DE19947651C2 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Ablagerung biologischen Materials auf einer Oberfläche einer Meßzelle - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung einer Ablagerung biologischen Materials auf einer Oberfläche einer Meßzelle

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Ablagerung biologischen Materials auf einer Oberfläche einer Messzelle, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Lichtquelle enthält, die so angeordnet ist, dass von ihr ausgesandtes Licht auf die Oberfläche trifft.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Ablagerung biologischen Materials auf einer Oberfläche einer Messzelle, wobei Licht auf die Ablagerung fällt und getrennte Bestandteile des Lichts ermittelt werden.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren sind in der Europäischen Patentschrift EP 0 557 652 B1 dargestellt. Bei dem gattungsgemäßen Verfahren wird zu einer Überwachung von Filmbildnern ein Segment in eine Flüssigkeit eingetaucht, so dass sich anschließend ein Biofilm auf einer Oberfläche des Substrats bildet und dass anschließend das Substrat aus der Flüssigkeit entfernt wird, wobei nach dem Entfernen des Substrats aus der Flüssigkeit ein Ausmaß der Bedeckung der Oberfläche mit dem Biofilm ermittelt wird. Die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren eignen sich nicht für eine In-Situ-Überwachung der Bildung von Biofilmen.
Die US 5,796,487 zeigt eine im Prinzip gleichermaßen funktionierende Vorrichtung des gleichen Anmelders.
Die Schrift US 4,945,254 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die Zunahme der Schichtdicke und die Qualität der Gleichmäßigkeit der Oberfläche, insbesondere von Halbleitern im Nanometerbereich, ermitteln. Hierzu wird ein Lichtstrahl auf eine zu beschichtende Oberfläche gerichtet und das gestreute Licht in einem Nichtreflexionswinkel detektiert.
In der US 5,313,072 Schrift wird eine Vorrichtung offenbart, welche dazu geeignet ist, Schmutz auf einer Windschutzscheibe zu detektieren und nach dem Ausmaß der Verunreinigung die Frequenz der Scheibenwischanlage zu verändern. Zu diesem Zweck wird Licht auf die Windschutzscheibe gerichtet, welches die Scheibe entweder durchtritt, wonach die Transmission gemessen wird, oder welches an der Scheibe mit den Verunreinigungen reflektiert wird, wobei das reflektierte Licht detektiert wird.
Die DE 198 52 187 A1 offenbart ein Sputterverfahren und eine -Vorrichtung mit optischer Überwachung, bei denen ein Lichtstrahl auf ein Substrat projiziert wird und durch einen optischen Durchtritt in der Sputter-Quellen-Anordnung tritt. Die DE 41 06 313 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Menge, beziehungesweise der Schichtdicke eines Fluids, bei dem ein Fluoreszenzmittel eingesetzt wird, dessen Floureszenzstrahlung gemessen wird. Mit diesem Verfahren kann die Schichtdicke eines Fluids auf Druckmaschinen bestimmt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit möglichst geringem Aufwand herstellbare Vorrichtung zur Untersuchung der Bildung von Biofilmen zu schaffen. Insbesondere soll die Vorrichtung sich zu einer In-Situ-Analyse eines Ausmaßes der Bedeckung mit dem Biofilm eignen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung wenigstens einen Lichtempfänger aufweist, wobei Lichtsender und Lichtempfänger so angeordnet sind, dass der Lichtempfänger sich im wesentlichen außerhalb von Transmissionswinkeln und/oder Reflektionswinkeln der Oberfläche in einem unbedeckten Zustand befinden.
Die Erfindung sieht insbesondere vor, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer mikrobiologischen Ablagerung auf einer Oberfläche, mit einer Vorrichtung zur Aufnahme eines die Flüssigkeit oder Teile der Flüssigkeit enthaltenden Behältnisses und mit wenigstens einer Lichtquelle so auszugestalten, dass die Lichtquelle so angeordnet ist, dass von ihr ausgesandtes Licht auf die Oberfläche des Behältnisses trifft und dass die Vorrichtung wenigstens einen Lichtempfänger aufweist und dass Lichtsender und Lichtempfänger so angeordnet sind, dass von dem Lichtsender ausgesandte Lichtstrahlen nicht unmittelbar auf den Lichtempfänger treffen.
Das Gerät eignet sich für In-Situ-Untersuchungen (Online Monitoring) von Ablagerungen auf wenigstens einer Oberfläche. Bei der Ablagerung handelt es sich insbesondere um Biofilme.
Solche Biofilme sind insel- oder filmförmige Ablagerungen bakteriologischen Materials, die sich bilden, wenn eine Flüssigkeit sich in Kontakt mit einer Oberfläche befindet. Bei einer inselförmigen Bedeckung ist nur ein geringer Teil der Oberfläche mit dem Biofilm bedeckt. Insbesondere bei Flüssigkeiten, die in Kontakt mit einer oder mehreren Oberflächen stehen, ist die Bildung von Biofilmen aus hygienischen, geschmacklichen und technischen Gründen unerwünscht. Biofilme können Brutstätten für Bakterien sein.
Die Erfindung ermöglicht es, die Entstehung von Biofilmen in Echtzeit zu untersuchen. Außerdem kann eine dynamische Reaktion der Biofilme auf Umwelteinflüsse, wie Zufuhr von Chemikalien, erfaßt werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß mit ihr bereits inselförmige Ablagerungen, die beispielsweise etwa 2% der Oberfläche als Monolayer bedecken, detektiert werden können.
Eine hundertprozentige Bedeckung bedeutet insbesondere, daß etwa 108 Bakterien/cm2 in einer Modellzelle mit einem Durchmesser von 0,5 µm und einer Länge von 2 µm enthalten sind.
Es ist besonders vorteilhaft, die Vorrichtung so zu gestalten, daß die Meßzelle auswechselbar angeordnet ist.
Hierdurch können Proben für weitere detaillierte Analysen, insbesondere mikroskopische, chemische oder mikrobiologische Analysen entnommen werden.
Die Erfindung sieht ferner vor, ein Verfahren zur Bestimmung einer mikrobiologischen Ablagerung auf einer Oberfläche, wobei Licht auf die Oberfläche fällt und wobei von der Oberfläche reflektierte oder transmittierte Bestandteile des Lichts ermittelt werden, so durchzuführen, daß im wesentlichen solche Anteile des Lichts erfaßt werden, die von auf der Oberfläche befindlichen mikrobiologischen Ablagerung gestreut werden.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Von den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer mikrobiologischen Ablagerung und
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Meßanordnung für die Bestimmung der mikrobiologischen Ablagerung geeigneten Vorrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine Lichtquelle 1, deren Licht über zwei Spiegel 2 auf eine Meßzelle 4 trifft.
Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein Meßsystem mit zwei Bündeln von Lichtstrahlen (double beam system). Das System ist so gestaltet, daß zwei oder mehr Lichtstrahlenbündel entstehen, so daß die optische Effektivität erhöht wird.
Die Meßzelle 4 besteht aus zwei im wesentlichen planparallelen Platten aus einem transparenten Substrat. Die beiden Platten sind in einem gegenüber der Ausdehnung der Platten geringen Abstand zueinander angeordnet. Im Bereich von Randflächen sind die Platten so miteinander verbunden, daß eine Flüssigkeit in der Meßzelle gehalten werden kann, beziehungsweise daß eine Flüssigkeit über einen oder mehrere Ein- und/oder Ausgänge durch die Meßzelle fließen kann.
Die Vorrichtung enthält zwei Lichtempfänger 3 und 5. Der Lichtempfänger 3 befindet sich auf einer gleichen Seite der Meßzelle 4. Der Lichtempfänger 5 befindet sich auf einer der Lichtquelle 1 entgegengesetzten Seite der Meßzelle 4.
Die Meßzelle 4 weist zwei Oberflächen auf, die mit einer Flüssigkeit, die sich in der Meßzelle 4 befindet, in Kontakt stehen. Hierdurch und durch die flache Ausdehnung der Meßzelle wird die mit einem Biofilm bedeckbare Oberfläche der Meßzelle vergrößert. Dadurch wird in Vergleich zu dem Meßsignal, das von der Lichtstreuung an dem auf der Oberfläche der Meßzelle abgelagerten Biofilm stammt, ein mögliches unerwünschtes Signal, das aus dem Volumen kommen könnte, verringert.
Zwischen der Lichtquelle 1 und den Spiegeln 2 befindet sich ein Abdeckschirm 8, der verhindert, daß von der Lichtquelle 1 ausgesandtes Licht direkt oder reflektiert auf einen der Lichtempfänger 3 oder 5 fällt.
Durch eine Anordnung der Lichtempfänger 3 und 5 auf einer Symmetrieachse wird in Verbindung mit einem schrägen Lichteinfall auf die Meßzelle 4 eine direkte Lichteinstrahlung auf die Lichtempfänger 3 und 5 vermieden.
Um eine möglichst gute Handhabbarkeit der Vorrichtung zu erzielen und gegebenenfalls ihren Transport zu ermöglichen, befinden sich die Spiegel 2 und die Meßzelle 4 in einem gemeinsamen Gehäuse.
Die Meßzelle 4 ist in dem Gehäuse 7 auswechselbar angeordnet, so daß weitere Messungen an zusätzlichen Meßzellen mit anderen Ausgangsparametern, beispielsweise vorbehandelten oder unbedeckten Oberflächen, durchgeführt werden können.
Die dargestellte Anordnungsgeometrie ist besonders zweckmäßig, weil bei ihr ein direkter Lichteinfall auf die Lichtempfänger 3 und 5 bei einer möglichst großen Aufnahme von diffus an der Meßzelle gestreuten Lichtanteilen möglich ist.
Die Erfindung läßt sich jedoch auch mit anderen Anordnungen von Lichtsender und einem oder mehreren Lichtempfängern durchführen. Eine Reflektion über einen oder mehrere Spiegel ist zur Vermeidung eines direkten Lichteinfalls in den Lichtempfänger zweckmäßig, jedoch nicht erforderlich.
Die in Fig. 2 dargestellte Meßanordnung enthält einen Lichtsender und einen Lichtempfänger.
Bei der Darstellung handelt es sich um eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung von Anschlüssen an ein Meßsystem, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine durch ihre Einfachheit bevorzugte Anordnung, jedoch kann das in Fig. 1 dargestellte Meßsystem auch in einer anderen Meßanordnung betrieben werden.
Von dem Lichtsender 11 ausgehende Lichtstrahlen treffen auf eine Meßzelle 14 und anschließend auf eine auf einer gegenüberliegenden Seite der Meßzelle 14 befindliche Wand W, voorzugsweise aus einem absorbierenden Material.
Die Meßzelle 14 weist vorzugsweise den gleichen Aufbau auf wie die Meßzelle 4 der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Die Meßzelle 14 ist mit einem Einlaß 24 und einem Auslaß 25 verbunden, wobei in den Einlaß 24 ein Ausgang 26 einer Pumpe 27 über ein Rohr 28 mündet. Der Auslaß 25 der Meßzelle mündet über ein weiteres Rohr 29 in einen Eingang 30 der Pumpe 27.
Die Pumpe ist programmgesteuert und ermöglicht einen kontinuierlichen Flüssigkeitsdurchlauf durch die Meßzelle 14. Die Pumpe ist ferner mit einem Reservoir für eine zu untersuchende Flüssigkeit und einem weiteren Reservoir für eine Referenzflüssigkeit verbunden. Durch eine Variation einer Zufuhr einer zu untersuchenden Flüssigkeit aus dem Reservoir und/oder einer Referenzflüssigkeit aus dem Reservoir sowie einem Auslaß von in den Rohren 29 und 30 befindlicher Flüssigkeit über ein Auslaßventil kann die Zusammensetzung der in die Meßzelle 14 gelangenden Flüssigkeit geändert werden.
Es ist zweckmäßig, daß die Untersuchung des Filmwachstums in der Meßzelle 14 erfolgt und daß ein zu überwachendes Experiment - zum Beispiel Zugaben in die Lösung - an anderen Stellen des Systems, das dem Monitoring unterzogen wird, stattfindet.
Die Pumpe und ihre Ventile sind über eine Steuereinheit regelbar. Die Steuereinheit ist vorzugsweise so gestaltet, daß sie auch den Lichtsender steuert und von dem Fotodetektor 13 detektierte Signale empfängt. Die Steuereinheit ist bevorzugt mit einem Computer verbunden. Die Verbindung zwischen der Steuereinheit und dem Computer erfolgt vorzugsweise über eine digitale Datenleitung, wobei verhältnismäßig geringe Übertragungsraten ausreichen, so daß über geeignete Interfaces eine Standarddatenleitung, beispielsweise eine RS 232-Schnittstelle, eingesetzt werden kann. Der Computer wird mit einem Programm betrieben, das geeignete Meßsequenzen vorsieht und das eine graphische Darstellung der Meßwerte in Echtzeit ermöglicht. Ferner speichert der Computer die aufgenommenen Daten.
Die dargestellten Vorrichtungen können in weiten Anwendungsgebieten eingesetzt werden.
Durch eine In-Situ-Überwachung von Biofilmwachstum innerhalb der Meßzelle 4 beziehungsweise 14 werden Veränderungen der Biofilmbedeckung der Oberflächen rechtzeitig erkannt, so daß entstehende Biofilme entfernt werden können.
Durch die Echtzeiterfassung der Bildung von Biofilmen ist es möglich, die Zugabe von Zusatzstoffen zu der Flüssigkeit so zu steuern, daß der Flüssigkeit gerade so viele Zusatzstoffe zugefügt werden, daß eine Bildung von Biofilmen auf ein Mindestmaß heruntergefahren wird. Eine darüber hinausgehende Zugabe von Zusatzstoffen kann hierdurch vermieden werden.
Durch die Möglichkeit, eine Zusammensetzung der Flüssigkeit schnell zu verändern und/oder die Meßzellen 4 beziehungsweise 14 rasch gegen andere auszutauschen, können die dargestellten Vorrichtungen sowohl in der Industrie als auch in der Forschung eingesetzt werden. Sie eignen sich insbesondere für die Erforschung der Bildung von Biofilmen. Hierbei werden zweckmäßigerweise die Proben vor oder nach der Durchführung der Messung mit weiteren Analysemethoden untersucht.
Die dargestellten Vorrichtungen eignen sich auch für einen Einsatz zur Bestimmung von mikrobiologischen Wirksamkeiten von Stoffen und/oder von Behandlungsvorgängen. So können beispielsweise die Wirksamkeiten von Desinfektionsmitteln oder anderen antibakteriell wirkenden Substanzen untersucht werden. Ein Einsatz in der Pharmaindustrie ist besonders interessant, weil hier ein Bedarf für das Testen der Wirksamkeit von Antibiotika an Biofilmen besteht.
Bezugszeichenliste
1
Lichtquelle
2
Spiegel
3
Lichtempfänger
4
Meßzelle
5
Lichtempfänger
7
Gehäuse
8
Abdeckschirm
11
Lichtsender
13
Fotodetektor
14
Meßzelle
21
Lichtsender
24
Einlaß/Eingang
25
Auslaß/Ausgang
26
Ausgang
27
Pumpe
28
Rohr
29
Rohr
30
Eingang
31
Reservoir
32
Reservoir
33
Auslaßventil
W Wand

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Ablagerung biologischen Materials auf einer Oberfläche einer Meßzelle, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Lichtquelle (1) enthält, die so angeordnet ist, dass von ihr ausgesandtes Licht auf die Oberfläche trifft, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Lichtempfänger (3, 5) aufweist, wobei die Lichtquelle (1) und der Lichtempfänger (3, 5) so angeordnet sind, dass der Lichtempfänger (3, 5) sich im wesentlichen außerhalb von Transmissionswinkeln und/oder Reflektionswinkeln der Oberfläche in einem unbedeckten Zustand befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (3, 5) so angeordnet ist, dass er von der Oberfläche gestreutes Licht empfangen kann.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (5) sich auf einer der Lichtquelle (1) gegenüberliegenden Seite der Meßzelle (4) befindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßzelle (4) auswechselbar angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Lichtempfänger (3, 13) auf der gleichen Seite der Meßzelle (4, 14) befindet wie die Lichtquelle (1, 11).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Lichtquelle (1) gegenüberliegenden Seite eine Wand (W) aus einem absorbierenden Material angeordnet ist.
7. Verfahren zur Bestimmung einer Bedeckung einer Oberfläche mit einer Ablagerung mikrobiologischen Materials auf der Oberfläche, wobei Licht auf die Oberfläche fällt und wobei von der Oberfläche reflektierte und/oder transmittierte Bestandteile des Lichts ermittelt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im wesentlichen solche Anteile des Lichts erfaßt werden, die von dem auf der Oberfläche befindlichen mikrobiologischen Belag gestreut werden.
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