DE112021005257T5

DE112021005257T5 - Optisches extinktionsspektrometer, optisches bauelement und verfahren zur optischen extinktionsspektrometrie

Info

Publication number: DE112021005257T5
Application number: DE112021005257.8T
Authority: DE
Inventors: Erik Jan Lous; Remco Verdoold
Original assignee: Ams Osram AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2022122577A3; CN116601481A; WO2022122577A2; TW202229823A; TWI815235B; US20240019356A1

Abstract

Ein optisches Extinktionsspektrometer (100) umfasst ein Probengehäuse (200), eine Lichtquelle (300) und einen Spektralsensor (400). Das Probengehäuse (200) umfasst mindestens zwei Probenzellen (201, 202, 203, 204), die dazu eingerichtet sind, jeweils eine Probe aufzunehmen, und umfasst einen Lichtwellenleiter (205), der dazu eingerichtet ist, Licht von einer Eingangsseite (210) durch die Probenzellen zu einer Ausgangsseite (211) zu leiten. Die Lichtquelle (300) ist so betreibbar, dass sie breitbandiges Licht emittiert und ist mit der Eingangsseite (210) verbunden, um das emittierte Licht in den Lichtwellenleiter (205) einzukoppeln. Der Spektralsensor (400) ist mit der Ausgangsseite (211) verbunden und so betreibbar, dass er Licht aus dem Lichtwellenleiter (205) empfängt und die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren Wellenlängen detektiert.

Description

Offenbarungsgebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein optisches Extinktionsspektrometer, ein optisches Bauelement und ein Verfahren zur optischen Extinktionsspektrometrie.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 102020132726.9 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Hintergrund
Die Absorptionsspektroskopie wird in der analytischen Chemie routinemäßig für die quantitative Bestimmung verschiedener Analyten eingesetzt. Die spektroskopische Analyse wird üblicherweise mit den Analyten durchgeführt, die in Mikroküvetten mit bestimmten Weglängen untergebracht sind. Ein herkömmliches optisches Extinktionsspektrometer umfasst eine Lichtquelle, einen Küvettenhalter, ein Diffraktionselement zur Trennung der verschiedenen Wellenlängen des Lichts und einen Detektor. Die Messung von Extinktionsspektren ermöglicht die Bestimmung verschiedener Parameter, beispielsweise der Konzentration mit Hilfe des Lambert-Beerschen Gesetzes. In gängigen Versuchsanordnungen erfordern jedoch mehrere Parameter eines oder mehrerer Analyten eine entsprechende Anzahl von Einzelmessungen. Alternativ kann auch eine entsprechende Anzahl von Lichtquellen und/oder Detektoren parallel eingesetzt werden.
Somit können mit einer einzigen Lichtquelle mehrere Parameter nur sequentiell gemessen werden. Die parallele Messung mehrerer Parameter erfordert mehrere Lichtquellen und Detektoren. Gleichzeitig ist jede Messung durch die Weglänge einer entsprechenden Küvettenzelle begrenzt. Beispielsweise können vier verschiedene Cholesterinparameter mit vier einzelnen Modulen gemessen werden, wobei jedes Modul eine optische Beleuchtungsquelle, eine Mikroküvette und einen Spektralsensor beinhaltet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein optisches Extinktionsspektrometer, ein optisches Bauelement und ein Verfahren zur optischen Extinktionsspektrometrie bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere Weiterentwicklungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Es versteht sich, dass jedes in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschriebene Merkmal allein oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination einer beliebigen anderen Ausführungsform verwendet werden kann, sofern dies nicht als eine Alternative beschrieben ist. Darüber hinaus können auch Äquivalente und Modifikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne vom Anwendungsbereich des optischen Extinktionsspektrometers, des optischen Bauelements und des Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie abzuweichen, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
Zusammenfassung
Das Folgende betrifft ein verbessertes Konzept auf dem Gebiet der optischen Extinktionsspektrometrie. Das verbesserte Konzept schlägt ein optisches Extinktionsspektrometer vor, das ein Probengehäuse mit zwei oder mehr Probenzellen umfasst. Ein Lichtwellenleiter leitet das Licht durch die Probenzellen, so dass letztlich eine einzige Lichtquelle und ein einziger Spektralsensor ausreichen, um die Spektrometrie mehrerer Parameter zu ermöglichen.
Der Lichtwellenleiter kann als lineare oder kreisförmige Struktur ausgeführt sein, wobei die Probenzellen nacheinander bestrahlt werden können, z.B. durch serielle Addition oder durch Befüllen/Entleeren jeder Probenzelle. Der Lichtwellenleiter kann als parallele Struktur ausgeführt sein, wobei die Probenzellen parallel bestrahlt werden können, z.B. mit Teillichtstrahlen. Das vorgeschlagene optische Extinktionsspektrometer kann mit einer Mikrofluidik kombiniert werden, die beispielsweise den Zeitpunkt der Befüllung/Entleerung der Küvetten bestimmt. Extinktionsspektren können anhand kombinierter oder differentieller Spektren berechnet werden. Die Absorptionsspektren können beispielsweise auf einem speziellen ASIC oder auf einem externen Wirtssystem berechnet werden.
Der Lichtwellenleiter ermöglicht eine unterschiedliche Kopplung von Lichtwegen und die zeitliche Abstimmung der Mikrofluidik. Dies ermöglicht kostengünstige Lösungen für Multiparameter-Anwendungen. Die Anzahl der Lichtquellen und/oder Spektralsensoren kann reduziert werden. Es kann keine beweglichen Teile geben, außer der Mikrofluidik. Die erforderlichen Volumina pro Küvette (z.B. 1 bis 2 mm³) können miniaturisiert werden, während die optischen Weglängen weiterhin 1 bis 25 mm oder mehr betragen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst ein optisches Extinktionsspektrometer ein Probengehäuse, eine Lichtquelle und einen Spektralsensor. Das Probengehäuse umfasst mindestens zwei Probenzellen, die dazu eingerichtet sind, jeweils eine Probe aufzunehmen. Ferner umfasst das Probengehäuse einen Lichtwellenleiter mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite. Die Lichtquelle ist mit der Eingangsseite verbunden und der Spektralsensor ist mit der Ausgangsseite verbunden. Der Lichtwellenleiter ist dazu eingerichtet, Licht von der Ausgangsseite durch die Probenzellen zur Ausgangsseite zu leiten.
Bei Verwendung emittiert die Lichtquelle ein breitbandiges Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Das Licht wird mit Hilfe des Lichtwellenleiters durch die Probenzellen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite geleitet. Das Licht wird dann vom Lichtwellenleiter mit Hilfe des Spektralsensors empfangen, der die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren Wellenlängen detektieren kann.
Der Lichtwellenleiter verbindet die Probenzellen optisch mit der Lichtquelle und dem Spektralsensor. Auf diese Weise kann ein von der Lichtquelle ausgesandter Lichtstrahl durch mehrere oder alle Probenzellen, parallel oder in Reihe, gelenkt werden. Je nachdem, welche Probe sich in einer oder mehreren der Probenzellen befindet, können Transmissionsspektren aufgenommen werden. Tatsächlich kann das optische Extinktionsspektrometer mit verschiedenen Messverfahren eingesetzt werden, die z.B. den Zeitpunkt der Befüllung und/oder Entleerung der Probenzellen bestimmen. Diese Messverfahren ermöglichen es, einzelne Spektren zu isolieren oder Spektren zu kombinieren, um mehrere Parameter abzuleiten, wie beispielsweise die Konzentration einer Spezies in einer bestimmten Probe. Außerdem kann dank des Lichtwellenleiters eine Lichtquelle oder ein Spektralsensor von einer oder mehreren Probenzellen gemeinsam genutzt werden.
Das Probengehäuse umfasst die Probenzellen, die als Mikroküvetten für Volumina um 1 bis 2 pl verwendet werden können. Aufgrund des Lichtwellenleiters kann die spektrale Transmission oder Extinktion jedoch so gemessen werden, dass die optische Weglänge immer noch in der Größenordnung von 1 bis 25 mm liegen kann. Die Anzahl der Probenzellen (oder Mikroküvetten) ist nur durch die jeweilige Anwendung begrenzt. Wenn sich die Beschreibung im Folgenden auf vier Probenzellen bezieht, so ist dies nur als Beispiel zu verstehen und darf keinesfalls als Einschränkung des vorgeschlagenen Konzepts angesehen werden.
Einige Vorteile des vorgeschlagenen Konzepts beinhalten, dass eine Vielzahl von Probenzellen (oder Mikroküvetten) so angeordnet werden kann, dass die Extinktion jeder einzeln auf kostengünstige Weise mit letztlich nur einer Lichtquelle und nur einem Spektralsensor gemessen und bestimmt werden kann. Dies ermöglicht es, das Spektrometer als Einwegkomponente ohne bewegliche mechanische Teile anzuordnen, bei der das Probengehäuse und/oder die Detektorsysteme (Lichtquelle und/oder Sensor) ausgetauscht werden können. Ein Anwendungsbereich ist die Bio-Diagnostik für Point-of-Care-Geräte. Um z.B. die vier Cholesterin-Parameter in Extinktion zu messen, kann man einfach viermal ein einziges Extinktions-Point-of-Care-Modul, Abso PoC, dafür nehmen. Es können jedoch auch andere Parameter kombiniert gemessen werden. Die Anwendung kann nicht nur im medizinischen PoC, sondern auch in der Umwelt- und Veterinärdiagnostik eingesetzt werden. Auch der Einsatz in allgemeinen Bereichen der Chemie und Biologie ist vorstellbar, wie Lebensmittelqualität etc.
Das optische Extinktionsspektrometer ermöglicht die Leitungsabsorptionsspektroskopie oder -spektrometrie. Der Spektralsensor detektiert zum Beispiel die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren Wellenlängen. Die Detektion ist das Ergebnis der Lichttransmission durch eine oder mehrere der z.B. mit einer Probe gefüllten Probenzellen. Die Transmission wird als Funktion der Wellenlänge detektiert, die als Spektrum dargestellt werden kann, z.B. als Transmissions-, Absorptions- oder Extinktionsspektrum. Die Extinktion oder spektrale Extinktion ist der gemeinsame Logarithmus des Verhältnisses von einfallender zu durchgelassener spektraler Strahlungsleistung durch ein Material. Die Extinktion ist ein dimensionsloses Maß und nimmt in Abhängigkeit von der optischen Weglänge monoton zu.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optische Extinktionsspektrometer eine einzige Lichtquelle. Letztendlich kann der Lichtwellenleiter so angeordnet werden, dass eine einzige Lichtquelle ausreicht, um spektroskopische Messungen mehrerer Parameter unter Verwendung der mindestens zwei oder mehr Probenzellen durchzuführen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optische Extinktionsspektrometer einen einzigen spektralen Sensor. Letztendlich kann der Lichtwellenleiter so angeordnet werden, dass ein einziger Spektralsensor ausreicht, um spektroskopische Messungen mehrerer Parameter unter Verwendung der mindestens zwei oder mehr Probenzellen durchzuführen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optische Extinktionsspektrometer ferner einen oder mehrere Reflektoren, die dazu eingerichtet sind, Licht so zu reflektieren, dass das Licht die Probenzellen mehrfach durchläuft. Die Reflektoren ermöglichen es, die optische Weglänge einer Probenzelle zu verlängern, z.B. auf einen Bereich von 1 bis 25 mm. Auf diese Weise kann die optische Dämpfung einer Probe, die eine dämpfende Substanz enthält, erhöht werden. Dies ermöglicht zum Beispiel die Messung stark verdünnter Proben oder von Proben, die keine detektierbare Extinktion aufweisen würden, wenn eine Probe keine Reflektoren aufweist. Die Reflektoren wiederum ermöglichen eine Verkleinerung der Probenzellen, was letztlich zu einer kompakten Bauweise, z.B. für mobile Anwendungen, oder zu einer Bauweise führt, die eine hohe Dichte von Probenzellen auf einem gegebenen Raum ermöglicht.
In mindestens einer Ausführungsform ist die Lichtquelle dazu eingerichtet, einen emittierten breitbandigen Lichtstrahl bereitzustellen. Der Lichtstrahl bewegt sich entlang des Lichtwellenleiters von der Eingangsseite durch eine oder mehrere der Probenzellen zur Ausgangsseite fort. Breitbandiges Licht ermöglicht die Anregung einer Probe in einem großen Spektralbereich, z.B. im Vis, UV/Vis und/oder IR. Diese Begriffe beziehen sich auf den sichtbaren (Vis), ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Wenn jedoch nur eine bestimmte Spezies gemessen werden soll, kann der Spektralbereich der Lichtquelle auf einen kleineren Bereich von Anregungswellenlängen oder sogar auf eine einzige Linie beschränkt werden. Mögliche Lichtquellen sind lichtemittierende Dioden, Laserdioden (wie beispielsweise VCSEL-Laser) und andere Arten von Lasern, Glühlichtquellen oder andere in der Spektroskopie bekannten Lichtquellen. Das optische Extinktionsspektrometer kann jedoch auch mit Lichtquellen verwendet werden, die sich für die Integration in einen Halbleiterprozess eignen, um eine kompakte und kostengünstige Herstellung zu ermöglichen.
In mindestens einer Ausführungsform sind die Lichtquelle und die Reflektoren so eingerichtet, dass der Lichtstrahl die Probenzellen mehrfach kreuzt, während er sich entlang der Probenzellen fortbewegt. Der Lichtstrahl kann eine bestimmte Probenzelle mehrfach kreuzen, bevor er in eine andere Probenzelle eintritt. Darüber hinaus oder alternativ kann sich der Strahl von einer Probenzelle zu einer anderen fortbewegen, bevor er dieselben Probenzellen ein weiteres Mal durchquert. In beiden Fällen kann die optische Weglänge erhöht werden.
In mindestens einer Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter dazu eingerichtet, den Lichtstrahl in Teillichtstrahlen aufzuteilen. Jeder Teillichtstrahl durchläuft eine bestimmte der Probenzellen. Die Aufteilung in Teilstrahlen ist mit Hilfe des Lichtwellenleiters möglich. Beispielsweise kann es Fälle geben, in denen mehr als eine einzige Lichtquelle oder ein einziger Spektralsensor benötigt wird. Durch die Aufteilung des Strahls, z.B. mittels bestimmter Abschnitte des Lichtwellenleiters, ist es möglich, einen Lichtstrahl von den Lichtquellen oder den Spektralsensoren zu empfangen oder auf sie zu richten.
In mindestens einer Ausführungsform durchläuft der Lichtstrahl alle Probenzellen. Statt den Strahl aufzuteilen, kann es Fälle geben, in denen der Lichtwellenleiter einen optischen Weg bereitstellt, der die Lichtquelle (oder Lichtquellen) mit dem Spektralsensor (oder den Spektralsensoren) optisch verbindet, so dass der Strahl alle Probenzellen durchläuft, entweder parallel oder in Reihe.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optische Extinktionsspektrometer ferner ein Mikrofluidiksystem, das so betreibbar ist, dass es die Probenzellen mit einer Probensubstanz befüllt und leert. Das Mikrofluidiksystem kann den Zeitpunkt des Befüllens und Entleerens einer oder mehrerer Probenzellen bestimmen. So kann beispielsweise ein Spektrum aufgenommen werden, nachdem eine Probenzelle befüllt wurde und die übrigen Probenzellen leer geblieben sind.
Verschiedene Probenzellen und Flüssigkeiten/Gase können gemessen werden, indem die befüllte Probenzelle zuerst geleert und die nächste Probenzelle befüllt wird oder indem die Probenzelle befüllt gelassen und mit dem Befüllen einer anderen Probenzelle fortgefahren wird. Die Mikrofluidik kann den Zeitpunkt des Befüllens und Entleerens der Küvetten bestimmen. Die Fluidiksteuerung könnte aktiv mit Ventilen oder passiv (kapillarisch) mit Mikrofluidikhaltekammern sein. Eine Standard-Startbedingung kann sein, zuerst die leeren Probenzellen und die Antworten jeder Lichtquelle und/oder Spektralsensors zu messen. Jede Kombination kann bekannt sein und für eine Extinktionsberechnung verwendet werden.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optische Extinktionsspektrometer ferner einen integrierten Schaltkreis, der so betreibbar ist, dass er den Betrieb der Lichtquelle, des Mikrofluidiksystems und/oder des Spektralsensors steuert. Die Steuerung kann durch das Mikrofluidiksystem ausgelöst werden, z.B. durch den Empfang eines Startsignals vom Mikrofluidiksystem oder durch die Detektion des Betriebs des Mikrofluidiksystems, z.B. mittels optischer, kapazitiver oder sonstiger Detektionsmethoden. Anschließend initiiert und führt der integrierte Schaltkreis eine Steuerung der Lichtquelle und des Spektralsensor durch, um einen Messablauf durchzuführen. Der integrierte Schaltkreis kann elektronische Komponenten zur Steuerung des Betriebs der Lichtquelle und/oder des Spektralsensors und/oder des Mikrofluidiksystems umfassen. Der integrierte Schaltkreis kann einen Mikroprozessor oder ASIC umfassen, um die Steuerung des Betriebs zu ermöglichen. Der Mikroprozessor oder ASIC kann so betreibbar sein, dass er Berechnungen an aufgezeichneten Spektren durchführt, z.B. eine Differenzbildung, um ein Differenzspektrum zu erhalten, etc. Integration kann zum Beispiel mit Hilfe der CMOS-Backend-Technologie oder mit Hilfe der Packaging-Technologie erfolgen, um ein System auf einem Halbleiterchip zu bilden. Außerdem kann das optische Extinktionsspektrometer zusammen mit einer Mikrofluidikkartusche in ein Gehäuse integriert werden.
In mindestens einer Ausführungsform haben die Probenzellen ein Volumen von weniger als 10 µl. Zum Beispiel haben die Probenzellen ein Volumen von 1 bis 2 pl. In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Lichtwellenleiter einen Hohllichtleiter und/oder eine optische Faserstruktur. Der Hohllichtleiter kann reflektierende Innenflächen aufweisen, wie beschichtete oder metallisierte reflektierende Wände, um das Reflexionsvermögen und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst ein optisches Bauelement ein optisches Extinktionsspektrometer gemäß einem oder mehreren der oben erörterten Aspekte. Darüber hinaus umfasst das optische Bauelement ein Wirtssystem, wobei das Wirtssystem ein Mobilgerät, ein Einwegsystem oder ein Labormessgerät, ein bedarfsorientiertes System oder ein beliebiges System umfasst, das ein Messergebnis an ein Mobiltelefon, einen PC, einen Laptop, ein Tablet oder eine Uhr übertragen kann.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren der optischen Extinktionsspektrometrie die folgenden Schritte. Zunächst werden Proben in mindestens zwei Probenzellen eines Probengehäuses bereitgestellt. Das Probengehäuse umfasst einen Lichtwellenleiter. Dann wird ein breitbandiges Licht von einer Eingangsseite des Lichtwellenleiters durch die Probenzellen zu einer Ausgangsseite des Lichtwellenleiters geleitet. Schließlich wird die Intensität des Lichts, das den Wellenleiter durchläuft, bei mehreren Wellenlängen detektiert, nachdem das Licht die Proben in den Probenzellen angeregt hat.
In mindestens einer Ausführungsform werden die Proben in Reihe oder parallel durch Befüllen und/oder Entleeren der Probenzellen bereitgestellt. Extinktionsspektren werden aus der detektierten Intensität des Lichts bei mehreren Wellenlängen berechnet.
Weitere Implementierungen des Verfahrens lassen sich leicht aus den verschiedenen Implementierungen und Ausführungsformen des optischen Extinktionsspektrometers und des optischen Bauelements ableiten und umgekehrt.
Die folgende Beschreibung von Figuren von Ausführungsbeispielen kann Aspekte des verbesserten Konzepts weiter veranschaulichen und erklären. Komponenten und Teile mit gleichem Aufbau oder gleicher Wirkung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Soweit Komponenten und Teile in verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird ihre Beschreibung nicht unbedingt für jede der folgenden Figuren wiederholt.
Figurenliste
In den Figuren:

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Extinktionsspektrometer,
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein optisches Extinktionsspektrometer,
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein optisches Extinktionsspektrometer
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Extinktionsspektrometers, und
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Extinktionsspektrometers.

Ausführliche Beschreibung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Extinktionsspektrometers. Das optische Extinktionsspektrometer 100 umfasst ein Probengehäuse 200, eine Lichtquelle 300 und einen Spektralsensor 400.
Die Lichtquelle 300 emittiert ein breitbandiges Licht, z.B. in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 850 nm (Vis). Die Emission kann auch ins Infrarot (IR) oder das nahe Infrarot (NIR), z.B. 780 bis 1400 nm, oder ins Ultraviolette (UV) mit Wellenlängen kleiner als 400 nm reichen. Die Lichtquelle kann zum Beispiel als breitbandige lichtemittierende Diode oder Laserdiode ausgeführt sein. Es können auch andere Lichtquellen verwendet werden, beispielsweise eine Glühlicht- oder eine andere für die Spektroskopie geeignete Lichtquelle, die zum Beispiel Licht über einen Wellenlängenbereich von mindestens 300 nm (oder mindestens 400 nm) emittieren können.
Der Spektralsensor 400 detektiert die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren Wellenlängen. Der Spektralsensor umfasst beispielsweise eine Anordnung von Photodioden oder andere Arten lichtempfindlicher Komponenten. Jede Photodiode der Anordnung ist mit einem Spektralfilter mit einem bestimmten Durchlassbereich ergänzt. Die Spektralfilter lassen nur Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs auf die entsprechende Photodiode durch. So hat beispielsweise jeder Spektralfilter einen anderen Durchlassbereich, der mit anderen Spektralfiltern in der Anordnung nur einen geringfügigen oder gar keinen Überlapp aufweist. Dies ermöglicht eine hohe spektrale Auflösung, und es ist kein streuendes Element wie ein Gitter oder Prisma erforderlich, um eine spektrale Trennung zu erreichen. In einem anderen Beispiel kann ein und derselbe Spektralfilter für Paare oder Gruppen von Photodioden breitgestellt werden, so dass eine Reihe verschiedener Wellenlängen von der Anordnung erfasst werden. Dies ermöglicht eine Mittelwertbildung des für jede detektierte Wellenlänge erhaltenen Signals und bietet ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
Das Probengehäuse 200 umfasst mindestens zwei Probenzellen. In dieser Ausführungsform umfasst das Probengehäuse in einem Beispiel vier Probenzellen 201, 202, 203, 204. Die Probenzellen sind dazu eingerichtet, eine Probe, z.B. eine zu messende Flüssigkeit oder Gas, aufzunehmen. Das Probengehäuse umfasst ferner einen Lichtwellenleiter 205, beispielsweise einen Hohllichtleiter und/oder eine optische Faserstruktur. Der Lichtwellenleiter umfasst eine Eingangsseite 210 und eine Ausgangsseite 211. Die Eingangsseite ist optisch mit der Lichtquelle 300 verbunden und die Ausgangsseite ist optisch mit dem Spektralsensor 400 verbunden. Der Begriff „optisch verbunden“ bedeutet, dass Licht entweder in den Lichtwellenleiter eingekoppelt (über die Eingangsseite) oder aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt werden kann (über die Ausgangsseite). Die Lichtquelle und der Spektralsensor können einfach vor der Eingangsseite und Ausgangsseite platziert werden, um Licht in den Lichtwellenleiter ein- und auszukoppeln. Die Kopplungseffizienz kann jedoch durch zusätzliche Kopplungsoptiken (z.B. Linsen, Spiegel, Prismen etc., nicht dargestellt) erhöht werden.
Die Lichtquelle und der Spektralsensor können auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat oder auf verschiedenen Halbleitersubstraten bereitgestellt sein. Die Lichtquelle und der Spektralsensor können mit einem optisch transparenten Klebstoff an der Eingangsseite und Ausgangsseite oder an der Koppeloptik, falls vorhanden, befestigt werden.
In dieser Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter 205 die Eingangsseite 210 in optisch getrennte Abschnitte unterteilt. In dieser Ausführungsform umfasst der Lichtwellenleiter beispielsweise vier Abschnitte 206, 207, 208, 209. Der Begriff „optisch getrennt“ bedeutet, dass sich Licht entlang eines Abschnitts ausbreiten kann, ohne einen anderen Abschnitt des Lichtwellenleiters zu beeinflussen, z.B. durch optisches Übersprechen. Der Lichtwellenleiter kann von einem schwarzen Verguss umgeben sein, um die optische Trennung zu erhöhen. Ein Lichtstrahl, der über die Eingangsseite in den Lichtwellenleiter eintritt, wird in Teillichtstrahlen aufgeteilt. In diesem Beispiel wird ein Lichtstrahl in vier Teillichtstrahlen aufgeteilt.
Die optisch getrennten Abschnitte breiten sich aus, und jeder Abschnitt ist optisch mit einer entsprechenden Probenzelle verbunden. In dieser Ausführungsform ist als ein Beispiel ein erster Abschnitt 206 optisch mit einer ersten Probenzelle 201 verbunden. Ein zweiter Abschnitt 207 ist optisch mit einer zweiten Probenzelle 202 verbunden. Ein dritter Abschnitt 207 ist optisch mit einer dritten Probenzelle 203 verbunden. Ein vierter Abschnitt 208 ist optisch mit einer vierten Probenzelle 204 verbunden.
Die Ausgangsseite 211 ist optisch mit den Probenzellen verbunden. In dieser Ausführungsform ist als ein Beispiel die Ausgangsseite 211 nicht weiter unterteilt und somit dazu eingerichtet, jeden Lichtstrahl zu detektieren, der eine der Probenzellen durchlaufen hat. Die Ausgangsseite 211 kann jedoch in optisch getrennte Abschnitte unterteilt werden, ähnlich denen der Eingangsseite. Zum Beispiel könnten auf diese Weise bestimmte Abschnitte einen Strahl, der eine entsprechende Probenzelle passiert hat, zum Spektralsensor leiten.
Bei der Verwendung enthalten eine oder mehrere der Probenzellen eine Probe. Ein möglicher Ablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie wird im Folgenden näher erläutert. Grundsätzlich stellt die Lichtquelle 300 einen Strahl emittierten breitbandigen Lichts bereit, der über die Eingangsseite 210 in den Lichtwellenleiter 205 eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl wird durch die Abschnitte 206, 207, 208 und 209 an der Eingangsseite des Lichtwellenleiters in Teilstrahlen aufgeteilt. Jeder Teillichtstrahl durchläuft eine bestimmte der Probenzellen 201, 202, 203 und 204. Nach dem Durchlaufen der Probenzellen werden die Teilstrahlen mit Hilfe der Ausgangsseite 211 gesammelt und aus dem Lichtwellenleiter herausgeführt. Die Strahlen werden aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und das Licht wird schließlich vom Spektralsensor 400 empfangen. Die Intensität des empfangenen Lichts oder des empfangenen Lichtstrahls wird bei mehreren Wellenlängen detektiert.
Das optische Extinktionsspektrometer umfasst eine einzige Lichtquelle und einen einzigen Spektralsensor. Dennoch ermöglicht das Spektrometer die Messung mehrerer Proben und die Ableitung mehrerer zusammenhängender Parameter aus den aufgenommenen Spektren, parallel oder in Reihe. Um beispielsweise die vier Cholesterin-Parameter in der Extinktion zu messen, kann man einfach viermal eine einzelne Probenzelle dafür nehmen. Bei Einzelküvettenmodulen aus dem Stand der Technik sind dafür eine optische Beleuchtungsquelle und ein Spektralsensor erforderlich, die jedoch viermal vorhanden sind. Dies vervielfacht die Materialkosten um den Faktor vier. Dies kann ein schwerwiegender Kostennachteil sein und wird bei groß angelegten Tests möglicherweise nicht akzeptiert. Das optische Extinktionsspektrometer dieser Ausführungsform verwendet nur eine einzige Lichtquelle für die optische Beleuchtung und einen einzigen Spektralsensor für die Detektion der Transmissionsspektren. Die Probenzellen sind effektiv parallel angeordnet und können nacheinander befüllt und entleert werden, z.B. gesteuert durch die Mikrofluidik. Durch die Aufnahme von Differenzspektren können die Transmissionsspektren und die Extinktion pro Probenzelle (d.h. pro Kanal) berechnet werden. Die Intensität des auf den Spektralsensor einfallenden Lichts hängt von der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts und von der Extinktion der Probe ab. Bei verschiedenen Wellenlängen kann eine unterschiedliche Lichtintensität zu sehen sein, da die Probe bei verschiedenen Wellenlängen eine unterschiedliche Extinktion aufweist.
Die mit Bezug auf 1 diskutierte Implementierung des optischen Extinktionsspektrometers erlaubt es, den folgenden Arbeitsablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie zu etablieren. Aufgrund des besprochenen Designs des Probengehäuses kann davon ausgegangen werden, dass die Verteilung des Lichts über die Kanäle bekannt ist.
Arbeitsablauf 1

1. Leeren der Probenzellen, falls sie nicht bereits leer sind.
2. Messen der Lichttransmission aller leeren Probenzellen
3. Speichern der jeweiligen Transmissionsspektren als Referenzspektrum.
4. Befüllen der ersten Probenzelle mit einer ersten Probe.
5. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
6. Speichern der Lichttransmission als erstes Transmissionsspektrum.
7. Berechnen der Extinktion der ersten Probenzelle unter Verwendung des ersten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
8. Befüllen der zweiten Probenzelle mit einer zweiten Probe.
9. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
10. Speichern der Lichttransmission als zweites Transmissionsspektrum.
11. Berechnen der Extinktion der zweiten Probenzelle unter Verwendung des ersten und zweiten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
12. Befüllen der dritten Probenzelle mit einer dritten Probe.
13. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
14. Speichern der Lichttransmission als drittes Transmissionsspektrum.
15. Berechnen der Extinktion der dritten Probenzelle unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
16. Befüllen der vierten Probenzelle mit einer vierten Probe.
17. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
18. Speichern der Lichttransmission als viertes Transmissionsspektrum.
19. Berechnen der Extinktion der vierten Probenzelle unter Verwendung des ersten, zweiten, dritten und vierten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
20. Erledigt.

Arbeitsablauf 1 beruht auf der nachträglichen Zugabe von Proben zu den Probenzellen. Die gemessene Lichttransmission wird sich somit mit den Beiträgen der jeweiligen Proben aufbauen. Somit zeigt das erste Transmissionsspektrum nur die Extinktion der ersten Probe. Das zweite Transmissionsspektrum hingegen zeigt die Extinktion der ersten und zweiten Probe. Die Extinktion der zweiten Probe lässt sich aus der Differenz des ersten und zweiten Transmissionsspektrums berechnen. Dieses Konzept lässt sich für alle Probenzellen und Proben im Probengehäuse verallgemeinern. Tatsächlich kann jede beliebige Anzahl von Probenzellen, die gleich oder größer als zwei ist, eingesetzt werden, und die entsprechende Extinktion kann auf der Grundlage von Arbeitsablauf 1 berechnet werden.
Das optische Extinktionsspektrometer ist jedoch nicht auf einen Arbeitsablauf beschränkt. Zum Beispiel kann der folgende Arbeitsablauf 2 auch mit demselben Spektrometer verwendet werden.
Arbeitsablauf 2

1. Leeren der Probenzellen, falls sie nicht bereits leer sind.
2. Messen der Lichttransmission aller leeren Probenzellen.
3. Speichern der jeweiligen Transmissionsspektren als Referenzspektrum.
4. Befüllen der ersten Probenzelle mit einer ersten Probe.
5. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
6. Speichern der Lichttransmission als erstes Transmissionsspektrum.
7. Berechnen der Extinktion der ersten Probenzelle unter Verwendung des ersten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
8. Leeren der ersten Probenzelle.
9. Befüllen der zweiten Probenzelle mit einer zweiten Probe.
10. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
11. Speichern der Lichttransmission als zweites Transmissionsspektrum.
12. Berechnen der Extinktion der zweiten Probenzelle unter Verwendung des zweiten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
13. Leeren der zweiten Probenzelle.
14. Befüllen der dritten Probenzelle mit einer dritten Probe.
15. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
16. Speichern der Lichttransmission als drittes Transmissionsspektrum.
17. Berechnen der Extinktion der dritten Probenzelle unter Verwendung des dritten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
18. Leeren der dritten Probenzelle.
19. Befüllen der vierten Probenzelle mit einer vierten Probe.
20. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
21. Speichern der Lichttransmission als viertes Transmissionsspektrum.
22. Berechnen der Extinktion der vierten Probenzelle anhand des vierten Transmissionsspektrums und des Referenzspektrums.
23. Leeren der vierten Probenküvette (für Einweg nicht erforderlich)
24. Erledigt

Arbeitsablauf 2 beruht auf der anschließenden Zugabe von Proben in die Probenzellen. Nach der Berechnung der Extinktion einer bestimmten Probe wird die Probenzelle jedoch geleert. Die gemessene Lichttransmission baut sich also nicht mit den Beiträgen der jeweiligen Proben auf. Vielmehr wird die Lichttransmission einer Probe nach der anderen zur Berechnung der Extinktion verwendet. Dieses Konzept lässt sich für alle Probenzellen und Proben im Probengehäuse verallgemeinern. Tatsächlich kann jede beliebige Anzahl von Probenzellen gleich oder größer als zwei eingesetzt werden, und die entsprechende Extinktion kann auf der Grundlage von Arbeitsablauf 2 berechnet werden.
Der Begriff „Berechnung der Absorption der z-ten Probenzelle unter Verwendung des x-ten, y-ten und z-ten Transmissionsspektrums“ gilt als Platzhalter für verschiedene mathematische Operationen. So kann die Berechnung beispielsweise eine Differenz mehrerer Spektren oder von bereits in einem früheren Schritt berechneten Zwischenspektren beinhalten. Das Referenzspektrum kann als Referenz dienen, kann aber auch weggelassen werden.
Die oben genannten Arbeitsabläufe können mit einem Mikrofluidiksystem unterstützt werden, das die Probenzellen mit Probensubstanz befüllt und entleert. Diese können Teil des Spektrometers oder eines optischen Bauelements sein, das als Wirtssystem für das Spektrometer dient, z.B. ein Mobilgerät oder ein Labormessgerät etc. Das optische Extinktionsspektrometer oder das Probengehäuse können Einwegkomponenten sein, die eine kostengünstige Spektroskopie ermöglichen, da das Probengehäuse und/oder die Lichtquelle und der Spektralsensor in großem Maßstab hergestellt werden können.
Darüber hinaus kann das optische Extinktionsspektrometer als integrierter Schaltkreis implementiert werden, der elektronische Komponenten umfasst, um den Betrieb der Lichtquelle und/oder des Spektralsensors oder sogar des Mikrofluidiksystems zu steuern, oder der den Betrieb des Mikrofluidiksystems auf beliebige Weise erfassen kann (z.B. optische, kapazitive Detektion des Flüssigkeits-/Gasflusses) und dessen Betrieb auslösen kann, d.h. einen Messablauf einleiten und durchführen kann. Der integrierte Schaltkreis kann einen Mikroprozessor oder ASIC umfassen, um eine Steuerung des Betriebs zu ermöglichen. Die Fluidsteuerung kann aktiv mit Ventilen oder passiv (kapillarisch) mit Mikrofluidikhaltekammern sein. Eine Standard-Startbedingung könnte sein, zunächst die leeren Probenzellen und die Antworten jedes optischen Beleuchters und/oder Spektralsensors zu messen. Jede Kombination könnte gespeichert und für die Extinktionsberechnung verwendet werden. Die Integration kann z.B. mit Hilfe der CMOS-Backend-Technologie oder mit Hilfe der Packaging-Technologie erfolgen, um ein System auf einem Halbleiterchip zu bilden. Beispielsweise werden die verschiedenen Lichtwellenleiter- und Küvetten-Systeme, die als Kanäle betrachtet werden (z.B. 4 Kanäle für Cholesterin), durch einen schwarzen Verguss optisch isoliert.
Zumindest Teile des optischen Extinktionsspektrometers können als ein photonischer integrierter Schaltkreis implementiert werden. Beispielsweise kann die Kopplung von Licht in den und aus dem Lichtwellenleiter durch photonische Komponenten wie Gitterkoppler erfolgen. Der Lichtwellenleiter kann zum Beispiel als Wellenleitergitter ausgeführt sein. Auf diese Weise kann das optische Absorptionsspektrometer weiter in seiner Designkomplexität und seinem kompakten Formfaktor vereinfacht werden, und die Kosten können weiter gesenkt werden. Dadurch können diese Systeme insbesondere für den Einmalgebrauch bei groß angelegten Multiparameter-Tests eingesetzt werden.
Außerdem kann das Probengehäuse auf der Grundlage eines Trägers 212 implementiert werden. Der Lichtwellenleiter kann zum Beispiel auf dem Träger angeordnet oder integraler Bestandteil des Trägers sein. Somit kann das Probengehäuse als Teil des Lichtwellenleiters betrachtet werden oder diesen umfassen. Mit anderen Worten können die Probenzellen auch als Eingangsseite oder Ausgangsseite des Lichtwellenleiters dienen, wobei eine oder mehrere Lichtquellen und/oder ein oder mehrere Spektralsensoren mit den Probenzellen verbunden sind. Das Gehäuse verhindert ein optisches Übersprechen zwischen den optischen Kanälen.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein optisches Extinktionsspektrometer. Das optische Extinktionsspektrometer 100 umfasst ein Probengehäuse 200, Lichtquellen 300, 301, 302, 303 und einen Spektralsensor 400. Die Ausführungsform von 2 ist eine Designalternative und unterscheidet sich von der Ausführungsform von 1 in der Ausführung der Eingangsseite 210.
Die Eingangsseite des Lichtwellenleiters 205 umfasst eine Anzahl von Abschnitten, die der Anzahl der Probenzellen entspricht. In diesem Beispiel umfasst der Lichtwellenleiter vier Abschnitte 206, 207, 208, 209, die vier Lichtquellen 300, 301, 302 und 303 optisch mit vier Probenzellen 201, 202, 203 und 204 verbinden. Diese Abschnitte können von den Probenzellen getrennt sein, z.B. eingerichtet als Zwischenmittel zur optischen Verbindung der Lichtquellen mit den Probenzellen. Sie können zum Beispiel auch durch Koppeloptiken oder durch einen optisch transparenten Klebstoff implementiert werden. Die Probenzellen können jedoch direkt mit den Lichtquellen verbunden sein und somit als Eingangsseite des Lichtwellenleiters fungieren.
Das alternative Design in 2 basiert auf vier Lichtquellen, eine für jeden Abschnitt oder jede Probenzelle, anstelle einer einzigen Lichtquelle wie bei der Implementierung in 1.
Bei der Verwendung enthalten eine oder mehrere der Probenzellen eine Probe. Ein möglicher Ablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie wird im Folgenden näher erläutert. Grundsätzlich liefern die Lichtquellen 300, 301, 302 und 303 jeweils einen Strahl emittierten breitbandigen Lichts, die in die Abschnitte des Lichtwellenleiters 205 eingekoppelt werden. Die Lichtstrahlen werden durch die Abschnitte geführt und durchlaufen eine bestimmte der Probenzellen in optisch isoliertem Verguss zueinander. Nach dem Durchlaufen einer Probenzelle werden die Strahlen mit Hilfe der Ausgangsseite 211 gesammelt und aus dem Lichtwellenleiter herausgeführt. Die Strahlen werden aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und das Licht wird schließlich vom Spektralsensor 400 empfangen. Die Intensität des empfangenen Lichts oder des empfangenen Lichtstrahls wird bei mehreren Wellenlängen detektiert.
Die Implementierung des optischen Extinktionsspektrometers, das mit Bezug auf 2 erörtert wird, ermöglicht es, den folgenden Arbeitsablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie zu etablieren.
Arbeitsablauf 3

1. Zuerst messen der Intensität des transmittierten Lichts der leeren (oder vorbereiteten) Probenzellen, wenn alle Probenzellen leer sind (oder befüllt mit einem bekannten Lösungsmittel, z.B. dem Lösungsmittel, das zur Vorbereitung der zu messenden Probe verwendet wird).
2. Befüllen der ersten Probenzelle mit einer ersten Probe.
3. Messen der Lichttransmission der ersten Probenzelle mit eingeschalteter erster Lichtquelle und ausgeschalteten anderen Lichtquellen.
4. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als erstes Transmissionsspektrum.
5. Befüllen der zweiten Probenzelle mit einer zweiten Probe.
6. Messen der Lichttransmission der zweiten Probenzelle mit eingeschaltetem zweiten Licht und ausgeschalteten anderen Lichtquellen.
7. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als zweites Transmissionsspektrum.
8. Befüllen der dritten Probenzelle mit einer dritten Probe.
9. Messen der Lichttransmission der dritten Probenzelle mit eingeschalteter dritter Lichtquelle und ausgeschalteten anderen Lichtquellen.
10. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als drittes Transmissionsspektrum.
11. Befüllen der vierten Probenzelle mit einer vierten Probe.
12. Messen der Lichttransmission der vierten Probenzelle mit eingeschalteter vierter Lichtquelle und ausgeschalteten anderen Lichtquellen.
13. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als viertes Transmissionsspektrum.
14. Berechnen der Extinktion aus der gespeicherten gemessenen Transmission.
15. Erledigt.

In einer Alternative zu Arbeitsablauf 3 können alle Probenzellen gemeinsam gefüllt werden. Dann werden die Schritte 3 und 4, 6 und 7, 9 und 10 sowie 12 und 13 ausgeführt. Schließlich wird die Extinktion aus den gespeicherten gemessenen Transmissionen (oder Transmissionsspektren) berechnet. Die Alternative kann auch mit den Schritten 1 bis 15 von Arbeitsablauf 3 kombiniert werden.
Es sind einige Alternativen möglich bezüglich der Reihenfolge, in der Dinge ausgeführt werden: z.B. indem die leere Probe kurz vor dem Befüllen gemessen und dann erneut gemessen wird.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Extinktionsspektrometers. Das optische Extinktionsspektrometer 100 umfasst ein Probengehäuse 200, eine Lichtquelle 300 und Spektralsensoren 400, 401, 402, 403. Die Ausführungsform in 3 ist eine weitere Designalternative und unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform durch die Implementierung der Ausgangsseite 211.
Die Eingangsseite ist auf die gleiche Weise wie in 1 implementiert. Somit umfasst die Eingangsseite des Lichtwellenleiters 205 eine Anzahl von Abschnitten, die der Anzahl der Probenzellen entspricht. In diesem Beispiel umfasst der Lichtwellenleiter vier Abschnitte 206, 207, 208, 209, die die Lichtquelle 300 optisch mit den Probenzellen 201, 202, 203 und 204 verbinden.
Die Ausgangsseite des Lichtwellenleiters 205 umfasst eine Reihe von Abschnitten, die den Probenzellen entsprechen. In diesem Beispiel gibt es vier Abschnitte 226, 227, 228, 229, die vier Probenzellen 201, 202, 203 und 204 optisch mit vier Spektralsensoren 400, 401, 402 und 403 verbinden. Diese Abschnitte können von den Probenzellen getrennt sein, z.B. eingerichtet als Zwischenmittel zur optischen Verbindung der Spektralsensoren mit den Probenzellen. Dies kann zu Beispiel durch eine Koppeloptik oder durch einen optisch transparenten Klebstoff erreicht werden. Die Probenzellen können jedoch auch direkt mit den Spektralsensoren verbunden sein und somit als Ausgangsseite des Lichtwellenleiters dienen.
Das alternative Design von 3 basiert auf vier Spektralsensoren, einen für jeden Abschnitt oder jede Probenzelle, anstelle eines einzelnen Spektralsensors wie in 1.
Bei der Verwendung enthalten eine oder mehrere der Probenzellen eine Probe. Ein möglicher Ablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie wird im Folgenden näher erläutert. Grundsätzlich stellt die Lichtquelle 300 einen Strahl emittierten breitbandigen Lichts bereit, der in die Abschnitte des Lichtwellenleiters 205 eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl wird in Teilstrahlen aufgeteilt, die durch die Abschnitte geführt werden und eine bestimmte Probenzelle durchlaufen. Nach dem Passieren einer Probenzelle werden die Strahlen optisch voneinander isoliert aus dem Lichtwellenleiter geführt und schließlich von den Spektralsensoren 400, 401, 402 und 403 empfangen. Die Intensität des empfangenen oder des empfangenen Lichtstrahls wird bei mehreren Wellenlängen detektiert.
Die Implementierung des optischen Extinktionsspektrometers, das mit Bezug auf 3 erörtert wird, ermöglicht es, den folgenden Arbeitsablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie zu etablieren.
Arbeitsablauf 4

1. Leeren aller Probenküvetten (oder befüllen mit einem bekannten Lösungsmittel, z.B. dem Lösungsmittel, das zur Vorbereitung der zu messenden Probe verwendet wird).
2. Messen eines Satz von Transmissionsspektren mit den Spektralsensoren mit allen so vorbereiteten Probenzellen. Speichern des Satzes als Referenztransmission.
3. Messen der Lichttransmission der ersten Probenzelle mit dem ersten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als erstes Referenztransmissionsspektrum.
4. Messen der Lichttransmission der zweiten Probenzelle mit eingeschaltetem zweiten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als zweites Referenztransmissionsspektrum.
5. Messen der Lichttransmission der dritten Probenzelle mit eingeschaltetem dritten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als drittes Referenztransmissionsspektrum.
6. Messen der Lichttransmission der vierten Probenzelle mit eingeschaltetem vierten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als viertes Referenztransmissionsspektrum.
7. Befüllen Sie alle Probenzellen mit Proben.
8. Messen der Lichttransmission der ersten Probenzelle mit dem ersten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als erstes Transmissionsspektrum.
9. Messen der Lichttransmission der zweiten Probenzelle mit eingeschaltetem zweiten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als zweites Transmissionsspektrum.
10. Messen der Lichttransmission der dritten Probenzelle mit eingeschaltetem dritten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als drittes Transmissionsspektrum.
11. Messen der Lichttransmission der vierten Probenzelle mit eingeschaltetem vierten Spektralsensor und ausgeschalteten anderen Spektralsensoren. Speichern der gemessenen Transmission als viertes Transmissionsspektrum.
12. Berechnen der Extinktion aus den gespeicherten Transmissionsspektren unter Verwendung der jeweiligen gespeicherten Referenztransmissionsspektren als Referenz.
13. Erledigt.

Die Spektralsensoren müssen nicht „ausgeschaltet“ sein, d.h. nicht aktiv messend. Wenn beispielsweise die Kanäle optisch gut isoliert sind, kann der Spektralsensor gleichzeitig Messungen durchführen. Außerdem sind einige Alternativen in der Reihenfolge der Verfahrensschritte möglich, z.B. indem eine leere Probenzelle kurz vor dem Befüllen gemessen und erneut gemessen wird.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Extinktionsspektrometers. Das optische Extinktionsspektrometer 100 umfasst ein Probengehäuse 200, eine Lichtquelle 300 und einen Spektralsensor 400. Dieses Design kann als Alternative von 1 mit Verwendung einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Spektralsensor betrachtet werden.
Das Probengehäuse 200 umfasst einen Träger, der den Lichtwellenleiter 205 umfasst. Der Träger ist aus einem optisch transparenten Material hergestellt und kann zumindest an einigen Außenflächen optisch undurchsichtig sein, um jegliches optisches Übersprechen in den Träger zu verhindern. Die Probenzellen sind in dem Träger entlang einer Hauptachse 213 angeordnet.
Die Eingangsseite 210 umfasst eine erste Montagestelle 218 zur Befestigung der Lichtquelle 300. Die erste Montagestelle ist dazu eingerichtet, einen von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl in den Lichtwellenleiter (oder Träger) zu lenken und einzukoppeln und diesen Strahl auf eine erste Probenzelle zu richten.
Der Träger umfasst ferner eine Vielzahl von Reflektoren 214, 215, die entlang einer ersten und zweiten Oberfläche 216, 217 angeordnet sind. Die erste und die zweite Oberfläche sind im Wesentlichen parallel zur Hauptachse 213 und einander gegenüberliegend. Die Reflektoren 214, 215 sind dazu eingerichtet, Licht so zu reflektieren, dass das Licht die Probenzellen mehrfach durchläuft.
Die Ausgangsseite 211 umfasst eine zweite Befestigungsstelle 219, um den Spektralsensor 400 anzubringen. Die zweite Befestigungsstelle ist dazu eingerichtet, einen Lichtstrahl aus dem Lichtwellenleiter (oder Träger), der z.B. von einem letzten Reflektor empfangen wird, auszukoppeln und auf den Spektralsensor zu richten.
Die Reflektoren können auf unterschiedliche Weise implementiert werden. In der Zeichnung sind die Reflektoren z.B. als Zickzacklinien dargestellt. Auf diese Weise fungieren die Reflektoren als „Spiegel“, um den Strahl durch den Lichtwellenleiter zu lenken. Die Reflektoren können mit einem reflektierenden Material beschichtet sein, um die Reflektivität zu erhöhen. Außerdem kann ein Material des Sensorgehäuses und/oder des Lichtwellenleiters, z.B. einschließlich der Reflektoren, das als „inneres“ Medium betrachtet wird, einen höheren Brechungsindex haben als das „äußere“ Medium (das unter normalen Betriebsbedingungen Luft ist). Die Reflektoren sind so angeordnet, dass sie einen Winkel zueinander einschließen, der eine Totalreflexion ergibt. In einigen Ausführungsformen können die Reflektoren neben der Strahlführung zusätzliche optische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können die Reflektoren eine Form haben, die den Strahl formt, während er durch den Lichtwellenleiter läuft. Auf diese Weise kann eine Strahldivergenz verringert oder der Strahl kollimiert werden. Die Reflektoren sind zum Beispiel konkav oder parabolisch. Mit Hilfe der Reflektoren wird der Strahl innerhalb des Lichtwellenleiters mehrfach reflektiert. Dieser Aufbau wird als kreisförmiger Aufbau bezeichnet.
Bei der Verwendung enthalten eine oder mehrere der Probenzellen eine Probe. Ein möglicher Ablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie wird im Folgenden näher erläutert. Grundsätzlich stellt die Lichtquelle 300 einen Strahl emittierten breitbandigen Lichts bereit, der über die Eingangsseite 210 in den Lichtwellenleiter 205 eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl wird in den Lichtwellenleiter und durch eine erste Probenzelle geleitet. Tatsächlich wird der Strahl nicht wie bei anderen Ausführungsformen durch Abschnitte in Teilstrahlen aufgeteilt. Nach dem Durchgang durch die erste Probenzelle wird der Strahl auf einen ersten Reflektor gelenkt. Der Strahl wird von diesem ersten Reflektor reflektiert und durchläuft erneut durch die erste Probenzelle zu einem zweiten Reflektor, wo der Strahl erneut reflektiert wird. Auf diese Weise wird der Strahl innerhalb der ersten Probenzelle mehrfach reflektiert. Ein letzter Reflektor, der mit der ersten Probenzelle assoziiert ist, reflektiert und lenkt den Strahl dann durch die zweite Probenzelle, wo der Strahl erneut mehrfach durch das Zellvolumen reflektiert wird. Dies gilt für alle Probenzellen und ihre entsprechenden Reflektoren, bis der Strahl schließlich einen letzten Reflektor erreicht, der dazu eingerichtet ist, den Strahl auf den Spektralsensor am zweiten Montageort 219 zu richten. Der Strahl wird mittels der Ausgangsseite 211 gesammelt und aus dem Lichtwellenleiter herausgeführt, d.h. der Strahl wird aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und das Licht wird schließlich vom Spektralsensor 400 empfangen. Die Intensität des empfangenen Lichts oder des empfangenen Lichtstrahls wird bei mehreren Wellenlängen detektiert.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Extinktionsspektrometers. Das optische Extinktionsspektrometer 100 umfasst ein Probengehäuse 200, eine Lichtquelle 300 und einen Spektralsensor 400. Dieses Design kann als Alternative von 1 mit Verwendung einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Spektralsensor betrachtet werden.
Die Probenzellen sind entlang einer Hauptachse 213 so angeordnet, dass sie einen Streifen von Probenzellen bilden.
Dieses Design kann als linear betrachtet werden. Der Lichtwellenleiter ist ebenfalls entlang der Hauptachse angeordnet. Die Eingangsseite 210 ist optisch mit der Lichtquelle 300 verbunden. Die Ausgangsseite 211 ist optisch mit dem Spektralsensor 400 verbunden. Die Probenzellen sind über den Lichtwellenleiter, d.h. über Zwischenabschnitte, optisch miteinander verbunden. Auf diese Weise gibt es einen direkten optischen Weg (oder linearen Weg), der die Lichtquelle, die Eingangsseite, die Probenzellen, die Ausgangsseite und den Spektralsensor miteinander verbindet.
Anstatt die Probenzellen linear anzuordnen, können sie auch gerollt oder gefaltet werden, und die Strahlen werden mit Hilfe von Reflektoren durch die Zellen geleitet. Der Lichtwellenleiter kann auch eine Hohlfaser oder ein hohler Hohllichtleiter sein, die von Reflektoren umgeben sind. Im Allgemeinen können die Probenzellen (oder Küvetten) in einer Ebene liegen, aber auch in verschiedenen Ebenen, z.B. übereinander angeordnet sein. So durchläuft z.B. das gefaltete Hohlrohr mehrere Ebenen.
Bei der Verwendung enthalten eine oder mehrere der Probenzellen eine Probe. Ein möglicher Ablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie wird im Folgenden näher erläutert. Grundsätzlich stellt die Lichtquelle 300 einen Strahl emittierten breitbandigen Lichts bereit, der über die Eingangsseite 210 in den Lichtwellenleiter 205 eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl passiert die Probenzellen und wird über die Ausgangsseite 211 gesammelt und aus dem Lichtwellenleiter herausgeführt. Die Strahlen werden aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und das Licht wird schließlich vom Spektralsensor 400 empfangen. Die Intensität des empfangenen Lichts oder des empfangenen Lichtstrahls wird bei mehreren Wellenlängen detektiert. Diese Implementierung ist eine Alternative zu den in den 1 und 4 beschriebenen und benötigt ebenfalls nur eine einzige Lichtquelle und einen einzigen Spektralsensor, ermöglicht aber die Messung mehrerer Probenzellen parallel oder in Reihe.
Die mit Bezug auf 4 oder 5 erörterten Implementierungen des optischen Extinktionsspektrometers ermöglichen es, den folgenden Arbeitsablauf eines Verfahrens der optischen Extinktionsspektrometrie zu etablieren.
Arbeitsablauf 5

1. Messen der Lichttransmission aller leeren (oder mit einem bekannten Lösungsmittel, z.B. dem Lösungsmittel, das zur Vorbereitung der zu messenden Probe verwendet wird, befüllten) Probenzellen.
2. Befüllen der ersten Probenzelle mit der ersten Probe.
3. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
4. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als erstes Transmissionsspektrum.
5. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand des gespeicherten Transmissionsspektrums.
6. Befüllen der zweiten Probenküvette mit der Probe.
7. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
8. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als zweites Transmissionsspektrum.
9. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand der gespeicherten Transmissionsspektren.
10. Befüllen der dritten Probenzelle mit der Probe.
11. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
12. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als drittes Transmissionsspektrum.
13. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand der gespeicherten Transmissionsspektren.
14. Befüllen der vierten Probenzelle mit der Probe.
15. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
16. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als viertes Transmissionsspektrum.
17. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand der gespeicherten Transmissionsspektren.
18. Erledigt

Bei diesem Arbeitsablauf wird die Probe im Laufe des Verfahrens zu den Probenzellen hinzugefügt. Dadurch addieren sich die Beiträge der Proben. Beispielsweise enthält in Schritt 7 die gemessene Lichttransmission aller Probenzellen Beiträge der ersten und der zweiten Probenzelle, und folglich auch die gespeicherte gemessene Transmission, z.B. das zweite Transmissionsspektrum. Zur Berechnung der Extinktion können die Beiträge isoliert werden, z.B. durch Bildung einer Differenz auf der Grundlage des ersten und zweiten Transmissionsspektrums. Diese Idee lässt sich entsprechend auf die anderen Probenzellen übertragen. Die sich ergebenden Spektren können auch um ein Referenzspektrum korrigiert werden, das darauf basiert, dass alle Probenzellen leer sind.
Ein alternativer Arbeitsablauf kann die folgenden Schritte umfassen (Hinweis: Die Reihenfolge des Befüllens ist frei wählbar):
Arbeitsablauf 6

1. Messen der Lichttransmission aller leeren (oder mit einem bekannten Lösungsmittel, z.B. dem Lösungsmittel, das zur Vorbereitung der zu messenden Probe verwendet wird, befüllten) Probenzellen.
2. Befüllen der ersten Probenzelle mit der ersten Probe.
3. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
4. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als erstes Transmissionsspektrum.
5. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand des gespeicherten Transmissionsspektrums.
6. Leeren der ersten Probenzelle.
7. Befüllen der zweiten Probenküvette mit der Probe.
8. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
9. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als zweites Transmissionsspektrum.
10. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand des gespeicherten Transmissionsspektrums.
11. Leeren der zweiten Probenzelle.
12. Befüllen der dritten Probenzelle mit der Probe.
13. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
14. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als drittes Transmissionsspektrum.
15. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand des gespeicherten Transmissionsspektrums.
16. Leeren der dritten Probenzelle.
17. Befüllen der vierten Probenzelle mit der Probe.
18. Messen der Lichttransmission aller Probenzellen.
19. Speichern der gemessenen Transmission, z.B. als viertes Transmissionsspektrum.
20. Berechnen der Extinktion der ersten Probe anhand des gespeicherten Transmissionsspektrums.
21. Leeren der vierten Probenküvette (nicht erforderlich, wenn Einweg) .
22. Erledigt

Dieser alternative Arbeitsablauf macht die Aufnahme von Differenzspektren überflüssig. Aufgrund der zwischenzeitlichen Entleerung addieren sich die Beiträge der Proben nicht, und die aufgezeichneten Transmissionsspektren sind nur indikativ für die jeweils gemessene Probe.
Obwohl diese Beschreibung viele Einzelheiten enthält, sollten diese nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung oder dessen, was beansprucht werden kann, ausgelegt werden, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform realisiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben werden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Ebenso gilt, dass, obwohl die Vorgänge in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, dies nicht so zu verstehen ist, dass diese Vorgänge in der gezeigten Reihenfolge oder in aufeinanderfolgender Reihenfolge ausgeführt werden müssen, oder dass alle dargestellten Vorgänge ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Dennoch können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne dass Geist und Umfang der Erfindung beeinträchtigt werden. Dementsprechend fallen auch andere Ausführungsformen in den Umfang der Ansprüche. Die folgenden Aspekte können Beispiele für mögliche Variationen oder Modifikationen der mit Bezug auf die Figuren diskutierten Ausführungsformen aufzeigen.
So kann beispielsweise das Volumen der Probenzellen für alle Probenzellen im Wesentlichen gleich sein. Mit dem Begriff „Probenzelle“ ist oben beabsichtigt, ein Volumen zu meinen, das bei Verwendung zur Aufnahme einer Probe, z.B. einer Flüssigkeit oder eines Gases, geeignet ist.
Eine oder mehrere Lichtquellen können auf eine bestimmte Wellenlänge eingestellt werden, und der Spektralsensor kann Photonen bei jeder Wellenlänge detektieren. Dies kann zum Beispiel verwendet werden, um ein bestimmtes bekanntes Molekül zu detektieren, das bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Der Spektralsensor kann zum Beispiel eine Einzelphotonen-Lawinenphotodiode sein.
Eine oder mehrere der Lichtquellen können auf bestimmte Wellenlängen einstellbar sein (z.B. eine einstellbare LED oder ein Festkörperlaser, ein einstellbarer VCLSEL-Laser), und der/die Spektralsensor(en) kann/können Photonen bei jeder Wellenlänge detektieren. Der/die Spektralsensor(en) kann/können zum Beispiel eine Einzelphotonen-Lawinenphotodiode sein.
Der von der (den) Lichtquelle(n) erzeugte Lichtstrahl kann kontinuierlich sein. Der Lichtstrahl kann jedoch moduliert werden, z.B. unter Verwendung eines akusto-optischen Modulators oder durch Modulation eines Stroms, der der (den) Lichtquelle(n) zugeführt wird. Die Modulation des Lichtstrahls kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des optischen Extinktionsspektrometers verbessern, z.B. durch phasenstarre Detektion.
Ein optisches Extinktionsspektrometer gemäß dem vorgeschlagenen Konzept kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich der analytischen Chemie oder der Erfassung medizinischer Proben, z.B. von Flüssigkeitsproben aus dem Körper eines Menschen oder eines Tieres. Andere Anwendungen betreffen Umwelterfassung, z.B. von Fluss-, Teich-, Meer- oder Trinkwasser, oder Probenahmen in der Lebensmittel- oder Getränkeherstellung. Eine weitere Anwendung betrifft Messungen zu Hause, z.B. von Wasser in einem Swimmingpool oder der Wasserqualität im Allgemeinen.
Das vorgeschlagene optische Extinktionsspektrometer kann mit einer ausreichend niedrigen Leistung arbeiten, um mit einer oder mehreren Batterien (z.B. herkömmlichen Batterien) betrieben zu werden. Ausführungen des Extinktionsspektrometers können ausreichend klein sein, dass sie von einem Benutzer transportiert werden können. Ausführungsformen des optischen Extinktionsspektrometers können ausreichend klein sein, dass sie von einem Benutzer getragen werden können (z.B. an einem Handgelenkband).
Ausführungsformen des Extinktionsspektrometers können Einwegartikel sein, z.B. einschließlich der Lichtquelle(n) und/oder des Spektralsensors/der Spektralsensoren. In einigen Ausführungsformen kann jedoch auch nur das Probengehäuse wegwerfbar sein. In diesem Fall können die Lichtquelle(n) und/oder der/die Spektralsensor(en) als spezielle Module bereitgestellt werden, z.B. als ein Gehäuse für Lichtquelle und Sensor, das an das Probengehäuse montiert werden kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Lichtquelle und der Sensor mit dem 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/den Spektralsensor(en) können dazu eingerichtet sein, Licht bei bestimmten gewünschten Wellenlängen zu detektieren (z.B. Wellenlängen, von denen bekannt ist, dass sie von den interessierenden Molekülen absorbiert werden). Das beschriebene Beispiel einer 4x4-Anordnung von Photodioden sollte nur als Beispiel betrachtet werden. Der Spektralsensor kann auch eine andere Anordnung aufweisen, z.B. mit 4 oder mehr Photodioden, 16 oder mehr Photodioden, z.B. 64 oder mehr Photodioden. Im Allgemeinen kann der Sensor eine Vielzahl von Photodioden oder jede andere Art von Lichtsensor aufweisen. Die Photodioden oder Lichtsensoren können dazu eingerichtet sein, Licht verschiedener Wellenlängen zu detektieren (z.B. durch Bereitstellen von Filtern über den Photodioden oder Lichtsensoren).
In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann das von der Lichtquelle abgegebene Licht mit Hilfe einer Blende oder einer Koppeloptik (nicht dargestellt) in einen Lichtstrahl umgewandelt werden. Dies ist eine kostengünstige Methode zur Erzeugung des Lichtstrahls. Es kann jedoch auch jedes andere geeignete Strahlformungselement, wie beispielsweise eine Linse, ein Schlitz oder eine Lochblende, verwendet werden.
Das optische Extinktionsspektrometer kann einen Prozessor, z.B. einen Mikroprozessor, und einen Speicher aufweisen. Der Speicher kann dazu eingerichtet sein, die vom Spektralsensor empfangenen Ausgangswerte zu speichern. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, die gespeicherten Ausgangswerte zu analysieren und Spitzen in der Transmission zu identifizieren, die auf das Vorhandensein eines interessierenden Moleküls hinweisen.
Die Arbeitsabläufe können durch eine Kalibrierung des optischen Extinktionsspektrometers ergänzt werden. Zum Beispiel kann Licht von der Lichtquelle emittiert und die Ausgangswerte des Spektralsensors gespeichert werden, z.B. mit einer bekannten Kalibriersubstanz in den Probenzellen. Danach kann die Probe eingeführt und die Extinktionsspektrometriemessung gemäß einem der oben beschriebenen Arbeitsabläufe durchgeführt werden, wobei die bei der Kalibrierung erhaltenen Ausgangswerte berücksichtigt werden.
Eine alternative Kalibrierung kann verwendet werden, wenn das Probengehäuse von anderen Teilen des optischen Extinktionsspektrometers abnehmbar ist. Ein Probengehäuse mit einer Referenzlösung, z.B. einer Pufferlösung, kann zur Ermittlung der Ausgangswerte verwendet werden. Dieses Probengehäuse kann dann entfernt und durch ein Probengehäuse mit einer zu analysierenden Probe ersetzt werden. Auch hier können bei der Extinktionsspektrometriemessung die Ausgangswerte berücksichtigt werden, die erhalten wurden, als sich die Referenzlösung im Probengehäuse befand.
Das Probengehäuse kann als Küvette bezeichnet werden (obwohl es ein Volumen aufweist, das kleiner ist als eine herkömmliche Küvette.
Bezugszeichenliste

100: optisches Extinktionsspektrometer
200: Probengehäuse
201 bis 204: Probezelle
205: Lichtwellenleiter
206 bis 209: Abschnitt (des Lichtwellenleiters)
210: Eingangsseite
211: Ausgangsseite
212: Träger
213: Hauptachse
214: Reflektoren
215: Reflektoren
216: Oberfläche
217: Oberfläche
218: erste Montagestelle
219: zweite Montagestelle
226 bis 229: Abschnitt (des Lichtwellenleiters)
300 bis 303: Lichtquelle
400 bis 403: Spektralsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020201327269 [0002]

Claims

Optisches Extinktionsspektrometer (100] umfassend ein Probengehäuse (200), eine Lichtquelle (300) und einen Spektralsensor (400), wobei: - das Probengehäuse (200) mindestens zwei Probenzellen (201, 202, 203, 204) umfasst, die dazu eingerichtet sind, jeweils eine Probe aufzunehmen, und einen Lichtwellenleiter (205) umfasst, der dazu eingerichtet ist, Licht von einer Eingangsseite (210) durch die Probenzellen zu einer Ausgangsseite (211) zu führen, - die Lichtquelle (300) so betreibbar ist, dass sie breitbandiges Licht emittiert, und mit der Eingangsseite (210) verbunden ist, um emittiertes Licht in den Lichtwellenleiter (205) einzukoppeln, und - der Spektralsensor (400) mit der Ausgangsseite (211) verbunden und so betreibbar ist, dass er Licht von dem Lichtwellenleiter (205) empfängt und die Intensität des empfangenen Lichts bei mehreren Wellenlängen detektiert.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß Anspruch 1, umfassend eine einzige Lichtquelle (300).
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, umfassend einen einzigen Spektralsensor (400).
Optisches Extinktionsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend einen oder mehrere Reflektoren (214, 215), die dazu eingerichtet sind, Licht so zu reflektieren, dass das Licht die Probenzellen mehrfach durchläuft.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei - die Lichtquelle (300) dazu eingerichtet ist, einen Strahl von emittiertem Breitbandlicht bereitzustellen, und - sich der Lichtstrahl entlang des Lichtwellenleiters (205) von der Eingangsseite (210) durch eine oder mehrere der Probenzellen (201, 202, 203, 204) zur Ausgangsseite (211) fortbewegt.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß Anspruch 5, wobei die Lichtquelle (300) und die Reflektoren (214, 215) so eingerichtet sind, dass der Lichtstrahl die Probenzellen (201, 202, 203, 204) mehrfach kreuzt, während der Lichtstrahl sich entlang der Probenzellen fortbewegt.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei: - der Lichtwellenleiter (205) dazu eingerichtet ist, den Lichtstrahl in Teillichtstrahlen aufzuteilen, und - jeder Teillichtstrahl eine bestimmte der Probenzellen (201, 202, 203, 204) durchläuft.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der Lichtstrahl alle Probenzellen (201, 202, 203, 204) durchläuft.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend ein Mikrofluidiksystem, betreibbar zum Befüllen und Entleeren der Probenzellen (201, 202, 203, 204) mit einer Probensubstanz.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß Anspruch 9 ferner umfassend einen integrierten Schaltkreis, der so betreibbar ist, dass er den Betrieb der Lichtquelle (300), des Mikrofluidiksystems und/oder des Spektralsensors (400) steuert, und/oder eine Steuerung wird durch das Mikrofluidiksystem ausgelöst.
Optisches Extinktionsspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Probenzellen (201, 202, 203, 204) ein Volumen von weniger als 10 pl haben.
optisches Extinktionsspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Lichtwellenleiter (205) einen Hohllichtleiter und/oder eine optische Faserstruktur umfasst.
Optisches Bauelement umfassend: - ein optisches Extinktionsspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, - ein Wirtssystem, wobei das Wirtssystem ein Mobilgerät, ein Labormessgerät, ein Einwegsystem, ein bedarfsorientiertes System oder ein System umfasst, das so betreibbar ist, dass es Messdaten an ein Mobiltelefon oder einen PC oder einen Laptop oder ein Tablet oder eine Uhr überträgt.
Verfahren zur optischen Extinktionsspektrometrie, umfassend die Schritte: - Bereitstellen von Proben in mindestens zwei Probenzellen (201, 202, 203, 204) eines Probengehäuses (200), wobei das Probengehäuse einen Lichtwellenleiter (205) umfasst, - Leiten von breitbandigem Licht von einer Eingangsseite (210) des Lichtwellenleiters (205) durch die Probenzellen (201, 202, 203, 204) zu einer Ausgangsseite (211) des Lichtwellenleiters (205), und - Detektieren der Intensität des Lichts bei mehreren Wellenlängen, nachdem das Licht die Proben in den Probenzellen (201, 202, 203, 204) angeregt hat.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei: - die Proben in Reihe oder parallel durch Befüllen und/oder Entleeren der Probenzellen (201, 202, 203, 204) bereitgestellt werden, und - Extinktionsspektren aus der detektierten Intensität des Lichts bei mehreren Wellenlängen berechnet werden, insbesondere aus Transmissionsspektren berechnet werden.