beizubehalten, da dies ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis durch den Sensor 724 ermöglichen kann (verglichen mit dem Fall, dass der Lichtstrahl stärker abgeschwächt wäre). Aber auch ohne reflektierende Oberflächen im länglichen Kanal 750 kann der Lichtstrahl dennoch entlang des länglichen Kanals zum Sensor 724 geleitet werden (wenn auch mit einer stärkeren Abschwächung als bei Vorhandensein der reflektierenden Oberflächen).
Die abgebildete längliche Aussparung 742 hat sieben Biegungen. Die längliche Aussparung kann jedoch auch eine andere Anzahl von Biegungen aufweisen. Zum Beispiel kann die längliche Aussparung drei oder mehr Biegungen aufweisen. Die längliche Aussparung 742 kann aus mehreren geraden Abschnitten bestehen, die durch Biegungen verbunden sind. Die geraden Abschnitte können zum Beispiel parallel zueinander verlaufen. Wenn dies der Fall ist, können die Biegungen die Richtung des Kanals im Wesentlichen um 180 Grad drehen.
Die längliche Aussparung kann auch eine andere Form haben. Im Allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, dass die längliche Aussparung mindestens drei Biegungen aufweist und vorzugsweise eine Vielzahl von Abschnitten umfasst, die nebeneinander verlaufen (anstatt beispielsweise eine einzige gerade längliche Aussparung zu sein). Dies hat den Vorteil, dass die maximale Abmessung des Probengehäuses 716 kleiner sein kann, als es sonst der Fall wäre.
Die längliche Aussparung 742 kann flache Seitenwände und eine flache Bodenfläche haben (wie abgebildet). Der Deckel 744 kann eine flache Oberseite für den langgestreckten Kanal 750 bilden. Die sich daraus ergebende allgemein rechteckige Form kann es dem Licht erleichtern, sich entlang des länglichen Kanals 750 auszubreiten und dabei allgemein parallel zu den Oberflächen des länglichen Kanals zu bleiben. Darüber hinaus kann es einfacher sein, die längliche Aussparung 742 mit flachen Seitenwänden und einer flachen Bodenfläche auszubilden, als sie mit anderen Formen zu gestalten. Der längliche Kanal 750 kann jedoch jede andere geeignete Querschnittsform haben.
Der längliche Kanal 750 kann z. B. eine Breite von 0,3 mm haben. Der längliche Kanal 750 kann z. B. eine Höhe von 0,2 mm haben. Die Länge jedes Teils des langgestreckten Kanals 750 zwischen den Biegungen kann etwa 3,6 mm betragen. In dem dargestellten Beispiel hat der längliche Kanal acht Längsabschnitte. Somit hat der längliche Kanal ein Volumen von etwa 1,7 mm³ (8 x 3,6 mm x 0,2 mm x 0,3 mm). Dies entspricht einem Volumen von etwa 1,7 µl.
Die Höhe des länglichen Kanals 750 kann z. B. weniger als 1 mm, z. B. weniger als 0,5 mm betragen. Die Breite des länglichen Kanals 750 kann z. B. weniger als 1 mm, z. B. weniger als 0,5 mm betragen. Die Länge des länglichen Kanals zwischen den Biegungen kann z. B. weniger als 10 mm, z. B. weniger als 5 mm betragen. Die Gesamtlänge des länglichen Kanals kann z. B. weniger als 1 cm, z. B. weniger als 50 mm betragen.
Das Volumen des länglichen Kanals 750 kann z. B. weniger als 10 µl betragen. Das Volumen des länglichen Kanals 750 kann z. B. weniger als 5 µl betragen. Das Volumen des länglichen Kanals 750 kann zum Beispiel zwischen 1 und 2 µl liegen.
Die Lichtquelle 702 und/oder der Sensor 724 können mit dem Gehäuse 716 (z. B. mit der Basis 740) verbunden werden. Eine Möglichkeit, wie Halbleiterbauteile wie die Lichtquelle und der Sensor (die aus Silizium bestehen können) mit einem Glassubstrat verbunden werden können, wird in Kailin Yang, Hailong Yao, Tsung-Yi Ho, Kunze Xin, Yici Cai, „AARF: Any-Angle Routing for Flow-Based Microfluidic Biochips“, IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems - Januar 2018, beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Der Deckel 744 ist mit einer ersten Öffnung 726 und einer zweiten Öffnung 728 versehen. Die erste Öffnung 726 befindet sich neben einem Ende des länglichen Kanals 750 (in diesem Fall das Ende, an dem die Lichtquelle 702 vorgesehen ist). Die erste Öffnung 726 kann dazu verwendet werden, eine Probe in den länglichen Kanal 750 einzuführen. Die Position der ersten Öffnung 726 entspricht nicht genau dem Anfang des langgestreckten Kanals. Wenn die erste Öffnung 726 in der Nähe eines Endes des langgestreckten Kanals 750 vorgesehen ist, kann es einfacher sein, die Probe in den langgestreckten Kanal einzuführen (als wenn die Öffnung beispielsweise in der Mitte des langgestreckten Kanals wäre).
Die zweite Öffnung 728 befindet sich an einem gegenüberliegenden Ende des länglichen Kanals 750 (in diesem Fall an dem Ende, an dem sich der Sensor 724 befindet). Obwohl diese Öffnung 728 am Ende des länglichen Kanals 750 angeordnet ist, ist es nicht notwendig, dass die Öffnung am Ende des länglichen Kanals 750 vorgesehen ist. Bei der zweiten Öffnung 728 handelt es sich um eine Entlüftungsöffnung, durch die Luft aus dem länglichen Kanal 750 entweichen kann, während die Probe in den länglichen Kanal eingeführt wird. Dies ist aufgrund der länglichen Form des Kanals wünschenswert (wäre keine Entlüftungsöffnung vorgesehen, könnte eingeschlossene Luft verhindern, dass die Probe ordnungsgemäß in den Kanal gelangt).
In der dargestellten Ausführungsform ist die längliche Aussparung 742 in der Basis 740 und keine Aussparung im Deckel 744 vorgesehen. In anderen Ausführungsformen kann jedoch eine längliche Aussparung sowohl im Deckel als auch im Boden (oder nur im Deckel) ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform kann das Probengehäuse 716 mittels additiver Fertigung hergestellt werden. In diesem Fall sind ein Boden und ein Deckel nicht erforderlich. Stattdessen kann der langgestreckte Kanal 750 in einer einzigen Struktur bereitgestellt werden. In diesem Fall kann die reflektierende Beschichtung des länglichen Kanals beispielsweise durch Eintauchen des Probengehäuses 716 in einen flüssigen Reflektor und anschließendes Herausnehmen hergestellt werden. Der überschüssige Flüssigreflektor läuft aus dem Probengehäuse ab und hinterlässt auf den Oberflächen des langgestreckten Kanals 750 eine Schicht aus Flüssigreflektor, die trocknet und einen Reflektor auf den Oberflächen des langgestreckten Kanals bildet. Alternativ kann für die Ausbreitung des Lichts auch die interne Totalreflexion innerhalb des länglichen Kanals 750 ausreichen (d. h. keine reflektierende Oberfläche auf dem länglichen Kanal). Ist dies der Fall, kann die Außenseite des Probengehäuses 716 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden.
8 ist eine perspektivische Ansicht des optischen Absorptionsspektrometers 700, das teilweise transparent gemacht wurde, so dass der durch die Aussparung 742 und den Deckel 744 gebildete längliche Kanal 750 zu sehen ist. Der Lichtein- und -austritt in das Probengehäuse 716 des optischen Absorptionsspektrometers 700 ist schematisch durch Pfeile dargestellt.
In 9 sind die Ergebnisse eines Modells des optischen Absorptionsspektrometers 700 dargestellt, das mit einer optischen Modellierungssoftware erstellt wurde. Es zeigt, wie Licht, dargestellt als eine Vielzahl von Strahlen, in den länglichen Kanal 750 eintritt, sich entlang des länglichen Kanals ausbreitet (einschließlich Reflexionen an den Biegungen des länglichen Kanals) und dann den länglichen Kanal verlässt.
Wie in 9 zu sehen ist, entspricht die Größe des Lichtstrahls bei seiner Ausbreitung entlang des langgestreckten Kanals im Allgemeinen der Querschnittsfläche des langgestreckten Kanals 750. Infolgedessen interagiert der Lichtstrahl im Wesentlichen mit der gesamten im Probengehäuse 716 befindlichen Probe. Dies steht beispielsweise im Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik, bei denen ein Lichtstrahl nur einen kleinen Teil einer Probe durchdringt. Da der Lichtstrahl im Wesentlichen die gesamte im Probengehäuse 716 befindliche Probe durchdringt, ist der Anteil der Probe, den das Licht durchdringt, wesentlich höher als bei einer herkömmlichen Anordnung. Dies bedeutet, dass die Probenmenge, die benötigt wird, um ein gewünschtes Signal-Rausch-Verhältnis für eine bestimmte Messung zu erhalten, erheblich reduziert wird (dies kann bei biologischen Proben, die unter Umständen schwer zu beschaffen sind, wünschenswert sein). Es bedeutet auch, dass das Volumen des länglichen Kanals kleiner sein kann als das eines herkömmlichen Probengehäuses. Daher kann die Größe des Probengehäuses 716 kleiner sein, als dies üblicherweise der Fall ist. Zum Beispiel kann das Probengehäuse ein Volumen von weniger als einem Kubikzentimeter haben.
Das Probengehäuse 716 kann z. B. eine maximale Abmessung von weniger als einem Zentimeter haben. Das Probengehäuse kann zum Beispiel eine Länge von etwa 6 mm und eine Breite von etwa 5 mm haben. Wie weiter oben erwähnt, wird die maximale Abmessung des Probengehäuses 716 durch mehrere Biegungen in dem länglichen Kanal klein gehalten.
Die Lichtquelle 702 kann so konfiguriert sein, dass sie breitbandiges Licht aussendet. Der Sensor kann eine Vielzahl von Detektoren umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfassen.
Die Absorptionsspektroskopie kann durchgeführt werden, indem das am Sensor 724 empfangene Licht gemessen wird, wenn keine Probe vorhanden ist, und dann das am Sensor empfangene Licht gemessen wird, wenn eine Probe vorhanden ist. Auf diese Weise können die Messungen für die Leistung der Lichtquelle 702 und des Sensors 724 kalibriert werden.
Das Probengehäuse 716 kann wegwerfbar sein. Die Lichtquelle 702 und der Sensor 724 können in einer Basisstruktur vorgesehen sein, die so konfiguriert ist, dass sie das Probengehäuse aufnimmt und mit der Lichtquelle und dem Sensor ausrichtet (z. B. über eine Aussparung, die eine Form hat, die der Form des Probengehäuses entspricht).
Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel können Merkmale der in Verbindung mit den 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen mit der in Verbindung mit den 7 bis 9 beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden (und umgekehrt).
Der von der Lichtquelle der erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzeugte Lichtstrahl kann kontinuierlich sein. Der Lichtstrahl kann moduliert werden, z. B. unter Verwendung eines akusto-optischen Modulators oder durch Modulation eines der Lichtquelle zugeführten Stroms. Die Modulation des Lichtstrahls kann in vorteilhafter Weise das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern, das das Absorptionsspektrometer über die phasenstarre Detektion liefert.
Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine LED, eine Laserdiode oder eine Glühbirne sein.
Ein Absorptionsspektrometer gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung kann für die Messung medizinischer Proben (z. B. Flüssigkeitsproben aus dem Körper einer Person oder eines Tieres) verwendet werden. Ein Absorptionsspektrometer gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung kann für die Erfassung von Umweltproben (z. B. Flusswasser, Teichwasser, Meerwasser oder Trinkwasser) verwendet werden. Ein Absorptionsspektrometer gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung kann für die Probenahme in der Lebensmittel- oder Getränkeherstellung verwendet werden. Ein Absorptionsspektrometer gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung kann für Messungen zu Hause verwendet werden, z. B. für Wasser in einem Schwimmbad.
Ausführungsformen des Absorptionsspektrometers können mit einer so geringen Leistung arbeiten, dass sie mit einer oder mehreren Batterien (z. B. herkömmlichen Batterien) betrieben werden können. Ausführungsformen des Absorptionsspektrometers können so klein sein, dass sie von einem Benutzer mitgenommen werden können. Ausführungsformen des Absorptionsspektrometers können so klein sein, dass sie von einem Benutzer getragen werden können (z. B. an einem Handgelenkband).
Ausführungen des Absorptionsspektrometers können Einwegartikel sein. Dazu gehören auch die Lichtquelle und der Sensor. Alternativ dazu kann das Probengehäuse von Ausführungsformen der Offenbarung wegwerfbar sein. In diesem Fall können die Lichtquelle und der Sensor in einem Lichtquellen- und Sensorgehäuse untergebracht werden, das so angeordnet ist, dass es das Probengehäuse aufnehmen und halten kann. Eine Klammer oder ein anderes Eingriffsmerkmal kann verwendet werden, um das Probengehäuse am Gehäuse der Lichtquelle und des Sensors zu halten, so dass das Probengehäuse zur Entsorgung entfernt werden kann. Dies kann vorteilhaft sicherstellen, dass die Lichtquelle und der Sensor auf das Probengehäuse ausgerichtet sind.
In einigen Fällen können einige Reinigungs- oder Trennschritte an der Probe durchgeführt werden, bevor sie verwendet werden kann. In diesem Fall kann die Menge der verwendbaren Probe zwischen einem Fünftel und einem Zehntel der gewonnenen Probe liegen. Ausführungsformen der Erfindung haben den Vorteil, dass unter solchen Umständen eine kleinere Ausgangsprobe gewonnen werden kann.
Die Filter auf dem Sensor können so konfiguriert werden, dass sie Licht bei bestimmten gewünschten Wellenlängen überwachen (z. B. Wellenlängen, von denen bekannt ist, dass sie von den interessierenden Molekülen absorbiert werden). Obwohl der abgebildete Sensor ein 4x4-Array von Photodioden umfasst, kann der Sensor auch eine andere Anordnung haben. Der Sensor kann 4 oder mehr Photodioden, 16 oder mehr Photodioden, z. B. 64 oder mehr Photodioden haben. Im Allgemeinen kann der Sensor eine Vielzahl von Photodioden haben. Die Photodioden können so konfiguriert sein, dass sie Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erfassen (z. B. durch Filter über den Photodioden).
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das von der Lichtquelle abgegebene Licht mit Hilfe einer Blende in einen Lichtstrahl umgewandelt. Dies ist eine kostengünstige Methode zur Erzeugung des Lichtstrahls. Es kann jedoch auch jedes andere geeignete Strahlformungselement, wie z. B. eine Linse, verwendet werden.
Das optische Absorptionsspektrometer kann einen Prozessor und einen Speicher umfassen. Der Speicher kann so konfiguriert sein, dass er die vom Sensor empfangenen Ausgabewerte speichert. Der Prozessor kann so konfiguriert sein, dass er die gespeicherten Ausgabewerte analysiert und einen Einbruch in der Transmission identifiziert, der das Vorhandensein eines Moleküls von Interesse anzeigt.
Mit dem Begriff „Probenaufnahmevolumen“ ist ein Volumen gemeint, das zur Aufnahme einer Probe im Gebrauch geeignet ist.
Eine Kalibrierung des optischen Absorptionsspektrometers kann vor der Durchführung der Absorptionsspektrometrie erfolgen. In einem Beispiel kann Licht von der Quelle emittiert und die Ausgabewerte des Sensors gespeichert werden, wenn sich Luft im Probenaufnahmevolumen befindet (d. h. ohne Probe). Danach kann die Probe eingeführt und die Absorptionsspektrometriemessung durchgeführt werden, wobei die Ausgabewerte berücksichtigt werden, die empfangen wurden, als sich Luft im Probengehäuse befand.
Eine alternative Kalibrierung kann verwendet werden, wenn das Probengehäuse von anderen Teilen des optischen Absorptionsspektrometers abnehmbar ist. Ein Probengehäuse, in dem sich eine Referenzlösung, z. B. eine Pufferlösung, befindet, kann verwendet werden, um Ausgabewerte zu erhalten. Dieses Probengehäuse kann dann entfernt und durch ein Probengehäuse ersetzt werden, das eine zu analysierende Probe enthält. Auch hier können bei der Absorptionsspektrometriemessung die Ausgabewerte berücksichtigt werden, die erhalten wurden, als sich die Referenzlösung im Probengehäuse befand.
Das Probengehäuse kann als Küvette bezeichnet werden (obwohl es ein kleineres Volumen als eine herkömmliche Küvette hat).
Die Lichtquelle und der Sensor können als ein integriertes System bereitgestellt werden. Dies kann z. B. durch den Einsatz der CMOS-Backend-Technologie oder durch die Verwendung der Packaging-Technologie zur Bildung eines Systems auf einem Halbleiterchip erreicht werden.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der Erfindung offenbart werden, können auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100, 100a: Optisches Absorptionsspektrometer
102: Lichtquelle
104: Blende
105: Wand
106: Koppeloptik
107: Block
108: Lichtstrahl
109: Nicht-reflektierender Bereich
110: Erster Strahlführungsspiegel
114, 114a: Erster gekrümmter Spiegel
116: Probengehäuse
118: Probe
120, 120a: Zweiter gekrümmter Spiegel
122: Zweiter Strahlführungsspiegel
124: Sensor
130: Barriere
131: Erste Öffnung
132: Zweite Öffnung
201a - 204d: Photodioden
210: Größere Photodiode
212a,b: Photodioden ohne Spektralfilter
300: Optisches Absorptionsspektrometer
302: Lichtquelle
306: Koppeloptik
308: Lichtstrahl
308a: Lichtstrahl
316: Probengehäuse
317: Probenaufnahmevolumen
318: Probe
324: Sensor
330: Spiegel
331: Flache Seite des Probengehäuses
332: Konkaver Spiegel
333: Konkave Seite des Probengehäuses
334: Strahlsammeloptik
336: Prisma
338: Konvexe reflektierende Oberfläche des Prismas
340: Linse
350: Nicht-reflektierender Bereich
352: Nicht-reflektierender Bereich
360: Lichtleiter
362: Eintrittsende
364: Austrittsende
366: Verjüngter Teil
400: Optisches Absorptionsspektrometer
402: Lichtquelle
408: Lichtstrahl
416: Probengehäuse
417: Probenaufnahmevolumen
419: Wand
424: Sensor
430: Verspiegelter Zickzack
432: Verspiegelter Zickzack
500: Optisches Absorptionsspektrometer
502: Lichtquelle
508: Lichtstrahl
516: Probengehäuse
517: Probenaufnahmevolumen
524: Sensor
530: Verspiegelte flache Seite
532: Verspiegelte flache Seite
600: Optisches Absorptionsspektrometer
602: Lichtquelle
608: Licht
616: Probengehäuse
617: Probenaufnahmevolumen
618: Probe
624: Sensor
652: Nicht-reflektierender Austrittsbereich
700: Optisches Absorptionsspektrometer
702: Lichtquelle
716: Probengehäuse
726: Erste Öffnung
728: Zweite Öffnung
740: Basis
742: Länglicher Kanal
744: Deckel
746: Erster Spiegel
747: Erstes Fenster
748: Zweiter Spiegel
749: Zweites Fenster

Der Fachmann wird verstehen, dass in der vorangehenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen Positionsbegriffe wie „oben“, „entlang“, „seitlich“ usw. unter Bezugnahme auf konzeptionelle Abbildungen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, verwendet werden. Diese Begriffe werden der Einfachheit halber verwendet, sind aber nicht als einschränkend zu verstehen. Diese Begriffe sind daher so zu verstehen, dass sie sich auf ein Objekt beziehen, wenn es sich in einer Ausrichtung befindet, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Obwohl die Offenbarung in Form von bevorzugten Ausführungsformen, wie oben dargelegt, beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass die Ansprüche nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Der Fachmann kann im Hinblick auf die Offenbarung Modifikationen und Alternativen vornehmen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Beschreibung offenbart oder dargestellt ist, kann in jede beliebige Ausführungsform eingebaut werden, sei es allein oder in geeigneter Kombination mit jedem anderen hier offengelegten oder dargestellten Merkmal.

Claims

Ein optisches Absorptionsspektrometer, das Folgendes umfasst: ein Probengehäuse, das zur Aufnahme einer Probe konfiguriert ist; eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie breitbandiges Licht in das Probengehäuse emittiert; einen oder mehrere Reflektoren, die so konfiguriert sind, dass sie das Licht so reflektieren, dass das Licht mehrfach durch ein Probenaufnahmevolumen des Probengehäuses fällt; und einen Sensor, der so angeordnet ist, dass er das Licht aus dem Probengehäuse nach den Reflexionen empfängt; wobei der Sensor eine Vielzahl von Detektoren umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfassen.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle so konfiguriert ist, dass sie einen Lichtstrahl liefert, und die Reflektoren so konfiguriert sind, dass sie den Lichtstrahl mehrfach durch das Probenaufnahmevolume leiten.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 2, wobei das Probenaufnahmevolumen langgestreckt ist und Reflektoren auf gegenüberliegenden Seiten des Probengehäuses vorgesehen sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 3, wobei die Lichtquelle und die Reflektoren so konfiguriert sind, dass der Lichtstrahl das Probenaufnahmevolume mehrfach durchquert, während er sich entlang des Probenaufnahmevolumes ausbreitet.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 4, wobei mindestens einer der Reflektoren konkav ist.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 4, wobei die Reflektoren zickzackförmig sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 4, wobei die Lichtquelle so konfiguriert ist, dass der Lichtstrahl in das Probenaufnahmevolumen unter einem nicht-senkrechten Winkel durch eine Wand des Probenaufnahmevolumes eintritt.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Lichtquelle eine Apertur umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie divergierendes Licht von der Lichtquelle in den Lichtstrahl umwandelt.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, das ferner eine Strahlsammeloptik umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie den Lichtstrahl empfängt, der das Probenaufnahmevolumen verlässt und eine Querschnittsfläche des Lichtstrahls vergrößert, bevor der Lichtstrahl auf den Sensor auftrifft.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 9, wobei die Strahlsammeloptik einstückig mit dem Probengehäuse ausgebildet ist.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei die strahlensammelnde Optik ein Prisma mit einer gekrümmten reflektierenden Oberfläche und eine Linse umfasst.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei ein Bereich auf einer Seite des Probengehäuses nicht reflektierend ist, damit der Lichtstrahl in das Probenaufnahmevolumen eintreten kann, und ein Bereich auf einer Seite des Probengehäuses nicht reflektierend ist, damit der Lichtstrahl das Probenaufnahmevolumen verlassen kann.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 2, wobei das Probenaufnahmevolumen langgestreckt ist und Reflektoren an gegenüberliegenden Enden des Probengehäuses vorgesehen sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 13, wobei einer der Reflektoren teilweise durchlässig ist, so dass, wenn der Lichtstrahl auf den Reflektor auftrifft, ein Teil des Lichtstrahls durch den Reflektor zum Sensor gelangt.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei mindestens einer der Reflektoren konkav ist.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Probenaufnahmevolumen ein Volumen von weniger als 10 µλ hat.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektoren Photodioden sind, über denen Filter für verschiedene Wellenlängen angebracht sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 1, wobei das Probenaufnahmevolumen kugelförmig ist und eine reflektierende Oberfläche aufweist.
Verfahren zur optischen Absorptionsspektrometrie, das Folgendes umfasst: Bereitstellung einer Probe in einem Probengehäuse; Richten eines breitbandigen Lichtstrahls in das Probengehäuse; Verwendung eines oder mehrerer Reflektoren, um den Lichtstrahl so zu reflektieren, dass der Lichtstrahl die Probe mehrfach durchläuft; und Erfassen der Intensität des Lichtstrahls bei mehreren verschiedenen Wellenlängen, nachdem der Lichtstrahl das Probengehäuse verlassen hat.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Lichtstrahl moduliert wird.
Ein Probengehäuse mit einem Probenaufnahmevolumen, einem oder mehreren Reflektoren, die um mindestens einen Teil des Probenaufnahmevolumens herum angeordnet sind, und einer Probenaufnahmeöffnung.
Probengehäuse nach Anspruch 21, wobei der eine oder die mehreren Reflektoren an einer Wand oder Wänden des Probengehäuses ausgebildet sind.
Probengehäuse nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei mindestens einer der Reflektoren einen nicht reflektierenden Bereich aufweist, der so gestaltet ist, dass ein Lichtstrahl in das Probengehäuse eintreten kann
Ein optisches Absorptionsspektrometer, das Folgendes umfasst: ein Probengehäuse mit einem langgestreckten Kanal, der eine Vielzahl von Biegungen aufweist; eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Licht in den langgestreckten Kanal emittiert; und einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er das Licht aus dem langgestreckten Kanal empfängt.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 24, wobei Oberflächen des langgestreckten Kanals reflektierend sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, wobei mindestens einige der Biegungen des länglichen Kanals die Richtung des Kanals um im Wesentlichen 180 Grad drehen.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der längliche Kanal drei oder mehr Biegungen aufweist.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei der längliche Kanal mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung versehen ist.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 28, wobei die erste Öffnung an ein Ende des länglichen Kanals angrenzt und die zweite Öffnung an ein gegenüberliegendes Ende des länglichen Kanals angrenzt.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei die Lichtquelle und der Sensor mit dem Probengehäuse verklebt sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei der längliche Kanal zumindest teilweise als Ausnehmung in einem Block ausgebildet ist.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wobei das Probengehäuse ferner einen Deckel umfasst, der auf den Block aufgesetzt wird, um die Aussparung zu bedecken.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 32, wobei die Lichtquelle so konfiguriert ist, dass sie breitbandiges Licht emittiert.
Optisches Absorptionsspektrometer nach einem der Ansprüche 24 bis 33, wobei der Sensor eine Vielzahl von Detektoren umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren verschiedenen Wellenlängen erfassen.
Probengehäuse mit einem langgestreckten Kanal, der eine Vielzahl von Biegungen, eine erste Öffnung neben einem Ende des langgestreckten Kanals und eine zweite Öffnung neben einem gegenüberliegenden Ende des langgestreckten Kanals aufweist.
Das Probengehäuse nach Anspruch 35, wobei die Seiten des länglichen Kanals reflektierend sind.
Optisches Absorptionsspektrometer nach Anspruch 35 oder 36, wobei mindestens einige der Biegungen des länglichen Kanals die Richtung des Kanals um im Wesentlichen 180 Grad drehen.