DE4227813A1 - Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung einer zu analysierenden Probe - Google Patents

Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung einer zu analysierenden Probe

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen in-vitro oder in-vivo Bestimmung einer zu analysierenden Probe mittels abge­ schwächter Totalreflexion unter Verwendung wenigstens einer Strahlungsquelle, eines ATR-Elementes sowie einer Detektoreinheit.
Bekannt ist ein 1961 von Harrick und Fahrenfort erstmals beschriebenes Analyseverfahren für stark absorbierende Stoffe, die sogenannte "abgeschwächte Totalreflexion" (Attenuated Total Reflectance, ATR). Es ist eine Re­ flexionsmethode, die sich die physikalischen Erscheinungen an der Grenzfläche zweier optisch verschieden dichter Medien zunutze macht.
Trifft ein Lichtstrahl in einem Medium mit hohem Brechungsindex n2 schräg auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium mit n1, so wird der Strahl, wenn der Einfallswinkel α (Winkel zwischen einfallendem Licht­ strahl und Lot auf der Grenzfläche) den Grenzwinkel der Totalreflexion übersteigt, in das optisch dichtere Medium zurückreflektiert. Ein Teil der elektromagnetischen Ener­ gie dringt aber trotzdem einige Lichtwellenlängen tief in das optisch dünnere Medium ein (Oberflächenwellen).
Kehrt die Energie dieses Anteils wieder völlig in das Medium mit höherem Brechungsindex zurück, dann spricht man von Totalreflexion. Wird aber die ins optisch dünnere Medium eingedrungene elektromagnetische Strahlung absor­ biert, dann fehlen die entsprechenden Wellenlängen bzw. Energieanteile im reflektierten Strahl.
Auf dieser Grundlage beruht nun die ATR-Technik. Sie er­ fordert eine spezielle optische Einrichtung, die üblicher­ weise im Probenraum eines Spektrometers unterzubringen ist. Der ATR-Zusatz besteht aus einem Spiegelsystem, das den einfallenden Strahl in einen Kristall meist in der Form eines trapezförmig geschnittenen Prismas von hohem Reflexionsvermögen (z. B. KRS5, Ge, AgCI, o. ä.) lenkt, der mit der zu untersuchenden Probenoberfläche in Kontakt steht. In der ursprünglichen Anordnung von Fahrenfort kommt es an der Grenzfläche zwischen Kristall und Probe einmal zur Totalreflexion. Heute verwendet man meistens flache Kristallplatten, an die die Probe von beiden Seiten angedrückt wird. Die Strahlung tritt durch das abgeschräg­ te schmale Ende in den Kristall ein, wird zwischen den Oberflächen (bis zu 50 mal) hin und her reflektiert und verläßt denselben durch das andere schmale Kristallende. Dieser ATR-Typ wird deshalb auch als "Vielfachreflexions­ einheit", die Methode als FMIR (frustrated multiple internal reflection) oder auch nur MIR bezeich­ net.
Aus den bereits erwähnten physikalischen Grundlagen folgen nun die Bedingungen und die Möglichkeiten der ATR-Technik. Für das Zustandekommen eines ATR-Spektrums sind folgende Punkte maßgebend:
  • - Der Unterschied der Brechungsindizes von Re­ flexionselement und Probe bei einer gewählten Wellenlänge,
  • - der Einfallswinkel α,
  • - die Absorption der Probe,
  • - der optische Kontakt zwischen ATR-Kristall und Probe,
  • - die Anzahl n der Reflexionen innerhalb des Kristalls,
  • - die ausgeleuchtete Fläche des Kristalls,
  • - die Eindringtiefe der Oberflächenwelle in die Probe.
Quantitative Messungen waren mit der ATR-Technik bisher in der Regel nicht möglich, da der Kontakt zwischen Probe und Reflexionselement vom Anpreßdruck bzw. von der Oberflächenbeschaffenheit der Probe abhängt.
Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer zu analysierenden Probe anzugeben, mit der sich sowohl qualitative als auch quantitative Bestimmungen mit hoher Genauigkeit nicht nur in vitro sondern auch in vivo durchführen lassen. Gegenüber den bekannten Vor­ richtungen sollen dabei in erster Linie die Analyse- /Meßgenauigkeit verbessert sowie das Nachweisvermögen, welches ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung der Güte eines Analyseverfahrens ist, erheblich erhöht werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Meßkopf in miniaturisierter Form zu ent­ wickeln, der die Baugröße der herkömmlichen ATR-Zusätze um Größenordnungen unterschreitet.
Ein erfindungsgemäßer miniaturisierter Meßkopf eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, die weit über jene des heutigen Standes der Technik hinausgehen.
Der Erfindung liegt u. a. die überraschende Erkenntnis zugrunde, das dieses Ziel z. B. durch die Verwendung eines ATR-Elementes einfachster geometrischer Form, nämlich halbzylindrisch oder halbkugelförmig, erreicht werden kann. Entgegen dem Stand der Technik werden also keine aufwendig geformten Kristalle, die üblicherweise nicht nur teuer, sondern auch sehr empfindlich und bisweilen sogar giftig (KRS5!) sind benötigt, sondern es gelangen z. B. einfache handelsübliche plankonvexe Mikrolinsen aus Glas oder Kunststoff, welche die Form von Halbkugeln besitzen, zum Einsatz.
Als Primärstrahlungsquelle werden, entgegen dem Stand der ATR-Technik, single- oder multimodige Laserdioden (Fabry-Perot-Typ) mit je nach Analysenaufgabe unter­ schiedlicher Wellenlänge benutzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt u. a. keinen Monochromator. Singlemodige Laserdioden senden beispielsweise selbst streng monochromatische Strahlung aus.
Als Strahlungsdetektoren werden, abhängig von den emittierten Wellenlängenbereichen der als Primärstrahlungsquelle(n) eingesetzten Laserdiode(n) einfache (üblicherweise ungekühlte) Photodioden (z .B. Ge-Detektoren) verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung erübrigt den Einsatz teurer Diodenarrays oder Photomultiplier.
Erfindungsgemäß wird deshalb eine Vorrichtung geschaf­ fen, die einerseits das ATR-Element aufnimmt, anderer­ seits aber auch als Halterung für eine oder mehrere Laserdioden dient und darüberhinaus einer oder mehreren (je nach Anzahl der eingesetzten Laserdioden) Photodioden Halt bietet. Die plane Fläche des ATR- Elementes liegt in einer Ebene (im weiteren Text "Grundfläche" genannt) mit der besagten Aufnahmevor­ richtung und dient später zur Aufnahme der Probens­ ubstanz, bzw. kann z. B. gegen die zu untersuchende Probensubstanz gepreßt werden. Die gekrümmte Grenzfläche des ATR-Elementes ragt in die besagte Auf­ nahmevorrichtung hinein und verschließt dabei gleich­ zeitig einen Hohlraum der als Lichtfalle dient und unterschiedlich gestaltet sein kann.
Die Laserdiode wird innerhalb der besagten Vorrichtung so angeordnet, daß sie unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion für das entsprechen­ de Medium auf den Mittelpunkt (bzw. bei halbzylinder­ förmigen ATR-Elementen die Mittellinie) des ATR-Elemen­ tes zielt. Eine zu der Laserdiode korrespondierende Photodiode wird unter demselben Winkel, jedoch auf der der Laserdiode gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung befestigt. Zu beachten ist hierbei, daß Einstrahlungs­ winkel (Laserdiodenseitig) und Ausstrahlungswinkel (Detektorseitig) genau gleich sein müssen.
Entsprechendes gilt natürlich bei der Verwendung mehre­ rer Laserdioden: Die Aufnahmevorrichtung erlaubt den Einsatz (nahezu) beliebig vieler Laserdioden und der dazugehörigen Anzahl von Photodioden. Diese können je nach Form des verwendeten ATR-Elementes parallel zu bzw. kreisförmig um dieses herum angeordnet sein. Wie man leicht sieht können nach diesem Prinzip viele un­ terschiedliche Konstellationen realisiert werden, z. B. mehrere Laserdioden mit derselben Wellenlänge aber unterschiedlichem Einstrahlwinkel, oder aber mehrere Laserdioden mit unterschiedlicher Wellenlänge aber gleichem Einstrahlwinkel, oder auch Kombinationen bei­ der Möglichkeiten.
Die Wellenlänge der von Laserdioden emittierten Strah­ lung ist stark temperatur- und stromabhängig. Üblicher­ weise wird daher versucht neben einer entsprechenden Strom- oder Leistungsstabilisierung auch die Temperatur möglichst konstant zu halten. Entsprechend dem Stand der Technik wird dies meist durch Kühlung der Laser­ dioden durch Ventilatoren, Peltierelemente, Verwendung von flüssigem Stichstoff o. ä. realisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die überra­ schende Erkenntnis zugrunde, daß eine geeignete Tempe­ raturregelung der Laserdiode auch durch Verwendung von Thermistoren ermöglicht wird. Insbesondere geschieht das durch Verwendung von Kaltleitern (PTC-Widerständen) welche als Heizelemente eingesetzt werden um die Tempe­ ratur der Laserdiode auf einen Wert oberhalb der Umge­ bungstemperatur, welcher durch den Laserstrom allein nicht erreicht wird, hochzuheizen. Aufgrund ihrer spe­ ziellen Kennlinie können die verwendeten Kaltleiter gleichzeitig als Regelelemente eingesetzt werden. Ein (ggf. auch mehrere) PTC-Widerstand wird dabei erfin­ dungsgemäß mit dem Gehäuse der Laserdiode, vorzugsweise mit dem Flansch, in Kontakt gebracht.
Beschrieben wird eine Vorrichtung (Meßkopf, Sensorkopf) zur qualitativen und/oder quantitativen in-vitro oder in-vivo Bestimmung der Zusammensetzung einer zu analy­ sierenden Probe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Kombination folgender Merkmale auf:
  • - es ist mindestens eine Laserdiode vorgesehen, welche unter einem bestimmten Winkel Strahlung aussendet in
  • - ein geometrisch einfachst gestaltetes ATR-Element auf dessen planer Grundfläche die zu untersuchende Proben­ substanz positioniert werden kann
  • - sowie mindestens ein zur Laserdiode korrespondieren­ der Strahlungsdetektor,
  • - ferner enthält die Vorrichtung mindestens einen PTC- Widerstand zur Temperaturregelung der Laserdiode.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbe­ sondere durch ihre Einfachheit aus, welche eine äußerst geringe Baugröße ermöglicht. Daraus resultiert ein weites Feld von Anwendungsmöglichkeiten, von denen abschließend nur noch einmal der Einsatz zur Analyse menschlichen Gewebes, insbesondere zur in vivo Untersu­ chung von Körperflüssigkeiten sowie ganz speziell zur non-invasiven Bestimmung von Bestandteilen des mensch­ lichen Blutes (Blutglucose, Cholesterin, Alkohol, etc.) erwähnt werden soll.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen in- vitro oder in-vivo Bestimmung einer zu analysierenden Probe mittels abgeschwächter Totalreflexion unter Verwendung wenigstens einer Strahlungsquelle, eines ATR-Elementes sowie einer Detektoreinheit, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • - die Strahlungsquelle erzeugt einen auf das ATR-Ele­ ment gerichteten Primärstrahl, der das ATR-Element unter dem Winkel α, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion αT am Übergang vom optisch dichteren zum dünneren Medium ist, trifft,
  • - an wenigstens einer Seite des ATR-Elementes ist die zu analysierende Probe anbringbar, deren obeflächennahe Schicht in Wechselwirkung mit der Primärstrahlung tritt,
  • - eine zum Einfallswinkel der Primärstrahlung in das ATR-Element korrespondierende Detektoreinheit detek­ tiert die aus dem ATR-Element austretende Strahlung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Proben­ substanz ein Meßstrahl erdorderlich ist, der in selbstkalibrierender Weise am Detektor ein in Abhängig­ keit von der Meßprobe stehendes Meßsignal erzeugt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Laserdiode ist, deren Wellenlängenstabilität u. a. durch Temperaturkonstantregelung gewährbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung mit einem Kaltleiter (PTC-Widerstand) derart vornehmbar ist, daß eine konstante Temperatur oberhalb der Umge­ bungstemperatur einstellbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung mit einem Peltierelement derart vornehmbar ist, daß eine gewünschte Temperatur einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ATR-Element eine halb­ zylindrische, halbkugelige oder irreguläre Form auf­ weist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ATR-Element eine plankonvexe Mikrolinse aus Glas oder Kunststoff ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode bevorzugter­ weise im Multi-Mode, gegebenenfalls auch im Single- Mode betreibbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit aus einer ungekühlten Photodiode besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fassungsteil vorgesehen ist, das eine kompakte Zusammensetzung des ATR-Elementes mit wenigstens einer Strahlungsquelle, die mit einem PTC-Widerstand kombinierbar ist, und Detektoreinheiten entsprechender Anzahl ermöglicht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das ATR-Element derart in die Fassung einbringbar ist, daß es mit seiner ge­ wölbten Oberseite in das Innere einer vorgesehenen Ausparung in der Fassung einbringbar ist und dadurch einen inneren Hohlraum einschließt, der als Lichtfalle dient.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Inneren der Aus­ sparung ein weiterer Detektor in Kombination zu einem Körper mit lichtsammelnden Eigenschaften befindet, der zur Messung der Reflektanzstrahlung dient.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle und zugehörige Detektoreinheit gemäß Einfalls- und Ausfallswinkel angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der Lichtquelle sowie die zugehörige Temperaturregelung selbstkalibrierend ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der physikali­ schen Parameter Temperatur, Leistung, Stromstärke sowie weitere physikalische Parameter je nach Auflagendruck der Probe zur Bestimmung der Probensubstanz heranzieh­ bar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der physika­ lischen Änderungen der Luft, z. B. der Temperatur zur Bestimmung der Probensubstanz heranziehbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der von der Probe und der Luft verursachten Änderungen der physikalischen Parameter durch geeignete mathematische Auswertealgorithmen, bspw. durch multilineare Regressi­ on, erfolgt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch ortsabhängige Dotierung des Laserchips der Primärstrahlungsquelle bzw. durch Änderung der Stromstärke dessen innere Struktur derart änderbar ist, daß eine unterschiedliche Elektronendichte erzielbar ist, die eine Orts­ abhängigkeit des Brechungsindex bewirkt, so daß eine Aussendung von mehreren Strahlungsbündeln gleicher und/oder unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Primärstrahlungsquelle mehr als ein Strahlungsbündel in das ATR-Element einstrahlbar ist, das unterschied­ lichen Wechselwirkungen mit der Probe in unterschied­ licher Eindringtiefe unterliegt.
20. Verfahren unter Anwendung der Vorrichtung gemäß Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierte Strahlung je nach Bedarf vor und/oder nach jeder Probenanalyse durch einer Referenzmessung an Luft gemessen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20 zur non-invasiven Be­ stimmung von Blutbestandteilen, bspw. Blutglucose, Cholesterin, Alkohol etc. dadurch gekennzeichnet, daß eine blutdurchströmte Hautstelle, vorzugsweise im Bereich eines Fingerab­ drucks, derart auf die Meßoberfläche des ATR-Elements auflegbar ist, daß der Meßerfolg vollständig bzw. weitgestgehend unabhängig vom Auflagedruck der Haut­ stelle ist.
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