DE3902609A1 - Einrichtung zur automatischen photometrischen analyse kleinster probenmengen - Google Patents

Description

Die Erfindung dient zur automatischen Bestimmung der Transmission (Extinktion) und der Fluoreszenz von vorwiegend flüssigen Proben, insbesondere bei kleinsten Probenmengen unterhalb von ca. 10 µl. Die Gebiete der Anwendung liegen in der Medizin, Veterinärmedizin, Landwirtschaft, der Biologie und Biotechnologie sowie der Chemie.

Bekannte Photometeranordnungen bestehen üblicherweise aus einer Lichtquelle, einem Probenraum mit Probenaufnahme, einem lichtelektrischen Empfänger und einem elektronischen Teil zur Bedienung, Steuerung und Datenauswertung. Häufig ist weiterhin ein spektral selektierendes System integriert. Abbildende Systeme dienen zur Führung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Lichtquelle und dem Empfänger.

Zur Rationalisierung der Analysendurchführung wird die Photometereinheit mit peripheren Geräten verbunden. Das sind:

- Einrichtungen zur Probenvorbereitung
- Einrichtungen zur Zuführung der Probe in das Meßgefäß (Dosiertechnik)
- Einrichtungen zur Zuführung eines oder nacheinander mehrerer Gefäße in den Strahlengang
- Mittel zur Temperierung und
- Einrichtungen zur Entfernung der Probe und Säuberung der Meßgefäße

Das Zusammenwirken der Photometereinheit mit den peripheren Geräten sowie die Meßwertbildung und -auswertung kann durch Mikroprozessoren gesteuert sein, was die automatische Messung mehrerer Proben gestattet.

Der Nachteil der genannten technischen Lösungen besteht darin, daß für den simultanen Nachweis mehrerer gleicher oder ver­ schiedenartiger Proben bzw. für die Automatisierung der Analysen­ durchführung bedeutender gerätetechnischer Aufwand nötig ist. Der Miniaturisierung der Photometereinheit für ihren Einsatz "vor Ort" sind Grenzen gesetzt.

Weiterhin ist es bekannt, in photometrischen Anordnungen die Wechselwirkung von evaneszenten Wellen mit der Probe auszu­ nutzen.

In EP 1 81 291 wird vorgeschlagen, die Strahlung mit einer Lichtleitfaser durch die sich in einer speziellen Küvette befindlichen flüssigen Probe zu führen.

EP 2 06 433 sieht vor, die elektromagnetische Strahlung mittels Totalreflexion in einem Prisma zu führen. Das Prisma taucht in die zu untersuchende Probe ein, die evaneszenten Ausläufer der geführten Welle gehen mit der Probe eine Wechselwirkung ein.

Gut geeignet ist die Wechselwirkung von evaneszenten Anteilen geführter Wellen mit zu untersuchenden Proben, wenn auf dem Wellenleiter adsorbierte Probenbestandteile nachgewiesen werden sollen (EP 1 70 376).

Auch die die Wechselwirkung von evaneszenten Anteilen geführter Wellen mit der Probe ausnutzenden bekannten technischen Lösungen bieten nicht die Möglichkeit einer weitgehenden Miniaturisierung der Photometer, eines Einsatzes zur Prozeßkontrolle, den simultanen Nachweis mehrerer Proben sowie eine weitgehende Automatisierung.

Ziel der Erfindung ist es, mit geringem gerätetechnischen Aufwand einen hohen Probendurchsatz zu erreichen und die Universalität der Anwendbarkeit zu erhöhen.

Die Aufgabe besteht darin, eine kompakte Photometereinheit zur Vermessung auch kleinster Probenmengen zu entwickeln, die es gestattet, in verschiedenen Ausführungsformen simultan und automatisch sowohl mehrere diskrete Proben bei gleichen oder verschiedenen Wellenlängen als auch kontinuierlich zugeführte Proben bei verschiedenen Wellenlängen analysieren zu können und die mit geringem gerätetechnischen Aufwand in periphere Technik integriert werden kann.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine photometrische Einrichtung zur automatischen Analyse kleinster Probenmengen, bei der in einer Photometereinheit spektral selektierte Strahlung nach der Wechselwirkung mit einer Probe durch strahlungsführende Mittel auf einen Empfänger gerichtet ist, und die Photometereinheit mit Mitteln zur Probenvorbereitung und Nachbehandlung gekoppelt ist, indem in einem Träger zumindest als Teil der strahlungsführenden Mittel mindestens eine Wellenleiterbahn implementiert ist, die mit ihrer Oberfläche zumindest in Abschnitten im optischen Kontakt mit mindestens einer Probe steht. Für jede Wellenleiterbahn sind in dem Träger implementierte Mittel zur Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in die Wellenleiterbahn vorgesehen. Der Träger ist auf einem Transportmittel befestigt, das einen Kontakt des Trägers mit den Mitteln zur Probenvorbereitung und Nachbehandlung herstellt.

Da die Wellenleiterbahnen gegenüber dem Trägermaterial einen höheren Brechungsindex besitzen, wird die elektromagnetische Strahlung zu der zu untersuchenden Probe und nach der Wechselwirkung mit dieser zum Empfänger oder einem anderen optischen Bauelement geführt.

Um Verluste bei der Führung der Strahlung zu vermeiden, bestehen der Träger und die Wellenleiterbahnen aus einem für die zu führende Strahlung transparenten Material.

Zur Aufnahme der zu untersuchenden Proben sind entweder auf den Probenträger aufgesetzte Probengefäße oder ein durch den Träger geführter Kanal vorgesehen.

Sind auf den Träger Probengefäße aufgesetzt, verlaufen die implementierten Wellenleiterbahnen parallel zur Oberfläche des Trägers und schließen mit der Oberfläche ab. Der Boden oder eine Wand jedes Probengefäßes wird durch den Wellenleiterträger mit wenigstens einer implementieren Wellenleiterbahn gebildet.

Die evaneszenten Ausläufer der in den Wellenleiterbahnen geführten Wellen werden auf Grund ihrer Wechselwirkung mit der Probe absorbiert. Durch Vermessen der Intensität der geführten Welle mit einem Empfänger am Ende der Wellenleiterbahn, vor und nach Einbringen der Probe in ein Probengefäß, ist die Extinktion der Probe und daraus abgeleitete Größen (z. B. Konzentration) bestimmbar.

Da eine effektive Wechselwirkung der evaneszenten Ausläufer einer geführten Welle mit der Probe nur in einer Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge der geführten Mode erfolgt, reichen bereits sehr geringe Probenmengen für eine Messung aus.

Um diese kleinen Probenmengen gleichmäßig über die Wellenleiterbahn nach dem Pipettieren zu verteilen, sind Mittel zur Verteilung der Probe in der Küvette von Vorteil, die im einfachsten Fall im Aufdrücken einer Abdeckung auf die Probe bestehen, analog dem aus der Mikroskopie bekannten Deckglas. Die Analysengeschwindigkeit läßt sich durch die Anordnung mehrerer Probengefäße auf jeder Wellenleiterbahn erhöhen. Dazu werden die Proben nacheinander in die Probengefäße pipettiert, wobei folgender Meßzyklus eingehalten wird:

• 1. Vermessen der Strahlungsintensität am Ende der Wellenleiterbahn
• 2. Pipettieren in das erste Probengefäß und Vermessen am Ende der Wellenleiterbahn
• 3. Pipettieren in das zweite Probengefäß und Vermessen am Ende der Wellenleiterbahn, usw.

Vorteilhaft ist es, die Begrenzung der Probengefäße, die durch die Wellenleiterbahn gebildet wird oder die die Wellenleiterbahn trägt, zu beschichten. So wird durch lösungsmittelabweisende und probenadsorbierende Substanzen, deren Schichtdicke klein gegen die Wellenlänge der geführten Mode und für diese nicht absorbierend ist, die Nachweisempfindlichkeit erhöht werden.

Neben Transmissions- und Extinktionsmessungen ist es mit der beschriebenen Einrichtung auch möglich, die Fluoreszenz der durch die evaneszenten Wellen angeregten Probe zu messen. Zu diesem Zweck wird eine weitere Begrenzungswand der Probengefäße als Strahlungsempfänger ausgebildet bzw. ein solcher einer transparenten Begrenzungswand des Probengefäßes benach­ bart.

Durch die beschriebene Wechselwirkung mit den evaneszenten Ausläufern der geführten Welle werden Oberflächenbereiche der Probe in unmittelbarer Nähe des Wellenleiters vermessen. Sollen Volumenbereiche in die Messung einbezogen werden, wird die Wand des Probengefäßes, die senkrecht zur Längsausdehnung der Wellenleiterbahn steht, als Auskoppelprisma für elektromagnetische Strahlung aus der Wellenleiterbahn ausgebildet. Der Brechungsindex dieses Auskoppelprismas ist gleich oder größer als der der Wellenleiterbahn.

Zur Vermessung der Extinktion wird die dem Auskoppelprisma gegenüberliegende Wand des Probengefäßes als Strahlungsempfänger ausgebildet oder die dem Auskoppelprisma gegenüberliegende Wand des Probengefäßes ist transparent ausgebildet, und es ist ihr ein Strahlungsdetektor nachgeordnet.

Zur Vermessung der Fluoreszenz steht die als Strahlungsdetektor ausgebildete Wand bzw. der ihr nachgeordnete Empfänger senkrecht zum Auskoppelprisma.

Statt des Auskoppelprismas kann auch ein Auskoppelgitter verwendet werden, das sich auf der implementierten Wellenleiterbahn befindet und eine Wand der Probenküvette bildet.

Wird die Probe nicht in aufgesetzte Küvetten pipettiert, sondern durch einen Kanal im Träger gepumpt, so sind die Wellenleiterbahnen in dem Träger so implementiert, daß sie zumindest abschnittsweise eine Wand des Kanals bilden. Die photometrische Messung erfolgt durch die Wechselwirkung der evaneszenten Ausläufer der geführten Wellen mit der Probe.

Fluoreszenzmessungen sind durchführbar, indem die der Wellenleiterbahn gegenüberliegende Wand des Kanals als Strahlungsempfänger ausgebildet wird, oder die Wand ist transparent ausgebildet und ihr ist ein Strahlungsempfänger nachgeordnet.

Simultane Messungen sowohl mehrerer Proben als auch gleicher Proben bei verschiedenen Wellenlängen werden durch die erfindungsgemäße Einrichtung mit mehreren in dem Träger implementierten Wellenleiterbahnen ermöglicht, in denen polychromatische oder monochromatische Strahlung geführt wird. Bei der Führung polychromatischer Strahlung wird das Ende des Wellenleiters, an dem die Strahlung austritt, über ein abbildendes holographisches Gitter auf eine Empfängeranordnung, wie z. B. ein Diodenarray oder eine CCD-Zeile bzw. -matrix, abgebildet. Damit ist es möglich, durch die Wechselwirkung der evaneszenten Wellen mit der Probe die spektrale Abhängigkeit der Probe simultan zum messen.

Zur Einkopplung von monochromatischer Strahlung in die Wellenleiterbahnen werden entweder ein Einkoppelgitter, ein Einkoppelprisma oder eine am Beginn einer jeden Wellenleiterbahn in den Träger integrierte monochromatische Laserlichtquelle vor­ gesehen.

Zur Einkopplung von monochromatischer Strahlung mittels Gitter oder Prisma wird der Effekt ausgenutzt, daß ein Wellenleiter bei einer bestimmten Wellenlänge zur Strahlung führt, die unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten "Zick-Zack-Winkel", in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Damit ist es möglich, aus einem polychromatischen parallelen Strahlenbündel durch die Vorgabe des Einfallswinkels auf das Gitter bzw. Prisma monochromatische Strahlung in die Wellenleiterbahnen einzukoppeln. Das polychromatische Strahlenbündel wird deshalb über einen für jede Wellenleiterbahn unabhängig voneinander variierbaren Spiegel auf das Einkoppelprisma oder -gitter gerichtet.

Fällt konvergente polychromatische Strahlung auf das Einkoppelgitter bzw. -prisma, so wird in die Wellenleiterbahn polychromatische Strahlung eingekoppelt.

Die Laserlichtquellen am Beginn einer Wellenleiterbahn sind vorteilhafterweise als Laser mit verteilter Rückkopplung ausgebildet, die entweder optisch oder elektrisch gepumpt werden.

Es ist außerdem von Vorteil, wenn in dem Träger zusätzlich elektrische Leitungsbahnen implementiert sind, die zur Proben­ temperierung und deren definierter Regelung dienen.

Ein automatischer Kreisprozeß für den Meßablauf wird realisiert, indem der Träger nacheinander und zyklisch mit den Mitteln der Probendosierung und der Verteilung der Proben als Mittel der Probenvorbereitung und den Mitteln zur Nachbehandlung, die in der Säuberung der Meßflächen besteht, in Kontakt gebracht wird, so daß ein Zusammenwirken erfolgen kann.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung eines Trägers gemäß der Erfindung

Fig. 2 einen weiteren erfindungsgemäßen Träger

Fig. 3 ein erstes Probengefäß

Fig. 4 ein zweites Probengefäß

Fig. 5 einen Träger, der für Durchflußmessungen geeignet ist

Fig. 6 die Anordnung von erfindungsgemäßen Trägern auf einer rotierenden Trommel als Transportmittel

Nach Fig. 1 sind in einem Träger 1 ein Einkoppelgitter 2 und zwei Wellenleiterbahnen 3, 4 implementiert. Als Küvetten 6, 7, 8 und 9 ausgebildete Probengefäße sind auf den Träger 1 so aufgesetzt, daß deren Böden durch den Träger 1 mit den an dessen Oberfläche verlaufenden Wellenleiterbahnen 3, 4 gebildet werden und deren Seitenwände aus Material beschaffen sind, dessen Brechungsindex kleiner als der der Wellenleiter ist. Polychromatische Strahlenbündel 10, 11, die von nichtdargestellten Strahlungsquellen ausgehen, sind über voneinander unabhängig verstellbare Spiegel 12, 13 auf das Einkoppelgitter 2 gerichtet. Detektoren 14, 15 sind den Wellenleiterbahnen 3, 4 mit geringem Abstand von ca. 0,1 mm nachgeordnet.

Durch die über die Spiegel 12, 13 auf das Einkoppelgitter 2 gerichteten Strahlenbündel 10, 11 werden in Abhängigkeit vom Einfallswinkel in den Wellenleiterbahnen 3, 4 Strahlungsmoden mit unterschiedlicher Wellenlänge λ angeregt, die sich aus der Gleichung

λ = d (sin α + sin ϕ)

für die Beugung am Gitter (1. Ordnung) bei schrägem Strahlungseinfall bestimmt. Es sind

d = Gitterkonstante
α = Einfallswinkel
ϕ = "Zick-Zack"-Winkel der geführten Strahlung im Wellenleiter

Durch ein geblazetes Gitter wird die Einkoppeleffektivität erhöht.

Das Einkoppelgitter 2 ist natürlich auch durch ein äquivalent wirkendes Prisma zu ersetzen. Die photometrische Messung von vorwiegend flüssigen Proben, die sich in den Probenaufnahmegefäßen befinden, erfolgt durch die Absorption der evaneszenten Ausläufer der in den Wellenleiterbahnen 3, 4 geführten Moden durch die Proben, wobei bereits eine Schichtdicke von einigen µm ausreichend ist.

Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit ist es möglich, auf die Oberfläche des Trägers 1 eine lösungsmittelabweisende und probenadsorbierende Substanz als Schicht von 1 nm bis 10 nm Dicke aufzutragen. Bei wasserlöslichen Proben ist beispielsweise Phenylsilan geeignet.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Lösung sind in den Träger 1 neben den Wellenleiterbahnen 3, 4 auch Strahlungsquellen 16, 17 integriert. Diese sind als distributed-feedback-Laser (DFB-Laser) ausgebildet, die durch die Strahlenbündel 10, 11 optisch gepumpt werden. Je nach der Periode der Modulation des Brechungsindex des DFB-Lasers ist die in den Wellenleiter eingekoppelte Wellenlänge festgelegt.

Für die beschriebenen Lösungen sind auch Probengefäße 18 (Fig. 3) einsetzbar, deren eine Küvettenwand als Auskoppelprisma 19 mit einem Brechungsindex größer oder gleich dem Brechungsindex der Wellenleiterbahnen 3 oder 4 ausgebildet ist. Die dem Auskoppel­ prisma 19 gegenüberliegende Küvettenwand stellt dann einen Strahlungsempfänger 20 dar. Die photometrische Messung mit diesen Küvetten erfolgt nicht durch die Absorption evaneszenter Wellen, sondern durch die Absorption der mit dem Auskoppelprisma 19 aus den Wellenleiterbahnen 3, 4 ausgekoppelten Strahlung, die nach Durchgang durch die Probe im Probengefäß 18 mit dem Detektor 20 registriert wird.

Bei Fluoreszenzmessungen ist eine senkrecht zum Auskoppelprisma 19 gerichtete Wand als Strahlungsempfänger ausgebildet. Für beide beschriebenen Meßarten besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Strahlungsempfänger der jeweiligen Probengefäßwand, die dann für die Strahlung transparent sein muß, nachzuordnen.

Das in Fig. 4 dargestellte Probengefäß 21, dessen Öffnung nach oben weist, ist über ein Auskoppelgitter 22, das direkt auf die Wellenleiterbahn 3 (oder 4) aufgebracht ist, optisch mit der Wellenleiterbahn 3 (oder 4) verbunden. Auf die dem Aus­ koppelgitter 22 gegenüberliegende Probengefäßwand ist eine Photodiode 23 als Empfänger aufgebracht.

Analog dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist die Probengefäßwand, der die Photodiode 23 nachgeordnet ist, auch selbst als Photodiode ausbildbar.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Träger 1 sind ebenfalls wie im Beispiel nach Fig. 2 Strahlungsquellen 16, 17 integriert. Durch den Träger 1 ist ein Kanal 24 hin­ durchgeführt, durch den Probenflüssigkeit für eine kontinuierliche Analyse gepumpt werden kann. Ein Teil einer Wand des Kanals 24 wird durch Abschnitte der Wellenleiterbahnen 3, 4 gebildet.

Auch in diesem dargestellten Beispiel ist eine Wand des Kanals als Strahlungsempfänger ausbildbar oder der Wand ist ein solcher nachordenbar, um Fluoreszenzmessungen durchführen zu können.

Soll in den Wellenleiterbahnen 3, 4 polychromatische Strahlung zur Probenuntersuchung geführt werden, bilden bei allen Beispielen die Enden der Wellenleiterbahnen 3, 4 Eintrittsspalte eines Polychromators, bei dem die eintretende Strahlung durch ein abbildendes holographisches Gitter auf eine Empfängeranordnung gerichtet ist.

Da für eine derartige Polychromatoranordnung hinreichend bekannte Beispiele existieren, soll auf die zeichnerische Darstellung verzichtet werden.

Des weiteren sind in allen Trägervarianten elektrische Leitungsbahnen zu Temperierzwecken vorsehbar.

In Fig. 6 sind drei Träger 1, 1′, 1″ auf einem um eine Achse 25 rotierenden Trägerrahmen 26 befestigt, so daß zyklisch drei verschiedene Stellungen durchlaufen werden können, in denen Dosieren, Messen, Reinigen und Trocknen erfolgt.

Claims (15)

1. Einrichtung zur automatischen photometrischen Analyse kleinster Probenmengen, bei der in einer Photometereinheit spektral selektierte Strahlung nach der Wechselwirkung mit einer Probe durch strahlungsführende Mittel auf einen Empfänger gerichtet ist, und die Photometereinheit mit Mitteln zur Probenvorbereitung und Nachbehandlung gekoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Träger zumindest als Teil der strahlungsführenden Mittel mindestens eine Wellenleiterbahn implementiert ist, die mit ihrer Oberfläche zumindest in Abschnitten im optischen Kontakt mit mindestens einer Probe steht, und für jede Wellenleiterbahn in dem Träger implementierte Mittel zur Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in die Wellenleiterbahn vorgesehen sind, und daß der Träger auf einem Transportmittel befestigt ist, das einen Kontakt des Trägers mit den Mitteln zur Probenvorbereitung und Nachbehandlung herstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wellenleiterbahnen parallel zur Oberfläche des Trägers verlaufen und mit dieser abschließen und auf jede Wellenleiterbahn mindestens ein Probengefäß aufgesetzt ist, so daß eine räumliche Begrenzung durch den Träger gebildet und der optische Kontakt hergestellt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wellenleiterbahnen zumindest abschnittsweise eine Wand eines in dem Träger als Probengefäß vorgesehenen Kanals bilden, durch den die zu untersuchende Probe gepumpt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Träger zur Heizung mit elektrischen Leitungsbahnen durchzogen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung des optischen Kontaktes zusätzlich ein Gitter zwischen Wellenleiterbahn und Probenküvette vorge­ sehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur polychromatischen Einkopplung konvergenter polychromatischer Strahlung in die Wellenleiterbahnen mindestens ein Gitter oder Prisma vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur Einkopplung spektral selektierter Strahlung in die Wellenleiterbahnen mindestens ein in den Träger implementiertes Gitter vorgesehen ist, auf das parallele polychromatische Strahlung unter veränderbarem Einfallswinkel gerichtet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur Einkopplung spektral selektierter Strahlung in die Wellenleiterbahnen mindestens ein Prisma vorgesehen ist, auf das parallele polychromatische Strahlung unter veränderbarem Einfallswinkel gerichtet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur Einkopplung spektral selektierter Strahlung in die Wellenleiterbahnen für jede Wellenleiterbahn in dem Träger eine optisch oder elektrisch gepumpte Laserlichtquelle integriert ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Laserlichtquellen in ihrer Wellenlängenausstrahlung abstimmbar sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die im optischen Kontakt mit einer Wellenleiterbahn stehende Begrenzung eines Probengefäßes mit einer Schicht von 1 nm bis 10 nm Dicke belegt ist, die lösungsmittelabweisend und probenadsorbierend ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die den Mitteln zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung zugewandte Probengefäßwand als Auskoppelprisma ausgebildet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 2, 3, 5 oder 12, gekennzeichnet dadurch, daß eine weitere Probengefäßwand als Strahlungsempfänger ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 2, 3, 5 oder 12, gekennzeichnet dadurch, daß einer weiteren Probengefäßwand, die strahlungstransparent ausgebildet ist, ein Strahlungsempfänger nachgeordnet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Strahlungsaustrittsende wenigstens einer Wellenleiterbahn als Eintrittsspalt eines Polychromators dient, und die austretende Strahlung über ein abbildendes holographisches Gitter auf eine Empfängeranordnung gerichtet ist.